基于不同色轉(zhuǎn)換方式下占空比與色差的關(guān)系

楊梅慧， 鐘文馗， 林偉瀚， 胡文黨， 陳俐闖， 謝沛川

（1. 康佳集團股份有限公司， 廣東 深圳 518057；2. 深圳康佳電子科技有限公司， 廣東 深圳 518107）

1 引言

液晶顯示（LCD）是非發(fā)射性的，因此它需要背光單元，背光會增加LCD 面板的厚度并限制其柔性。然而，LCD 可以使用高效率且長壽命的藍光LED 作為背光，并使用氟化物熒光粉或量子點作為顏色轉(zhuǎn)換層以實現(xiàn)寬色域，尤其是量子點增強型LCD 比OLED 表現(xiàn)出更寬的色域，且具有更優(yōu)的峰值亮度和壽命［1］。鑒于產(chǎn)業(yè)和技術(shù)成熟度以及成本因素，目前LCD 在市場上仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。微發(fā)光二極管（Micro LED）顯示是像素主動發(fā)射性的，支持快速響應(yīng)、高像素密度、高對比度、高比特深度、出色的暗狀態(tài)、寬色域、寬視角、寬操作溫度范圍和靈活的形狀因子［2］。隨著半導(dǎo)體顯示技術(shù)的發(fā)展和需求推動，Micro LED 顯示由于其優(yōu)異的畫質(zhì)性能以及高可靠性，被譽為下一代顯示技術(shù)。目前巨量轉(zhuǎn)移工藝良率和效率還處于比較低的水平，以及Micro LED 芯片尺寸微小化后EQE 急速降低，導(dǎo)致目前Micro LED 顯示還達不到規(guī)?；a(chǎn)的階段［3］。近兩年出現(xiàn)的Mini LED 背光技術(shù)搭配寬色域色彩轉(zhuǎn)換方案，使液晶顯示畫質(zhì)水平得到了質(zhì)的提升。結(jié)合Mini LED 背光技術(shù)，超薄LCD 偏振光學(xué)元件在增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）領(lǐng)域亦有著很好的應(yīng)用前景［4］。預(yù)計未來幾年，LCD 液晶顯示仍然會占據(jù)顯示領(lǐng)域的主要份額。

LCD 背光的白光色彩轉(zhuǎn)換方案包括藍光激發(fā)釔鋁石榴石（YAG）黃粉、藍光激發(fā)氮氧化物（β-SiAlON）+氟化物（KSF）紅粉、藍光激發(fā)紅綠量子點（QD）熒光膜等3 種方式。3 種色彩轉(zhuǎn)換方式都是銦鎵氮（InGaN）藍光LED 芯片電致發(fā)光和熒光粉光致發(fā)光的結(jié)合，熒光粉采用的均是瞬余輝熒光類型，即激發(fā)后大部分能量釋放發(fā)光，少部分能量延遲釋放。藍光激發(fā)YAG 黃粉是常用的液晶顯示背光色彩轉(zhuǎn)換方案，用LED 芯片電致發(fā)光發(fā)出的450 nm 左右波長的藍色光激發(fā)摻鈰（Ⅲ）的釔鋁石榴石（YAG:Ce3+）熒光粉轉(zhuǎn)換為白光，此種方式性能穩(wěn)定，成本低，但色域不廣。藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉的方式能拓寬色域，其中KSF 紅粉以Mn4+作為激活劑，以K2SiF6:Mn4+（KSFM）為典型代表，其最強吸收峰與藍光芯片發(fā)射峰匹配良好，匹配藍光LED 時重吸收效應(yīng)不明顯［5］。在LED 背光顯示中，KSF粉由于發(fā)射峰窄和無自吸收等特點能實現(xiàn)高激發(fā)效率和寬色域顯示［6-7］。β-SiAlON 是（Si，Al）（O，N）4四面體為基本結(jié)構(gòu)單元而形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的氮氧化物。β-SiAlON:Eu2+綠色熒光粉是一種稀土摻雜的熒光粉，發(fā)射峰光譜半高寬約為52 nm，較常規(guī)綠粉半高寬要窄，熱淬滅溫度高，化學(xué)穩(wěn)定性強［8-9］，與氟化物KSF 紅粉搭配經(jīng)常用于高色域背光產(chǎn)品。藍光激發(fā)紅綠量子點熒光膜是高階LCD 機型的使用方案，量子點輻射光譜的半高寬窄，在3 種色彩轉(zhuǎn)換方案里色域最廣。在同等條件下，量子點電視相較于普通電視可以有效減少人眼的疲勞程度，增加用戶的認知效率和速度［10-11］。因此，寬色域顯示機型中使用量子膜的產(chǎn)品逐漸增多。

