基于量子点网点微结构的背光源技术研究

徐 胜，徐玉珍，陈恩果，郭太良

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002)



基于量子点网点微结构的背光源技术研究

徐 胜，徐玉珍，陈恩果，郭太良

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002)

研究了一种基于导光板量子点网点微结构的背光新技术，提出了一个方案，即将红/绿量子点按合适的比例填充到导光板网点油墨中，然后以蓝光LED作为入射光源来激发导光板网点微结构中的红/绿量子点，以获得相应的红/绿光，并将其与剩余蓝光混合形成白光.在该方案中，重点研究了背光源白平衡的关键影响因素，其中包括红/绿量子点的合适配比、蓝光激发强度以及油墨等.最后，基于此技术试制了背光模组样机，并通过印刷方式加工了625 nm/525 nm的红/绿量子点网点的微结构，同时采用中心波长为450 nm的蓝光LED激发，通过测试，该样机输出的白光CIE1931色坐标为(0.3175,0.314)，色温为6 281K，色域覆盖率达到119.3%.实验结果表明：该方案可行性较高，是一种与传统侧入式背光生产工艺较为贴近的量子点背光源新方案.

背光源； 量子点； 网点； 白平衡； 色域

近几年来，量子点(Quantum Dot, QD)作为一种新型的纳米荧光材料，由于其具有发光峰窄、发光颜色可调等特点而使其非常适合于显示领域[1-3]，因而，将量子点应用于液晶背光结构成为背光技术研究的新热点之一[4-6].目前，最具代表性的技术是3M 公司提出的在量子点材料成膜后搭配蓝色LED 光源的背光模块结构，它已开始被应用到液晶显示器当中.当前，国内外知名显示器厂商，包括三星、LG、TCL、京东方等都已将研究重心逐步转移到量子点背光技术上，并开发出相应的量子点电视.

依据量子点在背光源结构中的不同位置，目前主流的量子点背光技术主要有3种方案，第一种是基于QD-LED的光源方案，这种方案由于QD-LED发热的缘故[7-9]，其量子点效率和寿命下降仍然是有待解决的问题；第二种是基于背光源出光表面的QDEF膜方案，尽管该方案应用独特的结构设计，有效地减弱了热量对量子点的影响，QDEF薄膜里面屏障层的存在也有利于隔水和隔氧，但是，该膜层在波长转换的同时，会造成光线进一步散射和产生损失，这大大降低了光的透过性[10-13]；第三种则是基于导光板入光侧的QD-Tube方案，在此方案中，额外地在入光侧加入了一条细长的封装有红/绿量子点的圆柱形灯管，然而，这种方法仍然存在光学加工较为困难和光耦合效率较低的问题.

鉴此，本文结合侧入式背光源导光结构，从传统的导光板网点制作工艺的角度出发，研究了一种基于导光板量子点网点微结构的背光源新方案，即将红/绿量子点进行合适的配比，然后与专用油墨进行均匀调配以形成量子点浆料，再通过丝网印刷或打印工艺将量子点浆料转移到导光板的下表面，经过低温烘干后，制成量子点网点微结构.这样做既能利用网点内油墨的良好光学散射特性，同时又可以通过专用油墨的保护防止网点内的量子点受到水和氧的侵蚀.显然，该方法不仅能有效解决热量对量子点的影响，而且也不需要用专用的量子点膜片来调节出光白平衡.针对此方案，本文从实验的角度出发，对基于量子点网点导光板的背光源结构、工作原理以及如何实现出光白平衡进行了详细的探讨和分析.

1 量子点网点背光源结构及工作原理

基于导光板量子点网点微结构的背光源光学结构与传统的侧入式LED背光源类似，从下至上它主要包括：反射片、量子点网点微结构导光板、扩散膜、增亮膜以及侧边的蓝光LED光源，其结构如图1所示.

