LED背光源在LCD上的應用：

　　1前 言

　　在目前的平板顯示（FED）器件中LCD顯示器件據主流地位，而在現有的LCD器件中，大多數是透射型的。對于這些透射型的LCD器件來說，背光源是它們不可缺少的組成部分。

　　在LCD背光源中，雖然冷陰極熒光燈（CCFL）目前占據著統治地位，但LED具有寬色域、白點可調、高調光率及長壽命等優點，故近來被開發為新型的LCD背光源，井已在一些臺式LCD監視器以及LCD電視中得到應用。

　　LCD用LED背光源（以下簡稱為LED背光源）是一種新型的背光源技術，其種類很多，但是在LCD器件中尚未得到普遍應用，因為還有技術問題或成本方面的問題有待于解決。對于一些較為實用的LED背光源，本文將在后面的段落中加以介紹。

　　2 靜態照明LCD背光源

　　提高光效，從而提高屏輸出光與光源輸出光的比例是改進LCD背光源的一個重要途徑。靜態照明LCD背光源便是其中的一種，其主要原理是使LCD的每個亞象素只通過與其相應的色元件進行照明（圖1），從而省去了濾色器，提高了光效。

　　2.1 結 構

　　在具有靜態照明背光源的LCD中，像素層下面裝有一微透鏡陣列，并且使每一個像素下均對應一個微透鏡。這里采用的背光源照明系統是三原色直視背光源，每種顏色的光源均在與之對應的亞象素上成像，井經由投影透鏡投射在顯示屏上。

　　為了在顯示屏上取得足夠的亮度，并且提高顯示的均勻度：在本LCD器件中采用了光折射元件與總內部反射器（TIR）楔形光導板，光導板內具有合適的折射層。

　　靜態照明背光源通常采用紅綠藍三根CCFL。最近研發的靜態背光照明LCD采用了LED作為其背光源。

　　2.3 靜態照明的LCD背光源特性

　　在具有靜態背光源LCD器件中，由TIR楔形光導管輸出的光分布角為70°～90°。使用這種背光源消除了因濾色層造成的光損失（省去了濾色層之故），而使器件的透射率達到了傳統LCD的三倍。同時，這種背光源又能使器件的結構得到簡化，并且能夠降低功耗。

　　為了進一步減少光源的光損失，改進光的分布角度消除因使用汞產生的環境污染問題，以LED取代CCFL作為器件的背光源成了靜態照明LCD背光源的發展趨勢。目前已在33cm對角線的XGA級分辨率的LCD器件中成功地采用了LED靜態照明背光源。因這種器件的功耗大大降低了，故非常適合作高亮度的應用。

　　3 反饋型LED背光源

　　采用紅綠藍色光的LED作為LCD背光源可以獲得優異的色質，降低功耗，避免使用汞造成的環境污染，需要控制白光的色溫，以取得足夠長的壽命。

　　最近開發了一種以紅綠藍光LED為光源，采用了色傳感器與反饋控制器的反饋式LCD背光源。利用這種背光源，現已取得了《0.02的色穩定性與持續的亮度穩定性，并且還可以利用其任意控制器件的白色點與亮度。

　　3.1 結 構

　　反饋式LED背光源系統是由四個主要的功能模塊組成，它們是具有濾色層的傳感器，反饋控制器，脈寬調制（PWM）LED驅動器以及紅綠藍lux-eonTM型LED光源陣列元件。

　　3.1.1LED光源

　　此處的LED光源所使用的LED為luxeon式氮化銦鎵（InGaN）的藍光管與綠光管以及磷化鋁銦鎵的（AllnGaP）紅光管，它們都是大功率高效型的。圖5是這些LED背光源的發射光譜線性能，圖6是在其溫度為85℃時的典型壽命性能。這種背光源具有很低的動態電阻，以PWM恒定電流驅動，光源的光輸出正比于PWM的脈寬。這種光源具有色域寬，色品度可調及環保的優點。

　　3.1.2 傳感器

　　這里使用的傳感器是由具有濾色層的三只裝在一個元件中的光電二極管及其具有互相阻抗放大的印刷電路板組成。傳感器的濾色層具有CIE193lXyzCMFs近似值。利用這種傳感器，可以獲取測量輻射功率的輸出電壓。在將所獲取的電壓饋送到控制器之前，該電壓會被系統平均化。

