CN118042859A - 基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米阻隔法实现Micro‑QLED彩色投影光学引擎及制备方法，光学引擎包括量子点发光层，所述量子点发光层被配置为将红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点设置在同一平面上形成红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜，且红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜被纳米阻隔层平均分隔成三个独立显示区域，各个独立显示区域的量子点数量相同。本发明在量子点发光层利用纳米阻隔层的设计可以降低不同颜色像素之间的色彩串扰，同时增加像素从单面发射的亮度以及分辨率，最终得到高色纯度的图像。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎及制备方法。
背景技术
Micro-LED技术相对于当前主流显示技术具有明显的优势。首先，它提供了较高的亮度和对比度，使得图像在各种环境下都能保持清晰、生动。其次，Micro-LED具有更广的色域和更高的色彩准确度，可以呈现出更真实和丰富的色彩。此外，Micro-LED还具有更快的响应时间，消除了运动模糊，特别适合于高速视频和游戏。最重要的是，Micro-LED显示屏可以实现模块化拼接，适应各种尺寸和形状的显示需求，同时具有更长的寿命和更低的能耗，对于可靠性和环保性能出色。虽然Micro-LED技术在显示行业具有巨大的潜力，将为未来的显示设备带来革命性的改变。但目前的Micro-LED多基于被动发光技术，即Micro-LED像素仅作为色彩转换器使用，它们通过接收背后的光源并转换其波长，从而产生不同颜色的光。这种技术需要背光模组来提供整体的照明，并且可能会降低显示屏的亮度和对比度。而采用量子点发光二极管(QLED)取代传统LED作为发光单元，可以实现从被动发光到主动发光的转变，基于Micro-QLED的主动发光技术可以在不需要背光模组的情况下独立发光，因此通常具有更高的亮度和对比度，器件的发光效率也更高。
在量子点主动式发光单元的布置方面，目前主流的方案是将红/绿/蓝三色光源分别排布在不同的基板上，通过调整三块基板的角度实现光路的整合，但这种方案的制备工艺往往较为复杂且成本较高，不利于Micro-QLED的大规模集成。
发明内容
本发明提供了一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎及制备方法，以解决上述现有技术中的技术问题。
本发明采用的技术方案是：第一方面，提供一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，包括量子点发光层，所述量子点发光层被配置为将红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点设置在同一平面上形成红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜，且红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜被纳米阻隔层平均分隔成三个独立显示区域，各个独立显示区域的量子点数量相同。
进一步的，所述量子点像素薄膜采用三五族化合物半导体、二六族化合物半导体或钙钛矿半导体量子点材料，通过溅射、移印或旋涂沉积后经退火处理，由光刻、打印、丝网印刷工艺得到。
进一步的，所述量子点像素薄膜的转换波长为450～780nm之间，半峰宽≤40nm，且膜厚≤100nm。
进一步的，所述独立显示区域的宽度为10-200nm。
进一步的，所述纳米阻隔层是由单层或多层ZnO、TiO2、SnO2或Si纳米颗粒组成，颗粒大小为1-10nm。
进一步的，所述纳米阻隔层的制备方法包括：将ZnO、TiO2、SnO2或Si纳米颗粒与极性溶剂混合形成分散液，采用纳米压印法、喷墨或电镀方法制备，实现单层或多层膜覆盖，膜厚度10-50nm，满足单层覆盖度大于90％。
