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LCD背光模組設計發展趨勢

分類:聲色場所
2009/06/12 10:16

電視,在眾多家電中,一直是家中使用最頻繁的電器之一,在液晶電視逐漸取代傳統CRT(Cathode ray tube)映像管式電視機後,使用者也逐漸習慣全平面的影視體驗後,液晶電視雖然相較CRT電視機已經達到相當程度的省電效用,但實際上液晶電視的背光設計,不僅會影響實際收視節目品質,也會造成同尺寸液晶電視的耗電量差異,其間的設計技術差異,影響層面卻相對複雜…

雖然數位化的液晶電視,已達到相當程度的省電效用,但隨著使用者對大尺寸螢幕需求越來越高,隨著顯示尺寸增大,液晶電視的耗電量也因此增加,如何達到僅使用有限能源就可兼顧顯示畫質與省電要求,已是各大液晶電視廠商積極研發的重點。

檢視液晶電視整體耗能關鍵,其實會發現,1部液晶電視消耗能源最多的就是背光模組,光是背光模組的能源消耗,幾乎就佔掉整個液晶電視的7成電力消耗,這是以冷陰極燈管背光模組設計為基準的一般數值,若是背光模組的設計總成換成改採相對較省電的LED背光設計,當然能耗即可相對減少許多,隨後將針對不同設計方法,討論液晶電視的節能設計關鍵。


背光模組選用素材不同 省電表現差異大

目前可作為液晶電視的背光發光源的素材並不多,因為液晶電視的被光源要求相當嚴苛,在積極薄化的構型設計下,傳統光源並無法滿足其背光需求,目前使用主流仍以相對技術更成熟冷陰極燈管作為主要背光源設置,而近來極為熱門的LED光源,因為具備啟動速度以ns計、消耗功率低,與更適合薄形化構型設計要求的前提,成為液晶電視的熱門背光源選項。

但目前LED背光源在中、小尺寸如小型電視、筆記型電腦、個人隨身助理、行動電話的應用效益相對較高,因為光省電效用就足以讓設備開發商選擇更省電、耐久的LED背光源。但液晶電視在大尺寸的要求下,LED燈源要做到光源勻稱、演色性豐富…等基本要求,在技術難度上明顯較中、小尺寸設計要解決的技術瓶頸會更多,當然成本差異因面板尺寸更大了,材料成本與構件設計,讓大尺寸面板導入應用的成本增加許多。

LED背光模組礙於光行為點狀放射,需搭配導光、反光等設計強化其應用表現。

改變基本構型 強化發光效能

在導入新技術尚存成本、產品特性…等諸多設計限制尚待克服的前提下,LCD液晶電視的背光源設計,仍可透過簡單的物理構型改變,去達到提昇效能、減低耗電的設計目標。例如液晶電視經常使用的直下型背光模組,在其構型設計就有很大的改良空間,基本構造為在扁平化導光板至於燈管之後,經由底部高度反射的物理現象,儘可能將燈管發出的光源,向前、呈面狀放射發光。

由於燈管與背部的導光板受限於趨於薄化的外觀構型限制,燈管與導光板的距離僅有毫米差異,如此一來,經導光板折射向前的燈光早被燈管本身阻擋好幾成,而燈管本身的實際使用到的發光效率,可能6、7成都不到。

改善的方法很明顯,可以透過將燈管管徑縮小,管徑變小自然會擋到燈管背後折射光線的問題,就會相對減低許多,此外,除燈管管徑縮小外,在燈室(即燈管、反光板構成的模組空間)設計若設置更多深度的反射空間,也能將薄化造成的背光源效能低下問題,更有效的進行改善。

至於觀察目前產品構型無法大幅增加深度空間的情況下,折衷的作法為在燈管背後增設導光菱鏡、強化反光板效能,或是改用更多根燈管處理區域背光,這對背光效能提升都有相當程度的助益,但相對也讓整體設計成本因此略為提升,其中如何權衡得失,就必須看業者的開發經驗而定。

而燈管設計也受其他限制左右,像是直下式經常採用的冷陰極燈管,其使用壽命約為5~6萬小時,而液晶電視對於亮度、對比、色溫…等顯示要求,又比傳統電腦用的液晶螢幕更高,這也相對造成燈管的加速損耗,尤其電視平均使用3~5小時觀察,屬於長時間運作的家電商品,過度密集設置燈管與有限的散熱空間,也會因熱加速液晶電視零件損耗。


