半戶外液晶顯示用高亮直下式LED背光設(shè)計(jì)

1　引 言

近年來(lái)，中大型尺寸的液晶顯示設(shè)備(LiquidCrystal　Display，LCD)，例如電腦顯示屏、液晶電視等，在平板顯示市場(chǎng)日漸成為主流。由于液晶本身是不發(fā)光的，需要依靠外部光源照射，即背光源來(lái)實(shí)現(xiàn)其顯示功能，特別是中大尺寸的液晶顯示，為其提供所有光源的背光源是十分重要的。

液晶用背光源，常見的主要有冷陰極管(CCFL)與發(fā)光二極管(LED)兩種，最初LED主要用于中小尺寸的液晶顯示，例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和PDA等。在中大尺寸的液晶顯示領(lǐng)域，由于亮度和散熱要求較高，傳統(tǒng)上采用CCFL光源，隨著背光技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是LED發(fā)光效率不斷提升，以及對(duì)大尺寸液晶背光技術(shù)難度大、運(yùn)用成本高等缺點(diǎn)的不斷克服，LED背光不僅廣泛應(yīng)用于小尺寸液晶，近幾年來(lái)已逐漸替代傳統(tǒng)的CCFL，在筆記本電腦、電腦顯示屏、液晶電視等中大型尺寸液晶顯示背光領(lǐng)域嶄露頭角，并有逐漸取代CCFL背光源的趨勢(shì)。隨著環(huán)保意識(shí)以及用戶對(duì)畫質(zhì)要求的不斷提高，具有環(huán)保、色彩還原性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的固體光源LED 被看好。

采用LED 背光的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是節(jié)能。針對(duì)節(jié)能降耗方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如能耗等級(jí)標(biāo)示等政策的實(shí)施，中大尺寸的液晶電視產(chǎn)品已經(jīng)在這方面進(jìn)行了有益的嘗試。

作為新型平板顯示產(chǎn)品，采用LED背光的液晶顯示設(shè)備，其性能優(yōu)勢(shì)毋庸置疑。特別是具有高顯示色域、畫質(zhì)艷麗、節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，較之CCFL背光的LCD，更容易實(shí)現(xiàn)輕薄化的外觀。采用LED背光的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高色彩飽和度，特別是采用三基色或多色LED混合白光的直下式背光LCD，擁有卓越的顯示畫質(zhì)和更為寬泛的顯色范圍。然而三基色LED背光功耗要遠(yuǎn)高于白光LED，而且在成本上有4～5倍的價(jià)差，目前考慮成本的原因，多采用藍(lán)光芯片加紅綠色熒光粉封裝的新型背光用LED 來(lái)取代三基色LED，這種情況下液晶顯示的顏色飽和度可以在NTSC標(biāo)準(zhǔn)的72%～85%范圍，在低成本的同時(shí)擁有優(yōu)于CCFL背光LCD的顯色畫質(zhì)。

本文開發(fā)了一款用于半戶外液晶顯示的117cm(46in)直下式背光結(jié)構(gòu)，中心亮度可達(dá)到20　000cd/cm2 以上。具有亮度高、顯色畫質(zhì)高、散熱好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，為戶外和半戶外液晶展示屏應(yīng)用提供了有力支持。

2　技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)前景

2.1　LED背光技術(shù)的發(fā)展

從結(jié)構(gòu)上分類，液晶背光主要采用側(cè)光式和直下式兩種結(jié)構(gòu)。目前液晶顯示市場(chǎng)正向薄形化發(fā)展，多采用側(cè)光式結(jié)構(gòu)，以達(dá)到超薄形設(shè)計(jì)的目的。2009年三星推出側(cè)光式LED背光的超薄液晶電視，自此LED側(cè)背光作為一種新技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于大尺寸液晶顯示。側(cè)光式的背光結(jié)構(gòu)將LED光源側(cè)面放置，可明顯節(jié)省空間，從而較容易實(shí)現(xiàn)輕薄化。但光源在邊側(cè)入光，要實(shí)現(xiàn)正面均勻出光，LED燈條和導(dǎo)光板設(shè)計(jì)的要求也有所提高。同時(shí)側(cè)背光結(jié)構(gòu)不可以采用三基色LED光源來(lái)混合白光，以及局部動(dòng)態(tài)背光控制等技術(shù)，使得液晶顯示在色彩還原性能和對(duì)比度上表現(xiàn)有所遜色。

