《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LCD背光用LED技術(shù)性優(yōu)勢分析
摘要: 因其具有高亮度、長壽命、色彩均勻和節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn),LED在越來越多的應(yīng)用中逐步取代了傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈(CCFL)。從小型的手機(jī)液晶顯示器(LCD)到大型的70寸液晶電視面板,LED正迅速發(fā)展成為背光的首選技術(shù)。
Abstract:
Key words :

  LED因其具有高亮度、長壽命、色彩均勻和節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn),在越來越多的應(yīng)用中逐步取代了傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈(CCFL)。從小型的手機(jī)液晶顯示器(LCD)到大型的70寸液晶電視面板,LED正迅速發(fā)展成為背光的首選技術(shù)。

  在歷史上,LCD背光已使用了不同的光源,包括白熾燈、熒光燈和LED。OEM用來決定最適合自己應(yīng)用的背光技術(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括成本、亮度、均勻度、效能、燈的使用壽命、堅(jiān)固性、尺寸、集成度和近來越來越為人們所關(guān)注的環(huán)境因素。

     LED多年來一直是小型LCD背光技術(shù)的首選,尤其是用于手機(jī)、掌上電腦、MP3播放器等對角線小于5英寸以下的手持設(shè)備。對于更大的屏幕尺寸,傳統(tǒng)上,CCFL更加節(jié)約成本,并且一直為大多數(shù)大中型工業(yè)顯示器提供背光。可是,由于日益提高的性能和現(xiàn)在高亮度LED(HB LED)的成本穩(wěn)步下降等因素,它的亮度已經(jīng)可以與用于大型顯示器背光的CCFL媲美,因而向LED的轉(zhuǎn)型正在進(jìn)行中。

  HB LED的優(yōu)勢

  HB LED在背光應(yīng)用中有眾多超越CCFL的重要優(yōu)勢。HB LED能夠提供比CCFL更高的亮度,并且,在正確地集成入系統(tǒng)時(shí),LED背光的使用壽命更長。此外,HB LED可在更廣的溫度范圍內(nèi)高效工作,尤其是在低溫下。在那些很難提供CCFL所需高壓的應(yīng)用中,LED則擁有獨(dú)特的優(yōu)勢,因?yàn)樗鼈兛梢栽诘椭绷麟妷合抡9ぷ?。HB LED的其他優(yōu)點(diǎn)包括單位電能輸入下光輸出越來越高,以及優(yōu)化色域的能力。最后,LED寬廣的調(diào)光能力也是某些應(yīng)用中的一個(gè)重要優(yōu)勢。

  隨著高亮度HB LED的價(jià)格因用量增加而持續(xù)下降,許多專家預(yù)測,HB LED將最終達(dá)到CCFL的同等價(jià)格。這種成本均衡已促使OEM廠商選擇HB LED來用于較大型的顯示器,如GPS系統(tǒng)、便攜式DVD播放器、筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)顯示器以及在工業(yè)中使用的6.5-20.1英寸的LCD。LED也正在用于尺寸從32英寸一直到70英寸的大型平板LCD電視中。表1顯示了LED同其他常用光源的對比。

  掌控均勻度

  當(dāng)將多個(gè)LED用于為較大的LCD提供背光時(shí),LED光源的發(fā)光必 須分散在更大的范圍,重要的是確保每種顏色的亮度和波長保持均勻以避免出現(xiàn)亮點(diǎn)和暗塊。這點(diǎn)對于直接投影的LED背光單元(BLU)尤其關(guān)鍵,哪怕是很小的顏色差異都會(huì)降低顯示屏的均勻度。為了更好地掌控均勻度,每個(gè)背光的各種顏色波長都必須嚴(yán)格匹配,綠色和藍(lán)色為5nm,因?yàn)樗鼈兪莾煞N最重要的顏色。

  LED制造過程中,可能會(huì)出現(xiàn)性能與技術(shù)數(shù)據(jù)表所給出的平均值略有出入的情況?;谶@個(gè)原因,LED制造商根據(jù)光通量、顏色和正向電壓(V1)來分裝元件。亮度和顏色的精細(xì)分裝可以用來獲得較好的一致性。對于亮度來說,1/4分裝以及每個(gè)燈管擴(kuò)譜15%是亮度的標(biāo)準(zhǔn)。

