关于LED背光源设计及制造的思考

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Ｄａｖｉｄ ＤｅＡｇａｚｉｏ：关于 ＬＥＤ 背光源设计及制造的思考

文章编号： １００６－６２６８ ２００６） （ ０１／０２－００３０－０４ 关于 ＬＥＤ 背光源设计及制造的思考 Ｄａｖｉｄ Ｄｅ Ａｇａｚｉｏ

（ 环球照明科技公司， 美国 布雷克斯威尔） （ Ｇｌｏｂａｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｉｅ ｓ ， Ｂｒｅ ｃｋｓ ｖｉｌｌｅ ， ＵＳＡ） 摘 要： 液晶电视中的背光源常常采用 ＬＥＤ 直射式入射， 但是如果采用具有光选择作用（ ｌｉｇｈｔ－ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ） 的导光板， 则可以使用更少的 ＬＥＤ 灯以获得更薄的背光源。

关键词： 液晶电视； ＬＥＤ 背光源； 导光板 中图分类号： ＴＮ３８３ 文献标识码： Ｂ

Ｄｅ ｓ ｉｇｎ ａ ｎｄ Ｍａ ｎｕｆａ ｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｎｓ ｉｄｅ ｒａ ｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ＬＥＤ Ｂａ ｃｋｌｉｇｈｔｓ Ｄａ ｖｉｄ Ｄｅ Ａｇａ ｚｉｏ

（ Ｇｌｏｂａ ｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｉｅ ｓ ， Ｂｒｅ ｃｋｓ ｖｉｌｌｅ ， ＵＳ Ａ）

Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｄｉｒｅ ｃｔ ｂａｃｋｌｉｇｈｔｉｎｇ ｉｓ ｔｏｄａｙ＇ｓ ｎｏｒｍ ｆｏｒ ＬＥＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ ｕｓ ｅ ｄ ｉｎ ＬＣＤ ＴＶｓ ， ｂｕｔ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｇｈｔ－ ｅ ｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ ｓ ｗ ｉｌｌ ａｌｌｏｗ ｆｏｒ ｔｈｉｎｎｅ ｒ ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ ｗ ｉｔｈ ｆｅ ｗ ｅ ｒ ＬＥＤｓ ． Ｋｅ ｙｗｏｒｄｓ ： ＬＣＤ ＴＶ； ＬＥＤ ｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ ； ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ ｓ 发光二极管 （Ｌｉｇｈｔ－ Ｅｍ ｉｔｔｉｎｇ－ Ｄｉｏｄｅ ， ＬＥＤ）越来 越 多 地 被 用 作 按 键 键 盘 （ ｋｅ ｙｐａｄ） 及 平 板 显 示 器 （ ＦＰＤ） 的背 光源， 其中 作为手持式 小 尺 寸 液 晶 显 示 器 ＬＣＤ） 的背 光源已经是 众所周知 ， 但是目前业 界（ 正在考虑将 ＬＥＤ 用作中等 尺寸和更大 尺寸的 ＬＣＤ 的背光源， 以取代传统的冷阴极荧光管 ＣＣＦＬ） 。 （

中， 往往由设计员优先给出其中的一个或多个参数， 作为适当的参考。 １ 按键键盘背光

当用于智能手机及掌上电脑 ＰＤＡ） 的按键键盘 （ 薄膜硅胶， 还是硬型 时， 无论这些键盘是导电硅胶、 聚碳酸脂， 设计人员都会尝试提高它的亮度和均匀 性、 降低电噪音、 减少辅助元件 如逆变器） 数量， 以 （ 降低成本和提高其使用寿命。 ２００６

ＬＣＤ 设 计 者 及 按 键 键 盘 的 研 发 人 员 一 直 致 力

于促进 ＬＥＤ 的性能及生产和制造的不断进步。理想 的 ＬＥＤ 的设计参数包括亮度、 均匀性、 厚度、 设计灵 活性、 效率、 功耗、 可连接性及易装配性。 在传统设计 ３０