Mini LED 背光顯示技術(shù)使用分區(qū)控制電路，結(jié)合峰值亮度算法來提升對比度?？刂齐娐泛琍M 和AM 驅(qū)動方式，目前采用的主要為AM 驅(qū)動方案。此種電路在不同的灰階畫面信息下，通過數(shù)字調(diào)光方式調(diào)節(jié)電流波形的占空比進行各分區(qū)亮暗程度變化的調(diào)節(jié)。由于存在電流幅值的臺階變化以及電流開啟關(guān)斷周期，這種流經(jīng)藍光LED 芯片的電流波形的變化使藍光輻射能量發(fā)生變化，與之搭配的各種色彩轉(zhuǎn)換背光可能產(chǎn)生新的光學(xué)問題。尤其是近期采用Mini LED 背光的電視、顯示器、車載顯示等產(chǎn)品份額逐漸增多，色轉(zhuǎn)換方式均使用量子點色轉(zhuǎn)換和KSF 粉色轉(zhuǎn)換方式，出現(xiàn)了屏幕在不同灰階畫面下顏色偏差、灰階切換時存在“紅爆”現(xiàn)象等問題。顯示產(chǎn)品除了追求高對比度、寬色域等畫質(zhì)性能外，還需要避免動態(tài)顯示時畫質(zhì)顏色驟變問題，減輕消費者觀看時的視覺疲勞。

本文對電流調(diào)光模式下3 種色彩轉(zhuǎn)換背光方案的顯示產(chǎn)品進行了測試分析。結(jié)果表明,3 種色彩轉(zhuǎn)換方案在不同電流占空比條件下的亮度變化趨勢基本呈線性關(guān)系，但色坐標(biāo)變化趨勢差異明顯。隨著電流的變化，藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉轉(zhuǎn)換方案樣品在3 種樣品中色坐標(biāo)變化差異值最大，且紅色變化比綠色明顯。藍光激發(fā)紅綠量子點轉(zhuǎn)換方案的色坐標(biāo)變化介于其他兩種方案之間，且綠色變化比紅色明顯。經(jīng)分析，色坐標(biāo)變化差異與紅綠粉的量子激發(fā)效率差異有關(guān)。通過縮短KSF 熒光粉的余輝時間及驅(qū)動電流調(diào)光周期可以消除“紅爆”現(xiàn)象。

2 實驗

分別對采用3 種色彩轉(zhuǎn)換技術(shù)背光的75 in（1 in=2.54 cm）液晶電視進行測試，3 種色彩轉(zhuǎn)換技術(shù)均采用LED 芯片發(fā)射的藍光激發(fā)熒光粉進行白光色彩轉(zhuǎn)換，樣品1 的色彩轉(zhuǎn)換方式為藍光激發(fā)YAG 黃粉，樣品2 的色彩轉(zhuǎn)換方式為藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉，樣品3 的色彩轉(zhuǎn)換方式為藍光激發(fā)紅綠量子點熒光膜。采用數(shù)字調(diào)光控制電路時，電視機菜單打開脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光模式，峰值電流不變，電流波形正占空比從10%依次增加到100%，測量不同電流占空比條件下的樣品光學(xué)表現(xiàn)。調(diào)光電流波形如圖1 所示，如紅色豎線和箭頭示意，電流波形下降沿箭頭方向推移，則電流波形正占空比不斷加大。當(dāng)紅線向右移到與下一個周期的上升沿重疊時，正占空比達到100%，電流波形為一條直線。圖1中的狀態(tài)為占空比49.789%，電流通斷頻率為15.5 kHz，對應(yīng)一個通斷周期為64 μs，為液晶顯示背光典型的驅(qū)動電流工作狀態(tài)。

