LED在背光源领域的研究发展及趋势

宁波工程学院学年论文论文题目：LED在背光源领域的研究发展及趋势学院名称：电子与信息工程学院专业：电子信息学生姓名：钱璐敏学号：08401180122指导教师：王蔚起讫时间：2010年12月27日至2011年01月07日1LED在背光源领域的研究发展及趋势钱璐敏（宁波工程学院电子信息工程，08401180122）摘要：本文讲述了LED“区域控制技术”，“直下式技术”两种技术，LED作为背光源在液晶电视领域的应用以及发展趋势。关键词：LED；液晶电视；应用；背光源；LED直下式技术；LED区域控制技术LEDinthebacklightofresearchinthefieldofdevelopmentQianLuMin(Electronicandinformationengineering,EngineeringcollegeofNingbo,08401180122)Abstract：ThispaperisintroducedtwotechniquesofLED,regionalcontroltechnologyandstraightdowntypetechnology,andLED，theapplicationinLEDTVareasasbacklightandit’sdevelopmenttrend.Keywords:LED；LEDTV；application；Backlight；LEDstraightdowntypetechnology；LEDareacontroltechnology；developmenttrend引言近年来,LED显示技术飞速发展,在众多领域迅速取代CRT成为主流显示技术,相应地,作为LED显示的核心技术之一的背光源技术也得到了很大发展[1,2]。2004年,SONY公司推出全世界第一台以LED作为背光源的117cm(46in)液晶电视(QUALIA005)，其高清画面使人们得到了全新的色彩感受[3]。紧跟着，友达、三星、LG、菲利普等公司也纷纷推出了各自的以LED为背光源的大尺寸液晶电视[4]，大尺寸LED背光源从而成为众厂家研发热点。目前，LED背光模组主要采用侧光式和直下式[5]。1.LED背光源技术1.1区域控制技术高功率LED的出现，以及效率的提高，直下式的功耗在不断降低。直下式LED背光源还有一个突破性的技术———localdimming（区域控制），也就是所说的动态背光技术，很大程度地降低了背光源的功耗，并且提高了TV产品的对比度，但是要求LED数量比较多，因此TV产品的厚度比较大，美观度以及灵活性稍差。区域控制技术是根据所要显示的区域图像内容决定背光源亮度或颜色，并对LED控制信号进行调制，在保持图像亮度的前提下，有效地节省功耗，提高对比度。在判断到最亮的地方，完全打开该单元格中液晶单元的同时，还给对应的LED单元格加最大的电压，使其亮度达到最大；而最暗的地方则把该单元格中液晶单元完全关闭，同时对应的LED单元格的电压也降低到最小(或者关闭)，因此减轻了漏光现象。图3为传统背光源与区域控制背光源液晶显示算法流程比较图。其中图1(a)为采用均匀背光源照明方法的传统液晶显示算法流程；图1(b)为采用区域控制的背光源液晶显示算法流程，由输入图像内容决定的背光源驱动信号产生非均匀的动态背光，并在已知的背光光扩散分布的基础上，由输入图像和液晶补偿信号共2同确定LED的信号。实际区域控制技术依据背光驱动信号的获取、背光强度分布及液晶屏幕信号补偿采用了不同的方法［6］。图1：传统背光源与区域控制背光源算法流程比较图(a)传统背光源液晶显示算法流程;(b)区域控制背光源液晶显示算法流程。1.2直下式技术现阶段，大尺寸直下式LED背光源正在向大尺寸侧入式LED背光源发展，遵循现在要求的低碳、绿色、环保、超薄、高色彩显示，侧入式LED背光源在后期的动态区控制背光源达不到最佳值，需要我们在直下式背光源技术上做到更薄，通过对LGP的微结构处理，并且在导光板上做印刷，使LED灯在最短距离达到混光要求，并且提高光源在LGP的传输效率，改变原有侧入式由于长距离传输所带来的光损失问题。