大尺寸TFT

大尺寸TFT

　　1 前言

　　LCD是被动发光器件，本身是不发光的，因此必须要有背光模块给LCD 提供光源。用来作为背光模块的光源有以下几种：

　　（1）冷阴极荧光灯；

　　（2）LED背光；

　　（3）电致发光背光。

　　其中，EL 背光系统由于在工作过程中亮度会逐渐衰减，限制了它的运用，现在主要用于中小型的LCD上。CCFL背光系统由于其体积小、寿命长、亮度高和工作电流低等优点，是当前LCD 背光系统的主要选择；LED 背光系统则由于发光功率比较低，长期以来只能应用在小尺寸的LCD 当中。然而，由于LED 背光系统本身具有CCFL 无法比拟的优点，比如：色彩还原好、省电、寿命长；另外由于LED 背光不含汞蒸汽，对环境的污染也少，加上大功率LED的出现，使LED 背光成为最近显示界的一个热门研究课题，尤其是LED 背光的色彩还原性，文献报道称其可以达到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光则只能达到NTSC 的70%，如图1 所示。

　　图1 LED 和CCFL 的色域图

　　因此利用LED作为LCD 的背光， 色彩将更加鲜艳。鉴于LED 背光技术的诸多优点，在过去的几年中，已经有许多公司和研究机构报道了各种高亮度的LED应用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技术。

　　2 LED背光技术

　　LED 背光技术主要分为直下式背光结构和侧式背光结构两种，直下式背光由许多LED 均匀分布在显示区域后面，加上反射腔和扩散膜等共同作用，得到亮度均匀的平面发光效果；侧式背光则由多个LED 排成一排形成线光源，经过导光体、反射膜、扩散膜形成均匀发光面。以前由于单个LED 的功率比较低，如果要将LED 用于大尺寸的LCD，需要很多LED 才能达到要求的亮度。近几年来，由于大功率LED 的出现，LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的运用取得了长足的进步，其中大部分都是采用侧式结构。按照LED 的颜色可以分为RGB LED 背光和白光LED背光两种：

　　（1）RGB LED 背光单元是将三基色LED 发出的光复合产生白光；（2）白光LED 背光单元则直接利用白光LED 产生的白光。

　　2.1 大功率RGB LED 复合成白光

　　图2 是2001年荷兰飞利浦照明系统公司开发的利用RGB 复合成白光的18in 背光系统的示意图。

　　图2 18inTFT- LCD LED背光模组结构图

　　该背光单元中，上下两侧有两列LED（LEDs A 和LEDs B）， RGB LED 是按照等间隔排列的。RGB LED发出的光从侧边经过两个导光腔（light pipe A、B）传播到LCD面板的底下， 经过特征提取（extractionfeatures A 和B）以及散射膜（diffusor sheet）得到均匀白光。

　　同年，日本Hideyo Ohtsuki 和荷兰LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高渗透型的彩膜（ filter）开发出应用于18.1in XGATFT- LCD的背光单元，其色彩还原性和亮度分别达到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年，荷兰的这家公司利用34个大功率的RGB LED 作为光源，采用PMMA 作为混色导光板的材料---这种材料可以使光在导光板传播过程中的损耗几乎为0，开发出用在15in 的TFT- LCD 的背光系统，其效率达到50%，色坐标稳定在Δu"v"~0.01，而且该背光系统很容易改造成适用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。

　　由于这种侧式的背光系统仅仅放在显示区域的两侧，为了尽可能的把光引到LCD 的显示区域，上面这几种代表产品都采用了导光板。尽管这样，光还是不可能很均匀的分布在LCD 的显示区域。LumiledsLighting 公司一些科学家采用侧式与直下式相结合的方法，开发出了适用于22in 的16∶9 的TFT- LCD- TV的新型背光系统，其结构如图3 所示。

　　图3 侧式和直下式相结合的背光

　　该背光尺寸达到503×282mm，厚度是50mm，总共含有48 个LEDs，值得一提的是这里的LED 采用了特殊的结构。如图4 所示，在LED 上面有个漏斗型的光分流器，其表面都是反射率很高的材料，主要的作用是将光反射到各个方位，这样做的目的是不让光线都集中在LED 正上方。另外，在光腔底面是一层薄的散射反射膜，主要的作用就是将光线尽可能的向各方向发散和反射到LCD 面板上面，从而得到均匀的亮度， 而且效率达到了70%。

　　图4 带有光分流器的LED。

　　但是这种结构的LED 的背光的厚度比较大，达到了50 mm。三菱公司在2004 年开发出了一种不采用导光板，用于22inTFT- LCD 的RGB LED 背光系统，其结构如图5 所示。两侧是大功率的RGB LED 光源，光经过反射镜或者直接经过棱镜进入到光学腔里面，这个光学腔的侧面和底面由一系列高反射率的反射镜组成，光经过这些反射镜被反射到LCD 面板，在光学腔的上面是一层薄的扩散膜，其作用是为了使照射到LCD面板的RGB 光混合均匀，另外一个作用是它有助于得到亮度均匀的光。该背光系统的厚度仅为30mm，平均亮度是540cd/m2。亮度均匀性到达72%，色坐标则稳定在0.005。

