本发明涉及一种颜色转换膜及其构成的液晶模组。
背景技术：
利用颜色转换方式的彩色化技术在液晶显示器、有机EL显示器、液相显示技术、照明等中的应用正被广泛地研究。所谓颜色转换，是将从光源发出的光下转换为波长更长的光，例如表示将波长较短的蓝色光源下转换为绿色、红色发光光源。通过将具有该颜色转换功能的组合物制成膜、并与例如蓝色光源组合，从而能够实现从单个蓝色光源通过转换膜同时输出蓝色、绿色、红色这三种原色，即，实现能够白色光的输出。通过将组合上述蓝色光源和具有颜色转换功能的膜而得到的白色光源作为光源单元、并将该光源单元与液晶驱动部分、彩色滤色膜组合，能够制作全彩色显示器。另外，若没有液晶驱动部分，则可直接用作白色光源，例如能够用作LED照明等的白色光源。
背光源的光源已经从过去二十几年的冷阴极荧光灯(CCFL)发展到用荧光粉转化的白光二极管(1pc-WLED)。1pc-WLED是用蓝光LED来激发YAG:Ce3+黄色荧光粉来产生白光。1pc-WLED的显著优点是长寿命、低成本和易组装。尽管如此，它的宽广的黄色光谱导致窄的色域，其色域在国际照明委员会(CIE)1931色空间中只有75％NTSC，它的最大传输效率(TE)是8.7％。业界为了提升色域面积，出现了量子点在背光中中以量子点增强膜(QDEF)的形式来应用。它的总的色域在CIE1931色空间中可以达到115％NTSC，但它的最大TE仍然停留在9.7％左右，这个数值与1p-WLED构成的背光源的效率相当。
发明专利申请CN108141939A公开了颜色转换膜及含有其的光源单元、显示器及照明装置，所述颜色转换膜只说明了该颜色转换膜由两层构成，一层是有机发光材料的颜色转换层，另外一层是具有一定透氧率的透明树脂，并没有对颜色转换膜的关键技术参数的选择做出说明，比如没说明转换出的绿色和红色的光谱分布是什么范围比较合适，也没指出颜色转换层中的排列结构等信息。
发明专利申请CN107922835A公开了颜色转换组合物、颜色转换膜以及包含其的背光单元、显示器及照明，发明专利申请CN107709516A公开了颜色转换组合物、颜色转换膜以及包含该颜色转换膜的发光装置、液晶显示装置及照明装置，这两个专利申请所述颜色转换组合物虽然说明了绿色和红色发光材料的发光波长范围，但其没有对具体怎么选取和选取方法做出说明，因此，无法依据该方法快速地选择匹配液晶模组中彩色滤色膜的高效和广色域的光谱组合方案。
发明专利申请CN104763949A公开了一种背光模组和显示装置，所述背光模组包括:导光板、导光板入光侧的单色光源、导光板出光面的光栅、导光板出光面的量子点板，所述量子点板将衍射后的所述单色光线转换为白色光线。其将导光板、光栅、量子点板机械地一层层组合起来，不仅组装麻烦，而且需要大面积的光栅和量子点板膜，成本较高。
实用新型专利CN205404872U公开了一种基于量子点的光栅型导光板，所述背光模组需改变原理传统的模组结构，替换上一个新型的导光板，这个方案不利于在现有模组上推广应用。
本发明专利所采用的方法只需要增加一层颜色转换膜片，不需要对背光模组中的其它光学部件进行改动，同时采用本发明的光谱选择方法可以快速的匹配到高效和光色域的光谱组合方案，因此，该方案有利于在现有模组上推广应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种颜色转换膜及其构成的液晶模组，旨在提高液晶显示器件的光学效率和增大色域面积。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种颜色转换膜，包括紧密排列有格子的中间层、分别设于中间层上、下方的上层、下层，所述上层、下层均由高透过率的透明基板构成；所述中间层的格子以能够透射过蓝光的透明区域的格子/嵌入或涂覆有能够发射蓝光原色光的蓝光区域的格子、嵌入或涂覆有能够发射绿色原色光的绿光区域的格子以及嵌入或涂覆有能够发射红色原色光的红光区域的格子为一组周期性的重复排列，且透明区域的格子/蓝光区域的格子、绿光区域的格子、红光区域的格子之间由黑色障壁间隔。