  LED因其具有高亮度、長壽命、色彩均勻和節(jié)約空間等優(yōu)點(diǎn),在越來越多的應(yīng)用中逐步取代了傳統(tǒng)的冷陰極熒光燈(CCFL)。從小型的手機(jī)液晶顯示器(LCD)到大型的70寸液晶電視面板,LED正迅速發(fā)展成為背光的首選技術(shù)。

  在歷史上,LCD背光已使用了不同的光源,包括白熾燈、熒光燈和LED。OEM用來決定最適合自己應(yīng)用的背光技術(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括成本、亮度、均勻度、效能、燈的使用壽命、堅(jiān)固性、尺寸、集成度和近來越來越為人們所關(guān)注的環(huán)境因素。

     LED多年來一直是小型LCD背光技術(shù)的首選,尤其是用于手機(jī)、掌上電腦、MP3播放器等對角線小于5英寸以下的手持設(shè)備。對于更大的屏幕尺寸,傳統(tǒng)上,CCFL更加節(jié)約成本,并且一直為大多數(shù)大中型工業(yè)顯示器提供背光??墒?,由于日益提高的性能和現(xiàn)在高亮度LED(HB LED)的成本穩(wěn)步下降等因素,它的亮度已經(jīng)可以與用于大型顯示器背光的CCFL媲美,因而向LED的轉(zhuǎn)型正在進(jìn)行中。

  HB LED的優(yōu)勢

  HB LED在背光應(yīng)用中有眾多超越CCFL的重要優(yōu)勢。HB LED能夠提供比CCFL更高的亮度,并且,在正確地集成入系統(tǒng)時(shí),LED背光的使用壽命更長。此外,HB LED可在更廣的溫度范圍內(nèi)高效工作,尤其是在低溫下。在那些很難提供CCFL所需高壓的應(yīng)用中,LED則擁有獨(dú)特的優(yōu)勢,因?yàn)樗鼈兛梢栽诘椭绷麟妷合抡9ぷ?。HB LED的其他優(yōu)點(diǎn)包括單位電能輸入下光輸出越來越高,以及優(yōu)化色域的能力。最后,LED寬廣的調(diào)光能力也是某些應(yīng)用中的一個(gè)重要優(yōu)勢。

  隨著高亮度HB LED的價(jià)格因用量增加而持續(xù)下降,許多專家預(yù)測,HB LED將最終達(dá)到CCFL的同等價(jià)格。這種成本均衡已促使OEM廠商選擇HB LED來用于較大型的顯示器,如GPS系統(tǒng)、便攜式DVD播放器、筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)顯示器以及在工業(yè)中使用的6.5-20.1英寸的LCD。LED也正在用于尺寸從32英寸一直到70英寸的大型平板LCD電視中。表1顯示了LED同其他常用光源的對比。

  掌控均勻度

  當(dāng)將多個(gè)LED用于為較大的LCD提供背光時(shí),LED光源的發(fā)光必 須分散在更大的范圍,重要的是確保每種顏色的亮度和波長保持均勻以避免出現(xiàn)亮點(diǎn)和暗塊。這點(diǎn)對于直接投影的LED背光單元(BLU)尤其關(guān)鍵,哪怕是很小的顏色差異都會(huì)降低顯示屏的均勻度。為了更好地掌控均勻度,每個(gè)背光的各種顏色波長都必須嚴(yán)格匹配,綠色和藍(lán)色為5nm,因?yàn)樗鼈兪莾煞N最重要的顏色。

  LED制造過程中,可能會(huì)出現(xiàn)性能與技術(shù)數(shù)據(jù)表所給出的平均值略有出入的情況?;谶@個(gè)原因,LED制造商根據(jù)光通量、顏色和正向電壓(V1)來分裝元件。亮度和顏色的精細(xì)分裝可以用來獲得較好的一致性。對于亮度來說,1/4分裝以及每個(gè)燈管擴(kuò)譜15%是亮度的標(biāo)準(zhǔn)。

  優(yōu)化LED的使用壽命

  LED BLU的正確散熱管理非常重要,因?yàn)殡S著驅(qū)動(dòng)電流和結(jié)溫的升高,LED的效率會(huì)迅速下降,從而降低亮度,縮短LED的壽命。更高的電流將引起結(jié)溫升高,如果不能限制電流,結(jié)點(diǎn)將最終因高溫而發(fā)生故障,這種現(xiàn)象有時(shí)被稱為熱逸散。因此,通常的做法是將LED安裝在金屬PCB上以將LED的熱量快速傳導(dǎo)出去。根據(jù)不同的整體設(shè)計(jì),可能需要對LED的背板實(shí)施直接冷卻(如使用冷卻風(fēng)扇)。

