基于分布式布拉格反射器的量子点彩膜

郭太良，缪煌辉，林淑颜，郭 骞，叶 芸，陈恩果，徐 胜

(福州大学 物理与信息工程学院，平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州 350116)

1 引 言

传统液晶面板中，由于彩色滤光片(Color filter, CF)对进入光线的阻隔作用，损失了约2/3的能量，使得液晶显示器的能量利用率较低[1-3]。随着量子点(Quantum dot，QD)技术的发展，将量子点封装成彩色滤光膜的方案来实现光色转换的方式日益受到重视。量子点彩膜结构的工作原理是以蓝光LED作为侧入式背光源，经过导光板转化成为均匀出光的蓝色面光源，量子点阵列层置于液晶层之上，受到蓝光激发产生与该子像素相对应颜色的单色光。由于没有了传统彩色滤光片对光线的吸收作用，该结构的发光效率比传统结构大幅增加。另一个优势则是高效的反应时间，因为只有蓝光通过液晶层，仅需要采用更薄的液晶层膜厚就能获得相应的相位差，更薄的液晶层意味着反应时间的提升。与此同时，由于量子点光致发光的出光具有各向同性的特征，一定程度上也保证了器件具有较大的可视角度。可见，未来液晶显示技术的重要发展方向之一就是采用量子点彩膜技术来提升液晶显示的色域，改善画质并且同时降低显示器的功耗[4-6]。2016年，韩国延世大学 Kim等提出以白光机发光二极管作为背光激发红绿量子点膜层，基于在图案化的量子点膜上具有气隙结构，以通过回收不必要的光来提高光学效率[7]。同年，中山大学刘益坤等人通过匹配相应的滤色器像素，将该量子点阵列进一步放置在传统的滤色器阵列上，以消除蓝光串扰[3]。2017年，京东方齐永莲等开发了量子点光刻胶替代彩色滤光片的方法，通过合成新型的量子点光刻胶,将其作为色彩转换膜制备在彩色滤光片下方,通过背光激发量子点自发光,可得到色纯度更高的红绿光[8]。在此基础上，本文通过仿真提出了一种防蓝并提高光效的量子点彩膜新结构。有助于在实验过程中有效减少实验步骤和降低实验成本，对分析量子点彩膜具有一定的应用价值和实际意义。

2 基于分布式布拉格反射器的量子点彩膜结构

量子点彩膜结构中用蓝色背光源激发量子点后会存在一个问题，其出光中会有大量的蓝光掺杂而导致出光不纯。如图1(a)所示，当量子点彩膜结构单用一层量子点膜层去转化蓝光时，其转化效率远远达不到所需的单一颜色的效果，影响其单色出光性能。因此，如图1(b)，需在量子点膜层中加入大量的散射粒子，从而达到增加光程提高蓝光的转化效率，减少量子点用量[9]。为了进一步减少蓝光的漏过率，现常见的解决方案是在量子点膜层上方再加入一层彩色滤光片[10]，如图1(c)所示。

图1 量子点彩膜结构对比。(a)量子点膜；(b)加入散色粒子的量子点彩膜；(c)量子点膜层中加入散色粒子配以彩色滤光片膜层；(d)量子点膜层中加入散色粒子配以LPF和SPF膜层。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.

为了提高光效和防蓝光，提出图案化的带通滤波器替代彩色滤光片来实现高效的量子点彩膜。如图1(d)所示，分别在彩膜中设置上层的长通滤波器(Long-pass filter，LPF)及下层的短通滤波器(Short-pass filter，SPF),这两种滤波器为分布式布拉格反射器(Distributed Bragg reflector，DBR)，通过多对两种不同折射率的材质交替达到高反射率[11-12]。其对波段的选择依赖于选用的材料及膜层的厚度，得到对不同波段选择的分布式布拉格滤波器反射器[13]。通过两层图案化DBR膜层的作用，可使得未被量子点转换的蓝光反射回来二次激发，而反向发射的红绿光则被下层的低通滤波器再次向上出射，达到能量循环高效出光。

量子点彩膜中影响其出光效率和纯度的主要因素在于蓝光的光程，而改变蓝光光程与量子点膜层厚度、膜层中量子点用量的比重和外部结构参数有关。当使用特定的量子点时，其量子效率不会改变，因此本文从外部结构着手并调节膜层厚度和膜层中量子点用量的比重，进行仿真研究，并对比图1(c)与(d)两种结构的优劣，为后续实验提供了理论指导和依据。

