大尺寸TFT-LCD的LED背光技术

　　1 前言

   　　LCD 是被动发光器件， 本身是不发光的， 因此必须要有背光模块给LCD 提供光源。用来作为背光模块的光源有以下几种：
   　　（1）冷阴极荧光灯；
   　　（2）LED 背光；
   　　（3）电致发光背光。
   　　其中， EL 背光系统由于在工作过程中亮度会逐渐衰减， 限制了它的运用， 现在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系统由于其体积小、寿命长、亮度高和工作电流低等优点， 是当前LCD 背光系统的主要选择；LED 背光系统则由于发光功率比较低， 长期以来只能应用在小尺寸的LCD 当中。然而， 由于LED 背光系统本身具有CCFL 无法比拟的优点， 比如： 色彩还原好、省电、寿命长； 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 对环境的污染也少， 加上大功率LED 的出现， 使LED 背光成为最近显示界的一个热门研究课题， 尤其是LED 背光的色彩还原性， 文献报道称其可以达到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光则只能达到NTSC 的70%， 如图1 所示。
   
   图1 LED 和CCFL 的色域图
   　　因此利用LED 作为LCD 的背光， 色彩将更加鲜艳。鉴于LED 背光技术的诸多优点， 在过去的几年中，已经有许多公司和研究机构报道了各种高亮度的LED应用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技术。
   　　2 LED 背光技术
   　　LED 背光技术主要分为直下式背光结构和侧式背光结构两种， 直下式背光由许多LED 均匀分布在显示区域后面， 加上反射腔和扩散膜等共同作用， 得到亮度均匀的平面发光效果； 侧式背光则由多个LED 排成一排形成线光源， 经过导光体、反射膜、扩散膜形成均匀发光面。以前由于单个LED 的功率比较低， 如果要将LED 用于大尺寸的LCD， 需要很多LED 才能达到要求的亮度。近几年来， 由于大功率LED 的出现， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的运用取得了长足的进步， 其中大部分都是采用侧式结构。按照LED 的颜色可以分为RGB LED 背光和白光LED 背光两种：
   　　（ 1） RGB LED 背光单元是将三基色LED 发出的光复合产生白光；（ 2） 白光LED 背光单元则直接利用白光LED 产生的白光。
   　　2.1 大功率RGB LED 复合成白光
   　　图2 是2001 年荷兰飞利浦照明系统公司开发的利用RGB 复合成白光的18in 背光系统的示意图。
   
   图2 18inTFT- LCD LED 背光模组结构图
   
   　　该背光单元中， 上下两侧有两列LED（ LEDs A 和LEDs B） ， RGB LED 是按照等间隔排列的。RGB LED发出的光从侧边经过两个导光腔（ light pipe A、B） 传播到LCD 面板的底下， 经过特征提取（ extractionfeatures A 和B） 以及散射膜（ diffusor sheet） 得到均匀白光。
   　　同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷兰LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高渗透型的彩膜（ color filter） 开发出应用于18.1in XGATFT- LCD的背光单元， 其色彩还原性和亮度分别达到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷兰的这家公司利用34个大功率的RGB LED 作为光源， 采用PMMA 作为混色导光板的材料---这种材料可以使光在导光板传播过程中的损耗几乎为0， 开发出用在15in 的TFT- LCD 的背光系统， 其效率达到50%， 色坐标稳定在Δu‘v’~0.01， 而且该背光系统很容易改造成适用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。
   　　由于这种侧式的背光系统仅仅放在显示区域的两侧， 为了尽可能的把光引到LCD 的显示区域， 上面这几种代表产品都采用了导光板。尽管这样， 光还是不可能很均匀的分布在LCD 的显示区域。LumiledsLighting 公司一些科学家采用侧式与直下式相结合的方法， 开发出了适用于22in 的16 ∶9 的TFT- LCD- TV的新型背光系统， 其结构如图3 所示。
   
   图3 侧式和直下式相结合的背光
   　　该背光尺寸达到503×282mm， 厚度是50mm，总共含有48 个LEDs， 值得一提的是这里的LED 采用了特殊的结构。如图4 所示， 在LED 上面有个漏斗型的光分流器， 其表面都是反射率很高的材料， 主要的作用是将光反射到各个方位， 这样做的目的是不让光线都集中在LED 正上方。另外， 在光腔底面是一层薄的散射反射膜， 主要的作用就是将光线尽可能的向各方向发散和反射到LCD 面板上面， 从而得到均匀的亮度， 而且效率达到了70%.
   
   图4 带有光分流器的LED.
   　　但是这种结构的LED 的背光的厚度比较大， 达到了50 mm.三菱公司在2004 年开发出了一种不采用导光板， 用于22inTFT- LCD 的RGB LED 背光系统，其结构如图5 所示。两侧是大功率的RGB LED 光源，光经过反射镜或者直接经过棱镜进入到光学腔里面，这个光学腔的侧面和底面由一系列高反射率的反射镜组成， 光经过这些反射镜被反射到LCD 面板， 在光学腔的上面是一层薄的扩散膜， 其作用是为了使照射到LCD 面板的RGB 光混合均匀， 另外一个作用是它有助于得到亮度均匀的光。该背光系统的厚度仅为30mm， 平均亮度是540cd/m2.亮度均匀性到达72%， 色坐标则稳定在0.005。
   
