白色LED背光技术分析-LED背光与CCFL背光的对比

LED是LightEmittingDiode(发光二极管)的缩写，它是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带有过量的电子，另一层则缺乏电子而形成带正电的“空穴”，工作时电流通过，电子和空穴相互结合，多余的能量则以光辐射的形式被释放出来。LED背光灯板的形状与尺寸因LCD显示板灯的形状及尺寸不同而各异。LED背光灯板基本上是长方形或长条形的。它有侧部发光及底部发光两种基本结构。侧部发光的结构主要用于狭长条形的背光灯板(一般长度大于2倍的宽度);而底部发光结构主要用于长度与宽度相差不多的背光灯板。发光二极管点亮时，光线射入透明有机玻璃，使整个发光面都可以看到亮光，这称为边光效应。有机玻璃顶部做成微珠粒状，可使整个发光面的光线更均匀。有机玻璃的顶部有一层乳白色透明塑料膜，可使发出的光更为柔和。背光灯板两侧边用银色遮光胶带封住。每个LED发光单元列有两个串联的二极管，若干列组成LED阵列(视背光灯板的长度而定)。

与现有的CCFL技术相比，发光二极管有大量的优点。LED是一种平面的光源，最基本的LED发光单元是边长3～5毫米的正方形，极容易组合在一起成为既定面积的面光源，如果作为液晶屏幕的背光源，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。而且LED背光有更好的色域，色彩表现力强于冷阴极荧光灯背光，可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用。目前LED背光源的色域范围甚至超过最高等级的AdobeRGB和NTSC色彩标准，可令LCD显示器拥有极为出色的色彩表现(与NTSC规格相比，采用LED背光的LCD显示器色域范围可以达到它的105%，而CCFT背光的LCD显示器色域最大只有NTSC的78%)。其次是LED使用的是6～24V的低压电源，供电模块的设计也颇为简单，这种采用LED背光源的液晶屏比通常用的CCFT(冷阴极荧光管)类液晶屏省电48%，同时不含对身体健康、环境有害的重金属汞。

以东芝的LibrettoU100为例，它在7.2英寸液晶屏上，采用了32个LED的独立控制机构来实现背照光系统，可以鲜明而清晰地显示影像和文字，功耗仅有1.3W，而同等尺寸液晶屏需要的CCFT冷阴极荧光管功耗在2.5W以上。LED显示器与LCD显示器相比，更高的刷新频率使得LED在视频方面有更好的性能表现——LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40℃的低温。除了功耗低、环保外，LED还有一大优点，那就是使用寿命长达10万小时，即便每天连续使用10个小时，也可以连续用上27年。

不过，LED也存在一些较严重的先天缺陷，其中最让业界饱受困扰的应该是LED的发光效率问题。作为背光源的LED器件以白光类型居多，而白光LED器件在开始时发光效率不高，致使屏幕亮度普遍偏低。比如在当前的LED技术中，不论屏幕的制造商是谁，LED组件的亮度都各不相同。目前CCFT冷阴极荧光灯的发光效率可达到50～100lm/W(流明/瓦)，而白光LED器件在刚起步时发光效率仅为20lm/W甚至更低，这一问题导致了颜色偏移、不一致的色纯度和质量低劣的真“白色”，这就注定LED在开始时并不适合作为LCD显示器的背光源。为了消除这一问题，LED制造商们将芯片“分区”或分解成具有近似颜色和亮度的区块。这种处理有一定的帮助，但仍有不足、亮度和颜色中仍然存在偏移。虽然后来厂商又研发了彩色校正电路，可以在一定程度纠正这一问题，但均匀性问题依然存在。幸运的是，该领域的技术进展非常迅速，白光LED的发光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前为止，白光LED器件的发光效率突破50lm/W，开始达到实用化水平。而业界希望在2007年之前，将白光LED的发光效率提高到75lm/W的高水平，而且最新的彩色校正系统也可以将颜色和亮度上的偏差控制在合理的范围内。其中最具代表性的彩色校正系统是Lighthouse公司的M4系统，它允许对每个屏板中的每个像素(亮度和颜色)单独进行控制，可以确保获得纯正的白色、达到较好的色平衡/色彩控制效果，各个像素之间颜色和亮度上的偏差被控制在不超过1%的范围之内。相比之下，绝大多数仅使用分级或分区块LED的LED屏幕中，一般存在30%的偏差。

