CN106681046B - 一种彩膜基板及显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种彩膜基板及显示装置，涉及显示技术领域，可实现高效滤光的效果，提高了背光利用率。该彩膜基板划分有多个像素单元，像素单元至少包括蓝色亚像素、绿色亚像素和红色亚像素；蓝色亚像素包括设置在衬底基板上的第一光子晶体层，用于透过射向彩膜基板的蓝光；绿色亚像素包括依次设置在衬底基板上的第二光子晶体层和第一发光介质层；第一发光介质层在蓝光的激发下发绿光，第二光子晶体层用于透过绿光；红色亚像素包括依次设置在衬底基板上的第三光子晶体层和第二发光介质层；第二发光介质层在蓝光的激发下发红光，第三光子晶体层用于透过红光。用于彩膜基板及包括该彩膜基板的显示装置的制备。

Description

一种彩膜基板及显示装置

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种彩膜基板及显示装置。

背景技术

目前量产的以OLED(Organic Light-Emitting Display，有机电致发光显示)为背光光源的高分辨率全彩显示装置，通常采用WOLED(白光OLED)基板加彩膜基板贴合的方式实现。

然而，由于WOLED发出的白光是由多种不同频段的光复合而成的，经过彩膜过滤之后，大部分的光都被彩膜基板中的红、绿、蓝三色滤光片颜料吸收了，滤光效率低，背光损失较大。

发明内容

鉴于此，为解决现有技术的问题，本发明的实施例提供一种彩膜基板及显示装置，采用该彩膜基板可实现高效滤光的效果，提高了背光利用率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面、本发明实施例提供了一种彩膜基板，划分有多个像素单元，所述像素单元至少包括蓝色亚像素、绿色亚像素和红色亚像素；所述蓝色亚像素包括设置在衬底基板上的第一光子晶体层，用于透过射向所述彩膜基板的蓝光；所述绿色亚像素包括依次设置在所述衬底基板上的第二光子晶体层和第一发光介质层；所述第一发光介质层在所述蓝光的激发下发绿光，所述第二光子晶体层用于透过所述绿光；所述红色亚像素包括依次设置在所述衬底基板上的第三光子晶体层和第二发光介质层；所述第二发光介质层在所述蓝光的激发下发红光，所述第三光子晶体层用于透过所述红光。

可选的，所述第二发光介质层靠近所述绿色亚像素的一侧被所述第三光子晶体层覆盖住。

可选的，所述第一发光介质层为绿色量子点层。

可选的，所述第二发光介质层为红色量子点层。

优选的，所述绿色量子点的发光峰位范围为510～530nm，发光光谱线宽范围为5～20nm。

优选的，所述红色量子点的发光峰位范围为625～665nm，发光光谱线宽范围为10～30nm。

另一方面、本发明实施例还提供了一种显示装置，包括上述的彩膜基板，以及位于所述彩膜基板入光侧的蓝光背光源。

可选的，所述彩膜基板中的第一发光介质层、第二发光介质层分别为绿色量子点层、红色量子点层。

优选的，所述蓝光背光源为蓝光电致发光光源。

进一步优选的，所述蓝光电致发光光源的电流密度范围为0.1～100mA/cm²，所述绿色量子点层和所述红色量子点层的量子点浓度范围为5％～80％，所述绿色量子点层和所述红色量子点层的厚度范围为50nm～50μm。

基于此，通过本发明实施例提供的上述彩膜基板，当其具体应用于的显示装置中的背光源为蓝光时，蓝光照射到蓝色亚像素中的第一光子晶体层后可从其中透射出从而使蓝色亚像素显示相应的蓝光，光子晶体层具有的对光的选择性透过属性可以有效屏蔽周边红色及绿色亚像素带来的干扰；而第一发光介质层、第二发光介质层仅能通过吸收底部背光源的蓝光激发分别发出绿光、红光，并由各自对应的光子晶体层透射出。由于光致发光材料对激发光的利用率难以达到100％，第二光子晶体层和第三光子晶体层能够将未被利用的蓝光封锁在光子晶体层与对应的发光介质层之间，防止无法吸收的蓝光漏光，影响色纯度。同时，由于光子晶体还具有修正光角度的功能，可减少光散射及全反射，提高了对背光源的利用率，实现了高效滤光的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统红绿蓝三色滤光片与WOLED背光光谱匹配图；

