量子點液晶顯示背光技術分析

萬坤+呂錢+齊立超

【摘 要】量子點，又稱為納米晶，是由有限數目的原子組成，3個維度上的尺寸均在納米數量級。日新月異的顯示技術，經歷了數代變遷，但每一代新技術的出現都從未離開過新材料的發展。量子點背光技術因為在色彩表現力方面的卓越表現，受到越來越多研究人員的關注和青睞。下文先簡單介紹了量子點材料，接著探究了量子點液晶顯示背光技術。

【關鍵詞】量子點；液晶顯示；背光技術

一、 導言

21世紀是一個信息與顯示的時代，顯示技術無處不在，從日常使用的智能手機、平板電腦等小型顯示設備，到家庭電視、廣告顯示屏等大型顯示設備，都與顯示技術息息相關。作為一種新穎的半導體納米材料，量子點具有許多獨特的光學性質，諸如發光效率高、發射光譜窄、發射光譜可調等，這些性質都是量子點得以在顯示器件中應用的重要前提。文章就想內容作出簡析。

二、 量子點材料簡析

量子點（QD）是一種新型的納米熒光材料，它是由II-VII族或III-V族元素組成的。量子點的晶粒直徑只有約2～10 nm，僅相當于10～50個原子的寬度。其電子和空穴位都被量子限域，連續的能帶結構變成具有分子特性的分立能級結構，受激發后可以發射熒光。量子點最大的特點是能級間隙隨著晶粒大小而改變，晶粒越大，則能級間隙越小，晶粒越小，能級間隙越大。而量子點越小，發光顏色越偏藍，反之，量子點越大，發光顏色越偏紅。

在無輻射薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器（TFT-LCD）應用方面，最具代表性的技術是3M公司提出的將量子點材料成膜后搭配藍色LED光源的背光模塊結構，并開始應用到液晶顯示器當中。按照Adobe RGB的標準，一般的液晶顯示器（LCD）只能提供70%的色域，而加入量子點膜的LCD則可以提供100%的色域。但是目前量子點薄膜技術主要存在材料利用率不高，成本高昂，光學效率不高的缺點。根據3M QDEF技術的結構，量子點膜被上下兩層阻擋膜阻隔保護，除了LED側引入的激發光源之外，在QD層中又發生了量子轉化而誘發其他波長的光線，而膜材料密度成份變化以及其界面層微結構（粗糙度，界面折射率變化）引起的傳輸轉換都會造成光的損耗。這使得從導光板（LGP）出射的光無法全部透過量子點膜，造成光的浪費。

三 、量子點液晶顯示背光技術

（一）量子點背光技術的封裝結構

根據量子點材料封裝方式的不同可以分為3種類型：第一種封裝方法On-surface是將量子點嵌入兩層氧氣阻隔薄膜中，再將量子點薄膜放臵于LED背光和液晶盒之間。這種方法消耗的量子點材料較多，但技術成熟，近年來三星、LG、TCL等各大廠商均采用該法。以3M和Nanosys的QDEF技術為例，其液晶面板最外層覆蓋著一層透明、柔性的超薄屏障層膜，厚度僅有55μm，可以有效防止水、氧氣對內部量子點膜的侵蝕，水氧穿透率小于1*10-3g/m2/day，其輕薄度、柔韌性、抗撞擊性均優于玻璃材質。通過獨特的夾層結構設計，有效減小了熱量和光通量對量子點的損耗，目前QDEF的壽命為2～3萬小時，3M預計未來能達到7萬小時；第二種封裝方法On-edge是將量子點放在密封玻璃管內，臵于屏幕邊緣的LED條上方，由于側光式LED背光相較整個顯示屏面積小得多，該方法消耗的量子點較少，約為On-surface用量的百分之一，但對量子點的穩定性要求較高。目前主要是QD Vision的Color IQ技術采用這種封裝方法；第三種封裝方法On-chip是將量子點直接封裝到LED管內，可以最大化量子點效率，量子點材料消耗僅約為On-surface的萬分之一，但是由于這種方法要求量子點材料在高溫環境保持穩定，且封裝技術要求高，目前行業內暫時沒有公司采用這種封裝方法。最新的技術方向是在量子點與藍光源之間留出部分空間，以降低量子點工作溫度。

（二）量子點背光技術中的無機復合材料與工藝

量子點發光材料的穩定性是目前應用中的技術關鍵。除了從結構層面上（核殼結構與合金化結構等）提高材料的穩定性之外，量子點發光材料的穩定性還可以通過與其它基質材料復合的方式來優化和改善，量子點發光材料與基質材料復合在一起可以形成新的穩定結構。常用的基質材料分為有機和無機兩大類，有機材料以硅膠樹脂、環氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）等透明聚合物為主，無機材料以各種氧化物和無機鹽為主，最近的一些研究表明，采用無機材料作為量子點的復合基質得到的復合材料具有更好的穩定性表現，對于“芯片封裝型”以及“側管封裝型”的背光結構來說，量子點發光材料的穩定性是限制其應用的關鍵，因此，關于量子點與無機基質材料復合的研究報道層出不窮，研究人員都希望發展新的復合技術來獲得可以穩定使用的復合發光材料。

（三）背光結構的光學仿真模擬簡析

按照新型量子點背光封裝方式，使用光學模擬軟件LightTools進行仿真模擬，以10.1″液晶顯示器背光模組為例來驗證結果。LightTools光學設計軟件是一款高精度的三維光學建模工具。該軟件自帶光學膜片元件庫和光源庫，其膜片庫自帶3M公司的所有增亮膜（BEF）和反射式偏光增亮膜（DBEF），其光源庫涵蓋了4大LED公司的近400種LED光源，可以直接調用來進行液晶顯示的背光設計。它利用蒙特卡羅光線追跡的技術做光學與機械結構間的仿真。當光源發射出的光束穿越整個光學系統，光束可以自動地分裂為反射、折射、偏振光及散射的分量。通過對這些光線的統計平均，就可以得到整個光學系統的光學性能評價。

四 、總結

綜上所述，液晶顯示作為現今社會各領域主流的顯示技術越來越受到人們的青睞，隨著生活水平的提高，人們對液晶顯示器的顯示品質要求越來越高。量子點材料兼具極高的色純度、發光顏色可調以及的熒光量子產率高等特點，已成為顯示領域中的明星材料，在提升顯示器件的色域方面具有巨大潛力。上文簡析了量子點液晶顯示背光技術。

參考文獻：

[1]程成，程瀟羽.光纖放大原理及器件優化設計[M].北京：科學出版社，2011.

[2]周忠偉，孟長軍，王磊，等.液晶顯示器廣色域技術的研究[J].發光學報，2015.endprint