液晶背光型別及優缺點

2021-03-04 06:18:03 字數 4730 閱讀 4179

目前市場上主流的液晶背光技術包括led(發光二極體)和ccfl(冷陰極螢光燈)兩類。

冷陰極螢光燈管(cold cathode fluorescent lamp;ccfl)

傳統的液晶顯示器都是採用ccfl(冷陰極螢光燈管)背光。ccfl的背光設計主要有兩種:「側入式」與「直落式」,不過側入式因光導設計使得光折損率較高,進而讓背光亮度受限,面板尺寸越大時亮度就越低,僅適合8英吋15英吋的tft lcd面板,也就是laptop、desktop等個人觀賞之用,但在居家觀賞的lcd tv大尺寸上面時,側入式的亮度將難以滿足,取而代之的是直落式。

不過,越大尺寸的lcd,其背光模組所佔的成本比重就越高,所指的是正是直落式ccfl背光模組,根據統計,同樣是使用直落式ccfl背光模組,在15英吋時背光模組僅佔整體成本的23%,但是到30英吋時就增至37%,且推估到57英吋時,背光模組所佔的成本就會達到50%。所以,直落式ccfl背光僅適合用在30英吋左右的中型尺寸lcd tv,不適合用在更大面積的設計上。同時,ccfl是運用水銀氣體放電來產生照明,雖然目前歐盟訂立的rohs規範,只要對「水銀」劑量在標準以下仍可接受,但無人能保證日後可能將標準提高至零含量,屆時ccfl將無法使用,或必須改行無汞式ccfl。

即便無汞式ccfl在技術上可行,但ccfl依舊是密閉光管性的氣體放電式電子照明,光管對外力的抗受性有限,較大的衝撞將使光管破裂,使照明失效,相對的其他固體式電子照明(如led)則無此顧慮。另外,由於直落式不需要用導光板,也較無光折損問題,所以也不需要增亮膜,特別是增亮膜屬少數業者的專利技術,**昂貴,直落式可以省去導光板與增亮膜,此有助於成本降低。

不過,直落式ccfl也有其缺點,為了提公升畫面亮度,必須增加光管數目,然光管過密排置的結果將不利於散熱,既然左右相間的距離空間縮減,只好從厚度層面來增加散熱空間,然而厚度增加也等於部分抵損lcd tv的優點:輕薄。

由於冷陰極螢光燈不是平面光源,因此為了實現背光源均勻的亮度輸出,lcd的背光模組還要搭配擴散片、導光板、反射板等眾多輔助器件。即便如此,要獲得如crt般均勻的亮度輸出依然非常困難。大部分lcd在顯示全白或全黑畫面時,螢幕邊緣和中心亮度的差異十分明顯。

除了結構複雜、亮度輸出均勻性差之外,採用ccfl作為lcd背光源還有個讓人頭痛的問題——使用壽命短。絕大部分ccfl背光源在使用2~3年之後亮度下降非常明顯(壽命在15000小時~25000小時),許多lcd(尤其是膝上型電腦的液晶屏)在使用幾年後會出現螢幕變黃、發暗的現象,這正是ccfl使用衰減期較短的缺陷造成的。

與此同時,由於ccfl背光源必須包含擴散板、反射板等複雜的光學器件,因此lcd的體積無法再進一步縮小。在功耗方面,採用ccfl作為背光源的lcd也無法令人滿意,14英吋lcd的ccfl背光源往往需要消耗20w甚至更多的電能。這對膝上型電腦和便攜裝置來說,它們的續航能力將經受重大的考驗。

發光二極體(light emitting diode;led)

