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LED 光源運用於背光模組之介紹

LED 光源運用於背光模組之介紹. 大綱. 背光模組簡介 LED 背光模組光源 改善 LED 背光模組 的輝度 LED 光源之應用以及與 CCFL 之比較. 背光模組簡介. 背光模組 (Back light module) 為液晶顯示器面板 (LCD panel) 的關鍵零組件之一，由於液晶本身不發光，背光模組之功能在於供應充足的亮度與分佈均勻的光源，使其能正常顯示影像 背光模組的基本原理係將常用的點或線型光源，透過簡潔有效光機構轉化成高亮度且均一輝度的面光源產品。

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LED 光源運用於背光模組之介紹

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  1. LED光源運用於背光模組之介紹

  2. 大綱 • 背光模組簡介 • LED背光模組光源 • 改善LED背光模組的輝度 • LED光源之應用以及與CCFL之比較 平面顯示器期末報告

  3. 背光模組簡介 • 背光模組(Back light module)為液晶顯示器面板(LCD panel)的關鍵零組件之一，由於液晶本身不發光，背光模組之功能在於供應充足的亮度與分佈均勻的光源，使其能正常顯示影像 • 背光模組的基本原理係將常用的點或線型光源，透過簡潔有效光機構轉化成高亮度且均一輝度的面光源產品。 • 一般結構為利用冷陰極管的線型光源經反射罩進入導光板，轉化線光源分佈成均勻的面光源，再經擴散片的均光作用與稜鏡片的集光作用以提高光源的亮度與均齊度 平面顯示器期末報告

  4. 背光模組簡介 平面顯示器期末報告

  5. 背光模組主要光學元件 • 發光源(Light source) • 冷陰極螢光管(CCFL: Cold cathode fluorescent lamp) • 熱陰極螢光管 • 發光二極體(LED: Light emitting diode) • 電激發光片(EL) • 導光板(Light guide plate) • 導引光線方向，以提高面板光輝度及控制亮度均勻，利用疏密、大小不同的微結構圖案設計可使導光板面均勻發光 平面顯示器期末報告

  6. 背光模組主要光學元件 • 反射板(Reflector) • 將漏出的光反射回導光板中，防止光源外漏，以增加光的使用效率。 • 擴散板(Diffuser) • 提供液晶顯示器一個均勻的面光源 • 增亮膜(BEF稜鏡片) • 光自擴散板射出後其光的指向性較差，因此必須利用稜鏡片來修正光的方向，其原理藉由光的折射與反射來達到凝聚光線、提高正面輝度的目的。 • 偏光轉換膜(P-S Converter) • 利用反射偏光板將可通過與不可通過LCD偏光板的光分離，然後利用反射板將反射回來的光轉換成可用的偏光，達到亮度提高的目的。 平面顯示器期末報告

  7. 背光模組主要光學元件 平面顯示器期末報告

  8. 背光模組三大結構 • 側光式(Edge lighting) • 發光源為擺在側邊之單支光源，一般常用於18吋以下中小尺寸的背光模組，其側邊入射的光源設計，擁有輕量、薄型、窄框化、低耗電的特色 • 直下式(Bottom lighting) • 超大尺寸的背光模組，側光式結構已經無法在重量、消費電力及亮度上佔有優勢，因此不含導光板且光源放置於正下方的直下型結構便被發展出來。 • 中空式結構 平面顯示器期末報告

  9. 直下式(Bottom lighting) 平面顯示器期末報告

  10. 中空式結構 資料來源:LCD Intelligence, PIDA整理 平面顯示器期末報告

  11. LED背光模組光源 • 以白光LED來看，由於單一LED晶片的發光頻譜很窄，因此本身無法發出白光，需要藉由一些技巧，來達到白光的目的 • 目前常用的LED背光模組型式可分為四種: • 擬似白光LED • 近紫外白光LED • 單體RGB白光LED • 一體化RGB白光LED 平面顯示器期末報告

