CN107544178A - 光转换元件及包含它的显示装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及光转换元件、背光源单元和显示装置。本申请提供一种光转换元件，其特征在于，包含光源、以及在光源的一面具备的光转换膜，所述光转换膜包含变换从所述光源发出的光的波长的波长变换物质、以及分散有所述波长变换物质的透光高分子树脂，所述光转换膜由2层以上形成，各层独立地具有彼此不同的最大发光波长。

Description

光转换元件及包含它的显示装置
技术领域
本说明书涉及光转换元件和显示装置。
背景技术
一般而言，荧光体作为从外部以光或电等形态吸收能量而发出固有波长的光的发光物质，根据构成荧光体的成分和发光机制可分为无机荧光体、有机荧光染料、纳米晶体荧光体等。
近年来，利用这样的荧光体，尝试多种努力以改变光源的光谱。这是荧光体吸收从光源发出的光的一部分特定波长，将其变换为存在于可见光区域的更长的波长的光而射出，能够根据荧光体发光特性而大大提高射出的光的亮度和色纯度、色彩再现性等。
无机荧光体由硫化物、氧化物、氮化物等母体和活性剂离子构成，由于物理、化学稳定性优异且能够再现高色纯度，因此能够应用于高品质的显示装置，但具有如下缺点：荧光体的价格非常昂贵且发光效率低，尤其对于在400nm以上的近紫外线或蓝色区域被激发而发光的荧光体的开发存在局限。
与有机荧光染料不同，数纳米大小的由Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族半导体粒子形成的纳米晶体荧光体根据粒子的大小而荧光波长不同，粒子的大小越小，发出越短的波长的光，通过调节大小，可以表现出所有的期望波长的可见光区域。此外，纳米晶体荧光体与一般的有机染料相比，吸光系数大100～1000倍，量子效率也高，因此产生很强的荧光，尤其仅观察从导带底振动状态向价带底振动状态的转变，因而荧光波长几乎呈现单色光。但是，由于高的原材料成本而难以确保价格竞争力，因此存在尤其对热或氧等脆弱的缺点。
与之相反，有机荧光染料与无机荧光体相比，存在发光光谱多样、量子效率优异、尤其价格低廉的优点，因此具有充分的应用于光转换元件的价值。但是为了提高通过有机荧光染料的光的变换效率和变换的光的强度，需要提高浓度，但在这样的情况下无法避免浓度所导致的消光现象，尤其对热或光的稳定性下降。
发明内容
本发明的实施方式公开一种光转换元件，所述光转换元件在构成液晶显示装置的背光源时，通过使用蓝色发光二极管作为光源，使用至少一种以上的有机荧光染料，将一部分蓝色光转变为绿色或红色、或者绿色和红色，从而呈现白色光。
特别是，本发明提供能够对液晶显示装置的背光源以高效率赋予高色彩再现特性的同时稳定地驱动的背光源单元。
此外，本发明提供除了液晶显示装置以外演色性高的显示装置。
本发明的一个实施方式提供一种光转换元件，其特征在于，包含光源、以及在光源的一面具备的光转换膜，上述光转换膜包含变换从上述光源发出的光的波长的波长变换物质、以及分散有上述波长变换物质的透光高分子树脂，上述光转换膜由2层以上形成，各层独立地具有彼此不同的最大发光波长。
此外，本发明的一个实施方式提供一种光转换元件，在根据本发明的一个实施方式的光转换膜的与光源对置的面还包含透明基板或光提取板。
此外，本发明的一个实施方式提供一种背光源单元，其包含根据本发明的一个实施方式的光转换元件。
此外，本发明的一个实施方式提供一种显示装置，其包含根据本发明的一个实施方式的背光源单元。
根据本发明的实施方式，从蓝色发光二极管入射的一部分光通过包含波长变换物质的光转换元件以高效率转换为具有窄半宽度的绿色或红色、或者绿色和红色，从而能够大大提高白色光的色彩再现率和色纯度。特别是，由于最大发光波长彼此不同的至少2个以上的层形成的结构，因此不仅能够进一步提高光转换效率，而且减少由热和光导致的波长变换物质的氧化，从而能够恒定维持发光波长、半宽度、光转换效率之类的光特性，没有白平衡降低，因此能够非常稳定地驱动液晶显示装置的背光源。
