devil.lou

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silverwolf7516

LCD距离完美又近了一步 LED背光技术解析
三年前，笔者的一个朋友购买了一台15英寸液晶显示器(LCD)，过了一把轻薄、无辐射的瘾。但近来他发现显示器屏幕开始发黄，而且亮度下降很明显，无论怎么调节都无济于事。经多方侦察才找到“元凶”——背光灯管坏了。目前主流的LCD的背光灯都采用了使用寿命较短的CCFL(冷阴极荧光灯)，这是LCD的一个硬伤。幸运的是，人们现在找到了它的接班人——LED。
　　
传统CCFL背光的缺陷

　　在深入了解LED背光技术之前，我们有必要先了解当前的背光技术存在什么问题。我们知道，液晶是一种介乎于液体和晶体之间的物质。液晶的奇妙之处是可以通过电流来改变其分子排列状态，给液晶施加不同的电压就能控制光线的通过量，从而显示多种多样的图像。但液晶本身并不会发光，因此所有的LCD都需要背光照明。目前LCD的背光源几乎都是CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯)。

　　由于冷阴极荧光灯不是平面光源，因此为了实现背光源均匀的亮度输出，LCD的背光模组还要搭配扩散片、导光板、反射板等众多辅助器件。即便如此，要获得如CRT般均匀的亮度输出依然非常困难。大部分LCD在显示全白或全黑画面时，屏幕边缘和中心亮度的差异十分明显。

　　除了结构复杂、亮度输出均匀性差之外，采用CCFL作为LCD背光源还有个让人头痛的问题——使用寿命短。绝大部分CCFL背光源在使用2～3年之后亮度下降非常明显(寿命在15000小时～25000小时)，许多LCD(尤其是笔记本电脑的液晶屏)在使用几年后会出现屏幕变黄、发暗的现象，这正是CCFL使用衰减期较短的缺陷造成的。

　　与此同时，由于CCFL背光源必须包含扩散板、反射板等复杂的光学器件，因此LCD的体积无法再进一步缩小。在功耗方面，采用CCFL作为背光源的LCD也无法令人满意，14英寸LCD的CCFL背光源往往需要消耗20W甚至更多的电能。这对笔记本电脑和便携设备来说，它们的续航能力将经受重大的考验。

　　为了解决CCFL的这些硬伤，几乎所有的LCD厂商都开始寻找更为优秀的液晶背光源。由于LED有着超低的能耗、极长的工作寿命和简单的结构，迅速获得了LCD厂商的青睐，那么LED究竟是什么东西?它有什么奇妙之处呢?


CCFL的管状外形很像普通的日光灯

　　事实上，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)并非尖端科技产品，它在我们日常生活中随处可见:路边色彩斑斓的广告牌、家用电器上颜色各异的指示灯、手机按钮的背光照明、汽车的前大灯等等，都采用了LED作为光源。

　　LED在20世纪60年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是一种半导体器件。

　　LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结(PN Junction Transistors)。PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对PN结施加正向电压时，电流从LED的阳极流向阴极，而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。LED正是根据这样的原理实现电光的转换。根据半导体材料物理性能的不同，LED可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线。

silverwolf7516

小知识型半导体和N型半导体

　　如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就变成以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。在P型半导体中，空穴(带正电)叫多数载流子;电子(带负电)叫少数载流子。

　　如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成以电子导电为主的半导体，即N型半导体。在N型半导体中，电子(带负电)叫多数载流子;空穴(带正电)叫少数载流子。

　　由于LED只能发出单波长光线，因此LED无法像白炽灯那样轻易发出白色光。这也就是LED指示灯只有蓝色、红色、绿色等颜色，而没有白色的原因。无法发出白色光对于指示灯之类的应用并不是什么问题，但对于LCD背光源来说则是无法逾越的障碍。为了早日实现LED成为显示器背光源的接班人，各个LED制造商都开始重点研究白光LED产品。而在这一领域，日本的日亚化学是先行者，它在1996年就提出了解决方案，即在蓝色LED上涂上黄色荧光粉实现白光输出。由于起步早，技术成熟，日亚化学取得了白光LED领域的主导地位。据统计采用日亚化学方案的产品占据了80%的市场份额。


被广泛用作指示灯的LED器件



　　1.5mm指示灯用LED横截面示意图



　　LED单元构造示意图

　　LED作为LCD背光会带来哪些好处呢?首先，采用LED背光的LCD的体积将进一步缩小。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成，每个“格子”中都拥有一个LED半导体，这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性，还不需要复杂的光路设计，这样一来LCD的厚度就能做得更薄，同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味着笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如，SONY近期推出的VAIO TX笔记本就采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏。

　　其次，在发光寿命方面，LED背光技术也将CCFL远远抛在后面。普通的CCFL背光源一般的使用寿命在3万小时左右，一些顶级的CCFL背光的发光寿命也不过在6万小时左右。这样的寿命对于频繁使用的用户来说意味着使用2～3年后LCD的亮度就将会明显下降，而不得不更换LCD的CCFL背光模组。而LED背光则完全没有这样的问题，现阶段白色LED背光的寿命已经高达10万小时，而且还有再次提升的潜力。即使24小时不间断使用，这样的寿命也足够使用5年!

