CN113238407B - 一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构及其制备方法，所述吸光黑矩阵结构包括用于隔离色转换层各基色子像素的吸光黑矩阵和显示面板基底，所述吸光黑矩阵和显示面板基底非一体成型，所述吸光黑矩阵由阵列的黑矩阵单元组成，所述显示面板基底上间隔布设所述黑矩阵单元和各基色子像素，所述黑矩阵单元具有吸光功能，所述黑矩阵单元内部中空，且其内表面镀有光源出射光对应颜色的反射膜系；所述显示面板基底下侧配设有直下式阵列光源，所述直下式阵列光源与各基色子像素对准，出射光的波长范围由光源出射光光谱决定。该吸光黑矩阵结构及其制备方法有利于提高光源利用率，提升显示效率。

Description

一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构及其制备方法

技术领域

本发明属于平板显示领域，具体涉及一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构及其制备方法。

背景技术

如今，显示技术是发展十分迅速的，平板显示技术广泛应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天，以及医疗等社会的各个领域，随着平板显示技术的广泛应用和普及，对效果更好的显示产品的需求也越来越高，而显示效果具体体现在高颜色纯度，高利用率和高色域三个衡量显示器优良的基本标准。因此，利用RGB色转换技术实现更好的全彩色再现，是平板显示不可缺少的关键技术。而针对于高色域以及高颜色纯度，滤光片结合色转换技术的方案已经被提出，其色转换材料包括但不限于荧光粉以及量子点。由于传统用于防止色串扰的黑矩阵，部分光源出射光直接射入黑矩阵并被黑矩阵吸收，从而导致光源利用率的降低，因此，提高对光源出射光的利用仍是现存的重要问题之一。

已有的子像素区域的微结构只能通过反射色转换层的光来实现显示出光效率的提高，而无法利用光源直接入射到传统黑矩阵的那一部分光；已有的黑矩阵排布问题的研究所能达到的提高效率有限，黑矩阵内部结构的研究也十分有限，而通过设计优化黑矩阵内部结构来提高光源利用率目前还没有研究过。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构及其制备方法，该吸光黑矩阵结构及其制备方法有利于提高光源利用率，提升显示效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，包括用于隔离色转换层各基色子像素的吸光黑矩阵和显示面板基底，所述吸光黑矩阵和显示面板基底非一体成型，所述吸光黑矩阵由阵列的黑矩阵单元组成，所述显示面板基底上间隔布设所述黑矩阵单元和各基色子像素，所述黑矩阵单元具有吸光功能，所述黑矩阵单元内部中空，且其内表面镀有光源出射光对应颜色的反射膜系；所述显示面板基底下侧配设有直下式阵列光源，所述直下式阵列光源与各基色子像素对准，出射光的波长范围由光源出射光光谱决定。

进一步地，所述光源出射光对应颜色的反射膜系用于反射光源出射光，其波长范围为[λ _Low ，λ _High ]，波长间隔a取值为0.1nm~10nm之间；

光源出射光对应颜色的反射膜系由多层单层膜组成，单层膜的层数m由各个膜系中所控制的波长上下限范围[λ _Low ，λ _High ]和波长间隔a决定，满足下式：

单层膜的厚度由下式确定：

式中，n表示各层膜的折射率，e表示光源出射光对应颜色的反射膜系中膜的厚度，△'表示半波损失值，λ为光源出射光覆盖的波段。

进一步地，所述黑矩阵单元为灯罩式结构，上底面与左右两个侧面封闭，下底面敞开，内部中空，上底面和左右两个侧面的内表面镀设光源出射光对应颜色的反射膜系，所述黑矩阵单元制作成型于具有一定厚度的显示面板基底上，吸光黑矩阵和显示面板基底可采用不同材料；各黑矩阵单元位于相邻基色子像素之间，高度不小于相邻基色子像素的高度。