尽管LED优点多多，但短时间内还难以普及，比如LED背光源系统的成本要高于冷阴极荧光管。目前LED背光模组零组件的价格为CCFL的5倍左右，屏幕尺寸越大，采用LED背光技术的成本就越高。东芝U100之所以采用这种显示技术，完全在于它只是东芝笔记本20周年纪念品才被应用。值得欣慰的是，LED产业也存在类似微处理器产业中的“摩尔定律”——Haitz定律，以安捷伦(LED领域领导厂商)的前任技术科学家RolandHaitz命名。其内容是LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20倍。如果这个定律能够不断应验，而随着产能的增加，LED背光源的成本将快速下滑。预计到未来一两年LED背光的售价可降到CCFL背光的2倍左右，距离大规模普及仅有一步之遥。

笔记本电脑借助LCD液晶显示器来显示色彩和图形，其无论是采用超扭曲向列(STN)技术还是薄膜晶体管(TFT)技术，都需要采用白背光源来照明。白光光谱包含了所有色彩的颜色，而显示器的滤色镜会从白光光谱中挑选所需表现出的颜色，最终形成我们眼睛所看到的绚丽多彩和逼真画面。从其原理我们可知道，液晶亮度、对比度等指标很大程度上都取决于背光源的性能，而背光灯管因本身特性，寿命有限，属于消耗品，这也直接决定着液晶显示设备的使用寿命。无论是台式LCD显示器还是笔记本屏幕，几乎所有的较大面积的LCD显示器都使用CCFT(ColdCathodeFluorescentTube，冷阴极荧光灯)背光。

虽然从技术上来说CCFL已经相当成熟，无论是性能还是稳定性都久经考验。不过，冷阴极荧光灯属于管状光源，要将所发出的光均匀散布到面板的每一个区域就需要相当复杂的辅助组件，屏幕的厚度也难以控制。而且随着面板的增大，必须使用多条光源，这就要求来自这些CCFL的光还必须匹配。更重要的是，冷阴极荧光灯色域较为狭窄，会严重影响在LCD显示器上显示的色谱，导致几乎所有的LCD显示器都无法达到平面印刷的AdobeRGB色域标准。CCFL背光使LCD显示器最大只能再现不到80%的NTSC信号所能传输的色彩。同时，CCFL背光源的能量利用效率低下。在光能从背光到屏幕的传输过程中，光能量损耗情况非常严重，最终大约有6%的光能可被真正利用。为了实现更高的亮度和对比度，厂商必须提高光源的输出功率或增加灯管数目，而这样带来的后果就是整机功耗上扬。这对于桌面型LCD显示器或液晶电视不会有多大的影响，但对笔记本LCD屏幕影响很大。特别是这些CCFL需要高压交流电驱动，对电源变压整流组的要求相对复杂。另外,冷阴极荧光灯的使用寿命并不算长，许多LCD产品在使用几年后屏幕就会发黄、亮度明显变暗。

LCD是笔记本电脑中功耗最高的部件，为了尽可能提高电池续航能力，业界积极发展低功耗的LCD屏，而CCFL背光源显然与之背道而驰。

如何降低笔记本电脑显示屏幕的功耗、增强环保性呢?以索尼、东芝为代表的部分笔记本电脑厂商，很早就探索采用白色LED发光二极管，替代CCFT来作为笔记本显示器的背光源，并已取得重大突破。今年年初，东芝公司宣布推出光通量达到业界最高水平的新一代白光LED——TL10W02-D，并在5月份为纪念笔记本电脑诞生20周年，推出了首款采用LED背光源技术、7.2英寸液晶屏的LibrettoU100，索尼也在新推出的TX系列笔记本中采用了LED背光源技术。