CN103353629A - 彩色滤光片和显示屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种彩色滤光片和显示屏。该彩色滤光片包括：基板；多种量子点，设置在基板上，形成阵列，用于在单色光的激发下发光显色，其中，量子点包括：第一量子点，用于在单色光的激发下发出第一颜色的光；第二量子点，用于在单色光的激发下发出第二颜色的光。通过本发明，解决了传统彩色滤光片过滤背光光源的复合光导致的显示器色域较小、光利用率低的问题，扩大了色域范围，提高了光利用率。

Description

彩色滤光片和显示屏

技术领域

本发明涉及光学领域，具体而言，涉及一种彩色滤光片和显示屏。

背景技术

在显示领域，新型有机发光二极管（Organic Light Emitting Display，简称为OLED）显示器因具备自发光、视角广、不需背光源、对比度高、厚度薄、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优异特性而表现出了巨大的性能优势和良好的应用前景，成为继电子管、半导体集成电路后形成的又一个规模庞大的电子器件行业，应用范围也涵盖了计算机、大屏幕MP3及室外大屏幕显示等方面，但OLED在制作彩色显示器件过程中仍有其缺陷。目前高品质彩色OLED显示器通过RGB电致发光的方式获得。RGB三基色独立发光的彩显性能比液晶显示器要好，但OLED器件需要通过多次真空镀膜的方式制备，并需要无氧封装，设备过于昂贵，制程复杂。另外OLED材料的可选择性小。尽管目前科学界已经开发出上千种能用于OLED的有机发光材料，但是要同时满足高发光效率和寿命长于10000h还是很困难的，特别是在蓝光和红光区域。

传统的液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称为LCD）结构主要包括背光光源、下偏光板、液晶层、上偏光板、彩色滤光片等。背光光源发出各个波长各种颜色的复合光，通过下偏光板过滤成某个单一方向振动的偏振光，到达液晶层时，由于液晶分子能对光振动方向进行偏转，通过控制每个像素的液晶分子的偏转角度，这样，光透过下偏光板、液晶层、上偏光板后就产生了不同灰度等级的黑白图像信号，最后经过彩色滤光片（Color filter，简称CF）就产生了彩色图像。彩色滤光片是一种表现颜色的光学滤光片，它可以精确选择欲通过的小范围波段光波，而反射和吸收掉其他不希望通过的波段。彩色滤光片通常安装在光源的前方，使人眼可以接收到饱和的某个颜色的光线。有红外滤光片，绿色滤光片，蓝色滤光片等。这种方式的缺点是：由于白光分别被三种滤光片吸收，从而造成透过的光最多是背景光的1/3，也就是说，至少2/3的能量被CF吸收而损失；用过滤背光的方式难以产生高纯度的单色光，导致了显示器色域较小；滤光产生单色光势必滤除光谱中其他光，导致光利用率低，节能效果差和背光成本高；而且这种过滤背光的模式，导致最终显示器的色域和色度等受背景白光的影响很大，可视角度也受液晶层性能的影响很大。

现有的提高显示器色域的方法基本上都是在背光源上寻求改进：

比如采用RGB三基色LED作为背光源，这样由于单色LED的半峰宽很窄（20nm～30nm），这样就大大降低了滤光片对背光光源过滤的重叠区域，最终表达出的色彩也更纯正饱和，相对应的色域范围也非常大。

对于RGB OLED技术，由于OLED自发光特性，因此不需要液晶和滤光片的组合来实现色彩表达，从而避开了滤光片的滤光区重叠造成的光色不纯和光利用率低的问题，而使得色彩和耗电量都得到一定优化。并且如前所述，OLED的封装过程过于复杂和昂贵，部分波段的OLED，尤其是蓝色OLED的效率较低，只有绿色和红色OLED的一半以下，这大大降低了OLED在显示中应用的优势。

另外还有在背光系统中加入量子点技术的优化方案。量子点半导体低维结构由于量子限域效应而表现出许多独特的光、电特性，成为人们研究的热点,而三维受限的量子点（Quantum Dots，简称为QDs）则更引人瞩目。QDs是一种接近零维的点，它由有限数目的原子组成，三个维度的尺寸均在纳米量级。由于这种零维体系的物理行为，从而展现出许多不同于宏观体材料的物理化学性质（光效应、电效应等）。现在，显示器上利用量子点提高色域的方法基本上都是通过在背光源前面、下偏光板的后面增加一层分散有量子点的高分子膜配合背光蓝光光源来实现RGB三原色的表达。