　　3.l.3 LuxeonTM型驅動器

　　這種驅動器是一個能升降輸入電壓的開關電源。它是由一個開關式電壓——電流放大器以及必要的電路組成，能夠對用于LCD系統的600Hz高頻PWM進行預處理。為了不引起過量的電磁干擾、功率損失與抬高成本，本驅動器上無反饋回路。

　　3.1.4 反饋控制器

　　反饋控制器由三部分組成，即色控制器、占空因數控制器與光強度控制器。色控制器具有一靈敏集成陣列，用于補償來自傳感器的輸出誤差，從而保持了輸出色度的恒定。光強度控制器的核心為一敏感矩陣，該矩陣具有把傳感器輸出向LED電流占空因素轉換的功能，并使輸出亮度與溫度的關系以及色度在任何時候都保持不變，這可以從測量中得到。

　　3.2 特 性

　　采用反饋型LED背光源，可使LED器件在25℃～70℃的溫度范圍中，取得《0.003A△u’v’的色漂移，并可以得到可接受的色穩定性：在處理光反饋信號時，不需要有大的預處理功率。此外，如前文所述，這樣做還有色域與環境保護的好處。

　　4 新型光導板結合式LED背光源

　　如果在LCD背光源系統中采用高亮度紅綠藍光LED就需要有混色裝置，以在光源的光到達LCD板前進行混色。在傳統的LCD背光源中，混色是以獨立于光軸抽取結構（白色涂層或微透鏡）的光導極中進行的。為了照亮整個顯示區，就得采用兩塊光導板，這會使背光源變得又重又厚，并且還會產生光導板的亮度與色度難以匹配等缺點。

　　為了克服上述缺點，荷蘭近來開發一種新的LED背光源，它將分離的混色光導板與傳統的光抽光導板結合在一起。

　　4.1 結合式LED背光源的結構與工作原理

　　背光源是由LED光源①、第一橢圓鏡面②、混色光導板③、第二橢圓鏡面④、反射膜⑤、主光導板⑥、校準與偏振控制膜⑦、框架⑧與散熱片⑨組成。這些部分在圖7與圖8中，均以上述編號表示。

　　工作時，由LED光源①發出的光經第一橢圓②作90°的反射，耦合人混色光導板③，光經混色光導板混合成相應的白光后，再被耦合入第二橢圓④作90°反射，進入主光導極⑥。主光導板具有屏象素圖案，該圖案是為LED光源的光分布而作了優化的。來自第二橢圓鏡面的光經主光導板射向LCD板。

　　為了進一步改進色均勻度，在主光導板的光進入一邊還配備了一條微棱鏡，它的作用是增加光的角分布，從而改進光色的混合。

　　在橢圓鏡面上制以高反射率的鋁膜，并采用了高反射率的線條，以提高反射率。橢圓鏡面使LED所發光的光學軸作了相對于光導平面90°的旋轉，因而使本背光源的結構變得更加緊湊。

　　4.2性能與優點

　　本文中的光導板結合式LED背光源對角線為38cm，具有34只luxeomTM型LED，管子的節距為9mm，驅動功率為45W。利用這種LED背光源，已取得了4300cd/m2的峰值亮度。

　　新型光導板結合LED背光源有以下幾個優點：

　　●重量輕，厚度薄，堅固耐用；

　　●與現存的背光源技術與制造機制兼容；

　　●可以與各種光導板，甚至包括具有預制象素圖案的平面屏以及具有微往面透鏡結構的楔形光導板結合；

　　●適用屏的尺寸范圍較大（25.4cm-5lcm），而LED的節距與光導板的長度卻可以保持不變；

　　●其每個LED的輸出光通可以穩定地增加，從而可以在不增加LED數量與減少LED節距的情況下達到給定的亮度；

　　●可以通過加長光導板長度，較容易地改進混色性能。

　　5 高亮度直接型LED背光源

　　本LED背光源是一種邊光式背光源。作為邊光式背光源，它具有以下三個特點：

　　●其發光面可以沿其光學軸作360°發射；

　　●可以用較薄的鏡片覆蓋較大的面積；

　　●可以用簡單的結構進行混色。

　　先前的邊光LCD用背光源存在著以下一些缺點：

　　●因為光導板是用丙烯酸制作的，因而用于大尺寸的LCD電視（LCD—TV）時，會使其重量加大，并使成本增加；

　　●抑制與吸收紫外線；

　　●在用于彩色顯示時，難以將大功率紅綠藍LED用在直接背光源中。

　　為了解決上述問題并提高LED背光源的性能。美國與日本、荷蘭以及馬來西亞合作，研發了一種新穎的高亮度直接型邊光式LCD-TV用LED背光源。在這種背光源中，不用光導板，而是通過在LCD板后面的空腔中放置LED陣列代替之。采用這種LED背光源，可以做到在保持良好的光效時，能夠較好地控制亮度與顏色的均勻性。

