TW201624089A - 增益型波長轉換結構、發光膜及背光元件 - Google Patents

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Abstract

一種增益型波長轉換結構，包括第一經交聯的膽固醇液晶層以及分散於該第一經交聯的膽固醇液晶層中之複數第一量子點，當第一光線入射至該增益型波長轉換結構時，該第一量子點被該第一光線激發而發出波長不同於該第一光線之第二光線，且該第二光線於該第一經交聯的膽固醇液晶層中多次反射而提高增益。本揭露復提供一種發光膜及背光元件。

Description

增益型波長轉換結構、發光膜及背光元件
本揭露係關於一種增益型波長轉換結構，尤其是關於一種包含膽固醇液晶及量子點的波長轉換結構。
目前的液晶顯示器(liquid crystal displays,LCDs)的背光模組大多採用YAG螢光粉LED產生白光光源，透過RGB三色彩色濾光片後形成最終的液晶顯示器輸出光譜。濾光片僅能忠實地呈現背光模組的色調。現今背光模組的主要問題在於藍光過強，綠光及紅光光譜分佈過寬，導致色域不夠大，而色彩不平衡更影響視力。
現有技術提出一種液晶顯示器用背光模組結合量子點(quantum dot，QD)的技術，傳統的液晶顯示器，通常包括液晶面板與背光模組，其中背光模組包含有發光源、導光板(LGP)、和反射板(reflector)等元件，而量子點薄板(QD sheet)則配置在LGP上方。一般而言，量子點具有螢光亮度強、光穩定性佳、以及利用單一波長的光源便可以激發出多種不同波長的光波之特性。
利用量子點薄板雖然能使RGB色彩更平衡，然而，當應用於大面積液晶顯示器時，量子點使用量大導致成本過高。一種減少量子點用量的方法，係在量子點薄板中加入散射粒子以補償效率，惟此法會降低膜的透光度。
因此，如何減少量子點用量同時仍維持極高的量子效率，便成為相當重要課題。
本揭露提供一種增益型波長轉換結構，包含：第一經交聯的膽固醇液晶層；以及分散於該第一經交聯的膽固醇液晶層中之複數第一量子點，當第一光線入射至該增益型波長轉換結構時，該第一量子點被該第一光線激發而發出波長不同於該第一光線之第二光線。
於一具體實施例中，該增益型波長轉換結構復包括基材，其中，該第一經交聯的膽固醇液晶層係設置於該基材上。
於另一具體實施例中，該基材為阻障層。
於另一具體實施例中，該增益型波長轉換結構復包括阻障層，其中，該阻障層係設置於該第一經交聯的膽固醇液晶層上，使該第一經交聯的膽固醇液晶層夾置於該基材和阻障層之間。
於該基材為阻障層之具體實施例中，該第一經交聯的膽固醇液晶層係夾置於二阻障層間。
於一具體實施例中，該增益型波長轉換結構復包括分散於該第一經交聯的膽固醇液晶層中之複數第二量子點， 且該第二量子點係不同於該第一量子點。
於另一具體實施例中，該增益型波長轉換結構復包括形成於該第一經交聯的膽固醇液晶層上之第二經交聯的膽固醇液晶層；以及分散於該第二經交聯的膽固醇液晶層中之複數第二量子點，當第一光線入射至該增益型波長轉換結構時，該第二量子點被該第一光線激發而發出波長不同於該第一光線之第三光線。
本揭露復提供一種發光膜，係包括本揭露之增益型波長轉換結構與至少一設置於該增益型波長轉換結構之表面的光學膜。較佳地，該光學膜係稜鏡片結構集光膜、膽固醇液晶反射偏光片、多層結構型反射偏光片或擴散膜。
本揭露再提供一種背光元件，包括：至少一主始發光源，以發射初始光線；與該至少一主始發光源組構且光學耦合之導光板(LGP)，以透過該導光板均勻地傳遞該初始光線；以及設於該導光板之上的本揭露之增益型波長轉換結構。
由上可知，本揭露之增益型波長轉換結構係利用分散於經交聯的膽固醇液晶層中之量子點吸收能量較高的光波後，電子會產生能階躍升，當電子從高能階的狀態降回低能階的狀態時，則會發射出波長較長的激發光，且不同粒徑的量子點發射出不同波長的激發光。另外，經交聯的膽固醇型液晶層係遵守布拉格(Bragg)反射定律，故可透過調整液晶的旋距(pitch)來調整反射光的波段，且經交聯的膽 固醇型液晶還提供了微共振腔(microcavity)的機制，使得量子點激發光和經交聯的膽固醇液晶的微共振腔互相耦合(coupling)，提高同調性以提升激發光密度。再者，量子點在樹脂內為奈米尺度分散，膜透明度高可減少光損耗，因此，本揭露之增益型波長轉換結構可大幅減少量子點用量同時仍維持極高的量子效率。
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11‧‧‧發光膜
20,30,40,50,60,100‧‧‧增益型波長轉換結構
110‧‧‧基材
120‧‧‧第一經交聯的膽固醇液晶層
120a‧‧‧第一量子點
120b‧‧‧第二量子點
140,230‧‧‧阻障層
220‧‧‧第二經交聯的膽固醇液晶層
220a‧‧‧第二量子點
300‧‧‧稜鏡片結構集光膜
400‧‧‧膽固醇液晶反射偏光片
500‧‧‧反射式偏光片
600‧‧‧擴散膜
L1‧‧‧第一光線
L2‧‧‧第二光線
L3‧‧‧第三光線
