摘要：簡要介紹LCD電視以及影響色域覆蓋率的彩色濾光片 (Color Filter,CF)與白光LED,并對LCD中CF與白光LED間的轉化關系、色域覆蓋率的計算方法進行了說明，同時結合實例對不同色域覆蓋率下背光用白光LED的熒光粉方案作了簡略說明。
關鍵詞：LCD、色域覆蓋率、CF、熒光粉方案
1 引言
由于LED具有高色彩表現力、高光效、低碳環保、節能的特點，目前市面上有很大一部分LCD電視開始采用LED作為背光源。但由于LED白光合成的多變性，很多封裝廠商的技術人員對在已知色域覆蓋率的要求下如何選擇與LCD匹配的熒光粉方案不甚了解。同時,由于各電視廠商LCD的不同，導致封裝廠商的技術人員在尋找滿足色域覆蓋率需求且與LCD匹配的熒光粉方案上需要進行多次、長時間的封裝驗證。本文主要對LCD中CF與白光LED間的轉化關系、色域覆蓋率的計算方法以及在已知色域覆蓋率的要求下如何選擇與LCD中CF匹配的熒光粉方案進行了說明與分析，以供封裝技術人員進行參考。
2 LCD電視及色域覆蓋率的相關說明
2.1 LCD電視介紹
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。
液晶(Liquid Crystal):是一種介于固態和液態之間的物質，是具有規則性分子排列的有機化合物，如果把它加熱會呈現透明狀的液體狀態，把它冷卻則會出現結晶顆粒的混濁固體狀態。正是由于它的這種特性，所以被稱之為液晶。用于液晶顯示屏的液晶分子結構排列類似細火柴棒，被稱為Nematic液晶，采用此類液晶制造的液晶顯示屏也就稱為LCD。
LCD電視：用液晶顯示屏做顯示器的電視機。
2.2 LCD的構造與顯像原理
2.2.1 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。
2.2.2 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。
2.2.3 LCD電視的背光源介紹
由于液晶必須借助額外的光源才能發光， LCD電視常用的背光源有CCFL(冷陰極熒光燈 <http://baike.baidu.com/view/324665.htm>管，也就是我們常見的日光燈)、LED(發光二極管)、HCFL(熱陰極熒光燈管)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。
2.3 色域覆蓋率
2.3.1 色域覆蓋率含義
色域 （Color Gamut）：就是指某個顯示系統所能表達的顏色數量所構成的范圍區域。
為了能夠直觀的表示色域這一概念，CIE國際照明協會制定了一個用于描述色域的方法:CIE-xy色度圖。在這個坐標系中，各顯示系統能表現的色域范圍用RGB三點連線組成的三角形區域來表示，三角形的面積越大，就表示這種顯示設備的色域范圍越大。
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。
2.3.2 色域覆蓋率的標準
習慣上，我們將色域覆蓋率稱為色域。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。色域的標準一般有以下幾個：
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）ITU-R BT.709標準：國際無線電咨詢委員會（CCIR）于1988年制定的標準，用于高清晰度電視（HDTV）演播室的電視制作。
3）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。
4）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。
5）ITU-R BT.1361標準：國際電信聯盟無線電通信組（ITU-R）于1988年制定的基于Pointer色域的寬色域標準。
6）xvYCC標準：經國際電工委員會（IEC）認可并于2006年1月作為國際標準發布的最新一代光色域標準，其色彩范圍不僅大大超越NTSC色域范圍，更可以達到sRGB色域的兩倍，此規格可以定義所有肉眼能見的顏色。
以上幾個色域標準中通用的標準主要為:sRGB、NTSC和Adobe RGB，各自的白光位置、色溫以及RGB基色的坐標見表1：
