CN113675321A - 基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Micro‑LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，采用过饱和结晶法生长钙钛矿量子点，通过喷墨打印将钙钛矿量子点前驱体溶液打在Micro‑LED阵列上的不良溶剂中进行振荡反应，原位生成钙钛矿量子点溶液；利用Micro‑LED自发热使得钙钛矿量子点原位结晶，覆盖在由黑矩阵隔开的蓝光Micro‑LED阵列上；通过蓝光Micro‑LED激发红绿钙钛矿量子点纳米晶发出红光和绿光，结合蓝光Micro‑LED本身所发出的蓝光，实现一个像素单元的发光，多个重复的像素单元有序排列，即实现Micro‑LED的色转换。该方法的实现工艺及条件简单，且有利于提高钙钛矿量子点纳米晶的性能。
Description
技术领域
本发明属于LED显示器制备技术领域，具体涉及一种基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法。
背景技术
近些年来，显示技术飞速发展，Micro-LED显示作为基于稳定性极高的GaN材料的下一代显示技术，具有发光效率高、稳定性好、亮度高等优点，应用前景广阔。Micro-LED显示产品的核心技术是巨量转移和彩色化。在2009年，香港科技大学刘纪美教授与南方科技大学刘召军教授在专利US 13/466,660, US 14/098,103中提出了利用发光介质法实现彩色化，成为了目前最常用的彩色化方案。发光介质大致有荧光粉和量子点两类，荧光粉简单易用，但颗粒尺寸较大，随着Micro-LED像素尺寸的缩小，会使得荧光粉涂覆不均匀程度加重并对显示质量造成影响。故使用量子点材料实现彩色化的研究显得尤为重要。
专利CN106356386A提供了一种通过喷墨打印将镉系量子点打在Micro-LED阵列上的方法，但是这种方法所用到的镉系量子点具有比较强的毒性，而且在打印过程中镉系量子点胶体溶液的密度对于打印效率的影响较大，如果溶液密度低，会使得量子点成膜较薄，色转换效率低，如果溶液密度高，又容易堵塞喷头，故需要寻找更安全高效的量子点材料。专利CN111244315A公开了一种通过喷墨打印将钙钛矿量子点胶体溶液打在电极层上作为发光层的制备方式，但是这种方法需要提前制备好钙钛矿量子点溶液，之后再装到喷头里去打印，增加了制备工序，且在溶液转移的过程中，空气中的水分等物质对于量子点胶体溶液的性能也有一定的影响。此外，若要使钙钛矿量子点结晶，还需要再将器件移动至烘箱或热板上进行加热，增加了工序的同时，高温环境对于电极层的寿命也会有影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，该方法的实现工艺及条件简单，且有利于提高钙钛矿量子点纳米晶的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法生长钙钛矿量子点，采用过饱和结晶法，通过喷墨打印的方式将钙钛矿量子点前驱体溶液直接打在Micro-LED阵列上的不良溶剂中进行振荡反应，原位生成钙钛矿量子点溶液；利用Micro-LED自发热使得钙钛矿量子点原位结晶，直接覆盖在由黑矩阵隔开的蓝光Micro-LED阵列上；通过蓝光Micro-LED激发红绿钙钛矿量子点纳米晶发出红光和绿光，结合蓝光Micro-LED本身所发出的蓝光，实现一个像素单元的发光，多个重复的像素单元有序排列，即实现Micro-LED的色转换。
进一步地，所述钙钛矿量子点为全无机卤族元素钙钛矿量子点CsPbX3(X=Cl, Br,I)。
进一步地，采用过饱和结晶法生长钙钛矿量子点的过程为，在室温下进行操作，将Cs+、Pb2+和X−离子从可溶性溶剂转移到不溶性溶剂，经匀速搅拌后得到量子点晶体。
进一步地，所述黑矩阵为不透光的有机树脂层，其厚度高于所需的量子点纳米晶厚度，以有效的避免光学串扰。
进一步地，所采用的单个Micro-LED尺寸在1~500μm之间，每个Micro-LED之间的黑矩阵宽度在5~30μm之间。
进一步地，所生长的量子点纳米晶的厚度、密度以及吸收系数与量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率成正比关系：A(λ) = α(λ)ρl，其中A(λ)为量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率，α(λ)为量子点纳米晶的吸收系数，ρ为量子点纳米晶的密度，l为量子点纳米晶的厚度。
