中功率配合光学设计LED背光源极佳解决方案

编者按：发光二极管用作LCD面板背光源技术现阶段非常热门，要使用什么样的LED模块、光学架构如何设计，怎么样能让发光效率高、颗数少、但又不能够太厚，这些条件成为技术设计上必须trade off的考量点。

         本期CTO技术观即针对上述这些问题，专访巨虹电子光电事业群副总经理谢启堂，他认为在设计上，必须达到最佳混色效果的首要条件，这就要用光学设计技术来克服；现在一般使用高功率（high power）和低功率（low power）的LED，各有一些缺点，但若使用中功率（middle power）LED配合镜片设计，不失为折衷方案，以下会详细说明。另外，他也认为因为价格还太高，大尺寸LCD TV 采用LED背光源时代不会那么快来临，大家可能太乐观了。

价格太高LED背光源大成长再等2年

        LED的亮度持续增加，每23年就有倍数增加的态势，促成了LED现今作为多种发光源的趋势，象是灯具、户外大型广告灯箱、或者本篇谈的LCD显示器背光源等等。

        以发光效率而言，LED较现阶段所使用的冷阴极管（CCFL" target="_blank">CCFL）为低，而且大尺寸LCD面板事实上面临PDP等其它平面显示器的竞争；并且CCFL也不是完全没有未来，欧盟虽然决议依环保考量给予较严格的限制，但汞含量低于5mg还是可以输入。因此，LED作为背光源，其实并没有像市场炒的那么乐观。

        其中最主要的问题还是在价格，以近半年来说，应用在LCD TV背光源的RGBLED，价格都没有什么动，主要是需求量还未起来。依据与日韩主要LCD TV大厂接触的经验，日韩电视大厂多半希望年底可以有接近量产规格的LED背光电视，这显示LED背光是未来TV主流的格局确立，但市场成形需要一段时间，并且量逐渐起来才能使成本下降，进一步带动市场；一般估计，真正LED背光TV市场大成长的启动力量，应该要到2年以后。

multiple chip提高发光效率

        LED的发光效率较差，例如CCFL灯管发光效率约在60100lm/W，白光LED的发光效率，若是Luminade 1W可以驱动40lm/W的发光效率，3W则可以驱动65lm/W的发光效率，可以看出目前白光LED发光效率仍较CCFL逊色。

        不过这也可以用改变芯片架构的方式来改善，例如Citizen就用multiple chip的设计，使得1.2W可以／输出84 lm，而且在不同的封装方式下，3W甚至可以驱动210lm/W的发光效率。这样技术未来也可望使用于R、G、B架构中。

        Multiple chip是什么样的技术架构呢？主要是将原本的芯片割成小块，每颗给予较小的功率，使得个别消耗功率较低、产生热量较小，并且发光效率可以有效提高。Citizen的设计是切割成大约8颗0.2mm×0.2mm的小芯片，并且使用中间4颗，外面4个角包围4颗的方式排列，再封装起来成一个LED模块。

        白光LED的发光效率都较CCFL为低了，R、G、B LED的平均发光效率又较白光低一些，因此提高发光效率也成为研发的方向。

散热问题可解混色技术待突破

        除了发光效率不高以外，散热也是另外一个待突破的问题，不过这应该不是太严重的问题，以现有现成的散热技术就可以解决，只是会有热源处温度高、外围温度低的热度分布不均的问题，若采用 导热管（Loop Heat Pipe）散热技术，则可以均匀分布导热。不过若使用于大尺寸TV，LHP使用量也会随著倍增，价格太高则是届时需要面对的另一个问题。

        至于混色则是较困难的技术障碍，必须将光学做得很好。因为基本上，LED背光板的设计，不会希望使用太多颗数，但若使用较少光源，照出来的亮度又会不均匀，这时就要用光学技术来混光，让光可以张得开，均匀涵盖在更大的照射面积。

         混光的方式也有多种，有些设计是在光源处就先用一些方法先混光，但这样做会浪费能量，不如让光直接射出，然后再用光学方式做混光处理。

        另外值得一提的是，这里谈的LED背光都是采用直下光源（direct type）技术，而不是侧光技术，主要是侧光要利用导光板将点光源转变成面光源，能量耗损较大，不适合应用到很大尺寸的TV面板，而且使用侧光其实技术能力并不高；但使用直下光源既能够发挥LED亮度高的特性，并且输出辉度才足够符合大尺寸LCD TV之需求。

低功率LED电路设计不易控制

        LED背光面板设计上，采用的LED多半以低功率和高功率为大宗，目前台湾和韩国厂商使用低功率较多，日本厂商则使用高功率较多；两者各有优劣，详述如下。

         低功率LED是以20mA／chip来驱动，通常会将R、G、B 3颗LED晶粒封装在一起成为单一模块，使用低功率LED颗数就必须要多，例如40寸面板需要10002000颗，由于LED排列密度高，因此可以在不需特殊光学设计情况下达到较薄的厚度，做到2.53公分不成问题。

        Low power LED的缺点则是，在大尺寸TV应用上，颗数太多了，电路控制不易，而且每颗LED照射区域不重迭，若单一LED在光强或色调上出了问题，看起来会非常明显，因此对LED质量及稳定性的要求相当高。

        High power LED通常使用G、R、B、G成一模块，颗数较少，电路设计较为容易，控制性也较好。配合特殊设计之光学元件照到面板上，能够产生重迭效果，邻近不同的光源模块可互相cover，因此对于LED质量及稳定性的要求相对没有low power要求那么高，甚至于一旦有一颗LED出问题，并不会看得太明显。

        缺点方面，因为要用1W来驱动，发光效率较差，而且容易局部过热，需要散热处理；此外，厚度也不容易降到3公分以内。

区域控制为LED背光源一大目标

        LED背光源除了一般所提到的亮度高、色彩饱合、无汞害及寿命长以外，其实还有一个重要的技术发展，一定要使用LED作为背光源才能实现的，就是区域控制（regional control），这个技术也是推动LED背光源一个很大的意义。现在日韩厂商在LED背光源的开发上，都朝向一定要能做区域控制迈进。

        区域控制要能够控制得细，LED密度就必须要高，high power LED较为分散，若随画面改变而改变光源亮度，影响的区域恐怕过大，这也是high power的另外一个缺点。

        从区域控制细致度，电路控制复杂度及背光厚度多方面评量，其实使用驱动功率为0.5W／颗之middle power不失为一个折衷的方法，，使用颗数不需要像low power那么多，再加上光学镜片的设计后，可以像high power做法一样，能够让光照到的地方重迭，提高LED质量容忍度，并且兼具如low power将背光薄形化之优点。