液晶显示器背光类型及优缺点（LCD、CCFL、LED）

液晶显示器背光类型及优缺点（LCD、CCFL、LED）

液晶背光显示原理 液晶不同于等离子的最大区别就是液晶必须依靠被动光源，而等离子电视属于主动发光显示设备。目前市场上主流的液晶背光技术包括LED(发光二极管)和CCFL(冷阴极荧光
灯)两类。

冷阴极荧光灯管（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）

传统的液晶显示器都是采用CCFL(冷阴极荧光灯管)背光。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，面板尺寸越大时亮度就越低，仅适合8英寸～15英寸的TFT LCD面板，也就是Laptop、Desktop等个人观赏之用，但在居家观赏的LCD TV大尺寸上面时，侧入式的亮度将难以满足，取而代之的是直落式。

不过，越大尺寸的LCD，其背光模组所占的成本比重就越高，所指的是正是直落式CCFL背光模组，根据统计，同样是使用直落式CCFL背光模组，在15英寸时背光模组仅占整体成本的23％，但是到30英寸时就增至37％，且推估到57英寸时，背光模组所占的成本就会达到50％。所以，直落式CCFL背光仅适合用在30英寸左右的中型尺寸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，相对的其他固体式电子照明（如LED）则无此顾虑。另外，由於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，此有助於成本降低。

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於散热，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，在大寸数的LCD TV上使用CCFL光管，光管的长度也必须因应寸数增加而增长，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、增加背光模组的厚度，甚至是用电增加，根据了解，CCFL背光模组的用电已占LCD TV整体用电的90％之高。所以，改变背光技术是目前改变LCD画质的一个方向之一。

发光二极体（Light Emitting Diode；LED）

既然CCFL背光有诸多的副作用疑虑，因此业界也寻求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，即是高端的大尺寸（40英寸、46英寸）的LCD TV，其背光部分是用WLED所构成，称为WLED背光技术。而对LED背光技术的LCD  Monitor研发目前亦已经到实质性阶段，我们在07年的CES会展上已经可以看到相关产品展示。

LED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的需求水准也低于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。
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用於同一个背光中，此一挑选成本也相当高昂。所幸的是，LED的发光效率还在提升中，目前已可至100 ml/W以上，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，且制造良品率持续进步成熟后，严选光亮特性一致的LED之成本也会降低。

单单改变背光技术或许还不足以引发LCD的革命，那么我们就去看看别的LCD技术发展。OLED (Organic Light Emitting Diode)即有机发光二极体。OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且OLED显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能。但是，目前它的寿命和价格是限制它在 LCD方面发展的瓶颈。

OLED是另外一个受到瞩目的面板应用技术，并且以小尺寸面板的实现期程较早。以客户的计划来看，2008～2009年会有较多的机种问世，但仍以次面板为主，而且即使机种和出货量较现在有明显的增加，市场占有率也不会超过10％。OLED原本因为本身薄，对比、视角、省电等各方面的条件都较TFT- LCD要优秀，一直受到业界的重视，认为将取代TFT-LCD，早几年也纷纷投入研发。然而一方面OLED本身技术遇到瓶颈，寿命问题有待克服；另一方面 TFT-LCD技术持续精进，现在也能够提供优异的对比和视角，致使OLED需求量始终无法大举提升，并且市场不大又供过于求，限于价格竞争；原本投入的业者也难逃解散和缩编的命运。台湾胜华科技过去则转投资成立胜园投入OLED研发，眼看OLED与TFT-LCD无法竞争，尤其成本差异大，规格方面 TFT-LCD已可轻易达到170度的视角、500：1的对比、亮度增加，也可以做薄，反应速度虽然较逊色，但达到人眼可以接受的范围即可。因此胜园也已经收掉，只留下几位研发人员回到胜华做材料的开发。未来OLED的寿命和价格若能大幅改善，仍有机会；现阶段则限於具特殊性、强调要标新立异的产品；量大的时间点还未看到。

