小 月 樓

05-07-2007 電子時報
強化LED結構讓液晶電視走向LED背光   

   前言：在追求廣色域的目標之下，全球液晶電視業者紛紛開始導入LED的背光結構，當然這並不是一件簡單的事情，除了成本的考量之外，最重要的莫過於耗電的話題。
    Sony在2004年所發表的40吋及46吋LCD用LED背光模組Qualia 005，在採用450顆3原色LED之後，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吋LED背光液晶電視的耗功率已經大幅下降到200W，所採用的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，並且可支援的面板尺寸也將近增大1倍。
   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一直在全球業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吋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吋液晶電視，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吋液晶電視，詳細的作法觀念是，基於液晶電視每年都以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組技術的話，就有機會將背光模組的耗電量降低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背光模組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，因為對於大尺寸的液晶電視來說，有將近60％的電力是消耗在背光模組上，不過要降低總耗電量並不是只有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，大多的液晶電視多採用直下式的背光，而包括監視器以及小尺寸應用的產品，都是以側光式為主，這是由於雙方對於輝度與演色性需求差異下的區隔。一般來說，監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展，目前包括有部分的筆記型電腦也開始採用側光白光LED的背光模組，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，但是因為筆記型電腦大多是用來進行文書等等靜態畫面顯示，期望達到與液晶電視相通同品質的用戶畢竟不多，所以，基本上演色性不足並不是太大的問題，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組業者所克服。
   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，甚至於要耗費數年的時間。其實說穿了根本關鍵還是在成本，因為對於液晶電視而言，所需要的是高輝度，所以必須採用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，如此一來那就必須採用更多的散熱鰭片、風扇、散熱管等等來維持模組內的溫度，此外，使用數量龐大的LED，而為了使色調統一，除了要嚴謹的篩選發光波長相同的LED之外，還必須採用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。不過這並非絕對的，另也可以使用其他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背光模組的耗電量並非是背光模組與液晶電視系統業者所需要努力的，其實對於LED晶片業者來說，也扮演著相當重要的角色，因為如果晶片業者的努力能夠強化LED發光效率的話，那麼LED對於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背光模組上。
熱效應問題是老生常談卻不易解決
    最近這幾年來，LED晶片業者相當積極的開發高亮度LED晶片，最實際的做法就是如何讓LED能夠支援更大的電流，來讓LED產生更大的輝度，以目前的規格來說，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晶片中導入350mA的電流，讓單晶片產生更高的內部量子效率，如果驅動電壓是3V的話，那麼換算之後，被流入LED的電力就有將近1W左右。
    但是，並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，並且降低發光效率，造成畫質的演色偏差。
    對於LCD背光用的白光LED開發課題來說，不僅僅是提高LED的發光亮度，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，因此在完成高電流的LED晶片之後，如何封裝在熱傳導率大、熱容量大的材料上，就成了業者相當重要的課題。
    藉由封裝提升光輸出功率
目前產生白光的LED方式，已經從傳統的利用藍光LED加上黃色螢光粉，朝向多元方式發展。經過這些年來的技術努力，白光LED的發光效率，和過去相比可以發現已經大幅的提升，日本的LED照明推進協會預計，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，在波長上對於紅色和綠色的顯現能力較為薄弱，所以也有業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複雜性的，因為並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，與螢光粉的製作技術，應該可以克服上述困擾。
   就技術上，如果藍光LED晶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的白光輸出並不困難，以今天的技術而言不是困難的課題，例如包括Cree、日亞等等的業者在2006年已開發出高亮度的藍光LED晶片。緊接著之後的如何降低外部量子效率的損耗便是考驗者封裝業者的能力。
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：降低晶片的熱阻抗、控制模組和印刷電路板的熱阻抗、提高晶片的散熱性等等。
    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晶片，配合在LED周圍填入混合螢光粉而產生白光，對於從藍光LED晶片所發出的熱，則是被熱槽和簧片架等吸收，使封裝內部不至於充滿熱效能，但是大多用來封裝的環氧樹脂因為抗熱性較差，所以往往在LED晶片本身的壽命耗盡之前，環氧樹脂就會出現變色的現象，使得LED模組的壽命因此而減低。由於矽樹脂耐熱性高，即使在攝氏150度～ 180度的情況下也不會出現變色，所以已經有許多業者逐漸採用矽樹脂，逐漸取代環氧樹脂來作  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，有的業者採取增加金屬片厚度、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晶片放置在，利用銅與陶瓷材料製成的散熱鰭片表面，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，晶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組開發時間
    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，全球各大業者無不深入開發相關的技術，來降低成本以及提高效率值。但是，對於白光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範來定義出白光LED的效能。單純的說，如果能有白光LED的量測標準，對於背光業者而言無疑是一項大好的消息，因為在今天，液晶面板背光模組業者在採用白光LED時最大的困擾在於白光LED的選用，一旦這樣的量測標準被定義且實施之後，液晶面板  背光模組業者，便能夠更簡單的選用LED，以及依照規範開發出合適的背光模組，大幅度的縮減開發時間。
   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、日本照明器具工業會，以及日本電球工業會從2004年底開始，共同聯手制定白光LED的量測標準，來規範出白光LED的各項標準，這些單位的構想是，不僅僅是白光LED晶片，甚至連白光照明都可以依照這樣的規範來進行。
   這個規範不只定義了LED晶片與模組的結構，甚至在一定色溫下所能表現的可視光的範圍都有詳盡的定義，並且要求在發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度的角度範圍之內，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，才能被稱為符合規範標準。
規範提供兩種電壓測量方式
    由於這次的專題報導，是偏重於白光的LED驅動，所以下面就針對規範中所提及關於白光LED驅動的部分進行說明。在規範中，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與一般的邏輯晶片並不相同，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。所以在規範中定義了，在進行量測時，周圍溫度的變動幅度必須在攝氏2度之內，並且不能有氣流效應，也就是風場的存在，來確保進行量測時，白光LED的色再現性與穩定性。對於白光LED的驅動，規範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，就必須採用定電流源驅動，因為如果採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。
    關於詳細的量測規範與說明，日本電球協會已經發表了用白光LED測光方法通則，有興趣的讀者可以連上日本電球協會網站尋找，通則的售價約為700塊台幣左右。
背光模組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表現範圍的家用液晶電視，更可以藉由LED背光模組的色再現特性，來達到高畫質的表現。