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    新闻中心 > LED背光源技术特性

LCD背光照明所需的光源主要有:白炽灯泡、场致发光、冷阴极荧光、LED等,其中LED在LCD背光照明中最有竞争力,新型的AlGaInP-LED、AlGaAs-LED、InGaNˉLED可以提供高效率的发光和宽范围的颜色。与CCFL EL作为LCD背光源相比,白光LED为低压直流器件,本身不会产生电磁干扰;若采用逆变升压方式供电,其驱动电路也仅需少量外圃组件,且其宽的工作频率选择范围并不影响LED发光性能,可以节省印制电路板面积而有利于整个设各的小型化,易于避免各部件间的电磁干扰而便于设备的整体布局。

LED是Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写,它由数层很薄的搀杂半导体材料制成。其中一层带有过量的电子,另一层则因缺乏电子而形成带正电的“空穴”。LED I作时电流通过电子和空穴相互结合,多余的能量则以光辐射的形式被释放出来。LED作为新型的背光源技术,种类繁多,但其因技术或成本方面的问题还有待解决,故在LCD背光源中尚未得到普遍应用。采用LED背光源的LCD模块结构的示意图如图所示。LED背光源的使用寿命比EL背光源长(超过5 000小时),且使用的是苴流电压,通常应用于小型的单色显示器中,比如电话、遥控器、微波炉、空调、仪器仪表、立体声音频设备等。LED的亮度目前还不足以为大型透射式显示器提供背光源。LED背光源与CCFL背光源的主要区别在于LED是点光源,而CCFL是线光源。
LED的主要特性如下
①光亮度均匀
②使用寿命长(约100 000小时)。
③低电压(直流)驱动,不需要逆变器。
④颜色丰富,有黄绿、琥珀色和红色等。

目前LED已经非常成熟地应用于移动电话彩屏LCD的背光源中,且7英寸以下LED背光源的成本已低于传统背光源的成本。但将LED作为大尺寸LCD的背光源,还只是刚刚起步。LED作为LCD的背光源具有以下优点。
①封装的LED的最基本的发光单元是边长3~5mm的正方形(封装后),极容易组合在一起成为既定面积的面光源,具有很好的亮度均匀性。如果作为液晶电视的背光源,其所需的辅助光学组件可以做得非常简单,屏幕亮度均匀性更为出色。
②LED背光源有更好的色域,色彩表现力强于CCFL背光源,可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用,色彩还原性好。
③LED的使用寿命可长达10万小时,即便每天连续使用10个小时,也可以连续用上27年,大大延长了液晶电视的使用寿命,可获得对等离子技术压倒性的优势。
④LED使用的是5~24V的低压电源,十分安全,供电模块的设计也简单。

平面状结构让LED拥有稳固的内部结构,抗震性能出色,加上LED不需要使用对环境有害的金属汞,更加环保。越来越多的厂商开始研制大尺寸的LED背光源。根据近两年公开的报道和发展情况,安捷伦和三菱已合作制成了34英寸的液晶彩电用LED背光源,索尼和三星也都推出了以LED为背光源的46英寸LCD TV。

采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成的,每个“格子”中都拥有一个LED,这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性,还不需要复杂的光路设计,使LCD的厚度能做得更薄,同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味着笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如,SONY近期推出的VAIOTX笔记本电脑就采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏。

LED背光源的发光寿命远高于EL和CCFL背光源。普通的CCFL背光源的一般使用寿命在3万小时左右,一些顶级的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对于频繁使用的用户来说意味着使用2~3年后LCD的亮度就将会明显下降,而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而采用LED背光则完全没有这样的问题,现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时,而且还有再次提升的潜力。即使24小时不间断使用,这样的寿命也足够使用5年。

LED背光源在色彩表现力方面也远胜于CCFL背光源,原有的CCFL背光由于色纯度等问题,在色阶方面表现不佳,这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。据测试,采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78%,而采用三基色LED混合白光,则可以较好地模拟出太阳光,表现出自然色,则照射在物体上产生的颜色或LCD颜色就比CCFL鲜艳逼真。而且LED背光能轻松地获得超过100%的NTSC色彩区域。在色彩表现力和色阶过渡方面,LED背光也有显著的优势。

