LCD背光用LED技术性优势分析

    led因其具有高亮度、长寿命、色彩均匀和节约空间等优点，在越来越多的应用中逐步取代了传统的冷阴极荧光灯（CCFL）。从小型的手机液晶显示器（LCD）到大型的70寸液晶电视面板，LED正迅速发展成为背光的首选技术。

　　在历史上，LCD背光已使用了不同的光源，包括白炽灯、荧光灯和LED。OEM用来决定最适合自己应用的背光技术的选择标准包括成本、亮度、均匀度、效能、灯的使用寿命、坚固性、尺寸、集成度和近来越来越为人们所关注的环境因素。

    LED多年来一直是小型LCD背光技术的首选，尤其是用于手机、掌上电脑、MP3播放器等对角线小于5英寸以下的手持设备。对于更大的屏幕尺寸，传统上，CCFL更加节约成本，并且一直为大多数大中型工业显示器提供背光。可是，由于日益提高的性能和现在高亮度LED（HB LED）的成本稳步下降等因素，它的亮度已经可以与用于大型显示器背光的CCFL媲美，因而向LED的转型正在进行中。

　　HB LED的优势

　　HB LED在背光应用中有众多超越CCFL的重要优势。HB LED能够提供比CCFL更高的亮度，并且，在正确地集成入系统时，LED背光的使用寿命更长。此外，HB LED可在更广的温度范围内高效工作，尤其是在低温下。在那些很难提供CCFL所需高压的应用中，LED则拥有独特的优势，因为它们可以在低直流电压下正常工作。HB LED的其他优点包括单位电能输入下光输出越来越高，以及优化色域的能力。最后，LED宽广的调光能力也是某些应用中的一个重要优势。

　　随着高亮度HB LED的价格因用量增加而持续下降，许多专家预测，HB LED将最终达到CCFL的同等价格。这种成本均衡已促使OEM厂商选择HB LED来用于较大型的显示器，如GPS系统、便携式DVD播放器、笔记本电脑、台式机显示器以及在工业中使用的6.5-20.1英寸的LCD。LED也正在用于尺寸从32英寸一直到70英寸的大型平板LCD电视中。表1显示了LED同其他常用光源的对比。

　　掌控均匀度

　　当将多个LED用于为较大的LCD提供背光时，LED光源的发光必 须分散在更大的范围，重要的是确保每种颜色的亮度和波长保持均匀以避免出现亮点和暗块。这点对于直接投影的LED背光单元（BLU）尤其关键，哪怕是很小的颜色差异都会降低显示屏的均匀度。为了更好地掌控均匀度，每个背光的各种颜色波长都必须严格匹配，绿色和蓝色为5nm，因为它们是两种最重要的颜色。

　　LED制造过程中，可能会出现性能与技术数据表所给出的平均值略有出入的情况。基于这个原因，LED制造商根据光通量、颜色和正向电压（V1）来分装元件。亮度和颜色的精细分装可以用来获得较好的一致性。对于亮度来说，1/4分装以及每个灯管扩谱15%是亮度的标准。

    优化LED的使用寿命

　　LED BLU的正确散热管理非常重要，因为随着驱动电流和结温的升高，LED的效率会迅速下降，从而降低亮度，缩短LED的寿命。更高的电流将引起结温升高，如果不能限制电流，结点将最终因高温而发生故障，这种现象有时被称为热逸散。因此，通常的做法是将LED安装在金属PCB上以将LED的热量快速传导出去。根据不同的整体设计，可能需要对LED的背板实施直接冷却（如使用冷却风扇）。

　　在LED的使用过程中保持亮度和色彩的一致性也很重要。LED的三种主要颜色（红、绿和蓝）有不同的亮度衰减率。采用闭环控制系统来保持三种颜色的个体亮度，是在长时间和宽工作温度范围内实现最佳亮度和正确色彩平衡的最佳解决方案。一些商用三色光学传感器加上适当的控制电路就可实现这一功能。

　　LED制造技术的进步

    用于制造HB LED的半导体技术是决定最终产品整体性能的一个关键因素。常规的HB LED通常是用碳化硅、蓝宝石或其他材料的衬底制成。这些衬底吸收了LED产生的一些光子，会降低效率。
   
　　迄今为止，HB LED通常采用两种主要技术制成：InGaN和AllnGaP（也称为InGaAIP）。通过这两种主要技术可以实现不同的颜色。施加1.8V-2.3V左右的正向电压，AlInGaP可发出从绿色（570nm）到血红色（632nm）的光线。InGaN用来发出从蓝色（460nm）到宝石绿色（528nm）的光线和基于荧光体的颜色，如白光（通常3250K或通常5600K）。InGaN具有较高的正向电压，大约在3.2V到3.8V，这主要取决于颜色。