在本发明一实施例中，所述透明区域的格子，其透明的填充物为PET材料或光学级PMMA材料；蓝光区域的格子、绿光区域的格子或红光区域的格子，其嵌入或涂覆的材料为量子点荧光材料，其中，蓝光区域为蓝色量子点、绿色区域为绿色量子点，红色区域为红色量子点。
在本发明一实施例中，所述下层、上层均是由PET材料或光学级PMMA材料构成，其厚度范围为0.05mm到0.5mm之间；所述中间层的厚度在1um到10um之间。
在本发明一实施例中，中间层上每个格子的尺寸和格子间的障壁尺寸与对应搭配的液晶显示器的液晶像素和彩色滤色膜的透光部分尺寸和障壁尺寸相互匹配。
本发明还提供了一种基于上述所述颜色转换膜构成的液晶模组，所述液晶模组的背光源采用蓝光作为光源，光源经过均匀准直后得到蓝色准直平面均匀光源，并经颜色转换膜后分别透出蓝光、转换出带有蓝光的绿光和转换出带有蓝光的红光，同时该颜色转换膜与彩色滤色膜配合，将颜色转换膜中未转换的蓝光滤除掉；其中，所述颜色转换膜中间层的格子以透明区域的格子、绿光区域的格子、红光区域的格子为一组周期性的重复排列。
本发明还提供了一种基于上述所述颜色转换膜构成的液晶模组，所述液晶模组的背光源采用紫外光作为光源，光源经过均匀准直后得到紫外准直平面均匀光源，并经颜色转换膜后分别转换出带有紫外光的蓝光、转换出带有紫外光的绿光和转换出带有紫外光的红光，同时该颜色转换膜与彩色滤色膜配合，将颜色转换膜中未转换的紫外光滤除掉；其中，所述颜色转换膜中间层的格子以蓝光区域的格子、绿光区域的格子、红光区域的格子为一组周期性的重复排列。
在本发明一实施例中，所述颜色转换膜的材料通过采用广色域和高光效光谱计算方法来选取，以提高液晶显示器或照明设备的色域范围和效率，具体的广色域和高光效光谱计算方法步骤如下：
步骤S1、根据液晶显示器件中的采用的颜色转换膜的蓝光、绿光和红光区域的光谱透过率，选择与液晶显示器件中的彩色滤色膜光谱透过率相匹配光源光谱，获取若干组光谱数据，并采用如下量子点光谱高斯拟合函数计算出每组光谱的光谱分布数据：
S(λ)＝A·exp[-2.773(λ-λc)2/(Δλ)2] (1)
式中，S(λ)表示量子点光谱，A表示光谱峰值，λc表示光谱中心波长，Δλ表示光谱的半高宽波长；
步骤S2、将步骤S1所得的每组光谱分布数据分别转换成对应的色坐标，计算公式如下：
式中，S(λ)是背光源的发射光谱，则X、Y、Z为该背光源的三刺激值，为CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线，x，y和z称为CIE1931色度系统的色坐标；
而后，根据公式(4)分别计算出每组光谱所对应的色域：
式中，Srgb表示色域三角形的面积，xr和yr是红原色的色坐标，xg和yg是绿原色的色坐标，xb和yb是蓝原色的色坐标；CGR表示色域覆盖的比例，Adisplay表示显示器件的色域面积，Astandard表示标准色域的面积；
步骤S3、根据所要达到的白平衡的色温要求计算出三种原色光谱的光能比例，然后再根据视觉效率函数计算出每组光谱的光能转换效率，具体如下：
根据目标色温和三种原色色坐标求解三种原色光谱各自的发光强度比例，计算公式如下：
式中，(xw，yw，zw)是已知标准白色光源的色坐标，(xi，yi，zi|i＝r，g，b)分别是红、绿、蓝三种颜色分量的色坐标，(fi|i＝r，g，b)分别是红、绿、蓝三种颜色分量的比例；
而后，根据公式(6)计算出每组光谱在已知标准白色光源下的辐射亮度效率：
式中，LER是辐射亮度效率，Pout(λ)是总输出光的光源的功率谱密度，V(λ)是标准发光度函数，同时Km是在明视觉条件下，理想的单色555nm光源的情况下，其LER值是6831m/W；
每一组光谱的光能转换效率可以用以下公式来表示：
式中，Pout(λ)是总输出光的光源的功率谱密度，Pin(λ)是总输入光的光源的功率谱密度；
每组光谱总的光能转换效率可以用以下公式来计算：
