大尺寸TFT-LCD的LED背光技術(shù)

摘要： 傳統(tǒng)的薄膜晶體管液晶顯示器（ thin film transister crystal display,TFT- LCD） 通常采用冷陰極熒光燈（ cold cathode fluorescent lamps,CCFL） 作為背光光源。相比較而言， 由于發(fā)光二極管（ LED） TFT- LCD 背光源系統(tǒng)具有色彩還原性好、對(duì)比度高、亮度高等優(yōu)點(diǎn)， 近年來應(yīng)用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。當(dāng)前應(yīng)用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光源主要有兩種： RGB LED 背光源和白光LED 背光源。大尺寸的LED 背光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用直下式和側(cè)式結(jié)構(gòu)。本文將對(duì)這幾方面進(jìn)行系統(tǒng)闡述， 并對(duì)大尺寸TFT- LCD 的LED 背光系統(tǒng)的應(yīng)用前景進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 前言

LCD 是被動(dòng)發(fā)光器件， 本身是不發(fā)光的， 因此必須要有背光模塊給LCD 提供光源。用來作為背光模塊的光源有以下幾種：

（1）冷陰極熒光燈；

（2）LED 背光；

（3）電致發(fā)光背光。

其中， EL 背光系統(tǒng)由于在工作過程中亮度會(huì)逐漸衰減， 限制了它的運(yùn)用， 現(xiàn)在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系統(tǒng)由于其體積小、壽命長(zhǎng)、亮度高和工作電流低等優(yōu)點(diǎn)， 是當(dāng)前LCD 背光系統(tǒng)的主要選擇；LED 背光系統(tǒng)則由于發(fā)光功率比較低， 長(zhǎng)期以來只能應(yīng)用在小尺寸的LCD 當(dāng)中。然而， 由于LED 背光系統(tǒng)本身具有CCFL 無法比擬的優(yōu)點(diǎn)， 比如： 色彩還原好、省電、壽命長(zhǎng)； 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 對(duì)環(huán)境的污染也少， 加上大功率LED 的出現(xiàn)， 使LED 背光成為最近顯示界的一個(gè)熱門研究課題， 尤其是LED 背光的色彩還原性， 文獻(xiàn)報(bào)道稱其可以達(dá)到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光則只能達(dá)到NTSC 的70%, 如圖1 所示。

圖1 LED 和CCFL 的色域圖

因此利用LED 作為L(zhǎng)CD 的背光， 色彩將更加鮮艷。鑒于LED 背光技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)， 在過去的幾年中，已經(jīng)有許多公司和研究機(jī)構(gòu)報(bào)道了各種高亮度的LED應(yīng)用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技術(shù)。

2 LED 背光技術(shù)

LED 背光技術(shù)主要分為直下式背光結(jié)構(gòu)和側(cè)式背光結(jié)構(gòu)兩種， 直下式背光由許多LED 均勻分布在顯示區(qū)域后面， 加上反射腔和擴(kuò)散膜等共同作用， 得到亮度均勻的平面發(fā)光效果； 側(cè)式背光則由多個(gè)LED 排成一排形成線光源， 經(jīng)過導(dǎo)光體、反射膜、擴(kuò)散膜形成均勻發(fā)光面。以前由于單個(gè)LED 的功率比較低， 如果要將LED 用于大尺寸的LCD, 需要很多LED 才能達(dá)到要求的亮度。近幾年來， 由于大功率LED 的出現(xiàn)， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的運(yùn)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步， 其中大部分都是采用側(cè)式結(jié)構(gòu)。按照LED 的顏色可以分為RGB LED 背光和白光LED 背光兩種：

（ 1） RGB LED 背光單元是將三基色LED 發(fā)出的光復(fù)合產(chǎn)生白光；（ 2） 白光LED 背光單元?jiǎng)t直接利用白光LED 產(chǎn)生的白光。

2.1 大功率RGB LED 復(fù)合成白光

圖2 是2001 年荷蘭飛利浦照明系統(tǒng)公司開發(fā)的利用RGB 復(fù)合成白光的18in 背光系統(tǒng)的示意圖。

圖2 18inTFT- LCD LED 背光模組結(jié)構(gòu)圖

該背光單元中， 上下兩側(cè)有兩列LED（ LEDs A 和LEDs B） , RGB LED 是按照等間隔排列的。RGB LED發(fā)出的光從側(cè)邊經(jīng)過兩個(gè)導(dǎo)光腔（ light pipe A、B） 傳播到LCD 面板的底下， 經(jīng)過特征提?。?extractionfeatures A 和B） 以及散射膜（ diffusor sheet） 得到均勻白光。

同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷蘭LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高滲透型的彩膜（ color filter） 開發(fā)出應(yīng)用于18.1in XGATFT- LCD的背光單元， 其色彩還原性和亮度分別達(dá)到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷蘭的這家公司利用34個(gè)大功率的RGB LED 作為光源， 采用PMMA 作為混色導(dǎo)光板的材料---這種材料可以使光在導(dǎo)光板傳播過程中的損耗幾乎為0, 開發(fā)出用在15in 的TFT- LCD 的背光系統(tǒng)， 其效率達(dá)到50%, 色坐標(biāo)穩(wěn)定在Δu'v'~0.01, 而且該背光系統(tǒng)很容易改造成適用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。