ABSTRACT

At present, with the development of information technology, people around more and more electronic devices, the corresponding number of various display screens is also increasing, and LCD display technology is a widely used technology. This paper first introduces the structure and principle of the current most common LCD display, and analyzes the defects of the current widely used white backlight and color filter structure full-color LCD display technology, that is, high energy consumption. This paper proposes a possible new configuration of LCD based on the light-color conversion technology, and analyzes it with the model. It is found that this new configuration has the advantages of high conversion efficiency and energy saving, so it has certain value in use.

Keywords:New LCD Configuration, Color Filter, Color Conversion, Conversion Efficiency, Energy Conservation

一种可能的LCD构型

陈浩然

重庆邮电大学，重庆

收稿日期：2020年4月23日；录用日期：2020年5月8日；发布日期：2020年5月15日

摘 要

当前随着信息技术的发展，人们身边的电子设备越来越多，相应的各种显示屏幕的数量也在不断增加，而LCD显示技术就是当前广泛使用的一种技术。本文先介绍了当前最常见的LCD显示的结构和原理，并分析了当前广泛使用的白色背光源加滤色片结构全彩色LCD显示技术的缺陷，即高能耗；本文针对此问题基于光色转换技术提出了一种可能的LCD新构型，并运用所提出的模型和光谱进行分析，发现这种新的构型有着转换效率高、节能的优势，故而证明了这种新构型的优势，其存在一定的使用价值。

关键词 :LCD新构型，滤色片，光色转换技术，转换效率，节能

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1. 引言

当前随着信息技术的发展，各种显示屏幕的数量也在不断增加，实现了信息化社会的人与显示的交互，而LCD显示技术作为目前的主流显示技术，其市场十分旺盛。未来几年，随着国内外企业持续加大投资力度，LCD产能很有可能呈现快速增长态势，预计到2022年，我国的液晶显示器市场规模将达到1039亿元。LCD显示技术成熟、低成本、长寿命、易大型化等特点也在不断吸引各路厂商对LCD技术进行研究与改进。

但，背光式LCD较低能效的问题一直在困扰着开发者。故通过对当前最常见的LCD显示的结构和原理的分析，了解了当前广泛使用的白色背光源加滤色片结构全彩色LCD显示技术的缺陷，并基于光色转换技术提出的一种可能的LCD新构型，通过所提出的荧光物质模型的计算与对应光谱的分析，并与原有LCD构型的转换效率进行对比，发现这种新的构型有着转换效率高、节能的优势，故而证明了这种新构型的优势。

2. LCD显示的原理及结构

LCD (Liquid Crystal Display，即液晶显示)是一种继CRT之后，又一种被大范围应用的显示技术。它的原理是：如果给液晶(液晶是一种有机化合物，具有光学各向异性、流动性的液体)施加电场，会改变液晶分子的排列，再配以偏振光片，它就有控制光线通断的作用，即以电流刺激液晶分子产生点、线、面范围内的改变配合背光源构成相应的画面。

LCD显示器有三大基本部件：玻璃基板、液晶、偏振片。液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，密封盒内充有液晶，在液晶盒玻璃片的前后表面分别贴上偏振片，一个完整的液晶显示器件就完成了，结构如图1所示 [1]。玻璃片内侧镀有透明的氧化铟锡(ITO)导电薄膜作为显示电极，使外部电信号通过显示电极加到液晶上去 [2]。在液晶盒内表面还有定向层，它可以让液晶分子在液晶盒内的前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列，而在前后玻璃基板之间液晶分子又呈90˚扭曲排列 [3]。液晶盒玻璃片的前后外侧分别贴有偏光片，两个偏光片的偏光轴可以互相平行(即黑底白字的常黑型)或互相正交(即白底黑字的常白型)。

