波长转换组合物、波长转换结构及其应用的制作方法

本发明涉及一种波长转换材料，详而言之，特别是涉及一种内反射型波长转换组合物。

背景技术：

真实呈现栩栩如生的色彩一直是业界显示器追求的目标，以OLED的鲜艳色彩为标杆，受限于背光模块色彩表现的液晶显示器仍有相当大的距离待努力。

近来高色纯度的量子点(quantum dot)技术为液晶显示器带来希望，适当的量子点通过单一短波长(如蓝光)LED激发，可放出不同色光(如绿光或红光)，新型态的背光模块让液晶显示器色域达到100％。目前业界有制作成膜片(如Nanosys QDEF)或封在玻璃管中(如QD Vision tube type)两种。量子点粒径小(约2至11nm)、具有荧光亮度强、光稳定性良好、以及利用单一波长的光源便可以激发出多种不同波长的光波的特性，能使液晶显示器RGB色彩更平衡，轻松表现出与OLED相当甚至超越的鲜艳色彩。

然而，量子点材料多选自II-VI族化合物、III-V族化合物、及IV-VI族化合物，且为了控制色纯度，其粒径分布必须精准且为单一分布(monodisperse)，制作不易造成价格过高。再则，量子效率受限于材料能阶、表面缺陷修饰等等，不同类别材料效率差异也很大，其中，又以镉系量子点(如CdSe)为最好，但是其毒性为人所诟病。对环境较亲和的非镉系量子点(如InP、CuInS₂)，则普遍效率有待改善。因此，考虑成本、减少有毒量子点用量与提高量子效率为第一要务。

此外，如同一般的纳米材料，量子点分散也是影响效率的关键，因应不同的树脂，量子点外层的配体(ligand)也有不同的设计。

因此，如何在不影响量子点分散性的情况下，有效增益，便成为相当重要课题。

技术实现要素：

本发明提供一种波长转换组合物，包括：多个第一胆固醇液晶碎片；多个第一量子点；以及树脂，该多个第一胆固醇液晶碎片与多个第一量子点分散于该树脂中，当第一光线入射至该波长转换组合物时，该多个第一量子点被该第一光线激发而发出波长不同于该第一光线的第二光线，且该第二光线在该波长转换组合物中经过该多个第一胆固醇液晶碎片的多次反射而提高增益。

本发明还提供一种波长转换结构，包括：第一阻层；以及形成于该第一阻层上的波长转换层，形成该波长转换层的材质包括树脂及分散于该树脂中的多个第一胆固醇液晶碎片和多个第一量子点，当第一光线入射至该波长转换层时，该多个第一量子点被该第一光线激发而发出波长不同于该第一光线的第二光线，且该第二光线在该波长转换层中经过该多个第一胆固醇液晶碎片的多次反射而提高增益。本发明又提供一种发光膜，包括：本发明所述的波长转换结构；以及至少一光学层，形成于该波长转换结构上。

本发明再提供一种背光元件，包括：透明管体，具有一容置空间；以及本发明所述的波长转换组合物，填充于该容置空间中。

本发明的波长转换组合物、由其所形成的波长转换结构、发光膜与背光元件具有至少一种量子点和至少一种胆固醇液晶碎片，该树脂中分散的胆固醇液晶碎片可有相同或不同螺距(pitch)。当量子点吸收能量较高的光波后，电子会产生能阶跃升，当电子从高能阶的状态降到低能阶的状态时，则会发射出波长较长的激发光。在本发明中，通过量子点被激发所产生的激发光的波长与胆固醇液晶碎片的反射波长相合的设计，使当量子点激发的激发光在波长转换组合物内与胆固醇液晶碎片多次接触后，可由与其对应的胆固醇液晶碎片提供多次内反射，可提高同调性(coherence)，可提高增益及量子效率。

