本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

量子點(diǎn)技術(shù)是當(dāng)前液晶顯示領(lǐng)域最熱門(mén)的技術(shù)之一，量子點(diǎn)的窄發(fā)射特性使其能獲得更明艷的色彩和更廣的色域，契合液晶顯示器（LCD）未來(lái)發(fā)展方向。傳統(tǒng)擴(kuò)散板可柔化光線，使出光面亮度均勻分布，在此基礎(chǔ)上加入量子點(diǎn)的擴(kuò)散板還具備色彩重新定義和改善色彩呈現(xiàn)能力的特性。量子點(diǎn)擴(kuò)散板作為傳統(tǒng)擴(kuò)散板與新興量子點(diǎn)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，是LCD在與OLED的競(jìng)爭(zhēng)中的有力武器。

近日，福州大學(xué)、閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、TCL電子有限公司的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子點(diǎn)液晶顯示應(yīng)用技術(shù)”專欄發(fā)表了題為“液晶顯示用量子點(diǎn)擴(kuò)散板的研究進(jìn)展”的綜述文章。

文章簡(jiǎn)要概述了液晶顯示中擴(kuò)散板的研究進(jìn)展，同時(shí)著重介紹了自主制備的多層結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)擴(kuò)散板，對(duì)其光學(xué)性能與穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估，展現(xiàn)了量子點(diǎn)擴(kuò)散板帶來(lái)的均勻性和色域提升的重要意義及其在LCD中的應(yīng)用前景。

▎引言

當(dāng)前， LCD的背光結(jié)構(gòu)主要分為側(cè)入式及直下式兩種，而直下式背光一般采用Mini-LED與量子點(diǎn)色彩增強(qiáng)膜相結(jié)合的方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。背光模組為液晶模塊供光，通過(guò)調(diào)節(jié)液晶層的光線透過(guò)率來(lái)控制各分區(qū)顯示畫(huà)面的明暗。標(biāo)準(zhǔn)的LED的在出光面上呈朗伯分布，其在作為背光源時(shí)會(huì)造成畫(huà)面明暗不均的問(wèn)題，影響視覺(jué)體驗(yàn)。雖然通過(guò)改變LED的光線分布可提升出光面亮度均勻性，但在沒(méi)有擴(kuò)散板的情況下，仍很難做到完全均勻。擴(kuò)散板的透光率和霧度影響著出光亮度與均勻性，關(guān)乎著最終成像的好壞。為達(dá)到更好的顯示效果，背光模組需滿足高亮度、高均勻性、廣色域、可局部調(diào)光等要求。

圖1：基于Mini-LED和量子點(diǎn)膜的直下式背光LCD結(jié)構(gòu)示意圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

▎液晶顯示用擴(kuò)散板概述

眾所周知，光線在經(jīng)過(guò)折射率不同的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折反射。因此，通過(guò)擴(kuò)散板的表面微結(jié)構(gòu)或散射粒子等使之發(fā)生散射，可提升出光均勻性。根據(jù)光散射原理的不同，擴(kuò)散板主要分為表面微結(jié)構(gòu)型擴(kuò)散板與粒子散射型擴(kuò)散板兩種。

? 表面微結(jié)構(gòu)型擴(kuò)散板

表面微結(jié)構(gòu)型擴(kuò)散板的表面具有周期性微結(jié)構(gòu)，如微透鏡陣列、自由曲面微結(jié)構(gòu)、棱柱結(jié)構(gòu)等。這些微結(jié)構(gòu)引起的折射率差異使光線向不同方向折射，從而改變光分布，獲得高照度均勻性。2021年，MA等人采用模板輔助熱聚合法制備了一種仿生擴(kuò)散膜，制備過(guò)程如圖2所示。該擴(kuò)散膜的錐形納米波紋層次結(jié)構(gòu)使其具備優(yōu)秀的防污性能，同時(shí)能在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)滿足高透光率、高霧度的要求。

圖2：聚合物上微碗狀結(jié)構(gòu)和錐形納米波紋層次結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程示意圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

