新時代的LED背光元件發(fā)展趨勢

由于液晶面板的應用已從筆記型電腦，擴展到行動電話、汽車導航、家用電視等領域，因此，LCD的自然色再現(xiàn)性成為各界關注的焦點，某些特殊領域甚至要求LCD的色彩再現(xiàn)范圍超過NTSC的色彩規(guī)格。

由于CCFL的先天特性導致無法突破某些色彩障礙，使得在色彩表現(xiàn)方面，無法令消費者享受到類似大自然豐富艷麗的影像，尤其無法完美表現(xiàn)出鮮艷的紅色色彩。

然而，因為追求高演色的目標，取代CCFL光源的技術也就陸續(xù)的被提出，其中，在被看好的莫過于利用多色led來作為背光源，其寬廣的色域，已經(jīng)吸引諸多業(yè)者的注重，也紛紛的投入相關開發(fā)。

一、傳統(tǒng)CCFL紅光表現(xiàn)薄弱

目前， 大多顯示器業(yè)者都使用冷陰極燈管作為顯示器的光源，以及搭配RGB三原色作為陣列分布的彩色濾光片，一般而言，CCFL的色溫大約在4800K左右，反映到色域表后，可以發(fā)現(xiàn)僅有NTSC規(guī)范的80％左右。

圖一是CCFL的光譜及彩色濾光片的分布特性，從圖中可以發(fā)現(xiàn)， 利用CCFL加上RGB三色的彩色濾光片， 在波長490nm與590nm附近色彩的表現(xiàn)能力較差， 而出現(xiàn)一些經(jīng)過彩色濾光片混色后色域較窄的問題。

當然這對于一般顯示畫面或應用，并不會出現(xiàn)太大的色彩問題或視覺感受變差， 但是在面對儀器量測的情況與特定色彩表現(xiàn)的環(huán)境下， 就能明顯的比較出不純輝線有subpeak的現(xiàn)象。尤其CCFL在對紅光的表現(xiàn)更為薄弱，這是CCFL在色彩的表現(xiàn)上最難以滿足嚴格要求的一點。

▲圖一：CCFL的光譜及彩色濾光片的分布特性

然而，對于以CCFL作為背光燈源，是存在特定的因素，而影響到色域的表現(xiàn)，但是未必是完全無法可想。可以根據(jù)傳統(tǒng)的三色彩色濾光片加以改良，來彌補此一缺陷。

▲圖：CCFL背光的液晶顯示器－三星 931C也可以達到97%NTSC的高色域

二、利用多色彩色濾光片來彌補不足

同樣是使用CCFL作為背光燈源的模組基礎下，奇美電子開發(fā)出了3款采用4色以上多色濾光片來作為色彩表現(xiàn)，分別是在原有的R（紅色）、G（綠色）和B（藍色）3色上，增加了追加了Y（黃色）和C（青色）的5色濾光片的面板。在RGB基礎上多出Y色（黃色）的4色彩色濾光片的面板，和在RGB3色基礎上增加W（白色）的4色彩色濾光片的面板。

事實上，這樣的設計，同樣的擴大了色彩表現(xiàn)范圍，以增加Y（黃色）和C（青色），及增加Y（黃色）的面板為例，其色彩表現(xiàn)范圍與NTSC范圍相較， 分別為115％和109％。而增加白色的彩色濾光片的目的僅為提高面板整體的亮度。當然，這是在原有光源的基礎下，利用彩色濾光片來達到提升色域的目的， 但是終究由于先天的限制，無法大幅度的讓色彩表現(xiàn)范圍擴大， 或許還是需要從背光源方面進行改變，才得以達到擴大色彩范圍的目標。

以目前的技術與元件來看，相當適合的方式是利用LED作為背光源， 由于LED具有多波長的特性，可依照需求生產(chǎn)出獨特的波長，及利用電路設計來完成亮度控制。

三:三色LED背光模組實現(xiàn)高色域理想

相對的，利用三色或多色的LED作為背光源， 在混色的表現(xiàn)上，就不會出現(xiàn)上述的一些部分色域窄化的問題， 圖二是以三原色的LED作為背光，所表現(xiàn)出來的就比以CCFL來的較好， 尤其在紅光的部分，可以獲得非常寬廣的色再現(xiàn)范圍， 也不會造成類似CCFL所出現(xiàn)不純輝線的subpeak， 并讓各原色的色純度大大的提高。

