半戶外液晶顯示用高亮直下式LED背光設(shè)計(jì)
1 引 言
近年來,中大型尺寸的液晶顯示設(shè)備(LiquidCrystal Display,LCD),例如電腦顯示屏、液晶電視等,在平板顯示市場日漸成為主流。由于液晶本身是不發(fā)光的,需要依靠外部光源照射,即背光源來實(shí)現(xiàn)其顯示功能,特別是中大尺寸的液晶顯示,為其提供所有光源的背光源是十分重要的。
液晶用背光源,常見的主要有冷陰極管(CCFL)與發(fā)光二極管(LED)兩種,最初LED主要用于中小尺寸的液晶顯示,例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和PDA等。在中大尺寸的液晶顯示領(lǐng)域,由于亮度和散熱要求較高,傳統(tǒng)上采用CCFL光源,隨著背光技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是LED發(fā)光效率不斷提升,以及對大尺寸液晶背光技術(shù)難度大、運(yùn)用成本高等缺點(diǎn)的不斷克服,LED背光不僅廣泛應(yīng)用于小尺寸液晶,近幾年來已逐漸替代傳統(tǒng)的CCFL,在筆記本電腦、電腦顯示屏、液晶電視等中大型尺寸液晶顯示背光領(lǐng)域嶄露頭角,并有逐漸取代CCFL背光源的趨勢。隨著環(huán)保意識以及用戶對畫質(zhì)要求的不斷提高,具有環(huán)保、色彩還原性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)的固體光源LED 被看好。
采用LED 背光的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是節(jié)能。針對節(jié)能降耗方面的國家標(biāo)準(zhǔn),如能耗等級標(biāo)示等政策的實(shí)施,中大尺寸的液晶電視產(chǎn)品已經(jīng)在這方面進(jìn)行了有益的嘗試。
作為新型平板顯示產(chǎn)品,采用LED背光的液晶顯示設(shè)備,其性能優(yōu)勢毋庸置疑。特別是具有高顯示色域、畫質(zhì)艷麗、節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn),較之CCFL背光的LCD,更容易實(shí)現(xiàn)輕薄化的外觀。采用LED背光的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高色彩飽和度,特別是采用三基色或多色LED混合白光的直下式背光LCD,擁有卓越的顯示畫質(zhì)和更為寬泛的顯色范圍。然而三基色LED背光功耗要遠(yuǎn)高于白光LED,而且在成本上有4~5倍的價(jià)差,目前考慮成本的原因,多采用藍(lán)光芯片加紅綠色熒光粉封裝的新型背光用LED 來取代三基色LED,這種情況下液晶顯示的顏色飽和度可以在NTSC標(biāo)準(zhǔn)的72%~85%范圍,在低成本的同時(shí)擁有優(yōu)于CCFL背光LCD的顯色畫質(zhì)。
本文開發(fā)了一款用于半戶外液晶顯示的117cm(46in)直下式背光結(jié)構(gòu),中心亮度可達(dá)到20 000cd/cm2 以上。具有亮度高、顯色畫質(zhì)高、散熱好、成本低的優(yōu)點(diǎn),為戶外和半戶外液晶展示屏應(yīng)用提供了有力支持。
2 技術(shù)發(fā)展和市場前景
2.1 LED背光技術(shù)的發(fā)展
從結(jié)構(gòu)上分類,液晶背光主要采用側(cè)光式和直下式兩種結(jié)構(gòu)。目前液晶顯示市場正向薄形化發(fā)展,多采用側(cè)光式結(jié)構(gòu),以達(dá)到超薄形設(shè)計(jì)的目的。2009年三星推出側(cè)光式LED背光的超薄液晶電視,自此LED側(cè)背光作為一種新技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于大尺寸液晶顯示。側(cè)光式的背光結(jié)構(gòu)將LED光源側(cè)面放置,可明顯節(jié)省空間,從而較容易實(shí)現(xiàn)輕薄化。但光源在邊側(cè)入光,要實(shí)現(xiàn)正面均勻出光,LED燈條和導(dǎo)光板設(shè)計(jì)的要求也有所提高。同時(shí)側(cè)背光結(jié)構(gòu)不可以采用三基色LED光源來混合白光,以及局部動態(tài)背光控制等技術(shù),使得液晶顯示在色彩還原性能和對比度上表現(xiàn)有所遜色。
對于大尺寸液晶顯示,特別是要求高顯色畫質(zhì)和高亮度性能的大尺寸LCD,側(cè)光式背光源的均勻性和亮度都受到限制,同時(shí)導(dǎo)光板成本和加工難度也隨之增加。因此多采用直下式背光結(jié)構(gòu),其制作工藝較為簡單且不需要導(dǎo)光板,技術(shù)關(guān)鍵在于色彩和亮度均勻性,是目前大尺寸背光源研發(fā)的主流。特別是采用高顯色指數(shù)的白色LED光源的背光,較之側(cè)光式背光在同等亮度下所用LED的數(shù)量要少,排布不太密集以有利散熱,也較易達(dá)到出光均勻的目的。
