CN107102514B - 量子点光刻胶、量子点彩膜基板和显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种量子点光刻胶，包括光刻胶母液和均匀分散在所述光刻胶母液中的量子点，所述光刻胶母液包括粘合剂、光刻胶单体、光或热引发剂、可溶解光刻胶的溶剂和活性添加剂，所述量子点的表面配体包括能与所述光刻胶单体发生共聚的可聚合基团，所述量子点光刻胶经光照或者加热后，所述量子点的表面配体与所述光刻胶单体发生共聚。通过本发明提高了量子点的溶解度和发光性能稳定性。本发明还提出了一种量子点彩膜基板和显示装置。

Description

量子点光刻胶、量子点彩膜基板和显示装置
技术领域
本发明涉及量子点技术领域，具体涉及一种量子点彩膜基板和使用该量子点彩膜基板的显示装置。
背景技术
目前液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)的色彩是依靠彩膜基板(CF，color filter)来实现。彩膜基板通过颜料(pigment)使CF实现彩色。从背光源产生的白色光，只有对应R、G、 B波段的光透过，其他波段的光被颜料(pigment)吸收。经过CF的光大部分被吸收，只有很小部分光透过，光的利用率极低。此外，有机颜料本身的特性使其难呈现更广色域的色彩。由于以上缺点，该领域技术人员将量子点(QD，Quantum dots)材料引入到彩膜基板中，来代替光阻材料。
量子点是一些极其微小的半导体纳米晶体，被称为新一代荧光纳米材料，其具有发光颜色随尺寸变化可调、光转化效率高、发射光谱半峰宽窄等优异特性，通过精确的尺寸控制，受激发后就可以发出鲜艳的R、G、B光，在显示、生物标记、太阳能电池等领域具有广泛的应用。尤其在显示领域，量子点技术已经实现产业化。
量子点可直接将背光源发出的光转化为R、G、B三色，而不是只吸收掉，从而提高彩膜基板的光利用效率；量子点所发出的光半峰宽窄，可以展现更高的色域，还原更真实的世界色彩。
现有技术中，量子点光刻胶普遍存在量子点溶解度低、稳定性差、刻蚀性差、与基板粘接性差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：提供一种量子点光刻胶，提高量子点在光刻胶中溶解性的同时，保证量子点光学性质的稳定性和光刻胶的刻蚀属性。
本发明提供了一种量子点光刻胶，包括光刻胶母液和均匀分散在所述光刻胶母液中的量子点，所述光刻胶母液包括粘合剂、光刻胶单体、光或热引发剂、可溶解光刻胶的溶剂和活性添加剂，所述量子点的表面配体包括能与所述光刻胶单体发生共聚的可聚合基团，所述量子点光刻胶经光照或者加热后，所述量子点的表面配体与所述光刻胶单体发生共聚。
优选地，所述量子点的质量百分比为5％～50％，所述粘合剂的质量百分比为5％～30％，所述单体的质量百分比为2％～18％，所述光引发剂的质量百分比为0.5％～6％，所述可溶解光刻胶的溶剂的质量百分比为20％～70％，所述活性添加剂的质量百分比为1％～5％。
优选地，所述量子点光刻胶还包括均匀分散在所述光刻胶母液中的滤光材料，所述滤光材料用于吸收未激发量子点材料的光线。
优选地，所述滤光材料在所述量子点光刻胶中的质量分数范围为0.1％‐5％。
优选地，所述可聚合基团包括双键、取代或者不取代的丙烯基。
优选地，所述量子点的表面配体的末端基团为所述光刻胶单体。
优选地，所述量子点材料的表面配体还包括分子量在1000以内的并且可与所述光刻胶母液均匀混溶的交联基团。
优选地，所述交联基团包括具有路易斯碱功能的聚合物链段。
优选地，所述交联基团包括被取代或未被取代的聚乙二醇链段、取代或者未被取代的聚硅氧链段。
优选地，所述量子点光刻胶还包括均匀分散在所述光刻胶母液中的光扩散剂。
优选地，所述光扩散剂为具有表面改性基团的无机纳米颗粒，所述表面改性基团与所述量子点的表面配体交联混溶，所述量子点吸附在所述光扩散剂表面。
优选地，所述量子点光刻胶经光照或者加热后，所述无机纳米颗粒的表面改性基团与所述量子点的可聚合基团、所述光刻胶单体发生共聚。