在大尺寸直下式背光源做到超薄的同时，完成localdimming技术，达到低功耗要求，并且在直下式技术基础上使用RGBLED或者高功率白光LED（RGB荧光粉），达到超薄、低功耗、高色彩的背光源产品［15］。直下式LED背光源设计的主要目标是让安装在底部PCB上的LED发出的光经过散光膜和增亮膜后形成均匀亮度分布。其结构如图2所示：图2：直下式LED背光源结构3直下式背光源的厚度由灯箱底部和散射板的距离决定，通常厚度越厚，背光源的光均匀性就越好。在背光源较薄的情况下，色彩和亮度均匀性就成了直下式背光源的技术关键。LED灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用，目前背光源所用LED灯通常有朗伯型和边发射型两种，由于边发射型LED更有利于背光源的光均匀性，直下式背光源大都采用边发射型LED。但是大角度边发射LED由于其中间光强偏低，易造成暗斑，影响背光源的均匀性。我们通过理论分析和模拟，找出一种光场分布更适合于背光源均匀性的LED灯。由于LED发光面积很小，可将它近似看做点光源,设其光强I=I(θ)，扩散板在LED上方h处，如图所示［7］：图3：LED光路简图亮度的定义是单位面积、单位立体角内的光通量。当LCD的可视角度固定后，亮度均匀性等效为散光膜上的照度分布均匀性。一般的LED光场分布为近似余弦的朗伯分布，难以在散光膜上形成均匀的照度分布。因此，本文提出为LED光源进行二次光学设计，使其能在散光膜上形成均匀的照度分布，通过散光膜的散射机制,最终形成均匀出射。LED背光源在实现均匀亮度分布的同时，还将红、绿、蓝三基色混合生成白光。当红、绿、蓝三基色LED所发出的光波长已知后，由下面的式子计算混合生成白光所需各波长光的光通量比值。（1）式中，(xr,yr)、(xg,yg)、(xb,yb)分别为红、绿、蓝三色色坐标,R、G、B分别为红、绿、蓝三色光光通量比例。如果能保证单色光的亮度均匀性，那么按比例经过混色后的白光颜色均匀性也能得到保证［8］。2.LED背光源在液晶电视领域的应用液晶，简称LCD（LiquidCrystalDisplay，LCD主要采用了液晶显示面板，主要构成包括：荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等[9]。液晶显示面板的工作原理是将两块薄玻璃板压紧抽空并充入惰性气体密封后(压力2.674×104Pa)，在后玻璃基板和前玻璃基板表面各增加一层薄薄的空间(厚度0.2mm)，预留一个小孔以注入水和引出导线。这样在前玻璃基板和后玻璃基板上各形成一层水膜，相当于两片大面积电极，然后依靠水的导电性，对其施加电压驱动后，使整个面均匀稳定地发出白色荧光。首先液晶显示器必须利用背光源，也就是通过荧光灯管LED自发辐射出光线，这些光线会先经过一个偏光板然后再经过液晶，而液晶分子此时的排列方式会改变穿透液晶的光线的角度，接下来这些光线必须经过前方的彩色滤光膜和另一块偏光板。因此只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后显现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上显示出不同深浅的颜色组合了。形象地可以理解为：液晶显示器的屏幕是靠无数个小灯泡（LED荧光管来显示图像的，只是每个小灯泡只有零点几毫米甚至微米的大小。排满几平米后点亮相应的灯泡就能看到想要的字或图形。所以买液晶电视或显示器时要看有没有沙点，就是看有没有哪个小灯泡没有工作：把显示器全部调成黑或白，看看有没有别的颜色的小点，因为黑白对比是非常鲜明的，用肉眼是可以直接看出来的[10]。与其他光源相比，LED背光源最显著的优点是可以提供前所未有的色彩还原性。通过选择适当波长的LED和与之相匹配的彩膜，LED背光源的色彩还原范围可以达到美国国家电视系统委员会(NTSC)标准的105%甚至120%以上。