LED光源運(yùn)用于背光模組之介紹(簡體)

LED光源運(yùn)用于背光模塊之介紹

7/19/2024大綱背光模塊簡介LED背光模塊光源改善LED背光模塊的輝度LED光源之應(yīng)用以及與CCFL之比較7/19/2024背光模塊簡介背光模塊(Backlightmodule)為液晶顯示器面板(LCDpanel)的關(guān)鍵零組件之一，由于液晶本身不發(fā)光，背光模塊之功能在于供應(yīng)充足的亮度與分布均勻的光源，使其能正常顯示影像背光模塊的基本原理系將常用的點(diǎn)或線型光源，透過簡潔有效光機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成高亮度且均一輝度的面光源產(chǎn)品。一般結(jié)構(gòu)為利用冷陰極管的線型光源經(jīng)反射罩進(jìn)入導(dǎo)光板，轉(zhuǎn)化線光源分布成均勻的面光源，再經(jīng)擴(kuò)散片的均光作用與棱鏡片的集光作用以提高光源的亮度與均齊度7/19/2024背光模塊簡介7/19/2024背光模塊主要光學(xué)組件發(fā)光源(Lightsource)冷陰極熒光管(CCFL:Coldcathodefluorescentlamp)熱陰極熒光管發(fā)光二極管(LED:Lightemittingdiode)電激發(fā)光片(EL)導(dǎo)光板(Lightguideplate)導(dǎo)引光線方向，以提高面板光輝度及控制亮度均勻，利用疏密、大小不同的微結(jié)構(gòu)圖案設(shè)計(jì)可使導(dǎo)光板面均勻發(fā)光7/19/2024反射板(Reflector)將漏出的光反射回導(dǎo)光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率。擴(kuò)散板(Diffuser)提供液晶顯示器一個(gè)均勻的面光源增亮膜(BEF棱鏡片)光自擴(kuò)散板射出后其光的指向性較差，因此必須利用棱鏡片來修正光的方向，其原理藉由光的折射與反射來達(dá)到凝聚光線、提高正面輝度的目的。背光模塊主要光學(xué)組件7/19/2024背光模塊主要光學(xué)組件7/19/2024背光模塊三大結(jié)構(gòu)側(cè)光式(Edgelighting)發(fā)光源為擺在側(cè)邊之單支光源，一般常用于18吋以下中小尺寸的背光模塊，其側(cè)邊入射的光源設(shè)計(jì)，擁有輕量、薄型、窄框化、低耗電的特色直下式(Bottomlighting)超大尺寸的背光模塊，側(cè)光式結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法在重量、消費(fèi)電力及亮度上占有優(yōu)勢(shì)，因此不含導(dǎo)光板且光源放置于正下方的直下型結(jié)構(gòu)便被發(fā)展出來。中空式結(jié)構(gòu)7/19/2024直下式(Bottomlighting)7/19/2024中空式結(jié)構(gòu)資料來源:LCDIntelligence,PIDA整理7/19/2024LED背光模塊光源以白光LED來看，由于單一LED芯片的發(fā)光頻譜很窄，因此本身無法發(fā)出白光，需要藉由一些技巧，來達(dá)到白光的目的目前常用的LED背光模塊型式可分為四種:擬似白光LED近紫外白光LED單體RGB白光LED一體化RGB白光LED7/19/2024有熒光體之LED光源擬似白光LED

基本上是由藍(lán)光LED與黃色熒光體所構(gòu)成，動(dòng)作時(shí)利用互補(bǔ)原理產(chǎn)生白光，這種型式的LED結(jié)構(gòu)非常單純，而且發(fā)光效率很高，因此被當(dāng)作小型LCD的背光光源，能廣泛應(yīng)用在行動(dòng)電話，缺點(diǎn)是紅色成份的強(qiáng)度較弱。近紫外白光LED

它是由可產(chǎn)生近紫外光的LED，與可產(chǎn)生RGB三種顏色的熒光體兩者組合而成，由于是利用RGB三種顏色混合變成白光所以色再現(xiàn)性很高，不過這種白光LED基于紫外光會(huì)使封裝樹脂與熒光體劣化等考慮，因此必需另外開發(fā)抗紫外光的樹脂與熒光體。7/19/2024有熒光體之LED光源7/19/2024無熒光體之LED光源單體RGB白光LED

