一种高亮度直下式背光液晶模组设计

研究与试制

一种高亮度直下式背光液晶模组设计

范曼宁1.2,张国义1,郝茂盛2,陈云峰2

(1.北京大学物理学院,北京100871; 2.上海蓝光科技有限公司,上海201210)

摘　要:研究开发了一款高亮度液晶显示用117cm直下式背光模组,光源采用中功率高显色指数的LED,外加直下式用发散透镜结构,背光模组的混光距离为22m m,中心亮度最高可达到26000cd/m2以上,加上液晶屏之后,整个液晶模组亮度可在1500cd/m2以上。通过对LED阵列的混光效果、电路驱动和散热设计,实现了一种具有高亮度、高显色画质、散热好、低功耗的直下式背光方案,为要求高亮度、优良画质的液晶电视、液晶展示屏和广告屏等产品的开发提供了有力支持。

关键词:发光二极管;背光源;直下式;高亮度;液晶显示;液晶模组

中图分类号:TN312+.8 文献标识码:A 文章编号:1005-488X(2011)03-0162-04

A High Light Direct-type Backlight Design for LCD Module

Fan Ma nning1,2,Zha ng Guo yi1,Hao Maosheng2,Chen Yunfeng2

(1.Physics Institute of Beijing University,Beijing100871,C HN;

2.Shanghai Epilight Ltd I RICO Group,Shanghai201210,CHN)

Abstract:A new117cm lig ht direct-type backlight fo r LCD mo dule has been designed,w ith o ptical leng th w ithin22mm and centre lig htness abov e26000cd/m2using middle-pow er,hig h colo r render LED with diffuse lens.The LCM can get to1500cd/m2a bov e w ith open cell.A direct ty pe LCM desig n with features o f hig h lig htness,nice display quality,g ood heat dissipatio n and low-po w er consumptio n is realized by optical effect,circuit drive and thermal design,giving strong support to the product with hig h light and nice display qua lity,such as LCD TV,LCD-Exhibit etc.

Key words:LED(Light Emitting Diode);BLU(Back Ligh t Unit);direct ty pe;high ligh t; LCD(Liquid Cry stal Display);LCM(LCD Module)

引　言

近年来,液晶显示设备(Liquid crystal display 以下简称LCD),例如手机显示屏、笔记本电脑、电脑显示器、液晶电视等,在平板显示市场日渐成为主流[1]。液晶本身不能发光,需要依靠外部光源照射,即背光源来实现其显示功能,特别是在中大尺寸的液晶显示领域,为其提供所有光源的背光模组扮演着十分重要的角色[2]。

液晶背光源常见的主要有冷阴极管(以下简称CCFL)与发光二极管(以下简称LED)两种,最初

第31卷第3期2011年9月

光　电　子　技　术

O PTOELECTRON IC TECHNO LOGY

V ol.31No.3

Sept.2011

收稿日期:2011-08-15

作者简介:范曼宁(1982—),女,博士,主要从事中大尺寸液晶显示用L ED背光源的设计研究;(E-mail:fmn@ch.co https://www.sodocs.net/doc/f46784462.html,)张国义(1950—),男,教授,博士生导师,长期从事半导体物理与器件物理、半导体光电子学、M O CV D生长技术研究;

郝茂盛(1966—),男,博士,主要负责GaN基半导体材料的工艺研究和新品研发。

LED背光主要用于小尺寸的液晶显示,例如手机、数码相机、PDA等。在中大尺寸的液晶显示领域,传统上是采用CCFL背光。随着LED技术和背光技术的不断发展,对大尺寸液晶背光的高亮度要求、散热等问题的解决,LED背光逐渐替代传统的CCFL背光,在电脑显示器、液晶电视等中大尺寸的液晶显示领域崭露头角。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LED光源是最被看好的[3]。

1　技术发展和市场前景

1.1　LED背光技术的发展

作为新型平板显示产品,采用LED背光的液晶显示设备,其性能优势也毋庸置疑,具有宽色域、高色彩饱和度、节能环保、寿命长等很多优点,也更容易实现薄形化设计[4-5]。采用LED背光的一个重要特点是高显色画质,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。出于成本的原因,最初人们多采用蓝光芯片激发黄色荧光粉合成白光的LED 做光源,由于激发的发光光谱中缺少红色波段成分,演色性偏低,限制其在医疗、显示等对色域要求高的领域中的应用。随着LED技术不断发展,人们多采用蓝光芯片加红绿色荧光粉封装的白光LED来取代三基色LED背光,这种情况下的液晶显示的颜色饱和度可以在N TSC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[6]。

