摘 要:介绍了LED背光源的最新技术进展, 最新设计工艺,并对有关的技术作了说明，并分析了侧光式与直下式LED 背光源工艺设计中应注意的问题, 以及LED背光源相对于CCFL 背光源在大尺寸LCD应用上的优势, 分析结果表明LED背光源将是LCD最理想的背光源。
关键词: 背光源方波信号发生器 侧光式 直下式 导光板
引 言:
近几年来, 液晶显示器(LCD) 的发展突飞猛进, 在平板显示领域的地位举足轻重。背光源是透射式液晶的重要配件, 液晶显示器的亮度、颜、功耗等主要指标严重依赖于背光源的性能。研制高水平的背光源产品, 一直受到国内外液晶行业人士的高度重视。传统上背光源产品有场致发光片(EL)、冷阴极(CCFL)、发光二极管(LED)、白炽灯、荧光灯,以及有机电致发光板(OLED)等,前三种应用较普遍。在各类背光产品中,现阶段技术进展最为突出的是LED背光源在亮度、均匀性、颜、使用寿命、轻、薄等方面较其它背光源产品更有优势, 是目前中小尺寸多及彩LCD应用的主流产品。在中大尺寸TFT-LCD应用上也有尝试, 是未来背光源模组的发展方向之一。 正 文：
1． LED背光源的技术进展
20世纪90年代初, 随着氮化物LED的发明,LED的发光效率有了质的飞跃,而组成白光的重要原蓝光,也在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明。这样整个可见光领域的单LED已经完整, 能够满足各种单发光的应用场所。近两年来又开发出了能够制造白光LED 的理化过程和工艺技术,为实现各种颜LED背光源产品提供了可靠保证。高亮度LED 晶片、导光板成型技术、光学薄膜等新制作技术的发展,加上不断创新的LED 背光模组光学系统设计,以及LED背光的市场巨大需求大大推动了LED背光源技术水平向前发展。东芝公司在其著名的U100笔记本18.2cm液晶屏上,采用了32个LED的独立控制机构来实现背照光系统, 功率却仅有1.3W。Sony公司推出的采用了LED背光源的QUALIA005系列彩电,把液晶电视的域范围扩展到NTSC标准的105%,解决了LCD 饱和度不够的致命缺点。LED背光源的最高亮度可达到8000cd/m2以上,工作寿命10万h, 最小厚度可达1.5mm,最大尺寸为208cm。要提高LCD的亮度，就需要高性能的背光源。
目前用作LCD背光源的多为冷阴极荧光灯(CCFL)。作为LCD背光源之CCFL的放电管管径
只有几毫米，且具有高亮度。但是CCFL的光在其峰值光谱之外，还有许多不需要的光成份，这会引起亮度恶化，并影响LCD的再现；而在LCD中，由光源发出的光是要通过由红、绿、蓝象素构成的LCD板的。其高再现的一个重要条件就是来自LCD象素的光只能有一窄的光谱成份围绕着主波长。为了解决这一问题。就需要开发新型LCD背光源。在这种情况下。LCD用的LED背光源(以下称LED背光源)便应运而生了。
2． LED背光源
LED是一种引人注目的LCD背光源选择，尤其是在以红、绿、蓝LED构成白时，能够改进显示屏前的颜与亮度性能。因此，如果以三原LED作为LCD背光源，可以通过设计得到有三个光谱成份围绕其主波长；并能通过LCD屏亚象素消除其在峰值光谱外的所有光谱， 因而在扩大再现率时，还能实现高亮度，因而在这方面比CCFL更优越。LED 的背光源的工艺设计LED 背光源的工艺过程是将LED 点光源转化为发光均匀的面光源。根据光源分布位置的不同,分为侧光式和直下式两种。
2. 1 侧光式LED背光源
侧光式LED背光源结构紧凑。RGB LED光源分布在导光板侧面,侧光式背光源的结构见图导光板1的作用是将RGB入射光(TIR)进行耦
图1. 侧光式LED 背光源结构