第1圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之一具體實施例之示意圖；第2圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之另一具體實施例之示意圖；第3圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之又一具體實施例之示意圖；第4圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之又再一具體實施例之示意圖；第5圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之再一具體實施例之示意圖；第6A圖係顯示經交聯的膽固醇液晶之穿透度圖譜；第6B圖係顯示應用CdSe/ZnS量子點於本揭露之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第7A圖係顯示經交聯的膽固醇液晶之穿透度圖譜；第7B圖係顯示應用PbS/ZnS量子點於本揭露之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第8A圖係顯示經交聯的膽固醇液晶之穿透度圖譜； 第8B圖係顯示應用InP/ZnS量子點於本揭露之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第9A圖係顯示經交聯的膽固醇液晶之穿透度圖譜；第9B圖係顯示應用另一CdSe/ZnS量子點於本揭露之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第10圖為實施例5之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第11圖為實施例6之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第12A及12B圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之應用例1至2之示意圖；第13圖為應用例1至2之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第14A、14B及14C圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之應用例3至5之示意圖；第15圖為應用例3至5之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第16A、16B及16C圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之應用例6至8之示意圖；第17圖為應用例6至8之增益型波長轉換結構的PL圖譜；第18A、18B及18C圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之應用例9至11之示意圖；第19圖為應用例9至11之增益型波長轉換結構的PL 圖譜；第20圖為實施例1之增益型波長轉換結構及比較例1之波長轉換結構的PL圖譜；第21圖為實施例2之增益型波長轉換結構及比較例2之波長轉換結構的PL圖譜；第22圖為實施例3之增益型波長轉換結構及比較例3之波長轉換結構的PL圖譜；以及第23圖為實施例4之增益型波長轉換結構及比較例4之波長轉換結構的PL圖譜。
以下係藉由特定的具體實施例配合圖式說明本揭露之實施方式，熟習此專業之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之優點及功效。本揭露亦可藉由其它不同之實施方式加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本揭露所揭示之精神下賦予不同之修飾與變更。
第1圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之一具體實施例之示意圖。參閱第1圖，增益型波長轉換結構20包含第一經交聯的膽固醇液晶層120以及複數第一量子點120a，其中，複數第一量子點120a分散於第一經交聯的膽固醇液晶層120中。
第1圖中之增益型波長轉換結構20設置於光源上或光源的傳輸路徑上，例如，光源所發出之第一光線L1係射入該第一經交聯的膽固醇液晶層120，第一經交聯的膽固 醇液晶層120用以將第一光線L1激發轉換成第二光線L2。當第一光線L1進入增益型波長轉換結構20時，第一量子點120a被第一光線L1激發而發出第二光線L2，第二光線L2於第一經交聯的膽固醇液晶層120中多次反射，其中，第二光線L2的波長係不同於第一光線L1的波長，較佳者，第一光線L1之波長範圍係介於420nm至460nm之間，而第二光線L2之波長範圍係介於520nm至580nm之間。
第2圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之另一具體實施例之示意圖。參閱第2圖，增益型波長轉換結構30為一多層複合結構，其包含基材110、第一經交聯的膽固醇液晶層120以及複數第一量子點120a，其中，第一經交聯的膽固醇液晶層120係形成於基材110上，複數第一量子點120a分散於第一經交聯的膽固醇液晶層120中。
