LED背光源技术特性

　　LCD背光照明所需的光源主要有：白炽灯泡、场致发光、冷阴极荧光、LED等，其中LED在LCD背光照明中有竞争力，新型的AlGaInP－LED、AlGaAs－LED、InGaNˉLED可以提供高效率的发光和宽范围的颜色。与CCFL EL作为LCD背光源相比，白光LED为低压直流器件，本身不会产生电磁干扰；若采用逆变升压方式供电，其驱动电路也仅需少量外圃组件，且其宽的工作频率选择范围并不影响LED发光性能，可以节省印制电路板面积而有利于整个设各的小型化，易于避免各部件间的电磁干扰而便于设备的整体布局。

　　LED是Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，它由数层很薄的搀杂半导体材料制成。其中一层带有过量的电子，另一层则因缺乏电子而形成带正电的“空穴”。LED I作时电流通过电子和空穴相互结合，多余的能量则以光辐射的形式被释放出来。LED作为新型的背光源技术，种类繁多，但其因技术或成本方面的问题还有待解决，故在LCD背光源中尚未得到普遍应用。采用LED背光源的LCD模块结构的示意图如图所示。LED背光源的使用寿命比EL背光源长（超过5 000小时），且使用的是苴流电压，通常应用于小型的单色显示器中，比如电话、遥控器、微波炉、空调、仪器仪表、立体声音频设备等。LED的亮度目前还不足以为大型透射式显示器提供背光源。LED背光源与CCFL背光源的主要区别在于LED是点光源，而CCFL是线光源。LED的主要特性如下。

　　图 LED背光源的LCD模块结构的示意图

　　①光亮度均匀

　　②使用寿命长（约100 000小时）。

　　③低电压（直流）驱动，不需要逆变器。

　　④颜色丰富，有黄绿、琥珀色和红色等。

　　目前LED已经非常成熟地应用于移动电话彩屏LCD的背光源中，且7英寸以下LED背光源的成本已低于传统背光源的成本。但将LED作为大尺寸LCD的背光源，还只是刚刚起步。LED作为LCD的背光源具有以下优点。

　　①封装的LED的基本的发光单元是边长3～5mm的正方形（封装后），极容易组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性。如果作为液晶电视的背光源，其所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。

　　②LED背光源有更好的色域，色彩表现力强于CCFL背光源，可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用，色彩还原性好。

　　③LED的使用寿命可长达10万小时，即便每天连续使用10个小时，也可以连续用上27年，大大延长了液晶电视的使用寿命，可获得对等离子技术压倒性的优势。

　　④LED使用的是5～24V的低压电源，十分安全，供电模块的设计也简单。

　　平面状结构让LED拥有稳固的内部结构，抗震性能出色，加上LED不需要使用对环境有害的金属汞，更加环保。越来越多的厂商开始研制大尺寸的LED背光源。根据近两年公开的报道和发展情况，安捷伦和三菱已合作制成了34英寸的液晶彩电用LED背光源，索尼和三星也都推出了以LED为背光源的46英寸LCD TV。

　　采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成的，每个“格子”中都拥有一个LED，这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性，还不需要复杂的光路设计，使LCD的厚度能做得更薄，同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味着笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如，SONY近期推出的VAIOTX笔记本电脑就采用了厚度仅有4．5mm的LED背光液晶显示屏。

　　LED背光源的发光寿命远高于EL和CCFL背光源。普通的CCFL背光源的一般使用寿命在3万小时左右，一些的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对于频繁使用的用户来说意味着使用2～3年后LCD的亮度就将会明显下降，而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而采用LED背光则完全没有这样的问题，现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时，而且还有再次提升的潜力。即使24小时不间断使用，这样的寿命也足够使用5年。

　　LED背光源在色彩表现力方面也远胜于CCFL背光源，原有的CCFL背光由于色纯度等问题，在色阶方面表现不佳，这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。据测试，采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78％，而采用三基色LED混合白光，则可以较好地模拟出太阳光，表现出自然色，则照射在物体上产生的颜色或LCD颜色就比CCFL鲜艳逼真。而且LED背光能轻松地获得超过100％的NTSC色彩区域。在色彩表现力和色阶过渡方面，LED背光也有显著的优势。