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收稿日期：２００５－１２－１２

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虽然电致发光 ＥＬ） 面板很薄而且均匀性很好， （ 但易受噪音的影响 需要屏蔽） ， 需要一个逆变器 另 （ （ （ 一个辅助元件） ， 亮度降低的速度比 ＬＥＤ 快 特别是 在白屏的时候） ， 而且总的价格也更昂贵。因此， ＬＥＤ 背光用于按键键盘越来越受欢迎。 许多 ＰＤＡ、无线便携式设备以及 ３Ｇ 手机的设 计者都已经开始使用直射式 ＬＥＤ 背光。 ＬＥＤ 直接由 不需要使用逆变器而 电池驱动， 因此可以消除噪音、 使设计更灵活。直射式 ＬＥＤ 背光采用顶发光表面安 （ 装式非聚焦 １２０°视角） ＬＥＤ， ＬＥＤ 放在相邻两个按 键之间如图 １（ａ）所示。此种结构的 ＬＥＤ 的亮度足够 高， 但是因为没有均匀地将光导开， 只是简单地跟分 散的按键配合在一起， 所以要求使用大量的 ＬＥＤ， 以 保持良好的亮度均匀性。对于大量使用 ＬＥＤ 的背光 （ 源而言， 成本 及印刷电路 板 ＰＣＢ） 的尺寸变 成了 关 键的问题。 键盘

匀性非常困难。但是， 通过巧妙的光学模拟， 现在一 些按键键盘设计者可以精确运用导光板的转移特 性， 使通孔周围的部分光线弯曲， 从而得到均匀的背 光， 如图 ２ 所示。 优秀的设计者或制造者使用比直射 式 ＬＥＤ 背光少很多的 ＬＥＤ 灯可以实现大于 ８０％ 的 均匀性， 而且这种背光的亮斑和黑区较少。 透光孔 转换器件 ＬＥＤ 光线

图 ２ 导光板模组按键键盘的背光光学模拟图， 利用 导光板转移特性引导通孔周围的光线， 可用很 少的 ＬＥＤ 得到很好的均匀性 个人电脑键盘

ＬＥＤ （ａ）直射式 ＬＥＤ 背光阵列组合 键盘 ２ ＬＣＤ 背光

与 ＣＣＦＬ 背光相比， ＬＥＤ 背光更多地用于 ３．５ 英寸 手机以及类似的装置上。但 ＬＥＤ 现 或更小尺寸的 ＰＤＡ、 个人电脑键盘

模塑成型的导光板 （ｂ）模块化 ＬＥＤ 导光板组合 ＬＥＤ

（ 在已渗入中等尺寸 ３．５￣ ７．０ 英寸对角线） ＬＣＤ， 甚至用于 平板电视的更大尺寸 ＬＣＤ， 这是因为 ＬＥＤ 有较小的形状 系数、 色域更宽、 寿命更长 ＤＣ、（无 需逆变器） 、 驱动 设计灵 活性更广以及成本更低。对所有的应用而言， 增加亮度和 降低成本是关键因素。 全 彩 显 示 要 求 白 光 ＬＥＤ 背 光 的 效 率 必 须 比 以 前高， 需要达到的目标是高效率、 高性能、 成本以 低 及易装配。当 ＬＥＤ 的亮度变高时， 设计者必须设法 将 ＬＥＤ 光源产生的亮度向大面积展开， 同时保持高 亮度和均匀性， 以及最小的亮斑和黑区。 ＬＣＤ 屏制 造商们一致认为， 就彩色再现而论， 在现有的背光技 术中， ＬＥＤ 背光提供的性能最好。 新 一 代 高 亮 度 白 光 ＬＥＤ 背 光 源 正 被 应 用 于 液 （ 晶电视的大尺寸 ３２ 英寸或更大） 面板中， 可以作到 ２００６

