LCD背光用LED技術(shù)性?xún)?yōu)勢分析

led因其具有高亮度、長(cháng)壽命、色彩均勻和節約空間等優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的應用中逐步取代了傳統的冷陰極熒光燈（CCFL）。從小型的手機液晶顯示器（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(lái)決定最適合自己應用的背光技術(shù)的選擇標準包括成本、亮度、均勻度、效能、燈的使用壽命、堅固性、尺寸、集成度和近來(lái)越來(lái)越為人們所關(guān)注的環(huán)境因素。

LED多年來(lái)一直是小型LCD背光技術(shù)的首選，尤其是用于手機、掌上電腦、MP3播放器等對角線(xiàn)小于5英寸以下的手持設備。對于更大的屏幕尺寸，傳統上，CCFL更加節約成本，并且一直為大多數大中型工業(yè)顯示器提供背光?？墒?，由于日益提高的性能和現在高亮度LED（HB LED）的成本穩步下降等因素，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的轉型正在進(jìn)行中。

　　HB LED的優(yōu)勢

　　HB LED在背光應用中有眾多超越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時(shí)，LED背光的使用壽命更長(cháng)。此外，HB LED可在更廣的溫度范圍內高效工作，尤其是在低溫下。在那些很難提供CCFL所需高壓的應用中，LED則擁有獨特的優(yōu)勢，因為它們可以在低直流電壓下正常工作。HB LED的其他優(yōu)點(diǎn)包括單位電能輸入下光輸出越來(lái)越高，以及優(yōu)化色域的能力。最后，LED寬廣的調光能力也是某些應用中的一個(gè)重要優(yōu)勢。

　　隨著(zhù)高亮度HB LED的價(jià)格因用量增加而持續下降，許多專(zhuān)家預測，HB LED將最終達到CCFL的同等價(jià)格。這種成本均衡已促使OEM廠(chǎng)商選擇HB LED來(lái)用于較大型的顯示器，如GPS系統、便攜式DVD播放器、筆記本電腦、臺式機顯示器以及在工業(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(cháng)保持均勻以避免出現亮點(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(cháng)都必須嚴格匹配，綠色和藍色為5nm，因為它們是兩種最重要的顏色。

　　LED制造過(guò)程中，可能會(huì )出現性能與技術(shù)數據表所給出的平均值略有出入的情況?；谶@個(gè)原因，LED制造商根據光通量、顏色和正向電壓（V1）來(lái)分裝元件。亮度和顏色的精細分裝可以用來(lái)獲得較好的一致性。對于亮度來(lái)說(shuō)，1/4分裝以及每個(gè)燈管擴譜15%是亮度的標準。

優(yōu)化LED的使用壽命

　　LED BLU的正確散熱管理非常重要，因為隨著(zhù)驅動(dòng)電流和結溫的升高，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溫升高，如果不能限制電流，結點(diǎn)將最終因高溫而發(fā)生故障，這種現象有時(shí)被稱(chēng)為熱逸散。因此，通常的做法是將LED安裝在金屬PCB上以將LED的熱量快速傳導出去。根據不同的整體設計，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(guò)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）有不同的亮度衰減率。采用閉環(huán)控制系統來(lái)保持三種顏色的個(gè)體亮度，是在長(cháng)時(shí)間和寬工作溫度范圍內實(shí)現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)傳感器加上適當的控制電路就可實(shí)現這一功能。

　　LED制造技術(shù)的進(jìn)步

用于制造HB LED的半導體技術(shù)是決定最終產(chǎn)品整體性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。常規的HB LED通常是用碳化硅、藍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(chēng)為InGaAIP）。通過(guò)這兩種主要技術(shù)可以實(shí)現不同的顏色。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(xiàn)。InGaN用來(lái)發(fā)出從藍色（460nm）到寶石綠色（528nm）的光線(xiàn)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(guò)剝離將最初的襯底去掉。不同剝離技術(shù)的運用，要視襯底為AlInGaP還是InGaN材料而定?；衔锞A采用傳統的金屬化工藝進(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 )出現側面發(fā)光，將效率提升到新的水平。

