一、概述

液晶顯示屏已經(jīng)廣泛地應用到從手機、數(shù)碼相機、PMP等便攜式產(chǎn)品一直到筆記本電腦、顯示器、電視機等各種產(chǎn)品中。因為液晶本身是不會發(fā)光的，而一定要有發(fā)光器件作為背光。發(fā)光二極管在這種場合得到了廣泛的應用。

早在60年代就已經(jīng)發(fā)明了半導體的發(fā)光現(xiàn)象而且制成了發(fā)光二極管LED，然而LED的大量應用還是最近十年的事。早期的應用主要是各種指示燈，以后發(fā)明了用電腦控制的LED顯示面板，使其應用更加廣泛。隨著這種顯示面板的尺寸越做越大，就開始把它應用到室外大屏幕電視顯示屏。這要求紅綠藍三元色的光譜純度很高。以后隨著各種LCD顯示屏的出現(xiàn)，要求用白色LED作為背光光源。由于其發(fā)光效率高，壽命長，因而逐步取代了冷陰極熒光管（CCFL），而應用到大尺寸的LCD顯示器中作為背光光源。紅綠藍等彩色LED的出現(xiàn)，更可以改進顯示色彩的純度。

根據(jù)isuppli的統(tǒng)計，2004年LED在背光源應用的市場成長率較2003年成長44.5%，并開始成為LED最大的應用市場，市場占有率達25.2%，預估2005年市占率將更往上提升至26.4%，然而市場成長率僅預估15.7%，主要的原因在于彩色手機的換機需求已趨于飽和，手機產(chǎn)業(yè)在未達另一波3G革命前，僅為穩(wěn)定的成長，將會使得LED在手機背光市場的成長有所限制，而且其市場也將逐步被OLED所蠶食。

在中小尺寸面板的背光源如DSC、PDA、手持式游戲機及汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng)等市場量雖不及手機市場來的龐大，不過白光LED卻已開始悄悄的取代CCFL，成為中小尺寸LCD主要背光源。在10"以上的LCD背光源的市場，LED目前苦于價格、技術成熟度等問題，尚未能在此應用領域中開花結果，然而，由于CCFL含汞，在2007年就將會禁止進入歐盟。從而筆記本的背光將會全部采用白光LED作為背光。這將大大加速白光LED的發(fā)展。另一個更大的市場是液晶電視。自從日本Sony于2004年開始販售全世界第一臺以LED作為背光源的46" LCD TV（QUALIA 005）后，打破了LED在LCD背光源發(fā)展上由小尺寸循序發(fā)展的規(guī)律，這讓LED在背光源市場中有了更快速且多元性的發(fā)展。

大電流高亮度LED的另一個極具吸引力的市場是汽車的前燈和尾燈。目前由于LED的亮度還不夠，經(jīng)常采用幾十個或十幾個LED來代替一個白織燈。當100lm的產(chǎn)品進入市場之后，單個這樣的器件將可以替代數(shù)十個較小的LED。在今后十年，供應商們預計汽車外部將使用10個(后面6個，前面4個)或更多的LED管，從而最終創(chuàng)造一個龐大的LED市場，僅在美國每年的需求就達1.6億只。

然而LED的真正大發(fā)展，是應用到普通照明燈中去，以取代普通的白織燈。目前廣泛使用的白織燈的發(fā)光效率很低,只有8-10lm/W。而LED的發(fā)光效率比白織燈要高3-4倍，經(jīng)過進一步改進，有希望高10倍以上。目前在實驗室里已經(jīng)做到，一個4W的LED所發(fā)出的光可以相當于一個30W的白織燈。發(fā)光效率方面，據(jù)最新報道，日本的Nichia公司(日亞化學工業(yè)株式會社)對藍色LED芯片外延層和電極結構進行了改進，將正向電壓降到了3V左右，也就是降低了其內(nèi)阻，從而開發(fā)出100lm/W的白光LED，預計2006年年底就可以批量生產(chǎn)。而2007年準備開發(fā)出150lm/W。LED成本的降低使得這種取代有實現(xiàn)的可能。

目前，高亮度LED的生產(chǎn)地主要集中在臺灣、大陸和韓國，約占45%，北美占25%，日本占22%，歐洲占8%。韓國Displaybank調(diào)查公司根據(jù)近期分析研究表示，2008年大型背照燈的銷量將增至3.63億臺，從04年至08年這五年間，平均增長率將達到27.1%。以金額計算，市場規(guī)模將增至140億美元，增長率為2005年的大約兩倍，2004-2008年的年平均增長率將達到34.1%。