图 １ 在 键 盘 的 背 光 中 ， 模 块 化 ＬＥＤ 导 光 板 放 在 ＰＣＢ 与按键之间， 当光线经 过通孔到 达按键

时， 能够起到很好的聚光作用（ ａ） 。与直射式背 光（ ｂ） 相比， 可以减少 ＬＥＤ 灯的个数 另一个方法是采用模块化导光板的 ＬＥＤ 背光， 使用侧面发光的 ＬＥＤ，

将光聚焦到一个高性能导光 （ 板中， 如图 １ ｂ） 所示。对于 ２．５×１．２５ 英寸的 ＰＤＡ 产品， 在背光中一般需要 ３０ ￣ ５０ 个通孔， 用于光线 传输和触发电路板上的按键电极。 导光板模组技术的主要问题是， 光线一般传输 到第一个通孔的边缘就中止了， 因此要实现光的均 Ｊ ａｎ／Ｆｅｂ

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超过国际电视标准委员 会 ＮＴＳＣ） 要求的色 彩再现 （ 范围的 １００％ ， 并且能够随意调节白 － 彩色表现。 白色 ＬＥＤ 背光不仅可以通过 ＲＧＢ 三色 ＬＥＤ 有 效地提供比传统 ＣＣＦＬ 背光更宽的色彩再现范围， 而 且与很难实现色彩重现的利用荧光粉发光的阴极射 线管 ＣＲＴ） 、 （ 等离子显示器 ＰＤＰ） 或表面导电电子发 （ （ 射显示 ＳＥＤ） 技术相比， 更容易实现色彩重现。 与用在键盘和小尺寸 ＬＣＤ 的情况一样， 液晶电 视的设 计人员可以 在直射式 ＬＥＤ 背 光 系 统 和 基 于

直接发光方法的优点是结构相对地简单， 可以 提供极好的亮度。但是必须使用大量的 ＬＥＤ 灯， 确 保有非常好的均匀性。 在 Ｇｌｏｂａｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｉｃｓ （ ＧＬＴ） 公 司 ， 我们 采用混光波 导和微透镜 Ｍｉｃｒｏｌｅ ｎｓ ＴＭ 专利技术 开发了小型背光源， 用于液晶电视的背光模块， 提供 （ 了极好的亮度和均匀性， 如图 ３ ｂ） 所示。 这种 新 的 波 导 技 术 可 以 使 ＬＥＤ 背 光 源 比 传 统 的背光源薄一些， 并提供了较好的混色性， 允许 ＬＥＤ 灯之间有较 大的间隔， 这 样 减 少 了 ＬＥＤ 灯 的 总 数 量， 从而减少了发热。 由于 ＬＥＤ 变亮， 由少数 ＬＥＤ 组成的背光源就 能覆盖较大面积。 因此我们相信， 对于液晶电视的设 计， 混色波导将变得越来越重要。最终， 在设计上将 会采取要求更少量 ＬＥＤ 的侧光背光技术。 在目前 ＧＬＴ 公司的设计中， ＬＥＤ 灯通过混色光 导中的凹槽嵌在观察区域内。液晶显示器和光导分 光导是模块化的， 可以彼此接 开， 以利于 ＲＧＢ 混色。 合从而制成各种尺寸的背光源。

棱镜膜和散射屏 散射盘 ４０ｍｍ￣５０ｍｍ ＬＥＤ ＬＥＤ 的光提取技术之间选择， 后者是使用一种具有光

（ 提取特性的 ｌｉｇｈｔ－ ｅ ｘｔｒａｃｔｉｎｇ） 的导光板。这种导光 模块以较薄的形状系数产生的光比直射光亮而均匀。 （ 用导光模块产生的光与散射光比， 多是镜面反射 准 直） 光， 因为从导光板发出的光线通过微型发散器调 整其发射角度， 从而控制入射光线使散射最小。这种 技术可以提供很高的亮度， 在一台对角线长为 １．５ 英 寸的背光源中， 当使用两枚 ＬＥＤ 灯时， 其亮度典型值 约为 ３６００ｃｄ／ｍ ， 因此所需使用的 ＬＥＤ 灯很少。 ２

