关于LED背光源设计及制造的思考

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总第５９～６０期
ＤａｖｉｄＤｅＡｇａｚｉｏ：关于ＬＥＤ背光源设计及制造的思考
文章编号：１００６－６２６８２００６）（０１／０２－００３０－０４
关于ＬＥＤ背光源设计及制造的思考
ＤａｖｉｄＤｅＡｇａｚｉｏ
（环球照明科技公司，美国布雷克斯威尔）（ＧｌｏｂａｌＬｉｇｈｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｂｒｅｃｋｓｖｉｌｌｅ，ＵＳＡ）摘要：液晶电视中的背光源常常采用ＬＥＤ直射式入射，但是如果采用具有光选择作用（ｌｉｇｈｔ－ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ）的导光板，则可以使用更少的ＬＥＤ灯以获得更薄的背光源。

关键词：液晶电视；ＬＥＤ背光源；导光板中图分类号：ＴＮ３８３文献标识码：Ｂ
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｆｏｒＬＥＤＢａｃｋｌｉｇｈｔｓ
ＤａｖｉｄＤｅＡｇａｚｉｏ
（ＧｌｏｂａｌＬｉｇｈｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｂｒｅｃｋｓｖｉｌｌｅ，ＵＳＡ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｒｅｃｔｂａｃｋｌｉｇｈｔｉｎｇｉｓｔｏｄａｙ＇ｓｎｏｒｍｆｏｒＬＥＤｂａｃｋｌｉｇｈｔｓｕｓｅｄｉｎＬＣＤＴＶｓ，ｂｕｔｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔ－ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｓｗｉｌｌａｌｌｏｗｆｏｒｔｈｉｎｎｅｒｂａｃｋｌｉｇｈｔｓｗｉｔｈｆｅｗｅｒＬＥＤｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＣＤＴＶ；ＬＥＤｂａｃｋｌｉｇｈｔｓ；ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅｓ
发光二极管（Ｌｉｇｈｔ－Ｅｍｉｔｔｉｎｇ－Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）越来越多地被用作按键键盘（ｋｅｙｐａｄ）及平板显示器（ＦＰＤ）的背光源，其中作为手持式小尺寸液晶显示器ＬＣＤ）的背光源已经是众所周知，但是目前业界（正在考虑将ＬＥＤ用作中等尺寸和更大尺寸的ＬＣＤ的背光源，以取代传统的冷阴极荧光管ＣＣＦＬ）。

（
中，往往由设计员优先给出其中的一个或多个参数，作为适当的参考。

１按键键盘背光
当用于智能手机及掌上电脑ＰＤＡ）的按键键盘（薄膜硅胶，还是硬型时，无论这些键盘是导电硅胶、聚碳酸脂，设计人员都会尝试提高它的亮度和均匀性、降低电噪音、减少辅助元件如逆变器）数量，以（降低成本和提高其使用寿命。

２００６
ＬＣＤ设计者及按键键盘的研发人员一直致力
于促进ＬＥＤ的性能及生产和制造的不断进步。

理想的ＬＥＤ的设计参数包括亮度、均匀性、厚度、设计灵活性、效率、功耗、可连接性及易装配性。

在传统设计３０
现代显示ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｐｌａｙ
Ｊａｎ／Ｆｅｂ
收稿日期：２００５－１２－１２
ＤａｖｉｄＤｅＡｇａｚｉｏ：关于ＬＥＤ背光源设计及制造的思考
总第５９～６０期
虽然电致发光ＥＬ）面板很薄而且均匀性很好，（但易受噪音的影响需要屏蔽），需要一个逆变器另（（（一个辅助元件），亮度降低的速度比ＬＥＤ快特别是在白屏的时候），而且总的价格也更昂贵。