第2圖中之增益型波長轉換結構30設置於光源上或光源的傳輸路徑上，例如，光源所發出之第一光線L1係由基材110方向射入，第一經交聯的膽固醇液晶層120用以將第一光線L1激發轉換成第二光線L2。當第一光線L1進入增益型波長轉換結構30時，第一量子點120a被第一光線L1激發而發出第二光線L2，第二光線L2於第一經交聯的膽固醇液晶層120中多次反射，其中，第二光線L2的波長係不同於第一光線L1的波長，較佳者，第一光線L1之波長範圍係介於420nm至460nm之間，而第二光線L2之波長範圍係介於520nm至580nm之間。
第3圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之另一具 體實施例之示意圖。參閱第3圖，增益型波長轉換結構40進一步包括設於第一經交聯的膽固醇液晶層120下方之基材110，以及位於第一經交聯的膽固醇液晶層120上方之阻障層140。於本實施例中，該基材110為阻障層(barrier layer)，該第一經交聯的膽固醇液晶層120係夾置於二阻障層間，用於保護第一經交聯的膽固醇液晶層120中的第一量子點120a不受外界水氣、氧氣的影響。
第4圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之又一具體實施例之示意圖。參閱第4圖，增益型波長轉換結構50為一多層複合結構，其包含基材110、第一經交聯的膽固醇液晶層120、複數第一量子點120a以及複數第二量子點120b，其中，第一經交聯的膽固醇液晶層120係設於基材110上，複數第一量子點120a及複數第二量子點120b分散於第一經交聯的膽固醇液晶層120中，第一量子點120a不同於第二量子點120b。增益型波長轉換結構50設置於光源上或光源的傳輸路徑上，例如，光源所發出之第一光線L1係由基材110方向射入，第一經交聯的膽固醇液晶層120用以將第一光線L1激發轉換成第二光線L2及第三光線L3。當第一光線L1進入增益型波長轉換結構50時，第一量子點120a以及第二量子點120b被第一光線L1激發而分別發出第二光線L2及第三光線L3，其中，第二光線L2及第三光線L3的波長係不同於第一光線L1的波長。
於本實施例中，增益型波長轉換結構50進一步包括位於第一經交聯的膽固醇液晶層120下方之基材110，以及 位於第一經交聯的膽固醇液晶層120上方之阻障層140。於本實施例中，該基材110為阻障層，該第一經交聯的膽固醇液晶層120係夾置於二阻障層間，用於保護第一經交聯的膽固醇液晶層120中的第一及第二量子點120a、120b不受外界水氣、氧氣的影響。
第5圖係繪示本揭露之增益型波長轉換結構之再一具體實施例之示意圖。參閱第5圖，增益型波長轉換結構60為一多層複合結構，其包含基材110、第一經交聯的膽固醇液晶層120、複數第一量子點120a、第二經交聯的膽固醇液晶層220、複數第二量子點220a、以及阻障層230，其中，第一經交聯的膽固醇液晶層120係設於基材110上，第二經交聯的膽固醇液晶層220係設於第一經交聯的膽固醇液晶層120上，複數第一量子點120a分散於第一經交聯的膽固醇液晶層120中，複數第二量子點220a分散於第二經交聯的膽固醇液晶層220中，基材110係設於第一經交聯的膽固醇液晶層120下方，而阻障層230係設於第二經交聯的膽固醇液晶層220上方。增益型波長轉換結構60設置於光源上，光源所發出之第一光線L1係由基材110方向射入，當第一光線L1進入增益型波長轉換結構60時，分散於第一經交聯的膽固醇液晶層120中之第一量子點120a被第一光線L1激發而發出第二光線L2，且第二光線L2於第一經交聯的膽固醇液晶層120中多次反射，第二光線L2穿射出第一經交聯的膽固醇液晶層120而進入第二經交聯的膽固醇液晶層220，由於第二經交聯的膽固醇液 晶層220之旋距不同於第一經交聯的膽固醇液晶層120之旋矩，故第二光線L2在第二經交聯的膽固醇液晶層220中不會被反射而直接穿射出第二經交聯的膽固醇液晶層220。同時，於第二經交聯的膽固醇液晶層220中之第二量子點220a被第一光線L1激發而發出第三光線L3，第二光線L2的波長係不同於第一光線L1的波長，第三光線L3的波長係不同於第二光線L2的波長，較佳者，第一光線L1之波長範圍係介於420nm至460nm之間，第二光線L2之波長範圍係介於520nm至580nm之間，第三光線L3之波長範圍係介於600nm至680nm之間。
於本揭露之增益型波長轉換結構20、30、40、50及60中，第一及第二經交聯的膽固醇液晶層120、220之材料包括，但不限於，下列式(1)至(4)所示之化合物： 1,4：3,6-雙脫水-D-山梨醇雙[4-[[4-[[[4-[(1-氧基-2-丙烯基)氧]丁氧基]羰基]氧]苯甲醯基]氧]苯甲酸酯](1,4：3,6-Dianhydro-D-glucitol bis[4-[[4-[[[4-[(1-oxo-2-propenyl)oxy]butoxy]carbonyl]oxy]benzoyl]oxy]benzoate]) 4-[[[4-[(1-氧基-2-丙烯基)氧]丁氧基]羰基]氧]苯甲酸2-甲基-1,4-伸苯基酯(4-[[[4-[(1-Oxo-2-propenyl)oxy]butoxy]carbonyl]oxy]benzoic acid 2-methyl-1,4-phenylene ester) 雙(4-(((4-(丙烯醯氧基)丁氧基)羰基)氧)苯甲酸2-甲基-1,4-伸苯基酯(2-methyl-1,4-phenylene bis(4-(((4-(acryloyloxy)butoxy)carbonyl)oxy)benzoate) 雙(6-((6-(丙烯醯氧基)己醯基)氧)-2-萘甲酸2-(甲氧基羰基)-1,4-伸苯基酯 (2-(methoxycarbonyl)-1,4-phenylene bis(6-((6-(acryloyloxy)hexanoyl)oxy)-2-naphthoate)