▲圖二：三原色的LED的光譜及彩色濾光片的分布特性。

此外，在色域的表現(xiàn)，更可以得到更大范圍的表現(xiàn)。 下表是日本LEIZ所發(fā)表的三色LED背光模組，從表中就可以發(fā)現(xiàn)，其所表現(xiàn)的色度， 經(jīng)過測試后，LEIZ背光模組可達到NTSC的100％色域。日本LEIZ在這模組上使用了40顆高亮度的三色LED，并且在模組兩邊設置了Heatsink，讓三色LED在模組內進行混光， 提供LCD所需要的光源。

四、SONY領先發(fā)表LED背光液晶電視

而SONY在2004年底，推出由R、G、 B三色LED作為背光源的液晶電視，讓多色LED背光模組達到實用化的階段， RGB三色LED表現(xiàn)出的色域超過CCFL的150％， 對色彩的表現(xiàn)能力大幅超越傳統(tǒng)電視機常用的sRGB。在過去使用傳統(tǒng)的CRT做為顯示元件的電視，在色彩表現(xiàn)上，無法顯示的天藍色系、 深綠色、深紅色，及一些大自然中的鮮艷顏色，但在R、G、 B三色LED作為背光源的液晶電視都以經(jīng)不是問題， 如果對照Pointer的768色高彩度色票上表現(xiàn)， 使用LED背光模組的液晶電視可以高達其涵蓋顏色領域的82％， 尤其是在綠色與紅色可以表現(xiàn)出非常寬廣色彩度， 黃色與橙色部分更超過sRGB的色域，然而相對于CCFL或傳統(tǒng)CRT螢幕， 僅能達到約一半的色彩領域。

特殊排列彌補色系弱點

根據(jù)實驗，人類眼睛對于光線顏色的感覺程度，最高的是綠光，紅光約是綠光的1/3，而相對于藍光，是藍光的10倍。 基于如此的特性，在LED顏色搭配上，也有了一些變化，因為要滿足視覺感度，所以大多是以紅光×1、藍光×1，以及綠光×2的比例來進行設計，但加上考量到紅光的色溫較低。所以SONY在背光LED的是以「綠－紅－藍－紅－綠」作為排列結構， 來達到最佳的色彩輸出。因為液晶螢幕的色域并不是僅僅靠背光源，前端的彩色濾光片更是重要決定因素之一， 所以整體而言，液晶螢幕的色域范圍取決于背光模組的光源特性，與彩色濾光片的穿透率特性組合結果。當然，在面對可表現(xiàn)如此寬廣色域的三色LED背光模組， SONY更在彩色濾光片上進行了相當?shù)母牧?，由于LED的色度分布有一定的范圍度，所以必需搭配可以使穿透光的波長范圍變窄，而且可以維持一定色純度的彩色濾光片， 期望能在配合LED光源的特性下，充分發(fā)揮相互配合的色彩效果。

6色LED色域寬廣能力令人訝異

如果是使用RGB三色或不同波長的多色LED作為背光源，在彩色濾光片上就不一定非用RGB三色，甚至可以使用紫色跟菊色雙色的彩色濾光片，來搭配出更高的色域顯示能力，呈現(xiàn)出更多的色彩。三菱電機與三星都已經(jīng)發(fā)表出，利用6色LED作為背光模組的技術。三星是利用6色光源加上6色彩色濾光片面板新技術， 采用在具有RGBCYM6色（紅、綠、藍、青色、黃色、 洋紅）波長的光源上配合使用具有RGBCYM分光特性的6色濾光片的方式。LED點燈方式是以場序交互點燈將顯示時間錯開，依次打開R（紅）、G（綠）、 B（藍）LED，解析度為1366×768、亮度為500cd/㎡，1000： 1的對比度。 由于能夠直接看到LED光線，因此色彩表現(xiàn)達到了NTSC規(guī)格的110％。 82W耗電量，相當于同樣亮度老式液晶面板耗能的60％。而根據(jù)資料，三菱電機所發(fā)表的這一款6色LED背光模組， 除了能達到色再現(xiàn)范圍擴大之外，另一項特色是在生產(chǎn)成本上不會因此突然增多。

在技術上，三菱電機是利用LED不同的波長，來達到6種不同的顏色，分別是第一組的410nm（藍）、540nm（綠）、615nm（紅），以及第二組的430nm（藍）、510nm（綠）、625nm（紅）。在色度座標上分別可以達到，第一組：615nm（紅1）的（0.664、0.321）、 540nm（綠1）的（0.291、0.666）、410nm（藍1）的（0.154、 0.060）。