此外，根据本发明，除上述特性之外演色性优异的照明装置的制作容易。
附图说明
图1至图3中例示了根据本申请的实施方式的光转换元件的层叠结构。
图4例示了根据本申请的一实施方式的包含光提取板的结构。
图5和图6是表示对于根据本申请的实施方式的光转换膜的亮度和色差变化的耐光稳定性的曲线图。
具体实施方式
以下，基于附图，更详细说明本发明的实施方式。
根据本申请的一个实施方式，提供一种光转换元件，其特征在于，包含光源、以及在光源的一面具备的光转换膜，上述光转换膜包含变换从上述光源发出的光的波长的波长变换物质、以及分散有上述波长变换物质的透光高分子树脂，上述光转换膜由2层以上形成，各层独立地具有彼此不同的最大发光波长。
上述波长变换物质是如下物质：波长变换物质吸收从例如蓝色光源发出的光、即能量而变换为比该能量更低的能量的光、即与蓝色光源相比波长更长的光(可见光)。
上述透光高分子树脂与用于LCD显示器的透明光学膜等类似，是可以通过在多种多样的基材上涂布并利用UV固化、热固化、干燥方式等而形成膜的树脂。
根据本申请的一个实施方式的由最大发光波长彼此不同的2层以上的结构形成的光转换膜通过以更高效率转换从蓝色发光二极管光源入射的光，从而能够抑制活性氧的产生而显著提高有机荧光染料的耐光可靠性。
被光激发的有机荧光物质的大部分会形成单重态激子(singlet exciton)，但极少部分会形成三重态激子(triplet exciton)。此时，三重态激子可以使存在于周边的氧分子再次激发。发生这种现象的理由是，因为稳定状态的氧具有三重态(triplet state)的电子形态，非常有效地被存在于周边的更高能量的三重态激子所激发。
此外，这样被激发的氧具有单重态氧(singlet oxygen)形态，单重态氧由于反应性很高而有可能容易破坏周围分子。例如，发出绿色荧光的有机物质吸收比该绿色荧光更短的波长的蓝色光，从而在发出绿色荧光的同时，一部分三重态激子与周围的氧反应而生成单重态氧。因此，由可见光区域的光引起的荧光物质的激发也会形成反应性很高的单重态氧而有可能本身被破坏。因而，在此，如果在周边存在能够吸收绿色光并以红色荧光快速发出的有机物质，则能够生成单重态氧的机会减少，能够具有耐光性提高的效果。
此外，上述光源没有特别限定，可以为发出蓝色光的蓝色发光二极管。
此外，上述实施方式中，上述光转换膜能够吸收从蓝色发光二极管入射的一部分光，以高效率转换为色纯度高的绿色或红色、或者绿色和红色而射出。
根据本申请的一个实施方式的光转换膜的特征在于，是由被从上述光源发出的光所激发而在500～550nm处具有最大发光波长的第一光转换膜、以及在600～660nm处具有最大发光波长的第二光转换膜形成的2层。
此外，上述光转换膜不限于2层，可以由3层形成。在由3层形成的情况下，可以按最大发光波长变长的顺序由第一、第二、第三光转换膜形成。
根据本申请的另一个实施方式，提供一种光转换膜，上述波长变换物质包含有机荧光染料、以及来源于有机荧光染料的有机荧光颜料中的至少一种，因上述波长变换物质而变换的光的波长的半宽度(FWHM)为60nm以下。
上述波长变换物质从表现出窄半宽度和高量子效率的物质中选择，具体可以为有机荧光染料。上述波长变换物质还可以为包含从表现出窄半宽度和高量子效率的物质中选择的有机荧光染料的有机荧光颜料。此时，有机荧光颜料的平均粒子大小可以为0.05≤d50≤10μm。其中，有机荧光颜料是指不溶解于水或溶剂的微粒状的有机化合物，是将有机荧光染料均匀溶解并使其固化而制成的合成树脂的固溶物，对于作为有机荧光染料的载体的合成树脂，可以使用丙烯酸树脂、醇酸树脂、酰胺树脂、聚氨酯树脂、三聚氰胺树脂、苯并胍胺树脂等共聚物。
根据本申请的一个实施方式，提供在上述光转换膜的与光源对置的面还包含透明基板或光提取板的光转换元件。
图1中例示了根据本申请的一个实施方式的光转换元件的层叠结构。根据图1，在光源的一面具备透明基板和光转换膜，光转换膜可以由具有各自彼此不同的最大发光波长的两个层构成，可分别称为第一光转换膜和第二光转换膜。根据图1，虽然图示了透明基板与第二光转换膜接触，但可以配置成透明基板与第一光转换膜接触。上述透明基板可以使用玻璃、透明塑料、导光板、扩散板、棱镜片等，作为上述透明塑料的例子，可以使用聚酯、聚碳酸酯、聚烯烃、聚酰亚胺等，没有特别限定。
