液晶顯示器CCFL與LED背光技術(shù)之析

王曉泓

筆者近來接觸不少機(jī)關(guān)企業(yè)信息化終端顯示設(shè)備，發(fā)現(xiàn)諸多錯(cuò)把LCD液晶顯示器CCFL、LED背光技術(shù)與LCD、LED顯示器混為一談，甚有液晶顯示器正面貼著“LED”標(biāo)簽，反面卻又標(biāo)著“LCD”，因此撰寫此文，與諸位讀者共探討之。

一、LCD(Liquid Crystal Display)液晶顯示器

(一)何謂液晶(liquid crystal)。液晶是物質(zhì)除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外存在的第四態(tài)，是分子晶體介于固體和液體之間的物體，兼具有液體的流動(dòng)性和晶體的光學(xué)各異向性。1889年，德國(guó)物理學(xué)家萊曼發(fā)現(xiàn)了這種物質(zhì)具有多種彎曲性質(zhì)，認(rèn)為這種物質(zhì)是流動(dòng)性結(jié)晶的一種，這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性，于是萊曼將其命名為“液態(tài)晶體”，由此而取名為L(zhǎng)iquid Crystal即液晶，這就是“液晶”名稱的由來。液晶材料一般可以分為熱致液晶和溶致液晶。1973年日本的夏普公司首次將它運(yùn)用于制作電子計(jì)算器的數(shù)字顯示(見圖1)，這也是為何我們稱夏普為“液晶之父”的原因，標(biāo)志著液晶顯示技術(shù)正式進(jìn)入應(yīng)用階段。

(二)液晶的物理特性。液晶是部分有序，各向異性液體，介于三維有序固體和各向同性液體之間，從分子序來看，液晶分子具有一維或二維長(zhǎng)程有序。這些晶體分子的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點(diǎn)：當(dāng)電流通過液晶層，這些分子將會(huì)以電流的方向進(jìn)行有秩序的排列，使光線容易通過；不通電時(shí)則排列混亂，阻止光線通過，使液晶如閘門開關(guān)般地阻隔或讓光線穿透。

至于液晶分子中的電子結(jié)構(gòu)，都具備著很強(qiáng)的電子共軛運(yùn)動(dòng)能力，所以當(dāng)液晶分子受到外加電場(chǎng)的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性，這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應(yīng)，藉由外部的電壓控制，再通過液晶分子的折射特性，以及對(duì)光線的旋轉(zhuǎn)能力來獲得亮暗情況，進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。用于液晶顯示器的液晶分子結(jié)構(gòu)排列類似細(xì)火柴棒，稱為Nematic液晶，采用此類液晶制造的液晶顯示器也就稱為L(zhǎng)CD(Liquid Crystal Display)。

(三)LCD液晶顯示器的基本工作原理(見圖2)。LCD顯示器，也稱液晶顯示器英文全稱為L(zhǎng)iquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術(shù)來實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無(wú)須考慮刷新率的問題。

LCD顯示屏是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)(見圖3)，從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，好像一塊“三明治”，液晶面板由兩塊精致的無(wú)鈉玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀液晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面，其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏周邊都設(shè)有背光源(CCFL或LED)，同時(shí)在液晶顯示屏背面有一塊背光板和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的，可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。

背光板發(fā)出的光線在穿過偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬(wàn)水晶液滴的液晶層，液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素，而這些像素可以是亮的，也可以是不亮的，大量排列整齊的像素中亮與不亮便形成了單色的圖像。像素中的點(diǎn)是亮或不亮主要是由控制電路來控制，在無(wú)鈉玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交*點(diǎn)上，通過改變電壓而改變液晶體的是否通光狀態(tài)，在這個(gè)時(shí)候，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥，控制光的通過與不通過。在液晶材料周邊還有控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分，這樣就可以用信號(hào)來控制圖像的生成。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿 越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。對(duì)于液晶顯示器來說，亮度往往和他的背板光源有關(guān)，背板光源越亮，整個(gè)液晶顯示器的亮度也會(huì)隨之提高，當(dāng)前液晶顯示器根據(jù)背光源不同主要為“CCFL”和“LED”兩大類。

