液晶顯示器廣色域技術(shù)的研究

周忠偉,孟長軍,王 磊,鄒建華,彭俊彪*

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640; 2.創(chuàng)維液晶器件(深圳)有限公司,廣東深圳 518108)

液晶顯示器廣色域技術(shù)的研究

周忠偉1,2,孟長軍2,王 磊1,鄒建華1,彭俊彪1*

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640; 2.創(chuàng)維液晶器件(深圳)有限公司,廣東深圳 518108)

針對當(dāng)前液晶顯示器存在色彩表現(xiàn)不佳的缺點(diǎn),從原理上研究了影響液晶顯示器色域的主要因素。通過實(shí)驗(yàn),分別驗(yàn)證了彩色濾光片厚度、LED光源光譜以及量子點(diǎn)材料對液晶顯示器色域的影響。通過增加液晶面板的彩色濾光片厚度,將色域增加了8%;通過更改LED光源光譜,將色域提升到85%NTSC以上;通過采用量子點(diǎn)材料,實(shí)現(xiàn)了100%NTSC以上色域。

液晶顯示器;廣色域;發(fā)光二極管;量子點(diǎn)

1 引 言

隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,液晶顯示器(LCD)已成為眾多平面顯示器件中發(fā)展最成熟、應(yīng)用面最廣、業(yè)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并仍在迅猛發(fā)展著的一種顯示器件。液晶本身不發(fā)光,需要依靠背光源[1]來顯示圖文信息。目前市場上大部分背光源都是使用通過藍(lán)光LED芯片(波長445～460 nm)激發(fā)黃色熒光粉(波長580 nm)制成的白光LED[2],這種LED產(chǎn)生的白光在長波段呈現(xiàn)能力偏弱,加上所搭配的彩色濾光片的混色效果較差,導(dǎo)致透過面板形成的色域較窄,只有65%～75%NTSC。與有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)能夠?qū)崿F(xiàn)100% NTSC以上色域相比,LCD的色飽和度明顯不佳,畫質(zhì)較差。

本文針對當(dāng)前液晶顯示器存在色域表現(xiàn)不佳的缺點(diǎn),從原理上研究了影響液晶顯示器色域的主要因素,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的色域范圍,提出了提升液晶顯示器色域的方法,從而得出了實(shí)現(xiàn)廣色域液晶顯示器的技術(shù)發(fā)展方向。

2 實(shí) 驗(yàn)

首先從理論上研究了影響LCD顯示器色域的主要因素,然后通過采用140 cm(55 in)液晶顯示器進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),分別驗(yàn)證了幾種增加液晶顯示器色域的方案。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)物理測色法[3],液晶顯示器的相對光譜能量分布Φ(λ)可以表示為：

其中,S(λ)為光源相對光譜能量分布函數(shù),ρ(λ)為彩色濾光片[4]的光譜透射率函數(shù)。

最后按照色域公式計(jì)算出色域面積[5]比值(% NTSC)：

可見,當(dāng)液晶顯示器的相對光譜能量分布Φ(λ)確定后,其色域也基本確定,所以液晶顯示器的色域由光源相對光譜能量分布函數(shù)S(λ)、彩色濾光片的光譜透射率函數(shù)ρ(λ)決定。

液晶顯示器的彩色濾光片厚度直接決定了其濾光特性,并對其光譜透射率函數(shù)ρ(λ)有較大影響。本文將研究不同的彩色濾光片厚度對色域的影響。同時(shí),由于通過改變彩色濾光片厚度無法從根本上更改白光連續(xù)光譜分布,光源相對光譜能量分布S(λ)對液晶顯示器色域的影響也較大,因此本文還將研究不同光源的特性對液晶顯示器色域的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本文將采用140 cm(55 in)液晶顯示器為研究對象,分別驗(yàn)證幾種提升液晶顯示器色域的方案。實(shí)驗(yàn)裝置包括液晶面板、顯示器結(jié)構(gòu)組件、顯示器光學(xué)組件等。測試的輻射亮度計(jì)為KONICA MINOLTA公司CS-2000型分光輻射亮度計(jì),能夠?qū)?80～780 nm光譜段以1 nm分辨率測試顯示器的輻射量,測試視場為0.2°,色坐標(biāo)測試精度為±0.001,輻射亮度平均測試精度為±0.01 cd/m2。

