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LED背光源技术成就显示现代化“帝国”之路

发布来源:www.xyhlcd.com   发布时间:2010-9-3

随着09年LED背光液晶显示器的杀入让显示器的选购变得简单起来,LED背光液晶显示器采用了更先进的白LED器件从幅度降低了成本,环保、节能、轻薄的诸多时尚理念赢得了主流消费者的青睐,那么究竟什么事LED背光显示技术?它与传统的CCFL背光相比又有何优势所在?

LED技术的诞生时间很早,1923年,罗塞夫(Lossen.o.w)在研究半导体SIC时有杂质的P-N结中有光发射,研究出了发光二极管(LED:Light Emitting Diode),而这一技术在当时并没有受到足够的重视,直到1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓(GaAsP)半导体化合物,从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。随着技术的进步不同颜色的发光LED器件相继问世,20世纪70年代,由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用而使LED的价格直线下降。

LED以其固有的特点,如省电、寿命长、耐震动,响应速度快、冷光源等特点而在多方面得到了广泛的应用,在体育场馆,大屏幕显示系统可以比赛实况及比赛比分、时间、精彩回放等;在交通运输业,可以显示道路运行情况;在金融行业,可以、实时显示金融信息,如股票、汇率、利率等;诸多商场的大屏广告也是LED技术带来的全新视觉感受。

DIY产业在21世纪初得到了空前的发展,显示器作为重要的显示设备也从CRT、LCD发展到时下炙手可热的LED背光显示器。今天我们就LED显示技术来一同探讨一下。

LED器件发光原理

经过简单的LED发展史介绍之后我们首先需要了解LED发光原理,发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体——晶片的面积为10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前国际上出现大晶片LED,晶片面积达40mil。

其发光过程包括三部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中,当电子经过该晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大,产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应,可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙,从而能够发出不同颜色的光。

LED光源的基本特性

发光效率高

LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦,荧光灯50~70流明/瓦,钠灯90~140流明/瓦,大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50~200流明/瓦,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。

耗电量少

LED单管功率0.03~0.06瓦,采用直流驱动,单管驱动电压1.5~3.5伏,电流15~18毫安,反应速度快,可在高频操作。

使用寿命长

采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。和CCFL光源5万小时的寿命相比,LED原件普遍达到了10万小时左右的寿命,而且在生产的过程中,也不想CCFL要用到会污染环境的水银,同时也更加环保。

安全可靠性强

发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全抵摸:能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。

高色纯度

LED器件发出的光纯度非常高,在光谱上的表现就是光线集中在某一小段波长上。

高响应时间

与CCFL光源毫秒级的响应时间相比,LED光源能够实现纳秒级的响应时间。因此对于改善液晶显示器的拖尾效应,也具有相当的意义。

传统CCFL背光源的缺陷

在揭示CCFL背光源的缺陷之前我们先回顾一下液晶显示器的成像原理。

它是利用在常温下呈液态的有机晶体分子,受电压排列顺序会会发生变化的特性,让背光源发出的白色光由不同状态的液晶分子中透射后,通过RGB三种颜色的彩色滤光膜后实现成像。我们如果靠近液晶显示器的屏幕,会发现液晶显示器是由一个个极小的红、绿、蓝色小点组成。打个比喻,液晶的成像原理就像在窗户后面放一盏灯,通过控制窗户的开关就能实现对光线的控制。

了解了液晶显示器成像原理和LED产品的特性之后,我们回头看当今传统的LCD显示器表现如何,LCD显示器自其诞生至今都无法解决其易产生运动拖尾、对比度差、色域小等先天缺陷。这些都源于CCFL型背光源。

CCFL为何物?

