1   應(yīng)用背景及現(xiàn)狀

隨著平板電視的普及及生活水平的提高，人們對顯示效果的需求也越來越高，而色域一直是衡量顯示效果的重要指標之一。普通液晶電視一般使用藍光GaN 芯片激發(fā)YAG 黃粉作為背光源，其光譜在紅綠波段互相干擾，經(jīng)過液晶玻璃彩色濾光片后，RGB 三色的半峰寬很寬，色純度低，色域低，NTSC CIE 1931 色域一般僅為68%~72% 左右，畫質(zhì)表現(xiàn)力較差。KSF 技術(shù)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(shù)色域數(shù)值一般只能達到在NTSC1931 83%，量子點技術(shù)由于其光譜在紅綠藍三色的半峰寬非常窄，經(jīng)過濾光片后出射的R、G 和B三色的半峰寬也很窄，單色色純度高，色域高，NTSCCIE 1931 色域一般在100-120% 左右[ 對比如圖1（左）所示]。

如圖1（右）所示，量子點的發(fā)光原理與常規(guī)半導(dǎo)體發(fā)光原理相近，均是材料中載流子在接受外來能量后，達到激發(fā)態(tài)，在載流子回復(fù)至基態(tài)的過程中，會釋放能量，這種能量通常以光的形式發(fā)射出去。與常規(guī)發(fā)光材料不同的是，量子點發(fā)光材料還具有發(fā)射波長連續(xù)可調(diào)，激發(fā)光譜寬而發(fā)射光譜窄，具有極高的熒光量子產(chǎn)率等特點。

目前量子點材料均以光學(xué)膜的形式在液晶背光中應(yīng)用，背光模組中的藍光LED 發(fā)出藍光，藍光經(jīng)過量子點膜時，部分藍光被量子點轉(zhuǎn)換成綠光和紅光，未被轉(zhuǎn)換的藍光和量子點發(fā)出的紅光、綠光一起合成白光，成為液晶玻璃的光源，目前量子點背光顯示應(yīng)用主要集中于使用具有核殼結(jié)構(gòu)的經(jīng)典量子點材料（特別是CdSe類材料）。高質(zhì)量的核殼結(jié)構(gòu)量子點一般采用高溫熱注入法制備，產(chǎn)業(yè)化仍面臨工藝復(fù)雜、成本高等挑戰(zhàn)。此外，由于Cd2+ 的毒性，使CdSe 類材料面臨嚴峻的環(huán)保壓力。

歐盟委員會公布決定，自2019 年10 月起，歐洲范圍內(nèi)禁售含Cd 的電視和顯示器。因此，尋求滿足QLED 背光顯示應(yīng)用的新材料是解決上述挑戰(zhàn)，取得原創(chuàng)性突破技術(shù)的重要思路。與正在產(chǎn)業(yè)化過程中的CdSe 類量子點相比，鈣鈦礦量子點具有成本低廉、制備工藝簡單等特點（表1），在發(fā)光二極管、激光等領(lǐng)域具有優(yōu)勢，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重點關(guān)注，是一類具有成長潛力的新型顯示材料。

下表為不同體系LED熒光粉的峰值波長、半波寬參數(shù)。

圖1 (上)普通電視與量子點電視的畫質(zhì)對比 (下)量子點發(fā)光原理

針對于現(xiàn)有量子膜存在的不符合歐盟對鎘元素含量要求以及價格高的缺點，本文提出了一種基于鈣鈦礦材料的無鎘健康環(huán)保量子點全色域?qū)崿F(xiàn)方案的技術(shù)研究。

本文通過藍光芯片與KSF 紅粉組合而成新型的紫光燈作為背光源，采用鈣鈦礦量子點膜作為綠色光源激發(fā)材料，實現(xiàn)新型全色域顯示，不僅滿足了無鎘健康環(huán)保的環(huán)保需求，而且鑒于其成本優(yōu)勢，更容易實現(xiàn)全面推廣。

圖2 鈣鈦礦量子點的結(jié)構(gòu)