此外，由斑點(diǎn)曝光形成的全息擴(kuò)散片也是表面微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散板的一種，其具有顯示效果細(xì)膩、透光率高及散射光角度可控的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)全息擴(kuò)散片微結(jié)構(gòu)高度概率密度呈高斯分布，視場(chǎng)角受限，若提高光散射角又將導(dǎo)致亮度損失。為解決此問(wèn)題，2021年，Yang等人使用光刻膠作為全息記錄介質(zhì)，磨砂玻璃作為粗糙表面。如圖3所示，制備了具有散射斑場(chǎng)表面微結(jié)構(gòu)的全息擴(kuò)散片。這種擴(kuò)散片具有高能量效率的平頂式散射光強(qiáng)分布，可提高亮度均勻性及顯示亮度，適用于LCD背光領(lǐng)域。

圖3：曝光記錄實(shí)驗(yàn)示意圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

? 粒子散射型擴(kuò)散板

粒子散射型擴(kuò)散板具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及擴(kuò)散光線均勻等優(yōu)點(diǎn)，一般以PC、PMMA、PS等聚合物作為基材，光擴(kuò)散劑種類涵蓋有機(jī)/無(wú)機(jī)物顆粒、聚合物微球及核殼結(jié)構(gòu)微球等。擴(kuò)散劑種類與用量都影響擴(kuò)散板的性能，濃度過(guò)高的擴(kuò)散粒子能提升擴(kuò)散板對(duì)光線的散射性能，但也將致使透光率下降，影響光效。除了純散射顆粒外，光線在經(jīng)過(guò)核殼結(jié)構(gòu)微球時(shí)的散射次數(shù)增加，這能拓寬擴(kuò)散板的視場(chǎng)角。因此，核殼結(jié)構(gòu)微球也適于作為擴(kuò)散劑使用，在這方面也有許多研究，如SiO?/CeO?/poly（VTMS）微球、ZrO?@PMMA@ polysiloxane微球等。2020年，Son等人提出了一種具有梯度折射率的單核雙殼SiO?/TiO?/PMMA納米顆粒。如圖4（左）所示，對(duì)比純SiO?粒子，這種單核雙殼納米顆粒的光散射性能更為優(yōu)異。值得注意的是，大多數(shù)核殼結(jié)構(gòu)的核心材料不透明，使擴(kuò)散板的透光率受影響。中空粒子則在實(shí)現(xiàn)高透光率與輕量化具有優(yōu)勢(shì)。如圖4（右）所示，與中空粒子類似的，發(fā)泡型混合擴(kuò)散膜通過(guò)在膜內(nèi)形成氣泡，替代增加光程微球的作用，氣泡的中空結(jié)構(gòu)，減少了光能損失。

4：純SiO?與SiO?/TiO?/PMMA雙層納米顆粒的漫反射光譜；發(fā)泡混合薄膜示意圖
圖源：ACS Applied Materials & Interfaces, 2020,  12(27): 30862-30870.fig.3；液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

此外，表面聚合物微粒薄膜、聚合物液晶復(fù)合膜等在作為擴(kuò)散膜的應(yīng)用方面也有許多研究， 2022年，Kumari等人制備了一種聚合物微粒填充液晶薄膜（Polymer Microsphere-Filled Liquid Crystals，PFLCs），通過(guò)施加外加電場(chǎng)可控制其散射狀態(tài)，如圖5所示。聚合物液晶復(fù)合膜的透光率受電場(chǎng)控制的特性，使其狀態(tài)可切換，為擴(kuò)散膜的多功能應(yīng)用提供了新思路。

圖5： (a) 制備的PFLC樣品模型；(b) 施加電場(chǎng)后樣品的關(guān)閉狀態(tài)和(c)開(kāi)啟狀態(tài)
圖源：ACS Applied Polymer Materials, 2022,  4(1): 64-73.fig.6

