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液晶顯示器背光類型及優缺點(LCD、CCFL、LED)

2013-11-11 14:48:05  來源: 電腦常識 

  液晶背光顯示原理 液晶不同於等離子的最大區別就是液晶必須依靠被動光源而等離子電視屬於主動發光顯示設備目前市場上主流的液晶背光技術包括LED(發光二極管)和CCFL(冷陰極熒光

  燈)兩類

  冷陰極熒光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp;CCFL)

  傳統的液晶顯示器都是采用CCFL(冷陰極熒光燈管)背光CCFL的背光設計主要有兩種“側入式”與“直落式”不過側入式因光導設計使得光折損率較高進而讓背光亮度受限面板尺寸越大時亮度就越低僅適合英寸~英寸的TFT LCD面板也就是LaptopDesktop等個人觀賞之用但在居家觀賞的LCD TV大尺寸上面時側入式的亮度將難以滿足取而代之的是直落式

  不過越大尺寸的LCD其背光模組所占的成本比重就越高所指的是正是直落式CCFL背光模組根據統計同樣是使用直落式CCFL背光模組英寸時背光模組僅占整體成本的%但是到英寸時就增至%且推估到英寸時背光模組所占的成本就會達到%所以直落式CCFL背光僅適合用在英寸左右的中型尺寸LCD TV不適合用在更大面積的設計上同時CCFL是運用水銀氣體放電來產生照明雖然目前歐盟訂立的RoHS規范只要對“水銀”劑量在標准以下仍可接受但無人能保證日後可能將標准提高至零含量(完全不准使用)屆時CCFL將無法使用或必須改行無汞式CCFL

  即便無汞式CCFL在技術上可行但CCFL依舊是密閉光管性的氣體放電式電子照明光管對外力的抗受性有限較大的沖撞將使光管破裂使照明失效相對的其他固體式電子照明(如LED)則無此顧慮另外由於直落式不需要用導光板也較無光折損問題所以也不需要增亮膜特別是增亮膜屬少數業者的專利技術價格昂貴直落式可以省去導光板與增亮膜此有助於成本降低

  不過直落式CCFL也有其缺點為了提升畫面亮度必須增加光管數目然光管過密排置的結果將不利於散熱既然左右相間的距離空間縮減只好從厚度層面來增加散熱空間然而厚度增加也等於部分抵損LCD TV的優點輕薄

  附帶一提的是在大寸數的LCD TV上使用CCFL光管光管的長度也必須因應寸數增加而增長然而較長的CCFL光管其光管的中間位置與兩端將容易產生亮度MURA與色MURA的問題進而影響背光的光均性為了持續保持光均則必須用上擴散膜來強化光均度但擴散膜也會帶來光透率的折損使亮度減低亮度減低的結果只好以增加光管數的方式來補強但就如前所述增加光管將更難設計散熱增加背光模組的厚度甚至是用電增加根據了解CCFL背光模組的用電已占LCD TV整體用電的%之高所以改變背光技術是目前改變LCD畫質的一個方向之一

  發光二極體(Light Emitting Diode;LED)

  既然CCFL背光有諸多的副作用疑慮因此業界也尋求各種新背光實現技術而LED則是可行方案之一如Sony的Qualia系列電視即是高端的大尺寸(英寸英寸)的LCD TV其背光部分是用WLED所構成稱為WLED背光技術而對LED背光技術的LCD Monitor研發目前亦已經到實質性階段我們在年的CES會展上已經可以看到相關產品展示

  LED背光有多項好處首先是固體式電子照明對沖撞的抗受性高於CCFL且沒有汞氣體的環保法規顧慮沒有UV紫外線外洩顧慮同時在色彩飽和度及壽命上都超越CCFL另外LED只要正向電壓即可驅動不似CCFL需要交流的正負向電壓即便是只論正向驅動電壓LED的需求水准也低於CCFL再者LED的亮度只需用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation;PWM)方式就可調節並可用相同方式來抑制TFT LCD顯示上的殘影問題然而CCFL的亮度調節就較為復雜且無法抑制殘影必須以另行方式才能抑制

  雖然LED背光有諸多優點但也有其缺點首先是發光效率以相同的用電而言LED並不及CCFL因此散熱問題會比CCFL嚴重此外LED屬點型光源與CCFL的線型光源相較實更難控制光均性為了達到盡可能的光均必須對生產出來的LED進行特性上的精挑嚴選將大量特性一致(波長亮度)的LED用於同一個背光中此一挑選成本也相當高昂所幸的是LED的發光效率還在提升中目前已可至 ml/W以上如此色彩飽和度可以更佳以及讓背光的WLED排置更寬松進而讓用電與散熱問題獲得舒緩且制造良品率持續進步成熟後嚴選光亮特性一致的LED之成本也會降低

