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电视广色域技术的研究与应用

作者:侯斯文,朋朝明 (深圳创维-RGB电子有限公司,深圳518108) 时间:2021-07-12 来源:电子产品世界 收藏
编者按:主要介绍LED液晶模组中提升色域的不同方案,结合相关技术的工作原理、试验数据,给出模组应用设计方案,并结合产品本身特性对应用前景进行分析,可以对相关行业人员提升显示产品色域的设计方案有一定帮助,同时也为模组背光广色域方案设计提出了参考,使模组设计更加多元化。


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

1   高色域产品与普通色域产品的区别

随着科技与时代的进步,人们开始越来越关注所带来的视听享受,原本LED 液晶模组本身色彩还原度低的缺点也暴露出来。为了解决此问题,更好地还原色彩真实度,需要在设计过程中提升液晶模组色域,使消费者看到更真实、更丰富、更精彩的画面。提升色域的方法很多,如更改LED 荧光粉、加入高色域荧光粉、双色双芯片技术、更换量子膜片、更换色彩校正膜等。色域提升后,在相同画面下可以看到色彩还原度存在明显差异。

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2   高色域LED荧光粉应用

目前业内通过改变LED 荧光粉提升色域的方案较为普遍,由于显示三基色为R、G、B,其中蓝光为激发固定,波长变化范围较小,LED 提升色域大部分集中在R 与G 两个方向的荧光粉方案提升,其中最为通用的是氟化物材料的应用。该类材料LED 统称为KSF技术,常见化学式:K2SiF6:Mn4+,特性:发光效率高、稳定性差、半波宽很窄;与传统LED 在模组中的设计方案一致,可直接使用。表1 是其亮度及色域值与传统YAG 粉材料的对比。

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3   双色双芯片LED应用

虽然KSF 提升了一定的色域效果,但是受限于绿色荧光粉限制(波长、半波宽、浓度),这种技术色域数值一般只能达到NTSC1931 83%(搭配不同面板和不同绿色荧光粉,数据略有差异)。

为了进一步提升色域,行业对绿色晶片进行了攻关研究,使用蓝光芯片(激发KSF 红色荧光粉)+ 绿色晶片(波长短、半波宽窄),以实现全色域;绿光芯片具有比现有绿色荧光粉更佳的主波峰和更窄的半波宽,即色坐标更绿。所以B&G 芯片+R 粉可以达到现有蓝光晶片+R、G 粉无法企及的色域NTSC 值。具体对比如表2 所示。

虽然色域提升范围较广,但是该设计方案亮度衰减明显,需要进行对应的亮度方案提升设计,成本会有所增加,需要进行项目整体考量。

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图1 不同的量子点产生红光与绿光

4   量子膜片在液晶模组中的应用

现在,光学膜片设计过程中主要有两类膜片可以提升色域,即量子膜片和色彩校正膜。这两类膜片在液晶模组中都有应用,但原理却大相径庭。

量子膜片是一种添加了量子点的光学薄膜,量子点可以在蓝光照射下产生红光和绿光,与一部分透过的蓝光混合之后得到白光。量子点比人类发丝还要小1 万倍,其发出的光是在一个特定波长下产生的。通过控制量子点的光谱输出,量子膜产品可以使用薄膜上的数万亿量子点来增强色彩和亮度(原理见图1)。

4.1 如何在模组中使用量子膜片

首先,常规模组设计过程中采用的是白光LED,由于量子材料本身的特性问题,需将白光LED 更换成蓝光LED。在蓝光选取过程中,不同波长的蓝光对色坐标值以及色域值都有影响,对背光整体效率更有直接影响,一般情况下,蓝光波长越长,效率越低,色域越低(见图2)。

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图2 蓝光波长对色域的影响

其次,在装入模组过程中,需在出光后第1 次混合为白光效果最佳,即侧光式放置在导光板上(直下式放在扩散板上),随后放入其他膜片,组装方法与正常膜片一致(见图3)。

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图3 量子膜片在模组中的使用

4.2 使用量子膜片给模组带来的改变

使用量子膜后,模组色域会大幅度提升,但随着色域的提升,模组亮度也会大幅度下降,如3M 公司的QDEF 产品[1-2],在模组中实测数据,NTSC1931 色域覆盖率从62.51% ~ 91.41%,亮度损失43.6%,(见表3),所以色域提升越高,损失亮度越大。