针对现有技术中显示器色域范围小的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种彩色滤光片和显示屏，以解决显示器色域范围小的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种彩色滤光片。该彩色滤光片包括：基板；多种量子点，设置在基板上，形成阵列，用于在单色光的激发下发光显色，其中，量子点包括：第一量子点，用于在单色光的激发下发出第一颜色的光；第二量子点，用于在单色光的激发下发出第二颜色的光。

进一步地，单色光的波长小于绿光波长。

进一步地，单色光为蓝光，其中：第一量子点为红色量子点，用于在蓝光的激发下发出红色的光；第二量子点为绿色量子点，用于在蓝光的激发下发出绿色的光。

进一步地，彩色滤光片还包括：蓝色子像素，设置在基板上，其中，第一量子点、第二量子点和蓝色子像素共同构成一个像素。

进一步地，绿色量子点的发射波长峰值位于500～550nm，红色量子点的发射波长峰值位于610～680nm。

进一步地，单色光为紫光，彩色滤光片还包括：第三量子点，第三量子点为蓝色量子点，其中：第一量子点为红色量子点，用于在蓝光的激发下发出红色的光，第二量子点为绿色量子点，用于在蓝光的激发下发出绿色的光，第一量子点、第二量子点和第三量子点共同构成一个像素。

进一步地，彩色滤光片包括黑色矩阵、量子点层、保护层和导电膜，其中，量子点层包含多种量子点。

进一步地，多种量子点为：由量子点分散在可固化的高分子材料中得到的多种量子点高分子复合物。

进一步地，彩色滤光片为用于液晶面板色彩表达的彩色滤光片。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种显示屏，该显示屏包括：背光板，用于发射单色光；彩色滤光片，设置在背光板的发光方向上，彩色滤光片为本发明提供的彩色滤光片。

通过本发明，采用受单色光激发呈现三基色的量子点彩色滤光片代替传统彩色滤光片对背光的过滤产生三基色来完成最终的色彩表达，解决了传统彩色滤光片过滤背光光源的复合光导致的显示器色域较小、光利用率低的问题，进而达到了扩大色域范围、提高光利用率的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的量子点彩色滤光片在液晶面板上的工作示意图；

图2是本发明实施例的量子点彩色滤光片中一个像素的工作示意图；

图3是本发明实施例的三基色量子点子像素的光谱图；以及

图4是本发明实施例的液晶显示屏光能利用率示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例量子点彩色滤光片在液晶面板上的工作原理图。如图1所示，一个显示器的面板都由图中所示的很多个微小单元像素构成，每个单元像素都包括三个子像素：红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。每个单元像素的大小只有几十微米到几百微米，比如一个最大分辨率为1366×768的显示器就表示在它的横向分布着1366个单元像素，纵向分布着768个单元像素，通过控制这些像素中液晶层对光线的通过和闭合再加上彩色滤光片的作用而实现彩色信号的表达。

为了更清楚的对本发明实施例进行描述，首先对本发明实施例涉及到的一些术语描述如下：

所谓色彩，就是人的眼睛有响应不同波长范围的三种类型的颜色传感器，能感知光的亮度和波长，所以颜色的概念可以分为两部分：明度和色度。

所谓的灰度就是色彩信号的强弱。在显示器中，将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽，在电源开关之间产生不同明暗灰度的影像，再加上彩色滤光片，则可显示万千彩色组合的影像。而色彩数则决定于液晶分子的最小偏转角度，比如我们常说的1600万色，就是液晶能精确控制每个R、G、B子像素的0～255级灰度，那么一共能显示的色彩数就是这三基色的256级灰度组合，256³=16777216种色彩数，色彩数越高，色彩过渡就越自然柔和。

