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北京大学深圳研究生院孟鸿教授团队:量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用研究进展

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-05-08   来源:长光所Light中心 中国光学  浏览次数:289
当今社会,显示无处不在,从人手一部的手机,到家家户户必有的电视,到商场里、大街上的各种商用显示屏幕,以及汽车上的车载显示屏等。显示屏已成为我们日常生活的重要组成部分,作为我们获取信息、观看世界的一个非常重要的窗口,具有不可替代的重要作用。随着人民生活需求的不断提升,对显示面板的品质也提出了更高的要求,各种不同技术的显示屏也经历着更新换代、产品升级的历程。从最初的阴极摄像管显示器(Cathode ray tube, CRT),到薄膜晶体管液晶显示器(Thin film transistor liquid crystal display, TFT-LCD),再到当下已经广泛应用的有机电致发光显示器(Active-matrix organic light-emitting diode, AMOLED),以及目前被大力研究的微型发光二极管显示器(Micro-size LED, ?LED)。量子点、钙钛矿材料由于其优异的光电特性,具有色纯度高、发光颜色可调和荧光量子产率高等诸多特点,尤其在提升显示面板的色域方面,具有巨大的潜力,受到显示面板行业的广泛关注。
 
近日,北京大学深圳研究生院新材料学院孟鸿教授、尹勇明博士在《发光学报》(EI、核心期刊)发表了题为“量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用研究进展”的综述文章。该综述聚焦量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用,从常规量子点在液晶显示方面的应用出发,详细阐述量子点集成到液晶显示器面板中所需要考量的面板架构、光学特性、可靠性、制程工艺等一些关键问题,进一步对量子点色转换主动发光显示应用进行分析,就如何获得高效色转换、量子点材料图案化以及搭配蓝光发光器件的光学集成问题进行重点关注。最后,针对当前受到广泛关注的钙钛矿材料,就其色转换全彩显示应用研究进展进行了分析。
 
1 引言
 
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图1不同电视产品显示色域比较
 
评价显示器的性能指标包括对比度、响应时间、刷新频率、分辨率、视角等,其中对人眼直观感受影响显著的指标之一是面板的显示色域,它是衡量显示器展示图像色彩能力的一个重要指标。量子点具有色纯度高、发光颜色可调和荧光量子产率高等诸多优良的光电特性,成为一类非常重要的发光材料,在显示及照明领域都受到了广泛的关注。尤其在提升显示面板的色域方面,具有巨大的潜力,从量子点材料被报道以来,就受到了显示面板行业的广泛关注。图1展示了当前市面上四种主流电视产品技术的显示色域对比结果,可以很明显地看出,基于量子点技术的电视产品具有非常高的显示色域,超过120% NTSC,远远高于现有其他三种显示技术的电视产品的显示色域。该结果进一步证实了量子点在提升面板色彩表现方面的巨大优势。
 
色转换显示应用主要是基于量子点材料的光致发光特性,可分为不完全的色转换以及完全的色转换。前者主要用于液晶显示器的背光,在蓝光LED的激发下,获得白光背光光源,再结合液晶显示面板内部的彩色滤光膜,实现全彩显示;此外,量子点也可以应用于液晶显示面板内部,用作量子点滤光膜,同样搭配蓝光LED,实现全彩显示。完全的色转换则是以蓝光OLED或者蓝光LED显示器作为激发源,将绿光和红光量子点色转换层集成到显示面板内部,采用色转换策略,获得所需的绿光和红光发射,与本身的蓝光OLED或者蓝光LED搭配实现全彩显示。针对这四种量子点色转换全彩显示应用方向,对应的面板架构如图2所示。图2量子点色转换全彩显示应用方式:量子点背光(a)和量子点滤光膜增强(b)液晶显示器;量子点色转换OLED(c)和?LED(d)全彩显示器。
 
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2 量子点液晶显示应用

2.1量子点液晶显示器背光
 
量子点材料应用于液晶显示器背光,与其优异的色彩表现是分不开的。在液晶显示器中,全彩显示是通过白光光源与彩色滤光膜搭配来实现的,因此,最终的彩色显示效果受到背光光源本身发光特性以及滤光膜穿透频谱的双重影响。目前的彩色滤光膜的滤光效果有限,红、绿和蓝色三种滤光膜均只能滤掉一定波长范围的发光,在各自发光波段仍然有较宽波段的透过,尽管通过改进滤光膜的材料可以在一定程度上获得更佳的滤光效果,但光透过率损失过大,不具备量产性。因此,背光本身的光谱对显示器的色彩表现起着关键的作用,考虑到量子点非常窄的发光特征,基于量子点的背光显然具备获得更高显示色域的潜力。如何将其有效地集成到背光结构中是量子点背光制备的关键,对此,以侧入式(Edge-lit)LED背光架构为例,研究人员开发了三种类型的量子点背光架构,分别是:
 