进一步地，所述吸光黑矩阵结构的具体设计流程包括如下步骤：

A1：根据光源确定吸光黑矩阵中黑矩阵单元的外形结构参数，包括上下底面尺寸、高度以及倾斜角度，其中上底面为朝向显示出射光一侧底面，下底面为朝向显示发光源一侧底面，倾斜角度为黑矩阵单元与基色子像素密接的侧面与下底面的夹角；

A2：选定吸光黑矩阵材料、膜层材料以及显示面板基底的材料，选定的膜层材料的折射率需满足薄膜干涉的折射率要求，半波损失值由外部介质折射率以及各个膜层的折射率决定；

A3：根据显示所用光源出射光的发光特性、光源光谱的峰宽和中心波长，计算获得光源出射光归一化光谱，取光谱数值大于10^-4，选定波段间隔a nm，确定波段范围；

A4：计算光源出射光对应颜色的反射膜系的各单层膜厚度；根据步骤A3得到的光源出射光波段范围，将光源出射光波长代入光源出射光对应颜色的反射膜系的膜层厚度计算式，求得反射膜系中膜的厚度，进而得到光源出射光对应颜色的反射膜系；镀膜厚度e与层数m由反射膜系中的各单层膜厚和选用的波长间隔决定。

进一步地，所述吸光黑矩阵材料可选用的材料包括黑色光刻胶、铬、碳黑以及遮光树脂；所述显示面板基底的材料包括玻璃、聚酰亚胺以及PMMA。

进一步地，为防止薄膜过厚影响色转换效果，所述反射膜系的厚度需小于所述黑矩阵单元厚度的二分之一；所述膜层材料可选用的材料包括TiO₂/Al₂O₃、Ta₂O₅/Al₂O₃；所述发射膜系的平整度满足光学薄膜基本要求，不允许有包括起皮、裂纹的损坏痕迹。

进一步地，光源出射光光谱的中心波长属于符合激发色转换层的任意波段；发出的光通过相应的色转换层后转换为不同的显示基色光，且各基色子像素独立、分开排列于显示面板基底上；填充于基色子像素区域内的色转换材料包括荧光粉、量子点；光源与基色子像素形成位置空间的上下对应关系，包括一对一、一对多、多对一的对应关系。

进一步地，所述吸光黑矩阵结构适用于防止色串扰或提高光源利用率的显示结构中，最下方为直下式光源，中间为色转换层，最上层为滤光片，色转换层包括所述吸光黑矩阵结构与量子点色转换子像素的间隔排布。

进一步地，所述吸光黑矩阵用于吸收通过色转换层时发射至吸光黑矩阵外表面的光线，以防止色串扰；其内部结构利用分布式布拉格反射镜原理，将光源入射到吸光黑矩阵内部结构的光源出射光反射回光源层，由于光源层材料具有的反射特性，再经过光源层的反射，再次进入色转换层，以提高光源出射光的利用率。

本发明还提供了所述的一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构的制备方法，包括如下步骤：

S1：选用包括透明基板、树脂、金属的材料中的一种或几种，通过包括注塑成型、铣削加工、线切割加工、电火花加工的模具加工方法中的一种或几种，制作吸光黑矩阵的空壳模具；

S2：将吸光黑矩阵材料浇灌进吸光黑矩阵的空壳模具中，冷却后形成吸光黑矩阵基底；

S3：通过镀膜技术将光源出射光对应颜色的反射膜系镀至吸光黑矩阵基底中各黑矩阵单元的内表面；

S4：根据显示像素分布要求，制作显示面板基底；

S5：通过精确对位方法，将吸光黑矩阵与显示面板基底紧密粘合，形成吸光黑矩阵结构整体。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提出了一种能够准确地实现提升光源利用率的吸光黑矩阵结构及其制备方法，制备的吸光黑矩阵结构通过吸收子像素区域内入射至该黑矩阵外表面的光来防止色串扰，通过利用入射至黑矩阵内部光源光来实现对光源利用率的提高，进而提升显示效率。