  在LED的使用過程中保持亮度和色彩的一致性也很重要。LED的三種主要顏色(紅、綠和藍(lán))有不同的亮度衰減率。采用閉環(huán)控制系統(tǒng)來保持三種顏色的個(gè)體亮度,是在長時(shí)間和寬工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳亮度和正確色彩平衡的最佳解決方案。一些商用三色光學(xué)傳感器加上適當(dāng)?shù)目刂齐娐肪涂蓪?shí)現(xiàn)這一功能。

  LED制造技術(shù)的進(jìn)步

     用于制造HB LED的半導(dǎo)體技術(shù)是決定最終產(chǎn)品整體性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。常規(guī)的HB LED通常是用碳化硅、藍(lán)寶石或其他材料的襯底制成。這些襯底吸收了LED產(chǎn)生的一些光子,會(huì)降低效率。
   
  迄今為止,HB LED通常采用兩種主要技術(shù)制成:InGaN和AllnGaP(也稱為InGaAIP)。通過這兩種主要技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同的顏色。施加1.8V-2.3V左右的正向電壓,AlInGaP可發(fā)出從綠色(570nm)到血紅色(632nm)的光線。InGaN用來發(fā)出從藍(lán)色(460nm)到寶石綠色(528nm)的光線和基于熒光體的顏色,如白光(通常3250K或通常5600K)。InGaN具有較高的正向電壓,大約在3.2V到3.8V,這主要取決于顏色。

  晶圓被翻轉(zhuǎn)并貼在一個(gè)支撐板上,它含有幾個(gè)能夠提供高反射鏡面的元件。然后,通過剝離將最初的襯底去掉。不同剝離技術(shù)的運(yùn)用,要視襯底為AlInGaP還是InGaN材料而定?;衔锞A采用傳統(tǒng)的金屬化工藝進(jìn)行表面處理,然后被切成單個(gè)LED晶片并進(jìn)行封裝。由此產(chǎn)生的晶粒有一個(gè)發(fā)光層,不會(huì)出現(xiàn)側(cè)面發(fā)光,將效率提升到新的水平。

  使用光導(dǎo)材料

  當(dāng)空間有限時(shí),可以將三色LED和光導(dǎo)材料融入設(shè)計(jì),以適應(yīng)空間的限制,并且將BLU的厚度保持在最低限度。一個(gè)解決方案是歐司朗光電半導(dǎo)體的6引線MULTILED(圖1),其中包含紅色(R,625nm)、寶石綠(G,528nm)和藍(lán)色(B,458nm)三個(gè)薄膜晶片。緊密放置在同一封裝內(nèi)的3個(gè)晶片提供了最佳的顏色混合,而不需要在光導(dǎo)材料中設(shè)置一個(gè)較大的混合區(qū),LED可提供高光學(xué)效率并且延長使用壽(>50000小時(shí))。6引線封裝可讓每種顏色的每個(gè)陰極和陽極與鄰近的LED進(jìn)行電氣串連,簡化了驅(qū)動(dòng)電路。所需的白平衡點(diǎn)可通過調(diào)節(jié)每種顏色的各自驅(qū)動(dòng)電流得以實(shí)現(xiàn)。 

圖1:6引線Multi LED(左)用作19英寸TFT LCD背光

     通過選擇適當(dāng)數(shù)量的LED,尺寸達(dá)到24寸的顯示器可使用側(cè)射光導(dǎo)提供背光。在圖2所示的19英寸顯示器中,154個(gè)6引線MULTILED單元取代了兩個(gè)CCFL,安裝在2個(gè)絕緣金屬襯底(IMS)PCB上。在這個(gè)實(shí)例中,原來的外殼、光導(dǎo)和光學(xué)膜保留下來,無需重新設(shè)計(jì)。