2.2.1 彩色濾光片厚度對色域的影響

選用兩款140 cm(55 in)液晶面板,分別為正常彩色濾光片厚度的面板W1：AUO T550QVN03.0(CF厚度H,穿透率為6%)和彩色濾光片加厚的面板W2：AUO T550QVN03.0 (SKD)(CF厚度1.2H,穿透率為5.1%)。W1、W2采用相同的普通白光LED(7020雙晶)背光光源(藍(lán)光波長450 nm,激發(fā)580 nm黃色熒光粉)。在室溫25℃和額定電流120 mA下點(diǎn)亮面板,老化30 min后進(jìn)行測試,分別測試正常彩色濾光片厚度的面板W1與彩色濾光片加厚面板W2的相對光譜能量分布曲線,并計(jì)算出相應(yīng)的色域,從而驗(yàn)證液晶顯示器的彩色濾光片厚度對色域的影響。

2.2.2 不同LED光源光譜對色域的影響

選用正常彩色濾光片厚度的液晶面板W1搭配兩種背光源,分別為450 nm藍(lán)光芯片激發(fā)630 nm紅色、530 nm綠色熒光粉的LED(7020雙晶)光源和450 nm藍(lán)光、650 nm紅光雙芯片激發(fā)530 nm綠色熒光粉LED(7020雙晶)光源。在室溫25℃和額定電流120 mA下點(diǎn)亮面板,老化30 min后進(jìn)行測試,分別測試面板W1分別搭配兩種背光源的光譜能量分布曲線,并計(jì)算出相應(yīng)的色域,從而驗(yàn)證改變LED光源光譜對色域產(chǎn)生的影響。

2.2.3 采用量子點(diǎn)材料對色域的影響

選用正常彩色濾光片厚度的液晶面板W1搭配兩種光源,分別為450 nm藍(lán)光(未封裝熒光粉)LED(7020雙晶)激發(fā)紅綠色量子點(diǎn)材料的背光源和450 nm藍(lán)光芯片激發(fā)580 nm黃色熒光粉(7020雙晶)LED的背光源。在室溫25℃和額定電流120 mA下點(diǎn)亮面板,老化30 min后進(jìn)行測試,分別測試面板W1分別搭配兩種背光源的光譜能量分布曲線,并計(jì)算出相應(yīng)的色域,從而驗(yàn)證采用量子點(diǎn)材料對提升色域產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 彩色濾光片厚度對色域的影響

通過實(shí)驗(yàn)2.2.1,得到的兩種液晶顯示器(白光LED分別搭配正常彩色濾光片厚度的面板W1和彩色濾光片加厚面板W2)的相對光譜能量分布,如圖1所示。

圖1 不同彩膜厚度面板的相對光譜能量分布曲線Fig.1 Relative spectral energy distribution of the panels with different color filter thickness

從圖1可以看出,面板的彩色濾光片加厚后,顯示器的藍(lán)光半峰寬變窄了6 nm,黃光的半峰寬變窄了8 nm,色光的飽和度得到了提升。但是由于背光光源波長分布的限制,色域改變不大。根據(jù)公式(2)、(3)可以得出透過面板W1和W2的色域,透過彩膜色阻加厚面板W2的色域?yàn)?4.97%,而透過正常彩色濾光片厚度面板W1的色域?yàn)?6.82%,色域面積僅僅增大了8%。同時(shí),由于彩色濾光片厚度的增加,面板的穿透率下降,W2比W1的透過率下降了15%。

3.2 不同LED光源光譜對色域的影響

通過實(shí)驗(yàn)2.2.2,可以得到藍(lán)(B)、紅(R)光芯片激發(fā)綠色(G)熒光粉背光源和藍(lán)光(B)芯片激發(fā)綠(G)、紅(R)熒光粉背光源分別搭配W1面板的相對光譜能量分布,如圖2所示。

