光子晶体复合彩膜、制作方法、彩色滤光基板与流程

本公开一般涉及显示技术领域，具体涉及光子晶体复合彩膜、制作方法、彩色滤光基板。

背景技术：

量子点是能够发光的纳米级半导体晶体，粒径一般介于1～10nm之间，相当于10～50个原子大小，量子点当受到光的激发时，将会发出明亮的有光谱纯色的可见光；光子晶体是一种具有光子带隙的周期性介电结构，由于光子禁带的存在，频率落在禁带区域内的光波不能在光子晶体中传播，故其能够选择性的反射特定频率的光波，而频率位于禁带区域外的光则能够在其中传播。

已知在显示技术领域，将量子点材料和光子晶体结合用于显示的技术，利用量子点混合到光子晶体内部，用白光激发量子点，使其发出相应rgb光波，其中的光子晶体起到选择性透光的作用；但是其存在明显缺陷，量子点位于光子晶体内部，白光到达量子点材料前必然会被光子晶体选择性屏蔽一部分光，只能透过相应少量光到达量子点，影响光利用效率。

另外，采用蓝光激发量子点发出光波，通过具有缺陷态的一维光子晶体选择性透过r、g、b光波时，一维光子晶体由两种不同折射率介质材料交替堆叠而成，通常至少做十层才会体现出其对光波的选择性，工艺难度极高，并且一维光子晶体通常具有角度依存性，即不同视角观看颜色不一致。

技术实现要素：

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

基于上述技术现状，本申请在第一方面提出一种光子晶体复合彩膜，所述光子晶体复合彩膜包括：

光通道层，包括上下相叠的第一光子晶体层和第二光子晶体层，被配置为包括阵列排布的光通道单元，在各所述光通道单元中，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带不同，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带的组合使得仅允许红光、绿光或蓝光通过所述光通道单元；以及

量子点材料层，其设置在所述光通道层的一侧，包括阵列排布的红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域，所述红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域分别和所述光通道层中的红光通道单元和绿光通道单元相对应。

根据本申请实施例实现的光子晶体复合彩膜，通过将量子点材料设置到光子晶体外部，量子点模块仅包含红、绿量子点发光材料，可以采用蓝光作为激发光源，减少蓝色量子点材料的使用，降低成本，并且光子晶体对对应原色光通道内传播的原色光吸收极弱，可显著提高彩膜的透过率。

根据具体实施例，所述光子晶体复合彩膜还包括：反射增强层，设置在所述量子点材料层的远离所述光通道层的一侧，包括相叠的第三光子晶体层和第四光子晶体层，第三光子晶体层由光子禁带位于红光和绿光中之一颜色区域的光子晶体组成，第四光子晶体层被配置为光子禁带位于红光和绿光中另一颜色区域的光子晶体组成。通过设置反射增强层，可以使得量子点材料层向下反射的红、绿光不能在反射增强层中传播，从而全部反射向光通道层的出光面，故可显著提高光的利用率及透射光强度、降低光损失。

根据具体实施例，第一光子晶体层由光子禁带分别位于第一原色光区域和第二原色光区域的光子晶体组成，第二光子晶体层由与第一光子晶体层的对应位置处的光子晶体的光子禁带不同的光子晶体组成。根据这种设置，从量子点材料层出射的三种原色光，经过第一光子晶体层和第二光子晶体层的反射筛选后，仅能通过对应的原色光通道出射到光通道层上方，保证了原色光的单一性和透射光强度。

根据具体实施方式，第一光子晶体层是光子禁带分别位于蓝光区域和红光区域的光子晶体组成；第二光子晶体层由对应位置处光子禁带分别位于红光区域和绿光区域的光子晶体组成。

根据具体实施例，所述反射增强层还包括平坦化层，所述平坦化层覆盖所述第四光子晶体层，形成平坦表面。通过这种设置，填补红、绿量子材料填充区域以外的空隙，在量子点材料层外侧形成平坦表面，有利于提高外部光线的透射率。

