LCD背光高色域显示原理与氟化物荧光粉解决方案

基于LED高光效、低碳环保、节能的特点，目前市面上大部分LCD电视、手机已采用LED作为背光源。同时，为了满足LED背光光源高色域覆盖率的需求，业内正逐步导入一些窄半波宽的新荧光材料，例如氟化物荧光粉、量子点荧光粉。为了更好的了解这些荧光粉材料的特性，下面我们重点将对氟化物荧光粉及其应用做简要介绍与说明。

首先，在了解与认识氟化物荧光粉之前我们先介绍一些LED光源在背光应用中的相关基本知识。

  1、LCD的相关知识介绍 

A、LCD含义

LCD： Liquid Crystal Display 的简称，液晶显示屏的全称，它包括了TFT,UFB,TFD,STN等类型的液晶显示屏。
LCD电视、手机：用液晶显示屏做显示器的电视机或者手机。

B、LCD的构造

以TFT类型的液晶显示屏为例，其构造中主要包含背光源、导光板、上下偏振片、液晶、彩色滤光片、薄膜晶体管等（构造示意图见图1），主要构造的作用说明如下：
1、背光源（Back Light）：LCD的显像原理是靠液晶阻挡光线的分量达到控制明暗，必须要有光源才可能在屏幕上看到图像，所以背光源负责为液晶屏显像提供最基本的光源。
2、导光板（Light Guide Plate）：使光线均匀分布在整个屏幕上。
3、下偏振片(Up/Down Polarizer)：背光源送出来的光线方向性不一致，呈放射状，如果这样的光线通过液晶分子的扭转，我们在屏幕上还是看不到我们想看到的图像，此时，下面的偏振片则承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。
4、薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)：控制液晶分子的扭转角度。
5、液晶（Liquid Crystal）：这层液晶分子在TFT控制下发生扭转，达到将方向一致的光线通亮进行控制，从而在通往后面像素单元的光线明暗度发生了改变。
6、彩色滤光片（Color  Filter）：白色经过滤光片后，我们可以看到与滤光片对应颜色的光线被传出，所以在液晶显示屏中，彩色滤光片的功能是上色。

 图1  LCD的构造图

C、LCD的显像原理

LCD的显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间，通过控制上下两层偏振片及上下两个电极间电场的驱动引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制背光源的透射或遮蔽，同时结合其他的控制及附属功能层共同实现还原画面的功能。

D、LCD的背光源介绍

由于液晶必须借助额外的光源才能发光， LCD常用的背光源有CCFL(冷阴极荧光灯管，)、LED(发光二极管)、HCFL(热阴极荧光灯管)、面状光源VFD(扁平荧光灯)、EL(电致发光片)、OLED(有机电致发光片)等几种。其中CCFL是目前最常用的LCD背光源，通常也称传统背光源。

♦ CCFL与LED的对比：
CCFL——由硬质玻璃和三基色荧光粉封接制作而成，灯管内有适量的水银和惰性气体，管内壁涂有荧光粉，两端各有一个电极，缺点在于所表现的颜色有限。
LED——是一种半导体固体发光器件，利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。正因为LED发光二极管具有好的色彩表现力，目前已经全面替代传统冷阴极荧光管的光源。

  2、色域覆盖率相关知识介绍 

A、色域覆盖率含义

色域覆盖率：在CIE-xy色度图上用颜色标出的马蹄形色度三角形就是人眼能够看到的颜色区域，如果某个系统能够全部再现这个马蹄形区域中的颜色就可以说其色域覆盖率是100%。采用R、G、B三基色再现颜色时，R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域就是这三种基色所确定的颜色再现区域，这个区域与马蹄形区域之比就是色域覆盖率。所以，色域覆盖率是某个R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域面积与标准R、G、B三个基色坐标组成的三角形区域面积的比值。