▎量子點(diǎn)擴(kuò)散板在LCD中的應(yīng)用

量子點(diǎn)光致發(fā)光技術(shù)在LCD背光中的應(yīng)用已很成熟，并發(fā)展有多種嵌入方案如QD on chip、QD on edge、QD on surface及QD on plate等。市場(chǎng)上量子點(diǎn)液晶電視的色域有了明顯提升，獲得了更佳的視覺(jué)體驗(yàn)。然而，穩(wěn)定性問(wèn)題仍是量子點(diǎn)應(yīng)用于LCD的“攔路虎”之一。量子點(diǎn)溫度、水、紫外光及氧氣等條件都相當(dāng)敏感，極易在環(huán)境中發(fā)生熒光猝滅。將量子點(diǎn)封裝入聚合物或玻璃陶瓷中是進(jìn)一步提升量子點(diǎn)的環(huán)境穩(wěn)定性的有效方式。2021年，Chen等人通過(guò)注塑成型的方法將量子點(diǎn)嵌入PC基材中，制備了一種量子點(diǎn)導(dǎo)光板（Quantum Dot Light Guide Plate，QD-LGP），滿足QD on plate的結(jié)構(gòu)。其發(fā)光特性與傳統(tǒng)導(dǎo)光板略有不同，從邊緣入射的藍(lán)光光線將同時(shí)被量子點(diǎn)吸收和散射，在傳播過(guò)程中不斷轉(zhuǎn)換消耗，直至消失殆盡，效果如圖6所示。這種光線損耗意味著在制備時(shí)，不同位置的量子點(diǎn)濃度需要被精準(zhǔn)控制。因此，對(duì)于大尺寸顯示器，采用量子點(diǎn)擴(kuò)散板的直下式入光方式仍是更好的解決方案。

圖6：QD-LGP的光發(fā)射和強(qiáng)度衰減示意圖
圖源：液晶與顯示，2023,  38(3):304-318.

量子點(diǎn)擴(kuò)散板屬于粒子散射型擴(kuò)散板，具備散射光線的特性。通常量子點(diǎn)擴(kuò)散板以PMMA及PS等聚合物作為基體，通過(guò)熔融擠出工藝制備，量子點(diǎn)均勻地分散其中。與量子點(diǎn)膜相比，量子點(diǎn)擴(kuò)散板省去了昂貴的阻隔膜，聚合物基體有助于減少量子點(diǎn)團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)一步提升量子點(diǎn)的穩(wěn)定性。量子點(diǎn)擴(kuò)散板背光結(jié)構(gòu)如圖7所示，從上至下包括棱鏡膜、量子點(diǎn)擴(kuò)散板、藍(lán)光Mini-LED陣列等。對(duì)比圖1與圖7可知，量子點(diǎn)擴(kuò)散板產(chǎn)生亮度均勻白光的基本工作原理與量子點(diǎn)膜類似，都具有優(yōu)秀的色彩表現(xiàn)力。量子點(diǎn)擴(kuò)散板將量子點(diǎn)膜與擴(kuò)散板合二為一，兼具色轉(zhuǎn)換及散射特性，簡(jiǎn)化了背光結(jié)構(gòu)。因此，在大中型尺寸電視的制造中，量子點(diǎn)擴(kuò)散板相較于量子點(diǎn)膜結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。

圖7：量子點(diǎn)擴(kuò)散板背光結(jié)構(gòu)示意圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

當(dāng)前用于擴(kuò)散板中的量子點(diǎn)多為II–VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)，近來(lái)鈣鈦礦量子點(diǎn)由于合成簡(jiǎn)單、寬色域、光譜可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在顯示領(lǐng)域的研究受到追捧。但其穩(wěn)定性同樣是限制了它的應(yīng)用的難題之一。目前，已證明通過(guò)配體修飾、離子摻雜、包覆等手段可有效改善其穩(wěn)定性。針對(duì)鈣鈦礦水氧穩(wěn)定性弱的問(wèn)題，已開(kāi)展了大量研究。在不斷的性能優(yōu)化下，鈣鈦礦量子點(diǎn)展現(xiàn)在背光顯示中的巨大應(yīng)用前景。與聚合物結(jié)合后，鈣鈦礦量子點(diǎn)在擴(kuò)散板中的應(yīng)用也值得被進(jìn)一步探索。

