液晶显示器广色域技术的研究

周忠伟,孟长军,王 磊,邹建华,彭俊彪*

(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州 510640; 2.创维液晶器件(深圳)有限公司,广东深圳 518108)

液晶显示器广色域技术的研究

周忠伟1,2,孟长军2,王 磊1,邹建华1,彭俊彪1*

(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州 510640; 2.创维液晶器件(深圳)有限公司,广东深圳 518108)

针对当前液晶显示器存在色彩表现不佳的缺点,从原理上研究了影响液晶显示器色域的主要因素。通过实验,分别验证了彩色滤光片厚度、LED光源光谱以及量子点材料对液晶显示器色域的影响。通过增加液晶面板的彩色滤光片厚度,将色域增加了8%;通过更改LED光源光谱,将色域提升到85%NTSC以上;通过采用量子点材料,实现了100%NTSC以上色域。

液晶显示器;广色域;发光二极管;量子点

1 引 言

随着显示技术的发展,液晶显示器(LCD)已成为众多平面显示器件中发展最成熟、应用面最广、业已实现产业化并仍在迅猛发展着的一种显示器件。液晶本身不发光,需要依靠背光源[1]来显示图文信息。目前市场上大部分背光源都是使用通过蓝光LED芯片(波长445～460 nm)激发黄色荧光粉(波长580 nm)制成的白光LED[2],这种LED产生的白光在长波段呈现能力偏弱,加上所搭配的彩色滤光片的混色效果较差,导致透过面板形成的色域较窄,只有65%～75%NTSC。与有机电致发光显示器(OLED)能够实现100% NTSC以上色域相比,LCD的色饱和度明显不佳,画质较差。

本文针对当前液晶显示器存在色域表现不佳的缺点,从原理上研究了影响液晶显示器色域的主要因素,并通过实验验证不同技术方案实现的色域范围,提出了提升液晶显示器色域的方法,从而得出了实现广色域液晶显示器的技术发展方向。

2 实 验

首先从理论上研究了影响LCD显示器色域的主要因素,然后通过采用140 cm(55 in)液晶显示器进行对比实验,分别验证了几种增加液晶显示器色域的方案。

2.1 实验原理

根据物理测色法[3],液晶显示器的相对光谱能量分布Φ(λ)可以表示为：

其中,S(λ)为光源相对光谱能量分布函数,ρ(λ)为彩色滤光片[4]的光谱透射率函数。

最后按照色域公式计算出色域面积[5]比值(% NTSC)：

可见,当液晶显示器的相对光谱能量分布Φ(λ)确定后,其色域也基本确定,所以液晶显示器的色域由光源相对光谱能量分布函数S(λ)、彩色滤光片的光谱透射率函数ρ(λ)决定。

液晶显示器的彩色滤光片厚度直接决定了其滤光特性,并对其光谱透射率函数ρ(λ)有较大影响。本文将研究不同的彩色滤光片厚度对色域的影响。同时,由于通过改变彩色滤光片厚度无法从根本上更改白光连续光谱分布,光源相对光谱能量分布S(λ)对液晶显示器色域的影响也较大,因此本文还将研究不同光源的特性对液晶显示器色域的影响。

2.2 实验方案

本文将采用140 cm(55 in)液晶显示器为研究对象,分别验证几种提升液晶显示器色域的方案。实验装置包括液晶面板、显示器结构组件、显示器光学组件等。测试的辐射亮度计为KONICA MINOLTA公司CS-2000型分光辐射亮度计,能够对380～780 nm光谱段以1 nm分辨率测试显示器的辐射量,测试视场为0.2°,色坐标测试精度为±0.001,辐射亮度平均测试精度为±0.01 cd/m2。

2.2.1 彩色滤光片厚度对色域的影响

选用两款140 cm(55 in)液晶面板,分别为正常彩色滤光片厚度的面板W1：AUO T550QVN03.0(CF厚度H,穿透率为6%)和彩色滤光片加厚的面板W2：AUO T550QVN03.0 (SKD)(CF厚度1.2H,穿透率为5.1%)。W1、W2采用相同的普通白光LED(7020双晶)背光光源(蓝光波长450 nm,激发580 nm黄色荧光粉)。在室温25℃和额定电流120 mA下点亮面板,老化30 min后进行测试,分别测试正常彩色滤光片厚度的面板W1与彩色滤光片加厚面板W2的相对光谱能量分布曲线,并计算出相应的色域,从而验证液晶显示器的彩色滤光片厚度对色域的影响。

