言：在追求廣色域的目標之下，全球液晶電視業(yè)者紛紛開始導入LED的背光結構，當然這并不是一件簡單的事情，除了成本的考量之外，最重要的莫過于耗電的話題。
Sony在2004年所發(fā)表的40寸及46寸LCD用LED背光模塊Qualia 005，在采用450顆3原色LED之后，耗電量就高達450W以上，不過隨著技術的提升，Sony在2007年所銷售的70寸LED背光液晶電視的耗功率已經大幅下降到200W，所采用的3原色LED數量還是450顆，這樣的數字是相當驚人的，因為利用2年左右的時間，就可以將耗電量減少一半，并且可支持的面板尺寸也將近增大1倍。
圖說：背光模塊Qualia 005，在采用450顆3原色LED之后，耗電量就高達450W以上。（Taipeitimes）
液晶電視邁向降低耗電量時代
姑且不管Sony是如何達到這樣的技術目標，事實上，降低電視背光耗功率的技術研發(fā)一直在全球業(yè)者之間不斷的進行著，而在2006年初，根據日本媒體的報導，當時32寸液晶電視總耗電量為180W左右，預計到2006年下半，當時被稱為主流尺寸的32寸液晶電視，總耗電量有可能降低到100W以下。
但是如果轉換成目前主流的40寸液晶電視，詳細的作法觀念是，基于液晶電視每年都以15％左右的比例降低耗電，所以到2006年底以前，總耗電量將會降低到230W左右(270W X 15％)，如果再加上能夠提升背光模塊技術的話，就有機會將背光模塊的耗電量降低40％，如此一來總耗電量就將近159W，依照這樣的進步速度，2010年時，總耗電量就可以達到100W。當然，在這樣目標之下所指的背光還是冷陰極管。
液晶LED背光已被市場所期待
但是無論如何，LED背光模塊已經是被市場所期待的技術之一，也就是說，所面對的高耗電課題，已經是不得不去解決的了，因為對于大尺寸的液晶電視來說，有將近60％的電力是消耗在背光模塊上，不過要降低總耗電量并不是只有LED背光這個單一的方面，另外還包括改變驅動電路技術、強化導光效率、降低熱效應現象等等，也都是輔助降低總耗電量的技術。
目前根據應用的不同，LED的點燈方式也有所不同，大多的液晶電視多采用直下式的背光，而包括監(jiān)視器以及小尺寸應用的產品，都是以側光式為主，這是由于雙方對于輝度與演色性需求差異下的區(qū)隔。一般來說，監(jiān)視器多是使用側光式的RGB3原色的點燈方式，如果是更小尺寸的應用，例如是車載導航用面板、手機面板、PDA用面板等等，就多是使用白光LED的側光方式，不過側光白光LED的背光方式，已經逐漸朝向大尺寸化發(fā)展，目前包括有部分的筆記型計算機也開始采用側光白光LED的背光模塊，因此在外型的設計上，更能達到薄型化、高彈性的目標，雖然白光LED在紅色表現部分，有演色性不足的問題，但是因為筆記型計算機大多是用來進行文書等等靜態(tài)畫面顯示，期望達到與液晶電視相通同質量的用戶畢竟不多，所以，基本上演色性不足并不是太大的問題，不過當然還有可以克服的方式，例如在白光LED的陣列中加入紅光LED等等，這些方式也一一的被背光模塊業(yè)者所克服。
圖說：目前根據應用的不同，LED的點燈方式也有所不同，大多的液晶電視多采用直下式的背光。（三星電子）
引頸期待高效率高輝度的LED
但是如果期望實際的普及3原色LED背光，相信還有很多的問題需要解決，甚至于要耗費數年的時間。其實說穿了根本關鍵還是在成本，因為對于液晶電視而言，所需要的是高輝度，所以必須采用1W以上高效率、高輝度的LED，在加上因為是直下式入光，所以3原色LED使用的顆數，有可能會因為面板尺寸的增加而增加LED使用顆數，但是如此的作法又會帶來另外的問題，那就是熱效應會因為3原色LED使用數增加而爆增，如此一來那就必須采用更多的散熱鰭片、風扇、散熱管等等來維持模塊內的溫度，此外，使用數量龐大的LED，而為了使色調統(tǒng)一，除了要嚴謹的篩選發(fā)光波長相同的LED之外，還必須采用Color Sensor來調整RGB色差，但所造成的影響便是成本的增高，因而無法有效的讓售價符合消費者的期望值。不過這并非絕對的，另也可以使用其它的技術來達到面板尺寸增加，而不必使用太多的3原色LED數量。
