本文由論文作者團隊（課題組）投稿

量子點技術是當前液晶顯示領域最熱門的技術之一，量子點的窄發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）未來發展方向。傳統擴散板可柔化光線，使出光面亮度均勻分布，在此基礎上加入量子點的擴散板還具備色彩重新定義和改善色彩呈現能力的特性。量子點擴散板作為傳統擴散板與新興量子點技術的結合應用，是LCD在與OLED的競爭中的有力武器。

近日，福州大學、閩都創新實驗室、TCL電子有限公司的聯合研發團隊在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子點液晶顯示應用技術”專欄發表了題為“液晶顯示用量子點擴散板的研究進展”的綜述文章。

文章簡要概述了液晶顯示中擴散板的研究進展，同時著重介紹了自主制備的多層結構量子點擴散板，對其光學性能與穩定性進行了測試評估，展現了量子點擴散板帶來的均勻性和色域提升的重要意義及其在LCD中的應用前景。

▎引言

當前， LCD的背光結構主要分為側入式及直下式兩種，而直下式背光一般采用Mini-LED與量子點色彩增強膜相結合的方式，具體結構如圖1所示。背光模組為液晶模塊供光，通過調節液晶層的光線透過率來控制各分區顯示畫面的明暗。標準的LED的在出光面上呈朗伯分布，其在作為背光源時會造成畫面明暗不均的問題，影響視覺體驗。雖然通過改變LED的光線分布可提升出光面亮度均勻性，但在沒有擴散板的情況下，仍很難做到完全均勻。擴散板的透光率和霧度影響著出光亮度與均勻性，關乎著最終成像的好壞。為達到更好的顯示效果，背光模組需滿足高亮度、高均勻性、廣色域、可局部調光等要求。

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

▎液晶顯示用擴散板概述

眾所周知，光線在經過折射率不同的介質時會發生折反射。因此，通過擴散板的表面微結構或散射粒子等使之發生散射，可提升出光均勻性。根據光散射原理的不同，擴散板主要分為表面微結構型擴散板與粒子散射型擴散板兩種。

? 表面微結構型擴散板

表面微結構型擴散板的表面具有周期性微結構，如微透鏡陣列、自由曲面微結構、棱柱結構等。這些微結構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散膜，制備過程如圖2所示。該擴散膜的錐形納米波紋層次結構使其具備優秀的防污性能，同時能在寬波長范圍內滿足高透光率、高霧度的要求。

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

此外，由斑點曝光形成的全息擴散片也是表面微結構擴散板的一種，其具有顯示效果細膩、透光率高及散射光角度可控的優點。傳統全息擴散片微結構高度概率密度呈高斯分布，視場角受限，若提高光散射角又將導致亮度損失。為解決此問題，2021年，Yang等人使用光刻膠作為全息記錄介質，磨砂玻璃作為粗糙表面。如圖3所示，制備了具有散射斑場表面微結構的全息擴散片。這種擴散片具有高能量效率的平頂式散射光強分布，可提高亮度均勻性及顯示亮度，適用于LCD背光領域。

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

? 粒子散射型擴散板

粒子散射型擴散板具有結構簡單及擴散光線均勻等優點，一般以PC、PMMA、PS等聚合物作為基材，光擴散劑種類涵蓋有機/無機物顆粒、聚合物微球及核殼結構微球等。擴散劑種類與用量都影響擴散板的性能，濃度過高的擴散粒子能提升擴散板對光線的散射性能，但也將致使透光率下降，影響光效。除了純散射顆粒外，光線在經過核殼結構微球時的散射次數增加，這能拓寬擴散板的視場角。因此，核殼結構微球也適于作為擴散劑使用，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，對比純SiO?粒子，這種單核雙殼納米顆粒的光散射性能更為優異。值得注意的是，大多數核殼結構的核心材料不透明，使擴散板的透光率受影響。中空粒子則在實現高透光率與輕量化具有優勢。如圖4（右）所示，與中空粒子類似的，發泡型混合擴散膜通過在膜內形成氣泡，替代增加光程微球的作用，氣泡的中空結構，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、聚合物液晶復合膜等在作為擴散膜的應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），通過施加外加電場可控制其散射狀態，如圖5所示。聚合物液晶復合膜的透光率受電場控制的特性，使其狀態可切換，為擴散膜的多功能應用提供了新思路。