第二方面，提供一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，包括：光路准直系统、投影成像镜头以及依次层叠设置的TFT驱动电路基板、金属电极、电子传输层、量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层、透明电极；所述电子传输层上还设置有纳米阻隔层；所述量子点发光层被配置为将红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点设置在同一平面上形成红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜，且红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜被纳米阻隔层平均分隔成三个独立显示区域，各个独立显示区域的量子点数量相同。
进一步的，所述光路准直系统包括：左全反膜、右全反膜、透蓝红反绿膜和透蓝绿反红膜；
经过红光量子点像素薄膜的光线依次经过左全反膜和透蓝绿反红膜后进入投影成像镜头；
经过绿光量子点像素薄膜的光线依次经过右全反膜和透蓝红反绿膜后进入投影成像镜头；
经过蓝光量子点像素薄膜的光线经过透蓝红反绿膜和透蓝绿反红膜后进入投影成像镜头。
第三方面，提供一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎的制备方法，包括：
将金属靶材蒸镀于TFT驱动电路基板上形成金属电极；
在金属电极上制备电子传输层；
在电子传输层上制备纳米阻隔层，所述纳米阻隔层将电子传输层上方平均分隔成三个独立显示区域；
在三个独立显示区域分别制备红光量子点发光层、蓝光量子点发光层、绿光量子点发光层，各个独立显示区域的量子点数量相同；
在量子点发光层上制备空穴传输层；
在空穴传输层上制备空穴注入层；
将金纳米颗粒旋涂或打印至空穴注入层上，形成透明电极。
进一步的，所述制备纳米阻隔层的方法包括：
将ZnO、TiO2、SnO2、Si或MgO颗粒配制成10～50mg/mL的分散液，采用喷墨打印法、电镀法或纳米压印法将分散液设置于电子传输层上，烘干温度100-200度，形成纳米阻隔层。
本发明的有益效果是：针对投影光学引擎的光利用效率低的问题，本发明采用采用主动式发光的量子点发光二极管器件(Micro-QLED)替代Micro-LED，达到提高发光效率，提高色纯度以及降低成本的目的，本发明的二极管开启电压为2-4V，发光颜色为红、绿、蓝；发光亮度大于2000cd/m2。同时，在量子点发光层利用纳米阻隔层的设计可以降低不同颜色像素之间的色彩串扰，同时增加像素从单面发射的亮度以及分辨率，最终得到高色纯度的图像。
附图说明
图1为本发明公开的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎的结构示意图；
图2为本发明公开的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎制备方法的方法流程图；
图3为本发明对比例中红、绿、蓝三色量子点像素薄膜的电致发光光谱；
图4为本发明实施例1中红、绿、蓝三色量子点像素薄膜的电致发光光谱。
附图标记：1-TFT驱动电路基板，2-金属电极，3-电子传输层，4-量子点发光层，41-红光量子点发光层，42-蓝光量子点发光层，43-绿光量子点发光层，5-纳米阻隔层，6-空穴传输层，7-空穴注入层，8-透明电极，9-光路准直系统，91-左全反膜，92-右全反膜，93-透蓝红反绿膜，94-透蓝绿反红膜，10-投影成像镜头。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1，本申请公开一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，包括：R/G/B三色Micro-QLED发光单元、光路准直系统9以及投影成像镜头10。
具体的，所述Micro-QLED发光单元通过在TFT驱动电路基板1上依次形成金属电极2、电子传输层3，量子点发光层4，纳米阻隔层5，空穴传输层6，空穴注入层7和透明电极8而制备得到。该基于量子点发光二极管的发光单元在一定电压驱动下，电子和空穴在量子点发光层4内产生复合后发光，利用主动式发光方式，提高器件的性能。R/G/B三色Micro-QLED图像源被安置在同一平面上，通过纳米阻隔层5将发光层分隔成三个独立显示区域，各个独立区域具有相同数量及排布间距的三色量子点(QDs)像素点，分别用于显示R/G/B三色的图像源，发出的R/G/B三色光经过光路准直系统9聚焦后进入投影成像镜头10中，从而得到高亮度、高色纯度的图像并投影至屏幕上。
