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、低碳環保、節能的特點，目前市面上大部分LCD電視、手機已采用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，業內正逐步導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用做簡要介紹與說明。
首先，在了解與認識氟化物熒光粉之前我們先介紹一些LED光源在背光應用中的相關基本知識。
1、LCD的相關知識介紹
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：用液晶顯示屏做顯示器的電視機或者手機；
B、LCD的構造
以TFT類型的液晶顯示屏為例，其構造中主要包含背光源、導光板、上下偏振片、液晶、彩色濾光片、薄膜晶體管等（構造示意圖見圖1），主要構造的作用說明如下：
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，所以背光源負責為液晶屏顯像提供最基本的光源。
2、導光板（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，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了將光線的方向規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角度
5、液晶（Liquid Crystal）：這層液晶分子在TFT控制下發生扭轉，達到將方向一致的光線通亮進行控制，從而在通往后面像素單元的光線明暗度發生了改變。
6、彩色濾光片（Color Filter）：白色經過濾光片后，我們可以看到與濾光片對應顏色的光線被傳出，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動引起液晶分子扭曲向列的電場效應，以控制背光源的透射或遮蔽，同時結合其他的控制及附屬功能層共同實現還原畫面的功能。
D、LCD的背光源介紹
由于液晶必須借助額外的光源才能發光， LCD常用的背光源有CCFL(冷陰極熒光燈管，)、LED(發光二極管)、HCFL(熱陰極熒光燈管)、面狀光源VFD(扁平熒光燈)、EL(電致發光片)、OLED(有機電致發光片)等幾種。其中CCFL是目前最常用的LCD背光源，通常也稱傳統背光源；
CCFL與LED的對比：
CCFL——由硬質玻璃和三基色熒光粉封接制作而成，燈管內有適量的水銀和惰性氣體，管內壁涂有熒光粉，兩端各有一個電極，缺點在于所表現的顏色有限。
LED——是一種半導體固體發光器件，利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。正因為LED發光二極管具有好的色彩表現力，目前已經全面替代傳統冷陰極熒光管的光源。
2、色域覆蓋率相關知識介紹
A、色域覆蓋率含義
色域覆蓋率：在CIE-xy色度圖上用顏色標出的馬蹄形色度三角形就是人眼能夠看到的顏色區域，如果某個系統能夠全部再現這個馬蹄形區域中的顏色就可以說其色域覆蓋率是100%。采用R、G、B三基色再現顏色時，R、G、B三個基色坐標組成的三角形區域就是這三種基色所確定的顏色再現區域，這個區域與馬蹄形區域之比就是色域覆蓋率。所以，色域覆蓋率是某個R、G、B三個基色坐標組成的三角形區域面積與標準R、G、B三個基色坐標組成的三角形區域面積的比值。
B、色域覆蓋率評判標準
在不同的領域，對標準R、G、B三個基色坐標的要求不相同，這就涉及到不同的色域評判標準。色域的標準一般有NTSC、ITU-R BT.709、sRGB、Adobe RGB、ITU-R BT.1361、xvYCC等，下面就通用的三個標準（sRGB、NTSC和Adobe RGB）進行簡略介紹：
1）NTSC標準：1953年，美國國家電視標準委員會（National Television Standards Committee，簡稱NTSC）基于CIE1931色度圖制定的NTSC標準，此標準也是目前國內常用的標準。
2）sRGB標準：1996年，國際電工委員會IEC制定的關于數字影像的色域標準，此標準主要應用在數碼圖像采集設備上，在顯示器上沒有全面普及。
3）Adobe RGB標準：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、圖片處理等領域。
sRGB、NTSC和Adobe RGB的白光位置、色溫以及RGB基色的坐標見表1：
表1 sRGB、NTSC和Adobe RGB標準的相關參數
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標準下的色域，簡稱NTSC色域。
結合色域覆蓋率的概念，可以推出NTSC色域就是某一RGB三基色坐標組成的三角形區域與NTSC標準RGB三個色坐標組成的三角形區域的比值（示意圖如圖2），比值越高，色彩的表現力越好。
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準，我們也可推知影響其數值大小的關鍵因素是某一RGB三基色（即背光源，本文中以白光LED為主）、CF、標準RGB三個色坐標，其中已知的因素為：NTSC標準下標準的RGB三個色坐標、CF，故而關鍵的因素則變為背光源。
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光譜構成，詳細的過程如下圖：
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致其能通過的能量強度占比也不同。
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類型CF的R、G、B參數：
表2 A類型CF的R、G、B參數
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標準下，為使LED背光源通過CF后的NTSC值高，則要求構成白光的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、高色域覆蓋率相關知識
已知NTSC色域是NTSC標準下某個三角形區域與標準三角形區域的比值，比值越高，色彩的表現力越好，而業內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值的白光實現方式。
表3 常用不同NTSC值的白光實現方案
NTSC值 白光實現方式
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標準下，影響色域值大小的關鍵因素是LED背光源，而常用高色域覆蓋率的白光一般又由藍光芯片+綠色熒光粉+紅色熒光粉實現，結合白光透過CF的原理可知，高色域覆蓋率實現的關鍵在于綠色、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（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，結合LED行業熒光粉量產及應用狀況，目前實現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
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價錳激發的氟硅酸鉀/鍺/鈦，其化學式分別為K2SiF6:Mn4+、K2GeF6:Mn4+、K2TiF6:Mn4+，化學式與硅酸鹽類似(硅酸鹽化學式：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，氟化物熒光粉的發射光譜與同波段氮化物紅粉發射光譜對比如下：
穩定性：氟化物熒光粉自身結構不穩定，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生分解反應生成有毒的HF氣體，此反應是可逆的，遇水后粉體外觀顏色由橙色變成褐色（如下圖10所示），化學反應式為：
氟化物熒光粉不耐高溫，短時間內，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用方案說明
實際應用中，氟化物常搭配氮化物綠粉應用在高NTSC需求（NTSC≥85%）的LED產品上。
下表為應用中氟化物熒光粉與常規熒光粉封裝后的光色參數對比數據：
表5氟化物熒光粉與常規熒光粉封裝后的光色參數
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；
應用專利：氟化物的原始應用專利為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。同時，日亞也號稱其擁有相關專利，具體狀況還待核實。
7、氟化物熒光粉應用的注意事項
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，且氟化物不可應用在溫度高于150℃的環境中。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公司的應用專利授權，否則容易侵犯GE的封裝應用專利。
8、總結
綜上所述，氟化物因其窄半波寬的特點使得其在LCD背光應用中具有高色域覆蓋率和高亮度的優勢，同時因其自身結構的缺陷，使得我們在封裝應用中需特別注意其余封裝材料的選型搭配，當封裝材料搭配合理時，是可以實現高色域覆蓋率、高亮度、高可靠性的。