圖1 調(diào)光模式的電流波形Fig.1 Dimming mode current waveform

樣本置于照度低于0.1 lx 的暗房內(nèi)進行測試。采用CS2000 分光輻射亮度計進行整機樣品的光學(xué)測試，采用濱松C11347-11 量子產(chǎn)率測量儀進行激發(fā)效率測試，采用SDS6054 H10 Pro 數(shù)字示波器及HCP8030D 電流探頭進行電流波形監(jiān)測。采用PG 信號發(fā)生器進行畫面灰階信號切換，觀測不同灰階切變過程中的視覺感應(yīng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果

3.1.1 數(shù)字調(diào)光模式下3 種色彩轉(zhuǎn)化方案的光學(xué)差異

3 種色彩轉(zhuǎn)換樣品的輻射光譜波形如圖2 所示，3 種色彩轉(zhuǎn)換光譜特征差異明顯。3 種方式均為藍光LED 芯片通電發(fā)射出藍光去激發(fā)熒光粉，其中一部分藍光穿透出熒光粉，一部分藍光被熒光粉吸收激發(fā)出其他顏色的光譜波段。圖2 中3 種色彩轉(zhuǎn)換方案的波形均有藍色的尖峰波形。其中圖2（a）為藍光激發(fā)YAG 黃粉，熒光粉激發(fā)波段為一個寬波段平緩的黃光波段；圖2（b）為藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉，KSF 紅粉被激發(fā)出尖刺狀的紅光尖峰組合，β-SiAlON 被激發(fā)出凸包狀的半高寬相對窄的綠光波段；圖2（c）為藍光激發(fā)紅綠量子點熒光膜，量子點被激發(fā)出紅色和綠色兩個比較陡的凸包狀波段。每種色轉(zhuǎn)換方案不同波段顏色最終混合成為白光。

圖2 （a） YAG 熒光粉色彩轉(zhuǎn)換輻射光譜圖；（b） 氟化物色彩轉(zhuǎn)換輻射光譜圖；（c） 量子點色彩轉(zhuǎn)換輻射光譜。Fig.2 （a） YAG color conversion radiation spectrum；（b） Fluoride color conversion radiation spectrum；（c） Quantum dot color conversion radiation spectrum.

使用上述3 種背光的電視樣品在調(diào)光電流驅(qū)動模式下進行光學(xué)測試。在數(shù)字調(diào)光模式下，3 種色彩轉(zhuǎn)換樣品機型的畫質(zhì)表現(xiàn)如圖3 所示。

圖3 （a） YAG 熒光粉色彩轉(zhuǎn)換在不同電流占空比下的畫面變化；（b） 氟化物色彩轉(zhuǎn)換在不同電流占空比下的畫面變化；（c） 量子點色彩轉(zhuǎn)換在不同電流占空比下的畫面變化。Fig.3 （a） Picture changes in YAG color conversion under different current duty；（b） Picture changes in fluoride color conversion under different current duty；（c） Picture changes in quantum dot color conversion under different current duty.

目前對同一臺機的顯示效果色坐標(biāo)差值沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，SJ/T 11343-2015《數(shù)字電視液晶顯示器通用規(guī)范》僅對白平衡誤差Δu'和Δv'值定位≤0.02，具體的顏色變化容許范圍由各個生產(chǎn)廠家內(nèi)部主觀評測判定。如圖3 所示，在10%電流占空比和100%電流占空比條件下，3 種色彩轉(zhuǎn)換方式顯示的主觀視效差別比較大。圖3（a）為YAG粉色轉(zhuǎn)換顯示產(chǎn)品，10%占空比和100%占空比條件下主要為亮度灰階變化。圖3（b）為KSF 熒光粉色轉(zhuǎn)換顯示產(chǎn)品，兩種電流條件下的主觀色溫差距明顯，100%占空比比10%條件下明顯顏色偏藍色溫偏冷。圖3（c）為量子點顯示產(chǎn)品，兩種電流條件下的主觀顏色差距不明顯。