3 建模与仿真

在建立彩膜模型之前需对其中关键因素进行设定，包括量子点及散射粒子参数的确定。为了与实际相符合，采用了实际红绿量子点尺寸作为模型构建的仿真参考。其中红绿量子点粒子直径分别为9 nm及6 nm，将其应用于量子点彩膜相应颜色子像素当中并建立发光模型[14]。通过中心波长为450 nm的蓝色背光去激发模型子像素中的红/绿量子点，研究量子点彩膜的色彩转换情况。为了达到高光线转换效率，采用不同量子点比重和不同厚度膜层的彩膜进行模拟。

3.1 DBR膜层基本参数

DBR膜层是由高低不同折射率的材料多层交替的周期结构，每层材料的光学膜厚为中心反射波长的4倍材料折射率分之一，其禁带的宽度通过设置膜层交替的对数来控制。本文使用SiO2及TiO2作为交替材料，通过调节膜层的厚度和对数达到两种不同带通的DBR[15]。

当一定出射角度的面光源去测试DBR膜层与CF膜层的反射率和透射率，如图2(a)所示了在平行光的情况下红/绿/蓝三色CF膜层以及两种不同带通的DBR膜层在400～700 nm之间透射率的变化。SPF透射490 nm以下的蓝光并反射红绿光，而LPF透射500～680 nm红绿光并反射蓝光。两种滤波器在入射光角度小于40°时对波段选择的透射率达到95%，其透射率大于CF红光波段的透射率91%、绿光波段的透射率85%、蓝光波段的透射率80%，但DBR的光学特性随光入射角而改变，CF的光学特性对于所有角度都是相同[13]。如图2(b)和2(c)所示,SPF和LPF在不同入射角时对波段的反射率，在入射光线角度小于40°的情况下，SPF对490～700 nm的红绿光具有超过98%的高反射率有助于向下出射红绿光的回收，LPF对400～500 nm的蓝光也具有超过94%的高反射率可减少向上出射蓝光的串扰。然而，随着光线入射角度的增大，反射率也随之降低。

图2 (a)CF红绿蓝三色透光率和LPF、SPF膜层透光率;(b)SPF膜层对不同入射角度的反射率;(c) LPF膜层对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 量子点膜层属性分析

当量子点彩膜不配以外部结构时，自下而上的蓝光主要被量子点膜层吸收和反射。蓝光光束的强度将随着入射深度的增加而逐渐减弱。由比尔(beer)定律可得，蓝色光束在均匀量子点膜层中沿x向传播，通过膜厚为dx的膜层后，光强由I变为I-dI，光强的减少量dI比光强I与通过的介质厚度dx成正比，即

(1)

其中：α是与光强无光的比例系数，称为介质吸收系数[16]。α吸收系数与量子点膜层中的量子点比重C成正比，即α=βC。因此出射光强I可以表示为

I=I0e-βCl，

(2)

图3 以10%，20%，30%作为三因素的红绿量子点膜蓝光的透过率Fig.3 Blue light transmittance of the red-green quantum dot film with 10%, 20%, 30% as a three-factor

其中：l为膜层厚度，I0为初始光强，β为比例系数。如图3所示为仿真实验得到膜层厚度l在0～10 μm的范围内蓝光透过膜层的光通量变化情况。设置蓝光初始光通量为10 lm，以实验中常用的量子点质量分数10%，20%，30%作为三因素。仿真结果表明，随着膜层厚度及量子点比重的增加，透过的光通量也随之降低。红绿量子点对蓝光的吸收效率不一样，红色量子点吸收系数大于绿色量子点。通过对图3中数据的拟合，分别得到红/绿量子点膜层对蓝光的出射强度Irb/Igb，可以表示为：

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

(3)

透过膜层的蓝光占初始蓝光一小部分，大部分蓝光被膜层中量子点吸收进行能量下转换，发出对应颜色的光。能量转换后的光线以散射方式传播，导致大部分光线无法向正方向出射。如图4所示为不同膜厚下，转换后的光线在正/反方向上的相对强度变化情况。当膜层厚度增加时颜色发生改变，且总的光通量也随之增加；但反向出光强度约是正向出光强度的2.1倍，表明大量转换后的光线没有得到有效利用。因此，需对反向出射的光线进行高效的回收。