优选地，所述量子点为核壳结构，所述核包括CdSe、CdS、CdTe、ZnTe、ZnSe、ZnS、InP、 InAs、GaN、GaP、InZnP、InGaP、InGaZnP、GaAs、CdZnSe、CdZnSeS、CdZnS、CdZnTe、InZnAs中的至少一种，所述壳包括ZnS、ZnSe、ZnSeS、CdS、CdSe、CdSeS、ZnTe、CdTe、CdZnTe 中的至少一种。
本发明还提供了一种量子点彩膜基板，包括衬底基板和分布在所述衬底基板上的多个像素，每个像素包括若干不同颜色的彩色子像素，至少一个所述彩色子像素采用如上所述的量子点光刻胶制得。
优选地，所述彩色子像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，所述红色子像素包括红光量子点材料，所述绿色子像素包括绿光量子点材料，所述蓝色子像素包括蓝光量子点材料或透明材料。
本发明还提供了一种显示装置，包括背光源和如上所述的量子点彩膜基板，所述背光源发出的光线波长小于所述量子点彩膜基板中的量子点材料被激发后发出的光线波长。
本发明具有以下有益效果：本发明的量子点彩膜基板可以大幅提高量子点在光刻胶中的溶解度，同时降低了量子点对光刻胶成膜性和刻蚀性的影响，避免了量子点对光刻胶与玻璃基板的粘连性变差，此外还提高了量子点在光刻胶中的光学性能以及稳定性。
附图说明
图1为本发明量子点光刻胶的一种实施方式示意图；
图2为本发明量子点光刻胶经固化后的一种实施方式示意图；
图3为本发明的量子点彩膜基板的一种实施方式示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。本发明的说明书附图仅是本发明技术方案的示意性图，其各尺寸比例以是本发明说明书文字内容的参考。
为了适应显示器件的精密需求，用于彩膜基板的光刻胶是一种技术含量非常高的胶水，其具有特定的材料组成和配方，其组成的每一个细微变动都可能影响到其光刻性能。而将量子点引入的光刻胶的配方中是一种极具创造性的工作。申请人的研发人员发现，为了满足光转换的需求，量子点在光刻胶中的溶解度应尽量提高，且保持光学稳定。量子点混合溶解到光刻胶中需要达到一定的浓度才较为有效。然而，随着量子点在光刻胶中的浓度提高，光刻胶本身的物性受到的破坏也越严重，如导致成膜性变差、光刻性能下降且与基板粘接性变差。
针对上述问题，如图1所示，本发明公开了一种量子点光刻胶100，包括光刻胶母液和均匀分散在光刻胶母液中的量子点102，光刻胶母液包括粘合剂104、光刻胶单体106、光或热引发剂108、可溶解光刻胶的溶剂110和活性添加剂112，量子点102的表面配体包括能与光刻胶单体发生共聚的可聚合基团(图中未示出)，量子点光刻胶100经光照或者加热后，量子点102的表面配体与所述光刻胶单体发生共聚。
如图2所示，量子点光刻胶100在固化后，量子点102与光刻胶单体106共聚形成一个整体，取得了量子点溶解度增加、量子点稳定性提高、光刻胶成膜性提高以及与基板粘结性加强的效果。
可聚合基团包括双键或者取代或者不取代的丙烯酸。在一个优选的实施方式中，可聚合基团为光刻胶母液中的光刻胶单体。在一个优选实施方式中，粘合剂为丙烯酸树脂，光刻胶单体为丙烯酸类单体，量子点表面配体包括设置在配体末端的丙烯酸基团，光引发剂为二苯甲酮类光引发剂，可溶解光刻胶的溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯溶剂，活性添加剂为硅烷偶联剂。
在一个优选的实施方式中，量子点表面包括第一配体，第一配体包括金属配位基团、交联基团和可聚合基团。优选地，交联基团的分子量在1000以内的并且可与所述光刻胶母液均匀混溶。更优选地，交联基团的分子量在200‐800。在一个优选实施方式中，交联基团包括具有路易斯碱功能的聚合物链段。优选地，聚合物链段包括取代或未被取代的聚乙二醇链段、取代或者未被取代的聚硅氧链段。