图2a为本发明实施例提供的一种滤光结构示意图一；

图2b为本发明实施例提供的一种滤光结构示意图二；

图3为蓝光QLED及红色、绿色量子点材料的光谱曲线示意图；

图4为蓝光QLED背光光源与量子点彩膜可达到的色域示意图；

图5为光子晶体结构设计示意图；

图6为光子晶体结构包含缺陷态设计示意图。

附图说明：

01-彩膜基板；10-衬底基板；R-红色亚像素；G-绿色亚像素；B-蓝色亚像素；11-第一光子晶体层；12-第二光子晶体层；12a-凹槽；13-第三光子晶体层；13a-凹槽；21-第一发光介质层；22-第二发光介质层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要指出的是，除非另有定义，本发明实施例中所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

例如，本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的术语“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，仅是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上方”、“下方”等指示的方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于说明本发明的技术方案的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

并且，由于本发明实施例所涉及的彩膜基板中的各像素单元实际尺寸非常微小，为了清楚起见，本发明实施例附图中的各结构尺寸均被放大，不代表实际尺寸比例。

如图2所示，本发明实施例提供了一种彩膜基板01，该彩膜基板01划分有多个像素单元，每个像素单元至少包括蓝色亚像素(图中标记为B)、绿色亚像素(图中标记为G)和红色亚像素(图中标记为R)；蓝色亚像素B包括设置在作为支撑的衬底基板10上的第一光子晶体层11，用于透过射向该彩膜基板01的蓝光(如图中箭头所示)；绿色亚像素G包括依次设置在衬底基板10上的第二光子晶体层12和第一发光介质层21；该第一发光介质层21在上述蓝光的激发下发绿光，第二光子晶体层12用于透过上述绿光；红色亚像素R包括依次设置在衬底基板10上的第三光子晶体层13和第二发光介质层22；该第二发光介质层22在上述蓝光的激发下发红光，第三光子晶体层13用于透过上述红光。

为了清楚地理解本发明实施例，此处先对构成光子晶体层的光子晶体这一概念进行说明。

光子晶体是能对光作出反应的特殊晶格结构，如半导体材料在晶格结点(各个原子所在位点)周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可产生光子晶体带隙(Band Gap，类似于半导体中的禁带)。光子晶体能够调制具有相应波长的电磁波，当电磁波在光子晶体结构中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构，能带与能带之间出现带隙，即光子带隙；所有能量处在光子带隙的光子，不能进入该晶体。周期排列的低折射率位点之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。

简而言之，即光子晶体是具有波长选择功能的周期性电介质材料，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。

针对上述彩膜基板01的具体结构，需要说明的是，第一发光介质层21和第二发光介质层22具体为光致发光材料。该种材料在光的激发下可使电子从价带跃迁至导带并在价带上留下空穴，电子和空穴在各自导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态，成为准平衡态。准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光，形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图，即上述的第一发光介质层21和第二发光介质层22分别能够在蓝光的激发下发出绿光和红光。

这里，由于蓝光波长较小(430～470nm)，具有的能量较大，因此能够激发第一发光介质层21、第二发光介质层22分别发出波长较大的红光(620～780nm)、绿光(500～560nm)；但反之，能量较小的红光或绿光不能激发光致发光材料发出具有较大能量的蓝光，故上述彩膜基板01具体应用于的背光光源为蓝光。

这里，本发明实施例对上述彩膜基板01中，红绿蓝亚像素的排列方式不作限定，可沿用现有技术中的如条形、马赛克形、Delta形等多种排列方式。

此外，本发明实施例对上述彩膜基板01中各结构层的制备方法不作限定，其中第一发光介质层21和第二发光介质层22例如可以通过印刷或喷墨打印工艺形成；各光子晶体层可通过光刻或纳米亚印技术形成。

