直下式、侧入式LED背光模组结构分析

　　1、背景和目的

　　LED背光源的市场占有率迅速扩大。目前，LED背光模组的技术正在发展，LED背光模组的结构正在发展。

　　据亿光透露，三星公司打算进一步把直下式LED背光液晶电视的厚度继续往下做薄，当然，还需要克服很多技术困难，另外，结合侧光式LED背光与直下式LED背光的技术也有机会推出（侧光式LED背光液晶电视走俏　超薄设计是动因）。

　　海信认为，首先是直下式占据LED高端，而侧入式占据LED低端；接着侧入式逐渐取代CCFL背光，而直下式又逐渐取代侧入式（“第4届中国国际新光源&新能源照明论坛”）。

　　日本Techno System Research的林秀介在 “第7届TSR研讨会2010”上，介绍了高速增长的LED背光液晶电视的下一个发展趋势（大势所趋的LED背光液晶电视的下一个发展趋势）。据介绍，许多面板厂商计划削减导光板而非单边配备LED，以降低成本。直下型方式为了减少LED的使用个数，一般使用镜头盖（Lens Cap）。通过镜头盖的改良，可将背光单元的厚度“减薄至1.5cm”。

　　因此，正在下面几方面进行研发：

　　第一，对现有的侧入式背光模组进行改进。

　　第二，对现有的直下式背光模组进行改进。

　　第三，设计和开发同时具有直下式和侧入式背光模组的主要优点而没有二者的主要缺点的新型的背光模组。侧入式背光模组的主要缺点是直下式背光模组的主要优点，直下式背光模组的主要缺点是侧入式背光模组的主要优点。二者具有很强的互补性。

　　“中国电子报”对背光模组的重要部件，如导光板、扩散板、反射板、光源的专利分别进行了统计。截至2009年3月31日，TFT-LCD背光模组技术领域的中国专利申请共计2381件。其中，发明专利申请数量为1885件，实用新型专利申请数量为466件。

　　2、侧入式LED背光模组

　　侧入式背光模组的主要缺点是：

　　（1）LED封装与导光板的耦合效率（coupling efficiency）还可以提高；

　　（2）应用于大尺寸时具有挑战性；

　　（3）不能进行局域控制（local dimming）。

　　2.0、传统的侧入式LED背光模组

　　传统的侧入式LED背光模组的结构包括，LED光源设置在导光板的侧面，导光板的底面上形成网点。LED封装发出的光耦合进入导光板，通过反射片和网点的反射和散射，向液晶屏方向传播。

　　对于传统的侧入式LED背光模组，LED芯片发出的光不能全部进入导光板，一方面，一部分光（大角度的光，约20%-30%，取决于封装结构）由于全内反射而不能从LED封装的出光表面射出。另一方面，即使已经从LED封装出光表面射出的光，一部分光由于导光板入光表面的反射，而不能进入导光板，如图1所示。LED封装和导光板之间的耦合方式和效率需要进一步提高。

图1　截面图

　　2.1、 提高LED封装与导光板之间的耦合效率

　　为了使得LED芯片发出的光全部进入导光板，采用透明胶210把LED封装102的出光表面粘在导光板的入光表面，见图2。由于LED封装的硅胶、透明胶、导光板的折射系数基本上相同，因此，在LED封装的出光表面处基本上没有全内反射，在导光板入光表面处也基本上没有反射，LED芯片发出的光基本上全部进入导光板，耦合效率提高，基本达到100%。另外，由于没有全内反射，LED芯片发出的大角度的光也进入导光板，易于达到亮度的均匀性。

图2　截面图

　　优势：(1)LED封装和导光板之间的耦合效率提高。

　　（2）LED封装的出光效率（extraction efficiency）提高约20%-30%。

　　（3）每个LED封装产生的热量减少约8% - 13%。

　　（4）保证同样亮度的情况下，所用的LED封装的数量约减少16%-23%，降低成本。

　　（5）LED背光模组产生的总热量约减少23% - 33%。

　　（6）能量消耗约减少16%-23%。

　　（7）LED封装的出光角度加大。

　　2.2、适用于大尺寸电视的带V型槽的导光板

　　带有V型槽的导光板的侧入式LED背光模组使得LED背光源应用于任意大尺寸的显示屏，而无需采用更高亮度的LED芯片。

　　导光板401的顶部的中间部位形成V型槽402，并在导光板的底部与V型槽对应的位置设置LED光源408b。使得LED光源发出的光425向上传播时，被V型槽402全内反射，从而向导光板侧面传播，见图3a和3b。LED光源粘在导光板的底部，增加光取出效率。

图3a顶视图

图3b截面图

　　图3c展示V型槽402a、402b和402c成十字形设置的实施例,可以用于大尺寸的背光源。

图3c示意图

　　图3d展示图3c的实施例的示意图。

图3d示意图

　　优势：（1）适用于任意大尺寸的显示屏。

　　（2） 薄型化。SMD形式的LED封装的厚度可以做到0.7mm，PCB厚度可以做到1mm，因此，LED背光模组的厚度只比传统的侧入式LED背光模组的厚度增加1.7mm。

　　（3）LED封装的光取出效率高。

　　（4）散热较好。

　　（5）LED封装的出光角度加大。

　　2.3、减少使用LED封装数量的无导光板的侧入式LED背光模组

　　没有导光板的侧入式LED背光模组的一个实施例：在一侧设置LED光源205，与其相对的是侧反光片204b，在主反光片204a和侧反光片204b上形成网点203，调整网点的结构和分布，使得亮度分布均匀，图4a。

