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液晶顯示器背光類型及優缺點(LCD、CCFL、LED)

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液晶背光顯示原理 液晶不同于等離子的最大區別就是液晶必須依靠被動光源,而等離子電視屬于主動發光顯示設備。目前市場上主流的液晶背光技術包括LED(發光二極管)和CCFL(冷陰極熒光
燈)兩類。

冷陰極熒光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp;CCFL)

傳統的液晶顯示器都是采用CCFL(冷陰極熒光燈管)背光。CCFL的背光設計主要有兩種:“側入式”與“直落式”,不過側入式因光導設計使得光折損率較高,進而讓背光亮度受限,面板尺寸越大時亮度就越低,僅適合8英寸~15英寸的TFT LCD面板,也就是Laptop、Desktop等個人觀賞之用,但在居家觀賞的LCD TV大尺寸上面時,側入式的亮度將難以滿足,取而代之的是直落式。

不過,越大尺寸的LCD,其背光模組所占的成本比重就越高,所指的是正是直落式CCFL背光模組,根據統計,同樣是使用直落式CCFL背光模組,在15英寸時背光模組僅占整體成本的23%,但是到30英寸時就增至37%,且推估到57英寸時,背光模組所占的成本就會達到50%。所以,直落式CCFL背光僅適合用在30英寸左右的中型尺寸LCD TV,不適合用在更大面積的設計上。同時,CCFL是運用水銀氣體放電來產生照明,雖然目前歐盟訂立的RoHS規范,只要對“水銀”劑量在標準以下仍可接受,但無人能保證日后可能將標準提高至零含量(完全不準使用),屆時CCFL將無法使用,或必須改行無汞式 CCFL。

即便無汞式CCFL在技術上可行,但CCFL依舊是密閉光管性的氣體放電式電子照明,光管對外力的抗受性有限,較大的沖撞將使光管破裂,使照明失效,相對的其他固體式電子照明(如LED)則無此顧慮。另外,由於直落式不需要用導光板,也較無光折損問題,所以也不需要增亮膜,特別是增亮膜屬少數業者的專利技術,價格昂貴,直落式可以省去導光板與增亮膜,此有助於成本降低。

不過,直落式CCFL也有其缺點,為了提升畫面亮度,必須增加光管數目,然光管過密排置的結果將不利於散熱,既然左右相間的距離空間縮減,只好從厚度層面來增加散熱空間,然而厚度增加也等于部分抵損LCD TV的優點:輕薄。

附帶一提的是,在大寸數的LCD TV上使用CCFL光管,光管的長度也必須因應寸數增加而增長,然而較長的CCFL光管,其光管的中間位置與兩端將容易產生亮度MURA與色MURA的問題,進而影響背光的光均性,為了持續保持光均,則必須用上擴散膜來強化光均度,但擴散膜也會帶來光透率的折損,使亮度減低,亮度減低的結果只好以增加光管數的方式來補強,但就如前所述:增加光管將更難設計散熱、增加背光模組的厚度,甚至是用電增加,根據了解,CCFL背光模組的用電已占LCD TV整體用電的90%之高。所以,改變背光技術是目前改變LCD畫質的一個方向之一。

發光二極體(Light Emitting Diode;LED)

既然CCFL背光有諸多的副作用疑慮,因此業界也尋求各種新背光實現技術,而LED則是可行方案之一,如Sony的Qualia系列電視,即是高端的大尺寸(40英寸、46英寸)的LCD TV,其背光部分是用WLED所構成,稱為WLED背光技術。而對LED背光技術的LCD Monitor研發目前亦已經到實質性階段,我們在07年的CES會展上已經可以看到相關產品展示。