合,形成白光进入导光板2。根据导光板材料与空气的折射率不同,光线反复反射, 不断推进, 最终导光板两侧与中间部位亮度一致。底部的反射膜将未被散射的光源反射再进入光传导区内。光线最终由导光板2正面射出。在光线射出面加上一散射膜,光学参数包括透过率和雾面程度,主要作用为修正光行进的角度,可使射出光线更加均匀。为了修正射出光的指向一致性,还可在正面增加一增亮膜。导光板是侧光式LED 背光模组的重要部件, 入射光的损耗主要发生在导光板材料对光的吸收。实验证明聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)饮料瓶提手是目前最理想的导光板材料, TIR的损耗几乎为0。导光板扩散点的设计一般距光源距离从疏到密。侧光式
背光源发光效率较高,但发光区域受限制,在尺寸超出极限范围时,发光均匀性大大降低。
2. 2 直下式LED背光源
侧光式LED背光源应用在大中尺寸的LCD上时,导光板重量和成本会随着尺寸增加而增加,并且发光均匀性和发光亮度不理想,而直下式LED背光源表现则比较好。直下式背光源工艺相对简单,不需要导光板,是将光源(LED晶片阵列)及PCB 置于背光源底部,光线从LED射出后,通过底部的反射膜,再通过表面的散射板、增亮膜均匀地射出。在底部光源上涂布一层含有散射剂的导光胶,导光胶厚度视腔体高度和导光胶特性而定,主要起两点作用: 提高亮度均匀性，保护LED晶片,提高可靠性。背光源的厚度由反射膜与散射板之间的腔体高度决定。理论上在符合安装要求及发光亮度的前提下,腔体高度越大,光线从散射板射出的均匀性越好。直下式LED背光源的结构见图2。直下式背光源技术关键是控制亮度均匀性,提高发光效率。散射膜与LED光源之间须预留一
图拉丝模激光打孔机2. 直下式背光源结构
定的空间,提高亮度均匀性,故直下式背光源的厚度相对较厚。因光源数量多,发光亮度和功耗均大于侧光式背光源。LED 管芯工作状态下释放出的热能集中在腔体内,在大面积、高亮度的LED背光产品设计时,应考虑模块散热装置。优日LED背光源的工艺设计需考虑的问题
2. 3. 1 耦合效率与背光源薄型化
从RGB LED光源处射出的光需在介质中传播一定的距离才能达到理想的耦合效果,工艺设计主要考虑背光源的空间限制与耦合效率,最终得到亮度均匀性和安装尺寸均符合要求的背光模组。图3～图5为背光模组中设计参数与发光效果的关系。
图3.耦合效率和导光板厚度关系(侧光式) 图4.耦合效率和LED位置关系(侧光式)
2. 3. 2 散热系统设计
LED本身在150oC时不会发生故障,但工作温度变化会引起其电流波动。白LED背光源是由三(RGB)LED颜混合而成,电流的细小变化会导致三种颜混合成分变化,从而引起坐标的飘移。另外,背光源其它组成部分如导光板、封装树脂等受热老化会影响其整体形能。最简单易行的解决途径是在PCB上连接散热片,如图6所示。在电路设计上,由驱动电路对探测所得的数据与预先设定值(工作温度不超过70oC)进行比较,并在超过最大允许值时对光源电流进行调整。另外,减少LED
图5.发光均匀性与背光源腔体高度关系(直下式) 图6.背光源散热途径
晶片数量,增加光源与光源、光源与屏之间的距离,都可有效地降低LED工作温度。在亮度要求较高的情况下,例如液晶电视最低亮度400～500cd/m2,光源密度必定增加,做好颜、均匀性、亮度之间的平衡极为重要。
3．Luxeon型LED背光源及LED背光源的特点
以大功率LED为基础用作LCD背光源并被称为Iatxeon发射体，图7为其剖面。在L发射体中，LED基片的尺寸范围为0.5×0.5mm～2×2mm，具体尺寸则取决于其颜与功率。基片的功率范围为1～5W，并可通过安装的金属热基片将热量向周围传递。通过对封壳的优化，可使基片起到良好的透镜作用，以确保由LED基片发出高光效的光通量。图8是以一种L型发射体为基础的LCD背光源，这种背光源概念有些类似于CCFL型LCD背光源，但在这里以由红、绿、蓝LED构成的基片或阵列取代了CCFL。这些LED以及混
