液晶电视用LED背光源的热特性与光色特性之间的关系

液晶电视用LED背光源的热特性与光色特性之间的关系施宇飞;杨洁翔;朱文清;李抒智;马可军;王峰;庄美琳
【摘要】本文研究了温度对LED背光源的影响,发现温度高的地方,LED的亮度衰减较快,且红、绿、蓝三色LED亮度的衰减速度是不一致的,其中红光LED衰减最快,导致LED背光源的色度偏移,色温均匀性变差,严重影响背光源的颜色表现能力.此外,通过对直下式LED背光源的热分布与其亮度和色温变化情况的研究,发现温度较高的地方,亮度衰减得快,色温也上升得快；而侧光式LED背光源的光色分布主要受到导光板的影响,所以不能直观地观察到其与热分布的关联性.
【期刊名称】《照明工程学报》
【年(卷),期】2012(023)005
【总页数】6页(P72-77)
【关键词】LED背光源;老化;热分布;亮度;色度
【作者】施宇飞;杨洁翔;朱文清;李抒智;马可军;王峰;庄美琳
【作者单位】上海大学材料学院,上海200072;上海大学材料学院,上海200072;上海大学材料学院,上海200072;上海半导体照明工程技术研究中心,上海 201203;上海半导体照明工程技术研究中心,上海 201203;上海半导体照明工程技术研究中心,上海 201203;上海半导体照明工程技术研究中心,上海 201203
【正文语种】中文
1 引言
由于液晶本身不发光［1］，因此液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)需要通过外部光源实现透射或反射显示。

现有的LCD大多数是带有背光源的透射型器件，背光源的发光特性将直接影响到LCD显示器件的显像质量［2］。

然而，传统的背光技术存在一些先天不足的缺陷，例如色域狭窄、能源利用率低、功耗较高和寿命短等，而LED具有更好的色彩表现力，寿命更长，节能环保等优势［3］。

但是，LED在发光的同时，也会发热，尤其是对于大功率LED光源来说，温度的影响是不可忽视的［4］～［8］，这也将直接影响到 LED 背光源的出光质量［9］。

我们研究温度对LED背光源的影响，对改善LED背光源的品质具有重要的意义。

2 实验设计
2.1 实验样品
选取4台不同品牌、不同背光源类型的LED液晶电视，通过拆解电视机获取实验所需的LED背光源，具体见表1。

表1 实验样品明细表样品编号品牌尺寸 LED 背光源1国产品牌 32寸直下式RGB 2日本品牌 32寸侧光式3国产品牌 32寸侧光式4上海半导体照明工程技术研究中心自制42寸直下式RGB
2.2 测试设备
2.2.1 BM-7平面光源测试系统
是由日本TOPCON公司生产的BM-7色度亮度计配合自动测试台精确定位进行测试。

BM-7色度亮度计采用三色值过滤［10］的测定方法。

其被广泛用于背光模组的亮度、色度、色温及其均匀性等特性的测试。

2.2.2 红外热像仪
由日本NEC公司生产的H2640红外热像仪，主要用于测试物体表面的热分布情况。

该设备像素高、响应速度快，接近军用级别，对功率型LED器件也能实现温
度分布分析。

2.2.3 高温老化系统
可实现温度实时监控，保持恒温环境状态，样品可在点亮状态下进行高温老化实验。

2.3 实验方案
本实验主要涉及以下三方面测试内容:
(1)保持样品点亮的情况下，对其进行1500小时，50℃高温加速老化实验。

(2)使用BM-7平面光源测试系统，每两周测试一次样品的亮度和色度等光学特性
参数。

(3)使用红外热像仪测试样品稳定工作状态下的热分布情况。

3 数据分析
3.1 LED背光源的亮度、色度衰减分析
4个样品都是在50℃的温度条件下进行高温加速老化测试，但是，由于其品牌不同，LED背光源的生产加工工艺和质量都会有一定程度的差异，所以我们可以看
到4个样品的亮度衰减程度差别很大，只有2号样品出现了明显的衰减。

如图1
所示，是4个样品的1500小时亮度衰减曲线。

图1 亮度衰减曲线
通过给液晶屏不同的颜色信号，我们来进一步研究2号样品的RGB三种颜色的亮度衰减特性。

得到表2，其中，红光的衰减最为明显。

由此可见，不同颜色的亮度衰减速率是不同的，红光衰减最快。

表2 2号样品的RGB亮度维持率亮度维持率红光绿光蓝光30.63% 62.39%
37.94%
不同颜色的亮度衰减速率之间的差异，导致了其老化前后的色度偏移。

如表3所示，它是2号样品老化前后的色坐标。

表3 2号样品老化前后的色坐标色坐标x y老化前0.2743 0.2914老化后 0.2434
0.2163差异(Δ/Avg)12.0% 29.6%
我们研究背光源在高温老化过程中的色温变化，就会发现色温出现了明显上升，如图2所示，它是1、3、4号样品老化过程中的色温变化曲线。