(1)芯片封装型(On-chip)。该类型是三种结构中最简单的,直接取代传统荧光粉,将量子点材料与胶材一起封装到蓝色LED芯片上方,制备出白光光源。尽管该结构比较简单,量子点材料的用量也是最少的,但是对量子点材料的稳定性要求也最高。这主要是由于在该架构下,量子点胶膜直接与LED芯片接触,LED在实际点亮过程中产生的热量会直接传导到量子点材料,LED芯片表面温度较高时超过100℃,如此高的温度对量子点材料的热稳定性是一个极大的挑战。此外,在该类型器件中,芯片的光功率密度在10~100 W/cm2之间,也是三种结构中光功率密度最高的,因此,量子点还需要具备较好的光稳定性。
 
(2)侧管封装型(On-edge)。侧管封装型是专门针对侧入式背光架构开发的量子点组件,该类型背光是将量子点做成长条形的管状结构,将量子点管放置在蓝光LED芯片与导光板之间。在On-edge架构中,由于量子点材料并未直接与LED芯片接触,量子点在该架构中受到的热辐射与光辐射相比On-chip架构都大幅降低,理论上而言,该架构下量子点的使用寿命会得到大幅提升,具备更大的导入量产的潜力。
 
(3)光学膜集成型(On-surface)。液晶显示器背光是由各种光学膜片集成一体的架构,将量子点材料制作成光学膜片,然后再将其嵌入到背光其他膜片之间,既不增加背光结构的复杂度,同时还能有效地将量子点材料引入到背光中,实现增大显示色域的目的。相较On-chip与On-edge架构,On-surface架构下量子点受到的热辐射与光辐射最低。一方面,由于量子点膜片远离LED热源,可以认为量子点膜片处的温度接近于室温;而另一方面,由于量子点背光薄膜是整面性的,受到的光辐射也极大地降低。因此,针对该架构下的量子点背光,关键的任务在于如何制备稳定的量子点膜片。
 
2.2量子点彩色滤光膜
 
液晶显示器主要由背光与液晶面板两部分组成,因此,在液晶显示应用上,除了可以将量子点材料引入背光之外,也可以将量子点材料引入到液晶面板中。结合液晶面板的制作工艺,将量子点材料引入到彩色滤光膜(Color Filter, CF)中是相对而言最简单的,既不需要额外增加工艺步骤,还能将量子点的特性引入到液晶面板中,达到提升光效和增大显示色域的目的。
 
然而,制备QDCF并不简单,需要克服诸多挑战。首先是如何将量子点溶解到CF材料当中,常规的CF材料以丙烯酸类的聚合物体系为主,其中的溶剂主要是酯类的偏中性的溶剂,而一般的CdSe量子点主要溶于甲苯、正己烷等非极性溶剂中,直接将常规量子点加入到CF材料里面,会发生严重的聚集现象,量子点可以加入的量比较受限,本身的发光效率也损失严重。在解决了量子点在CF材料中的溶解问题后,如何采用现有的CF制备工艺将获得的QDCF材料进行图案化制备,则是另一个需要克服的挑战。
 
3 量子点主动发光显示应用
 
在液晶显示应用中,蓝光经由量子点材料后的能量转化是不完全的,仍有部分蓝光会透过,进而获得所需的白光。如果能将蓝光完全转化成其他颜色的光,比如绿光或红光,则可以达到色转换的目的。在主动发光显示器设计中(如AMOLED或者?LED显示器),可以在背板部分只设计蓝光像素,结合色转换材料即能实现全彩显示?;谡庋纳杓?,可以较好地简化面板设计,有效地利用量子点材料的光致发光优点。
 