附图说明

图1为本发明的波长转换组合物的一具体实施例的示意图；

图2为本发明的波长转换组合物的另一具体实施例的示意图；

图3为本发明的波长转换结构的一具体实施例的剖面示意图；

图4为本发明的波长转换结构的另一具体实施例的剖面示意图；

图5为本发明的波长转换结构的再一具体实施例的剖面示意图；

图6为本发明的发光膜的具体实施例的剖面示意图；

图7为本发明的背光元件的具体实施例的剖面示意图；

图8为显示仅含量子点的树脂的比较例1与含有反射波长与量子点激发光波长不同的胆固醇液晶碎片的比较例2的PL图谱；以及

图9为显示仅含量子点的树脂的比较例1与含有反射波长与量子点激发光波长相同的胆固醇液晶碎片的实施例1的PL图谱。

符号说明

1、2、3 波长转换结构

4 发光膜

5 背光元件

10 第一阻层

11 波长转换层

100 树脂

110 第一量子点

120 第一胆固醇液晶碎片

20 第二阻层

210 第二量子点

220 第二胆固醇液晶碎片

30 基材

40 波长转换结构

41 光学层

50 透明管体

501 容置空间

51 波长转换组合物

L1 第一光线

L2 第二光线

L3 第三光线。

具体实施方法

以下通过特定的具体实施例配合附图说明本发明的实施方式，该领域技 术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。在本发明说明书中所载的术语“尺寸”意指胆固醇液晶碎片的长、宽或任两点的距离。同时，本发明说明书中所引用的如“上”、“第一”及“第二”等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围。当然，本发明也可通过其它不同的实施方式加以施行或应用，在不悖离本发明所揭示的精神下，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，并赋予不同的修饰与变更。

请参阅图1，该图是本发明的波长转换组合物的示意图。在该波长转换组合物中，包括：树脂100、分散于该树脂100中的多个第一胆固醇液晶碎片120与多个第一量子点110，当第一光线L1入射至该波长转换组合物时，该多个第一量子点110被该第一光线L1激发而发出波长不同于该第一光线L1的第二光线L2，且该第二光线L2在该波长转换组合物中经过该多个第一胆固醇液晶碎片120的多次反射而提高增益。

图1所示意者，以将该波长转换组合物制成固态的波长转换层，并设置于光源上或光源的传输路径上为例作说明。另外，当该波长转换组合物为液态时，可包含例如溶剂等其他成分。

当该光源所发出的第一光线L1通过本发明的波长转换组合物时，该多个第一量子点110被第一光线L1激发而发出第二光线L2，该第二光线L2可继续经多个第一胆固醇液晶碎片120反射增益，而提高光密度。

在本发明的一具体实施例中，以该波长转换组合物的总重计，该多个第一胆固醇液晶碎片的含量为2至20％。

以碎片形式分散于该树脂中的胆固醇液晶，有利于光线的反射，通常，多个第一胆固醇液晶碎片的横向尺寸为其厚度2倍以上，或者高达3倍到5倍。在本发明的另一具体实施例中，该多个第一胆固醇液晶碎片的尺寸为5至150μm，其厚度为2至11μm。

在本发明的一具体实施例中，以该波长转换组合物的总重计，该多个第一量子点的含量为0.5至10％。

在本实施例中，所选用的该多个第一胆固醇液晶碎片的反射波长范围与多个第一量子点经激发后所产生的光波的波长(波峰值)相涵盖，意指胆固醇液晶碎片的反射波长范围包含量子点经激发后所产生的最强放光的波长，由该多个第一量子点所产生的第二光线L2能被该多个第一胆固醇液晶碎片 110多次反射。

在本实施例中，该多个第一胆固醇液晶碎片为将可光聚合的胆固醇液晶(或称有旋光性的向列液晶，chiral nematic)配向至平面螺旋结构(planar structure alignment)，经曝光固化后，进行粉碎所得。通常，根据布拉格衍射(Bragg Diffraction)原理，胆固醇液晶的反射波长可由其螺旋螺距(pitch)所决定。目前，可制作出反射波长由30至2000nm的胆固醇液晶碎片。

