▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

當今世界處于信息蓬勃發展的時代，液晶顯示器作為數字時代信息呈現的主要載體和人機交互的基礎窗口已經成為人們日常生活與工作中不可或缺的一部分。隨著人們生活水平和社會經濟的提升，對具有優良顯色性和色彩再現力液晶顯示器的需求急劇增加。而鈣鈦礦量子點玻璃由于結合了量子點出色的光學特性（高色純度、高發光量子效率、發光顏色可調等）和無機玻璃優異的物理/化學穩定性被認為是背光顯示器中傳統熒光粉轉光層的理想替代品，在顯示行業具有廣泛的應用前景。

近日，福建師范大學陳大欽教授團隊在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus，中文核心期刊）2023年第3期“量子點液晶顯示應用技術”專欄發表了題為“鈣鈦礦量子點玻璃背光應用”綜述文章。介紹了鈣鈦礦量子點玻璃背光結構的應用方式，并對近年來鈣鈦礦量子點玻璃在背光應用的研究現狀與發展中所面臨的挑戰進行了一個概括，最后對其未來在背光應用的發展進行了展望。

▍鈣鈦礦量子點玻璃背光應用的封裝方式

目前液晶顯示器背光系統的配置方式主要有三種，根據量子點材料放置位置的不同分為“芯片封裝型”（On Chip）、“側管封裝型”（On edge）、“頂部集成型”（On surface）。

? “芯片封裝型”（On Chip）

芯片封裝型是直接將鈣鈦礦量子點玻璃放置在藍光LED芯片發光層表面，通過耦合得到白光（圖1a）。但要想實現實際應用，對量子點玻璃的穩定性要求非常高。這是由于藍光LED芯片正常工作時的結溫會在85~120 ℃，而且鈣鈦礦量子點玻璃在光轉換過程中也會釋放部分熱量，導致鈣鈦礦量子點玻璃需要在150 ℃條件下保持長期的發光穩定性。此外，一個1W的藍光LED芯片的輻射光功率密度為～60W/cm2，因此鈣鈦礦量子點玻璃不僅需要有優異的熱穩定性，還需具備卓越的光穩定性，這對于當前的鈣鈦礦量子點玻璃來說還是極大的挑戰。

? “側管封裝型”（On edge）

側管封裝型是通過量子點玻璃粉末制備成轉光條并安裝在導光板側邊藍光LED燈條入射部，再耦合入導光板內，在材料使用和操作條件方面介于芯片封裝型和頂部集成型方式之間（圖1b）。這種結構可以有效的降低藍光LED芯片熱量和光輻射對量子點玻璃發光材料的影響，且原料使用量也相對較少，約為On- surface用量的百分之一。但由于該結構的組裝與封裝比較困難，目前關于鈣鈦礦量子點玻璃側管封裝型的研究還是處于空白階段。

? “頂部集成型”（On surface）

頂部集成型是通過在藍光導光板上貼覆鈣鈦礦量子點玻璃膜轉光并擴散，形成白光背光源（圖1c）。這種結構由于不是直接接觸發光層，還經過導光板對藍光均勻擴散，因此量子點玻璃轉光膜受到的熱量與光輻射是非常小的，足以滿足應用的需求。只是這種結構對量子點玻璃原料需求比較大，且隨著顯示器尺寸增大，成本也逐步提升。在成膜制備方面，鈣鈦礦量子點玻璃轉光膜還無法實現產業化生產，且相關性研究相對較少。因此如何成熟的制備低成本高亮度的鈣鈦礦量子點玻璃光學轉光膜也是阻礙其實際應用的一大難題。

圖1：(a) 芯片封裝型， (b) 側管封裝型，(c) 頂部集成型
圖源： Chemical Engineering Journal，2020， 398：125616.

▍鈣鈦礦量子點玻璃背光應用發展現狀

? 鈣鈦礦量子點玻璃芯片封裝型在背光應用中的發展現狀

自從2016年Wang等人首次在磷酸鹽玻璃中析出了CsPbBr?量子點后，眾多研究人員都把目光聚焦到鈣鈦礦量子點玻璃及其應用研究上，而關于鈣鈦礦量子點玻璃芯片應用的研究又是其中的熱點。例如，Liu等人通過鈣鈦礦量子點玻璃制備的發光器件展現了強烈的發光與優異的發光效率，綠光LED器件最高發光效率可以達到~120 lm/W，并且外量子效率也達到了~30%，白光LED器件顯示出50-60 lm/W的發光效率和20-25%的外量子效率（圖2）。此外，得益于無機玻璃的保護，CsPbX?鈣鈦礦量子點還展現出了優異的抗光照和耐水熱性，而且經過20℃-200 ℃的加熱冷卻循環后，發光強度幾乎沒有減弱，展現出了出色的熱可逆性。無獨有偶，Guo等人在硼硅酸鹽玻璃中同樣制備出了具有卓越穩定性與出色熱可逆性的CsPbX?@glass，其中CsPbBr?@glas經過10輪300-400K的熱循環測試后，發光強度依然保持在初始強度的98.7%，并且經過150W的紫外光照射60天后發光強度僅下降不到5%。將藍光LED芯片耦合CsPbX?@glass轉光層制備出了具有寬色域的白光LED器件，該器件色域達到了121.9% NTSC的顯示色域與91.1% Rec.2020的顯示色域。

圖2：(a)CsPbBr?@glass,(b)CsPb(Br/I)?@glass,(c)CsPbBr?@glass+ CsPb(Br/I)?@glass片材制作的綠光、紅光和白光LED器件；CsPbBr?@glass和CsPb(Br/I)?@glass所構建的LED器件的(d)發光效率和€外量子效率；(f) 綠光和紅光LED器件發光色度坐標與正向偏置電流的關系。
圖源： Advanced Optical Materials，2019， 7(9)：1801663.

