强化LED结构让液晶电视走向LED背光

强化LED结构让液晶电视走向LED背光

前言：在追求广色域的目标之下，全球液晶电视业者纷纷开始导入LED的背光结构，当然这并不是一件简单的事情，除了成本的考虑之外，最重要的莫过于耗电的话题。

Sony在2004年所发表的40吋及46吋LCD用LED背光模块Qualia 005，在采用450颗3原色LED之后，耗电量就高达450W以上，不过随着技术的提升，Sony在2007年所销售的70吋LED背光液晶电视的耗功率已经大幅下降到200W，所采用的3原色LED数量还是450颗，这样的数字是相当惊人的，因为利用2年左右的时间，就可以将耗电量减少一半，并且可支持的面板尺寸也将近增大1倍。



图说：背光模块Qualia 005，在采用450颗3原色LED之后，耗电量就高达450W以上。

液晶电视迈向降低耗电量时代

姑且不管Sony是如何达到这样的技术目标，事实上，降低电视背光耗功率的技术研发一直在全球业者之间不断的进行着，而在2006年初，根据日本媒体的报导，当时32吋液晶电视总耗电量为180W左右，预计到2006年下半，当时被称为主流尺寸的32吋液晶电视，总耗电量有可能降低到100W以下。

但是如果转换成目前主流的40吋液晶电视，详细的作法观念是，基于液晶电视每年都以15％左右的比例降低耗电，所以到2006年底以前，总耗电量将会降低到230W左右(270W X 15％)，如果再加上能够提升背光模块技术的话，就有机会将背光模块的耗电量降低40％，如此一来总耗电量就将近159W，依照这样的进步速度，2010年时，总耗电量就可以达到100W。当然，在这样目标之下所指的背光还是冷阴极管。

液晶LED背光已被市场所期待

但是无论如何，LED背光模块已经是被市场所期待的技术之一，也就是说，所面对的高耗电课题，已经是不得不去解决的了，因为对于大尺寸的液晶电视来说，有将近60％的电力是消耗在背光模块上，不过要降低总耗电量并不是只有LED背光这个单一的方面，另外还包括改变驱动电路技术、强化导光效率、降低热效应现象等等，也都是辅助降低总耗电量的技术。

目前根据应用的不同，LED的点灯方式也有所不同，大多的液晶电视多采用直下式的背光，而包括监视器以及小尺寸应用的产品，都是以侧光式为主，这是由于双方对于辉度与演色性需求差异下的区隔。一般来说，监视器多是使用侧光式的RGB3原色的点灯方式，如果是更小尺寸的应用，例如是车载导航用面板、手机面板、PDA用面板等等，就多是使用白光LED的侧光方式，不过侧光白光LED的背光方式，已经逐渐朝向大尺寸化发展，目前包括有部分的笔记型计算机也开始采用侧光白光LED的背光模块，因此在外型的设计上，更能达到薄型化、高弹性的目标，虽然白光LED在红色表现部分，有演色性不足的问题，但是因为笔记型计算机大多是用来进行文书等等静态画面显示，期望达到与液晶电视相通同质量的用户毕竟不多，所以，基本上演色性不足并不是太大的问题，不过当然还有可以克服的方式，例如在白光LED的数组中加入红光LED等等，这些方式也一一的被背光模块业者所克服。



图说：目前根据应用的不同，LED的点灯方式也有所不同，大多的液晶电视多采用直下式的背光。（三星电子）

引颈期待高效率高辉度的LED

但是如果期望实际的普及3原色LED背光，相信还有很多的问题需要解决，甚至于要耗费数年的时间。其实说穿了根本关键还是在成本，因为对于液晶电视而言，所需要的是高辉度，所以必须采用1W以上高效率、高辉度的LED，在加上因为是直下式入光，所以3原色LED使用的颗数，有可能会因为面板尺寸的增加而增加LED使用颗数，但是如此的作法又会带来另外的问题，那就是热效应会因为3原色LED使用数增加而爆增，如此一来那就必须采用更多的散热鳍片、风扇、散热管等等来维持模块内的温度，此外，使用数量庞大的LED，而为了使色调统一，除了要严谨的筛选发光波长相同的LED之外，还必须采用Color Sensor来调整RGB色差，但所造成的影响便是成本的增高，因而无法有效的让售价符合消费者的期望值。不过这并非绝对的，另也可以使用其它的技术来达到面板尺寸增加，而不必使用太多的3原色LED数量。