既然ccfl背光有諸多的***疑慮,因此業界也尋求各種新背光實現技術,而led則是可行方案之一。led背光有多項好處,首先是固體式電子照明,對衝撞的抗受性高於ccfl,且沒有汞氣體的環保法規顧慮,沒有uv紫外線外洩顧慮,同時在色彩飽和度及壽命上都超越ccfl,另外led只要正向電壓即可驅動,不似ccfl需要交流的正負向電壓,即便是只論正向驅動電壓,led的需求水準也低於ccfl。再者,led的亮度只需用脈波寬度調製(pulse width modulation;pwm)方式就可調節,並可用相同方式來抑制tft lcd顯示上的殘影問題,然而ccfl的亮度調節就較為複雜,且無法抑制殘影,必須以另行方式才能抑制。

雖然led背光有諸多優點,但也有其缺點,首先是發光效率,以相同的用電而言,led並不及ccfl,因此散熱問題會比ccfl嚴重,此外led屬點型光源,與ccfl的線型光源相較實更難控制光均性,為了達到盡可能的光均,必須對生產出來的led進行特性上的精挑嚴選,將大量特性一致(波長、亮度)的led用於同乙個背光中,此一挑選成本也相當高昂。所幸的是,led的發光效率還在提公升中,目前已可至100 ml/w以上,如此色彩飽和度可以更佳,以及讓背光的wled排置更寬鬆,進而讓用電與散熱問題獲得舒緩,且製造良品率持續進步成熟後,嚴選光亮特性一致的led之成本也會降低。

所以單單改變背光技術或許還不足以引發lcd的革命,那麼我們就去看看別的lcd技術發展。oled (***anic light emitting diode)即有機發光二極體。oled顯示技術與傳統的lcd顯示方式不同,無需背光燈,採用非常薄的有機材料塗層和玻璃基板,當有電流通過時,這些有機材料就會發光。

而且oled顯示螢幕可以做得更輕更薄,可視角度更大,並且能夠顯著節省電能。但是,目前它的壽命和**是限制它在lcd方面發展的瓶頸。

oled是另外乙個受到矚目的面板應用技術,並且以小尺寸面板的實現期程較早。以客戶的計畫來看,20082023年會有較多的機種問世,但仍以次面板為主,而且即使機種和出貨量較現在有明顯的增加,市場占有率也不會超過10%。oled原本因為本身薄,對比、視角、省電等各方面的條件都較tft-lcd要優秀,一直受到業界的重視,認為將取代tft-lcd,早幾年也紛紛投入研發。

然而一方面oled本身技術遇到瓶頸,壽命問題有待克服;另一方面tft-lcd技術持續精進,現在也能夠提供優異的對比和視角,致使oled需求量始終無法大舉提公升,並且市場不大又供過於求,限於**競爭;原本投入的業者也難逃解散和縮編的命運。台灣勝華科技過去則轉投資成立勝園投入oled研發,眼看oled與tft-lcd無法競爭,尤其成本差異大,規格方面tft-lcd已可輕易達到170度的視角、500:1的對比、亮度增加,也可以做薄,反應速度雖然較遜色,但達到人眼可以接受的範圍即可。

因此勝園也已經收掉,只留下幾位研發人員回到勝華做材料的開發。未來oled的壽命和**若能大幅改善,仍有機會;現階段則限於具特殊性、強調要標新立異的產品;量大的時間點還未看到。

而amoled(active matrix/***anic light emitting diode)主動矩陣有機發光二極體面板(amoled)被稱為下一代顯示技術,包括三星電子、三星sdi、lg飛利浦都十分重視這項新的顯示技術。目前除了三星電子與lg飛利浦以發展大尺寸amoled產品為主要方向外,三星sdi、友達等都是以中小尺寸為發展方向。從目前成品產品的產品效能表現來看,如果amoled成本能夠得到有效控制的話,那麼,傳統的lcd面板技術將受到極大挑戰。

amoled優點之一:無需背光燈

amoled優點之一:色彩飽和度更大

amoled優點之一:可以達到ips或者va面板的180度可視角度

amoled優點之一:有效解決lcd面板動態模糊問題

led作為lcd背光會帶來哪些好處呢?首先,採用led背光的lcd的體積將進一步縮小。led背光源是由眾多柵格狀的半導體組成,每個「格仔」中都擁有乙個led半導體,這樣led背光就成功實現了光源的平面化。

平面化的光源不僅有優異的亮度均勻性,還不需要複雜的光路設計,這樣一來lcd的厚度就能做得更薄,同時還擁有更高的可靠性和穩定性。更薄的液晶顯示面板意味著膝上型電腦擁有更佳的移動性。例如,sony近期推出的vaio tx筆記本就採用了厚度僅有4.