對(duì)于大尺寸液晶顯示，特別是要求高顯色畫質(zhì)和高亮度性能的大尺寸LCD，側(cè)光式背光源的均勻性和亮度都受到限制，同時(shí)導(dǎo)光板成本和加工難度也隨之增加。因此多采用直下式背光結(jié)構(gòu)，其制作工藝較為簡(jiǎn)單且不需要導(dǎo)光板，技術(shù)關(guān)鍵在于色彩和亮度均勻性，是目前大尺寸背光源研發(fā)的主流。特別是采用高顯色指數(shù)的白色LED光源的背光，較之側(cè)光式背光在同等亮度下所用LED的數(shù)量要少，排布不太密集以有利散熱，也較易達(dá)到出光均勻的目的。

2.2　LED背光市場(chǎng)前景

照明應(yīng)用和液晶電視背光應(yīng)用是目前LED產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的兩大動(dòng)力。目前照明占LED產(chǎn)能的比例不是很多，主要還是LED背光液晶電視。水清木華研究中心研究報(bào)告指出，2010年LED市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)58%，從100億美元增長(zhǎng)到158億美元。其中受到LED-TV市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用在液晶電視背光的LED市場(chǎng)規(guī)模從9.6億美元增加到近39億美元。

Trend　Force旗下研究部門WitsView 的調(diào)查結(jié)果顯示，2010年各尺寸液晶顯示面板中，66cm(26in)以下中小尺寸液晶屏，以及94cm(37in)以上的較大尺寸液晶顯示屏，使用LED背光的比重達(dá)到20%左右，特別是117cm(46in)、119cm(47in)和132cm(52in)以上的大尺寸液晶電視面板，LED背光的滲透率已在45%左右。預(yù)計(jì)到2014年，LED 將完全取代CCFL。調(diào)查結(jié)果，如圖1所示。

3　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖2所示為直下式背光結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，LED光源位于背光結(jié)構(gòu)的底部，由反射膜的反作用后向上出光，經(jīng)過(guò)一定的空間混光距離，再由擴(kuò)散板等光學(xué)薄膜調(diào)制后出光，因此各光學(xué)組件的厚度及LED所需的空間混光距離決定了背光模組的整體厚度。特別是光源及其所需的混光距離，增加了背光結(jié)構(gòu)的厚度，使得采用直下式背光的LCD 外形結(jié)構(gòu)較之側(cè)背光的LCD 要厚重一些。

一般通過(guò)使用直下式用的利于光線發(fā)散的透鏡來(lái)改善LED陣列的混光效果，在一定程度上減小了背光模組的厚度，使得采用直下式背光的LCD結(jié)構(gòu)薄型化。同時(shí)，較之側(cè)背光結(jié)構(gòu)需使用成本較高的導(dǎo)光板，采用直下式結(jié)構(gòu)只需考慮透鏡和擴(kuò)散板成本，且同等亮度下所用LED數(shù)量較少，甚至可以實(shí)現(xiàn)超高亮度的性能要求。因此采用直下式背光結(jié)構(gòu)，在成本和能耗上具有明顯優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于大尺寸的液晶電視，結(jié)構(gòu)厚重的劣勢(shì)更加不明顯，而低成本和低能耗的優(yōu)勢(shì)更為突出。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款用于半戶外液晶顯示用的高亮度117cm(46in)直下式LED背光源。按照實(shí)際的環(huán)境要求，液晶屏的亮度要求在800～1200cd/m2，考慮背光到液晶屏的光效利用率在5.5%左右，則背光源的亮度要達(dá)到15000～21800cd/m2。如果考慮外加增亮膜，按1.2倍的增亮效果計(jì)算，則背光亮度要求達(dá)到13000～18200cd/m2。