根据具体实施例，所述第一层光子晶体和第二层光子晶体的厚度为400nm-80um。

根据具体实施例，所述第三层光子晶体和第四层光子晶体的厚度为400nm-80um。

根据具体实施例，所述量子点材料层的厚度为40nm-40um。

根据具体实施例，所述光子晶体的材料为高折射率的单分散胶体微球，对应的红、绿、蓝微球粒径依次为：190-210nm，160-180nm，130-150nm。

根据本申请的第二方面，还提供一种光子晶体复合彩膜的制作方法，所述方法包括：

首先，采用喷墨打印方法在玻璃基板上打印光通道层，包括上下相叠的第一光子晶体层和第二光子晶体层，包括阵列排布的光通道单元，在各所述光通道单元中，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带不同，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带的组合使得仅允许红光、绿光或蓝光通过所述光通道单元；以及

其次，在所述光通道层的一侧喷墨打印量子点材料层，包括阵列排布的红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域，所述红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域分别和所述光通道层中的红光通道单元和绿光通道单元相对应。

根据本申请实施例的光子晶体复合彩膜制作方法，采用喷墨打印技术实现光子晶体光通道的快速大面积构建，工艺难度较低，易于工业化，且可显著提高制作的复合彩膜的透过率和透射光的纯度。

根据具体实施例，所述方法还包括：在量子点材料层上方涂敷平坦化层，使量子点材料层表面平坦。

根据具体实施例，所述方法还包括：在所述平坦化层上面喷墨打印反射增强层，所述反射增强层自上而下由相叠的第三光子晶体层和第四光子晶体层组成，第三光子晶体层由光子禁带位于红光和绿光中之一颜色区域的光子晶体组成，第四光子晶体层被配置为光子禁带位于红光和绿光中另一颜色区域的光子晶体组成。

本申请在第三方面还提供一种彩色滤光基板，所述彩色滤光基板包括玻璃基板和在所述玻璃基本之上布置的根据任一技术方案所述的光子晶体复合彩膜。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1是根据本申请的一个实施例提供的光子晶体复合彩膜的组成示意图；

图2是根据本申请的一个实施例提供的光子晶体复合彩膜的不同组成结构的示意图；

图3是根据本申请的一个实施例提供的光子晶体复合彩膜的制作方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

图1为根据一个实施例提供的光子晶体复合彩膜的截面组成示意图。如图1所示，光子晶体复合彩膜包括：

光通道层，包括上下相叠的第一光子晶体层和第二光子晶体层，被配置为包括阵列排布的光通道单元，在各所述光通道单元中，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带不同，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带的组合使得仅允许红光、绿光或蓝光通过所述光通道单元；以及

量子点材料层，其设置在所述光通道层的一侧，包括阵列排布的红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域，所述红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域分别和所述光通道层中的红光通道单元和绿光通道单元相对应。

根据本申请实施例实现的光子晶体复合彩膜，通过将量子点材料设置到光子晶体外部，量子点模块仅包含红、绿量子点发光材料，可以采用蓝光作为激发光源，减少蓝色量子点材料的使用，降低成本，并且光子晶体对对应原色光通道内传播的原色光吸收极弱，可显著提高彩膜的透过率。

根据具体实施例，第一光子晶体层由光子禁带分别位于第一原色光区域和第二原色光区域的光子晶体组成，第二光子晶体层由与第一光子晶体层的对应位置处的光子晶体的光子禁带不同的光子晶体组成。根据这种设置，从量子点材料层出射的三种原色光，经过第一光子晶体层和第二光子晶体层的反射筛选后，仅能通过对应的原色光通道出射到光通道层上方，保证了原色光的单一性和透射光强度。

对于光子晶体的设计如下：光子晶体的结构生色的基本原理可由bragg衍射解释，根据bragg衍射基本公式可计算光子晶体理论反射锋的位置：

neff为有效折射率，nsphere为光子晶体材料的折射率，nair为空气折射率，fsphere和fair为光子晶体中球形纳米材料与空气的体积比，θ为光线入射角度，d为微球的直径。

若光子晶体有效折射率足够大，可近似忽略光线入射角度对光子晶体衍射峰的影响，故从此处采用折射率大于2的高折射率材料。以硫化镉(折射率2.51)纳米微球作为构筑光子晶体的材料为例，红绿蓝光子晶体的微球粒径大小分别位于190-210nm，160-180nm，130-150nm；其对应反射锋位置分别位于610-680nm(红光区域)，520-580nm(绿光区域)，420-485nm(蓝光区域)。

