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LCD背光选择:CCFL(冷阴极灯管)与LED(发光二极管)的比较


LCD 背光选择:CCFL(冷阴极灯管)与 LED(发光二极管)的比较

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 发光 二极管,是一种半导体固体发光器件,它是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复 合引起光子发射而产生光。。 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。 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? CCFL 的管状外形很像普通的日光灯 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 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 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! 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, CCFL 的差距只有区区 10 lm/W。 和 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大的提升。届时,LCD 距离完美又近了一步。


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