CN114761833A - 发光装置、用于显示装置的背光单元以及显示装置 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及发光装置(100)，该发光装置(100)包括：介电层(110)，该介电层(110)中嵌入有多个第一量子点(112)，其中该多个第一量子点(112)被配置成发射第一颜色的光；以及超材料结构(120)，该超材料结构(120)嵌入在介电层(110)中，其中该超材料结构(120)被配置成将由多个第一量子点释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。
Description
技术领域
本公开内容的实施方式涉及发光装置、具有该发光装置的背光单元、以及具有该发光装置和/或背光单元的显示装置。本公开内容的实施方式特别地涉及在提供背光方面采用量子点技术的QLED显示面板。
背景技术
显示装置例如液晶显示器(LCD)通常用于诸如计算机和电视监视器、移动电话显示器、个人数字助理(PDA)以及越来越多的其他装置的应用。液晶显示器是与一对偏光器结合地使用液晶的光调制特性的平板显示器。由于液晶不发射光，因此使用背光单元来生成彩色图像。
对较大显示器的需求产生了对可以提供优异的图像质量同时显示器的能耗适度地低的新显示器结构的需求。特别地，为了提供优异的图像质量，液晶显示器的背光单元应当能够产生具有高亮度和相对低能耗的白光。
鉴于以上，克服本领域中的至少一些问题的新发光装置、具有该发光装置的背光单元、以及具有该发光装置和/或背光单元的显示装置是有益的。
发明内容
鉴于以上，提供了一种发光装置、具有该发光装置的背光单元、以及具有该发光装置和/或背光单元的显示装置。
本公开内容的目的是增加发光装置的亮度。本公开内容的另一目的是使发光装置，特别是显示装置的背光单元，的能耗最小化或降低。
通过权利要求书、说明书和附图，本公开内容的其他方面、益处和特征是明显的。
通过独立权利要求的特征来解决所述目的。在从属权利要求中给出了优选实施方式。
根据本公开内容的独立方面，提供了一种发光装置。该发光装置包括：介电层，该介电层中嵌入有多个第一量子点，其中该多个第一量子点被配置成发射第一颜色的光；以及超材料结构，该超材料结构嵌入在介电层中，其中该超材料结构被配置成将由多个第一量子点释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。然后表面等离子体被转换为第一颜色的光。换句话说，绿色光子被“加密”为表面等离子体。
根据本公开内容的另一独立方面，提供了一种背光单元，该背光单元特别地用于显示装置例如LCD装置。该背光单元包括：根据本公开内容的实施方式的发光装置；以及光源，该光源被配置成发射第三颜色的光。
根据本公开内容的另一独立方面，提供了一种显示装置，特别地是LCD装置。该显示装置包括：显示面板，该显示面板被配置成显示图像；以及根据本公开内容的实施方式的发光装置和/或背光单元。
根据本公开内容的另一独立方面，提供了一种制造发光装置的方法。该方法包括：形成介电层，该介电层中嵌入有多个第一量子点，其中该多个第一量子点被配置成发射第一颜色的光；以及将超材料结构嵌入介电层中，其中该超材料结构被配置成将由多个第一量子点释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。
实施方式还针对用于执行所公开方法的装置/设备，并且包括用于执行每个所描述方法方面的装置/设备。这些方法方面可以通过硬件部件的方式来执行、通过由适当软件编程的计算机的方式来执行、通过硬件部件和计算机的任意组合或以任意其他方式来执行。
附图说明
为了可以详细地理解本公开内容的上述列举的特征，可以通过参照实施方式来得到对以上简要概述的本公开内容的更具体描述。附图涉及本公开内容的实施方式并且描述如下：
图1示出了根据本文描述的实施方式的发光装置的示意图；
图2示出了根据本文描述的实施方式的颜色转换；
图3示出了根据本文描述的实施方式的超材料(metamaterial)结构的示意性顶视图；
图4示出了根据本文描述的实施方式的超材料结构的示意性透视图；
图5示出了根据本文描述的实施方式的具有多个晶胞(unit cell)的超材料结构的示意性透视图；
图6示出了根据本文描述的实施方式的显示装置的示意图；以及
图7示出了根据本文描述的实施方式的制造发光装置的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照本公开内容的各种实施方式，附图中示出了各种实施方式的一个或更多个示例。在对附图的以下描述中，相同的附图标记指代相同的部件。通常，仅描述关于各个实施方式的差异。每个示例是作为本公开内容的说明而提供的，并不意图对本公开内容进行限制。此外，被示出或者描述为一个实施方式的部分的特征可以用于其他实施方式或者与其他实施方式结合使用，以进而产生另一实施方式。该描述旨在包括这些修改和变型。
