半户外液晶显示用高亮直下式LED背光设计

1　引 言

近年来，中大型尺寸的液晶显示设备(LiquidCrystal　Display，LCD)，例如电脑显示屏、液晶电视等，在平板显示市场日渐成为主流。由于液晶本身是不发光的，需要依靠外部光源照射，即背光源来实现其显示功能，特别是中大尺寸的液晶显示，为其提供所有光源的背光源是十分重要的。

液晶用背光源，常见的主要有冷阴极管(CCFL)与发光二极管(LED)两种，最初LED主要用于中小尺寸的液晶显示，例如手机、数码相机和PDA等。在中大尺寸的液晶显示领域，由于亮度和散热要求较高，传统上采用CCFL光源，随着背光技术的不断发展，特别是LED发光效率不断提升，以及对大尺寸液晶背光技术难度大、运用成本高等缺点的不断克服，LED背光不仅广泛应用于小尺寸液晶，近几年来已逐渐替代传统的CCFL，在笔记本电脑、电脑显示屏、液晶电视等中大型尺寸液晶显示背光领域崭露头角，并有逐渐取代CCFL背光源的趋势。随着环保意识以及用户对画质要求的不断提高，具有环保、色彩还原性好、寿命长等优点的固体光源LED 被看好。

采用LED 背光的一个显著特点就是节能。针对节能降耗方面的国家标准，如能耗等级标示等政策的实施，中大尺寸的液晶电视产品已经在这方面进行了有益的尝试。

作为新型平板显示产品，采用LED背光的液晶显示设备，其性能优势毋庸置疑。特别是具有高显示色域、画质艳丽、节能环保、寿命长等优点，较之CCFL背光的LCD，更容易实现轻薄化的外观。采用LED背光的另一个优点是高色彩饱和度，特别是采用三基色或多色LED混合白光的直下式背光LCD，拥有卓越的显示画质和更为宽泛的显色范围。然而三基色LED背光功耗要远高于白光LED，而且在成本上有4～5倍的价差，目前考虑成本的原因，多采用蓝光芯片加红绿色荧光粉封装的新型背光用LED 来取代三基色LED，这种情况下液晶显示的颜色饱和度可以在NTSC标准的72%～85%范围，在低成本的同时拥有优于CCFL背光LCD的显色画质。

本文开发了一款用于半户外液晶显示的117cm(46in)直下式背光结构，中心亮度可达到20　000cd/cm2 以上。具有亮度高、显色画质高、散热好、成本低的优点，为户外和半户外液晶展示屏应用提供了有力支持。

2　技术发展和市场前景

2.1　LED背光技术的发展

从结构上分类，液晶背光主要采用侧光式和直下式两种结构。目前液晶显示市场正向薄形化发展，多采用侧光式结构，以达到超薄形设计的目的。2009年三星推出侧光式LED背光的超薄液晶电视，自此LED侧背光作为一种新技术开始广泛应用于大尺寸液晶显示。侧光式的背光结构将LED光源侧面放置，可明显节省空间，从而较容易实现轻薄化。但光源在边侧入光，要实现正面均匀出光，LED灯条和导光板设计的要求也有所提高。同时侧背光结构不可以采用三基色LED光源来混合白光，以及局部动态背光控制等技术，使得液晶显示在色彩还原性能和对比度上表现有所逊色。

对于大尺寸液晶显示，特别是要求高显色画质和高亮度性能的大尺寸LCD，侧光式背光源的均匀性和亮度都受到限制，同时导光板成本和加工难度也随之增加。因此多采用直下式背光结构，其制作工艺较为简单且不需要导光板，技术关键在于色彩和亮度均匀性，是目前大尺寸背光源研发的主流。特别是采用高显色指数的白色LED光源的背光，较之侧光式背光在同等亮度下所用LED的数量要少，排布不太密集以有利散热，也较易达到出光均匀的目的。

2.2　LED背光市场前景

照明应用和液晶电视背光应用是目前LED产业成长的两大动力。目前照明占LED产能的比例不是很多，主要还是LED背光液晶电视。水清木华研究中心研究报告指出，2010年LED市场规模增长58%，从100亿美元增长到158亿美元。其中受到LED-TV市场的驱动，应用在液晶电视背光的LED市场规模从9.6亿美元增加到近39亿美元。

Trend　Force旗下研究部门WitsView 的调查结果显示，2010年各尺寸液晶显示面板中，66cm(26in)以下中小尺寸液晶屏，以及94cm(37in)以上的较大尺寸液晶显示屏，使用LED背光的比重达到20%左右，特别是117cm(46in)、119cm(47in)和132cm(52in)以上的大尺寸液晶电视面板，LED背光的渗透率已在45%左右。预计到2014年，LED 将完全取代CCFL。调查结果，如图1所示。