該材料為可聚合之膽固醇液晶。該第一及第二經交聯的膽固醇液晶層係經塗佈與溶劑混合之可聚合膽固醇液晶溶液於基材上，接著再透過UV光進行光固化成膜所製得。
於本揭露之增益型波長轉換結構30、40、50與60中，基材110之材料包括，但不限於，玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、甲苯乙烯(methyl styrene,MS)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)或三醋酸纖維素(Triacetate Cellulose,TAC)。
於本揭露之增益型波長轉換結構30、40、50及60中，當該基材110為阻障層時，該基材110及阻障層140,230之材料包括，但不限於，任何可用於保護第一及第二量子點120a、120b、220a不受環境中氧氣及水氣影響的膜材。合適的阻障層材料包括高分子(例如聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET))、玻璃、介電材料、氧化物(oxides，例如：氧化矽(silicon oxide(SiO2,Si2O3))、氧化鈦(titanium oxide(TiO2))、氧化鋁(aluminum oxide(Al2O3))、以及上述兩材料的適當組合)。為了達到最佳的阻障效果，可使用單層或疊合兩層以上的高分子膜使用，亦可使用高分子膜搭配合適氧化物以達到更佳阻絕氧氣及水氣的效果。
於本揭露之增益型波長轉換結構20、30、40、50及60中，第一及第二量子點120a、120b、220a係以奈米尺度分散於第一和第二經交聯的膽固醇液晶層120、220。再者，第一及第二經交聯的膽固醇液晶層120、220包括液晶和旋光物，且第一及第二量子點120a、120b、220a係選自II/VI族化合物、III/V族化合物、IV/VI族化合物及其組合所組成群組之至少一者。
較佳者，該II/VI族化合物係為CdSe，該IV/VI族化合物係為PbS，該III/V族化合物係為InP。除了單核結構外，更佳者為核/殼結構(或記載為核殼結構，core-shell)量子點，其結構為一個核，外層包覆至少一層的殼，包括CdSe/ZnS、PbS/ZnS、InP/ZnS。單核或核/殼量子點的外圍更可包覆一種或多種配體(ligand)，以有機配體尤佳，可以幫助該量子點分散於經交聯的膽固醇液晶層中。
以CdSe/ZnS量子點為例，於經交聯的膽固醇液晶層中摻入重量比約1%的CdSe/ZnS量子點，經交聯的膽固醇液晶層的反射波段約500至550nm，其發光增益可達8倍。
相較於先前技術，本揭露之增益型波長轉換結構使用了經交聯的膽固醇液晶和量子點之混合物，其可提高光線之增益值和穿透度，藉此減少量子點之使用量同時維持高量子效率。
實施例 實施例1以CdSe/ZnS量子點化合物製備增益型波長轉換結構
將式(3)之可聚合之膽固醇液晶材料BASF 242(購自BASF，商品號242)和BASF 756(購自BASF，商品號756)，以BASF 242：BASF 756=95：5之重量比例與甲苯(Toluene)配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907(購自Ciba Geigy)，在90℃下攪拌1至2小時直至完全溶解。加入15% CdSe/ZnS(購自Ocean Nanotech，商品號QSP-540-10)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為520至580nm的綠光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合後，即形成含有CdSe/ZnS量子點之波長轉換結構。此外，以上述相同方法但以不加入15% CdSe/ZnS量子點以及不貼合上下二層阻障層的方式製備經交聯的膽固醇液晶層。
第6A圖為光線在不含CdSe/ZnS量子點之經交聯的膽固醇液晶層的穿透度圖譜，結果顯示在500至550nm波段間，光線在經交聯的膽固醇液晶內發生布拉格反射，其穿透度由90%降低至60%。第6B圖為含有CdSe/ZnS量子點之波長轉換結構的光激發螢光(photoluminescence，以下簡稱PL)圖譜，結果顯示其PL波長約在550nm。
實施例2以PbS/ZnS量子點化合物製備增益型波長轉換結構
