液晶顯示器廣色域技術的研究

周忠偉,孟長軍,王 磊,鄒建華,彭俊彪*

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

針對當前液晶顯示器存在色彩表現不佳的缺點,從原理上研究了影響液晶顯示器色域的主要因素。通過實驗,分別驗證了彩色濾光片厚度、LED光源光譜以及量子點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;通過采用量子點材料,實現了100%NTSC以上色域。

液晶顯示器;廣色域;發光二極管;量子點

1 引 言

隨著顯示技術的發展,液晶顯示器(LCD)已成為眾多平面顯示器件中發展最成熟、應用面最廣、業已實現產業化并仍在迅猛發展著的一種顯示器件。液晶本身不發光,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光LED芯片(波長445～460 nm)激發黃色熒光粉(波長580 nm)制成的白光LED[2],這種LED產生的白光在長波段呈現能力偏弱,加上所搭配的彩色濾光片的混色效果較差,導致透過面板形成的色域較窄,只有65%～75%NTSC。與有機電致發光顯示器(OLED)能夠實現100% NTSC以上色域相比,LCD的色飽和度明顯不佳,畫質較差。

本文針對當前液晶顯示器存在色域表現不佳的缺點,從原理上研究了影響液晶顯示器色域的主要因素,并通過實驗驗證不同技術方案實現的色域范圍,提出了提升液晶顯示器色域的方法,從而得出了實現廣色域液晶顯示器的技術發展方向。

2 實 驗

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)液晶顯示器進行對比實驗,分別驗證了幾種增加液晶顯示器色域的方案。

2.1 實驗原理

根據物理測色法[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,ρ(λ)為彩色濾光片[4]的光譜透射率函數。

最后按照色域公式計算出色域面積[5]比值(% NTSC)：

可見,當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S(λ)、彩色濾光片的光譜透射率函數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,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 實驗方案

本文將采用140 cm(55 in)液晶顯示器為研究對象,分別驗證幾種提升液晶顯示器色域的方案。實驗裝置包括液晶面板、顯示器結構組件、顯示器光學組件等。測試的輻射亮度計為KONICA MINOLTA公司CS-2000型分光輻射亮度計,能夠對380～780 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(藍光波長450 nm,激發580 nm黃色熒光粉)。在室溫25℃和額定電流120 mA下點亮面板,老化30 min后進行測試,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,并計算出相應的色域,從而驗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藍光芯片激發630 nm紅色、530 nm綠色熒光粉的LED(7020雙晶)光源和450 nm藍光、650 nm紅光雙芯片激發530 nm綠色熒光粉LED(7020雙晶)光源。在室溫25℃和額定電流120 mA下點亮面板,老化30 min后進行測試,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,并計算出相應的色域,從而驗證改變LED光源光譜對色域產生的影響。

2.2.3 采用量子點材料對色域的影響

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藍光(未封裝熒光粉)LED(7020雙晶)激發紅綠色量子點材料的背光源和450 nm藍光芯片激發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下點亮面板,老化30 min后進行測試,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,并計算出相應的色域,從而驗證采用量子點材料對提升色域產生的影響。

3 結果與討論

3.1 彩色濾光片厚度對色域的影響

通過實驗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的色域為74.97%,而透過正常彩色濾光片厚度面板W1的色域為66.82%,色域面積僅僅增大了8%。同時,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

通過實驗2.2.2,可以得到藍(B)、紅(R)光芯片激發綠色(G)熒光粉背光源和藍光(B)芯片激發綠(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。

根據公式(2)、(3)計算,對于相同的面板W1,采用B芯片激發GR熒光粉的LED作為背光源,其色域可以達到88.34%;而采用BR光芯片激發G熒光粉的LED作為背光源,色域也可以達到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,色域還是無法達到100%NTSC以上。另外,通過測試發現,采用藍光芯片激發綠、紅熒光粉的LED發光效率約為普通黃粉LED的85%,而采用藍、紅光芯片激發綠色熒光粉的LED發光效率僅有普通黃粉LED的80%,因此導致了顯示屏的功耗升高,亮度下降。該缺點進一步制約了上述兩種LED作為背光源的發展。

圖2 B芯片激發GR熒光粉和BR芯片激發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 采用量子點材料對色域的影響

圖3 普通白光和量子點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

通過實驗2.2.3,可以得到普通白光LED(藍光芯片激發黃色熒光粉)背光源和藍光芯片激發量子點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。根據公式(2)、(3)計算,對于相同的面板W1,采用藍光芯片激發黃色熒光粉的普通LED光源,其色域僅有66.82%;而采用藍光芯片激發量子點材料的光源,其色域可高達102.1%。由圖3可見,量子點材料激發出的綠光(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,同時由于半波峰較窄,所以三原色的飽和度很高,從而實現了廣色域的顯示,畫質也有較大提升,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。

圖4 采用量子點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)

通過以上幾組實驗結果可以看出,普通白光LED(波長450 nm藍光芯片激發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,同時彩色濾光片加厚導致面板透過率下降較多,整個背光系統成本亦相應有所增加。

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,采用藍光和紅光雙芯片激發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定性差、激發效率低以及成本高等問題,導致這種方式目前量產性較差。而采用藍光芯片激發紅色、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定性較差,光衰較明顯,但由于其性價比較好,所以目前市場上較多的廣色域產品采用該技術。

采用量子點材料,可以實現100%以上色域,主要是由于量子點屬于半導體納米晶體[6],其受激發出光的波長和量子點的大小成正比,越小的量子點所發出的能量越高、波長越短;越大的量子點發出的能量越低、波長越長。利用這種微觀效應,我們可以通過控制量子點的形狀結構來控制光源的相對光譜能量分布[7],從而提供精準的色譜和色純度。量子點具有波長可控、穩定性好、激發效率高等特點,所以很適合應用于廣色域技術中。

4 結 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光LED芯片激發紅色、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,可實現100%NTSC的真實高色域顯示,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.(現代顯示),2005(6)：41-44(in Chinese).

[5]Chino E.Development ofwide-color-gamutmobile displays[J].Adv.Disp.(現代顯示),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(化工學報),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年于深圳大學獲得碩士學位,主要從事半導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,博士生導師,1993年于中國科學院長春物理研究所獲得博士學位,主要從事高分子發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

廣東省科技廳項目(2014B010122002);深圳市科技計劃(CXZZ20140418154008866)資助項目