为了提高光的提取效率，上述光提取板可以在表面或内部具有散射结构，或者在内部包含折射率不同的2种以上物质。例如，上述光提取层可以通过在透明基板上涂覆包含散射粒子和粘合剂的组合物并干燥或固化而制造。必要时，在上述包含散射粒子和粘合剂的涂覆层上可以进一步具备平坦化层。作为另一例，上述光提取层可以在透明基材上通过微压花来形成凹凸结构而制造。必要时，在上述凹凸结构上可以进一步具备平坦化层。
根据本申请的一个实施方式的光转换元件可以在上述光转换膜的与光源对置的面还依次包含透明基板和光提取板。如上所述，光提取板可以通过在透明基板上涂覆包含散射粒子和粘合剂的组合物并干燥或固化而制造，可以与透明基板一同或者单独具备。
根据本申请的另一个实施方式，上述光转换元件的光转换膜可以进一步包含光扩散粒子。上述光扩散粒子可以发挥使从蓝色发光二极管光源入射的光在光转换膜内部均匀地扩散的作用。上述光扩散粒子可以分散在包含一种以上的有机荧光染料的高分子树脂中。包含光扩散粒子的光转换膜不仅能够进行光转换而且能够进行荧光扩散，也可称为光转换荧光扩散膜。本说明书中，包含光扩散粒子的光转换膜也可被称作光转换荧光扩散膜。
图2中示出了根据本申请的一个实施方式的光转换元件的结构。参考图2，包含光扩散粒子的光转换膜由两个层构成，在光源的一面可以依次配置透明基板、第二光转换荧光扩散膜和第一光转换荧光扩散膜。但如图1所示那样，透明基板可以与第二光转换荧光扩散膜接触而具备，也可以与第一光转换荧光扩散膜接触而具备。
上述光扩散粒子可以使用与高分子树脂的折射率之差大的粒子，例如可以包括二氧化硅、氧化锌、氧化钇、二氧化钛、硫酸钡、氧化铝、熔融二氧化硅、气相二氧化硅、氮化铝、玻璃珠、二氧化锆、碳化硅、氮化硅、氮化硼等，但不限于此，可以将本技术领域中已知的材料使用1种或混合使用2种以上。
上述光转换元件中，代替使从光源入射的光在光转换元件内部均匀地扩散的光扩散粒子，可以包含光提取板。上述光转换元件包含上述透明基板、以及在上述透明基板的一面具备的包含1种以上波长变换物质的最大发光波长彼此不同的2个层所形成的第一光转换膜和第二光转换膜。可以包含在上述透明基板的另一面形成或者在光提取板的另一面形成的由粘着剂/粘接剂层层叠而成的光提取板，将包含光提取板的结构例示于图3。上述光提取板用于提高光转换膜的变换效率，只要是本技术领域中已知的光提取板，则没有特别限制。图3中，透明基板和光提取板配置成与第二光转换膜接触，但根据需要，透明基板和光提取板可以配置成与第一光转换膜接触。例如，在光源上可以依次层叠第二光转换膜、第一光转换膜、透明基板、粘着剂层(或粘接剂层)和光提取板。
此外，上述光转换元件包含：不是在上述透明基板而是在上述光提取板的一面直接具备的、由包含1种以上波长变换物质的、最大发光波长彼此不同的2个层形成的第一光转换膜和第二光转换膜。将包含上述光提取板的结构例示于图4。
上述光转换膜和/或光转换荧光扩散膜发挥如下作用：使从包含选自近紫外线至可见光区域中的波长(颜色)的光源入射的光转换为特定波长(颜色)的光。例如，上述光转换膜可以发挥使从蓝色发光二极管(LED)光源入射的光转换为白色光而射出的作用。在此，上述光转换膜和/或光转换荧光扩散膜可以包含作为能够呈现优异的色纯度和色彩再现性的有机荧光染料波长变换物质的有机荧光染料。有机荧光染料具有如下优点：与现有的量子点(Quantum dot，QD)相比具有更高的量子效率，期望的发光波长的调节容易，具有能够实现优异的色彩再现率的发光线宽，价格也低廉。