量子点网点微结构背光源产生白光的主要工作原理是：蓝色LED光源在电路控制下发出蓝色波长的光，侧边入射并进入导光板内，最终发生全反射.由于导光网点的存在破坏了光的全反射，使得部分蓝色波长的光散射进入网点，并激发网点内的量子点发出相应的红/绿色波长的光，其余的蓝光经过多次传播，一部分蓝光光子会继续与网点内的量子点发生碰撞，产生新的红/绿波长的光；而剩余的蓝光经过多次散射传播后，最终与激发出的红/绿色光在导光机构内混合而获得所需的白色光源.显然，通过控制导光板网点微结构内的红/绿量子点的适当比例，可以获得不同色温的白色均匀面光源.

2 白平衡实验研究

对于三基色的光源而言，当颜色达到白平衡时，可以认为红、绿、蓝三基色的光通量达到平衡，具体而言，在本实验条件下产生的红/绿光，其分别是红/绿量子点受到蓝光激发而产生的，如果忽略红/绿光发射光谱的半峰宽差异所产生的影响(实测得红/绿量子点半峰宽约为30 nm、25 nm)，则可近似认为，要保证出光白平衡，红/绿量子点在蓝光激发下(这里暂不考虑蓝光强度)所激发出的红/绿光的峰值光强应该基本一致.因此，为了确定实现出光白平衡时的量子点的配比关系，可以用光度计的蓝光光源去激发不同比例的红/绿量子点，当发射光谱的峰值强度达到同一强度时，就可以认为各色光达到了平衡，进而就可以确定出具体的红/绿量子点的配比关系.

当红/绿量子点平衡配比确定后，对于蓝光的发光强度，则可以通过施加可调的电信号去激发蓝光光源，使其产生合适的蓝光强度，最终实现红、绿、蓝三者的平衡.

基于上述量子点发光的白平衡调配实验方案，同时为了验证基于量子点网点微结构背光源方案的可行性，并减小误差，主要的光谱分析仪器采用了F-4600型荧光分光光度计；在量子点方面，则以武汉珈源公司生产的625 nm和525 nm的红/绿色量子点溶液(质量浓度为3 mg·mL-1)作为背光源量子点材料；在光源方面，以LED供应商提供的450 nm的蓝光LED光源(光源尺寸为4 mm×0.14 mm)作为背光源的标准光源，并以工厂提供的材质作为亚克力的背光源导光板来进行实验和研究.

2.1 蓝光激发强度的变化对量子点发光中心波长的影响 由于在后续的出光白平衡实验中会采用F-4600型荧光分光光度计来进行光谱分析，因此，首先需要将光度计的蓝色激发光源与实际的蓝光LED光源进行校正.由于荧光光度计的激发光强度可以通过电压来进行调节，所以当激发波长确定时，只需要调节光度计的相关参数，使得其产生的激发光光谱与蓝光LED光源的光谱尽量接近即可.因此，对比实际的蓝光LED光源，在荧光光度计的关键参数设定中，激发波中心波长设定为450 nm，狭缝宽度设定为5 ∶1.

在测试过程中，由于F-4600型荧光分光光度计是通过调节电压的大小来实现蓝光光源强度的变化的，因此，可以通过施加不同的激发电压来观察不同强度蓝光下的量子点发光光谱，从而确定量子点出光效果的变化.所以，在具体实验中，分别采用了光度计对红/绿2种量子点溶液进行测试.以625 nm的红色量子点溶液为例，实验中取红色量子点溶液0.4 mL加入比色皿，然后放入光度计中，选择中心波长为450 nm的蓝光，施加不同的电压进行激发，所测得的在不同电压下红色量子点溶液的发射光谱如图2所示.

可见，在不同电压(400 V，450 V，500 V，550 V)激发下，红色量子点的发射光谱强度呈非线性增长，但是红光的中心波长始终在625 nm左右，由此可知，激发出的红色量子点的波峰所对应的中心波长位置不会随供电电压的变化而变化，也就是说，蓝光激发强度的变化并不会导致红色量子点发射光谱的中心波长发生偏移.