以BASF 242：BASF 756=97.2：2.8之重量比例與甲苯配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907，在90℃下攪拌1至2小時直至完全溶解。加入15% PbS/ZnS(購自Evident TECHNOLOGIES，商品號ED-P20-TOL-0850)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收700至760nm的LED光源，發出激發光波長為800至900nm的近紅外線(NIR)光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合後，即形成含有PbS/ZnS量子點之波長轉換結構。此外，以上述相同方法但以不加入15% PbS/ZnS量子點以及不貼合上下二層阻障層的方式製備經交聯的膽固醇液晶層。
如第7A圖為光線在不含PbS/ZnS量子點之經交聯的膽固醇液晶層的穿透度圖譜，結果顯示在830至860nm波段間，光線在經交聯的膽固醇液晶層內發生布拉格反射，其穿透度由90%降低至60%。第7B圖為含有PbS/ZnS量子點之波長轉換結構的PL圖譜，結果顯示其PL波長約在850nm。
實施例3以InP/ZnS量子點化合物製備增益型波長轉換結構
以BASF 242：BASF 756=95：5之重量比例與甲苯配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907， 在90℃下攪拌1至2小時直至完全溶解。加入15% InP/ZnS(購自SIGMA-ALDRICH，商品號56612 SIGMA)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為520至580nm的綠光。混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μmPET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合後，即為含有InP/ZnS量子點之波長轉換結構。此外，以上述相同方法但以不加入15% InP/ZnS量子點以及不貼合上下二層阻障層的方式製備經交聯的膽固醇液晶層。
第8A圖為光線在不含InP/ZnS量子點之經交聯的膽固醇液晶層的穿透度圖譜，結果顯示在530至580nm波段間，光線在經交聯的膽固醇液晶層內發生布拉格反射，其穿透度由90%降低至50%。第8B圖為含有InP/ZnS量子點之波長轉換結構的PL圖譜，結果顯示其PL波長約在540nm。
實施例4以CdSe/ZnS量子點化合物製備增益型波長轉換結構
以BASF 242：BASF 756=95：5之重量比例與甲苯配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907，在90℃下攪拌1至2小時直至完全溶解。加入15% CdSe/ZnS(購自Ocean NanoTech，商品號QSP-620-10)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層 中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為600至680nm的紅光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約8μm。再與上下二層阻障層貼合後，即形成含有CdSe/ZnS量子點之波長轉換結構。此外，以上述相同方法但以不加入15% CdSe/ZnS量子點以及不貼合上下二層阻障層的方式製備經交聯的膽固醇液晶層。
第9A圖為光線在不含CdSe/ZnS量子點之經交聯的膽固醇液晶層的穿透度圖譜，結果顯示在600至680nm波段間，光線在經交聯的膽固醇液晶層內發生布拉格反射，其穿透度由90%降低至50%。第9B圖為含有CdSe/ZnS量子點之波長轉換結構的PL圖譜，結果顯示其PL波長約在630nm。
實施例5製備具有二層經交聯的膽固醇液晶層之增益型波長轉換結構
以BASF 242：BASF 756=95：5之重量比例與甲苯配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907，在90℃下攪拌1至2小時直至完全溶解。加入15%CdSe/ZnS(Ocean NanoTech，商品號QSP-620-10)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為520至580nm的綠 光。混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後成膜，膜厚約6至7μm之薄膜。再以BASF 242：BASF 756=96：4之重量比例與甲苯配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907，在90℃下攪拌12小時直至完全溶解。加入15% CdSe/ZnS(Ocean NanoTech，商品號QSP-620-10)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為600至680nm的紅光。混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後成膜，膜厚約6至7μm。將兩張膜以光學膠貼合，再與上下二層阻障層貼合後，即形成具有二層經交聯的膽固醇液晶層之增益型波長轉換結構。其PL圖譜如第10圖所示。
