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大尺寸LCD TV之背光技术分析
 2006-12-14

台湾约自1999年、2000年开始投入TFT LCD面板产业,初期以数字相机、口袋电视之用的小尺寸为主,之后进入笔记型计算机用的稍大尺寸,待此两应用领域的市场站稳后,才进一步的往更大尺寸的桌上型计算机用显示器发展。

就直觉来命名,桌上型计算机用显示器当称为Displayer,然而IBM于80年代推行PC时,刻意将显示器称为监督、监视器(Monitor),如此也就一直惯用至今。

数字相机、口袋电视、笔记型计算机为求携带性,因此只能用LCD显示器,没有其它选择,而桌上型计算机用显示器则不然,桌上型计算机用显示器原是用CRT,LCD若要在此市场取代CRT,除了显示本务上的各项特性表现不能落后CRT太多外,价格也是一大关键因素。
 
经过数年的努力,桌上型计算机用显示器的价格跌幅极快,在2000年初投入时,一个15英吋的桌上型TFT LCD显示器的零售还要新台币33,000∼29,000元,如今2006年已到了15英吋停产,17英吋只要6,000元,19英吋也是7,000元有找的价位,至此CRT显示器虽也更低价格因应,17英吋CRT仅在3,000元左右的价位,甚至3,000元有找,但更低的价位也难以阻抵TFT LCD呈为主流的趋势,如今仅有极专业取向、极成本诉求的利基小众市场会持续使用CRT,一般而言都已改用LCD。

在顺利攻占、取代桌上计算机用显示器的市场后,国内面板产业也持续往大尺寸路线发展,然而桌上型计算机用显示器多只要15英吋∼21英吋,如同笔记型计算机只要8英吋∼15英吋,没有更大化的需求,为此国内面板产业看上了另一块新市场,即是家庭客厅用的大尺寸电视(LCD TV)。
 虽然面板产业有了新的目标市场,然而挑战难度似乎也愈来愈高,在数字相机、笔记型计算机市场时并没有其它类型的显示器可与之竞争,然而到了桌上型计算机用显示器时就必须面对CRT的竞争,LCD最终以显示特性强化、价格降低来战胜,如今朝大尺寸LCD TV发展,不仅要面对原有CRT的竞争,甚至还会遭遇PDP,以及其它投影型显示器的竞争,对手类型明显增加。
 
此外,LCD电视化应用的特性要求比桌上用显示器更高,因为要在客厅给众人观赏,所以亮度(日式用语为:辉度)、对比等必须更高,可视角度也要更高,显示的反应速度(也称:响应时间,或日式用语为:应答时间)也必须提升,其它也包括黑色度、色饱和度、色彩表现范畴等多项显示特性。不过,最重要的还是在“成本”,今日29英吋的CRT TV已是一万元新台币有找,而相近吋数的LCD TV仍要27,000元,如此很明显的,除非家庭用户极重视空间精省或用电花费,否则依然会选择CRT TV。
 
所以,LCD为求攻占新目标,求胜秘诀依然在“显示特性”与“价格成本”两项,在此姑且不论特性,单就成本而言,愈大吋数的LCD,其背光模块(Backlight Module)所占的成本比重就愈高,而降低成本又是LCD TV的一大要项。
 因此,现有的LCD TV研制业者都积极针对背光模块部分研拟对策,如何让背光部分的设计更低廉,同时要控制改变所导致的副作用不致过度影响LCD显示器的核心优点(轻薄、省电),为此本文以下将讨论现有LCD TV的各种背光技术,针对其优缺现况与未来推估进行讨论。

冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp;CCFL)
 
CCFL的背光设计主要有两种:“侧入式”与“直落式”,不过侧入式因光导设计使得光折损率较高,进而让背光亮度受限,面板吋数愈大时亮度就愈低,仅适合8英吋∼15英吋的TFT LCD面板,也就是Laptop、Desktop等个人观赏之用,但合家观赏的LCD TV属大尺寸,侧入式的亮度将难以满足,取而代之的是直落式。
不过,前面说过的:“愈大吋数的LCD,其背光模块所占的成本比重就愈高……”,所指的是正是直落式CCFL背光模块,根据统计,同样是使用直落式CCFL背光模块,在15英吋时背光模块仅占整体成本的23%,但是到30英吋时就增至37%,且推估到57英吋时,背光模块所占的成本就会达到50%。
 
所以,直落式CCFL背光仅适合用在30英吋左右的中型尺寸LCD TV,不适合用在更大面积的设计上。同时,CCFL是运用水银气体放电来产生照明,虽然目前欧盟订立的RoHS规范,只要对“水银”剂量在标准以下仍可接受,但无人能保证日后可能将标准提高至零含量(完全不准使用),届时CCFL将无法使用,或必须改行无汞式CCFL。
 
即便无汞式CCFL在技术上可行,但CCFL依旧是密闭光管性的气体放电式电子照明,光管对外力的抗受性有限,较大的冲撞将使光管破裂,使照明失效,相对的其它固体式电子照明(如LED)则无此顾虑。另外,由于直落式不需要用导光板,也较无光折损问题,所以也不需要增亮膜,特别是增亮膜属少数业者的专利技术,价格昂贵,直落式可以省去导光板与增亮膜,此有助于成本降低。
 
不过,直落式CCFL也有其缺点,为了提升画面亮度,必须增加光管数目,然光管过密排置的结果将不利于散热,既然左右相间的距离空间缩减,只好从厚度层面来增加散热空间,然而厚度增加也等于部分抵损LCD TV的优点:轻薄。
 