　　在视频领域，人们一般采用NTSC（美国国家电视系统委员会）标准作为衡量视频设备的色彩还原能力的指标。这个指标是指在整个色彩空间内，显示设备能在各种色彩上显示到何种饱和度，即能够显示出什么程度的蓝色、绿色、红色。传统的液晶电视和显示器能够覆盖的色彩范围只有NTSC标准的65％～75％，具体表现在其绿色、$和红色部分与标准值相差较大。

　　LED背光技术的引入，使LCD首次在色彩表现力方面可以和CRT相提并论。此外，由于LED的平面光源特性，LED背光还能实现CCFL无法企及的分区域的色彩和色度调节，从而可实现更的色彩还原，以适应平面出版和图形设计工作的需要。LCD画面的动态调整可以使得在显示不同画面时，亮度与对比可以动态修正，以达到更好的画质。

　　尽管LED背光技术有着巨大的优势，但是现阶段依然有一些难题急需解决。LED背光技术首先遇到的挑战就是成本问题。由于白光LED器件制造技术被封锁，因此LED背光的制造成本居高不下。采用LED背光的产品售价现阶段依然明显高于CCFL背光产品，而且白光LED器件的产量也无法满足大批量的需求，要实现LED背光的快速普及，就必须突破白光LED的封锁。

　　除了成本问题，现阶段LED背光技术在发光效率方面也难以让人满意。现阶段的CCFL发光效率基本都在60lm／W（流明／瓦）左右，而大型化的LED背光则只有30lm／W。究其原因，主要是LED会随着芯片面积的增大而出现电流密度不均匀的现象，这必然导致整体发光效率低下，同时产生较高的热量。由于在大尺寸背光的发光效率上的差距达到了50％，因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗将会是普通CCFL的2倍，这也是现在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主动散热系统的原因。

　　不过，随着各大厂商对于LED背光研究投人的持续增加，以上两个困扰LED背光的关键问题都有望很快得到解决。白光LED主导厂商日亚化学正在不断提升白光LED产品的产量，同时其他厂商的白光LED产品也开始增产，白光LED的价格也正以较快的速度下降，相信不超过两年，LED背光模组的价格就将会和CCFL背光模组的价格持平。至于LED的发光效率问题，近期也有了明显的改善。新一代白光LED的发光效率已经提升到了50lm／W，和CCFL的差距只有10lm／W。在未来3～5年内，LED的发光效率很可能超越80lm／W的水平。

　　采用LED作为液晶电视的背光源的主要目的是改善画质，特别是提升色彩饱和度。应用LED背光技术的显示屏可以取得足够宽的色域，并且弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷，使之能达到甚至超过AdobeRGB和NTSC色彩标准要求，可以达到NTSCratio 100％以上。其中索尼推出的采用LED背光的液晶电视面板，特别强调鲜红和深绿的表现，可显示较以往的方式更为逼真的颜色。

　　另外，LED做为背光源的优点是可以取代color filter的使用。三色RGB LED采用色序法（color sequential）技术，利用人类视觉暂留的特性，可达到全彩的效果，因此可以用它取代彩色滤光片。当然，这必须配合液晶的反应速度才能完成。不过要达到此目的，仍有许多困难必须克服。

　　LED背光模块还存在着耗电量高的问题，这仍是今后LED背光模块必须克服的重要课题。由于采用较多的LED时，除了耗电量增加之外，也会导致温度升高，因此也必须增加冷却系统与传感器来解决此类问题，因此LED背光模块在厚度上显得较采用CCFL背光的产品厚。LED要想占据大尺寸LCD背光源的主流还需要解决以下问题。

　　①成本太高、价格昂贵。例如，斯坦雷公司批量生产的15.1英寸LCD的LED背光源，价格大概为150美元，比传统的CCFL贵5倍左右。

　　②亮度还有待提高。目前LED的发光效率较低，CCFL的输出光通量多在5 000～7 000lm范围，实际屏幕的输出光通量高于300lm，而多数LED背光都还无法达到这一指标。索尼推出了一款采用LED背光源的23英寸液晶显示器，输出光通量仅有200lm，功耗却高达190W。不过，目前有大量的企业正从事相关的研究，故LED发光效率提升得相当快，目前光通量达到10000lm的高亮型LED背光也已经出现。