圖5： (a) 制備的PFLC樣品模型；(b) 施加電場后樣品的關閉狀態和(c)開啟狀態
圖源：ACS Applied Polymer Materials, 2022,  4(1): 64-73.fig.6

▎量子點擴散板在LCD中的應用

量子點光致發光技術在LCD背光中的應用已很成熟，并發展有多種嵌入方案如QD on chip、QD on edge、QD on surface及QD on plate等。市場上量子點液晶電視的色域有了明顯提升，獲得了更佳的視覺體驗。然而，穩定性問題仍是量子點應用于LCD的“攔路虎”之一。量子點溫度、水、紫外光及氧氣等條件都相當敏感，極易在環境中發生熒光猝滅。將量子點封裝入聚合物或玻璃陶瓷中是進一步提升量子點的環境穩定性的有效方式。2021年，Chen等人通過注塑成型的方法將量子點嵌入PC基材中，制備了一種量子點導光板（Quantum Dot Light Guide Plate，QD-LGP），滿足QD on plate的結構。其發光特性與傳統導光板略有不同，從邊緣入射的藍光光線將同時被量子點吸收和散射，在傳播過程中不斷轉換消耗，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，不同位置的量子點濃度需要被精準控制。因此，對于大尺寸顯示器，采用量子點擴散板的直下式入光方式仍是更好的解決方案。

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

量子點擴散板屬于粒子散射型擴散板，具備散射光線的特性。通常量子點擴散板以PMMA及PS等聚合物作為基體，通過熔融擠出工藝制備，量子點均勻地分散其中。與量子點膜相比，量子點擴散板省去了昂貴的阻隔膜，聚合物基體有助于減少量子點團聚現象，進一步提升量子點的穩定性。量子點擴散板背光結構如圖7所示，從上至下包括棱鏡膜、量子點擴散板、藍光Mini-LED陣列等。對比圖1與圖7可知，量子點擴散板產生亮度均勻白光的基本工作原理與量子點膜類似，都具有優秀的色彩表現力。量子點擴散板將量子點膜與擴散板合二為一，兼具色轉換及散射特性，簡化了背光結構。因此，在大中型尺寸電視的制造中，量子點擴散板相較于量子點膜結構更具優勢。

圖7：量子點擴散板背光結構示意圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(3):304-318.

當前用于擴散板中的量子點多為II–VI族半導體量子點，近來鈣鈦礦量子點由于合成簡單、寬色域、光譜可調等優點，在顯示領域的研究受到追捧。但其穩定性同樣是限制了它的應用的難題之一。目前，已證明通過配體修飾、離子摻雜、包覆等手段可有效改善其穩定性。針對鈣鈦礦水氧穩定性弱的問題，已開展了大量研究。在不斷的性能優化下，鈣鈦礦量子點展現在背光顯示中的巨大應用前景。與聚合物結合后，鈣鈦礦量子點在擴散板中的應用也值得被進一步探索。

▎多層量子點擴散板的制備與測試

? 多層量子點擴散板的制備

多層結構量子點擴散板（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，中間為混合量子點的PMMA層，紅綠量子點在其中均勻分布，具有光散射及色轉換功能。上下為純PMMA層，其良好的耐水氧性，可對量子點進行有效保護。圖8所示為量子點母粒的制作工藝流程。量子點溶液與PMMA母粒混合，在雙螺桿造粒機在220℃~245℃的溫度下將混合物熔融擠出條狀物，經冷卻切割后即可得到量子點母粒。得益于核殼結構量子點及PMMA層的保護，量子點母粒能保持相當好的穩定性。