附带一提的是,在大吋数的LCD TV上使用CCFL光管,光管的长度也必须因应吋数增加而增长,然而较长的CCFL光管,其光管的中间位置与两端将容易产生亮度MURA与色MURA的问题,进而影响背光的光均性,为了持续保持光均,则必须用上扩散膜来强化光均度,但扩散膜也会带来光透率的折损,使亮度减低,亮度减低的结果只好以增加光管数的方式来补强,但就如前所述:增加光管将更难设计散热、增加背光模块的厚度,甚至是用电增加,根据了解,CCFL背光模块的用电已占LCD TV整体用电的90%之高。

发光二极管(Light Emitting Diode;LED)
 
既然CCFL背光有诸多的副作用疑虑,因此业界也苦思各种新背光实现技术,而LED则是可行方案之一,如Sony的Qualia系列电视,即是高阶的大尺寸(40英吋、46英吋)的LCD TV,其背光部分是用WLED所构成,称为WLED背光技术。
 
WLED背光有多项好处,首先是固体式电子照明,对冲撞的抗受性高于CCFL,且没有汞气体的环保法规顾虑,没有UV紫外线外泄顾虑,同时在色彩饱和度及寿命上都超越CCFL,另外LED只要正向电压即可驱动,不似CCFL需要交流的正负向电压,即便是只论正向驱动电压,LED的需求准位也低于CCFL。

再者,LED的亮度只需用脉波宽度调变(Pulse Width Modulation;PWM)方式就可调节,并可用相同方式来抑制TFT LCD显示上的残影问题,然而CCFL的亮度调节就较为复杂,且无法抑制残影,必须以另行方式才能抑制。当然!并非一定要使用WLED才能实现白色的背光,也可以用红光LED、绿光LED、蓝光LED等三原色来组合成白光,效用与WLED相同。
 
虽然LED背光有诸多优点,但也有其缺点,首先是发光效率,以相同的用电而言,LED并不及CCFL,因此散热问题会比CCFL严重,此外LED属点型光源,与CCFL的线型光源相较实更难控制光均性,为了达到尽可能的光均,必须对生产出来的LED进行特性上的精挑严选,将大量特性一致(波长、亮度)的LED用于同一个背光中,此一挑选成本也相当高昂。
 
所幸的是,WLED的发光效率还在提升中,目前已可至100 ml/W,如此色彩饱和度可以更佳,以及让背光的WLED排置更宽松,进而让用电与散热问题获得舒缓,且制造良率持续进步成熟后,严选光亮特性一致的LED之成本也会降低。

平面荧光灯管(Flat Fluorescent Lamp;FFL)
 
除了CCFL与LED外,南韩的三星电子(Samsung Electronics)与三星康宁高精密玻璃公司(Samsung Corning Precision Glass;SCP)合作,共同研究开发出FFL背光技术,并已实际用在32英吋的量产商品中。
 
FFL背光技术的好处在于只要单一灯源,单一灯源只要一个反流器(Inverter)便可驱动,相对于CCFL需要多组反流器,可以省下较多的用料成本,且FFL为面型光源,光均设计上比CCFL、LED都来得容易,且亮度充足,不需使用价昂的增亮膜,此也同样有助于降低成本。
 
更重要的是,FFL在组装程序上相当容易,无论是在背光模块的构成组装,还是在LCD TV成品的构成组装,都可用全自动化的生产流程来执行。此外德国欧司朗Osram的FFL技术还以其它惰性气体来代替汞,如此更能符合环保规定。

外部电极荧光灯管(External Electrode Fluorescent Lamp;EEFL)
 
EEFL背光技术是由LG. Philips所提倡,同样也已经用于实际的量产商品上,EEFL的首要优点是反流驱动器的数目缩减,过往直落式CCFL背光的作法,是每个荧光灯管都要对应一个反流驱动器,然而改采EEFL作法则可缩减反流器的数目,约可减少2个∼4个,使用料成本降低,同时也有助于提升生产良率。
 不过,EEFL的益处目前有其范畴性,即是反流器的缩减仅适合于30英吋∼40英吋间,若在更大吋数的设计中使用EEFL技术,反而会使反流器的需求用数增加,甚至增加反流器的热度(不利于散热与用电效率)。

热阴极荧光管(Cathode Hot Fluorescent Lamp;HCFL)

LED型的电子照明与背光技术给予传统光管式照明、光管式背光很大的压力,而Philips一直是光管照明技术的一大领导业者,虽然近年来也投入参与WLED照明技术,但另一方面也仍持续加码其光管技术,因此由Philips集团下的照明事业群提出了HCFL的背光技术。
 HCFL的首要优点也在于光管数的缩减,在相同的画面尺寸下,传统CCFL的背光守法需使用12根∼16根光管,相对的HCFL却只要11根,且色饱和度方面也有大幅的进步。可惜的是其功耗过大,此方面仍需极大的改进强化。

奈米碳管(Carbon Nano Tube;CNT)

最后,还有一种未来相当具看好性的背光技术,此即是奈米碳管技术,奈米碳管一样实行放电方式来产生背光照明,且其放电不需要倚赖惰性气体,能以真空方式进行放电,如此就比使用惰性气体取代汞的FFL还要更具环保性,此外低成本、低用电、轻薄等也都是其优点,不过其光均性与点亮驱动等方面仍不够稳定。

 
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