高色域背光技術(shù)

何勝斌，唐萬順

(深圳市兆馳股份有限公司，廣東 深圳 518026)

0 引言

隨著全球現(xiàn)代化水平不斷提升，顯示設(shè)備成為了信息社會重要的應(yīng)用平臺，在信息傳播和生活娛樂中發(fā)揮重要的作用。目前，行業(yè)內(nèi)主流顯示方式包含：LCD液晶顯示、OLED、激光顯示、LED點陣等。其中，LCD液晶顯示的制造成本低、使用壽命長，設(shè)計空間大等特點，使其保持行業(yè)的主流，如LCD液晶電視、顯示器等；OLED因為良率和特性，適合小尺寸便攜式設(shè)備；激光電視顯示適合超大尺寸特定場景；LED點陣顯示尤其MINI和MICRO是新型顯示技術(shù)，正在推廣和技術(shù)突破階段。

LCD液晶顯示的發(fā)展從CCFL到LED燈條、從厚重到輕薄、從普通色域到高色域、從高色域到量子點、從不可調(diào)光到區(qū)域調(diào)光等，一直在不斷完善，以提供更好的視覺效果。

1 色域的定義以及影響色域的因素

1.1 色域

即色彩空間，為所有可見光的總和。在二維空間中有兩種表示方法：1) 用x，y坐標(biāo)系(CIE 1931非均勻色度空間)；2) 用u’，v’坐標(biāo)系(CIE 1976均勻色度空間)。在色度空間圖上用顏色標(biāo)出的位置是可見光顏色區(qū)域，為馬蹄形狀。

圖1 色度空間圖

1) 色域是LCD液晶顯示設(shè)備的一個重要指標(biāo)，是單臺設(shè)備能夠產(chǎn)生的顏色總和，它代表的是顯示設(shè)備能顯示色彩的能力。影響色域大小的是RGB三基色色度點，如果能顯示出更紅、更藍(lán)、更綠的三基色，色域就越高。以RGB色度點在色度空間中形成的三角形區(qū)域大小來量化，三角形區(qū)域面積越大，色彩表現(xiàn)能力越強，顯示的色彩就越艷麗。當(dāng)選取RGB光譜色時，馬蹄形決定了光譜色形成的三角形無法涵蓋整個區(qū)域，即：三基色并不能混合出所有可見光，所以RGB色度點組成的三角形覆蓋標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域的比例，稱之為色域覆蓋率。

2) 行業(yè)內(nèi)常用的的色域標(biāo)準(zhǔn)有：NTSC標(biāo)準(zhǔn)、DCI-P3標(biāo)準(zhǔn)、sRGB標(biāo)準(zhǔn)、Adobe RGB標(biāo)準(zhǔn)、BT.2020標(biāo)準(zhǔn)等。

3)影響色域大小的兩個直接因素：LCD液晶玻璃上使用的彩色濾光片(Color Filter，簡稱CF);背光源設(shè)計。

LCD液晶[1]本身并不會顯示圖像，之所以能看到圖像，是因為必須對液晶加上電信號和需要背光源。而液晶玻璃的構(gòu)造中，影響色域的是彩色濾光片(Color Filter簡稱CF)，由紅、綠、藍(lán)三種濾光片組成，只有與濾光片光譜相近的光源才能夠透過濾光片。LED白光經(jīng)過CF后得到一個新的混合白光，由透過率CF后的R/G/B重新混合而成。不同型號的OC采用了有差異的彩色濾光片，這就要求我們采用不同LED白光色區(qū)來調(diào)整LCD液晶顯示器的白點色坐標(biāo)。

背光源設(shè)計，則要求構(gòu)成LED白光RGB的光譜峰值接近CF的RGB濾光片峰值，同時使RGB三色的半波寬越窄越好，減小RGB的交叉影響，才能得到更高的色域值。

2 提升色域的常用方法

LCD液晶玻璃確認(rèn)后CF也被固定下來，提升LCD液晶顯示色域的關(guān)鍵因素就是背光源。在背光源設(shè)計中，提升色域的方法有如下兩種：

2.1 使用高色域LED提升色域

普通色域的白光LED由藍(lán)光芯片+Yag粉構(gòu)成，NTSC色域在72%左右。高色域LED實現(xiàn)的方式有多種，下面就各自方案做了個對比，見表1。

表1 高色域LED實現(xiàn)方案

高性價比的方案為LED藍(lán)光芯片+綠粉+新紅粉方案，實現(xiàn)高色域LED的關(guān)鍵在于色粉的峰值、半波寬等參數(shù)的選擇。色粉的光譜選擇與彩色濾光譜匹配的波段，同時發(fā)射光譜的半波寬窄，才能有效的提升LED色域。

這里重點談下新紅粉KSF。KSF、KGF、KTF都為氟化物熒光粉，其中KSF為立方晶體，KGF、KTF為六方晶體。新紅粉(KSF)為四價錳激發(fā)的氟硅酸鉀，在高色域LED中使用的比較廣泛。KSF熒光粉具有吸濕性、易氧化的特性。在高溫時容易和水發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)，分體顏色由橙色變?yōu)楹稚８邷貤l件下氟化物熒光粉的亮度會衰減很大，回溫后可恢復(fù)正常。由于氟化物熒光粉的特性，其存儲條件非常嚴(yán)格，要避免溫濕度對粉體的破壞；在應(yīng)用過程中需配備氣密性和散熱性好的材料，因此對LED支架和膠水要有針對性的選擇。