进一步地，该方法包括以下步骤：
步骤S1：选择单色Micro-LED阵列；
步骤S2：将全无机卤化物溶于前驱体溶剂中，并按设定比例加入表面活性剂油胺油酸，剧烈搅拌完全溶解后得到前驱体溶液；
步骤S3：在每一个像素单元内的前两个Micro-LED上注入甲苯，用喷墨打印的方式通过双喷头将不同的前驱体溶液以设定的速度压入甲苯中；
步骤S4：对Micro-LED阵列进行超声震荡，使得红色和绿色量子点生长完全；
步骤S5：通过Micro-LED自发热使得甲苯溶液蒸发，生成钙钛矿量子点纳米晶，之后用胶封材料封起来，得到多个重复的像素单元有序排列，即可完成Micro-LED色转换。
进一步地，步骤S1中，所述单色Micro-LED阵列的光源为蓝光。
进一步地，步骤S2中，所述全无机卤化物为PbBr2和CsBr的混合粉末，所述前驱体溶剂为二甲基甲酰胺（DMF），G-丁内酯（GBL），二甲基亚砜（DMSO）或N,N-二甲基乙酰胺（DMA）中的一种。
进一步地，步骤S3中，所述喷墨打印的双喷头分别装载红色量子点和绿色量子点的前驱体溶液，两喷头液滴的速度可以进行控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法可以利用Micro-LED自发热直接使钙钛矿量子点原位结晶，覆盖在Micro-LED阵列上，承担色转换的功能，晶体厚度可控，避免了利用高温环境烘干溶液时对于器件性能的影响。同时，通过将前驱体溶液直接打在Micro-LED阵列上的不良溶剂中进行振荡反应，原位生成钙钛矿量子点溶液，可以避免打印过程中喷头的堵塞，并且很好的减少制备工序，制备条件较为简单，只需在室温下就可以进行。合成的钙钛矿量子点纳米晶成本低，产率大，发光效率高。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中原位生长钙钛矿量子点纳米晶后的Micro-LED阵列俯视图；
图2为本发明实施例中利用双喷头在Micro-LED阵列上原位生长量子点的喷墨打印过程的俯视图；
图3为本发明实施例中所使用的单色Micro-LED阵列一个像素单元的俯视图；
图4为本发明实施例中进行喷墨打印前喷头对齐到Micro-LED阵列上方时的主视图；
图5为本发明实施例中进行喷墨打印后原位生成红色和绿色量子点胶体溶液的主视图；
图6为本发明实施例中利用Micro-LED自发热使得钙钛矿量子点结晶过程的主视图；
图7为本发明实施例中对结晶完全的钙钛矿量子点进行胶封后的主视图；
图8为本发明实施例中最终完成色转换后的Micro-LED阵列俯视图。
图中：1-蓝光Micro-LED；2-黑矩阵；3-红色量子点纳米晶；4-绿色量子点纳米晶；5-红色量子点前驱体溶液；6-绿色量子点前驱体溶液；7-红色量子点生长区；8-绿色量子点生长区；9-胶封材料。
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。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本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。
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。
本实施例提供了一种基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，采用过饱和结晶法生长钙钛矿量子点，通过喷墨打印的方式将钙钛矿量子点前驱体溶液直接打在Micro-LED阵列上的不良溶剂中进行振荡反应，原位生成钙钛矿量子点溶液；利用Micro-LED自发热使得钙钛矿量子点原位结晶，直接覆盖在由黑矩阵隔开的蓝光Micro-LED阵列上；通过蓝光Micro-LED激发红绿钙钛矿量子点纳米晶发出红光和绿光，结合蓝光Micro-LED本身所发出的蓝光，实现一个像素单元的发光，多个重复的像素单元有序排列，即实现Micro-LED的色转换。
在本实施例中，所述钙钛矿量子点为全无机卤族元素钙钛矿量子点CsPbX3(X=Cl,Br, I)。
在本实施例中，采用过饱和结晶法生长钙钛矿量子点的过程为，在室温下进行操作，将Cs+、Pb2+和X−离子从可溶性溶剂转移到不溶性溶剂，经匀速搅拌后得到量子点晶体。
