量子点网点导光板的制备及性能研究

汪江胜， 叶 芸*， 徐 胜， 康冬茹，林志贤， 陈恩果， 郭太良， 杨 兰

(1. 福州大学 物理与信息工程学院， 福建 福州 350002； 2. 集美大学 理学院， 福建 厦门 361021)



量子点网点导光板的制备及性能研究

汪江胜1， 叶 芸1*， 徐 胜1， 康冬茹1，林志贤1， 陈恩果1， 郭太良1， 杨 兰2

(1. 福州大学 物理与信息工程学院， 福建 福州 350002； 2. 集美大学 理学院， 福建 厦门 361021)

为了实现量子点背光源的白平衡，将红量子点和绿量子点与油墨均匀混合，采用丝网印刷的工艺将混合后的量子点浆料印刷到导光板的下表面，作为导光板的网点，在侧边蓝光LED激发下，使红、绿量子点发光并和蓝光共同复合发光。通过调整优化量子点在混合浆料中的比例和红、绿量子点的配比最终实现白平衡。利用OLYMPUS显微镜、F-4600荧光分光光度计和SRC-200M光谱彩色亮度计对量子点网点导光板表面形貌和光学性能进行了表征和分析。实验结果表明：当量子点在混合浆料中的质量分数为7%并且红量子点和绿量子点满足1∶12时，能够实现白平衡，CIE 1931色坐标为(0.330 8，0.327 1)，色温为5 588 K，在100 mA的激发电流下亮度可达4.136×103cd/m2，色域为NTSC的122.4%。 关 键 词： 量子点； 白平衡； 丝网印刷； 色温； 亮度； 色域

1 引 言

随着显示技术的发展，液晶显示器(LCD)已成为众多平面显示器件中发展最成熟、应用面最广并仍在迅猛发展着的一种显示器件[1]。LCD具有轻薄化、功耗低、散热性能好等优点，但LCD本身不能发光，需要依靠外界的背光源。目前市场上白光LED是通过在氮化镓(GaN)蓝光LED(波长450～470 nm)上覆盖一层黄色荧光粉涂层[2](主要成分YAG)制成，但是它的发射光谱中缺少有效的红光成分，发出的是冷白光，不够自然，并且光谱宽，色域窄(65%～75%)，显色指数低(CRI 小于75)[3-5]。量子点作为一种新颖的半导体纳米材料，具有许多独特的纳米性质。量子点的发光峰窄，保证了光的纯度高；量子点的发光颜色可调，可实现更宽的色域，并且发光效率更高，使用寿命更长[6-8]。量子点的优越性能使其得以广泛的研究。2006 年，Li等[9]首次利用红(618 nm)、绿(540 nm)、蓝(490 nm)三色CdSe/ZnS核壳量子点在电流的激励作用下发出了白光，成功制备出白光QLED。2014年，Lee等[10]首次将红绿两种量子点嵌入在PVP(polyvinylpyrrolidone)中，在蓝光LED芯片的作用下，发出白光，制备出白光QD-LED，但色域只有87%。2015年，周忠伟等[11]同样用LED芯片激发红绿量子点制备出色域为102.1%的量子点背光源。总的来说，使用红色、绿色量子点来替代相应的荧光材料，可以明显提高白光器件的色彩表现，单色性好、饱和度高。

侧入式LED[12]背光模组中量子点背光源的制备通常有两种方式：一种是直接在蓝色LED上涂覆红色和绿色两种量子点[13]。这种方式虽然能混合出白光，但是灯条LED会发热，使量子点出现光衰现象，最终导致显示器的亮度降低，均匀性也随之变差。另一种是在导光板上涂覆一层均匀混合的红绿量子点薄膜(QDEF)[14]。Nnaosys公司与3M 公司共同研发了量子点薄膜[15]，并应用到液晶显示器当中。虽然避免了因LED发热问题带来的一些不利因素，但是存在材料利用率不高、成本昂贵、光学效率不高的缺点。

针对上述量子点背光源的稳定性和成本的问题，本课题采用丝网印刷工艺将红色、绿色量子点与油墨均匀混合，并将混合的量子点浆料转印至导光板的下表面，通过蓝光LED激发红色、绿色量子点实现白光平衡。该方法不仅工艺简单、成本低廉，而且保证了量子点的稳定性，使背光源寿命更长。