具体的，所述量子点发光层4被配置为将红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点设置在同一平面上形成红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜，且红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜被纳米阻隔层5平均分隔成三个独立显示区域，各个独立显示区域的量子点数量相同。
具体的，量子点发光层4中各独立显示区域的发光颜色不相同，即在每个独立区域制备发出某个颜色的Micro-QLED像素阵列；采用不同色彩的量子点作为发光像素，各独立显示区域的量子点相同数量、宽度相同，在TFT驱动电路基板1下，采用主动式发光，直接发出不同颜色的光，且量子点像素薄膜上的像素排布应与TFT驱阵电路排列一一对应。
具体的，量子点发光层4的各个独立显示区域之间的通过纳米阻隔层5间隔开，所述独立显示区域/量子点像素薄膜的宽度为10-200nm。量子点像素薄膜采用三五族化合物半导体、二六族化合物半导体或钙钛矿半导体量子点材料，通过溅射、移印或旋涂沉积后经退火处理，由光刻、打印、丝网印刷工艺得到。所述量子点像素薄膜的转换波长为450～780nm之间，半峰宽≤40nm，且膜厚≤100nm。
具体的，所述纳米阻隔层5是由单层或多层ZnO、TiO2、SnO2或Si纳米颗粒组成，颗粒大小为1-10nm。所述纳米阻隔层5的制备方法包括：将ZnO、TiO2、SnO2或Si纳米颗粒与极性溶剂混合形成分散液，采用纳米压印法、喷墨或电镀方法制备，实现单层或多层膜覆盖，膜厚度10-50nm，满足单层覆盖度大于90％。极性溶剂可选用正丁醇、乙醇、甲醇中的一种。
纳米阻隔层5可以降低不同颜色像素之间的色彩串扰，同时增加像素从单面发射的亮度以及分辨率。
具体的，所述光路准直系统9包括：左全反膜91、右全反膜92、透蓝红反绿膜93和透蓝绿反红膜94；经过红光量子点像素薄膜的光线依次经过左全反膜91和透蓝绿反红膜94后进入投影成像镜头10；经过绿光量子点像素薄膜的光线依次经过右全反膜92和透蓝红反绿膜93后进入投影成像镜头10；经过蓝光量子点像素薄膜的光线经过透蓝红反绿膜93和透蓝绿反红膜94后进入投影成像镜头10。
参见图2，本申请公开一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎的制备方法，该方法包括如下步骤：
S1：在玻璃、硅片或石英基底上制备TFT驱动电路，并在TFT驱动电路上形成致密的金属电极2：即将金属靶材，如金、银、铂、铝蒸镀于TFT驱动电路之上，形成致密的金属电极2。
S2：将ZnO或ZnO:MgO纳米颗粒配制成1-50mg/mL的电子传输层3分散液，并将其旋涂至上述金属电极2之上，设置转速为3000-5000转/分钟,时间30-40秒，烘干温度150-200度，形成电子传输层3。
S3：将ZnO、TiO2、SnO2、Si或MgO颗粒配制成10～50mg/mL的分散液，过浓造成多层量子点膜形成，过稀造成单层覆盖度不满；采用喷墨打印法、电镀法或纳米压印法将其设置于电子传输层3上，烘干温度100-200度，形成纳米阻隔层5。
S4：在纳米阻隔层5上，将红、蓝、绿光量子点分别配制成浓度为50-100mg/mL的分散液，采用纳米压印法、喷墨打印法或电镀法，依次制备红、蓝、绿量子点发光层4，制备完后在氮气环境下烧结10-30分钟，烧结温度100-200度。
S5：将空穴传输层6涂旋于量子点发光层4上，并在氮气环境下烧结10-30分钟，烧结温度100-200度。
S6：将空穴注入层7材料涂旋于空穴传输层6上，并在氮气环境下烧结10-30分钟，烧结温度100-200度。
S7：制备透明电极8：在质量分数为0.01-1％的高氯酸金水溶液中加入质量分数为0.1-1％的柠檬酸钠，加热至沸腾，反应时间为1-10分钟，生成金纳米颗粒；将金纳米颗粒旋涂或打印至空穴注入层7上，烘干温度80-150度，时间10-30分钟。
以下是具体实施例，
