▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

當(dāng)今世界處于信息蓬勃發(fā)展的時代，液晶顯示器作為數(shù)字時代信息呈現(xiàn)的主要載體和人機交互的基礎(chǔ)窗口已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钆c工作中不可或缺的一部分。隨著人們生活水平和社會經(jīng)濟的提升，對具有優(yōu)良顯色性和色彩再現(xiàn)力液晶顯示器的需求急劇增加。而鈣鈦礦量子點玻璃由于結(jié)合了量子點出色的光學(xué)特性（高色純度、高發(fā)光量子效率、發(fā)光顏色可調(diào)等）和無機玻璃優(yōu)異的物理/化學(xué)穩(wěn)定性被認為是背光顯示器中傳統(tǒng)熒光粉轉(zhuǎn)光層的理想替代品，在顯示行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。

近日，福建師范大學(xué)陳大欽教授團隊在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子點液晶顯示應(yīng)用技術(shù)”專欄發(fā)表了題為“鈣鈦礦量子點玻璃背光應(yīng)用”綜述文章。介紹了鈣鈦礦量子點玻璃背光結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方式，并對近年來鈣鈦礦量子點玻璃在背光應(yīng)用的研究現(xiàn)狀與發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)進行了一個概括，最后對其未來在背光應(yīng)用的發(fā)展進行了展望。

▍鈣鈦礦量子點玻璃背光應(yīng)用的封裝方式

目前液晶顯示器背光系統(tǒng)的配置方式主要有三種，根據(jù)量子點材料放置位置的不同分為“芯片封裝型”（On Chip）、“側(cè)管封裝型”（On edge）、“頂部集成型”（On surface）。

? “芯片封裝型”（On Chip）

芯片封裝型是直接將鈣鈦礦量子點玻璃放置在藍光LED芯片發(fā)光層表面，通過耦合得到白光（圖1a）。但要想實現(xiàn)實際應(yīng)用，對量子點玻璃的穩(wěn)定性要求非常高。這是由于藍光LED芯片正常工作時的結(jié)溫會在85~120 ℃，而且鈣鈦礦量子點玻璃在光轉(zhuǎn)換過程中也會釋放部分熱量，導(dǎo)致鈣鈦礦量子點玻璃需要在150 ℃條件下保持長期的發(fā)光穩(wěn)定性。此外，一個1W的藍光LED芯片的輻射光功率密度為～60W/cm2，因此鈣鈦礦量子點玻璃不僅需要有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，還需具備卓越的光穩(wěn)定性，這對于當(dāng)前的鈣鈦礦量子點玻璃來說還是極大的挑戰(zhàn)。

? “側(cè)管封裝型”（On edge）

側(cè)管封裝型是通過量子點玻璃粉末制備成轉(zhuǎn)光條并安裝在導(dǎo)光板側(cè)邊藍光LED燈條入射部，再耦合入導(dǎo)光板內(nèi)，在材料使用和操作條件方面介于芯片封裝型和頂部集成型方式之間（圖1b）。這種結(jié)構(gòu)可以有效的降低藍光LED芯片熱量和光輻射對量子點玻璃發(fā)光材料的影響，且原料使用量也相對較少，約為On- surface用量的百分之一。但由于該結(jié)構(gòu)的組裝與封裝比較困難，目前關(guān)于鈣鈦礦量子點玻璃側(cè)管封裝型的研究還是處于空白階段。

? “頂部集成型”（On surface）

頂部集成型是通過在藍光導(dǎo)光板上貼覆鈣鈦礦量子點玻璃膜轉(zhuǎn)光并擴散，形成白光背光源（圖1c）。這種結(jié)構(gòu)由于不是直接接觸發(fā)光層，還經(jīng)過導(dǎo)光板對藍光均勻擴散，因此量子點玻璃轉(zhuǎn)光膜受到的熱量與光輻射是非常小的，足以滿足應(yīng)用的需求。只是這種結(jié)構(gòu)對量子點玻璃原料需求比較大，且隨著顯示器尺寸增大，成本也逐步提升。在成膜制備方面，鈣鈦礦量子點玻璃轉(zhuǎn)光膜還無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，且相關(guān)性研究相對較少。因此如何成熟的制備低成本高亮度的鈣鈦礦量子點玻璃光學(xué)轉(zhuǎn)光膜也是阻礙其實際應(yīng)用的一大難題。

圖1：(a) 芯片封裝型， (b) 側(cè)管封裝型，(c) 頂部集成型
圖源： Chemical Engineering Journal，2020， 398：125616.

