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关于大尺寸液晶显示器背光源的探讨

我爱方案网| 大尺寸,液晶,显示器,背光源| 2012-02-09
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中心议题:
    *  大尺寸LCD 面板及背光源简介
    *  概述目前较常用的大尺寸背光源结构
    *  介绍直下型背光源的结构和发展趋势

大尺寸液晶显示器正在广泛应用,背光源作为主要的零部件不断革新,以适应这一发展趋势。本文主要概述了目前较常用的大尺寸背光源结构,着重于直下型背光源的结构和发展趋势,并介绍各个组成零部件。

液晶显示器轻,薄,高清晰显示,无辐射,正广泛应用于监视器,笔记本电脑,数码相机,投影仪,液晶电视等。

液晶显示器是一种非自发光显示器技术,必须借助于背光源显示影像,因而背光的发展对液晶显示的性能非常重要,但随着液晶显示尺寸大型化的需求不断增长,传统背光源的成本比重也在不断增加。背光源正在轻、薄、低功耗、高亮度、低成本上努力改善。

1 大尺寸LCD 面板及背光源简介

液晶显示器通过液晶对光的调制显示信息,发展机遇和技术革新与背光源的改善息息相关,包括冷阴极荧光管CCFL( ColdCathode Fluorescent Lamp)的动态控制,外部电极荧光灯EEFL(Exterior ElectrodeFluorescent Lamp)、平面荧光FFL(FlatFluorescent Lamp)、发光二极管LED(LightEmitting Diode)背光源的发展等。

1.1 LCD 面板

L C D 面板主要是由彩色滤光片( ColorFilter),背光模块(Backlight),驱动芯片(IC),补偿膜及偏光片(Retardation film andPolarizer),ITO玻璃基板(ITO Substrate),取向膜(PI film),控制电路等组成。

1.2 背光模块

背光模块由光源,灯罩 Lampshade,反射板Reflector,导光板LGP(light guidePlate),扩散板(Diffuser),增亮膜 BEF(Brightness Enhancement Film)以及外框等组装而成。其中光源有冷阴极荧光管CCFL,热阴极荧光管,HCFL ( HotCathode Fluorescent Lamp)外部电极荧光灯EEFL,发光二极管LED,平面荧光FFL,场发射背光源FE(Field EmissionBacklight)等多种。

背光光源发光,进入导光板,经过传播之后,由正面以一定角度射出后,均匀分布于发光区域内,再经扩散板,增亮膜,使光线聚集在液晶显示器的视角范围内。

2 背光源的主要结构

LCD 应用有所不同,导致其相关的产品特性,如尺寸,亮度,响应速度, 分辨率,色饱和度等也有所区别。就一般而言,按照灯管的位置类,大致采用以下几种结构:

2.1 侧光式结构(Edge Backlight)

导光板LGP(Light Guide Plate)引导光线方向,提高面板的辉度并控制亮度均匀。

Edge Backlight 的发光源一般在导光板侧,光源按照导光板的形式和光学上的要求有直型,L 型,U 型CCFL灯管。CCFL在侧边,没有散热问题,但CCFL提供的光量,经过导光板、扩散膜、偏光膜、液晶层、彩色滤光片等多层元件后,效率相当低。

2.2 直下型结构(Bottom Lighting)

用于大尺寸显示器时,侧光式结构无法在重量、消耗电量以及亮度上占有优势,因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被开发出来。直下型背光源,零件少,整体的发光效率也较侧光式高。它的亮度、均匀性、色饱和度等基本满足要求。面板越大,灯管越长,灯管本身的均匀性要求更高,只好增加扩散板,却又造成亮度不足,继续增加灯管。因而尺寸越大,背光源所占成本越高,几成线性关系。但灯管的增加,耗电量也增加到液晶显示器的9 0 % ,散热问题也日益严重。

3 直下型背光的光源分类

光源系统决定了显示器的影响亮度,均匀性,LCD 所采用的发光源有CCFL,HCFL,EEFL,FFL,LED,FE 等,其中CCFL 具有高辉度、高效率、寿命长、高演色性等特性,而且其圆柱形结构很容易与光反射元件组合成薄板状照明装置,所以目前仍以CCFL为主流,但是一般认为将以白光LED 为应用趋势。
 

 


3.1 CCFL

作为光源的冷阴极管随着导光板的快速发展而发展,导光板越来越薄,冷阴极管也越来越细,直径约2.6mm 的成为主流。

CCFL的高压电极激发电子,电子撞击N e 和A r 原子,吸收能量,升温,高能量的Ne 和A r 释放能量,撞击Hg(也可使用Xe )吸收能量,H g 释放紫外线λ = 2 5 3 .7nm ,撞击荧光粉,发出可见光。电极的电子发射不是热电子发射,故称为冷阴极管。由于电极没有灯丝,所以电极可做细,优点是高效率,稳定可靠,但要与反射板,扩散膜等一起使用,结构复杂。32" 使用12根灯管,到37" 左右灯管数增加到2 0 根左右,成本增加太快,接近整个系统的40 %多,而且每个灯管需要单独驱动,响应速度较慢,色饱和度只有约72%,同时由于汞的使用带来环境问题的隐患。