3.1 量子点色转换基本要求
 
色转换应用首先要考虑的是如何实现完全的能量转化,将所接收到的短波长发光转化为完全的长波长发光,即达到色转换的效果,针对全彩显示应用,也就是实现蓝光到绿光或红光的转化。蓝光经由量子点材料转化为绿光或者红光的过程,至少包含:光吸收、光致发光、光取出三个光电过程,光转换的效率也与这三个过程息息相关。要想实现完全的色转换,有效的光吸收是关键,只有将蓝光完全地吸收,才能避免蓝光残留的问题。
 
3.2量子点图案化方法
 
不同于量子点材料在液晶显示中的背光应用,量子点材料可以做成整面性的,其中的红光和绿光量子点材料是混合在一起的。在色转换应用中,与主动发光显示器背光搭配,红光和绿光量子点必须与对应的蓝光像素对应起来,才能达到全彩显示的目的。因此,量子点在主动发光显示应用中,精细的图案化是必不可少的。目前量子点材料的图案化方法主要包含三种:(1)微接触转印技术;(2)光刻技术;(3)喷墨打印技术。
 
对三种图案化技术进行分析比较,微接触转印技术主要是通过预先制作好的精密模板,通过模板的凸点图案将待转印的膜层吸附,进而再转印到目标基板上。该方法的主要问题在于制作精度不高、大面积化也比较困难。光刻工艺则是参考半导体制造工艺里面的图案化技术,将发光材料与光阻材料混合到一起,依靠光阻的图案化能力,达到将发光材料图案化的目的。该方法的材料利用率比较低,此外,发光材料的效率在曝光、显影过程中也受到较大影响。相比微接触转印和光刻工艺,喷墨打印技术作为一种无接触、按需打印、无光罩的工艺,并且所利用的原料正好是液态的,与量子点原材料具有极高的材料兼容性,材料利用率高,打印图案可以根据需求进行设置。显然,喷墨打印方法更适合用作量子点材料的图案化。
 
3.3量子点色转换主动发光显示器
 
目前的主动发光显示技术主要有两种:AMOLED和?LED显示器,其中AMOLED显示技术已经实现量产,在中小尺寸手机面板及大尺寸高端电视等多个领域都已获得应用。QD-OLED技术是指以蓝光OLED作为激发源,结合量子点色转换策略来实现全彩显示,该技术可以有效地避开LG的WOLED+CF技术壁垒,同时由于TFT基板侧只有一种蓝光OLED器件,也可以很好地克服大尺寸FMM制作的挑战。
 
尽管QD-OLED全彩显示器具备极佳的色彩表现,面板架构也比较简单,但是蓝光OLED的器件效率及稳定性是制约其进一步发展的关键因素。相比而言,?LED在对比度、寿命、响应时间、工作温度范围、视角、能耗等多个性能指标方面均表现更佳,受到苹果、三星、Sony、京东方、华星光电等诸多国内外电子科技巨头的广泛关注,各大公司纷纷加大研发力度,争夺该新型显示技术的战略制高点。
 
然而,?LED显示器在开发过程中也存在一些挑战,首先是红、绿和蓝光?LED芯片发光效率存在较大的区别,其中蓝光的效率最高,红光的效率最低,两者的效率相差两倍以上。鉴于此,在实际像素设计中,必须将红绿蓝三种颜色?LED对应的驱动TFT设计得相差较大才能弥补这种差异,这不可避免地增加了设计上的复杂度。另一方面,三种颜色?LED的器件发光效率随温度变化趋势也完全不同,其中蓝色?LED的发光效率随温度衰减是最小的,其次是绿光?LED,效率衰减最快的是红光?LED,这样导致在实际使用过程中,随着温度的变化,显示的画面可能会发生颜色偏移现象。鉴于此,研究人员提出了色转换全彩化策略,可以只利用一种蓝光?LED芯片,红光和绿光均通过色转换获得,则可以有效地解决上述挑战。
 
4 钙钛矿全彩显示应用

4.1 钙钛矿液晶显示器背光应用
 
钙钛矿材料显示应用起始于TFT-LCD所需的背光方面的应用。自2015年以来,北京理工大学钟海政教授课题组制备了多种绿光钙钛矿材料,将该材料与KSF结合,制得了背光所需的白光光源,经由CF转化后,可以实现超过120% NTSC的显示色域?;诟眉芄沟谋彻獗怀晒ττ迷谝豢钕允酒魃?,显示效果优于当时苹果笔记本电脑所用的显示器。同一年,美国中佛罗里达大学的研究团队采用溶胀微封装技术制备了一系列稳定性极好的绿光钙钛矿膜层,基于该绿光钙钛矿膜层与红光量子点膜层结合,在蓝光LED的激发下,同样获得了高性能的背光光源,搭配CF后的面板显示色域高达95% Rec. 2020。在此之后,其他研究人员也陆续报道了基于蓝光LED结合绿色钙钛矿材料和红色荧光粉KSF的高色域背光光源。2020年,钟海政教授团队进一步开发了基于全钙钛矿材料的液晶显示器背光,采用红色钙钛矿材料取代了之前的KSF或者红光CdSe量子点,并将所制备的背光应用在一个32英寸的显示器上。
 