於本實施例中，第一經交聯的膽固醇液晶層反射波段在500至550nm間，藍光LED光源入射至第一經交聯的膽固醇液晶層後，分散於其內CdSe/ZnS量子點吸收藍光轉而發射波長為520至580nm之綠光，藍光及綠光接著一起進入第二經交聯的膽固醇液晶層，由於分散在第二經交聯的膽固醇液晶層內之量子點主要是吸收藍光轉而發射波長為600至680nm之紅光，而且第二經交聯的膽固醇液晶層主要的反射波段為600至680nm，其它波段的光線可穿透， 因此，由第一經交聯的膽固醇液晶層中之CdSe/ZnS量子點所發射之綠光仍可維持波長520至580nm，不受第二經交聯的膽固醇液晶層影響而改變。
實施例6製備單層含二種量子點之增益型波長轉換結構
以BASF 242：BASF 756=95：5之重量比例與甲苯配成40wt%的溶液，同時加入1wt%的UV光起始劑Irgacure 907，在90℃下攪拌1至2小時直至完全溶解。加入15% InP/ZnS(SIGMA-ALDRICH，商品號56612 SIGMA)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為520至580nm的綠光。再加入15%InP/ZnS(購自SIGMA-ALDRICH，商品號776777 ALDRICH)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的經交聯的膽固醇液晶層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為600至680nm的紅光。混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用90W/cm 2的UV燈照射30秒後成膜，膜厚約6至7μm之薄膜。再與上下二層阻障層貼合後，即為單層含有二種量子點之增益型波長轉換結構。第11圖為單層含有二種量子點之波長轉換結構的PL圖譜。本揭露之增益型波長轉換結構也可進一步結合光學膜，例如稜鏡片結構集光膜、膽固醇液晶反射偏光片、多層結構型之反射偏光片或擴散膜，而形成發光膜，其不僅 可大幅減少量子點用量，同時仍維持極高的量子效率，增加發光增益。
應用例1至2
應用例1至2係如第12A至12B圖所示，以實施例6之單層含二種量子點增益型波長轉換結構為例，於該增益型波長轉換結構100之一面上設置一或二稜鏡片結構集光膜300(Prism Film-Brightness Enhancement Film(BEF)，購自3M，商品號Vikuiti BEFII)以形成如第12A及12B圖所示之發光膜1、2，其PL圖譜如第13圖。
應用例3至5
應用例3至5係如第14A至14C圖所示，以實施例6之單層含二種量子點增益型波長轉換結構為例，分別在該增益型波長轉換結構100之一面設置一膽固醇液晶反射偏光片400(該膽固醇液晶反射偏光片係依第6,721,030號美國專利之方法所製得)，形成如第14A及14C圖所示之發光膜3及5，而第14B圖所顯示應用例4之發光膜4，係分別於本揭露之增益型波長轉換結構100之二面上設置該膽固醇液晶反射偏光片，其PL圖譜如第15圖。
應用例6至8
以實施例6之單層含二種量子點增益型波長轉換結構為例，應用例6及8係分別於該增益型波長轉換結構100之一面上設置一反射式偏光片500(Dual Brightness Enhancement Film，DBEF，購自3M，商品號Vikuiti DBEF)，形成如第16A及16C圖所示之發光膜6及8，而第16B圖所顯示應用例7之發光膜7，係分別於該增益型波長轉換結構100之二面上設置反射式偏光片500，其PL圖譜如第17圖。
應用例9至11
以實施例6之單層含二種量子點增益型波長轉換結構為例，應用例9及11係分別於該增益型波長轉換結構100之一面上設置一擴散膜600(市售，購自華宏新技股份有限公司)，形成如第18A及18C圖所示之發光膜9及11，而第18B圖所顯示應用例10之發光膜10，係分別於該增益型波長轉換結構100之二面上設置擴散膜600，其PL圖譜如第19圖。
比較例1製備只含CdSe/ZnS量子點化合物之波長轉換結構
在光可硬化樹脂UV298(購自肯美特公司CHEM-MAT Technologies co.ltd)中加入15% CdSe/ZnS(Ocean NanoTech，商品號QSP-540-10)量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的膜層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為520至580nm的綠光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合而製得比較例1 之波長轉換結構。
比較例2製備只含PbS/ZnS量子點化合物之波長轉換結構
在光可硬化樹脂UV298中加入15% PbS/ZnS量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的膜層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收700至760nm的LED光源，發出激發光波長為800至900nm的近紅外線光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合而製得比較例2之波長轉換結構。
