混合多种颜色量子点的光色转换层的光色转换分析方法与流程

1.本发明涉及新型显示领域，具体涉及一种混合多种颜色的量子点光色转换层的光色转换分析方法。


背景技术：

[0002]“量子点”一词是在1986年创造的，它们首先在玻璃基质和胶体溶液中被alexey ekimov和louis brus发现。量子点(quantum dots)是指空间三个维度上存在量子限域效应的半导体纳米晶材料，又被称作“人造原子”。量子点大部分是由
ⅱ‑ⅵ
族或
ⅲ‑ⅴ
族元素组成的一种准零维纳米材料，其三个维度的尺寸都在1～10nm，外观恰似一极小的点状物。量子点内部的电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，所以量子限域效应特别显著。由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成分立能级结构，由此带来了发光光谱窄(20
‑
30nm)，色纯度高，色域广等优势。不同尺寸的量子点，电子和空穴被量子限域的程度不一样，分子特性的分立能级结构也因量子点的尺寸不同而不同，因此在受到外来能量激发后，不同尺寸的量子点将发出不同波长的荧光，也就是各种颜色的光。将量子点与显示技术相结合已经成为显示领域研究的重点和热点之一，不仅能够大幅提升显示器件的色彩表现能力，而且能够大幅改善显示器件对光线的利用率。量子点光色转换层不仅可以帮助显示器实现广色域，而且具有较高的光转换效率，在包括液晶显示器、micro
‑
led、mini
‑
led 以及蓝光oled等显示器件上都具有广泛的应用前景。但是目前量子点膜片的图案化制备技术仍然存在一些关键技术问题需要解决，包括出光颜色白平衡、对光效的利用率、入射光透过率以及量子点膜片的寿命等。因此量子点光色转换层的设计是背光模组的关键技术之一。目前，现有的论文和研究都是通过仿真来选择量子点薄膜厚度及浓度大小，以实现量子点光效利用率高及入射光透过率低等要求。没有具体到理论的探究，但这种仿真近似实际上对整体的效果影响比较大。综上，现有技术都较难以直观的求出转换光转换效率随量子点光色转换层的厚度以及量子点浓度参数变化的关系，为了解决这一问题，有必要提出一种能够准确、高效地计算量子点光色转换层厚度及量子点浓度参数设计的技术依据和理论指导的方法。


技术实现要素：

[0003]
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合多种颜色的量子点光色转换层的光色转换分析方法，能够准确、高效地获取量子点光色转换层厚度及量子点浓度参数。
[0004]
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005]
一种混合多种颜色的量子点光色转换层的光色转换分析方法，包括以下步骤：
[0006]
步骤s1：获取混合了红绿色量子点的光色转换层初始参数；
[0007]
步骤s2：依据光线波长或频率的不同对混合了红绿色量子点的光色转换层进行逻辑通道划分的方法实现，分别建立纯蓝光逻辑通道、红色量子点色转换逻辑通道和绿色量子点色转换逻辑通道；
[0008]
步骤s3：基于纯蓝光逻辑通道，建立入射蓝光光强与膜厚和红绿量子点浓度衰减关系之间的理论模型；
[0009]
步骤s4：基于量子点色转换逻辑通道，分别建立经过量子点光色转换层转换后的红绿色光随膜厚及量子点浓度变化的关系；
[0010]
步骤s5：基于量子点色转换逻辑通道和纯蓝光逻辑通道，分别建立光转换效率、蓝光泄漏率和光密度随膜厚以及均匀变化的量子点浓度之间的函数关系；
[0011]
步骤s6：基于混合红绿双色量子点的光色转换层理论模型，建立混合多色量子点的光色转换层理论模型。
[0012]
进一步的，所述量子点光色转换层初始参数包括单色量子点发光光谱参数，量子点色转换层膜厚和量子点浓度参数、形成色转换层的基础介质材料分别关于入射光和转换光的摩尔吸光系数，以及朗伯面光源的光强参数。
[0013]
进一步的，所述步骤s2具体为：分别从逻辑层面将混有红绿色量子点的色转换层分解为纯蓝光逻辑通道、红色量子点色转换逻辑通道1和绿色量子点色转换逻辑通道2。
[0014]
进一步的，所述步骤s3具体为：
[0015]
根据朗伯
‑
比尔定律：
[0016]
a＝lg(1/t)＝εhc
[0017]
式中，a为吸光度。t为透射比(透光度)，是出射光强度i’与入射光强度i0的比值；ε为关于入射光的材料摩尔吸光系数；c为吸光物质的浓度，单位为mol/l，h为吸收层厚度，单位为cm；