附图说明

图1是本发明实施例的吸光黑矩阵结构示意图。

图2是本发明实施例中黑矩阵单元的工作原理图。

图3是本发明实施例中吸光黑矩阵结构的设计流程图。

图4是本发明实施例中吸光黑矩阵结构的制备流程示意图。

图中：1、显示面板基底，2、吸光黑矩阵，3、光源出射光对应颜色的反射膜系，4、基色子像素，5、直下式阵列光源，6、直下式阵列光源出射光，7、色转换后的出射的红光或绿光，8、黑矩阵基底的空壳模具，9、吸光黑矩阵基底，10、已镀膜的吸光黑矩阵，11、吸光黑矩阵与显示面板基底粘合结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。在图中，为了清晰的体现所述黑矩阵以及其适用于的经典应用结构，放大了各层及其结构的尺寸，作为示意图不应该被认为严格反应比例关系。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，包括用于隔离色转换层各基色子像素4的吸光黑矩阵2和显示面板基底1，所述吸光黑矩阵用于隔离显示面板基底上的各基色子像素，所述吸光黑矩阵和显示面板基底非一体成型，所述吸光黑矩阵由阵列的黑矩阵单元组成，所述显示面板基底上间隔布设所述黑矩阵单元和各基色子像素，所述黑矩阵单元具有吸光功能，所述黑矩阵单元内部中空，且其内表面镀有光源出射光对应颜色的反射膜系3。所述显示面板基底下侧配设有直下式阵列光源5，所述直下式阵列光源与各基色子像素对准，出射光的波长范围由光源出射光光谱决定，出射光光谱由不同光源表达式决定。其中，图案化色转换层分成三种基色形成基色子像素，色转换层通过色转换材料制作而成。

其中，所述光源出射光对应颜色的反射膜系用于反射光源出射光，其波长范围为[λ _Low ，λ _High ]，波长间隔a取值为0.1nm~10nm之间，其取值越小，精度越高，得到的波长数值越精确，计算得到膜系内的膜层厚度和层数越精确。

光源出射光对应颜色的反射膜系由多层单层膜组成，单层膜的层数m由各个膜系中所控制的波长上下限范围[λ _Low ，λ _High ]和波长间隔a决定，满足下式：

单层膜的厚度由下式确定：

式中，n表示各层膜的折射率，e表示光源出射光对应颜色的反射膜系中膜的厚度，△'表示半波损失值，λ为光源出射光覆盖的波段。

所述黑矩阵单元为灯罩式结构，上底面与左右两个侧面封闭，下底面敞开，内部中空，上底面和左右两个侧面的内表面镀设光源出射光对应颜色的反射膜系，所述黑矩阵单元制作成型于具有一定厚度的显示面板基底上，吸光黑矩阵和显示面板基底可采用不同材料。各黑矩阵单元位于相邻基色子像素之间，高度不小于相邻基色子像素的高度。

图2示出了本发明的的工作原理。如图2所示，直下式阵列光源出射光6被灯罩式吸光黑矩阵内部结构反射，色转换后的出射的红光或绿光7被灯罩式吸光黑矩阵吸收。

如图3所示，所述吸光黑矩阵结构的具体设计流程包括如下步骤：

A1：根据光源确定吸光黑矩阵中黑矩阵单元的外形结构参数，包括上下底面尺寸、高度以及倾斜角度，其中上底面为朝向显示出射光一侧底面，下底面为朝向显示发光源一侧底面，倾斜角度为黑矩阵单元与基色子像素密接的侧面与下底面的夹角。

