基于金屬-電介質-金屬結構的濾波器提升LCD色域的研究

孫 巖，張 弛，李小帥，楊艷靈，馬紅梅，孫玉寶

(河北工業大學 應用物理系，天津 300401)

1 引 言

對于顯示設備而言,色域是一個非常重要的參數。色域，也可稱為色彩空間，是對色彩進行編碼的方法，也指一個技術系統能夠產生的色彩總和。色域越高，顯示的畫面越豐富，色彩表現能力越好。目前，顯示器常見的色域標準有：NTSC、sRGB、Adobe RGB、DCI-P3和Rec.2020[1]等。對于寬色域液晶顯示(Liquid Crystal Display，LCD)來說，常使用量子點(QD)技術來獲得寬廣的色域。含鎘的量子點因其具有非常窄的發射帶寬和可控的發射峰，可以使LCD的色域達到110%NTSC[2-4]。然而，鎘是一種有毒的重金屬，它的使用受到嚴格的控制。無鎘的量子點又存在光轉換效率較低和光譜分布較寬的問題[5]。鈣鈦礦量子點(PQD)可以使LCD的色域達到120%NTSC，是目前和未來量子點背光技術發展的重要方向[6-7]，但其中含有的鉛是一種有毒的重金屬，它的使用同樣受到嚴格的控制。背光源光譜的控制對實現寬色域LCD來說變得尤為重要。為了提升LCD的色域，人們提出了在背光系統中添加多層薄膜濾波器[8-10]來優化背光源光譜，提高紅綠藍三色的色彩純度，進而提升LCD的色域。基于干涉效應的多層薄膜濾波器雖然可以實現較高的透過率，但是角度依賴性是一個很嚴重的問題。為了減小角度依賴性問題，人們嘗試了各種方法，提出了多種結構的濾波器，比如：基于二氧化硅-非晶硅結構的濾波器[11]、基于二氧化鈦-鉻-非晶硅-銀多層膜結構的濾波器[12]、基于金屬-電介質-金屬結構的濾波器[13-15]以及基于金屬-電介質結構的濾波器[16-17]等。以上提及的濾波器可以透過某一波長范圍內光，而反射剩余波長的光，可以通過調節參數來確定透射光的顏色，在實現單一顏色透過的情況下，具有非常小的角度依賴性，但其作為彩色顯示器的彩色濾色膜需要控制器件中的介質膜呈現出3種厚度，在制作方面增加了制備難度。

本文對基于金屬-電介質-金屬(MDM)結構的濾波器進行了優化，使其同時通過紅綠藍3種顏色的光，并反射其他顏色的光。使用TechWiz LCD 1D軟件，模擬研究了基于TiO2-Ag-TiO2-Ag-Glass膜層結構的濾波器對于LCD色域的影響，同時也研究了光的入射角度從0°增加到40°時，LCD色域的變化。

2 濾波器的結構和分析

圖1為基于金屬-電介質-金屬膜層結構的濾波器的結構示意圖。所提出的濾波器由Ag-TiO2-Ag膜層結構和一層TiO2抗反射層組成。銀(Ag)因其在可見光范圍內具有最高的反射率和最低的光學吸收，被選擇作為金屬層；二氧化鈦(TiO2)因其較低的光學損耗和相對較高的折射率，被用于光學腔和抗反射層。我們可以通過調節中間電介質TiO2膜層的厚度來確定透射帶的數量及其位置。

圖1 基于金屬-電介質-金屬結構的濾波器結構Fig.1 Schematic diagram of filter based on metal-dielectric-metal structure

圖2 Ag和TiO2的折射率Fig.2 Refractive index of Ag and TiO2

在本文模擬中，所使用的Ag和TiO2的折射率如圖2所示，Ag層的厚度為20 nm，TiO2光學腔的厚度為550 nm，TiO2抗反射層的厚度為520 nm，濾波器的透過率光譜如圖3所示，透射帶的峰值波長分別為454，524，646 nm。

圖3 濾波器在垂直入射時的光譜透過率曲線Fig.3 Spectral transmittance curve of the filter at normal incidence

圖4 MDM堆疊結構的原理圖Fig.4 Schematic diagram of MDM stack structure

圖5 沒有和有TiO2抗反射層的透過率曲線Fig.5 Transmittance curves without and with TiO2 anti-reflection layer