根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算,對于相同的面板W1,采用B芯片激發(fā)GR熒光粉的LED作為背光源,其色域可以達(dá)到88.34%;而采用BR光芯片激發(fā)G熒光粉的LED作為背光源,色域也可以達(dá)到85.49%。從圖2可以看出,由于背光中加入了紅光和綠光原色,改變了背光源的波長分布,光譜的紅光和綠光部分都出現(xiàn)了明顯的波峰。相比于加厚面板的彩膜厚度,改變光源的波長分布可使得液晶顯示器的色域有明顯的提高。但由于其綠光、紅光光譜峰值較小,所以原色的飽和度較低,色域還是無法達(dá)到100%NTSC以上。另外,通過測試發(fā)現(xiàn),采用藍(lán)光芯片激發(fā)綠、紅熒光粉的LED發(fā)光效率約為普通黃粉LED的85%,而采用藍(lán)、紅光芯片激發(fā)綠色熒光粉的LED發(fā)光效率僅有普通黃粉LED的80%,因此導(dǎo)致了顯示屏的功耗升高,亮度下降。該缺點(diǎn)進(jìn)一步制約了上述兩種LED作為背光源的發(fā)展。

圖2 B芯片激發(fā)GR熒光粉和BR芯片激發(fā)G熒光粉的兩種LED光源分別搭配面板W1的光譜能量分布曲線Fig.2 Relative spectral energy distribution of the panel W1 with two kinds ofbacklightof blue chip+green,red phosphor LED and blue,red chip+green phosphor LED.

3.3 采用量子點(diǎn)材料對色域的影響

圖3 普通白光和量子點(diǎn)材料兩種光源分別搭配面板W1的光譜能量分布曲線Fig.3 Relative spectral energy distribution of the panel W1 with two kinds of backlightof common white LED and quantum dots LED

通過實(shí)驗(yàn)2.2.3,可以得到普通白光LED(藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉)背光源和藍(lán)光芯片激發(fā)量子點(diǎn)材料背光源分別搭配W1面板的相對光譜能量分布,如圖3所示。根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算,對于相同的面板W1,采用藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉的普通LED光源,其色域僅有66.82%;而采用藍(lán)光芯片激發(fā)量子點(diǎn)材料的光源,其色域可高達(dá)102.1%。由圖3可見,量子點(diǎn)材料激發(fā)出的綠光(主波長526 nm,半峰寬約25 nm)和紅光(主波長632 nm,半峰寬約為30 nm)峰值較高,同時(shí)由于半波峰較窄,所以三原色的飽和度很高,從而實(shí)現(xiàn)了廣色域的顯示,畫質(zhì)也有較大提升,其最終顯示效果如圖4所示。從中可以看出,采用量子點(diǎn)材料顯示器(上圖)的紅色部分和綠色部分均十分鮮艷,較普通白光LED背光源(下圖)的顯示效果更加真實(shí)。

圖4 采用量子點(diǎn)LED(上)和普通白光LED(下)作為背光源的顯示器的顯示效果對比Fig.4 Display effect comparison of the display devices with quantum dots LED backlight(up)and common white LED backlight(down)

通過以上幾組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,普通白光LED(波長450 nm藍(lán)光芯片激發(fā)580 nm黃色熒光粉)分別搭配正常彩色濾光片面板W1和彩色濾光片加厚面板W2,色域只從66.82%提升到74.97%,增加了8%的色域,但是透過率卻下降了15%。色域提升較少的原因主要是由于背光源采用普通的白光LED,其光譜中紅光部分波峰較小,同時(shí)彩色濾光片加厚導(dǎo)致面板透過率下降較多,整個(gè)背光系統(tǒng)成本亦相應(yīng)有所增加。

目前大多顯示器廠商是通過更改LED光源光譜來改善顯示器的色域。其中,采用藍(lán)光和紅光雙芯片激發(fā)黃色熒光粉的方式可以將色域提升到85%左右,但由于紅色芯片自身的穩(wěn)定性差、激發(fā)效率低以及成本高等問題,導(dǎo)致這種方式目前量產(chǎn)性較差。而采用藍(lán)光芯片激發(fā)紅色、綠色熒光粉的方式也可以將色域提升到85%以上,但很難超過90%,而且紅色熒光粉的穩(wěn)定性較差,光衰較明顯,但由于其性價(jià)比較好,所以目前市場上較多的廣色域產(chǎn)品采用該技術(shù)。

