LCD背光高色域顯示原理與氟化物熒光粉解決方案
深圳市瑞豐光電子股份公司公司：董春輝
基于LED高光效、低碳環(huán)保、節(jié)能的特點，目前市面上大部分LCD電視、手機(jī)已采用LED作為背光源。同時，為了滿足LED背光光源高色域覆蓋率的需求，業(yè)內(nèi)正逐步導(dǎo)入一些窄半波寬的新熒光材料，例如氟化物熒光粉、量子點熒光粉。為了更好的了解這些熒光粉材料的特性，下面我們重點將對氟化物熒光粉及其應(yīng)用做簡要介紹與說明。
首先，在了解與認(rèn)識氟化物熒光粉之前我們先介紹一些LED光源在背光應(yīng)用中的相關(guān)基本知識。
1、LCD的相關(guān)知識介紹
A、LCD含義
LCD： Liquid Crystal Display 的簡稱，液晶顯示屏的全稱，它包括了TFT,UFB,TFD,STN等類型的液晶顯示屏。
LCD電視、手機(jī)：用液晶顯示屏做顯示器的電視機(jī)或者手機(jī)；
B、LCD的構(gòu)造
以TFT類型的液晶顯示屏為例，其構(gòu)造中主要包含背光源、導(dǎo)光板、上下偏振片、液晶、彩色濾光片、薄膜晶體管等（構(gòu)造示意圖見圖1），主要構(gòu)造的作用說明如下：
1、背光源（Back Light）：LCD的顯像原理是靠液晶阻擋光線的分量達(dá)到控制明暗，必須要有光源才可能在屏幕上看到圖像，所以背光源負(fù)責(zé)為液晶屏顯像提供最基本的光源。
2、導(dǎo)光板（Light Guide Plate）：使光線均勻分布在整個屏幕上；
3、下偏振片(Up/Down Polarizer)：背光源送出來的光線方向性不一致，呈放射狀，如果這樣的光線通過液晶分子的扭轉(zhuǎn)，我們在屏幕上還是看不到我們想看到的圖像，此時，下面的偏振片則承擔(dān)了將光線的方向規(guī)范成一致后再送往液晶層的工作。
4、薄膜晶體管(Thin Film Transistor,TFT)：控制液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度
5、液晶（Liquid Crystal）：這層液晶分子在TFT控制下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，達(dá)到將方向一致的光線通亮進(jìn)行控制，從而在通往后面像素單元的光線明暗度發(fā)生了改變。
6、彩色濾光片（Color Filter）：白色經(jīng)過濾光片后，我們可以看到與濾光片對應(yīng)顏色的光線被傳出，所以在液晶顯示屏中，彩色濾光片的功能是上色。
C、LCD的顯像原理
LCD的顯像原理是將液晶置于兩片導(dǎo)電玻璃之間，通過控制上下兩層偏振片及上下兩個電極間電場的驅(qū)動引起液晶分子扭曲向列的電場效應(yīng)，以控制背光源的透射或遮蔽，同時結(jié)合其他的控制及附屬功能層共同實現(xiàn)還原畫面的功能。
D、LCD的背光源介紹
由于液晶必須借助額外的光源才能發(fā)光， LCD常用的背光源有CCFL(冷陰極熒光燈管，)、LED(發(fā)光二極管)、HCFL(熱陰極熒光燈管)、面狀光源VFD(扁平熒光燈)、EL(電致發(fā)光片)、OLED(有機(jī)電致發(fā)光片)等幾種。其中CCFL是目前最常用的LCD背光源，通常也稱傳統(tǒng)背光源；
CCFL與LED的對比：
CCFL——由硬質(zhì)玻璃和三基色熒光粉封接制作而成，燈管內(nèi)有適量的水銀和惰性氣體，管內(nèi)壁涂有熒光粉，兩端各有一個電極，缺點在于所表現(xiàn)的顏色有限。
LED——是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。正因為LED發(fā)光二極管具有好的色彩表現(xiàn)力，目前已經(jīng)全面替代傳統(tǒng)冷陰極熒光管的光源。
2、色域覆蓋率相關(guān)知識介紹
A、色域覆蓋率含義
