背光技術支持LCD升級，三大門派大比武

為什么要升級液晶背光源技術

    作為液晶電視產品最重要的內部組件之一，背光源技術的進步一直是支撐整個液晶顯示產業(yè)迅速發(fā)展的重要動力。近年來，隨著更多光源技術的出現(xiàn)，這一領域呈現(xiàn)出眾多的新特點新規(guī)律，彩電廠商也先后推出多種采用新型背光源技術的液晶電視產品，為消費者的選購提供了更多的便利。

    背光源組件是液晶電視重要的“高成本”零組件。在液晶電視中，面板占據(jù)整體成本的60-90%，電視機顯示面積越大，面板成本比例越來。在液晶面板中背光模塊占面板材料成本約15~30%，其中15~17英寸產品約占15~20%，30寸以上則達20%以上。因此，在大尺寸液晶電視中，幾乎四分之一的成本來自于背光模塊。

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    液晶電視的背光源模塊也是液晶電視的“第一耗電大戶”。液晶電視的成像方式是由屏幕像素分子和多層光學薄膜調制背光源發(fā)出的光線，形成色彩鮮明的圖像。在液晶電視的屏幕上，背光源燈光和驅動IC、控制IC、電壓裝置是整臺電視的耗電核心，其耗電量占整機的過一半。

    液晶電視的成像不許依賴于背光源的光線，因此背光源也成為了決定液晶電視顯示性能的重要組件。背光源發(fā)光的亮度、控制頻率、色彩飽和度和色溫等特性都會直接體現(xiàn)在最終彩色電視機的畫面效果上。

    此外，背光源也是液晶電視的第一大損耗部件。就如同我們常見的各種光源一樣，液晶電視的背光源也會有壽命長度和性能指標衰減的問題。目前，液晶電視的標稱壽命時間既是電視機背光源性能衰減至半的時間。

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    由以上分析可以看出，液晶電視機背光源的改進對于整機的壽命、性能、節(jié)能、降低成本等方面均有巨大意義。這也是各主要液晶電視廠家、屏幕企業(yè)和各重要零組件企業(yè)不斷關注液晶電視背光技術進步的原因所在。作為普通消費者，選購液晶電視懂得一些背光源的知識也大有益處。

    09年將是國內平板產業(yè)的節(jié)能年。據(jù)投影時代預測，這一年各大廠商均會把節(jié)能產品作為重點市場方向來推薦，其中，液晶背光源技術的提成將是廠家節(jié)能產品大量推出的技術基礎。采用先進背光源技術的液晶電視將成為09年平板電視市場上最耀眼的明星。

    據(jù)調查顯示，國內不同尺寸規(guī)格的平板電視，整機消耗功率水平參差不齊。以46英寸或47英寸液晶電視最為突出，此類產品整機消耗功率最高為289瓦，最低為171瓦，二者相差118瓦，差值達到40％。導致這一想象出現(xiàn)的重要原因就是這些產品在背光技術上用著不同的選擇。目前液晶電視主要的背光源技術包括冷陰極熒光燈（CCFL）、發(fā)光二極管（LED）、平面熒光燈管（FFL）、外部電極熒光燈管（ExternalElectrodeFluorescentLamp；EEFL）、熱陰極熒光管（HotCathodeFluorescentLamp；HCFL）、甚至是應用納米技術的納米碳管（CarbonNanoTube；CNT）等等。其中，CCFL、HCFL和LED是最重要的光源產品。

液晶背光源技術：冷陰極螢燈管（CCFL）

    LCD液晶電視使用的CCFL（冷陰極熒光燈管）背光源是目前世界上制造最多的產品。從液晶電視到筆記本電腦等所有應用液顯示技術的領域都有它的身影。從全球來看CCFL的廠家不多，主要是日本廠家，包括Harrison-Toshiba照明、Stanley電氣、West電氣、Sanken電氣及韓國錦湖(KumhoElectric)電氣。

    冷陰極螢燈管（ColdCathodeFluorescentLamp；CCFL）是在液晶電視等產品中的廣泛應用得益于這種產品優(yōu)良的光學特性。包括成本、體積和工藝方面的優(yōu)勢，使其在液晶背光源市場長盛不衰。