　　③采用LED作为背光源存在白光的一致性问题，这相比CCFL背光源是个劣势。

　　步。LED作为LCD的背光源具有以下优点。

　　①封装的LED的基本的发光单元是边长3～5mm的正方形（封装后），极容易组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性。如果作为液晶电视的背光源，其所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。

　　②LED背光源有更好的色域，色彩表现力强于CCFL背光源，可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用，色彩还原性好。

　　③LED的使用寿命可长达10万小时，即便每天连续使用10个小时，也可以连续用上27年，大大延长了液晶电视的使用寿命，可获得对等离子技术压倒性的优势。

　　④LED使用的是5～24V的低压电源，十分安全，供电模块的设计也简单。

　　平面状结构让LED拥有稳固的内部结构，抗震性能出色，加上LED不需要使用对环境有害的金属汞，更加环保。越来越多的厂商开始研制大尺寸的LED背光源。根据近两年公开的报道和发展情况，安捷伦和三菱已合作制成了34英寸的液晶彩电用LED背光源，索尼和三星也都推出了以LED为背光源的46英寸LCD TV。

　　采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成的，每个“格子”中都拥有一个LED，这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性，还不需要复杂的光路设计，使LCD的厚度能做得更薄，同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味着笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如，SONY近期推出的VAIOTX笔记本电脑就采用了厚度仅有4．5mm的LED背光液晶显示屏。

　　LED背光源的发光寿命远高于EL和CCFL背光源。普通的CCFL背光源的一般使用寿命在3万小时左右，一些的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对于频繁使用的用户来说意味着使用2～3年后LCD的亮度就将会明显下降，而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而采用LED背光则完全没有这样的问题，现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时，而且还有再次提升的潜力。即使24小时不间断使用，这样的寿命也足够使用5年。

　　LED背光源在色彩表现力方面也远胜于CCFL背光源，原有的CCFL背光由于色纯度等问题，在色阶方面表现不佳，这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。据测试，采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78％，而采用三基色LED混合白光，则可以较好地模拟出太阳光，表现出自然色，则照射在物体上产生的颜色或LCD颜色就比CCFL鲜艳逼真。而且LED背光能轻松地获得超过100％的NTSC色彩区域。在色彩表现力和色阶过渡方面，LED背光也有显著的优势。

　　在视频领域，人们一般采用NTSC（美国国家电视系统委员会）标准作为衡量视频设备的色彩还原能力的指标。这个指标是指在整个色彩空间内，显示设备能在各种色彩上显示到何种饱和度，即能够显示出什么程度的蓝色、绿色、红色。传统的液晶电视和显示器能够覆盖的色彩范围只有NTSC标准的65％～75％，具体表现在其绿色、$和红色部分与标准值相差较大。

　　LED背光技术的引入，使LCD首次在色彩表现力方面可以和CRT相提并论。此外，由于LED的平面光源特性，LED背光还能实现CCFL无法企及的分区域的色彩和色度调节，从而可实现更的色彩还原，以适应平面出版和图形设计工作的需要。LCD画面的动态调整可以使得在显示不同画面时，亮度与对比可以动态修正，以达到更好的画质。

　　尽管LED背光技术有着巨大的优势，但是现阶段依然有一些难题急需解决。LED背光技术首先遇到的挑战就是成本问题。由于白光LED器件制造技术被封锁，因此LED背光的制造成本居高不下。采用LED背光的产品售价现阶段依然明显高于CCFL背光产品，而且白光LED器件的产量也无法满足大批量的需求，要实现LED背光的快速普及，就必须突破白光LED的封锁。

　　除了成本问题，现阶段LED背光技术在发光效率方面也难以让人满意。现阶段的CCFL发光效率基本都在60lm／W（流明／瓦）左右，而大型化的LED背光则只有30lm／W。究其原因，主要是LED会随着芯片面积的增大而出现电流密度不均匀的现象，这必然导致整体发光效率低下，同时产生较高的热量。由于在大尺寸背光的发光效率上的差距达到了50％，因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗将会是普通CCFL的2倍，这也是现在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主动散热系统的原因。