LED背光有多項好處,首先是固體式電子照明,對沖撞的抗受性高于CCFL,且沒有汞氣體的環保法規顧慮,沒有UV紫外線外泄顧慮,同時在色彩飽和度及壽命上都超越CCFL,另外LED只要正向電壓即可驅動,不似CCFL需要交流的正負向電壓,即便是只論正向驅動電壓,LED的需求水準也低于CCFL。再者,LED的亮度只需用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM)方式就可調節,并可用相同方式來抑制TFT LCD顯示上的殘影問題,然而CCFL的亮度調節就較為復雜,且無法抑制殘影,必須以另行方式才能抑制。
雖然LED背光有諸多優點,但也有其缺點,首先是發光效率,以相同的用電而言,LED并不及CCFL,因此散熱問題會比CCFL嚴重,此外LED屬點型光源,與CCFL的線型光源相較實更難控制光均性,為了達到盡可能的光均,必須對生產出來的LED進行特性上的精挑嚴選,將大量特性一致(波長、亮度)的 LED用於同一個背光中,此一挑選成本也相當高昂。所幸的是,LED的發光效率還在提升中,目前已可至100 ml/W以上,如此色彩飽和度可以更佳,以及讓背光的WLED排置更寬松,進而讓用電與散熱問題獲得舒緩,且制造良品率持續進步成熟后,嚴選光亮特性一致的LED之成本也會降低。

單單改變背光技術或許還不足以引發LCD的革命,那么我們就去看看別的LCD技術發展。OLED (Organic Light Emitting Diode)即有機發光二極體。OLED顯示技術與傳統的LCD顯示方式不同,無需背光燈,采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板,當有電流通過時,這些有機材料就會發光。而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄,可視角度更大,并且能夠顯著節省電能。但是,目前它的壽命和價格是限制它在 LCD方面發展的瓶頸。

OLED是另外一個受到矚目的面板應用技術,并且以小尺寸面板的實現期程較早。以客戶的計劃來看,2008~2009年會有較多的機種問世,但仍以次面板為主,而且即使機種和出貨量較現在有明顯的增加,市場占有率也不會超過10%。OLED原本因為本身薄,對比、視角、省電等各方面的條件都較TFT- LCD要優秀,一直受到業界的重視,認為將取代TFT-LCD,早幾年也紛紛投入研發。然而一方面OLED本身技術遇到瓶頸,壽命問題有待克服;另一方面 TFT-LCD技術持續精進,現在也能夠提供優異的對比和視角,致使OLED需求量始終無法大舉提升,并且市場不大又供過于求,限于價格競爭;原本投入的業者也難逃解散和縮編的命運。臺灣勝華科技過去則轉投資成立勝園投入OLED研發,眼看OLED與TFT-LCD無法競爭,尤其成本差異大,規格方面 TFT-LCD已可輕易達到170度的視角、500:1的對比、亮度增加,也可以做薄,反應速度雖然較遜色,但達到人眼可以接受的范圍即可。因此勝園也已經收掉,只留下幾位研發人員回到勝華做材料的開發。未來OLED的壽命和價格若能大幅改善,仍有機會;現階段則限於具特殊性、強調要標新立異的產品;量大的時間點還未看到。

而AMOLED(Active Matrix/Organic Light Emitting Diode)主動矩陣有機發光二極體面板(AMOLED)被稱為下一代顯示技術,包括三星電子、三星SDI、LG飛利浦都十分重視這項新的顯示技術。目前除了三星電子與LG飛利浦以發展大尺寸AMOLED產品為主要方向外,三星SDI、友達等都是以中小尺寸為發展方向。從目前成品產品的產品性能表現來看,如果AMOLED成本能夠得到有效控制的話,那么,傳統的LCD面板技術將受到極大挑戰。

AMOLED優點之一:無需背光燈

AMOLED優點之一:色彩飽和度更大

AMOLED優點之一:可以達到IPS或者VA面板的180度可視角度
AMOLED優點之一:有效解決LCD面板動態模糊問題

在上述的四個OLED優點中,我們特別關注第四個產品特點,因為在目前市面所有的臺式機液晶顯示器中,均無法解決液晶屏幕動態模糊問題。液晶屏幕的動態畫面模糊,通常是指畫面變換的過程中,發生了邊緣輪廓模糊的現象,發生動態畫面模糊現象的原因有2個,一個是液晶的響應時間及螢光體殘光等,另一個是TFT 驅動,就像Hold方式的影像控制等。