在视频领域,人们一般采用NTSC(美国国家电视系统委员会)标准作为衡量视频设备的色彩还原能力的指标。这个指标是指在整个色彩空间内,显示设备能在各种色彩上显示到何种饱和度,即能够显示出什么程度的蓝色、绿色、红色。传统的液晶电视和显示器能够覆盖的色彩范围只有NTSC标准的65%~75%,具体表现在其绿色、$和红色部分与标准值相差较大。

LED背光技术的引入,使LCD首次在色彩表现力方面可以和CRT相提并论。此外,由于LED的平面光源特性,LED背光还能实现CCFL无法企及的分区域的色彩和色度调节,从而可实现更精确的色彩还原,以适应平面出版和图形设计工作的需要。LCD画面的动态调整可以使得在显示不同画面时,亮度与对比可以动态修正,以达到更好的画质。

尽管LED背光技术有着巨大的优势,但是现阶段依然有一些难题急需解决。LED背光技术首先遇到的挑战就是成本问题。由于白光LED器件制造技术被专利封锁,因此LED背光的制造成本居高不下。采用LED背光的产品售价现阶段依然明显高于CCFL背光产品,而且白光LED器件的产量也无法满足大批量的需求,要实现LED背光的快速普及,就必须突破白光LED的专利封锁。

除了成本问题,现阶段LED背光技术在发光效率方面也难以让人满意。现阶段的CCFL发光效率基本都在60lm/W(流明/瓦)左右,而大型化的LED背光则只有30lm/W。究其原因,主要是LED会随着芯片面积的增大而出现电流密度不均匀的现象,这必然导致整体发光效率低下,同时产生较高的热量。由于在大尺寸背光的发光效率上的差距达到了50%,因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗将会是普通CCFL的2倍,这也是现在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主动散热系统的原因。

不过,随着各大厂商对于LED背光研究投人的持续增加,以上两个困扰LED背光的关键问题都有望很快得到解决。白光LED主导厂商日亚化学正在不断提升白光LED产品的产量,同时其他厂商的白光LED产品也开始增产,白光LED的价格也正以较快的速度下降,相信不超过两年,LED背光模组的价格就将会和CCFL背光模组的价格持平。至于LED的发光效率问题,近期也有了明显的改善。新一代白光LED的发光效率已经提升到了50lm/W,和CCFL的差距只有10lm/W。在未来3~5年内,LED的发光效率很可能超越80lm/W的水平。

采用LED作为液晶电视的背光源的最主要目的是改善画质,特别是提升色彩饱和度。应用LED背光技术的显示屏可以取得足够宽的色域,并且弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷,使之能达到甚至超过AdobeRGB和NTSC色彩标准要求,可以达到NTSCratio 100%以上。其中索尼推出的采用LED背光的液晶电视面板,特别强调鲜红和深绿的表现,可显示较以往的方式更为逼真的颜色。

另外,LED做为背光源的优点是可以取代color filter的使用。三色RGB LED采用色序法(color sequential)技术,利用人类视觉暂留的特性,可达到全彩的效果,因此可以用它取代彩色滤光片。当然,这必须配合液晶的反应速度才能完成。不过要达到此目的,仍有许多困难必须克服。

LED背光模块还存在着耗电量高的问题,这仍是今后LED背光模块必须克服的重要课题。由于采用较多的LED时,除了耗电量增加之外,也会导致温度升高,因此也必须增加冷却系统与传感器来解决此类问题,因此LED背光模块在厚度上显得较采用CCFL背光的产品厚。LED要想占据大尺寸LCD背光源的主流还需要解决以下问题。
①成本太高、价格昂贵。例如,斯坦雷公司批量生产的15.1英寸LCD的LED背光源,价格大概为150美元,比传统的CCFL贵5倍左右。
②亮度还有待提高。目前LED的发光效率较低,CCFL的输出光通量多在5 000~7 000lm范围,实际屏幕的输出光通量高于300lm,而多数LED背光都还无法达到这一指标。索尼推出了一款采用LED背光源的23英寸液晶显示器,输出光通量仅有200lm,功耗却高达190W。不过,目前全球有大量的企业正从事相关的研究,故LED发光效率提升得相当快,目前光通量达到10000lm的高亮型LED背光也已经出现。
③采用LED作为背光源存在白光的一致性问题,这相比CCFL背光源是个劣势。