在液晶盒中，人们加入了厚约几个微米的液晶，液晶分子的长轴在液晶盒的前后两玻璃基片之间连续扭曲了90˚，并且由于液晶的扭矩远大于可见光，射入液晶盒的偏振光也将沿着液晶分子的扭曲方向连续旋转90˚ [4]。故而，当液晶盒在两块平行偏光片之间时，若不对液晶盒施加电场，则光线不能通过液晶盒；若对电场施加电压，则液晶的旋光性就会消失，光线就可以通过。同理，当液晶盒在两块垂直偏光片之间时，若不对液晶盒施加电场，则光线就可以通过液晶盒；若对电场施加电压，则液晶的旋光性就会消失，光线就不能通过。

图1. LCD显示器的结构

3. 当前LCD显示的显著缺陷

按照如上方法即可得到单色的LCD屏幕，而彩色LCD显示设备都是需要采用三基色组合出全彩色的，每个像素由发出红光、绿光、蓝光的三个单元格组成。当前最常见的全彩色LCD显示即为白色背光源加滤色片，如图2所示。

图2. 传统的白色背光源加滤色片结构

而目前使用的常见的背光源为InGaN/YAG组成的白色LED背光源。先将蓝色InGaN系芯片放在导线结构中用金线焊接，然后在芯片周围涂上YAG (yttrium aluminum garnet即钇铝石榴石)荧光粉，最后用环氧树脂封接起来即可得到白光LED背光源 [5]。最初从InGaN系芯片发出蓝光，入射到周围的荧光粉层内，经多重散乱反射、吸收，其中蓝光LED发出的一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光，而剩余的蓝光与黄光混合，两色相加混色后即得到可见的白色光 [6]。

由LCD的结构不难发现，从电转变为蓝色的激发光存在着电–光转换效率，从激发荧光粉的激发光转变为荧光粉被激发而发出的发射光之间存在的光–光转换效率，再算上背光源通过三基色滤色片时存在的透射率，可想而知这种常见的全彩色LCD显示器其光效不高，许多能量都被损失掉了。

4. 基于光色转换技术提出的一种可能的LCD新构型

由前文的介绍，现在的LCD显示技术主要是，像素的每个单元格由光线可以透过液晶盒的白色背光源和红(R)、绿(G)、蓝(B)三色滤色片组成，在产生白光时已经有了一定的损失，而白光再通过滤色片的过滤才能获得三基色。这种显示结构存在产生的白光要多经过一次彩色滤光层，部分光被滤光层吸收掉，再次损失掉一些亮度的问题；如果再结合背光源的光线穿过液晶盒本来就会有一定的损失，则这种光的损失就更大了。

故而，这里提出一种可能的LCD新构型，如图3所示。我们可以在液晶盒的背面使用蓝色InGaN系LED芯片作为背光源，而在液晶盒和背光源之间则使用光色转换材料，将发光能量最高的蓝色光转换为红色光和绿色光，即可达到红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色显示的要求。这种方法的优点是不需要彩色滤光片，因此发光利用率得到了提高。

常用的YAG荧光粉其化学式为 ${\text{Y}}_3{\text{Al}}_5{\text{O}}_{12}$，而红光转换层为稀土红色荧光粉，主要成分为 ${\text{Y}}_2{\text{O}}_3:\text{Eu}$，绿光转换层主要成分为 ${\text{La}}_2{\text{O}}_2\text{S}:\text{Tb}$。我们下面利用相关的模型与公式来分析各自的转换效率，该模型从速率方程出发建立了转换效率分析模型：

图3. 基于光色转换技术全彩色LCD的结构

由于 $n_1=n_t-n_2-n_3-n_4$ 且 ，则上能级速率方程为

$\frac{\text{d}{n}_2}{\text{d}t}=R{r}_p\left(r,z\right)-k_{\Sigma }{n}_2^2-\frac{n_2}{\tau }-\frac{{\sigma }_{e}c}{n}\left[\left(f_u+f_l\right)n_2-f_l{n}_t\right]\Phi j\left(r,z\right)$, (1)

