鈣鈦礦量子膜的研究與應用

朋朝明 鄒文聰 郭黎明 肖夢哲 何璇 徐迎秋 陳立

摘要：目前量子膜技術已經大量應用在液晶模組中，本文主要介紹了新型量子膜鈣鈦礦在LED液晶模組中的應用方案，結合大尺寸模組設計、分析、試產及試驗數據，給出了鈣鈦礦量子膜的應用設計方案。

關鍵詞：鈣鈦礦;色域;量子膜片;應用方案

1應用背景及現狀

隨著平板電視的普及及生活水平的提高，人們對顯示效果的需求也越來越高，而色域一直是衡量顯示效果的重要指標之一。普通液晶電視一般使用藍光GaN芯片激發YAG黃粉作為背光源，其光譜在紅綠波段互相干擾，經過液晶玻璃彩色濾光片后，RGB三色的半峰寬很寬，色純度低，色域低，NTSC CIE 1931色域一般僅為68%～72%左右，畫質表現力較差。KSF技術提升了一定的色域效果，但是受限于綠色熒光粉限制（波長、半波寬、濃度），這種技術色域數值一般只能達到在NTSC193183%，量子點技術由于其光譜在紅綠藍三色的半峰寬非常窄，經過濾光片后出射的R、G和B 三色的半峰寬也很窄，單色色純度高，色域高，NTSC CIE 1931色域一般在100-120%左右[對比如圖1（左）所示]。

如圖1（右）所示，量子點的發光原理與常規半導體發光原理相近，均是材料中載流子在接受外來能量后，達到激發態，在載流子回復至基態的過程中，會釋放能量，這種能量通常以光的形式發射出去。與常規發光材料不同的是，量子點發光材料還具有發射波長連續可調，激發光譜寬而發射光譜窄，具有極高的熒光量子產率等特點。

目前量子點材料均以光學膜的形式在液晶背光中應用，背光模組中的藍光LED發出藍光，藍光經過量子點膜時，部分藍光被量子點轉換成綠光和紅光，未被轉換的藍光和量子點發出的紅光、綠光一起合成白光，成為液晶玻璃的光源，目前量子點背光顯示應用主要集中于使用具有核殼結構的經典量子點材料（特別是CdSe類材料）。高質量的核殼結構量子點一般采用高溫熱注入法制備，產業化仍面臨工藝復雜、成本高等挑戰。此外，由于Cd2+的毒性，使CdSe類材料面臨嚴峻的環保壓力。歐盟委員會公布決定，自2019年10月起，歐洲范圍內禁售含Cd的電視和顯示器。因此，尋求滿足QLED背光顯示應用的新材料是解決上述挑戰，取得原創性突破技術的重要思路。與正在產業化過程中的CdSe類量子點相比，鈣鈦礦量子點具有成本低廉、制備工藝簡單等特點（表1），在發光二極管、激光等領域具有優勢，受到了學術界和產業界的重點關注，是一類具有成長潛力的新型顯示材料。

下表為不同體系LED熒光粉的峰值波長、半波寬參數。

針對于現有量子膜存在的不符合歐盟對鎘元素含量要求以及價格高的缺點，本文提出了一種基于鈣鈦礦材料的無鎘健康環保量子點全色域實現方案的技術研究。

本文通過藍光芯片與KSF紅粉組合而成新型的紫光燈作為背光源，采用鈣鈦礦量子點膜作為綠色光源激發材料，實現新型全色域顯示，不僅滿足了無鎘健康環保的環保需求，而且鑒于其成本優勢，更容易實現全面推廣。

2什么是鈣鈦礦量子點

鈣鈦礦量子點的結構式一般為ABX3，其中A可以是小分子有機陽離子，也可以是無機金屬陽離子，B位通常為Pb2+離子，X為鹵素（Cl、Br、I）陰離子。鈣鈦礦點的晶體結構由1個B金屬原子和6個X原子構成1個八面體結構，A原子鑲嵌在8個八面體兩兩共用1個X原子形成的立方體結構的中心（如圖3所示）。鈣鈦礦量子點與正在產業化過程中的CdSe或InP量子點相比，具有成本低廉、制備工藝簡單、材料毒性低等特點。同時，鈣鈦礦量子點的發光性能與CdSe量子點相當甚至更好：發射光譜覆蓋整個可見光波長（410～700 nm），熒光量子產率（PLQY ）高（>90%），窄發射峰（半峰寬20～50 nm）。值得關注的是，基于量子點的背光顯示技術已經開始商業化。[1]