不過，期望降低LED背光模塊的耗電量并非是背光模塊與液晶電視系統(tǒng)業(yè)者所需要努力的，其實對于LED芯片業(yè)者來說，也扮演著相當重要的角色，因為如果芯片業(yè)者的努力能夠強化LED發(fā)光效率的話，那么LED對于電力的需求也就因此而大幅度的降低，而所得到的效益也就會直接反映在LED背光模塊上。
圖說：要降低總耗電量并不是只有LED背光單一方面，包括改變驅動電路技術、強化導光效率、降低熱效應現象等等，也都是輔助降低總耗電量的技術。（www.elliotttech.com）
熱效應問題是老生常談卻不易解決
最近這幾年來，LED芯片業(yè)者相當積極的開發(fā)高亮度LED芯片，最實際的做法就是如何讓LED能夠支持更大的電流，來讓LED產生更大的輝度，以目前的規(guī)格來說，一顆面積30um2 的LED所能承受的最大電流為30mA左右，這樣的結果還是無法符合在應用上「讓LED產生更大的輝度」的需求，因為市場所期望的是能夠在面積為1mm2 的LED芯片中導入350mA的電流，讓單芯片產生更高的內部量子效率，如果驅動電壓是3V的話，那么換算之后，被流入LED的電力就有將近1W左右。
但是，并不是一味地提高電流量就可以了，因為根據經驗，所流入的電力有4分之3左右，都會產生熱效應，也就是說，只有4分之1(0.25W)會轉換成光，而0.75W左右的電力，都會便成熱效應。而熱效應所帶來的困擾，眾所周知，LED會因為溫度而改變光波長，并且降低發(fā)光效率，造成畫質的演色偏差。
對于LCD背光用的白光LED開發(fā)課題來說，不僅僅是提高LED的發(fā)光亮度，還必須包括輝度均一性、高色彩演色性、提高使用長壽等等的挑戰(zhàn)，因此在完成高電流的LED芯片之后，如何封裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上，就成了業(yè)者相當重要的課題。
藉由封裝提升光輸出功率
目前產生白光的LED方式，已經從傳統(tǒng)的利用藍光LED加上黃色螢光粉，朝向多元方式發(fā)展。經過這些年來的技術努力，白光LED的發(fā)光效率，和過去相比可以發(fā)現已經大幅的提升，日本的LED照明推進協(xié)會預計，100 lm/W的白光LED將會達到每流明1日圓的實用化階段。達到LED的平均演色評價數提高，螢光粉的開發(fā)就扮演了相當重要關鍵，因為利用螢光粉搭配藍光LED所得到的模擬白光LED，在波長上對于紅色和綠色的顯現能力較為薄弱，所以也有業(yè)者開始開法利用紫外光LED搭配RGB螢光粉。但是這樣的作法還是有其復雜性的，因為并不能將各個顏色螢光粉單純的混合，因為如何達到接近自然白光的輸出就是一個難題。不過有關發(fā)光特性均勻性，一般認為只需要改善白光LED的螢光粉材料濃度均勻性，與螢光粉的制作技術，應該可以克服上述困擾。
就技術上，如果藍光LED芯片的光輸出效率如果達到360mW，配合高階技術的封裝能力，獲得100lm/W的白光輸出并不困難，以今天的技術而言不是困難的課題，例如包括Cree、日亞等等的業(yè)者在2006年已開發(fā)出高亮度的藍光LED芯片。緊接著之后的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業(yè)者的能力。
但是在提高電流輸入的同時，所帶來的熱效應，就不得不嚴謹的面對了，因為必須設法減少熱阻抗、改善散熱等等問題，目前的做法包括了：降低芯片的熱阻抗、控制模塊和印刷電路板的熱阻抗、提高芯片的散熱性等等。
圖說：有關發(fā)光特性均勻性，一般認為只需要改善白光LED的螢光粉材料濃度均勻性，與螢光粉的制作技術，應該可以克服。（www.tesladownunder.com）
新技術保持一定接點溫度