平板显示器可以包括液晶(LC)单元和背光单元。背光单元生成具有合适的颜色坐标并且被引导至液晶单元的均匀白光。获得白光的一种选项是在蓝色LED芯片的顶部上布置黄色磷光体层。在该结构中，蓝光中的一些转化为黄光，黄光是红光与绿光的叠加。由黄色磷光体层发射出的黄光与原来的蓝光的结合产生白光。
获得白光的另一种选项是使用量子点或量子阱(quantum well)。例如，发射绿光的量子点和发射红光的量子点可以替代黄色磷光体作为颜色转换材料。将量子点(或具有量子点的纳米颗粒)均匀地混合到聚合物基质中。因此，组合物内部量子点的分布是任意的。
由于红色量子点对发射出的绿光的重吸收，聚合物基质中这样的量子点可能具有低量子效率。由于红色量子点的吸收光谱包括可见光谱中的绿色区域，因此由绿色量子点发射出的光被红色量子点重吸收并且作为红光重新发射，从而降低了发光效率和所产生的白光中的绿色分量，并且因此减小了色域。
本公开内容的实施方式可以通过将超材料结构嵌入介电层中来克服以上缺陷，其中，超材料结构被配置成将对应于特定颜色例如绿色的能量转换为表面等离子体。由此，例如绿色区域中的大量光子被转换为表面等离子体，从而减少甚至避免了由红色量子点进行的重吸收。换句话说，本公开内容的实施方式将绿光子“加密”为表面等离子体，以避免暴露于红色量子点。这增加了发光效率。此外，可以使发光装置的能耗最小化或降低。
图1示出了根据本文描述的实施方式的发光装置100的示意图。该发光装置100可以被包括在显示装置例如LCD装置的背光单元中。
发光装置100包括：介电层110，该介电层110具有嵌入其中的多个第一量子点112，其中，多个第一量子点112被配置成发射第一颜色的光；以及超材料结构120，该超材料结构120嵌入介电层110中，其中，超材料结构120被配置成经由共振路径R将由多个第一量子点释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。然后表面等离子体被转换为第一颜色的光，例如绿光，然后该第一颜色的光由发光装置100发出。
介电层110也可以称为“颜色转换层”或“颜色转换膜”。
因此，由第一量子点发射出的第一颜色的光子(例如绿光子)被“加密”为超材料结构上的表面等离子体，以防止其被其他量子点重吸收。例如，具有渔网几何形状的双曲超材料结构可以充当用于表面等离子体激发的主体(host)，该主体与从第一量子点发射出的能量/光子耦合。
更详细地，电子和空穴可以彼此结合，并以光、热或表面等离子体的形式释放能量。从介电层110的第一量子点112中电子与空穴的结合释放的能量耦合至表面等离子体模式。换句话说，从第一量子点112中载流子的结合释放的能量被转换为表面等离子体，并且(同时)表面等离子体的能量被转换为第一颜色的光。
由于表面等离子体具有高能态密度，因此相比于载流子以热的形式释放能量，表面等离子体以更快的速率与第一量子点112耦合。因此，表面等离子体的耦合机制使得载流子能够经由快速路径以光的形式释放能量。可以减少以热的形式释放的能量，并且可以提高发光装置的发光效率。
根据可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，介电层110包括聚合物材料。超材料结构120和多个第一量子点112可以嵌入聚合物材料内部。因此，超材料结构可以被安置为更靠近其上布置有发光装置的光源，从而进一步提高发光装置100的发光效率。介电层可以是高指数电介质，例如TiO2或SiN。
在一些实现方式中，第一颜色为绿色。特别地，第一量子点112可以是被配置成发射绿光的量子点，即，绿色量子点。第一颜色可以对应于约480nm至约600nm的波长范围，或处于约480nm至约600nm的波长范围中。绿色波长很可能被红色量子点重吸收。因此，由于可以通过转换为表面等离子体来防止对发射出的绿色光子的重吸收，所以可以提高发光装置100的发光效率。
根据一些实施方式，介电层110具有嵌入其中的多个第二量子点114。多个第二量子点114被配置成发射与第一颜色不同的第二颜色的光。在一些实现方式中，第二颜色为红色。
超材料结构120可以被配置成使得第二颜色的光或能量不被转换为表面等离子体。特别地，超材料结构120可以被配置成使得多个第二量子点114的红色波长不表现出表面等离子体共振。因此，可以改善发光装置100的色域。
根据可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，多个第一量子点112(例如，绿色量子点)和/或多个第二量子点114(例如，红色量子点)可以具有小于100nm的尺寸，具体地小于50nm，并且更具体地小于10nm。
此外，多个第一量子点112(例如，绿色量子点)和/或多个第二量子点114(例如，红色量子点)可以表现出半导体特性。因此，多个第一量子点112和/或多个第二量子点114特别适合于在显示装置的背光单元中使用。
图2示出了根据本文描述的实施方式的使用发光装置进行的颜色转换。