　　5.1 結構與工作原理

　　高亮度直接LED背光源是由以下幾部分組成的：

　　（1）安裝在金屬芯印刷電路板上的兩條由48只LED組成的線式陣列；

　　（2）裝有上述LED陣列的金屬盒，在盒的內表面涂有一層擴散反射膜，移動該膜后面的LED非發光面，可以減少對光線的再吸收，從而取得高光效；

　　（3）位于LED陣列上方的換向器，其作用是防止LED在朝向屏的路徑上脫離軸光線。換向器可以做得很小，例如6mm，以阻止屏蔽對LCD屏的影響，因為這種影響會波及到LCD的亮度。由于換向器的尺寸有所不同，故它對發自LED的光有6%～40%的影響。同時，如果將換向器做得很小，便可使LED陣列置于一普通而簡明的空腔內。只要調節換向器，便可取得所需的高亮度特性；

　　（4）在上述金屬盒內表面涂擴散發射膜，該膜可以取得30%～40%的反射率；

　　（5）位于LCD之間的亮度增強膜，用以增加屏的亮度；

　　（6）位于LCD板后面的朗伯反射空腔，其側壁為鏡面。由LED陣列發射的光，有80%是在垂直于光軸±20°以內，在36O°方位上被射入反射腔內的。當光線有效地進入背光源孔時，其自由路徑達到最大化，而在采取了適當的LED節距時，就可于緊靠LED陣列正上方的各個方向上取得良好的混色。在LED正上方朝向屏區只有約5%的光。為了將LED正上方的色影響減到最小，利用換向器使光線改向，返回LED與朗伯空腔，使這部分光線的平均行程增加，因而產生了附加混色，降低了在LED正上方的色影響。

　　5.2 應用與特征

　　美、日、荷、馬四國開發的高亮度直接LED背光源是用于屏對角線為56cm之LCD-TV的，其尺寸為503mm×282mm。它具有兩個由48只LED組成的邊光陣列，兩陣列的間距為150mm，其中的LED間距為9mm。所用的LED中，24只紅光LED的總光通量為1039lm，48只綠光LED的總光通量為2436lm，24只藍光LED的總光通量為109lm。所有LED的驅動電流為350mA。當室溫下的白點色溫為9000K時，光效為33.2lm/W。在不使用亮度增強膜時，此背光源可取得5000cd/m2以上的高亮度：若使用亮度增強膜，則可以取得10000cd/m2的亮度。當將這種LED背光源用于LCD板透射率為5%的LCD-TV時，可使后者具有500cd/m2的亮度。這種背光源與采用了這種背光源的LCD-TV之性能見表1。

　　6結束語

　　LCD-TV市場的迅速發展，極大地刺激了LCD背光源的研究與開發。由于LCD用的LED背光源具有壽命、色域、調率等性能及環保方面的優勢，因而成了倍受青睞的新一代LCD背光源，目前正在蓬勃地發展著。LED背光源的發展方向是功耗與成本更低、光致更高、壽命更長、更亮與更薄更輕。隨著微機械、微電子及材料科技的進步，必將會有更多朝著上述發展方向的新型LCD用的LED背光源問世。

　　什么是 TFT LCD：

　　TFT（Thin Film Transistor）LCD即薄膜場效應晶體管LCD，是有源矩陣類型液晶顯示器（AM-LCD）中的一種。

　　和TN技術不同的是，TFT的顯示采用“背透式”照射方式——假想的光源路徑不是像TN液晶那樣從上至下，而是從下向上。這樣的作法是在液晶的背部設置特殊光管，光源照射時通過下偏光板向上透出。由于上下夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導通時，液晶分子的表現也會發生改變，可以通過遮光和透光來達到顯示的目的，響應時間大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的對比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，故TFT俗稱“真彩”。

　　相對于DSTN而言，TFT-LCD的主要特點是為每個像素配置一個半導體開關器件。由于每個像素都可以通過點脈沖直接控制。因而每個節點都相對獨立，并可以進行連續控制。這樣的設計方法不僅提高了顯示屏的反應速度，同時也可以精確控制顯示灰度，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。