而2号样品的起始
色温就很高，随着老化实验的进行，色温不断升高以至于超出了色度计的量测范围，所以不考察2号样品的色温变化状况。

图2 色温—时间曲线
虽然1号和3号样品的亮度在老化前后没有明显变化，但是他们的色温却明显升
高了，1500小时老化后的色温分别为初始色温的1.4倍和1.7倍。

白光色温的变
化主要是其中的RGB颜色配比出现了变化，色温升高说明红光衰减快，红光的占
比减少所致。

色温均匀性也是反映LED背光源颜色表现能力的一项指标，通过高温老化实验后，我们发现LED背光源不仅色温升高了，而且色温均匀性也趋向于更不均匀，可见
其不同区域的色温变化程度并不一致，见表4。

这里我们引入标准差的概念来评价色温不均匀程度，标准差是反映一组数据离散程度最常用的一种量化形式，标准差越大，说明色温越不均匀，反之亦然。

表4 老化前后的色温均匀性对比样品编号标准差色温均匀性 (MIN/MAX)老化前
老化后老化前老化后1 893 2091 75.19% 57.42%3 1205 3679 73.22%
52.79%4 85 106 93.74% 93.26%
3.2 热分布与亮度、色度之间的关系
图3 4个样品的热分布图
对于侧光式LED背光源来说，其LED灯条所在的侧边会有一个明显的温升，所以整体温度分布很不均匀;而对于直下式LED背光源来说，由于其正常工作状态是竖直放置，因此，即便其LED是均匀排布的，也难以避免顶端比底部热的情况，再
加上电路元件等其他热源的分布不均匀，所以难以实现整个背光源的温度均匀分布。

见图3，是1～4号样品稳定态的热分布。

由热像照片可见，2号和3号样品的LED灯条都是位于LED背光源的底部的侧入式结构，由于他们的亮度分布和色温分布主要受到导光板的影响，所以无法从热分布情况直观地反映出其亮度和色度变化。

而1号和4号样品是直下式背光源，没有导光板的影响，温度分布的不均匀就会直观地以亮度和色温等特性表现出来。

如图4所示，是4个样品的初始亮度分布情况。

从亮度分布图中可以看到，1号和4号直下式LED背光源的亮度分布较为均匀，呈现中间亮度高且平坦，四周亮度低的分布，主要与其LED的排布有关;而2号和3号侧光式LED背光源的亮度分布较不均匀且没有一定的规律性，主要与导光板有关。

图4 4个样品的初始亮度分布图
图5 4个样品的初始色温分布图
如图5所示，是4个样品的初始色温分布情况。

我们发现，1号和4号样品虽然都是直下式LED背光源，但他们的色温分布也有很大差异，大尺寸的4号样品的色温分布相对较平坦;而2号和3号侧光式LED背光源的色温分布主要与导光板有关，所以没有一定的规律性。

结合之前讨论的高温老化前后色温均匀性的变化，参考表4，我们发现老化后，侧光式LED背光源的色温均匀性相比直下式LED背光源来说更不均匀。

而对于不同尺寸的直下式LED背光源来说，大尺寸的4号样品的色温均匀性表现较好。

我们认为，这主要是因为大尺寸背光源的散热性能较好。

下面我们主要研究直下式LED背光源的热特性与光色特性之间的关系。

以1号样品为例，如图6和图7所示，是1号样品老化前后的亮度分布上视图。

中间亮度较高的区域同时也是温度较高的区域，老化后，此区域的亮度出现了明显的衰减，而两边温度较低的地方，亮度几乎没有变化。

图6 老化前1号样品的亮度分布上视图
图7 老化后1号样品的亮度分布上视图
对比1号样品的色温分布三维视图，如图8和图9所示。

老化前，色温分布总体而言较平坦，色温较低;老化后，中间及上部温度较高区域由于受到高温老化的影响，色温出现大幅上升呈隆起状，而下边缘温度较低区域的色温呈现一个向下的陡坡，越靠近边缘，色温就越低。

图8 老化前1号样品的色温分布三维视图
图9 老化后1号样品的色温分布三维视图
4 总结
由于高温会使LED的发光效率降低［11］、光谱波长偏移［12］、荧光粉老化失效等，背光源温度分布的不均匀性会导致不同位置LED发光特性的不同。

温度高的地方，LED的亮度衰减较快，且红、绿、蓝三色LED亮度的衰减速度是不一致的，其中红光LED衰减最快。

因此，不同位置温度不同会导致LED背光源的亮度衰减不均匀，而且使三基色LED的颜色配比出现差异，因而也会引起色差，严重影响背光源的颜色表现能力。

此外，直下式LED背光源的温度分布与其亮度和色温变化情况是基本一致的，温度较高的地方，亮度衰减得快，色温也上升得快，反之亦然。

而对于侧光式LED 背光源来说，其亮度和色温分布主要受到不同导光板的影响，所以不能直观地观察到其与热分布的关联性。

根据相同条件的高温老化实验结果的验证，我们认为直下式LED背光源的亮度和色度表现相比侧光式LED背光源要好，而且对于不同尺寸的直下式LED背光源来说，较大尺寸的LED背光源的亮度和色度表现较好。

参考文献
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