TLE＝LER·TE (8)
式中，TLE是光谱总的光能转换效率；
步骤S4、从每组光谱中选取出色域和光能转换效率最佳的光谱分布组合，作为颜色转换膜的设计光谱数据，根据光谱数据选择适合的材料作为颜色转换膜的光转换材料。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中，选择与液晶显示器件中的彩色滤色膜光谱透过率相匹配光源光谱，即所选择光源光谱的峰值中心波长落在彩色滤色膜的光谱最大透过率所对应波长范围；所述步骤S4中，从每组光谱中选取出色域和光能转换效率最佳的组合，即指根据实际应用选择色域最高、光能转换效率最高或兼顾两者的最优组合。
在本发明一实施例中，入射在颜色转换膜上的光源为准直紫外光，其中紫外光峰值中心波长范围从325nm到390nm，且光谱半高宽为20nm及其以下，所述颜色转换膜上的蓝色、绿色和红色的发光光谱峰值中心波长范围分别为：445nm＜λb＜460nm、510nm＜λg＜555nm、630nm＜λr＜685nm，其发光光谱半高宽为30nm及其以下。
在本发明一实施例中，入射在颜色转换膜上的光源为准直蓝光，其蓝光峰值中心波长范围从445nm到460nm，且光谱半高宽为20nm及其以下，所述颜色转换膜上绿色和红色的发光光谱峰值中心波长分别为510nm＜λg＜555nm、630nm＜λr＜685nm，其发光光谱的半高宽为30nm及其以下。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明能够提高液晶显示器件的光学效率和增大色域面积。
附图说明
图1为颜色转换膜中间层结构图。
图2为颜色转换膜结构图。
图3为含有颜色转换膜的液晶显示模组。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种颜色转换膜，包括紧密排列有格子的中间层、分别设于中间层上、下方的上层、下层，所述上层、下层均由高透过率的透明基板构成；所述中间层的格子以能够透射过蓝光的透明区域的格子/嵌入或涂覆有能够发射蓝光原色光的蓝光区域的格子、嵌入或涂覆有能够发射绿色原色光的绿光区域的格子以及嵌入或涂覆有能够发射红色原色光的红光区域的格子为一组周期性的重复排列，且透明区域的格子/蓝光区域的格子、绿光区域的格子、红光区域的格子之间由黑色障壁间隔。
所述透明区域的格子，其透明的填充物为PET材料或光学级PMMA材料；蓝光区域的格子、绿光区域的格子或红光区域的格子，其嵌入或涂覆的材料为量子点荧光材料，其中，蓝光区域为蓝色量子点、绿色区域为绿色量子点，红色区域为红色量子点。
所述下层、上层均是由PET材料或光学级PMMA材料构成，其厚度范围为0.05mm到0.5mm之间；所述中间层的厚度在1um到10um之间。中间层上每个格子的尺寸和格子间的障壁尺寸与对应搭配的液晶显示器的液晶像素和彩色滤色膜的透光部分尺寸和障壁尺寸相互匹配。
本发明还提供了一种基于上述所述颜色转换膜构成的液晶模组，所述液晶模组的背光源采用蓝光作为光源，光源经过均匀准直后得到蓝色准直平面均匀光源，并经颜色转换膜后分别透出蓝光、转换出带有蓝光的绿光和转换出带有蓝光的红光，同时该颜色转换膜与彩色滤色膜配合，将颜色转换膜中未转换的蓝光滤除掉；其中，所述颜色转换膜中间层的格子以透明区域的格子、绿光区域的格子、红光区域的格子为一组周期性的重复排列。
本发明还提供了一种基于上述所述颜色转换膜构成的液晶模组，所述液晶模组的背光源采用紫外光作为光源，光源经过均匀准直后得到紫外准直平面均匀光源，并经颜色转换膜后分别转换出带有紫外光的蓝光、转换出带有紫外光的绿光和转换出带有紫外光的红光，同时该颜色转换膜与彩色滤色膜配合，将颜色转换膜中未转换的紫外光滤除掉；其中，所述颜色转换膜中间层的格子以蓝光区域的格子、绿光区域的格子、红光区域的格子为一组周期性的重复排列。
在本发明中，所述颜色转换膜的材料通过采用广色域和高光效光谱计算方法来选取，以提高液晶显示器或照明设备的色域范围和效率，具体的广色域和高光效光谱计算方法步骤如下：
