新时代的LED背光元件发展趋势

    由于液晶面板的应用已从笔记型电脑，扩展到行动电话、汽车导航、家用电视等领域，因此，LCD的自然色再现性成为各界关注的焦点，某些特殊领域甚至要求LCD的色彩再现范围超过NTSC的色彩规格。

    由于CCFL的先天特性导致无法突破某些色彩障碍，使得在色彩表现方面，无法令消费者享受到类似大自然丰富艳丽的影像，尤其无法完美表现出鲜艳的红色色彩。

    然而，因为追求高演色的目标，取代CCFL光源的技术也就陆续的被提出，其中，在被看好的莫过于利用多色led来作为背光源，其宽广的色域，已经吸引诸多业者的注重，也纷纷的投入相关开发。

    一、传统CCFL红光表现薄弱

    目前， 大多显示器业者都使用冷阴极灯管作为显示器的光源，以及搭配RGB三原色作为阵列分布的彩色滤光片，一般而言，CCFL的色温大约在4800K左右，反映到色域表后，可以发现仅有NTSC规范的80％左右。

    图一是CCFL的光谱及彩色滤光片的分布特性，从图中可以发现， 利用CCFL加上RGB三色的彩色滤光片， 在波长490nm与590nm附近色彩的表现能力较差， 而出现一些经过彩色滤光片混色后色域较窄的问题。

    当然这对于一般显示画面或应用，并不会出现太大的色彩问题或视觉感受变差， 但是在面对仪器量测的情况与特定色彩表现的环境下， 就能明显的比较出不纯辉线有subpeak的现象。尤其CCFL在对红光的表现更为薄弱，这是CCFL在色彩的表现上最难以满足严格要求的一点。

    ▲图一：CCFL的光谱及彩色滤光片的分布特性

    然而，对于以CCFL作为背光灯源，是存在特定的因素，而影响到色域的表现，但是未必是完全无法可想。可以根据传统的三色彩色滤光片加以改良，来弥补此一缺陷。

    ▲图：CCFL背光的液晶显示器－三星 931C也可以达到97%NTSC的高色域

    二、利用多色彩色滤光片来弥补不足

    同样是使用CCFL作为背光灯源的模组基础下，奇美电子开发出了3款采用4色以上多色滤光片来作为色彩表现，分别是在原有的R（红色）、G（绿色）和B（蓝色）3色上，增加了追加了Y（黄色）和C（青色）的5色滤光片的面板。在RGB基础上多出Y色（黄色）的4色彩色滤光片的面板，和在RGB3色基础上增加W（白色）的4色彩色滤光片的面板。

    事实上，这样的设计，同样的扩大了色彩表现范围，以增加Y（黄色）和C（青色），及增加Y（黄色）的面板为例，其色彩表现范围与NTSC范围相较， 分别为115％和109％。而增加白色的彩色滤光片的目的仅为提高面板整体的亮度。当然，这是在原有光源的基础下，利用彩色滤光片来达到提升色域的目的， 但是终究由于先天的限制，无法大幅度的让色彩表现范围扩大， 或许还是需要从背光源方面进行改变，才得以达到扩大色彩范围的目标。

    以目前的技术与元件来看，相当适合的方式是利用LED作为背光源， 由于LED具有多波长的特性，可依照需求生产出独特的波长，及利用电路设计来完成亮度控制。

    三:三色LED背光模组实现高色域理想

    相对的，利用三色或多色的LED作为背光源， 在混色的表现上，就不会出现上述的一些部分色域窄化的问题， 图二是以三原色的LED作为背光，所表现出来的就比以CCFL来的较好， 尤其在红光的部分，可以获得非常宽广的色再现范围， 也不会造成类似CCFL所出现不纯辉线的subpeak， 并让各原色的色纯度大大的提高。