比較例3製備只含InP/ZnS量子點化合物之波長轉換結構
在光可硬化樹脂UV298中加入15% InP/ZnS量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的膜層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源，發出激發光波長為520至580nm的綠光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合以製備比較例3之波長轉換結構。
比較例4製備只含CdSe/ZnS量子點化合物之波長轉換結構
在光可硬化樹脂UV298中加入15% CdSe/ZnS量子點之甲苯溶液，此溶液在固化後的膜層中最終量子點濃度為1wt%，此量子點可以吸收420至460nm的藍光LED光源， 發出激發光波長為600至680nm的紅光。兩者混合後在室温下攪拌24小時。接著將混合溶液以刮刀塗佈在厚度50μm的PET膜上，以80℃烘乾2分鐘後用100W/cm2的UV燈照射20秒後硬化成膜，膜厚約6至7μm。再與上下二層阻障層貼合而製得比較例4之波長轉換結構。
第20圖為比較實施例1之波長轉換結構及比較例1之波長轉換結構的PL圖譜。由於上述兩個波長轉換結構都使用相同的CdSe/ZnS量子點，結果顯示PL波長的位置一致都在550nm。然而，比較PL強度可發現實施例1之波長轉換結構的PL強度約為比較例1的8倍。原因乃是在實施例1之波長轉換結構中，膽固醇型液晶提供了微共振腔的機制，使得量子點激發光和經交聯的膽固醇液晶的微共振腔互相耦合，提高同調性以提升激發光密度。
第21圖為比較實施例2之波長轉換結構及比較例2之波長轉換結構的PL圖譜。由於上述兩個波長轉換結構都使用相同的PbS/ZnS量子點，結果顯示PL波長的位置一致都約在850nm。然而，比較PL強度可發現實施例2之波長轉換結構的PL強度較比較例者高出許多。
第22圖為比較實施例3之波長轉換結構及比較例3之波長轉換結構的PL圖譜。由於上述實施例3及比較例4之波長轉換結構都使用相同的InP/ZnS量子點，結果顯示PL波長的位置一致都在540nm。然而，比較PL強度可發現實施例3之波長轉換結構的PL強度約為比較例3的8倍。原因乃是在實施例3之波長轉換結構中，膽固醇型液 晶提供了微共振腔的機制，使得量子點激發光和經交聯的膽固醇液晶的微共振腔互相耦合，提高同調性以提升激發光密度。
第23圖為比較實施例4之波長轉換結構及比較例4之波長轉換結構的PL圖譜。由於上述兩個波長轉換結構都使用相同的CdSe/ZnS量子點，結果顯示PL激發光的位置一致都在630nm。然而，比較PL激發光強度可發現實施例4之波長轉換結構的PL強度約為比較例4的3.7倍。原因乃是在實施例4之波長轉換結構中，膽固醇型液晶提供了微共振腔的機制，使得量子點激發光和經交聯的膽固醇液晶的微共振腔互相耦合，提高同調性以提升激發光密度。
綜上所述，於本揭露之增益型波長轉換結構中，在經交聯的膽固醇液晶層中之量子點吸收能量較高的光波後，電子會產生能階躍升，當電子從高能階的狀態降到低能階的狀態時，則會發射出波長較長的光，且不同粒徑的量子點會發射出不同波長的光線。而膽固醇型液晶遵守布拉格反射定律，故可透過調整液晶的旋距(pitch)來調整反射光的波段，且膽固醇型液晶還提供了微共振腔(microcavity)的機制，使得量子點激發光和經交聯的膽固醇液晶的微共振腔互相耦合(coupling)，提高同調性以提升激發光密度。再者，量子點在樹脂內為奈米尺度分散，膜透明度高可減少光損耗，因此，本揭露之增益型波長轉換結構可大幅減少量子點用量同時仍維持極高的量子效率。
上述實施例僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項專業之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有此項專業知識者，在未脫離本揭露所揭示之精神與技術原理下所完成之一切等效修飾或改變，仍應由後述之申請專利範圍所涵蓋。
20‧‧‧增益型波長轉換結構
120‧‧‧第一經交聯的膽固醇液晶層
120a‧‧‧第一量子點
L1‧‧‧第一光線
L2‧‧‧第二光線

Claims (29)

  1. 一種增益型波長轉換結構，包括：第一經交聯的膽固醇液晶層；以及複數第一量子點，分散於該第一經交聯的膽固醇液晶層中，當第一光線入射至該增益型波長轉換結構時，該第一量子點被該第一光線激發而發出波長不同於該第一光線之第二光線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，復包括基材，其中，該第一經交聯的膽固醇液晶層係設於該基材上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之增益型波長轉換結構，其中，該基材為阻障層。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之增益型波長轉換結構，復包括阻障層，係設於該經交聯的第一經交聯的膽固醇液晶層上，使該第一經交聯的膽固醇液晶層夾置於該基材和阻障層之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第一量子點係選自II/VI族化合物、III/V族化合物或IV/VI族化合物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第一量子點係具有以配體包覆之單核(core)或核殼(core-shell)結構。