　　图5 新型的侧式RGB LED 背光结构

　　以上这些都是利用RGB 的LED 作为光源的，其主要困难是如何把RGB 的光均匀的混色，2004 年，美国的Michel J. Zwanenburg 研究小组，利用multi- LEDS，也就是将发红、绿、蓝光的芯片做在同一个LED 上面，如图6 所示。

　　图6 multi- LED 结构图

　　采用100 个multi- LEDS，同样是排成两列的侧式结构， 其结构如图7 所示。multi- LEDS 是连接在FPC上的，主要是为了散热。通过FPC 将大功率LED 散发的热传导到铝片。LED 上面是导光腔，导光腔的底面有个印有散光的图案，能够尽可能分散光，另外在最上面还有扩散膜和亮度增强膜，得到的用于17inTFT- LCD的背光膜组，其厚度只有16 mm。该背光单元的亮度达到2400cd/m2。亮度均匀性在85%以上，而且色坐标稳定性在Δu"v" 小于0.003。

　　图7 带有multiLEDs 的背光示意图

　　尽管LED 背光有色彩还原性好这个优点，但是在低灰度等级的时候，由于液晶本身存在漏光现象，这时如果LED 还是维持在高亮度的情况下，将导致漏光非常严重，从而降低了对比度。2005 年日本日立公司开发出一种RGB 颜色可以控制的背光系统（RGB control sys tem，RCCS）利用RCCS 制成的背光单元，显示出来的颜色不但可以由液晶分子本身的旋转角度来控制，而且还可以通过每一种颜色的背光发光亮度来控制，从而减少了传统的LED 背光在高亮度下的漏光现象，达到了提高对比度的目的。

　　在图8 中， 左边是传统的LED背光维持在最高亮度的工作情况，这时如果要求显示的蓝色是“0”，但是由于蓝色的LED 是一直工作在最高亮度下的，加上液晶分子本身漏光，导致了对比度的降低。而在右边的RCCS 背光单元中，当如果要求蓝光为“0”的时候，可以通过将蓝色的LED关闭，从而减少漏光来提高对比度。

　　图8 RCCS 背光的工作情况

　　2.2 白光LED 的背光系统

　　由RGB LED 发出的光混合成白光的LED 背光系统，这种技术无法将RGB 光混和得非常均匀。2005年，韩国的Dankook 大学开发出了用在2.4in LCD 的背光单元，该背光单元是利用3 个白色的LED 作成的侧式背光，这个背光的示意图见图9。

　　图9 2.4in 的白色LED 背光系统

　　在LED下面是反射镜，上面则是散射图案，将LED发出的光散射到各个方向，并经过下面的反射镜反射进入导光板，然后反射到LCD 上面。得到的亮度均匀性达到了84.2%[8 ]。随着人们对白光LED 的研究继续深入，白光LED 作为大尺寸TFT- LCD 背光光源将会取得更大的成就。

　　3 LED背光存在问题

　　尽管LED背光具CCFL无法比拟的优势，但是目前还有一些因素阻碍着LED背光源技术的迅速普及：

　　（1）其价格相当昂贵，同等尺寸的背光源，LED 约为CCFL 价格的4 倍；（2）目前LED背光源的光效率还不够高， 同等尺寸显示屏比CCFL 耗电量高；（3）在散热方面也是LED背光急待解决的难点之一，高功耗不符合目前环保理念，这需要LED在材料、工艺等方面进行改进。

　　4 LED背光前景

　　尽管LED背光离成为主流产品还有一段距离，但是随着LED在材料和工艺方面的不断改进，光效率的不断提高，它在相关领域将有很大的应用前景， 比如：

　　LED照明、背光等。鉴于TV 产品对于色彩饱和度（NTSC）要求较高，而LED背光在色彩饱和度方面是传统背光源CCFL 无法相比拟的， 当前液晶界的相关主要厂商，如韩国的LG- Philips、三星， 日本的夏普、索尼，以及台湾的友达、奇美等都把采用LED背光的大尺寸TV 视为未来TFT- LCD TV 的关键技术之一。

　　2004 年底索尼更是抢先推出了40in 以上的以LED为背光源的液晶电视，之后三星于2005 年5 月在横滨光电展中推出首款46in 的以大功率RGB LED为背光源的TV产品。

　　比起白光LED 背光系统，RGB LED 在色彩饱和度方面更有优势，随着LED 背光成本的不断降低，对显示效果要求越来越严格的大尺寸LCD而言，大功率RGB LED 背光将成为大尺寸的TFT- LCD背光的主流。

　　5 结论

　　综上所述，由于LED背光单元具有色彩还原性好等诸多优点，它能克服液晶显示器色彩饱和度差的先天不足的缺陷。当前LED 背光主要有侧式结构和直下式结构，而侧式结构可制作出更薄的背光单元。另外LED背光源既可采用RGB LED 经过混和成白光，也可采用白光LED来制作，而采用高功率的RGB LED作为背光源的色彩将会更加鲜艳。因此对于对显示效果要求更加苛刻的大尺寸TFT- LCD而言，高功率RGB LED将成为其背光的主流。