图7.Luxeon式LED型LCD背光源单元(剖面) 图8.以Luxeon式LED为基础的LCD背光源
器被置于光导板后面，并以一180度的镜面与光导板匹配。LED基片或阵列可以被置于光导板的一边、两边或四边。与传统的LCD用LED背光源相比，L型背光源
可以以高得多的电流驱动(前者的工作电流与功率为30—50A，与0.1W，而后者为350mA与1W)，并且具有较高的光效 。
在以红、绿、蓝三LED作为LCD背光源时，对它们发出之三原光进行混，以取得LCD显示所需的白光是十分重要的。最直接的混方法是在光导管中混光，为了减少侧向
尺寸，可以采用双数光导管。为了在紧凑的尺寸上获取最大的混光距离，近来开发出了能够选择方向抽光的楔型光导管(图9)。在这种光导管中，LED光源被置于一边，光线在管子的整个内部，通过多次反射混，并且每次被反射之光的光谱分布都会变窄，而在其相对的一面又置有一能将光分布变宽的反射器，以调节光的分布 。随着光在楔形光管内的反复传送，其分布就会变宽，直到被抽取。
图9.楔型光导管
3.1 LED 背光源与CCFL背光源特点比较
目前大尺寸彩LCD(如手提电脑、液晶电视等)一般选用冷阴极管(CCFL) 作为显示器背光源。CCFL背光源模组工艺成熟,技术稳定,发光亮度高,但CCFL启动时需要有1000V以上的高压,便携式锂电池供电产品中逆变线路(型采DC/AC)部分需占用一定的空间。高频交流工作会
产生严重干扰。另外,冷阴极灯管受震动、冲击易碎裂。相比而言, LED背光源具有彩还原好、省电、寿命长、污染小( 无水银)、可靠性好等优点。使用LED 背光源可使液晶显示器阶提高将近一倍,背光源响应速度大幅提高,在低温环境中工作不受影响。由于LED具有这些优势,越来越多的厂商已着手研制大尺寸的LED背光源。大尺寸LED与CCFL背光源各项技术指标的比较见表1。
表1. 直下式LED 背光源与CCFL 背光源特性对比
背光源类型比较项目 | LED背光源 | CCFL背光源 |
光源形式 | 电光源 | 线光源 |
发光亮度/cd·m-2 | 1000 | 1000 |
工作寿命/h | 100 000 | 20 000 |
NTSC 阶/% | >100 | 70 |
驱动电压 | 直流电压 | 交流电压（600～1000） |
功耗 | 高 | 较高 |
响应速度 | 快 | 慢 |
环保要求 | 符合 | 不符合（含水银） |
模组厚度/mm | 4～6 | 8～12 |
低温启动 | 正常 | 低于15oc左右需启动加热装置 |
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3.2 LED背光源取代CCFL背光源还需解决的问题
除了发光效率和成本问题, LED 背光源其它性能明显优于CCFL背光源。LED 本身的发展极其迅速,发光效率提升相当之快。2005年5月,美国Cree公司宣布其试验阶段产品,用于LCD监视器和电视的LED背光源,亮度300 cd/m管桩2,功耗40W,比传统CCFL背光源(45W)节省了12%。由此看来,LED背光源性能完全超越CCFL背光源指日可待。目前, LED背光源对于对角线为18cm以下的面板价格占优势,而在大尺寸范围价格则是CCFL背光源的4～5 倍,预计随产业规模扩大和工艺成熟,成本问题也会得到解决。
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