大尺寸液晶顯示器背光源

摘 要： 大尺寸液晶顯示器正在廣泛應用，背光源作為主要的零部件不斷革新，以適應這一發展趨勢。本文主要概述了目前較常用的大尺寸背光源結構，著重于直下型背光源的結構和發展趨勢，并介紹各個組成零部件。

液晶顯示器輕，薄，高清晰顯示，無輻射，正廣泛應用于監視器，筆記本電腦，數碼相機，投影儀，液晶電視等。

液晶顯示器是一種非自發光顯示器技術，必須借助于背光源顯示影像，因而背光的發展對液晶顯示的性能非常重要，但隨著液晶顯示尺寸大型化的需求不斷增長，傳統背光源的成本比重也在不斷增加。背光源正在輕、薄、低功耗、高亮度、低成本上努力改善。

1 大尺寸LCD 面板及背光源簡介

液晶顯示器通過液晶對光的調制顯示信息，發展機遇和技術革新與背光源的改善息息相關，包括冷陰極熒光管CCFL( ColdCathode Fluorescent Lamp)的動態控制，外部電極熒光燈EEFL(Exterior ElectrodeFluorescent Lamp)、平面熒光FFL(FlatFluorescent Lamp)、發光二極管LED(LightEmitting Diode)背光源的發展等。

1.1 LCD 面板

L C D 面板主要是由彩色濾光片( ColorFilter)，背光模塊(Backlight)，驅動芯片(IC)，補償膜及偏光片(Retardation film andPolarizer)，ITO玻璃基板(ITO Substrate)，取向膜(PI film)，控制電路等組成。

1.2 背光模塊

背光模塊由光源，燈罩 Lampshade,反射板Reflector,導光板LGP(light guidePlate)，擴散板(Diffuser)，增亮膜 BEF(Brightness Enhancement Film)以及外框等組裝而成。其中光源有冷陰極熒光管CCFL,熱陰極熒光管，HCFL ( HotCathode Fluorescent Lamp)外部電極熒光燈EEFL,發光二極管LED,平面熒光FFL,場發射背光源FE(Field EmissionBacklight)等多種。

背光光源發光，進入導光板，經過傳播之后，由正面以一定角度射出后，均勻分布于發光區域內，再經擴散板，增亮膜，使光線聚集在液晶顯示器的視角范圍內。

2 背光源的主要結構

LCD 應用有所不同，導致其相關的產品特性，如尺寸，亮度，響應速度， 分辨率，色飽和度等也有所區別。就一般而言，按照燈管的位置類，大致采用以下幾種結構：

2.1 側光式結構(Edge Backlight)

導光板LGP(Light Guide Plate)引導光線方向，提高面板的輝度并控制亮度均勻。

Edge Backlight 的發光源一般在導光板側，光源按照導光板的形式和光學上的要求有直型，L 型，U 型CCFL燈管。CCFL在側邊，沒有散熱問題，但CCFL提供的光量，經過導光板、擴散膜、偏光膜、液晶層、彩色濾光片等多層元件后，效率相當低。

2.2 直下型結構(Bottom Lighting)

用于大尺寸顯示器時，側光式結構無法在重量、消耗電量以及亮度上占有優勢，因此不含導光板且光源放置于正下方的直下型結構便被開發出來。直下型背光源，零件少，整體的發光效率也較側光式高。它的亮度、均勻性、色飽和度等基本滿足要求。面板越大，燈管越長，燈管本身的均勻性要求更高，只好增加擴散板，卻又造成亮度不足，繼續增加燈管。因而尺寸越大，背光源所占成本越高，幾成線性關系。但燈管的增加，耗電量也增加到液晶顯示器的9 0 % ,散熱問題也日益嚴重。

3 直下型背光的光源分類

光源系統決定了顯示器的影響亮度，均勻性，LCD 所采用的發光源有CCFL,HCFL,EEFL,FFL,LED,FE 等，其中CCFL 具有高輝度、高效率、壽命長、高演色性等特性，而且其圓柱形結構很容易與光反射元件組合成薄板狀照明裝置，所以目前仍以CCFL為主流，但是一般認為將以白光LED 為應用趨勢。

3.1 CCFL

作為光源的冷陰極管隨著導光板的快速發展而發展，導光板越來越薄，冷陰極管也越來越細，直徑約2.6mm 的成為主流。

CCFL的高壓電極激發電子，電子撞擊N e 和A r 原子，吸收能量，升溫，高能量的Ne 和A r 釋放能量，撞擊Hg(也可使用Xe )吸收能量，H g 釋放紫外線λ = 2 5 3 .7nm ,撞擊熒光粉，發出可見光。電極的電子發射不是熱電子發射，故稱為冷陰極管。由于電極沒有燈絲，所以電極可做細，優點是高效率，穩定可靠，但要與反射板，擴散膜等一起使用，結構復雜。32 使用12根燈管，到37 左右燈管數增加到2 0 根左右，成本增加太快，接近整個系統的40 %多，而且每個燈管需要單獨驅動，響應速度較慢，色飽和度只有約72%,同時由于汞的使用帶來環境問題的隱患。

3.2 LED

其優勢在于低電壓，輕，無汞，長壽命等，而且其光源光譜比以熒光粉為發光材料產生的光純正，也是目前唯一達到和超過NTSC100% 色彩飽和度的選擇。其單位耗電量能獲得的輝度較高，其反應速度也比CCFL快3 倍，能夠賦予液晶面板高的附加值。以RGB 三種LED為光源，按序切換點亮，可取代昂貴的彩色濾光片CF .但是價格相對較貴，耗電量相對較大。

3.3 混合型

LED 混合背光源技術，可大幅提升液晶電視顯示質量，采用AFLC 區域亮度控制技術(Area - Focused Luminance Controllable)，可自行分析影像數據，自動調整特定部位明暗度，使亮的部份更亮，暗的部分更暗。

混合型LED 背光液晶顯示器，色飽和度可到110%,對比度可到10000:1.8ms 以下的響應速度，采用IPS 廣視角技術，上下左右視角達178 度。采用LED 與熒光燈的混合背光源顯示器，色飽和度也可到105%,比使用熒光燈背光源的顯示器高出45% 以上，而成本只有LED背光源的6 0 % 左右。

場發射背光源FE FE 背光源的顯示特性和成本優勢，將來也會有一席之地。

有機LED OLED 這是一種未來顯示器，但也可用作背光源，它簡化了背光源的光學結構，驅動電壓低，但目前的問題是壽命較短，效率不高，對低溫敏感，價格昂貴。

4 背光源其它零組件組成

4.1 導光板(只應用于側光型背光)

導光板材料形狀和材料決定了出射光源的輝度和分布。

最常見的是印刷式的導光板，以距離光源遠近為依據，使用高反射光源物質，如SiO2及TiO2 分布于導光板底面，利用印刷材料吸收再擴散的性質，破壞全反射造成的內部傳播，使光從正面均勻分布。

非印刷式包括射出成形導光板，采用蝕刻，切削方式，噴砂方式再加工，擴散式。

蝕刻式將印刷點的設計在模具上，切削式在導管板正面切削出一條條長的溝槽，噴砂也是在模具模仁上形成粗面分布，擴散方式則將直接P M M A 注入導管板內部，在輝度上，蝕刻導光板不如印刷導光板。