▎多層量子點(diǎn)擴(kuò)散板的制備與測(cè)試

? 多層量子點(diǎn)擴(kuò)散板的制備

多層結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)擴(kuò)散板（Multi-Layer Structured Quantum Dot Diffuser Plate，QD-DP）采用多層熔融共擠的方法，所制備的QD-DP形似三明治，中間為混合量子點(diǎn)的PMMA層，紅綠量子點(diǎn)在其中均勻分布，具有光散射及色轉(zhuǎn)換功能。上下為純PMMA層，其良好的耐水氧性，可對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行有效保護(hù)。圖8所示為量子點(diǎn)母粒的制作工藝流程。量子點(diǎn)溶液與PMMA母粒混合，在雙螺桿造粒機(jī)在220℃~245℃的溫度下將混合物熔融擠出條狀物，經(jīng)冷卻切割后即可得到量子點(diǎn)母粒。得益于核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)及PMMA層的保護(hù)，量子點(diǎn)母粒能保持相當(dāng)好的穩(wěn)定性。

圖8：量子點(diǎn)母粒制造過(guò)程
圖源：液晶與顯示，2023,  38(3):304-318.

QD-DP的具體制備過(guò)程如圖9所示。熔融后的材料由三臺(tái)擠出機(jī)同時(shí)擠出，并模壓成一塊完整的多層擴(kuò)散板。QD-DP的成分及尺寸可自由調(diào)節(jié)，厚度通過(guò)滾軸的間距控制，制備工藝具有很高的靈活性。經(jīng)過(guò)高溫熔融混合過(guò)程后，量子點(diǎn)可被充分分散功能層中。經(jīng)測(cè)量，QD-DP的鎘含量約為25ppm，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)的低鎘標(biāo)準(zhǔn)（<100 ppm）。因此，在環(huán)保要求上，量子點(diǎn)擴(kuò)散板較量子點(diǎn)膜同樣具有一定優(yōu)勢(shì)。在成本方面，較低量子點(diǎn)濃度可進(jìn)一步降低制造成本，有利于QD技術(shù)向中低端顯示產(chǎn)品滲透。

圖9：三層熔融共擠出制備多層QD-DP的過(guò)程示意圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

? 性能測(cè)試

對(duì)于量子點(diǎn)背光器件，色轉(zhuǎn)換性能應(yīng)被首要關(guān)注。QD-DP在藍(lán)照射下的光致發(fā)光效果圖如圖10所示。從背光點(diǎn)亮圖中可以看出，Mini-LED發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)板內(nèi)的擴(kuò)散粒子及量子點(diǎn)的散射后均勻出射。采用九點(diǎn)法測(cè)量其出光面亮度，均勻性高于80%。為了驗(yàn)證其熒光特性，使用光譜儀測(cè)試了工作時(shí)QD-DP的歸一化白光光譜，藍(lán)/綠/紅光的半峰寬分別小于20nm/25nm/25nm，色域覆蓋率達(dá)到了DCI-P3標(biāo)準(zhǔn)的99.58%，符合高色域顯示的要求。

圖10：QD-DP的背光光譜圖、側(cè)視圖、背光點(diǎn)亮圖及在CIE1976坐標(biāo)系下的色域圖
圖源：液晶與顯示，2023,  38(3):304-318.