[0018]
由于量子点光色转换层中含有红绿两种量子点，当吸收物质不止一种时，朗伯
‑
比尔定律应采用：
[0019][0020]
将t＝i
′
/i0代入方程得：
[0021][0022]
即入射光光强i’随膜厚h及量子点浓度c变化的关系式，式中， i0为朗伯面光源的初始入射光强，ε
i
表示摩尔吸光系数，ε
i
与膜层的基础材料光吸收属性、对应通道量子点的浓度以及入射光波长有关； c
i
表示对应通道单色量子点浓度；
[0023]
根据纯蓝光逻辑通道所入射的蓝光为(1
‑
k
r
‑
k
g
)i0，由于红绿量子点光色转换层中含有红色、绿色两种量子点，因此入射蓝光光强i
b
随膜厚h及量子点浓度c变化的关系，满足如下表达式：
[0024][0025]
式中，c1、c2分别表示红绿色量子点的浓度；ε1、ε2表示摩尔吸光系数，其中，ε1与膜层的基础材料光吸收属性、红色量子点的浓度以及蓝光波长有关，ε2与膜层的基础材料光吸收属性、绿色量子点的浓度以及蓝光波长有关；k
r
、k
g
为比例系数，分别表示入射到通道1 中的入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比以及入射到通道2中的入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比。
[0026]
进一步的，所述步骤s4具体为：
[0027]
对出射的转换红光而言存在如下的公式：
[0028]
i
r
＝i
cr
‑
i
lr
[0029]
式中，i
r
表示出射的转换红光光强，i
cr
表示产生的转换红光光强，i
lr
表示损耗的转换红光光强；
[0030]
将上述公式两边进行求导可得平衡公式：
[0031][0032]
表示当膜厚h、浓度c变化时，光强的变化率；
[0033]
设比例系数为η
r
，则i
cr
表示为：
[0034][0035]
式中，k
r
为比例系数，表示入射到通道1中入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比；η
r
为转换效率，表示当前位置的量子点将入射蓝光转换为红色单色光的转换效率。
[0036]
令u1表示量子点光色转换层厚度h及红色量子点浓度c1的乘积为红色量子点的实际用量；u2表示量子点光色转换层厚度h及绿色量子点浓度c2的乘积为绿色量子点的实际用量，则产生的转换红光光强i
cr
转换为如下表达式：
[0037][0038]
转换后的红光的损耗方程与入射蓝光的一致，只改变摩尔吸光系数ε’，则：
[0039][0040]
式中，ε1’
、ε2’
表示摩尔吸光系数，其中，ε1’
与膜层的基础材料光吸收属性、红色量子点的浓度以及红光波长有关，ε2’
与膜层的基础材料光吸收属性、绿色量子点的浓度以及绿光波长有关；
[0041]
分别对于红色量子点实际用量u1和绿色量子点实际用量u2进行求导，并将i
lr
和i
cr
的关系式代入平衡公式；
[0042]
由于边界条件，当量子点实际用量u
i
＝0时，光强i
r
＝0,所以最终得到的红色出射光强i
r
(u
i
)无常数项；
[0043]
对任何的或者)进行积分都可以得到通道1的出射红光强满足下述表达式：
[0044][0045]
同理可得，绿色量子点色转换逻辑通道2中经过量子点光色转换层转换后的绿色光强i
g
随膜厚h及量子点浓度c变化的关系，满足如下表达式：
[0046][0047]
进一步的，所述步骤s5具体为：
[0048]
量子点光色转换层的红/绿色光转换效率lce
r
和lce
g
，即转换后红/绿色光的光强与光源的初始入射光强的比值，分别满足如下表达式：
[0049][0050][0051]
量子点光色转换层的蓝光泄漏率blt，即泄露出射的蓝光光强与实际光色转换层的初始入射蓝光光强的比值，满足如下表达式：
[0052][0053]
当实际光色转换层的入射蓝光光强i0一定时，膜厚h及量子点浓度c的增加使入射蓝光的损耗增加，导致蓝光泄漏率的不断减小并最后趋近于0；因此蓝光泄漏率随着膜厚h及量子点浓度c的增加而不断减小并最后趋近于0；
[0054]
根据朗伯
‑
比尔定律：
[0055]
a＝lg(1/t)
[0056]
式中，a为吸光度即光密度od；t为透射比(透光度)即蓝光泄漏率blt，是出射光强度i
′
与入射蓝光强度i0的比值；
[0057]
量子点光色转换层的光密度od满足如下表达式：