2.2 使用量子點提升色域

量子點[2]為半導(dǎo)體納米晶體，其組成成分主要有：鋅、鎘、硒和硫原子。量子限制了電子和空穴的區(qū)域，讓量子點具有了分立的能級結(jié)構(gòu)，量子點受到光或者電的刺激會發(fā)出有色光。量子點組成成分不同、尺寸不同，都會使量子點被激發(fā)的光譜處于不同的波段區(qū)域。可以根據(jù)需求，調(diào)整量子點的尺寸或者不同組成成分，使量子點發(fā)出單一性好且對稱的光譜。

量子點主要特性如下：粒徑在1～10 nm的納米晶體；與水氧接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致失效；電或光作用下能發(fā)出特定頻率的光且無機發(fā)光材料比有機發(fā)光材料更穩(wěn)定，發(fā)光效更高；發(fā)光顏色單一純凈，且半波寬超窄(≤35 nm)；實際應(yīng)用可操作性強，只需變化量子點尺寸大小，即可發(fā)出不同顏色的光。

從環(huán)保上區(qū)分，量子點分為兩種：有鎘量子點和無鎘量子點。目前有鎘量子點在色域和光效上都優(yōu)于無鎘量子點，在高色域背光設(shè)計成本上含鎘量子點成本相對低。鎘在量子點成分中含量較少，在環(huán)保規(guī)定范圍內(nèi)，所以含鎘量子點在業(yè)內(nèi)使用的比較廣泛；無鎘量子點實現(xiàn)無害環(huán)保，它的突破將是量子點的下一個發(fā)展方向。在顯示技術(shù)領(lǐng)域，量子點的主要應(yīng)用包括兩個方面：基于量子點電致發(fā)光特性，開拓量子點發(fā)光二極管顯示技術(shù)，即QLED；基于量子點光致發(fā)光特性，將量子點做成量子膜或者做成量子點擴散板，應(yīng)用到高色域的背光技術(shù)。量子點應(yīng)用在LED封裝中，散熱和水氧阻隔的問題很難解決，應(yīng)用在膜片和擴散板上顯示效果更佳，可靠性更強。

2.2.1 量子膜實現(xiàn)原理

量子膜架構(gòu)為：量子點材料涂布在兩張高分子阻隔膜中間。阻隔膜主要作用為阻隔外界的水氧，防止量子點失效。量子點材料涂布前需要充分?jǐn)嚢?，為防止量子點在生產(chǎn)過程中失效，生產(chǎn)設(shè)備需要絕對密封。隨著量子點材料層不斷升級，鎘含量逐步降低，對阻隔膜的要求也逐漸在降低，光學(xué)表現(xiàn)和穩(wěn)定性逐步增強。

量子膜在背光設(shè)計中，搭配藍(lán)光LED(常用波段為447～455 nm)，同時為了更好的被藍(lán)光激發(fā)，量子膜放在膜片架構(gòu)的第一張，即擴散板/導(dǎo)光板上。通過藍(lán)光激發(fā)量子點產(chǎn)生綠光和紅光，與滲透過來的藍(lán)光混合為白光。

使用量子膜設(shè)計高色域背光時，除了LED波長和面板會影響混合白光的色點，此外膜片數(shù)量的多少會影響藍(lán)光的滲透效率，對混合白光的色點也有較大的影響，需要針對膜片架構(gòu)選擇不同成分的量子點材料層。

表2 量子膜常用膜片架構(gòu)

2.2.2 量子點擴散板實現(xiàn)原理

擴散板使用在直下式機型中，通過透射、折射、反射、散射等光學(xué)作用，使LED點光源轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛎婀庠吹恼丈湫Ч?。目前常用的擴散板都是將PS/PP和光擴散粒子熔解攪拌均勻后通過設(shè)備擠出形成。通過調(diào)整原料配比擠出不同霧度和不同透過率的擴散板，厚度可以通過擠出設(shè)備控制。光擴散粒子由基體樹脂和擴散劑組成。基體樹脂主要選擇的是PMMA、PS、PC等透光率高、機械性能良好的工程塑料；光擴散劑主要包括有機光擴散劑和硫酸鋇、二氧化硅等無機光擴散劑，以微球形團(tuán)聚形式存在。擴散劑會吸收入射光，導(dǎo)致入射光在通過擴散板后損失亮度，所以擴散板在實際應(yīng)用中，霧度提升，擴散效果越好，亮度就會越低。

量子點擴散板是普通擴散板通過特殊工藝與量子點材料層二合一形成的功能板。其工作原理和量子膜一樣，只是將量子點材料層的載體由高分子阻隔膜更改為擴散板，其作用可以取代擴散板+量子膜，降低設(shè)計成本，同時也解決了阻隔膜依賴進(jìn)口的問題。

量子點遇到水氧會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時高溫也會犧牲一些量子點和降低量子點效率。量子點擴散板的生產(chǎn)工藝采用更加復(fù)雜的三層共擠的方案生產(chǎn)。

3 高色域背光技術(shù)的前景

分辨率和色域是用戶對一臺顯示設(shè)備最直觀的感受。目前4K/8K已經(jīng)在一定程度上滿足了用戶在清晰度上的需求，色域?qū)怯脩艚酉聛硪非蟮臒狳c。色域的提升，讓人更加直觀的了解設(shè)備色彩顯示能力，很大程度的提升用戶的感官體驗。隨著社會發(fā)展、物質(zhì)水平的提升，用戶對電子產(chǎn)品的追求也在不斷提升，在未來幾年，高色域占比將不斷提升，或?qū)⒂瓉砀呱蝻@示時代。