    ▲图二：三原色的LED的光谱及彩色滤光片的分布特性。

    此外，在色域的表现，更可以得到更大范围的表现。 下表是日本LEIZ所发表的三色LED背光模组，从表中就可以发现，其所表现的色度， 经过测试后，LEIZ背光模组可达到NTSC的100％色域。日本LEIZ在这模组上使用了40颗高亮度的三色LED，并且在模组两边设置了Heatsink，让三色LED在模组内进行混光， 提供LCD所需要的光源。

    四、SONY领先发表LED背光液晶电视

    而SONY在2004年底，推出由R、G、 B三色LED作为背光源的液晶电视，让多色LED背光模组达到实用化的阶段， RGB三色LED表现出的色域超过CCFL的150％， 对色彩的表现能力大幅超越传统电视机常用的sRGB。在过去使用传统的CRT做为显示元件的电视，在色彩表现上，无法显示的天蓝色系、 深绿色、深红色，及一些大自然中的鲜艳颜色，但在R、G、 B三色LED作为背光源的液晶电视都以经不是问题， 如果对照Pointer的768色高彩度色票上表现， 使用LED背光模组的液晶电视可以高达其涵盖颜色领域的82％， 尤其是在绿色与红色可以表现出非常宽广色彩度， 黄色与橙色部分更超过sRGB的色域，然而相对于CCFL或传统CRT萤幕， 仅能达到约一半的色彩领域。

    特殊排列弥补色系弱点

    根据实验，人类眼睛对于光线颜色的感觉程度，最高的是绿光，红光约是绿光的1/3，而相对于蓝光，是蓝光的10倍。 基于如此的特性，在LED颜色搭配上，也有了一些变化，因为要满足视觉感度，所以大多是以红光×1、蓝光×1，以及绿光×2的比例来进行设计，但加上考量到红光的色温较低。所以SONY在背光LED的是以「绿－红－蓝－红－绿」作为排列结构， 来达到最佳的色彩输出。因为液晶萤幕的色域并不是仅仅靠背光源，前端的彩色滤光片更是重要决定因素之一， 所以整体而言，液晶萤幕的色域范围取决于背光模组的光源特性，与彩色滤光片的穿透率特性组合结果。当然，在面对可表现如此宽广色域的三色LED背光模组， SONY更在彩色滤光片上进行了相当的改良，由于LED的色度分布有一定的范围度，所以必需搭配可以使穿透光的波长范围变窄，而且可以维持一定色纯度的彩色滤光片， 期望能在配合LED光源的特性下，充分发挥相互配合的色彩效果。

    6色LED色域宽广能力令人讶异

    如果是使用RGB三色或不同波长的多色LED作为背光源，在彩色滤光片上就不一定非用RGB三色，甚至可以使用紫色跟菊色双色的彩色滤光片，来搭配出更高的色域显示能力，呈现出更多的色彩。三菱电机与三星都已经发表出，利用6色LED作为背光模组的技术。三星是利用6色光源加上6色彩色滤光片面板新技术， 采用在具有RGBCYM6色（红、绿、蓝、青色、黄色、 洋红）波长的光源上配合使用具有RGBCYM分光特性的6色滤光片的方式。LED点灯方式是以场序交互点灯将显示时间错开，依次打开R（红）、G（绿）、 B（蓝）LED，解析度为1366×768、亮度为500cd/㎡，1000： 1的对比度。 由于能够直接看到LED光线，因此色彩表现达到了NTSC规格的110％。 82W耗电量，相当于同样亮度老式液晶面板耗能的60％。而根据资料，三菱电机所发表的这一款6色LED背光模组， 除了能达到色再现范围扩大之外，另一项特色是在生产成本上不会因此突然增多。

    在技术上，三菱电机是利用LED不同的波长，来达到6种不同的颜色，分别是第一组的410nm（蓝）、540nm（绿）、615nm（红），以及第二组的430nm（蓝）、510nm（绿）、625nm（红）。在色度座标上分别可以达到，第一组：615nm（红1）的（0.664、0.321）、 540nm（绿1）的（0.291、0.666）、410nm（蓝1）的（0.154、 0.060）。