不过，期望降低LED背光模块的耗电量并非是背光模块与液晶电视系统业者所需要努力的，其实对于LED芯片业者来说，也扮演着相当重要的角色，因为如果芯片业者的努力能够强化LED发光效率的话，那么LED对于电力的需求也就因此而大幅度的降低，而所得到的效益也就会直接反映在LED背光模块上。



图说：要降低总耗电量并不是只有LED背光单一方面，包括改变驱动电路技术、强化导光效率、降低热效应现象等等，也都是辅助降低总耗电量的技术。

热效应问题是老生常谈却不易解决

最近这几年来，LED芯片业者相当积极的开发高亮度LED芯片，最实际的做法就是如何让LED能够支持更大的电流，来让LED产生更大的辉度，以目前的规格来说，一颗面积30um2 的LED所能承受的最大电流为30mA左右，这样的结果还是无法符合在应用上「让LED产生更大的辉度」的需求，因为市场所期望的是能够在面积为1mm2 的LED芯片中导入350mA的电流，让单芯片产生更高的内部量子效率，如果驱动电压是3V的话，那么换算之后，被流入LED的电力就有将近1W左右。

但是，并不是一味地提高电流量就可以了，因为根据经验，所流入的电力有4分之3左右，都会产生热效应，也就是说，只有4分之1(0.25W)会转换成光，而0.75W左右的电力，都会便成热效应。而热效应所带来的困扰，众所周知，LED会因为温度而改变光波长，并且降低发光效率，造成画质的演色偏差。

对于LCD背光用的白光LED开发课题来说，不仅仅是提高LED的发光亮度，还必须包括辉度均一性、高色彩演色性、提高使用长寿等等的挑战，因此在完成高电流的LED芯片之后，如何封装在热传导率大、热容量大的材料上，就成了业者相当重要的课题。

藉由封装提升光输出功率

目前产生白光的LED方式，已经从传统的利用蓝光LED加上黄色荧光粉，朝向多元方式发展。经过这些年来的技术努力，白光LED的发光效率，和过去相比可以发现已经大幅的提升，日本的LED照明推进协会预计，100 lm/W的白光LED将会达到每流明1日圆的实用化阶段。达到LED的平均演色评价数提高，荧光粉的开发就扮演了相当重要关键，因为利用荧光粉搭配蓝光LED所得到的模拟白光LED，在波长上对于红色和绿色的显现能力较为薄弱，所以也有业者开始开法利用紫外光LED搭配RGB荧光粉。但是这样的作法还是有其复杂性的，因为并不能将各个颜色荧光粉单纯的混合，因为如何达到接近自然白光的输出就是一个难题。不过有关发光特性均匀性，一般认为只需要改善白光LED的荧光粉材料浓度均匀性，与荧光粉的制作技术，应该可以克服上述困扰。

就技术上，如果蓝光LED芯片的光输出效率如果达到360mW，配合高阶技术的封装能力，获得100lm/W的白光输出并不困难，以今天的技术而言不是困难的课题，例如包括Cree、日亚等等的业者在2006年已开发出高亮度的蓝光LED芯片。紧接着之后的如何降低外部量子效率的损耗便是考验者封装业者的能力。

但是在提高电流输入的同时，所带来的热效应，就不得不严谨的面对了，因为必须设法减少热阻抗、改善散热等等问题，目前的做法包括了：降低芯片的热阻抗、控制模块和印刷电路板的热阻抗、提高芯片的散热性等等。