色域覆蓋率：在CIE-xy色度圖上用顏色標(biāo)出的馬蹄形色度三角形就是人眼能夠看到的顏色區(qū)域，如果某個系統(tǒng)能夠全部再現(xiàn)這個馬蹄形區(qū)域中的顏色就可以說其色域覆蓋率是100%。采用R、G、B三基色再現(xiàn)顏色時，R、G、B三個基色坐標(biāo)組成的三角形區(qū)域就是這三種基色所確定的顏色再現(xiàn)區(qū)域，這個區(qū)域與馬蹄形區(qū)域之比就是色域覆蓋率。所以，色域覆蓋率是某個R、G、B三個基色坐標(biāo)組成的三角形區(qū)域面積與標(biāo)準(zhǔn)R、G、B三個基色坐標(biāo)組成的三角形區(qū)域面積的比值。
B、色域覆蓋率評判標(biāo)準(zhǔn)
在不同的領(lǐng)域，對標(biāo)準(zhǔn)R、G、B三個基色坐標(biāo)的要求不相同，這就涉及到不同的色域評判標(biāo)準(zhǔn)。色域的標(biāo)準(zhǔn)一般有NTSC、ITU-R BT.709、sRGB、Adobe RGB、ITU-R BT.1361、xvYCC等，下面就通用的三個標(biāo)準(zhǔn)（sRGB、NTSC和Adobe RGB）進(jìn)行簡略介紹：
1）NTSC標(biāo)準(zhǔn)：1953年，美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會（National Television Standards Committee，簡稱NTSC）基于CIE1931色度圖制定的NTSC標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)也是目前國內(nèi)常用的標(biāo)準(zhǔn)。
2）sRGB標(biāo)準(zhǔn)：1996年，國際電工委員會IEC制定的關(guān)于數(shù)字影像的色域標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用在數(shù)碼圖像采集設(shè)備上，在顯示器上沒有全面普及。
3）Adobe RGB標(biāo)準(zhǔn)：1998年Adobe公司提出的、擁有比sRGB更為寬廣的色彩空間，一般用于印刷出版、圖片處理等領(lǐng)域。
sRGB、NTSC和Adobe RGB的白光位置、色溫以及RGB基色的坐標(biāo)見表1：
表1 sRGB、NTSC和Adobe RGB標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)
sRGB NTSC Adobe RGB
白光位置 ( 0.3127，0.3290) (0.3101，0.3162) (0.3127，0.3290)
色溫 6507K 6766K 6507K
R (0.6400，0.3300) (0.6700，0.3300) (0.6400，0.3300)
G (0.3000，0.6000) (0.2100，0.7100) (0.2100，0.7100)
B (0.1500，0.0600) (0.1400，0.0800) (0.1500，0.0600)
在本文中，我們所說的色域都是NTSC標(biāo)準(zhǔn)下的色域，簡稱NTSC色域。
結(jié)合色域覆蓋率的概念，可以推出NTSC色域就是某一RGB三基色坐標(biāo)組成的三角形區(qū)域與NTSC標(biāo)準(zhǔn)RGB三個色坐標(biāo)組成的三角形區(qū)域的比值（示意圖如圖2），比值越高，色彩的表現(xiàn)力越好。
C、色域覆蓋率的影響因素
由色域覆蓋率的概念及其評判標(biāo)準(zhǔn)，我們也可推知影響其數(shù)值大小的關(guān)鍵因素是某一RGB三基色（即背光源，本文中以白光LED為主）、CF、標(biāo)準(zhǔn)RGB三個色坐標(biāo)，其中已知的因素為：NTSC標(biāo)準(zhǔn)下標(biāo)準(zhǔn)的RGB三個色坐標(biāo)、CF，故而關(guān)鍵的因素則變?yōu)楸彻庠础?/div>