式中 $k_{\Sigma }$ 表示总的上转换损耗系数， $\tau$ 为自发辐射寿命， $R$ 为抽运速率， $\Phi$ 为总的光子数密度， $c$ 为光速， $r_p\left(r,z\right)$ 为抽运光的归一化光子分布函数， $j\left(r,z\right)$ 为激发光的归一化光子分布函数， $n$ 为晶体折射率， $f_u$ 和 $f_l$ 分别是激光上、下能级的波尔兹曼常数， ${\sigma }_e$ 为受激发射截面 [7]。

而此时抽运速率 $R$ 可以表示为

$R^0=\frac{{\eta }_p{\eta }_{\alpha }{P}_p}{h{\nu }_p}=\frac{{\eta }_p{P}_p}{h{\nu }_p}\left[1-\exp \left(-{\alpha }_{0}l\right)\right]$, (2)

式中为抽运量子效率， ${\eta }_{\alpha }$ 为抽运吸收比例， $P_p$ 为抽运功率， ${\alpha }_0$ 为激光介质在抽运波长处的吸收系数 [8]。

考虑到基态损耗，吸收系数和上能级粒子数密度的关系为

$\alpha ={\sigma }_a\left(n_t-n_2\right)={\alpha }_0\left(1-\frac{n_2}{n_t}\right)$, (3)

$R=R^0\left(1-\frac{n_2}{n_t}\right)$, (4)

其中 ${\sigma }_a$ 为激光介质在抽运波长处的有效吸收截面。

结合(1)~(4)式，即可根据此时晶体的相关参数，对这三种荧光粉的转换效率进行计算。可以得到，由蓝色InGaN系LED芯片激发YAG荧光粉得到白光和由蓝色InGaN系LED芯片激发红色转换层、绿色转换层，最终得到红(R)、绿(G)、蓝(B)三种基色光进而混合成白光，这两种实现方法的转换效率基本一致。

现在常用的LCD显示器，其背光源产生的白光还有通过红(R)、绿(G)、蓝(B)三种基色的滤光片，而在通过滤色片时，能量也会有所损失。可以使用接收亮度效率 ${\eta }_L$ 来表征微显示器发出的光 $L\left(\lambda \right)$ 经过滤色片后，通过滤色片的光的亮度与白色背光源亮度的比值，反应了滤色片的光能利用率 [9]。

${\eta }_L=\frac{{\displaystyle \int L\left(\lambda \right)\cdot V\left(\lambda \right)\cdot {\eta }_{out}\left(\lambda \right)\text{d}\lambda }}{{\displaystyle \int L\left(\lambda \right)\text{d}\lambda }}$, (5)

其中，为人眼的明视觉函数， ${\eta }_{out}\left(\lambda \right)$ 为如图4所示的衍射效率曲线。

图4. 单色体光线波长选择性

由(5)式计算可知，三基色滤色片只允许约三分之一的光通过，即由白色背光源发出的白光因经过滤色片而损失约2/3的光强，这大大降低了光的利用率。

由上述计算可以得到，由于使用YAG荧光粉和红色转换层、绿色转换层的转换效率基本一致，而三基色滤色片只允许约三分之一的光通过。故采取此种方法的光效为原来的三倍，所以这种新的LCD构型由其一定的使用价值。

5. 小结

上文通过对当前最常见的LCD显示的结构和原理的分析，了解了当前广泛使用的白色背光源加滤色片结构全彩色LCD显示技术的缺陷，并基于光色转换技术提出的一种可能的LCD新构型，通过荧光物质模型的计算与对应光谱的分析，发现这种新的构型有着转换效率高、节能的优势。这种结构可以使得厂商省去滤色片这一结构，而在高端LCD显示器中滤色片的成本约占显示器总成本的20%，省去滤色片这一结构后即可为厂商大大减少生产成本；对消费者而言，这种结构的LCD显示器其耗电量大约只有原来的一半，可以为消费者省下大量的电力；对显示器的销售者而言，更低的能耗、更低的价格是吸引顾客的一大亮点。

文章引用

陈浩然. 一种可能的LCD构型
One Possible LCD Configuration[J]. 计算机科学与应用, 2020, 10(05): 944-949. https://doi.org/10.12677/CSA.2020.105097

参考文献