將上述3 款樣品進行光學(xué)數(shù)據(jù)采集測試，3 種色彩轉(zhuǎn)換樣品的亮度與色坐標(biāo)變化數(shù)據(jù)如圖4所示。圖4 中ΔL為不同電流占空比條件下的亮度與100%電流占空比條件下的亮度比值，Δx為不同電流占空比條件下的CIEx色坐標(biāo)與10%電流占空比條件下的CIEx色坐標(biāo)差值，Δy為不同電流占空比條件下的CIEy色坐標(biāo)與10%電流占空比條件下的CIEy色坐標(biāo)差值。

圖4 （a） YAG 熒光粉色彩轉(zhuǎn)換在不同電流占空比下的光學(xué)變化；（b） 氟化物色彩轉(zhuǎn)換在不同電流占空比下的光學(xué)變化；（c） 量子點色彩轉(zhuǎn)換在不同電流占空比下的光學(xué)變化。Fig.4 （a） Optical changes in YAG color conversion under different current duty；（b） Optical changes in fluoride color conversion under different current duty；（c） Optical changes in color conversion of quantum dots under different current duty.

如圖4 測試數(shù)據(jù)所示，3 種色彩轉(zhuǎn)換方案在不同電流占空比條件下的亮度變化趨勢基本呈線性關(guān)系，但色坐標(biāo)變化趨勢差異明顯。圖4 中色坐標(biāo)差值為不同電流占空比條件下與100%占空比條件下的對比差值，3 種色彩轉(zhuǎn)換方案低電流占空比條件下的CIExy坐標(biāo)值均比100%電流占空比條件下的CIExy坐標(biāo)值大，即100%電流占空比條件下白場色溫最高。如圖4（a）YAG粉轉(zhuǎn)換方案，從10%電流占空比增加到100%占空比，CIEy色坐標(biāo)值減小在0.002 5 范圍內(nèi)，CIEx色坐標(biāo)值減小在0.002 0 范圍內(nèi)，色坐標(biāo)值變化不明顯，此方案調(diào)光模式下畫質(zhì)顏色表現(xiàn)穩(wěn)定。圖4（b）β-SiAlON+KSF 紅粉轉(zhuǎn)換方案的色坐標(biāo)變化差異在3 種樣品中是最大的，其CIEy色坐標(biāo)變化在0.007 范圍，但CIEx色坐標(biāo)變化達到了0.012，紅光變化比綠光明顯，色溫差值達到2 400 K，因此近幾年行業(yè)內(nèi)一直有使用KSF 粉會產(chǎn)生“紅爆”效應(yīng)的意見存在。圖4（c）紅綠量子點轉(zhuǎn)換方案的色坐標(biāo)值變化介于前面兩種方案之間，CIEy色坐標(biāo)變化在0.009 范圍內(nèi)，CIEx色坐標(biāo)變化在0.007 范圍內(nèi)，綠光變化稍微比紅光變化明顯。

3.1.2 灰階切變的紅爆現(xiàn)象測試

因KSF 粉是短余輝材料，余輝時間在毫秒級別，相對綠粉時間長，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)過灰階切換時有“紅爆”現(xiàn)象的說法?！凹t爆”現(xiàn)象是指畫面切換時人眼觀察到的突然的紅色殘影留存現(xiàn)象。將采用藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉LED 的電視樣品置于暗房，在調(diào)光模式下進行灰階畫面切換，電流波形占空比隨灰階畫面切換而變化。選擇20 名觀察者進行畫面觀測并記錄觀看反應(yīng)的結(jié)果。觀察者年齡分布為20～50 歲，男性與女性人員各占1/2，觀測結(jié)果如表1 所示。測試結(jié)果表明，在有明顯差距的灰階信號切換過程中，如全白場G255 亮度畫面切換到G0 的暗場畫面，以及G255 亮度畫面切換到G30 灰度等各種不同跨距的灰階畫面切換，現(xiàn)有樣品均未觀察到“紅爆”現(xiàn)象。

表1 灰階切變時的“紅爆”現(xiàn)象觀測Tab.1 Observation of the“red explosion”phenomenon during gray scale switching

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 3 種色彩轉(zhuǎn)換方案色坐標(biāo)變化情況分析