    第二组：625nm（红2）的（0.682、0.308）、510nm（绿2）的（0.131、0.580）、430nm（蓝2）的（0.112、 0.173）。在显示尺寸为23吋、1280×768、亮度为80cd/m2的面板中，蓝光与红光LED各使用26颗，而绿光LED则使用了56颗，其sRGB比提高到了175％，大约可以涵盖自然界物体色彩的96％（以MunsELlColorCascade为标准）。

    利用顺序交互点灯组成LED驱动电路

    在LED电路驱动设计部分，多色LED背光大多是利用场序交互点灯方式形成「FieldSequence」，这样的话，可让背光模组中的6色LED与液晶面板的Sub-Pixel， 及3色彩色滤光片同步动作。

    过去，液晶面板大多是利用三个Sub-Pixel组合而成一个画素，但利用这样的方式，除可得到更广的色彩表现范围外，还可获得更高细腻度的影像。但这样又会造成一些整体开发上的问题，因为这样的结构变化，使得无法延续使用部分零组件，包括部分的背光膜片、整体模组结构、色变换电路等等， 这些都是必须重新开发。

    不过，因为这样的改革能够大幅度的改善色彩表现，及加上三菱电机宣称，并不会造成太大成本的增加，所以或许采用这样光源的设计，仅在初期必须投入较大的开发费用，而整体而言，材料成本结构并没有太大的变动。

    此外，在这次三菱电机所发表的6色LED背光模组，在辉度的表现上只有80cd/㎡， 这样的结果，或许关键点还是整体背光模组设计的问题，因为， 虽然目前LED在亮度上面已经有不错的表现，但受限于模组材料的关系， 因此未来在模组整体亮度上必须多加以克服，才能达到商用化接受的程度。

    四透光效率低是背光模组最大致命点

    以目前LED亮度技术来看，在这一方面， 提高亮度并不是太大的困难，但是因为伴随而来的高耗电量以及散热的问题， 却是困扰着所有的工程师，再者，一味的朝这一方面发展， 而期望得到问题的解决也是不切实际。 因为亮度的提升总是会有到达瓶颈的时候， 如果因为在这一方面努力却造成使用寿命的减短，似乎有点得不偿失。 所以就整体而言，还是必须从改善背光模组的透光率开始进行，才是解决的根本之道。

    由于背光光源必须使用Reflector、Diffuser等等的光学薄膜， 来达到光源平均投射的目的，但是往往光耗损的现象就会因此而产生，根据研究， 从传统背光光源所发射出来的光是100％的话，经过Reflector、 Diffuser等等的光学薄膜之后，只会有约60％的光通过背光模组进入到偏光膜，最后经过LC、Surface出来只剩下4％的光（图三）。

    图三：背光模组透光能力相当有限。 （制图：卢庆儒）

    也就是说，如果背光光源是1万nits，那么， 最后投射出来的光只会有400nits，假设LCD面板规格需要500nits， 那么背光光源的亮度就必须能够提供1.2～1.3万nits的亮度。

    五、多色LED是未来背光源主流技术

    从2004年SONY发表LED背光模组后， 液晶显示器用背光模组应可说是正式进入LED的时代， 虽然LED本身还有许多技术问题有待克服，不过， 未来传统冷阴极灯管的部分市场将逐渐被LED光源取代， 相信未来液晶显示器的影像画质与颜色会更加艳丽与细腻。

    LED背光模组的色再现特性，使用R/G/BLED背光模组的液晶显示器适合应用在医疗、印刷、PC等领域，尤其是色温范围3000～9300K的家用液晶电视可以获得宽广的色再现范围。 由于LED背光模组的消费电力与制作成本还有很大的改善空间，因此， 今后除了LED背光模组的光学系统外，还需抑制LED本身的发热问题。（参考资料：光电科技杂志、日本NE杂志、三菱电机、SONY、日本LIEIZ相关资料）