    冷陰極燈管是在一玻璃管內封入隋性氣體Ne+Ar混合氣體，其中含有微量水銀蒸氣(數(shù)mg)，并于玻璃內壁涂布螢光體，于二電極間加上一高壓高頻電場，則水銀蒸氣在此電場內被激發(fā)即產生釋能發(fā)光效應，放出波長253.7nm的紫外線光，而內壁的螢光體原子則因紫外線激發(fā)而提升其能階，當原子反回原低能階時放射出可見光(此可見光波長顏色由螢光體物質特性決定)。

    液晶電視采用的CCFL熒光燈管要求的光譜主要集中分布在紅（R）、綠（G）、藍（B）三個狹窄的波長范圍內�，F(xiàn)在產品主要采用稀土三波長熒光粉。這種熒光粉具有較強的抗185nm短波紫外光的能力。其中藍粉穩(wěn)定性直接決定燈光的光學質量甚至是燈管的壽命。在CCFL中，一般充人氬氣作為緩沖氣體，為了高效節(jié)能，液晶電視用CCFL常充入氬、氮、氟、氖混合氣體。充入氣體的壓強對燈的亮度、啟動性能和壽命都有很大影響。

    CCFL背光源技術中的有效物質主要是汞金屬蒸汽和熒光粉。其中，汞蒸氣是一種有毒重金屬。如果燈管破裂，則會導致這種金屬的泄露，對環(huán)境造成污染。所以各主要CCFL提供商均有替代性技術研發(fā)。但是，目前為止尚沒有和汞蒸氣的性能和壽命相當?shù)男滦妥贤饩�激發(fā)氣體材料方案出現(xiàn)。

    除了汞蒸氣的有毒問題外，CCFL的管壁長期受到放電刺激產生老化現(xiàn)象也是該項技術的一大瓶頸。尤其是從光管兩端（接近電極的位置處）最先開始。老化會產生讓管壁泛黑泛黃，導致背光亮度與光均性下降，觀賞者也可感受到亮度減弱不均的顯示不佳效果。

    CCFL還是高壓驅動光源產品。為了最大化燈管的壽命和發(fā)光效率，CCFL需要采用交流正弦的波形驅動。因此，CCFL燈管通常需要一個直流-交流逆變器來將直流電源電壓變成40kHz至80kHz的交流波形，工作電壓通常在500VRMS至1000VRMS的高壓工作電流。逆變器也是CCFL技術背光模組重要的成本構成組件。同時高壓工作的特點也使產品檢測和修理的危險性加強。

    此外，進一步提升燈管的發(fā)光效率和三原色的品質上，CCFL技術也遭受到了發(fā)展瓶頸。但是作為最成熟的液晶電視光源技術，CCFL在液晶產業(yè)中的低位暫時尚無人能夠撼動，該項技術依然處于應用的“春天”。

液晶顯示的未來：發(fā)光二極管（LED）

    CCFL光源存在的先天缺陷導致了人們尋找其替代者的努力。其中LED被認為是最可能的方向。被稱為無機發(fā)光二極管的LED技術是基于固態(tài)半導體的發(fā)光器件，具有更好的光學性能和發(fā)光效率。在未來極可能成為人類應用最廣范的光源產品：從電燈到液晶電視，您將在每一個地方看到LED的身影。

    LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管，它誕生于在20世紀60年代。這種能直接將電能轉化為光能的發(fā)光器件，具備低功耗、高亮度、長壽命的突出特點。在本質上，LED是一種半導體部件，它的出現(xiàn)徹底改變了人類光源必須依賴于氣體或者真空從在的現(xiàn)狀。

    LED的工作原理和我們常見的白熾燈、熒光燈完全不同。LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，P型半導體是一種在硅或鍺等半導體材料中加入微量的硼、銦、鎵或鋁等三價元素的晶片，N型半導體是一種在在硅或鍺等半導體材料中加入微量的磷、銻、砷等五價元素的晶片。在P型半導體中，空穴(帶正電)叫多數(shù)載流子，電子(帶負電)叫少數(shù)載流子。在N型半導體中，電子(帶負電)叫多數(shù)載流子，空穴(帶正電)叫少數(shù)載流子。加電后，在P型半導體和N型半導體的交界面就會出現(xiàn)一個具有特殊導電性能的薄層，也就是常說的PN結(PN Junction Transistors)。PN結可以對P型半導體和N型半導體中多數(shù)載流子的擴散運動產生阻力，當對PN結施加正向電壓時，電流從LED的陽極流向陰極，而在PN結中少數(shù)載流子與多數(shù)載流子進行復合，多余的能量就會轉變成光而釋放出來。當LED處于正向工作狀態(tài)時(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。通過對其中發(fā)光材料的研究，人們逐漸開發(fā)出各種光色、光效率越來越高的LED元件。

