一種主動增亮膜及其制備方法與流程

技術領域

本發明屬于光學膜生產制造技術領域，具體涉及一種主動增亮膜及其制備方法。

背景技術：

半導體照明和顯示是一種基于高效白光發光二極管（White Light Emitting Diode，WLED）的新型照明和顯示技術。相比傳統光源，具有發光效率高、耗電量少、可靠性高和壽命長等優點，被公認為21世紀最具發展前景的高技術領域之一。在量子點LED背光+液晶面板方式的新型寬色域LED顯示中，DBEF（Dual Brightness Enhancement Film）是一種由多層折射率各向異性薄膜材料交疊而成的增亮膜。從量子點LED發出的無偏光，入射到DBEF后，P偏振光通過；而S偏振光被DBEF反射，經過背光模組基板的漫反射后又變為無偏光，再次入射到DBEF。這樣通過DBEF可以將S偏振光循環利用，從而提高入射到液晶面板中光能量的利用率，在LED顯示中的作用非常重要。但是，DBEF長期以來主要被美國3M一家公司所壟斷，價格昂貴，是LED背光模組各光學薄膜中成本最高的部分。“去DBEF”高光能量利用率技術成為LED顯示技術中的研究熱點，同時也是難點。

基于量子點材料的寬色域LED顯示是顯示技術的主要發展趨勢，同時，如何在無DBEF情況下實現LED背光出射P偏振態光線，打破美國3M公司的壟斷，對于白光LED的應用，特別是量子點發光二極管（QLED）背光顯示方面非常重要，已成為新一代LED顯示技術發展的關鍵點之一。

量子棒（Quantum Rod）是一種長棒狀的納米光學材料，與量子點一樣也具有核殼結構（例如CdSe/ZnS）和較窄的FWHM（寬色域）。量子棒具有以下幾個明顯的優點：單個量子棒能輻射出比單個量子點更亮的熒光；通過控制量子棒的直徑，可以改變材料的帶隙能量，從而調節受激熒光的輻射峰；通過控制量子棒長徑比，可以調節材料的斯托克斯頻移；量子棒的受激輻射熒光具有線偏振特性，偏振的程度取決于量子棒長徑比。因此，量子棒兼具寬色域和線偏振光的特點，非常有望成為新一代寬色域、低成本（無DBEF）LED顯示技術的關鍵核心材料，突破現有LED顯示技術瓶頸。

目前關于量子棒的研究相對于量子點較少，而且大部分又是面向熒光標記和化學催化等領域，缺少面向寬色域LED顯示的量子棒及量子棒增亮薄膜復合材料的研究工作。同時，由于氧氣、溫度和水汽等因素會對量子棒的發光效率、穩定性和使用壽命產生不良影響，量子棒無法直接用于白光LED，成為限制其產業化實施的瓶頸。需要將量子棒與一定載體材料相結合形成復合材料，并應具有：（1）較高發光效率；（2）較高抗氧氣水汽能力；（3）較高熱導率。但現有的復合材料無法同時滿足寬色域、線偏振光、抗氧濕能力強、熱導率高等要求。因此，開展新一代寬色域LED顯示用高效率、高穩定性的量子棒主動增亮膜復合材料應用研究，開發新型量子棒定向排列增亮膜制備工藝，分析其線偏振光學特性，實現高穩定性量子棒增亮膜量產技術，是重要而迫切的，具有重要理論意義和工程應用價值。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種成本低、能代替DBEF的主動增亮膜。

本發明的另一目的是提供該主動增亮膜的制備方法。

為達到上述目的之一，本發明采用以下技術方案：

一種主動增亮膜，所述增亮膜包括含有量子材料的聚合物薄膜層和含有金屬納米材料的聚合物薄膜層，所述量子材料呈定向排列，所述金屬納米材料呈定向排列，所述量子材料垂直于金屬納米材料的排列方向。