二、CCFL背光源液晶顯示器

(一)CCFL背光源技術(shù)原理。CCFL是Cold Cathode Fluorescent Lamps(冷陰極熒光燈)的英文縮寫，所謂CCFL冷陰極燈管是在一玻璃管內(nèi)封入隋性氣體Ne和Ar混合氣體，其中含有微量水銀蒸氣，并于玻璃內(nèi)壁涂布熒光體，通過燈管兩端的電極間加上一高壓高頻電場(chǎng)，能夠讓燈管內(nèi)的氣態(tài)汞激發(fā)的紫外線碰撞管壁上的熒光粉即產(chǎn)生釋能發(fā)光效應(yīng)，從而發(fā)出紫外線光，而內(nèi)壁的螢光體原子則因紫外線激發(fā)而提升其能階，當(dāng)原子反回原低能階時(shí)放射出可見光，可見光波長(zhǎng)由螢光體物質(zhì)特性所決定(見圖4)。CCFL對(duì)交流電壓要求相對(duì)較高，啟動(dòng)時(shí)達(dá)到1500～1600 Vac(交流電壓)，然后穩(wěn)定至700或800Vac。無(wú)論是從發(fā)光原理還是物理結(jié)構(gòu)上講，CCFL都和常用的日光燈管非常接近，在剛剛問世的時(shí)候，CCFL冷陰極燈被認(rèn)為是具有跨時(shí)代意義的新型照明光源。由于CCFL燈管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燈管細(xì)小、易加工成形、表面溫度低、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是TFT-LCD液晶屏理想的背光源。當(dāng)前，市場(chǎng)中大多數(shù)的液晶顯示器所應(yīng)用的背光源還是CCFL冷陰極熒光燈，也為眾多IT廠商實(shí)現(xiàn)了更多的商業(yè)價(jià)值。

(二)CCFL背光液晶顯示器的結(jié)構(gòu)原理

CCFL屬于管狀光源，這種光源并不是平面光源，要將所發(fā)出的光均勻散布到面板的每一個(gè)區(qū)域就需要相當(dāng)復(fù)雜的輔助組件，除了亮度輸出均勻度不夠之外，CCFL的結(jié)構(gòu)還非常復(fù)雜，應(yīng)用了它的液晶電視屏幕的厚度也較難控制，而且隨著面板的增大，必須使用多條光源。為了實(shí)現(xiàn)背光源均勻的亮度輸出，還需要為液晶面板的背光模組搭配擴(kuò)散片、導(dǎo)光板、反射板等眾多輔助器件來實(shí)現(xiàn)(見圖5)。

(三)CCFL背光源技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。

1.優(yōu)點(diǎn)：亮度高，液晶屏比較薄，制造工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，工作狀態(tài)穩(wěn)定，成本低，產(chǎn)品性價(jià)比高。

2.缺點(diǎn)：亮度均勻度不夠，色彩表現(xiàn)力不足，體積大、功耗高，壽命較短，易造成環(huán)境污染。

三、LED背光源液晶顯示器

(一)LED結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理。

1.結(jié)構(gòu)。Light Emitting Diode即發(fā)光二極管，簡(jiǎn)稱LED，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(見圖6)。

2.發(fā) 光 原 理 。 發(fā) 光 二 極 管 半 導(dǎo) 體 晶片由兩部分組成，一是P型半導(dǎo)體空穴占主導(dǎo)地位，另一部分N型半導(dǎo)體，電子占主導(dǎo)地位，把這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”，當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

圖1 世界上第一片LCD液晶屏幕 圖2 LCD液晶顯示器的基本工作原理圖 圖3 液晶屏構(gòu)造示意圖

(二)LED背光源分類及組成。

1.分類。目前LED背光源液晶顯示器根據(jù)發(fā)光顏色的不同，主要分為白色LED(WLED)背光源和三色RGB-LED背光源兩種。由于白色是混合色，沒有可標(biāo)識(shí)的波長(zhǎng)值，因此白色LED會(huì)存在顏色偏差的問題，而RGB-LED以紅、綠、藍(lán)三色LED組成發(fā)光單元，能夠獨(dú)立控制光源，達(dá)到全彩的效果，從而實(shí)現(xiàn)更加精確的色彩還原，表現(xiàn)出更好的畫質(zhì)效果。普通的白光LED背光在對(duì)比度和色域上都和RGB-LED有很大的距離，甚至色域無(wú)法達(dá)到采用廣色域CCFL的色域值。

