新型柔性顯示薄膜的設(shè)計

吳 林，馬建設(shè)，蘇 萍

(清華大學深圳研究生院 光盤國家工程研究中心深圳分中心，廣東 深圳 518055)

引言

LED電子顯示屏是由幾百到幾十萬個發(fā)光二極管按矩陣均勻排列所組成，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。近年來，LED顯示屏得到了極大的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理等公共場所[1]。相對于普通的電子顯示屏，LED顯示屏具有可以無縫拼接、刷新頻率高(1 900 Hz以上)、色彩鮮艷等優(yōu)點[2]。目前應(yīng)用廣泛的LED顯示屏是平面的，而商場、車站等人流聚集的地方，圓柱體隨處可見，平面型顯示屏已經(jīng)不能滿足應(yīng)用；在酒吧、舞場、電影院等場合更適合絢麗多姿的造型，變幻莫測的色彩的裝飾，這些場合下凸顯了LED軟屏的特色[3-5]。

目前市場上只有固定曲率半徑的“柔性”LED顯示屏，這種屏幕應(yīng)用范圍固定，需要定制；在各研發(fā)機構(gòu)里，一般采用有機發(fā)光二極管(OLED)研發(fā)柔性顯示屏，而這樣的材料有平整性差，易老化等缺點，采用LED進行后續(xù)研發(fā)能解決上述問題；傳統(tǒng)的顯示屏需要采用紅綠藍3種芯片構(gòu)成一個像素進而顯示出彩色，在此基礎(chǔ)上提出了一種全新的設(shè)計，這種設(shè)計不僅能夠用于柔性顯示，而且能降低成本[6-12]。由于柔性LED顯示屏的核心是設(shè)計柔性顯示薄膜，故文中重點介紹該種薄膜的設(shè)計。

1 設(shè)計的結(jié)構(gòu)

圖1為柔性顯示的主體設(shè)計方案，即貼附于柔性印刷電路板(FPC)上的藍光芯片發(fā)出藍光后，激發(fā)熒光粉層發(fā)出復(fù)合白光。

圖1 柔性顯示薄膜的主體設(shè)計方案Fig. 1 Main design scheme of flexible display film

圖2為一個像素單元的尺寸大小，對應(yīng)的是P1顯示屏，為設(shè)計的柔性顯示薄膜主體部分的截面圖。這種柔性顯示薄膜包括隔離層t3、熒光粉層t2、PI基膜t1。

圖2 一個像素大小的截面圖Fig. 2 Section diagram in one pixel size

隔離層的目的是防止光束間的串擾，即1個像素點內(nèi)的3個芯片能夠獨立發(fā)揮作用，更好地實現(xiàn)矩陣尋址功能，這里可以選擇簡單的物理遮擋方法，但寬度要求符合以下條件。

設(shè)置藍光芯片的發(fā)光角度為120°，出光角度為2α，為了使結(jié)構(gòu)避免串擾的發(fā)生，計算出(t1+t2+t3)·tanα的數(shù)值與1/6進行比較，如果(t1+t2+t3)·tanα的數(shù)值大于1/6，則需要減小發(fā)光角度。

熒光粉層的目的是把接收到的藍光激發(fā)加混合形成RGB波段的復(fù)合白光，由于需要濾光后組合，所以要求藍光激發(fā)后盡可能只有RGB光成分，這里可以選擇KSF紅色熒光粉和β-塞隆綠色熒光粉的混合。PI基膜的作用是使薄膜整體具有一定的柔性，這里選擇摻雜有氟化物的PI基膜材料，該材料不僅有較為理想的透過率，而且其表面粗糙度較小，在彎折時不易形成缺陷。

這種優(yōu)化后的顯示薄膜有以下優(yōu)點：1)只使用藍光芯片，降低成本，并使控制變得容易；2) 把常用的PET基膜材料換成PI基膜材料；3) 使用優(yōu)化設(shè)計后的熒光粉層；4)避免串擾現(xiàn)象。

圖3為這種FPC的一些尺寸數(shù)據(jù)，所用到的LED芯片為320 μm×240 μm×150 μm，根據(jù)LED芯片的尺寸可以算出各種間距。

圖3 柔性顯示薄膜所用FPCFig. 3 FPC for flexible display film

2 仿真驗證

基于這種設(shè)計，采用lighttools仿真軟件進行仿真[13]，我們采用以下步驟進行仿真操作：1) 根據(jù)熒光粉廠商提供的產(chǎn)品質(zhì)量報告求出這幾種熒光粉米氏微粒尺寸、發(fā)射光譜、激發(fā)光譜和吸收光譜的txt文件，導(dǎo)入lighttools中；2) 模型建立中還需要輸入實驗所用藍光芯片的折射率和環(huán)氧AB膠的折射率等值。3) 藍光光源的中心波長為450 nm，采用高斯分布；熒光粉薄膜采用KSF紅色熒光粉和β-塞隆綠色熒光粉的混合，此時非常重要的一步是微粒濃度的計算。