为了量化地描述色彩，国际照明协会将人的视觉系统对可见光内不同波长的辐射能所引发的感觉用红、绿、蓝三原色的配色函数来加以记录成色度图。

在此色度图中，白色、灰色和黑色属于同一个坐标点（x，y），只是在国际照明协会1931（简称为CIE1931）色彩空间中的Z轴（明度或灰度）上位置不同。

色度图有如下特性：

（1）色度图展示了对一般人可见的所有色度。这个用颜色展示的区域叫做人类视觉的色域。在CIE绘图上所有可见色度的色域是用颜色展示的马蹄铁形状。色域的曲线边界叫做“光谱轨迹”并对应于单色光，波长用纳米标记。色域底下的直线边界叫做“紫线”，这些颜色尽管在色域的边界上，但没有匹配的单色光。更少饱和的颜色位于图形内部，白色位于中央。

（2）如果在色度图上选择了任何两点，则位于这两点之间直线上任何颜色都可以用这两个颜色混合出来。这得出了色域的形状必定是凸形的。混合三个光源形成的所有颜色都可以在色度图内的这三个光源坐标点形成的三角形内找到（对于多个光源也如是）。

（3）两个同等明度颜色的等量混合一般不位于这个线段的中点。用更一般术语说，在xy色度图上距离不对应于两种颜色之间的差别程度。

（4）给定三个真实光源，这些光源不能覆盖人类视觉的色域。几何上说，在色域中没有三个点可以形成包括整个色域的三角形，更简单的说，人类视觉的色域不是三角形。

（5）平直能量频谱(各种波长的光相对强度相同)的光对应于点(x，y)=(1/3，1/3)。

从色度图特性可知，如果能得到较纯的三基色光，那么这三点在色度图中的坐标点越靠近边缘曲线，此三点围成的面积就越大，由此三基色混合得到的色域就越大。

图2是本发明实施例的量子点彩色滤光片中一个像素的工作原理图。彩色滤光片包括基板（图中未示出），以及多种量子点（501、502、503），设置在基板上，并分散排列，用于在单色光的激发下发光，其中，量子点包括：第一量子点，用于在单色光的激发下发出第一颜色的光；以及第二量子点，用于在所述单色光的激发下发出第二颜色的光。

如图2所示为液晶显示器中一个像素的结构，本发明实施例以蓝色LED光源作为背光光源，详细阐述量子点彩色滤光片的工作原理：蓝色背光50通过下偏振板40过滤掉其他方向振动的蓝光，只留下水平（或垂直）方向振动的蓝光，液晶分子的偏转角度能改变光的偏振方向，当水平（或垂直）偏振的蓝光经过液晶层30时，改变加载在每个子像素上下极板的电压控制液晶的偏转，使偏振蓝光再次偏转一定角度，而上偏光板20的偏振方向与下偏光板40垂直，这样与上偏光板20偏振方向不一致的蓝光就被滤掉了，于是通过控制电压就能控制每个子像素出来的蓝光强度，蓝光到达量子点彩色滤光片层，激发红色量子点子像素501发出红色的光和绿色量子点子像素502发出绿色的光，再配合只添加了匀光剂的蓝色子像素503发出蓝色的光，形成了一个完整的可控制颜色灰度和色度的单元像素。

具体地，本发明实施例中量子点彩色滤光片在显示设备中的工作原理是，量子点彩色滤光片上的量子点受蓝光激发呈现三基色来完成最终的色彩表达。

本发明实施例的单色LED背光源+液晶层+彩色滤光片呈现三基色的方式是量子点彩色滤光片中的量子点受单色光激发呈现三基色，与现有白色LED背光源+液晶层+彩色滤光片呈现三基色的方式相比，本发明实施例中量子点彩色滤光片中的量子点受单色光激发产生高纯度高饱和的单色光，因此，量子点彩色滤光片受单色光激发呈现三基色所表现的色域更广，同时因为没有过滤背景光的环节，能有效利用背光，提高了光利用率，降低了背光成本以及更节能。

