郭太良，繆煌輝，林淑顏，郭 騫，葉 蕓，陳恩果，徐 勝

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，平板顯示技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350116)

1 引 言

傳統(tǒng)液晶面板中，由于彩色濾光片(Color filter, CF)對(duì)進(jìn)入光線的阻隔作用，損失了約2/3的能量，使得液晶顯示器的能量利用率較低[1-3]。隨著量子點(diǎn)(Quantum dot，QD)技術(shù)的發(fā)展，將量子點(diǎn)封裝成彩色濾光膜的方案來實(shí)現(xiàn)光色轉(zhuǎn)換的方式日益受到重視。量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)的工作原理是以藍(lán)光LED作為側(cè)入式背光源，經(jīng)過導(dǎo)光板轉(zhuǎn)化成為均勻出光的藍(lán)色面光源，量子點(diǎn)陣列層置于液晶層之上，受到藍(lán)光激發(fā)產(chǎn)生與該子像素相對(duì)應(yīng)顏色的單色光。由于沒有了傳統(tǒng)彩色濾光片對(duì)光線的吸收作用，該結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大幅增加。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)則是高效的反應(yīng)時(shí)間，因?yàn)橹挥兴{(lán)光通過液晶層，僅需要采用更薄的液晶層膜厚就能獲得相應(yīng)的相位差，更薄的液晶層意味著反應(yīng)時(shí)間的提升。與此同時(shí)，由于量子點(diǎn)光致發(fā)光的出光具有各向同性的特征，一定程度上也保證了器件具有較大的可視角度?？梢?，未來液晶顯示技術(shù)的重要發(fā)展方向之一就是采用量子點(diǎn)彩膜技術(shù)來提升液晶顯示的色域，改善畫質(zhì)并且同時(shí)降低顯示器的功耗[4-6]。2016年，韓國(guó)延世大學(xué) Kim等提出以白光機(jī)發(fā)光二極管作為背光激發(fā)紅綠量子點(diǎn)膜層，基于在圖案化的量子點(diǎn)膜上具有氣隙結(jié)構(gòu)，以通過回收不必要的光來提高光學(xué)效率[7]。同年，中山大學(xué)劉益坤等人通過匹配相應(yīng)的濾色器像素，將該量子點(diǎn)陣列進(jìn)一步放置在傳統(tǒng)的濾色器陣列上，以消除藍(lán)光串?dāng)_[3]。2017年，京東方齊永蓮等開發(fā)了量子點(diǎn)光刻膠替代彩色濾光片的方法，通過合成新型的量子點(diǎn)光刻膠,將其作為色彩轉(zhuǎn)換膜制備在彩色濾光片下方,通過背光激發(fā)量子點(diǎn)自發(fā)光,可得到色純度更高的紅綠光[8]。在此基礎(chǔ)上，本文通過仿真提出了一種防藍(lán)并提高光效的量子點(diǎn)彩膜新結(jié)構(gòu)。有助于在實(shí)驗(yàn)過程中有效減少實(shí)驗(yàn)步驟和降低實(shí)驗(yàn)成本，對(duì)分析量子點(diǎn)彩膜具有一定的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

2 基于分布式布拉格反射器的量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)

量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)中用藍(lán)色背光源激發(fā)量子點(diǎn)后會(huì)存在一個(gè)問題，其出光中會(huì)有大量的藍(lán)光摻雜而導(dǎo)致出光不純。如圖1(a)所示，當(dāng)量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)單用一層量子點(diǎn)膜層去轉(zhuǎn)化藍(lán)光時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需的單一顏色的效果，影響其單色出光性能。因此，如圖1(b)，需在量子點(diǎn)膜層中加入大量的散射粒子，從而達(dá)到增加光程提高藍(lán)光的轉(zhuǎn)化效率，減少量子點(diǎn)用量[9]。為了進(jìn)一步減少藍(lán)光的漏過率，現(xiàn)常見的解決方案是在量子點(diǎn)膜層上方再加入一層彩色濾光片[10]，如圖1(c)所示。

圖1 量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)對(duì)比。(a)量子點(diǎn)膜；(b)加入散色粒子的量子點(diǎn)彩膜；(c)量子點(diǎn)膜層中加入散色粒子配以彩色濾光片膜層；(d)量子點(diǎn)膜層中加入散色粒子配以LPF和SPF膜層。Fig.1 Quantum dot color filter structure comparison. (a) Quantum dot color filter; (b) Quantum dot color filter with Scattering particle; (c) Quantum dot color filter with dispersive particles and CF film layer; (d) Quantum dot color filter with dispersing particles LPF and SPF layers.

