中心議題：

• 探討大尺寸TFT-LCD的LED背光技術

解決方案：

• 利用大功率RGB LED
• 將光線盡可能的向各方向發散和反射到LCD 麵板上

1 前言

LCD 是被動發光器件
， 本身是不發光的， 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）電致發光背光。

其中， EL 背光係統由於在工作過程中亮度會逐漸衰減， 限製了它的運用
， 現在主要用於中小型的LCD上。CCFL 背光係統由於其體積小、壽命長、亮度高和工作電流低等優點
， 是當前LCD 背光係統的主要選擇
；LED 背光係統則由於發光功率比較低
， 長期以來隻能應用在小尺寸的LCD 當中。然而， 由於LED 背光係統本身具有CCFL 無法比擬的優點， 比如： 色彩還原好、省電
、壽命長
； 另外由於LED 背光不含汞蒸汽， 對環境的汙染也少
， 加上大功率LED 的出現， 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， 文獻報道稱其可以達到NTSC 的105%
，而一般的CCFL 背光則隻能達到NTSC 的70%, 如圖1 所示。

因此利用LED 作為LCD 的背光， 色彩將更加鮮豔。鑒於LED 背光技術的諸多優點， 在過去的幾年中，已經有許多公司和研究機構報道了各種高亮度的LED應用於大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術。

2 LED 背光技術

LED 背光技術主要分為直下式背光結構和側式背光結構兩種， 直下式背光由許多LED 均勻分布在顯示區域後麵， 加上反射腔和擴散膜等共同作用
， 得到亮度均勻的平麵發光效果； 側式背光則由多個LED 排成一排形成線光源， 經過導光體、反射膜、擴散膜形成均勻發光麵。以前由於單個LED 的功率比較低， 如果要將LED 用於大尺寸的LCD, 需要很多LED 才能達到要求的亮度。近幾年來， 由於大功率LED 的出現， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的運用取得了長足的進步， 其中大部分都是采用側式結構。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 發出的光複合產生白光；（ 2） 白光LED 背光單元則直接利用白光LED 產生的白光。

2.1 大功率RGB LED 複合成白光

圖2 是2001 年荷蘭飛利浦照明係統公司開發的利用RGB 複合成白光的18in 背光係統的示意圖。

該背光單元中
， 上下兩側有兩列LED（ LEDs A 和LEDs B） , RGB LED 是按照等間隔排列的。RGB LED發出的光從側邊經過兩個導光腔（ light pipe A
、B） 傳播到LCD 麵板的底下， 經過特征提取（ 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） 開發出應用於18.1in XGATFT- LCD的背光單元

， 其色彩還原性和亮度分別達到了95% 和400 cd/m2
，之後在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 作為混色導光板的材料---這種材料可以使光在導光板傳播過程中的損耗幾乎為0, 開發出用在15in 的TFT- LCD 的背光係統， 其效率達到50%, 色坐標穩定在Δu''''v''''~0.01, 而且該背光係統很容易改造成適用於10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。

由於這種側式的背光係統僅僅放在顯示區域的兩側， 為了盡可能的把光引到LCD 的顯示區域， 上麵這幾種代表產品都采用了導光板。盡管這樣， 光還是不可能很均勻的分布在LCD 的顯示區域。LumiledsLighting 公司一些科學家采用側式與直下式相結合的方法
， 開發出了適用於22in 的16 ∶9 的TFT- LCD- TV的新型背光係統， 其結構如圖3 所示。

該背光尺寸達到503×282mm, 厚度是50mm,總共含有48 個LEDs, 值得一提的是這裏的LED 采用了特殊的結構。如圖4 所示
， 在LED 上麵有個漏鬥型的光分流器， 其表麵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， 在光腔底麵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散和反射到LCD 麵板上麵
， 從而得到均勻的亮度， 而且效率達到了70%.

