Transcript LED光源運用於背光模組之介紹

LED光源運用於背光模組之介紹
大綱
• 背光模組簡介
• LED背光模組光源
• 改善LED背光模組的輝度
•LED光源之應用以及與CCFL之比較
平面顯示器期末報告
背光模組簡介
• 背光模組(Back light module)為液晶顯示器面板
(LCD panel)的關鍵零組件之一，由於液晶本身
不發光，背光模組之功能在於供應充足的亮度
與分佈均勻的光源，使其能正常顯示影像
• 背光模組的基本原理係將常用的點或線型光源，
透過簡潔有效光機構轉化成高亮度且均一輝度
的面光源產品。
• 一般結構為利用冷陰極管的線型光源經反射罩
進入導光板，轉化線光源分佈成均勻的面光源，
再經擴散片的均光作用與稜鏡片的集光作用以
提高光源的亮度與均齊度
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背光模組簡介
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背光模組主要光學元件
• 發光源(Light source)
–
–
–
–
冷陰極螢光管(CCFL: Cold cathode fluorescent lamp)
熱陰極螢光管
發光二極體(LED: Light emitting diode)
電激發光片(EL)
• 導光板(Light guide plate)
– 導引光線方向，以提高面板光輝度及控制亮度均勻，
利用疏密、大小不同的微結構圖案設計可使導光板
面均勻發光
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背光模組主要光學元件
• 反射板(Reflector)
– 將漏出的光反射回導光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效
率。
• 擴散板(Diffuser)
– 提供液晶顯示器一個均勻的面光源
• 增亮膜(BEF稜鏡片)
– 光自擴散板射出後其光的指向性較差，因此必須利用稜鏡片來修
正光的方向，其原理藉由光的折射與反射來達到凝聚光線、提高
正面輝度的目的。
• 偏光轉換膜(P-S Converter)
– 利用反射偏光板將可通過與不可通過LCD偏光板的光分離，然後
利用反射板將反射回來的光轉換成可用的偏光，達到亮度提高的
目的。
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背光模組主要光學元件
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背光模組三大結構
• 側光式(Edge lighting)
– 發光源為擺在側邊之單支光源，一般常用於18吋以
下中小尺寸的背光模組，其側邊入射的光源設計，
擁有輕量、薄型、窄框化、低耗電的特色
• 直下式(Bottom lighting)
– 超大尺寸的背光模組，側光式結構已經無法在重量、
消費電力及亮度上佔有優勢，因此不含導光板且光
源放置於正下方的直下型結構便被發展出來。
• 中空式結構
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直下式(Bottom lighting)
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中空式結構
資料來源:LCD Intelligence, PIDA整理
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LED背光模組光源
• 以白光LED來看，由於單一LED晶片的發光頻
譜很窄，因此本身無法發出白光，需要藉由一
些技巧，來達到白光的目的
• 目前常用的LED背光模組型式可分為四種:
– 擬似白光LED
– 近紫外白光LED
– 單體RGB白光LED
– 一體化RGB白光LED
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有螢光體之LED光源
• 擬似白光LED
基本上是由藍光LED與黃色螢光體所構成，動作時利
用互補原理產生白光，這種型式的LED結構非常單純，
而且發光效率很高，因此被當作小型LCD的背光光源，
能廣泛應用在行動電話，缺點是紅色成份的強度較弱。
• 近紫外白光LED
它是由可產生近紫外光的LED，與可產生RGB三種顏
色的螢光體兩者組合而成，由於是利用RGB三種顏色
混合變成白光所以色再現性很高，不過這種白光LED
基於紫外光會使封裝樹脂與螢光體劣化等考量，因此
必需另外開發抗紫外光的樹脂與螢光體。
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有螢光體之LED光源
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無螢光體之LED光源
• 單體RGB白光LED
由於單體RGB白光LED可針對各單體LED設計散熱結構，
因此較容易獲得高輸出效果，不過RGB單體LED的晶片物