另外按照LED背光模塊依光源入射位置分為直下式與側(cè)入式兩大類，側(cè)光源指LED燈只是排布在屏幕邊緣，由機(jī)身兩側(cè)發(fā)出光源，通過內(nèi)置的高透光率導(dǎo)光板的作用，使光線投射到面板上。直下式背光源就是指LED燈是均勻分布在整塊液晶屏幕的背面，光線是直接透過面板的。目前側(cè)邊式LED電視在相對(duì)最少損失畫質(zhì)的前提下，具有超薄的外觀，能夠更好地滿足消費(fèi)者對(duì)現(xiàn)代家居環(huán)境唯美、時(shí)尚的要求。

2.組成：LED背光源主要有光源、導(dǎo)光板、光學(xué)用膜片、驅(qū)動(dòng)電路、塑膠框等組成(見圖7)。

(三)白光LED背光源。作為單一光譜白色光LED(WLED)背光源與CCFL背光源在結(jié)構(gòu)上基本是一致的，主要的區(qū)別在于CCFL是高壓線光源，而LED是低壓點(diǎn)光源。白光LED相對(duì)于RGB-LED簡(jiǎn)單，它采用了只能發(fā)出白色光的LED光源代替原來的CCFL熒光管，白光LED很容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制，因此白光LED顯示器的對(duì)比度會(huì)很高。

圖4 CCFL冷陰極燈管發(fā)光原理示意圖

由于白光LED不像RGB-LED那樣需要涉及到背光源的調(diào)光，因此在電路結(jié)構(gòu)方面的要求相對(duì)不高。但是白光LED的光譜特性在色彩顯示特性方面上并不如RGB-LED電視。白光LED的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在耗電量方面，廣泛應(yīng)用于對(duì)功耗要求高的移動(dòng)設(shè)備，亮度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、區(qū)域背光控制都可以實(shí)現(xiàn)，也能實(shí)現(xiàn)很好的對(duì)比度，在成本上比RGB-LED顯示器較低。

(四)RGB-LED三色背光源。RGB-LED背光源技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間比較早，RGB-LED通過紅色、綠色、藍(lán)色三原色LED調(diào)制成白光，具有最好的光學(xué)特性，RGB-LED在組成背光源的時(shí)候，并不是完全按照1:1:1的數(shù)量構(gòu)成，目前最常見的是由1個(gè)紅色LED、1個(gè)藍(lán)色LED和2個(gè)綠色LED組成。這種組合方式是因?yàn)槊糠N顏色的LED在發(fā)光效率上存在一定差異，同時(shí)在合成標(biāo)準(zhǔn)白色時(shí)，綠色光所占的比例是最多(見圖8)。

RGB-LED背光源的位置和以往的CCFL相比變化并不大，仍然在液晶面板層正后方。因此從結(jié)構(gòu)上看，采用這種技術(shù)的LCD，在外觀上和普通CCFL液晶顯示器沒有很明顯的差異。RGB-LED的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在色彩表現(xiàn)力和對(duì)比度兩方面，由于采用了RGB三原色獨(dú)立發(fā)光元件，因此RGBLED背光源色域?qū)拸V，它能夠大幅度提高色彩表現(xiàn)，通過高純度紅、綠、藍(lán)LED器件，實(shí)現(xiàn)CCFL不能達(dá)到的寬廣色域，目前可以達(dá)到105%的NTSC色域，如果采用性能更好的LED，則可以實(shí)現(xiàn)120%以上的NTSC色域，主要被應(yīng)用各類高端的顯示設(shè)備。達(dá)到或者超越了等離子電視的色域范圍，完全滿足數(shù)字電視、大屏幕高清晰度電視色域的要求。此外，RGB-LED也可以支持背光區(qū)域調(diào)整技術(shù)，很容易實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，因此在對(duì)比度方面，也能夠達(dá)到很高動(dòng)態(tài)對(duì)比度，提高了電視的圖像質(zhì)量。但是，由于大量使用了獨(dú)立的LED器件，其點(diǎn)陣排列相當(dāng)密集，不僅較難保證每一個(gè)器件發(fā)光的一致性，而且散熱也非常不理想，達(dá)不到超長(zhǎng)的壽命；雖然RGB-LED的色彩純度較高，但是長(zhǎng)期使用后每種LED色彩衰減的幅度并不一致，這也將對(duì)畫面質(zhì)量產(chǎn)生一些影響。

