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液晶背光类型及优缺点(LCD、CCFL、LED)


液晶背光类型及优缺点(LCD、CCFL、LED)_休眠的火山_百度空间

液晶背光类型及优缺点(LCD、CCFL、LED)
2008-07-29 10:00

液晶背光显示原理
液晶不同于等离子的最大区别就是液晶必须依靠被动光源,而等离子电视属于主动发光显示设备。目前市场上主流的液晶背光技术包括LED(发光二极管)和 CCFL(冷阴极荧光灯)两类。 冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp;CCFL) 传统的液晶显示器都是采用CCFL(冷阴极荧光灯管)背光。CCFL的背光设计主要有两种:“侧入式”与“直落式”,不过侧入式因光导设计使得光折损率较高, 进而让背光亮度受限,面板尺寸越大时亮度就越低,仅适合8英寸~15英寸的TFT LCD面板,也就是Laptop、Desktop等个人观赏之用,但在居家观赏的L CD TV大尺寸上面时,侧入式的亮度将难以满足,取而代之的是直落式。 不过,越大尺寸的LCD,其背光模组所占的成本比重就越高,所指的是正是直落式CCFL背光模组,根据统计,同样是使用直落式CCFL背光模组,在15英 寸时背光模组仅佔整体成本的23%,但是到30英寸时就增至37%,且推估到57英吋时,背光模组所佔的成本就会达到50%。所以,直落式CCFL背光仅适 合用在30英寸左右的中型尺寸LCD TV,不适合用在更大面积的设计上。同时,CCFL是运用水银气体放电来产生照明,虽然目前欧盟订立的RoHS规范, 只要对“水银”剂量在标准以下仍可接受,但无人能保证日后可能将标准提高至零含量(完全不准使用),届时CCFL将无法使用,或必须改行无汞式CCFL 。

图:CCFL的发光原理与日光灯、霓虹灯相同,且光管部分可根据需求进行弯曲,但在大尺寸背光时大多采用行直型、U型、W型彎曲

图:反流器(Inverter),用来驱动CCFL,其他光管型照明也需要使用 即便无汞式CCFL在技术上可行,但CCFL依旧是密闭光管性的气体放电式电子照明,光管对外力的抗受性有限,较大的冲撞将使光管破裂,使照明失效,

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相对的其他固体式电子照明(如LED)则无此顾虑。另外,由於直落式不需要用导光板,也较无光折损问题,所以也不需要增亮膜,特别是增亮膜属少数 业者的专利技术,价格昂贵,直落式可以省去导光板与增亮膜,此有助於成本降低。 不过,直落式CCFL也有其缺点,為了提升画面亮度,必须增加光管数目,然光管过密排置的结果将不利於散热,既然左右相间的距离空间缩减,只好从厚 度层面来增加散热空间,然而厚度增加也等于部分抵损LCD TV的优点:轻薄。 附带一提的是,在大吋数的LCD TV上使用CCFL光管,光管的长度也必须因应吋数增加而增长,然而较长的CCFL光管,其光管的中间位置与两端将容易 产生亮度MURA与色MURA的问题,进而影响背光的光均性,为了持续保持光均,则必须用上扩散膜来强化光均度,但扩散膜也会带来光透率的折损,使 亮度减低,亮度减低的结果只好以增加光管数的方式来补强,但就如前所述:增加光管将更难设计散热、增加背光模组的厚度,甚至是用电增加,根据瞭 解,CCFL背光模组的用电已佔LCD TV整体用电的90%之高。所以,改变背光技术是目前改变LCD画质的一个方向之一。 发光二极体(Light Emitting Diode;LED) 既然CCFL背光有诸多的副作用疑虑,因此业界也寻求各种新背光实现技术,而LED则是可行方案之一,如Sony的Qualia系列电视,即是高端的大尺寸(4 0英寸、46英寸)的LCD TV,其背光部分是用WLED所构成,称为WLED背光技术。而对LED背光技术的LCD Monitor研发目前亦已经到实质性阶段,我 们在07年的CES会展上已经可以看到相关产品展示。 LED背光有多项好处,首先是固体式电子照明,对冲撞的抗受性高于CCFL,且没有汞气体的环保法规顾虑,没有UV紫外线外洩顾虑,同时在色彩饱和度 及寿命上都超越CCFL,另外LED只要正向电压即可驱动,不似CCFL需要交流的正负向电压,即便是只论正向驱动电压,LED的需求水准也低于CCFL。 再者,LED的亮度只需用脉波宽度调变(Pulse Width Modulation;PWM)方式就可调节,并可用相同方式来抑制TFT LCD显示上的残影问题,然而CCF L的亮度调节就较为复杂,且无法抑制残影,必须以另行方式才能抑制。 虽然LED背光有诸多优点,但也有其缺点,首先是发光效率,以相同的用电而言,LED并不及CCFL,因此散热问题会比CCFL严重,此外LED属点型光源 ,与CCFL的线型光源相较实更难控制光均性,为了达到尽可能的光均,必须对生产出来的LED进行特性上的精挑严选,将大量特性一致(波长、亮度)的 LED用於同一个背光中,此一挑选成本也相当高昂。所幸的是,LED的发光效率还在提升中,目前已可至100 ml/W以上,如此色彩饱和度可以更佳,以及 让背光的WLED排置更宽松,进而让用电与散热问题获得舒缓,且製造良品率持续进步成熟后,严选光亮特性一致的LED之成本也会降低。 下列图片左为传统的CCFL背光技术液晶面板,右为OLED背光技术液晶面板。