在实际导光网点微结构中，除了红/绿量子点外，由于还需要与专用的油墨进行均匀混合，因此还必须研究量子点与油墨混合后，电压激励的变化对其所产生的影响.同样，以红色量子点为例，在同一电压值下，取0.4 mL，波长为625 nm的红色量子点溶液进行光谱测试，然后将量子点溶液与定量油墨混合后，再次进行光谱测试，最后将二者进行比较与分析.图3为不同电压(400 V，450 V，500 V，550 V)激励下混合油墨前后的红色量子点的发射光谱.

从图3的测试结果可知，在未混合油墨的情况下，红色量子点发射光谱上出现了625 nm的单个强峰，并且随不同电压激励值产生相应的峰值强度；而在等量量子点混合了一定油墨之后，其发射光谱上出现了两个峰，一个仍在625 nm处，而另一个则位于450 nm处.经过分析发现，由于激发光波长为450 nm，而其中的一个波峰出现的位置也是450 nm处，由此可以推断，出现此波峰的原因在于油墨具有较强的散射光的特性，它将450 nm的激发光进行散射，从而使得90度位置探测时能够探测到450 nm波长的光能量.同时，由于油墨对光具有较强的散射作用，从而使得入射的蓝光有更多的几率与量子点发生碰撞，因此，从图3上也可以看出，混合油墨后，相应的625 nm处的峰值强度要比混合油墨之前更高，其具体强度是由油墨中散射粒子的数量和性能所决定.另外，在混合油墨前后，量子点受到激发所产生的强峰(625 nm)的位置不变，这说明与油墨混合后，量子点发射光谱的强峰中心波长的位置(625 nm处)不会发生变化.

综合上述分析可知，混合油墨对红色量子点发射光谱的中心波长影响不大，而且在加入油墨后，在光学方面的影响主要体现在其散射作用上，由此增加了蓝光光子与量子点的碰撞几率，这使得量子点在等强度蓝光激发下的出光强度增加.

2.2 红/绿量子点的出光平衡调配 由于在蓝光激发下，红/绿量子点的发光效率是不一致的，因此，为了保证红/绿光出光强度的平衡，必须研究红/绿量子点的配比与蓝光激发强度之间的关系.

为了确定实现出光平衡时的红/绿量子点的配比关系，可以用光度计自身的蓝光光源去激发不同比例的红/绿量子点，当它们受到激发后所产生的发射光谱的峰值强度达到同一强度时，就可以认为红/绿光达到了平衡(暂不考虑蓝光强度)，进而就可以确定出具体的红/绿量子点的配比关系.

由于绿色量子点的发光效率较低，故在实验中，按照厂家提供的配比建议，首先选取0.6 mL的红色量子点，然后掺入2.7 mL的绿色量子点进行配比.在电压为400 V下，以中心波长为450 nm的蓝光来激发，并进行光谱测试，此时红色激发峰相对强度约为275，而绿色为225，显然两者没有达到平衡.因此，继续调整红/绿量子点溶液量，直到红色为0.9 mL和绿色为8.1 mL时，才发现两者的激发峰相对强度基本一致，这说明红/绿出光强度基本达到了平衡，实验的测试结果如图4所示.

根据实验结果，要实现红/绿量子点的等强度辐射，625 nm的红色量子点和525 nm的绿色量子点的溶液配比约为V红色量子点∶V绿色量子点=0.9 ∶8.1，即红/绿量子点的溶液体积配比约为1 ∶9.因此，在后面的实验中可以以此配比为基准来进行颜色白平衡实验.

2.3 不同蓝光强度对固定比例的红/绿量子点出光效果的影响 在前面的研究中，确定了在400 V电压下，激发出等辐射强度光的红/绿量子点的体积配比.然而，在实际应用中，是先将量子点与油墨均匀混合，使其形成量子点浆料，然后再将量子点浆料通过丝网印刷的方式将其转印成量子点网点微结构，因此，还必须考虑在不同蓝光强度的激发下，油墨混合后红/绿量子点的出光平衡效果是否会发生变化.

因此，可以采用不同的电压去激发固定配比的红/绿量子点浆料，并观察其发射光谱的变化情况.在本实验中，是以不同强度的450 nm的蓝光对体积配比为1 ∶9的红/绿量子点浆料(添加了固定容量的油墨)进行激发.图5即为不同电压激发下所获得的混合油墨后红/绿量子点浆料的发射光谱.