值得注意的是，白光LED的色域并不代表液晶顯示器所能呈現的顏色范圍，這是由于液晶顯示器是通過白光光源搭配彩色濾色片來實現彩色顯示的，因此最終的彩色顯示效果是受白光背光源的發光特性與彩色濾色片透過光譜雙重制約的。例如，Im等人采用CsPbBr?@glass PIG片以及KSF:Mn??涂覆層耦合藍光芯片制備的白光LED經過彩色濾色片作用后，色域由之前的131% NTSC的顯示色域降到了108%（圖3a），這也證明了彩色濾色片對于液晶顯示器的顯示特性影響很大。然而，目前彩色濾色片的濾光效果是十分有限的，紅、綠和藍3色濾色片均只能濾掉一定波長范圍的發光，但在各自發光波段仍然有較寬波段透過（圖3b）。因此，白光背光源本身的發光特性對顯示器的色彩顯示能力起著關鍵性作用。而且鈣鈦礦量子點玻璃普遍存在高溫熱猝滅的現象，在100℃左右，發光強度就僅剩初始值的20%左右。這一結果也證明鈣鈦礦量子點玻璃無法在藍光LED正常運行時，保持長期的發光穩定性。所以要想實現鈣鈦礦量子點玻璃背光應用還需要通過另一種配置方式。

圖3：(a) 采用CsPbBr?量子點玻璃PIG片與KSF:Mn??涂覆層耦合藍光芯片制備的白光LED有無彩色濾色片過濾的顏色再現范圍，插圖為白光LED發光圖片與PL光譜。(b) 紅、綠、藍(R、G、B)彩色濾色片的透射光譜。
圖源： ACS Applied Nano Materials, 2021,  4(7): 7072-7078.

? 鈣鈦礦量子點玻璃芯片封裝型在背光應用中的發展現狀

頂部集成型由于不是直接接觸發光層，而且藍光經過導光板均勻擴散，因此轉光膜受到的熱量與光輻射是非常小，這使得鈣鈦礦量子點玻璃光學轉光膜應用于背光顯示成為可能。事實上，鈣鈦礦量子點光學轉光膜早已被成功開發出來，在2016年，Zhong等人就成功的制備出了具有高透明性（>85%）與高發光量子效率（>90%）的鈣鈦礦量子點光學轉光膜,并將該光學轉光膜集成到“頂部集成型”的背光結構中，如圖4g-h所示，基于鈣鈦礦量子點光學膜構建的液晶顯示器樣機相對于商業液晶顯示屏展現出了更加飽和與艷麗的色彩（經過濾色片作用后，色域為105% NTSC）。遺憾的是，該薄膜在加速老化條件下（70 ℃/85% RH）不到5天就幾乎沒有了發光強度，這是由于鈣鈦礦量子點是一類離子晶體，暴露在外界環境（如光、熱以及空氣）中會變質分解失效導致的。因此，鈣鈦礦量子點光學轉光膜要實現寬色域背光平板顯示商業化應用仍面臨許多亟待解決的問題，尤其是量子點光學膜穩定性問題。值得一提的是，目前生產的鈣鈦礦量子點光學膜即便經過阻隔膜的封裝也只能滿足部分商用老化要求（60°C，90%RH老化），無法達到雙85等更苛刻的工業老化測試標準。這是由于阻隔膜的封裝還是不能完全杜絕外界水、氧滲入到光學膜內。因此，如何提高穩定性并降低成本是鈣鈦礦量子點光學膜在背光顯示應用中需要重點解決的瓶頸問題。