2   什么是鈣鈦礦量子點

鈣鈦礦量子點的結(jié)構(gòu)式一般為ABX3，其中A 可以是小分子有機陽離子，也可以是無機金屬陽離子，B 位通常為Pb2+ 離子，X 為鹵素（Cl、Br、I）陰離子。鈣鈦礦點的晶體結(jié)構(gòu)由1 個B 金屬原子和6 個X 原子構(gòu)成1 個八面體結(jié)構(gòu)，A 原子鑲嵌在8 個八面體兩兩共用1個X 原子形成的立方體結(jié)構(gòu)的中心（如圖3 所示）。鈣鈦礦量子點與正在產(chǎn)業(yè)化過程中的CdSe 或InP 量子點相比，具有成本低廉、制備工藝簡單、材料毒性低等特點。同時，鈣鈦礦量子點的發(fā)光性能與CdSe量子點相當甚至更好：發(fā)射光譜覆蓋整個可見光波長（410~700nm），熒光量子產(chǎn)率（PLQY）高（>90%），窄發(fā)射峰（半峰寬20~50 nm）。值得關(guān)注的是，基于量子點的背光顯示技術(shù)已經(jīng)開始商業(yè)化。^[1]

圖3 (a) MAPbBr3 PQDs/PMMA光學(xué)膜在背光顯示中的應(yīng)用形式與結(jié)構(gòu)

3   鈣鈦礦量子膜應(yīng)用案例分析

3.1 實驗原理

根據(jù)物理測色法，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(shù)，ρ（λ）為彩色濾光片的光譜透射率函數(shù)。

色域的計算首先由公式（1）得到液晶顯示器的相對光譜能量分布Φ(λ)，然后通過顏色匹配函數(shù)x(λ)y(λ)z(λ)計算三刺激值X、Y、Z，由紅、綠、藍三色刺激值X、Y、Z 計算在CIE 坐標系中的三色色坐標（x_r，y_r）、（x_g，y_g）和（x_a，y_b）。

最后按照色域公式計算出色域面積比值：

容易理解，如Φ(λ) 確定后，其色域也基本確定，所以液晶顯示裝置的色域由光源相對光譜能量分布函數(shù)S(λ)、O/C 彩色濾光片的光譜透射率函數(shù)ρ(λ) 決定。

本論文重點討論鈣鈦礦量子膜片，將直接選用BOEHV750QUB-F91 液晶玻璃，對其彩色濾光片濾光特性不做贅述，本文還將重點研究不同背光光源相對光譜能量分布S(λ) 的特性對液晶模組色域的影響。

3.2 實驗方案

本文將采用75inch 液晶電視為研究對象，分別驗證鈣鈦礦綠色量子膜幾種提升液晶色域的方案。實驗裝置包括液晶玻璃、背光結(jié)構(gòu)組件、電子組件等。測試的輻射亮度計為美年達公司CS2000 分光輻射亮度計，其可以對380~780 nm 光譜段1 nm 分辨率測試輻射量，測試角度選取0.2° ，輻射亮度平均精度為±0.01 cd/m²，色度坐標精度為±0.001。

圖3(a) 所示為鈣鈦礦量子點光學(xué)膜與藍光LED 芯片、KSF 紅光熒光粉組成的白光背光結(jié)構(gòu)示意圖。其中KSF紅光熒光粉涂覆在藍光LED 芯片上方，藍光LED芯片發(fā)出的藍光一部分首先激發(fā)KSF 熒光粉發(fā)出紅光，此時得到紅、綠復(fù)合光。鈣鈦礦量子點光學(xué)膜放置在紅藍光LED芯片上方，其中一部分藍光再激發(fā)鈣鈦礦量子點產(chǎn)生綠光，該綠光與先前得到的紅光和剩余的藍光一同組成白色背光。

如圖3(b) 所示，在本文所使用的背光模組為直下式結(jié)構(gòu)，將預(yù)先訂制好的紅藍光燈條置于背光模組的底部位置，然后再依次放入反射膜、導(dǎo)光板、與下擴散膜集成好的鈣鈦礦量子點光學(xué)膜、增亮膜、上擴散膜，最后用膠框把上述多層膜固定在一起。在該背光模組結(jié)構(gòu)中，底部紅藍光燈條在工作情況下發(fā)射出紫光，經(jīng)擴散板和反射膜之后形成均勻的紫色面光源，然后經(jīng)過綠色的MAPbBr3 礦量子點光學(xué)膜之后，紅藍光中的部分藍光被轉(zhuǎn)化為綠光發(fā)射出，與剩余的藍光和紅光一起發(fā)出，得到白光面光源，白光面光源再經(jīng)過增亮膜結(jié)構(gòu)提高發(fā)光亮度，最后再經(jīng)過上層擴散膜的勻光作用獲得發(fā)光均勻的白光背光源。

