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            電視廣色域技術的研究與應用

            作者:侯斯文,朋朝明 (深圳創維-RGB電子有限公司,深圳518108)時間:2021-07-12來源:電子產品世界收藏
            編者按:主要介紹LED液晶模組中提升色域的不同方案,結合相關技術的工作原理、試驗數據,給出模組應用設計方案,并結合產品本身特性對應用前景進行分析,可以對相關行業人員提升顯示產品色域的設計方案有一定幫助,同時也為模組背光廣色域方案設計提出了參考,使模組設計更加多元化。


            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202107/426841.htm

            1   高色域產品與普通色域產品的區別

            隨著科技與時代的進步,人們開始越來越關注所帶來的視聽享受,原本LED 液晶模組本身色彩還原度低的缺點也暴露出來。為了解決此問題,更好地還原色彩真實度,需要在設計過程中提升液晶模組色域,使消費者看到更真實、更豐富、更精彩的畫面。提升色域的方法很多,如更改LED 熒光粉、加入高色域熒光粉、雙色雙芯片技術、更換量子膜片、更換色彩校正膜等。色域提升后,在相同畫面下可以看到色彩還原度存在明顯差異。

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            2   高色域LED熒光粉應用

            目前業內通過改變LED 熒光粉提升色域的方案較為普遍,由于顯示三基色為R、G、B,其中藍光為激發固定,波長變化范圍較小,LED 提升色域大部分集中在R 與G 兩個方向的熒光粉方案提升,其中最為通用的是氟化物材料的應用。該類材料LED 統稱為KSF技術,常見化學式:K2SiF6:Mn4+,特性:發光效率高、穩定性差、半波寬很窄;與傳統LED 在模組中的設計方案一致,可直接使用。表1 是其亮度及色域值與傳統YAG 粉材料的對比。

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            3   雙色雙芯片LED應用

            雖然KSF 提升了一定的色域效果,但是受限于綠色熒光粉限制(波長、半波寬、濃度),這種技術色域數值一般只能達到NTSC1931 83%(搭配不同面板和不同綠色熒光粉,數據略有差異)。

            為了進一步提升色域,行業對綠色晶片進行了攻關研究,使用藍光芯片(激發KSF 紅色熒光粉)+ 綠色晶片(波長短、半波寬窄),以實現全色域;綠光芯片具有比現有綠色熒光粉更佳的主波峰和更窄的半波寬,即色坐標更綠。所以B&G 芯片+R 粉可以達到現有藍光晶片+R、G 粉無法企及的色域NTSC 值。具體對比如表2 所示。

            雖然色域提升范圍較廣,但是該設計方案亮度衰減明顯,需要進行對應的亮度方案提升設計,成本會有所增加,需要進行項目整體考量。

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            圖1 不同的量子點產生紅光與綠光

            4   量子膜片在液晶模組中的應用

            現在,光學膜片設計過程中主要有兩類膜片可以提升色域,即量子膜片和色彩校正膜。這兩類膜片在液晶模組中都有應用,但原理卻大相徑庭。

            量子膜片是一種添加了量子點的光學薄膜,量子點可以在藍光照射下產生紅光和綠光,與一部分透過的藍光混合之后得到白光。量子點比人類發絲還要小1 萬倍,其發出的光是在一個特定波長下產生的。通過控制量子點的光譜輸出,量子膜產品可以使用薄膜上的數萬億量子點來增強色彩和亮度(原理見圖1)。

            4.1 如何在模組中使用量子膜片

            首先,常規模組設計過程中采用的是白光LED,由于量子材料本身的特性問題,需將白光LED 更換成藍光LED。在藍光選取過程中,不同波長的藍光對色坐標值以及色域值都有影響,對背光整體效率更有直接影響,一般情況下,藍光波長越長,效率越低,色域越低(見圖2)。

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            圖2 藍光波長對色域的影響

            其次,在裝入模組過程中,需在出光后第1 次混合為白光效果最佳,即側光式放置在導光板上(直下式放在擴散板上),隨后放入其他膜片,組裝方法與正常膜片一致(見圖3)。

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            圖3 量子膜片在模組中的使用

            4.2 使用量子膜片給模組帶來的改變

            使用量子膜后,模組色域會大幅度提升,但隨著色域的提升,模組亮度也會大幅度下降,如3M 公司的QDEF 產品[1-2],在模組中實測數據,NTSC1931 色域覆蓋率從62.51% ~ 91.41%,亮度損失43.6%,(見表3),所以色域提升越高,損失亮度越大。