2.2 LED背光市場前景
照明應(yīng)用和液晶電視背光應(yīng)用是目前LED產(chǎn)業(yè)成長的兩大動力。目前照明占LED產(chǎn)能的比例不是很多,主要還是LED背光液晶電視。水清木華研究中心研究報(bào)告指出,2010年LED市場規(guī)模增長58%,從100億美元增長到158億美元。其中受到LED-TV市場的驅(qū)動,應(yīng)用在液晶電視背光的LED市場規(guī)模從9.6億美元增加到近39億美元。
Trend Force旗下研究部門WitsView 的調(diào)查結(jié)果顯示,2010年各尺寸液晶顯示面板中,66cm(26in)以下中小尺寸液晶屏,以及94cm(37in)以上的較大尺寸液晶顯示屏,使用LED背光的比重達(dá)到20%左右,特別是117cm(46in)、119cm(47in)和132cm(52in)以上的大尺寸液晶電視面板,LED背光的滲透率已在45%左右。預(yù)計(jì)到2014年,LED 將完全取代CCFL。調(diào)查結(jié)果,如圖1所示。
3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
圖2所示為直下式背光結(jié)構(gòu)??梢钥闯?,LED光源位于背光結(jié)構(gòu)的底部,由反射膜的反作用后向上出光,經(jīng)過一定的空間混光距離,再由擴(kuò)散板等光學(xué)薄膜調(diào)制后出光,因此各光學(xué)組件的厚度及LED所需的空間混光距離決定了背光模組的整體厚度。特別是光源及其所需的混光距離,增加了背光結(jié)構(gòu)的厚度,使得采用直下式背光的LCD 外形結(jié)構(gòu)較之側(cè)背光的LCD 要厚重一些。
一般通過使用直下式用的利于光線發(fā)散的透鏡來改善LED陣列的混光效果,在一定程度上減小了背光模組的厚度,使得采用直下式背光的LCD結(jié)構(gòu)薄型化。同時(shí),較之側(cè)背光結(jié)構(gòu)需使用成本較高的導(dǎo)光板,采用直下式結(jié)構(gòu)只需考慮透鏡和擴(kuò)散板成本,且同等亮度下所用LED數(shù)量較少,甚至可以實(shí)現(xiàn)超高亮度的性能要求。因此采用直下式背光結(jié)構(gòu),在成本和能耗上具有明顯優(yōu)勢,特別是對于大尺寸的液晶電視,結(jié)構(gòu)厚重的劣勢更加不明顯,而低成本和低能耗的優(yōu)勢更為突出。
本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款用于半戶外液晶顯示用的高亮度117cm(46in)直下式LED背光源。按照實(shí)際的環(huán)境要求,液晶屏的亮度要求在800~1200cd/m2,考慮背光到液晶屏的光效利用率在5.5%左右,則背光源的亮度要達(dá)到15000~21800cd/m2。如果考慮外加增亮膜,按1.2倍的增亮效果計(jì)算,則背光亮度要求達(dá)到13000~18200cd/m2。
背光源的有效發(fā)光面積為1 040mm ×596mm,考慮產(chǎn)品所需的總體亮度、單燈LED的亮度以及經(jīng)過背光組件后的光效利用率,可以算出所需LED數(shù)量。再使用軟件模擬得出LED陣列的排布方式以及所需的理論混光距離。背光源采用Sharp公司生產(chǎn)的直下式用2828型白光LED,功率在0.45W 左右,典型電流為120mA,發(fā)光強(qiáng)度在30lm左右。另外該款LED采用藍(lán)光芯片加紅綠熒光粉的封裝方式,具有較高的顯色指數(shù),同時(shí)LED的芯片封裝基座為陶瓷材料,易于快速有效地散熱。
在背光有效區(qū)域,LED使用數(shù)量為1008顆,陣列確定為42×24的排布方式,如圖3所示,將整個(gè)LED陣列分成4個(gè)驅(qū)動部分(由此也方便根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)動態(tài)驅(qū)動控制),每個(gè)部分由21顆LED串聯(lián)為一組,然后12組LED再通過并聯(lián)驅(qū)動。經(jīng)過最初的軟件按模擬、樣品測試及調(diào)試,最終確定各LED的排列間距為25mm×25mm,光源陣列的混光距離為25mm。
在LED陣列表面設(shè)置一層對應(yīng)LED排布位置的反射膜,可以正面反射光源出光,使得亮度和出光效率大幅提高。LED陣列出光經(jīng)過反射膜向上反射后,再經(jīng)過一層反射板和反射膜的散射作用,可以得到均勻性較好的光源。如果再加一層雙層增亮膜(DBEF),則可以獲得更好的增亮效果。
此外,為實(shí)現(xiàn)高亮度背光,采用的LED數(shù)量較多,功率高達(dá)450W 以上,容易產(chǎn)生高溫,影響LED光源和液晶屏的正常工作,因此需要較高要求的散熱設(shè)計(jì)。采用的LED光源為陶瓷基座封裝,有利于芯片的有效快速散
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