二、用于液晶屏背光的LED

液晶屏由于自身不會發(fā)光，因而需要采用外加的背光。液晶屏應用十分廣泛，而且其尺寸大小可以為1-80"。小屏幕的液晶屏早就采用白色WLED作為背光，而大型液晶屏（筆記本、監(jiān)視器、液晶電視）目前還大多采用CCFL（冷陰極熒光管）作為背光。然而這種CCFL存在著三大缺點：一是亮度不夠，二是壽命太短，三是含有有害物質（水銀）。所以，很有可能會在短期內(nèi)被白光發(fā)光二極管WLED所取代。換句話說，LED背光正在逐步蠶食大尺寸LCD屏幕的CCFL背光市場。這也是因為小屏幕的LCD逐步被OLED所取代。

與現(xiàn)有的CCFL技術相比，發(fā)光二極管有大量的優(yōu)點。因為LED是一種平面的光源，最基本的LED發(fā)光單元是邊長3-5×0.8mm的矩形，極容易組合在一起成為既定面積的面光源，如果作為液晶屏幕的背光源，所需的輔助光學組件可以做得非常簡單，屏幕亮度均勻性更為出色。而且其色彩表現(xiàn)能力也比CCFL為高。

其次，LED使用的是6-24V的低壓電源，不像CCFL需要高壓交流供電。其所需電壓由CCFL管子的直徑和長度決定,長度越長,電壓越高,直徑越細電壓也越高。在LCD TV里還要求高達上千伏的高壓。而用LED作為背光，其所需的電源電壓只要十幾伏到幾十伏，供電模塊的設計也頗為簡單，這種采用LED背光源的液晶屏比通常用的CCFT（冷陰極熒光管）類液晶屏省電48%，同時不含對身體健康、環(huán)境有害的重金屬汞。和CCFL相比，WLED具有如下優(yōu)點：亮度高、壽命長、無有害物質。然而它的發(fā)光效率迄今還趕不上CCFL。但是，因為它體積小，很容易均勻分布，從而提高了它的導光效率，所以最后從屏幕的亮度來看，在同樣的電源功耗時，它并不比CCFL差很多。而且它的效率提高得很快，差不多每15年提高一個數(shù)量級，估計到2007年就可以達到150lm/W。

不過最近韓國的LPL展出了全球最大的100" LCD TV仍然采用了CCFL作為背光，不但其對比度可以達到3000:1，而且其色飽和度也可以達到NTSC的92%。這是因為采用了高色飽和度的CCFL的緣故。

然而最重要的問題，還是環(huán)保問題。由于環(huán)保的要求，CCFL將被淘汰。歐盟于2003年2月13日發(fā)布WEEE（Waste Electronics and Electrical Equipment）與RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive）兩項規(guī)定，其中RoHS規(guī)定自2006年7月1日起銷往歐洲的商品不得用有害物質，包括鉛、汞、六價鉻、PBB（多溴聯(lián)苯）、及PBDE（多溴二苯醚）等。其中當然也包括含有汞的CCFL在內(nèi)。不過最近也出現(xiàn)了無汞CCFL。這種稱之為FFL（Flat Fluorescent Lamp）的平面熒光管大多采用了Xe氣放電原理，這種平面光源有組裝簡單，無汞等優(yōu)點，在穩(wěn)定的生產(chǎn)良率之下，F(xiàn)FL的成本可以是所有背光源技術最具競爭力者，因此也開始有廠商順利量產(chǎn)并應用在32"以上的大尺寸LCD TV模塊。但是其發(fā)光效率也只有27-35lm/W。壽命也只有10,000小時。都無法與LED匹敵。

三、白光LED用于LCD背光

沒有一種LED可以直接產(chǎn)生白光，因為白光是太陽光，或者是指可見光譜，而由LED形成的白光實際上都是由幾種光組合而成。

目前主要有三種白光LED。第一種是用紅藍綠三種LED合成為一種白光LED，雖然其理論的流明效率很高，但是這種方法需要有六條腿，而且需要精確地控制三種色彩的亮度，其電子電路要很復雜，所以很少采用。第二種是用紫外線LED激勵RGB的熒光粉而產(chǎn)生白光，這種方法的效率比較高，而且光譜比較接近自然的太陽光。但是會有紫外線輸出。第三種是用藍色LED激發(fā)黃色的熒光粉，從而產(chǎn)生接近的白光。這種方法最為簡單，成本最低，是目前使用最多的一種方法。它是采用氮化鎵銦半導體InGaN的高亮度的藍色LED與釔鋁石榴石熒光粉(YAG：添加Ce的釔、鋁石榴石)組合在一起而成的。它的發(fā)光效率（電能轉換為光能）可以達到30%，以后還可以達到50%，而CCFL目前只有24%。

