金沙贵宾会官方平台详解CCFL如何被LED所替代?

照明显示技术的不断发展,让很多过时的技术开始退出或已经消失在历史舞台上。在LED发光显示技术诞生之前,LCD冷阴极荧光灯背光系统是主流的显示屏技术。但随着技术的不断更新,CCFL终究没能在大势所趋中幸存,已经正式被LED技术取代。

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本文将为大家从发展的角度,谈一谈液晶显示器技术中CCFL向LED技术的变迁过程,这种转变类似于晶体管取代真空管,其原因有很多,并且这种转变产生了许多衍生物。转变的基础在于最近白光LED亮度的提高,使得白光LED能够实现对尺寸大于4~6英寸PDA级显示屏的LCD进行背光或端面照光。当然,价格的下降也是导到这种转变的一个因素。

某网吧老板最近遇到一件头痛的事,三年前网吧配置的一批15英寸液晶显示器屏面开始发黄了,有两三台甚至出现明显的闪烁,清晰度大大下降了,无论怎么调节亮度也无济于事。无奈之下,只好让技术人员拆开来检查,才找到“元凶”——背光灯管坏了。

出于环保的考虑

背光模块是液晶器电视必不可少的部件。众所周知,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。背光灯管坏了,不换新的,就意味着整机报废。

说到LED技术的崛起,就不得不提及其在能源环保方面的重要贡献。其兴起的一个重要因素就是欧盟施行的RoHS指令。该指令规定自2006年7月1日起,消除在欧盟成员国销售的电子装置中的铅、镉、汞、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等物质。汞是CCFL灯管和其它类型荧光照明的主要成份。尽管供应商已经降低了其荧光管中的汞含量,并且不含汞的型号正在研讨之中,但LED的额外优势使得CCFL注定要在制造过程中被淘汰。专业从事LCD端面照光技术的Global
Lighting Technologies公司销售总监David
DeAgazio指出,消除汞会给CCFL带来一系列全新的问题。

CCFL 冷阴极荧光灯

LED背光所需功率更低

LCD自身不发光不发光的特性,决定了LCD背光源应用的重要性。从诞生到现在,LCD背光源用的几乎都是冷阴极荧光灯(Cold
Cathode Fluorescent
Lamps)。这种光源寿命较短,在使用2年后,屏幕会逐渐发暗变黄,生产质量差的CCFL背光往往使用不到3年就报废。

此外,很多LCD制造商也指出,绿色效应是推动LCD由CCFL背光转向LED背光的最重要的两项因素之一。另一项重要推动因素是电压。CCFL的交流电压要求相对较高,启动时达到1,500~1,600
Vac,然后稳定至700或800Vac。它们还需要电源逆变器,以通过直流电源工作,这样就增加了应用的成本、占位面积和重量。相比之下,典型的LED背光子系统在12~24Vdc或更低电压下工作,可以去掉逆变器,并且消除电磁干扰。

多年以来,国内外显示器生产厂商为了提升液晶电视的使用性能,无不致力探询和研发新的背光源。目前业界比较看好LED背光技术,并纷纷推出了LED背光电脑显示器,LED背光笔记本,LED背光液晶电视。那么,LED背光的兴起是否意味着CCFL的淘汰呢?

效率和使用寿命比较

本文试从技术与市场需求两个方面进行解析,来回答大家最关心的问题。

虽然LCD技术的进步已经让其寿命得到了很大程度的延长,但随着近年来使用要求的提高,LCD技术的进步已经很难跟随市场的脚步。相比之下,作为备选的LED技术发展相当迅速,且这种技术有一条明确的通向未来发展的道路。

技术解析:LED技术性能大优于CCFL

CCFL和LED在亮度、效率、使用寿命等规格上的比较视供应商的不同而有极大的差别。例如,不同CCFL的额定使用寿命在8,000~100,000小时之间不等,差异非常大。有些信息来源指CCFL的效率最高,其它的信息来源则认为LED的效率最高.