    在液晶顯示器件的實際應用中，通常擁有兩種LED背光源的使用情況。其一是白色LED光源，其二是以紅綠藍三元色的燈光（RGB-LED）組成陣列構成“白色光源”。前者主要應用在小尺寸產品中，例如手機、筆記本電腦顯示器等，后者是液晶電視常見的LED背光源組成方式。無論那種都具有較傳統(tǒng)CCFL光源更好的色彩性能、亮度性能和產品的安全性。

    RGB-LED背光源，可大幅度提高液晶顯示的色彩表現(xiàn)。它通過可以發(fā)出高純度紅色、綠色、藍色光的LED器件，能夠實現(xiàn)CCFL光源不能達到的寬廣色域范圍。目前主流的RGB-LED背光源可以達到105%的NTSC色域范圍，如果采用性能更加強大的LED器件，則可以實現(xiàn)120%以上的NTSC色域范圍。

    LED光源還是平面化的光源產品。LED背光源是由眾多的LED燈泡（白色的或者三原色的）排列組成，，這樣LED背光就成功實現(xiàn)了光源的平面化。平面化的光源不僅有優(yōu)異的亮度均勻性，還不需要復雜的光路設計，有利于液晶電視厚度做得更薄。

    另外， LED背光還可以有效提升液晶顯示器的對比度，實現(xiàn)更加精確的色階和層次感更強的畫面。由于整個背光源由眾多微小的LED發(fā)光單元組成，所以可以對其中每一個發(fā)光器件實現(xiàn)精確的亮度控制，根據(jù)原始畫面特點進行小區(qū)域內的發(fā)光亮度修正，例如在一幅明暗對比強烈的畫面中，暗部區(qū)域的LED背光可以完全關閉，而明亮區(qū)域的LED背光實現(xiàn)高亮度輸出，由此帶來的對比度提升效果是CCFL光源的液晶電視所不能企及的。

    優(yōu)秀的控制能力，也使得在掃除殘影（GhostShadow；或稱鬼影）以及插黑技術的應用上，LED比其它技術的光源具備更多的應用優(yōu)勢。液晶電視的殘影問題一直是液晶廠家致力于改變的最大難題，尤其在高速動畫（快速改變影像）時拖尾、殘影會特別明顯。目前廠商主要采用插幀的技術（120hz技術）掃除拖尾的影響。這種插幀技術不僅需要液晶驅動來控制，如果和背光源一起來協(xié)調搭配效果則更好。CCFL的原理類似日光燈管，因此在點亮或熄滅時都需要較長的時間（可能是數(shù)毫秒），在明滅動作時間無法更快的前提下，CCFL難以兼顧在畫面更替過程中所需的插幀技術的需要。相較之下，LED能輕松容易地執(zhí)行插幀技術，LED僅需數(shù)微秒即可點亮或關閉，并且能夠支持更快速細膩的調控，達到電視機更好的運動畫面顯示效果。

    在發(fā)光壽命上LED光源也遠遠超過CCFL。普通的CCFL背光源一般的使用壽命在不過6萬小時，在使用壽命末期，LCD的亮度就會明顯下降。而LED背光實際使用壽命為10萬小時，其光學性能衰減也叫為緩慢，能夠滿足長壽命高性能的應用需要。

    其次，LED以固態(tài)形式發(fā)光，不像CCFL以氣體方式發(fā)光，所以有較佳的抗震耐摔性，并且沒有使用汞或其它對環(huán)境有害物質的風險，合乎環(huán)保的需求。LED在制造封裝的過程中，就已經完成對于光源的反射設計，例如裝設反射杯等，光源就已集中在一面顯示。相對地CCFL的光管型光源，在設計背光模塊時，仍需要加裝一片反射板，這樣才能把光管另一面的光源反射運用。整個背光設計更簡單，同時光利用效率也更高。同時，LED采用直流低電壓工作，與采用高壓交流電的CCFL先比也具有一定的優(yōu)勢。

    不過，LED光源技術現(xiàn)一階段還稱不上完美。包括成本、光效率、亮度均勻性控制等難題尚需技術層面的改進。

    LED為點光源性質，不同于線光源的CCFL。應用于背光的LED，需要在光均性的處理上特別講究。為講求光均性，每顆LED的發(fā)光亮度特性，在挑選上也要求一致性。此外，若有某顆LED的壽命先行告終，就會影響光均性，所以必須確保所有的LED都具備長壽功能。如此嚴格的挑選，便使得LED背光的成本攀升。