4   本案例實現(xiàn)過程

4.1 方案確認

根據(jù)鈣鈦礦無鎘屬性，完成全色域護眼健康的電視模組方案。

初始方案為芯瑞達燈珠使用λ=460nm護眼藍光LED，QD膜使用致晶鈣鈦礦綠膜，方案如表2。

首版方案結(jié)果如圖4、圖5。

圖4 CIE 1931&CIE 1976各標準色域值

（a）CIE 1931 NTSC

（b）CIE 1931 DCI-P3

（c）CIE 1976 NTSC

（d）CIE 1976 DCI-P3

圖5 色域面積比&覆蓋率

從首版方案數(shù)據(jù)實測結(jié)果來看，CIE1931 和CIE1976的NTSC 和DCI-P3 標準來看，雖然色域面積比均超過100%，但覆蓋率偏低，CIE 馬蹄圖中黃綠色不能顯示出來。從整機畫面來看，綠顏色偏多，黃顏色偏少。與其他畫質(zhì)視效校正屏體對比，表現(xiàn)出數(shù)據(jù)高端但畫質(zhì)一般。

第二，理論色域模擬

重新反思提高色域覆蓋率辦法，目前最有效方法的就是根據(jù)O/C 屏譜（圖6）調(diào)整背光光譜中各顏色的波長和半峰寬。將BOE HV750QUB-F91 屏譜導(dǎo)入色域模擬軟件進行理論模擬NTSC 和DCI-P3 最佳面積比&覆蓋率（綜合）的各顏色波長值如圖7 和圖8 所示

圖7 NTSC 最佳色域?qū)?yīng)RGB波長值

圖8 最DCI-P3最佳色域?qū)?yīng)RGB波長值

從以上圖7、圖8 兩組理論模擬圖上可得出：

該款液晶玻璃最高色域覆蓋率對應(yīng)的NTSC 波長組合理論值為：R：622 nm G：531 nm，B：445 nm所用液晶玻璃最高色域覆蓋率對應(yīng)的DCI-P3 波長組合理論值為：R：630 nm G：540 nm，B：453 nm。

第三，依據(jù)以上分析，調(diào)整QD 膜綠光波長528 nm，將燈珠調(diào)整藍光波長450 nm，具體如表3。

測試結(jié)果如圖9、圖10。

圖9 CIE 1931&CIE 1976各標準色域值

（a）CIE 1931 NTSC

（b）CIE 1931 DCI-P3

（c）CIE 1976 NTSC

（d）CIE 1976 DCI-P3

圖10 色域面積比&覆蓋率

從以上數(shù)據(jù)可以看出，兩種標準下覆蓋率明顯提高。CIE1931 色域可達110.2%，色域覆蓋率達95.1%，業(yè)界較關(guān)注的CIE1976 DCI-P3覆蓋率達到96.9%， 遠遠超過市場的高端機型標準。

第四：對比兩組方案所用不同波長LED，當藍光LED波長變長時，過屏綠光光譜中會透過更多的藍光，導(dǎo)致綠光色點向藍光方向移動，導(dǎo)致對DCI-P3 覆蓋率的降低；隨綠光波長增加，DCI-P3 覆蓋率增加，但受藍光LED 峰值波長影響明顯，理論計算在450 nm 藍光LED下，最高DCI-P3 覆蓋率可達97.7%，460 nm 藍光LED下可達93.7%，所以短波藍光芯片激發(fā)鈣鈦礦效果色域覆蓋率更高，畫質(zhì)效果更好。如圖11

圖11 （a）

圖11 （b）

圖11 （c）

圖11 （d）

圖11 （e）

4.2 視效調(diào)整

由于光源是紅藍光混合的紫色光，導(dǎo)致背光的原有的缺陷被放大，影響視覺效果。光線亮暗則表現(xiàn)為紫紅色和綠色。比如白色LED光源背板折彎處的暗框則表現(xiàn)為綠框，暗角則表現(xiàn)為綠角，人眼對光感覺的亮暗程度的與光的波長有關(guān)。在光線充足（明視覺）的條件下，人眼對550 nm 左右的黃綠光最敏感；在光照微弱（暗視覺）條件下，則對510 nm 左右的藍綠光最敏感，視敏函數(shù)左移。如圖12 這就對鈣鈦礦綠膜的視效調(diào)校帶來了更大的難度。