基于此，通过本发明实施例提供的上述彩膜基板01，当其具体应用于的显示装置中的背光源为蓝光时，蓝光照射到蓝色亚像素B中的第一光子晶体层11后可从其中透射出从而使蓝色亚像素B显示相应的蓝光，光子晶体层具有的对光的选择性透过属性可以有效屏蔽周边红色及绿色亚像素带来的干扰；而第一发光介质层21、第二发光介质层22仅能通过吸收底部背光源的蓝光激发分别发出绿光、红光，并由各自对应的光子晶体层透射出。由于光致发光材料对激发光的利用率难以达到100％，第二光子晶体层12和第三光子晶体层13能够将未被利用的蓝光封锁在光子晶体层与对应的发光介质层之间，防止无法吸收的蓝光漏光，影响色纯度。同时，由于光子晶体还具有修正光角度的功能，可减少光散射及全反射，提高了对背光源的利用率，实现了高效滤光的效果。

此外，由于采用本发明实施例提供的上述彩膜基板01，各光子晶体层仅需使相应的颜色的光透过，无需对量子点或背光发出的光线过滤筛选，因而简单的一维或二维结构的光子晶体即可达到良好的效果，降低生产难度。并且由于光子晶体对光的选择性透过，可屏蔽周边像素的串扰，因而可省去现有技术中彩膜基板中的黑矩阵结构，简化了彩膜基板01的同时降低了成本。

进一步的，由于第一发光介质层21和第二发光介质层22为光致发光材料，其发光方式为向四面八方辐射式地发光。而绿光能量大于红光能量，若第二发光介质层22被绿光激发，其电子和空穴再次复合发光时释放出的能量也会与第二发光介质层22被蓝光激发时复合发光的能量不同，即若第二发光介质层22被绿光激发，其发出的光也会与设定的被蓝光激发时发出的光颜色不同，导致第二发光介质层22发出的红光颜色色纯度降低，降低第二发光介质层22的有效发光效率还会影响显示品质。

因此，本发明实施例进一步优选的，第二发光介质层22靠近绿色亚像素G的一侧被第三光子晶体层13覆盖住，即使得第二发光介质层22不与绿光相接触。实现这一效果可以包括但不限于以下方式：

参考图2a和图2b所示，可以在第三光子晶体层13上设置凹槽13a将第二发光介质层22设置在凹槽13a内。这样如果当相邻的第一发光介质层21激发出的绿光射向包围第二发光介质层22的第三光子晶体层13中时，由于第三光子晶体层13仅能使得特定的红光射出而阻止其它波长的光通过其中，因而绿光无法从第三光子晶体层13射出而激发第二发光介质层22。

其中，参考图2a所示，凹槽13a可以设置为四周封闭式，即将第二发光介质层22除去与背光源的蓝光相接触的一面露出外，其余各面均与第三光子晶体层13相接触，即被后者所包裹。

或者，也可以参考图2b所示，凹槽13a可以设置为一侧开放式，即第三光子晶体层13仅将第二发光介质层22靠近绿色亚像素G的一端隔离开，第二发光介质层22与背光源的蓝光相接触的一面以及远离绿色亚像素的另一端未被第三光子晶体层13覆盖住。

需要指出的是，本发明实施例对绿色亚像素G不作限定，第二光子晶体层12只需将第一发光介质层21靠近与背光源的蓝光相接触的一面露出以使其可被蓝光激发发光即可。考虑到发绿光的第一发光介质层21和发红光的第二发光介质层22材料发光寿命相近，使绿色亚像素G与红色亚像素R的发光区域面积相当可提高该彩膜基板01整体的滤光效率。因此，可以参考图2a所示，在第二光子晶体层12上也设置凹槽12a，将第一发光介质层21设置在凹槽12a内。

在上述基础上，第一发光介质层21和第二发光介质层22具体可分别为绿色量子点层和红色量子点层，其中量子点材料的具体种类可沿用现有技术，本发明实施例对此不作限定。

与传统彩膜基板中的红、绿、蓝三色滤光片颜料相比，由于滤光片颜料与WOLED的白光背光光谱之间具有如图1所示的透过率匹配关系，即：波段分别在红光、绿光、蓝光的透过峰与WOLED的透过峰重叠区域的红光、绿光、蓝光都能透射出。由于各颜色光的透过峰与WOLED的透过峰重叠区域均较宽，导致从传统彩膜基板中滤出的红、绿、蓝光色纯度较低，应用到显示装置后能够显示的色域仅为NTSC 70％～85％(NTSC是指National TelevisionStandards Committee，即美国国家电视标准委员会制定的颜色总和的标准；其中百分比按照CIE1931系统计算)。