　　晶圆被翻转并贴在一个支撑板上，它含有几个能够提供高反射镜面的元件。然后，通过剥离将最初的衬底去掉。不同剥离技术的运用，要视衬底为AlInGaP还是InGaN材料而定。化合物晶圆采用传统的金属化工艺进行表面处理，然后被切成单个LED晶片并进行封装。由此产生的晶粒有一个发光层，不会出现侧面发光，将效率提升到新的水平。

　　使用光导材料

　　当空间有限时，可以将三色LED和光导材料融入设计，以适应空间的限制，并且将BLU的厚度保持在最低限度。一个解决方案是欧司朗光电半导体的6引线MULTILED（图1），其中包含红色（R,625nm）、宝石绿（G,528nm）和蓝色（B,458nm）三个薄膜晶片。紧密放置在同一封装内的3个晶片提供了最佳的颜色混合，而不需要在光导材料中设置一个较大的混合区，LED可提供高光学效率并且延长使用寿（>50000小时）。6引线封装可让每种颜色的每个阴极和阳极与邻近的LED进行电气串连，简化了驱动电路。所需的白平衡点可通过调节每种颜色的各自驱动电流得以实现。 

图1：6引线Multi LED(左)用作19英寸TFT LCD背光

    通过选择适当数量的LED，尺寸达到24寸的显示器可使用侧射光导提供背光。在图2所示的19英寸显示器中，154个6引线MULTILED单元取代了两个CCFL，安装在2个绝缘金属衬底（IMS）PCB上。在这个实例中，原来的外壳、光导和光学膜保留下来，无需重新设计。

　　LCD电视的直接LED背光

    对于LCD电视来说，直接LED背光是首选，因为它可以提供高达80%的更高系统效率。一个直接背光的解决方案是将采用“薄膜”技术的GoldenDRAGONARGUSLED与一个专为背光设计的透镜结合在一起。这种LED的宽辐射特性展示了三基色在大范围内均匀重叠的优势，在最小厚度内实现均匀的颜色混合。

　　设计一个完整的背光单元，由Golden DRAGON ARGUSLED组成的RGB Quad LED可以有系统地排列成为一个矩阵。测试结构时，对于间距达到85mm的QuadLED，BLU的典型高度可实现35~45mm。

    为了解决与二级（中级）LCD电视有关的成本问题，一个可能的解决方案是使用多荧光体转换的白光LED，以产生超过95%NTSC的色域（美国全国电视督导委员会设立的颜色标准），优于大多数CCFL。使用更少的LED可节约成本（与红、绿、蓝的混合色[RGB]相比），只需单一驱动通道。优质一级电视如SONY70XBR将仍使用RGB，色域大于105%NTSC，但更高的质量需要更高的价格（请参见图2）。

 
图2 优质一级电视如SONY70XBR将仍使用RGB，色域大于10590NTSC

    向更大LCD的可扩展性

    在HB LED继续向较大尺寸LCD发展的同时，LED亮度和效率的不断提高将会减少其用量，从而降低提供大尺寸LCD背光的能耗要求，使HB LED在较大尺寸的应用中成为更可行的选择。目前，CCFL仍然是某些背光需求的一个更具成本效益的解决方案，尤其是在工业应用方面，尚不需要LED的优势。然而，随着HB LED性能的不断提高和价格的持续下跌，在HB LEDBLU的设计中，成本将变得不再是一个障碍，甚至在工业应用中亦会如此。

　　LED背光大屏幕LCD的其他优点

    运动模糊减少，对比度增强-LED的快速开关速度将增强液晶显示器的性能，因为可通过“主动驱动”来提高亮度的动态范围和对比度，并减少当视频信息超过液晶的开关速度时遇到的“运动模糊”。这是通过相对于图像信息来调节LED的亮度实现的，这一点是CCFL很难实现的，因为CCFL开关时间较慢，而且亮度调节范围也有限。
   
    可以预见，在不远的将来，会出现更快的LCD，它可使用三基色依次逐个开启的顺序色彩模式。这样一来，将不再需要在TFT彩色LCD的成本构成中占较大比重的彩色滤光片，并可使LEDBLU的系统成本低于配备CCFL显示屏的背光成本。

　　结 语

    HB LED技术已经达到了较大尺寸LCD所需的背光亮度和效率的水平，同时广泛的色域、亮度均匀度、更长的使用寿命和耐用性也非常重要。HB LED亮度的不断提高将会减少BLU所需LED的数量，减少必要的能耗，同时增加LCD的整体亮度。随着HB LED向大用量应用领域，如普通照明产品和用到大中尺寸LCD的消费品等的市场渗透，它的成本也会持续下降。所有的迹象都表明，越来越多的LED将替代CCFL在较大尺寸LCD背光中的应用。