而AMOLED（Active Matrix/Organic Light Emitting Diode）主动矩阵有机发光二极体面板（AMOLED）被称为下一代显示技术，包括三星电子、三星SDI、LG飞利浦都十分重视这项新的显示技术。目前除了三星电子与LG飞利浦以发展大尺寸AMOLED产品为主要方向外，三星SDI、友达等都是以中小尺寸为发展方向。从目前成品产品的产品性能表现来看，如果AMOLED成本能够得到有效控制的话，那么，传统的LCD面板技术将受到极大挑战。

AMOLED优点之一：无需背光灯

AMOLED优点之一：色彩饱和度更大

AMOLED优点之一：可以达到IPS或者VA面板的180度可视角度
AMOLED优点之一：有效解决LCD面板动态模糊问题

在上述的四个OLED优点中，我们特别关注第四个产品特点，因为在目前市面所有的台式机液晶显示器中，均无法解决液晶屏幕动态模糊问题。液晶屏幕的动态画面模糊，通常是指画面变换的过程中，发生了边缘轮廓模糊的现象，发生动态画面模糊现象的原因有2个，一个是液晶的响应时间及萤光体残光等，另一个是TFT 驱动，就像Hold方式的影像控制等。

Hold是造成动态画面模糊的主因

所谓“Hold方式”显示方式，就是在一定的时间内显示一个Frame影像，而在电视画面中，这种Hold时间相当于一个垂直周期（16.7毫秒）一般而言，大家都相当清楚，液晶响应时间对于动态画面显示来说是相当重要的，因为以液晶电视来说，一个画面的变换时间大约是16.7ms，所以，液晶电视的反应时间能不能比16.7ms更短，对於动态画面的画面表现来说非常重要。不过，还有一个情况是，即使液晶的响应时间为0ms（这是不大可能及困难的），模糊还是不会消失。这是因为，液晶萤幕是利用“Hold方式”的方法来显示影像的。根据一些实验报告我们可以知道，利用“Hold”方式在萤幕上显示的动画，会在视网膜上左右摇动。这样的摇动随著时间积累，就觉得动态画面模糊了。和改善液晶的响应时间一样，必须开发缩短“Hold”时间的显示方法。根据上述的情况，液晶屏幕所出现的动态画面模糊，不能用长久以来所使用的测定，就是从白到黑及黑到白变化时间的液晶响应时间来表示。

改善因Hold时间引起动态画面的模糊

如果响应时间是0ms的理想控制型液晶面板（Hold时间100％）的情况下，MPRT是16.7ms（频率为60Hz）。Hold时间为50％时，MPRT约为8.3ms；Hold时间为25％时，MPRT为4.2ms。一般的LCD，其MPRT在8ms以下；如果是商用产品对画质要求很高的 LCD，其MPRT可以推测在4ms以下。前面所叙述了MPRT含有液晶响应时间和Hold时间两大要素，因此，如果要在影像的显示品质下，液晶响应时间是希望能够比以上的值更小一些。在改善液晶响应时间的方法中，有OCB、IPS、VA等高速动态的模式，也有Over-drive驱动等等。现在，重视画质的液晶电视已经将这些方法投入生产当中。改善因Hold时间引起动态画面的模糊，有两种方法。一种是配合画面频率来点灭背光灯源，另一种是运用动作补偿技术的倍速显示法。实现第一种具体的方法是，利用背光的闪烁和黑信号的插入。而在这两种技术里，最为引人关注的是动态补偿技术。背光点灭和黑信号插入等的间歇显示法，能够改善动态画面的模糊，并实现起来比较简单。但在大画面、高亮度的情况下，容易产生画面的闪烁不定。相比之下，动态补偿倍速显示法能够在不增加画面闪烁的前提下，改善动态画面模糊，但因为需要大规模的讯号处理电路，所以直到目前还是不容易实现。

