CN110568692B - 一种基于相变材料及量子点的显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相变材料及量子点的显示器件，包括显示单元，所述显示单元包括多色量子点背光源和相变滤波器，所述多色量子点背光源包括基底和多色量子点发光组件，该多色量子点发光组件设置在该基底的上表面上，以用于发射复色光；所述相变滤波器包括从下至上依次设置的隔离层、第一F‑P谐振腔、相变材料层和第二F‑P谐振腔，在相变材料层上施加电压进行电刺激或照射激光进行激光刺激，利用所述相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。本发明能实现颜色的调制，能透过15％以上的一定波长可见光，有效提高透光比例。

Description

一种基于相变材料及量子点的显示器件

技术领域

本发明属于相变材料领域，更具体地，涉及一种基于相变材料及量子点的显示器件。

背景技术

传统的液晶显示技术采用LED白色背光源发光，下偏振片会将LED发出的非偏振光转化为偏振光，50％的光线被吸收，上下偏振片因材料本身的吸光，导致其透光比例约为95％；薄膜晶体管、彩色滤光膜基板玻璃以及液晶本身的透光比例也约为95％；彩色滤光膜层一般涂有红、绿、蓝三原色中的一种色彩，只能容许该色彩的光波通过彩色滤光膜层，以红、绿、蓝三原色来说，只能容许三种的其中一种通过，所以只有三分之一的光线可以穿透，彩色滤光膜层因本身的材质对光线的吸收，单色光只有约85％的透过率，因此彩色滤光膜层光线透过比例约为28％。综合以上各种因素的影响，从LED背光源到液晶模组穿过的光线，只有大概11％可以透过，同时由于面板子像素开口率的影响，会损失50％左右的光线，最终透射来的光线仅有5％左右，效率低下。

此外，由于传统的液晶显示器的薄膜晶体管在介电、电极及内部接线使用铟锡氧化物(ITO)作为透明导电材料，而ITO作为一种脆性材料，仅能制备在刚性玻璃基板上，导致液晶显示器件灵活性差、耐用程度低、意外损伤概率高。

另一方面，为了降低功耗，有人提出了反射式相变显示器。在反射显示器中，置于相变材料下方的镜子将入射到显示器上的环境光反射回来，从而有效地通过相变材料层两次，通过调制相变材料的状态调节反射光的特性。然而，在弱环境光下，反射式显示器亮度低而不能使用。为此，有人提出了半反半透相变显示器和全透射式相变显示技术，提供的LED背光源发出的白光经过相变材料后依然有较宽的带宽，色彩纯度不高，且对比度差导致显示效果不佳。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相变材料及量子点的显示器件，利用相变滤波器在非晶态和晶态之间相互转化时具有不同的透过率，对其施加不同的电压脉冲实现颜色的调制，能透过15％以上的一定波长可见光，有效提高透光比例。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，包括显示单元，所述显示单元包括多色量子点背光源和相变滤波器，其中，

所述多色量子点背光源包括基底和多色量子点发光组件，该多色量子点发光组件设置在该基底的上表面上，以用于发射复色光；

所述相变滤波器包括从下至上依次设置的隔离层、第一F-P谐振腔、相变材料层和第二F-P谐振腔，所述隔离层设置在所述多色量子点发光组件上，所述第一F-P谐振腔和第二F-P谐振腔结构相同并且均具有相互平行的上、下金属层，所述第一F-P谐振腔的上金属层和第二F-P谐振腔的下金属层分别作为相变材料层的下、上电极，以用于在相变材料层上施加电压，通过所述相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。

优选地，所述显示单元设置有多个，通过多个所述多色量子点背光源和相变滤波器分别对各多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得不同波长和强度的单色光，进而利用这些单色光的组合实现色彩的显示。

优选地，所述相变材料层在晶态和非晶态之间相互转化时，其折射率n和消光系数k也随着变化。

优选地，所述相变材料层的相变材料为GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe或AgSbTe。

优选地，所述相变材料层的厚度小于100nm。

优选地，所述第一F-P谐振腔还包括介质层，所述上、下金属层夹住所述介质层，所述金属层的金属为Ag、Al、Au、Cu或Pt，并且单层所述金属层的厚度小于50nm，所述介质层的材料为SiO₂、HfO、Al₂O₃、ZnO、ZnS、In₂O₃、TiO₂、Si₃N₄或MgF₂并且该介质层的厚度是10nm-300nm。