近年來，鈣鈦礦量子點玻璃由于無機玻璃致密網絡結構的無縫包覆，可以有效的將量子點與外界環境隔離開來，為徹底解決其穩定性提出了一條極具前景的新途徑。例如，Chen等人通過將鈣鈦礦量子點玻璃粉末與硅膠共混成膜，制備出了具有優異光學性能與穩定性的光學轉光膜（圖4a-d）。通過調控[CsPbBr?@glass]/PDMS重量比，轉光膜的量子產率可以達到~100%，而且在365-480 nm光激發下量子產率都保持在80%以上（圖4a-b），這些結論都證實了它們作為藍光芯片激發背光中的轉光層的適用性。同時，基于量子點玻璃/聚合物薄膜白光背光源構建的顯示器件被賦予了寬色域，達到152%的商用LCD的顯示色域和103% NTSC的顯示色域（經過濾色片作用后），相對于商用液晶顯示器展現出了更加飽和與艷麗的色彩（圖4e-f）。Xiang等人用紫外固化膠充分混合量子點玻璃粉末，然后涂布在兩層PET薄膜之間得到鈣鈦礦量子點玻璃薄膜轉光層。基于此轉光層制備的背光液晶顯示器展現出了廣泛的色域，分別達到了126.27% NTSC和93.9% Rec.2020的顯示色域（未經過濾色片作用），而且由于PET薄膜與玻璃基質的雙重保護，該復合膜顯示出良好的耐水熱和耐藍光性，在80℃水中浸泡或在460nm藍光照射下96小時后發光強度都沒有明顯的變化。通過該復合膜組裝的顯示器連續運行60h后，顯示器的性能與輸出圖像的質量都沒有發生改變。這些結果都表明了鈣鈦礦量子點玻璃在寬色域液晶顯示器（LCD）中具有廣闊的應用前景。

圖4：(a) 不同[CsPbBr?@glass]/PDMS重量比的CsPbBr?@glass@PDM薄膜的PLQY，插圖是發光薄膜實物照片; (b) CsPbBr?@glass@PDMS和CsPbBr?.?I?.?@glass@PDMS薄膜的PLQYs對入射激發光波長的依賴性; (c) 在紫外光(6W)照射下進行7天的光穩定性測試; (d) CsPbX?@glass@PDMS薄膜直接浸入90℃的水中保持24小時加速老化測試。作為對比，膠體 CsPbBr?@PDMS薄膜的數據也提供在(c，d)。集成有鈣鈦礦量子點玻璃光學膜的顯示器樣機(f)與商用顯示器(e)的顯示效果對比；(g) 和(h)為集成有膠體鈣鈦礦量子點光學膜的顯示器樣機與蘋果筆記本顯示器的顯示效果對比。
圖4 a-f源： ACS Energy Letters，2021， 6(2)：519–528.
圖4 g-h源：中國光學, 2017，10(5)：666-680.

▍鈣鈦礦量子點玻璃背光應用所面臨的挑戰

盡管鈣鈦礦量子點玻璃的穩定性足以滿足應用的需求，但要實現背光應用仍然存在一些亟需解決的問題。這些問題主要可以分為兩類。

一類是鈣鈦礦量子點玻璃本身存在的光學性能問題：

1、發光效率與膠體量子點相比仍需進一步提高，尤其是紅光發射的量子點；

2、發射半峰寬需進一步窄化；

3、發射波長調諧時易出現光學性能驟降。

另一類是應用過程中存在的問題：

1、鈣鈦礦量子點玻璃在高溫時容易發生熱猝滅，無法在芯片正常運行時，保持長期穩定的發光；

2、目前鈣鈦礦量子點玻璃轉光膜制備工藝不成熟，僅停留在實驗階段，還無法實現產業化大面積生產。

這些科學問題都對鈣鈦礦量子點玻璃應用于背光顯示提出了新的挑戰。

▍總結與展望

對于顯示行業來說，提升屏幕的色彩再現力與顏色渲染效果已經成為大勢所趨，而鈣鈦礦量子點玻璃因其優異的光學性能與穩定性在背光應用中展現出了極強的競爭力。由于玻璃致密網絡結構的保護，使得鈣鈦礦量子點玻璃無需阻隔膜即可有效的隔絕水、氧，顯著提升鈣鈦礦量子點的穩定性。但要實現產業化應用，仍然存在一些問題亟需解決。如PDMS成本過高，成膜周期長且不利于制成大面積膜。因此，當務之急是需要選取適合的聚合物載體（如：聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚碳酸脂PC、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP等），發展可工業化生產的符合產業需求的低價、高穩定且光學性能優異的鈣鈦礦量子點玻璃/聚合物復合材料，并最終實現背光顯示。相信不久的將來，鈣鈦礦量子點玻璃將在背光顯示領域扮演更重要的角色。

| 論文信息 |

林繼棟, 陳大欽. 鈣鈦礦量子點玻璃背光應用[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(3):342-355.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0223

| 通訊作者介紹 |

陳大欽，福建師范大學教授，博導，福建省引進高層次人才（B類）。2001、2004年中南大學本碩，2008年中科院福建物質結構研究所博士。從事發光材料與器件研發。主持國家重點研發課題和子課題各1項、國家自然科學基金（5項）、福建/浙江省杰青和福建省自然科學重點基金等。以第一和通訊作者在Chem. Soc. Rev., AM, AFM, JACS, Light Sci. Appl., ACS Energy Lett.和Nano. Energy等期刊上發表SCI論文200多篇，論文他引>15000次，引用>100次論文30多篇，H因子為75，ESI熱點/高被引論文30多篇，授權中國發明專利20多項，撰寫專章3篇，譯著《材料科學與工程導論》專著1部。現為中國稀土學會光電材料與器件專業委員會委員、中國硅酸鹽學會特種玻璃分會理事、陶瓷類國際期刊J. Am. Ceram. Soc.副編輯（Associate Editor）和《發光學報》青年編委。

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