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[7]。目前液晶显示市场正朝向薄形化趋势发展,侧光式的背光结构将LED光源侧面放置,容易实现整体结构轻薄化[8]。但光源在边侧入光,要达到所需亮度和实现正面均匀出光,对于光源LED的光效和导光板设计等要求也有所提高。同时侧背光结构不可以采用三基色LED混合获得白光,不能使用局部动态背光控制等技术,使得液晶显示在显色还原性能和对比度上表现有所逊色。

直下式背光技术关键在于色彩和亮度均匀性[9],对于大尺寸液晶显示,特别是要求高亮度和高画质的LCD,采用侧光式背光在均匀性和亮度提升上都受到技术限制,同时加工难度和成本也随之增加,因此人们多采用直下式背光结构。对于大尺寸的直下式背光LCD,其厚度劣势更为不明显,而显色饱和、高对比度、高显色画质等优势更为突出。并且直下式背光无需导光板,且制作工艺较为简单,具有光效利用率提升、低功耗、成本低等优点。考虑到设计难度和成本等问题,人们多采用蓝光芯片加红绿荧光粉封装而成的高显色白光LED作光源,较之侧光式背光,其达到所需亮度所用LED数量减少,功耗降低同时也有利于散热。

1.2　LED背光市场前景

照明应用和液晶电视背光应用是目前LED产业的两大成长动力。据2010—2011年全球LED行业的研究报告指出,背光采用LED的笔记本电脑在2009年还只有59%,在2010年就达到95%。背光采用LED的液晶显示器在2009年只有1.5%,2010年达到15%,预计2012年达到40%。背光采用LED的液晶电视在2010年达到26.9%,而2011年预计将达到55.9%。预计到2014年LED将完全取代CCFL[10]。

据市场研究机构Displa y Search统计,今年第一季全球LED背光液晶电视面板出货渗透率最高的尺寸为127cm及更大尺寸面板,其中,127～137 cm LED背光机种出货渗透率达86%,140～150cm 出货渗透率达82%,152cm以上渗透率为83%。117～119cm LED背光机种渗透率则约54%。102～107cm渗透率为41%。81cm渗透率较低仅18%[11]。

据WitsView对LED背光机种的观察,2011年上半年因面板厂处于量产新的LED机种初期,加上终端需求仍然不佳,渗透率的提升较不明显,但步入下半年后,随着旺季的到来,LED TV需求增温可期,2011年整体LED TV产品渗透率预计可达43%[12]。

2　实验设计及结果

2.1　实验设计

如图1直下式背光结构示意图所示,LED光源位于背光结构的底部,籍由反射膜的反射作用后向上出光,经过一定的空间距离混光后,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。特别是光源所需混光距离,决定了背光结构的

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　第3期范曼宁,等:一种高亮度直下式背光液晶模组设计

厚度,使得采用直下式背光的LCD,外形结构较之侧

背光的LCD 显得厚重

。图1　直下式背光源结构Fig .1　St ruc ture of th e direct ty pe BL U 一般的,光源之上封装有发散透镜来改善LED 混光,在一定程度上减小背光模组的厚度,从而实现直下式液晶模组的薄型化。同时在同等亮度下所用LED 数量较少,或者可以实现高亮度的要求。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117cm 高亮度直下式液晶模组,主要是用于户外和半户外环境,例如地铁站台、办公楼厅前用于信息显示的LCD 展示屏。一般用于室内的LCD 亮度要求一般在350～500cd /m 2左右,但是在户外等使用环境中会受到阳光干涉液晶的显示效果,这种情况下LCD 需要更高亮度的背光来辅助其显示,同时对显色性要求也较高。一般用于半户外环境LCD 亮度要达到800～1200cd /m 2范围内,如果是全户外使用则亮度需达到1200～1500cd /m 2

