背光源(Backlight)的起源发展及分类

中心论题：

• 背光源的发光效果会直接影响液晶显示器显示模块的视觉效果
• 背光源的光源选择决定背光源的功耗、亮度、颜色等光电参数及其使用条件和使用寿命等特性
• 背光源性能是LCD模块中相当重要的零组件，它的好坏会直接影响LCD显像质量。CCFL背光源仍是背光照明最为常用的光源
• 中国液晶显示器背光源市场潜力巨大，厂家竞争激烈

解决方案：

• 利用背光模组把点光源或线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源，用LED代替CCFL
• LED作为背光源可以大幅度的提升画质同时兼顾环保认证，所以大力度研发LED为光源的背光系统成为背光源市场的新方向
  

所谓背光源（BackLight）应该是位于液晶显示器（LCD）背后的一种光源，它的发光效果将直接影响到液晶显示模块（LCM）视觉效果。液晶显示器本身并不发光，它显示图形或字符是它对光线调制的结果，因此对于它显示的内容如果不加背光源的话，我们将无法看到它所显示的内容。实际它只是起一个阀门的作用，称为光阀。这个阀门可以控制背光通过的强度、颜色，而这个光阀就是用电脑（或电视）的图像和文字来控制的，从而调节背光通过的强度、颜色，而我们才能看到这些显示的东西。

用于背光源的光源
在背光源的设计中，所用光源的选用是很重要的。所用的光源决定了背光源的功耗、亮度、颜色等光电参数，也决定了其使用条件和使用寿命等特性。

下表为可用于液晶显示器背光源的光源及其特点简单对比介绍:
光源形状 光源种类颜色功耗(W)（瓦特） 寿命(h)（小时） 特点
点状光源
Lamp(灯泡) 2800K左右1.0以上2,000 简单、小型、价低 体积大、发热严重
LED发光二极管）蓝~红430~700nm 0.038以上 100,000 寿命长、低发热 亮度稍低
线状光源
CCFL（冷阴极荧光管）红、绿、蓝及其混合色 1.0~10.0 25,000 亮度高、寿命长逆变器驱动电压高
HCFL （热阴极荧光管）4.0~2205~7,000 发热严重
面状光源
VFD（扁平荧光灯）200mW/cm2以下5,000亮度高、均匀性好 双电源驱动
EL（电致发光片） 20mW/cm2以下5,000薄、均匀性好寿命短、亮度低
OEL（有机电致发光片）1,000以上薄、均匀性好、亮度高 寿命短
FED（平板场发射）10,000以上 亮度高 开发中

背光源的分类
LCD为非发光性的显示装置，须要藉助背光源才能达到显示的功能。背光源性能的好坏除了会直接影响LCD显像质量外，背光源的成本占LCD模块的3-5%，所消耗的电力更占模块的75%，可说是LCD模块中相当重要的零组件。高精细、大尺寸的LCD，必须有高性能的背光技术与之配合，因此当LCD产业努力开拓新应用领域的同时，背光技术的高性能化(如高亮度化、低成本化、低耗电化、轻薄化等)亦扮演着幕后功臣的角色。

LCD面板的光源。主要由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等组成。背光源具有亮度高，寿命长、发光均匀等特点。目前主要有EL、 CCFL及LED三种背光源类型，依光源分布位置不同则分为侧光式和直下式。随着LCD模组不断向更亮、更轻、更薄方向发展，侧光式CCFL式背光源成为目前背光源发展的主流。

电致发光(EL)背光源体薄量轻，提供的光线均匀一致。它的功耗很低，要求的工作电压为80～100Vac，提供工作电压的逆变器可把5/12/24Vdc的输入变换为交流输出。但EL背光源的使用寿命有限(在50%亮度条件下的平均使用寿命为3000～5000小时，在更高的亮度水平上使用寿命将大为缩短)，因此，理想的EL背面照明用逆变器允许输出电压和频率随着EL灯泡的老化而增加，从而延长采用EL的背面照明光源的显示器的有效使用寿命。

EL背面照明对于像手表、数字台式钟和单色PDA等需要极度微弱的照明以便在光线朦胧或昏暗条件下使用的小型反射式LCD应用而言是较为适用的。然而，低效率、低亮度以及短寿命使其不适用于诸如膝上型电脑和平板桌上型监视器所要求的大型LCD这样的透射型背面照明用途。

LED背光源的使用寿命比EL长(超过5000小时)，且使用直流电压，通常应用于小型的单色显示器，比如电话、遥控器、微波炉、空调、仪器仪表、立体声音频设备等。但是，其亮度目前也不足以为大型透射式显示器提供背面光源。LED背光源与CCFL背光源在结构上基本是一致的，其中主要的区别在于LED是点光源，而CCFL是线光源。

