LED用于LCD背光源的前景展望

王晓明 郭伟玲 高国 沈光地
北京工业大学北京市光电子技术实验室（北京）100022

摘要 随着液晶显示LCD模组不断向更亮更轻，更薄，尺寸更大的方向发展，对背光源的要求也就越来越高。本文介绍了目前LCD的背光源：冷阴极荧光灯CCFL，电致发光EL和发光二极管LED背光源，特别是LED背光源及其相关动态，通过LED与CCFL和EL的比较$预测LED将成为LCD理想的背光源
关键词 背光源 冷阴极荧光灯 电致发光 发光二极管
中图分类号 TN 383 文献标识码A

The Overview of LED Backlight for LCD IntheFuture
WANG Xiao-ming， GUO Wei-ling， GAO Guo SHEN Guang-di (Beijing Optoelectronic Technology Lab., Beijing University of Technology, Beijing 100022)
Abstract:Today, brighter, lighter, thinner and bigger-sized-LCD is more attracted. Accordingly, requirements of LCD backlight are more precise. Used for LCD backlight, CCFL, EL, and LED are introduced in this paper. Especially, LED backlight is described in detail, with its status quo included. Compared with CCFL and EL, LED is deduced to be the most perfect backlight for LCD in the future.

Keywords:backlight；CCFL；EL；LED

引言
液晶显示器 (LCD）在目前的平板显示中处于主流地位，它具有功耗低、重量轻以及厚度薄等优点。由
于液晶本身并不发光，因此LCD需要通过外来光源实现透射或反射来显示。现有LCD 大多数是透射型的，对于这些透射型LCD 来说，背光源是它们不可或缺的组成部分。
背光源系统为LCD 面板提供光源，主要由光源、导光板、光学用膜片和塑胶框等部分组成。依光源分布位置不同，分为侧光式和直下式。作为LCD 的背光源，为了确保显示画面的质量，它应具有亮度高、发光均匀、照明角度大、可调、高效率、低功耗、寿命长、轻且薄等性能。现已投入使用和正在研制的LC 背光源主要有CCFL、EL和LED 等几种类型。与CCFL及EL 背光源相比，LED 背光源具有亮度高、色纯度高、寿命长、适应性强、可靠性好、成本低、易于产业化等多种优点，随着技术的发展，LED 将成为LCD 理想的背光源。

1 CCFL 背光源
1.1 CCFL 背光源简介
背光源最早产生于二战期间，用于军用设备上的仪表显示。60~70 年代，出现了粉末电致发光的背光源，80 年代人们研制出半导体LED 背光源。之后，LCD 等非自主发光器件问世，需要大尺寸、长寿命的背光模组提供底光，伴随薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）技术的成熟，CCFL 应运而生。CCFL 具有管径细现可达到1.8m m ）、寿命长、亮度高、工作电流低等优点，已广泛应用于笔记本电脑和个人数字助理器（PDA）等产品，并在目前LCD 背光源中占据着统治地位[1-4] 。图1是采用CCFL背光源的LCD 模块的结构示意图。

图1 采用CCFL 背光源的LCD 模块结构示意图

1.2 CCFL 不及LED 之处
首先，CCFL 在其峰值光谱之外还会产生许多不需要的光谱，引起亮度恶化，并影响LCD 的色再现。在LC D中，光源发出的光是要通过由红、绿、蓝象素构成的LCD 板的，为了获得高色再现，要求来自LCD 象素的光只能有一围绕主波长的窄光谱。为此，需要开发新型LCD 背光源[4-5] ，LED 是一个很好的选择。
CCFL 的白光比较冷色，现色性比较差，照射在物体上产生的色彩，不如太阳光照射的鲜艳。例如，当前液晶电视LCD TV）常用的CCFL 仅能表现约75% 的肉眼颜色范围，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，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 比CCFL 能更好地解决残影问题和环保问题。
CCFL 属于管状光源，要将所发出的光均匀散布到面板的每一个区域就需要相当复杂的辅助组件。屏幕的厚度也较难以控制，而且随着面板的增大，必须使用多条光源，进一步加剧了设计的复杂程度及成本，大屏幕液晶电视对此当然更为敏感。例如，50 英寸以上的LCD TV，其直下式CCFL 背光模组的成本比重甚至可能占到面板成本的一半以上。随着LCD 尺寸的增大，LED 背光模组的设计复杂程度及成本的增长情况就比CCFL 好得多。
未来利用LED 取代发光效率低、放电电压高、低温下放电特性差、加热达到稳定辉度时间长的CCFL作为LCD 的背光源将是一个可预期的发展方向。业内人士、安捷伦光电产品事业部副总裁李仕义此前曾表示，大约2年后，市场大概就可慢慢接受以LED 作为背光源的LCD TV。