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单单改变背光技术或许还不足以引发LCD的革命,那么我们就去看看别的LCD技术发展。OLED (Organic Light Emitting Diode)即有机发光二极体。OLED 显示技术与传统的LCD显示方式不同,无需背光灯,采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板,当有电流通过时,这些有机材料就会发光。而且OLED显示 屏幕可以做得更轻更薄,可视角度更大,并且能够显著节省电能。 但是,目前它的寿命和价格是限制它在LCD方面发展的瓶颈。 OLED是另外一个受到瞩目的面板应用技术,并且以小尺寸面板的实现期程较早。以客户的计划来看,2008~2009年会有较多的机种问世,但仍以次面板 为主,而且即使机种和出货量较现在有明显的增加,市场占有率也不会超过10%。OLED原本因为本身薄,对比、视角、省电等各方面的条件都较TFT-LC D要优秀,一直受到业界的重视,认为将取代TFT-LCD,早几年也纷纷投入研发。然而一方面OLED本身技术遇到瓶颈,寿命问题有待克服;另一方面TFT -LCD技术持续精进,现在也能够提供优异的对比和视角,致使OLED需求量始终无法大举提升,并且市场不大又供过于求,限于价格竞争;原本投入的业 者也难逃解散和缩编的命运。台湾胜华科技过去则转投资成立胜园投入OLED研发,眼看OLED与TFT-LCD无法竞争,尤其成本差异大,规格方面TFT-LC D已可轻易达到170度的视角、500:1的对比、亮度增加,也可以做薄,反应速度虽然较逊色,但达到人眼可以接受的范围即可。因此胜园也已经收掉, 只留下几位研发人员回到胜华做材料的开发。未来OLED的寿命和价格若能大幅改善,仍有机会;现阶段则限於具特殊性、强调要标新立异的产品;量大 的时间点还未看到。 而AMOLED(Active Matrix/Organic Light Emitting Diode)主动矩阵有机发光二极体面板(AMOLED)被称为下一代显示技术,包括三星电子、三星SDI 、LG飞利浦都十分重视这项新的显示技术。目前除了三星电子与LG飞利浦以发展大尺寸AMOLED产品为主要方向外,三星SDI、友达等都是以中小尺寸为 发展方向。从目前成品产品的产品性能表现来看,如果AMOLED成本能够得到有效控制的话,那么,传统的LCD面板技术将受到极大挑战。