  單單改變背光技術或許還不足以引發LCD的革命那麼我們就去看看別的LCD技術發展OLED (Organic Light Emitting Diode)即有機發光二極體OLED顯示技術與傳統的LCD顯示方式不同無需背光燈采用非常薄的有機材料塗層和玻璃基板當有電流通過時這些有機材料就會發光而且OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄可視角度更大並且能夠顯著節省電能但是目前它的壽命和價格是限制它在LCD方面發展的瓶頸

  OLED是另外一個受到矚目的面板應用技術並且以小尺寸面板的實現期程較早以客戶的計劃來看年會有較多的機種問世但仍以次面板為主而且即使機種和出貨量較現在有明顯的增加市場占有率也不會超過%OLED原本因為本身薄對比視角省電等各方面的條件都較TFTLCD要優秀一直受到業界的重視認為將取代TFTLCD早幾年也紛紛投入研發然而一方面OLED本身技術遇到瓶頸壽命問題有待克服;另一方面TFTLCD技術持續精進現在也能夠提供優異的對比和視角致使OLED需求量始終無法大舉提升並且市場不大又供過於求限於價格競爭;原本投入的業者也難逃解散和縮編的命運台灣勝華科技過去則轉投資成立勝園投入OLED研發眼看OLED與TFTLCD無法競爭尤其成本差異大規格方面TFTLCD已可輕易達到度的視角的對比亮度增加也可以做薄反應速度雖然較遜色但達到人眼可以接受的范圍即可因此勝園也已經收掉只留下幾位研發人員回到勝華做材料的開發未來OLED的壽命和價格若能大幅改善仍有機會;現階段則限於具特殊性強調要標新立異的產品;量大的時間點還未看到

  而AMOLED(Active Matrix/Organic Light Emitting Diode)主動矩陣有機發光二極體面板(AMOLED)被稱為下一代顯示技術包括三星電子三星SDILG飛利浦都十分重視這項新的顯示技術目前除了三星電子與LG飛利浦以發展大尺寸AMOLED產品為主要方向外三星SDI友達等都是以中小尺寸為發展方向從目前成品產品的產品性能表現來看如果AMOLED成本能夠得到有效控制的話那麼傳統的LCD面板技術將受到極大挑戰

  AMOLED優點之一無需背光燈

  AMOLED優點之一色彩飽和度更大

  AMOLED優點之一可以達到IPS或者VA面板的度可視角度

  AMOLED優點之一有效解決LCD面板動態模糊問題

  在上述的四個OLED優點中我們特別關注第四個產品特點因為在目前市面所有的台式機液晶顯示器中均無法解決液晶屏幕動態模糊問題液晶屏幕的動態畫面模糊通常是指畫面變換的過程中發生了邊緣輪廓模糊的現象發生動態畫面模糊現象的原因有一個是液晶的響應時間及螢光體殘光等另一個是TFT驅動就像Hold方式的影像控制等

  Hold是造成動態畫面模糊的主因

  所謂“Hold方式”顯示方式就是在一定的時間內顯示一個Frame影像而在電視畫面中這種Hold時間相當於一個垂直周期(毫秒)一般而言大家都相當清楚液晶響應時間對於動態畫面顯示來說是相當重要的因為以液晶電視來說一個畫面的變換時間大約是ms所以液晶電視的反應時間能不能比ms更短對於動態畫面的畫面表現來說非常重要不過還有一個情況是即使液晶的響應時間為ms(這是不大可能及困難的)模糊還是不會消失這是因為液晶螢幕是利用“Hold方式”的方法來顯示影像的根據一些實驗報告我們可以知道利用“Hold”方式在螢幕上顯示的動畫會在視網膜上左右搖動這樣的搖動隨著時間積累就覺得動態畫面模糊了和改善液晶的響應時間一樣必須開發縮短“Hold”時間的顯示方法根據上述的情況液晶屏幕所出現的動態畫面模糊不能用長久以來所使用的測定就是從白到黑及黑到白變化時間的液晶響應時間來表示

