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液晶显示器背光类型及优缺点(LCD、CCFL、LED)


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 LCD 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 英寸时背光模组仅占整体成 本的 23%,但是到 30 英寸时就增至 37%,且推估到 57 英寸时,背光模组所占的成本就会达到 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。 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,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,为了提升画面亮度,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,在大寸数的 LCD TV 上使用 CCFL 光管,光管的长度也必须因应寸数增加 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 据了解,CCFL 背光模组的用电已占 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(40 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 紫外线外泄顾虑,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 CCFL 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, 且制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。 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-LCD 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-LCD 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。

AMOLED 优点之一:无需背光灯 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 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,因为以液晶电视来说,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。这是因为,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(频率为 60Hz)。 Hold 时间为 50%时, MPRT 约为 8.3ms;Hold 时间为 25%时, MPRT 为 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,但因为需要大规 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,还有其他业者也是采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。 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。 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。


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