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傳統的薄膜晶體管液晶顯示器( thin film transister crystal display,TFT- LCD) 通常采用冷陰極熒光燈( cold cathode fluorescent lamps,CCFL) 作為背光光源。相比較而言， 由于發光二極管( LED) TFT- LCD 背光源系統具有色彩還原性好、對比度高、亮度高等優點， 近年來應用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術取得了長足的進步。當前應用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光源主要有兩種： RGB LED 背光源和白光LED 背光源。大尺寸的LED 背光系統結構主要采用直下式和側式結構。本文將對這幾方面進行系統闡述， 并對大尺寸TFT- LCD 的LED 背光系統的應用前景進行預測。
1 前言
LCD 是被動發光器件， 本身是不發光的， 因此必須要有背光模塊給LCD 提供光源。用來作為背光模塊的光源有以下幾種：
(1)冷陰極熒光燈;
(2)LED 背光;
(3)電致發光背光。
其中， EL 背光系統由于在工作過程中亮度會逐漸衰減， 限制了它的運用， 現在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系統由于其體積小、壽命長、亮度高和工作電流低等優點， 是當前LCD 背光系統的主要選擇;LED 背光系統則由于發光功率比較低， 長期以來只能應用在小尺寸的LCD 當中。然而， 由于LED 背光系統本身具有CCFL 無法比擬的優點， 比如： 色彩還原好、省電、壽命長; 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 對環境的污染也少， 加上大功率LED 的出現， 使LED 背光成為最近顯示界的一個熱門研究課題， 尤其是LED 背光的色彩還原性， 文獻報道稱其可以達到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光則只能達到NTSC 的70%, 如圖1 所示。
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圖1 LED 和CCFL 的色域圖
因此利用LED 作為LCD 的背光， 色彩將更加鮮艷。鑒于LED 背光技術的諸多優點， 在過去的幾年中，已經有許多公司和研究機構報道了各種高亮度的LED應用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術。
2 LED 背光技術
LED 背光技術主要分為直下式背光結構和側式背光結構兩種， 直下式背光由許多LED 均勻分布在顯示區域后面， 加上反射腔和擴散膜等共同作用， 得到亮度均勻的平面發光效果; 側式背光則由多個LED 排成一排形成線光源， 經過導光體、反射膜、擴散膜形成均勻發光面。以前由于單個LED 的功率比較低， 如果要將LED 用于大尺寸的LCD, 需要很多LED 才能達到要求的亮度。近幾年來， 由于大功率LED 的出現， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的運用取得了長足的進步， 其中大部分都是采用側式結構。按照LED 的顏色可以分為RGB LED 背光和白光LED 背光兩種：
( 1) RGB LED 背光單元是將三基色LED 發出的光復合產生白光;( 2) 白光LED 背光單元則直接利用白光LED 產生的白光。
2.1 大功率RGB LED 復合成白光
圖2 是2001 年荷蘭飛利浦照明系統公司開發的利用RGB 復合成白光的18in 背光系統的示意圖。
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圖2 18inTFT- LCD LED 背光模組結構圖
該背光單元中， 上下兩側有兩列LED( LEDs A 和LEDs B) , RGB LED 是按照等間隔排列的。RGB LED發出的光從側邊經過兩個導光腔( light pipe A、B) 傳播到LCD 面板的底下， 經過特征提取( extractionfeatures A 和B) 以及散射膜( diffusor sheet) 得到均勻白光。
同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷蘭LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高滲透型的彩膜( color filter) 開發出應用于18.1in XGATFT- LCD的背光單元， 其色彩還原性和亮度分別達到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷蘭的這家公司利用34個大功率的RGB LED 作為光源， 采用PMMA 作為混色導光板的材料---這種材料可以使光在導光板傳播過程中的損耗幾乎為0, 開發出用在15in 的TFT- LCD 的背光系統， 其效率達到50%, 色坐標穩定在Δu'v'~0.01, 而且該背光系統很容易改造成適用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。
由于這種側式的背光系統僅僅放在顯示區域的兩側， 為了盡可能的把光引到LCD 的顯示區域， 上面這幾種代表產品都采用了導光板。盡管這樣， 光還是不可能很均勻的分布在LCD 的顯示區域。LumiledsLighting 公司一些科學家采用側式與直下式相結合的方法， 開發出了適用于22in 的16 ∶9 的TFT- LCD- TV的新型背光系統， 其結構如圖3 所示。
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圖3 側式和直下式相結合的背光
該背光尺寸達到503×282mm, 厚度是50mm,總共含有48 個LEDs, 值得一提的是這里的LED 采用了特殊的結構。如圖4 所示， 在LED 上面有個漏斗型的光分流器， 其表面都是反射率很高的材料， 主要的作用是將光反射到各個方位， 這樣做的目的是不讓光線都集中在LED 正上方。另外， 在光腔底面是一層薄的散射反射膜， 主要的作用就是將光線盡可能的向各方向發散和反射到LCD 面板上面， 從而得到均勻的亮度， 而且效率達到了70%.
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圖4 帶有光分流器的LED.