根据测试结果，在电压值从400 V上升到600 V的过程中，保持红/绿量子点的配比(1 ∶9)不变，可以发现，所激发的红/绿量子点的峰值强度始终在625 nm和525 nm附近，并且峰值强度也始终保持相应的变化，并在变化过程中始终保持平衡.因此，可以得到以下结论：在混合油墨后，如果红/绿量子点的配比确定，红/绿量子点的出光强度会随着蓝光激发强度的增加而增加，但是红/绿量子点的出光平衡并不会随着蓝光激发强度的变化而变化.也就是说，一旦红/绿量子点出光达到平衡后，即使改变供电参数，也不需要再重新考虑量子点的出光平衡配比问题.

3 量子点网点背光源制作与光学测试及分析

3.1 量子点网点导光板的设计与制作 根据前面研究的白平衡实验结果，在样品制作中，采用对角线尺寸为4英寸的亚克力板作为导光板基板；同时，红/绿量子点按1 ∶9配比均匀混合入定量的油墨中以形成量子点浆料，然后通过印刷工艺将量子点浆料印制到导光板表面，使其成为具量子点网点微结构的导光板.图6(a)为放大25倍时在3D显微镜(型号：OLYMPUS DP73)下所观察到的量子点网点导光板的局部放大图片，其中，右上角图片为450 nm的蓝光直射进入导光板上单个量子点网点时的形貌特征.

基于此导光板，并按照实际要求，配上对应的其他背光源部件，从而获得4英寸的背光源样品.然后，采用专门设计的调光电路，驱动蓝光LED灯条，当电流至33 mA时，得到如图6(b)所示的基于量子点网点导光板的背光源样品.

(a)LGP Sample (b)BLU Sample图6 量子点网点背光源样品

根据图6(b)的测试效果，可以发现，在此背光源样品的有效出光区域形成了白色面光源，然而四周会有少许蓝光泄露，这主要是由于机构没有完全闭合而导致侧边漏光的缘故.实验结果证明了采用蓝光LED去激发基于红/绿量子点网点结构的背光源方案的可行性.

3.2 光学测试与分析 通过TOPCON BM7仪器，对该量子点网点背光源样品进行光学测试，可以得到其相应的光学参数.经过测试，该面光源的CIE1931色坐标为：X=0.3175，Y=0.314；其色温为6 281 K.

将测试所获得的光谱数据进行进一步的分析，可以获得该面光源基于CIE1931的三基色坐标值，然后通过相应的公式计算可以得到与标准NTSC相比较的色域覆盖率.如表1所示，其为该背光源样品所对应的三基色坐标结果以及色域.

表1 量子点网点背光源的三基色坐标值及色域

根据表1的三基色坐标数值，由于加入了量子点，该背光源的R，G，B三基色坐标值与NTSC下的标准值略有不同，其所包含的色域覆盖率会明显大于标准的NTSC色域面积，达到了119.3%.

4 结 论

本文结合侧入式LED背光源导光板的结构特点及其出光特性，研究了一种基于量子点网点微结构的背光新技术.通过详细分析和研究红/绿量子点发射光谱的中心波长以及相应的峰值强度的变化规律，确定了导光板在出光白平衡时红/绿量子点的最佳配比方案，并探讨了红/绿量子点的最佳配比，蓝光激发强度以及油墨等关键因素和不同强度蓝光的激发对固定配比的红/绿量子点在发光效果上的影响.然后，在上述白平衡研究的基础上，实际制作了4英寸的量子点网点微结构导光板，并将其封装成背光源样品.最后，结合荧光分光光度计等光谱分析设备对出光白平衡进行了测试，结果表明，该背光源的色温为6281 K，色坐标为(0.3175，0.314)，接近D65标准光源；并且，该光源的色域覆盖率达到了119.3%.由此证明了基于量子点网点导光板技术的背光源方案具有较高的可行性，并且非常贴近传统的印刷工艺，易于推广.