但是這種結構的LED 的背光的厚度比較大
， 達到了50 mm.三菱公司在2004 年開發出了一種不采用導光板， 用於22inTFT- LCD 的RGB LED 背光係統
，其結構如圖5 所示。兩側是大功率的RGB LED 光源，光經過反射鏡或者直接經過棱鏡進入到光學腔裏麵，這個光學腔的側麵和底麵由一係列高反射率的反射鏡組成， 光經過這些反射鏡被反射到LCD 麵板， 在光學腔的上麵是一層薄的擴散膜
， 其作用是為了使照射到LCD 麵板的RGB 光混合均勻
， 另外一個作用是它有助於得到亮度均勻的光。該背光係統的厚度僅為30mm, 平均亮度是540cd/m2.亮度均勻性到達72%, 色坐標則穩定在0.005。

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, 也就是將發紅、綠
、藍光的芯片做在同一個LED 上麵
， 如圖6 所示。

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采用100 個multi- LEDS, 同樣是排成兩列的側式結構， 其結構如圖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 散發的熱傳導到鋁片。LED 上麵是導光腔
， 導光腔的底麵有個印有散光的圖案， 能夠盡可能分散光， 另外在最上麵還有擴散膜和亮度增強膜
， 得到的用於17inTFT- LCD的背光膜組， 其厚度隻有16 mm.該背光單元的亮度達到2400cd/m2. 亮度均勻性在85%以上， 而且色坐標穩定性在Δu''''v'''' 小於0.003。

盡管LED 背光有色彩還原性好這個優點， 但是在低灰度等級的時候， 由於液晶本身存在漏光現象
， 這時如果LED 還是維持在高亮度的情況下
， 將導致漏光非常嚴重， 從而降低了對比度。2005 年日本日立公司開發出一種RGB 顏色可以控製的背光係統（ RGB colorcontrol sys tem,RCCS） .利用RCCS 製成的背光單元
， 顯示出來的顏色不但可以由液晶分子本身的旋轉角度來控製， 而且還可以通過每一種顏色的背光發光亮度來控製
， 從而減少了傳統的LED 背光在高亮度下的漏光現象， 達到了提高對比度的目的。

在圖8 中
， 左邊是傳統的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色是"0", 但是由於藍色的LED 是一直工作在最高亮度下的， 加上液晶分子本身漏光， 導致了對比度的降低。而在右邊的RCCS 背光單元中， 當如果要求藍光為"0"的時候， 可以通過將藍色的LED 關閉， 從而減少漏光來提高對比度。

2.2 白光LED 的背光係統

由RGB LED 發出的光混合成白光的LED 背光係統

， 這種技術無法將RGB 光混和得非常均勻。2005年， 韓國的Dankook 大學開發出了用在2.4in LCD 的背光單元
， 該背光單元是利用3 個白色的LED 作成的側式背光， 這個背光的示意圖見圖9。

在LED 下麵是反射鏡， 上麵則是散射圖案， 將LED 發出的光散射到各個方向
， 並經過下麵的反射鏡反射進入導光板， 然後反射到LCD 上麵。得到的亮度均勻性達到了84.2%[8 ].隨著人們對白光LED 的研究繼續深入， 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無法比擬的優勢， 但是目前還有一些因素阻礙著LED 背光源技術的迅速普及：

（1）其價格相當昂貴， 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） 在散熱方麵也是LED 背光急待解決的難點之一， 高功耗不符合目前環保理念， 這需要LED 在材料
、工藝等方麵進行改進。

4 LED 背光前景

盡管LED 背光離成為主流產品還有一段距離， 但是隨著LED 在材料和工藝方麵的不斷改進

， 光效率的不斷提高
， 它在相關領域將有很大的應用前景， 比如：

LED 照明、背光等。鑒於TV 產品對於色彩飽和度（NTSC）要求較高， 而LED 背光在色彩飽和度方麵是傳統背光源CCFL 無法相比擬的， 當前液晶界的相關主要廠商， 如韓國的LG- Philips
、三星
， 日本的夏普、索尼， 以及台灣的友達、奇美等都把采用LED 背光的大尺寸TV 視為未來TFT- LCD TV 的關鍵技術之一。

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， 之後三星於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產品。
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比起白光LED 背光係統， RGB LED 在色彩飽和度方麵更有優勢， 隨著LED 背光成本的不斷降低， 對顯示效果要求越來越嚴格的大尺寸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 結論

綜上所述
， 由於LED 背光單元具有色彩還原性好等諸多優點， 它能克服液晶顯示器色彩飽和度差的先天不足的缺陷。當前LED 背光主要有側式結構和直下式結構
， 而側式結構可製作出更薄的背光單元。另外LED 背光源既可采用RGB LED 經過混和成白光
， 也可采用白光LED 來製作
， 而采用高功率的RGB LED作為背光源的色彩將會更加鮮豔。因此對於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。