Hold是造成動態畫面模糊的主因

所謂“Hold方式”顯示方式,就是在一定的時間內顯示一個Frame影像,而在電視畫面中,這種Hold時間相當于一個垂直周期(16.7毫秒)一般而言,大家都相當清楚,液晶響應時間對于動態畫面顯示來說是相當重要的,因為以液晶電視來說,一個畫面的變換時間大約是16.7ms,所以,液晶電視的反應時間能不能比16.7ms更短,對於動態畫面的畫面表現來說非常重要。不過,還有一個情況是,即使液晶的響應時間為0ms(這是不大可能及困難的),模糊還是不會消失。這是因為,液晶螢幕是利用“Hold方式”的方法來顯示影像的。根據一些實驗報告我們可以知道,利用“Hold”方式在螢幕上顯示的動畫,會在視網膜上左右搖動。這樣的搖動隨著時間積累,就覺得動態畫面模糊了。和改善液晶的響應時間一樣,必須開發縮短“Hold”時間的顯示方法。根據上述的情況,液晶屏幕所出現的動態畫面模糊,不能用長久以來所使用的測定,就是從白到黑及黑到白變化時間的液晶響應時間來表示。

改善因Hold時間引起動態畫面的模糊

如果響應時間是0ms的理想控制型液晶面板(Hold時間100%)的情況下,MPRT是16.7ms(頻率為60Hz)。Hold時間為50%時,MPRT約為8.3ms;Hold時間為25%時,MPRT為4.2ms。一般的LCD,其MPRT在8ms以下;如果是商用產品對畫質要求很高的 LCD,其MPRT可以推測在4ms以下。前面所敘述了MPRT含有液晶響應時間和Hold時間兩大要素,因此,如果要在影像的顯示品質下,液晶響應時間是希望能夠比以上的值更小一些。在改善液晶響應時間的方法中,有OCB、IPS、VA等高速動態的模式,也有Over-drive驅動等等?,F在,重視畫質的液晶電視已經將這些方法投入生產當中。改善因Hold時間引起動態畫面的模糊,有兩種方法。一種是配合畫面頻率來點滅背光燈源,另一種是運用動作補償技術的倍速顯示法。實現第一種具體的方法是,利用背光的閃爍和黑信號的插入。而在這兩種技術里,最為引人關注的是動態補償技術。背光點滅和黑信號插入等的間歇顯示法,能夠改善動態畫面的模糊,并實現起來比較簡單。但在大畫面、高亮度的情況下,容易產生畫面的閃爍不定。相比之下,動態補償倍速顯示法能夠在不增加畫面閃爍的前提下,改善動態畫面模糊,但因為需要大規模的訊號處理電路,所以直到目前還是不容易實現。

日本業者發表利用縮短Hold時間改善畫質

在過去的兩年里,有相當多業者發表利用縮短Hold時間改善畫質的相關技術和產品。例如,有日本業者利用動態補償高速顯示技術,生產的32英寸WXGA液晶電視。方法是利用動態補償技術,把畫面訊號和驅動的畫面頻率,從一般的60Hz提高到90Hz,將Hold時間縮短到約70%,并使用掃描式背光源點滅方式又縮短到70%,共計縮短了50%。在不增加畫面閃爍的前提下,改善了動態畫面模糊問題。因為在90Hz下進行背光源點滅,人眼不容易感覺到畫面的閃爍。另外,還有其他業者也是采用運動動態補償技術,將畫面頻率數提高到120Hz來改善動態畫質。

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,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?

事實上,LED(Light Emitting Diode,發光二極管)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可發出從紫外到紅外不同波段、不同顏色的光線。

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