日本业者发表利用缩短Hold时间改善画质

在过去的两年里，有相当多业者发表利用缩短Hold时间改善画质的相关技术和产品。例如，有日本业者利用动态补偿高速显示技术，生产的32英寸WXGA液晶电视。方法是利用动态补偿技术，把画面讯号和驱动的画面频率，从一般的60Hz提高到90Hz，将Hold时间缩短到约70％，并使用扫描式背光源点灭方式又缩短到70％，共计缩短了50％。在不增加画面闪烁的前提下，改善了动态画面模糊问题。因为在90Hz下进行背光源点灭，人眼不容易感觉到画面的闪烁。另外，还有其他业者也是采用运动动态补偿技术，将画面频率数提高到120Hz来改善动态画质。

目前主流的LCD的背光灯都采用了使用寿命较短的CCFL(冷阴极荧光灯)，这是LCD的一个硬伤。幸运的是，人们现在找到了它的接班人——LED。
传统CCFL背光的缺陷

在深入了解LED背光技术之前，我们有必要先了解当前的背光技术存在什么问题。我们知道，液晶是一种介乎于液体和晶体之间的物质。液晶的奇妙之处是可以通过电流来改变其分子排列状态，给液晶施加不同的电压就能控制光线的通过量，从而显示多种多样的图像。但液晶本身并不会发光，因此所有的LCD都需要背光照明。目前LCD的背光源几乎都是CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯)。

由于冷阴极荧光灯不是平面光源，因此为了实现背光源均匀的亮度输出，LCD的背光模组还要搭配扩散片、导光板、反射板等众多辅助器件。即便如此，要获得如CRT般均匀的亮度输出依然非常困难。大部分LCD在显示全白或全黑画面时，屏幕边缘和中心亮度的差异十分明显。

除了结构复杂、亮度输出均匀性差之外，采用CCFL作为LCD背光源还有个让人头痛的问题——使用寿命短。绝大部分CCFL背光源在使用2～3年之后亮度下降非常明显(寿命在15000小时～25000小时)，许多LCD(尤其是笔记本电脑的液晶屏)在使用几年后会出现屏幕变黄、发暗的现象，这正是 CCFL使用衰减期较短的缺陷造成的。

与此同时，由于CCFL背光源必须包含扩散板、反射板等复杂的光学器件，因此LCD的体积无法再进一步缩小。在功耗方面，采用CCFL作为背光源的 LCD也无法令人满意，14英寸LCD的CCFL背光源往往需要消耗20W甚至更多的电能。这对笔记本电脑和便携设备来说，它们的续航能力将经受重大的考
验。

为了解决CCFL的这些硬伤，几乎所有的LCD厂商都开始寻找更为优秀的液晶背光源。由于LED有着超低的能耗、极长的工作寿命和简单的结构，迅速获得了LCD厂商的青睐，那么LED究竟是什么东西?它有什么奇妙之处呢？

事实上，LED(Light Emitting Diode，发光二极管)并非尖端科技产品，它在我们日常生活中随处可见:路边色彩斑斓的广告牌、家用电器上颜色各异的指示灯、手机按钮的背光照明、汽车的前大灯等等，都采用了LED作为光源。

LED在20世纪60年代诞生后就被认定是荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者，甚至有人认为LED将会开创一个新的照明时代，最终出现在所有需要照明的场合。LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同，LED从本质上来说是一种半导体器件。

LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体的交界面就会出现一个具有特殊导电性能的薄层，也就是常说的PN结 (PN Junction Transistors)。PN结可以对P型半导体和N型半导体中多数载流子的扩散运动产生阻力，当对PN结施加正向电压时，电流从 LED的阳极流向阴极，而在PN结中少数载流子与多数载流子进行复合，多余的能量就会转变成光而释放出来。LED正是根据这样的原理实现电光的转换。根据半导体材料物理性能
的不同，LED可发出从紫外到红外不同波段、不同颜色的光线。