3　实验设计及结果

图2所示为直下式背光结构。可以看出，LED光源位于背光结构的底部，由反射膜的反作用后向上出光，经过一定的空间混光距离，再由扩散板等光学薄膜调制后出光，因此各光学组件的厚度及LED所需的空间混光距离决定了背光模组的整体厚度。特别是光源及其所需的混光距离，增加了背光结构的厚度，使得采用直下式背光的LCD 外形结构较之侧背光的LCD 要厚重一些。

一般通过使用直下式用的利于光线发散的透镜来改善LED阵列的混光效果，在一定程度上减小了背光模组的厚度，使得采用直下式背光的LCD结构薄型化。同时，较之侧背光结构需使用成本较高的导光板，采用直下式结构只需考虑透镜和扩散板成本，且同等亮度下所用LED数量较少，甚至可以实现超高亮度的性能要求。因此采用直下式背光结构，在成本和能耗上具有明显优势，特别是对于大尺寸的液晶电视，结构厚重的劣势更加不明显，而低成本和低能耗的优势更为突出。

本文设计开发了一款用于半户外液晶显示用的高亮度117cm(46in)直下式LED背光源。按照实际的环境要求，液晶屏的亮度要求在800～1200cd/m2，考虑背光到液晶屏的光效利用率在5.5%左右，则背光源的亮度要达到15000～21800cd/m2。如果考虑外加增亮膜，按1.2倍的增亮效果计算，则背光亮度要求达到13000～18200cd/m2。

背光源的有效发光面积为1　040mm ×596mm，考虑产品所需的总体亮度、单灯LED的亮度以及经过背光组件后的光效利用率，可以算出所需LED数量。再使用软件模拟得出LED阵列的排布方式以及所需的理论混光距离。背光源采用Sharp公司生产的直下式用2828型白光LED，功率在0.45W 左右，典型电流为120mA，发光强度在30lm左右。另外该款LED采用蓝光芯片加红绿荧光粉的封装方式，具有较高的显色指数，同时LED的芯片封装基座为陶瓷材料，易于快速有效地散热。[!--empirenews.page--]

在背光有效区域，LED使用数量为1008颗，阵列确定为42×24的排布方式，如图3所示，将整个LED阵列分成4个驱动部分(由此也方便根据具体需要设计动态驱动控制)，每个部分由21颗LED串联为一组，然后12组LED再通过并联驱动。经过最初的软件按模拟、样品测试及调试，最终确定各LED的排列间距为25mm×25mm，光源阵列的混光距离为25mm。

在LED阵列表面设置一层对应LED排布位置的反射膜，可以正面反射光源出光，使得亮度和出光效率大幅提高。LED阵列出光经过反射膜向上反射后，再经过一层反射板和反射膜的散射作用，可以得到均匀性较好的光源。如果再加一层双层增亮膜(DBEF)，则可以获得更好的增亮效果。

此外，为实现高亮度背光，采用的LED数量较多，功率高达450W 以上，容易产生高温，影响LED光源和液晶屏的正常工作，因此需要较高要求的散热设计。采用的LED光源为陶瓷基座封装，有利于芯片的有效快速散热，电路板选用散热性较好的PCB板材，并在背光源的背板后外加散热片和散热风扇。另外，可以降额使用，在保证亮度前提下，尽量减小LED的工作电流和电压，在不满额的情况下工作，也可以有效缓解其热量过高的问题。

如表1所示，在有效发光区域内，LED阵列的4个驱动部分，在电流1.1A电压68V的条件下，采用9点测量方式的测试结果(没有外加棱镜膜、DBEF等增亮膜材)。

采用直下式结构的另一个优势在于，随着新型LED背光在中大尺寸液晶显示领域的广泛应用，传统的CCFL背光的LCD产品面临淘汰，因此在本项目的高亮度直下式LED背光结构的研发中，可以直接使用市场现有的同类型尺寸的背光框架结构。一方面减少了产品开发所需时间，缩短了生产周期，同时可以降低结构设计和加工的成本。

4　结论

采用中功率高显色指数的LED光源，在不使用透镜发散出光的情况下，通过设计LED阵列的排布方式，以及驱动和散热设计，获得高亮度、高显色画质、均匀性好、低成本、散热好的直下式背光结构。随着LED发光效率和背光技术的不断提升，直下式背光结构在大尺寸液晶显示，特别是具有高显色画质和高亮度要求的液晶显示领域，具有明显的优势和应用前景。（源自：北京大学物理学院　彩虹集团上海蓝光科技有限公司 作者：范曼宁 张国义 郝茂盛 陈云峰）