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色域值提高亮度值下降的原因主要是为了获得更广的色域,红色的光波长需要向长波方向移动,绿色的光波长需要向短波方向移动。这些变化综合起来,即使在相同功率情况下,亮度也会衰减(见图4)。

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图4 影响亮度的原因

4.3 量子膜目前的应用前景

目前整个显示行业量子膜片的使用并不十分广泛,只在少数样机及超高端机种中使用,原因如下:

量子点材料中含镉化合物,它属于有毒有害材料,而其他量产替代材料目前并未达到相同的色域表现水平,光学效率也很低;

量子材料本身对氧气及水汽非常敏感,一般短时间接触水汽、氧气便会失效,所以量子膜片需做好水氧阻隔膜,这一技术难度很大;

由于材料本身特性以及水氧阻隔膜制程特点,导致成本居高不下,平均每平方米价格在100 美元以上。正是因为量子膜片以上的应用局限性,各大厂商根据光谱特性制作出了优化色域的新材料膜片,即色彩校正膜。

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图5 色彩校正膜提升色域原理

5   色彩校正膜在液晶模组中的应用

色彩校正膜也称染料膜片,是在正常成型的膜片中加入特殊材料,使膜片一次成型为色彩校正膜,具体提升色域的原理为:染料对吸收黄光,使得背光的红、绿半波宽收窄,提升色域(见图5)。色彩校正材料可以涂布在PET 基材、扩散片或聚光片上。

5.1 如何在模组中使用色彩校正膜

现在的色彩校正膜主要分两种,一种涂布在聚光片上,另一种涂布在扩散片上。根据不同种类使用方式也有所不同(见图6)。涂布在聚光片上,需要确认涂布后膜片属于垂直聚光片还是水平聚光片,由于不同膜片搭配方式也可导致色域及亮度存在差异。一般将染料聚光片放置在普通聚光片上,亮度损失值较小,色域值会低些;而染料聚光片放置在普通聚光片下,亮度损失值较大,色域值会有所提升。

涂布在扩散片上则可以将染料扩散片放置在膜片架构的最上层作为上扩使用,也可以将染料扩散片放置在膜片架构最下层作为下扩使用,但是需要特别注意,在同样的膜片测试架构下,将染料扩散片放置在膜片架构最下层时,亮度大幅衰减,但色域提升效果明显;而将染料扩散片放置在膜片架构最上层时,亮度损失值较小,但色域提升效果并不明显。

无论是染料聚光片还是染料扩散片,将染料膜片放在膜片架构下端,会导致黄光吸收会增加,色域会更广;放置在膜片架构上端,黄光吸收会减少,但是色域提升也存在差异,染料膜片位置越下,色域越高,亮度越低;位置越上则反之。

5.2 染料膜片给模组带来的改变

染料膜片的工作原理导致吸收后的红、绿波宽变窄,光能量降低,使用后在提升模组色域的同时亮度会衰减,并且色域提升越大,亮度衰减更严重。详见表4。

5.3 染料膜片目前的应用前景

在使用过程中,目前染料膜片提升色域的效果没有量子膜片好,而且亮度衰减严重,但是染料膜片本身并无任何有害成分,且制造工艺不需要进行水氧阻隔处理,所以技术难点相对降低,工艺制程稳定性更高;而且从综合使用成本来讲,占有比较大的优势。

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图6 色彩校正膜使用方式

6   结束语

本文分别介绍了显示技术提升色域的几种方案,从原理出发,结合操作经验,给出在模组应用中的使用方法。通过一系列试验数据,结合实际因素,给出了目前各技术的实际色域提升效果,并综合材料本身特性分析了在模组中的应用前景,对目前行业从业者的色域提升方案有一定参考意义。由于现在显示行业对色域的要求越来越高,色域的提升已经越来越多地应用到模组中,而不同的色域提升方案也为未来的模组设计带来了更大可行性。在满足更高设计指标的同时,多种方案的应用也有助于模组带来更完美的视听享受。

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参考文献:

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

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

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年6月期)



关键词: 202106 电视 广色域

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