3 種白光色彩轉(zhuǎn)換方案電視的光學(xué)表現(xiàn)，本質(zhì)上是背光光譜擬合彩色濾光膜后屏幕出射光譜的表現(xiàn)，與背光源材料特性相關(guān)。輻射光譜紅、綠、藍3 個波段的半高寬越窄、波段越獨立，則色域越高，所以藍光激發(fā)紅綠量子點材料的色彩轉(zhuǎn)換方案色域最高；而KSF 粉的紅光波段半高寬最窄，因此紅色表現(xiàn)最鮮艷。

摻鈰的釔鋁石榴石熒光粉（YAG:Ce3+）是常用的白光LED 熒光粉，其輻射光譜只有一個黃綠色的寬帶狀光譜波段，光學(xué)性能穩(wěn)定，光致激發(fā)效率高，隨藍光激發(fā)能量變化產(chǎn)生的色坐標(biāo)變化值小。其為瞬短余輝型熒光粉，即激發(fā)后大部分能量釋放發(fā)光，少部分能量延遲釋放，熒光粉余輝的衰減呈指數(shù)形式，由一個快速衰減和慢衰減過程構(gòu)成，余輝時間為納秒級別，約為65.7 ns［12-13］。數(shù)字調(diào)光的背光主動式電流驅(qū)動頻率在15～30 kHz 之間，周期時間為33～66 μs。與之對比，YAG 粉納秒時間的余輝基本可以看成是即時響應(yīng)，因此背光采用數(shù)字調(diào)光模式對此類熒光材料色彩轉(zhuǎn)換方式的顯示產(chǎn)品光學(xué)變化不會有影響。

由三基色單位［X］、［Y］、［Z］與物理三基色單位［R］、［G］、［B］之間的轉(zhuǎn)換公式（1），以及CIE 1931 色坐標(biāo)相對色系數(shù)計算公式（2）可知，計算三基色系數(shù)權(quán)重X偏重于紅色，Y偏重于綠色，Z偏重于藍色。即CIEx坐標(biāo)與紅光能量占比權(quán)重關(guān)系最大，CIEy坐標(biāo)與綠光能量占比權(quán)重關(guān)系最大，CIExy色坐標(biāo)的變化本質(zhì)上是紅綠藍3 種光能量占比的變化，占比變化差值越大則x、y坐標(biāo)變化差值越明顯。

當(dāng)驅(qū)動電流增大時，藍光輻射能量增加，但各類熒光材料的激發(fā)效率無法達到100%，因此紅綠能量的增加幅度比不上藍光能量的增加幅度，即Z值比例增加，X和Y的比例減小，對應(yīng)CIEx和CIEy坐標(biāo)減小，色溫會向冷色溫方向偏移，即100%占空比電流條件下的白場色溫比低占空比電流條件下的色溫要高。YAG 熒光粉的激發(fā)輻射光譜因為只有一個黃綠色波段，紅光和綠光能量變化基本上同步增加，因此藍光激發(fā)YAG 熒光粉色彩轉(zhuǎn)換方案的色坐標(biāo)隨電流變化的差異值較小。

量子點（quantum dots，QDs），又稱半導(dǎo)體納米晶，是在納米尺度上的原子和分子的集合體，目前市面上背光用的量子點膜材料主流還是由ⅡB、ⅥA 族元素組成，如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等。其紅綠量子點材料光致發(fā)光顏色單一純凈，兩個顏色波段重疊小，波段半高寬比較窄可以做到30 nm以內(nèi)，因此色域表現(xiàn)優(yōu)秀。背光用的鎘系量子點的余輝壽命為20～50 ns，鈣鈦礦類紅綠量子點余輝壽命為20～152 ns［14］，現(xiàn)有頻率的數(shù)字調(diào)光模式對其光學(xué)變化影響不大。但使用量子膜的顯示背光設(shè)計一般會有其他擴散類或亮度增益類的膜片覆蓋在量子膜上面，量子膜與其他光學(xué)膜片之間存在明顯的、大面積的、多次的藍光反射現(xiàn)象。因此，隨著驅(qū)動電流均值加大，藍光芯片發(fā)射的光輻射能增加，一部分藍光能量被量子膜中的材料吸收轉(zhuǎn)換為紅光和綠光，一部分藍光能量穿透量子膜再穿透上面的其他光學(xué)膜片出射，但有部分藍光接觸到其他膜片界面尤其是帶棱鏡微結(jié)構(gòu)的其他光學(xué)膜片界面時并不會穿透出去，而是對藍光進行多次反射，此部分藍光能量被反射返回量子膜中，進行n次的光致激發(fā)過程。即隨著電流的加大，量子膜轉(zhuǎn)化方式的光學(xué)變化會比熒光粉設(shè)置在LED 封裝上的光學(xué)變化強烈。同時，量子點色彩轉(zhuǎn)換方案有紅綠兩種激發(fā)效率不同的熒光材料，激發(fā)光譜有兩個獨立的波段，隨電流變化時兩個波段的能量變化幅度會有差異，因此量子點色彩轉(zhuǎn)換背光方案的顯示產(chǎn)品的色坐標(biāo)變化程度強于YAG 熒光粉色彩轉(zhuǎn)換背光方案的顯示產(chǎn)品。