3 模擬結果

我們將基于TiO2-Ag-TiO2-Ag-Glass結構的濾波器分別與黃色熒光粉(pc-WLED)、新紅粉(KSF-LED)以及量子點(QD)背光源相結合，它們的透射光譜如圖6所示。從圖6中可以看出，濾波器優化了背光源光譜，使得光譜中紅綠藍三色對應的發光峰變窄，同時消除了光譜中的雜光部分，提高了紅綠藍三色的色彩純度。然后，利用TechWiz 1D軟件模擬了LCD的色域[18]。當pc-WLED背光源與彩色濾光片相結合時，其色域在CIE1931色彩空間為72%NTSC。圖7為沒有和有濾波器時LCD的色域圖。從圖7中可以看出：對于pc-WLED背光源，LCD的色域從72%提升至102.6%NTSC，提升了30.6%NTSC；對于KSF-LED背光源，LCD的色域從92.3%提升至113.8%NTSC，提升了21.5%NTSC；對于QD背光源，色域從104.3%提升至119.9%NTSC，提升了15.6%NTSC。由于QD背光源其本身的發射光譜較窄，因此濾波器對其光源光譜的優化相比于pc-WLED和KSF-LED兩種背光源較小，從而LCD色域提升的幅度也相對較小。表1和表2給出了沒有和有濾波器時LCD詳細的色度坐標。

圖6 不同背光源在有和沒有濾波器情況下的透射光譜。(a)黃色熒光粉；(b)新紅粉；(c)量子點。Fig.6 Transmission spectra of backlight with/without filter. (a) pc-WLED; (b) KSF-LED; (c) Quantum dots.

圖7 LCD的色域圖。(a)沒有加濾波器；(b)加濾波器。Fig.7 Color gamut of LCD. (a) With filter; (b) Without filter.

與傳統的多層薄膜濾波器一樣，基于MDM結構的濾波器也有角度依賴性問題。當光線傾斜入射時，透過率曲線會向短波長方向移動。如圖8所示，光線的入射角度越大，透過率曲線藍移的就會越明顯。當光的入射角度為10°時，3個透射帶均向短波長區域移動了1 nm，隨著入射角度的繼續增加，3個透射帶移動的距離不再一致。當光的入射角度增加到40°時，透射帶的峰值波長分別位于438，505，621 nm處，與垂直入射時相比，3個透射帶分別移動了16，19，25 nm。圖9顯示了光的入射角在0°～40°范圍內，3種背光源的色域變化。當光的入射角度從0°增加到40°時，對于pc-WLED背光源，LCD的色域從102.3%增加到104.9%NTSC，增加了2.3%；對于KSF-LED背光源，LCD的色域從113.8%降到112.7%NTSC，減少了1.1%；對于QD背光源，LCD的色域從119.9%降到114.9%NTSC，減少了5%。

表1 不同背光源下沒有添加濾波器時LCD的色域Tab.1 Color gamut of LCD without the filter for various backlight

續 表

表2 不同背光源下添加濾波器后LCD的色域Tab.2 Color gamut of LCD with the filter for various backlight

圖8 不同入射角度下濾波器的透過率光譜Fig.8 Transmittance spectra of filter for different incident angle

圖9 3種背光源在不同入射角度下LCD的色域Fig.9 Color gamut of LCD of different incident angle for three backlight

如圖3所示，基于MDM結構濾波器的通帶呈三角形，透射光僅在中心波長附近有較高透過率，當入射波長偏離中心波長時，濾波器的透過率會迅速降低，一半左右的透射能量位于半高寬之外，光損失較大。同時金屬膜由于具有較高的吸收，使得峰值透過率大大降低。表3給出了添加濾波器后LCD的光效率。pc-WLED、KSF-LED以及量子點3種背光源的光效率分別為26.5%、35.4%以及40.7%。

表3 不同背光源下添加濾波器后LCD的光效率

Tab.1 Optical efficiency of LCD with the filter for various backlight

pc-WLEDKSF-LEDQuantum dotsEfficiency26.5%35.4%40.7%

4 結 論

本文研究了基于TiO2-Ag-TiO2-Ag-Glass膜層結構的濾波器對LCD色域的影響。通過模擬發現，所提出的濾波器可以使LCD的色域分別從72%提升至102.6%NTSC(pc-WLED背光源)，從92.3%提升至113.8%NTSC(KSF-LED背光源)，從104.3%提升至119.9%NTSC(QD背光源)。當光的入射角度從0°增加到40°時，顯示器的色域變化較小。模擬結果表明，對于實現寬色域LCD，基于MDM結構的濾波器是一種有效的方法，但是該方法在光損失方面很大，pc-WLED、KSF-LED以及量子點,3種背光源的光損失分別為73.5%、64.6%以及59.3%，后面的研究工作將關注于光損失的降低。