LCD背光模块包括光源(CCFL或LED)、导光板、反射板、扩散板、棱镜、框架等。背光模块导光板常用聚甲基丙烯甲酯制作,作用是将点(线)光源转换为面光源,并使光能导出,它对于光强均匀分配起着十分重要的作用。扩散板由加入有机或者无机颗粒的塑料材质(PET或者PVC)构成,它的作用是将光束引向垂直于LCD面板的方向,并把光能均匀化。棱镜片(膜),能缩小立体角,从而提高亮度,并可以进一步将光束纠正到垂直方向。

但就效率而言,LED和CCFL似乎在所有相关参数上都接近,如发光效率等。不过也存在一些细微差异。例如,对于端面照光应用应该,LED就比CCFL更适合,前者的效率更高。CCFL的发光效率可能比LED更高,但是CCFL是一种散射光源,因此你会浪费掉大量的光。相比之下,LED具有高度方向性,因此容易有效地与光导板结合在一起。

CCFL背光源技术,存在突出的弊端

至于使用寿命,LED和CCFL的半亮时间很大程度上取决于器件的驱动方式。LED具有更高的复杂性,因为适当的散热管理是决定器件持续时间的关键因素。

CCFL的物理构成是在一玻璃管内封入隋性气体Ne+Ar混合气体,其中含有微量水银蒸气(数mg),并于玻璃内壁涂布萤光体。CCFL通过灯管两端的电极,让灯管内的气态汞激发的紫外线碰撞管壁上的荧光粉,从而发出光线。其波长由萤光体物质特性决定。

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CCFL荧光灯管的工作原理

色彩比较

目前液晶电视普遍采用的CCFL光源,无论是从发光原理还是从物理结构上看,都和我们日常使用的日光灯管都非常接近。这种光源具有结构简单、灯管表面温升小、灯管表面亮度高、易加工成各种形状的优秀特性。但是使用寿命绞短,含汞,色域较窄,只能达到NTSC的70%~80%。对于大尺寸电视机屏,CCFL的电压加高和加长管子的加工也有困难。

与玻璃外壳CCFL相比,LED的优势包括其出色的耐用性和较好的颜色提供。CCFL提供的宽光谱与基于整合黃磷光层的蓝色发光二极管的白光LED呈示的光属于同等水平。但是基于窄带三色红绿蓝LED的白光LED与LCD的RGB彩色滤光片最匹配,并且能以最高效率产生最饱和的颜色.

其一,最让人头痛的问题是使用寿命较短。CCFL背光源使用寿命一般为15000小时~25000小时,LCD(尤其是笔记本电脑的液晶屏)使用时间愈长亮度下降愈明显,在使用2~3年后,LCD屏幕就会发暗、变黄,这正是CCFL使用寿命期较短的缺陷所造成的。

CCFL灯管和LED芯片都可以用背光(放在显示器后面)或者端面照光,并且都可以采用多个来增加亮度。LED一般以串的形式呈现在柔性衬底上。这种器件越来越多地用于高端的高清电视中,通过几百个芯片来为显示器进行背光。

其二,限制了液晶显示器色彩的发挥。液晶显示器中每个像素都是由R、G、B三个长方形色块组成,而液晶显示器色彩表现完全取决于背光模块和滤色膜的性能。滤色膜的三基色默认CCFL发出的白光和日光一样均匀(三基色所占的成分),但是CCFL背光模块实际上并不能达到设计的要求,仅能够达到NTSC标准的70%左右。

在对华丽的要求较低、并且比较注重成本的应用中,端面照光有助于尽可能地减少LED数量,从而最大程度地降低成本。随着LED的亮度的增加,这种器件的价格也已经下滑,Maurer表示,现在价格已经降到LED背光子系统与CCFL及其相关逆变器的成本相当的程度。典型的320X240象素5.7英寸彩色LCD目前采用单个CCFL端面照光或者多个LED串来背光,其中每个LED串一般包含大约5个器件。

CCFL与LED的色域范围

直接比较时,作为示例的Kyocera无源LCD采用CCFL可提供380尼特的亮度和2.8W的功率,采用三个每串有7个LED的LED串可提供245尼特的亮度和1.8W的功率。对于有源矩阵LCD而言,其功率相同,而CCFL
LCD和LED LCD可分别发出470尼特和350尼特的亮度.