2 原 理

LCD本身不能发光，需要依靠背光模组提供背光源。背光模组是由反光膜、LGP(导光板)、增亮膜、扩散膜共同组成[16-18]，如图1(a)所示，其中LGP的成分是PMMA(有机玻璃)，折射率为1.49，当光从PMMA向空气传播时(即光从光密介质传播到光疏介质)会发生全反射现象，该现象的临界角满足：

(1)

可得光从PMMA中发生全反射时临界角C=42.2°。

在没有量子点网点时，侧边缘LED发出的蓝光在PMMA中传播的路径如图1(b)所示，根据光的折射定律：

n1sinθ1=n2sinθ2，

(2)

由于θ1<90°，根据式(2)得θ2<42.2°，所以θ3>47.8°(θ1>C)，也就说明光在无网点的导光板中发生了全反射现象。LGP主要作用是将侧边缘的LED点光源转化成面光源，量子点网点的作用不仅起到了光的转化功能，而且改变了光的传播路径。当导光板的下表面印刷有网点时，如图1(c)所示，由于网点中有散射粒子，以及其折射率也和空气不同，即改变了光在导光板的传播路径，使最终的合成光能够射出导光板，并且在散射膜和棱镜膜作用下提高了出射光的均匀和准直效果。

图1 (a)背光模组结构图；(b)光在无网点的导光板中的传播路径图；(c)光在有网点的导光板中的传播路径图。

Fig.1 (a) Structure diagram of backlight module. (b) Schematic diagram of beam propagation without dot pattern in the LGP. (c) Schematic diagram of beam propagation with dot pattern in the LGP.

3 实 验

实验中所使用的油溶性红色、绿色量子点CdSe/ZnS由广东普加福光电科技有限公司合成。两种量子点的溶剂是正己烷，浓度均为30 mg/mL。绿色量子点的发射波长是513 nm，红色量子点的发射波长是621 nm。实验中使用的油墨是韩国PHILO生产的导光油墨，是一种透光性能良好的隔水隔氧材料，油墨的主要成分有光敏树脂和散射粒子等。取不同质量比的红、绿量子点和油墨均匀混合，然后将混合后的量子点浆料通过丝网印刷工艺将其印刷到导光板的下表面，在侧边缘蓝光LED激发下共同复合发光。对上述背光模组的光谱以及色坐标进行测试，通过调整量子点在混合浆料中的比例和红、绿量子点的配比，使复合发光最终能达到标准白光。

采用日本岛津公司F-4600荧光分光光度计对量子点溶液的光致发光(PL)光谱和背光模组的电致发光(EL)光谱进行测量分析，采用日本OLYMPUS公司BX51M和3D MEASURING LASER MICROSCOPE OLS4100对量子点浆料网点的表面形貌进行表征，采用杭州远方SRC-200M光谱彩色亮度计测量背光模组的色坐标、色温和亮度。

4 结果与讨论

4.1量子点网点导光板的制备

为了得到标准白光，将红、绿量子点与油墨均匀混合，通过丝网印刷工艺将混合后的量子点浆料印刷至导光板的下表面，通过调整量子点在混合浆料中的比例和红、绿量子点的配比最终实现白平衡。图2(a)为量子点浆料中不同量子点的质量分数与色坐标的关系，可以发现随着量子点质量分数的增加，其CIE 1931 的x和y总体呈现上升的趋势。量子点数量的增加使更多的量子点吸收蓝光并发射出更多的红、绿光子，所以x和y的值在上升。当油墨中的量子点质量分数为7%时，色坐标达到了(0.326 6,0.332 1)，已非常接近标准白光(0.33,0.33)。为进一步研究量子点对色坐标的影响，我们利用光谱设备测试了不同混合比例的红、绿量子点的光谱图和色坐标，如图2(b)所示。可以看到红量子点(R)、绿量子点(G)的质量比为1∶12时，色坐标基本达到了标准白光，其中的插图是m(R)∶m(G)=1∶12时背光源的照片，可以看到背光的颜色已呈现白色。

图2 (a)量子点在混合浆料中的质量比对色坐标的影响；(b)不同配比的红、绿量子点的发光光谱及色坐标，插图为m(R)∶m(G)=1∶12的导光板照片。

Fig.2 (a) Effect of different QDs mass fraction in the mixture on the color coordinates. (b) Spectra and color coordinates with differentm(R)∶m(G). Inset is a photograph of LGP withm(R)∶m(G)=1∶12.