為了提高光效和防藍(lán)光，提出圖案化的帶通濾波器替代彩色濾光片來實(shí)現(xiàn)高效的量子點(diǎn)彩膜。如圖1(d)所示，分別在彩膜中設(shè)置上層的長(zhǎng)通濾波器(Long-pass filter，LPF)及下層的短通濾波器(Short-pass filter，SPF),這兩種濾波器為分布式布拉格反射器(Distributed Bragg reflector，DBR)，通過多對(duì)兩種不同折射率的材質(zhì)交替達(dá)到高反射率[11-12]。其對(duì)波段的選擇依賴于選用的材料及膜層的厚度，得到對(duì)不同波段選擇的分布式布拉格濾波器反射器[13]。通過兩層圖案化DBR膜層的作用，可使得未被量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換的藍(lán)光反射回來二次激發(fā)，而反向發(fā)射的紅綠光則被下層的低通濾波器再次向上出射，達(dá)到能量循環(huán)高效出光。

量子點(diǎn)彩膜中影響其出光效率和純度的主要因素在于藍(lán)光的光程，而改變藍(lán)光光程與量子點(diǎn)膜層厚度、膜層中量子點(diǎn)用量的比重和外部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。當(dāng)使用特定的量子點(diǎn)時(shí)，其量子效率不會(huì)改變，因此本文從外部結(jié)構(gòu)著手并調(diào)節(jié)膜層厚度和膜層中量子點(diǎn)用量的比重，進(jìn)行仿真研究，并對(duì)比圖1(c)與(d)兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)。

3 建模與仿真

在建立彩膜模型之前需對(duì)其中關(guān)鍵因素進(jìn)行設(shè)定，包括量子點(diǎn)及散射粒子參數(shù)的確定。為了與實(shí)際相符合，采用了實(shí)際紅綠量子點(diǎn)尺寸作為模型構(gòu)建的仿真參考。其中紅綠量子點(diǎn)粒子直徑分別為9 nm及6 nm，將其應(yīng)用于量子點(diǎn)彩膜相應(yīng)顏色子像素當(dāng)中并建立發(fā)光模型[14]。通過中心波長(zhǎng)為450 nm的藍(lán)色背光去激發(fā)模型子像素中的紅/綠量子點(diǎn)，研究量子點(diǎn)彩膜的色彩轉(zhuǎn)換情況。為了達(dá)到高光線轉(zhuǎn)換效率，采用不同量子點(diǎn)比重和不同厚度膜層的彩膜進(jìn)行模擬。

3.1 DBR膜層基本參數(shù)

DBR膜層是由高低不同折射率的材料多層交替的周期結(jié)構(gòu)，每層材料的光學(xué)膜厚為中心反射波長(zhǎng)的4倍材料折射率分之一，其禁帶的寬度通過設(shè)置膜層交替的對(duì)數(shù)來控制。本文使用SiO2及TiO2作為交替材料，通過調(diào)節(jié)膜層的厚度和對(duì)數(shù)達(dá)到兩種不同帶通的DBR[15]。

當(dāng)一定出射角度的面光源去測(cè)試DBR膜層與CF膜層的反射率和透射率，如圖2(a)所示了在平行光的情況下紅/綠/藍(lán)三色CF膜層以及兩種不同帶通的DBR膜層在400～700 nm之間透射率的變化。SPF透射490 nm以下的藍(lán)光并反射紅綠光，而LPF透射500～680 nm紅綠光并反射藍(lán)光。兩種濾波器在入射光角度小于40°時(shí)對(duì)波段選擇的透射率達(dá)到95%，其透射率大于CF紅光波段的透射率91%、綠光波段的透射率85%、藍(lán)光波段的透射率80%，但DBR的光學(xué)特性隨光入射角而改變，CF的光學(xué)特性對(duì)于所有角度都是相同[13]。如圖2(b)和2(c)所示,SPF和LPF在不同入射角時(shí)對(duì)波段的反射率，在入射光線角度小于40°的情況下，SPF對(duì)490～700 nm的紅綠光具有超過98%的高反射率有助于向下出射紅綠光的回收，LPF對(duì)400～500 nm的藍(lán)光也具有超過94%的高反射率可減少向上出射藍(lán)光的串?dāng)_。然而，隨著光線入射角度的增大，反射率也隨之降低。

圖2 (a)CF紅綠藍(lán)三色透光率和LPF、SPF膜層透光率;(b)SPF膜層對(duì)不同入射角度的反射率;(c) LPF膜層對(duì)不同入射角度的反射率。Fig.2 (a) Red, green and blue light transmittance of CF and the transmittance of LPF and SPF; (b) Reflectivity of SPF film to different incident angles; (c) Reflectivity of LPF film to different incident angles.