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

QD-DP的具體制備過程如圖9所示。熔融后的材料由三臺擠出機同時擠出，并模壓成一塊完整的多層擴散板。QD-DP的成分及尺寸可自由調節，厚度通過滾軸的間距控制，制備工藝具有很高的靈活性。經過高溫熔融混合過程后，量子點可被充分分散功能層中。經測量，QD-DP的鎘含量約為25ppm，符合歐洲標準的低鎘標準（<100 ppm）。因此，在環保要求上，量子點擴散板較量子點膜同樣具有一定優勢。在成本方面，較低量子點濃度可進一步降低制造成本，有利于QD技術向中低端顯示產品滲透。

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

? 性能測試

對于量子點背光器件，色轉換性能應被首要關注。QD-DP在藍照射下的光致發光效果圖如圖10所示。從背光點亮圖中可以看出，Mini-LED發出的光線，經過板內的擴散粒子及量子點的散射后均勻出射。采用九點法測量其出光面亮度，均勻性高于80%。為了驗證其熒光特性，使用光譜儀測試了工作時QD-DP的歸一化白光光譜，藍/綠/紅光的半峰寬分別小于20nm/25nm/25nm，色域覆蓋率達到了DCI-P3標準的99.58%，符合高色域顯示的要求。

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

除了色彩表現力外，擴散板的穩定性同樣重要。為此，對所制備的QD-DP樣品進行了老化測試，結果如圖11(a)所示。在高溫高濕（60℃/90%）的環境中儲存2500h后， QD-DP亮度及色坐標波動小于10%，極端環境未對板內量子點造成明顯影響。這歸功于三層結構中的PMMA層可隔絕水氧，極大程度的減少了內部的量子點猝滅。在45℃/85％的條件下對三塊QD-DP樣品進行藍光照射老化實驗，如圖11(b)所示，該QD-DP的有效工作壽命（T95）超過了1000小時。這一方面是因為量子點被均勻分散在擴散板中，避免了由于LED長時間工作后產生的高溫對量子點壽命的影響。總之，QD-DP的三層結構可隔絕板內量子點與環境中的水氧接觸，降低量子點的猝滅失活概率，從而提高其工作穩定性與使用壽命。另外，QD-DP的性能與量子點膜產品相當，且其生產工藝簡單，易于實現大規模生產，在大中型尺寸顯示的應用中更具競爭力。

圖11：（a）QD-DP的高溫高濕儲存測試數據 (b) QD-DP在藍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

量子點擴散板屬于粒子散射型擴散板，兼具色轉換與勻化光線的作用，可以替代商業化的量子點膜結合傳統擴散板的方案。量子點擴散板結合Mini-LED的區域調光技術后，即可獲得高對比度和精準的色彩還原。且對比量子點膜方案，量子點擴散板具有一體成型的結構，省去昂貴的阻隔膜，可大幅降低成本。此外，多層結構的量子點擴散板（QD-DP），具有上下PMMA保護層，板內量子點的穩定性可得到有效增強，其色轉換性能亦符合高色域顯示的要求。

總之，量子點擴散板的制備工藝簡單、成本低廉，加之與量子點膜相當的顯色性能，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電視產品中，采用量子點擴散板的方案已實現批量穩定出貨，并受到越來越多用戶的認可。隨著眾多廠商的紛紛加入，量子點擴散板在中低端產品的市場份額有望進一步提升。未來預計QD的穩定性可能會進一步增強，其結構可進一步簡化并擴展應用場景。

| 論文信息 |

葉道春, 謝洪興, 李思杰, 季洪雷, 許懷書, 李陽, 孫磊, 陳恩果, 徐勝, 葉蕓, 嚴群, 郭太良.液晶顯示用量子點擴散板的研究進展[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(3):304-318.

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

| 通訊作者簡介 |

陳恩果，福州大學/閩都創新實驗室教授、博導，主要從事光電顯示技術方面的研究，涵蓋材料制備、器件工藝、光學設計仿真、系統應用，涉及AR/VR近眼顯示、微顯示與微投影、量子點發光與顯示等。主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上項目等項目，發表論文100余篇，授權國家發明專利50余件。
E-mail：ceg@fzu.edu.cn

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