LED作为LCD的背光源具有以下优点
①封装的LED的最基本的发光单元是边长3~5mm的正方形(封装后),极容易组合在一起成为既定面积的面光源,具有很好的亮度均匀性。如果作为液晶电视的背光源,其所需的辅助光学组件可以做得非常简单,屏幕亮度均匀性更为出色。
②LED背光源有更好的色域,色彩表现力强于CCFL背光源,可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用,色彩还原性好。
③LED的使用寿命可长达10万小时,即便每天连续使用10个小时,也可以连续用上27年,大大延长了液晶电视的使用寿命,可获得对等离子技术压倒性的优势。
④LED使用的是5~24V的低压电源,十分安全,供电模块的设计也简单。

平面状结构让LED拥有稳固的内部结构,抗震性能出色,加上LED不需要使用对环境有害的金属汞,更加环保。越来越多的厂商开始研制大尺寸的LED背光源。根据近两年公开的报道和发展情况,安捷伦和三菱已合作制成了34英寸的液晶彩电用LED背光源,索尼和三星也都推出了以LED为背光源的46英寸LCD TV。

采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成的,每个“格子”中都拥有一个LED,这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性,还不需要复杂的光路设计,使LCD的厚度能做得更薄,同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味着笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如,SONY近期推出的VAIOTX笔记本电脑就采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏。

LED背光源的发光寿命远高于EL和CCFL背光源。普通的CCFL背光源的一般使用寿命在3万小时左右,一些顶级的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对于频繁使用的用户来说意味着使用2~3年后LCD的亮度就将会明显下降,而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而采用LED背光则完全没有这样的问题,现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时,而且还有再次提升的潜力。即使24小时不间断使用,这样的寿命也足够使用5年。

LED背光源在色彩表现力方面也远胜于CCFL背光源,原有的CCFL背光由于色纯度等问题,在色阶方面表现不佳,这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。据测试,采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78%,而采用三基色LED混合白光,则可以较好地模拟出太阳光,表现出自然色,则照射在物体上产生的颜色或LCD颜色就比CCFL鲜艳逼真。而且LED背光能轻松地获得超过100%的NTSC色彩区域。在色彩表现力和色阶过渡方面,LED背光也有显著的优势。

在视频领域,人们一般采用NTSC(美国国家电视系统委员会)标准作为衡量视频设备的色彩还原能力的指标。这个指标是指在整个色彩空间内,显示设备能在各种色彩上显示到何种饱和度,即能够显示出什么程度的蓝色、绿色、红色。传统的液晶电视和显示器能够覆盖的色彩范围只有NTSC标准的65%~75%,具体表现在其绿色、$和红色部分与标准值相差较大。

LED背光技术的引入,使LCD首次在色彩表现力方面可以和CRT相提并论。此外,由于LED的平面光源特性,LED背光还能实现CCFL无法企及的分区域的色彩和色度调节,从而可实现更精确的色彩还原,以适应平面出版和图形设计工作的需要。LCD画面的动态调整可以使得在显示不同画面时,亮度与对比可以动态修正,以达到更好的画质。

尽管LED背光技术有着巨大的优势,但是现阶段依然有一些难题急需解决。LED背光技术首先遇到的挑战就是成本问题。由于白光LED器件制造技术被专利封锁,因此LED背光的制造成本居高不下。采用LED背光的产品售价现阶段依然明显高于CCFL背光产品,而且白光LED器件的产量也无法满足大批量的需求,要实现LED背光的快速普及,就必须突破白光LED的专利封锁。

除了成本问题,现阶段LED背光技术在发光效率方面也难以让人满意。现阶段的CCFL发光效率基本都在60lm/W(流明/瓦)左右,而大型化的LED背光则只有30lm/W。究其原因,主要是LED会随着芯片面积的增大而出现电流密度不均匀的现象,这必然导致整体发光效率低下,同时产生较高的热量。由于在大尺寸背光的发光效率上的差距达到了50%,因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗将会是普通CCFL的2倍,这也是现在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主动散热系统的原因。