优选地，本发明实施例量子点彩色滤光片受激发呈现三基色所使用的单色光的波长小于第一量子点的发射光波长。

优选地，单色LED背光源为蓝色LED光源或者紫色LED光源，其中，蓝色LED光源的波长为400～480nm，紫色LED光源的波长为360～400nm。

优选地，本发明实施例中彩色滤光片实现色彩表达所使用的单色光为蓝色LED光源，因为蓝色LED光源所激发的颜色纯正且蓝色LED光源更容易制造。

优选地，当使用的背光光源为蓝色LED光源时，量子点彩色滤光片的一个单元像素由红色量子点子像素501、绿色量子点子像素502和只添加匀光剂的蓝色子像素503构成。蓝色背光50通过下偏振板40过滤掉其他方向振动的蓝光，只留下水平（或垂直）方向振动的蓝光，液晶分子的偏转角度能改变光的偏振方向，当水平（或垂直）偏振的蓝光经过液晶层30时，改变加载在每个子像素上下极板的电压控制液晶的偏转，使偏振蓝光再次偏转一定角度，而上偏光板20的偏振方向与下偏光板40垂直，这样与上偏光板20偏振方向不一致的蓝光就被滤掉，于是通过控制电压就能控制每个子像素出来的蓝光强度，蓝光到达量子点彩色滤光片层，激发红色量子点子像素501发出红色的光和绿色量子点子像素502发出绿色的光，再配合只添加了匀光剂的蓝色子像素503发出的蓝色的光，形成了一个完整的可控制颜色灰度和色度的单元像素。

优选地，当使用的背光光源为紫色LED光源时，量子点彩色滤光片的一个单元像素由红色量子点子像素501、绿色量子点子像素502和蓝色量子点子像素503构成。紫色背光50通过下偏振板40过滤掉其他方向振动的蓝光，只留下水平（或垂直）方向振动的紫光，液晶分子的偏转角度能改变光的偏振方向，当水平（或垂直）偏振的紫光经过液晶层30时，改变加载在每个子像素上下极板的电压控制液晶的偏转，使偏振紫光再次偏转一定角度，而上偏光板20的偏振方向与下偏光板40垂直，这样与上偏光板20偏振方向不一致的紫光就被滤除了，于是通过控制电压就能控制每个子像素出来的紫光强度，紫光到达量子点彩色滤光片层，激发红色量子点子像素501发出红色的光和绿色量子点子像素502发出绿色的光，再配合蓝色量子点子像素503发出的蓝色的光，形成了一个完整的可控制颜色灰度和色度的单元像素。

本发明实施例中的彩色量子点可根据彩色滤光片的工艺需要而分散于各种可固化高分子体系。

本发明实施例的量子点彩色滤光片的制造方法可以完全套用目前传统的光阻彩色滤光片的制程，比如：染色法、颜料分散法、印刷法、电着法。因为量子点彩色滤光片的制程可套用传统方法，不会因为用量子点代替传统的光阻颜料而导致制程复杂，因此制作成本远低于OLED。

优选地，本发明实施例的量子点彩色滤光片中的量子点可以自由调节发射波长，且有很窄的半峰宽，在单色光的激发下能产生高纯度高饱和的单色光。本发明实施例中红色量子点发射波长峰值位于610～670nm，绿色量子点发射波长峰值位于500～550nm，蓝色量子点发射波长峰值位于400～480nm。

优选地，本发明实施例的量子点彩色滤光片可以根据工艺以及色彩表达的需要，调节红色量子点、绿色量子点以及蓝色量子点的发射波长，从而达到最佳的色彩表达效果。

优选地，本发明实施例的彩色滤光片包括黑色矩阵（black matrix）、量子点层（quanturn dots layer）、保护层（over coat）、导电膜（例如，ITO导电膜），其中，量子点层包含上述的多种量子点。

本发明实施例量子点彩色滤光片以蓝色LED光源为背光光源，以红色量子点、绿色量子点和只添加匀光剂的蓝色子像素作为单元像素。通过对绿色量子点和红色量子点的色域坐标的确定，能预知其在显示面板上的色彩表现。模拟过程如下：

1、色域优势：

典型红色和绿色量子点以及蓝色LED的光谱数据如表1所示：

表1

由光谱数据得到如图3所示的RGB子像素的光谱。从图3中看到光谱均呈正态分布，半峰宽小于40nm，色彩饱和纯正。

根据光谱数据计算出量子点彩色滤光片的三基色色度坐标分别为：R（0.679，0.314）、G（0.141，0.732）、B(0.153，0.024)三点围成的色域面积为：0.1895。