[0058][0059]
进一步的，所述步骤s6具体为：当量子点种类有n种时，出射的转换光光强会随着量子点光色转换层的厚度及膜内量子点浓度值发生变化，根据朗伯
‑
比尔定律：
[0060][0061]
基于红色量子点色转换逻辑通道1的红色单色光的推导过程，同理可得出射的转换光光强满足如下表达式：
[0062][0063]
式中，k
i
为比例系数，表示入射到第i个通道中的入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比。η
i
为转换效率，表示第i个通道中当前位置的量子点将入射蓝光转换为转换光的转换效率；ε
i
、ε
i’表示摩尔吸光系数，其中，ε
i
与膜层的基础材料光吸收属性、对应通道量子点的浓度以及入射光波长有关，ε
i’与膜层的基础材料光吸收属性、对应通道量子点的浓度以及对应通道的转换光波长有关；u
i
表示量子点光色转换层厚度h及对应的单色量子点浓度c
i
的乘积，体现了对应通道单色量子点的实际用量。
[0064]
同理建立多色量子点光色转换层理论模型得光转换效率lce、入射光泄漏率ilt和光密度od随膜厚以及量子点分布均匀的色转换层中量子点浓度之间的二维函数关系。
[0065]
进一步的，所述的量子点光色转换层对应第i个单色光转换效率 lce(u
i
)，即转换后的第i个单色光光强与实际色转换层的的初始入射光光强的比值，满足如下表达式：
[0066][0067]
式中，lce(u
i
)表示量子点光色转换层对应的单色光光转换效率。
[0068]
进一步的，所述量子点光色转换层的入射光泄漏率ilt，即泄露出射的入射光光强与实际色转换层的初始入射光光强的比值，满足如下表达式：
[0069][0070]
式中，ilt表示入射光泄漏率。
[0071]
进一步的，所述量子点光色转换层的光密度od满足如下表达式：
[0072][0073]
式中，od表示光密度。
[0074]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0075]
本发明能够根据所给的量子点发光光谱参数，基础介质材料分别关于入射光和转换光的摩尔吸光系数、入射光源的光强参数，以及量子点光色转换层的厚度或量子点浓度参数，准确、高效地得到包括转换光出光强度、光转换效率、蓝光泄漏率、光密度等量子点光色转换层的出光光学性能函数，为量子点光色转换层参数的设置提供一种技术依据，在背光和照明等光源应用中具有重要的理论指导意义。
附图说明
[0076]
图1为本发明实施例中所设计的依据光线波长或频率的不同对红绿双色量子点光色转换层进行逻辑通道划分光强框图。
[0077]
图2为本发明方法流程框图。
[0078]
图3为本发明实施例中所设计的依据光线波长或频率的不同对多色量子点色转换层进行逻辑通道划分光强框图。
[0079]
图4为本发明所设计的蓝光朗伯面光源分别去激发红绿量子点光色转换层结构的示例图。
[0080]
图5为本发明所设计的紫外朗伯面光源分别去激发多色量子点光色转换层结构的示例图。
具体实施方式
[0081]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0082]
请参照图1，本发明提供一种混合多种颜色的量子点光色转换层的光色转换分析方法，包括以下步骤：
[0083]
步骤s1：确定量子点光色转换层初始参数。包括所用的单色量子点发光光谱参数，
量子点色转换层膜厚和量子点浓度参数、形成色转换层的基础介质材料分别关于入射光和转换光的摩尔吸光系数，以及朗伯面光源的光强参数。
[0084]
步骤s2：依据光线波长或频率的不同对色转换层进行逻辑通道划分的方法实现，分别从逻辑层面将混有红绿色量子点的色转换层分解为纯蓝光逻辑通道、红色量子点色转换逻辑通道1和绿色量子点色转换逻辑通道2。
[0085]
步骤s3：基于纯蓝光逻辑通道，计算入射蓝光光强i
b
随膜厚h及量子点浓度c变化的关系。根据朗伯
‑
比尔定律：
[0086]
a＝lg(1/t)＝εhc
[0087]
式中，a为吸光度。t为透射比(透光度)，是出射光强度i’与入射光强度i0的比值。ε为关于入射光的材料摩尔吸光系数，它与膜层的基础材料光吸收属性以及入射光源的波长λ有关。c为吸光物质的浓度，单位为mol/l，h为吸收层厚度，单位为cm。而由于量子点光色转换层中含有红绿两种量子点，当吸收物质不止一种时，朗伯
‑
比尔定律应采用：
[0088][0089]
将t＝i
′
/i0代入方程得：
