大尺寸TFT-LCD的LED背光技术

　　1 前言
　　LCD 是被动发光器件， 本身是不发光的， 因此必须要有背光模块给LCD 提供光源。用来作为背光模块的光源有以下几种：
　　（1）冷阴极荧光灯；
　　（2）LED 背光；
　　（3）电致发光背光。
　　其中， EL 背光系统由于在工作过程中亮度会逐渐衰减， 限制了它的运用， 现在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系统由于其体积小、寿命长、亮度高和工作电流低等优点， 是当前LCD 背光系统的主要选择；LED 背光系统则由于发光功率比较低， 长期以来只能应用在小尺寸的LCD 当中。然而， 由于LED 背光系统本身具有CCFL 无法比拟的优点， 比如： 色彩还原好、省电、寿命长； 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 对环境的污染也少， 加上大功率LED 的出现， 使LED 背光成为最近显示界的一个热门研究课题， 尤其是LED 背光的色彩还原性， 文献报道称其可以达到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光则只能达到NTSC 的70%， 如图1 所示。

图1 LED 和CCFL 的色域图

　　因此利用LED 作为LCD 的背光， 色彩将更加鲜艳。鉴于LED 背光技术的诸多优点， 在过去的几年中，已经有许多公司和研究机构报道了各种高亮度的LED应用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技术。
　　2 LED 背光技术
　　LED 背光技术主要分为直下式背光结构和侧式背光结构两种， 直下式背光由许多LED 均匀分布在显示区域后面， 加上反射腔和扩散膜等共同作用， 得到亮度均匀的平面发光效果； 侧式背光则由多个LED 排成一排形成线光源， 经过导光体、反射膜、扩散膜形成均匀发光面。以前由于单个LED 的功率比较低， 如果要将LED 用于大尺寸的LCD， 需要很多LED 才能达到要求的亮度。近几年来， 由于大功率LED 的出现， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的运用取得了长足的进步， 其中大部分都是采用侧式结构。按照LED 的颜色可以分为RGB LED 背光和白光LED 背光两种：
　　（ 1） RGB LED 背光单元是将三基色LED 发出的光复合产生白光；（ 2） 白光LED 背光单元则直接利用白光LED 产生的白光。
　　2.1 大功率RGB LED 复合成白光
　　图2 是2001 年荷兰飞利浦照明系统公司开发的利用RGB 复合成白光的18in 背光系统的示意图。

图2 18inTFT- LCD LED 背光模组结构图

　　该背光单元中， 上下两侧有两列LED（ LEDs A 和LEDs B） ， RGB LED 是按照等间隔排列的。RGB LED发出的光从侧边经过两个导光腔（ light pipe A、B） 传播到LCD 面板的底下， 经过特征提取（ extractionfeatures A 和B） 以及散射膜（ diffusor sheet） 得到均匀白光。
　　同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷兰LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高渗透型的彩膜（ color filter） 开发出应用于18.1in XGATFT- LCD的背光单元， 其色彩还原性和亮度分别达到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷兰的这家公司利用34个大功率的RGB LED 作为光源， 采用PMMA 作为混色导光板的材料---这种材料可以使光在导光板传播过程中的损耗几乎为0， 开发出用在15in 的TFT- LCD 的背光系统， 其效率达到50%， 色坐标稳定在Δu‘v’~0.01， 而且该背光系统很容易改造成适用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。
　　由于这种侧式的背光系统仅仅放在显示区域的两侧， 为了尽可能的把光引到LCD 的显示区域， 上面这几种代表产品都采用了导光板。尽管这样， 光还是不可能很均匀的分布在LCD 的显示区域。LumiledsLighting 公司一些科学家采用侧式与直下式相结合的方法， 开发出了适用于22in 的16 ∶9 的TFT- LCD- TV的新型背光系统， 其结构如图3 所示。

图3 侧式和直下式相结合的背光

　　该背光尺寸达到503×282mm， 厚度是50mm，总共含有48 个LEDs， 值得一提的是这里的LED 采用了特殊的结构。如图4 所示， 在LED 上面有个漏斗型的光分流器， 其表面都是反射率很高的材料， 主要的作用是将光反射到各个方位， 这样做的目的是不让光线都集中在LED 正上方。另外， 在光腔底面是一层薄的散射反射膜， 主要的作用就是将光线尽可能的向各方向发散和反射到LCD 面板上面， 从而得到均匀的亮度， 而且效率达到了70%.

图4 带有光分流器的LED.但是这种结构的LED 的背光的厚度比较大， 达到了50 mm.三菱公司在2004 年开发出了一种不采用导光板， 用于22inTFT- LCD 的RGB LED 背光系统，其结构如图5 所示。两侧是大功率的RGB LED 光源，光经过反射镜或者直接经过棱镜进入到光学腔里面，这个光学腔的侧面和底面由一系列高反射率的反射镜组成， 光经过这些反射镜被反射到LCD 面板，