。要实现高显色性,最理想的是采用直下式三基色LED 背光,但成本太高,可以选用显色指数较高的LED 做背光源,也可以保证LCD 具有较

高的色彩显示性能。该液晶模组的特点即在于其高

亮度和高显色性,按照产品的设计要求,整体液晶模

组的中心点亮度要在1200～1500cd /m 2,按背光到

液晶屏的光效利用率在6%计算,则背光源的亮度至

少要在20000～25000cd /m 2。考虑到产品的高亮度

的要求,需要增加正交棱镜片(简称BEF)以及DBEF

等增亮膜材来提升亮度。光源采用蓝光芯片加红绿

荧光粉的封装方式的LED ,具有较高的显色指数。

由背光源的发光面积、所需亮度值,以及光源

LED 的亮度和透镜的光发散角度,通过软件模拟可

以得出所需LED 数量和排布方式。背光源的有效发

光面积为1040m m ×596m m ,光源采用Sha rp 生产

的直下式用白光LED,典型电流为60m A,电压值在

10.5V 左右,LED 光通量为54lm,外加透镜后光发

散角度在150°左右。另外LED 的芯片封装基座为陶

瓷材料,易于快速有效的散热。

考虑到目前市场提供的背光驱动电源所能提供

的电压电流限值,电压一般设计在100V 左右,电流

1A 之内。LED 阵列的排布方式如图2所示,LED 使

用数量为440颗,阵列确定为22×20的排布方式,排

列间距为49mm ×25mm 。一共设计为44个灯条,每

个灯条有10颗LED,采用两颗LED 串联后五组并联

的方式,则每个灯条的工作电流为300m A ,电压为

21V 。将44个灯条分成四组(12个,12个,12个,8

个),每4个灯条串联后再并联,整体工作电压84V 左

右,电流总共3.3A ,采用四组电源分别提供驱动控

制。LED 阵列的空间混光距离为22mm ,再加上扩散

板和一系列膜片,背光模组的厚度在25～30m m

。图2　L ED 阵列排布的局部图Fig .2　The assig nme nt o f L ED ar ray 164光 电 子 技 术第31卷　

液晶模组的结构图如图3所示,在LED 阵列表

面设置有一层对应LED 排布位置的反射片,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

扩散板和下扩散膜的散射作用,可以得到均匀性较

好的面光源。再经过两层3M 的正交棱镜片的正向

聚光的调制,亮度得到明显的提升。如需要进一步提

升亮度,可以再加一层DBEF 膜片,可以获得更好的

增亮效果

。图3　直下式液晶模组的结构示意图

Fig .3　St ructure o f the direct -type L CM 2.2　主要测试结果如表1所示,在有效发光区域内,直下式背光模组驱动电流为3.3A ,工作电压84V 左右,外加正交棱镜片的条件下,采用13点测量法测得的背光模组亮度结果,其中横纵向位置为以背光有效发光面积的中心点为原点,选取的13个测试点的坐标,亮度的单位为cd /m 2

。从表中结果可以看出,背光源的中心区域已经达到设计要求,如果再外加一层DBEF

来进一步增亮,透过液晶屏后测试整个液晶模组的

中心点亮度可达到1600cd /m 2。

由于本产品设计目标为高亮度,采用的LED 数

量较多,容易产生高温,影响光源和液晶屏的正常工

作,因此需要较高要求的散热设计。首先LED 光源

为陶瓷基座的封装形式,有利于芯片的有效快速散

热。其次电路板选用散热性较好的PCB 板材,PCB

板背面布有散热好的铜质材料,并在LED 阵列下外加导热垫片,以有利于更好的散热。背光模组的背板后还可以外加散热片和散热风扇。此外直下式背光

表1　13点测量方式下背光模组的亮度值(cd /m 2)

Tab .1　BLU luminance value with 13-point measurement 纵向位置横向位置-346.7mm -173.4mm 0mm 173.4mm 346.7mm 198.7mm

24610\24650\2462099.4mm

\25200\25270\0mm

26090\26150\26120-99.4m m

\25180\25240\-198.7mm 24570\24620\24590还可以采用局部动态背光控制驱动,不仅可以明显

降低功耗,有效缓解热量过高的问题,而且可以提升

LCD 显示对比度。

采用直下式结构的另一个优势在于,随着新型

LED 背光技术在中大尺寸LCD 领域的广泛应用,传

统的CCFL 背光LCD 产品面临淘汰,因此在此高亮

度直下式LED 背光研发中,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。3　结　论

在设计过程中,采用中功率高显色指数的LED 光源,以及有利于LED 阵列混光的发散透镜,通过LED 阵列的排布、电路驱动和散热设计,可以获得高亮度、高显色画质、均匀性好、低功耗、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。参　考　文　献[1]　季旭东.LCD 背光源产品的新发展[J].液晶与显示,2002,17(2):119-128.

[2]　赵申苓.液晶显示器背光源驱动优化的探讨[J].液晶与显示,

2006,21(2):165-168.

[3]　Harbers G,Hoelen C G.A high performance LCD back l igh ting using high intensity red,green and blue light emitting diodes [C ]//SID Intl .Symp .Diges t Tech .Papers ,2001:702-706.(下转第170页)

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