但是這種結構的LED 的背光的厚度比較大， 達到了50 mm.三菱公司在2004 年開發出了一種不采用導光板， 用于22inTFT- LCD 的RGB LED 背光系統，其結構如圖5 所示。兩側是大功率的RGB LED 光源，光經過反射鏡或者直接經過棱鏡進入到光學腔里面，這個光學腔的側面和底面由一系列高反射率的反射鏡組成， 光經過這些反射鏡被反射到LCD 面板， 在光學腔的上面是一層薄的擴散膜， 其作用是為了使照射到LCD 面板的RGB 光混合均勻， 另外一個作用是它有助于得到亮度均勻的光。該背光系統的厚度僅為30mm, 平均亮度是540cd/m2.亮度均勻性到達72%, 色坐標則穩定在0.005。
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圖5 新型的側式RGB LED 背光結構
以上這些都是利用RGB 的LED 作為光源的， 其主要困難是如何把RGB 的光均勻的混色， 2004 年， 美國的Michel J. Zwanenburg 研究小組， 利用multi- LEDS, 也就是將發紅、綠、藍光的芯片做在同一個LED 上面， 如圖6 所示。
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圖6 multi- LED 結構圖
采用100 個multi- LEDS, 同樣是排成兩列的側式結構， 其結構如圖7 所示。multi- LEDS 是連接在FPC上的， 主要是為了散熱。通過FPC 將大功率LED 散發的熱傳導到鋁片。LED 上面是導光腔， 導光腔的底面有個印有散光的圖案， 能夠盡可能分散光， 另外在最上面還有擴散膜和亮度增強膜， 得到的用于17inTFT- LCD的背光膜組， 其厚度只有16 mm.該背光單元的亮度達到2400cd/m2. 亮度均勻性在85%以上， 而且色坐標穩定性在Δu'v' 小于0.003。
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圖7 帶有multiLEDs 的背光示意圖
盡管LED 背光有色彩還原性好這個優點， 但是在低灰度等級的時候， 由于液晶本身存在漏光現象， 這時如果LED 還是維持在高亮度的情況下， 將導致漏光非常嚴重， 從而降低了對比度。2005 年日本日立公司開發出一種RGB 顏色可以控制的背光系統( RGB colorcontrol sys tem,RCCS) .利用RCCS 制成的背光單元， 顯示出來的顏色不但可以由液晶分子本身的旋轉角度來控制， 而且還可以通過每一種顏色的背光發光亮度來控制， 從而減少了傳統的LED 背光在高亮度下的漏光現象， 達到了提高對比度的目的。
在圖8 中， 左邊是傳統的LED 背光維持在最高亮度的工作情況， 這時如果要求顯示的藍色是"0", 但是由于藍色的LED 是一直工作在最高亮度下的， 加上液晶分子本身漏光， 導致了對比度的降低。而在右邊的RCCS 背光單元中， 當如果要求藍光為"0"的時候， 可以通過將藍色的LED 關閉， 從而減少漏光來提高對比度。
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圖8 RCCS 背光的工作情況
2.2 白光LED 的背光系統
由RGB LED 發出的光混合成白光的LED 背光系統， 這種技術無法將RGB 光混和得非常均勻。2005年， 韓國的Dankook 大學開發出了用在2.4in LCD 的背光單元， 該背光單元是利用3 個白色的LED 作成的側式背光， 這個背光的示意圖見圖9。
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圖9 2.4in 的白色LED 背光系統
在LED 下面是反射鏡， 上面則是散射圖案， 將LED 發出的光散射到各個方向， 并經過下面的反射鏡反射進入導光板， 然后反射到LCD 上面。得到的亮度均勻性達到了84.2%[8 ].隨著人們對白光LED 的研究繼續深入， 白光LED 作為大尺寸TFT- LCD 背光光源將會取得更大的成就。
3 LED 背光存在問題
盡管LED 背光具CCFL無法比擬的優勢， 但是目前還有一些因素阻礙著LED 背光源技術的迅速普及：
(1)其價格相當昂貴， 同等尺寸的背光源， LED 約為CCFL 價格的4 倍;(2)目前LED 背光源的光效率還不夠高， 同等尺寸顯示屏比CCFL 耗電量高;(3) 在散熱方面也是LED 背光急待解決的難點之一， 高功耗不符合目前環保理念， 這需要LED 在材料、工藝等方面進行改進。
4 LED 背光前景
盡管LED 背光離成為主流產品還有一段距離， 但是隨著LED 在材料和工藝方面的不斷改進， 光效率的不斷提高， 它在相關領域將有很大的應用前景， 比如：
LED 照明、背光等。鑒于TV 產品對于色彩飽和度(NTSC)要求較高， 而LED 背光在色彩飽和度方面是傳統背光源CCFL 無法相比擬的， 當前液晶界的相關主要廠商， 如韓國的LG- Philips、三星， 日本的夏普、索尼， 以及***的友達、奇美等都把采用LED 背光的大尺寸TV 視為未來TFT- LCD TV 的關鍵技術之一。
2004 年底索尼更是搶先推出了40in 以上的以LED為背光源的液晶電視， 之后三星于2005 年5 月在橫濱光電展中推出首款46in 的以大功率RGB LED 為背光源的TV產品。
比起白光LED 背光系統， RGB LED 在色彩飽和度方面更有優勢， 隨著LED 背光成本的不斷降低， 對顯示效果要求越來越嚴格的大尺寸LCD 而言， 大功率RGB LED 背光將成為大尺寸的TFT- LCD 背光的主流。
5 結論
綜上所述， 由于LED 背光單元具有色彩還原性好等諸多優點， 它能克服液晶顯示器色彩飽和度差的先天不足的缺陷。當前LED 背光主要有側式結構和直下式結構， 而側式結構可制作出更薄的背光單元。另外LED 背光源既可采用RGB LED 經過混和成白光， 也可采用白光LED 來制作， 而采用高功率的RGB LED作為背光源的色彩將會更加鮮艷。因此對于對顯示效果要求更加苛刻的大尺寸TFT- LCD 而言， 高功率RGB LED 將成為其背光的主流。