新型柔性显示薄膜的设计

吴 林，马建设，苏 萍

(清华大学深圳研究生院 光盘国家工程研究中心深圳分中心，广东 深圳 518055)

引言

LED电子显示屏是由几百到几十万个发光二极管按矩阵均匀排列所组成，用来显示文字、图形、图像、动画、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。近年来，LED显示屏得到了极大的发展，被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理等公共场所[1]。相对于普通的电子显示屏，LED显示屏具有可以无缝拼接、刷新频率高(1 900 Hz以上)、色彩鲜艳等优点[2]。目前应用广泛的LED显示屏是平面的，而商场、车站等人流聚集的地方，圆柱体随处可见，平面型显示屏已经不能满足应用；在酒吧、舞场、电影院等场合更适合绚丽多姿的造型，变幻莫测的色彩的装饰，这些场合下凸显了LED软屏的特色[3-5]。

目前市场上只有固定曲率半径的“柔性”LED显示屏，这种屏幕应用范围固定，需要定制；在各研发机构里，一般采用有机发光二极管(OLED)研发柔性显示屏，而这样的材料有平整性差，易老化等缺点，采用LED进行后续研发能解决上述问题；传统的显示屏需要采用红绿蓝3种芯片构成一个像素进而显示出彩色，在此基础上提出了一种全新的设计，这种设计不仅能够用于柔性显示，而且能降低成本[6-12]。由于柔性LED显示屏的核心是设计柔性显示薄膜，故文中重点介绍该种薄膜的设计。

1 设计的结构

图1为柔性显示的主体设计方案，即贴附于柔性印刷电路板(FPC)上的蓝光芯片发出蓝光后，激发荧光粉层发出复合白光。

图1 柔性显示薄膜的主体设计方案Fig. 1 Main design scheme of flexible display film

图2为一个像素单元的尺寸大小，对应的是P1显示屏，为设计的柔性显示薄膜主体部分的截面图。这种柔性显示薄膜包括隔离层t3、荧光粉层t2、PI基膜t1。

图2 一个像素大小的截面图Fig. 2 Section diagram in one pixel size

隔离层的目的是防止光束间的串扰，即1个像素点内的3个芯片能够独立发挥作用，更好地实现矩阵寻址功能，这里可以选择简单的物理遮挡方法，但宽度要求符合以下条件。

设置蓝光芯片的发光角度为120°，出光角度为2α，为了使结构避免串扰的发生，计算出(t1+t2+t3)·tanα的数值与1/6进行比较，如果(t1+t2+t3)·tanα的数值大于1/6，则需要减小发光角度。

荧光粉层的目的是把接收到的蓝光激发加混合形成RGB波段的复合白光，由于需要滤光后组合，所以要求蓝光激发后尽可能只有RGB光成分，这里可以选择KSF红色荧光粉和β-塞隆绿色荧光粉的混合。PI基膜的作用是使薄膜整体具有一定的柔性，这里选择掺杂有氟化物的PI基膜材料，该材料不仅有较为理想的透过率，而且其表面粗糙度较小，在弯折时不易形成缺陷。

这种优化后的显示薄膜有以下优点：1)只使用蓝光芯片，降低成本，并使控制变得容易；2) 把常用的PET基膜材料换成PI基膜材料；3) 使用优化设计后的荧光粉层；4)避免串扰现象。

图3为这种FPC的一些尺寸数据，所用到的LED芯片为320 μm×240 μm×150 μm，根据LED芯片的尺寸可以算出各种间距。

图3 柔性显示薄膜所用FPCFig. 3 FPC for flexible display film

2 仿真验证

基于这种设计，采用lighttools仿真软件进行仿真[13]，我们采用以下步骤进行仿真操作：1) 根据荧光粉厂商提供的产品质量报告求出这几种荧光粉米氏微粒尺寸、发射光谱、激发光谱和吸收光谱的txt文件，导入lighttools中；2) 模型建立中还需要输入实验所用蓝光芯片的折射率和环氧AB胶的折射率等值。3) 蓝光光源的中心波长为450 nm，采用高斯分布；荧光粉薄膜采用KSF红色荧光粉和β-塞隆绿色荧光粉的混合，此时非常重要的一步是微粒浓度的计算。