在小型液晶屏中，早已采用WLED作為背光，例如在手機液晶屏中，通常采用3-4個WLED作為背光。在液晶電視中采用WLED作為背光時，由于單個WLED的發(fā)光量不夠，而且為了使其發(fā)光均勻，要求采用很多個WLED。背光所需要的WLED數(shù)目，通常由屏幕的大小決定。

目前，WLED背光已經(jīng)開始應用到筆記本電腦中去，在筆記本電腦中，至少需要用40顆以上的WLED。

四、白光LED背光的驅動電路和芯片

為了要了解白光LED的驅動電路，首先要了解LED的電特性。WLED的發(fā)光量是由流過它的電流所決定，而不是由加在它兩端的電壓所決定。而各個LED的壓降和流過的電流之間的離散度很大。

加在其兩端的電壓和流過的電流呈非線性關系。而且不同品牌之間有很大離散度。即使是同一品牌，不同個體之間也有很大離散度。因為WLED的亮度是由通過其電流的強度所決定的。所以為了使各個WLED發(fā)光均勻，就必須要求流過的電流相同。這樣為了驅動WLED就必須要有滿足其電壓要求的恒流源來供電。而且正向電流的變化也會引起發(fā)光光譜的變化。

同時，LED所允許的最大電流是由環(huán)境溫度決定的。當最大的環(huán)境溫度為50oC時，就應當將其電流限制為20mA。這些特點都要求采用LED驅動器來對WLED的電流進行恒流控制。所以LED驅動器的任務是：
（1）將電源(可能是鋰電池)的電壓轉換為驅動LED所需的電壓, 這個電壓取決于LED的連接方法(串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián))和數(shù)量。
（2）在工作過程中保持恒定的電流。如果以恒壓源供電，則其電流將會有很大的不同。有些個別LED就會燒毀。

LED的發(fā)光亮度可以用改變其電流的方法來實現(xiàn)。但是這種模擬亮度控制方法會產(chǎn)生色偏現(xiàn)象。也就是它所發(fā)出光線的波長將會隨著其正向電流而改變。例如，一顆“真正”綠光LED，其最大亮度規(guī)格電流為20mA，當其亮度通過模擬調(diào)光減少為25%時（相當于正向電流從20mA減少到5mA），其色譜也會從525nm偏移到531nm，這種色偏移程度顯然不可能被要求真實色彩的高畫質顯示器接受。

因此，通常就采用PWM的方式來對LED進行亮度調(diào)節(jié)。不同的工作比就可以得到不同的亮度，這相當于用改變LED導通的時間來改變亮度，而每次導通所達到的正向電流是不變的，所以其色譜也就不會改變。為了得到不同的亮度，就要求能夠精確控制PWM的寬度。一個12位精度的PWM可以實現(xiàn)4096級灰度。雖然改變PWM的工作比可以改變其亮度，但是其效率也會跟著改變。

對多個WLED供電時有兩種方法，一種是將各個WLED串聯(lián)，還有一種是把各個WLED并聯(lián)。在串聯(lián)供電時很容易保證流過各個WLED的電流一致。但是WLED的個數(shù)越多，所需的電壓也就越高，而且一旦一個WLED燒毀，所有的WLED都不亮。并聯(lián)供電的結構中，其優(yōu)點是需要的電壓低，各路互不影響，但是要求每一路都要有單獨的恒流控制。

在便攜設備中，其屏幕尺寸通常在1.5-2.5"之間，所需的WLED數(shù)目大約在3-4個之間。如果串聯(lián)供電，當要求的電流為20mA時，每個WLED的電壓大約在3.3-4.0V之間，這樣，總電壓就在12-16V之間，而輸入為鋰電池，其電壓在2.8-4.2V之間。這種WLED驅動器通常可以用電感型升壓電路來實現(xiàn)。其優(yōu)點是變換效率高，缺點是電感體積大，價錢貴，而且有可能產(chǎn)生高頻輻射干擾。所以在手機，或帶GPS的Smart Phone里，就希望采用不帶電感的電容式電荷泵升壓器。但是這類升壓器的效率比較低，而且通常頂多只能升1倍（x2）。因而，所有的WLED就只能用并聯(lián)方式。