CF基本知識介紹：
CF實際由R、G、B三種濾光片組成（其平面圖如3示），只有與濾光片光譜相近的光源才能更好的透過濾光片，此時該光源的NTSC值則越高。
LED白光經(jīng)過CF后得到另一個新的白光光譜，此新的白光實際是由3個獨立R、G、B光譜構(gòu)成，詳細(xì)的過程如下圖：
某個CF模型的特征可以用一條曲線形象的表示(圖6)，該曲線實際是由R、G、B三個單一的曲線組合而成（圖7），每個曲線的含義可以簡單的理解如下：
曲線——峰值在650nm附近，波段分布為570-780nm，表示570-780nm波段的光均可以通過，其它波段則會被過濾掉，同時，在可以通過的570-780nm波段中，又因為波長的差異導(dǎo)致其能通過的能量強(qiáng)度占比也不同。
曲線——峰值在530nm附近，波段分布為465-615nm，表示465-615nm波段的光均可以通過，其它波段則會被過濾掉；
曲線——峰值在460nm附近，波段分布為400-520nm，表示400-520nm波段的光均可以通過，其它波段則會被過濾掉；
下表2為我司常用一款A(yù)類型CF的R、G、B參數(shù)：
表2 A類型CF的R、G、B參數(shù)
R G B
峰值 半波寬 峰值 半波寬 峰值 半波寬
653 188 531 99 463 94
從CF的曲線分解圖可知：NTSC標(biāo)準(zhǔn)下，為使LED背光源通過CF后的NTSC值高，則要求構(gòu)成白光的RGB三色峰值接近CF的RGB三色峰值，同時，白光的RGB三色半波寬需越窄越佳。
3、高色域覆蓋率相關(guān)知識
已知NTSC色域是NTSC標(biāo)準(zhǔn)下某個三角形區(qū)域與標(biāo)準(zhǔn)三角形區(qū)域的比值，比值越高，色彩的表現(xiàn)力越好，而業(yè)內(nèi)常說的高色域覆蓋率則指的是NTSC色域比值≥85%，下表3為常用的不同NTSC值的白光實現(xiàn)方式。
表3 常用不同NTSC值的白光實現(xiàn)方案
NTSC值 白光實現(xiàn)方式
70% YAG黃粉
硅酸鹽黃粉
75% 540β-SiAlON+630Nitride
80% 540β-SiAlON+650Nitride
85% 540β-SiAlON+630氟化物
95% 529β-SiAlON+630氟化物
由影響色域覆蓋率的因素可知在NTSC標(biāo)準(zhǔn)下，影響色域值大小的關(guān)鍵因素是LED背光源，而常用高色域覆蓋率的白光一般又由藍(lán)光芯片+綠色熒光粉+紅色熒光粉實現(xiàn)，結(jié)合白光透過CF的原理可知，高色域覆蓋率實現(xiàn)的關(guān)鍵在于綠色、紅色熒光粉的選擇，且重點影響因素為綠色、紅色熒光粉的物性參數(shù)（峰值、半波寬）與CF的匹配。下表為不同體系LED熒光粉的峰值波長、半波寬參數(shù)，結(jié)合LED行業(yè)熒光粉量產(chǎn)及應(yīng)用狀況，目前實現(xiàn)高色域覆蓋率的最佳方案中的綠粉為β-SiAlON，紅粉為氟化物。
表4不同體系LED熒光粉的峰值波長、半波寬參數(shù)
熒光粉體系 粉體顏色 峰值波長（nm） 半波寬(nm)
YAG Y 550-570 115-120
Ga-YAG G 530-545 110-115
LuAG G 525-540 105
Silicate G 510-530 60-70
Y、O 540-600 80-95
β-SiAlON G 530-540 48-55
Nitride（1113） R 615-660 75-95
氟化物 R 630 ＜30
量子點 B 410-460 ＜30
G 510-550 ＜40
R 590-640 ＜40
4、氟化物熒光粉基本知識
A、氟化物熒光粉概念