设KSF红色荧光粉的密度为ρ1，β-塞隆绿色荧光粉的密度为ρ2，荧光粉颗粒因为当做球形颗粒处理，所以，其每个颗粒的体积V为

(1)

式中:D为荧光粉颗粒直径，如果胶水的密度为ρ3，KSF红色荧光粉的质量分数为V1，则粒子浓度N1约为(这里忽略了荧光粉的体积，故计算值偏大)

(2)

例如本实验采用密度为1.832 8 g/cm3的黄色荧光粉，当其质量分数为1/6时可计算出如表1参数。

表1 黄色荧光粉的相关参数

其中粒子浓度作为Mie的输入仿真值。

这里利用lighttools专业软件进行了多组仿真，包括改变粒子的浓度，荧光粉的比例和材料等仿真。如图4为传统的YAG-4黄色荧光粉和SB626A红色荧光粉按照50:1的比例的光谱仿真图，图5为新型材料KSF红色荧光粉和β-塞隆绿色荧光粉质量比为1:2时光谱仿真图。

图4 光谱仿真图1Fig. 4 Spectral simulation chart 1

图5 光谱仿真图2Fig .5 Spectral simulation chart 2

这里还仿真出了光通量、光效、色域指数、色温、显色指数等参数随粒子浓度改变而改变的规律，如图6为光效随黄色荧光粉粒子浓度增大的变化图。

图6 光效随黄色荧光粉粒子浓度增大的仿真变化图Fig. 6 Simulative changing chart of light efficiency with increasing of yellow phosphor particle concentration

3 实验探究和测试

采用旋转涂覆法来制备LED柔性配光薄膜，旋转涂覆法是将荧光粉胶料涂覆在基片表面初步形成薄膜，然后通过旋转工艺制备能发出RGB3种波段光柔性荧光粉薄膜；制备出荧光粉薄膜后还需要测出其相应的光谱：设计好柔性荧光粉薄膜测试系统，即基于小型积分球的测试系统，探究随荧光粉浓度和配光距离变化对应的配光性能参数比如发光效率、相关色温、显色指数及出射功率等的变化规律，对比其优劣性[14-15]。

旋转涂覆采用的设备是KW-4B型台式匀胶机，整个积分球测试系统由HAAS-2000快速光谱分析仪、WY系列电源、0.5 m积分球、能控制配光距离的蓝光光源以及计算机等部分构成。其中，积分球测试系统为远方仪器公司提供，而能控制配光距离的蓝光光源是自己设计并加工，其原始光谱图如图7所示。

图7 原始光谱图Fig. 7 Primitive spectrogram

图8 积分球测试系统Fig. 8 Integral sphere test system

经过多次实验，其中采用新型材料KSF红色荧光粉和β-塞隆绿色荧光粉测出的光谱图比较符合设计要求，如图9所示。

图9 比较理想结果的光谱图Fig. 9 Spectrograms with ideal results

继续采用新型材料KSF红色荧光粉和β-塞隆绿色荧光粉做荧光粉薄膜做多组实验，例如改变其粒子浓度，可以得到光效随粒子浓度变化的规律图，如图10所示。

图10 光效随粒子浓度变化的规律图Fig. 10 Chart of light efficiency changing with particle concentration

经过上述仿真和实验测试，可以看出测试结果和仿真分析有较大吻合性。最后通过多次实验，做出比较符合要求的显示薄膜的主体部分，经测量，其折弯半径为3.1 cm，如图11所示。

图11 显示薄膜的主体部分Fig. 11 Main part of display film

4 结论

经过上述的一系列研究，我们可以得到以下结论：1) 提出了一种新型柔性LED显示薄膜，优化了设计，改善了相应的缺点;2) 对显示薄膜进行了仿真和实验，都得到了比较满意的结果;3) 对样品进行测试，发现最终样品也符合实验前的总体规划，可以说这种设计不仅思路正确，而且可行性也很高。