发光装置具有多个第一量子点112和多个第二量子点114。第一量子点112可以是绿色量子点，第二量子点114可以是红色量子点。尽管图2的示例示出了单独的量子点，但是应当理解，“较大”块的量子点材料，例如纳米晶体，可以被分散并嵌入介电层110中。较大块的量子点材料中的每一块可以具有多个量子点。
背光单元(未示出)可以提供背景光A。例如，背光单元可以具有蓝色LED。换句话说，背景光A可以是蓝光。第一量子点112将蓝色背景光A的至少一部分转换为超材料结构120处的表面等离子体。特别地，从第一量子点112中载流子的结合释放的能量被转换为表面等离子体，并且同时表面等离子体的能量被转换为绿光B。可以通过转换为表面等离子体来防止对发射出的绿色光子的重吸收。
此外，第二量子点114将蓝色背景光A的至少一部分转换为红光C。穿透发光装置而没有转换的蓝光A、通过第一量子点112和转换为表面等离子体而提供的绿光B、以及由第二量子点114发射出的红光C被叠加并且形成白光。白光可以用作为用于LCD面板的背光。
图3示出了根据本文描述的实施方式的超材料结构的晶胞UC的示意性顶视图。图4示出了根据本文描述的实施方式的超材料结构的晶胞UC的示意性透视图。图5示出了根据本文描述的实施方式的具有多个晶胞UC的超材料结构的示意性透视图。
贯穿本申请所使用的术语“超材料结构”涉及在自然界中找不到的人造结构。超材料由允许定制介电常数ε和磁导率μ的周期性金属和/或介电成分组成。由此，可以提供负折射、完美透镜和电磁感应透明(electromagnetically induced transparency)。
超材料在与介电材料结合时允许表面等离子体的传播。表面等离子体是金属/电介质界面处电子的集体振荡。这些振荡形成波状行为，并且该光学部件的波长小于光子的波长。因此，光可以比其在普通材料上传播得更快。除了更高的传播速度，表面等离子体由于其较高的动量而携带比光子更高的能量，并且其受耗散介质的影响较小。因此，表面等离子体-光子耦合可以提高背光单元的发光效率。
根据可以与本文公开的其他实施方式结合的一些实施方式，超材料结构具有多层结构。换句话说，超材料结构可以具有堆叠在彼此的顶部上的多个层。在一些实现方式中，多层结构的每个层可以被配置为相应的光栅(grating)。
贯穿本公开内容所使用的术语“光栅”指材料的基本平行的线或条，如图3至图5所示。两个相邻层的线或条可以基本彼此垂直。
术语“基本平行”涉及例如光栅的线或条的基本平行的取向，其中，与准确的平行取向的几度偏差，例如达到1°甚至达到5°，仍被视为“基本平行”。同样，术语“基本垂直”涉及例如不同层的光栅的线或条的基本垂直的取向，其中，与准确的垂直取向的几度偏差，例如达到1°甚至达到5°，仍被视为“基本垂直”。
根据可以与本文公开的其他实施方式结合的一些实施方式，光栅的间距在多层结构的每一层内变化。换句话说，每一层内的间距是不均匀的。例如，间距可以沿第一方向变得更宽，即，间距可以沿与第一方向相反的第二方向变得更小。
在一些实现方式中，超材料结构是双曲超材料结构，例如渔网双曲超材料结构。
在一些实施方式中，超材料结构的多层结构提供被配置成将第一颜色的波长或能量范围转换为表面等离子体的不同共振路径。可以通过各个光栅的不均匀间距提供不同的共振路径。特别地，可以通过调整光栅的间距来调整超材料结构的多层结构的共振特性。
第一量子点112可以紧邻超材料结构，并且其发射波长可以接近于超材料结构的等离子体共振。因此，第一量子点112通过等离子体振荡的直接近场激发(direct near-field excitation)来释放它们的能量。因此，主体结构(即超材料结构)具有不同的部分，其中每个部分激发一个特定波长的表面等离子体，该特定波长例如在480nm与600nm之间(绿色)。
超材料结构是周期性结构，其中，相同的部分称为晶胞。图3和图4示出了一个单个晶胞，图5示出了具有多个晶胞UC的超材料结构。
晶胞UC的尺寸可以接近于表面等离子体的波矢量，该波矢量在纳米范围。每个晶胞UC具有被配置成覆盖特定的一个或更多个波长的几何形状。特别地，晶胞UC的几何形状可以被配置成将共振波长限制于480nm与600nm之间的范围。
在本公开内容的实施方式中，超材料结构被置于聚合物膜内部，远离背光单元的LED，并且由具有适合于该期望波长范围的不同尺寸的金属光栅提供晶胞UC。晶胞UC中的由多层结构的光栅限定的孔H不相同。孔可以具有均匀减小的尺寸(参见图3)。
超材料结构，并且特别地光栅，可以由金属材料例如金或银制成。这些材料在等离子体行为方面特别有益。介电层可以是高指数电介质，例如TiO2或SiN。
参照图4，入射的蓝色光子A被绿色量子点或红色量子点吸收，或者在没有转换的情况下通过聚合物膜传播。光栅的形状被结构化成使得蓝色光子和红色光子不受影响。如果蓝色光子被绿色量子点112吸收并且被发射出，则蓝色光子可以被红色量子点114重吸收，或者可以激发超材料结构上的表面等离子体并且将能量转移至该表面等离子体，如图4所示。效率与量子点浓度以及超材料层的数目成正比。