根据本发明的精神，并未限定量子点所转换的波长范围或胆固醇液晶碎片的反射波长范围，在非限制性的实施例中，该胆固醇液晶碎片的反射频谱需涵盖该量子点经激发后所产生的最强放光信号的尖峰，举例而言，当该量子点经激发后所产生的最强放光信号的尖峰的波长为570nm(波峰值)时，该胆固醇液晶碎片的中心反射波长为570nm时(如本发明实施例1所使用者)，其反射频谱的范围为540nm至600nm。

此外，胆固醇液晶碎片还具有散射功能，不仅能提升波长转换组合物中反馈增益量子效率，更能提高照射光的使用率。

在一具体实施例中，该多个第一胆固醇液晶碎片之间可具有相同的旋光性(handedness)，或者存在相反旋光性的多个第一胆固醇液晶碎片。

由于当可激发量子点放光的光线进入该波长转换组合物时，该量子点所激发的光可区分为左旋光与右旋光。因此，当本实施例中的各该多个第一胆固醇液晶碎片间可具有相反的旋光性时，各该多个第一胆固醇液晶碎片可分别反射由量子点所产生的左旋光与右旋光等不同旋光性的激发光，遂能产生内部反馈(internal-feedback)而大大增益。

在本发明的一具体实施例中，形成该多个第一量子点的材质选自于由II/VI族化合物、III/V族化合物及IV/VI族化合物所组成群组的至少一者，其中，在该II/VI族化合物中以CdSe为优选；在该IV/VI族化合物中以PbS为优选；以及在该III/V族化合物中以InP为优选。此外，该多个第一量子点的结构也可为单核(core)、核壳(core-shell)等形状或以合金(alloy)形式存在于该树脂中。当该多个第一量子点为壳核结构时，形成该核/壳结构的材质包括CdSe/ZnS、PbS/ZnS或InP/ZnS等，其中，又以CdSe/ZnS为优选。当该量子点不为壳核结构时，形成该量子点的材料形状可为点状、棒状、多角形、规则或不规则等形状。

在本发明公开的一具体实施例中，该树脂100为透明，例如选择透光性 大于80％或大于85％的树脂，更优选大于90％的树脂，于非限制性的实例中，该树脂选自由环氧树脂、压克力树脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚酯纤维(polyester)、聚酰亚胺(polyimide)、聚氟化二乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)及胆固醇型液晶(cholesteric liquid crystal，CLC)树脂所组成群组的至少一者。

在一具体实施例中，该树脂100可使用胆固醇液晶树脂，该胆固醇液晶树脂不仅具有与多个第一胆固醇液晶碎片相同的反射波长外，其旋光性则可与胆固醇液晶碎片相同或相反。当该胆固醇液晶树脂的旋光性与多个第一胆固醇液晶碎片的旋光性相反时，更可分别反射该量子点所产生的左旋光与右旋光，更能加强该第一光线的增益效果，以产生内部反馈而大大增益，遂提升本发明波长转换组合物的波长转换效果。

参阅图2，在本发明的波长转换组合物的另一具体实施例中，该波长转换组合物还包括分散于该树脂100中的多个第二量子点210与多个第二胆固醇液晶碎片220。当该光源所发出的第一光线L1通过本公开的波长转换组合物时，该多个第一量子点110与多个第二量子点210分别经过该第一光线L1的激发而发出不同于该第一光线L1的第二光线L2与第三光线L3，该第二光线L2与第三光线L3可分别经由多个第一胆固醇液晶碎片120与多个第二胆固醇液晶碎片220的反射达到增益的效果，而提高光密度。

在本发明的一具体实施例中，以该波长转换组合物的总重计，该多个第一量子点与多个第二量子点的含量总和为1至20％。

在本实施例中，形成该多个第二量子点的材质是选自于由II/VI族化合物、III/V族化合物及IV/VI族化合物所组成群组的至少一者，其详细的材质的选择与前述多个第一量子点相同，于此不再赘述。