下面实施例中空穴注入层，空穴传输层，蓝光/绿光/红光量子点，电子传输层与现有结构的材料一致，此处分别采用PEDOT:PSS、TFB、B-QD/G-QD/R-QD、ZnO。但本发明方案不限于这些材料，现有结构可采用的其他材料也能达到类似的性能。此处不一一列举和赘述。以下实施例中，空穴注入层厚10nm，空穴传输层厚30nm，电子传输层厚50nm，量子点发光层厚30nm。
实施例1：
(1)将铝金属靶材蒸镀于TFT驱动电路基板1之上，膜厚100nm，得到金属电极2。
(2)在金属电极2上制备电子传输层3：将ZnO颗粒配制成1mg/mL的电子传输层溶液，并将其旋涂至上述金属电极2之上，设置转速为3000转/分钟,时间30秒，烘干温度150度；
(3)在电子传输层3上采用喷墨打印法制备纳米阻隔层5：将SnO2颗粒配制成10mg/mL的溶液，过浓造成多层量子点膜形成，过稀造成单层覆盖度不满；烘干温度100度；
(4)在纳米阻隔层5上，将红、蓝、绿光量子点分别配制成浓度为50mg/mL的溶液，采用纳米压印法依次制备红、蓝、绿量子点发光层，制备完后在氮气环境下烧结10分钟，烧结温度100度；
(5)将空穴传输层6涂旋于量子点发光层4上，并在氮气环境下烧结10分钟，烧结温度100度；
(6)将空穴注入层材料涂旋于空穴传输层6上，并在氮气环境下烧结10分钟，烧结温度100度，形成空穴注入层7；
(7)制备透明电极8：在高氯酸金HAuCl4(质量分数0.01％)的水溶液中加入柠檬酸钠(质量分数0.1％)，加热至沸腾，反应时间1分钟，生成金纳米颗粒；将金纳米颗粒旋涂或打印至空穴注入层7上，烘干温度80度，时间10分钟。
在该实施例中，所述纳米阻隔层5由纳米ZnO颗粒组成，颗粒大小为1nm，其分布于不同颜色的发光层之间，可以降低不同颜色像素之间的色彩串扰，同时增加像素从单面发射的亮度以及分辨率。
实施例2：
(1)将铝金属靶材蒸镀于TFT驱动电路基板1之上，膜厚200nm，得到金属电极2。
(2)在金属电极2上制备电子传输层3：将ZnO:MgO颗粒配制成50mg/mL的电子传输层溶液，并将其旋涂至上述金属电极2之上，设置转速为5000转/分钟,时间40秒，烘干温度200度；
(3)在电子传输层3上采用喷墨打印法制备纳米阻隔层5：将TiO2颗粒配制成50mg/mL的溶液，过浓造成多层量子点膜形成，过稀造成单层覆盖度不满；烘干温度200度；
(4)在纳米阻隔层5上，将红、蓝、绿光量子点分别配制成浓度为100mg/mL的溶液，采用纳米压印法依次制备红、蓝、绿量子点发光层，制备完后在氮气环境下烧结30分钟，烧结温度200度；
(5)将空穴传输层6涂旋于量子点发光层4上，并在氮气环境下烧结30分钟，烧结温度200度；
(6)将空穴注入层材料涂旋于空穴传输层6上，并在氮气环境下烧结30分钟，烧结温度200度；
(7)制备透明电极8：在高氯酸金HAuCl4(质量分数1％)的水溶液中加入柠檬酸钠(质量分数1％)，加热至沸腾，反应时间10分钟，生成金纳米颗粒；将金纳米颗粒旋涂或打印至空穴注入层7上，烘干温度150度，时间30分钟。
在该实施例中，所述纳米阻隔层5由纳米ZnO颗粒组成，颗粒大小为10nm，其分布于不同颜色的发光层之间，可以降低不同颜色像素之间的色彩串扰，同时增加像素从单面发射的亮度以及分辨率。
对比例：
为了证明纳米阻隔层的有益效果，制备了对比例，所述对比例与实施例1的区别在于：在所述电子传输层3上直接制备量子点发光层4，不设置纳米阻隔层5，其他制备工艺均保持不变。
对对比例和实施例1中的红、绿、蓝三色量子点像素薄膜进行了电致光谱测量，分别描绘出二者的EL光谱图。可以看到，未采用纳米阻隔法的红、绿、蓝三色量子点像素薄膜的光谱具有更宽的半峰全宽(FWHM)，且三色曲线重叠区域面积较大(附图3)，这是由于不同颜色的像素直接产生了串扰，导致所发光的纯度较差；相比之下，采用纳米阻隔层后红、绿、蓝三色量子点像素薄膜的电致发光光谱明显具有更窄的半峰全宽(附图4)，说明纳米阻隔层的引入可以很好的降低不同颜色像素之间的色彩串扰，大幅提升所发出光的色纯度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，包括量子点发光层，所述量子点发光层被配置为将红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点设置在同一平面上形成红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜，且红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜被纳米阻隔层平均分隔成三个独立显示区域，各个独立显示区域的量子点数量相同。