5mm的led背光液晶顯示屏。

其次,在發光壽命方面,led背光技術也將ccfl遠遠拋在後面。普通的ccfl背光源一般的使用壽命在3萬小時左右,一些頂級的ccfl背光的發光壽命也不過在6萬小時左右。這樣的壽命對於頻繁使用的使用者來說意味著使用2~3年後lcd的亮度就將會明顯下降,而不得不更換lcd的ccfl背光模組。

而led背光則完全沒有這樣的問題,現階段白色led背光的壽命已經高達10萬小時,而且還有再次提公升的潛力。即使24小時不間斷使用,這樣的壽命也足夠使用5年!

在色彩表現力方面,led背光也遠勝於ccfl。原有的ccfl背光由於色純度等問題,在色階方面表現不佳。這就導致了lcd在灰度和色彩過渡方面不如crt。

據測試,採用ccfl背光只能實現ntsc色彩區域的78%,而led背光卻能輕鬆地獲得超過100%的ntsc色彩區域。在色彩表現力和色階過渡方面,led背光也有顯著的優勢。

毫不誇張地說,led背光技術的引入,使lcd首次在色彩表現力方面可以和crt相提並論。此外,由於led的平面光源特性,led背光還能實現ccfl無法企及的分區域的色彩和色度調節,從而實現更精確的色彩還原,以適應平面出版和圖形設計工作的需要。

儘管led背光技術有著巨大的優勢,但是現階段依然面臨一些難題急需解決。led背光技術首先遇到的挑戰就是成本問題。由於白光led器件被幾大寡頭所壟斷,因此led背光的製造成本居高不下。

採用led背光的產品售價現階段依然明顯高於ccfl背光產品,而且白光led器件的產量也無法滿足大批量的需求,要實現led背光的快速普及,就必須突破白光led的專利封鎖。

除了成本問題,現階段led背光技術在發光效率方面也難以讓人滿意。現階段的ccfl發光效率基本都在60 lm/w(流明/瓦)左右,而大型化的led背光則只有30 lm/w。究其原因,主要是led會隨著晶元面積的增大而出現電流密度不均勻的現象,這必然導致整體發光效率低下,同時產生較高的熱量。

由於在大尺寸背光發光效率上的差距達到了50%,因此led背光用在大尺寸面板上所需要的功耗將會是普通ccfl的2倍!這也是現在成品化的大尺寸led背光lcd都搭配了主動散熱系統的原因。

不過,隨著各大廠商對於led背光研究投入的持續增加,以上兩個困擾led背光的關鍵問題都有望很快得到解決。白光led主導廠商日亞化學在2023年開始便不斷提公升旗下白光led產品的產量,同時其他廠商的白光led產品也開始量產,白光led的**也正以較快的速度下降,相信不超過兩年,led背光模組的**就將會和ccfl背光模組的**持平。至於led的發光效率問題,近期也有了明顯的改善。

新一代白光led的發光效率已經提公升到了50 lm/w,和ccfl的差距只有區區10 lm/w。在未來3~5年內,led的發光效率很可能超越80 lm/w的水平。

毫無疑問,led背光技術在不久的將來會取代ccfl,成為lcd主流背光源。在led背光技術的幫助下,lcd將會在色彩還原度、使用壽命方面獲得極大的提公升。屆時,lcd距離完美又近了一步。

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