其三,结构复杂、亮度输出均匀性差。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的背光模组需要搭配扩散片、导光板、反射板等众多辅助器件,但是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。

通过本文的介绍,大家是否对CCFL到LED的演变,与CCFL的历史与为何被淘汰有了一个较为系统的理解呢?从事电子电路设计的过程中,对技术知识的掌握固然重要,但对某项技术的历史也是需要进行一定了解的。

其四,体积较大,功耗不理想。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。

值得注意的是,最近两年国内外厂商针对传统CCFL的弊端作了些改良,似乎都达到了很高的水准,厂家宣传更是说的神乎其神,例如夏普的四波长背光源系统,通过对CCFL灯管中荧光粉性能的改进,使光源光谱成分中的红色表现增强,从而在一定程度上改善色彩还原效果;SONY、三星和TCL的部分产品也搭载了WCG-CCFL-广色域型CCFL光源,使色域范围达到NTSC标准的85%左右;TOSHIBA的智能背光调节技术就是改变了CCFL常亮的缺点,能根据画面智能调节背光源亮度,从而提高了显示对比度。但是这些改进都是有限的,并不能彻底消除CCFL背光源的先天技术缺陷。

LED背光源技术,有突出的性能优势

LED(Light Emitting
Diode)即发光二极管,它诞生于在20世纪60年代。这种能直接将电能转化为光能的发光器件,具备低功耗、高亮度、长寿命的突出特点,在诞生之初就被认定为荧光灯管、灯泡等照明设备的终结者,有人甚至认为它将会开创一个新的照明时代。

白色发光二极管

发光二极管的结构

LED的工作原理和我们常见的白炽灯、荧光灯完全不同。从本质上来说,LED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,P型半导体是一种在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素的晶片,N型半导体是一种在在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素的晶片。

在P型半导体中,空穴(带正电)叫多数载流子,电子(带负电)叫少数载流子。在N型半导体中,电子(带负电)叫多数载流子,空穴(带正电)叫少数载流子。加电后,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。

当LED处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。通过对其中发光材料的研究,人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件。

根据发光颜色的不同,LED可以分为白光LED背光源和RGB-LED背光源。

白光LED技术的优势主要体现在耗电量方面,较广泛地应用于对功耗要求要高的移动设备。RGB-LED背光源色域宽广,主要应用于高端液晶显示器和液晶电视。

RGB-LED背光源,可大幅度提高液晶显示的色彩表现。它通过可以发出高纯度红色、绿色、蓝色光的LED器件,能够实现CCFL光源不能达到的宽广色域范围。目前主流的RGB-LED背光源可以达到105%的NTSC色域范围,如果采用性能更加强大的LED器件,则可以实现120%以上的NTSC色域范围。除了良好的色域表现力,采用RGB-LED光源还可以有效提升液晶电视和高端显示器的对比度,实现更加精确的色阶和层次感更强的画面。

综合来说,液晶显示器LED背光具备三大技术优势。

其一,光源平面化。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成,每个“格子”中都拥有一个LED半导体,这样LED背光就成功实现了光源的平面化。平面化的光源不仅有优异的亮度均匀性,还不需要复杂的光路设计,这样一来LCD的厚度就能做得更薄,同时还拥有更高的可靠性和稳定性。更薄的液晶显示面板意味着笔记本电脑拥有更佳的移动性。例如,SONY采用LED背光的笔记本,液晶显示屏厚度仅有4.5mm。

LED超广色域

其二,在色彩表现力方面,远胜于CCFL。原有的CCFL背光由于色纯度等问题,在色阶方面表现不佳。这就导致了LCD在灰度和色彩过渡方面不如CRT。据测试,采用CCFL背光只能实现NTSC色彩区域的70%左右,即使是通过采用改进型的CCFL光源,也只能达到NTSC等比90%左右的色域范围,从而影响了图像质量。而LED背光却能轻松地获得超过100%的NTSC色彩区域,让液晶显示器真实地还原现五彩缤纷的大自然中的鲜艳色彩。另外,RGB-LED背光还可以有效提升液晶显示器的对比度,实现更加精确的色阶和层次感更强的画面。由于整个背光源由众多微小的LED发光单元组成,所以可以对其中每一个发光器件实现精确的亮度控制,根据原始画面特点进行小区域内的发光亮度修正,例如在一幅明暗对比强烈的画面中,暗部区域的LED背光可以完全关闭,而明亮区域的LED背光实现高亮度输出,由此带来的对比度提升效果是CCFL光源的液晶电视所不能企及的。

LED发出的光纯度非常高

其三,发光寿命远远超过CCFL。普通的CCFL背光源一般的使用寿命在2.5万小时左右,最新的顶级CCFL背光的发光寿命也不过6万小时,在使用寿命末期,LCD的亮度就会明显下降,不得不更换LCD的CCFL背光模组。而LED背光则完全没有这样的问题,现阶段白色LED背光的实际使用寿命为5万至10万小时,与LCD显示屏的使用寿命基本一致,而且还有再次提升的潜力。即使24小时不间断使用,也足够使用5年。