3鈣鈦礦量子膜應用案例分析

3.1實驗原理

根據物理測色法，液晶顯示器的相對光譜能量分布可以表示為：

其中，為光源相對光譜能量分布函數，為彩色濾光片的光譜透射率函數。

色域的計算首先由公式（1）得到液晶顯示器的相對光譜能量分布0（2），然后通過顏色匹配函數x（2） y（2） z（2）計算三刺激值X、Y、Z，由紅、綠、藍三色刺激值X、 Y、Z計算在CIE坐標系中的三色色坐標（xr， yr）、（xg， Ng）和（xa，Nb）。

最后按照色域公式計算出色域面積比值：

容易理解，如中（力確定后，其色域也基本確定，所以液晶顯示裝置的色域由光源相對光譜能量分布函數 SQ）、O/C彩色濾光片的光譜透射率函數p（A）決定。

本論文重點討論鈣鈦礦量子膜片，將直接選用BOE HV750QUB-F91液晶玻璃，對其彩色濾光片濾光特性不做贅述，本文還將重點研究不同背光光源相對光譜能量分布SQ）的特性對液晶模組色域的影響。

3.2實驗方案

本文將采用75mch液晶電視為研究對象，分別驗證鈣鈦礦綠色量子膜幾種提升液晶色域的方案。實驗裝置包括液晶玻璃、背光結構組件、電子組件等。測試的輻射亮度計為美年達公司CS2000分光輻射亮度計，其可以對380～780 nm光譜段1 nm分辨率測試輻射量，測試角度選取0.2°，輻射亮度平均精度為±0.01 cd/m2，色度坐標精度為±0.001。

圖3（a）所示為鈣鈦礦量子點光學膜與藍光LED芯片、KSF紅光熒光粉組成的白光背光結構示意圖。其中 KSF紅光熒光粉涂覆在藍光LED芯片上方，藍光LED 芯片發出的藍光一部分首先激發KSF熒光粉發出紅光，此時得到紅、綠復合光。鈣鈦礦量子點光學膜放置在紅藍光LED芯片上方，其中一部分藍光再激發鈣鈦礦量子點產生綠光，該綠光與先前得到的紅光和剩余的藍光一同組成白色背光。

如圖3（b）所示，在本文所使用的背光模組為直下式結構，將預先訂制好的紅藍光燈條置于背光模組的底部位置，然后再依次放入反射膜、導光板、與下擴散膜集成好的鈣鈦礦量子點光學膜、增亮膜、上擴散膜，最后用膠框把上述多層膜固定在一起。在該背光模組結構中，底部紅藍光燈條在工作情況下發射出紫光，經擴散板和反射膜之后形成均勻的紫色面光源，然后經過綠色的MAPbBr3礦量子點光學膜之后，紅藍光中的部分藍光被轉化為綠光發射出，與剩余的藍光和紅光一起發出，得到白光面光源，白光面光源再經過增亮膜結構提高發光亮度，最后再經過上層擴散膜的勻光作用獲得發光均勻的白光背光源。

4本案例實現過程

4.1方案確認

根據鈣鈦礦無鎘屬性，完成全色域護眼健康的電視模組方案。

初始方案為芯瑞達燈珠使用人=460 nm護眼藍光 LED，QD膜使用致晶鈣鈦礦綠膜，方案如表2。

從首版方案數據實測結果來看，CIE1931和CIE1976的NTSC和DCI-P3標準來看，雖然色域面積比均超過100%，但覆蓋率偏低，CIE馬蹄圖中黃綠色不能顯示出來。從整機畫面來看，綠顏色偏多，黃顏色偏少。與其他畫質視效校正屏體對比，表現出數據高端但畫質—般。

第二，理論色域模擬

重新反思提高色域覆蓋率辦法，目前最有效方法的就是根據O/C屏譜（圖6）調整背光光譜中各顏色的波長和半峰寬。將BOE HV750QUB-F91屏譜導入色域模擬軟件進行理論模擬NTSC和DCI-P3最佳面積比&覆蓋率（綜合）的各顏色波長值如圖7和圖8所示

從以上圖7、圖8兩組理論模擬圖上可得出：

該款液晶玻璃最高色域覆蓋率對應的NTSC波長組合理論值為：R：622 nm G：531 nm，B：445 nm 所用液晶玻璃最高色域覆蓋率對應的DCI-P3波長組合理論值為：R：630 nm G：540 nm， B：453 nm。

第三，依據以上分析，調整QD膜綠光波長528 nm，將燈珠調整藍光波長450 nm，具體如表3。

從以上數據可以看出，兩種標準下覆蓋率明顯提高。CIE1931色域可達110.2%，色域覆蓋率達95.1%，業界較關注的CIE1976 DCI-P3覆蓋率達到96.9%，遠遠超過市場的高端機型標準。