2.根据权利要求1所述的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，所述量子点像素薄膜采用三五族化合物半导体、二六族化合物半导体或钙钛矿半导体量子点材料，通过溅射、移印或旋涂沉积后经退火处理，由光刻、打印、丝网印刷工艺得到。
3.根据权利要求2所述的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，所述量子点像素薄膜的转换波长为450～780nm之间，半峰宽≤40nm，且膜厚≤100nm。
4.根据权利要求1所述的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，所述独立显示区域的宽度为10-200nm。
5.根据权利要求1所述的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，所述纳米阻隔层是由单层或多层ZnO、TiO2、SnO2或Si纳米颗粒组成，颗粒大小为1-10nm。
6.根据权利要求5所述的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，所述纳米阻隔层的制备方法包括：将ZnO、TiO2、SnO2或Si纳米颗粒与极性溶剂混合形成分散液，采用纳米压印法、喷墨或电镀方法制备，实现单层或多层膜覆盖，膜厚度10-50nm，满足单层覆盖度大于90％。
7.一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，包括：光路准直系统、投影成像镜头以及依次层叠设置的TFT驱动电路基板、金属电极、电子传输层、量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层、透明电极；所述电子传输层上还设置有纳米阻隔层；所述量子点发光层被配置为将红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点设置在同一平面上形成红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜，且红光量子点像素薄膜、蓝光量子点像素薄膜、绿光量子点像素薄膜被纳米阻隔层平均分隔成三个独立显示区域，各个独立显示区域的量子点数量相同。
8.根据权利要求7所述的纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎，其特征在于，所述光路准直系统包括：左全反膜、右全反膜、透蓝红反绿膜和透蓝绿反红膜；
经过红光量子点像素薄膜的光线依次经过左全反膜和透蓝绿反红膜后进入投影成像镜头；
经过绿光量子点像素薄膜的光线依次经过右全反膜和透蓝红反绿膜后进入投影成像镜头；
经过蓝光量子点像素薄膜的光线经过透蓝红反绿膜和透蓝绿反红膜后进入投影成像镜头。
9.一种基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎的制备方法，其特征在于，包括：
将金属靶材蒸镀于TFT驱动电路基板上形成金属电极；
在金属电极上制备电子传输层；
在电子传输层上制备纳米阻隔层，所述纳米阻隔层将电子传输层上方平均分隔成三个独立显示区域；
在三个独立显示区域分别制备红光量子点发光层、蓝光量子点发光层、绿光量子点发光层，各个独立显示区域的量子点数量相同；
在量子点发光层上制备空穴传输层；
在空穴传输层上制备空穴注入层；
将金纳米颗粒旋涂或打印至空穴注入层上，形成透明电极。
10.根据权利要求9所述的基于纳米阻隔法实现Micro-QLED彩色投影光学引擎的制备方法，其特征在于，所述制备纳米阻隔层的方法包括：
将ZnO、TiO2、SnO2、Si或MgO颗粒配制成10～50mg/mL的分散液，采用喷墨打印法、电镀法或纳米压印法将分散液设置于电子传输层上，烘干温度100-200度，形成纳米阻隔层。
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