- 探討大尺寸TFT-LCD的LED背光技術(shù)
- 利用大功率RGB LED
- 將光線盡可能的向各方向發(fā)散和反射到LCD 面板上
1 前言
LCD 是被動發(fā)光器件， 本身是不發(fā)光的， 因此必須要有背光模塊給LCD 提供光源。用來作為背光模塊的光源有以下幾種：
（1）冷陰極熒光燈；
（2）LED 背光；
（3）電致發(fā)光背光。
其中， EL 背光系統(tǒng)由于在工作過程中亮度會逐漸衰減， 限制了它的運(yùn)用， 現(xiàn)在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系統(tǒng)由于其體積小、壽命長、亮度高和工作電流低等優(yōu)點(diǎn)， 是當(dāng)前LCD 背光系統(tǒng)的主要選擇；LED 背光系統(tǒng)則由于發(fā)光功率比較低， 長期以來只能應(yīng)用在小尺寸的LCD 當(dāng)中。然而， 由于LED 背光系統(tǒng)本身具有CCFL 無法比擬的優(yōu)點(diǎn)， 比如： 色彩還原好、省電、壽命長； 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 對環(huán)境的污染也少， 加上大功率LED 的出現(xiàn)， 使LED 背光成為最近顯示界的一個熱門研究課題， 尤其是LED 背光的色彩還原性， 文獻(xiàn)報道稱其可以達(dá)到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光則只能達(dá)到NTSC 的70%, 如圖1 所示。
圖1 LED 和CCFL 的色域圖
因此利用LED 作為LCD 的背光， 色彩將更加鮮艷。鑒于LED 背光技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)， 在過去的幾年中，已經(jīng)有許多公司和研究機(jī)構(gòu)報道了各種高亮度的LED應(yīng)用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術(shù)。2 LED 背光技術(shù)
LED 背光技術(shù)主要分為直下式背光結(jié)構(gòu)和側(cè)式背光結(jié)構(gòu)兩種， 直下式背光由許多LED 均勻分布在顯示區(qū)域后面， 加上反射腔和擴(kuò)散膜等共同作用， 得到亮度均勻的平面發(fā)光效果； 側(cè)式背光則由多個LED 排成一排形成線光源， 經(jīng)過導(dǎo)光體、反射膜、擴(kuò)散膜形成均勻發(fā)光面。以前由于單個LED 的功率比較低， 如果要將LED 用于大尺寸的LCD, 需要很多LED 才能達(dá)到要求的亮度。近幾年來， 由于大功率LED 的出現(xiàn)， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的運(yùn)用取得了長足的進(jìn)步， 其中大部分都是采用側(cè)式結(jié)構(gòu)。按照LED 的顏色可以分為RGB LED 背光和白光LED 背光兩種：
（ 1） RGB LED 背光單元是將三基色LED 發(fā)出的光復(fù)合產(chǎn)生白光；（ 2） 白光LED 背光單元則直接利用白光LED 產(chǎn)生的白光。
2.1 大功率RGB LED 復(fù)合成白光
圖2 是2001 年荷蘭飛利浦照明系統(tǒng)公司開發(fā)的利用RGB 復(fù)合成白光的18in 背光系統(tǒng)的示意圖。
圖2 18inTFT- LCD LED 背光模組結(jié)構(gòu)圖
該背光單元中， 上下兩側(cè)有兩列LED（ LEDs A 和LEDs B） , RGB LED 是按照等間隔排列的。RGB LED發(fā)出的光從側(cè)邊經(jīng)過兩個導(dǎo)光腔（ light pipe A、B） 傳播到LCD 面板的底下， 經(jīng)過特征提取（ extractionfeatures A 和B） 以及散射膜（ diffusor sheet） 得到均勻白光。