　　在色彩表现力方面，LED背光也远胜于CCFL。原有的CCFL背光由于色纯度等问题，在色阶方面表现不佳。这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。据测试，采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的78%，而LED背光却能轻松地获得超过100%的NTSC色彩区域。在色彩表现力和色阶过渡方面，LED背光也有显著的优势。

　　
小知识:NTSC标准

　　在视频领域，人们一般用NTSC(美国国家电视系统委员会)标准作为衡量视频设备的色彩还原能力的指标。这个指标是指在整个色彩空间内，显示设备能在各种色彩上显示到何种饱和度，即能够显示到什么程度的蓝色、绿色、红色。传统的液晶电视和显示器能够覆盖的色彩范围只有NTSC标准的65%～75%，具体表现在绿色、黄色和红色部分与标准值相差较大。

　　毫不夸张地说，LED背光技术的引入，使LCD首次在色彩表现力方面可以和CRT相提并论。此外，由于LED的平面光源特性，LED背光还能实现CCFL无法企及的分区域的色彩和色度调节，从而实现更精确的色彩还原，以适应平面出版和图形设计工作的需要。

　　尽管LED背光技术有着巨大的优势，但是现阶段依然面临一些难题急需解决。LED背光技术首先遇到的挑战就是成本问题。由于白光LED器件被几大寡头所垄断，因此LED背光的制造成本居高不下。采用LED背光的产品售价现阶段依然明显高于CCFL背光产品，而且白光LED器件的产量也无法满足大批量的需求，要实现LED背光的快速普及，就必须突破白光LED的专利封锁。

　　除了成本问题，现阶段LED背光技术在发光效率方面也难以让人满意。现阶段的CCFL发光效率基本都在60 lm/W(流明/瓦)左右，而大型化的LED背光则只有30 lm/W。究其原因，主要是LED会随着芯片面积的增大而出现电流密度不均匀的现象，这必然导致整体发光效率低下，同时产生较高的热量。由于在大尺寸背光发光效率上的差距达到了50%，因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗将会是普通CCFL的2倍!这也是现在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主动散热系统的原因。

　　不过，随着各大厂商对于LED背光研究投入的持续增加，以上两个困扰LED背光的关键问题都有望很快得到解决。白光LED主导厂商日亚化学在2004年开始便不断提升旗下白光LED产品的产量，同时其他厂商的白光LED产品也开始量产，白光LED的价格也正以较快的速度下降，相信不超过两年，LED背光模组的价格就将会和CCFL背光模组的价格持平。至于LED的发光效率问题，近期也有了明显的改善。新一代白光LED的发光效率已经提升到了50 lm/W，和CCFL的差距只有区区10 lm/W。在未来3～5年内，LED的发光效率很可能超越80 lm/W的水平。

silverwolf7516

小资料ED背光技术成品化步伐

　　早在2004年，SONY便率先将LED背光技术成品化，推出了一款采用LED背光的23英寸LCD和一款46英寸的液晶电视。尽管这两款产品都存在功耗高、发热量大和价格高昂的缺陷，但LED在显示质量方面的优势得到了充分体现。

　　在2005年5月举行的SID 2005(2005显示信息学会)会议上，LG-飞利浦、三星电子等都展出了他们各自的LED背光平面显示器。其中LG-飞利浦还首次提出将LED与CCFL混用各取所长的背光解决方案，通过这样的设计不仅成功地降低了LED背光的功耗问题，还将LCD的对比度提升到了10000∶1!

　　毫无疑问，LED背光技术在不久的将来会取代CCFL，成为LCD主流背光源。在LED背光技术的帮助下，LCD将会在色彩还原度、使用寿命方面获得极大的提升。届时，LCD距离完美又近了一步。

南乡子

感激啊！我正要查阅所有显示的相关技术呢！

对了，哪位能系统地说说LED在不同领域的应用呢？查了很多资料，好混乱啊！