图4a截面图

　　图4b展示在两侧设置LED光源405a和405b，且倾斜成一角度409。网点403形成在主反光片404上。

图4b截面图

　　优势：（1）没有导光板以及光在导光板中的衰减，因此，减少使用的LED封装的数量。

　　（2）减少产生的热量。

　　（3）减低成本。

　　（4）减轻重量。

　　3、 直下式LED背光模组

　　直下式LED背光模组的主要缺点之一是：与侧入式LED背光模组相比较，厚度较大。

　　3.0、 传统的直下式LED背光模组：

　　LED光源352发出的光直接向上传播，为得到光分布的均匀性（或RGB混光均匀性），与液晶屏平面垂直方向的光程（或RGB混光距离）较大，即，直下式LED背光源较厚，图5。

图5截面图

　　3.1、 薄型的带有反射镜的直下式LED背光模组

　　带有反射镜的直下式LED背光模组的一个实施例：在每一个LED封装203上方处设置反射镜208a，LED封装发出的光被反射镜208a反射向反光片204c及其上的网点207，被反射和散射后，向液晶屏方向传播，见图6a。

图6a截面图

　　反射镜208a/308a面对LED光源203的表面具有微结构308b，反射镜208a/308a的设置是从一组设置中选出，该组设置包括，但不限于，图6b展示的结构。

图6b截面图

　　优势：（1）比较薄。

　　（2）LED背光模组可以区域控制。

　　3.2、薄型的带有网点的直下式LED背光模组

　　反光片上带有网点的直下式LED背光模组的一个实施例：设置LED封装203，使得LED封装发出的光向水平方向传播，被反光片204c、204a、204b及其上的网点208反射和散射，向液晶屏205方向传播。使得与液晶屏垂直方向的光程（或RGB的混光距离）的一部分变成与液晶屏平行方向的光程（或RGB的混光距离），见图7。

图7截面图

　　优势：（1）比较薄。

　　（2）LED背光模组可以区域控制。

　　3.3、 薄型的带有反光结构的直下式LED背光模组

　　带有反光结构的直下式LED背光模组的一个实施例：设置LED封装203，使得LED封装发出的光向水平方向传播，被反射镜207a和207b、反光片204a/204b/204c、网点208反射和散射，向液晶屏方向传播。使得与液晶屏垂直方向的光程（或RGB的混光距离）的一部分变成与液晶屏平行方向的光程（或RGB的混光距离），见图8a。反射镜组成阵列。

图8a截面图

　　反射镜的设置207/307包括，但不限于，圆弧（图8a）、圆形、四方形、六边形，等。每个反射镜307的设置内包括至少一个LED封装303，每个LED封装303包括至少一个LED芯片，见图8b。

图8b顶视图

　　反射镜307/407/507的反射面209/409/511/512的设置是从一组设置中选出，该组设置包括，但不限于，图8c所示的结构。

图8c截面图

　　LED封装203/303/603的设置是从一组设置中选出，该组设置包括，但不限于，图8d所示的设置。

图8d截面图

　　优势：（1）比较薄。

　　（2）LED背光模组可以区域控制。

　　4、 侧入和直下混合式LED背光模组

　　设计和开发同时具有直下式和侧入式背光模组的主要优点而没有二者的主要缺点的新型的LED背光模组。例如，在直下式背光模组中采用导光板，使得，LED背光模组既可以区域控制，又比较薄。一个LED电视包括一个或多个下面展示的侧入和直下混合式LED背光模组。

　　4.1、导光板底部形成反射倒锥体阵列的侧入和直下混合式LED背光模组

　　侧入和直下混合式LED背光模组的一个实施例：导光板201底部形成带有反射面202f的倒锥体阵列202，LED封装设置在与每个倒锥体对应的位置，LED封装发出的光被倒锥体的反射面反射向导光板侧面传播，被导光板底部的反光片和网点反射和散射后，向液晶屏方向传播，见图9a和9b。

图9a示意图：从下向上看

　　倒锥体具有不同的形状，图9b。

图9b截面图

　　优势：（1）比较薄。

　　（2）LED背光模组可以区域控制。

　　4.2、 导光板底部形成倒V型槽阵列的侧入和直下混合式LED背光模组

　　侧入和直下混合式LED背光模组的一个实施例：导光板底部形成倒V型槽阵列502，LED封装508设置在与每个V型槽对应的位置，LED封装发出的光被V型槽的侧面503折射，向导光板501侧面传播，被反光片和网点504反射和散射后，向液晶屏方向传播。见图10a和10b。LED封装508的出光表面被粗化521，出光效率较高。

图10a示意图：从下向上看

图10b截面图

　　优势：（1）比较薄。

     　 （2）LED背光模组区域控制。

　　　4.3、导光板顶部形成凹槽阵列的侧入和直下混合式LED背光模组

　　侧入和直下混合式LED背光模组的一个实施例：导光板301顶部形成凹槽阵列302，LED封装304设置在与每个凹槽对应的位置，LED封装发出的光320被凹槽侧边全内反射，向导光板侧面传播，被反光片和网点反射和散射后，向液晶屏方向传播，见图11a和图11b。LED封装的出光表面被透明胶303粘在导光板301底部，出光效率较高，产生较少热量。

图11a示意图：从上向下看

图11b截面图

　　导光板顶部凹槽602的侧面的形状包括曲线603q（图11c）和折线603t（图11d）。

图11c截面图

图11d截面图

　　优势：（1）LED背光模组区域控制。

　　（2）比较薄。

　　（3）LED封装的出光效率（extraction efficiency）提高。

　　（4）全部利用LED芯片发出的光，每个LED封装产生较少的热量。

　　（5）减少所用的LED封装的数量，进一步减少产生的热量。

　　（6）能量消耗降低。

　　（6）散热优良。
 
　　（7）LED封装的出光角度加大。

　　 (8)  LED封装和导光板之间的耦合效率提高。