采用量子點(diǎn)材料,可以實(shí)現(xiàn)100%以上色域,主要是由于量子點(diǎn)屬于半導(dǎo)體納米晶體[6],其受激發(fā)出光的波長和量子點(diǎn)的大小成正比,越小的量子點(diǎn)所發(fā)出的能量越高、波長越短;越大的量子點(diǎn)發(fā)出的能量越低、波長越長。利用這種微觀效應(yīng),我們可以通過控制量子點(diǎn)的形狀結(jié)構(gòu)來控制光源的相對光譜能量分布[7],從而提供精準(zhǔn)的色譜和色純度。量子點(diǎn)具有波長可控、穩(wěn)定性好、激發(fā)效率高等特點(diǎn),所以很適合應(yīng)用于廣色域技術(shù)中。

4 結(jié) 論

增加液晶面板的彩色濾光片厚度對液晶顯示器的色域有一定的提高,但面板的透過率將大幅降低。目前市場上普遍使用的廣色域方案還是采用藍(lán)光LED芯片激發(fā)紅色、綠色熒光粉的方式,可將色域提升到85%以上。使用量子點(diǎn)材料可獲得飽和度較高的紅綠光,在不改變面板彩色濾光片厚度情況下,可實(shí)現(xiàn)100%NTSC的真實(shí)高色域顯示,若再搭配高分辨率(UHD)的液晶面板,其顯示效果可與OLED媲美。

[1]Li FW,Jin W Q,Shao X B,et al.Analysis of color gamutof LCD system based on LED backlightwith area-controlling technique[J].Spectrosc.Spect.Anal.(光譜學(xué)與光譜分析),2010,30(5)：1371-1375(in Chinese).

[2]Wang J,Wang J,Zheng R E,et al.Study of achieving white organic LED by fluorescence dye[J].Spectrosc.Spect. Anal.(光譜學(xué)與光譜分析),2005,25(8)：1266-1269(in Chinese).

[3]Hu C F.Printing Chromatics and Colorimetry[M].Beijing：Chemical Industry Press,1993：16(in Chinese).

[4]Li H Y,Yang JX.Color filter for TFT-LCD[J].Adv.Disp.(現(xiàn)代顯示),2005(6)：41-44(in Chinese).

[5]Chino E.Development ofwide-color-gamutmobile displays[J].Adv.Disp.(現(xiàn)代顯示),2007(8)：25-28(in Chinese).

[6]Li JS,Chang SQ,Kang B,etal.Synthesis of CdS/ZnScore-shell quantum dots in reversemicelle system and its optical property research[J].Chem.Ind.Eng.Soc.China(化工學(xué)報(bào)),2009,60(2)：519-523(in Chinese).

[7]Uddin C A,Teo C.Effects of QD concentrations and thermal annealing on the performance of self-assembly QD-OLEDs [J].Nanosci.Nanotechnol.,2011,11(12)：1061-1064.

周忠偉(1981-),男,湖北宜城人,博士研究生,2006年于深圳大學(xué)獲得碩士學(xué)位,主要從事半導(dǎo)體光電器件方面的研究。

E-mail：jonychou@163.com

彭俊彪(1962-),男,吉林長春人,教授,博士生導(dǎo)師,1993年于中國科學(xué)院長春物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事高分子發(fā)光材料與器件方面的研究。

E-mail：psjbpeng@scut.edu.cn

Research of W ide Color Gamut Technology for Liquid Crystal Display

ZHOU Zhong-wei1,2,MENG Chang-jun2,WANG Lei1,ZOU Jian-hua1,PENG Jun-biao1*

(1.School ofMaterials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China; 2.Skyworth LCD Co.,Ltd.,Shenzhen 518108,China) *Corresponding Author,E-mail：psjbpeng@scut.edu.cn

To resolve the problem of poor color performance of liquid crystal display,themain factorswhich affect the color gamut were researched from the principle.The affects of the color filter thickness,LED light source spectrum and quantum dotmaterialswere verified by experiments.The color gamut is increased 8%by thickening the color filter and raised to more than 85%NTSC by changing the LED light source spectrum.By using quantum dotmaterial,the color gamut raises to more than 100%NTSC.

liquid crystal display;wide color gamut;light emitting diode;quantum dot

TN141

A

10.3788/fgxb20153609.1071

1000-7032(2015)09-1071-05

2015-04-06;

2015-07-21

廣東省科技廳項(xiàng)目(2014B010122002);深圳市科技計(jì)劃(CXZZ20140418154008866)資助項(xiàng)目