根据具体实施例，所述光子晶体复合彩膜还包括：反射增强层，设置在量子点材料层的远离光通道层的一侧，包括相叠的第三光子晶体层和第四光子晶体层，第三光子晶体层由光子禁带位于红光和绿光中之一颜色区域的光子晶体组成，第四光子晶体层被配置为光子禁带位于红光和绿光中另一颜色区域的光子晶体组成。通过设置反射增强层，可以使得量子点材料层向下反射的红、绿光不能在反射增强层中传播，从而全部反射向光通道层的出光面，故可显著提高光的利用率及透射光强度、降低光损失。

根据具体实施方式，第一光子晶体层是光子禁带分别位于蓝光区域和红光区域的光子晶体组成；第二光子晶体层由对应位置处光子禁带分别位于红光区域和绿光区域的光子晶体组成。这是上述技术方案的一种具体的实施方式。

根据具体实施例，所述反射增强层还包括平坦化层，所述平坦化层覆盖所述第四光子晶体层，形成平坦表面。通过这种设置，填补红、绿量子材料填充区域以外的空隙，在量子点材料层外侧形成平坦表面，有利于提高外部光线的透射率。

根据一种具体的实施方式，在图1的示意图中，基板1采用透明玻璃，光通道层的第一光子晶体层由光子禁带位于红光区域2-2和蓝光区域2-1的光子晶体组成，第二光子晶体层由光子禁带位于绿光区域2-3和红光区域2-2的光子晶体组成，且第一光子晶体层和第二光子晶体层的对应位置处光子晶体的光子禁带对应不同颜色的光，例如，第一光子晶体层的光子晶体对应位置处的光子禁带对应红光，第二光子晶体层的光子晶体对应位置处的光子禁带对应绿光，则入射的rgb光波通过第一光子晶体层和第二光子晶体层后，红光和绿光被反射回，仅蓝光可以透过而出射；第一光子晶体层的光子晶体对应位置处的光子禁带对应蓝光，第二光子晶体层的光子晶体对应位置处的光子禁带对应红光，则入射的rgb光波通过第一光子晶体层和第二光子晶体层后，蓝光和红光被反射回，仅绿光可以透过而出射；第一光子晶体层的光子晶体对应位置处的光子禁带对应蓝光，第二光子晶体层的光子晶体对应位置处的光子禁带对应绿光，则入射的rgb光波通过第一光子晶体层和第二光子晶体层后，蓝光和绿光被反射回，仅红光可以透过而出射。通过如此的阵列排布布置，在透明玻璃板上将透过出射rgbrgb﹒﹒﹒﹒﹒﹒的彩色光线，从而形成对应的红光通道，绿光通道，蓝光通道，起到选择性传播光波的作用，并且光子晶体对在对应原色光通道内的传播光波吸收极弱，例如，在蓝色光通道中，红光和绿光被反射，而对蓝光吸收极弱，蓝光得到最大的透过出射。如此可显著提高彩膜的透过率。

在采用蓝光作为激发光源的情况下，量子点材料层可减少或不配置蓝色量子点材料的使用，仅保留设置红光3-1和绿光3-2量子点材料，降低成本。可以利用平坦化层3-3将本应设置蓝光量子点材料的对应的空位置抹平补齐，外侧再涂覆平坦化层材料，方便平行光线入射。

反射增强层的第三光子晶体层和第四光子晶体层，两层光子晶体的光子禁带分别位于红光4-1、绿光区域4-2，叠加的效果就是反射增强层仅能透过波长位于蓝光区域的光波，形成蓝光光通道，其余红、绿区域的光波不可在其中传播。当蓝光透过反射增强层激发红光、绿光量子点材料时，红光、绿光一部分会向返回方向(向反射增强层的方向)传播，由于反射增强层光子晶体的光子禁带特性，向返回方向传播的红、绿光不能在反射增强层中传播，从而全部反射到量子点材料层上方，即向光通道层的方向，故可显著提高光的利用率及透射光强度、降低光损失。此外，由于光子禁带特性，量子点材料层上方(来自光通道层)及下方(来自反射增强层)反射的红光、绿光只能在光通道层的红、绿光通道传播，蓝光只能在蓝色光通道传播，多余的杂光无法在通道内传播，可显著提高透射光的纯度。

