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【高工LED综合报道】 瑞丰光电技术发展总处： 董春辉 裴小明 陈华 蔡杰 1 引言 由于LED具有高色彩表现力、高光效、低碳环保、节能的特点，目前市面上有很大一部分LCD电视开始采用LED作为背光源。但由于LED白光合成的多变性，很多封装厂商的技术人员对在已知色域覆盖率的要求下如何选择与LCD匹配的荧光粉方案不甚了解。同时,由于各电视厂商LCD的不同，导致封装厂商的技术人员在寻找满足色域覆盖率需求且与LCD匹配的荧光粉方案上需要进行多次、长时间的封装验证。本文主要对LCD中CF与白光LED间的转化关系、色域覆盖率的计算方法以及在已知色域覆盖率的要求下如何选择与LCD中CF匹配的荧光粉方案进行了说明与分析，以供封装技术人员进行参考。 2 LCD电视及色域覆盖率的相关说明 2.1 LCD电视介绍 LCD： Liquid Crystal Display 的简称，液晶显示屏的全称，它包括了TFT,UFB,TFD,STN等类型的液晶显示屏。 液晶(Liquid Crystal):是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物，如果把它加热会呈现透明状的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。正是由于它的这种特性，所以被称之为液晶。用于液晶显示屏的液晶分子结构排列类似细火柴棒，被称为Nematic液晶，采用此类液晶制造的液晶显示屏也就称为LCD。 LCD电视：用液晶显示屏做显示器的电视机。 2.2 LCD的构造与显像原理 2.2.1 LCD的构造 以TFT类型的液晶显示屏为例，其构造中主要包含背光源、导光板、上下偏振片、液晶、彩色滤光片、薄膜晶体管等(构造示意图见图1)，主要构造的作用说明如下： 1、 背光源(Back Light)：LCD的显像原理是靠液晶阻挡光线的分量达到控制明暗，必须要有光源才可能在屏幕上看到图像，所以背光源负责为液晶屏显像提供最基本的光源。 2、 导光板(Light Guide Plate)：使光线均匀分布在整个屏幕上; 3、下偏振片(Up/Down Polarizer)：背光源送出来的光线方向性不一致，呈放射状，如果这样的光线通过液晶分子的扭转，我们在屏幕上还是看不到我们想看到的图像，此时，下面的偏振片则承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。 4、薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)：控制液晶分子的扭转角度 5、液晶(Liquid Crystal)：这层液晶分子在TFT控制下发生扭转，达到将方向一致的光线通亮进行控制，从而在通往后面像素单元的光线明暗度发生了改变。 6、彩色滤光片(Color Filter)：白色经过滤光片后，我们可以看到与滤光片对应颜色的光线被传出，所以在液晶显示屏中，彩色滤光片的功能是上色。 2.2.2 LCD的显像原理 LCD的显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间，通过控制上下两层偏振片及上下两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制背光源的透射或遮蔽，同时结合其他的控制及附属功能层共同实现还原画面的功能。 2.2.3 LCD电视的背光源介绍 由于液晶必须借助额外的光源才能发光， LCD电视常用的背光源有CCFL(冷阴极荧光灯管，也就是我们常见的日光灯)、LED(发光二极管)、HCFL(热阴极荧光灯管)等几种。其中CCFL是目前最常用的LCD背光源，通常也称传统背光源; CCFL与LED的对比： CCFL——由硬质玻璃和三基色荧光粉封接制作而成，灯管内有适量的水银和惰性气体，管内壁涂有荧光粉，两端各有一个电极，缺点在于所表现的颜色有限。 LED——是一种半导体固体发光器件，利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。正因为LED发光二极管具有好的色彩表现力，目前已经全面替代传统冷阴极荧光管的光源。 2.3 色域覆盖率 2.3.1 色域覆盖率含义 色域 (Color Gamut)：就是指某个显示系统所能表达的颜色数量所构成的范围区域。 