| 因应节能需求的LED TV背光光源应用趋势 | |
2010-12-31 11:01:01 DIGITIMES 行业:背光源 浏览 | |
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LED光源，近来不只是在日常用光源获得进展，在组件本身的发光特性与效率，也得进行大幅度改进，但即便目前发展LED替代性环保光源已是绿色能源产业中相当重要的一环，但实际上LED光源应用市场仍处于开发阶段，反而是目前使用最大量的LCD TV背光设计成为LED光源的重点应用，改善设计对于节能目的有更显着效益。 在开发各式绿色能源应用方面，可以从电能的来源、应用的模式多方着手，目前电能的来源可自水力、风力、太阳能等汲取丰沛的能量，但水力发电在大用电量的都会区域，可能因为土地开发密度较高，或是需仰赖环境因素问题，造成其发展上的限制较多；风力发电的部分可能会有季节因素环境差异，影响期发电量；太阳能虽具备较高可行性，但目前能源转换率还需更多技术突破，或是需仰赖更完善的政策补贴，才有可能成为较佳的绿能来源。 综观现阶段绿色能源发展趋势，在产制能源的方面，光从能源的来源端着手，目前普遍在成本面、效率面并无法达到消费者的期待，反而从终端产品进行节能产品的开发，甚至透过政策与认证规范着手，去进一步强化用电效能，其中以家电中最普及的电视，在此趋势下的发展最为显着，尤以LCD TV改以LED光源的发展趋势，最为明显。
Backlight 4Side设计示意 • LED逐渐取代CCFL LCD TV在产品的发展趋势下，逐渐朝大画面、高对比度、高反应速度等趋势演进，而LED在发光效率持续提高、使用寿命延长及广色域需求发展下，持续推动发光二极管LED取代冷阴极荧光灯管CCFL，成为液晶显示平面电视的背光选择。 为提供大尺寸LCD TV足够的背光亮度，LED的背光设计方案，需要实行大量LED数组方式设计，根据排列的形式，LED背光单元(BackLight Unit；BLU)可分为侧光式LED BLU(上/下或4 Side)和直下式LED BLU两种，一般LCD TV背光多采CCFL在面板背面采等距排列形成背光形式，搭配导光板将棒状光源改善成接近面光源，相同的LED TV背光也可采取相对的取代方式，利用LED Light Bar去取代CCFL，但多数设计改用高亮度LED处理，通常省成本的作法仅安排面板上方与下方两个侧向光源处理即可。
CCFL背光设计样式 而在侧光式LED BLU中，最关键的就是需要将LED的发光效率发挥到最高水平，即必须在供电部分需要高效率、高升压比的DC-DC转换，来驱动大量串联的LED Light Bar串，虽然串联的DC-DC转换器可以因应这些设计需求，但相对的，也因为这类用法带来一些新的挑战，例如，电路复杂度提高、多个离散组件造成的成本提升。 • 兼具成本与效能目的的背光电路设计 观察LCD TV开发与产制成本，会发现BLU对应用总成本影响相当大，因为BLU的组件、电路成本，已占了LCD TV的总成本超过30%。BLU的设计与设置方式，对于LCD TV最后实体产品的运行效能也有举足轻重的影响，例如，虽然侧光源可以减少LED用量，但却对于最终产品呈现的显示效果，如角亮度(angular luminance)、对比度、亮度影响颇大。 在BLU光源的技术与科技，CCFL被LED取代，在还没有比LED更环保的光源来源前，已是无法避免的发展趋势，作为CCFL的替代品，LED在色彩表现力、产品使用寿命各方面，均优于CCFL组件表现，因为LED拥有不会与实际RGB波长的峰值重迭之RGB波长，另外LED还很容易被小型化制作，组件本身非玻璃灯管，在物理特性方面具抗震能力，但LED也有部分缺点，例如，现阶段实行的设计，高亮度LED组件成本较高。
以大尺寸LCD TV为例，BLU采边缘排列若使用50~60个LED，这必须提供一个高压、稳定的电流供应来源！而为了将交换式电源供应器提供的24V输出，利用DC-DC倍压方式将电压提升至至少130伏，常见方式会实行串联升压转换来完成相关电路设计，但这类设计方案还是有部分限制，尤其在成本与驱动LED的电路设计复杂度，始终是这种设计方案较难克服的关键。而解决这类设计需求，另一个方向是选择使用具高升压比的DC-DC升压转换器，藉此简化电路设计，建构相对高效率、具成本效益的BLU电路解决方案。 • 针对LED性能及热管理优化设计 目前想提高LCD TV BLU的LED亮度，有两种方式，分别是增加单一LED芯片亮度，或是采取多颗密集排列方式去设计，但这些方法都面临到需输入更高的电能，以目前的技术来说，输入LED的能量约20%会转换成光源，剩下80%转成热能散逸，若能在单颗封装内送入倍增电流，其组件发热也会呈现倍增状况，尤其LED的散热面积极小，散热问题会逐渐恶化。 以LCD TV BLU应用环境观察，使用LED数量超过50个，即使实行高亮度LED，也要密集排列并长时间点亮，因此更需积极面对有限散热空间内的高效散热需求，但很不幸的，LED产生的热对LED晶粒本身也会造成严重问题，当晶粒温度升高时，量子转换效率导致发光强度下降、寿命也跟着下降，连带造成放射波长改变、色彩稳定性降低，加上LED因受热时不同材质膨胀系数差异，组件本身会有热应力累积，同时让产品可靠性降低、使用年限降低，在机构设计方面，除需考虑外观的设计要求，加入主动散热机制也是一个有效的改善方法。
而LED组件最大的问题在于其为“点”状光源，但LCD TV BLU的应用场合中，设计方案需要的是均匀的“面”状光源，而LED的有效光辐射(发亮度和/或辐射通量)，也会严重受其组件的结温影响，而产生影响寿命的问题与光衰现象。 一般而言，单颗LED封装，通常会被以“一级LED”称之；多颗LED的芯片共同装配在同一组金属基板上，这类LED组件通常会用“二级LED”称之，二级LED用途相当多，可采模块化设计因应各式对光源应用的设计需求。当然，多数的设计方案，均可利用一级LED的电、热与模型进行二级LED(模块)的热、电特性测试与模拟，但前提是需要在实验室进行更多的参数调整，例如，针对实际散热环境，于测试项目加入参数条件影响，如此建立的模型才有进一步调修的效益，而不会与实际现况相差过大。 | |
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