三年前，筆者的一個朋友購買了一臺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)現顯示器屏幕開始發(fā)黃，而且亮度下降很明顯，無論怎么調節(jié)都無濟于事。經多方偵察才找到“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的一個硬傷。幸運的是，人們現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背光技術之前，我們有必要先了解當前的背光技術存在什么問題。我們知道，液晶是一種介乎于液體和晶體之間的物質。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，因此為了實現背光源均勻的亮度輸出，LCD的背光模組還要搭配擴散片、導光板、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，屏幕邊緣和中心亮度的差異十分明顯。
除了結構復雜、亮度輸出均勻性差之外，采用CCFL作為LCD背光源還有個讓人頭痛的問題——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～25000小時)，許多LCD(尤其是筆記本電腦的液晶屏)在使用幾年后會出現屏幕變黃、發(fā)暗的現象，這正是CCFL使用衰減期較短的缺陷造成的。
與此同時，由于CCFL背光源必須包含擴散板、反射板等復雜的光學器件，因此LCD的體積無法再進一步縮小。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。這對筆記本電腦和便攜設備來說，它們的續(xù)航能力將經受重大的考驗。
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、極長的工作壽命和簡單的結構，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
事實上，LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)并非尖端科技產品，它在我們日常生活中隨處可見: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60年代誕生后就被認定是熒光燈管、燈泡等照明設備的終結者，甚至有人認為LED將會開創(chuàng)一個新的照明時代，最終出現在所有需要照明的場合。LED的工作原理和我們常見的白熾燈、熒光燈完全不同，LED從本質上來說是一種半導體器件。
LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體的交界面就會出現一個具有特殊導電性能的薄層，也就是常說的PN結(PN Junction Transistors)。PN結可以對P型半導體和N型半導體中多數載流子的擴散運動產生阻力，當對PN結施加正向電壓時，電流從LED的陽極流向陰極，而在PN結中少數載流子與多數載流子進行復合，多余的能量就會轉變成光而釋放出來。LED正是根據這樣的原理實現電光的轉換。根據半導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:P型半導體和N型半導體
如果在硅或鍺等半導體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價元素，就變成以空穴導電為主的半導體，即P型半導體。在P型半導體中，空穴(帶正電)叫多數載流子;電子(帶負電)叫少數載流子。
如果在硅或鍺等半導體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價元素，就變成以電子導電為主的半導體，即N型半導體。在N型半導體中，電子(帶負電)叫多數載流子;空穴(帶正電)叫少數載流子。
由于LED只能發(fā)出單波長光線，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)出白色光對于指示燈之類的應用并不是什么問題，但對于LCD背光源來說則是無法逾越的障礙。為了早日實現LED成為顯示器背光源的接班人，各個LED制造商都開始重點研究白光LED產品。而在這一領域，日本的日亞化學是先行者，它在1996年就提出了解決方案，即在藍色LED上涂上黃色熒光粉實現白光輸出。由于起步早，技術成熟，日亞化學取得了白光LED領域的主導地位。據統(tǒng)計采用日亞化學方案的產品占據了80%的市場份額。
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單元構造示意圖
LED作為LCD背光會帶來哪些好處呢?首先，采用LED背光的LCD的體積將進一步縮小。LED背光源是由眾多柵格狀的半導體組成，每個“格子”中都擁有一個LED半導體，這樣LED背光就成功實現了光源的平面化。平面化的光源不僅有優(yōu)異的亮度均勻性，還不需要復雜的光路設計，這樣一來LCD的厚度就能做得更薄，同時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背光技術也將CCFL遠遠拋在后面。普通的CCFL背光源一般的使用壽命在3萬小時左右，一些頂級的CCFL背光的發(fā)光壽命也不過在6萬小時左右。這樣的壽命對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，現階段白色LED背光的壽命已經高達10萬小時，而且還有再次提升的潛力。即使24小時不間斷使用，這樣的壽命也足夠使用5年!
在色彩表現力方面，LED背光也遠勝于CCFL。原有的CCFL背光由于色純度等問題，在色階方面表現不佳。這就導致了LCD在灰度和色彩過渡方面不如CRT。據測試，采用CCFL背光只能實現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。在色彩表現力和色階過渡方面，LED背光也有顯著的優(yōu)勢。
小知識:NTSC標準
在視頻領域，人們一般用NTSC(美國國家電視系統(tǒng)委員會)標準作為衡量視頻設備的色彩還原能力的指標。這個指標是指在整個色彩空間內，顯示設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標準的65%～75%，具體表現在綠色、黃色和紅色部分與標準值相差較大。
毫不夸張地說，LED背光技術的引入，使LCD首次在色彩表現力方面可以和CRT相提并論。此外，由于LED的平面光源特性，LED背光還能實現CCFL無法企及的分區(qū)域的色彩和色度調節(jié)，從而實現更精確的色彩還原，以適應平面出版和圖形設計工作的需要。
盡管LED背光技術有著巨大的優(yōu)勢，但是現階段依然面臨一些難題急需解決。LED背光技術首先遇到的挑戰(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背光的產品售價現階段依然明顯高于CCFL背光產品，而且白光LED器件的產量也無法滿足大批量的需求，要實現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，現階段LED背光技術在發(fā)光效率方面也難以讓人滿意�，F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會隨著芯片面積的增大而出現電流密度不均勻的現象，這必然導致整體發(fā)光效率低下，同時產生較高的熱量。由于在大尺寸背光發(fā)光效率上的差距達到了50%，因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗將會是普通CCFL的2倍!這也是現在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主動散熱系統(tǒng)的原因。
不過，隨著各大廠商對于LED背光研究投入的持續(xù)增加，以上兩個困擾LED背光的關鍵問題都有望很快得到解決。白光LED主導廠商日亞化學在2004年開始便不斷提升旗下白光LED產品的產量，同時其他廠商的白光LED產品也開始量產，白光LED的價格也正以較快的速度下降，相信不超過兩年，LED背光模組的價格就將會和CCFL背光模組的價格持平。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，LED的發(fā)光效率很可能超越80 lm/W的水平。
小資料:LED背光技術成品化步伐
早在2004年，SONY便率先將LED背光技術成品化，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。盡管這兩款產品都存在功耗高、發(fā)熱量大和價格高昂的缺陷，但LED在顯示質量方面的優(yōu)勢得到了充分體現。
在2005年5月舉行的SID 2005(2005顯示信息學會)會議上，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混用各取所長的背光解決方案，通過這樣的設計不僅成功地降低了LED背光的功耗問題，還將LCD的對比度提升到了10000∶1!
毫無疑問，LED背光技術在不久的將來會取代CCFL，成為LCD主流背光源。在LED背光技術的幫助下，LCD將會在色彩還原度、使用壽命方面獲得極大的提升。屆時，LCD距離完美又近了一步。 |
