LED光源运用于背光模组之介绍(简体)

LED光源运用于背光模块之介绍

7/19/2024大纲背光模块简介LED背光模块光源改善LED背光模块的辉度LED光源之应用以及与CCFL之比较7/19/2024背光模块简介背光模块(Backlightmodule)为液晶显示器面板(LCDpanel)的关键零组件之一，由于液晶本身不发光，背光模块之功能在于供应充足的亮度与分布均匀的光源，使其能正常显示影像背光模块的基本原理系将常用的点或线型光源，透过简洁有效光机构转化成高亮度且均一辉度的面光源产品。一般结构为利用冷阴极管的线型光源经反射罩进入导光板，转化线光源分布成均匀的面光源，再经扩散片的均光作用与棱镜片的集光作用以提高光源的亮度与均齐度7/19/2024背光模块简介7/19/2024背光模块主要光学组件发光源(Lightsource)冷阴极荧光管(CCFL:Coldcathodefluorescentlamp)热阴极荧光管发光二极管(LED:Lightemittingdiode)电激发光片(EL)导光板(Lightguideplate)导引光线方向，以提高面板光辉度及控制亮度均匀，利用疏密、大小不同的微结构图案设计可使导光板面均匀发光7/19/2024反射板(Reflector)将漏出的光反射回导光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率。扩散板(Diffuser)提供液晶显示器一个均匀的面光源增亮膜(BEF棱镜片)光自扩散板射出后其光的指向性较差，因此必须利用棱镜片来修正光的方向，其原理藉由光的折射与反射来达到凝聚光线、提高正面辉度的目的。背光模块主要光学组件7/19/2024背光模块主要光学组件7/19/2024背光模块三大结构侧光式(Edgelighting)发光源为摆在侧边之单支光源，一般常用于18吋以下中小尺寸的背光模块，其侧边入射的光源设计，拥有轻量、薄型、窄框化、低耗电的特色直下式(Bottomlighting)超大尺寸的背光模块，侧光式结构已经无法在重量、消费电力及亮度上占有优势，因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被发展出来。中空式结构7/19/2024直下式(Bottomlighting)7/19/2024中空式结构资料来源:LCDIntelligence,PIDA整理7/19/2024LED背光模块光源以白光LED来看，由于单一LED芯片的发光频谱很窄，因此本身无法发出白光，需要藉由一些技巧，来达到白光的目的目前常用的LED背光模块型式可分为四种:拟似白光LED近紫外白光LED单体RGB白光LED一体化RGB白光LED7/19/2024有荧光体之LED光源拟似白光LED

基本上是由蓝光LED与黄色荧光体所构成，动作时利用互补原理产生白光，这种型式的LED结构非常单纯，而且发光效率很高，因此被当作小型LCD的背光光源，能广泛应用在行动电话，缺点是红色成份的强度较弱。近紫外白光LED

它是由可产生近紫外光的LED，与可产生RGB三种颜色的荧光体两者组合而成，由于是利用RGB三种颜色混合变成白光所以色再现性很高，不过这种白光LED基于紫外光会使封装树脂与荧光体劣化等考虑，因此必需另外开发抗紫外光的树脂与荧光体。7/19/2024有荧光体之LED光源7/19/2024无荧光体之LED光源单体RGB白光LED

由于单体RGB白光LED可针对各单体LED设计散热结构，因此较容易获得高输出效果，不过RGB单体LED的芯片物理上彼此相隔，所以必需设计专用的导光路，使RGB单体LED的光线能均匀混色变成白光，才能避免背光照明模块变厚。一体化RGB白光LED