    再者，LED的發(fā)光效率并不如CCFL，同樣的用電功耗，CCFL擁有較高的亮度與較少的廢熱，但是LED則需要更高的用電才能達到相同亮度，且產生的廢熱多于CCFL。這也使得LED背光模塊的相關設計，經常要考慮到散熱問題，除了要用上散熱片外，甚至會還要加裝熱導管或電動風扇等。這些散熱設計都會增加背光模組的厚度與重量，使得大尺寸相關產品不適合搭配衍生壁掛功能。

    但是，LED技術良好的發(fā)展?jié)摿κ沟脴I(yè)界不遺余力的設法克服上述問題。隨著LED光源技術的不斷提升，已經擁有越來越多的液晶顯示產品采用該項技術。例如各大品牌的頂級產品，紛紛把LED技術看成是提升電視機性能表現(xiàn)的利器。

液晶電視背光源的這種選擇HCFL熱陰極熒光管

    HCFL熱陰極熒光管恐怕是普通消費者最熟悉的東西。我們日常用的日光燈就屬于這一技術領域。目前，更重技術特色的HCFL光源產品廣泛應用在照明、醫(yī)療、光學、化學、科研的領用。HCFL產業(yè)具有龐大的社會需求市場基礎和龐大的供應商體系。

    但是，一直以來HCFL技術均沒有正式登堂入室到液晶電視等液晶顯示產品領域。制約其搶占CCFL產品市場的唯一瓶頸在于“體積”的局限性。作為超薄電視的液晶電視需要的極細的發(fā)光燈管，例如CCFL實現(xiàn)的2到4毫米的直徑，甚至是LED實現(xiàn)的3.5毫米整個背光模組最薄厚度。但是HCFL技術的燈管直徑突破1厘米非常困難，因此被拒之于液晶顯示產品的應用之外。

    09年初，索尼再一次展會上展出了最新采用HCFL燈管背光源產品的電視樣機，并表示將于09年夏天上市。索尼新型的HCFL光源燈管，通過改變燈絲的結構實現(xiàn)了四毫米的燈管直徑，滿足普通大尺寸液晶電視的應用需要。

    制約HCFL在液晶電視上應用的缺陷主要是體積這個僅有的問題，使得部分企業(yè)青睞HCFL產品原因也并不多，僅僅是“能耗”這個唯一的理由。HCFL和傳統(tǒng)CCFL比具有更高的發(fā)光效率。通常同樣的產品亮度能形成三分之一，甚至一般以上的能耗節(jié)省。在具體應用中，亮度更高的優(yōu)點，使得采用HCFL燈管的產品可以采用更少的燈管和直流-交流逆變器，這不僅減少了背光源設計的復雜程度，同時能大打降低成本。

    除了以上的兩點區(qū)別外，由于HCFL進而CCFL技術的原理基本相同，二者在其它方面的優(yōu)缺點也很一致。HCFL在液晶電視產品上的應用，可以看成是LED成本無法大幅下降背景下，廠商為了降低能耗的一種“折中選擇”。在產品的環(huán)保、穩(wěn)定性、色彩性能、可控性等方面，HCFL技術依然不是LED光源的對手。

    除上述外，還有更多針對大尺寸液晶電視所提出的背光源技術，包括平面熒光燈管、外部電極熒光燈管（ExternalElectrodeFluorescentLamp；EEFL）甚至是應用奈米技術的奈米碳管（CarbonNanoTube；CNT）等等。但是由于成本或者壽命方面的原因這些技術均不滿足大規(guī)模實用的需求。

    在消費者選購液晶電視的時候，以上三種已經實用化的技術需要注意的要點并不多。其中CCFL的特點是應用廣泛，HCFL則比CCFL更為綠色節(jié)能，LED則具有節(jié)能、綠色環(huán)保、壽命長、電視機整體性能效果，尤其是灰階和色彩效果更好的優(yōu)點。同時，三類產品由于采用背光源技術的差異，產品價格也有很大不同。其中，LED背光源產品價格普遍較高，普通老百姓很難接收，CCFL背光源技術的產品雖然價格便宜但是功耗也較高，HCFL背光源則是二者間的折中選擇：在保持性價比的同時，實現(xiàn)了更好的節(jié)能性能。