A2：选定吸光黑矩阵材料、膜层材料以及显示面板基底的材料，选定的膜层材料的折射率需满足薄膜干涉的折射率要求，半波损失值由外部介质折射率以及各个膜层的折射率决定。

A3：根据显示所用光源出射光的发光特性、光源光谱的峰宽和中心波长，计算获得光源出射光归一化光谱，取光谱数值大于10^-4，选定波段间隔a nm，确定波段范围。

A4：计算光源出射光对应颜色的反射膜系的各单层膜厚度。根据步骤A3得到的光源出射光波段范围，将光源出射光波长代入光源出射光对应颜色的反射膜系的膜层厚度计算式，求得反射膜系中膜的厚度，进而得到光源出射光对应颜色的反射膜系。镀膜厚度e与层数m由反射膜系中的各单层膜厚和选用的波长间隔决定。

所述吸光黑矩阵材料可选用的材料包括黑色光刻胶、铬、碳黑以及遮光树脂。所述显示面板基底的材料包括玻璃、聚酰亚胺以及PMMA。

为防止薄膜过厚影响色转换效果，所述反射膜系的厚度需小于所述黑矩阵单元厚度的二分之一。所述膜层材料可选用的材料包括TiO₂/Al₂O₃、Ta₂O₅/Al₂O₃。所述发射膜系的平整度满足光学薄膜基本要求，不允许有包括起皮、裂纹的损坏痕迹。

如图4所示，本实施例提供了上述提升显示效率的吸光黑矩阵结构的制备方法，包括如下步骤：

S1：选用包括透明基板、树脂、金属的材料中的一种或几种，通过包括注塑成型、铣削加工、线切割加工、电火花加工的模具加工方法中的一种或几种，制作吸光黑矩阵的空壳模具8。

S2：将吸光黑矩阵材料浇灌进吸光黑矩阵的空壳模具中，冷却后形成下口敞开的灯罩式吸光黑矩阵基底9。

S3：通过镀膜技术将光源出射光对应颜色的反射膜系镀至吸光黑矩阵基底中各黑矩阵单元的内表面，得到已镀膜的吸光黑矩阵10。

S4：根据显示像素分布要求，制作显示面板基底。

S5：通过精确对位方法，将吸光黑矩阵与显示面板基底紧密粘合，形成吸光黑矩阵结构整体11。

光源出射光光谱的中心波长属于符合激发色转换层的任意波段。发出的光通过相应的色转换层后转换为不同的显示基色光，且各基色子像素独立、分开排列于显示面板基底上。填充于基色子像素区域内的色转换材料包括荧光粉、量子点。光源与基色子像素形成位置空间的上下对应关系，包括一对一、一对多、多对一的对应关系。

所述吸光黑矩阵结构适用于防止色串扰或提高光源利用率的显示结构中，其典型结构为最下方为直下式光源，中间为色转换层，最上层为传统滤光片，色转换层包括所述吸光黑矩阵结构与量子点色转换子像素的间隔排布，典型应用结构不限于此，可以在此典型结构上替换更改色转换材料等，涉及该黑矩阵结构的都属于本专利范畴。

所述吸光黑矩阵用于吸收通过色转换层时发射至吸光黑矩阵外表面的光线，以防止色串扰。其内部结构利用分布式布拉格反射镜原理，将光源入射到吸光黑矩阵内部结构的光源出射光反射回光源层，由于光源层材料具有的反射特性，再经过光源层的反射，再次进入色转换层，以提高光源出射光的利用率。在此内部结构上将反射膜系替换更改成其他具有反射效果的膜片都属于本专利范畴，其包括但不限于棱镜膜等。

下面以一具体实施例作进一步说明。

A1：选定蓝光光源，该黑矩阵，上底面30μm、下底面60μm、黑矩阵高度15μm、倾斜角度45°、斜率为

、厚度为6μm，其中上底面朝向显示出射光方向一侧底面，下底面为朝向显示发光源一侧底面。

A 2：选定黑矩阵材料为光刻胶，膜层材料为TiO₂/Al₂O₃；显示面板的基底材料为玻璃，半波损失值将由各个膜层的折射率决定。

A 3：根据蓝光光源的发光特性、光源光谱的峰宽和中心波长，计算获得光源出射光归一化光谱，其中光源出射光的归一化光谱由下式决定：

X表示光源出射光的中心波长，Y表示光源出射光的缝宽，m表示膜系层数。取光谱数值大于10^-4，设定间隔为1nm，确定波段范围[λ _Low ，λ _High ]。