  LCD電視的直接LED背光

     對于LCD電視來說,直接LED背光是首選,因?yàn)樗梢蕴峁└哌_(dá)80%的更高系統(tǒng)效率。一個(gè)直接背光的解決方案是將采用“薄膜”技術(shù)的GoldenDRAGONARGUSLED與一個(gè)專為背光設(shè)計(jì)的透鏡結(jié)合在一起。這種LED的寬輻射特性展示了三基色在大范圍內(nèi)均勻重疊的優(yōu)勢,在最小厚度內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的顏色混合。

  設(shè)計(jì)一個(gè)完整的背光單元,由Golden DRAGON ARGUSLED組成的RGB Quad LED可以有系統(tǒng)地排列成為一個(gè)矩陣。測試結(jié)構(gòu)時(shí),對于間距達(dá)到85mm的QuadLED,BLU的典型高度可實(shí)現(xiàn)35~45mm。

        為了解決與二級(jí)(中級(jí))LCD電視有關(guān)的成本問題,一個(gè)可能的解決方案是使用多熒光體轉(zhuǎn)換的白光LED,以產(chǎn)生超過95%NTSC的色域(美國全國電視督導(dǎo)委員會(huì)設(shè)立的顏色標(biāo)準(zhǔn)),優(yōu)于大多數(shù)CCFL。使用更少的LED可節(jié)約成本(與紅、綠、藍(lán)的混合色[RGB]相比),只需單一驅(qū)動(dòng)通道。優(yōu)質(zhì)一級(jí)電視如SONY70XBR將仍使用RGB,色域大于105%NTSC,但更高的質(zhì)量需要更高的價(jià)格(請參見圖2)。


 
圖2 優(yōu)質(zhì)一級(jí)電視如SONY70XBR將仍使用RGB,色域大于10590NTSC

  向更大LCD的可擴(kuò)展性

     在HB LED繼續(xù)向較大尺寸LCD發(fā)展的同時(shí),LED亮度和效率的不斷提高將會(huì)減少其用量,從而降低提供大尺寸LCD背光的能耗要求,使HB LED在較大尺寸的應(yīng)用中成為更可行的選擇。目前,CCFL仍然是某些背光需求的一個(gè)更具成本效益的解決方案,尤其是在工業(yè)應(yīng)用方面,尚不需要LED的優(yōu)勢。然而,隨著HB LED性能的不斷提高和價(jià)格的持續(xù)下跌,在HB LEDBLU的設(shè)計(jì)中,成本將變得不再是一個(gè)障礙,甚至在工業(yè)應(yīng)用中亦會(huì)如此。

  LED背光大屏幕LCD的其他優(yōu)點(diǎn)

     運(yùn)動(dòng)模糊減少,對比度增強(qiáng)-LED的快速開關(guān)速度將增強(qiáng)液晶顯示器的性能,因?yàn)榭赏ㄟ^“主動(dòng)驅(qū)動(dòng)”來提高亮度的動(dòng)態(tài)范圍和對比度,并減少當(dāng)視頻信息超過液晶的開關(guān)速度時(shí)遇到的“運(yùn)動(dòng)模糊”。這是通過相對于圖像信息來調(diào)節(jié)LED的亮度實(shí)現(xiàn)的,這一點(diǎn)是CCFL很難實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)镃CFL開關(guān)時(shí)間較慢,而且亮度調(diào)節(jié)范圍也有限。
   
     可以預(yù)見,在不遠(yuǎn)的將來,會(huì)出現(xiàn)更快的LCD,它可使用三基色依次逐個(gè)開啟的順序色彩模式。這樣一來,將不再需要在TFT彩色LCD的成本構(gòu)成中占較大比重的彩色濾光片,并可使LEDBLU的系統(tǒng)成本低于配備CCFL顯示屏的背光成本。

  結(jié) 語

     HB LED技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較大尺寸LCD所需的背光亮度和效率的水平,同時(shí)廣泛的色域、亮度均勻度、更長的使用壽命和耐用性也非常重要。HB LED亮度的不斷提高將會(huì)減少BLU所需LED的數(shù)量,減少必要的能耗,同時(shí)增加LCD的整體亮度。隨著HB LED向大用量應(yīng)用領(lǐng)域,如普通照明產(chǎn)品和用到大中尺寸LCD的消費(fèi)品等的市場滲透,它的成本也會(huì)持續(xù)下降。所有的跡象都表明,越來越多的LED將替代CCFL在較大尺寸LCD背光中的應(yīng)用。

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