五、用RGB LED作為液晶電視背光

液晶電視由于其市場增長速度很快，而且背光系統(tǒng)的成本很高，所以將會成為LED背光的一個重點市場。目前LCD TV的背光系統(tǒng)主要是采用CCFL。然而，由于CCFL含汞，歐盟規(guī)定從2006年7月1日開始，要對采用CCFL背光的LCD電視機每臺增收10美元的廢舊電子產(chǎn)品的回收費。根據(jù)Insight Media的預測，到2010年，采用LED背光的LCD TV就將在數(shù)量上超過采用CCFL的系統(tǒng)。在液晶電視中，采用LED作為背光可以有三種方法：

1、白光LED代替CCFL作為背光

因為通常的白光背光LED是由藍光LED和黃光熒光粉合成，其光譜離純白光相去甚遠。所以，這種白色LED作為背光只能得到80%NTSC色域，為了得到非常接近天然白光光譜的LED背光，就必須采用紅綠藍三種顏色的LED來合成白光。

2、RGB LED混合成白光后作為背光

要構成白光，所需要的綠光的亮度要最亮，其次是紅光，藍光只要很少就可以了，這也是為什幺通常需要兩顆綠光LED的原因。紅綠藍LED通常采用磷化鋁銦鎵AlInGaP(紅色)和氮化鎵銦InGaN (綠色或蘭色)技術。通常都是在碳化硅（SiC）基底上生成。其中紅色的波長為626nm，綠色為525nm，藍色為450nm。

早期的藍色LED的發(fā)光效率很低，以后采用氮化鎵可以提高一倍，再以后采用氮化鎵銦又可以提高一倍。這樣藍光LED的發(fā)光效率就解決了。采用RGB LED以后，其光譜分布要比CCFL好很多，和彩色濾光片的光譜更加匹配。

在液晶電視機中，最理想采用RGB三色LED來作為背光。這是因為采用紅、綠、藍三色LED來構成白光，則其色域有可能超過100%的NTSC色域。不過在采用紅藍綠三色LED作為背光，其散熱將成為一個嚴重的問題，如何安排RGB LED的位置以及通風孔的位置就是一個十分重要的問題。

為了產(chǎn)生彩色就需要RGB三種LED，如果每個燈的亮度可以控制到4096級，就有可能實現(xiàn)687億種顏色。通常把同一種顏色的LED串聯(lián)起來，以得到相同的電流。由于LED的發(fā)光通常會受到其本身溫度的影響，而且溫度還會改變其顏色，所以在高質量的液晶屏中還需要采用彩色傳感器和溫度傳感器，以便隨時監(jiān)測LED的顏色和溫度，然后再用PWM來控制各種的發(fā)光。

用于LCD TV的背光LED要求有較大的功率，通常每個高亮度LED的壓降為3-4V，電流則高達500-700mA。為了驅動如此多的LED，勢必需要很高的電壓。由于通常LCD TV都是用交流供電的。所以最好采用由交流市電直接整流而得到的電壓供電。先把橋式整流得到大約250VDC，直接用來驅動70多顆串聯(lián)的LED。然后再對LED進行恒流調(diào)節(jié)。這種轉換方案對輸入端的功率因子要求很高，所以還需要功率因子校正（PFC）。

目前采用CCFL背光液晶電視機的對比度最高可達100：1，亮度是550；LED背光液晶電視機的對比度達到1400：1，亮度達到900，同時顏色更加豐富艷麗。但是，第一批以LED作為背光的LCD TV還是有一些缺點的：
首先，因為LED的發(fā)光效率目前還比較低，大約只有50-60lm/W，雖然要比白織燈高5-6倍，但只有CCFL的1/2。這就造成了這種彩色LED背光的電視機的總效率就很低。例如，Sony 公司采用CCFL的40" WEGA液晶彩電，耗電為290W，而世界上第一個采用彩色LED作背光同樣尺寸的液晶電視，耗電達到470W。為CCFL的1.6倍。46"的彩色LED背光的液晶電視，其耗電更高達550W。
其次，LED背光面板的價格相當昂貴，同等尺寸的背光源，LED是冷陰極熒光管價格的3-5倍，而且屏幕尺寸越大，采用LED背光技術的成本就越高。

六、場順序無彩色濾光片液晶屏

由于LED具有快速開關的能力，因而有可能實現(xiàn)無濾光片的彩色液晶屏。在普通的彩色液晶屏中，每一個象素都是由三個紅綠藍象素構成。這三個象素其實是三種不同色彩的濾光片。這種彩色濾光片會損失光能，其光線的損失是非�？捎^的，只有4%的光線才能達到最后的輸出。而濾色片的損失是非常大的，只有30%的光線可以通過。70%的光線都損失了。而要除去濾色片唯一的方法是直接采用紅綠藍的光源。RGB LED就可以在這里大大發(fā)揮作用了。 