A 4：计算光源出射光对应颜色的反射膜系的各单层膜厚度；根据S3得到的光源出射光波段范围，将光源出射光波长代入光源出射光对应颜色的反射膜系的膜厚定义式，求得光源出射光的反射膜膜层厚度，得到光源出射光对应颜色的反射膜系集合。镀膜膜系厚度e小于3μm，层数m为λ _Low —λ _High 。

A 5：制备与显示面板分离式黑矩阵基底结构。制备流程如下：

S1：准备两个透明基板，通过在双层透明基板内表面涂覆一层保护层,根据设定参数，通过在双层透明基板内表面涂覆一层保护层，采用光刻、激光加工、喷墨打印、喷砂技术等技术加工保护层，再通过注塑成型、铣削加工、线切割加工、电火花加工等制作出相应立体形状且呈阵列分布的双层空壳的隔离矩阵基底透明基板，再将第三块透明基板同样做成“方齿”状置于前两层基板下方，通过形成隔离矩阵结构与基底一体化透明基板模型。

S2：将黑色光刻胶浇灌进黑矩阵透明基板的模型中，形成下口敞开的灯罩式吸光黑矩阵阵列基底一体化结构，通过进一步切割、清洗制成剥离式的中空吸光黑矩阵。

S3：选用制备物理气相或化学气相沉积的方法，结合光刻和剥离的技术将光源出射光对应颜色的反射膜系按照要求镀至黑矩阵内表面。

S4：设定显示面板基底参数，准备两个透明基板，根据设定参数，通过在双层透明基板内表面涂覆一层保护层,采用光刻、激光加工、喷墨打印、喷砂技术将保护层制作出相对应显示面板模具，浇灌玻璃，进一步切割、清洗剥离得到显示面板。

S5：利用精确对位方法，将隔离黑矩阵结构与显示面板紧密粘合。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，包括用于隔离色转换层各基色子像素的吸光黑矩阵和显示面板基底，所述吸光黑矩阵和显示面板基底非一体成型，所述吸光黑矩阵由阵列的黑矩阵单元组成，所述显示面板基底上间隔布设所述黑矩阵单元和各基色子像素，所述黑矩阵单元具有吸光功能，所述黑矩阵单元内部中空，且其内表面镀有光源出射光对应颜色的反射膜系；所述显示面板基底下侧配设有直下式阵列光源，所述直下式阵列光源与各基色子像素对准，出射光的波长范围由光源出射光光谱决定；

所述光源出射光对应颜色的反射膜系用于反射光源出射光，其波长范围为[λ _Low ，λ _High ]，波长间隔a取值为0.1nm~10nm之间；

光源出射光对应颜色的反射膜系由多层单层膜组成，单层膜的层数m由各个膜系中所控制的波长上下限范围[λ _Low ，λ _High ]和波长间隔a决定，满足下式：

单层膜的厚度由下式确定：

式中，n表示各层膜的折射率，e表示光源出射光对应颜色的反射膜系中膜的厚度，△'表示半波损失值，λ为光源出射光覆盖的波段；

所述黑矩阵单元为灯罩式结构，上底面与左右两个侧面封闭，下底面敞开，内部中空，上底面和左右两个侧面的内表面镀设光源出射光对应颜色的反射膜系，所述黑矩阵单元制作成型于具有一定厚度的显示面板基底上，吸光黑矩阵和显示面板基底可采用不同材料；各黑矩阵单元位于相邻基色子像素之间，且高度不小于相邻基色子像素的高度；