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同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷蘭LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高滲透型的彩膜（ color filter） 開發(fā)出應(yīng)用于18.1in XGATFT- LCD的背光單元， 其色彩還原性和亮度分別達(dá)到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷蘭的這家公司利用34個大功率的RGB LED 作為光源， 采用PMMA 作為混色導(dǎo)光板的材料---這種材料可以使光在導(dǎo)光板傳播過程中的損耗幾乎為0, 開發(fā)出用在15in 的TFT- LCD 的背光系統(tǒng)， 其效率達(dá)到50%, 色坐標(biāo)穩(wěn)定在Δu''''v''''~0.01, 而且該背光系統(tǒng)很容易改造成適用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。
由于這種側(cè)式的背光系統(tǒng)僅僅放在顯示區(qū)域的兩側(cè)， 為了盡可能的把光引到LCD 的顯示區(qū)域， 上面這幾種代表產(chǎn)品都采用了導(dǎo)光板。盡管這樣， 光還是不可能很均勻的分布在LCD 的顯示區(qū)域。LumiledsLighting 公司一些科學(xué)家采用側(cè)式與直下式相結(jié)合的方法， 開發(fā)出了適用于22in 的16 ∶9 的TFT- LCD- TV的新型背光系統(tǒng)， 其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 側(cè)式和直下式相結(jié)合的背光
該背光尺寸達(dá)到503×282mm, 厚度是50mm,總共含有48 個LEDs, 值得一提的是這里的LED 采用了特殊的結(jié)構(gòu)。如圖4 所示， 在LED 上面有個漏斗型的光分流器， 其表面都是反射率很高的材料， 主要的作用是將光反射到各個方位， 這樣做的目的是不讓光線都集中在LED 正上方。另外， 在光腔底面是一層薄的散射反射膜， 主要的作用就是將光線盡可能的向各方向發(fā)散和反射到LCD 面板上面， 從而得到均勻的亮度， 而且效率達(dá)到了70%.
圖4 帶有光分流器的LED.
但是這種結(jié)構(gòu)的LED 的背光的厚度比較大， 達(dá)到了50 mm.三菱公司在2004 年開發(fā)出了一種不采用導(dǎo)光板， 用于22inTFT- LCD 的RGB LED 背光系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。兩側(cè)是大功率的RGB LED 光源，光經(jīng)過反射鏡或者直接經(jīng)過棱鏡進(jìn)入到光學(xué)腔里面，這個光學(xué)腔的側(cè)面和底面由一系列高反射率的反射鏡組成， 光經(jīng)過這些反射鏡被反射到LCD 面板， 在光學(xué)腔的上面是一層薄的擴(kuò)散膜， 其作用是為了使照射到LCD 面板的RGB 光混合均勻， 另外一個作用是它有助于得到亮度均勻的光。該背光系統(tǒng)的厚度僅為30mm, 平均亮度是540cd/m2.亮度均勻性到達(dá)72%, 色坐標(biāo)則穩(wěn)定在0.005。
圖5 新型的側(cè)式RGB LED 背光結(jié)構(gòu)
以上這些都是利用RGB 的LED 作為光源的， 其主要困難是如何把RGB 的光均勻的混色， 2004 年， 美國的Michel J. Zwanenburg 研究小組， 利用multi- LEDS, 也就是將發(fā)紅、綠、藍(lán)光的芯片做在同一個LED 上面， 如圖6 所示。
圖6 multi- LED 結(jié)構(gòu)圖
[page]采用100 個multi- LEDS, 同樣是排成兩列的側(cè)式結(jié)構(gòu)， 其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。multi- LEDS 是連接在FPC上的， 主要是為了散熱。通過FPC 將大功率LED 散發(fā)的熱傳導(dǎo)到鋁片。LED 上面是導(dǎo)光腔， 導(dǎo)光腔的底面有個印有散光的圖案， 能夠盡可能分散光， 另外在最上面還有擴(kuò)散膜和亮度增強(qiáng)膜， 得到的用于17inTFT- LCD的背光膜組， 其厚度只有16 mm.該背光單元的亮度達(dá)到2400cd/m2. 亮度均勻性在85%以上， 而且色坐標(biāo)穩(wěn)定性在Δu''''v'''' 小于0.003。
圖7 帶有multiLEDs 的背光示意圖
