電視廣色域技術(shù)的研究與應(yīng)用

1   高色域產(chǎn)品與普通色域產(chǎn)品的區(qū)別

隨著科技與時(shí)代的進(jìn)步，人們開始越來越關(guān)注電視所帶來的視聽享受，原本LED 液晶模組本身色彩還原度低的缺點(diǎn)也暴露出來。為了解決此問題，更好地還原色彩真實(shí)度，需要在設(shè)計(jì)過程中提升液晶模組色域，使消費(fèi)者看到更真實(shí)、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(shù)、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。

2   高色域LED熒光粉應(yīng)用

目前業(yè)內(nèi)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(lán)光為激發(fā)固定，波長(zhǎng)變化范圍較小，LED 提升色域大部分集中在R 與G 兩個(gè)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(yīng)用。該類材料LED 統(tǒng)稱為KSF技術(shù)，常見化學(xué)式：K2SiF6:Mn4+，特性：發(fā)光效率高、穩(wěn)定性差、半波寬很窄；與傳統(tǒng)LED 在模組中的設(shè)計(jì)方案一致，可直接使用。表1 是其亮度及色域值與傳統(tǒng)YAG 粉材料的對(duì)比。

3   雙色雙芯片LED應(yīng)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(zhǎng)、半波寬、濃度），這種技術(shù)色域數(shù)值一般只能達(dá)到NTSC1931 83%（搭配不同面板和不同綠色熒光粉，數(shù)據(jù)略有差異）。

為了進(jìn)一步提升色域，行業(yè)對(duì)綠色晶片進(jìn)行了攻關(guān)研究，使用藍(lán)光芯片（激發(fā)KSF 紅色熒光粉）+ 綠色晶片（波長(zhǎng)短、半波寬窄），以實(shí)現(xiàn)全色域；綠光芯片具有比現(xiàn)有綠色熒光粉更佳的主波峰和更窄的半波寬，即色坐標(biāo)更綠。所以B&G 芯片+R 粉可以達(dá)到現(xiàn)有藍(lán)光晶片+R、G 粉無法企及的色域NTSC 值。具體對(duì)比如表2 所示。

雖然色域提升范圍較廣，但是該設(shè)計(jì)方案亮度衰減明顯，需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的亮度方案提升設(shè)計(jì)，電視成本會(huì)有所增加，需要進(jìn)行項(xiàng)目整體考量。

圖1 不同的量子點(diǎn)產(chǎn)生紅光與綠光

4   量子膜片在液晶模組中的應(yīng)用

現(xiàn)在，光學(xué)膜片設(shè)計(jì)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(yīng)用，但原理卻大相徑庭。

量子膜片是一種添加了量子點(diǎn)的光學(xué)薄膜，量子點(diǎn)可以在藍(lán)光照射下產(chǎn)生紅光和綠光，與一部分透過的藍(lán)光混合之后得到白光。量子點(diǎn)比人類發(fā)絲還要小1 萬倍，其發(fā)出的光是在一個(gè)特定波長(zhǎng)下產(chǎn)生的。通過控制量子點(diǎn)的光譜輸出，量子膜產(chǎn)品可以使用薄膜上的數(shù)萬億量子點(diǎn)來增強(qiáng)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(guī)模組設(shè)計(jì)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(lán)光LED。在藍(lán)光選取過程中，不同波長(zhǎng)的藍(lán)光對(duì)色坐標(biāo)值以及色域值都有影響，對(duì)背光整體效率更有直接影響，一般情況下，藍(lán)光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，效率越低，色域越低（見圖2）。

圖2 藍(lán)光波長(zhǎng)對(duì)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(cè)光式放置在導(dǎo)光板上（直下式放在擴(kuò)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）。

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(huì)大幅度提升，但隨著色域的提升，模組亮度也會(huì)大幅度下降，如3M 公司的QDEF 產(chǎn)品[1-2]，在模組中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，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。

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(zhǎng)需要向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，綠色的光波長(zhǎng)需要向短波方向移動(dòng)。這些變化綜合起來，即使在相同功率情況下，亮度也會(huì)衰減（見圖4）。

圖4 廣色域影響亮度的原因

4.3 量子膜目前的應(yīng)用前景

目前整個(gè)顯示行業(yè)量子膜片的使用并不十分廣泛，只在少數(shù)樣機(jī)及超高端機(jī)種中使用，原因如下：

量子點(diǎn)材料中含鎘化合物，它屬于有毒有害材料，而其他量產(chǎn)替代材料目前并未達(dá)到相同的色域表現(xiàn)水平，光學(xué)效率也很低；

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

由于材料本身特性以及水氧阻隔膜制程特點(diǎn)，導(dǎo)致成本居高不下，平均每平方米價(jià)格在100 美元以上。正是因?yàn)榱孔幽て陨系膽?yīng)用局限性，各大廠商根據(jù)光譜特性制作出了優(yōu)化色域的新材料膜片，即色彩校正膜。

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(yīng)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(duì)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(kuò)散片或聚光片上。

5.1 如何在模組中使用色彩校正膜

現(xiàn)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(kuò)散片上。根據(jù)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(rèn)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(dǎo)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(huì)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(huì)有所提升。

涂布在擴(kuò)散片上則可以將染料擴(kuò)散片放置在膜片架構(gòu)的最上層作為上擴(kuò)使用，也可以將染料擴(kuò)散片放置在膜片架構(gòu)最下層作為下擴(kuò)使用，但是需要特別注意，在同樣的膜片測(cè)試架構(gòu)下，將染料擴(kuò)散片放置在膜片架構(gòu)最下層時(shí)，亮度大幅衰減，但色域提升效果明顯；而將染料擴(kuò)散片放置在膜片架構(gòu)最上層時(shí)，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(kuò)散片，將染料膜片放在膜片架構(gòu)下端，會(huì)導(dǎo)致黃光吸收會(huì)增加，色域會(huì)更廣；放置在膜片架構(gòu)上端，黃光吸收會(huì)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(dǎo)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(shí)亮度會(huì)衰減，并且色域提升越大，亮度衰減更嚴(yán)重。詳見表4。

5.3 染料膜片目前的應(yīng)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(yán)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(jìn)行水氧阻隔處理，所以技術(shù)難點(diǎn)相對(duì)降低，工藝制程穩(wěn)定性更高；而且從綜合使用成本來講，占有比較大的優(yōu)勢(shì)。

圖6 色彩校正膜使用方式

6   結(jié)束語

本文分別介紹了電視顯示技術(shù)提升色域的幾種方案，從原理出發(fā)，結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)，給出在模組應(yīng)用中的使用方法。通過一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際因素，給出了目前各技術(shù)的實(shí)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(yīng)用前景，對(duì)目前行業(yè)從業(yè)者的色域提升方案有一定參考意義。由于現(xiàn)在顯示行業(yè)對(duì)色域的要求越來越高，色域的提升已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到模組中，而不同的色域提升方案也為未來的模組設(shè)計(jì)帶來了更大可行性。在滿足更高設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)，多種廣色域方案的應(yīng)用也有助于模組帶來更完美的視聽享受。

參考文獻(xiàn)：

[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(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）