优选地，所述基底为玻璃基底或柔性衬底，该柔性衬底的材料为PET、PEN、PDMS或PC。

优选地，所述第二F-P谐振腔的上表面沉积有一层防反射涂层，该防反射涂层的材料为ZnO、ZnS或TiO2，厚度为10nm-300nm。

优选地，所述隔离层的材料可以是SiO₂、HfO、Al₂O₃、ZnO、In₂O₃、TiO₂、Si₃N₄或MgF₂，隔离层的厚度为10nm～300nm。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，包括显示单元，所述显示单元包括多色量子点背光源和相变滤波器，其中，

所述多色量子点背光源包括基底和多色量子点发光组件，该多色量子点发光组件设置在该基底的上表面上，以用于发射复色光；

所述相变滤波器包括从下至上依次设置的隔离层、第一F-P谐振腔、相变材料层和第二F-P谐振腔，所述隔离层设置在所述多色量子点发光组件上，通过在所述相变材料层上照射激光让所述相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化，并通过相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明多色量子点背光源发光具有光谱集中、色彩纯度高的优点，利用相变滤波器代替传统的偏振器、滤光片、液晶等多层装置，使多色量子点背光源的传输效率大大提高，而且相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化，可以选择透过所需波长和强度的单色光。

2)多色量子点发光组件和相变滤波器均可沉积在诸如PET、PEN、PDMS、PC等柔性衬底上制成柔性显示器件，提高显示器件灵活性、耐用程度，降低器件的意外损坏概率，可应用于穿戴式设备中，提高可穿戴式设备的舒适度。

附图说明

图1、图2是本发明显示器件的两种实施例的结构示意图。

图3、图4和图5是根据本发明实施例2的相变滤波器分别在多色量子点背光源下显示出的RGB三原色的透射谱，其中，图3为红色单色光的透射谱，图4为绿色单色光的透射谱，图5为蓝色单色光的透射谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明旨在提供一种新型的显示器件，其背光源发光效率高，响应速度快，显示色域光，色彩还原能力强等，且该显示器件能制备在柔性衬底上，应用于可穿戴式设备。

实施例1

参照图1，该显示器件包括一个以上的显示单元，所述显示单元包括多色量子点背光源和相变滤波器，所述多色量子点背光源包括基底1和设置在所述基底1上表面上的多色量子点发光组件2，该多色量子点发光组件2用于发射复色光，复色光可以是RGB三原色形成的复色光，也可以是CMY三原色形成的复色光，所述相变滤波器包括从下至上依次设置的隔离层3、第一F-P谐振腔4、相变材料层5和第二F-P谐振腔6，隔离层3设置在所述多色量子点发光组件2上。第一F-P谐振腔4和第二F-P谐振腔6的结构相同且均具有相互平行的上、下金属层，第一F-P谐振腔4的上金属层和第二F-P谐振腔6的下金属层分别作为相变材料层5的下、上电极，以用于对相变材料层5施加电压进行电刺激。所述隔离层3用于将量子点发光组件与基于相变材料的滤波组件隔离开来以防止扩散，隔离层3的材料可以是SiO₂、HfO、Al₂O₃、ZnO、In₂O₃、TiO₂、Si₃N₄、MgF₂，隔离层的厚度为10nm到300nm。

此外，还可以通过在所述相变材料层上照射激光让所述相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化，并通过相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。

多色量子点发光组件2发出的复色光透过隔离层3后在相变滤波器调制透射光强度。相变材料层5的相变材料在电刺激或激光刺激下，在非晶态和晶态之间相互转化，发生晶化状态的改变，从而使光的透射率发生变化。相变滤波器的电极是第一F-P谐振腔4的上金属层和第二F-P谐振腔6的下金属层，可以通过对电极施加电压来控制相变材料的晶化状态。具体地，对相变材料施加一个长且强度中等的电压或者激光脉冲，相变材料的温度升高到结晶温度以上熔化温度以下的温度区间，并保持设定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变；对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变，通过相变材料层5的相变材料在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件2发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。此外，非晶态与晶态的相互转变不仅仅局限于施加电流脉冲诱导加热，其它任何电磁场诱导的加热都可以。

相变材料层5的相变材料可以包括下列硫系化合物及其合金，包括但不限于：GeTe、SbTe,BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe、AgSbTe、Ag₂In₄Sb₇₆Te₁₇(AIST)，此外，上述各化学式中的原子百分比可变。相变材料层5可进一步包含至少一种掺杂剂，如C、N。优选地，相变材料选择Sb₂Te₃，相同厚度下Sb₂Te₃在相变前后发生的透射率变化最大，且Sb₂Te₃的相变温度较低，转变所需要的电压或激光的幅值低，脉宽窄，便于降低整个器件的能耗及提高相变材料的响应速度，从而提升显示器件的图像刷新率，展现出更好的动画显示效果。