小型冷阴极荧光灯(CCFL)提供了用于大型LCD所需的亮度和寿命(以及灯光管制能力)，这就是它至今仍是背光照明最为常用的方法的原因。但是，热量堆积是一个值得关注的问题。

导光板的作用在于引导光的散射方向，用来提高面板的亮度，并确保面板亮度的均匀性，导光板的良优对背光板影响甚大，因此，侧光式背光板中导光板的设计制作是关键技术之一。导光板是利用射出成型的方法将丙烯压制成表面光滑的板块，然后用具有高反射且不吸光的材料，在导光板的底面用网版印刷的方式印上扩散点，冷阴极荧光灯位于导光板侧边的厚端，冷阴极管所发出的光利用反射往薄的一端传导，当光线射到扩散点时，反射光会往各个角度扩散，然后破坏反射条件由导光板正面射出，利用各种疏密、大小不一的扩散点，可使导光板均匀发光。反射板的用途在于将底面露出的光反射回导光板中，用来提高光的使用效率。

导光板按照工艺流程不同又可分为印刷式及非印刷式，印刷式是在压克力平板上用具高反射率且不吸光的材料，在导光板底面用网版印刷印上圆形或方形的扩散点。非印刷式则是利用精密模具使导光板在射出成型时，在丙烯材料中加入少量不同折射率的颗粒状材质，直接形成密布的微小凸点，其作用有如网点。印刷法的效果不如非印刷法。非印刷法效果优异，使用人数少，速度快，效率高，但是技术门槛很高，需要掌握精密射出成型，精密模具，光学等技术才能掌握。目前世界上有三家企业精于此道，市场基本也有这三家把持，按照2002年台湾IEK统计数据显示，市场份额分别是旭化成(35%)、三菱(25%)、Kuraray(18%)、其余大多是印刷法生产的导光板。同时旭化成也是有机玻璃材料的最大提供商，占据市场超过50%的份额。而三菱在有机玻璃生产加工技术方面是全世界最优秀的。目前国内厂商大多仍采用印刷式的导光板作为导光组件，印刷式的导光板具有开发成本低及生产快速的优点，而非印刷式的技术难度较高，但在亮度上表现优异，技术为瓶颈所在，另外，根据形状可分为平板及楔形板，平板多应用于监视器，楔型板多用于笔记型计算机。至于扩散板及主要用途，在于提高正面的亮度，扩散板的作用在于让光的分布更加均匀使从正面看不到反射点的影子。由于光自扩散板射出后，其光的指向性非常差，必须利用棱镜片来修正光的方向，达到聚光的效果，提高正面的亮度。

可见，背光模组的作用无非就是把点光源或线光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。但这个背光源大有学问，在搭配不同数量的灯管时其表面的纹理会有不同的变化，背光板的设计涵盖了光学设计、精密模具以及蚀刻、印刷等精密科技。LCD-TV的背光模组大约占原材料成本的23%（15英寸）到37%（30英寸），是LCD-TV原材料中比例最大的一部分。背光模组中光学膜最昂贵，占到背光模组成本的44%，导光板占16%，灯管占12%，其它如灯罩，外框等占28%。

中国已经成为世界最大的TN-LCD生产国。据统计:2000年中国显示器产业销售额约为407亿元。其中液晶显示器为60亿元。到今年底，中国显示器产业的工业总产值约为600亿元，其中液晶显示器约为80～100亿元。中国是液晶显示器背光源巨大的潜在市场。

背光模组技术门槛和资金门槛很低，又是朝阳产业，因此初期产业进入障碍并不高，吸引许多中小型厂商跨入此一领域。然而，由于背光板模块并不是可以大量产的商品，在LCD面板应用范围越趋广泛下，产品尺寸及规格也就越来越多，其中，导光板的规格、尺寸及厚薄各家面板厂商皆不相同，背光模块厂商必须针对各家客户的需求，以设计各种不同的背光模块。此外，零组件的供应来源是否齐备，线上人员的训练和品质，加上后段组立能否达到量产等议题皆值得追踪，人力培训至上线均需至少3个月时间，人员制程熟练度影响其制程良率甚大，且训练初期材料耗损较高，因此厂商如何控制成本为重点。故尽管在初期障碍不大下，小厂林立，惟实际能争取到客源，稳定量产出货的厂商将仅是少数。

背光板模块获利遭LCD模组厂商挤压、及同业的竞争压力下，薄利多销现已成为业界普遍的现象。激烈竞争的背光模组市场只有靠规模出效益，大者恒大。不过由于背光模组上游竞争不充分，加上目前背光模组厂家度日维艰，价格一降再降，因此背光模组的价格不可能下降很多。　由于背光模块认证期间长，一旦获得LCD面板厂商采用后将不会轻易改变，新竞争者将不易轻易介入，因此，在市场上经营较早者，将占有一定优势。