在本实施例中，所述黑矩阵为不透光的有机树脂层，其厚度高于所需的量子点纳米晶厚度，以有效的避免光学串扰。
在本实施例中，所采用的单个Micro-LED尺寸在1~500μm之间，每个Micro-LED之间的黑矩阵宽度在5~30μm之间。
在本实施例中，所生长的量子点纳米晶的厚度、密度以及吸收系数与量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率成正比关系：A(λ) = α(λ)ρl，其中A(λ)为量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率，α(λ)为量子点纳米晶的吸收系数，ρ为量子点纳米晶的密度，l为量子点纳米晶的厚度。
本实施例提供了上述7．根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，包括以下步骤：
步骤S1：选择单色Micro-LED阵列；
步骤S2：将全无机卤化物溶于前驱体溶剂中，并按设定比例加入表面活性剂油胺油酸，剧烈搅拌完全溶解后得到前驱体溶液；
步骤S3：在每一个像素单元内的前两个Micro-LED上注入甲苯，用喷墨打印的方式通过双喷头将不同的前驱体溶液以设定的速度压入甲苯中；
步骤S4：对Micro-LED阵列进行超声震荡，使得红色和绿色量子点生长完全；
步骤S5：通过Micro-LED自发热使得甲苯溶液蒸发，生成钙钛矿量子点纳米晶，之后用胶封材料封起来，得到多个重复的像素单元有序排列，即可完成Micro-LED色转换。
在本实施例中，所述基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，具体包括以下步骤：
步骤一、选择单色Micro-LED阵列，如图3所示，为蓝光Micro-LED阵列的一个像素单元，每个Micro-LED之间使用黑矩阵隔开，黑矩阵为不透光的有机树脂材料，可以有效的避免色串扰。黑矩阵的厚度高于所需的量子点纳米晶厚度，黑矩阵的宽度可以在5~30μm之间。
步骤二、将全无机卤化物溶于前驱体溶剂中，并按一定比例加入表面活性剂油胺油酸，剧烈搅拌完全溶解后得到前驱体溶液；此处可将PbBr2和CsBr溶于二甲基甲酰胺中，并按一定比例加入表面活性剂油胺油酸，剧烈搅拌完全溶解后得到前驱体溶液。其中，前驱体溶剂可以为二甲基甲酰胺（DMF），G-丁内酯（GBL），二甲基亚砜（DMSO）或N,N-二甲基乙酰胺（DMA）中的一种。
步骤三、在每一个像素单元内的前两个Micro-LED上注入甲苯，如图2所示，用喷墨打印的方式通过双喷头将不同的前驱体溶液以一定的速度压入甲苯中。如图4所示，将用于喷墨打印的两个喷头分别对准第一个和第二个Micro-LED，第一个喷头内是红色量子点前驱体溶液，第二个喷头内是绿色量子点前驱体溶液，以不同的液滴速度均匀的将前驱体溶液滴在所对应的Micro-LED上。如图5所示，喷墨打印完成后，混合溶液分别覆盖在在第一个和第二个Micro-LED上。两喷头液滴的速度可以进行控制。
步骤四、对Micro-LED阵列进行超声震荡，将Cs+、Pb2+和X−离子从可溶性溶剂转移到不溶性溶剂，使得红色和绿色量子点生长完全。
步骤五、通过Micro-LED自发热将甲苯溶液蒸发，生成钙钛矿量子点纳米晶，如图6所示。所生长的量子点纳米晶的厚度、密度以及吸收系数与量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率成正比关系：A(λ) = α(λ)ρl。其中A(λ)为量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率，α(λ)为量子点纳米晶的吸收系数，ρ为量子点纳米晶的密度，l为量子点纳米晶的厚度。结晶完全后用胶封材料封起来，如图7所示，即可完成Micro-LED色转换。底部的蓝光Micro-LED激发红色量子点发出红光，激发绿色量子点发出绿光，结合蓝光Micro-LED本身所发出的蓝光，便可实现一个像素单元的发光，最终得到的Micro-LED单个像素单元如图8所示，多个重复的像素单元有序排列，最终得到的Micro-LED阵列如图1所示。
