三年前，筆者的一個(gè)朋友購(gòu)買了一臺(tái)15英寸液晶顯示器(LCD)，過了一把輕薄、無輻射的癮。但近來他發(fā)現(xiàn)顯示器屏幕開始發(fā)黃，而且亮度下降很明顯，無論怎么調(diào)節(jié)都無濟(jì)于事。經(jīng)多方偵察才找到“元兇”——背光燈管壞了。目前主流的LCD的背光燈都采用了使用壽命較短的CCFL(冷陰極熒光燈)，這是LCD的一個(gè)硬傷。幸運(yùn)的是，人們現(xiàn)在找到了它的接班人——LED。
傳統(tǒng)CCFL背光的缺陷
在深入了解LED背光技術(shù)之前，我們有必要先了解當(dāng)前的背光技術(shù)存在什么問題。我們知道，液晶是一種介乎于液體和晶體之間的物質(zhì)。液晶的奇妙之處是可以通過電流來改變其分子排列狀態(tài)，給液晶施加不同的電壓就能控制光線的通過量，從而顯示多種多樣的圖像。但液晶本身并不會(huì)發(fā)光，因此所有的LCD都需要背光照明。目前LCD的背光源幾乎都是CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷陰極熒光燈)。
由于冷陰極熒光燈不是平面光源，因此為了實(shí)現(xiàn)背光源均勻的亮度輸出，LCD的背光模組還要搭配擴(kuò)散片、導(dǎo)光板、反射板等眾多輔助器件。即便如此，要獲得如CRT般均勻的亮度輸出依然非常困難。大部分LCD在顯示全白或全黑畫面時(shí)，屏幕邊緣和中心亮度的差異十分明顯。
除了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、亮度輸出均勻性差之外，采用CCFL作為L(zhǎng)CD背光源還有個(gè)讓人頭痛的問題——使用壽命短。絕大部分CCFL背光源在使用2～3年之后亮度下降非常明顯(壽命在15000小時(shí)～25000小時(shí))，許多LCD(尤其是筆記本電腦的液晶屏)在使用幾年后會(huì)出現(xiàn)屏幕變黃、發(fā)暗的現(xiàn)象，這正是CCFL使用衰減期較短的缺陷造成的。
與此同時(shí)，由于CCFL背光源必須包含擴(kuò)散板、反射板等復(fù)雜的光學(xué)器件，因此LCD的體積無法再進(jìn)一步縮小。在功耗方面，采用CCFL作為背光源的LCD也無法令人滿意，14英寸LCD的CCFL背光源往往需要消耗20W甚至更多的電能。這對(duì)筆記本電腦和便攜設(shè)備來說，它們的續(xù)航能力將經(jīng)受重大的考驗(yàn)。
為了解決CCFL的這些硬傷，幾乎所有的LCD廠商都開始尋找更為優(yōu)秀的液晶背光源。由于LED有著超低的能耗、極長(zhǎng)的工作壽命和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，迅速獲得了LCD廠商的青睞，那么LED究竟是什么東西?它有什么奇妙之處呢?