相变滤波器既要滤光，又要透光，因此，对于相变滤波器的第一F-P谐振腔4的上金属层、相变材料层5和第二F-P谐振腔6的厚度也是有要求的。

相变材料层5的厚度少于100nm，由于相变材料层5的厚度的增加会使得可见光的透过率降低，且相变材料晶化所需的温度也越高，较合适的厚度是35nm，厚度较低时虽然有较大的透射变化率，但即使在晶化状态依然有较高的透过率，所以不利于显示器件的全黑显示。相变材料层5的相变材料可以用激光驱动，也可以用电压驱动，电压驱动时，在第一F-P谐振腔4的上金属层和第二F-P谐振腔6的下金属层上施加电压。

所述第一F-P谐振腔4和第二F-P谐振腔6均由上、下两层金属层夹一层对入射波低吸收的介质层形成。每层金属层的材料可以是Ag、Al、Au、Cu或Pt等，金属层的厚度低于50nm，较合适的厚度是10nm-20nm，当厚度较大时，金属层的反射率过高，会降低相变滤波器的透射率，所以不利于显示器件的效率。介质层的材料包括但不限于SiO₂、HfO、Al₂O₃、ZnO、ZnS、In₂O₃、TiO₂、Si₃N₄、MgF₂。优选地，介质层的厚度为10nm-300nm。

本实施在多色量子点背光源发出的光为复色光时，为提高单色光的纯度和透过比例，通过优化结构使得固定波长可见光穿过而其余波段透射率较低或不透射，且在相变材料层5相变前后有较大透射率变化，第一F-P谐振腔4和第二F-P谐振腔6的主要作用是使透过相变滤波器的复色光能过滤为纯度较高的单色光，相变材料层5的主要作用是调制光强度。

一系列排成阵列的显示单元可以组合在一起使用，每个相变材料层5相当于一个子像素点，可以从这些相变材料层5透过红色、绿色或蓝色的单色光，透红色的相变材料层5可以看作红色子像素点，透绿色的相变材料层5可以看作绿色子像素点，透蓝色的单色光的相变材料层5可以看作蓝色子像素点，从而可以基于红、绿、蓝这三原色的单色光组合来在显示器件上显示各种颜色，各个相变材料层5透过的单色光都能够通过寻址来单独控制(通过电刺激或激光刺激单独控制)。

实施例2

由于第二F-P谐振腔6的上金属层与空气或衬底接触，当光线直接出射时，由于金属层的高反射率，使一部分光反射而损失透射光的光强度，降低了相变滤波器的效率，在上金属层上沉积一层防反射涂层7(高折射率材料)来避免金属层与空气的直接接触，来降低光线的反射率，可以大大提高相变滤波器的效率，通过结构优化使防反射层厚度、第一F-P谐振腔4和第二F-P谐振腔6的厚度与相变材料的厚度相匹配，最终将相变滤波器的效率和透射光纯度达到最大。在本实施例中，增加防反射涂层7来避免金属层/空气和金属层/衬底的直接接触，来降低光线的反射率，提高相变滤波器的效率。

参照图2，其为实施例1的增强实施例，其与实施例1的不同之处在于，其是在实施例1的第二F-P谐振腔6的上金属层上沉积了一层防反射涂层7(其它结构相同)。如图2所示单色光从防反射涂层7穿出，防反射涂层7的材料为对入射波低吸收且折射率高的材料，该对入射波低吸收的材料包括但不限于ZnO、ZnS、TiO2，上述提到的入射波低吸收的材料的各化学式的原子百分比可调。优选地，防反射涂层7选择ZnS。防反射涂层7的典型厚度范围为10nm-300nm。针对穿过相变材料层5的不同颜色的单色光，防反射涂层7厚度不同，优选对于红色单色光的防反射涂层7厚度为104nm，优选的对于绿色单色光的防反射涂层7厚度为52nm，优选的蓝色单色光的防反射涂层7厚度为52nm。

进一步，F-P谐振腔的金属层材料优选为Ag，介质层的材料优选为ZnS，金属层的优选厚度是10nm-100nm，Ag作为金属层时优选的厚度是15nm。介质层的优选厚度是10nm-300nm。金属层和介质层厚度的组合取决于所需要透过的单色光的中心波长。不同单色光的F-P谐振腔的厚度不同，优选对于红色单色光，金属层和介质层的厚度分别为15nm和86nm，优选对于绿色单色光G，金属层和介质层的厚度分别为15nm和192nm，优选对于蓝色单色光，金属层和介质层的厚度分别为15nm和166nm。

