LCD TV背光模块的节能应用设计趋势

各种尺寸的LED背光设计LCD面板

前言：
LCD TV持续抢占市场，其原因不只是薄型化的设计优势，其实其省电、节能与省空间，应用价值已超越传统CRT技术甚多，而在LCD薄型化的趋势下，LCD显示原理必备的背光源设计，目前已有多种技术应用中，在低价产品仍相当常见的CCFL冷阴极管式背光源，虽逐渐被LED式背光源取代，但CCFL技术也有对应技术提升因应，而更具未来性的EL背光源技术，亦值得持续观察...

本文：
在众多家电中，电视为家中使用相对较频繁的电器，当LCD TV持续取代传统CRT(Cathode ray tube)映像管式电视机，相关技术发展也如雨后春笋般相继提出。LCD TV虽较CRT电视更具省电效用，但实际上，LCD TV的背光设计不仅影响实际观赏品质，也会左右同尺寸LCD TV耗电量表现。虽然LCD TV已达到相当程度的省电效用，但随着使用者对大尺寸屏幕需求越来越高，LCD TV显示尺寸持续增大，相对也使LCD TV耗电量也持续飙高，如何兼顾显示画质与省电表现，已是各LCD TV厂商积极研发的重点。

检视LCD TV整体能耗关键，会发现1部LCD TV消耗能源最多的即背光模块设计，光是背光模块所消耗的能源，就占掉整部LCD TV 7成运作电力，而此为采CCFL冷阴极灯管背光模块设计为基础的产品表现，若背光模块设计总成更换为LED背光元件设计，能耗即可相对减少许多。

改变产品设计 强化背光源应用效能

除在背光源技术的考量外，其实LCD TV的背光源设计仍可经由物理原理的设计构型调整，达到提升光源利用率的方式去减少背光源的设立数量，进一步达到省电、降低成本的好处。例如，LCD TV经常使用的CCFL直下型背光模块，在LCD的背光设计构型，就有相当大的改善空间可供调整、强化其设计。

基本的LCD TV内部构造中，由于可用的机构空间为狭长平面，导光板多采扁平设计，一般将导光板设置于CCFL灯管后方，而导光板可将CCFL灯管后方未能善用的发光来源往LCD TV面板上折射，借此可减少LCD TV背光所需设置的CCFL灯管数、或降低CCFL的驱动功率，达到节省用电的目的。

采行高效导光板的优点相当多，此即代表灯管背后的光源可减少浪费，但经折射率高之材质所产生的反射现象还会同时出现折射光效能减损问题，而为了产品薄化设计，也会让灯管与导光结构距离过于接近，影响折射效果。LCD TV机体受限于趋于薄化的外观构型，灯管与导光板距离过小，经导光板折射向前灯光即被灯管本身管径阻挡，影响设置灯管可用的背光实际使用发光效率。

此问题的改善的方针并不困难，多数设计可透过CCFL灯管的管径缩减，使管径缩小，当灯管背后所发出的灯光经过导光板折射，被灯管阻挡折射光线的问题即可获得改善，除灯管管径缩小外，在灯室(即灯管、反光板构成的模块空间)设计若设置更多深度的反射空间，也能将薄化造成背光源效能低落问题大幅改善。

改善能源转换效率 让被光源驱动电力更精省

观察主流的低价42~47寸LCD TV，背光灯管数量约在20~25组，驱动灯管的电源转换器也会有能源转换效率问题，其功率转换也会造成大量能源消耗、损失，对LCDLCD TV而言，显示面积提升就等于耗能持续增加，减少显示能耗最根本的方法就是改善驱动灯管发光的电子电路的能源转换效率。

以CCFL冷阴极灯管为例，想延长CCFL使用寿命，即需针对背光源驱动电压、电子电路进强化设计，如使冷阴极灯管运作环境(如灯管距离、散热、驱动电压)…细节进行强化，而驱动电路需能针对灯管电气特性提供最佳化工作电流、电压，才能使CCFL灯管寿命能借此延长。

EL背光源技术 大厂争相投入研发资源

新兴的有机发光二极管技术(EL)，其技术特性更适合仅有狭小空间的背光应用需求，其应用可能性也让各大厂跃跃欲试。EL背光模块相较LED背光设计更具体积优势，EL背光系统为透过EL灯片、驱动器进行背光系统设计。目前EL灯片制作厚度可达到0.2mm以下，而灯片本身是采行绝缘基底上涂布特殊压电发光材料，至于发光材料为利用两层电极结构组成一发光模块。