对于较大的液晶显示器， 例如高清电视 ＨＤＴＶ 所 （ ） 用的那些 ＬＣＤ， 背光源生产商一直在使用 ＣＣＦＬ， 采用

ＣＣＦＬ 背光的高端液晶电视， 亮度可以达到 ５００ ｃｄ／ｍ ２。

现在， 背光源生产商开始结合制造整套白色高亮背 光源的工艺， 制造单色红、 蓝 ＬＥＤ 灯， 例如 ＯＳＲＡＭ 绿、

Ｇｏｌｄｅ ｎ Ｄｒａｇｏｎ 或者 Ｌｕｍ ｉｌｅ ｄｓ 的 Ｌｕｘｅ ｏｎＳｔａｒ 管形

Ｒ Ｒ

ＬＥＤ 灯， 亮度可以高达 ５００～６００ ｃｄ／ｍ ２。

对于大型液晶显示器而言， 对 ＬＥＤ 背光越来越 关注是基于以下几个主要的因素， 包括它的色域较 宽， 改进设计灵活， 因为它是固体器件， 因而坚固并 且具有极好的混色性、 快速响应时间、 长寿命、 用 多 性和定制容易等优点。 有 多 种 方 法 能 将 这 种 新 型 高 亮 度 ＬＥＤ 灯 应 用 于大屏幕液晶电视。传统的方法是把 ＲＧＢ ＬＥＤ 单 色灯固定在一个导热性良好的电路板上， ＬＥＤ 灯与 背光观察面的漫散射导光板之间距离 ３０～５０ｍ ｍ 。 这可以让光有一个宽的发射角， 使它能够充分混合 以产生均匀的白光， 如图 ３（ａ）所示。至少有两间制造 厂家把未封装的 ＬＥＤ 芯片直接固定在电路板上， 固 定后再封装。 对于以大量应用为目标的 ＬＥＤ 背光生产 商来 说， 组装简便是关键。 现在电视上应用的 ＣＣＦＬ 背光 Ｊ ａｎ／Ｆｅｂ ２００６

棱镜膜和散射屏 （ａ）

散射盘 混光波 导板 ＬＥＤ ２０ｍｍ或 少 更 微透镜技术 （ｂ）

图 ３ 目前液晶电视使用的直射式 ＬＥＤ 背光源（ ａ） 和采用混光波导板和微透镜技术的背光源（ ｂ） ３ 背光的组装 ３２

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的组装需要大量人力资源， 因而一般都在劳动力成 本低的国家完成。 如果采用 ＬＥＤ 背光， 则在设计中我们除了考虑 性能材料成本因素外， 装配问题也值得考虑。 ＧＬＴ 在 的设计中， 一个框架包括所有需要连接的背光元件 （ 图 ４） ， 一次可组装所有的部件， 由底部向上， 包括背 反射膜、 金属或白塑料框架、 ＭｉｃｒｏＬｅ ｎｓ 滤光片 屏蔽多余的光） 和保护膜。 （ 框架上的两个引脚被用来连接到 ＰＣＢ 上， 柔性 电路板可以通过弹性橡胶或者 ＺＩＦ 简单连接， 或者 根据需 要 采 用 规 则 的 线 － 线 ， 线 － 板 ， 板 － 板 ＤＩＮ 连接器。

导光板 边盖 保护膜 底光处理膜 顶光处理膜 反射镜黏合剂 机架ＴＭ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （ 上接第 ３７ 页）

