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
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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
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。
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。基于这样的设计，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。 |
