CN113449411B - 面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，包括以下步骤：步骤S1:获取量子点光色转换层初始参数；步骤S2:建立入射蓝光光强受膜厚和量子点浓度二者影响的衰减关系理论模型；步骤S3:根据光线波长或频率的不同对色转换层进行逻辑通道划分；步骤S4:基于纯蓝光逻辑通道，计算量子点光色转换层的蓝光泄漏率；步骤S5:建立光密度与膜片厚度和量子点浓度之间的理论关系。本发明能够准确、高效地计算量子点光色转换层蓝光泄露率和光密度，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。

Description

面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法

技术领域

本发明涉及新型显示领域，具体涉及一种单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法。

背景技术

“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AlexeyEkimov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计算出蓝光泄漏率以及光密度随量子点光色转换层的厚度以及量子点浓度参数变化的方法，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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，能够准确、高效地计算量子点光色转换层蓝光泄露率和光密度，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。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，包括以下步骤：

步骤S1:获取量子点光色转换层初始参数；

步骤S2:建立入射蓝光光强受膜厚和量子点浓度二者影响的衰减关系理论模型；

步骤S3:根据光线波长或频率的不同对色转换层进行逻辑通道划分；

步骤S4:基于纯蓝光逻辑通道，计算量子点光色转换层的蓝光泄漏率；

步骤S5:建立光密度与膜片厚度和量子点浓度之间的理论关系。

进一步的，所述量子点光色转换层初始参数包括所用的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。

进一步的，所述步骤S2具体为：

当光色转换层中量子点浓度是均匀且固定时，根据布格-朗伯定律建立入射蓝光光强随膜厚变化的关系；

当光色转换层厚度固定时，建立入射蓝光光强随量子点浓度变化的关系；

当光色转换层中量子点浓度均匀且为变量时，根据朗伯-比尔定律建立入射蓝光光强随膜厚及浓度变化的关系。

进一步的，所述步骤S3具体为：分别从逻辑层面将混有单色量子点的色转换层分解为纯蓝光逻辑通道1和量子点色转换逻辑通道2。

进一步的，所述步骤S4具体为：

当光色转换层中量子点浓度是均匀且固定时，建立蓝光泄漏率随膜厚变化的关系；

当光色转换层中膜厚固定时，建立蓝光泄漏率随量子点浓度均匀变化的关系；

建立蓝光泄漏率随膜厚以及均匀变化的量子点浓度之间的二维函数关系。

进一步的，根据布格-朗伯定律：当光色转换层中量子点浓度固定时，

泄露出射的蓝光光强I’随膜厚h变化的关系：

I′(h)＝(1-k)I₀e^-αh

式中，(1-k)表示入射到通道1中未用于激发量子点的入射蓝光光强与实际色转换层的总入射蓝光光强I₀之比，I₀为实际色转换层的初始入射蓝光光强；h为量子点光色转换层的厚度；α为一正常数，称为介质对该入射蓝光的吸收系数。

蓝光泄漏率BLT，为出射蓝光强度I′与入射蓝光强度I₀的比值，蓝光泄漏率BLT表示为：

即，当入射蓝光光强I₀一定时，膜厚h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增加而不断减小并最后趋近于0；

当光色转换层厚度固定，量子点浓度均匀变化时，泄露出射的蓝光光强I’随浓度c变化的关系：

I′(c)＝(1-k)I₀e^-αc

蓝光泄漏率BLT，为出射蓝光强度I′与入射蓝光强度I₀的比值，蓝光泄漏率BLT表示为：

即，当入射蓝光光强I₀一定时，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浓度c增加而不断减小并最后趋近于0；

当光色转换层中厚度变化且量子点浓度也均匀变化时，泄露出射的蓝光光强I_b随膜厚h及量子点浓度c变化的关系：

蓝光泄漏率BLT，为出射蓝光强度I_b与入射蓝光强度I₀的比值，即蓝光泄漏率BLT可以表示为：

当入射蓝光光强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。

进一步的，所述步骤S5具体为：

根据朗伯-比尔定律：

A＝lg(1/T)＝εhc

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；

因此，当入射光源为蓝光光源时，其表达式表示为：

式中，ε_b表示入射蓝光的摩尔吸光系数；u表示量子点粒子数因子，其为膜的厚度以及量子点的浓度的乘积u＝hc即量子点的实际用量。

当膜厚为0且量子点浓度c也为0时，量子点粒子数因子u＝0，此时入射到通道2中的入射蓝光光强与实际色转换层的总入射蓝光光强I₀之比k＝0。所述通道2的光密度OD满足如下表达式：