本发明实施例提供的上述彩膜基板01，当背光光源为蓝光QLED(Quantum dotsLight-Emitting Diode，量子点发光二极管)，第一发光介质层21和第二发光介质层22分别为绿色量子点和红色量子点时，如图3所示，由于量子点蓝色背光及红、绿量子点发出的发光光谱半峰宽较窄，色纯度高，可以实现高色域的显示。如图4所示，本发明实施例提供的上述彩膜基板01应用于显示装置后其色域可提升到NTSC>110％(CIE1931坐标系)，实现了高效滤光且滤光色纯度高的彩膜效果，显著提高了色域和显示彩色质量，满足了显示器市场面向广大用户受众的更高的视觉体验需求。

进一步的，匹配量子点的蓝光的发光峰位范围为450～460nm，绿色量子点的发光峰位范围为510～530nm，发光光谱线宽范围为5～20nm；红色量子点的发光峰位范围为625～665nm，发光光谱线宽范围为10～30nm，以进一步优化色域提升。

本发明实施例可通过结构及制作工艺相对简单的一维光子晶体，来达到高色域显示的目的，下面具体说明设计过程。

对于一维光子晶体的设计如下：根据电磁理论，在介电常数周期性排列的介质中传播的电磁波可以使用麦克斯韦方程描述：

在特定频率处，该方程有解，其他频率方程无解。

以结构最为简单的一维光子晶体来进行计算，本发明实施例对光子晶体结构进行设计，如图5所示，设各材料的折射率和厚度分别为η₁、η₂和d₁、d₂，对于第j层介质，光子晶体的特征矩阵为：

电磁波的反射系数为r＝(η₀-Y)/(η₀+Y)，反射率为R＝|r2|,其中Y＝C/B＝(m₂₁+η₀m₂₂)(m₁₁+η₀m₁₂)，其中Y是光子晶体在周围空气介质中的有效纳导，C和B分别是影响光子晶体空气中纳导的计算因子，m是计算多项式。

以Si和SiO₂为基体材料设计各亚像素单元对应的光子晶体层，设计参数如下表1所示。

表1.各光子晶体结果设计参数

由前述描述可知，光子晶体层是采用两种折射率不同的透光材料周期性层叠形成的。采用Si与SiO₂层叠周期排列，厚度比为2.74:1的结构(见表格第一行设计参数)，可以实现在316～894nm可见光之间全反射的光子晶体，即这一波段的光射进上述光子晶体层后均不能穿过该光子晶体层从而射出。通过厚度的微调，可以调整光子晶体禁带宽度，如具有表格第二行设计参数的光子晶体层，该光子晶体层可使蓝色光透过。

在上述表格第一行的Si与SiO₂层叠周期结构的基础上，通过在光子晶体中制作缺陷态，相当于在光子晶体的禁带中开了一个缝，使特定波长的光通过，而可见光区域其他光反射。其中，缺陷态即打破规则排列的光子晶体结构，如增加或减少其中某一层的厚度或在其中增加第三种折射率的介质。

例如，表格第三行、第四行的结构参数为在Si与SiO₂层叠周期结构内加入第三种介质SiN形成缺陷态，各层的厚度比分别为2.74:1:0.67和2.74:1:0.82，从而使得具有不同层厚度比的光子晶体层分别对绿色光和红色光透过；表格第五行、第六行的结构参数为改变Si与SiO₂层叠周期结构内的SiO₂层的厚度，各层的厚度比分别为2.74:1:0.56和2.74:1:0.74，从而使得具有不同层厚度比的光子晶体层分别对绿色光和红色光透过。

表格第七行、第八行的结构参数分别为以TiO₂和MgF₂、Si和KCl为层叠周期排列的两种介质，通过特定的厚度比以实现在可见光之间全反射的光子晶体。通过在TiO₂/MgF₂光子晶体层以及Si/KCl光子晶体层中制作相应的缺陷态也可以实现使特定的绿光、红光射出，具体参数可沿用现有技术，本发明实施例对此不再赘述。