增亮膜至少有一層量子材料聚合物薄膜和一層金屬納米材料聚合物薄膜，也可以由兩層或兩層以上的量子材料聚合物薄膜和兩層或兩層以上的金屬納米材料聚合物薄膜組成。

進一步地，所述量子材料是量子棒、量子線或量子阱。

進一步地，所述量子棒的長度為10~50nm，半徑為0.5~10nm。

進一步地，所述量子材料為單核材料或者核殼包覆性材料。

進一步地，所述量子材料的核心發光納米晶體選自元素周期表中第II主族與第VI主族中的元素形成的第一化合物中的任意一種、第III主族與第V主族中的元素形成的第二化合物中的任意一種、所述第一化合物和/或所述第二化合物中的多種。所述第一化合物包括：CdSe、CdTe、MgS、MgSe、MgTe、CaS、CaSe、CaTe、SrS、SrSe、SrTe、BaS、BaSe、BaTe、ZnS、ZnSe、ZnTe和CdS；所述第二化合物包括：GaN、GaP、GaAs、InN、InP和InAs。核心發光納米晶體也可以選自CdSeS、CdZnSe、ZnSeS、CuInS₂、CuInSe₂、AgInS₂、ZnMnSe、CdPbX₃（X=Cl、Br、I）等。

量子材料外延的無機殼層可以是一層或者多層，殼層材料可以是CdS、ZnS、ZnSe、CdS/ZnS、CdS/ZnSe、CdZnSe、CdZnS等。

進一步地，所述金屬納米材料是金屬納米棒或金屬納米線。

進一步地，所述金屬納米棒的長度為5~500nm，半徑為0.5~100nm。

進一步地，所述金屬納米材料選自Au、Ag、Cu、Al、Fe、Zn的納米材料。

進一步地，所述聚合物薄膜層所用的聚合物材料選自PMMA、PVP、PVC、PVA中的至少一種。

一種制備上述的增亮膜的方法，包括以下步驟：

S1、將量子材料和聚合物制成聚合物薄膜A；

S2、將金屬納米材料和聚合物制成聚合物薄膜B；

S3、將聚合物薄膜A和聚合物薄膜B壓合制備成增亮膜。

進一步地，可以通過靜電紡絲、電磁場、模板法等方法使量子材料和金屬納米材料定向排列。

進一步地，可以通過旋凃法、澆筑法、噴墨法、靜電紡絲法等方法制備聚合物薄膜A、聚合物薄膜B。

量子材料在聚合物薄膜A中的質量分數是0.5~5%。

金屬納米材料在聚合物薄膜B中的質量分數是30~60%。

增亮膜的量子材料的排列方向垂直于納米金屬材料的排列方向，是基于時域有限差分方法進行的金屬納米材料偏振性能研究分析，光源經過定向排列的金屬納米材料時，p偏振光可以大量通過，而s偏振光則大部分被反射，而量子材料發射出的高度偏振的綠光和紅光的偏振方向沿著量子材料的軸向，所以為了能讓量子材料發射出的高度偏振的綠光和紅光能透過金屬納米材料聚合物，則需使量子棒的軸向成為p偏振方向，所以需要使量子材料的排列方向垂直于納米金屬材料的排列方向。

增亮膜在使用時，量子材料聚合物層置于鄰近光源的地方，量子材料可以最大效率的吸收光源所發射的藍色無偏振光，進而可以最大效率的發射出具有強烈偏振效果的綠光和紅光；如果量子材料聚合物層放置在離光源遠的地方，也就是說金屬納米材料聚合物層更接近于光源，則光源發出的藍光首先經過金屬納米材料，p偏振光透過，而s偏振光被反射，由此經過量子材料聚合物層時光源已被減弱，進而影響量子材料發出的高度偏振的綠光和紅光的效率。

本發明具有以下有益效果：

目前為止，還沒有文獻研究定向排列的量子材料的高度偏振性能，本發明基于時域有限差分方法進行的金屬納米材料偏振性能研究分析，研究在不同粒徑、長徑比、徑向和軸向占空比、不同材料、入射角等因素下偏振性能，提出一種把定向排列的量子材料應用到LED增亮膜的方法，這種主動增量膜可以在無DBEF情況下實現LED背光出射p偏振態光，而s偏振光則大部分被反射，打破美國3M公司的壟斷。

本發明利用定向排列的量子材料自身能夠發出偏振光和定向排列的金屬納米材料具有強烈偏振作用，除了得到光源波段偏振光以外，還可以得到量子材料受光源激發發射出的不同波段的偏振光，即可以同時獲取除藍色光源的偏振光，以及高度偏振紅色和綠色的偏振光，最終以最大效率同時得到藍色、紅色和綠色的偏振光。

本發明的聚合物復合材料可以有效地改善QREF的抗氧濕能力、熱導率性質，可以作為發光材料用于QLED背光顯示等多種用途。

本發明的主動增亮膜造價相對經濟，性能甚至比3M公司的DBEF膜更為優異，代替3M公司基于多層漫反射式增亮（DBEF）技術所形成的市場化產品，進而打破其市場壟斷。

綜上所述，本發明提供了一種基于量子材料和金屬納米材料的主動增亮膜，量子材料和金屬納米材料在聚合物層中獨特的排列方式可以滿足現有技術的要求，可以更好的運用于QLED背光顯示上。