3.2 LED

其优势在于低电压,轻,无汞,长寿命等,而且其光源光谱比以荧光粉为发光材料产生的光纯正,也是目前唯一达到和超过NTSC100% 色彩饱和度的选择。其单位耗电量能获得的辉度较高,其反应速度也比CCFL快3 倍,能够赋予液晶面板高的附加值。以RGB 三种LED为光源,按序切换点亮,可取代昂贵的彩色滤光片CF .但是价格相对较贵,耗电量相对较大。

3.3 混合型

LED 混合背光源技术,可大幅提升液晶电视显示质量,采用AFLC 区域亮度控制技术(Area - Focused Luminance Controllable),可自行分析影像数据,自动调整特定部位明暗度,使亮的部份更亮,暗的部分更暗。

混合型LED 背光液晶显示器,色饱和度可到110%,对比度可到10000:1.8ms 以下的响应速度,采用IPS 广视角技术,上下左右视角达178 度。采用LED 与荧光灯的混合背光源显示器,色饱和度也可到105%,比使用荧光灯背光源的显示器高出45% 以上,而成本只有LED背光源的6 0 % 左右。

场发射背光源FE FE 背光源的显示特性和成本优势,将来也会有一席之地。

有机LED OLED 这是一种未来显示器,但也可用作背光源,它简化了背光源的光学结构,驱动电压低,但目前的问题是寿命较短,效率不高,对低温敏感,价格昂贵。

4 背光源其它零组件组成

4.1 导光板(只应用于侧光型背光)

导光板材料形状和材料决定了出射光源的辉度和分布。

最常见的是印刷式的导光板,以距离光源远近为依据,使用高反射光源物质,如SiO2及TiO2 分布于导光板底面,利用印刷材料吸收再扩散的性质,破坏全反射造成的内部传播,使光从正面均匀分布。

非印刷式包括射出成形导光板,采用蚀刻,切削方式,喷砂方式再加工,扩散式。

蚀刻式将印刷点的设计在模具上,切削式在导管板正面切削出一条条长的沟槽,喷砂也是在模具模仁上形成粗面分布,扩散方式则将直接P M M A 注入导管板内部,在辉度上,蚀刻导光板不如印刷导光板。

4.2 反射板/膜 Reflector

侧光式背光模块的反射板放置于导光板底部,将自底面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;而直下型背光模块则是将反射板置于灯箱底部表面或黏贴于其上,将经扩散板反射之光束由灯箱底部在此反射回扩散板以被利用。

常用金属反射膜,金属导电性能越好,穿透深度越浅,反射率越高,因而金属反射膜的材料都使用高导电度的金银铜等。

4.3 扩散板/片 Diffuser

一般传统的扩散膜是在扩散膜基材中,加入化学颗粒,作为散射粒子,而现有的扩散板的微粒子分散在树脂层之间,所以光线在经过扩散层时会不断地在两个折射率相异的介质中穿过,同时光线还会发生很多折射、反射与散射的现象,如此达到光学扩散的效果。扩散板/ 片提供均匀的面光源,同时还起到支撑其他膜片的作用。

由于材料化学颗粒的性质,将会无可避免造成吸光且光的散射混乱,对于一个固定距离的观测者来说,将会有部分的光强被浪费。再加上化学制程较费时,所需的生产成本相对较高。此外还有许多使用其他材料,工艺制作的扩散板等。
 

 


4.4 BEF增光片(棱镜片) Bright Enhanced Film

光经扩散后指向性较差,须利用增光片来修正光的方向,它通过光的折射与反射来达到凝聚光线提高正面辉度的目的,以多元酯或聚碳酸酯为材料,表面结构一般为棱形柱体或者半圆柱体,能将大角度的光线折至较正向的角度,缩小光线分布,达到正向集中, 使整体的背光模块的辉度提高60%~100%.通常一个背光源会使用两片增亮膜,彼此方向垂直,增加辉度。

原来接近垂直的光线,在进入增光片后,会产生全反射,再次回到底层的反射板,然后再返回,经过一定的路径后,势必有一定量的衰减,所以对于原本小角度的光线,反而会没有实质上的帮助。

4.5 偏光转换膜(P-S converter)

在现有的LCD 面板设计中,对光源模块过滤掉S-ray 平行光,允许P-ray 光源通过,利用单一的偏振光来驱动或照明LCD 面板,所以会在光线进入液晶面板前先经过偏光板,该偏光板会吸收掉某一偏光方向的能量,而冷阴极管所产生的光为非偏正光,在通过第一片偏光板时,有一半以上的光能量会被吸收掉,使光使用效率非常差。采用偏光转换膜,它的功用是使光源做偏振态的转换。利用反射偏光板将可通过与不可通过LCD 偏光板的光分离,然后利用反射板反射回来的光转换为可用的偏光,达到亮度提高的目的。

一种添加反射式偏光转换膜的DBEF(Dual BEF),集合了集光和偏光转换的功能,除了正面亮度提升外,大视角的亮度也得到提升。

DBEF 的结构原理 以上均为常用的元件,在侧光型背光和直下型背光中,膜片的排列也略有不同。

5 结语

侧光式背光源主要应用于桌上型电脑和笔记本电脑显示器,液晶电视使用直下型背光源,目前仍已CCFL为主,但随着面板的增大,其成本和光利用效率均不理想。短期内比较容易的替代方案是EEFL背光源。

LED的色饱和度以及发光效率仍然在改善中,如果解决将成为主流。

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