因此，ＬＥＤ背光用于按键键盘越来越受欢迎。

许多ＰＤＡ、无线便携式设备以及３Ｇ手机的设计者都已经开始使用直射式ＬＥＤ背光。

ＬＥＤ直接由不需要使用逆变器而电池驱动，因此可以消除噪音、使设计更灵活。

直射式ＬＥＤ背光采用顶发光表面安（装式非聚焦１２０°视角）ＬＥＤ，ＬＥＤ放在相邻两个按键之间如图１（ａ）所示。

此种结构的ＬＥＤ的亮度足够高，但是因为没有均匀地将光导开，只是简单地跟分散的按键配合在一起，所以要求使用大量的ＬＥＤ，以保持良好的亮度均匀性。

对于大量使用ＬＥＤ的背光（源而言，成本及印刷电路板ＰＣＢ）的尺寸变成了关键的问题。

键盘
匀性非常困难。

但是，通过巧妙的光学模拟，现在一些按键键盘设计者可以精确运用导光板的转移特性，使通孔周围的部分光线弯曲，从而得到均匀的背光，如图２所示。

优秀的设计者或制造者使用比直射式ＬＥＤ背光少很多的ＬＥＤ灯可以实现大于８０％的均匀性，而且这种背光的亮斑和黑区较少。

透光孔转换器件
ＬＥＤ光线
图２导光板模组按键键盘的背光光学模拟图，利用导光板转移特性引导通孔周围的光线，可用很少的ＬＥＤ得到很好的均匀性
个人电脑键盘
ＬＥＤ（ａ）直射式ＬＥＤ背光阵列组合键盘
２ＬＣＤ背光
与ＣＣＦＬ背光相比，ＬＥＤ背光更多地用于３．５英寸手机以及类似的装置上。

但ＬＥＤ现或更小尺寸的ＰＤＡ、
个人电脑键盘
模塑成型的导光板（ｂ）模块化ＬＥＤ导光板组合
ＬＥＤ
（在已渗入中等尺寸３．５￣７．０英寸对角线）ＬＣＤ，甚至用于平板电视的更大尺寸ＬＣＤ，这是因为ＬＥＤ有较小的形状系数、色域更宽、寿命更长ＤＣ、（无需逆变器）、驱动设计灵活性更广以及成本更低。

对所有的应用而言，增加亮度和降低成本是关键因素。

全彩显示要求白光ＬＥＤ背光的效率必须比以前高，需要达到的目标是高效率、高性能、成本以低及易装配。

当ＬＥＤ的亮度变高时，设计者必须设法将ＬＥＤ光源产生的亮度向大面积展开，同时保持高亮度和均匀性，以及最小的亮斑和黑区。

ＬＣＤ屏制造商们一致认为，就彩色再现而论，在现有的背光技术中，ＬＥＤ背光提供的性能最好。

新一代高亮度白光ＬＥＤ背光源正被应用于液（晶电视的大尺寸３２英寸或更大）面板中，可以作到２００６
图１在键盘的背光中，模块化ＬＥＤ导光板放在
ＰＣＢ与按键之间，当光线经过通孔到达按键
时，能够起到很好的聚光作用（ａ）。

与直射式背光（ｂ）相比，可以减少ＬＥＤ灯的个数另一个方法是采用模块化导光板的ＬＥＤ背光，使用侧面发光的ＬＥＤ，将光聚焦到一个高性能导光（板中，如图１ｂ）所示。

对于２．５×１．２５英寸的ＰＤＡ产品，在背光中一般需要３０￣５０个通孔，用于光线传输和触发电路板
上的按键电极。

导光板模组技术的主要问题是，光线一般传输到第一个通孔的边缘就中止了，因此要实现光的均
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超过国际电视标准委员会ＮＴＳＣ）要求的色彩再现（范围的１００％，并且能够随意调节白－彩色表现。

白色ＬＥＤ背光不仅可以通过ＲＧＢ三色ＬＥＤ有效地提供比传统ＣＣＦＬ背光更宽的色彩再现范围，而且与很难实现色彩重现的利用荧光粉发光的阴极射线管ＣＲＴ）、（等离子显示器ＰＤＰ）或表面导电电子发（（射显示ＳＥＤ）技术相比，更容易实现色彩重现。