图说：有关发光特性均匀性，一般认为只需要改善白光LED的荧光粉材料浓度均匀性，与荧光粉的制作技术，应该可以克服。

新技术保持一定接点温度

一般而言，能够产生白光的LED，是封装中利用蓝光LED芯片，配合在LED周围填入混合荧光粉而产生白光，对于从蓝光LED芯片所发出的热，则是被热槽和簧片架等吸收，使封装内部不至于充满热效能，但是大多用来封装的环氧树脂因为抗热性较差，所以往往在LED芯片本身的寿命耗尽之前，环氧树脂就会出现变色的现象，使得LED模块的寿命因此而减低。由于硅树脂耐热性高，即使在摄氏150度amp;#8764; 180度的情况下也不会出现变色，所以已经有许多业者逐渐采用硅树脂，逐渐取代环氧树脂来作为封装材料。此外在白光LED的散热结构设计部分，为了达到改善的目标，有的业者采取增加金属片厚度、不透过绝缘层而直接散热等等的结构，来提高散热能力。目前已有将将LED芯片放置在，利用铜与陶瓷材料制成的散热鳍片表面，再将热能导入印刷电路板上的散热结构，这样的做法可以降低9K/W的热阻抗，在输入2W的电能时，芯片中接合温度最高不会超过摄氏800度。

量测标准现身缩短背光模块开发时间

其实今天所有能够考虑到的技术问题，为了能使白光LED能够更为广泛的被应用，全球各大业者无不深入开发相关的技术，来降低成本以及提高效率值。但是，对于白光LED而言，包括背光等等因为有着太多的广泛应用，市场也期待着能有标准的规范来定义出白光LED的效能。单纯的说，如果能有白光LED的量测标准，对于背光业者而言无疑是一项大好的消息，因为在今天，液晶面板背光模块业者在采用白光LED时最大的困扰在于白光LED的选用，一旦这样的量测标准被定义且实施之后，液晶面板背光模块业者，便能够更简单的选用LED，以及依照规范开发出合适的背光模块，大幅度的缩减开发时间。

事实上这样的期待，已指日可待。包括日本照明学会、日本照明委员会、日本照明器具工业会，以及日本电球工业会从2004年底开始，共同连手制定白光LED的量测标准，来规范出白光LED的各项标准，这些单位的构想是，不仅仅是白光LED芯片，甚至连白光照明都可以依照这样的规范来进行。

这个规范不只定义了LED芯片与模块的结构，甚至在一定色温下所能表现的可视光的范围都有详尽的定义，并且要求在发光光谱以及配光特性等等的方面，都必须满足均一性，也就是说在正负5度的角度范围之内，光度变化不能超过正负5％，以及色坐标的变化也必须正负0.003之内，才能被称为符合规范标准。

规范提供两种电压测量方式

由于这次的专题报导，是偏重于白光的LED驱动，所以下面就针对规范中所提及关于白光LED驱动的部分进行说明。在规范中，包括LED的寿命、输入电流、输入电压、消耗电力等等，都做了相当清楚的定义。就基本的特性上，LED与一般的逻辑芯片并不相同，所以在电极面积上无法确保广泛的程度，再加上串联电阻值和电位不均匀分布等等，因此顺向电压就会随着温度高低而产生变化。所以在规范中定义了，在进行量测时，周围温度的变动幅度必须在摄氏2度之内，并且不能有气流效应，也就是风场的存在，来确保进行量测时，白光LED的色再现性与稳定性。对于白光LED的驱动，规范中提供了大阻抗限制电流驱动，以及定电流源驱动两种直流驱动量测的方式。针对白光LED因为先天的电位不均匀分布，以及温度等等因素，造成顺向电压变化，可以利用大阻抗值与高电源电压，来控制电流所带来的发光变化，而定电流源驱动的部分，则是让内部阻抗变成无限大，避免顺向电压出现变动。但是，如果是较高功率的白光LED的话，就必须采用定电流源驱动，因为如果采用限制电流驱动的话，会造成供给电压过高，以及大串联电阻功率值的情况。



图说：在进行量测时，周围温度的变动幅度必须在摄氏2度之内，并且不能有气流效应。

关于详细的量测规范与说明，日本电球协会已经发表了用白光LED测光方法通则，有兴趣的读者可以连上日本电球协会网站寻找，通则的售价约为700块台币左右。

背光模块应该可以说是正式进入LED的时代，虽然目前还有许多技术问题有待克服，不过在画质与颜色更加艳丽与细腻的要求下，相信LED会逐渐取代冷阴极灯管的使用，因为色温3000~9300K表现范围的家用液晶电视，更可以藉由LED背光模块的色再现特性，来达到高画质的表现。

来源：中电网