背光常用的藍光芯片輻射波段在447.5～460 nm 之間。如圖5 所示，對量子點熒光膠水進行測試發(fā)現(xiàn)，這個波段藍光激發(fā)的綠光量子激發(fā)效率要略高于紅光量子激發(fā)效率。藍光能量經(jīng)過量子膜時，量子膜中紅光量子點材料與綠光量子點材料接收到相同輻射濃度的藍光能量，電流增大則藍光能量增加，因綠光量子點在此波段藍光激發(fā)效率高于紅光量子點，經(jīng)藍光光致激發(fā)之后的綠光能量增比要大于紅光能量增比。因此，依據(jù)公式（1）和公式（2），當(dāng)電流值變化時，量子點色彩轉(zhuǎn)換方案的CIEy色坐標(biāo)的變化值要比x坐標(biāo)變化值大。

圖5 紅綠量子點的激發(fā)效率Fig.5 Excitation efficiency of red and green quantum dots

如圖4 所示，藍光激發(fā)β-SiAlON+氟化物KSF 紅粉色彩轉(zhuǎn)換方案的色坐標(biāo)變化差異值在3 種方案中是最大的，且隨著電流變化，CIEx色坐標(biāo)變化比y坐標(biāo)明顯。電流占空比在10%～100%時，其CIEx色坐標(biāo)變化值達到了0.012，色溫差值達到2 400 K。Mn4+摻雜氟化物KSF熒光粉在藍光區(qū)有強烈的寬帶吸收光譜，由于d-d 軌道躍遷產(chǎn)生尖峰發(fā)射，在紅光區(qū)有強烈的窄帶輻射光譜，其室溫下熒光內(nèi)量子效率為77%～90%［15-16］。綠光采用β-SiAlON 熒光粉轉(zhuǎn)換，β-SiAlON 屬于氮氧化物熒光粉，結(jié)構(gòu)源于β-Si3N4，部分Si—N 鍵被Al—O 鍵取代，其化學(xué)式為Si6-zAlzOzN8-z，通過調(diào)節(jié)配位數(shù)z和摻雜來調(diào)節(jié)發(fā)射光譜主峰和帶寬。隨著z值降低，激發(fā)光譜特征激發(fā)峰越來越明顯，可以減小半高寬值，提高色域，但同時隨著z值的降低，量子效率呈降低趨勢。發(fā)射主峰位于535 nm，半峰寬為55 nm 的β-SiAlON:Eu2+熒光粉，在450 nm 激發(fā)下的內(nèi)量子效率僅為50%［8，17］。β-SiAlON 綠粉的量子激發(fā)效率比KSF 紅粉低，導(dǎo)致藍光能量隨電流值變化時，光致激發(fā)出的紅光能量變化比大于綠光能量變化比，依據(jù)公式（1）和公式（2），體現(xiàn)在CIE 色坐標(biāo)上則CIEx色坐標(biāo)變化值大于y坐標(biāo)變化值。同時，由于β-SiAlON 和KSF 兩種熒光粉材料種類不同，光致發(fā)光輻射光譜綠光波段和紅光波段的發(fā)射峰特征差異明顯，激發(fā)效率也差距明顯，導(dǎo)致此種色彩轉(zhuǎn)換方案的顯示產(chǎn)品在電流值變化時CIExy色坐標(biāo)變化幅度比YAG 粉和量子點色彩轉(zhuǎn)換方案顯著。