▍鈣鈦礦量子點玻璃背光應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

? 鈣鈦礦量子點玻璃芯片封裝型在背光應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀

自從2016年Wang等人首次在磷酸鹽玻璃中析出了CsPbBr?量子點后，眾多研究人員都把目光聚焦到鈣鈦礦量子點玻璃及其應(yīng)用研究上，而關(guān)于鈣鈦礦量子點玻璃芯片應(yīng)用的研究又是其中的熱點。例如，Liu等人通過鈣鈦礦量子點玻璃制備的發(fā)光器件展現(xiàn)了強烈的發(fā)光與優(yōu)異的發(fā)光效率，綠光LED器件最高發(fā)光效率可以達到~120 lm/W，并且外量子效率也達到了~30%，白光LED器件顯示出50-60 lm/W的發(fā)光效率和20-25%的外量子效率（圖2）。此外，得益于無機玻璃的保護，CsPbX?鈣鈦礦量子點還展現(xiàn)出了優(yōu)異的抗光照和耐水熱性，而且經(jīng)過20℃-200 ℃的加熱冷卻循環(huán)后，發(fā)光強度幾乎沒有減弱，展現(xiàn)出了出色的熱可逆性。無獨有偶，Guo等人在硼硅酸鹽玻璃中同樣制備出了具有卓越穩(wěn)定性與出色熱可逆性的CsPbX?@glass，其中CsPbBr?@glas經(jīng)過10輪300-400K的熱循環(huán)測試后，發(fā)光強度依然保持在初始強度的98.7%，并且經(jīng)過150W的紫外光照射60天后發(fā)光強度僅下降不到5%。將藍光LED芯片耦合CsPbX?@glass轉(zhuǎn)光層制備出了具有寬色域的白光LED器件，該器件色域達到了121.9% NTSC的顯示色域與91.1% Rec.2020的顯示色域。

圖2：(a)CsPbBr?@glass,(b)CsPb(Br/I)?@glass,(c)CsPbBr?@glass+ CsPb(Br/I)?@glass片材制作的綠光、紅光和白光LED器件；CsPbBr?@glass和CsPb(Br/I)?@glass所構(gòu)建的LED器件的(d)發(fā)光效率和€外量子效率；(f) 綠光和紅光LED器件發(fā)光色度坐標與正向偏置電流的關(guān)系。
圖源： Advanced Optical Materials，2019， 7(9)：1801663.

值得注意的是，白光LED的色域并不代表液晶顯示器所能呈現(xiàn)的顏色范圍，這是由于液晶顯示器是通過白光光源搭配彩色濾色片來實現(xiàn)彩色顯示的，因此最終的彩色顯示效果是受白光背光源的發(fā)光特性與彩色濾色片透過光譜雙重制約的。例如，Im等人采用CsPbBr?@glass PIG片以及KSF:Mn??涂覆層耦合藍光芯片制備的白光LED經(jīng)過彩色濾色片作用后，色域由之前的131% NTSC的顯示色域降到了108%（圖3a），這也證明了彩色濾色片對于液晶顯示器的顯示特性影響很大。然而，目前彩色濾色片的濾光效果是十分有限的，紅、綠和藍3色濾色片均只能濾掉一定波長范圍的發(fā)光，但在各自發(fā)光波段仍然有較寬波段透過（圖3b）。因此，白光背光源本身的發(fā)光特性對顯示器的色彩顯示能力起著關(guān)鍵性作用。而且鈣鈦礦量子點玻璃普遍存在高溫?zé)徕绲默F(xiàn)象，在100℃左右，發(fā)光強度就僅剩初始值的20%左右。這一結(jié)果也證明鈣鈦礦量子點玻璃無法在藍光LED正常運行時，保持長期的發(fā)光穩(wěn)定性。所以要想實現(xiàn)鈣鈦礦量子點玻璃背光應(yīng)用還需要通過另一種配置方式。

圖3：(a) 采用CsPbBr?量子點玻璃PIG片與KSF:Mn??涂覆層耦合藍光芯片制備的白光LED有無彩色濾色片過濾的顏色再現(xiàn)范圍，插圖為白光LED發(fā)光圖片與PL光譜。(b) 紅、綠、藍(R、G、B)彩色濾色片的透射光譜。
圖源： ACS Applied Nano Materials, 2021,  4(7): 7072-7078.