盡管LED 背光有色彩還原性好這個優(yōu)點(diǎn)， 但是在低灰度等級的時候， 由于液晶本身存在漏光現(xiàn)象， 這時如果LED 還是維持在高亮度的情況下， 將導(dǎo)致漏光非常嚴(yán)重， 從而降低了對比度。2005 年日本日立公司開發(fā)出一種RGB 顏色可以控制的背光系統(tǒng)（ RGB colorcontrol sys tem,RCCS） .利用RCCS 制成的背光單元， 顯示出來的顏色不但可以由液晶分子本身的旋轉(zhuǎn)角度來控制， 而且還可以通過每一種顏色的背光發(fā)光亮度來控制， 從而減少了傳統(tǒng)的LED 背光在高亮度下的漏光現(xiàn)象， 達(dá)到了提高對比度的目的。
在圖8 中， 左邊是傳統(tǒng)的LED 背光維持在最高亮度的工作情況， 這時如果要求顯示的藍(lán)色是"0", 但是由于藍(lán)色的LED 是一直工作在最高亮度下的， 加上液晶分子本身漏光， 導(dǎo)致了對比度的降低。而在右邊的RCCS 背光單元中， 當(dāng)如果要求藍(lán)光為"0"的時候， 可以通過將藍(lán)色的LED 關(guān)閉， 從而減少漏光來提高對比度。
圖8 RCCS 背光的工作情況
2.2 白光LED 的背光系統(tǒng)
由RGB LED 發(fā)出的光混合成白光的LED 背光系統(tǒng)， 這種技術(shù)無法將RGB 光混和得非常均勻。2005年， 韓國的Dankook 大學(xué)開發(fā)出了用在2.4in LCD 的背光單元， 該背光單元是利用3 個白色的LED 作成的側(cè)式背光， 這個背光的示意圖見圖9。
圖9 2.4in 的白色LED 背光系統(tǒng)
在LED 下面是反射鏡， 上面則是散射圖案， 將LED 發(fā)出的光散射到各個方向， 并經(jīng)過下面的反射鏡反射進(jìn)入導(dǎo)光板， 然后反射到LCD 上面。得到的亮度均勻性達(dá)到了84.2%[8 ].隨著人們對白光LED 的研究繼續(xù)深入， 白光LED 作為大尺寸TFT- LCD 背光光源將會取得更大的成就。
3 LED 背光存在問題
盡管LED 背光具CCFL無法比擬的優(yōu)勢， 但是目前還有一些因素阻礙著LED 背光源技術(shù)的迅速普及：
（1）其價格相當(dāng)昂貴， 同等尺寸的背光源， LED 約為CCFL 價格的4 倍；（2）目前LED 背光源的光效率還不夠高， 同等尺寸顯示屏比CCFL 耗電量高；（3） 在散熱方面也是LED 背光急待解決的難點(diǎn)之一， 高功耗不符合目前環(huán)保理念， 這需要LED 在材料、工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)。
4 LED 背光前景
盡管LED 背光離成為主流產(chǎn)品還有一段距離， 但是隨著LED 在材料和工藝方面的不斷改進(jìn)， 光效率的不斷提高， 它在相關(guān)領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用前景， 比如：
LED 照明、背光等。鑒于TV 產(chǎn)品對于色彩飽和度（NTSC）要求較高， 而LED 背光在色彩飽和度方面是傳統(tǒng)背光源CCFL 無法相比擬的， 當(dāng)前液晶界的相關(guān)主要廠商， 如韓國的LG- Philips、三星， 日本的夏普、索尼， 以及臺灣的友達(dá)、奇美等都把采用LED 背光的大尺寸TV 視為未來TFT- LCD TV 的關(guān)鍵技術(shù)之一。
2004 年底索尼更是搶先推出了40in 以上的以LED為背光源的液晶電視， 之后三星于2005 年5 月在橫濱光電展中推出首款46in 的以大功率RGB LED 為背光源的TV產(chǎn)品。
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比起白光LED 背光系統(tǒng)， RGB LED 在色彩飽和度方面更有優(yōu)勢， 隨著LED 背光成本的不斷降低， 對顯示效果要求越來越嚴(yán)格的大尺寸LCD 而言， 大功率RGB LED 背光將成為大尺寸的TFT- LCD 背光的主流。
5 結(jié)論
綜上所述， 由于LED 背光單元具有色彩還原性好等諸多優(yōu)點(diǎn)， 它能克服液晶顯示器色彩飽和度差的先天不足的缺陷。當(dāng)前LED 背光主要有側(cè)式結(jié)構(gòu)和直下式結(jié)構(gòu)， 而側(cè)式結(jié)構(gòu)可制作出更薄的背光單元。另外LED 背光源既可采用RGB LED 經(jīng)過混和成白光， 也可采用白光LED 來制作， 而采用高功率的RGB LED作為背光源的色彩將會更加鮮艷。因此對于對顯示效果要求更加苛刻的大尺寸TFT- LCD 而言， 高功率RGB LED 將成為其背光的主流。
