LCD背光用LED技術(shù)性優(yōu)勢分析

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，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、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?？墒牵捎谌找嫣岣叩男阅芎同F(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，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)用中的一個重要優(yōu)勢。

　　隨著高亮度HB LED的價格因用量增加而持續(xù)下降，許多專家預(yù)測，HB LED將最終達到CCFL的同等價格。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LED用于為較大的LCD提供背光時，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)亮點和暗塊。這點對于直接投影的LED背光單元（BLU）尤其關(guān)鍵，哪怕是很小的顏色差異都會降低顯示屏的均勻度。為了更好地掌控均勻度，每個背光的各種顏色波長都必須嚴格匹配，綠色和藍色為5nm，因為它們是兩種最重要的顏色。

　　LED制造過程中，可能會出現(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，因為隨著驅(qū)動電流和結(jié)溫的升高，LED的效率會迅速下降，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)點將最終因高溫而發(fā)生故障，這種現(xiàn)象有時被稱為熱逸散。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，可能需要對LED的背板實施直接冷卻（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）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體亮度，是在長時間和寬工作溫度范圍內(nèi)實現(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?shù)目刂齐娐肪涂蓪崿F(xiàn)這一功能。

　　LED制造技術(shù)的進步

用于制造HB LED的半導(dǎo)體技術(shù)是決定最終產(chǎn)品整體性能的一個關(guān)鍵因素。常規(guī)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)并貼在一個支撐板上，它含有幾個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)的金屬化工藝進行表面處理，然后被切成單個LED晶片并進行封裝。由此產(chǎn)生的晶粒有一個發(fā)光層，不會出現(xiàn)側(cè)面發(fā)光，將效率提升到新的水平。

　　使用光導(dǎo)材料

　　當空間有限時，可以將三色LED和光導(dǎo)材料融入設(shè)計，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）和藍色（B,458nm）三個薄膜晶片。緊密放置在同一封裝內(nèi)的3個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）。6引線封裝可讓每種顏色的每個陰極和陽極與鄰近的LED進行電氣串連，簡化了驅(qū)動電路。所需的白平衡點可通過調(diào)節(jié)每種顏色的各自驅(qū)動電流得以實現(xiàn)。

圖1：6引線Multi LED(左)用作19英寸TFT LCD背光

通過選擇適當數(shù)量的LED，尺寸達到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6引線MULTILED單元取代了兩個CCFL，安裝在2個絕緣金屬襯底（IMS）PCB上。在這個實例中，原來的外殼、光導(dǎo)和光學(xué)膜保留下來，無需重新設(shè)計。

　　LCD電視的直接LED背光

對于LCD電視來說，直接LED背光是首選，因為它可以提供高達80%的更高系統(tǒng)效率。一個直接背光的解決方案是將采用“薄膜”技術(shù)的GoldenDRAGONARGUSLED與一個專為背光設(shè)計的透鏡結(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)實現(xiàn)均勻的顏色混合。

　　設(shè)計一個完整的背光單元，由Golden DRAGON ARGUSLED組成的RGB Quad LED可以有系統(tǒng)地排列成為一個矩陣。測試結(jié)構(gòu)時，對于間距達到85mm的QuadLED，BLU的典型高度可實現(xiàn)35~45mm。

為了解決與二級（中級）LCD電視有關(guān)的成本問題，一個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)委員會設(shè)立的顏色標準），優(yōu)于大多數(shù)CCFL。使用更少的LED可節(jié)約成本（與紅、綠、藍的混合色[RGB]相比），只需單一驅(qū)動通道。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)量需要更高的價格（請參見圖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(xù)向較大尺寸LCD發(fā)展的同時，LED亮度和效率的不斷提高將會減少其用量，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格的持續(xù)下跌，在HB LEDBLU的設(shè)計中，成本將變得不再是一個障礙，甚至在工業(yè)應(yīng)用中亦會如此。

　　LED背光大屏幕LCD的其他優(yōu)點

運動模糊減少，對比度增強-LED的快速開關(guān)速度將增強液晶顯示器的性能，因為可通過“主動驅(qū)動”來提高亮度的動態(tài)范圍和對比度，并減少當視頻信息超過液晶的開關(guān)速度時遇到的“運動模糊”。這是通過相對于圖像信息來調(diào)節(jié)LED的亮度實現(xiàn)的，這一點是CCFL很難實現(xiàn)的，因為CCFL開關(guān)時間較慢，而且亮度調(diào)節(jié)范圍也有限。

可以預(yù)見，在不遠的將來，會出現(xiàn)更快的LCD，它可使用三基色依次逐個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)達到了較大尺寸LCD所需的背光亮度和效率的水平，同時廣泛的色域、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減少BLU所需LED的數(shù)量，減少必要的能耗，同時增加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的消費品等的市場滲透，它的成本也會持續(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。