? 鈣鈦礦量子點玻璃芯片封裝型在背光應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀

頂部集成型由于不是直接接觸發(fā)光層，而且藍光經(jīng)過導(dǎo)光板均勻擴散，因此轉(zhuǎn)光膜受到的熱量與光輻射是非常小，這使得鈣鈦礦量子點玻璃光學(xué)轉(zhuǎn)光膜應(yīng)用于背光顯示成為可能。事實上，鈣鈦礦量子點光學(xué)轉(zhuǎn)光膜早已被成功開發(fā)出來，在2016年，Zhong等人就成功的制備出了具有高透明性（>85%）與高發(fā)光量子效率（>90%）的鈣鈦礦量子點光學(xué)轉(zhuǎn)光膜,并將該光學(xué)轉(zhuǎn)光膜集成到“頂部集成型”的背光結(jié)構(gòu)中，如圖4g-h所示，基于鈣鈦礦量子點光學(xué)膜構(gòu)建的液晶顯示器樣機相對于商業(yè)液晶顯示屏展現(xiàn)出了更加飽和與艷麗的色彩（經(jīng)過濾色片作用后，色域為105% NTSC）。遺憾的是，該薄膜在加速老化條件下（70 ℃/85% RH）不到5天就幾乎沒有了發(fā)光強度，這是由于鈣鈦礦量子點是一類離子晶體，暴露在外界環(huán)境（如光、熱以及空氣）中會變質(zhì)分解失效導(dǎo)致的。因此，鈣鈦礦量子點光學(xué)轉(zhuǎn)光膜要實現(xiàn)寬色域背光平板顯示商業(yè)化應(yīng)用仍面臨許多亟待解決的問題，尤其是量子點光學(xué)膜穩(wěn)定性問題。值得一提的是，目前生產(chǎn)的鈣鈦礦量子點光學(xué)膜即便經(jīng)過阻隔膜的封裝也只能滿足部分商用老化要求（60°C，90%RH老化），無法達到雙85等更苛刻的工業(yè)老化測試標準。這是由于阻隔膜的封裝還是不能完全杜絕外界水、氧滲入到光學(xué)膜內(nèi)。因此，如何提高穩(wěn)定性并降低成本是鈣鈦礦量子點光學(xué)膜在背光顯示應(yīng)用中需要重點解決的瓶頸問題。

近年來，鈣鈦礦量子點玻璃由于無機玻璃致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無縫包覆，可以有效的將量子點與外界環(huán)境隔離開來，為徹底解決其穩(wěn)定性提出了一條極具前景的新途徑。例如，Chen等人通過將鈣鈦礦量子點玻璃粉末與硅膠共混成膜，制備出了具有優(yōu)異光學(xué)性能與穩(wěn)定性的光學(xué)轉(zhuǎn)光膜（圖4a-d）。通過調(diào)控[CsPbBr?@glass]/PDMS重量比，轉(zhuǎn)光膜的量子產(chǎn)率可以達到~100%，而且在365-480 nm光激發(fā)下量子產(chǎn)率都保持在80%以上（圖4a-b），這些結(jié)論都證實了它們作為藍光芯片激發(fā)背光中的轉(zhuǎn)光層的適用性。同時，基于量子點玻璃/聚合物薄膜白光背光源構(gòu)建的顯示器件被賦予了寬色域，達到152%的商用LCD的顯示色域和103% NTSC的顯示色域（經(jīng)過濾色片作用后），相對于商用液晶顯示器展現(xiàn)出了更加飽和與艷麗的色彩（圖4e-f）。Xiang等人用紫外固化膠充分混合量子點玻璃粉末，然后涂布在兩層PET薄膜之間得到鈣鈦礦量子點玻璃薄膜轉(zhuǎn)光層。基于此轉(zhuǎn)光層制備的背光液晶顯示器展現(xiàn)出了廣泛的色域，分別達到了126.27% NTSC和93.9% Rec.2020的顯示色域（未經(jīng)過濾色片作用），而且由于PET薄膜與玻璃基質(zhì)的雙重保護，該復(fù)合膜顯示出良好的耐水熱和耐藍光性，在80℃水中浸泡或在460nm藍光照射下96小時后發(fā)光強度都沒有明顯的變化。通過該復(fù)合膜組裝的顯示器連續(xù)運行60h后，顯示器的性能與輸出圖像的質(zhì)量都沒有發(fā)生改變。這些結(jié)果都表明了鈣鈦礦量子點玻璃在寬色域液晶顯示器（LCD）中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4：(a) 不同[CsPbBr?@glass]/PDMS重量比的CsPbBr?@glass@PDM薄膜的PLQY，插圖是發(fā)光薄膜實物照片; (b) CsPbBr?@glass@PDMS和CsPbBr?.?I?.?@glass@PDMS薄膜的PLQYs對入射激發(fā)光波長的依賴性; (c) 在紫外光(6W)照射下進行7天的光穩(wěn)定性測試; (d) CsPbX?@glass@PDMS薄膜直接浸入90℃的水中保持24小時加速老化測試。作為對比，膠體 CsPbBr?@PDMS薄膜的數(shù)據(jù)也提供在(c，d)。集成有鈣鈦礦量子點玻璃光學(xué)膜的顯示器樣機(f)與商用顯示器(e)的顯示效果對比；(g) 和(h)為集成有膠體鈣鈦礦量子點光學(xué)膜的顯示器樣機與蘋果筆記本顯示器的顯示效果對比。
圖4 a-f源： ACS Energy Letters，2021， 6(2)：519–528.
圖4 g-h源：中國光學(xué), 2017，10(5)：666-680.