在一个优选的实施方式中，量子点表面配体包括第一配体，第一配体包括金属配位基团、与金属配位基团连接的至少一个聚乙二醇链段、与金属配位基团连接的至少一个疏水性基团、与聚乙二醇链段连接的丙烯酸基团。优选地，量子点表面配体还包括第二配体。
在一个优选的实施方式中，量子点光刻胶的配方如下：量子点的质量百分比为5％～ 50％，粘合剂的质量百分比为5％～30％，光刻胶单体的质量百分比为2％～18％，光或热引发剂的质量百分比为0.5％～6％，可溶解光刻胶的溶剂的质量百分比为20％～70％，活性添加剂的质量百分比为1％～5％。
在一个优选的实施方式中，为了尽量多的吸收未被激发的背光源的光和减少光刻胶母液的用量，量子点光刻胶中，量子点的质量百分比为30％～40％。通过本发明，量子点在光刻胶母液中的溶解度增加，量子点的性能更加稳定高效。
在一个优选的实施方式中，为了完全吸收背光源发出的未激发量子点的光，量子点光刻胶还包括均匀分散在光刻胶母液中的滤光材料(Photo resist)，滤光材料用于吸收未激发量子点材料的光线。滤光材料在量子点光刻胶中的质量分数范围优选为0.1％‐5％，进一步优选为1％‐4％。
在一个优选的实施方式中，为提高背光源发光光线的利用率，增加对背光源发光光线的折射，使照射到量子点的光线增多，量子点光刻胶还包括均匀分散在光刻胶母液中的光扩散剂。为增大光扩散剂在光刻胶母液中的分散量和均匀性，优选对光扩散剂表面进行修饰处理。
在一个优选的实施方式中，光扩散剂为具有表面改性基团的无机纳米颗粒，表面改性基团与量子点的表面配体交联混溶，量子点吸附在光扩散剂表面。在另一个优选实施方式中，光扩散剂为具有表面改性基团的无机纳米颗粒，述量子点光刻胶经光照或者加热后，无机纳米颗粒的表面改性基团与所述量子点的可聚合基团、光刻胶单体发生共聚。光扩散剂在量子点光刻胶中的质量百分比范围为2％‐20％。
本发明的量子点包括II族‐VIA族化合物、IV族‐VIA族化合物、III族‐VA族化合物、I族‐VIA 族化合物中的至少一种。量子点的结构包括具有单核结构、核‐单层壳结构和核‐多层壳结构中的一种。优选地，I族元素包括从由铜、银组中的至少一种元素，II族元素包括锌、镉、汞中的至少一种元素，III族元素包括铝、镓、铟中的至少一种元素，IV族元素包括硅、锗、锡、铅中的至少一种元素，VA族元素包括氮、磷、砷中的至少一种元素，VIA族元素包括硫、硒、碲中的至少一种元素。本发明的量子点还包括钙钛矿结构的量子点。本发明的量子点还包括化学掺杂一种或多种过渡金属阳离子的半导体纳米晶体，掺杂的过渡金属阳离子包括 Mn2+、Cu2+、Co2+等离子。在于给优选实施方式中，本发明的量子点为核壳结构，核包括CdSe、 CdS、CdTe、ZnTe、ZnSe、ZnS、InP、InAs、GaN、GaP、InZnP、InGaP、InGaZnP、GaAs、CdZnSe、 CdZnSeS、CdZnS、CdZnTe、InZnAs中的至少一种，壳包括ZnS、ZnSe、ZnSeS、CdS、CdSe、 CdSeS、ZnTe、CdTe、CdZnTe中的至少一种。
如图3所示，本发明公开了一种量子点彩膜基板200，包括衬底基板202、设置在衬底基板202上的用于分隔不同颜色的彩色子像素的黑矩阵204、分布在衬底基板202上的多个像素206、设置在像素206表面的保护膜208、以及设置在保护膜208表面的ITO导电膜210。每个像素206包括若干不同颜色的彩色子像素212，至少一个彩色子像素212采用如上所述的量子点光刻胶制得。量子点光刻胶经转印、涂覆、印刷、喷墨打印、电着法、光刻等方法设置在彩色子像素106上。彩色子像素212包括红色子像素212A、绿色子像素212B、蓝色子像素212C。红色子像素212A包括红光量子点材料，绿色子像素212B包括绿光量子点材料，蓝色子像素212C包括蓝光量子点材料或透明材料。量子点材料被激发后产生的光与对应的彩色子像素212的颜色相同。
在一个具体实施方式中，量子点彩膜基板200还包括设置在彩色子像素上的滤光层(图中未示出)，用于进一步吸收未激发量子点材料的光线。滤光层包括感光性树脂组合物，具体包括包括碱可溶性树脂、可聚合单体、引发剂、黄色颜料、分散剂、添加剂和溶剂。