理上彼此相隔，所以必需設計專用的導光路，使RGB單體
LED的光線能均勻混色變成白光，才能避免背光照明模組
變厚。
• 一體化RGB白光LED
一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導光路與
背光照明模組厚度限制等困擾，不過施加的電流量受到限
制，不易獲得高輸出效果。
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常用的LED背光模組型式
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改善LED背光模組的輝度
• 取決於如何將發光層產生的光線取至LED外部，
因為光層產生的光線會在元件內部反覆反射，
甚至會被元件吸收轉化成熱能
• 主要改善方法有以下三種:
– 電極設計
– 導光板設計
– 利用驅動電路降低輝度不均
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有效的取出光線-電極設計
• 德國OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著製作
凹凸狀電極，藉此改變光線的入射角，達到抑制
光線反射的效果。
• 計劃未來將元件上下反轉進行flip chip連接，同
時在發光層設置mirror使光線能朝前方集光
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有效的取出光線-電極設計
•日亞化學則是使在藍寶石基板表面形成凹凸狀藉
此散亂光線，同時採用網狀電極增加電極部位的
取光效率
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• LED與導光板之間的距
離越近，背光模組的輝
度越高，構造上當兩者
距離等於0，亦即LED貼
附於導光板時，LED的
光線利用效率最高。
相對輝度
有效的取出光線-導光板設計
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
距離:l
LED-導光板距離:l
LED
0.1
導光板
發光
PCB
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有效的取出光線-導光板設計
•為了滿足以上結構，設計上必須把握以下幾項重
點:
–選用發光面為扁平狀之LED。
–設法使LED貼近導光板端面。
–LED貼近導光板端面時不可施加額外的外力。
•此外小尺寸基板除了可提高作業性之外，基板小
型化對背光模組輕巧化具有很大的助益。
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有效的取出光線-導光板設計
• 右圖為當LED光軸與導光板的中心(板厚方向)不一致時，
對背光板面輝度的影響經過模擬分析後的結果。
• 導光板的厚度為(t)，LED光軸偏移量為(d)，LED光軸與
導光板的中心不整合率單位為%。由圖可知不整合率越
高時，背光板的面輝度衰減越大。
• 設計時必須盡可能選用厚度與導光板相同LED，如此便
可防止輝度的損耗衰減。
LED
導光板厚度(t)
光軸偏移量(d)
導光板中心
PCB
1
相對輝度值
光軸
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0%
10%
20%
光軸不整合率
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30%
有效的取出光線-導光板設計
• 射入導光板的LED光線，在
傳統導光板
導光板內反覆反射，並朝向
與入射光相反方向前進，光
LED
線反射時部分的光線被導光
板表面的微細凸狀網點擴散，
再從導光板表面射出成為液
晶面板的照明光源，導光板
的厚度越薄，導光板內光線
的反射次數越多，相對的從 薄形導光板
導光板表面射出的光線也越
LED
強。
LCD
導光板
PCB
LCD
導光板
PCB
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有效的取出光線-導光板設計
• 目前導光板的厚度以0.8～1.0mm居多，導光板
的厚度越薄除了容易獲得高輝度化效果之外，
對可攜式商品的輕巧化具有很好的效果。
• 受到導光板成形技術的限制，上述厚度越將會
維持一段 時間。
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有效的取出光線-導光板設計
• 為了提高LED的發光效率，利用單晶片LED作為背光
模組照明光源已成為目前主流趨勢。
• 下圖是利用單晶片LED從導光板的端面入光的典型結
構，這種結構最大特徵是單晶片LED就可獲得良好的
輝度均勻性，不過單邊入光位置經過最佳化設計，因
此無法利用複數晶片增加輝度。
導光板
以LED為中心呈
同心圓排列的微
細凸狀網點，可
使LED的入射光
產生繞射現象
微細凸形狀
LED