需要说明的是，采用不同折射率材料及厚度比，可以实现不同禁带宽度的光子晶体。本发明实施例提供的基体材料包含但不限于SiO_x(0<x<4)、SiN_x(0<x<4)、Si、ITO(氧化铟锡)、IGZO(铟镓锌氧化物)、IGO(铟镓氧化物)以及ZnO等材料。所使用的光子晶体包含但不仅限于一维光子晶体，对于二维及三维光子晶体同样适用。

在上述基础上，本发明实施例还提供了一种显示装置，包括有上述的彩膜基板01，以及位于该彩膜基板01入光侧的蓝光背光源。

上述显示装置还可以包括有与该彩膜基板01对合的阵列基板；或者，该彩膜基板01上也可以集成有阵列基板中的阵列结构层，阵列结构层部分的具体结构可沿用现有技术中COA基板(color filter onarray，彩膜集成在阵列基板上)，本发明实施例对此不再赘述。该显示装置具体可以是液晶显示装置，可以为液晶显示器、液晶电视、数码相框、手机、平板电脑等具有任何显示功能的产品或者部件。

进一步的，上述彩膜基板01中的第一发光介质层21、第二发光介质层22分别为绿色量子点层、红色量子点层；蓝光背光源为蓝光电致发光光源(EL光源，Electroluminescence，电致发光)。其中，蓝光EL光源的电流密度范围为0.1～100mA/cm²，绿色量子点层和红色量子点层的量子点浓度范围为5％～80％，绿色量子点层和红色量子点层的厚度范围为50nm～50μm，以实现全彩高色域显示装置。

与现有的WOLED加彩膜显示装置相比，上述显示装置可降低功耗，并提升色域达NTSC约为114％(CIE1931坐标系)。更进一步的，当蓝光背光源为顶发射蓝光OLED(发光坐标为0.14，0.05)时，匹配上述的量子点加光子晶体层的彩膜后色域可达到NTSC 131％(CIE1931坐标系)，显著提高了色域范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种彩膜基板，划分有多个像素单元，其特征在于，所述像素单元至少包括蓝色亚像素、绿色亚像素和红色亚像素；

所述蓝色亚像素包括设置在衬底基板上的第一光子晶体层，用于透过射向所述彩膜基板的蓝光；

所述绿色亚像素包括依次设置在所述衬底基板上的第二光子晶体层和第一发光介质层；所述第一发光介质层在所述蓝光的激发下发绿光，所述第二光子晶体层用于透过所述绿光；

所述红色亚像素包括依次设置在所述衬底基板上的第三光子晶体层和第二发光介质层；所述第二发光介质层在所述蓝光的激发下发红光，所述第三光子晶体层用于透过所述红光；

所述彩膜基板应用于显示装置时，彩膜基板入光侧为蓝光背光源，所述蓝光背光源为蓝光电致发光光源；

所述第二发光介质层靠近所述绿色亚像素的一侧被所述第三光子晶体层覆盖住。

2.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第一发光介质层为绿色量子点层。

3.根据权利要求1所述的彩膜基板，其特征在于，所述第二发光介质层为红色量子点层。

4.根据权利要求2所述的彩膜基板，其特征在于，所述绿色量子点的发光峰位范围为510～530nm，发光光谱线宽范围为5～20nm。

5.根据权利要求3所述的彩膜基板，其特征在于，所述红色量子点的发光峰位范围为625～665nm，发光光谱线宽范围为10～30nm。

6.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的彩膜基板，以及位于所述彩膜基板入光侧的蓝光背光源；

所述蓝光背光源为蓝光电致发光光源。

7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述彩膜基板中的第一发光介质层、第二发光介质层分别为绿色量子点层、红色量子点层。

8.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，所述蓝光电致发光光源的电流密度范围为0.1～100mA/cm²，所述绿色量子点层和所述红色量子点层的量子点浓度范围为5％～80％，所述绿色量子点层和所述红色量子点层的厚度范围为50nm～50μm。

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