CCFL的管狀外形很像普通的日光燈
事實(shí)上，LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)并非尖端科技產(chǎn)品，它在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見:路邊色彩斑斕的廣告牌、家用電器上顏色各異的指示燈、手機(jī)按鈕的背光照明、汽車的前大燈等等，都采用了LED作為光源。
LED在20世紀(jì)60年代誕生后就被認(rèn)定是熒光燈管、燈泡等照明設(shè)備的終結(jié)者，甚至有人認(rèn)為L(zhǎng)ED將會(huì)開創(chuàng)一個(gè)新的照明時(shí)代，最終出現(xiàn)在所有需要照明的場(chǎng)合。LED的工作原理和我們常見的白熾燈、熒光燈完全不同，LED從本質(zhì)上來說是一種半導(dǎo)體器件。
LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有特殊導(dǎo)電性能的薄層，也就是常說的PN結(jié)(PN Junction Transistors)。PN結(jié)可以對(duì)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，當(dāng)對(duì)PN結(jié)施加正向電壓時(shí)，電流從LED的陽極流向陰極，而在PN結(jié)中少數(shù)載流子與多數(shù)載流子進(jìn)行復(fù)合，多余的能量就會(huì)轉(zhuǎn)變成光而釋放出來。LED正是根據(jù)這樣的原理實(shí)現(xiàn)電光的轉(zhuǎn)換。根據(jù)半導(dǎo)體材料物理性能的不同，LED可發(fā)出從紫外到紅外不同波段、不同顏色的光線。
小知識(shí):P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體
如果在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價(jià)元素，就變成以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，即P型半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴(帶正電)叫多數(shù)載流子;電子(帶負(fù)電)叫少數(shù)載流子。
如果在硅或鍺等半導(dǎo)體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價(jià)元素，就變成以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，即N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，電子(帶負(fù)電)叫多數(shù)載流子;空穴(帶正電)叫少數(shù)載流子。
由于LED只能發(fā)出單波長(zhǎng)光線，因此LED無法像白熾燈那樣輕易發(fā)出白色光。這也就是LED指示燈只有藍(lán)色、紅色、綠色等顏色，而沒有白色的原因。無法發(fā)出白色光對(duì)于指示燈之類的應(yīng)用并不是什么問題，但對(duì)于LCD背光源來說則是無法逾越的障礙。為了早日實(shí)現(xiàn)LED成為顯示器背光源的接班人，各個(gè)LED制造商都開始重點(diǎn)研究白光LED產(chǎn)品。而在這一領(lǐng)域，日本的日亞化學(xué)是先行者，它在1996年就提出了解決方案，即在藍(lán)色LED上涂上黃色熒光粉實(shí)現(xiàn)白光輸出。由于起步早，技術(shù)成熟，日亞化學(xué)取得了白光LED領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用日亞化學(xué)方案的產(chǎn)品占據(jù)了80%的市場(chǎng)份額。
被廣泛用作指示燈的LED器件
1.5mm指示燈用LED橫截面示意圖
LED單元構(gòu)造示意圖
LED作為L(zhǎng)CD背光會(huì)帶來哪些好處呢?首先，采用LED背光的LCD的體積將進(jìn)一步縮小。LED背光源是由眾多柵格狀的半導(dǎo)體組成，每個(gè)“格子”中都擁有一個(gè)LED半導(dǎo)體，這樣LED背光就成功實(shí)現(xiàn)了光源的平面化。平面化的光源不僅有優(yōu)異的亮度均勻性，還不需要復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)，這樣一來LCD的厚度就能做得更薄，同時(shí)還擁有更高的可靠性和穩(wěn)定性。更薄的液晶顯示面板意味著筆記本電腦擁有更佳的移動(dòng)性。例如，SONY近期推出的VAIO TX筆記本就采用了厚度僅有4.5mm的LED背光液晶顯示屏。
其次，在發(fā)光壽命方面，LED背光技術(shù)也將CCFL遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。普通的CCFL背光源一般的使用壽命在3萬小時(shí)左右，一些頂級(jí)的CCFL背光的發(fā)光壽命也不過在6萬小時(shí)左右。這樣的壽命對(duì)于頻繁使用的用戶來說意味著使用2～3年后LCD的亮度就將會(huì)明顯下降，而不得不更換LCD的CCFL背光模組。而LED背光則完全沒有這樣的問題，現(xiàn)階段白色LED背光的壽命已經(jīng)高達(dá)10萬小時(shí)，而且還有再次提升的潛力。即使24小時(shí)不間斷使用，這樣的壽命也足夠使用5年!