場順序的工作原理是這樣的：在電視的每一場中，讓紅、綠、藍三種彩色的LED背光源依次發(fā)光，對所有顏色的背光源，其重復頻率為場頻的三倍。這樣每個象素就只需要一個TFT管，根據(jù)這一幀的畫面順序來依次控制紅綠藍三種顏色的亮度。因為每個色彩的光源都已經(jīng)有了，顯然彩色濾色片就不再需要了。而且假如每個象素的尺寸和原來紅綠藍子象素的尺寸一樣大，那幺顯然同樣大小的屏幕和同樣大小的子象素，其分辨率可以提高三倍。而且這種分辨率的提高，不是靠縮小象素的尺寸而實現(xiàn)的，這降低了減少良率的風險，這是采用場順序以后帶來的另一個重要的好處。

每一個色場有三個時段，先是紅色數(shù)據(jù)加載，然后是等待液晶穩(wěn)定，最后是紅色LED閃光。其它時段的順序也是一樣的。在CRT電視中，為了避免閃爍，已經(jīng)把場頻提高到70Hz。所以每一種顏色的LED閃光的頻率也是70Hz。而閃光的時間只有幾毫秒。所以這種方法要求液晶具有快速響應時間，短至3.3毫秒。因為在每一場中只有1/3的LED在發(fā)光，這也就降低了功率消耗。而且因為去掉了濾色片的光線損失，LED的數(shù)量還可以減少70%。

取消濾色片的好處是很大的。不僅是提高了光傳輸?shù)男剩医档土顺杀�。而且還可以降低工場投資成本，降低生產(chǎn)制程時間。更可以提高成品的良率。去掉濾色片的另一個附帶的好處是增大了視角的范圍。

彩色濾光片的成本大約占全部液晶屏成本的19-25%左右。而濾光效率的提高，更可以降低電源功耗達60%之多。電源功耗主要是指LED所消耗的功率。這個功率的降低是靠減少LED的數(shù)目而獲得的。而且電源功耗的降低還可以省去風扇，以及由風扇帶來的噪音。因為光能損失少了，所以就不需要那幺多LED了。而LED成本是背光的板成本的77%。LED的數(shù)目可以減少70%，意味著這部分成本也可以減少同樣的數(shù)量。這樣整個背光系統(tǒng)的成本就可以從$347.2降低到$158.2，就只比CCFL貴50%左右，如果再加上省去濾色片所省下的成本和提高成品率所省下的費用，采用RGB LED的場順序背光系統(tǒng)的整個成本就和采用CCFL帶濾色片系統(tǒng)的成本就相差無幾了。更何況LED本身的成本降低得非�？�，所以采用RGB LED的LCD電視成本低于CCFL成本的日子已經(jīng)很近了。
 
2005年5月，三菱電機在SID 2005更發(fā)表了一款以6色LED搭配雙色彩色率光片的LCD，其sRGB比提高到了181%，大約可以涵蓋物體色彩的96%。sRGB規(guī)格是由微軟（Microsoft）與惠普因應CRT Monitor而制定的色域規(guī)格，目前包含電視影像播放系統(tǒng)也是采用相當于sRGB規(guī)格的色彩領域。

三菱電機的做法是，利用兩組3色LED搭配而成，其波長分別為第一組的410nm（藍）、540nm（綠）、615nm（紅），及第二組的430nm（藍）、510nm（綠）、625nm（紅），在每一個幀中，采用場序方式交替點亮。

在顯示尺寸為23吋、1280×768、亮度為80cd/m2的面板中，藍光與紅光LED各使用26顆，而綠光LED則使用了56顆發(fā)表當天令所有與會者驚訝，面板可以呈現(xiàn)如此高的色彩表現(xiàn)。

七、結束語

長期以來，液晶屏一直采用CCFL作為背光，而近兩年來，LED背光異軍突起。逐步蠶食了小屏幕的背光市場。明年開始將會大規(guī)模地向筆記本電腦背光進軍。向更大屏幕的液晶電視的應用也已經(jīng)開始。雖然LED仍然面臨發(fā)光效率低，價格高等問題，可喜的是LED產(chǎn)業(yè)也存在類似微處理器產(chǎn)業(yè)中的“摩爾”——Haitz定律：LED的價格每10年將為原來的1/10，性能則提高20倍。而CCFL已經(jīng)是挖掘盡所有的潛力。所以，用不了一兩年，隨著LED發(fā)光效率的提高，LED的數(shù)量可以減少，而單價也可以降低，LED的總成本一定可以低于CCFL。