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之增益型波長轉換結構，其中，該II/VI族化合物係為CdSe。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之增益型波長轉換結構，其中，該IV/VI族化合物係為PbS。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之增益型波長轉換結構，其中，該III/V族化合物係為InP。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第一光線之波長範圍係介於420nm至460nm之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第二光線之波長範圍係介於520nm至580nm之間。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，復包括分散於該第一經交聯的膽固醇液晶層中之複數第二量子點，且該第二量子點係不同於該第一量子點。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第二量子點係選自II/VI族化合物、III/V族化合物或IV/VI族化合物。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第二量子點係具有以配體包覆之單核或核殼結構。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之增益型波長轉換結構，其中，該II/VI族化合物係為CdSe。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之增益型波長轉換結構，其中，該IV/VI族化合物係為PbS。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之增益型波長轉換結構，其中，該III/V族化合物係為InP。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，復包括：第二經交聯的膽固醇液晶層，係形成於該第一經交聯的膽固醇液晶層上；以及複數第二量子點，分散於該第二經交聯的膽固醇液晶層中，當該第一光線入射至該增益型波長轉換結構時，該第二量子點被該第一光線激發而發出波長不同於該第一光線之第三光線。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第二量子點係選自II/VI族化合物、III/V族化合物或IV/VI族化合物，且該第二量子點係不同於該第一量子點。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第二量子點係具有以配體包覆之單核或核殼結構。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之增益型波長轉換結構，其中，該II/VI族化合物係為CdSe。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之增益型波長轉換結構，其中，該IV/VI族化合物係為PbS。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之增益型波長轉換結構，其中，該III/V族化合物係為InP。
  24. 如申請專利範圍第18項所述之增益型波長轉換 結構，其中，該第三光線之波長範圍係介於600nm至680nm之間。
  25. 如申請專利範圍第18項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第二經交聯的膽固醇液晶層之旋距不同於該第一經交聯的膽固醇液晶層之旋距。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，其中，該第一經交聯的膽固醇液晶層包括經交聯之液晶和旋光物之混合物。
  27. 一種發光膜，包括：如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構；以及至少一光學膜，係設置於該增益型波長轉換結構之表面。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之發光膜，其中，該光學膜係稜鏡片結構集光膜、膽固醇液晶反射偏光片、多層結構型反射偏光片或擴散膜。
  29. 一種背光元件，包括：至少一主始發光源，以發射初始光線；導光板(LGP)，係與該至少一主始發光源組構且光學耦合至該至少一主始發光源，以透過該導光板均勻地傳遞該初始光線；以及如申請專利範圍第1項所述之增益型波長轉換結構，係設於該導光板之上。
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