在本发明的一具体实施例中，以该波长转换组合物的总重计，该多个第一胆固醇液晶碎片与多个第二胆固醇液晶碎片的含量总和为4至40％。

以碎片形式分散于该树脂中的胆固醇液晶，有利于光线的反射，通常，多个第二胆固醇液晶碎片的横向尺寸为其厚度2倍以上，或者高达3倍到5倍。在本发明的一具体实施例中，该多个第二胆固醇液晶碎片的几何平均直径为5至150μm，其厚度为2至11μm。

第二胆固醇液晶碎片的材料的选择上，其条件为该多个第二胆固醇液晶碎片的反射波长与多个第二量子点经激发后所产生的光波的波长相同，因 此，由该多个第二量子点所产生的第三光线L3能被该多个第二胆固醇液晶碎片220多次反射。

参阅图3，该图是本发明的波长转换结构的一具体实施例的剖面示意图。该波长转换结构1包括：第一阻层10；以及波长转换层11，形成于该第一阻层10上，其中，形成该波长转换层11的材质包括树脂100及分散于该树脂100中的多个第一胆固醇液晶碎片120和多个第一量子点110。

当第一光线入射至该波长转换层时，该多个第一量子点被该第一光线激发而发出波长不同于该第一光线的第二光线，且该第二光线在该波长转换层中经过该多个第一胆固醇液晶碎片的多次反射而提高增益。于一具体实施例中，该波长转换层的厚度为3至20微米。又，以该波长转换层的总重计，该多个第一胆固醇液晶碎片的含量为2至20％，且该多第一量子点的含量为0.5至10％。

在又一具体实施例中，该波长转换层复包括多个第二胆固醇液晶碎片及多个第二量子点，分散于该树脂中，当第一光线入射至该波长转换层时，该多个第二量子点被该第一光线激发而发出波长不同于该第一光线的第三光线，且该第三光线于该波长转换层中经过该多个第二胆固醇液晶碎片的多次反射而提高增益。在此实施例中，以该波长转换层的总重计，该多个第一胆固醇液晶碎片与多个第二胆固醇液晶碎片的含量总合为4至40％。

此外，在本发明的波长转换结构中，该树脂100为透明，例如选择透光性大于80％或大于85％的树脂，更优选大于90％的树脂，于非限制性的实例中，该树脂选自由环氧树脂、压克力树脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚酯纤维(polyester)、聚酰亚胺(polyimide)、聚氟化二乙烯(polyvinylidene difluoride，PVDF)及胆固醇型液晶(cholesteric liquid crystal，CLC)树脂所组成组的至少一者。

在一具体实施例中，该树脂100可使用胆固醇液晶树脂，该胆固醇液晶树脂不仅具有与多第一胆固醇液晶碎片相同的反射波长外，其旋光性则可与胆固醇液晶碎片相同或相反。当该胆固醇液晶树脂的旋光性与多第一胆固醇液晶碎片的旋光性相反时，更可分别反射该量子点所产生的左旋光与右旋光，更能加强该第一光线的增益效果，以产生内部反馈而大大增益，遂提升本发明波长转换组合物的波长转换效果。

在本实施例中，形成该第一阻层10的材质选自聚对苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate,PET)、玻璃、介电材料、氧化物(例如氧化硅(siliconoxide(SiO₂,Si₂O₃))、氧化钛、氧化铝)、以及上述两材料的适当组合。

参阅图4，本发明的波长转换结构2还包括第二阻层20，形成于该波长转换层11上，使该波长转换层11夹置于该第一阻层10与第二阻层20之间。在本实施例中，形成该第二阻层20的材质选自聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)、玻璃、介电材料、氧化物(例如氧化硅(siliconoxide(SiO₂,Si₂O₃))、氧化钛、氧化铝)、以及上述两材料的适当组合。