   图5 新型的侧式RGB LED 背光结构
   
   　　以上这些都是利用RGB 的LED 作为光源的， 其主要困难是如何把RGB 的光均匀的混色， 2004 年， 美国的Michel J. Zwanenburg 研究小组， 利用multi- LEDS， 也就是将发红、绿、蓝光的芯片做在同一个LED 上面， 如图6 所示。
   
   图6 multi- LED 结构图
   　　采用100 个multi- LEDS， 同样是排成两列的侧式结构， 其结构如图7 所示。multi- LEDS 是连接在FPC上的， 主要是为了散热。通过FPC 将大功率LED 散发的热传导到铝片。LED 上面是导光腔， 导光腔的底面有个印有散光的图案， 能够尽可能分散光， 另外在最上面还有扩散膜和亮度增强膜， 得到的用于17inTFT- LCD的背光膜组， 其厚度只有16 mm.该背光单元的亮度达到2400cd/m2. 亮度均匀性在85%以上， 而且色坐标稳定性在Δu‘v’ 小于0.003。
   
   图7 带有multiLEDs 的背光示意图
   　　尽管LED 背光有色彩还原性好这个优点， 但是在低灰度等级的时候， 由于液晶本身存在漏光现象， 这时如果LED 还是维持在高亮度的情况下， 将导致漏光非常严重， 从而降低了对比度。2005 年日本日立公司开发出一种RGB 颜色可以控制的背光系统（ RGB colorcontrol sys tem，RCCS） 。利用RCCS 制成的背光单元， 显示出来的颜色不但可以由液晶分子本身的旋转角度来控制， 而且还可以通过每一种颜色的背光发光亮度来控制， 从而减少了传统的LED 背光在高亮度下的漏光现象， 达到了提高对比度的目的。
   　　在图8 中， 左边是传统的LED 背光维持在最高亮度的工作情况， 这时如果要求显示的蓝色是“0”， 但是由于蓝色的LED 是一直工作在最高亮度下的， 加上液晶分子本身漏光， 导致了对比度的降低。而在右边的RCCS 背光单元中， 当如果要求蓝光为“0”的时候， 可以通过将蓝色的LED 关闭， 从而减少漏光来提高对比度。
   
   图8 RCCS 背光的工作情况
   
   　　2.2 白光LED 的背光系统
   　　由RGB LED 发出的光混合成白光的LED 背光系统， 这种技术无法将RGB 光混和得非常均匀。2005年， 韩国的Dankook 大学开发出了用在2.4in LCD 的背光单元， 该背光单元是利用3 个白色的LED 作成的侧式背光， 这个背光的示意图见图9。
   
   图9 2.4in 的白色LED 背光系统
   　　在LED 下面是反射镜， 上面则是散射图案， 将LED 发出的光散射到各个方向， 并经过下面的反射镜反射进入导光板， 然后反射到LCD 上面。得到的亮度均匀性达到了84.2%［8 ］。随着人们对白光LED 的研究继续深入， 白光LED 作为大尺寸TFT- LCD 背光光源将会取得更大的成就。
   　　3 LED 背光存在问题
   　　尽管LED 背光具CCFL无法比拟的优势， 但是目前还有一些因素阻碍着LED 背光源技术的迅速普及：
   　　（1）其价格相当昂贵， 同等尺寸的背光源， LED 约为CCFL 价格的4 倍；（2）目前LED 背光源的光效率还不够高， 同等尺寸显示屏比CCFL 耗电量高；（3） 在散热方面也是LED 背光急待解决的难点之一， 高功耗不符合目前环保理念， 这需要LED 在材料、工艺等方面进行改进。
   　　4 LED 背光前景
   　　尽管LED 背光离成为主流产品还有一段距离， 但是随着LED 在材料和工艺方面的不断改进， 光效率的不断提高， 它在相关领域将有很大的应用前景， 比如：
   　　LED 照明、背光等。鉴于TV 产品对于色彩饱和度（NTSC）要求较高， 而LED 背光在色彩饱和度方面是传统背光源CCFL 无法相比拟的， 当前液晶界的相关主要厂商， 如韩国的LG- Philips、三星， 日本的夏普、索尼， 以及台湾的友达、奇美等都把采用LED 背光的大尺寸TV 视为未来TFT- LCD TV 的关键技术之一。
   　　2004 年底索尼更是抢先推出了40in 以上的以LED为背光源的液晶电视， 之后三星于2005 年5 月在横滨光电展中推出首款46in 的以大功率RGB LED 为背光源的TV产品。
   　　比起白光LED 背光系统， RGB LED 在色彩饱和度方面更有优势， 随着LED 背光成本的不断降低， 对显示效果要求越来越严格的大尺寸LCD 而言， 大功率RGB LED 背光将成为大尺寸的TFT- LCD 背光的主流。
   　　5 结论
   　　综上所述， 由于LED 背光单元具有色彩还原性好等诸多优点， 它能克服液晶显示器色彩饱和度差的先天不足的缺陷。当前LED 背光主要有侧式结构和直下式结构， 而侧式结构可制作出更薄的背光单元。另外LED 背光源既可采用RGB LED 经过混和成白光， 也可采用白光LED 来制作， 而采用高功率的RGB LED作为背光源的色彩将会更加鲜艳。因此对于对显示效果要求更加苛刻的大尺寸TFT- LCD 而言， 高功率RGB LED 将成为其背光的主流。