在色彩表現(xiàn)力方面，LED背光也遠(yuǎn)勝于CCFL。原有的CCFL背光由于色純度等問題，在色階方面表現(xiàn)不佳。這就導(dǎo)致了LCD在灰度和色彩過渡方面不如CRT。據(jù)測(cè)試，采用CCFL背光只能實(shí)現(xiàn)NTSC色彩區(qū)域的78%，而LED背光卻能輕松地獲得超過100%的NTSC色彩區(qū)域。在色彩表現(xiàn)力和色階過渡方面，LED背光也有顯著的優(yōu)勢(shì)。
小知識(shí):NTSC標(biāo)準(zhǔn)
在視頻領(lǐng)域，人們一般用NTSC(美國(guó)國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)作為衡量視頻設(shè)備的色彩還原能力的指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)是指在整個(gè)色彩空間內(nèi)，顯示設(shè)備能在各種色彩上顯示到何種飽和度，即能夠顯示到什么程度的藍(lán)色、綠色、紅色。傳統(tǒng)的液晶電視和顯示器能夠覆蓋的色彩范圍只有NTSC標(biāo)準(zhǔn)的65%～75%，具體表現(xiàn)在綠色、黃色和紅色部分與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大。
毫不夸張地說，LED背光技術(shù)的引入，使LCD首次在色彩表現(xiàn)力方面可以和CRT相提并論。此外，由于LED的平面光源特性，LED背光還能實(shí)現(xiàn)CCFL無法企及的分區(qū)域的色彩和色度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的色彩還原，以適應(yīng)平面出版和圖形設(shè)計(jì)工作的需要。
盡管LED背光技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)階段依然面臨一些難題急需解決。LED背光技術(shù)首先遇到的挑戰(zhàn)就是成本問題。由于白光LED器件被幾大寡頭所壟斷，因此LED背光的制造成本居高不下。采用LED背光的產(chǎn)品售價(jià)現(xiàn)階段依然明顯高于CCFL背光產(chǎn)品，而且白光LED器件的產(chǎn)量也無法滿足大批量的需求，要實(shí)現(xiàn)LED背光的快速普及，就必須突破白光LED的專利封鎖。
除了成本問題，現(xiàn)階段LED背光技術(shù)在發(fā)光效率方面也難以讓人滿意。現(xiàn)階段的CCFL發(fā)光效率基本都在60 lm/W(流明/瓦)左右，而大型化的LED背光則只有30 lm/W。究其原因，主要是LED會(huì)隨著芯片面積的增大而出現(xiàn)電流密度不均勻的現(xiàn)象，這必然導(dǎo)致整體發(fā)光效率低下，同時(shí)產(chǎn)生較高的熱量。由于在大尺寸背光發(fā)光效率上的差距達(dá)到了50%，因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗將會(huì)是普通CCFL的2倍!這也是現(xiàn)在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主動(dòng)散熱系統(tǒng)的原因。
不過，隨著各大廠商對(duì)于LED背光研究投入的持續(xù)增加，以上兩個(gè)困擾LED背光的關(guān)鍵問題都有望很快得到解決。白光LED主導(dǎo)廠商日亞化學(xué)在2004年開始便不斷提升旗下白光LED產(chǎn)品的產(chǎn)量，同時(shí)其他廠商的白光LED產(chǎn)品也開始量產(chǎn)，白光LED的價(jià)格也正以較快的速度下降，相信不超過兩年，LED背光模組的價(jià)格就將會(huì)和CCFL背光模組的價(jià)格持平。至于LED的發(fā)光效率問題，近期也有了明顯的改善。新一代白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)提升到了50 lm/W，和CCFL的差距只有區(qū)區(qū)10 lm/W。在未來3～5年內(nèi)，LED的發(fā)光效率很可能超越80 lm/W的水平。
小資料:LED背光技術(shù)成品化步伐
早在2004年，SONY便率先將LED背光技術(shù)成品化，推出了一款采用LED背光的23英寸LCD和一款46英寸的液晶電視。盡管這兩款產(chǎn)品都存在功耗高、發(fā)熱量大和價(jià)格高昂的缺陷，但LED在顯示質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)。
在2005年5月舉行的SID 2005(2005顯示信息學(xué)會(huì))會(huì)議上，LG-飛利浦、三星電子等都展出了他們各自的LED背光平面顯示器。其中LG-飛利浦還首次提出將LED與CCFL混用各取所長(zhǎng)的背光解決方案，通過這樣的設(shè)計(jì)不僅成功地降低了LED背光的功耗問題，還將LCD的對(duì)比度提升到了10000∶1!
毫無疑問，LED背光技術(shù)在不久的將來會(huì)取代CCFL，成為L(zhǎng)CD主流背光源。在LED背光技術(shù)的幫助下，LCD將會(huì)在色彩還原度、使用壽命方面獲得極大的提升。屆時(shí)，LCD距離完美又近了一步。 |
