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摘要：  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。

關(guān)鍵字：  LED背光，  LCD，  LED，  液晶分子

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(gè)熱門研究課題，尤其是LED 背光的色彩還原性，文獻(xiàn)報(bào)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(bào)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(gè)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(gè)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?jiǎng)t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(gè)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。

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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)LED 上面，如圖6 所示。

圖6 multi- LED 結(jié)構(gòu)圖

采用100 個(gè)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(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)，但是在低灰度等級的時(shí)候，由于液晶本身存在漏光現(xiàn)象，這時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)白色的LED 作成的側(cè)式背光，這個(gè)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(gè)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(jià)格相當(dāng)昂貴，同等尺寸的背光源，LED 約為CCFL 價(jià)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。

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。