OD＝ε_bu-lg(1-k)＝0

即当量子点粒子数因子u＝0时，通道2的光密度OD也为0。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明能够准确、高效地计算量子点光色转换层蓝光泄露率和光密度，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

图1为本发明实施例中所设计的量子点光色转换层中单色子像素区域的逻辑通道划分以及纯蓝光逻辑通道的光强示意框图。

图2为本发明方法流程图。

图3为本发明光密度OD随量子点粒子数因子u之间分段函数关系图。

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。

图5为本发明所设计的紫外光朗伯面光源分别去激发红绿蓝量子点光色转换层结构的示例图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图2，本发明提供一种面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，包括以下步骤：

第一步：确定量子点光色转换层初始参数。包括所用的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；

第二步：计算入射蓝光光强I’随膜厚h变化的关系。

根据布格-朗伯定律：光经过一定介质后的光强为：

I′(h)＝I₀e^-αh

式中，I₀为初始入射蓝光光强；h为介质层厚度；α为一正常数，称为介质对该入射蓝光的吸收系数。介质的吸收系数α的量纲是长度的倒数，单位是cm^-1。吸收系数α的倒数(1/α)的物理意义是因介质的吸收使得光强衰减到原来1/e≈36.8％时，光所通过的介质厚度。

第三步：计算入射蓝光光强I’随膜厚h及吸光物质浓度c变化的关系。

根据朗伯-比尔定律：

A＝lg(1/T)＝εhc

式中，A为吸光度。T为透射比(透光度)，是出射光强度I′与入射蓝光强度I₀的比值。ε为入射光的摩尔吸光系数，它与膜的材料性质以及入射蓝光光源的波长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。当入射光源为蓝光光源时，将T＝I′/I₀代入方程得：

即入射蓝光光强I’随膜厚h及浓度c变化的关系式。

第四步：计算蓝光泄漏率BLT随量子点光色转换层厚度h变化的关系。根据布格-朗伯定律：当光色转换层中量子点浓度固定时，光经过一定介质后的光强为：

I′(h)＝I₀e^-αh

由于(1-k)表示入射到纯蓝光逻辑通道1中未用于激发量子点的入射蓝光光强与实际色转换层的总入射蓝光光强I₀之比，因此泄露出射的蓝光光强I’随膜厚h变化的关系：

I′(h)＝(1-k)I₀e^-αh

由于蓝光泄漏率BLT，为出射蓝光强度I′与入射蓝光强度I₀的比值。因此蓝光泄漏率BLT可以表示为：

其物理意义在于：当入射蓝光光强I₀一定时，膜厚h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增加而不断减小并最后趋近于0。

第五步：计算蓝光泄漏率BLT随膜厚h以及量子点浓度c变化的关系。根据入射蓝光光强I’随膜厚h及量子点浓度c变化的关系式。

由于(1-k)表示入射到通道1中未用于激发量子点的入射蓝光光强与实际色转换层的总入射蓝光光强I₀之比，因此泄露出射的蓝光光强I_b随膜厚h及量子点浓度c变化的关系：

由于蓝光泄漏率BLT，为出射蓝光强度I_b与入射蓝光强度I₀的比值。因此蓝光泄漏率BLT可以表示为：

其物理意义在于：当入射蓝光光强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。

第六步：建立光密度OD随膜厚h及量子点浓度c之间的理论关系模型。根据朗伯-比尔定律：

A＝lg(1/T)＝εhc

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。因此，当入射光源为蓝光光源时，其表达式可表示为：

式中，ε_b表示入射蓝光的摩尔吸光系数；u表示量子点粒子数因子，其为膜的厚度以及量子点的浓度的乘积u＝hc即量子点的实际用量。

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。

优选的，量子点光色转换层内部的量子点不仅仅限于红/绿色量子点，也可以是其他比入射光波长更长的量子点。

优选的，朗伯面光源属于蓝光光源，蓝光波长范围在400nm到480nm之间，其发光过程为下转换过程。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。

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分别去激发红绿像素结构，从而转换为红绿光；也可以是紫外光源分别去激发红绿蓝三基色结构，从而转换为红绿蓝三色光。通过调整三基色比例来达到白平衡的效果。

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。

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。

Claims (5)