参阅图5，本发明的波长转换结构3还包括基材30，形成于该第一阻层10与波长转换层11之间。

在本发明中，通过该阻层如第一阻层10和第二阻层20的设置，得以保护该波长转换层11的多个量子点，如多个第一量子点110不受外界水气、氧气的影响。该基材30则供波长转换层11的形成之用，尤其是波长转换层11的树脂为胆固醇液晶树脂时。又，倘若选用可配向处理的第一阻层10时，则可省略该基材30，直接将波长转换层11形成于该第一阻层10上。通常，该基材30的材质是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、甲苯乙烯(methyl styrene,MS)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate,PET)或三醋酸纤维素(Triacetate Cellulose,TAC)。

在本实施例中，该基材30的厚度为10至200微米。

请参阅图6，本发明提供一种发光膜4，包括：本发明所述的波长转换结构40；以及至少一光学层41，形成于该波长转换结构40上。在本实施例中，该光学层41可选自棱镜片结构集光膜、胆固醇液晶反射偏光片或多层结构型的反射偏光片，以大幅减少量子点用量，更能同时仍维持极高的量子效率，增加发光增益。

请参阅图7，该图是本发明所述的波长转换组合物在显示器的侧光式背光模块的应用，该应用为一种背光元件5，包括：透明管体50，具有一容置空间501；以及本发明所述的波长转换组合物51，填充于该容置空间501中。该透明管体50可使用透光性大于80％或大于85％的材料，更优选大于90％的材料。举例而言，该透明管体50是玻璃管。

实施例1本发明的波长转换组合物

在溶在甲苯溶剂中的光可硬化树脂UV298(购自肯美特公司 CHEM-MAT Technologies co.ltd)中加入2wt％由CdSe/ZnS形成的量子点与10wt％反射波长为570nm的胆固醇液晶碎片(LCP Technology GmbH型号HC Jade)，得到透明树脂中均匀分散有量子点与胆固醇液晶碎片的本发明的波长转换组合物。前述量子点可以吸收440至460nm的蓝光LED光源，发出中心激发光波长为570nm的绿光。

提供一厚度为50μm的PET膜做为基材，将制备例1所制得的波长转换组合物以1500rpm旋转涂布在上，以100W/cm²的UV灯照射20秒后硬化成膜，得到厚度为10μm的波长转换层。

比较例1

以与实施例1相同的制法制备，差别仅在于比较例1中并不含有胆固醇液晶碎片。

比较例2

以与实施例1相同的制法制备，差别仅在于比较例2中以反射波长510nm的胆固醇液晶碎片(LCP Technology GmbH型号HC Scarabeus)取代反射波长为570nm的胆固醇液晶碎片。

测试例：

本样品以460nm蓝光LED照射并以Ocean Optics公司的USB 4000型光谱仪纪录激发光谱，对实施例1、比较例1与2所制得的波长转换结构进行光激发荧光(photoluminescence，以下简称PL)图谱的分析。

参阅图8，该图显示比较例1与比较例2的波长转换结构的PL图谱。由图可见，在PL波长540nm至560nm产生峰值，然而，相较于比较例1，比较例2中虽添加有胆固醇液晶碎片，由于该胆固醇液晶碎片反射波长与量子点所产生的激发光光波波长不同，无法利用该胆固醇液晶碎片进行多次反射，是以，该二比较例的PL图谱相似，未显示出光增益。

参阅图9，本发明实施例1的于PL波长540nm至560nm的区间内产生峰值，且相较于比较例1，本发明实施例1的PL强度约为比较例1的两倍。由前可见，当胆固醇液晶碎片的反射波长与量子点经激发后所产生的光波的波长相同时，由量子点所产生的激发光能被胆固醇液晶碎片多次反射，而能提升激发光密度，遂能提高出光增益。

综上所述，本发明通过量子点被激发所产生的激发光的波长与胆固醇液晶碎片的反射波长相合的设计，使当量子点激发的激发光在波长转换组合物 内与胆固醇液晶碎片多次接触后，可由与其对应的胆固醇液晶碎片提供多次内反射，可提高同调性，可提高增益及量子效率。

上述实施形态仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何该领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。