　　使用光導材料

　　當空間有限時(shí)，可以將三色LED和光導材料融入設計，以適應空間的限制，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體的6引線(xiàn)MULTILED（圖1），其中包含紅色（R,625nm）、寶石綠（G,528nm）和藍色（B,458nm）三個(gè)薄膜晶片。緊密放置在同一封裝內的3個(gè)晶片提供了最佳的顏色混合，而不需要在光導材料中設置一個(gè)較大的混合區，LED可提供高光學(xué)效率并且延長(cháng)使用壽（>50000小時(shí)）。6引線(xiàn)封裝可讓每種顏色的每個(gè)陰極和陽(yáng)極與鄰近的LED進(jìn)行電氣串連，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電路。所需的白平衡點(diǎn)可通過(guò)調節每種顏色的各自驅動(dòng)電流得以實(shí)現。

圖1：6引線(xiàn)Multi LED(左)用作19英寸TFT LCD背光

通過(guò)選擇適當數量的LED，尺寸達到24寸的顯示器可使用側射光導提供背光。在圖2所示的19英寸顯示器中，154個(gè)6引線(xiàn)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(lái)的外殼、光導和光學(xué)膜保留下來(lái)，無(wú)需重新設計。

　　LCD電視的直接LED背光

對于LCD電視來(lái)說(shuō)，直接LED背光是首選，因為它可以提供高達80%的更高系統效率。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(zhuān)為背光設計的透鏡結合在一起。這種LED的寬輻射特性展示了三基色在大范圍內均勻重疊的優(yōu)勢，在最小厚度內實(shí)現均勻的顏色混合。

　　設計一個(gè)完整的背光單元，由Golden DRAGON ARGUSLED組成的RGB Quad LED可以有系統地排列成為一個(gè)矩陣。測試結構時(shí)，對于間距達到85mm的QuadLED，BLU的典型高度可實(shí)現35~45mm。

為了解決與二級（中級）LCD電視有關(guān)的成本問(wèn)題，一個(gè)可能的解決方案是使用多熒光體轉換的白光LED，以產(chǎn)生超過(guò)95%NTSC的色域（美國全國電視督導委員會(huì )設立的顏色標準），優(yōu)于大多數CCFL。使用更少的LED可節約成本（與紅、綠、藍的混合色[RGB]相比），只需單一驅動(dòng)通道。優(yōu)質(zhì)一級電視如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(jiàn)圖2）。

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

向更大LCD的可擴展性

在HB LED繼續向較大尺寸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)應用方面，尚不需要LED的優(yōu)勢。然而，隨著(zhù)HB LED性能的不斷提高和價(jià)格的持續下跌，在HB LEDBLU的設計中，成本將變得不再是一個(gè)障礙，甚至在工業(yè)應用中亦會(huì )如此。

　　LED背光大屏幕LCD的其他優(yōu)點(diǎn)

運動(dòng)模糊減少，對比度增強-LED的快速開(kāi)關(guān)速度將增強液晶顯示器的性能，因為可通過(guò)“主動(dòng)驅動(dòng)”來(lái)提高亮度的動(dòng)態(tài)范圍和對比度，并減少當視頻信息超過(guò)液晶的開(kāi)關(guān)速度時(shí)遇到的“運動(dòng)模糊”。這是通過(guò)相對于圖像信息來(lái)調節LED的亮度實(shí)現的，這一點(diǎn)是CCFL很難實(shí)現的，因為CCFL開(kāi)關(guān)時(shí)間較慢，而且亮度調節范圍也有限。

可以預見(jiàn)，在不遠的將來(lái)，會(huì )出現更快的LCD，它可使用三基色依次逐個(gè)開(kāi)啟的順序色彩模式。這樣一來(lái)，將不再需要在TFT彩色LCD的成本構成中占較大比重的彩色濾光片，并可使LEDBLU的系統成本低于配備CCFL顯示屏的背光成本。

　　結 語(yǔ)

HB LED技術(shù)已經(jīng)達到了較大尺寸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(cháng)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的數量，減少必要的能耗，同時(shí)增加LCD的整體亮度。隨著(zhù)HB LED向大用量應用領(lǐng)域，如普通照明產(chǎn)品和用到大中尺寸LCD的消費品等的市場(chǎng)滲透，它的成本也會(huì )持續下降。所有的跡象都表明，越來(lái)越多的LED將替代CCFL在較大尺寸LCD背光中的應用。