1.一种面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:获取量子点光色转换层初始参数；

步骤S2:建立入射蓝光光强受膜厚和量子点浓度二者影响的衰减关系理论模型；

步骤S3:根据光线波长或频率的不同对色转换层进行逻辑通道划分；

步骤S4:基于纯蓝光逻辑通道，计算量子点光色转换层的蓝光泄露率；

步骤S5:建立光密度与膜片厚度和量子点浓度之间的理论关系；

所述步骤S4具体为：

当光色转换层中量子点浓度是均匀且固定时，建立蓝光泄露率随膜厚变化的关系；

当光色转换层中膜厚固定时，建立蓝光泄露率随量子点浓度均匀变化的关系；

当光色转换层中量子点浓度均匀变化且膜厚也变化时，建立蓝光泄露率随膜厚以及均匀变化的量子点浓度之间的二维函数关系；

1)当光色转换层中量子点均匀分布且浓度固定时，泄露出射的蓝光光强I’随h变化的关系：

I′(h)＝(1-k)I₀e^-αh

式中，(1-k)表示入射到纯蓝光逻辑通道1中未用于激发量子点的入射蓝光光强与实际色转换层的入射蓝光光强I₀之比，I₀为入射蓝光光强；h为量子点光色转换层的厚度，即膜厚；α为一正常数，称为介质对该入射蓝光的吸收系数；

蓝光泄露率BLT，为出射蓝光强度I′与入射蓝光光强I₀的比值，蓝光泄露率BLT表示为：

即，当入射蓝光光强I₀固定时，膜厚h的增加使入射蓝光的损耗增加，导致蓝光泄露率的不断减小并最后趋近于0；因此蓝光泄露率随着膜厚h增加而不断减小并最后趋近于0；

2)当光色转换层厚度固定，量子点浓度均匀变化时，泄露出射的蓝光光强I′随量子点浓度c变化的关系：

I′(c)＝(1-k)I₀e^-αc

蓝光泄露率BLT，为出射蓝光强度I′与入射蓝光光强I₀的比值，蓝光泄露率BLT表示为：

即，当入射蓝光光强I₀固定时，浓度c的增加使入射蓝光的损耗增加，导致蓝光泄露率的不断减小并最后趋近于0；因此蓝光泄露率随着浓度c增加而不断减小并最后趋近于0；

3)当光色转换层中厚度变化且量子点浓度也均匀变化时，泄露出射的蓝光光强I′随膜厚h及量子点浓度c变化的关系：

其中，ε_b表示入射蓝光的摩尔吸光系数；

蓝光泄露率BLT，为泄露出射的蓝光光强I′与入射蓝光强度I₀的比值，即蓝光泄露率BLT表示为：

当光色转换层中的入射蓝光光强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，导致蓝光泄露率的不断减小并最后趋近于0；因此蓝光泄露率随着膜厚h及量子点浓度c的增加而不断减小并最后趋近于0；

所述步骤S5具体为：

根据朗伯-比尔定律：

A＝lg(1/T)＝εhc

式中，A为吸光度即光密度OD；T为透射比即蓝光泄露率BLT，是出射光蓝光光强I′与入射蓝光光强I₀的比值；

因此，当入射光源为蓝光光源时，其表达式表示为：

式中，ε_b表示入射蓝光的摩尔吸光系数；u表示量子点粒子数因子，其为膜的厚度以及量子点的浓度的乘积。

2.根据权利要求1所述的面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，其特征在于，所述量子点光色转换层初始参数包括所用的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。

3.根据权利要求1所述的面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

当光色转换层中量子点浓度是均匀且固定时，根据布格-朗伯定律建立入射蓝光光强随膜厚变化的关系；

当光色转换层厚度固定时，建立入射蓝光光强随量子点浓度变化的关系；

当光色转换层中量子点浓度均匀且为变量时，根据朗伯-比尔定律建立入射蓝光光强随膜厚及浓度变化的关系。

4.根据权利要求1所述的面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：根据光线波长或频率的不同，分别从逻辑层面将混有单色量子点的色转换层分解为纯蓝光逻辑通道1和量子点色转换逻辑通道2；其中，纯蓝光逻辑通道中，只存在进入该通道内的蓝光的传播、吸收和透射现象，而没有不同波长光线之间的能量交换。

5.根据权利要求1所述的面向单色量子点色转换层的蓝光泄露率和光密度计算方法，其特征在于，当膜厚不为0而量子点浓度c为0时，此时量子点粒子数因子u＝0，因此入射到通道2中的入射蓝光光强与实际色转换层的入射蓝光光强I₀之比k＝0，所述通道2的光密度OD满足如下表达式：

OD＝ε_bu-lg(1-k)＝0

即通道2的入射蓝光的光密度OD也为0。

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