　　不过，随着各大厂商对于LED背光研究投人的持续增加，以上两个困扰LED背光的关键问题都有望很快得到解决。白光LED主导厂商日亚化学正在不断提升白光LED产品的产量，同时其他厂商的白光LED产品也开始增产，白光LED的价格也正以较快的速度下降，相信不超过两年，LED背光模组的价格就将会和CCFL背光模组的价格持平。至于LED的发光效率问题，近期也有了明显的改善。新一代白光LED的发光效率已经提升到了50lm／W，和CCFL的差距只有10lm／W。在未来3～5年内，LED的发光效率很可能超越80lm／W的水平。

　　采用LED作为液晶电视的背光源的主要目的是改善画质，特别是提升色彩饱和度。应用LED背光技术的显示屏可以取得足够宽的色域，并且弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷，使之能达到甚至超过AdobeRGB和NTSC色彩标准要求，可以达到NTSCratio 100％以上。其中索尼推出的采用LED背光的液晶电视面板，特别强调鲜红和深绿的表现，可显示较以往的方式更为逼真的颜色。

　　另外，LED做为背光源的优点是可以取代color filter的使用。三色RGB LED采用色序法（color sequential）技术，利用人类视觉暂留的特性，可达到全彩的效果，因此可以用它取代彩色滤光片。当然，这必须配合液晶的反应速度才能完成。不过要达到此目的，仍有许多困难必须克服。

　　LED背光模块还存在着耗电量高的问题，这仍是今后LED背光模块必须克服的重要课题。由于采用较多的LED时，除了耗电量增加之外，也会导致温度升高，因此也必须增加冷却系统与传感器来解决此类问题，因此LED背光模块在厚度上显得较采用CCFL背光的产品厚。LED要想占据大尺寸LCD背光源的主流还需要解决以下问题。

　　①成本太高、价格昂贵。例如，斯坦雷公司批量生产的15.1英寸LCD的LED背光源，价格大概为150美元，比传统的CCFL贵5倍左右。

　　②亮度还有待提高。目前LED的发光效率较低，CCFL的输出光通量多在5 000～7 000lm范围，实际屏幕的输出光通量高于300lm，而多数LED背光都还无法达到这一指标。索尼推出了一款采用LED背光源的23英寸液晶显示器，输出光通量仅有200lm，功耗却高达190W。不过，目前有大量的企业正从事相关的研究，故LED发光效率提升得相当快，目前光通量达到10000lm的高亮型LED背光也已经出现。

　　③采用LED作为背光源存在白光的一致性问题，这相比CCFL背光源是个劣势。

　　④LED在网点设计上较CCFL线光源难，需考虑LED辐射状的光强衰减。

　　⑤RGBLED背光源的应用时间一久，其产生的色移波长会随温度变化，从而会产生不同颜色。

　　此外，LED背光源的散热、光的均匀分布也需要解决。解决上述问题还需要一定时间，不过，业内很多人士对LED背光源的未来发展持乐观态度。从今年开始将进人中、大尺寸LCD用LED背光源和CCFL背光源的竞争期，估计到2010年，LED背光源在中、大尺寸LCD屏幕上的应用将占主导地位。

　　（3）新背光源

　　正在研发的新背光源还有好多种，如日本DiaLight成功开发了一款采用碳纳米管的场发射型高亮度背光灯，适用于LCD W等大屏显示器。从原理上讲，碳纳米管可实现150 000cd／m2的超高亮度。它除可作为电视机和移动电话的背光灯使用外，还可用做特殊光源。此背光灯通过在使用碳纳米管的平面电极（发射极）上施加高压电场，使放射出的电子射向荧光板而发光。除了高发光效率、低能耗和高亮度发光外，它还具有无汞、长寿命及高速响应等特点。如按32英寸的背光灯换算，它的发光效率为80lm／W，亮度为150 000cd／m2，耗电量为85W，寿命为5万小时，响应速度为100ps；而采用冷阴极荧光灯（CCFL）的情况是：效率为50lm／W，亮度为12000cd／m2，耗电量为11OW，寿命为5万小时，响应速度为10～15ms；采用白色LED的情况是：效率为30lm／W，亮度为9 500cd／m2，耗电量为185W，寿命为5万小时，响应速度为数十ns。