与用在键盘和小尺寸ＬＣＤ的情况一样，液晶电视的设计人员可以在直射式ＬＥＤ背光系统和基于直接发光方法的优点是结构相对地简单，可以提供极好的亮度。

但是必须使用大量的ＬＥＤ灯，确保有非常好的均匀性。

在ＧｌｏｂａｌＬｉｇｈｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｓ（ＧＬＴ）公司，我们采用混光波导和微透镜ＭｉｃｒｏｌｅｎｓＴＭ专利技术开发了小型背光源，用于液晶电视的背光模块，提供（了极好的亮度和均匀性，如图３ｂ）所示。

这种新的波导技术可以使ＬＥＤ背光源比传统的背光源薄一些，并提供了较好的混色性，允许ＬＥＤ灯之间有较大的间隔，这样减少了ＬＥＤ灯的总数量，从而减少了发热。

由于ＬＥＤ变亮，由少数ＬＥＤ组成的背光源就能覆盖较大面积。

因此我们相信，对于液晶电视的设计，混色波导将变得越来越重要。

最终，在设计上将会采取要求更少量ＬＥＤ的侧光背光技术。

在目前ＧＬＴ公司的设计中，ＬＥＤ灯通过混色光导中的凹槽嵌在观察区域内。

液晶显示器和光导分光导是模块化的，可以彼此接开，以利于ＲＧＢ混色。

合从而制成各种尺寸的背光源。

棱镜膜和散射屏散射盘４０ｍｍ￣５０ｍｍＬＥＤ
ＬＥＤ的光提取技术之间选择，后者是使用一种具有光
（提取特性的ｌｉｇｈｔ－ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ）的导光板。

这种导光模块以较薄的形状系数产生的光比直射光亮而均匀。

（用导光模块产生的光与散射光比，多是镜面反射准直）光，因为从导光板发出的光线通过微型发散器调整其发射角度，从而控制入射光线使散射最小。

这种技术可以提供很高的亮度，在一台对角线长为１．５英寸的背光源中，当使用两枚ＬＥＤ灯时，其亮度典型值约为３６００ｃｄ／ｍ，因此所需使用的ＬＥＤ灯很少。

２
对于较大的液晶显示器，例如高清电视ＨＤＴＶ所（）用的那些ＬＣＤ，背光源生产商一直在使用ＣＣＦＬ，采用
ＣＣＦＬ背光的高端液晶电视，亮度可以达到５００ｃｄ／ｍ２。

现在，背光源生产商开始结合制造整套白色高亮背光源的工艺，制造单色红、蓝ＬＥＤ灯，例如ＯＳＲＡＭ绿、
ＧｏｌｄｅｎＤｒａｇｏｎ或者Ｌｕｍｉｌｅｄｓ的ＬｕｘｅｏｎＳｔａｒ管形
ＲＲ
ＬＥＤ灯，亮度可以高达５００～６００ｃｄ／ｍ２。

对于大型液晶显示器而言，对ＬＥＤ背光越来越关注是基于以下几个主要的因素，
包括它的色域较宽，改进设计灵活，因为它是固体器件，因而坚固并且具有极好的混色性、快速响应时间、长寿命、用多性和定制容易等优点。

有多种方法能将这种新型高亮度ＬＥＤ灯应用于大屏幕液晶电视。

传统的方法是把ＲＧＢＬＥＤ单色灯固定在一个导热性良好的电路板上，ＬＥＤ灯与背光观察面的漫散射导光板之间距离３０～５０ｍｍ。

这可以让光有一个宽的发射角，使它能够充分混合以产生均匀的白光，如图３（ａ）所示。

至少有两间制造厂家把未封装的ＬＥＤ芯片直接固定在电路板上，固定后再封装。

对于以大量应用为目标的ＬＥＤ背光生产商来说，组装简便是关键。

现在电视上应用的ＣＣＦＬ背光
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棱镜膜和散射屏
（ａ）
散射盘混光波导板ＬＥＤ
２０ｍｍ或少更
微透镜技术（ｂ）
图３目前液晶电视使用的直射式ＬＥＤ背光源（ａ）和采用混光波导板和微透镜技术的背光源（ｂ）
３背光的组装
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的组装需要大量人力资源，因而一般都在劳动力成本低的国家完成。