　　目前，絕大部分筆記本電腦廠商的產品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于筆記本電腦的制造。盡管在當時TFT相對于DSTN具有極大的優勢，但是由于技術上的原因，TFT-LCD在響應時間、亮度及可視角度上與傳統的CRT顯示器還有很大的差距。加上極低的成品率導致其高昂的價格，使得桌面型的TFT-LCD成為遙不可及的尤物。

　　不過，隨著技術的不斷發展，良品率不斷提高，加上一些新技術的出現，使得TFT-LCD在響應時間、對比度、亮度、可視角度方面有了很大的進步，拉近了與傳統CRT顯示器的差距。如今，大多數主流LCD顯示器的響應時間都提高到50ms以下，這些都為LCD走向主流鋪平了道路。

　　LCD的應用市場應該說是潛力巨大。但就液晶面板生產能力而言，全世界的LCD主要集中在中國***、韓國和日本三個主要生產基地。亞洲是LCD面板研發及生產制造的中心，而臺、日、韓三大產地的發展情況各有不同。

　　目前主流的TFT面板有a－Si（非晶硅薄膜晶體管）、TFT技術和LTPS TFT（低溫復晶硅）TFT技術。

　　在a-Si方面，三個生產基地的技術各有千秋。日本廠商曾經研制出分辨率高達2560×2048的LCD產品。因此，有些人認為，a－Si TFT技術完全可滿足高分辨率的產品需要，但是，由于技術的不成熟，它還不能滿足高速視頻影像或動畫等的需要。LTPS TFT相對可以節約成本，這對于TFT LCD的推廣有著重要意義。目前，日本廠商已經有量產12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中國***已開發完成LTPS組件制造技術與LTPS SXGA面板技術。韓國在這方面缺少專門的設計人員和研發專家，但像三星等主要企業已經推出了LTPS產品，顯示出韓國廠商的實力。不過，目前LTPS技術尚不成熟，產品集中在小屏幕，而且良品率低，成本優勢尚無從談起。

　　與LTPS相比，a-Si無疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a－SiTFT投資策略上幾乎都以第三代LCD產品為主，通過制造技術及良品率的改善來提高產量，降低成本。日本一直走高端路線，其技術無疑是最先進的。由于研發力量有限，***的a-Si TFT技術主要來自日本廠商的轉讓，但由于***企業一般屬于勞動密集型，技術含量價低，以生產低端產品為主。韓國在a-Si方面有著強大的研發實力，比如三星公司就量產了全球第一臺24寸a-Si TFT LCD—240T，它的響應時間小于25ms，可以滿足一般應用需要；而可視角度達到了160度，使得LCD在傳統弱項上不輸給CRT。三星240T標志著大屏幕TFT LCD技術走向成熟，也向世人展示了韓國廠商的實力不容置疑。

　　TFT-LCD的市場分析

　　TFT-LCD 是有源矩陣液晶顯示器（AM LCD）的典型代表，其研究最活躍、發展最快、應用增長也最迅速，在筆記本電腦、攝像機與數字照相機監視器等方面的應用獨領風騷，另外，它在地理信息系統以及飛機座艙、便攜式DVD、臺式電腦和多媒體顯示器等方面都得到很好的應用。彩色TFT-LCD的構思最初由美國人（西屋公司）于1972年提出、日本東芝公司在1982年率先實現這一技術的規模生產，但那時的生產技術還不成熟。自1993年日本掌握了TFT-LCD生產技術以來，分辨率已由CGA （320 * 200）發展到今天的UXGA （1600 * 1200），基片尺寸也已有第一代的240 * 270-32O * 400mm2發展到2001年日本夏普、韓國三星電子和LG-Philips公司分別上馬的第七代的1350 * 1700 mm2。目前，TFT-LCD的應用主要在小尺寸的移動電話市場、中型尺寸的掌上電腦與筆記本電腦市場、大型尺寸的液晶顯示監視器和液晶電視市場等五個方面。2005年TFT-LCD將被主要應用于顯示器（39%）、筆記本電腦（25%）、手機（16%），液晶電視（10%）， PDA（6%）五大領域，市場銷售金額將超過250億美元，占LCD市場比例超過90%，成為液晶乃至整個平板顯示技術領域的主導技術。

　　TFT-LCD技術的產業特點

　　資金密集，規模經營：建立一條生產線投資在10億美元左右。技術密集：涉及到半導體技術、精密機械、精密光學、自動控制、大規模集成電路設計和制造技術、光電子、微電子、精細化工、光源、材料、通訊、計算機軟件等。