4.2钙钛矿色转换主动发光全彩显示应用
 
与常规量子点材料类似,将钙钛矿材料用作色转换层,首先要考虑的是如何获得高效的蓝-绿或者蓝-红光转换。根据前面的讨论,考虑到钙钛矿材料的吸光系数在105 cm-1量级,与常规量子点材料类似,参考CdSe量子点用作色转换层的情况,进一步结合钙钛矿在照明方面的应用情况,推测钙钛矿材料用作色转换层必须达到微米级别的厚度才能实现高效率的光转换。在实现了有效的光转换之后,如何将色转换材料引入到蓝光背光显示器中是至关重要的??悸堑矫姘迥诓烤傅钠骷峁?,要实现基于色转换的全彩?LED显示器,仍然有诸多挑战需要克服,主要包括两方面:第一,制备高效且精密图案化的钙钛矿色转换材料膜层;第二,优化面板光学结构设计,解决不同像素之间的串扰问题。
 
5 结论
 
量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用作为一个实现全彩显示的新型方案,在实现超高显示色域方面具有无可比拟的优势。相对而言,量子点在液晶显示器背光方面的应用更为成熟,已经获得了量产;但在与蓝光OLED和?LED搭配实现全彩主动发光显示器方面,暂无量产实绩,仍有待进一步验证。针对钙钛矿材料的色转换应用,无论是液晶显示器背光还是搭配蓝光OLED和?LED方面,相关的研究都处于起步阶段,仍存在着一些重要的科学和技术问题亟待解决。与蓝光?LED搭配制备色转换全彩?LED显示器,是一个双赢的技术方案,能最大程度地发挥?LED高效率以及色转换材料色彩表现优良的优势,值得进一步开发。
 
作者简介
 
尹勇明,北京大学博士。自2011年以来,一直从事发光材料、器件及显示应用方面的研究工作。近5年,在面板设计开发、Mini/Micro-LED显示技术、新型发光材料开发等方面开展了较有意义的工作,并取得了一些有特色的研究成果。在量产品开发方面,成功开发了49寸、65寸等多款畅销产品,成功导入三星、华为、Sony、TCL、海信等主流终端客户;在新型显示技术方面,在Mini/Micro-LED显示技术、钙钛矿材料制备、精细图案化及其色转换全彩显示应用等方面开展了较有意义的工作,相关结果发表在Small等优秀期刊上。截止到目前,已经发表近30篇SCI/EI检索文章,申请国家发明专利30余项,已授权6项,其中一项技术成功导入65寸以上4k面板及全系列的8k面板。
 
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孟鸿,北京大学深圳研究生院讲席教授,博士生导师,特聘专家。孟鸿教授二十多年来一直从事有机光电材料设计合成、有机半导体器件制备和集成应用研发工作,先后在新加坡材料与工程研究院(IMRE)、美国贝尔实验室(Lucent Technology Bell Labs)和美国杜邦公司研发中心工作。孟鸿教授先后在美国化学会志(J. Am. Chem. Soc.)、先进材料(Adv. Mater.)、先进功能材料(Adv. Funct. Mater.)、德国应用化学(Angew. Chem., Int. Ed.)、先进能源材料(Adv. Energy Mater.)等国际著名学术刊物上发表论文130余篇,其论文被同行引用8439次,Google Scholar H-index=43;申请120项发明专利(38项授权),其中国际发明专利43项(12项授权);出版英文专著和中文专著各2部,受到国家自然科学基金委、科技部等机构的大力支持。
 
论文信息
 
尹勇明, 孟鸿. 量子点、钙钛矿色转换全彩显示应用研究进展[J]. 发光学报, 2021, 42(4):419-447. DOI:10.37188/CJL.20200391
 
论文地址
 
http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20200391
 
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