利用燈管排布 強化整體效能

以主流的47吋設計液晶電視來說,其背光燈管燈源約為20~25根,而驅動燈管的電源轉換器,以20吋產品為例,約為40瓦特,而其後顯示螢幕每增加1吋則耗能相對增加5~6瓦特,對LCD液晶電視而言,顯示面積提昇就等於耗能大幅增加,若要減少大尺寸面板的顯示能耗,最根本的問題就是改善驅動燈管發光的電子電路的轉換效率。

以冷陰極燈管為例,要想延長其使用壽命,就必須針對背光源的驅動電壓、電子電路近一步強化設計,例如,讓冷陰極燈管的運作環境具備最適化設計要求,燈管距離、散熱空間、驅動電壓…等細節進行強化,而驅動電路也能針對燈管電氣特性予以提供最佳化工作電流、偏壓,讓關鍵零組件的壽命能藉此延長。此外,轉換電路若能全面採用高效率元件,自然在電壓轉換的能源耗損可因此壓低,但這一方面也代表著製作成本將因此變高許多。

除在來源端進行全方位的節能思考外,其實在光源本身的結構設計,也是節能的重要關鍵,若是以一般主流LCD液晶螢幕來說,若是可以做出與同尺寸液晶電視相同光學特性,卻又能減省燈管數量,自然可以省下驅動電路、燈管元件、產品光室空間…等額外成本。

但如何無中生有?其實可以透過物理性的透鏡、反射鏡、增光膜的設置,讓單一燈管的發光效能發揮到極致,若每1根燈管都能發揮即至效用,誰說一定要夠數量的燈管才能驅動同尺寸的面板?


不同管徑材質細節 也會影響實際輸出

而減省燈管的思考方向,也可朝另一方面進行開發,例如,燈管設置目的為在LCD螢幕後背光產生演色效果,而實際的狀況是目前的面板設計透光度有一定的限制,而設計組態中若採用透光度較差的面板,自然整體設計要發揮相同的對比、亮度,就必須朝增設燈管的方向努力,這也造成整體設計的額外浪費。

在LCD液晶電視的設計上,常用燈管有外徑3mm、4mm兩種,其中3mm燈管又有內徑2mm與2.4mm的差異。以內徑來比較,一般內徑愈小在發光效能表現相對較佳,但輝度的持續力似乎又有限制,實際應用若以42吋電視設計觀察,約有100瓦特以上的耗能。若此設計狀態下,重視輝度則會影響壽命,要求延長使用壽命,則又必須在輝度上讓步。


光學膜、增光膜 導光設計多管齊下

觀察LCD液晶電視的省電關鍵,似乎都圍繞在光學物理特性如何採最佳化設計,而新式的設計概念也是為背光模組導入「增光膜」設計。其實「增光膜」並無法無中生有,讓原有輸出僅100%的燈管發出130%的光亮,實際的應用環境裡,燈管的所發出的可見光(波長400~800nm)發光效率可能在玻璃管身已經有部份耗損,實際輸出的光亮並無法達到驅動的100%,再經由不良的光室設計,讓物理光源折射、散射或是阻擋造成或多或少的光損失。而「增光膜」的效用就在於,利用特殊的物理光學特性,儘可能把損失的光源集中於前方、面狀放射。

光學膜的設計概念差異相當大,一般多為PET材料設計,有些特殊設計的反光膜片,業者號稱其可見光反射率可高達98%,幾乎跟鏡子差不多效能,由於PET材質會比採金屬反光板具更佳的設計彈性,例如面板角落或是機板畸零空間的反射需求,就可利用這類光學膜強化,補強部份反光率較差的四周或特殊區域。另1種輔助設計為增設擴散板,目的在於導向光源,讓發光源的輸出能確實傳送到設計期待的位置,一般這類素材多使用高透明度的壓克力、PC、MS、PS、COP…等素材。

常見的直下式設計燈管,多半為直條狀(直管狀),有點像是縮小版的日光燈,新的設計趨勢是改採U型管,透過U型管的較大布管面積,單一燈管可以發揮更大的驅動空間,也可因此減低驅動電路的依賴程度。以32吋12支燈管的設計為例,若直管改成U型管,光源的燈管數就可以用U型兩兩對稱或交錯設置,讓燈管數減少一半,驅動電路設計複雜度自然可以因此減低。雖然採U型管會稱加驅動電路的輸出負荷,但實際增加的幅度並非一倍,而且也能讓整體設計電路因此簡化不少。

