LED背光：助力大尺寸液晶电视显华彩

手机应用在引领全球LED产业历经前几年近30%的高增长后，在2005年后增长趋缓，未来增长相对突出的LED应用领域将会以大尺寸面板背光源、汽车外部照明及通用照明等为主。上述三大新新应用领域热点中,通用照明应用因受限于目前LED的发光效率与成本,尚无法普遍产业化；汽车外部照明产业化的进程则需长时间质量验证与相关法令的配合。大尺寸背光模块将成为LED应用中产业化进程最快的领域。

主动式动态LED背光模块图像优化处理示意图


全球2003年大尺寸液晶显示器件总数约为1亿片，到了2005年超过2亿片，预计2007年该数量将进一步扩增至约3.3亿片,其中最主要的应用为电视机、笔记本/台式计算机所使用的液晶面板。随着液晶面板尺寸变大,背光模块占面板成本的比例也随之增加，因此随着大尺寸液晶显示器及电视市场快速成长，背光模块市场规模亦不断提升。根据市场调研机构数据显示，全球大尺寸液晶显示器背光模块市场过去三年平均成长率高达40~50%,产业规模在2005年约为80亿美元, 预计2006年全球大尺寸液晶显示器背光模块市场将接近百亿美元。就应用产品来看，2005年液晶显示器及笔记本计算机用背光模块至少有32%及18%的成长率，而液晶电视用背光模块成长率更是高达75%。
具体来看，采用LED背光源作为大尺寸液晶显示器背光模块,一般而言少则需要数十颗高亮度LED，多则需要超过百颗高亮度LED。若LED背光源能取代部分大尺寸液晶CCFL(冷阴极灯管，Cold Cathode Fluorescent Lamp)背光源，这将是一个每年百亿颗大功率LED的市场，远远超过其它领域对LED的需求，应用前景相当广阔。
LED大尺寸背光模块的优点及发展现状
2006年欧盟的环保法规将导致目前的主流光源CCFL逐渐遭到停用，厂商们必须积极开发新一代环保光源。该类环保光源包括外部电极灯管(External Electrode Fluorescent Lamp，EEFL)、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)及平面光源。其中，LED背光模块具有超长寿命、省电、低操作电压、高显色指数（CRI，Color Rendering Index）、低温操作、反应速度快、符合环保要求等特点，故投入的厂商家数众多，包括韩国三星及LG Philips、索尼、中强光电、奇美、友达、华映等，纷纷先后推出了30英寸以上的LED背光模块样品。
索尼在2004年11月率先推出第一款以LED为背光源的大尺寸(40 及46 英寸)液晶电视QUALIA 005 系列,随后三星电子在2005 年1 月亦发表其自行开发的46 英寸液晶电视，两家公司所使用的皆为美国Lumileds Lighting公司（LLC）生产的LED，40及46英寸电视分别使用了325 及450个LED 模块，每个模块依照所需之显色指数，排列依序为GRBRG 五个LED。在耗电量方面，目前因单颗LED 的亮度仍低，故需使用较多LED 产品，导致耗电量无法与CCFL 灯管相比。以40英寸机种为例，使用CCFL 背光源时其耗电量约290W，但使用LED背光源的耗电量则达470W。此外，因为使用较多的LED/LED组件，上述样品均需额外增加风扇等散热装置，故散热亦是LED 背光源待解决的重要课题。
此后，欧司朗(Osram)公司展示了32英寸LED背光样品，其中使用RGB多芯片封装结构,将整体背光模块厚度减至40mm，色彩表现范围与NTSC规格相比为110％，耗电量降低到140W，同时也摆脱散热风扇的需求。而最引人瞩目的，莫过于三星电子在2005年10月展示的无彩色滤光片的32英寸LCD面板，它以场序方式运作，即是将时间错开依次点亮红、绿、蓝LED。由于不需使用彩色滤光片，进一步削减了成本，该面板采用约数百颗LED做背光，响应速度5ms，分辨率1366×768像素，亮度500cd/m2，对比度1000:1，色彩表现范围为NTSC规格比110％，耗电量进一步降至82W。
但不可讳言,在不断取得进步的同时，大尺寸LED背光源还要面临不少挑战，如：1. LED芯片发光效率的提升与可靠度的改善；2. 大尺寸、高亮度所产生的散热问题；3. R/G/B LED点光源所产生的亮度与色度不均匀；4. 耗电量与成本偏高；5. 驱动控制电路的整合。
技术新趋势: 主动式动态LED背光模块驱动模式
众所周知，LED背光源在色彩饱和度表现上远优于CCFL背光源, 整体色彩表现范围可超过NTSC 100%以上(一般CCFL约为NTSC 70-75%)。但不管是传统CCFL背光源模块，还是目前业界积极研发中的被动式静态LED背光源模块，都仅仅是单纯扮演光源角色,消极提供恒定亮度的均匀光源给液晶显示屏，影像亮度、对比度和画质仅由液晶显示屏控制，对于提升影像对比、画质灰阶层次分布并没有进一步帮助,而且不论影像内容，背光源所消耗功率是固定不变的。


主动式动态LED背光模块模式。
香港应用科技研究院(ASTRI)提出了主动式动态(Active-Dynamic)LED背光模块模式，与静态方案的最大差异在于，整合转换图像信号及彩电电路设计,以主动式及动态方式最优化驱动LED背光源模块。
此项技术结合了图像优化处理技术，依据图像信号的特征，结合LED背光源模块进行RGB亮度调节及液晶面板优化补偿调节驱动。其中包含了两个基本概念：一是面板的RGB灰阶层次分布随着图像内容进行调整，使得图像的RGB灰阶层次更细致，并且由于明暗的对比增强，大幅提升立体感；另一个概念则是整体背光的亮度随着图像内容个别地进行亮度调节，主动式动态背光模块驱动模式所展现并不是一个恒定亮度均匀光源,而是提供一个随图像内容调节的主动式动态的背光源。该模式可以有效解决液晶面板暗室漏光问题，大幅提升图像动态对比度。即使观赏夜晚的星空夜景或烟火等图像内容，黑色的背景仍可维持足够的暗黑感。结合以上两个概念，不论在明亮环境还是暗室里都能显示出细致的灰阶差异与更鲜明的立体视觉，更兼具省电环保的效果。

主动式动态LED背光模块模式。


主动式动态LED背光模块模式在功耗最小化的目标下，预期可有效降低LED功耗30-50%以上(视图像内容而定)，主动式动态LED背光模块的平均功耗将会比传统CCFL背光模块更低,达到省电节能的功效，同时也可有效降低LED热量的产生，有助于减少或取消额外的散热配件,降低整体背光模块的材料及制造成本；功耗降低还将进一步提高LED产品寿命与可靠度。此外，凭借主动式动态驱动电路设计可进一步提升图像画面质量，消除普通液晶屏在显示快速移动物体时的拖尾现象,更重要是可以提升画面对比度，从1000:1突破到大于10,000:1以上，满足未来高清液晶彩电画质及高动态范围(High Dynamic Range, HDR)影像的需求。
大尺寸LED背光模块的开发与产业化需要低成本、高质量、高效率LED外延、芯片、封装技术与高效率LED封装模块散热技术等,因此就技术领域与市场特性分析,在大尺寸LED背光模块庞大市场规模的支撑下，将可带动LED相关产业与技术迅速发展。对液晶电视厂商而言，LED背光源是构成下一代液晶电视竞争力的重要一环,必须充分利用LED光源的独特性,为液晶电视创造出更多的附加值。