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利用驅動電路降低輝度不均
• InGaN系白光LED特性上順向電壓值(VF) 20mA時為3～4V，
它比其它材質的LED高1V左右
• InGaN系白光LED的輝度不均範圍也比其它種類的LED大，
尤其是複數LED同時點燈時更容易突顯輝度不均現象
• 改善方法:
-事先將LED的順向電壓值 (VF) 區分成不同等級。
-每個LED設置一個限制電流之電阻。
-如此便可將顯輝度不均控制於某種範圍內。
+
電流(光度)不均:小
元件數量
:多
+
電流(光度)不均:大
元件數量
:小
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利用驅動電路降低輝度不均
•當電池的電壓下降時，就無法控制電流變
動。雖然行動電話使用的鋰離子(lithium i
on)電池的電壓號稱有3.6V，實際上鋰離子
電池具有如下圖所示的輸出特性
4.5
電池電壓(V)
4
TYPE1
3.5
TYPE2
3
2.5
2
1.5
1
1
2
3
4
5
6
7
8
通電時間(相對值)
9
10 11
12
TYPE1是傳統電池的電
壓的衰減特性，由圖可
知從4V開始逐漸下降
TYPE2是鋰離子電池的
電壓的衰減特性，最初
的電壓衰減很小，到了
中途便急遽下降
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利用驅動電路降低輝度不均
•如何避開電壓變動的影響，使流入LED之間的
電流呈穩定狀態驅動成為重要的課題之一
•目前常用的LED驅動大致上可分為以下數種方
式:
-內建升壓型DC/DC變頻器(converter)，輸出電壓
約12～16V(相當於LED並聯時所需的電壓)。
-加大電池輸入電壓的動作容許裕度。
-設法作定電流輸出。
•LED就不會受到電池的電壓或是LED電壓VF 分
佈不均的影響能夠穩定的點燈
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背光模組種類與應用
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CCFL 與LED 的特性比較表
項目
CCFL
LED
小型化
線光源
點光源
輕薄化
可
優
低耗電
0.2-2W
0.04-1.5W
高輝度化
80lm/W
5-12lm/W
揮度分佈
可
可
色光分佈
可
可
壽命
可
優
耐環境性
可
優
資料來源:工研院IEK-IT IS 提供
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CCFL & LED Spectra與CIE座標圖
LED與CCFL在CIE色度座標圖上
的顯示範圍(資料來源：Lumileds)
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CCFL & LED之比較
•CCFL 的光譜經過彩色濾光片後，它的每一種
顏色的光譜分佈會落在比較大的範圍內，也就
是說在CIE 色度座標圖上RGB 所圍出來的色彩
表現分佈比較小。
•以LED 的光譜分佈而言，它的RGB 分佈相對窄
很多，因此經過彩色濾光片，它的每一種顏色
的光譜分佈會落在比較小的範圍內，則在CIE
色度座標圖上RGB 所圍出來的色彩表現分佈比
較大 。
•CIE座標圖中，RGB LED 所為出來的範圍大於
CCFL，所以LED 的色彩飽和度較佳
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CCFL & LED色彩比較
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結論
• 雖然LED背光模組具備許多優點，可是始終無法普及
化，主要原因是LED背光模組的成本居高不下。
• 23吋液晶電視用LED背光模組，如果使用單體RGB白
光LED時，2003年的製作成本是傳統冷陰極背光模組
的2.5倍。
• LED光源的成本則是冷陰極光源的10倍，使得LED背
光模組的優勢只剩下不需使用耐高壓轉換器(inverter)一
項而已。
• 為了達成2006年LED背光模組的成本與傳統冷陰極背
光模組相同的目標，LED光源的成本必需降至1/6以下，
同時大幅提高LED的發光效率減少使用顆數，才能全
面取代傳統冷陰極背光模組。
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結論
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參考資料
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•
•
電子設計資源網www.eedesign.com.tw
光電科技雜誌55期2月號
新電子科技雜誌
機械工業雜誌
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