[0090][0091]
即入射光光强i’随膜厚h及量子点浓度c变化的关系式，式中， i0为朗伯面光源的初始入射光强，ε
i
表示摩尔吸光系数，ε
i
与膜层的基础材料光吸收属性、对应通道量子点的浓度以及入射光波长有关； c
i
表示对应通道单色量子点浓度。
[0092]
根据纯蓝光逻辑通道所入射的蓝光为(1
‑
k
r
‑
k
g
)i0，而由于红绿量子点光色转换层中含有红色、绿色两种量子点，因此入射蓝光光强i
b
随膜厚h及量子点浓度c变化的关系，满足如下表达式：
[0093][0094]
式中，c1、c2分别表示红绿色量子点的浓度；ε1、ε2表示摩尔吸光系数，其中，ε1与膜层的基础材料光吸收属性、红色量子点的浓度以及蓝光波长有关，ε2与膜层的基础材料光吸收属性、绿色量子点的浓度以及蓝光波长有关；k
r
、k
g
为比例系数，分别表示入射到通道1中的入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比以及入射到通道2中的入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比。
[0095]
步骤s4：基于量子点色转换逻辑通道，建立经过量子点光色转换层转换后的红绿色光i随膜厚h及量子点浓度c变化的关系。以红色量子点色转换逻辑通道1为例，对于转换后出射的红色单色光的强度，需要考虑转换红光在传输过程中，会出现产生与损耗，因此对出射的转换红光而言存在如下的公式：
[0096]
i
r
＝i
cr
‑
i
lr
[0097]
式中，i
r
表示出射的转换红光光强，i
cr
表示产生的转换红光光强，i
lr
表示损耗的转换红光光强。即出射的转换红光光强等于产生的转换红光光强减去损耗的转换红光光强。将上述公式两边进行求导可得平衡公式：
[0098]
[0099]
表示当膜厚h、浓度c变化时，光强的变化率。该表达式表明：在膜内的位置h处，当厚度h、浓度c发生单位变化时，出射的红光光强变化率等于产生的红光光强变化率减去损耗的红光光强变化率。
[0100]
由于膜内当前位置转换光的产生取决于该位置的入射光，且经过大量实验可验证二者成正比，设比例系数为η
r
，则i
cr
可表示为：
[0101][0102]
式中，k
r
为比例系数，表示入射到通道1中入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比；η
r
为转换效率，表示当前位置的量子点将入射蓝光转换为红色单色光的转换效率。
[0103]
令u1表示量子点光色转换层厚度h及红色量子点浓度c1的乘积为红色量子点的实际用量；u2表示量子点光色转换层厚度h及绿色量子点浓度c2的乘积为绿色量子点的实际用量。则产生的转换红光光强i
cr
转换为如下表达式：
[0104][0105]
可以认为转换后的单色红光的损耗机理与入射蓝光相同，转换后的红光的损耗方程与入射蓝光的一致，只改变摩尔吸光系数ε’，则：
[0106][0107]
式中，ε1’
、ε2’
表示摩尔吸光系数，其中，ε1’
与膜层的基础材料光吸收属性、红色量子点的浓度以及红光波长有关，ε2’
与膜层的基础材料光吸收属性、绿色量子点的浓度以及绿光波长有关。
[0108]
分别对于红色量子点实际用量u1和绿色量子点实际用量u2进行求导，并将i
lr
和i
cr
的关系式代入平衡公式。
[0109]
由于边界条件，当量子点实际用量u
i
＝0时，光强i
r
＝0,所以最终得到的红色出射光强i
r
(u
i
)无常数项。由上述公式推导可知：对任何的或者)进行积分都可以得到通道1的出射红光强满足下述表达式：
[0110][0111]
同理可得，绿色量子点色转换逻辑通道2中经过量子点光色转换层转换后的绿色光强i
g
随膜厚h及量子点浓度c变化的关系，满足如下表达式：
[0112][0113]
步骤s5：计算量子点光色转换层的光转换效率、蓝光泄漏率以及光密度。
[0114]
量子点光色转换层的红/绿色光转换效率lce
r
和lce
g
，即转换后红/ 绿色光的光强与光源的初始入射光强的比值，分别满足如下表达式：
[0115][0116]
[0117]
量子点光色转换层的蓝光泄漏率blt，即泄露出射的蓝光光强与实际光色转换层的初始入射蓝光光强的比值，满足如下表达式：
[0118][0119]
其物理意义在于：当实际光色转换层的入射蓝光光强i0一定时，膜厚h及量子点浓度c的增加使入射蓝光的损耗增加，导致蓝光泄漏率的不断减小并最后趋近于0。因此蓝光泄漏率随着膜厚h及量子点浓度c的增加而不断减小并最后趋近于0。