值得注意的是，随着欧美市场上环保认证的推行，越来越多的背光源要舍弃含铅汞成份的CCFL光源。加上近二年间LED亮度突破性的提高和生产成本的降低，所以加大力度研发LED为光源的背光系统作为替代CCFL背光源，是将来各大背光源厂商的重要方向。

背光源工艺简介

导光板的制作
导光板如果只是一个平面，没有导柱和各种挡墙的结构，厚度在2MM以上，一般就可以采用切割压克力板，然后在上面丝印网点的方式制作，切割的方法有机械切割和激光切割。这种方式一来可以比较快的调整光线输出的均匀性，二是省去了注塑开模费用，三是可以快速贴光学膜。这种方式的光源一般采用插灯（2x3x4mm方灯）。如果导光板上有导柱和挡墙等定位结构，导光板就需要开注塑模具生产，模芯一般用S136钢，表面要进行抛光处理，为了提高正面出光效率，有时还会在出光面进行放电或喷砂处理。一个模仁的使用寿命大概在30~50万次左右。与这种导光板配套的光学模片一般要用模切的方式生产，背光源制作效率较低，产品重复精度高。

光学模片的制作
光学模片一般采用模切的方式制作，制作时会在相应的定位位置备覆双面胶或不干胶，然后排列在离型纸上给贴膜工序使用。对于比较精细的白光产品，要使用无纤维剥离的离型膜，并且要在千级的超净车间里模切生产。而用于提高亮度的增光膜，则在模切和使用过程中都要用保护膜保护，在组装背光源成品时才可以去除。

关于LED背光源技术简介
所谓的LED就是指Light Emitting Diode，也就是我们常说得发光二极管，这种产品及其应用更不是现在才有，而且其应用在我们现在的现实生活中随处可见，例如路边的广告牌、家用电器上的各色指示灯和手机键盘上的背光照明等等都是采用了LED作为光源，所以在谈到LED时，我们不应该感到新鲜，所以在这里也没必要详细地对这种产品及其工作原理作详细地解释，而就其在显示器产品上的应用来说，则还应该算作是一种新兴技术产品。

由于传统LCD显示设备上CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷阴极荧光灯)背光技术及产品的某些先天不足，例如色域狭窄、能源利用率低其功耗较高和寿命短小等，所以人们一直在寻找着其替代技术及产品，而在这个过程中，LED背光技术产品便被纳入了人们的选用范畴。

从发光原理上来看，由于LED是由数层很薄的掺杂半导体材料制成，一层带有过量的电子，另一层则缺乏电子而形成带正电的“空穴”，工作时电流通过，电子和空穴相互结合，多余的能量则以光辐射的形式被释放出来,LED正是根据这样的原理实现电光的转换,又根据半导体材料物理性能的不同，LED可发出从紫外到红外不同光谱下不同颜色的光线，特别是LED不能发出白光的技术问题解决之后，为LED在显示领域的应用奠定了根本性的基础。

采用LED为液晶电视的背光源，最主要目的是提升画质，特别是色彩饱和度上，LED背光技术的显示屏可以取得足够宽的色域，弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷，使之能达到甚至超过Adobe RGB和NTSC色彩标准要求，可以达到NTSC ratio 100%以上，其中索尼推出采用LED背光的液晶电视面板，特别强调鲜红和深绿的表现，可显示较以往的方式更为逼真的颜色。同时因为LED的平面光源特性，使LED背光还能实现CCFL无法比及的分区域的色彩和色度调节功能，从而实现更加精确的色彩还原性，以适应平面出版和图形设计工作的需要，画面的动态调整可以使得在显示不同画面时，亮度与对比可以动态修正，以达到更好的画质。

另外，LED做为背光源的优点是可以取代color filter的使用。以三色RGB LED采用色序法(color sequential)技术，利用人类视觉暂留的特性，达到全彩的效果，因此可以取代彩色滤光片。当然，这必须配合液晶的反应速度才能达到。不过要达到此一境界，仍有许多困难必须克服。

不过LED背光模块也不是没有缺点，耗电量的问题仍然是LED背光模块必须克服的重要课题。由于采用较多的LED，除了耗电量增加之外，也导致温度升高的问题，因此也必须增加冷却系统与传感器来解决此一问题，因此在厚度上显得较采用CCFL背光的产品来得厚。尽管LED背光技术有着很多优点，但是其同样也有着难以回避的普及应用难点，首先来说，应用了这种新技术的产品在价格方面还不具优势，再者，LED技术掌握在少数厂商手中为其普及带来困难，最后就是该项技术自身的原因，LED背光技术在发光效率、电流控制和散热上还不是做的很好。