4.2形貌表征

FENG Ming-tao, LI Jin, ZHANG Hong-jian, XU Yi, HUANG Qing-hai, LIU Jian-min, YANG Peng-fei, HONG Bo

图3是接近白光时的导光板上油墨混合量子点(即量子点网点)在显微镜下的图片。从图3(a)中可以看出，本实验丝网印刷的网点是凸起的圆柱结构，网点中混合了红绿两种量子点，油墨具有良好的隔水隔氧性能，保证了量子点的稳定性。图3(b)是网点在低倍率显微镜下的照片，量子点发出黄光是因为在荧光的激发下，红光和绿光复合发出黄光。量子点网点呈现出有规则错位的分布方式，其目的在于获得均匀的出射光。图3(c)是网点在高倍率显微镜下的照片，可以看到量子点网点周边呈现出绿色。这是因为在混合量子点搅拌时，绿色量子点的用量远多于红色量子点，促使少量的绿色量子点溢到边缘位置，但整体还是混合均匀的。

图3 油墨混合量子点印刷网点的3D图片(a)及在低倍显微镜(b)和高倍显微镜(c)下的照片

Fig.3 3D picture (a) and photographs under low-powered microscope (b) and high-powered microscope (c) of the printed dots with ink mixing QDs, respectively.

4.3性能分析

在显示领域，一般用NTSC(美国国家电视系统委员会)标准作为衡量显示设备的色彩还原能力的指标。该指标通过色域来实现。色域是一个设备所能表达的颜色数量所构成的范围区域，即红、绿、蓝三原色所围成的区域。为计算区域面积，需测量三原色CIE 1931色坐标：红色(R)的表示值为xr，yr；绿色(G)的表示值为xg，yg；蓝色(B)的表示值为xb，yb。色域Srgb的计算公式如下：

(3)

表1为标准NTSC的三原色色坐标。

根据式(3)可计算出NTSC的色域Srgb=0.158 2。

表1 NTSC和导光板(LGP)的三原色CIE 1931色坐标

Tab.1 CIE 1931 color coordinates of NTSC and LGP RGB color

xyNTSCLGPNTSCLGPR0.670.67940.330.3204G0.210.16140.710.7629B0.140.15440.080.0214

图4是CIE 1931色度图，其中紫色实线围成的三角形区域是导光板背光源的色域空间，背光源的色坐标是(0.330 8,0.327 1)，色温是5 588 K，其三原色色坐标如表1所示，得到导光板(LGP)的色域Srgb=0.193 6。则导光板色域占标准NTSC的比例即覆盖率[19]为：

(4)

图4 量子点背光源和标准NTSC的CIE 1931色度图

Fig.4 Color gamut in CIE 1931 of LGP(light guide plate) backlight and NTSC(National Television System Committee)

使用量子点作为背光源达到了122.4%的NTSC的色域，实现了广色域、高色彩饱和度，比市场普通LCD背光源的色域提升了50%。

图5(a)、(b)、(c)是导光板在不同电流下的测试结果。LED的工作电流范围是10～110 mA，从图5(a)中可以看到，随着工作电流的增加，色坐标发生了微小变化，x的值从0.331 1减小到0.328 2，y的值从0.334 0减小到0.323 5，整体上x和y减少的程度较小，仍属于白光的范围内，说明该印刷型量子点背光源是比较稳定的。从图5(b)中可以看到，随着驱动电流的增大，背光源的亮度在不断上升。从图5(c)中可以看到，随着驱动电流的增大，背光源的色温基本不变，说明LED的波长基本不随驱动电流而改变。