背光源的有效發(fā)光面積為1　040mm ×596mm，考慮產(chǎn)品所需的總體亮度、單燈LED的亮度以及經(jīng)過(guò)背光組件后的光效利用率，可以算出所需LED數(shù)量。再使用軟件模擬得出LED陣列的排布方式以及所需的理論混光距離。背光源采用Sharp公司生產(chǎn)的直下式用2828型白光LED，功率在0.45W 左右，典型電流為120mA，發(fā)光強(qiáng)度在30lm左右。另外該款LED采用藍(lán)光芯片加紅綠熒光粉的封裝方式，具有較高的顯色指數(shù)，同時(shí)LED的芯片封裝基座為陶瓷材料，易于快速有效地散熱。[!--empirenews.page--]

在背光有效區(qū)域，LED使用數(shù)量為1008顆，陣列確定為42×24的排布方式，如圖3所示，將整個(gè)LED陣列分成4個(gè)驅(qū)動(dòng)部分(由此也方便根據(jù)具體需要設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)控制)，每個(gè)部分由21顆LED串聯(lián)為一組，然后12組LED再通過(guò)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。經(jīng)過(guò)最初的軟件按模擬、樣品測(cè)試及調(diào)試，最終確定各LED的排列間距為25mm×25mm，光源陣列的混光距離為25mm。

在LED陣列表面設(shè)置一層對(duì)應(yīng)LED排布位置的反射膜，可以正面反射光源出光，使得亮度和出光效率大幅提高。LED陣列出光經(jīng)過(guò)反射膜向上反射后，再經(jīng)過(guò)一層反射板和反射膜的散射作用，可以得到均勻性較好的光源。如果再加一層雙層增亮膜(DBEF)，則可以獲得更好的增亮效果。

此外，為實(shí)現(xiàn)高亮度背光，采用的LED數(shù)量較多，功率高達(dá)450W 以上，容易產(chǎn)生高溫，影響LED光源和液晶屏的正常工作，因此需要較高要求的散熱設(shè)計(jì)。采用的LED光源為陶瓷基座封裝，有利于芯片的有效快速散熱，電路板選用散熱性較好的PCB板材，并在背光源的背板后外加散熱片和散熱風(fēng)扇。另外，可以降額使用，在保證亮度前提下，盡量減小LED的工作電流和電壓，在不滿額的情況下工作，也可以有效緩解其熱量過(guò)高的問(wèn)題。

如表1所示，在有效發(fā)光區(qū)域內(nèi)，LED陣列的4個(gè)驅(qū)動(dòng)部分，在電流1.1A電壓68V的條件下，采用9點(diǎn)測(cè)量方式的測(cè)試結(jié)果(沒有外加棱鏡膜、DBEF等增亮膜材)。

采用直下式結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，隨著新型LED背光在中大尺寸液晶顯示領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的CCFL背光的LCD產(chǎn)品面臨淘汰，因此在本項(xiàng)目的高亮度直下式LED背光結(jié)構(gòu)的研發(fā)中，可以直接使用市場(chǎng)現(xiàn)有的同類型尺寸的背光框架結(jié)構(gòu)。一方面減少了產(chǎn)品開發(fā)所需時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期，同時(shí)可以降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工的成本。

4　結(jié)論

采用中功率高顯色指數(shù)的LED光源，在不使用透鏡發(fā)散出光的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)LED陣列的排布方式，以及驅(qū)動(dòng)和散熱設(shè)計(jì)，獲得高亮度、高顯色畫質(zhì)、均勻性好、低成本、散熱好的直下式背光結(jié)構(gòu)。隨著LED發(fā)光效率和背光技術(shù)的不斷提升，直下式背光結(jié)構(gòu)在大尺寸液晶顯示，特別是具有高顯色畫質(zhì)和高亮度要求的液晶顯示領(lǐng)域，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。（源自：北京大學(xué)物理學(xué)院　彩虹集團(tuán)上海藍(lán)光科技有限公司 作者：范曼寧 張國(guó)義 郝茂盛 陳云峰）