一体化RGB可直接混色变成白光，所以没有专用导光路与背光照明模块厚度限制等困扰，不过施加的电流量受到限制，不易获得高输出效果。7/19/2024常用的LED背光模块型式7/19/2024改善LED背光模块的辉度取决于如何将发光层产生的光线取至LED外部，因为光层产生的光线会在组件内部反复反射，甚至会被组件吸收转化成热能主要改善方法有以下三种:电极设计导光板设计利用驱动电路降低辉度不均7/19/2024有效的取出光线-电极设计德国OSRAM将SiC基板的端面倾斜放置，接着制作凹凸状电极，藉此改变光线的入射角，达到抑制光线反射的效果。计划未来将组件上下反转进行flipchip连接，同时在发光层设置mirror使光线能朝前方集光7/19/2024日亚化学则是使在蓝宝石基板表面形成凹凸状藉此散乱光线，同时采用网状电极增加电极部位的取光效率有效的取出光线-电极设计7/19/2024有效的取出光线-导光板设计LED与导光板之间的距离越近，背光模块的辉度越高，构造上当两者距离等于0，亦即LED贴附于导光板时，LED的光线利用效率最高。7/19/2024为了满足以上结构，设计上必须把握以下几项重点:选用发光面为扁平状之LED。设法使LED贴近导光板端面。LED贴近导光板端面时不可施加额外的外力。此外小尺寸基板除了可提高作业性之外，基板小型化对背光模块轻巧化具有很大的帮助。有效的取出光线-导光板设计7/19/2024有效的取出光线-导光板设计右图为当LED光轴与导光板的中心(板厚方向)不一致时，对背光板面辉度的影响经过模拟分析后的结果。导光板的厚度为(t)，LED光轴偏移量为(d)，LED光轴与导光板的中心不整合率单位为%。由图可知不整合率越高时，背光板的面辉度衰减越大。设计时必须尽可能选用厚度与导光板相同LED，如此便可防止辉度的损耗衰减。7/19/2024射入导光板的LED光线，在导光板内反复反射，并朝向与入射光相反方向前进，光线反射时部分的光线被导光板表面的微细凸状网点扩散，再从导光板表面射出成为液晶面板的照明光源，导光板的厚度越薄，导光板内光线的反射次数越多，相对的从导光板表面射出的光线也越强。有效的取出光线-导光板设计7/19/2024有效的取出光线-导光板设计目前导光板的厚度以0.8～1.0mm居多，导光板的厚度越薄除了容易获得高辉度化效果之外，对可携式商品的轻巧化具有很好的效果。受到导光板成形技术的限制，上述厚度越将会维持一段时间。7/19/2024有效的取出光线-导光板设计为了提高LED的发光效率，利用单芯片LED作为背光模块照明光源已成为目前主流趋势。下图是利用单芯片LED从导光板的端面入光的典型结构，这种结构最大特征是单芯片LED就可获得良好的辉度均匀性，不过单边入光位置经过最佳化设计，因此无法利用复数芯片增加辉度。7/19/2024利用驱动电路降低辉度不均InGaN系白光LED特性上顺向电压值(VF)20mA时为3～4V，它比其它材质的LED高1V左右InGaN系白光LED的辉度不均范围也比其它种类的LED大，尤其是复数LED同时点灯时更容易突显辉度不均现象改善方法:-事先将LED的顺向电压值(VF)区分成不同等级。-每个LED设置一个限制电流之电阻。-如此便可将显辉度不均控制于某种范围内。7/19/2024利用驱动电路降低辉度不均当电池的电压下降时，就无法控制电流变动。虽然行动电话使用的锂离子(lithiumion)电池的电压号称有3.6V，实际上锂离子电池具有如下图所示的输出特性TYPE1是传统电池的电压的衰减特性，由图可知从4V开始逐渐下降TYPE2是锂离子电池的电压的衰减特性，最初的电压衰减很小，到了中途便急剧下降7/19/2024利用驱动电路降低辉度不均如何避开电压变动的影响，使流入LED之间的电流呈稳定状态驱动成为重要的课题之一目前常用的LED驱动大致上可分为以下数种方式:

-内建升压型DC/DC变频器(converter)，输出电压约12～16V(相当于LED并联时所需的电压)。

-加大电池输入电压的动作容许裕度。

-设法作定电流输出。LED就不会受到电池的电压或是LED电压VF分布不均的影响能够稳定的点灯7/19/2024背光模块种类与应用7/19/2024CCFL与LED的特性比较表项目CCFLLED小型化线光源点光源轻薄化可优低耗电0.2-2W0.04-1.5W高辉度化80lm/W5-12lm/W挥度分布可可色光分布可可寿命可优耐环境性可优7/19/2024CCFL&LEDSpectra与CIE坐标图LED与CCFL在CIE色度坐标图上的显示范围(数据来源：Lumileds)7/19/2024CCFL&LED之比较CCFL的光谱经过彩色滤光片后，它的每一种颜色的光谱分布会落在比较大的范围内，也就是说在CIE色度坐标图上RGB所围出来的色彩表现分布比较小。以LED的光谱分布而言，它的RGB分布相对窄很多，因此经过彩色滤光片，它的每一种颜色的光谱分布会落在比较小的范围内，则在CIE色度坐标图上RGB所围出来的色彩表现分布比较大。CIE坐标图中，RGBLED所为出来的范围大于CCFL，所以LED的色彩饱和度较佳7/19/2024CCFL&LED色彩比较7/19/2024结论虽然LED背光模块具备许多优点，可是始终无法普及化，主要原因是LED背光模块的成本居高不下。23吋液晶电视用LED背光模块，如果使用单体RGB白光LED时，2003年的制作成本是传统冷阴极背光模块的2.5倍。LED光源的成本则是冷阴极光源的10倍，使得LED背光模块的优势只剩下不需使