3.2 量子點(diǎn)膜層屬性分析

當(dāng)量子點(diǎn)彩膜不配以外部結(jié)構(gòu)時(shí)，自下而上的藍(lán)光主要被量子點(diǎn)膜層吸收和反射。藍(lán)光光束的強(qiáng)度將隨著入射深度的增加而逐漸減弱。由比爾(beer)定律可得，藍(lán)色光束在均勻量子點(diǎn)膜層中沿x向傳播，通過膜厚為dx的膜層后，光強(qiáng)由I變?yōu)镮-dI，光強(qiáng)的減少量dI比光強(qiáng)I與通過的介質(zhì)厚度dx成正比，即

(1)

其中：α是與光強(qiáng)無光的比例系數(shù)，稱為介質(zhì)吸收系數(shù)[16]。α吸收系數(shù)與量子點(diǎn)膜層中的量子點(diǎn)比重C成正比，即α=βC。因此出射光強(qiáng)I可以表示為

I=I0e-βCl，

(2)

圖3 以10%，20%，30%作為三因素的紅綠量子點(diǎn)膜藍(lán)光的透過率Fig.3 Blue light transmittance of the red-green quantum dot film with 10%, 20%, 30% as a three-factor

其中：l為膜層厚度，I0為初始光強(qiáng)，β為比例系數(shù)。如圖3所示為仿真實(shí)驗(yàn)得到膜層厚度l在0～10 μm的范圍內(nèi)藍(lán)光透過膜層的光通量變化情況。設(shè)置藍(lán)光初始光通量為10 lm，以實(shí)驗(yàn)中常用的量子點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，20%，30%作為三因素。仿真結(jié)果表明，隨著膜層厚度及量子點(diǎn)比重的增加，透過的光通量也隨之降低。紅綠量子點(diǎn)對(duì)藍(lán)光的吸收效率不一樣，紅色量子點(diǎn)吸收系數(shù)大于綠色量子點(diǎn)。通過對(duì)圖3中數(shù)據(jù)的擬合，分別得到紅/綠量子點(diǎn)膜層對(duì)藍(lán)光的出射強(qiáng)度Irb/Igb，可以表示為：

Irb=I0e-1.93Cl,
Igb=I0e-0.88Cl.

(3)

透過膜層的藍(lán)光占初始藍(lán)光一小部分，大部分藍(lán)光被膜層中量子點(diǎn)吸收進(jìn)行能量下轉(zhuǎn)換，發(fā)出對(duì)應(yīng)顏色的光。能量轉(zhuǎn)換后的光線以散射方式傳播，導(dǎo)致大部分光線無法向正方向出射。如圖4所示為不同膜厚下，轉(zhuǎn)換后的光線在正/反方向上的相對(duì)強(qiáng)度變化情況。當(dāng)膜層厚度增加時(shí)顏色發(fā)生改變，且總的光通量也隨之增加；但反向出光強(qiáng)度約是正向出光強(qiáng)度的2.1倍，表明大量轉(zhuǎn)換后的光線沒有得到有效利用。因此，需對(duì)反向出射的光線進(jìn)行高效的回收。

圖4 轉(zhuǎn)換后光線正/反向出射光強(qiáng)對(duì)比Fig.4 Contrast of positive/reverse exit light intensity after conversion

3.3 結(jié)果對(duì)比與討論

如圖5(a)所示，為紅色量子點(diǎn)膜層配以紅色彩色濾光片的光路圖，藍(lán)光激發(fā)紅色量子點(diǎn)膜層發(fā)出紅光而多余的藍(lán)光被紅色彩色濾光片吸收。由上述推導(dǎo)，可得出正面紅光出光強(qiáng)度Icr為：

Icr=0.91×Icr1=0.29×Ib0(1-e-1.93Cl)，

(4)

其中:Ib0為初始藍(lán)光光強(qiáng)，Icr1為透射過量子膜層的紅光強(qiáng)度，C為紅色量子點(diǎn)為占膜層中的比重，l為膜層厚度。由公式(4)所得該種結(jié)構(gòu)對(duì)光效利用率小于29%。以5 μm膜層及30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))紅色量子點(diǎn)代入公式(4)進(jìn)行計(jì)算，光線利用率為27%。由此可見，該種結(jié)構(gòu)由于大量光線被反向出射和被CF吸收，導(dǎo)致光效利用率較為低下。

如圖5(b)所示為紅色量子點(diǎn)膜層配以上下兩層DBR的光路圖。上層的LPF膜層將未轉(zhuǎn)換的藍(lán)光反射回來進(jìn)行多次利用，下層SPF膜層將經(jīng)量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換后反向出射的紅光進(jìn)行反射以實(shí)現(xiàn)正面出射。出射紅光強(qiáng)度Ir為：

Ir=0.95×(Ir1+Ir2)=0.63×Ib0(1-e-1.93Cl)，

(5)