附圖說明

圖1是實施例1主動增亮膜的結構示意圖；

圖2是實施例1量子棒在聚合物薄膜層的排列示意圖；

圖3是實施例1主動增亮膜的偏振性能分析結果。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明。

實施例1

將PVA制成溶液（濃度為10wt%），然后加入CdSe/CdS量子棒材料（長度為10~50nm，半徑為0.5~10nm），通過行星式重力攪拌機混合均勻，制成質量分數為1%的量子棒聚合物復合材料，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成量子棒定向排列的聚合物薄膜。

然后制備聚合物PVC溶液（濃度為10wt%），摻雜質量分數為30%的金屬Au納米棒（長度為5~500nm，半徑為0.5~100nm），通過行星式重力攪拌機混合均勻，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成金屬納米棒定向排列的聚合物薄膜。

兩層薄膜隨后經過覆膜機壓合制備成一張量子棒主動增亮膜，量子棒垂直于金屬納米棒的排列方向。

主動增亮膜的結構如圖1所示，2為量子棒聚合物薄膜層，3為金屬納米棒聚合物薄膜層。

量子棒在聚合物薄膜層的排列如圖2所示，量子材料在聚合物薄膜層的排列間隔可以相等也可以不相等，橫向間隔Lx為0~300nm，縱向間隔Ly為0~300nm。

金屬納米棒的排列與量子棒類似，排列間隔可以相等也可以不相等，橫向間隔Lx為0~300nm，縱向間隔Ly為0~300nm。

基于時域有限差分方法對該主動增亮膜進行偏振性能分析，光通過金屬納米棒陣列后的p光、s光的透過率（T）、反射率（R）和吸光度（A）如圖3所示，由圖可以看出，光經過金屬納米棒材料后，Tp比Ts高很多，說明p光透過的更多；Rs比Rp高很多，說明s光被反射的更多，所以，p偏振光可以大量通過，而s偏振光則大部分被反射。

實施例2

將PMMA制成溶液（濃度為5wt%），然后加入CdTe/CdS量子棒材料（長度為10~50nm，半徑為0.5~10nm），通過行星式重力攪拌機混合均勻，制成質量分數為1.5%的量子棒聚合物復合材料，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成量子棒定向排列的聚合物薄膜。

然后制備聚合物PVC溶液（濃度為15wt%），摻雜質量分數為60%的金屬Al納米棒（長度為5~500nm，半徑為0.5~100nm），通過行星式重力攪拌機混合均勻，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成金屬納米棒定向排列的聚合物薄膜。

兩層薄膜隨后經過覆膜機壓合制備成一張量子棒主動增亮膜，量子棒垂直于金屬納米棒的排列方向。

實施例3

向20wt%PVP溶液中加入ZnTe/CdZnS量子線材料，通過行星式重力攪拌機混合均勻，制成質量分數為0.5%的量子線聚合物復合材料，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成量子線定向排列的聚合物薄膜。

向30wt%PMMA溶液中加入金屬Ag納米線材料，過行星式重力攪拌機混合均勻，制成質量分數為30%的金屬納米線聚合物復合材料，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成金屬納米線定向排列的聚合物薄膜。

將兩層量子材料聚合物薄膜和兩層金屬納米材料聚合物薄膜壓合制備成一張主動增亮膜，量子線垂直于金屬納米線的排列方向。

實施例4

向8wt%PVC溶液中加入CdSeS/ZnSe量子阱材料，通過行星式重力攪拌機混合均勻，制成質量分數為5%的量子阱聚合物復合材料，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成量子阱定向排列的聚合物薄膜。

向21wt%PVP溶液中加入金屬Zn納米棒材料，過行星式重力攪拌機混合均勻，制成質量分數為60%的金屬納米棒聚合物復合材料，然后通過電磁場定向、靜電紡絲的制膜方法制成金屬納米棒定向排列的聚合物薄膜。

將兩層量子材料聚合物薄膜和一層金屬納米材料聚合物薄膜壓合制備成一張主動增亮膜，量子阱垂直于金屬納米棒的排列方向。

以上實施例中，可以通過靜電紡絲、電磁場、模板法等方法使量子材料和金屬納米材料定向排列；通過旋凃法、澆筑法、噴墨法、靜電紡絲法等方法制備聚合物薄膜。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。