步骤S1、根据液晶显示器件中的采用的颜色转换膜的蓝光、绿光和红光区域的光谱透过率，选择与液晶显示器件中的彩色滤色膜光谱透过率相匹配光源光谱，获取若干组光谱数据，并采用如下量子点光谱高斯拟合函数计算出每组光谱的光谱分布数据：
S(λ)＝A·exp[-2.773(λ-λc)2/(Δλ)2] (1)
式中，S(λ)表示量子点光谱，A表示光谱峰值，λc表示光谱中心波长，Δλ表示光谱的半高宽波长；
步骤S2、将步骤S1所得的每组光谱分布数据分别转换成对应的色坐标，计算公式如下：
式中，S(λ)是背光源的发射光谱，则X、Y、Z为该背光源的三刺激值，为CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值曲线，x，y和z称为CIE1931色度系统的色坐标；
而后，根据公式(4)分别计算出每组光谱所对应的色域：
式中，Srgb表示色域三角形的面积，xr和yr是红原色的色坐标，xg和yg是绿原色的色坐标，xb和yb是蓝原色的色坐标；CGR表示色域覆盖的比例，Adisplay表示显示器件的色域面积，Astandard表示标准色域的面积；
步骤S3、根据所要达到的白平衡的色温要求计算出三种原色光谱的光能比例，然后再根据视觉效率函数计算出每组光谱的光能转换效率，具体如下：
根据目标色温和三种原色色坐标求解三种原色光谱各自的发光强度比例，计算公式如下：
式中，(xw，yw，zw)是已知标准白色光源的色坐标，(xi，yi，zi|i＝r，g，b)分别是红、绿、蓝三种颜色分量的色坐标，(fi|i＝r，g，b)分别是红、绿、蓝三种颜色分量的比例；
而后，根据公式(6)计算出每组光谱在已知标准白色光源下的辐射亮度效率：
式中，LER是辐射亮度效率，Pout(λ)是总输出光的光源的功率谱密度，V(λ)是标准发光度函数，同时Km是在明视觉条件下，理想的单色555nm光源的情况下，其LER值是683lm/W；
每一组光谱的光能转换效率可以用以下公式来表示：
式中，Pout(λ)是总输出光的光源的功率谱密度，Pin(λ)是总输入光的光源的功率谱密度；
每组光谱总的光能转换效率可以用以下公式来计算：
TLE＝LER·TE (8)
式中，TLE是光谱总的光能转换效率；
步骤S4、从每组光谱中选取出色域和光能转换效率最佳的光谱分布组合，作为颜色转换膜的设计光谱数据，根据光谱数据选择适合的材料作为颜色转换膜的光转换材料。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中，选择与液晶显示器件中的彩色滤色膜光谱透过率相匹配光源光谱，即所选择光源光谱的峰值中心波长落在彩色滤色膜的光谱最大透过率所对应波长范围；所述步骤S4中，从每组光谱中选取出色域和光能转换效率最佳的组合，即指根据实际应用选择色域最高、光能转换效率最高或兼顾两者的最优组合。
在本发明一实施例中，入射在颜色转换膜上的光源为准直紫外光，其中紫外光峰值中心波长范围从325nm到390nm，且光谱半高宽为20nm及其以下，所述颜色转换膜上的蓝色、绿色和红色的发光光谱峰值中心波长范围分别为：445nm＜λb＜460nm、510nm＜λg＜555nm、630nm＜λr＜685nm，其发光光谱半高宽为30nm及其以下。
在本发明一实施例中，入射在颜色转换膜上的光源为准直蓝光，其蓝光峰值中心波长范围从445nm到460nm，且光谱半高宽为20nm及其以下，所述颜色转换膜上绿色和红色的发光光谱峰值中心波长分别为510nm＜λg＜555nm、630nm＜λr＜685nm，其发光光谱的半高宽为30nm及其以下。
以下为本发明的具体实施实例。