其中：Ir1為第一次透過量子膜層的紅光強(qiáng)度，Ir2為光線多次利用后透過量子膜層的紅光強(qiáng)度。通過雙層濾波器使光線在結(jié)構(gòu)中振蕩并選擇出射，大大提高了膜層光線利用率。同樣以5 μm膜層及30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))紅色量子點(diǎn)代入公式(5)進(jìn)行驗(yàn)算，光線利用率為59%，而透射出膜層的藍(lán)光強(qiáng)度占初始藍(lán)光強(qiáng)度的0.5%，對(duì)于子像素顏色純度影響較小。

圖5 (a)CF結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)彩膜光路圖；(b)LPF和SPF膜層結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)彩膜光路圖。Fig.5 (a)CF structure quantum dot color film light path diagram; (b) LPF and SPF film structure quantum dot color film optical path diagram.

而相對(duì)于紅色量子點(diǎn)膜層，綠色量子點(diǎn)膜層轉(zhuǎn)化效率會(huì)更為低下。分別對(duì)綠色量子點(diǎn)膜層配以CF膜層結(jié)構(gòu)和DBR膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，出射綠光的強(qiáng)度Icb、Ib分別為：

Icb=0.27×Ib0(1-e-0.88Cl)，Ib=0.61×Ib0(1-e-0.88Cl).

(6)

因?yàn)榫G色量子點(diǎn)對(duì)藍(lán)光的吸收效率比紅色量子點(diǎn)低，導(dǎo)致下轉(zhuǎn)換出射的強(qiáng)度相對(duì)較低。

為了定量表示紅/綠子像素出光強(qiáng)度，通過仿真實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量?jī)煞N結(jié)構(gòu)出光的紅綠光譜。圖6為量子點(diǎn)彩膜在CF膜片以及DBR膜片下的光譜圖，通過積分分別計(jì)算在對(duì)應(yīng)顏色波長(zhǎng)范圍內(nèi)紅/綠光譜增強(qiáng)的光通量，結(jié)果表明，DBR結(jié)構(gòu)的紅/綠子像素光通量分別是CF結(jié)構(gòu)的2.19和2.26倍。

圖6 歸一化CF結(jié)構(gòu)與DBR結(jié)構(gòu)在紅綠子像素位置光譜Fig.6 Normalized CF structure and DBR structure in red-green sub-pixel position spectra

基于CIE 1931顏色空間面積比來分析CF和DBR兩種結(jié)構(gòu)的色域表現(xiàn)能力。由于影響色域主要因素在于光譜分布對(duì)色坐標(biāo)的改變。如圖6所示，當(dāng)使用相同量子點(diǎn)時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的紅色和綠色光譜的中心波長(zhǎng)相同，分別為628 nm和515 nm。在使用LPF濾波時(shí)，帶通的波段為500～670 nm，紅光可以無損的通過；而對(duì)于在480～500 nm波段范圍內(nèi)的綠光被阻隔，但與之同時(shí)半峰寬降低至27 nm。在CF結(jié)構(gòu)所匹配的綠色濾光片其帶通的波段為465～610 nm，在所濾波的波段中包含了一部分藍(lán)光波段，綠色子像素位置中會(huì)有大量的藍(lán)光會(huì)透射出來。如圖6中紅色箭頭所示，在綠色光譜中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)副峰，從而導(dǎo)致色域面積減小。因此如圖7所示，在NTSC標(biāo)準(zhǔn)下，加CF膜層的量子點(diǎn)膜的色域?yàn)镹TSC113%，而DBR結(jié)構(gòu)下的量子點(diǎn)膜色域?yàn)镹TSC128%。

圖7 CF結(jié)構(gòu)與DBR結(jié)構(gòu)的彩膜色域?qū)Ρ葓DFig.7 Comparison of color gamut of CF structure and DBR structure

4 結(jié) 論

本文主要針對(duì)量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，提出了以雙層DBR替換CF的新型量子點(diǎn)彩膜結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)比了CF和DBR結(jié)構(gòu)對(duì)波段透射率及反射率的影響。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)量子點(diǎn)膜層中量子點(diǎn)占用的比重及膜層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，擬合計(jì)算出膜層對(duì)藍(lán)光的透過率及利用率。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于CF結(jié)構(gòu)，雙層DBR的量子點(diǎn)彩膜光效增加了31%，并且紅/綠子像素的出光強(qiáng)度也分別增強(qiáng)為CF結(jié)構(gòu)的2.19倍和2.26倍；分析兩種結(jié)構(gòu)對(duì)色坐標(biāo)的影響，CF結(jié)構(gòu)和雙層DBR結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)彩膜的色域分別為NTSC116%和NTSC128%。