这种方案对显色性的改善效果较明显。我们采用这

种方案所作的 ４０００～６０００Ｋ 色温的 ＬＥＤ 光源， 显色 指数达到了 ８８．９ ， 接近 ９０ 。但由于所采用红色荧光 粉相对亮度较低， 对蓝色光吸收多， 引起总体光通量 下降。 光导、 已安

装 ＬＥＤ 灯的柔性电路板或 ＰＣＢ、聚光膜和散光膜、

４ 结语与展望

采用 ＬＥＤ 发射蓝 色光激发 ＹＡＧ 荧 光粉发光混

合白光的光 源， 制作工艺 简单， 成本 较 低 ， 光 效 和 光 通量也有一定的提高空间。但由于其光谱限制了它 的光源质量， 添加可发出红光的荧光粉能够改善其 背反射板

质量。需要解决红色荧光粉的发光效率或使用更高 光效的蓝色芯片， 使之产业化。 散射板

采 用 Ｒ、 、 三 基 色 ＬＥＤ 芯 片 装 配 而 成 的 光 Ｇ Ｂ 源， 可以方便地通过调节驱动电源调整色调和显色 性。解决 ＬＥＤ 芯片的参数一致性问题并继续提高其 光学参数水平， 将是未来的发展方向。

图 ４ 组装一个完整的 ＬＥＤ 背光， 可以简单地将全 部所需的部件连接在一个框架之内

由于半导体光电技术的突飞猛进， ＬＥＤ 实现了全 彩显示， 制造出了白光显示器件。 功率 ＬＥＤ 产品的流明 器件不仅在指示、 显示领域有更广泛的应用， 还有条件 逐步向照明应用推进， 这是半导体工业应用领域的新

效率超过了白炽灯， 光通量也有大幅度的增加， 使 ＬＥＤ ４ 结论

对于液晶模 块生产商， ＬＥＤ 在 性 能 上 还 会 有 很 大的提高， 成本也可以降低。亮度和均匀性是十分重 功率消耗、 发热问题、 要的前屏参数， 但是发光效率、 背光整体厚度等也是重要的。背光设计要实现用少 量的 ＬＥＤ 灯和辅助元件以减少成本， 这种区别在更 高亮度 ＬＥＤ 的 高亮度的 ＬＥＤ 出现时将变得很明显。 使用， 可以在达到亮度目标的同时减少使用的部件 数目。但随着 ＬＥＤ 灯间距的不断增大， 必须在背光 设计中保证可以获得更好的混色效果。 作者简介： Ｄｏｗ ｉｄ Ｄｅ Ａｇａｚｉｏ ， 环球照明科技公司全球 （ 销售总监， Ｅ－ ｍ ａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｇｌｔｈｏｍ ｅ．ｃｏｍ 。 深圳天马微 电 子股份公司 李曙 新 译 自 Ｉｎｆｏｎｗ ｅ ｔｉｏｍ Ｄｉｓ ｐｌａｙ 》 《

拓展。同时对产品的性能也提出了新的要求， 要求产品 这对应用于照明的 ＬＥＤ 产业化而言， 除了要继续改善 提高发光效率、光通量、散热和成本之外， 还要提高 显色性的控制能力和一致性。 ＬＥＤ 光源的色温、 参考文献 化学工业出版社， ２００４． 不仅有光度学参数测试， 还要考核产品的色度学参数。 ［ １］ 徐叙瑢， 苏勉曾 ． 发光学与发光材料 ［Ｍ］． 北京：

作者简介： 李小红 １９６０－ ） ， 女， 广西人， 毕业于华 中 （ 理工大学， 现任厦门华联电子有限公司光电事业部 总工 程师 ， 从事半 导体 光 电 子 器 件 的 设 计 与 开 发 ，

Ｊ ａｎ／Ｆｅｂ

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ２００６ ０５／１１）

Ｅ－ ｍ ａｉｌ：Ｌｘｈ＠ｘｍ ｈｌ．ｃｏｍ ．ｃｎ 。 现代显示 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ ３３ 1