本发明设计一种颜色转换膜，均匀准直背光在经过该颜色转换膜之后，可以转换成FWHM宽度小于30nm的红和绿色光和FWHM小于20nm的蓝光，且其峰值中心波长可以根据色域和光效要求进行选择；该颜色转换膜中的颜色转换区域是由量子点材料构成。该颜色转换膜由三层结构构成，其中下层是由高透过率的透明基板构成、中间层是由周期排列的格子构成、上层是由高透过率的透明基板构成。中间层上每个格子的尺寸和格子间的障壁尺寸与对应采用的液晶显示器的彩色滤色膜的透过光部分尺寸和障壁保持一致。如图2所示下层和上层是由PET材料或光学级PMMA材料构成，其厚度范围为0.05mm到0.5m之间；所述中间层的厚度在1um到10um之间。
图1-3说明如下：
图1为颜色转换膜中间层结构图，图1中101为黑色障壁，102为红色量子点材料，103为绿色量子点材料，104为透明材料或蓝色量子点材料，这些量子点材料是由量子点、分散剂和聚合物，按质量比，所述量子点占总质量的3.3％到7.8％，所述溶剂占总质量的50.4％到78.1％，所述聚合物占总质量的18.1％到47.3％。
图2为颜色转换膜结构图，图2中10是中间层；11为上层，12为下层，上、下层主体为透明有机玻璃，起到保护中间层量子点隔水隔氧的作用。
图3为含有颜色转换膜的液晶显示模组，图3中1为颜色转换膜；2为光源，蓝色光或紫外光；3为准直背光源；4为起偏器；5为液晶及TFT；6为彩色滤色膜；7为检偏器。
本发明的实施例1中：如图1颜色转换层的中间层(10)上的格子以能够透射过蓝色光的透明区域(104)和嵌入或涂覆有能够发射绿色(103)和红色(102)原色光的两个区域为一组周期性的重复排列，并且它们之间是由黑色障壁间隔(101)。中间层上的能够透过蓝光的区域，其为透明的填充物如PET材料或光学级PMMA材料，能够发射出绿色和红色原色的区域其嵌入或涂覆的材料为量子点荧光材料，其中绿色区域为绿色量子点和红色区域为红色量子点。如图3所示该液晶模组的背光源采用蓝色光作为光源(2)，所述颜色转换膜(1)放置在蓝色光源经过均匀准直后的背光源(3)上方，其中蓝色准直平面均匀光源经过所述颜色转换膜(1)后分别透过蓝色光、转换出带有蓝色的绿色光源和转换出带有蓝色的红色光，同时该颜色转换膜与传统的彩色滤色膜(6)配合，将颜色转换膜(1)中绿色和红色区域中未转换的蓝光滤除掉，从而提升液晶显示器件的色纯、色域面积和光效。
所述量子点为红量子点(102)和绿量子点(103)，包括Cdse/ZnS、InP/ZnS、Pbse/PbS、Cdse/CdS、CdTe/CdS或CdTe/ZnS，尺寸分布在1nm到10nm；所述绿量子点的发射峰值波长为510到555nm；所述红量子点的发射峰值波长为635到685nm；其发光光谱的半高宽为30nm及其以下。
本发明的实施例2中：如图1颜色转换层的中间层(10)上的格子以嵌入或涂覆有能够发射蓝色(104)、绿色(103)和红色(102)原色光的三个区域为一组周期性的重复排列，并且它们之间是由黑色障壁间隔(101)。中间层上的能够发射原色光的三个区域，其嵌入或涂覆的材料为量子点荧光材料，其中蓝色区域为蓝色量子点、绿色区域为绿色量子点和红色区域为红色量子点。如图3所示该液晶模组的背光源采用紫外光作为光源，所述颜色转换膜放置在紫外光光源经过均匀准直后的背光源(2)上方，其中紫外准直平面均匀光源经过所述颜色转换膜(1)后分别转换出带有紫外光的蓝色光源、转换出带有紫外光的绿色光源和转换出带有紫外光的红色光，同时该颜色转换膜与传统的彩色滤色膜(6)配合，将紫外光经过颜色转换膜(1)后未转换的紫外光滤除掉，从而提升液晶显示器件的色纯、色域面积和光效。
所述量子点为蓝量子点(104)、红量子点(102)和绿量子点(103)，包括Cdse/ZnS、InP/ZnS、Pbse/PbS、Cdse/CdS、CdTe/CdS或CdTe/ZnS，尺寸分布在1nm到10nm；所述蓝量子点的发射峰值波长为445nm到460nm，其发光光谱的半高宽为20nm及其以下；所述绿量子点的发射峰值波长为510到555nm；所述红量子点的发射峰值波长为630到685nm；其发光光谱的半高宽为30nm及其以下。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。