中功率配合光學(xué)設(shè)計(jì)LED背光源極佳解決方案

編者按：發(fā)光二極管用作LCD面板背光源技術(shù)現(xiàn)階段非常熱門，要使用什么樣的LED模塊、光學(xué)架構(gòu)如何設(shè)計(jì)，怎么樣能讓發(fā)光效率高、顆數(shù)少、但又不能夠太厚，這些條件成為技術(shù)設(shè)計(jì)上必須trade off的考量點(diǎn)。

本期CTO技術(shù)觀即針對上述這些問題，專訪巨虹電子光電事業(yè)群副總經(jīng)理謝啟堂，他認(rèn)為在設(shè)計(jì)上，必須達(dá)到最佳混色效果的首要條件，這就要用光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)來克服；現(xiàn)在一般使用高功率（high power）和低功率（low power）的LED，各有一些缺點(diǎn)，但若使用中功率（middle power）LED配合鏡片設(shè)計(jì)，不失為折衷方案，以下會詳細(xì)說明。另外，他也認(rèn)為因?yàn)閮r(jià)格還太高，大尺寸LCD TV 采用LED背光源時(shí)代不會那么快來臨，大家可能太樂觀了。

價(jià)格太高LED背光源大成長再等2年

LED的亮度持續(xù)增加，每23年就有倍數(shù)增加的態(tài)勢，促成了LED現(xiàn)今作為多種發(fā)光源的趨勢，象是燈具、戶外大型廣告燈箱、或者本篇談的LCD顯示器背光源等等。

以發(fā)光效率而言，LED較現(xiàn)階段所使用的冷陰極管（CCFL target=_blank>CCFL）為低，而且大尺寸LCD面板事實(shí)上面臨PDP等其它平面顯示器的競爭；并且CCFL也不是完全沒有未來，歐盟雖然決議依環(huán)?？剂拷o予較嚴(yán)格的限制，但汞含量低于5mg還是可以輸入。因此，LED作為背光源，其實(shí)并沒有像市場炒的那么樂觀。

其中最主要的問題還是在價(jià)格，以近半年來說，應(yīng)用在LCD TV背光源的RGBLED，價(jià)格都沒有什么動，主要是需求量還未起來。依據(jù)與日韓主要LCD TV大廠接觸的經(jīng)驗(yàn)，日韓電視大廠多半希望年底可以有接近量產(chǎn)規(guī)格的LED背光電視，這顯示LED背光是未來TV主流的格局確立，但市場成形需要一段時(shí)間，并且量逐漸起來才能使成本下降，進(jìn)一步帶動市場；一般估計(jì)，真正LED背光TV市場大成長的啟動力量，應(yīng)該要到2年以后。

multiple chip提高發(fā)光效率

LED的發(fā)光效率較差，例如CCFL燈管發(fā)光效率約在60100lm/W，白光LED的發(fā)光效率，若是Luminade 1W可以驅(qū)動40lm/W的發(fā)光效率，3W則可以驅(qū)動65lm/W的發(fā)光效率，可以看出目前白光LED發(fā)光效率仍較CCFL遜色。

不過這也可以用改變芯片架構(gòu)的方式來改善，例如Citizen就用multiple chip的設(shè)計(jì)，使得1.2W可以／輸出84 lm，而且在不同的封裝方式下，3W甚至可以驅(qū)動210lm/W的發(fā)光效率。這樣技術(shù)未來也可望使用于R、G、B架構(gòu)中。

Multiple chip是什么樣的技術(shù)架構(gòu)呢？主要是將原本的芯片割成小塊，每顆給予較小的功率，使得個(gè)別消耗功率較低、產(chǎn)生熱量較小，并且發(fā)光效率可以有效提高。Citizen的設(shè)計(jì)是切割成大約8顆0.2mm×0.2mm的小芯片，并且使用中間4顆，外面4個(gè)角包圍4顆的方式排列，再封裝起來成一個(gè)LED模塊。

白光LED的發(fā)光效率都較CCFL為低了，R、G、B LED的平均發(fā)光效率又較白光低一些，因此提高發(fā)光效率也成為研發(fā)的方向。

散熱問題可解混色技術(shù)待突破

除了發(fā)光效率不高以外，散熱也是另外一個(gè)待突破的問題，不過這應(yīng)該不是太嚴(yán)重的問題，以現(xiàn)有現(xiàn)成的散熱技術(shù)就可以解決，只是會有熱源處溫度高、外圍溫度低的熱度分布不均的問題，若采用 導(dǎo)熱管（Loop Heat Pipe）散熱技術(shù)，則可以均勻分布導(dǎo)熱。不過若使用于大尺寸TV，LHP使用量也會隨著倍增，價(jià)格太高則是屆時(shí)需要面對的另一個(gè)問題。

至于混色則是較困難的技術(shù)障礙，必須將光學(xué)做得很好。因?yàn)榛旧?，LED背光板的設(shè)計(jì)，不會希望使用太多顆數(shù)，但若使用較少光源，照出來的亮度又會不均勻，這時(shí)就要用光學(xué)技術(shù)來混光，讓光可以張得開，均勻涵蓋在更大的照射面積。

混光的方式也有多種，有些設(shè)計(jì)是在光源處就先用一些方法先混光，但這樣做會浪費(fèi)能量，不如讓光直接射出，然后再用光學(xué)方式做混光處理。

另外值得一提的是，這里談的LED背光都是采用直下光源（direct type）技術(shù)，而不是側(cè)光技術(shù)，主要是側(cè)光要利用導(dǎo)光板將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)變成面光源，能量耗損較大，不適合應(yīng)用到很大尺寸的TV面板，而且使用側(cè)光其實(shí)技術(shù)能力并不高；但使用直下光源既能夠發(fā)揮LED亮度高的特性，并且輸出輝度才足夠符合大尺寸LCD TV之需求。

低功率LED電路設(shè)計(jì)不易控制

LED背光面板設(shè)計(jì)上，采用的LED多半以低功率和高功率為大宗，目前臺灣和韓國廠商使用低功率較多，日本廠商則使用高功率較多；兩者各有優(yōu)劣，詳述如下。

低功率LED是以20mA／chip來驅(qū)動，通常會將R、G、B 3顆LED晶粒封裝在一起成為單一模塊，使用低功率LED顆數(shù)就必須要多，例如40寸面板需要10002000顆，由于LED排列密度高，因此可以在不需特殊光學(xué)設(shè)計(jì)情況下達(dá)到較薄的厚度，做到2.53公分不成問題。

Low power LED的缺點(diǎn)則是，在大尺寸TV應(yīng)用上，顆數(shù)太多了，電路控制不易，而且每顆LED照射區(qū)域不重迭，若單一LED在光強(qiáng)或色調(diào)上出了問題，看起來會非常明顯，因此對LED質(zhì)量及穩(wěn)定性的要求相當(dāng)高。

High power LED通常使用G、R、B、G成一模塊，顆數(shù)較少，電路設(shè)計(jì)較為容易，控制性也較好。配合特殊設(shè)計(jì)之光學(xué)元件照到面板上，能夠產(chǎn)生重迭效果，鄰近不同的光源模塊可互相cover，因此對于LED質(zhì)量及穩(wěn)定性的要求相對沒有l(wèi)ow power要求那么高，甚至于一旦有一顆LED出問題，并不會看得太明顯。

缺點(diǎn)方面，因?yàn)橐?W來驅(qū)動，發(fā)光效率較差，而且容易局部過熱，需要散熱處理；此外，厚度也不容易降到3公分以內(nèi)。