CCFL光源即(Cold Cathode Fluorescent Lamps)冷阴极管。无论是从发光原理,还是从物理结构上看,CCFL光源和我们日常使用的日光灯管都非常接近。都是通过灯管两端的电极,让灯管内由气态汞激发的紫外线碰撞管壁上的荧光粉,从而发出光线。

CCFL光源缺陷一

即便应用在主流的显示器、液晶电视等方面,但它并不是一种最佳的方案。受制于CCFL的技术原理和生产工艺影响,CCFL一般都是管状光源,要实现均匀的背光效果,就要是采用大量的灯管去模拟真正的面光源。而由此带来的高耗电量、高热量十分明显,并且不能实现完美的平面光源。

CCFL光源缺陷二

CCFL光源的寿命只有5万小时左右,而且随着使用时间的增长,光源发出的光线会变得暗淡和发黄。由于液晶电视中背光源只要开机后就一致保持常量状态,这样一来,在使用几年后,液晶电视会发生明显的偏色、亮度衰减的问题。

CCFL光源缺陷三

CCFL的亮度一般都是恒定不变的,即便是液晶分子在全关闭状态,也会有一些光线能从中透射过来,因此目前的液晶电视很难表现出真正的黑色,这也就导致了液晶电视的对比度不佳的缺陷。

CCFL光源缺陷四

CCFL最大的缺陷来自光谱特性上的缺陷。在上文我们已经说过,背光源的发出的白色光线最后要经过RGB彩色滤光膜后才能实现成像,因此背光源发出的白光中R/G/B三原色光的波长(即三原色的纯度)将直接影响到显示器最后的色彩效果。而从这个角度来说,CCFL发出的白光就不是一种光谱特性非常理想的光源。所以目前市面上大部分的LCD显示器只能达到标准NTSC色域标准的60%-78%,色彩效果自然大打折扣。

全新的LED显示技术分析

使用在各种液晶显示设备上的LED光源都是通过大量LED单元平面排列的方式提供大面积均匀的背光源。而根据LED发光颜色的不同,可以分为白光LED背光源和RGB-LED背光源。白光LED技术的优势主要体现在耗电量方面,因此在对功耗要求要高的移动设备上有较广泛的应用,自04年开始就有不少笔记本电脑开始采用这种技术。

LED色域优势

RGB-LED背光源,就是通过可以发出高纯度红色、绿色、蓝色光的LED器件,实现传统CCFL光源不能达到的宽广色域范围。目前主流的RGB-LED背光源已经可以达到105%的NTSC色域范围,而且只要采用性能更加强大的LED器件,目前已经可以实现120%以上的NTSC色域范围。这点对于以还原图像为主的显示器而言,将是一个非常有效的提升画质的手段。

除了良好的色域表现力,采用RGB-LED光源还可以有效提升显示器的对比度,实现更加精确的色阶和层次感更强的画面。由于整个背光源由众多微小的LED发光单元组成,所以可以对其中每一个发光器件实现精确的亮度控制。根据原始画面特点进行小区域内的发光亮度修正变成可能,例如在一幅明暗对比强烈的画面中,暗部区域的LED背光可以完全关闭,而明亮区域的LED背光实现高亮度输出,由此带来的对比度提升效果将是以往采用CCFL光源的液晶显示器所不能企及的。

除了对画质的提升作用,液晶显示器使用RGB-LED光源后,可以实现更薄的厚度和较小的重量,也更加符合“平板”的概念和现代人的审美观。近期BenQ发布的V系列产品中厚度已经控制15mm,未来还有更加轻薄化的可能。

LED目前的不足

虽然RGB-LED技术有着众多的优点,但是在目前的技术水平下,它仍然存在着一些不可避免的局限性。首先,LED背光源中使用到了大量独立的LED器件,因此要保证每一个器件发光的一致性是一个比较难解决的问题,这也导致了过高的废品率和成本负担。其次虽然RGB-LED的色彩纯度较高,但是长期使用后每种LED色彩衰减的幅度并不一致,这也将对画面质量产生较大的影响。

显示革命势在必行

目前我们接触到市面上的LED背光显示器都采用了成本较低的白光LED背光显示器,RGB-LED技术由于其成本问题目前之应用与少数的高端产品中,在环保节能产品普及的之风下,更加轻薄和节能的LED背光显示器无可争议的会取代CCFL背光显示器。

如同LCD在前几年将CRT打入冷宫一样,LED器件10万小时左右的使用寿命和强筋的色彩还原能力都让CCFL汗颜。纳米级的响应时间也为用户的游戏和娱乐提供了绝佳的选择。LED背光显示器凭借其更轻薄、节能、环保等直流消费潮流的要求必然取代CCFL。

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