▍鈣鈦礦量子點玻璃背光應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)

盡管鈣鈦礦量子點玻璃的穩(wěn)定性足以滿足應(yīng)用的需求，但要實現(xiàn)背光應(yīng)用仍然存在一些亟需解決的問題。這些問題主要可以分為兩類。

一類是鈣鈦礦量子點玻璃本身存在的光學(xué)性能問題：

1、發(fā)光效率與膠體量子點相比仍需進一步提高，尤其是紅光發(fā)射的量子點；

2、發(fā)射半峰寬需進一步窄化；

3、發(fā)射波長調(diào)諧時易出現(xiàn)光學(xué)性能驟降。

另一類是應(yīng)用過程中存在的問題：

1、鈣鈦礦量子點玻璃在高溫時容易發(fā)生熱猝滅，無法在芯片正常運行時，保持長期穩(wěn)定的發(fā)光；

2、目前鈣鈦礦量子點玻璃轉(zhuǎn)光膜制備工藝不成熟，僅停留在實驗階段，還無法實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大面積生產(chǎn)。

這些科學(xué)問題都對鈣鈦礦量子點玻璃應(yīng)用于背光顯示提出了新的挑戰(zhàn)。

▍總結(jié)與展望

對于顯示行業(yè)來說，提升屏幕的色彩再現(xiàn)力與顏色渲染效果已經(jīng)成為大勢所趨，而鈣鈦礦量子點玻璃因其優(yōu)異的光學(xué)性能與穩(wěn)定性在背光應(yīng)用中展現(xiàn)出了極強的競爭力。由于玻璃致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的保護，使得鈣鈦礦量子點玻璃無需阻隔膜即可有效的隔絕水、氧，顯著提升鈣鈦礦量子點的穩(wěn)定性。但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，仍然存在一些問題亟需解決。如PDMS成本過高，成膜周期長且不利于制成大面積膜。因此，當(dāng)務(wù)之急是需要選取適合的聚合物載體（如：聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸脂PC、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP等），發(fā)展可工業(yè)化生產(chǎn)的符合產(chǎn)業(yè)需求的低價、高穩(wěn)定且光學(xué)性能優(yōu)異的鈣鈦礦量子點玻璃/聚合物復(fù)合材料，并最終實現(xiàn)背光顯示。相信不久的將來，鈣鈦礦量子點玻璃將在背光顯示領(lǐng)域扮演更重要的角色。

| 論文信息 |

林繼棟, 陳大欽. 鈣鈦礦量子點玻璃背光應(yīng)用[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(3):342-355.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0223

| 通訊作者介紹 |

陳大欽，福建師范大學(xué)教授，博導(dǎo)，福建省引進高層次人才（B類）。2001、2004年中南大學(xué)本碩，2008年中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所博士。從事發(fā)光材料與器件研發(fā)。主持國家重點研發(fā)課題和子課題各1項、國家自然科學(xué)基金（5項）、福建/浙江省杰青和福建省自然科學(xué)重點基金等。以第一和通訊作者在Chem. Soc. Rev., AM, AFM, JACS, Light Sci. Appl., ACS Energy Lett.和Nano. Energy等期刊上發(fā)表SCI論文200多篇，論文他引>15000次，引用>100次論文30多篇，H因子為75，ESI熱點/高被引論文30多篇，授權(quán)中國發(fā)明專利20多項，撰寫專章3篇，譯著《材料科學(xué)與工程導(dǎo)論》專著1部?，F(xiàn)為中國稀土學(xué)會光電材料與器件專業(yè)委員會委員、中國硅酸鹽學(xué)會特種玻璃分會理事、陶瓷類國際期刊J. Am. Ceram. Soc.副編輯（Associate Editor）和《發(fā)光學(xué)報》青年編委。

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