EL发光材料的应用相当多，业界有采硫化锶、硫化钙或硫化锌…等化合物成份，再搭配如钐、铕、镁与萤光染色剂强化其发光效率，或藉由不同配方或制程，制作不同发光光色、亮度、致动频率…等EL灯片的电气特性。

而EL灯片对施加于电极的偏压能量、频率不同，而会有不同的变化！虽在一般装饰照明用途不需太精确的灯光输出效率控制，但若要使用在提供LCD背光应用的光源设计，EL灯片的偏压与其发光反应，就必须在电子电路设计更要求稳定表现与相关设计要求，EL驱动的设计难度相对比LED背光设计更高，业界对EL灯片的发展，较成熟的技术可在200V、400Hz下进行灯片驱动，而当频率降低则产生的光色亦会呈现对应变化。

EL灯片随长时间使用会令其发光效能逐渐趋于变弱，进而使元件进入光衰现象，虽EL灯片透过偏压频率调控可令其提升发光效率，但实际应用中EL灯片在接近半衰期，发光效率即大幅缩减，影响其实用价值。典型的成熟EL发光片设计，半衰期约5,000小时，过高的驱动电压与高频驱动都会让EL灯片的半衰期更快产生，相较LED动辄数万小时使用寿命，EL灯片的耐用度仍需持续改善、强化。

背光模块选用素材不同 省电表现差异大

LCD TV的背光源在积极薄化构型设计下，传统光源并无法满足需求，主流设计目前已逐渐改用热门的LED光源，因为LED具高启动速度(ns)、低消耗功率，更适合薄形化构型设计。

目前LED背光源在中、小尺寸应用效益高，因其省电效用可让设备应用的电池时间增长，而LCD TV在大尺寸要求下，LED光源需面对的是如何让其展生的光源均匀、光源的演色性更丰富，技术难度上明显较中、小尺寸LCD的背光设计要求更多，也存在更多技术瓶颈。

在背光模块的整体设计方面，近来已有日趋专业分工的设计逻辑导入，背光设计不再只是求有即可，在发光光型、效能与物理特性…等多项要求，采专业分工设计。例如，将背光光源的设计采模块化开发，透过菱镜概念的反光机构，改善受限机构设计限制的光型瑕疵，例如，容易出现光斑、暗斑的液晶屏幕四周，就可以利用特殊折射或散射反光构造，调整背光光型。

目前为求薄化设计，原有的光室空间受到巨幅压缩，可在光室内完成的光型变得更加困难。新的设计是将以往散置于面板底部四周的设计，改成集中在边框的设计方式，而面板中央部位的背光需求，则以更精密、更高效率的导光、集光设计取代，由于面板正下方少了光室与光源组件，成品厚度自然可以大幅压低。

薄化设计也有其产品价值，因为光源变成集中在面板四周，如此一来在背光源的汰换、维修，反而比直下式设计更加单纯，模块化的组装方式，也能让生产成本压低不少。但目前薄型化设计的LED背光模块单价很高，定位精度与光导角的些微差异，就会影响显示品质

LCD TV的省电关键，围绕在光学物理特性如何达到最佳化设计，新式设计概念也是为背光模块导入增光膜设计。所谓的增光膜并无法无中生有更多的光源，在实际的应用场合中灯管发出的可见光发光效果在玻璃管的管身已有部分折损，实际输出的亮度并无法达到驱动的全额输出，若搭配设计不良的光室构型，物理光源折射、散射或阻挡造成光损失。

增光膜效用就在于利用特殊物理光学特性，把损失的光源集中于前方或呈现面状放射。光学膜的设计概念差异大，一般多为PET材质有些特殊设计反光膜片，业者号称可见光折射率可达98%，由于PET材质会比采金属反光板具更好的设计弹性(如面板死角或结构空间)反射需求，补强反光率较差的四周或特殊区块。

另还可搭配扩散板辅助设计，其目的在导向光源让输出能确实传送至所需背光位置，一般这类搭配光学元件大多采用高透明压克力、PC、MS、PS、COP…材质。

导入LED背光的趋势下，透过这些物理性的光源改善手法，可提升整体发光品质的设计重点，因为LED毕竟属于点状光源，除透过导光材质，例如压克力、COP…等素材，将点状光源尽可能修正为接近面光源，而反光板设置仍需使用大量波浪形底板，将点光源透过多重散射、折射，形成更接近完美的面状光源，补强LED光源素材的先天条件限制。