CCFL冷陰極管多為直式設計,目前的設計潮流是改採U型管設置,藉以簡化驅動電路設計。
在背光模組的整體設計方面,近來已有日趨專業分工的設計邏輯導入,背光設計不再只是求有即可,在發光光型、效能與物理特性…等多項要求,採專業分工設計。例如,將背光光源的設計採模組化開發,透過菱鏡概念的反光機構,改善燈管受限機構設計限制的光型瑕疵,例如,容易出現光斑、暗斑的液晶螢幕四周,就可以利用特殊折射或散射反光構造,調整燈管光型。

此模組化技術在導入LED背光的趨勢下,更是提升整體發光品質的設計重點。因為LED屬於點狀光源,除透過導光材質,例如壓克力、COP…等素材,將點狀光源儘可能修正為接近面光源,而反光板設置仍需使用大量波浪形底板,將點光源透過多重散射、折射,形成更接近完美的面狀光源,補強LED光源素材的先天條件限制。

超薄型設計近來已成為各大廠技術競爭的重點項目,雖然LCD液晶電視發展到成熟階段,應是減少厚度對於顯示效能並無顯著助益,而平面化設計已能解決如嵌入牆中或是搭配室內裝潢的設計目標,但就是因為越薄的液晶面板越難做,更顯得其技術領先差異。

目前為求薄化設計,原有的光室空間受到巨幅壓縮,可在光室內完成的光型變得更加困難。新的設計是將以往散置於面板底部四周的設計,改成集中在邊框的設計方式,而面板中央部位的背光需求,則以更精密、更高效率的導光、集光設計取代,由於面板正下方少了光室與光源組件,成品厚度自然可以大幅壓低。

薄化設計也有其產品價值,因為光源變成集中在面板四周,如此一來在背光源的汰換、維修,反而比直下式設計更加單純,模組化的組裝方式,也能讓生產成本壓低不少。但目前薄型化設計的LED背光模組單價很高,定位精度與光導角的些微差異,就會影響顯示品質。


EL背光源技術 大廠爭相投入研發資源

而面板背光源除了新世代的LED大受注目外,其實另1股技術勢力正悄然形成,其實除LED具備體積與低耗電優勢外,相對更具體積優勢的EL背光模組,也有不少主力廠商圖入資源進行相關研發。EL背光系統是利用EL燈片與驅動器建構而成,一般EL燈片的厚度僅在0.2mm上下,是由絕緣基底材質上層,塗布特殊壓電發光材料,而發光材料又以利用兩層電極結構組成一發光模組。目前發光材料應用多元,有以硫化鍶、硫化鈣或硫化鋅…等化合物質為主要成份,再搭配如釤、銪、鎂與螢光染色劑,強化發光的光能效率,或藉由不同成份配方,調配出EL燈片不同發光光色、亮度、致動頻率…等燈具電氣特質。

EL燈片對於偏壓的能量、頻率都會有不同的變化,雖然在一般裝飾照明用途可能增加環境情調,但用於LCD背光設計,致使其偏壓發光反應的電子電路穩定性要求,就相對比LED背光設計要求要高更多。EL燈片目前較成熟的技術以可在200V、400Hz下進行燈片驅動、發光,頻率降低則燈色會朝偏綠等比變化?

此外,EL燈片只要基底的絕緣材質具可撓特性,所製成的燈片就相對擁有一定程度的柔軟性,只要電極不至於折損,EL燈片可視背光面的造型需求,任意裁切所需燈源面造型,經過裁切也不會影響燈源各部位發光效能差異。雖說目前光看EL燈片的各項物理發光特質,例如可裁切、捲曲、具柔軟度、為面光源…等特性,應用於LCD背光可創造更多整合設計的綜效,但實際上EL燈片仍有一個致命問題待突破,也就是EL燈騙的發光半衰期問題。

目前EL燈片隨著長時間使用會令其發光效能逐漸變差,雖然EL燈片透過偏壓頻率調控或是增加偏壓也能提升其發光效能,但實際上在EL燈片近半衰期後其發光效率即大受影響,堪用度有限。典型EL發光片的半衰期為5,000小時左右,視偏壓電路設計差異最高可達近10,000小時,一般過高較高的驅動電壓與高頻驅動,都會讓EL燈騙的半衰期更快到來,這與LED動輒數萬小時的壽命來說,EL燈片的耐用度仍需投入更多研發資源近一步強化材質特性。


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