設(shè)KSF紅色熒光粉的密度為ρ1，β-塞隆綠色熒光粉的密度為ρ2，熒光粉顆粒因為當做球形顆粒處理，所以，其每個顆粒的體積V為

(1)

式中:D為熒光粉顆粒直徑，如果膠水的密度為ρ3，KSF紅色熒光粉的質(zhì)量分數(shù)為V1，則粒子濃度N1約為(這里忽略了熒光粉的體積，故計算值偏大)

(2)

例如本實驗采用密度為1.832 8 g/cm3的黃色熒光粉，當其質(zhì)量分數(shù)為1/6時可計算出如表1參數(shù)。

表1 黃色熒光粉的相關(guān)參數(shù)

其中粒子濃度作為Mie的輸入仿真值。

這里利用lighttools專業(yè)軟件進行了多組仿真，包括改變粒子的濃度，熒光粉的比例和材料等仿真。如圖4為傳統(tǒng)的YAG-4黃色熒光粉和SB626A紅色熒光粉按照50:1的比例的光譜仿真圖，圖5為新型材料KSF紅色熒光粉和β-塞隆綠色熒光粉質(zhì)量比為1:2時光譜仿真圖。

圖4 光譜仿真圖1Fig. 4 Spectral simulation chart 1

圖5 光譜仿真圖2Fig .5 Spectral simulation chart 2

這里還仿真出了光通量、光效、色域指數(shù)、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)隨粒子濃度改變而改變的規(guī)律，如圖6為光效隨黃色熒光粉粒子濃度增大的變化圖。

圖6 光效隨黃色熒光粉粒子濃度增大的仿真變化圖Fig. 6 Simulative changing chart of light efficiency with increasing of yellow phosphor particle concentration

3 實驗探究和測試

采用旋轉(zhuǎn)涂覆法來制備LED柔性配光薄膜，旋轉(zhuǎn)涂覆法是將熒光粉膠料涂覆在基片表面初步形成薄膜，然后通過旋轉(zhuǎn)工藝制備能發(fā)出RGB3種波段光柔性熒光粉薄膜；制備出熒光粉薄膜后還需要測出其相應(yīng)的光譜：設(shè)計好柔性熒光粉薄膜測試系統(tǒng)，即基于小型積分球的測試系統(tǒng)，探究隨熒光粉濃度和配光距離變化對應(yīng)的配光性能參數(shù)比如發(fā)光效率、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)及出射功率等的變化規(guī)律，對比其優(yōu)劣性[14-15]。

旋轉(zhuǎn)涂覆采用的設(shè)備是KW-4B型臺式勻膠機，整個積分球測試系統(tǒng)由HAAS-2000快速光譜分析儀、WY系列電源、0.5 m積分球、能控制配光距離的藍光光源以及計算機等部分構(gòu)成。其中，積分球測試系統(tǒng)為遠方儀器公司提供，而能控制配光距離的藍光光源是自己設(shè)計并加工，其原始光譜圖如圖7所示。

圖7 原始光譜圖Fig. 7 Primitive spectrogram

圖8 積分球測試系統(tǒng)Fig. 8 Integral sphere test system

經(jīng)過多次實驗，其中采用新型材料KSF紅色熒光粉和β-塞隆綠色熒光粉測出的光譜圖比較符合設(shè)計要求，如圖9所示。

圖9 比較理想結(jié)果的光譜圖Fig. 9 Spectrograms with ideal results

繼續(xù)采用新型材料KSF紅色熒光粉和β-塞隆綠色熒光粉做熒光粉薄膜做多組實驗，例如改變其粒子濃度，可以得到光效隨粒子濃度變化的規(guī)律圖，如圖10所示。

圖10 光效隨粒子濃度變化的規(guī)律圖Fig. 10 Chart of light efficiency changing with particle concentration

經(jīng)過上述仿真和實驗測試，可以看出測試結(jié)果和仿真分析有較大吻合性。最后通過多次實驗，做出比較符合要求的顯示薄膜的主體部分，經(jīng)測量，其折彎半徑為3.1 cm，如圖11所示。

圖11 顯示薄膜的主體部分Fig. 11 Main part of display film

4 結(jié)論

經(jīng)過上述的一系列研究，我們可以得到以下結(jié)論：1) 提出了一種新型柔性LED顯示薄膜，優(yōu)化了設(shè)計，改善了相應(yīng)的缺點;2) 對顯示薄膜進行了仿真和實驗，都得到了比較滿意的結(jié)果;3) 對樣品進行測試，發(fā)現(xiàn)最終樣品也符合實驗前的總體規(guī)劃，可以說這種設(shè)計不僅思路正確，而且可行性也很高。