(五)LED背光源技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

1.主要優(yōu)點(diǎn)：色域更廣、彩色還原性好，亮度均勻性好，節(jié)能環(huán)保，超薄外觀，壽命長(zhǎng)，實(shí)時(shí)色彩管理，圖像清晰穩(wěn)定。

圖5 CCFL背光液晶顯示器結(jié)構(gòu)原理示意圖 圖6 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 LED背光源組成模塊結(jié)構(gòu)示意圖圖8 RGB-LED背光結(jié)構(gòu)組合圖

2.主要缺點(diǎn)：發(fā)光率不夠，亮度低，成本高，價(jià)格貴，RGB-LED背光源的使用時(shí)間一長(zhǎng)，會(huì)影響顯示器畫面質(zhì)量。

四、結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論供讀者參考。

(一)“LCD”是液晶顯示器的總稱，液晶本身不發(fā)光，必須通過背光源提供光亮，主流顯示器市場(chǎng)背光源主要分為“CCFL”與“LED”兩種，所以目前市場(chǎng)上的液晶顯示器主要分為兩大類，即“CCFL背光源液晶顯示器”和“LED背光源液晶顯示器”?！癓ED”或“CCFL”僅僅是液晶顯示器的一種背光技術(shù)，客觀來講，“背光技術(shù)”只是液晶顯示器諸多技術(shù)中之一，多年來在顯示技術(shù)的不斷突破，使得當(dāng)前液晶顯示器無(wú)論是“CCFL背光”還是“LED背光”，都能實(shí)現(xiàn)1920*1080P的高清顯示?！癈CFL”與“LED”是指液晶顯示器背光技術(shù)的兩個(gè)發(fā)展階段，也是目前液晶顯示器市場(chǎng)主要的兩種背光技術(shù)，但無(wú)論哪種背光技術(shù)，其采用的屏幕是液晶顯示屏，而液晶本身的原理都相同。

(二)當(dāng)前商業(yè)市場(chǎng)上宣稱的“LED比LCD更先進(jìn)、更高級(jí)，是一種替代LCD的技術(shù)”這樣的描述，是誤將“CCFL”視作“LCD”，但必須清楚的是目前市場(chǎng)所有家用的“LED液晶顯示器”實(shí)際上都是LCD顯示器的一種，只是背光源有所區(qū)別而已，與“LED”對(duì)等概念的應(yīng)該是“CCFL”，商家宣稱的所謂“LED電視”，事實(shí)上是“LED背光源”+“液晶屏”，屏幕都還是液晶屏，因此都不是真正的“LED電視”，上述說法嚴(yán)重偷換了概念。

(三)LED背光技術(shù)相比CCFL更先進(jìn)，整體視覺效果更好，更節(jié)能，當(dāng)然也更燒錢。白光LED只是RGB-LED背光技術(shù)的一個(gè)過渡，在消費(fèi)者愈發(fā)重視液晶顯示器畫面質(zhì)量的當(dāng)下，RGB-LED背光是一發(fā)展方向，而現(xiàn)階段RGB-LED背光成本的降低，發(fā)光效率的提高，這為“LED”取代“CCFL”提供了一個(gè)有效的途徑，即便是當(dāng)前還不能替代“CCFL”，LED背光技術(shù)的前景還是非常光明的。

總的來說，液晶顯示器無(wú)論從高端還是低端導(dǎo)入LED背光產(chǎn)品，對(duì)于目前CCFL背光顯示器發(fā)展停滯不前的狀況有著良好的推動(dòng)力，LED背光取代CCFL是一個(gè)趨勢(shì)，當(dāng)然換代之戰(zhàn)需要過程和時(shí)間，需要理性看待LED背光技術(shù)，不要太迷信，畢竟白光LED背光并沒有帶來質(zhì)的飛躍。但是LED背光畢竟是一項(xiàng)新興的技術(shù)，發(fā)出的是產(chǎn)業(yè)升級(jí)的信號(hào)，不可否認(rèn)“LED”最終將取代“CCFL”，這一點(diǎn)無(wú)論是在生產(chǎn)廠商還是相關(guān)業(yè)內(nèi)人士心中都已經(jīng)取得了共識(shí)，只是現(xiàn)階段LED背光技術(shù)尚未完全成熟，較多的應(yīng)用于高端液晶產(chǎn)品上，隨著科技的進(jìn)步和眾多廠商進(jìn)入這一領(lǐng)域，LED背光技術(shù)和工藝日趨成熟，取代“CCFL”也將成為歷史的必然。