第四：對比兩組方案所用不同波長LED，當藍光 LED波長變長時，過屏綠光光譜中會透過更多的藍光，導致綠光色點向藍光方向移動，導致對DCI-P3覆蓋率的降低;隨綠光波長增加，DCI-P3覆蓋率增加，但受藍光LED峰值波長影響明顯，理論計算在450 nm藍光 LED下，最高DCI-P3覆蓋率可達97.7%，460 nm藍光LED下可達93.7%，所以短波藍光芯片激發鈣鈦礦效果色域覆蓋率更高，畫質效果更好。如圖11

4.2視效調整

由于光源是紅藍光混合的紫色光，導致背光的原有的缺陷被放大，影響視覺效果。光線亮暗則表現為紫紅色和綠色。比如白色LED光源背板折彎處的暗框則表現為綠框，暗角則表現為綠角，人眼對光感覺的亮暗程度的與光的波長有關。在光線充足（明視覺）的條件下，人眼對550 nm左右的黃綠光最敏感;在光照微弱（暗視覺）條件下，則對510 nm左右的藍綠光最敏感，視敏函數左移。如圖12這就對鈣鈦礦綠膜的視效調校帶來了更大的難度。

根據鈣鈦礦綠膜視效在實際開發驗證中遇到的問題，總結如下：

第一：底部視效不勻

盡量采用光程更長的反射式透鏡，根據OD的大小， 燈珠間距需小于普通白光光源匹配透鏡的最大配光距離。LED燈上亮可以通過PCB板絲印解決，燈上黑建議采用調節透鏡光型。

以75G61Pro OD20平臺，采用3030封裝LED橫8縱15排列，匹配反射式透鏡，藍光芯片搭配KSF紅粉燈珠，LED橫向間距Px=88 mm，LED縱向距離Py=100 mm。

第二：暗框

由于背板折彎處亮度低，背光正上方顯示偏綠。其改善方法有：

①將LED盡量靠近背板盆底邊沿，提高此區域亮度;

②取消反射片騎縫線，自然弧度過渡，提高折彎處亮度;

第三：四邊偏紫

由于采用紫色光源，模組四個折邊LED位置偏色。其改善方法有：

反射片絲印互補熒光綠色油墨，如圖13，混合成白光;

②依據所選二次光學透鏡，調整反射片起坡角度及LED距邊距離。

以75G61Pro OD20平臺經過多次試驗，最終確認為四邊反射片起坡角度22°，邊緣燈珠離反射片起坡橫向距離為21 mm，縱向距離為15 mm。

第四：視效優化

為了進一步改善視效，在擴散板上增加絲印工藝。

由于LED燈珠發出的光入射到量子膜

上時，光強的分布不均勻，導致了各個部位的激發效率不一致。根據背光光強分布，調整擴散板下方絲印的白色油墨面積比，可將光強密集處的紫光再反射回去，從而控制各區域光線，再次入射到量子膜的紫光相對之前就更加均勻，產生的綠光也更為充分，最終紫光和綠光混合為所需白光，從而獲取所需的均勻不偏色的模組畫面，如圖14定版效果圖。

4.3色點校正問題。

底部色點與紅粉濃度以及鈣鈦礦濃度有關，調整方案要從這兩個方面入手。

實驗數據如表4所示，經過多次調整后，色粉濃度在35%，鈣鈦礦色點在0.23時效果最佳，不僅全白場色點在（0.28， 0.29）左右，NTSC CIE1931色域接近110%。

這是因為，紅粉主要影響的是白場色坐標的x值，當紅粉濃度小于35%時，色點明顯遠小于0.28，當紅粉濃度超過35%時，色點要超過0.28，所以最后紅粉濃度選在35%這個值。

而鈣鈦礦的色點則主要影響的是白場色坐標的y 值，通過調整鈣鈦礦綠膜的色點，最終將白場色坐標的 Y值調整到0.29附近。如下表。

4小結

本文通過鈣鈦礦材料量子點實現全色域方案進行了討論，本論文對目前的背光模組存在的色域及視效問題的根本原因與改善方向進行討論，引出了使用鈣鈦礦材料方案的視效調校困難點。本文的關鍵點在于，從原理上介紹了鈣鈦礦材料在背光模組的最佳色域模擬方法，探討了鈣鈦礦綠膜的視效缺陷解決方案。目前市面上并未量產搭配鈣鈦礦量子膜的全色域電視，究其原因很大程度都是由于視效難以改善導致，本論文提出了具體方案，對現有問題深入探索的同時，也為電視邁向全色域無鎘健康環保顯示邁出堅實的一步。

參考文獻：

[1]致晶科技&創維集團鈣鈦礦量子點產品與新型顯示技術交流會數據手冊[Z].2020（10）.& Application）設計應用