3.2.2 KSF 色彩轉(zhuǎn)換模式灰階切換情況分析

如表1 所示的灰階切變時的顏色變化觀察結(jié)果，在有明顯差距的灰階信號切換過程中，例如全白場G255 高亮度畫面切換到G0 的暗場畫面，電流波形從占空比100%的高電流突變到0 電流幅值，現(xiàn)有樣品并未觀察到“紅爆”現(xiàn)象。如表2所示，YAG 熒光粉及量子點熒光材料的激發(fā)余輝時間均在納秒級別，但KSF 熒光粉的余輝時間為毫秒級別，KSF 熒光粉的余輝時間相對較長。

KSF 熒光粉的光致發(fā)光延時現(xiàn)象導(dǎo)致近幾年來行業(yè)內(nèi)一直擔(dān)心使用KSF 熒光粉會產(chǎn)生“紅爆”現(xiàn)象。經(jīng)過一系列的材料組分改進以及粉體結(jié)晶質(zhì)量的提升，白光LED 使用的KSF 熒光粉余輝時間已經(jīng)從幾十ms 縮短到了目前的2～7.6 ms［18-19］。而β-SiAlON:Eu2+屬于稀土摻雜的氮氧化物熒光粉，其發(fā)光機制是占據(jù)β-SiAlON 基質(zhì)晶體中晶格管狀通道位置的稀土離子Eu2+在激發(fā)光作用下利用4f65d～4f7躍遷實現(xiàn)熒光發(fā)射［20-21］，熒光時間短，余輝時間在納秒級別。兩種不同響應(yīng)時間的熒光材料同時接收到相同能量變化幅度的藍光激發(fā)時的響應(yīng)過程如圖6 所示。

圖6 時間相關(guān)的熒光變化Fig.6 Time-dependent transition

InGaN LED 芯片的電致發(fā)光發(fā)射出藍光，芯片表面熒光膠中的β-SiAlON 與KSF 粉同時接收到藍光能量，受激產(chǎn)生光致發(fā)光效應(yīng)分別轉(zhuǎn)換發(fā)射出綠光和紅光。半導(dǎo)體材料InGaN 電致發(fā)光的響應(yīng)時間為納秒級別，β-SiAlON:Eu2+受激光致發(fā)光的響應(yīng)時間為納秒級別，隨著電流波形拉升或降低，綠光能量變化幅度與藍光變化幅度曲線基本同步。但KSF 熒光粉的光致發(fā)光響應(yīng)時間為毫秒級別，受激和發(fā)射的過程存在延時效應(yīng)，因此在電流開啟和關(guān)斷的時間紅光能量曲線和藍綠光不同步。KSF 熒光粉是瞬短余輝材料，通過摻雜組分調(diào)整可以調(diào)整余輝壽命在2 ms～2 min時間范圍，對此已有相對比較詳細的研究［20，22］。在顯示領(lǐng)域，要消除大差距灰階畫面切變下的“紅爆”現(xiàn)象，需要調(diào)整KSF 組分將屏幕畫面留存變化提高到人眼識別頻率范圍之外，即降低熒光壽命時間。人眼能分辨的極限頻率是50 Hz，周期時間大約是20 ms，10 ms 以內(nèi)的顏色亮度變化人眼很難觀測到。如果是前期的KSF 粉，余輝時間在50～80 ms，亮暗灰階畫面切換過程中人眼可以捕捉到紅光余輝現(xiàn)象，但是目前背光LED 白光用的KSF 熒光粉經(jīng)過材料改進后，余輝的臺階延時已經(jīng)大幅縮短到了2～10 ms，在灰階畫面切換時是觀察不到紅光余輝即“紅爆”現(xiàn)象。