市场解析:短期内LED背光还难替代CCFL

LCD液晶显示技术产生发展至今已经十几年,面板技术应用已经没有障碍,但遗憾的是一直没能完美地解决背光源问题。就目前来看,LED是CCFL潜在的竞争对手,此外还有OLED以及碳纳米管等技术。目前厂家看好的LED,在短期内也不可能取代CCFL。

索尼WCG CCFL技术

厂家不情愿放弃CCFL。LED作为新一代背光源的优势是明显的,从各大厂家争相研发该技术就能看出这一点,不过还存在着LED与LCD究竟谁是主推的疑问,现在真正着力于推广此类产品的厂家很少,所以他们更愿意将该技术用于高端机型上,甚至作为概念产品。这主要是由于各厂家在传统CCFL液晶模组上投入的成本太大,在没有收回成本之前放弃将是一笔很大的损失。目前国内除了海信的一条LED生产线以外,所有的液晶模组都是基于CCFL背光液晶电视,夏普的十代线,也是以传统液晶为主要产品的生产线。

液晶电视成像原理

技术还不成熟。LED背光是一项新兴的技术,和在照明领域遇到的主要问题一样,LED在作为新型背光源的同时,也面临着发光效率的问题。目前传统CCFL冷阴极荧光灯虽然耗电量大、发光质量一般,但是其发光效率可达到50~100流明/瓦,而白光LED器件在刚起步时发光效率仅为20lm/W甚至更低。不过,白光LED的发光效率以每年提高60%的幅度提升,到目前为止,白光LED器件的发光效率突破50lm/W,达到实用化水平。但是这种背光模块只是将CCFL灯管换成了白色LED发光二极管,虽然能够有效延长LCD的使用寿命,但在色彩上对显示效果基本没有提升作用,所以意义不很大。而RGB-LED技术,虽然有着众多的优点,却仍然存在着一些不可避免的局限性。譬如因使用了大量独立的LED器件,点阵排列相当密集,不仅较难保证每一个器件发光的一致性,而且散热也非常不理想,达不到超长的寿命。其二,RGB-LED背光源的发光效率还稍弱一些,目前普遍在到50流明/W左右,最高的也只有70流明/W,要实现和CCFL100流明/W同等级的发光亮度,必然导致功耗的增加和发热量的提升。其次,虽然RGB-LED的色彩纯度较高,但是长期使用后每种LED色彩衰减的幅度并不一致,这也将对画面质量产生较大的影响。

价格阻碍了普及。从理论上,LED发光单元价格并不高,其背光模块成本上要低于CCFL,但是为什么目前上市LED产品价格却高的惊人呢?其关键问题就在于LED背光还不够成熟,虽然LED厂家已经做了很大努力,但比之CCFL,LED背光模块仍存在极大价差。目前LED背光模组零组件的价格为CCFL背光源的5倍左右,屏幕尺寸越大,采用LED背光技术的成本就越高。业界认为,LED背光的真正普及,可能要等到另一个技术发展成熟,即不用彩膜(Color
Filterless),利用场序(Field Sequential
Color)技术实现彩色化。该技术不需要使用彩色滤光片所用的光刻胶来滤光,出光量大,同时所需要的LED个数也少,可有效减少了耗电、降低成本。但这一技术则要求液晶响应速度足够快——只有达到1ms时,才能在R、G、B三色转换下达到3ms的视觉残留,有效消除LCD动画残影。

客观的评价目前的LED液晶显示器市场,无疑是雷声大雨点小,尤其是RGB-LED技术产品。不过,LED技术市场潜在着无限商机,在不断的技术创新中,LED背光将会很快改善散热与发光效率等问题。而成本过高的问题,也将通过大规模的商业化生产,降低到普通用户能接受的水平。据观察,LED产业也存在类似微处理器产业中的“摩尔定律”——每10年,LED的价格为原来的1/10,性能则提高20倍。由此可以预见,随着产能的增加,LED背光源的成本将快速下滑。在将来的几年中,市场上将会大量涌现采用RGB-LED背光源的广色域型液晶显示器,并将成为液晶产品技术再次高速发展的重要契机。

编辑:LC-HY

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