EL 背光源
EL 器件是一种直接把电能转化为光能的器件。EL 背光源是一种新颖的薄膜冷光源，通过交变电场激发夹在两片透明电极中间的荧光粉而发光。图2是EL 背光源LCD 模块示意图。
EL 具有超薄、耗能低、发光柔和均匀等优点，不会产生紫外线，在有烟、雾环境中能见度高，具有特优的抗水、抗震及可任意弯曲等性能，极具发展前景。
但是EL 器件需要较高的交流电压来驱动、寿命较短，功耗一般为每平方厘米几个毫瓦，亮度为每平
方米几十坎德拉，目前多用于中小型LCD 背光源、仪器仪表及薄膜开关的照明指示、交通运输及消防安全的指示标志、艺术钟表、电子礼品玩具、广告招牌、室内外装饰照明和暗室照明等领域。作为大尺寸LCD的背光源，EL 还不具有同CCFL 与LED 竞争的能力。

图2 EL背光源LCD模块示意图

3.LED 背光源

LED是LightEmittingDiode（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，另一层则缺乏电子而形成带正电的"空穴"，工作时电流通过，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，但因技术或成本方面的问题有待解决，在LCD 器件中尚未得到普遍应用。LED 背光源LCD 模块结构示意图如图所示

图3 LED背光源LCD模块结构示意图

3.2 LED 作LCD 背光源的优点及市场现状

目前LED 已经非常成熟地应用于手机彩屏LCD 的背光源，7 英寸以下LED 背光源的成本已低于传统背光源的成本。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）LED 是一种平面状光源，最基本的发光单元是3～5m m边长的正方形（ 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，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；

2）LED 背光源有更好的色域，色彩表现力强于C FL 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，色彩还原好；

3）LED 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；

4）LED 使用的是5～24V 的低压电源，十分安全，供电模块的设计也颇为简单；

5）平面状结构让LED 拥有稳固的内部结构，抗震性能很出色，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展览情况，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以LED 为背光源的46英寸LCD TV。表1 是最近两年一些公司曾展出的或即将上市的以LED 为背光源的大尺寸LCD 或LCD TV。

3.3 LED 背光源用于LCD 的前景预测
据有关数据显示，2005 年LED 市场增长可望达到524 亿元，年增长率约16% 。

因需求持续增长，预估2008 年可望达到68亿美元的市场规模，其中，供背光源应用的高亮度LED
与超高亮度LED 尤具增长潜力。然而，LED 要想占据大尺寸LCD 背光源的主流还需要解决一些问题。

1.成本太高、价格昂贵。例如，斯坦雷公司将于明年批量生产的15.1 英寸LED 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5000~7000lm 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。索尼在去年12 月推出一款采
用LED 背光源的23 英寸液晶显示器，输出光通量仅有区区200lw ， 功耗却高达190W 。不过，目前全球有大量的企业从事相关研究，LED 发光效率提升相当之快，目前光通量达到10000lm 的高亮型LED 背光也已经出现，相信离成熟仅是咫尺之遥。
3.用LED 作为背光源存在白光的一致性问题，这比起CCFL 是个劣势。

表1 最近两年一些公司研制出的以LED 为背光源的大尺寸LCD 或LCD TV

4.LED 在网点设计上较线性光源CCFL难，需考虑LED 辐射状的光强衰减。
5。RGB LED 背光源时间一久会产生色移波长会随温度变化，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。中国发光学会理事方志烈教授就认为，从今年开始将进入中大尺寸LCD 用LED 背光源和CCFL背光源的竞争期，估计到2008年，LED 背光源在中大尺寸LCD 屏幕上的应用将占主导地位。

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结束语
LED 背光源具有寿命长（ 10 万小时）、色纯度高、色再现率高、亮度高、不怕低温、适应性强、可靠性好、无汞污染等优点，在未来的LCD 背光源领域中必将占据举足轻重的地位，并随着亮度的不断提高，逐渐取代CCFL 背光源成为最重要的LCD 背光源，同时也将推动LCD 技术的进一步发展。

参考文献

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作者简介(王晓明1976～），男，山东烟台人，北京工业大学硕士研究生，主要从事发光二极管可靠性方面的研究，E-mail:savant02@emails.bjpu.edu.cn /wangxiaoming02@tsinghua.org.cn