[0120]
根据朗伯
‑
比尔定律：
[0121]
a＝lg(1/t)
[0122]
式中，a为吸光度即光密度od；t为透射比(透光度)即蓝光泄漏率 blt，是出射光强度i
′
与入射蓝光强度i0的比值。量子点光色转换层的光密度od满足如下表达式：
[0123][0124]
步骤s6：参考红绿双色量子点光色转换层理论模型，建立多色量子点光色转换层理论模型。当量子点种类有n种时，出射的转换光光强会随着量子点光色转换层的厚度及膜内量子点浓度值发生变化。根据朗伯
‑
比尔定律：
[0125][0126]
参考红色量子点色转换逻辑通道1的红色单色光的推导过程，同理可得出射的第i个转换光光强满足如下表达式：
[0127][0128]
式中，k
i
为比例系数，表示入射到第i个通道中的入射蓝光光强与实际光色转换层的总入射蓝光光强i0之比。η
i
为转换效率，表示第i个通道中当前位置的量子点将入射蓝光转换为转换光的转换效率；ε
i
、ε
i’表示摩尔吸光系数，其中，ε
i
与膜层的基础材料光吸收属性、对应通道量子点的浓度以及入射光波长有关，ε
i’与膜层的基础材料光吸收属性、对应通道量子点的浓度以及对应通道的转换光波长有关；u
i
表示量子点光色转换层厚度h及对应的单色量子点浓度c
i
的乘积，体现了对应通道单色量子点的实际用量。
[0129]
同理可建立多色量子点光色转换层理论模型得光转换效率lce、入射光泄漏率ilt和光密度od随膜厚以及量子点分布均匀的色转换层中量子点浓度之间的二维函数关系。
[0130]
a：光转换效率lce：
[0131]
对应量子点光色转换层的第i个色转换通道的单色光转换效率 lce(u
i
)，即转换后的第i个单色光光强与实际色转换层的的初始入射光光强的比值。满足如下表达式：
[0132]
[0133]
式中，lce(u
i
)表示量子点光色转换层对应的第i个单色光光转换效率。
[0134]
b：量子点光色转换层的入射光泄漏率ilt，即泄露出射的入射光光强与实际色转换层的初始入射光光强的比值，满足如下表达式：
[0135][0136]
式中，ilt表示入射光泄漏率。
[0137]
c：量子点光色转换层的光密度od满足如下表达式：
[0138][0139]
式中，od表示光密度。
[0140]
优选的，量子点光色转换层中量子点浓度c为摩尔浓度，如果转换成实验中易操作和分析的质量百分比，即量子点质量占光色转换层总质量的百分比，那么质量百分比范围为0.001％～80％，此时量子点光色转换层的厚度h范围为0.01μm～100μm。
[0141]
优选的，所述量子点光色转换层内部的量子点不仅仅限于所述的红/绿色量子点，也可以是其他比入射光波长更长的量子点。
[0142]
优选的，朗伯面光源的中心波长λ属于短波长波段(从紫外到蓝色波段范围)，其发光过程为下转换过程，紫外光波长范围在10nm 到400nm之间，蓝光波长范围在400nm到480nm之间。朗伯面光源可以是平行的lcd面光源，也可以是micro
‑
led、mini
‑
led和 qd
‑
oled面光源等，但不限于此。
[0143]
优选的，量子点光色转换层可应用于显示领域，其结构可以是蓝色光源去激发红绿量子点光色转换层结构，从而转换为红绿光；也可以是短波光光源入紫外光源去激发多色量子点光色转换层结构，从而转换为多色光。
[0144]
优选的，量子点光色转换层中除量子点外的基质材料可以为有机材料或无机材料，且量子点光色转换层基质材料折射率应大于空气折射率，折射率范围满足1.7＞n＞1。有机材料，包括：丙二醇单甲醚醋酸酯(pgmea)、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚碳酸酯(pc)、聚丙烯酸甲酯(pma)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、醋酸丁酸纤维素(cab)、硅氧烷、聚氯乙烯(pvc)、聚乙烯醇(pva)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、改性聚对苯二甲酸乙二酯(petg)、聚二甲基硅氧烷(pdms)或环烯共聚物(coc) 中的一种或几种；或无机材料，包括：玻璃、石英和透射陶瓷材料中的一种或几种。
[0145]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。