不过,随着各大厂商对于LED背光研究投人的持续增加,以上两个困扰LED背光的关键问题都有望很快得到解决。白光LED主导厂商日亚化学正在不断提升白光LED产品的产量,同时其他厂商的白光LED产品也开始增产,白光LED的价格也正以较快的速度下降,相信不超过两年,LED背光模组的价格就将会和CCFL背光模组的价格持平。至于LED的发光效率问题,近期也有了明显的改善。新一代白光LED的发光效率已经提升到了50lm/W,和CCFL的差距只有10lm/W。在未来3~5年内,LED的发光效率很可能超越80lm/W的水平。

采用LED作为液晶电视的背光源的最主要目的是改善画质,特别是提升色彩饱和度。应用LED背光技术的显示屏可以取得足够宽的色域,并且弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷,使之能达到甚至超过AdobeRGB和NTSC色彩标准要求,可以达到NTSCratio 100%以上。其中索尼推出的采用LED背光的液晶电视面板,特别强调鲜红和深绿的表现,可显示较以往的方式更为逼真的颜色。

另外,LED做为背光源的优点是可以取代color filter的使用。三色RGB LED采用色序法(color sequential)技术,利用人类视觉暂留的特性,可达到全彩的效果,因此可以用它取代彩色滤光片。当然,这必须配合液晶的反应速度才能完成。不过要达到此目的,仍有许多困难必须克服。

LED背光模块还存在着耗电量高的问题,这仍是今后LED背光模块必须克服的重要课题。由于采用较多的LED时,除了耗电量增加之外,也会导致温度升高,因此也必须增加冷却系统与传感器来解决此类问题,因此LED背光模块在厚度上显得较采用CCFL背光的产品厚。LED要想占据大尺寸LCD背光源的主流还需要解决以下问题。
①成本太高、价格昂贵。例如,斯坦雷公司批量生产的15.1英寸LCD的LED背光源,价格大概为150美元,比传统的CCFL贵5倍左右。
②亮度还有待提高。目前LED的发光效率较低,CCFL的输出光通量多在5 000~7 000lm范围,实际屏幕的输出光通量高于300lm,而多数LED背光都还无法达到这一指标。索尼推出了一款采用LED背光源的23英寸液晶显示器,输出光通量仅有200lm,功耗却高达190W。不过,目前全球有大量的企业正从事相关的研究,故LED发光效率提升得相当快,目前光通量达到10000lm的高亮型LED背光也已经出现。
③采用LED作为背光源存在白光的一致性问题,这相比CCFL背光源是个劣势。
④LED在网点设计上较CCFL线光源难,需考虑LED辐射状的光强衰减。
⑤RGBLED背光源的应用时间一久,其产生的色移波长会随温度变化,从而会产生不同颜色。

此外,LED背光源的散热、光的均匀分布也需要解决。解决上述问题还需要一定时间,不过,业内很多人士对LED背光源的未来发展持乐观态度。从今年开始将进人中、大尺寸LCD用LED背光源和CCFL背光源的竞争期,估计到2010年,LED背光源在中、大尺寸LCD屏幕上的应用将占主导地位。

(3)新背光源
正在研发的新背光源还有好多种,如日本DiaLight成功开发了一款采用碳纳米管的场发射型高亮度背光灯,适用于LCD W等大屏显示器。从原理上讲,碳纳米管可实现150 000cd/m2的超高亮度。它除可作为电视机和移动电话的背光灯使用外,还可用做特殊光源。此背光灯通过在使用碳纳米管的平面电极(发射极)上施加高压电场,使放射出的电子射向荧光板而发光。除了高发光效率、低能耗和高亮度发光外,它还具有无汞、长寿命及高速响应等特点。如按32英寸的背光灯换算,它的发光效率为80lm/W,亮度为150 000cd/m2,耗电量为85W,寿命为5万小时,响应速度为100ps;而采用冷阴极荧光灯(CCFL)的情况是:效率为50lm/W,亮度为12000cd/m2,耗电量为11OW,寿命为5万小时,响应速度为10~15ms;采用白色LED的情况是:效率为30lm/W,亮度为9 500cd/m2,耗电量为185W,寿命为5万小时,响应速度为数十ns。

 
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