本发明还一种显示装置，包括背光源和如上所述的量子点彩膜基板200，背光源发出的光线波长小于所述量子点彩膜基板中的量子点材料被激发后发出的光线波长。显示装置包括液晶面板、电子纸、OLED面板、手机、平板电脑、电视机、显示器、笔记本电脑、数码相框、导航仪等任何具有显示功能的产品或部件。
在一个优选实施方式中，背光源为蓝色发光二极管，发射光线的波长范围为440‐470nm。蓝色光线照射到红光量子点上后，红光量子点受到蓝色光线的激发而发出红色的光线，红色光线从彩色子像素的出光侧射出；蓝色光线照射到绿光量子点上后，绿光量子点受到蓝色光线的激发而发出绿色的光线，绿色光线从彩色子像素的出光侧射出；当蓝色光线照射到光扩散剂时，光扩散剂能够对蓝色光线进行折射，蓝色光线被折射后，一部分蓝色线会被折射至量子点上，继续激发出红或绿光线，另一部分未被折射至量子点上的蓝色光线，从彩色子像素的出光侧射出。蓝色光线照射到蓝色子像素上时完全通过，从彩色子像素的出光侧射出。蓝色子像素为透明区域。
当量子点的浓度足够大时，在没有滤光材料的情况下，蓝光可以被完全吸收。在一个优选的实施方式中，红光量子点在量子点光刻胶中的质量百分比不小于30％，光扩散剂在量子点光刻胶中的质量百分比不小于5％，红色子像素的厚度不低于2微米，蓝光完全被红色子像素吸收。绿光量子点在量子点光刻胶中的质量百分比不小于20％，光扩散剂在量子点光刻胶中的质量百分比不小于10％，绿色子像素的厚度不低于2微米，蓝光完全被绿色子像素吸收。
在一个优选实施方式中，背光源为紫外光发光二极管，发射光线的波长范围为200‐400nm。
本发明还提供了一种量子点彩膜基板的制备方法，包括步骤：将量子点材料与光刻胶母液互溶后，设置到彩膜基板的玻璃基板表面，通过加热或者光照引发光刻胶单体和量子点材料发生共聚反应，固化为一个整体，然后再进一步设置保护层和导电膜。
实施例1
将含有200mg QD的吐温20修饰的量子点与500mg光刻胶母液混合，光刻胶母液包括括粘合剂、光刻胶单体、光或热引发剂、可溶解光刻胶的溶剂和活性添加剂；混合均匀，混合方式通过超声或搅拌的方式，搅拌的方式包括机械搅拌、磁力搅拌等；旋转蒸发溶剂，得到均匀分散的量子点光刻胶。将量子点光刻胶涂覆到具有黑色矩阵的玻璃基板上，通过光照或者加热进行光刻，形成彩色子像素；再依次设置保护层和ITO导电膜，形成量子点彩膜基板。
实施例2
将含有100mg QD的且聚合度为40的聚乙二醇修饰的量子点与500mg光刻胶母液混合，光刻胶母液包括括粘合剂、光刻胶单体、光或热引发剂、可溶解光刻胶的溶剂和活性添加剂；混合均匀后，混合方式通过超声或搅拌的方式，搅拌的方式包括机械搅拌、磁力搅拌等；旋转蒸发溶剂，得到均匀分散的量子点光刻胶。将量子点光刻胶涂覆到具有黑色矩阵的玻璃基板上，通过光照或者加热进行光刻，形成彩色子像素，再依次设置保护层和ITO导电膜，形成量子点彩膜基板。
实施例3
将含有100mg QD的且聚合度为40的聚乙二醇修饰的量子点、20mg粒径为1微米的二氧化硅微球与500mg光刻胶母液混合，光刻胶母液包括括粘合剂、光刻胶单体、光或热引发剂、可溶解光刻胶的溶剂和活性添加剂，二氧化硅微球表面修饰有聚乙二醇链段和丙烯基；混合均匀后，混合方式通过超声或搅拌的方式，搅拌的方式包括机械搅拌、磁力搅拌等；旋转蒸发溶剂，得到均匀分散的量子点光刻胶。将量子点光刻胶涂覆到具有黑色矩阵的玻璃基板上，通过光照或者加热进行光刻，形成彩色子像素，再依次设置保护层和ITO导电膜，形成量子点彩膜基板。
尽管发明人已经对本发明的技术方案做了较详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例作出修改和/或变通或者采用等同的替代方案是显然的，都不能脱离本发明精神的实质，本发明中出现的术语用于对本发明技术方案的阐述和理解，并不能构成对本发明的限制。

Claims (13)