本发明提供的基于Micro-LED自发热原位生成钙钛矿量子点纳米晶的色转换方法，在打印喷头装载的是量子点的前驱体溶液，而不是已经制备好的胶体量子点溶液，这样可以有效避免打印过程中喷头的堵塞。通过将前驱体溶液直接打在Micro-LED阵列上的不良溶剂中进行振荡反应，原位生成钙钛矿量子点溶液，可以很好的减少制备工序。Micro-LED工作温度范围在-100~120℃，且反应速度快，寿命长，能够很好的满足钙钛矿量子点溶液蒸发结晶的要求。利用Micro-LED自发热可以原位生成钙钛矿量子点纳米晶，直接覆盖在Micro-LED阵列上，晶体厚度可控，避免了利用高温环境烘干溶液时对于器件性能的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，采用过饱和结晶法生长钙钛矿量子点，通过喷墨打印的方式将钙钛矿量子点前驱体溶液直接打在Micro-LED阵列上的不良溶剂中进行振荡反应，原位生成钙钛矿量子点溶液；利用Micro-LED自发热使得钙钛矿量子点原位结晶，直接覆盖在由黑矩阵隔开的蓝光Micro-LED阵列上；通过蓝光Micro-LED激发红绿钙钛矿量子点纳米晶发出红光和绿光，结合蓝光Micro-LED本身所发出的蓝光，实现一个像素单元的发光，多个重复的像素单元有序排列，即实现Micro-LED的色转换。
2.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，所述钙钛矿量子点为全无机卤族元素钙钛矿量子点CsPbX3(X=Cl, Br, I)。
3.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，采用过饱和结晶法生长钙钛矿量子点的过程为，在室温下进行操作，将Cs+、Pb2 +和X−离子从可溶性溶剂转移到不溶性溶剂，经匀速搅拌后得到量子点晶体。
4.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，所述黑矩阵为不透光的有机树脂层，其厚度高于所需的量子点纳米晶厚度，以有效的避免光学串扰。
5.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，所采用的单个Micro-LED尺寸在1~500μm之间，每个Micro-LED之间的黑矩阵宽度在5~30μm之间。
6.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，所生长的量子点纳米晶的厚度、密度以及吸收系数与量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率成正比关系：A(λ) = α(λ)ρl，其中A(λ)为量子点纳米晶对底部蓝光的吸收率，α(λ)为量子点纳米晶的吸收系数，ρ为量子点纳米晶的密度，l为量子点纳米晶的厚度。
7.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，包括以下步骤：
步骤S1：选择单色Micro-LED阵列；
步骤S2：将全无机卤化物溶于前驱体溶剂中，并按设定比例加入表面活性剂油胺油酸，剧烈搅拌完全溶解后得到前驱体溶液；
步骤S3：在每一个像素单元内的前两个Micro-LED上注入甲苯，用喷墨打印的方式通过双喷头将不同的前驱体溶液以设定的速度压入甲苯中；
步骤S4：对Micro-LED阵列进行超声震荡，使得红色和绿色量子点生长完全；
步骤S5：通过Micro-LED自发热使得甲苯溶液蒸发，生成钙钛矿量子点纳米晶，之后用胶封材料封起来，得到多个重复的像素单元有序排列，即可完成Micro-LED色转换。
8.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，步骤S1中，所述单色Micro-LED阵列的光源为蓝光。
9.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，步骤S2中，所述全无机卤化物为PbBr2和CsBr的混合粉末，所述前驱体溶剂为二甲基甲酰胺（DMF），G-丁内酯（GBL），二甲基亚砜（DMSO）或N,N-二甲基乙酰胺（DMA）中的一种。
10.根据权利要求1所述的基于Micro-LED自发热原位结晶钙钛矿量子点的色转换方法，其特征在于，步骤S3中，所述喷墨打印的双喷头分别装载红色量子点和绿色量子点的前驱体溶液，两喷头液滴的速度可以进行控制。
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