除了色彩表現(xiàn)力外，擴(kuò)散板的穩(wěn)定性同樣重要。為此，對(duì)所制備的QD-DP樣品進(jìn)行了老化測(cè)試，結(jié)果如圖11(a)所示。在高溫高濕（60℃/90%）的環(huán)境中儲(chǔ)存2500h后， QD-DP亮度及色坐標(biāo)波動(dòng)小于10%，極端環(huán)境未對(duì)板內(nèi)量子點(diǎn)造成明顯影響。這歸功于三層結(jié)構(gòu)中的PMMA層可隔絕水氧，極大程度的減少了內(nèi)部的量子點(diǎn)猝滅。在45℃/85％的條件下對(duì)三塊QD-DP樣品進(jìn)行藍(lán)光照射老化實(shí)驗(yàn)，如圖11(b)所示，該QD-DP的有效工作壽命（T95）超過(guò)了1000小時(shí)。這一方面是因?yàn)榱孔狱c(diǎn)被均勻分散在擴(kuò)散板中，避免了由于LED長(zhǎng)時(shí)間工作后產(chǎn)生的高溫對(duì)量子點(diǎn)壽命的影響。總之，QD-DP的三層結(jié)構(gòu)可隔絕板內(nèi)量子點(diǎn)與環(huán)境中的水氧接觸，降低量子點(diǎn)的猝滅失活概率，從而提高其工作穩(wěn)定性與使用壽命。另外，QD-DP的性能與量子點(diǎn)膜產(chǎn)品相當(dāng)，且其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，在大中型尺寸顯示的應(yīng)用中更具競(jìng)爭(zhēng)力。

圖11：（a）QD-DP的高溫高濕儲(chǔ)存測(cè)試數(shù)據(jù) (b) QD-DP在藍(lán)光照射下的光衰特性曲線
圖源：液晶與顯示，2023,  38(3):304-318.

▎總結(jié)

量子點(diǎn)擴(kuò)散板屬于粒子散射型擴(kuò)散板，兼具色轉(zhuǎn)換與勻化光線的作用，可以替代商業(yè)化的量子點(diǎn)膜結(jié)合傳統(tǒng)擴(kuò)散板的方案。量子點(diǎn)擴(kuò)散板結(jié)合Mini-LED的區(qū)域調(diào)光技術(shù)后，即可獲得高對(duì)比度和精準(zhǔn)的色彩還原。且對(duì)比量子點(diǎn)膜方案，量子點(diǎn)擴(kuò)散板具有一體成型的結(jié)構(gòu)，省去昂貴的阻隔膜，可大幅降低成本。此外，多層結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)擴(kuò)散板（QD-DP），具有上下PMMA保護(hù)層，板內(nèi)量子點(diǎn)的穩(wěn)定性可得到有效增強(qiáng)，其色轉(zhuǎn)換性能亦符合高色域顯示的要求。

總之，量子點(diǎn)擴(kuò)散板的制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，加之與量子點(diǎn)膜相當(dāng)?shù)娘@色性能，是極具潛力的LCD高色域背光方案。目前， TCL、海信等廠商的量子點(diǎn)電視產(chǎn)品中，采用量子點(diǎn)擴(kuò)散板的方案已實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定出貨，并受到越來(lái)越多用戶的認(rèn)可。隨著眾多廠商的紛紛加入，量子點(diǎn)擴(kuò)散板在中低端產(chǎn)品的市場(chǎng)份額有望進(jìn)一步提升。未來(lái)預(yù)計(jì)QD的穩(wěn)定性可能會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化并擴(kuò)展應(yīng)用場(chǎng)景。

| 論文信息 |

葉道春, 謝洪興, 李思杰, 季洪雷, 許懷書(shū), 李陽(yáng), 孫磊, 陳恩果, 徐勝, 葉蕓, 嚴(yán)群, 郭太良.液晶顯示用量子點(diǎn)擴(kuò)散板的研究進(jìn)展[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(3):304-318.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0318

| 通訊作者簡(jiǎn)介 |

陳恩果，福州大學(xué)/閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室教授、博導(dǎo)，主要從事光電顯示技術(shù)方面的研究，涵蓋材料制備、器件工藝、光學(xué)設(shè)計(jì)仿真、系統(tǒng)應(yīng)用，涉及AR/VR近眼顯示、微顯示與微投影、量子點(diǎn)發(fā)光與顯示等。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目，發(fā)表論文100余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利50余件。
E-mail：ceg@fzu.edu.cn

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