所述吸光黑矩阵结构的具体设计流程包括如下步骤：

A1：根据光源确定吸光黑矩阵中黑矩阵单元的外形结构参数，包括上下底面尺寸、高度以及倾斜角度，其中上底面为朝向显示出射光一侧底面，下底面为朝向显示发光源一侧底面，倾斜角度为黑矩阵单元与基色子像素密接的侧面与下底面的夹角；

A2：选定吸光黑矩阵材料、膜层材料以及显示面板基底的材料，选定的膜层材料的折射率需满足薄膜干涉的折射率要求，半波损失值由外部介质折射率以及各个膜层的折射率决定；

A3：根据显示所用光源出射光的发光特性、光源光谱的峰宽和中心波长，计算获得光源出射光归一化光谱，取光谱数值大于10^-4，选定波段间隔a nm，确定波段范围；

A4：计算光源出射光对应颜色的反射膜系的各单层膜厚度；根据步骤A3得到的光源出射光波段范围，将光源出射光波长代入光源出射光对应颜色的反射膜系的膜层厚度计算式，求得反射膜系中膜的厚度，进而得到光源出射光对应颜色的反射膜系；镀膜厚度e与层数m由反射膜系中的各单层膜厚和选用的波长间隔决定；

所述吸光黑矩阵结构的制备方法，包括如下步骤：

S1：选用包括透明基板、树脂、金属的材料中的一种或几种，通过包括注塑成型、铣削加工、线切割加工、电火花加工的模具加工方法中的一种或几种，制作吸光黑矩阵的空壳模具；

S2：将吸光黑矩阵材料浇灌进吸光黑矩阵的空壳模具中，冷却后形成吸光黑矩阵基底；

S3：通过镀膜技术将光源出射光对应颜色的反射膜系镀至吸光黑矩阵基底中各黑矩阵单元的内表面；

S4：根据显示像素分布要求，制作显示面板基底；

S5：通过精确对位方法，将吸光黑矩阵与显示面板基底紧密粘合，形成吸光黑矩阵结构整体。

2.根据权利要求1所述的一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，所述吸光黑矩阵材料可选用的材料包括黑色光刻胶、铬、碳黑以及遮光树脂；所述显示面板基底的材料包括玻璃、聚酰亚胺以及PMMA。

3.根据权利要求1所述的一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，为防止薄膜过厚影响色转换效果，所述反射膜系的厚度需小于所述黑矩阵单元厚度的二分之一；所述膜层材料可选用的材料包括TiO₂/Al₂O₃、Ta₂O₅/Al₂O₃；所述反 射膜系的平整度满足光学薄膜基本要求，不允许有包括起皮、裂纹的损坏痕迹。

4.根据权利要求1所述的一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，光源出射光光谱的中心波长属于符合激发色转换层的任意波段；发出的光通过相应的色转换层后转换为不同的显示基色光，且各基色子像素独立、分开排列于显示面板基底上；填充于基色子像素区域内的色转换材料包括荧光粉、量子点；光源与基色子像素形成位置空间的上下对应关系，包括一对一、一对多、多对一的对应关系。

5.根据权利要求1所述的一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，所述吸光黑矩阵结构适用于防止色串扰或提高光源利用率的显示结构中，最下方为直下式光源，中间为色转换层，最上层为滤光片，色转换层包括所述吸光黑矩阵结构与量子点色转换子像素的间隔排布。

6.根据权利要求1所述的一种提升显示效率的吸光黑矩阵结构，其特征在于，所述吸光黑矩阵用于吸收通过色转换层时发射至吸光黑矩阵外表面的光线，以防止色串扰；其内部结构利用分布式布拉格反射镜原理，将光源入射到吸光黑矩阵内部结构的光源出射光反射回光源层，由于光源层材料具有的反射特性，再经过光源层的反射，再次进入色转换层，以提高光源出射光的利用率。

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