图6示出了根据本文描述的实施方式的显示装置600的示意图。显示装置可以是LCD装置。
显示装置600包括显示面板620，其可以是液晶面板。显示装置600还包括光源610，该光源610被配置成发射第三颜色(例如蓝色)的光。在一些实施方式中，光源610可以包括一个或更多个LED，例如蓝色LED。
本公开内容的发光装置110可以布置在显示面板620与光源610之间，以将光源610发射出的光转换为用于显示面板620的白光。特别地，发光装置110可以将光源610发射出的蓝光转换为白光。
图7示出了根据本公开内容的实施方式的制造发光装置的方法700的流程图。
方法700包括：在块710中，形成介电层，该介电层具有嵌入其中的多个第一量子点，其中，多个第一量子点被配置成发射第一颜色的光；以及在块720中，将超材料结构嵌入介电层中，其中，超材料结构被配置成将由多个第一量子点释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。
根据本公开内容的实施方式，超材料结构被嵌入介电层中，其中，超材料结构被配置成将由特定颜色例如绿色的量子点释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。由此，例如绿色区域中的大量光子被转换为表面等离子体，从而减少甚至避免了由红色量子点进行的重吸收。换句话说，本公开内容的实施方式将绿光子“加密”为表面等离子体，以避免暴露于红色量子点。这增加了发光效率。此外，可以使发光装置的能耗最小化或降低。
尽管前述内容针对本公开内容的实施方式，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可以设计本公开内容的其他和另外的实施方式，并且本公开内容的范围由所附权利要求确定。
Claims (15)
1.一种发光装置(100)，包括：
介电层(110)，所述介电层(110)中嵌入有多个第一量子点(112)，其中，所述多个第一量子点(112)被配置成发射第一颜色的光；以及
超材料结构(120)，所述超材料结构(120)嵌入在所述介电层(110)中，其中，所述超材料结构(120)被配置成将由所述多个第一量子点(112)释放的能量的至少一部分转换为表面等离子体。
2.根据权利要求1所述的发光装置(100)，其中，所述第一颜色为绿色，所述第一颜色特别地在约480nm至约600nm的波长范围内。
3.根据权利要求1或2所述的发光装置(100)，其中，所述介电层(110)中嵌入有多个第二量子点(114)，其中，所述多个第二量子点(114)被配置成发射与所述第一颜色不同的第二颜色的光。
4.根据权利要求3所述的发光装置(100)，其中，所述超材料结构(120)被配置成使得所述第二颜色的光不被转换为表面等离子体。
5.根据权利要求3或4所述的发光装置(100)，其中，所述第二颜色为红色。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的发光装置(100)，其中，所述超材料结构(120)具有多层结构。
7.根据权利要求6所述的发光装置(100)，其中，所述多层结构提供不同共振路径，所述不同共振路径被配置成将所述第一颜色的一个波长范围转换为表面等离子体。
8.根据权利要求6或7所述的发光装置(100)，其中，所述多层结构的每个层被配置为相应的光栅。
9.根据权利要求8所述的发光装置(100)，其中，所述光栅的间距在所述多层结构的每个层内变化。
10.根据权利要求8或9所述的发光装置(100)，其中，所述多层结构的相邻层的光栅被定向成彼此基本垂直。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的发光装置(100)，其中，所述超材料结构(120)是双曲超材料结构，特别地是渔网双曲超材料结构。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的发光装置(100)，其中，所述超材料结构(120)包括金属材料或由所述金属材料制成，所述金属材料特别地是金和/或银。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的发光装置(100)，其中，所述介电层(110)包括聚合物材料，特别地包括TiO2和/或SiN。
14.一种背光单元，特别地用于显示装置的背光单元，包括：
根据权利要求1至13中任一项所述的发光装置(100)；以及
光源，所述光源被配置(610)成发射第三颜色的光。
15.一种显示装置(600)，包括：
显示面板(620)，所述显示面板(620)被配置成显示图像；以及
根据权利要求1至13中任一项所述的发光装置(100)和/或根据权利要求14所述的背光单元(100，610)。
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