  12. 有螢光體之LED光源 • 擬似白光LED 基本上是由藍光LED與黃色螢光體所構成，動作時利用互補原理產生白光，這種型式的LED結構非常單純，而且發光效率很高，因此被當作小型LCD的背光光源，能廣泛應用在行動電話，缺點是紅色成份的強度較弱。 • 近紫外白光LED 它是由可產生近紫外光的LED，與可產生RGB三種顏色的螢光體兩者組合而成，由於是利用RGB三種顏色混合變成白光所以色再現性很高，不過這種白光LED基於紫外光會使封裝樹脂與螢光體劣化等考量，因此必需另外開發抗紫外光的樹脂與螢光體。 平面顯示器期末報告

  13. 有螢光體之LED光源 平面顯示器期末報告

  14. 無螢光體之LED光源 • 單體RGB白光LED 由於單體RGB白光LED可針對各單體LED設計散熱結構，因此較容易獲得高輸出效果，不過RGB單體LED的晶片物理上彼此相隔，所以必需設計專用的導光路，使RGB單體LED的光線能均勻混色變成白光，才能避免背光照明模組變厚。 • 一體化RGB白光LED 一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導光路與背光照明模組厚度限制等困擾，不過施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。 平面顯示器期末報告

  15. 常用的LED背光模組型式 平面顯示器期末報告

  16. 改善LED背光模組的輝度 • 取決於如何將發光層產生的光線取至LED外部，因為光層產生的光線會在元件內部反覆反射，甚至會被元件吸收轉化成熱能 • 主要改善方法有以下三種: • 電極設計 • 導光板設計 • 利用驅動電路降低輝度不均 平面顯示器期末報告

  17. 有效的取出光線-電極設計 • 德國OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著製作凹凸狀電極，藉此改變光線的入射角，達到抑制光線反射的效果。 • 計劃未來將元件上下反轉進行flip chip連接，同時在發光層設置mirror使光線能朝前方集光 平面顯示器期末報告

  18. 有效的取出光線-電極設計 • 日亞化學則是使在藍寶石基板表面形成凹凸狀藉此散亂光線，同時採用網狀電極增加電極部位的取光效率 平面顯示器期末報告

  19. 有效的取出光線-導光板設計 • LED與導光板之間的距離越近，背光模組的輝度越高，構造上當兩者距離等於0，亦即LED貼附於導光板時，LED的光線利用效率最高。 平面顯示器期末報告

  20. 有效的取出光線-導光板設計 • 為了滿足以上結構，設計上必須把握以下幾項重點: • 選用發光面為扁平狀之LED。 • 設法使LED貼近導光板端面。 • LED貼近導光板端面時不可施加額外的外力。 • 此外小尺寸基板除了可提高作業性之外，基板小型化對背光模組輕巧化具有很大的助益。 平面顯示器期末報告

  21. 有效的取出光線-導光板設計 • 右圖為當LED光軸與導光板的中心(板厚方向)不一致時，對背光板面輝度的影響經過模擬分析後的結果。 • 導光板的厚度為(t)，LED光軸偏移量為(d)，LED光軸與導光板的中心不整合率單位為%。由圖可知不整合率越高時，背光板的面輝度衰減越大。 • 設計時必須盡可能選用厚度與導光板相同LED，如此便可防止輝度的損耗衰減。 平面顯示器期末報告

  22. 有效的取出光線-導光板設計 • 射入導光板的LED光線，在導光板內反覆反射，並朝向與入射光相反方向前進，光線反射時部分的光線被導光板表面的微細凸狀網點擴散，再從導光板表面射出成為液晶面板的照明光源，導光板的厚度越薄，導光板內光線的反射次數越多，相對的從導光板表面射出的光線也越強。 平面顯示器期末報告

  23. 有效的取出光線-導光板設計 • 目前導光板的厚度以0.8～1.0mm居多，導光板的厚度越薄除了容易獲得高輝度化效果之外，對可攜式商品的輕巧化具有很好的效果。 • 受到導光板成形技術的限制，上述厚度越將會維持一段 時間。 平面顯示器期末報告