作为上述波长变换物质的上述有机荧光染料可以使用吸收选自近紫外线至可见光区域中的光、且射出与所吸收的光不同波长的光的染料。例如，作为上述有机荧光染料，可以分别使用1种以上或同时使用最大发光波长存在于500～550nm之间的绿色发光荧光染料和/或最大发光波长存在于600～660nm之间的红色发光荧光染料。作为有机荧光染料，没有特别限制，可以为吖啶系、呫吨系、芳基甲烷系、香豆素系、多环芳香族烃系、多环杂芳香族系、苝系、吡咯系、芘系衍生物等。更具体而言，可以使用二吡咯亚甲基(dipyrromethene)系衍生物等。以上物质为有机荧光染料的例子，除此以外，可以使用多样的有机荧光染料，并不限于此。具体而言，有机荧光染料可以使用半宽度(FWHM)为60nm以下且摩尔吸光系数(molecular absorption coefficient)为50000～250000M-1cm-1的物质。
本说明书中，半宽度是指，当将从外部光源吸收的光转换为不同波长的光而发光时，在发出的光的最大发光峰中最大高度的一半时的发光峰的宽度。本说明书中，半宽度是在膜状态下测定。有机荧光染料的膜状态下的发光峰的半宽度是指，不是在溶液状态，而是在由上述有机荧光染料单独或者与对于测定半宽度没有影响的其他成分混合而制成膜形态的状态下，照射光进行测定的半宽度。更具体而言，可以为溶解于极性溶剂的所有荧光染料，虽然并不分为阳离子性、阴离子性、中性染料，但可以为阳离子性或阴离子性有机荧光染料。
根据一例，第一光转换膜包含最大发光波长存在于500～550nm之间的绿色发光荧光染料，第二光转换膜包含最大发光波长存在于600～660nm之间的红色发光荧光染料。其结果，从单一颜色的LED光源吸收的光可以在通过多个光转换膜或光转换荧光扩散膜后转换为白色光。
作为上述光转换膜和/或光转换荧光扩散膜，可以为分散有上述有机荧光染料或光扩散粒子的高分子膜。例如，上述光转换膜可以包含含有上述有机荧光染料和粘合剂树脂、以及根据需要的聚合性单体、聚合引发剂的组合物的固化物。上述粘合剂树脂可以使用光固性树脂、热固性树脂、热塑性树脂等，可以为热固性树脂和热塑性树脂等。具体而言，上述粘合剂树脂可以使用聚甲基丙烯酸甲酯等聚(甲基)丙烯酸系、聚碳酸酯系、聚苯乙烯系、聚亚芳基系、聚氨酯系、苯乙烯-丙烯腈系、聚偏二氟乙烯系以及聚偏二氟乙烯系衍生物等。可以使用水溶性高分子。粘合剂树脂可以仅使用1种，也可以将2种以上一同使用。
根据一例，根据本申请的一个实施方式的光源为侧光式(edge type)光源，可以进一步包含在光源与光转换膜之间具备的导光板。导光板发挥使从侧光式光源接收的光扩散的作用。作为另一例，上述光源为直下式(direct type)光源。
本申请的另一个实施方式提供包含根据上述实施方式的光转换元件的背光源单元。背光源单元除了光转换元件以外可以具有本技术领域中已知的构成。例如，在上述光源或导光板的与光转换元件对置的面的相反面，可以具备反射板，在上述光转换膜的与光源或导光板对置的面的相反侧，可以进一步具备聚光片、亮度提高片等。
本申请的另一个实施方式提供包含上述光转换元件或背光源单元的显示装置。显示装置除了使用根据上述本申请的实施方式的上述光转换元件以外，可以具有本技术领域中已知的构成。例如，可以包含在光转换元件或背光源单元的一面具备的显示模块。上述显示模块可以为包含薄膜晶体管和滤色器的液晶模块。
以下，通过实施例，例示本说明书中记载的实施方式。但以下的实施例仅用于例示本发明，并不用于限定发明的范围。
实施例1
在甲苯3g中以固体成分浓度相对于总重量为25重量份的方式加入苯乙烯-丙烯腈(styrene-acrylonitrile，SAN)1g，充分搅拌后，分别添加相对于SAN 100重量份为0.5重量份的吡咯系绿色荧光染料(BODIPY)和3重量份的氧化钛系光扩散剂并搅拌，制造绿色荧光染料组合物，并将该组合物以干燥后的厚度为10μm的方式涂布在塑料基材上，然后在140℃干燥烘箱中热风干燥10分钟，从而制造绿色光转换膜。
利用相同的方法，制造添加有相对于SAN 100重量份为0.03重量份的吡咯系红色荧光染料(BODIPY)的红色荧光染料组合物，将其以干燥后的厚度为10μm的方式涂布在上述绿色光转换膜上，然后在140℃干燥烘箱中热风干燥10分钟，从而制造白色光转换膜。将如上述那样制作的白色光转换膜放置在设置于温度60℃条件的恒温恒湿器的750尼特(nit)蓝色LED面板上，利用PR-730光谱辐射仪(spectroradiometer)，测定了随着时间经过的光特性变化(耐光稳定性)，并将对于亮度和色差变化的耐光稳定性结果分别示于图5和图6。