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。
【供稿：瑞豐光電技術發展總處： 董春輝 裴小明 陳華 蔡杰】
背光源從CCFL到LED的發展表明人們對系統所能表現的顏色范圍要求越來越高，故未來高色域必將成為LCD電視發展的趨勢。
2.4 影響色域覆蓋率的因素
結合2.2中LCD的構造與顯像原理可知，在LCD電視中，背光源的光線經過CF后才能得到RGB三種基色的光。同時， 2.3中內容已知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。所以影響色域覆蓋率的關鍵因素是背光源（本文中以白光LED為主）、CF、標準RGB三個色坐標，其中NTSC標準下，標準的RGB三個色坐標已知。
2.4. 1白光LED的介紹
白光LED是由芯片、支架、熒光粉、膠水等物料封裝而成的器件，其發光光譜可以用一條連續的RGB曲線形象地描述。在實際的應用中，白光LED一般有以下兩種實現方式：
1）藍光芯片（B）+黃色熒光粉（Y）；
2）藍光芯片（B）+綠色熒光粉（G）+紅色熒光粉（R）；
2.4.2 CF的介紹
CF的構造
文章2.2.1中已經了解到白光經過LCD中的濾光片（其在LCD中的位置如圖1）后對應濾光片顏色的光線將被傳出，說明CF具有能夠將某一白光分離成R、G、B三色光的功能。
CF實際由R、G、B三種濾光片組成（其平面圖如3示，剖面圖如4示），只有與濾光片光譜相近的光才能更好的透過濾光片，當某一光譜經過CF的R、G、B濾光片后會得到一個新的光譜（此轉化示意圖見圖5），將此光譜按R、G、B進行分解則得到3個獨立的R、G、B光譜。
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：
CF理論解析
1、某個CF模型的特征可以用一條曲線形象的表示(圖7)，該曲線實際是由R、G、B三個單一的曲線組合而成（圖8），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；
2、不同廠家、不同型號的CF各有差異，現以國內常見的2款CF為例對其R、G、B的曲線進行對比分析。
經分析可知， A、B兩款CF中R、G、B曲線的峰值、半波寬如下：
以上數據表明，雖然此兩款類型CF的R、G、B參數大致相同，但細節仍存在差異，故在應用中需針對具體的CF型號以確定匹配的方案。
2.5 色域覆蓋率的計算
說明：由2.4.2 CF的介紹中知LED白光經過CF后會得到3個單一的R、G、B光譜，再由這3個單一的R、G、B光譜混合成最終過CF后的白光。
3 色域覆蓋率與熒光粉方案的選型分析
3.1 不同體系熒光粉的特點
以峰值波長、半波寬來進行區分，不同體系的LED熒光粉特點可以總結如下表3：
3.2色域覆蓋率與熒光粉方案的選型分析
分析3、從色域覆蓋率的含義可知，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，這說明在進行熒光粉方案選擇時還需關注熒光粉的坐標(x，y)。
綜合以上3點的分析、白光的實現方式以及表3.1-1可知，熒光粉方案的選型中G粉可以選擇Ga-YAG、LuAG、Silicate、β-SiAlON、量子點，R粉可以選擇Nitride、KSF、量子點。同時，為了使色域覆蓋率達到最理想的狀況，可以選擇較窄半波寬的熒光粉進行搭配，例如：β-SiAlON的G粉+量子點的R粉、量子點的G粉+R粉。
3.3 不同色域覆蓋率需求與熒光粉方案的案例說明
結合業內現有材料及LED封裝實驗，現依次舉例說明在A款CF型號下NTSC標準不同色域覆蓋率（70%、75%、80%、85%、90%、95%）需求的熒光粉匹配方案,其參數及封裝后LED白光光譜如下：
5 結語
本文簡要介紹了LCD電視以及影響色域覆蓋率的CF與白光LED,并對LCD中CF與白光LED間的轉化關系、色域覆蓋率的計算方法進行了說明，同時結合實例對不同色域覆蓋率下背光用白光LED的熒光粉方案作了簡略介紹。
參考文獻
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【供稿：瑞豐光電技術發展總處： 董春輝 裴小明 陳華 蔡杰】
