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1、LEDLED光源运用于背光模块之介绍光源运用于背光模块之介绍7/22/20241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7/22/20242背光模块简介背光模块(Back light module)为液晶显示器面板(LCD panel)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
2、片的集光作用以提高光源的亮度与均齐度7/22/20243背光模块简介7/22/20244背光模块主要光学组件发光源(Light source)冷阴极荧光管(CCFL: Cold cathode fluorescent lamp)热阴极荧光管发光二极管(LED: Light emitting diode)电激发光片(EL)导光板(Light guide plate)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7/22/20245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)
3、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7/22/20246背光模块主要光学组件7/22/20247背光模块三大结构侧光式(Edge lighting)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(Bottom lighting)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
4、展出来。中空式结构7/22/20248直下式(Bottom lighting)7/22/20249中空式结构资料来源:LCD Intelligence, PIDA整理7/22/202410LED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LED7/22/202411有荧光体之LED光源拟似白光拟似白光LEDLED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
5、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。近紫外白光近紫外白光LEDLED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。7/22/202412有荧光体之LED光源7/22/202413无荧光体之LED光源单体单体RGBRGB白光白光LEDLED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，
6、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。一体化一体化RGBRGB白光白光LEDLED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。7/22/202414常用的LED背光模块型式7/22/202415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7/22/202416有效的取出光线-电极设计德国OSRAM将Si
7、C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flip chip连接，同时在发光层设置mirror使光线能朝前方集光7/22/202417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7/22/202418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。7/22/202419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L
8、ED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7/22/202420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。7/22/202421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
9、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7/22/202422有效的取出光线-导光板设计目前导光板的厚度以0.81.0mm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。7/22/202423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
10、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。7/22/202424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34V，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。7/22/202425利用驱动电路降低辉度不均当电池的电压下降时，就
11、无法控制电流变动。虽然行动电话使用的锂离子(lithium ion)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7/22/202426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1216V(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
12、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7/22/202427背光模块种类与应用7/22/202428CCFL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7/22/202429CCFL&LED Spectra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)7/22/202430CCFL & 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
13、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，RGB LED 所为出来的范围大于 CCFL，所以LED 的色彩饱和度较佳7/22/202431CCFL & LED色彩比较7/22/202432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用耐高压转换器(inverter)一项而已。为了达成2006年LED背光模块的成本与传统冷阴极背光模块相同的目标，LED光源的成本必需降至1/6以下，同时大幅提高LED的发光效率减少使用颗数，才能全面取代传统冷阴极背光模块。7/22/202433Too Expensive to LED结论7/22/202434参考数据电子设计资源网光电科技杂志55期2月号新电子科技杂志机械工业杂志7/22/202435