1.一种量子点光刻胶，包括光刻胶母液和均匀分散在所述光刻胶母液中的量子点，所述光刻胶母液包括粘合剂、光刻胶单体、光引发剂或热引发剂、可溶解光刻胶的溶剂和活性添加剂，其特征在于，所述量子点的表面配体包括能与所述光刻胶单体发生共聚的可聚合基团，所述量子点光刻胶经光照或者加热后，所述量子点的表面配体与所述光刻胶单体发生共聚，所述量子点的表面配体的末端基团为所述光刻胶单体，所述量子点材料的表面配体还包括分子量在1000以内的并且可与所述光刻胶母液均匀混溶的交联基团，所述交联基团包括具有路易斯碱功能的取代或者未被取代的聚硅氧链段。
2.根据权利要求1所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述量子点的质量百分比为5％～50％，所述粘合剂的质量百分比为5％～30％，所述单体的质量百分比为 2％～18％，所述光引发剂的质量百分比为0.5％～6％，所述可溶解光刻胶的溶剂的质量百分比为20％～70％，所述活性添加剂的质量百分比为1％～5％。
3.根据权利要求1或2所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述量子点光刻胶还包括均匀分散在所述光刻胶母液中的滤光材料，所述滤光材料用于吸收未激发量子点材料的光线。
4.根据权利要求3所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述滤光材料在所述量子点光刻胶中的质量分数范围为0.1%-5%。
5.根据权利要求1所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述可聚合基团包括双键、取代或者不取代的丙烯基。
6.根据权利要求1所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述交联基团还包括被取代或未被取代的聚乙二醇链段。
7.根据权利要求1所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述量子点光刻胶还包括均匀分散在所述光刻胶母液中的光扩散剂。
8.根据权利要求7所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述光扩散剂为具有表面改性基团的无机纳米颗粒，所述表面改性基团与所述量子点的表面配体交联混溶，所述量子点吸附在所述光扩散剂表面。
9.根据权利要求8所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述量子点光刻胶经光照或者加热后，所述无机纳米颗粒的表面改性基团与所述量子点的可聚合基团和所述光刻胶单体发生共聚。
10.根据权利要求1所述的量子点光刻胶，其特征在于：所述量子点为核壳结构，所述核包括CdSe、CdS、CdTe、ZnTe、ZnSe、ZnS、InP、InAs、GaN、GaP、InZnP、InGaP、InGaZnP、GaAs、CdZnSe、CdZnSeS、CdZnS、CdZnTe、InZnAs中的至少一种，所述壳包括ZnS、ZnSe、ZnSeS、CdS、CdSe、CdSeS、ZnTe、CdTe、CdZnTe中的至少一种。
11.一种量子点彩膜基板，包括衬底基板和分布在所述衬底基板上的多个像素，每个像素包括若干不同颜色的彩色子像素，其特征在于，至少一个所述彩色子像素采用权利要求1-10中任一所述的量子点光刻胶制得。
12.根据权利要求11所述的量子点彩膜基板，其特征在于：所述彩色子像素包括红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素，所述红色子像素包括红光量子点材料，所述绿色子像素包括绿光量子点材料；所述蓝色子像素包括蓝光量子点材料或透明材料。
13.一种显示装置，其特征在于，包括背光源和权利要求11-12中任一所述的量子点彩膜基板，所述背光源发出的光线波长小于所述量子点彩膜基板中的量子点材料被激发后发出的光线波长。
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