另外，相較于舊的電路調(diào)光模式，調(diào)光頻率已經(jīng)得到大幅提高，對應(yīng)調(diào)光周期縮短，頻閃感應(yīng)降低，畫面光學(xué)切變順滑度提高。如圖1 所示，數(shù)字調(diào)光主動式驅(qū)動電流調(diào)光頻率在15～30 kHz 之間，對應(yīng)周期在64～32 μs；被動式驅(qū)動電流調(diào)光頻率約在1.5 kHz 左右范圍，對應(yīng)周期在640 μs。在微秒級別的調(diào)光周期內(nèi)，藍光電致發(fā)光和綠光光致發(fā)光過程可以快速響應(yīng)，紅光光致發(fā)光延時過程中經(jīng)過了n輪的疊加，產(chǎn)生類似于積分的過程，除了上電開啟及斷電關(guān)閉兩個時間節(jié)點，其余階段可看成是連續(xù)平緩的紅光能量發(fā)射，不會出現(xiàn)顏色空檔期，因此調(diào)光過程中觀察不到明顯的顏色變化閃動。如前所述，通電開啟拉升和斷電關(guān)閉下降的KSF 光致發(fā)光延時在2～10 ms，這個時間的顏色和亮度信息變化人眼是很難觀察到的。因此，縮短KSF 熒光粉的余輝時間，縮短電流調(diào)光周期，藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉轉(zhuǎn)換方案在灰階畫面切換時觀察不到顏色突變現(xiàn)象。

4 結(jié)論

LCD背光的白光色彩轉(zhuǎn)換包括藍光激發(fā)YAG黃粉、藍光激發(fā)β-SiAlON 綠粉+KSF 紅粉、藍光激發(fā)紅綠量子點熒光膜等3 種方式。在數(shù)字調(diào)光模式下，3 種色彩轉(zhuǎn)換方案在不同電流占空比條件下的亮度變化趨勢基本呈線性增加，但色坐標(biāo)變化趨勢差異明顯。隨著電流的變化，YAG 粉轉(zhuǎn)換方案機型色坐標(biāo)變化最小，藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF紅粉轉(zhuǎn)換方案在3 種方案中色坐標(biāo)變化差異值最大，其CIEy色坐標(biāo)變化在0.007 范圍，CIEx色坐標(biāo)變化達到了0.012，紅色變化比綠色明顯。藍光激發(fā)紅綠量子點轉(zhuǎn)換方案的色坐標(biāo)變化方案范圍介于其他兩種方案之間，CIEy色坐標(biāo)變化在0.009 范圍內(nèi)，CIEx色坐標(biāo)變化在0.007 范圍內(nèi)，綠色變化比紅色稍微明顯。經(jīng)分析，色坐標(biāo)變化與紅綠粉的量子激發(fā)效率差異有關(guān)。通過縮短KSF粉余輝時間及驅(qū)動電流調(diào)光周期時間，目前的藍光激發(fā)β-SiAlON+KSF 紅粉色彩轉(zhuǎn)換方案未觀察到“紅爆”現(xiàn)象。

在新型顯示領(lǐng)域，Mini LED 背光顯示產(chǎn)品份額逐年增加，對應(yīng)高色域色轉(zhuǎn)換方案如量子點和KSF 熒光粉色轉(zhuǎn)換方案的產(chǎn)品增多，尤其是為了降低成本，KSF 熒光粉的色轉(zhuǎn)換方案會替代一部分量子點色轉(zhuǎn)換方案產(chǎn)品，仔細研究KSF 熒光粉的色轉(zhuǎn)換方案在不同電流條件下的光學(xué)表現(xiàn)，在提高顯示畫質(zhì)的同時提升觀看者的眼睛舒適度很有必要。Micro LED 顯示領(lǐng)域由于紅光LED 芯片的制程良率低和成本高的原因，也有一些LCD 產(chǎn)品采用量子點色轉(zhuǎn)換方案，部分微小間距產(chǎn)品亦采用KSF 熒光粉的色轉(zhuǎn)換方案。鑒于KSF 熒光粉的色轉(zhuǎn)換方案在不同電流條件下的顏色差距，固定峰值電流并PWM 調(diào)寬電流均值、提高驅(qū)動刷新頻率，將是解決此類問題的一個方向。另外，鈣鈦礦量子點方案與新型顯示領(lǐng)域的應(yīng)用需求有較好的匹配，目前此類產(chǎn)品的性能［22］基本可與傳統(tǒng)鎘系量子點的高色域和轉(zhuǎn)換效率不相上下，在解決批量生產(chǎn)的工藝問題之后，有望降低量子點產(chǎn)品的成本并拓展更多的應(yīng)用空間。