圖12 視敏函數(shù)圖

根據(jù)鈣鈦礦綠膜視效在實際開發(fā)驗證中遇到的問題，總結(jié)如下：

第一：底部視效不勻

盡量采用光程更長的反射式透鏡，根據(jù)OD 的大小，燈珠間距需小于普通白光光源匹配透鏡的最大配光距離。LED 燈上亮可以通過PCB 板絲印解決，燈上黑建議采用調(diào)節(jié)透鏡光型。

以75G61Pro OD20 平臺， 采用3030 封裝LED 橫8 縱15 排列，匹配反射式透鏡，藍光芯片搭配KSF 紅粉燈珠，LED 橫向間距Px = 88 mm，LED 縱向距離Py = 100 mm。

第二：暗框

由于背板折彎處亮度低，背光正上方顯示偏綠。其改善方法有：

①將LED盡量靠近背板盆底邊沿，提高此區(qū)域亮度；

②取消反射片騎縫線，自然弧度過渡，提高折彎處亮度；

第三：四邊偏紫

由于采用紫色光源，模組四個折邊LED 位置偏色。其改善方法有：

反射片絲印互補熒光綠色油墨，如圖13，混合成白光；

圖13 （a）反射片上絲印熒光綠油墨未點亮效果

圖13 （b）反射片上絲印熒光綠油墨點亮效果

②依據(jù)所選二次光學(xué)透鏡，調(diào)整反射片起坡角度及LED 距邊距離。

以75G61Pro OD20 平臺經(jīng)過多次試驗， 最終確認為四邊反射片起坡角度22° ，邊緣燈珠離反射片起坡橫向距離為21 mm，縱向距離為15 mm。

第四：視效優(yōu)化

為了進一步改善視效，在擴散板上增加絲印工藝。

由于LED 燈珠發(fā)出的光入射到量子膜上時，光強的分布不均勻，導(dǎo)致了各個部位的激發(fā)效率不一致。根據(jù)背光光強分布，調(diào)整擴散板下方絲印的白色油墨面積比，可將光強密集處的紫光再反射回去，從而控制各區(qū)域光線，再次入射到量子膜的紫光相對之前就更加均勻，產(chǎn)生的綠光也更為充分，最終紫光和綠光混合為所需白光，從而獲取所需的均勻不偏色的模組畫面，如圖14 定版效果圖。

圖14 定版效果圖

4.3 色點校正問題。

底部色點與紅粉濃度以及鈣鈦礦濃度有關(guān)，調(diào)整方案要從這兩個方面入手。

實驗數(shù)據(jù)如表4 所示，經(jīng)過多次調(diào)整后，色粉濃度在35%，鈣鈦礦色點在0.23 時效果最佳，不僅全白場色點在（0.28，0.29）左右，NTSC CIE1931 色域接近110%。

這是因為，紅粉主要影響的是白場色坐標的x 值，當紅粉濃度小于35% 時，色點明顯遠小于0.28，當紅粉濃度超過35% 時，色點要超過0.28，所以最后紅粉濃度選在35% 這個值。

而鈣鈦礦的色點則主要影響的是白場色坐標的y值，通過調(diào)整鈣鈦礦綠膜的色點，最終將白場色坐標的Y 值調(diào)整到0.29 附近。如下表。

4   小結(jié)

本文通過鈣鈦礦材料量子點實現(xiàn)全色域方案進行了討論，本論文對目前的背光模組存在的色域及視效問題的根本原因與改善方向進行討論，引出了使用鈣鈦礦材料方案的視效調(diào)校困難點。本文的關(guān)鍵點在于，從原理上介紹了鈣鈦礦材料在背光模組的最佳色域模擬方法，探討了鈣鈦礦綠膜的視效缺陷解決方案。目前市面上并未量產(chǎn)搭配鈣鈦礦量子膜的全色域電視，究其原因很大程度都是由于視效難以改善導(dǎo)致，本論文提出了具體方案，對現(xiàn)有問題深入探索的同時，也為電視邁向全色域無鎘健康環(huán)保顯示邁出堅實的一步。

參考文獻：

[1] 致晶科技&創(chuàng)維集團鈣鈦礦量子點產(chǎn)品與新型顯示技術(shù)交流會數(shù)據(jù)手冊[Z].2020(10).

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）