　　發展速度快，核心技術穩定：TFT-LCD產業化十年來生產線經歷了7次大的發展，平均1年半生產線就要更新一次。但是TFT-LCD的核心技術是相對穩定的。

　　帶動的產業面廣，對國民經濟具有全局意義：上游原料、生產設備、生產技術涉及到現代工業生產的幾十個領域。新材料的開發、大規模生產設備的制造、先進生產技術的應用，將帶動上游產業群。TFT-LCD模塊是信息產業的核心器件，涉及到通訊、交通、家電、計算機、教育、工業、醫療、國防等幾乎所有的領域。

　　a-Si TFT-LCD技術的研究現狀

　　分辨率： TFT-LCD的分辨率在近幾年中經由CGA（ 320 * 2 00），VGA（ 640 * 4 80），SVGA （1280 * 1024）。XGA （1024 * 768）。 SXGA （1280 * 1024）發展到目前的UXGA （1600 * 1200）、QXGA （2560 * 2048）的水平。

　　對比度：美國P.P.Muhoray等人推出了波導基LCD技術，并利用這種技術實現了174:1的高對比度，而現在的TFT-LCD對比度最高可達到500:1。

　　視角： 由于液晶材料是各向異性的，其分子排列的取向及在電場作用下的重新排列取得均勻影響LCD器件視角的拓寬，這就造成了LCD器件視角上的缺點，現已提出多種寬視角技術，如同平面切換模式、相對稱微單元模式、疇垂直模式等，視角可達到170度。

　　響應速度：當幀頻為60% 時，幀周期約為16ms，采用TN型LCD的普通TFT-LCD器件的響應時間可低于20ms。最近推出了一種利用彈性連續聚合物穩定化的平面開關方法，可使響應時間縮短到10ms，采用光學補償帶可將響應時間縮短到2～3ms，目前已用本技術研制出響應時間為8ms的彩色LCD電視機。

　　壽命： 由于制造技術的發展，TFT-LCD的壽命可達到3萬小時以上。

　　大屏幕和反射式己出現：已研制成功38in的TFT-LCTV，結束了大屏幕LC的拼接時代，反射式TFT-LCD彩色顯示器也開始商品化。

　　由于TFT制作技術的發展、液晶材料性能的改善、寬視角技術的采用、響應速度的提高和成品率的提高，TFT-LCD顯示性能已并不亞于CRT。

　　TFT型液晶顯示器結構

　　通常的a-Si TFT主要由玻璃基板、柵電極、柵絕緣層、半導體活性層a-Si，歐姆接觸層n+a-Si、源漏電極及保護膜等組成，其中柵絕緣層和保護膜一般采用SiN。

　　a-Si TFT 的結構可分為四種典型結構：源、漏、柵三電極位于半導體活性層a-Si同一側的平面結構，其中源、漏、柵三電極位于a-Si層上側的稱正柵平面結構，源、漏、柵三電極位于a-Si層下側的稱倒柵平面結構;源、漏、電極與柵電極位于a-Si層兩側的交錯結構，其中柵電極在a-Si層上側，源、漏電極在a-Si層下側的稱正柵交錯結構或頂柵結構，柵極在a-Si下側，源、漏電極在a-Si層上側的稱倒柵交錯結構或底柵結構。

　　從制造工藝上看，交錯結構的SiN，a-Si和n+a-Si三層（或其中二層）可以連續淀積，適合流水作業，又可減少交叉污染。現在，交錯結構已成為主流，它不僅對a-Si， SiN.， n+a-Si可連續作業，而且倒柵還可以作遮光層（不需另設遮光層），這對a-Si TFT是重要的，因為a-Si對光敏感，一旦有光流入引起漏電流增加，將會導致像質惡化。

　　TFT型液晶顯示器的運作原理

　　從TFT-LCD的切面結構圖（下圖）可以看到LCD是由二層玻璃基板夾住液晶組成的，形成一個平行板電容器，通過嵌入在下玻璃基板上的TFT對這個電容器和內置的存儲電容充電，維持每幅圖像所需要的電壓直到下一幅畫面更新。液晶的彩色都是透明的必須給LCD襯以白色的背光板上才能將五顏六色表達出來，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色燈光。因此在TFT-LCD的底部都組合了燈具，如CCFL或LED。

　　TFT-LCD需要背光，由于LCD面板本身并不發光，因此需要背光，液晶顯示器就必須加上一個背光板， 來提供一個高亮度，而且亮度分布均勻的光源。LCD實際上是打開來自其后面光源的光來表現其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。