图4 转换后光线正/反向出射光强对比Fig.4 Contrast of positive/reverse exit light intensity after conversion

3.3 结果对比与讨论

如图5(a)所示，为红色量子点膜层配以红色彩色滤光片的光路图，蓝光激发红色量子点膜层发出红光而多余的蓝光被红色彩色滤光片吸收。由上述推导，可得出正面红光出光强度Icr为：

Icr=0.91×Icr1=0.29×Ib0(1-e-1.93Cl)，

(4)

其中:Ib0为初始蓝光光强，Icr1为透射过量子膜层的红光强度，C为红色量子点为占膜层中的比重，l为膜层厚度。由公式(4)所得该种结构对光效利用率小于29%。以5 μm膜层及30%(质量分数)红色量子点代入公式(4)进行计算，光线利用率为27%。由此可见，该种结构由于大量光线被反向出射和被CF吸收，导致光效利用率较为低下。

如图5(b)所示为红色量子点膜层配以上下两层DBR的光路图。上层的LPF膜层将未转换的蓝光反射回来进行多次利用，下层SPF膜层将经量子点转换后反向出射的红光进行反射以实现正面出射。出射红光强度Ir为：

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

(5)

其中：Ir1为第一次透过量子膜层的红光强度，Ir2为光线多次利用后透过量子膜层的红光强度。通过双层滤波器使光线在结构中振荡并选择出射，大大提高了膜层光线利用率。同样以5 μm膜层及30%(质量分数)红色量子点代入公式(5)进行验算，光线利用率为59%，而透射出膜层的蓝光强度占初始蓝光强度的0.5%，对于子像素颜色纯度影响较小。

图5 (a)CF结构量子点彩膜光路图；(b)LPF和SPF膜层结构量子点彩膜光路图。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.

而相对于红色量子点膜层，绿色量子点膜层转化效率会更为低下。分别对绿色量子点膜层配以CF膜层结构和DBR膜层结构进行研究，出射绿光的强度Icb、Ib分别为：

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

(6)

因为绿色量子点对蓝光的吸收效率比红色量子点低，导致下转换出射的强度相对较低。

为了定量表示红/绿子像素出光强度，通过仿真实验分别测量两种结构出光的红绿光谱。图6为量子点彩膜在CF膜片以及DBR膜片下的光谱图，通过积分分别计算在对应颜色波长范围内红/绿光谱增强的光通量，结果表明，DBR结构的红/绿子像素光通量分别是CF结构的2.19和2.26倍。

图6 归一化CF结构与DBR结构在红绿子像素位置光谱Fig.6 Normalized CF structure and DBR structure in red-green sub-pixel position spectra

基于CIE 1931颜色空间面积比来分析CF和DBR两种结构的色域表现能力。由于影响色域主要因素在于光谱分布对色坐标的改变。如图6所示，当使用相同量子点时，两种结构的红色和绿色光谱的中心波长相同，分别为628 nm和515 nm。在使用LPF滤波时，带通的波段为500～670 nm，红光可以无损的通过；而对于在480～500 nm波段范围内的绿光被阻隔，但与之同时半峰宽降低至27 nm。在CF结构所匹配的绿色滤光片其带通的波段为465～610 nm，在所滤波的波段中包含了一部分蓝光波段，绿色子像素位置中会有大量的蓝光会透射出来。如图6中红色箭头所示，在绿色光谱中会产生一个副峰，从而导致色域面积减小。因此如图7所示，在NTSC标准下，加CF膜层的量子点膜的色域为NTSC113%，而DBR结构下的量子点膜色域为NTSC128%。

图7 CF结构与DBR结构的彩膜色域对比图Fig.7 Comparison of color gamut of CF structure and DBR structure

4 结 论

本文主要针对量子点彩膜结构进行仿真研究，提出了以双层DBR替换CF的新型量子点彩膜结构方案，并对比了CF和DBR结构对波段透射率及反射率的影响。通过仿真实验对量子点膜层中量子点占用的比重及膜层厚度进行调节，拟合计算出膜层对蓝光的透过率及利用率。仿真结果表明，相对于CF结构，双层DBR的量子点彩膜光效增加了31%，并且红/绿子像素的出光强度也分别增强为CF结构的2.19倍和2.26倍；分析两种结构对色坐标的影响，CF结构和双层DBR结构的量子点彩膜的色域分别为NTSC116%和NTSC128%。