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摘要：随着国际IT行业迅速发展，使得相关LCD行业不断推陈出新，LCD产品尺寸朝多元化和轻便化方高发展，背光源作为LCD产品的核心组件之一势必配合此发展趋势，致力于产品的多元化和轻便化。本文主要从背光源工作原理、技术应用2方面介绍了直下式LED背光源，旨在与同行探讨学习，共同进步。
关键词：LED；背光源；原理；设计
引言
背光源（BackLight）是位于液晶显示器（LCD）背后的一种光源，它的发光效果将直接影响到液晶显示模块（LCM）视觉效果。液晶显示器本身并不发光，它显示图形或是它对光线调制的结果。背光源主要由光源、导光板、光学用模片、结构件组成。其中，光源主要有EL、CCFL及LED三种背光源类型；导光板：分为印刷、化学蚀刻（Etching）、精密机械刻画法（V-cut）、光微影（Stamper）、内部扩散；光学用模片：增光膜/片、扩散膜/片、反射片、黑/白胶；结构件：结构件中有：背板（铁背板、铝背板、塑胶背板）、胶框、灯管架、铝型材、铝基条，其中背板和胶框为必用件，其它的结构件并非完全使用。
背光源模组中最核心技术为导光板的光学技术，主要有射出成型形和印刷形二种导光板方式，其余如射出成型加印刷，激光打点，腐蚀等等占据极少比例，不适宜批量生产原则。印刷形由于它的成本低在过去比较长的时间里成了主流技术。为此，合格品不高一向是它的主要缺点，而LCD产品要求更精细的导光板结构，射出成型形导光板一定会成为背光源发展的主流，可相对应的模具技术难题唯有日本少数大厂可以克服。
一、直下式LED背光源模组 工作原理
（1）LED光源
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）的化合物制成。它可以在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示，也可以直接把电转化为光，LED 结构如下图1 所示：
图 1 LED结构示意图
LED 发光机理如下图2 所示，与普通二极管一样，具有单向导电性。结构上有普通二极管相似的。P 区和 N 区，P 区和 N 区相交的界面形成 P-N 结。LED 加正向电压后，空穴由 P 区向 N 区运动，电子由 N 区向 P 区于东，这些进入对方区域的少子（又称少数载流子）的一部分与多子（又称多数载流子）会发生复合，复合时发出的能量会以光的形式释放出来；另一部分少子和多子的复合是不伴随着光的辐射的复合。前者是由于空穴和电子的复合以光的形式辐射能量，这是发光的主要机理，也是发光器件所追求的。
而后者对固体发光器件来说是有害的。
图2 LED 发光原理
LED 背光模组按所使用的 LED 的种类可分为两种形式：近白光 LED 背光源及 RGB三基色 LED 背光源。LED 能大规模投入照明应用市场的核心突破之一就是实现近白光输出，在上章介绍的液晶显示器发光原理中，背光源发出的白光，穿过液晶层后，再通过红绿蓝三色滤光膜，转换成自然中的三原色，最终混合成显示图像中丰富色彩。在这一过程中，液晶层只是决定了输出亮度的大小，其并不能决定色纯度，真正起决定作用的是背光源的发光质量。背光源的光谱越窄则三原色光的纯度便越高，通过三色滤光膜也越能还原出纯正的三原色，也唯有还原出纯正的红绿蓝三原色，才能使还原出画面图像的色彩更贴近于真实。传统的 CCFL 光源发出的光的谱线范围较宽，包含较多杂余谱线，因此还原出的图像色彩与实际相比有较大误差，一般其色域范围在 NTSC 的 60-75%左右，虽然有在荧光灯管中添加新物质或改变荧光粉的响应特性的改进型 CCFL 光源，但其色域范围也最多能达到 NTSC 的 90%左右，这就造成原有的液晶电视无法还原出现实世界中的真实色彩，从而影响了图像质量。而通过采用高发光质量的近白光 LED背光源，液晶电视的色域范围可以达到 NTSC 的 105%，能明显的提升液晶电视的图像显示质量。采用近白光 LED 的另一个好处是可以任意的用于现有的背光结构中，较易实现对原有的 CCFL 光源的替换，驱动控制，电源的设计都相对容易，同时 LED 外形尺寸可以做到很小，因此在侧入式背光源模组中更容易实现轻薄化。作为照明应用的主体，目前近白光 LED 性价比较高，使得近白光 LED 背光模组成本与 CCFL 背光成本差距越来越小，因此成为目前市场的主体，在未来也必将占据主要地位背光模组成本与 CCFL 背光成本差距越来越小，因此成为目前市场的主体，在未来也必将占据主要地位。
由于自然界中任何一种颜色都可以由红绿蓝三原色混合出，真正理想的背光源就是第二章 LED 背光源模组基本工作原理 9 直接由三原色构成。这样既能提高显示质量，又能实现节能目的 RGB-LED 背光源主要应用于直下式背光结构中，通过在背光底面放置高纯度红色、绿色、蓝色光的 LED 元件，实现传统 CCFL 光源不能达到的宽色域范围，通常情况下，由于三色 LED 的发光效率不同以及混光中的三色光比例不同，使用的各色 LED 数目也是有差别的[29]。目前主流的 RGB-LED 背光源已经可以达到 120%的 NTSC 色域范围，而且采用性能更加好的 LED 器件，完全可以实现 150%以上的 NTSC 色域范围，显然这是提升液晶显示器显示效果的一个有效手段。RGB-LED 背光技术优势明显，因此对其研究开始较早，从 2004年开始，索尼、夏普、三星等国际公司都投入重金对其研究，虽然