实施例2
利用与实施例1相同的方法，制作绿色和红色的荧光染料组合物，并且在塑料基材上先涂布红色光转换膜并干燥而制作后，在上述红色光转换膜上涂布绿色光转换膜并干燥而制作白色光转换膜。将如上述那样制作的白色光转换膜放置在设置于温度60℃条件的恒温恒湿器的750尼特蓝色LED面板上，使用PR-730光谱辐射仪(spectroradiometer)，测定了随着时间经过的光特性变化(耐光稳定性)，并将对于亮度和色差变化的耐光稳定性结果分别示于图5和图6。
比较例1
在甲苯3g中以固体成分浓度相对于总重量为25重量份的方式加入苯乙烯-丙烯腈(styrene-acrylonitrile，SAN)1g，充分搅拌后，分别添加相对于SAN 100重量份为0.5重量份及0.01重量份的绿色和红色的荧光染料(BODIPY)、3重量份的氧化钛系光扩散剂并搅拌，制造白色光转换膜用组合物。将其以干燥后的厚度为15μm的方式涂布在塑料基材上，然后在140℃干燥烘箱中热风干燥10分钟，从而制造白色光转换膜。
将如上述那样制作的白色光转换膜放置在设置于温度60℃条件的恒温恒湿器的750尼特蓝色LED面板上，利用PR-730光谱辐射仪(spectroradiometer)，测定了随着时间经过的光特性变化(耐光稳定性)，并将对于亮度和色差变化的耐光稳定性结果分别示于图5和图6。
参考图5和图6可知，根据本申请的一个实施方式的光转换元件与比较例相比，亮度随着时间经过而减少的程度显著低，此外，色差变化也是随着时间显示出与比较例相比更稳定的变化，可知根据本申请的一个实施方式的光转换元件的耐光可靠性高。
比较例2
上述比较例1中，代替绿色和红色的荧光染料(BODIPY)，使用作为无机荧光体的钇铝石榴石(YAG)70重量％，除此之外，在相同的条件下制造白色光转换膜。
将如上述那样制作的白色光转换膜设置在750尼特蓝色LED面板上，利用PR-730光谱辐射仪(spectroradiometer)，测定了不同厚度的亮度和量子效率，将该测定值示于下述表1。
表1
如上述表1所示可知，根据本说明书的一个实施方式的光转换膜与使用无机荧光体的情况相比，在薄的厚度时具有高的亮度和量子效率。此外，通过调节根据本说明书的一个实施方式的光转换膜的有机荧光体的浓度，能够在具有高亮度的同时获得高量子效率。

Claims (9)

1.一种光转换元件，其特征在于，包含光源、以及在光源的一面具备的光转换膜，
所述光转换膜包含变换从所述光源发出的光的波长的波长变换物质、以及分散有所述波长变换物质的透光高分子树脂，
所述光转换膜由2层以上形成，各层独立地具有彼此不同的最大发光波长。
2.根据权利要求1所述的光转换元件，其特征在于，所述光源为发出蓝色光的蓝色发光二极管。
3.根据权利要求1所述的光转换元件，其特征在于，所述光转换膜是由通过从所述光源发出的光所激发而在500～550nm处具有最大发光波长的第一光转换膜、以及在600～660nm处具有最大发光波长的第二光转换膜形成的2层。
4.根据权利要求1所述的光转换元件，其中，所述波长变换物质包含有机荧光染料、以及来源于有机荧光染料的有机荧光颜料中的至少一种，
因所述波长变换物质而变换的光的波长的半宽度即FWHM为60nm以下。
5.一种光转换元件，其中，在权利要求1的所述光转换膜的与光源对置的面还包含透明基板或光提取板。
6.根据权利要求5所述的光转换元件，其中，在所述光转换膜的与光源对置的面还依次包含透明基板和光提取板。
7.根据权利要求5所述的光转换元件，其中，所述光转换膜还包含光扩散粒子。
8.一种背光源单元，其中，包含权利要求5～7中任一项所述的光转换元件。
9.一种显示装置，其中，包含权利要求8所述的背光源单元。
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