为了能够直观的表示色域这一概念，CIE国际照明协会制定了一个用于描述色域的方法:CIE-xy色度图。在这个坐标系中，各显示系统能表现的色域范围用RGB三点连线组成的三角形区域来表示，三角形的面积越大，就表示这种显示设备的色域范围越大。 色域覆盖率：在CIE-xy色度图上用颜色标出的马蹄形色度三角形就是人眼能够看到的颜色区域，如果某个系统能够全部再现这个马蹄形区域中的颜色就可以说其色域覆盖率是100%。采用R、G、B三基色再现颜色时R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域就是这三种基色所确定的颜色再现区域，这个区域与马蹄形区域之比就是色域覆盖率。所以，色域覆盖率是某个R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域面积与标准R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域面积的比值。 2.3.2 色域覆盖率的标准 习惯上，我们将色域覆盖率称为色域。在不同的领域，对标准R、G、B三个基色坐标的要求不相同，这就涉及到不同的色域评判标准。色域的标准一般有以下几个： 1)NTSC标准：1953年，美国国家电视标准委员会(National Television Standards Committee，简称NTSC)基于CIE1931色度图制定的NTSC标准，此标准也是目前国内常用的标准。 2)ITU-R BT.709标准：国际无线电咨询委员会(CCIR)于1988年制定的标准，用于高清晰度电视(HDTV)演播室的电视制作。 3)sRGB标准：1996年，国际电工委员会IEC制定的关于数字影像的色域标准，此标准主要应用在数码图像采集设备上，在显示器上没有全面普及。 4)Adobe RGB标准：1998年Adobe公司提出的、拥有比sRGB更为宽广的色彩空间，一般用于印刷出版、图片处理等领域。 5)ITU-R BT.1361标准：国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)于1988年制定的基于Pointer色域的宽色域标准。 6)xvYCC标准：经国际电工委员会(IEC)认可并于2006年1月作为国际标准发布的最新一代光色域标准，其色彩范围不仅大大超越NTSC色域范围，更可以达到sRGB色域的两倍，此规格可以定义所有肉眼能见的颜色。 以上几个色域标准中通用的标准主要为:sRGB、NTSC和Adobe RGB，各自的白光位置、色温以及RGB基色的坐标见表1： 在本文中，我们所说的色域都是NTSC标准下的色域，简称NTSC色域。 结合色域覆盖率的概念，可以推出NTSC色域就是某一RGB三基色坐标组成的三角形区域与NTSC标准RGB三个色坐标组成的三角形区域的比值(示意图如图2)，比值越高，色彩的表现力越好。 背光源从CCFL到LED的发展表明人们对系统所能表现的颜色范围要求越来越高，故未来高色域必将成为LCD电视发展的趋势。 2.4 影响色域覆盖率的因素 结合2.2中LCD的构造与显像原理可知，在LCD电视中，背光源的光线经过CF后才能得到RGB三种基色的光。同时， 2.3中内容已知NTSC色域就是某一RGB三基色坐标组成的三角形区域与NTSC标准RGB三个色坐标组成的三角形区域的比值。所以影响色域覆盖率的关键因素是背光源(本文中以白光LED为主)、CF、标准RGB三个色坐标，其中NTSC标准下，标准的RGB三个色坐标已知。 2.4. 1白光LED的介绍 白光LED是由芯片、支架、荧光粉、胶水等物料封装而成的器件，其发光光谱可以用一条连续的RGB曲线形象地描述。在实际的应用中，白光LED一般有以下两种实现方式： 1) 蓝光芯片( B)+黄色荧光粉(Y); 2) 蓝光芯片(B)+绿色荧光粉(G)+红色荧光粉(R); 2.4.2 CF的介绍 CF的构造 文章2.2.1中已经了解到白光经过LCD中的滤光片(其在LCD中的位置如图1)后对应滤光片颜色的光线将被传出，说明CF具有能够将某一白光分离成R、G、B三色光的功能。 CF实际由R、G、B三种滤光片组成(其平面图如3示，剖面图如4示)，只有与滤光片光谱相近的光才能更好的透过滤光片，当某一光谱经过CF的R、G、B滤光片后会得到一个新的光谱(此转化示意图见图5)，将此光谱按R、G、B进行分解则得到3个独立的R、G、B光谱。 