一般而言，能夠產生白光的LED，是封裝中利用藍光LED芯片，配合在LED周圍填入混合螢光粉而產生白光，對于從藍光LED芯片所發(fā)出的熱，則是被熱槽和簧片架等吸收，使封裝內部不至于充滿熱效能，但是大多用來封裝的環(huán)氧樹脂因為抗熱性較差，所以往往在LED芯片本身的壽命耗盡之前，環(huán)氧樹脂就會出現變色的現象，使得LED模塊的壽命因此而減低。由于矽樹脂耐熱性高，即使在攝氏150度 180度的情況下也不會出現變色，所以已經有許多業(yè)者逐漸采用矽樹脂，逐漸取代環(huán)氧樹脂來作為封裝材料。此外在白光LED的散熱結構設計部分，為了達到改善的目標，有的業(yè)者采取增加金屬片厚度、不透過絕緣層而直接散熱等等的結構，來提高散熱能力。目前已有將將LED芯片放置在，利用銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片表面，再將熱能導入印刷電路板上的散熱結構，這樣的做法可以降低9K/W的熱阻抗，在輸入2W的電能時，芯片中接合溫度最高不會超過攝氏800度。
量測標準現身縮短背光模塊開發(fā)時間
其實今天所有能夠考量到的技術問題，為了能使白光LED能夠更為廣泛的被應用，全球各大業(yè)者無不深入開發(fā)相關的技術，來降低成本以及提高效率值。但是，對于白光LED而言，包括背光等等因為有著太多的廣泛應用，市場也期待著能有標準的規(guī)范來定義出白光LED的效能。單純的說，如果能有白光LED的量測標準，對于背光業(yè)者而言無疑是一項大好的消息，因為在今天，液晶面板背光模塊業(yè)者在采用白光LED時最大的困擾在于白光LED的選用，一旦這樣的量測標準被定義且實施之后，液晶面板背光模塊業(yè)者，便能夠更簡單的選用LED，以及依照規(guī)范開發(fā)出合適的背光模塊，大幅度的縮減開發(fā)時間。
事實上這樣的期待，已指日可待。包括日本照明學會、日本照明委員會、日本照明器具工業(yè)會，以及日本電球工業(yè)會從2004年底開始，共同聯手制定白光LED的量測標準，來規(guī)范出白光LED的各項標準，這些單位的構想是，不僅僅是白光LED芯片，甚至連白光照明都可以依照這樣的規(guī)范來進行。
這個規(guī)范不只定義了LED芯片與模塊的結構，甚至在一定色溫下所能表現的可視光的范圍都有詳盡的定義，并且要求在發(fā)光光譜以及配光特性等等的方面，都必須滿足均一性，也就是說在正負5度的角度范圍之內，光度變化不能超過正負5％，以及色座標的變化也必須正負0.003之內，才能被稱為符合規(guī)范標準。
規(guī)范提供兩種電壓測量方式
由于這次的專題報導，是偏重于白光的LED驅動，所以下面就針對規(guī)范中所提及關于白光LED驅動的部分進行說明。在規(guī)范中，包括LED的壽命、輸入電流、輸入電壓、消耗電力等等，都做了相當清楚的定義。就基本的特性上，LED與一般的邏輯芯片并不相同，所以在電極面積上無法確保廣泛的程度，再加上串聯電阻值和電位不均勻分布等等，因此順向電壓就會隨著溫度高低而產生變化。所以在規(guī)范中定義了，在進行量測時，周圍溫度的變動幅度必須在攝氏2度之內，并且不能有氣流效應，也就是風場的存在，來確保進行量測時，白光LED的色再現性與穩(wěn)定性。對于白光LED的驅動，規(guī)范中提供了大阻抗限制電流驅動，以及定電流源驅動兩種直流驅動量測的方式。針對白光LED因為先天的電位不均勻分布，以及溫度等等因素，造成順向電壓變化，可以利用大阻抗值與高電源電壓，來控制電流所帶來的發(fā)光變化，而定電流源驅動的部分，則是讓內部阻抗變成無限大，避免順向電壓出現變動。但是，如果是較高功率的白光LED的話，就必須采用定電流源驅動，因為如果采用限制電流驅動的話，會造成供給電壓過高，以及大串聯電阻功率值的情況。
圖說：在進行量測時，周圍溫度的變動幅度必須在攝氏2度之內，并且不能有氣流效應。（www.lck-led.com）
關于詳細的量測規(guī)范與說明，日本電球協(xié)會已經發(fā)表了用白光LED測光方法通則，有興趣的讀者可以連上日本電球協(xié)會網站尋找，通則的售價約為700塊臺幣左右。
背光模塊應該可以說是正式進入LED的時代，雖然目前還有許多技術問題有待克服，不過在畫質與顏色更加艷麗與細膩的要求下，相信LED會逐漸取代冷陰極燈管的使用，因為色溫3000~9300K表現范圍的家用液晶電視，更可以藉由LED背光模塊的色再現特性，來達到高畫質的表現。 |