图:全球首款采用了三星AMOLED屏幕的iRiver MP3

AMOLED优点之一:无需背光灯

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AMOLED优点之一:色彩饱和度更大

AMOLED优点之一:可以达到IPS或者VA面板的180度可视角度

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AMOLED优点之一:有效解决LCD面板动态模糊问题 在上述的四个OLED优点中,我们特别关注第四个产品特点,因为在目前市面所有的台式机液晶显示器中,均无法解决液晶屏幕动态模糊问题。液晶屏幕 的动态画面模糊,通常是指画面变换的过程中,发生了边缘轮廓模糊的现象,发生动态画面模糊现象的原因有2个,一个是液晶的响应时间及萤光体残光等 ,另一个是TFT驱动,就像Hold方式的影像控制等。 Hold是造成动态画面模糊的主因 所谓“Hold方式”显示方式,就是在一定的时间内显示一个Frame影像,而在电视画面中,这种Hold时间相当于一个垂直周期(16.7毫秒)一般而言,大家 都相当清楚,液晶响应时间对于动态画面显示来说是相当重要的,因為以液晶电视来说,一个画面的变换时间大约是16.7ms,所以,液晶电视的反应时间 能不能比16.7ms更短,对於动态画面的画面表现来说非常重要。不过,还有一个情况是,即使液晶的响应时间为0ms(这是不大可能及困难的),模糊还 是不会消失。这是因為,液晶萤幕是利用“Hold方式”的方法来显示影像的。根据一些实验报告我们可以知道,利用“Hold”方式在萤幕上显示的动画,会在视 网膜上左右摇动。这样的摇动随著时间积累,就觉得动态画面模糊了。和改善液晶的响应时间一样,必须开发缩短“Hold”时间的显示方法。根据上述的情 况,液晶屏幕所出现的动态画面模糊,不能用长久以来所使用的测定,就是从白到黑及黑到白变化时间的液晶响应时间来表示。 改善因Hold时间引起动态画面的模糊 如果响应时间是0ms的理想控制型液晶面板(Hold时间100%)的情况下,MPRT是16.7ms(频率為60Hz)。Hold时间為50%时,MPRT约為8.3ms;Hol d时间為25%时,MPRT為4.2ms。一般的LCD,其MPRT在8ms以下;如果是商用产品对画质要求很高的LCD,其MPRT可以推测在4ms以下。前面所叙 述了MPRT含有液晶响应时间和Hold时间两大要素,因此,如果要在影像的显示品质下,液晶响应时间是希望能够比以上的值更小一些。在改善液晶响应 时间的方法中,有OCB、IPS、VA等高速动态的模式,也有Over-drive驱动等等。现在,重视画质的液晶电视已经将这些方法投入生产当中。改善因Hold 时间引起动态画面的模糊,有两种方法。一种是配合画面频率来点灭背光灯源,另一种是运用动作补偿技术的倍速显示法。实现第一种具体的方法是,利 用背光的闪烁和黑信号的插入。而在这两种技术里,最为引人关注的是动态补偿技术。背光点灭和黑信号插入等的间歇显示法,能够改善动态画面的模糊 ,并实现起来比较简单。但在大画面、高亮度的情况下,容易产生画面的闪烁不定。相比之下,动态补偿倍速显示法能够在不增加画面闪烁的前提下,改 善动态画面模糊,但因為需要大规模的讯号处理电路,所以直到目前还是不容易实现。 日本业者发表利用缩短Hold时间改善画质 在过去的两年里,有相当多业者发表利用缩短Hold时间改善画质的相关技术和产品。例如,有日本业者利用动态补偿高速显示技术,生产的32英寸WXGA 液晶电视。方法是利用动态补偿技术,把画面讯号和驱动的画面频率,从一般的60Hz提高到90Hz,将Hold时间缩短到约70%,并使用扫描式背光源点灭 方式又缩短到70%,共计缩短了50%。在不增加画面闪烁的前提下,改善了动态画面模糊问题。因为在90Hz下进行背光源点灭,人眼不容易感觉到画面的 闪烁。另外,还有其他业者也是採用运动动态补偿技术,将画面频率数提高到120Hz来改善动态画质。 ================================================================================== 三年前,笔者的一个朋友购买了一台15英寸液晶显示器(LCD),过了一把轻薄、无辐射的瘾。但近来他发现显示器屏幕开始发黄,而且亮度下降很明显, 无论怎么调节都无济于事。经多方侦察才找到“元凶”——背光灯管坏了。目前主流的LCD的背光灯都采用了使用寿命较短的CCFL(冷阴极荧光灯),这 是LCD的一个硬伤。幸运的是,人们现在找到了它的接班人——LED。 传统CCFL背光的缺陷 在深入了解LED背光技术之前,我们有必要先了解当前的背光技术存在什么问题。我们知道,液晶是一种介乎于液体和晶体之间的物质。液晶的奇妙之 处是可以通过电流来改变其分子排列状态,给液晶施加不同的电压就能控制光线的通过量,从而显示多种多样的图像。但液晶本身并不会发光,因此所有 的LCD都需要背光照明。目前LCD的背光源几乎都是CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps,冷阴极荧光灯)。 由于冷阴极荧光灯不是平面光源,因此为了实现背光源均匀的亮度输出,LCD的背光模组还要搭配扩散片、导光板、反射板等众多辅助器件。即便如 此,要获得如CRT般均匀的亮度输出依然非常困难。大部分LCD在显示全白或全黑画面时,屏幕边缘和中心亮度的差异十分明显。

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除了结构复杂、亮度输出均匀性差之外,采用CCFL作为LCD背光源还有个让人头痛的问题——使用寿命短。绝大部分CCFL背光源在使用2~3年之后亮 度下降非常明显(寿命在15000小时~25000小时),许多LCD(尤其是笔记本电脑的液晶屏)在使用几年后会出现屏幕变黄、发暗的现象,这正是CCFL使用衰 减期较短的缺陷造成的。 与此同时,由于CCFL背光源必须包含扩散板、反射板等复杂的光学器件,因此LCD的体积无法再进一步缩小。在功耗方面,采用CCFL作为背光源 的LCD也无法令人满意,14英寸LCD的CCFL背光源往往需要消耗20W甚至更多的电能。这对笔记本电脑和便携设备来说,它们的续航能力将经受重大的 考验。 为了解决CCFL的这些硬伤,几乎所有的LCD厂商都开始寻找更为优秀的液晶背光源。由于LED有着超低的能耗、极长的工作寿命和简单的结构,迅速 获得了LCD厂商的青睐,那么LED究竟是什么东西?它有什么奇妙之处呢?