如果采用ＬＥＤ背光，则在设计中我们除了考虑性能材料成本因素外，装配问题也值得考虑。

ＧＬＴ在的设计中，一个框架包括所有需要连接的背光元件（图４），一次可组装所有的部件，由底部向上，包括背反射膜、金属或白塑料框架、ＭｉｃｒｏＬｅｎｓ滤光片屏蔽多余的光）和保护膜。

（框架上的两个引脚被用来连接到ＰＣＢ上，柔性电路板可以通过弹性橡胶或者ＺＩＦ简单连接，或者根据需要采用规则的线－线，线－板，板－板ＤＩＮ连接器。

导光板边盖保护膜底光处理膜顶光处理膜反射镜黏合剂机架ＴＭ
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（上接第３７页）
这种方案对显色性的改善效果较明显。

我们采用这
种方案所作的４０００～６０００Ｋ色温的ＬＥＤ光源，显色指数达到了８８．９，接近９０。

但由于所采用红色荧光粉相对亮度较低，对蓝色光吸收多，引起总体光通量下降。

光导、已安
装ＬＥＤ灯的柔性电路板或ＰＣＢ、聚光膜和散光膜、
４结语与展望
采用ＬＥＤ发射蓝色光激发ＹＡＧ荧光粉发光混
合白光的光源，制作工艺简单，成本较低，光效和光通量也有一定的提高空间。

但由于其光谱限制了它的光源质量，添加可发出红光的荧光粉能够改善其背反射板
质量。

需要解决红色荧光粉的发光效率或使用更高光效的蓝色芯片，使之产业化。

散射板
采用Ｒ、、三基色ＬＥＤ芯片装配而成的光ＧＢ源，可以方便地通过调节驱动电源调整色调和显色性。

解决ＬＥＤ芯片的参数一致性问题并继续提高其光学参数水平，将是未来的发展方向。

图４组装一个完整的ＬＥＤ背光，可以简单地将全部所需的部件连接在一个框架之内
由于半导体光电技术的突飞猛进，ＬＥＤ实现了全彩显示，制造出了白光显示器件。

功率ＬＥＤ产品的流明器件不仅在指示、显示领域有更广泛的应用，还有条件逐步向照明应用推进，这是半导体工业应用领域的新
效率超过了白炽灯，光通量也有大幅度的增加，使ＬＥＤ
４结论
对于液晶模块生产商，ＬＥＤ在性能上还会有很大的提高，成本也可以降低。

亮度和均匀性是十分重功率消耗、发热问题、要的前屏参数，但是发光效率、背光整体厚度等也是重要的。

背光设计要实现用少量的ＬＥＤ灯和辅助元件以减少成本，这种区别在更高亮度ＬＥＤ的高亮度的ＬＥＤ出现时将变得很明显。

使用，可以在达到亮度目标的同时减少使用的部件数目。

但随着ＬＥＤ灯间距的不断增大，必须在背光设计中保证可以获得更好的混色效果。

作者简介：ＤｏｗｉｄＤｅＡｇａｚｉｏ，环球照明科技公司全球（销售总监，Ｅ－ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｇｌｔｈｏｍｅ．ｃｏｍ。

深圳天马微电子股份公司李曙新译自ＩｎｆｏｎｗｅｔｉｏｍＤｉｓｐｌａｙ》《
拓展。

同时对产品的性能也提出了新的要求，要求产品这对应用于照明的ＬＥＤ产业化而言，除了要继续改善提高发光效率、光通量、散热和成本之外，还要提高显色性的控制能力和一致性。

ＬＥＤ光源的色温、参考文献化学工业出版社，２００４．不仅有光度学参数测试，还要考核产品的色度学参数。

［１］徐叙瑢，苏勉曾．发光学与发光材料［Ｍ］．北京：
作者简介：李小红１９６０－），女，广西人，毕业于华中（理工大学，现任厦门华联电子有限公司光电事业部总工程师，从事半导体光电子器件的设计与开发，
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２００６
０５／１１）
Ｅ－ｍａｉｌ：Ｌｘｈ＠ｘｍｈｌ．ｃｏｍ．ｃｎ。

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