2.2.2 不同LED光源光谱对色域的影响

选用正常彩色滤光片厚度的液晶面板W1搭配两种背光源,分别为450 nm蓝光芯片激发630 nm红色、530 nm绿色荧光粉的LED(7020双晶)光源和450 nm蓝光、650 nm红光双芯片激发530 nm绿色荧光粉LED(7020双晶)光源。在室温25℃和额定电流120 mA下点亮面板,老化30 min后进行测试,分别测试面板W1分别搭配两种背光源的光谱能量分布曲线,并计算出相应的色域,从而验证改变LED光源光谱对色域产生的影响。

2.2.3 采用量子点材料对色域的影响

选用正常彩色滤光片厚度的液晶面板W1搭配两种光源,分别为450 nm蓝光(未封装荧光粉)LED(7020双晶)激发红绿色量子点材料的背光源和450 nm蓝光芯片激发580 nm黄色荧光粉(7020双晶)LED的背光源。在室温25℃和额定电流120 mA下点亮面板,老化30 min后进行测试,分别测试面板W1分别搭配两种背光源的光谱能量分布曲线,并计算出相应的色域,从而验证采用量子点材料对提升色域产生的影响。

3 结果与讨论

3.1 彩色滤光片厚度对色域的影响

通过实验2.2.1,得到的两种液晶显示器(白光LED分别搭配正常彩色滤光片厚度的面板W1和彩色滤光片加厚面板W2)的相对光谱能量分布,如图1所示。

图1 不同彩膜厚度面板的相对光谱能量分布曲线Fig.1 Relative spectral energy distribution of the panels with different color filter thickness

从图1可以看出,面板的彩色滤光片加厚后,显示器的蓝光半峰宽变窄了6 nm,黄光的半峰宽变窄了8 nm,色光的饱和度得到了提升。但是由于背光光源波长分布的限制,色域改变不大。根据公式(2)、(3)可以得出透过面板W1和W2的色域,透过彩膜色阻加厚面板W2的色域为74.97%,而透过正常彩色滤光片厚度面板W1的色域为66.82%,色域面积仅仅增大了8%。同时,由于彩色滤光片厚度的增加,面板的穿透率下降,W2比W1的透过率下降了15%。

3.2 不同LED光源光谱对色域的影响

通过实验2.2.2,可以得到蓝(B)、红(R)光芯片激发绿色(G)荧光粉背光源和蓝光(B)芯片激发绿(G)、红(R)荧光粉背光源分别搭配W1面板的相对光谱能量分布,如图2所示。

根据公式(2)、(3)计算,对于相同的面板W1,采用B芯片激发GR荧光粉的LED作为背光源,其色域可以达到88.34%;而采用BR光芯片激发G荧光粉的LED作为背光源,色域也可以达到85.49%。从图2可以看出,由于背光中加入了红光和绿光原色,改变了背光源的波长分布,光谱的红光和绿光部分都出现了明显的波峰。相比于加厚面板的彩膜厚度,改变光源的波长分布可使得液晶显示器的色域有明显的提高。但由于其绿光、红光光谱峰值较小,所以原色的饱和度较低,色域还是无法达到100%NTSC以上。另外,通过测试发现,采用蓝光芯片激发绿、红荧光粉的LED发光效率约为普通黄粉LED的85%,而采用蓝、红光芯片激发绿色荧光粉的LED发光效率仅有普通黄粉LED的80%,因此导致了显示屏的功耗升高,亮度下降。该缺点进一步制约了上述两种LED作为背光源的发展。

图2 B芯片激发GR荧光粉和BR芯片激发G荧光粉的两种LED光源分别搭配面板W1的光谱能量分布曲线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 采用量子点材料对色域的影响