[1] 周忠伟, 孟长军,彭俊彪,等. 液晶显示器广色域技术的研究[J].发光学报, 2015,36(5):1 071-1 075.

[2] 顾宝,盛欣,叶志成.量子点应用于液晶显示背光的研究.[J].激光与光电子进展, 2015,52:022201.

[3] Yasushi I, Tomomitsu, Tsuneo K, et al. A phosphor sheet and a backlight system providing wider color gamut for LCDs[J]. Journal of the Society for Information Display, 2015, 22(8):419-428.

[4] 徐胜,徐玉珍,郭太良，等.大功率LED伏安特性模型研究[J].光电子·激光,2015,26(11):2 076-2 082.

[5] Cha S, Choi T, Lee H, et al. An optimized backlight local dimming algorithm for edge-lit LED backlight LCDs[J]. IEEE OSA Journal of Display Technology, 2015, 11(4):378-385.

[6] 徐玉珍,林维明.一种简化变量的新型LED光电热模型[J].光学学报,2013,33(5):0523001.

[7] Jeongmin M, Kyunghwan O. Effects of light-emitting diode (LED) configuration on luminance and color of an edge-lit backlight unit[J]. Journal of Dlsplay Technology, 2015, 11(9):768-775.

[8] 黄炳乐,郭太良,徐胜,等. 导光板网点平均密度范围的最优化研究 [J].光学学报, 2015, 35(5):0522002.

[9] 智佳军,梁铭泉,陈俄振,等.LED单边侧入式导光板的网点设计[J].照明工程学报,2012(3):60-63.

[10] 林晓新,项颖,庞晓峰,等.侧入式LED背光源导光板网点设计与仿真[J].广东工业大学学报,2014,31(4):95-99.

[11] Fang Y C, Cheng D L, Huang J W. Optical design of external illuminance for display backlight module[J]. Journal of Display Technology, 2015, 11(12):979-986.

[12] Kang S J, Bae S, Yun J J, et al. Color distortion-aware error control for backlight dimming[J]. Journal of Display Technology,2014, 11(1):79-85.

[13] Fang Y C, Tzeng Y F, Wu K Y. A Study of integrated optical design and optimization for LED backlight module with prism patterns[J]. Journal of Display Technology, 2014,10(10):840-846.

LED Backlight Technology Based on Micro-dot Structures Mixed with Quantum Dots

Xu Sheng, Xu Yuzhen, Chen Enguo, Guo Tailiang

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

In our report, a novel technology for LED backlight based on micro-dot structures mixed with quantum dots was studied, and a protocol was proposed, in which red and green quantum dots with a certain right proportion were filled into the micro-structure of light guide plate, in order to obtain white balance, blue LEDs were applied as the excitation light source. The key factors on the white balance of backlight were also studied, which includes concentration ratio of red/green quantum dots, light excitation intensity of blue LEDs, ink characteristics and so on. Based on the proposed method, a sample prototype of a backlight system was developed, the micro-dot structures mixed with R/G quantum dots of 625 nm/525 nm were excited by the blue LEDs of 450 nm. The test data indicated that the output color coordinates (CIE1931) of the sample was (0.3175, 0.314), color temperature was 6 281 K, and the color gamut coverage rate attained 119.3%. The results showed that the proposed method was feasible, and was a novel method of quantum dots based backlight, which was closer to the traditional manufacturing process of edge-lit backlight system.

backlight unit; quantum dots; net dot; white balance; color gamut area

2016-03-07

国家“863”计划重大专项(No.2013AA030601-2)；国家自然科学基金(No.61405037)；福建省自然科学基金(2015J01193)；福州大学博士启动基金(0100510069)

徐胜(1974-)，男，江西抚州人，福州大学物理与信息工程学院2010级博士研究生，E-mail：xusheng06090@163.com

郭太良(1963-)，男，福建莆田人，博士生导师，研究员，研究方向为新型显示材料与器件，E-mail：gtl@fzu.edu.cn

1004-1729(2016)03-0209-06

TN 31

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0032