  改善因Hold時間引起動態畫面的模糊

  如果響應時間是ms的理想控制型液晶面板(Hold時間%)的情況下MPRT是ms(頻率為Hz)Hold時間為%時MPRT約為ms;Hold時間為%時MPRT為ms一般的LCD其MPRT在ms以下;如果是商用產品對畫質要求很高的LCD其MPRT可以推測在ms以下前面所敘述了MPRT含有液晶響應時間和Hold時間兩大要素因此如果要在影像的顯示品質下液晶響應時間是希望能夠比以上的值更小一些在改善液晶響應時間的方法中有OCBIPSVA等高速動態的模式也有Overdrive驅動等等現在重視畫質的液晶電視已經將這些方法投入生產當中改善因Hold時間引起動態畫面的模糊有兩種方法一種是配合畫面頻率來點滅背光燈源另一種是運用動作補償技術的倍速顯示法實現第一種具體的方法是利用背光的閃爍和黑信號的插入而在這兩種技術裡最為引人關注的是動態補償技術背光點滅和黑信號插入等的間歇顯示法能夠改善動態畫面的模糊並實現起來比較簡單但在大畫面高亮度的情況下容易產生畫面的閃爍不定相比之下動態補償倍速顯示法能夠在不增加畫面閃爍的前提下改善動態畫面模糊但因為需要大規模的訊號處理電路所以直到目前還是不容易實現

  日本業者發表利用縮短Hold時間改善畫質

  在過去的兩年裡有相當多業者發表利用縮短Hold時間改善畫質的相關技術和產品例如有日本業者利用動態補償高速顯示技術生產的英寸WXGA液晶電視方法是利用動態補償技術把畫面訊號和驅動的畫面頻率從一般的Hz提高到Hz將Hold時間縮短到約%並使用掃描式背光源點滅方式又縮短到%共計縮短了%在不增加畫面閃爍的前提下改善了動態畫面模糊問題因為在Hz下進行背光源點滅人眼不容易感覺到畫面的閃爍另外還有其他業者也是采用運動動態補償技術將畫面頻率數提高到Hz來改善動態畫質

  目前主流的LCD的背光燈都采用了使用壽命較短的CCFL(冷陰極熒光燈)這是LCD的一個硬傷幸運的是人們現在找到了它的接班人——LED

  傳統CCFL背光的缺陷

  在深入了解LED背光技術之前我們有必要先了解當前的背光技術存在什麼問題我們知道液晶是一種介乎於液體和晶體之間的物質液晶的奇妙之處是可以通過電流來改變其分子排列狀態給液晶施加不同的電壓就能控制光線的通過量從而顯示多種多樣的圖像但液晶本身並不會發光因此所有的LCD都需要背光照明目前LCD的背光源幾乎都是CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps冷陰極熒光燈)

  由於冷陰極熒光燈不是平面光源因此為了實現背光源均勻的亮度輸出LCD的背光模組還要搭配擴散片導光板反射板等眾多輔助器件即便如此要獲得如CRT般均勻的亮度輸出依然非常困難大部分LCD在顯示全白或全黑畫面時屏幕邊緣和中心亮度的差異十分明顯

  除了結構復雜亮度輸出均勻性差之外采用CCFL作為LCD背光源還有個讓人頭痛的問題——使用壽命短絕大部分CCFL背光源在使用年之後亮度下降非常明顯(壽命在小時~小時)許多LCD(尤其是筆記本電腦的液晶屏)在使用幾年後會出現屏幕變黃發暗的現象這正是CCFL使用衰減期較短的缺陷造成的

  與此同時由於CCFL背光源必須包含擴散板反射板等復雜的光學器件因此LCD的體積無法再進一步縮小在功耗方面采用CCFL作為背光源的LCD也無法令人滿意英寸LCD的CCFL背光源往往需要消耗W甚至更多的電能這對筆記本電腦和便攜設備來說它們的續航能力將經受重大的考

  驗

  為了解決CCFL的這些硬傷幾乎所有的LCD廠商都開始尋找更為優秀的液晶背光源由於LED有著超低的能耗極長的工作壽命和簡單的結構迅速獲得了LCD廠商的青睐那麼LED究竟是什麼東西?它有什麼奇妙之處呢?

  事實上LED(Light Emitting Diode發光二極管)並非尖端科技產品它在我們日常生活中隨處可見:路邊色彩斑斓的廣告牌家用電器上顏色各異的指示燈手機按鈕的背光照明汽車的前大燈等等都采用了LED作為光源

  LED在世紀年代誕生後就被認定是熒光燈管燈泡等照明設備的終結者甚至有人認為LED將會開創一個新的照明時代最終出現在所有需要照明的場合LED的工作原理和我們常見的白熾燈熒光燈完全不同LED從本質上來說是一種半導體器件

  LED的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片在P型半導體和N型半導體的交界面就會出現一個具有特殊導電性能的薄層也就是常說的PN結(PN Junction Transistors)PN結可以對P型半導體和N型半導體中多數載流子的擴散運動產生阻力當對PN結施加正向電壓時電流從LED的陽極流向陰極而在PN結中少數載流子與多數載流子進行復合多余的能量就會轉變成光而釋放出來LED正是根據這樣的原理實現電光的轉換根據半導體材料物理性能

  的不同LED可發出從紫外到紅外不同波段不同顏色的光線


From:http://tw.wingwit.com/Article/Common/201311/5791.html
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