RGB-LED 能带来丰富的色彩表现力，但是由于其需要三色混合，对单色 LED 的品质要求较高，同时对驱动控制，色彩管理等硬件要求较高，导致产品成本较高，如三星的 70 寸
RGB-LED 背光液晶电视其售价就达到 40 万元，显然这不是一般市场所能接受的，导致一些企业逐渐放弃了对其投入，但随着 LED 上游产业链的不断完善，LED 性价比的提高，可以预见的是 RGB-LED 背光源技术将在未来几年内成为液晶电视的一个重要发展趋势。
（2）扩散膜及反射膜
扩散膜的作用是提供液晶显示器一个均匀的面光源。一般传统的扩散膜主要是在扩散膜的基材中，加入一颗颗的化学颗粒，作为散射粒子，这些微粒子分散在树脂层间，因此光线在通过扩散层的时候会不停地在两个折射率相异的介质中穿过，在此同时光线就会发生许多折射、反射与散射现象，如此便造成了光学扩散的效果。而现有的扩散膜则是将微粒子分散在树脂层间，光线在通过扩散膜时发生折射、散射、反射现象达到光学扩散的成效。反射膜的作用是在背光源模组下底部充当反射面，将被上方光学元件投射出来的光线反射回上方混光区域，从而减少光线的损失，提高光线利用率。
（3）棱镜膜
光束从扩散膜射出后的指向性非常差，因此必须修正光的方向，棱镜膜是提升正面辉度的重要组件。棱镜膜（Brightness Enhancement Film，简称 BEF）[31]其表面是一个个结构相同的棱形结构。它的主要作用是将背光源系统的光通过反射、折射，集光到使用者的正面。一方面提高正视亮度，另一方面收集可重复利用的光线，节省能源。
表1 直下式LED背光源与CCFL背光源特性对比
二、LED背光源的特点以及应用
现今全球对LED背光源的应用处在较为稳定的增长阶段，LED背光源操纵了中小尺寸彩色液晶显示器上的应用。为中大尺寸的液晶模组背光源，即便刚刚起步，可有极好的发展前景。
（1）CCFL背光源与LED背光源特点较对
现今大尺寸彩色LCD，比如：液晶电视、手提电脑等通常会选取冷阴极管为显示器背光源。CCFL背光源模组工艺成熟，技术稳定，发光亮度高，但CCFL启动的时候需有1 000 V 以上的高压，便携式锂电池供电产品中逆变线路部分要占用一定的空间。高频交流工作会产生严重干扰。此外，冷阴极灯管受冲击、震动易碎裂。相比之言，LED背光源具有寿命长、省电、色彩还原好、可靠性好、污染小（无水银）等优点。使用LED背光源可使液晶显示器色阶提高将近一倍，背光源响应速度大幅提高，在低温环境中工作不受影响。因为LED具备着有这些优势，愈来愈多的厂商已经着手研制大尺寸的LED背光源。大尺寸CCFL与LED背光源各项技术指标的比较见表1：
三、LED背光源取代CCFL背光源还需解决的问题
除了成本和发光效率问题，LED背光源其它性能显然优于CCFL背光源。LED自身的发展非常极速，发光效率提升相当之快。2005年5月，美国Cree公司宣布其试验阶段产品，用在电视的LED背光源和LCD监视器，功耗40W，亮度300 cd /m2，比传统CCFL背光源45 W节省了12%。由此可见，LED背光源性能完全超越了CCFL背光源为期不远。如今，LED背光源对于对角线为18 cm以下的面板价格占据优势，而在大尺寸范围价格便是CCFL背光源的4～ 5倍，预计随工艺成熟和产业规模扩大，成本问题也便会得到了处理。
四、LED背光源应用实例
近年来有些知名企业LED背光源产品的应用实例如下表2所示：
表2 近年有些知名企业的LED背光源产品应用
结束语
背光源市场主要根据LCD产品市场的变化而变化，根据台湾资策会统计：全球LCD市场在整体数量上每年将以15%以上的速度成长，消费大众对产品高画质、高解析度及视角的要求，必将使得CCFL背光源发展迅猛。在未来几年内，LED背光源由于其轻、薄、长寿命、颜色丰富、低功耗、快响应速度、无汞污染、无需DV /AC转换电路等优点，毫无疑问还将在中小尺寸显示领域大放光彩。在PDA、MP4、DC、DV、移动电话等便携式产品中，LED背光源已取得绝对优势。大尺寸尤其是56 cm以上的LED背光源，取代CC FL背光源在LCD监视器和LCD TV 上应用，只是时间问题。同时，LED背光源的技术进步及普及将给LCD带来全新的色彩显示。
参考文献：
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论文作者:华路
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/3/30
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