由于單體RGB白光LED可針對(duì)各單體LED設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，因此較容易獲得高輸出效果，不過RGB單體LED的芯片物理上彼此相隔，所以必需設(shè)計(jì)專用的導(dǎo)光路，使RGB單體LED的光線能均勻混色變成白光，才能避免背光照明模塊變厚。一體化RGB白光LED

一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導(dǎo)光路與背光照明模塊厚度限制等困擾，不過施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。7/19/2024常用的LED背光模塊型式7/19/2024改善LED背光模塊的輝度取決于如何將發(fā)光層產(chǎn)生的光線取至LED外部，因?yàn)楣鈱赢a(chǎn)生的光線會(huì)在組件內(nèi)部反復(fù)反射，甚至?xí)唤M件吸收轉(zhuǎn)化成熱能主要改善方法有以下三種:電極設(shè)計(jì)導(dǎo)光板設(shè)計(jì)利用驅(qū)動(dòng)電路降低輝度不均7/19/2024有效的取出光線-電極設(shè)計(jì)德國OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著制作凹凸?fàn)铍姌O，藉此改變光線的入射角，達(dá)到抑制光線反射的效果。計(jì)劃未來將組件上下反轉(zhuǎn)進(jìn)行flipchip連接，同時(shí)在發(fā)光層設(shè)置mirror使光線能朝前方集光7/19/2024日亞化學(xué)則是使在藍(lán)寶石基板表面形成凹凸?fàn)罱宕松y光線，同時(shí)采用網(wǎng)狀電極增加電極部位的取光效率有效的取出光線-電極設(shè)計(jì)7/19/2024有效的取出光線-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)LED與導(dǎo)光板之間的距離越近，背光模塊的輝度越高，構(gòu)造上當(dāng)兩者距離等于0，亦即LED貼附于導(dǎo)光板時(shí)，LED的光線利用效率最高。7/19/2024為了滿足以上結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上必須把握以下幾項(xiàng)重點(diǎn):選用發(fā)光面為扁平狀之LED。設(shè)法使LED貼近導(dǎo)光板端面。LED貼近導(dǎo)光板端面時(shí)不可施加額外的外力。此外小尺寸基板除了可提高作業(yè)性之外，基板小型化對(duì)背光模塊輕巧化具有很大的幫助。有效的取出光線-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)7/19/2024有效的取出光線-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)右圖為當(dāng)LED光軸與導(dǎo)光板的中心(板厚方向)不一致時(shí)，對(duì)背光板面輝度的影響經(jīng)過模擬分析后的結(jié)果。導(dǎo)光板的厚度為(t)，LED光軸偏移量為(d)，LED光軸與導(dǎo)光板的中心不整合率單位為%。由圖可知不整合率越高時(shí)，背光板的面輝度衰減越大。設(shè)計(jì)時(shí)必須盡可能選用厚度與導(dǎo)光板相同LED，如此便可防止輝度的損耗衰減。7/19/2024射入導(dǎo)光板的LED光線，在導(dǎo)光板內(nèi)反復(fù)反射，并朝向與入射光相反方向前進(jìn)，光線反射時(shí)部分的光線被導(dǎo)光板表面的微細(xì)凸?fàn)罹W(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)散，再從導(dǎo)光板表面射出成為液晶面板的照明光源，導(dǎo)光板的厚度越薄，導(dǎo)光板內(nèi)光線的反射次數(shù)越多，相對(duì)的從導(dǎo)光板表面射出的光線也越強(qiáng)。有效的取出光線-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)7/19/2024有效的取出光線-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)目前導(dǎo)光板的厚度以0.8～1.0mm居多，導(dǎo)光板的厚度越薄除了容易獲得高輝度化效果之外，對(duì)可攜式商品的輕巧化具有很好的效果。受到導(dǎo)光板成形技術(shù)的限制，上述厚度越將會(huì)維持一段時(shí)間。7/19/2024有效的取出光線-導(dǎo)光板設(shè)計(jì)為了提高LED的發(fā)光效率，利用單芯片LED作為背光模塊照明光源已成為目前主流趨勢(shì)。下圖是利用單芯片LED從導(dǎo)光板的端面入光的典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大特征是單芯片LED就可獲得良好的輝度均勻性，不過單邊入光位置經(jīng)過最佳化設(shè)計(jì)，因此無法利用復(fù)數(shù)芯片增加輝度。7/19/2024利用驅(qū)動(dòng)電路降低輝度不均InGaN系白光LED特性上順向電壓值(VF)20mA時(shí)為3～4V，它比其它材質(zhì)的LED高1V左右InGaN系白光LED的輝度不均范圍也比其它種類的LED大，尤其是復(fù)數(shù)LED同時(shí)點(diǎn)燈時(shí)更容易突顯輝度不均現(xiàn)象改善方法:-事先將LED的順向電壓值(VF)區(qū)分成不同等級(jí)。-每個(gè)LED設(shè)置一個(gè)限制電流之電阻。-如此便可將顯輝度不均控制于某種范圍內(nèi)。7/19/2024利用驅(qū)動(dòng)電路降低輝度不均當(dāng)電池的電壓下降時(shí)，就無法控制電流變動(dòng)。雖然行動(dòng)電話使用的鋰離子(lithiumion)電池的電壓號(hào)稱有3.6V，實(shí)際上鋰離子電池具有如下圖所示的輸出特性TYPE1是傳統(tǒng)電池的電壓的衰減特性，由圖可知從4V開始逐漸下降TYPE2是鋰離子電池的電壓的衰減特性，最初的電壓衰減很小，到了中途便急劇下降7/19/2024利用驅(qū)動(dòng)電路降低輝度不均如何避開電壓變動(dòng)的影響，使流入LED之間的電流呈穩(wěn)定狀態(tài)驅(qū)動(dòng)成為重要的課題之一目前常用的LED驅(qū)動(dòng)大致上可分為以下數(shù)種方式:

-內(nèi)建升壓型DC/DC變頻器(converter)，輸出電壓約12～16V(相當(dāng)于LED并聯(lián)時(shí)所需的電壓)。

-加大電池輸入電壓的動(dòng)作容許裕度。

-設(shè)法作定電流輸出。LED就不會(huì)受到電池的電壓或是LED電壓VF分布不均的影響能夠穩(wěn)定的點(diǎn)燈7/19/2024背光模塊種類與應(yīng)用7/19/2024CCFL與LED的特性比較表項(xiàng)目CCFLLED小型化線光源點(diǎn)光源輕薄化可優(yōu)低耗電0.2-2W0.04-1.5W高輝度化80lm/W5-12lm/W揮度分布可可色光分布可可壽命可優(yōu)耐環(huán)境性可優(yōu)7/19/2024CCFL&LEDSpectra與CIE坐標(biāo)圖LED與CCFL在CIE色度坐標(biāo)圖上的顯示范圍(數(shù)據(jù)來源：Lumileds)7/19/2024CCFL&LED之比較CCFL的光譜經(jīng)過彩色濾光片后，它的每一種顏色的光譜分布會(huì)落在比較大的范圍內(nèi)，也就是說在CIE色度坐標(biāo)圖上RGB所圍出來的色彩表現(xiàn)分布比較小。以LED的光譜分布而言，它的RGB分布相對(duì)窄很多，因此經(jīng)過彩色濾光片，它的每一種顏色的光譜分布會(huì)落在比較小的范圍內(nèi)，則在CIE色度坐標(biāo)圖上RGB所圍出來的色彩表現(xiàn)分布比較大。CIE坐標(biāo)圖中，RGBLED所為出來的范圍大于CCFL，所以LED的色彩飽和度較佳7/19/2024CCFL&LED色彩比較7/19/2024結(jié)論雖然LED背光模塊具備許多優(yōu)點(diǎn)，可是始終無法普及化，主要原因是LED背光模塊的成本居高不下。23吋液晶電視用LED背光模塊，如果使用單體RGB白光LED時(shí)，2003年的制作成本是傳統(tǒng)冷陰極背光模塊的2.5倍。LED光源的成本則是冷陰極光源的10倍，使得LED背光模塊的優(yōu)勢(shì)只剩下不需使