相比较而言,传统的阴极射线管(CRT)电视只有85%左右，CCFL背光源的液晶电视更是只有65%～75%。在画质就是生命的显示行业，具有更加鲜艳的色彩将是压倒性的优势。依传统观念而言，液晶显示器尤其是液晶电视，由于色彩和响应速度不如CRT甚至PDP而屡遭诟病，液晶显示器件可以通过瞬间背光闪烁和扫描技术[11]，消除普通液晶显示在显示快速移动物体时出现的拖尾模糊现象，画面质量将显著升，LED纳秒量级的响应速度为上述技术的实现提供了坚实的保证。点阵式的LED背光源可以将整个屏幕分成若干区域，根据显示的影像信号，单独控制每个区域的亮度和颜色，所以影像暗的部分能够做到更暗，亮的部分能够更亮，可以获得超过10000∶1的动态对比度，同时，这种LED背光源比通常用的背光源省电48%左右[12,13]。在使用寿命上，LED可以达到10万小时以上，相当于每天看电视8h，可以看30多年。与CCFL内含有致命的汞蒸汽不同，LED是半导体固体光源，完全是一种理想的绿色光源。综上所述，具有诸多不可比拟之优势的LED背光源必将在不久的将来，成为LCD重要,甚至是主要的背光光源。LED是一种平面点光源，最基本的发光单元是3～5mm边长的正方形组合在一起的面光源，具有较好的亮度均匀性，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性比CCFL背光源优越。采用LED背光源时，可采用区域亮度控制解决亮度均匀性问题，而且还可进一步降低背光源的功耗，因为显示的图像在每个具体部位的亮度是不一样的，有的区域较亮、有的区域较暗，所以完全没有必要对整个屏幕采用均匀亮度的背光控制调整，可根据图像内容决定区域亮度控制［14］。而且它具有色域宽、彩色还原性好；可以实时色彩管理；图像稳定清晰；寿命长；无高压，安全可靠；抗震、环保性能好；环境适应性强；利用LED快速点灭特性，还可以消除液晶电视的图像拖尾。5图4：LCD的成像原理示意图LED具有这么多的有点的同时，它同样存在着缺点。首先，它的成本很高，价格贵。LED背光源与同等尺寸CCFL背光源相比，成本高、价格贵。目前LED电视是CCFL电视价格的2～5倍。其次，它的发光效率低，亮度低。目前CCFL的输出光通量为5000～8000lm，液晶电视的屏幕亮度可达500cd/m2以上，而多数LED背光源发光效率尚无法达到这一指标［13］。再者，LED的白光一致性差，它的波长会随着温度的变化而变化，产生色彩漂移。3.LED背光源发展趋势3.1LED薄型化随着LED技术的不断提升，LED将薄型化、高功率以及导光板薄型化；“无边框”化。虽然液晶电视机不可能真正实现“无边框”———这只是对超窄边框的一种夸张形容。但是业界专家纷纷预测，无边框产品将成为LED超薄之后液晶电视工艺设计的又一高峰。它的发展趋势如图5：(d)(e)图5：大尺寸LED背光源的发展趋势其中，(a)为直下式的背光源，为降低混光高度，要求灯的数量比较多，实现普遍量产；(b)为侧光式的背光源，现在发展到四边入光，需要六根灯条，灯是两个芯片封装在一起，后期随着LED灯功效的提高，会发展为两边入光，见(c)，需要4根灯条，也是两个芯片封装在一起；(d)也是两侧入光，只需两根灯条，在短边入光；(e)为后期发展目标，单侧入光，如现在的笔记本电脑产品和MNT产品，单个芯片封装，达到客户要求，满足降低成本、提高组装6效率、降低功耗、节能环保的要求［15］。3.2LED封装散热向直接封装散热材料方向发展现在开发设计的大尺寸LED背光源产品，所要面对的一个重要问题就是散热问题，并且在LED技术中散热问题也是一个比较大的问题。直下式LED大尺寸背光源，有一定量的混光高度，对散热有一定的帮助，并且在整个LED大板上会相应的做散热板，达到散热效果。由于现在LED灯的功率比较高，并且有一定的能量以热的形式释放，而背光源对热信赖性要求比较严格，过热会影响电路元器件性能、降低LED灯的发光效率、膜材方面产生褶皱现象造成背光源mura不良、背光源局部温度过热、在模块做老化试验的时候产生液晶工作不稳定现象。而现在开发量产的大