  24. 有效的取出光線-導光板設計 • 為了提高LED的發光效率，利用單晶片LED作為背光模組照明光源已成為目前主流趨勢。 • 下圖是利用單晶片LED從導光板的端面入光的典型結構，這種結構最大特徵是單晶片LED就可獲得良好的輝度均勻性，不過單邊入光位置經過最佳化設計，因此無法利用複數晶片增加輝度。 平面顯示器期末報告

  25. 利用驅動電路降低輝度不均 • InGaN系白光LED特性上順向電壓值(VF) 20mA時為3～4V，它比其它材質的LED高1V左右 • InGaN系白光LED的輝度不均範圍也比其它種類的LED大，尤其是複數LED同時點燈時更容易突顯輝度不均現象 • 改善方法: -事先將LED的順向電壓值 (VF) 區分成不同等級。 -每個LED設置一個限制電流之電阻。 -如此便可將顯輝度不均控制於某種範圍內。 平面顯示器期末報告

  26. 利用驅動電路降低輝度不均 • 當電池的電壓下降時，就無法控制電流變動。雖然行動電話使用的鋰離子(lithium ion)電池的電壓號稱有3.6V，實際上鋰離子電池具有如下圖所示的輸出特性 TYPE1是傳統電池的電壓的衰減特性，由圖可知從4V開始逐漸下降 TYPE2是鋰離子電池的電壓的衰減特性，最初的電壓衰減很小，到了中途便急遽下降 平面顯示器期末報告

  27. 利用驅動電路降低輝度不均 • 如何避開電壓變動的影響，使流入LED之間的電流呈穩定狀態驅動成為重要的課題之一 • 目前常用的LED驅動大致上可分為以下數種方式:-內建升壓型DC/DC變頻器(converter)，輸出電壓 約12～16V(相當於LED並聯時所需的電壓)。-加大電池輸入電壓的動作容許裕度。-設法作定電流輸出。 • LED就不會受到電池的電壓或是LED電壓VF 分佈不均的影響能夠穩定的點燈 平面顯示器期末報告

  28. 背光模組種類與應用 平面顯示器期末報告

  29. CCFL 與LED 的特性比較表 資料來源:工研院IEK-IT IS 提供 平面顯示器期末報告

  30. CCFL & LED Spectra與CIE座標圖 LED與CCFL在CIE色度座標圖上 的顯示範圍(資料來源：Lumileds) 平面顯示器期末報告

  31. CCFL & LED之比較 • CCFL 的光譜經過彩色濾光片後，它的每一種顏色的光譜分佈會落在比較大的範圍內，也就是說在CIE 色度座標圖上RGB 所圍出來的色彩表現分佈比較小。 • 以LED 的光譜分佈而言，它的RGB 分佈相對窄很多，因此經過彩色濾光片，它的每一種顏色的光譜分佈會落在比較小的範圍內，則在CIE 色度座標圖上RGB 所圍出來的色彩表現分佈比較大 。 • CIE座標圖中，RGB LED 所為出來的範圍大於 CCFL，所以LED 的色彩飽和度較佳 平面顯示器期末報告

  32. CCFL & LED色彩比較 平面顯示器期末報告

  33. 結論 • 雖然LED背光模組具備許多優點，可是始終無法普及化，主要原因是LED背光模組的成本居高不下。 • 23吋液晶電視用LED背光模組，如果使用單體RGB白光LED時，2003年的製作成本是傳統冷陰極背光模組的2.5倍。 • LED光源的成本則是冷陰極光源的10倍，使得LED背光模組的優勢只剩下不需使用耐高壓轉換器(inverter)一項而已。 • 為了達成2006年LED背光模組的成本與傳統冷陰極背光模組相同的目標，LED光源的成本必需降至1/6以下，同時大幅提高LED的發光效率減少使用顆數，才能全面取代傳統冷陰極背光模組。 平面顯示器期末報告

  34. 結論 Too Expensive to LED 平面顯示器期末報告

  35. 參考資料 • 電子設計資源網www.eedesign.com.tw • 光電科技雜誌55期2月號 • 新電子科技雜誌 • 機械工業雜誌 平面顯示器期末報告

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