图5(d)、(e)、(f) 分别是色坐标、亮度和色温随工作时间的变化曲线。LED的工作电流固定为50 mA。可以看到，LED点亮的时间越长，背光源的色坐标就越小，x从0.329 7减小到0.324 8，y从0.322 0减小到0.295 7。另外，亮度有减小的趋势，色温有上升的趋势。这是因为随着LED点亮时间的延长，LED会有明显的发热现象，结温升高导致LED芯片的禁带宽度减小，主波长红移。激发波长的变化导致红绿两种量子点的发光效率降低，合成的白光向蓝色区域偏移，即色坐标在不断减小，同时亮度降低，色温上升。虽然色坐标、亮度和色温都有变化，但色坐标仍然满足x=0.33±0.05,y=0.33±0.05;所以在不同的时间下，量子点背光源发出的光随工作时间的变化很小，仍然在白光的范围内。

图5 电流变化对背光源的色坐标(a)、亮度(b)和色温(c)的影响，以及工作时间对背光源的色坐标(d)、亮度(e)和色温(f)的影响。

Fig.5 Effect of various current on CIE coordinates (a), brightness (b) and color temperature (c) of LGP, and effect of various working time on CIE coordinates (d), brightness (e) and color temperature (f) of LGP, respectively.

5 结 论

采用丝网印刷的工艺制备了量子点网点导光板，该方法具有工艺简单、成本较低的优点。通过调整优化量子点在浆料中所占比例以及红、绿量子点的配比实现了白光平衡，此时量子点在油墨中的质量分数为7%，m(R)∶m(G)=1∶12，导光板的色坐标为(0.330 8，0.327 1)，色温为5 588 K，100 mA电流下的亮度可达4.136×103cd/m2，色域为NTSC的122.4%，色域比市场上的LED背光源提升了50%。通过分析发现，随着工作电流的增大，背光源的色坐标x和y均在减小，但整体来说，减小的程度较小，亮度在增大，色温基本保持稳定。固定工作电流，随着点亮时间的延长，背光源的色坐标和亮度都在减小，色温上升，但仍属于白光的范围内。整体来说，将量子点和网点结合得到的背光模组具有良好的稳定性。

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汪江胜(1990-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，2014年于淮南师范学院获得学士学位，主要从事量子点背光源方面的研究。

E-mail: 1620994368@qq.com叶芸(1977-)，女，福建福州人，博士，研究员，2007年于电子科技大学获得博士学位，主要从事物理电子学方面的研究。

E-mail: yeyun07@fzu.edu.cn

Fabrication and Properties of Quantum-dots Backlight Light Guide PlateWANG Jiang-sheng1, YE Yun1*, XU Sheng1, KANG Dong-ru1, LIN Zhi-xian1, CHEN En-guo1, GUO Tai-liang1, YANG Lan2

(1.CollegeofPhysicsandTelecommunicationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;

2.SchoolofScience,JimeiUniversity,Xiamen361021,China) *CorrespondingAuthor,E-mail:yeyun07@fzu.edu.cn

The quantum-dots (QDs) light guide plate (LGP) was prepared with red quantum dots (R-QDs), green quantum dots (G-QDs) and ink on the surface of PMMA by screen printing. The red and green light emitted from R-QDs and G-QDs which were excited by the side blue LED. The white light was achieved by adjusting the proportion of the QDs in the mixture and optimizing the ratio of R-QDs and G-QDs. The morphology was characterized by OLYMPUS microscope. The LGP optical properties were investigated by F-4600 fluorescence spectrophotometer and SRC-200M spectrum color luminance meter. The results showed that white light could be achieved when the QDs was 7% in the mixture and the ratio of R-QDs/G-QDs was 1∶12, which showed the CIE 1931 color coordinates of (0.330 8, 0.327 1), CCT of 5 588 K, brightness of 4 136 cd/m2, and a color gamut of 122.4% NTSC. Key words: quantum dots; white light; screen printing; CCT; brightness; color gamut

2016-06-29；

2016-08-23

福建省自然科学基金(2014J01236)； 福建省科技重大专项(2014HZ0003-1)； 广东省科技重大专项(20160906)； 厦门市科技局项目(3502Z20143024)资助 Supported by National Science Foundation of Fujian Province(2014J01236); Science and Technology Major Projects of Fujian Province(2014HZ0003-1); Science and Technology Major Projects of Guangdong Province(20160906); Project of Xiamen Municipal Science and Technology Bureau(3502Z20143024)

1000-7032(2017)01-0091-06

O482.31

A

10.3788/fgxb20173801.0091