另外，由于在第一光子晶体层和第二光子晶体层中，不同原色光通道边界处的光子禁带不同的光子晶体，例如，光子禁带在红光区域的光子晶体和光子禁带在蓝光区域的光子晶体在通道边界处相互渗透，如图1中所示，会导致通道边界处三种原色光都被反射，透光率下降，这样就无需设置再遮光膜遮挡后续tft显示装置中的不透光区域，简化了彩色滤光基板的工艺。

图2示出根据本申请实施例的光子晶体复合彩膜的不同组成结构的示意图。图2中的a-p分别示出了复合彩膜中光通道层、量子点材料层及反射增强层的不同光子晶体及量子点材料的组合方式。它们均可以实施，形成不同的原色光通道，取得上述的技术效果。

根据具体实施例，所述第一层光子晶体和第二层光子晶体的厚度为400nm-80um。

根据具体实施例，所述第三层光子晶体和第四层光子晶体的厚度为400nm-80um。

根据具体实施例，所述量子点材料层的厚度为40nm-40um。

根据具体实施例，所述光子晶体的材料为高折射率的单分散胶体微球，对应的红、绿、蓝微球粒径依次为：190-210nm，160-180nm，130-150nm。

根据具体实施例，所述红光、绿光、蓝光的波长范围分别为：610-680nm，520-580nm，420-485nm。

根据本申请的第二方面，还提供一种光子晶体复合彩膜的制作方法，该方法包括以下步骤：

s100：首先，采用喷墨打印方法在玻璃基板上打印光通道层，包括上下相叠的第一光子晶体层和第二光子晶体层，其包括阵列排布的光通道单元，在各光通道单元中，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带不同，第一光子晶体层的光子禁带与第二光子晶体层的光子禁带的组合使得仅允许红光、绿光或蓝光通过所述光通道单元；以及

s110：其次，在光通道层的一侧喷墨打印量子点材料层，包括阵列排布的红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域，红光量子点激发材料区域和绿光量子点激发材料区域分别和光通道层中的红光通道单元和绿光通道单元相对应。

根据本申请实施例的光子晶体复合彩膜制作方法，采用喷墨打印技术实现光子晶体光通道的快速大面积构建，工艺难度较低，易于工业化，且可显著提高制作的复合彩膜的透过率和透射光的纯度。

根据具体实施例，所述方法还包括：在量子点材料层上方涂敷平坦化层，使量子点材料层表面平坦。

根据具体实施例，所述方法还包括：在所述平坦化层上面喷墨打印反射增强层，所述反射增强层自上而下由相叠的第三光子晶体层和第四光子晶体层组成，第三光子晶体层由光子禁带位于红光和绿光中之一颜色区域的光子晶体组成，第四光子晶体层被配置为光子禁带位于红光和绿光中另一颜色区域的光子晶体组成。

采用高折射率的纳米微球作为构建光子晶体的喷墨打印材料可避免光子晶体存在的视角差异，提高观察角度。

根据具体实施方式，本发明可以喷墨打印光子晶体的材料为折射率大于2的硫化镉、氧化亚铜、氧化钛、氧化锌、硫化锌等高折射率的单分散胶体纳米微球。纳米微球的制备方法可选用水热法、溶胶凝胶法、乳液聚合等方法制备。

高折射率纳米微球分散于高沸点助剂、乙醇、甘油、表面活性剂、消泡剂、胶劲剂、调节剂和去离子水混合物中，通过超声分散处理即可得到单分散胶体纳米微球。

根据具体实施方式，本发明中可以采用的量子点材料为cdse、cdte、石墨烯等光致发光量子点材料，量子点材料匹配的蓝光波长范围在440-460nm；绿色量子点的发光峰优选510-540nm，红色量子点的发光峰优选630-670nm。本发明中入射的蓝光为蓝色背光源，优选蓝色电致发光光源。

本申请在第三方面还提供一种彩色滤光基板，所述彩色滤光基板包括玻璃基板和在所述玻璃基本之上布置的根据任一技术方案所述的光子晶体复合彩膜。

根据上述对复合彩膜及制作方法的说明，获取的彩色滤光基板能够获得相应的技术优势，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。