B、色域覆盖率评判标准

在不同的领域，对标准R、G、B三个基色坐标的要求不相同，这就涉及到不同的色域评判标准。色域的标准一般有NTSC、ITU-R BT.709、sRGB、Adobe RGB、ITU-R BT.1361、xvYCC等，下面就通用的三个标准（sRGB、NTSC和Adobe RGB）进行简略介绍：
1）NTSC标准：1953年，美国国家电视标准委员会（National Television Standards Committee，简称NTSC）基于CIE1931色度图制定的NTSC标准，此标准也是目前国内常用的标准。
2）sRGB标准：1996年，国际电工委员会IEC制定的关于数字影像的色域标准，此标准主要应用在数码图像采集设备上，在显示器上没有全面普及。
3）Adobe RGB标准：1998年Adobe公司提出的、拥有比sRGB更为宽广的色彩空间，一般用于印刷出版、图片处理等领域。

sRGB、NTSC和Adobe RGB的白光位置、色温以及RGB基色的坐标见表1：

表1  sRGB、NTSC和Adobe RGB标准的相关参数

在本文中，我们所说的色域都是NTSC标准下的色域，简称NTSC色域。

结合色域覆盖率的概念，可以推出NTSC色域就是某一RGB三基色坐标组成的三角形区域与NTSC标准RGB三个色坐标组成的三角形区域的比值（示意图如图2），比值越高，色彩的表现力越好。

 图2 色域覆盖示意图

C、色域覆盖率的影响因素

由色域覆盖率的概念及其评判标准，我们也可推知影响其数值大小的关键因素是某一RGB三基色（即背光源，本文中以白光LED为主）、CF、标准RGB三个色坐标，其中已知的因素为：NTSC标准下标准的RGB三个色坐标、CF，故而关键的因素则变为背光源。
CF基本知识介绍：
CF实际由R、G、B三种滤光片组成（其平面图如3示），只有与滤光片光谱相近的光源才能更好的透过滤光片，此时该光源的NTSC值则越高。

 图3 CF平面图

 图4 CF对光的转化示意图

LED白光经过CF后得到另一个新的白光光谱，此新的白光实际是由3个独立R、G、B光谱构成，详细的过程如下图：

 图5 LED白光过CF后的光谱示意图

某个CF模型的特征可以用一条曲线形象的表示(图6)，该曲线实际是由R、G、B三个单一的曲线组合而成（图7），每个曲线的含义可以简单的理解如下：
♦ 曲线——峰值在650nm附近，波段分布为570-780nm，表示570-780nm波段的光均可以通过，其它波段则会被过滤掉，同时，在可以通过的570-780nm波段中，又因为波长的差异导致其能通过的能量强度占比也不同。
♦ 曲线——峰值在530nm附近，波段分布为465-615nm，表示465-615nm波段的光均可以通过，其它波段则会被过滤掉。
♦ 曲线——峰值在460nm附近，波段分布为400-520nm，表示400-520nm波段的光均可以通过，其它波段则会被过滤掉。

 图6 CF曲线图

 
图7 CF曲线分解图

下表2为我司常用一款A类型CF的R、G、B参数：

表2  A类型CF的R、G、B参数

从CF的曲线分解图可知：NTSC标准下，为使LED背光源通过CF后的NTSC值高，则要求构成白光的RGB三色峰值接近CF的RGB三色峰值，同时，白光的RGB三色半波宽需越窄越佳。

  3、高色域覆盖率相关知识 

已知NTSC色域是NTSC标准下某个三角形区域与标准三角形区域的比值，比值越高，色彩的表现力越好，而业内常说的高色域覆盖率则指的是NTSC色域比值≥85%，下表3为常用的不同NTSC值的白光实现方式。

表3  常用不同NTSC值的白光实现方案

由影响色域覆盖率的因素可知在NTSC标准下，影响色域值大小的关键因素是LED背光源，而常用高色域覆盖率的白光一般又由蓝光芯片+绿色荧光粉+红色荧光粉实现，结合白光透过CF的原理可知，高色域覆盖率实现的关键在于绿色、红色荧光粉的选择，且重点影响因素为绿色、红色荧光粉的物性参数（峰值、半波宽）与CF的匹配。下表为不同体系LED荧光粉的峰值波长、半波宽参数，结合LED行业荧光粉量产及应用状况，目前实现高色域覆盖率的最佳方案中的绿粉为β-SiAlON，红粉为氟化物。