氟化物是4價錳激發(fā)的氟硅酸鹽，其分子式為 AxMFy:Mn4+（其中A=Li,Na,K,Ca,Sr,Ba等，M=Si,Al,Y,Sc等）。常用的氟化物熒光粉一般包含KSF、KGF、KTF三種體系，其中KSF屬于立方晶系，晶格圖如圖8中，KGF、KTF屬于六方晶系（晶格圖如下圖8），中文名稱為：4價錳激發(fā)的氟硅酸鉀/鍺/鈦，其化學(xué)式分別為K2SiF6:Mn4+、K2GeF6:Mn4+、K2TiF6:Mn4+，化學(xué)式與硅酸鹽類似(硅酸鹽化學(xué)式：XSiO2)。
B、氟化物熒光粉特點
粉體特性：峰值波長固定（630nm），半波寬窄（＜30nm），粉體外觀顏色為橙色。
基于上述粉體特點，在實際應(yīng)用中，搭配同波段綠粉，氟化物紅粉相對同波段的氮化物紅粉NTSC高，氟化物熒光粉的發(fā)射光譜與同波段氮化物紅粉發(fā)射光譜對比如下：
穩(wěn)定性：氟化物熒光粉自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，有一定的吸濕性，這項特性與硅酸鹽相似，且氟化物熒光粉在溫度升高時易與水發(fā)生分解反應(yīng)生成有毒的HF氣體，此反應(yīng)是可逆的，遇水后粉體外觀顏色由橙色變成褐色（如下圖10所示），化學(xué)反應(yīng)式為：
氟化物熒光粉不耐高溫，短時間內(nèi)，隨著溫度的升高，熒光粉的亮度衰減增大，且在溫度＞150℃的條件下衰減加速，但此反應(yīng)是可逆的，變化曲線如下：
5、氟化物熒光粉在高色域覆蓋率上的應(yīng)用方案說明
實際應(yīng)用中，氟化物常搭配氮化物綠粉應(yīng)用在高NTSC需求（NTSC≥85%）的LED產(chǎn)品上。
下表為應(yīng)用中氟化物熒光粉與常規(guī)熒光粉封裝后的光色參數(shù)對比數(shù)據(jù)：
表5氟化物熒光粉與常規(guī)熒光粉封裝后的光色參數(shù)
熒光粉搭配 NTSC 亮度
540nm氮化物 氟化物熒光粉（630nm） 88% 100%
540nm氮化物 氮化物紅粉（630nm ） 75% 90%
540nm硅酸鹽 氟化物熒光粉（630nm） 82% 103%
540nm氮化物 氟化物熒光粉（630nm） 88% 100%
530 nm氮化物 660nm氮化物紅粉 88% 75%
530nm硅酸鹽 氟化物熒光粉（630nm） 88% 97%
說明：
1）因半波寬窄，氟化物搭配同波段不同材質(zhì)的綠粉時，具有更高的NTSC；
2）因半波寬窄，光的二次重吸收減少，相同NTSC效果下，氟化物方案具有更高的亮度；
白光光譜示意圖如下：
6、氟化物熒光粉應(yīng)用的專利狀況
材料專利：1972年，歐司朗和GE公開報道了氟化物材料，理論上氟化物材料本身不存在專利問題；
應(yīng)用專利：氟化物的原始應(yīng)用專利為GE所有，主專利為US7497973B2，2006年2月28申請，申請的是粉和芯片的組合專利，申請國家有歐洲、日本和美國，均已獲得授權(quán)。同時，日亞也號稱其擁有相關(guān)專利，具體狀況還待核實。
7、氟化物熒光粉應(yīng)用的注意事項
氟化物熒光粉存在不耐濕、不耐高溫的特點，目前，對于這些缺陷只能通過coating技術(shù)來延緩濕度、溫度對粉體的破壞，無法徹底解決。所以氟化物在應(yīng)用的過程中需匹配氣密性、散熱性好的材料，特別是支架與封裝膠水的選擇，且氟化物不可應(yīng)用在溫度高于150℃的環(huán)境中。同時，封裝廠商在使用氟化物熒光粉制作器件封裝時最好取得GE公司的應(yīng)用專利授權(quán)，否則容易侵犯GE的封裝應(yīng)用專利。
8、總結(jié)
綜上所述，氟化物因其窄半波寬的特點使得其在LCD背光應(yīng)用中具有高色域覆蓋率和高亮度的優(yōu)勢，同時因其自身結(jié)構(gòu)的缺陷，使得我們在封裝應(yīng)用中需特別注意其余封裝材料的選型搭配，當(dāng)封裝材料搭配合理時，是可以實現(xiàn)高色域覆蓋率、高亮度、高可靠性的。
關(guān)鍵詞：
LED
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