第二組：625nm（紅2）的（0.682、0.308）、510nm（綠2）的（0.131、0.580）、430nm（藍2）的（0.112、 0.173）。在顯示尺寸為23吋、1280×768、亮度為80cd/m2的面板中，藍光與紅光LED各使用26顆，而綠光LED則使用了56顆，其sRGB比提高到了175％，大約可以涵蓋自然界物體色彩的96％（以MunsELlColorCascade為標準）。

利用順序交互點燈組成LED驅動電路

在LED電路驅動設計部分，多色LED背光大多是利用場序交互點燈方式形成「FieldSequence」，這樣的話，可讓背光模組中的6色LED與液晶面板的Sub-Pixel， 及3色彩色濾光片同步動作。

過去，液晶面板大多是利用三個Sub-Pixel組合而成一個畫素，但利用這樣的方式，除可得到更廣的色彩表現(xiàn)范圍外，還可獲得更高細膩度的影像。但這樣又會造成一些整體開發(fā)上的問題，因為這樣的結構變化，使得無法延續(xù)使用部分零組件，包括部分的背光膜片、整體模組結構、色變換電路等等， 這些都是必須重新開發(fā)。

不過，因為這樣的改革能夠大幅度的改善色彩表現(xiàn)，及加上三菱電機宣稱，并不會造成太大成本的增加，所以或許采用這樣光源的設計，僅在初期必須投入較大的開發(fā)費用，而整體而言，材料成本結構并沒有太大的變動。

此外，在這次三菱電機所發(fā)表的6色LED背光模組，在輝度的表現(xiàn)上只有80cd/㎡， 這樣的結果，或許關鍵點還是整體背光模組設計的問題，因為， 雖然目前LED在亮度上面已經(jīng)有不錯的表現(xiàn)，但受限于模組材料的關系， 因此未來在模組整體亮度上必須多加以克服，才能達到商用化接受的程度。

四透光效率低是背光模組最大致命點

以目前LED亮度技術來看，在這一方面， 提高亮度并不是太大的困難，但是因為伴隨而來的高耗電量以及散熱的問題， 卻是困擾著所有的工程師，再者，一味的朝這一方面發(fā)展， 而期望得到問題的解決也是不切實際。 因為亮度的提升總是會有到達瓶頸的時候， 如果因為在這一方面努力卻造成使用壽命的減短，似乎有點得不償失。 所以就整體而言，還是必須從改善背光模組的透光率開始進行，才是解決的根本之道。

由于背光光源必須使用Reflector、Diffuser等等的光學薄膜， 來達到光源平均投射的目的，但是往往光耗損的現(xiàn)象就會因此而產(chǎn)生，根據(jù)研究， 從傳統(tǒng)背光光源所發(fā)射出來的光是100％的話，經(jīng)過Reflector、 Diffuser等等的光學薄膜之后，只會有約60％的光通過背光模組進入到偏光膜，最后經(jīng)過LC、Surface出來只剩下4％的光（圖三）。

圖三：背光模組透光能力相當有限。 （制圖：盧慶儒）

也就是說，如果背光光源是1萬nits，那么， 最后投射出來的光只會有400nits，假設LCD面板規(guī)格需要500nits， 那么背光光源的亮度就必須能夠提供1.2～1.3萬nits的亮度。

五、多色LED是未來背光源主流技術

從2004年SONY發(fā)表LED背光模組后， 液晶顯示器用背光模組應可說是正式進入LED的時代， 雖然LED本身還有許多技術問題有待克服，不過， 未來傳統(tǒng)冷陰極燈管的部分市場將逐漸被LED光源取代， 相信未來液晶顯示器的影像畫質與顏色會更加艷麗與細膩。

LED背光模組的色再現(xiàn)特性，使用R/G/BLED背光模組的液晶顯示器適合應用在醫(yī)療、印刷、PC等領域，尤其是色溫范圍3000～9300K的家用液晶電視可以獲得寬廣的色再現(xiàn)范圍。 由于LED背光模組的消費電力與制作成本還有很大的改善空間，因此， 今后除了LED背光模組的光學系統(tǒng)外，還需抑制LED本身的發(fā)熱問題。（參考資料：光電科技雜志、日本NE雜志、三菱電機、SONY、日本LIEIZ相關資料）