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            色域值提高亮度值下降的原因主要是為了獲得更廣的色域,紅色的光波長需要向長波方向移動,綠色的光波長需要向短波方向移動。這些變化綜合起來,即使在相同功率情況下,亮度也會衰減(見圖4)。

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            圖4 影響亮度的原因

            4.3 量子膜目前的應用前景

            目前整個顯示行業量子膜片的使用并不十分廣泛,只在少數樣機及超高端機種中使用,原因如下:

            量子點材料中含鎘化合物,它屬于有毒有害材料,而其他量產替代材料目前并未達到相同的色域表現水平,光學效率也很低;

            量子材料本身對氧氣及水汽非常敏感,一般短時間接觸水汽、氧氣便會失效,所以量子膜片需做好水氧阻隔膜,這一技術難度很大;

            由于材料本身特性以及水氧阻隔膜制程特點,導致成本居高不下,平均每平方米價格在100 美元以上。正是因為量子膜片以上的應用局限性,各大廠商根據光譜特性制作出了優化色域的新材料膜片,即色彩校正膜。

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            圖5 色彩校正膜提升色域原理

            5   色彩校正膜在液晶模組中的應用

            色彩校正膜也稱染料膜片,是在正常成型的膜片中加入特殊材料,使膜片一次成型為色彩校正膜,具體提升色域的原理為:染料對吸收黃光,使得背光的紅、綠半波寬收窄,提升色域(見圖5)。色彩校正材料可以涂布在PET 基材、擴散片或聚光片上。

            5.1 如何在模組中使用色彩校正膜

            現在的色彩校正膜主要分兩種,一種涂布在聚光片上,另一種涂布在擴散片上。根據不同種類使用方式也有所不同(見圖6)。涂布在聚光片上,需要確認涂布后膜片屬于垂直聚光片還是水平聚光片,由于不同膜片搭配方式也可導致色域及亮度存在差異。一般將染料聚光片放置在普通聚光片上,亮度損失值較小,色域值會低些;而染料聚光片放置在普通聚光片下,亮度損失值較大,色域值會有所提升。

            涂布在擴散片上則可以將染料擴散片放置在膜片架構的最上層作為上擴使用,也可以將染料擴散片放置在膜片架構最下層作為下擴使用,但是需要特別注意,在同樣的膜片測試架構下,將染料擴散片放置在膜片架構最下層時,亮度大幅衰減,但色域提升效果明顯;而將染料擴散片放置在膜片架構最上層時,亮度損失值較小,但色域提升效果并不明顯。

            無論是染料聚光片還是染料擴散片,將染料膜片放在膜片架構下端,會導致黃光吸收會增加,色域會更廣;放置在膜片架構上端,黃光吸收會減少,但是色域提升也存在差異,染料膜片位置越下,色域越高,亮度越低;位置越上則反之。

            5.2 染料膜片給模組帶來的改變

            染料膜片的工作原理導致吸收后的紅、綠波寬變窄,光能量降低,使用后在提升模組色域的同時亮度會衰減,并且色域提升越大,亮度衰減更嚴重。詳見表4。

            5.3 染料膜片目前的應用前景

            在使用過程中,目前染料膜片提升色域的效果沒有量子膜片好,而且亮度衰減嚴重,但是染料膜片本身并無任何有害成分,且制造工藝不需要進行水氧阻隔處理,所以技術難點相對降低,工藝制程穩定性更高;而且從綜合使用成本來講,占有比較大的優勢。

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            圖6 色彩校正膜使用方式

            6   結束語

            本文分別介紹了顯示技術提升色域的幾種方案,從原理出發,結合操作經驗,給出在模組應用中的使用方法。通過一系列試驗數據,結合實際因素,給出了目前各技術的實際色域提升效果,并綜合材料本身特性分析了在模組中的應用前景,對目前行業從業者的色域提升方案有一定參考意義。由于現在顯示行業對色域的要求越來越高,色域的提升已經越來越多地應用到模組中,而不同的色域提升方案也為未來的模組設計帶來了更大可行性。在滿足更高設計指標的同時,多種方案的應用也有助于模組帶來更完美的視聽享受。

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            參考文獻:

            [1] QDEF Design Guide General(Compatibility Mode)[Z].2014.

            [2] 新材料蘇州有限公司.WCG solution CGEF V2[Z].2016.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年6月期)



            關鍵詞: 202106 電視 廣色域

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