LED白光经过CF后得到另一个新的白光光谱，此新的白光实际是由3个独立R、G、B光谱构成，详细的过程如下图： CF理论解析 1、某个CF模型的特征可以用一条曲线形象的表示(图7)，该曲线实际是由R、G、B三个单一的曲线组合而成(图8)，每个曲线的含义可以简单的理解如下： 曲线——峰值在650nm附近，波段分布为570-780nm，表示570-780nm波段的光均可以通过，其它波段则会被过滤掉，同时，在可以通过的570-780nm波段中，又因为波长的差异导致其能通过的能量强度占比也不同。 曲线——峰值在530nm附近，波段分布为465-615nm，表示465-615nm波段的光均可以通过，其它波段则会被过滤掉; 曲线——峰值在460nm附近，波段分布为400-520nm，表示400-520nm波段的光均可以通过，其它波段则会被过滤掉; 2、不同厂家、不同型号的CF各有差异，现以国内常见的2款CF为例对其R、G、B的曲线进行对比分析。 经分析可知， A、B两款CF中R、G、B曲线的峰值、半波宽如下： 表2: A、B两款CF中的R、G、B曲线的峰值和半波宽 以上数据表明，虽然此两款类型CF的R、G、B参数大致相同，但细节仍存在差异，故在应用中需针对具体的CF型号以确定匹配的方案。 2.5 色域覆盖率的计算 说明：由2.4.2 CF的介绍中知LED白光经过CF后会得到3个单一的R、G、B光谱，再由这3个单一的R、G、B光谱混合成最终过CF后的白光。 3 色域覆盖率与荧光粉方案的选型分析 3.1 不同体系荧光粉的特点 以峰值波长、半波宽来进行区分，不同体系的LED荧光粉特点可以总结如下表3： 表3 各体系LED荧光粉的峰值波长、半波宽参数 3.2色域覆盖率与荧光粉方案的选型分析 分析1、从 2.4.2 CF理论解析中可知，目前国内常用的2款CF中R曲线的峰值在650nm左右、半波宽>100nm，G曲线的峰值在530nm左右、半波宽100nm左右，B曲线的峰值在460-475nm间、半波宽为90nm，这说明为了匹配相应的CF，荧光粉方案进行选择时需注意粉体的峰值波长、半波宽。 分析2、因荧光粉封装成LED白光后是由RGB构成的一个连续波形(图11)，为了使白光能更好的匹配CF，则需3个较窄半波宽的R、G、B波形(图12)。当荧光粉的半波宽越窄时，其整个光谱则趋向于单色光的光谱，此时此荧光粉的色纯度则越高，由此类荧光粉混合成的白光光谱则越接近理想的白光光谱(图13)，这样的白光透过CF后，色域覆盖率高。 分析3、从色域覆盖率的含义可知，色域覆盖率是某个R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域面积与标准R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域面积的比值，这说明在进行荧光粉方案选择时还需关注荧光粉的坐标(x，y)。 综合以上3点的分析、白光的实现方式以及表3.1-1可知，荧光粉方案的选型中G粉可以选择Ga-YAG、LuAG、Silicate、β-SiAlON、量子点，R粉可以选择Nitride、KSF、量子点。同时，为了使色域覆盖率达到最理想的状况，可以选择较窄半波宽的荧光粉进行搭配， 例如：β-SiAlON的G粉+量子点的R粉、量子点的G粉+R粉。 3.3 不同色域覆盖率需求与荧光粉方案的案例说明 结合业内现有材料及LED封装实验，现依次举例说明在A款CF型号下NTSC标准不同色域覆盖率(70%、75%、80%、85%、90%、95%)需求的荧光粉匹配方案,其参数及封装后LED白光光谱如下： 注：以上仅简单列举了部分可满足NTSC标准色域覆盖率需求的荧光粉方案参数 5 结语 本文简要介绍了LCD电视以及影响色域覆盖率的CF与白光LED,并对LCD中CF与白光LED间的转化关系、色域覆盖率的计算方法进行了说明，同时结合实例对不同色域覆盖率下背光用白光LED的荧光粉方案作了简略介绍。 参考文献 [1] 汤顺青.色度学[M]，北京：北京理工大学出版社，1990，06 [2] 国家广播电视产品质量监督检验中心、TCL多媒体科技股份有限公司GPC研发中心.数字电视与平板电视中的色度学[M]，北京：人民邮电出版社，2010.2，36-55 [3](美)William.K.Pratt]数字图像处理制作方法、数字图像处理制作工艺数字图像处理加工方法，[M]，北京：机械工业出版社，2010.3，36-55 |
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