当相变材料在晶态和非晶态之间转变的时候其折射率变化很大。相变材料在晶态和非晶态这两种状态下均是稳定的，这意味着当相变材料处在稳定的状态下时(非转变)，可以移除电压或者激光，所以该显示器件消耗的功耗很低。该显示器件的分辨率与相变材料层5的布置密度相关，若将其应用在21寸的显示器上分辨率高达64K以上；相变材料在非晶态与晶态之间的转换速度同样很快，小于100ns，比人类眼镜可以感知的速度快好几倍。

图3，图4和图5为图2所示显示器件的透射率。经过优化第一F-P谐振腔4、第二F-P谐振腔6和防反射涂层7的厚度，图3，图4和图5展现了基于相变材料的滤波组件对可见光范围内的在晶态和非晶态下的透射率。对于红色单色光，其中心波长为645nm，如图3，中心波长为645nm的红色单色光的非晶状态下透射率为25％以上，晶化状态下的透射率不到7％。对于绿色单色光，其中心波长为530nm，如图4，中心波长为530nm的绿色单色光的非晶状态下透射率为16％以上，晶化状态下的透射率不到5％。对于蓝色单色光，其中心波长为470nm，如图5，中心波长为470nm的蓝色单色光的非晶状态下透射率为15％以上，晶化状态下的透射率6％左右。通过施加不同的电压，或者调整激光功率，使相变材料层5由非晶态到部分晶化到完全晶化，以使设定波长的单色光可穿过相变材料层5而其它波长的光无法穿过相变材料层5，以及选择透过的单色光的强度。比如20％晶化，40％晶化等可以得到混合相，部分晶化可以简单的通过在转换过程中限制电流的最大值或者激光功率来实现。完全非晶和完全晶化间的材料的透射率取决于部分晶化的程度。典型地可以得到16和64个混合相之间的相态，并且在合适的控制下可以得到更多的相，如1024个。因此，图2的显示器件通过控制电压，改变相变滤波器的透射率，进而调整各红、绿、蓝单色光的强度的不同配比，最终实现全色彩显示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，包括显示单元，所述显示单元包括多色量子点背光源和相变滤波器，其中，

所述多色量子点背光源包括基底和多色量子点发光组件，该多色量子点发光组件设置在该基底的上表面上，以用于发射复色光；

所述相变滤波器包括从下至上依次设置的隔离层、第一F-P谐振腔、相变材料层和第二F-P谐振腔，所述隔离层设置在所述多色量子点发光组件上，所述第一F-P谐振腔和第二F-P谐振腔结构相同并且均具有相互平行的上、下金属层，所述第一F-P谐振腔的上金属层和第二F-P谐振腔的下金属层分别作为相变材料层的下、上电极，以用于在相变材料层上施加电压，通过所述相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述显示单元设置有多个，通过多个所述多色量子点背光源和相变滤波器分别对各多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得不同波长和强度的单色光，进而利用这些单色光的组合实现色彩的显示。

3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述相变材料层在晶态和非晶态之间相互转化时，其折射率n和消光系数k也随着变化。

4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述相变材料层的相变材料为GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe或AgSbTe。

5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述相变材料层的厚度小于100nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述第一F-P谐振腔还包括介质层，所述上、下金属层夹住所述介质层，所述金属层的金属为Ag、Al、Au、Cu或Pt，并且单层所述金属层的厚度小于50nm，所述介质层的材料为SiO₂、HfO、Al₂O₃、ZnO、ZnS、In₂O₃、TiO₂、Si₃N₄或MgF₂并且该介质层的厚度是10nm-300nm。

7.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述基底为玻璃基底或柔性衬底，该柔性衬底的材料为PET、PEN、PDMS或PC。

8.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述第二F-P谐振腔的上表面沉积有一层防反射涂层，该防反射涂层的材料为ZnO、ZnS或TiO2，厚度为10nm-300nm。

9.根据权利要求1所述的一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，所述隔离层的材料可以是SiO₂、HfO、Al₂O₃、ZnO、In₂O₃、TiO₂、Si₃N₄或MgF₂，隔离层的厚度为10nm～300nm。

10.一种基于相变材料及量子点的显示器件，其特征在于，包括显示单元，所述显示单元包括多色量子点背光源和相变滤波器，其中，

所述多色量子点背光源包括基底和多色量子点发光组件，该多色量子点发光组件设置在该基底的上表面上，以用于发射复色光；

所述相变滤波器包括从下至上依次设置的隔离层、第一F-P谐振腔、相变材料层和第二F-P谐振腔，所述隔离层设置在所述多色量子点发光组件上，通过在所述相变材料层上照射激光让所述相变材料层在非晶态和晶态之间相互转化，并通过相互转化时的透射率变化来对多色量子点发光组件发出的复色光进行过滤，从而获得所需波长和强度的单色光，进而实现色彩的显示。

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