事实上,LED(Light Emitting Diode,发光二极管)并非尖端科技产品,它在我们日常生活中随处可见:路边色彩斑斓的广告牌、家用电器上颜色各异的指示 灯、手机按钮的背光照明、汽车的前大灯等等,都采用了LED作为光源。 LED在20世纪60年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者,甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代,最终出现在所有需要照明 的场合。LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同,LED从本质上来说是一种半导体器件。 LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层,也就是常说 的PN结(PN Junction Transistors)。PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力,当对PN结施加正向电压时,电流从LED的阳 极流向阴极,而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合,多余的能量就会转变成光而释放出来。LED正是根据这样的原理实现电光的转换。根据半导 体材料物理性能的不同,LED可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线。 小知识:P型半导体和N型半导体 如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素,就变成以空穴导电为主的半导体,即P型半导体。在P型半导体中,空穴(带正 电)叫多数载流子;电子(带负电)叫少数载流子。 如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素,就变成以电子导电为主的半导体,即N型半导体。在N型半导体中,电子(带负电)叫多数 载流子;空穴(带正电)叫少数载流子。 由于LED只能发出单波长光线,因此LED无法像白炽灯那样轻易发出白色光。这也就是LED指示灯只有蓝色、红色、绿色等颜色,而没有白色的原因。 无法发出白色光对于指示灯之类的应用并不是什么问题,但对于LCD背光源来说则是无法逾越的障碍。为了早日实现LED成为显示器背光源的接班人,各 个LED制造商都开始重点研究白光LED产品。而在这一领域,日本的日亚化学是先行者,它在1996年就提出了解决方案,即在蓝色LED上涂上黄色荧光粉 实现白光输出。由于起步早,技术成熟,日亚化学取得了白光LED领域的主导地位。据统计采用日亚化学方案的产品占据了80%的市场份额。

被广泛用作指示灯的LED器件

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1.5mm指示灯用LED横截面示意图

LED单元构造示意图 LED作为LCD背光会带来哪些好处呢?首先,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,每个“格子”中都拥有 一个LED半导体,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,这样一来LCD的厚度就 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VAIO TX笔记本就 采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏。 其次,在发光寿命方面,LED背光技术也将CCFL远远抛在后面。普通的CCFL背光源一般的使用寿命在3万小时左右,一些顶级的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L ED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! 在色彩表现力方面,LED背光也远胜于CCFL。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LED背光却能轻松地获得超过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。 小知识:NTSC标准 在视频领域,人们一般用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,即能够显示到什么程度的蓝色、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 %,具体表现在绿色、黄色和红色部分与标准值相差较大。 毫不夸张地说,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,从而实现更精确的色彩还原,以适应平面出版和图形设计工作的需要。 尽管LED背光技术有着巨大的优势,但是现阶段依然面临一些难题急需解决。LED背光技术首先遇到的挑战就是成本问题。由于白光LED器件被几大寡 头所垄断,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的专利封锁。 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60 lm/W(流明/瓦)左右,而大型化的LED背光则 只有30 lm/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背光研究投入的持续增加,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主导厂商日亚化学在2004年开 始便不断提升旗下白光LED产品的产量,同时其他厂商的白光LED产品也开始量产,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50 lm/W, 和CCFL的差距只有区区10 lm/W。在未来3~5年内,LED的发光效率很可能超越80 lm/W的水平。 小资料:LED背光技术成品化步伐 早在2004年,SONY便率先将LED背光技术成品化,推出了一款采用LED背光的23英寸LCD和一款46英寸的液晶电视。尽管这两款产品都存在功耗高、 发热量大和价格高昂的缺陷,但LED在显示质量方面的优势得到了充分体现。 在2005年5月举行的SID 2005(2005显示信息学会)会议上,LG-飞利浦、三星电子等都展出了他们各自的LED背光平面显示器。其中LG-飞利浦还首次提 出将LED与CCFL混用各取所长的背光解决方案,通过这样的设计不仅成功地降低了LED背光的功耗问题,还将LCD的对比度提升到了10000∶1! 毫无疑问,LED背光技术在不久的将来会取代CCFL,成为LCD主流背光源。在LED背光技术的帮助下,LCD将会在色彩还原度、使用寿命方面获得极

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