图3 普通白光和量子点材料两种光源分别搭配面板W1的光谱能量分布曲线Fig.3 Relative spectral energy distribution of the panel W1 with two kinds of backlightof common white LED and quantum dots LED

通过实验2.2.3,可以得到普通白光LED(蓝光芯片激发黄色荧光粉)背光源和蓝光芯片激发量子点材料背光源分别搭配W1面板的相对光谱能量分布,如图3所示。根据公式(2)、(3)计算,对于相同的面板W1,采用蓝光芯片激发黄色荧光粉的普通LED光源,其色域仅有66.82%;而采用蓝光芯片激发量子点材料的光源,其色域可高达102.1%。由图3可见,量子点材料激发出的绿光(主波长526 nm,半峰宽约25 nm)和红光(主波长632 nm,半峰宽约为30 nm)峰值较高,同时由于半波峰较窄,所以三原色的饱和度很高,从而实现了广色域的显示,画质也有较大提升,其最终显示效果如图4所示。从中可以看出,采用量子点材料显示器(上图)的红色部分和绿色部分均十分鲜艳,较普通白光LED背光源(下图)的显示效果更加真实。

图4 采用量子点LED(上)和普通白光LED(下)作为背光源的显示器的显示效果对比Fig.4 Display effect comparison of the display devices with quantum dots LED backlight(up)and common white LED backlight(down)

通过以上几组实验结果可以看出,普通白光LED(波长450 nm蓝光芯片激发580 nm黄色荧光粉)分别搭配正常彩色滤光片面板W1和彩色滤光片加厚面板W2,色域只从66.82%提升到74.97%,增加了8%的色域,但是透过率却下降了15%。色域提升较少的原因主要是由于背光源采用普通的白光LED,其光谱中红光部分波峰较小,同时彩色滤光片加厚导致面板透过率下降较多,整个背光系统成本亦相应有所增加。

目前大多显示器厂商是通过更改LED光源光谱来改善显示器的色域。其中,采用蓝光和红光双芯片激发黄色荧光粉的方式可以将色域提升到85%左右,但由于红色芯片自身的稳定性差、激发效率低以及成本高等问题,导致这种方式目前量产性较差。而采用蓝光芯片激发红色、绿色荧光粉的方式也可以将色域提升到85%以上,但很难超过90%,而且红色荧光粉的稳定性较差,光衰较明显,但由于其性价比较好,所以目前市场上较多的广色域产品采用该技术。

采用量子点材料,可以实现100%以上色域,主要是由于量子点属于半导体纳米晶体[6],其受激发出光的波长和量子点的大小成正比,越小的量子点所发出的能量越高、波长越短;越大的量子点发出的能量越低、波长越长。利用这种微观效应,我们可以通过控制量子点的形状结构来控制光源的相对光谱能量分布[7],从而提供精准的色谱和色纯度。量子点具有波长可控、稳定性好、激发效率高等特点,所以很适合应用于广色域技术中。

4 结 论

增加液晶面板的彩色滤光片厚度对液晶显示器的色域有一定的提高,但面板的透过率将大幅降低。目前市场上普遍使用的广色域方案还是采用蓝光LED芯片激发红色、绿色荧光粉的方式,可将色域提升到85%以上。使用量子点材料可获得饱和度较高的红绿光,在不改变面板彩色滤光片厚度情况下,可实现100%NTSC的真实高色域显示,若再搭配高分辨率(UHD)的液晶面板,其显示效果可与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.(光谱学与光谱分析),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.(光谱学与光谱分析),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.(现代显示),2005(6)：41-44(in Chinese).

[5]Chino E.Development ofwide-color-gamutmobile displays[J].Adv.Disp.(现代显示),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(化工学报),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.

周忠伟(1981-),男,湖北宜城人,博士研究生,2006年于深圳大学获得硕士学位,主要从事半导体光电器件方面的研究。

E-mail：jonychou@163.com

彭俊彪(1962-),男,吉林长春人,教授,博士生导师,1993年于中国科学院长春物理研究所获得博士学位,主要从事高分子发光材料与器件方面的研究。

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

广东省科技厅项目(2014B010122002);深圳市科技计划(CXZZ20140418154008866)资助项目