美国国家电视系统委员会（National Television System Committee，简称为NTSC）标准三基色坐标为：R（0.67，0.33）、G(0.214，0.71)、B(0.14，0.084)，三点围成面积约为：0.1568。

量子点彩色滤光片显示器的色域面积约为NTSC的0.1895/0.1568=121%。而目前普通显示器的色域范围仅仅70%NTSC，高成本的专业显示设备也只能达到113%NTSC色域，由此可见，利用量子点彩色滤光片制造的显示器的色域面积大、范围广。

2、节能和成本优势：

如图4所示为LCD光能利用率示意图。如图4所示，当背光效率为100%；光制导层1的透光率为70%；偏光板2的透光率为50%；薄膜晶体管阵列3的透光率为70%；光通过液晶层4后通过量子点彩色滤光片5，光通过量子点彩色滤光片5的效率为60%；光通过ITO镀膜片6后通过前偏光片7，光通过前偏光片7的效率为80%。因此，采用量子点彩色滤光片LCD方案中，则其光能利用率为100%×70%×50%×70%×60%×80%=11.8%。明显量子点彩色滤光片的光能利用率高于传统彩色滤光片的透光率，这也意味着在同样的屏幕亮度下需要的背光LED更少且便宜。

从以上的描述中，可以看出，本发明实施例的量子点彩色滤光片受单色光的激发呈现高纯度高饱和三基色，扩大了显示器的色域范围，且避免了彩色滤光片中光阻导致的光损失，提高了光利用率。同时，因为量子点彩色滤光片的制程可以套用传统的光阻彩色滤光片的制程，制作成本低。

根据本发明的实施例，提供了一种显示屏，该显示屏包括本发明实施例所提供的彩色滤光片，具体地，该显示屏包括：背光板，用于发射单色光；彩色滤光片，设置在背光板的发光方向上。

优选地，背光板发射的单色光作为背光光源，激发彩色滤光片呈现高纯度高饱和三基色，从而实现色彩的表达，扩大了色域范围并且提高了光利用率，节能环保。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种彩色滤光片，其特征在于，包括：

基板；以及

多种量子点，设置在所述基板上，形成阵列，用于在单色光的激发下发光显色，

其中，所述量子点包括：

第一量子点，用于在单色光的激发下发出第一颜色的光；以及

第二量子点，用于在所述单色光的激发下发出第二颜色的光。

2.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述单色光的波长小于绿光波长。

3.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述单色光为蓝光，其中：

所述第一量子点为红色量子点，用于在所述蓝光的激发下发出红色的光；

所述第二量子点为绿色量子点，用于在所述蓝光的激发下发出绿色的光。

4.根据权利要求3所述的彩色滤光片，其特征在于，所述彩色滤光片还包括：

蓝色子像素，设置在所述基板上，

其中，所述第一量子点、所述第二量子点和所述蓝色子像素共同构成一个像素。

5.根据权利要求3所述的彩色滤光片，其特征在于，

所述绿色量子点的发射波长峰值位于500～550nm，

所述红色量子点的发射波长峰值位于610～680nm。

6.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述单色光为紫光，所述彩色滤光片还包括：

第三量子点，所述第三量子点为蓝色量子点，

其中：

所述第一量子点为红色量子点，用于在所述蓝光的激发下发出红色的光，

所述第二量子点为绿色量子点，用于在所述蓝光的激发下发出绿色的光，

所述第一量子点、所述第二量子点和所述第三量子点共同构成一个像素。

7.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述彩色滤光片包括黑色矩阵、量子点层、保护层和导电膜，其中，所述量子点层包含所述多种量子点。

8.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述多种量子点为：

由量子点分散在可固化的高分子材料中得到的多种量子点高分子复合物。

9.根据权利要求1所述的彩色滤光片，其特征在于，所述彩色滤光片为用于液晶面板色彩表达的彩色滤光片。

10.一种显示屏，其特征在于，包括：

背光板，用于发射单色光；以及

彩色滤光片，设置在背光板的发光方向上，所述彩色滤光片为权利要求1至9中任一项所述的彩色滤光片。

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