表4不同体系LED荧光粉的峰值波长、半波宽参数

  4、氟化物荧光粉基本知识 

A、氟化物荧光粉概念

氟化物是4价锰激发的氟硅酸盐，其分子式为 AxMFy:Mn4+（其中A=Li,Na,K,Ca,Sr,Ba等，M=Si,Al,Y,Sc等）。常用的氟化物荧光粉一般包含KSF、KGF、KTF三种体系，其中KSF属于立方晶系，晶格图如图8中，KGF、KTF属于六方晶系（晶格图如下图8），中文名称为：4价锰激发的氟硅酸钾/锗/钛，其化学式分别为K2SiF6:Mn4+、K2GeF6:Mn4+、K2TiF6:Mn4+，化学式与硅酸盐类似(硅酸盐化学式：XSiO2)。

 图8 氟化物晶格图

B、氟化物荧光粉特点

粉体特性：峰值波长固定（630nm），半波宽窄（＜30nm），粉体外观颜色为橙色。
基于上述粉体特点，在实际应用中，搭配同波段绿粉，氟化物红粉相对同波段的氮化物红粉NTSC高，氟化物荧光粉的发射光谱与同波段氮化物红粉发射光谱对比如下：

 图9 氟化物与氮化物红粉发射光谱图

稳定性：氟化物荧光粉自身结构不稳定，有一定的吸湿性，这项特性与硅酸盐相似，且氟化物荧光粉在温度升高时易与水发生分解反应生成有毒的HF气体，此反应是可逆的，遇水后粉体外观颜色由橙色变成褐色（如下图10所示），化学反应式为：

 图10 氟化物与水反应后粉体颜色变化图

氟化物荧光粉不耐高温，短时间内，随着温度的升高，荧光粉的亮度衰减增大，且在温度＞150℃的条件下衰减加速，但此反应是可逆的，变化曲线如下：

 图11 氟化物粉体耐温曲线图

  5、氟化物荧光粉在高色域覆盖率上的应用方案说明 

实际应用中，氟化物常搭配氮化物绿粉应用在高NTSC需求（NTSC≥85%）的LED产品上。

下表为应用中氟化物荧光粉与常规荧光粉封装后的光色参数对比数据：

表5氟化物荧光粉与常规荧光粉封装后的光色参数

说明：
1）因半波宽窄，氟化物搭配同波段不同材质的绿粉时，具有更高的NTSC；
2）因半波宽窄，光的二次重吸收减少，相同NTSC效果下，氟化物方案具有更高的亮度；

白光光谱示意图如下：

  6、氟化物荧光粉应用的专利状况 

材料专利：1972年，欧司朗和GE公开报道了氟化物材料，理论上氟化物材料本身不存在专利问题；
应用专利：氟化物的原始应用专利为GE所有，主专利为US7497973B2，2006年2月28申请，申请的是粉和芯片的组合专利，申请国家有欧洲、日本和美国，均已获得授权。同时，日亚也号称其拥有相关专利，具体状况还待核实。

  7、氟化物荧光粉应用的注意事项 

氟化物荧光粉存在不耐湿、不耐高温的特点，目前，对于这些缺陷只能通过coating技术来延缓湿度、温度对粉体的破坏，无法彻底解决。所以氟化物在应用的过程中需匹配气密性、散热性好的材料，特别是支架与封装胶水的选择，且氟化物不可应用在温度高于150℃的环境中。同时，封装厂商在使用氟化物荧光粉制作器件封装时最好取得GE公司的应用专利授权，否则容易侵犯GE的封装应用专利。

  8、总结 

综上所述，氟化物因其窄半波宽的特点使得其在LCD背光应用中具有高色域覆盖率和高亮度的优势，同时因其自身结构的缺陷，使得我们在封装应用中需特别注意其余封装材料的选型搭配，当封装材料搭配合理时，是可以实现高色域覆盖率、高亮度、高可靠性的。（作者：深圳市瑞丰光电子股份公司 董春辉）



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