薄型LED背光模組之技術發展現況

 

刊登日期:2008/4/15
  • 字級

輕薄的液晶顯示器,儼然成為一股潮流,從筆記型電腦、手機搭載之中、小尺寸應用,漫延至大尺寸的電視面板。在LCD薄型化技術中,關鍵在於背光模組的厚度,LED因元件尺寸可做的較CCFL小,所以採用LED為背光源,在模組厚度方面,相對有較大的壓縮空間,尤其以側光式LED模組結構為最佳,儘管模組厚度的壓縮極限,因顯示器的大小而異,尺寸較小,厚度可做得較薄,當尺寸變大時,厚度壓縮的下限相對較高,主要受限於目前導光板光學結構設計、製程技術與良率及組裝與產品應用可靠度等問題,這也是未來LCD面板與背光模組廠商,在薄型LED背光模組產品應用開發上,最需克服的技術瓶頸。

LCD背光源技術
LCD為非自發光顯示技術,因此對大部分液晶顯示器而言,背光模組為不可或缺的零組件,不同背光模組技術的選擇,對最終產品的厚薄輕重、顯示品質,以及其他特性,諸如:電源使用效率、產品壽命、價格競爭力與是否符合環保法規要求等,皆有決定性的影響。

以往因終端應用產品的特性,在小尺寸的TFT LCD應用上,因LED具有輕薄短小、省電優勢,使其成為手機、數位攝影機、相機等可攜式產品背光源的首選,市場佔有率幾乎已經達到100%。在中尺寸的產品應用上,主要如:車載顯示器、可攜式媒體播放器、數位相框及筆記型電腦等,搭載顯示器尺寸介於7~13吋間,因LED背光模組成本較CCFL高,以7吋與12.1吋背光模組而言,使用LED約較採用CCFL,在成本上分別高約10%與80%。而在大尺寸的LCD應用上,代表性產品為液晶電視與桌上型顯示器,目前,因CCFL背光模組技術發展較為成熟,具成本競爭優勢,所以大尺寸液晶顯示器之背光模組光源,幾乎完全由CCFL主宰。但LED與CCFL比較,因發光原理與元件構造的差異,LED具有一些本質上的優勢,使用在背光模組上,可直接提升LCD的顯示品質,再者,LED本身還具有無汞的環保特性。自從NEC與SONY分別於2005年5月及12月推出第一款LED背光的桌上型顯示器與液晶電視產品以來,後續亦不斷有廠商推出類似產品,但目前市場規模仍小。

小尺寸LED背光模組
小尺寸LCD的背光源,通常搭載側視型(Side View Type)白光LED。一般而言,背光模組的厚薄主要取決於導光板,而它的厚度會受到LED封裝規格的限制,現今白光LED商品的封裝尺寸,厚度主流為0.6mm,最薄為0.4mm。若以0.6mm白光LED為例,使用PMMA做導光板,LED光源與導光板之間間隙為10m,從光學模擬結果來看,導光板厚度若大於或等於0.6mm時,LED之光利用效率約為90%,但當導光板厚度降到0.36mm時,LED之光利用效率將減少至54%(圖一),受限於此,導光板的入光面高度至少需與LED光源出光面相同,才能讓光線有效進入導光板中,所以結構設計上,入光側較厚是無法避免的,重點在於如何使對應到顯示區域(Active area)的導光板厚度縮減,卻不損失光之通量。


圖一、LGF/LED 厚度比對光源使用效率的影響

常見的楔形導光板結構如圖二所示,但這樣的設計,當導光板厚度縮減時,來自LED的大角度入射光在到達導光面之前,會經過兩次反射,由斜面折射出去,降低正面的出光效率,為了克服此一問題,松下電器所提的雙側漸縮型構造,可減低入光側到出光面的之間的斜面斜率,可抑制因折射造成之光損失。工研院機械所則採用導光板底部製作crossed V-cutting的結構,可改善整體模組的均勻性與正向亮度。


圖二、楔形導光板結構

NB 用LED背光模組
LCD在中尺寸的各項產品應用上,對模組薄型化需求最迫切的為筆記型電腦。在筆記型電腦用的背光模組方面,以往使用CCFL時,因受限於燈管管徑為1.8mm,所以導光板入光側高度必須維持在2mm左右;這使搭載CCFL背光模組的筆記型電腦面板,無法做得很薄,而改用LED作為背光源,因LED的出光面可做的較小;相對之下,導光板的厚度,亦可做的較薄,整體模組厚度,也就獲得大幅壓縮,同時又較省電,因此對筆記型電腦,這種攜帶式電子資訊產品,LED背光模組具有相當大的優勢 (圖三)。


圖三、採用LED背光模組與CCFL背光模組的面板外觀比較圖

對於背光模組廠而言,主要技術門檻在薄型導光板的製造,雖然,對應導光板薄型化趨勢,已有些新的生產方式被開發,如:日本宮川預計導入噴墨技術、芬蘭Modilis公司則是開發roll to roll的壓印(imprint)製程;但是,目前導光板的生產,還是射出成型為主。未來,若是再朝薄型化(<0.4mm)或較大尺寸(>15吋)筆記型電腦應用發展,廠商若要投入這種超薄導光板生產開發,勢必面臨射出成形設備可能要改裝或更新、材料流動性與轉寫率的問題、模具製作困難等技術瓶頸。

LCD TV 用LED背光模組
在大尺寸LCD面板方面,尤其在液晶電視的應用上,因色彩的展現能力,是相當重要的產品特性,而一般電視之顯示色域規格大多在70%以上,若選用一般白光LED, 色彩展現能力約40~50% NTSC,並不足以滿足液晶電視的應用需求,需使用R、G、B三色LED的混光機制或三波長型白光LED,才可展現LED背光模組能豐富LCD色彩顯示的優勢。

在外觀尺寸上,一般採用直下式紅、綠、藍三色LED的背光模組,因需要一定的混光空間,模組厚度約30~50mm,較一般CCFL 背光模組的20~25mm還厚,以SONY 2004年推出世界首創的QUALIA 005系列液晶電視,LED背光模組部分,因包含散熱風扇、導熱管設計,厚度更高達約100mm。針對薄型化LED背光模組在液晶電視應用方面,主要公司的技術發展動態介紹如下:
1. GLT與LUMINUS共同開發的側光式 LED背光模組
GLT(Global Lighting Technology)與LUMINUS在2007 FPD International,合作推出LCD TV用的37吋側光式LED背光模組,利用LUMINUS的高效率RGB LED模組- PhlatLight™,搭配GLT的MicroLens™導光板專利技術。此種方式可將整體模組厚度縮小至15mm以下。


圖四、LUMINUS的PhlatLight™ LED結構剖面圖

2. 日本TAMA FINE OPTO開發之「FLATLED」技術
FLATLED為日本TAMA FINE OPTO公司的直下式RGB LED背光模組技術,此種技術的特點是把多個R、G、B LED先封裝為一個發光元件,藉元件內部的光學結構設計,使三色LED所發出的光,先產生一定程度的混色,如此可大幅壓縮外部混光所需的空間;此外,因此種方式LED配置為直下型,所以可做背光局部點亮的控制模式,具提高顯示對比與省能的優點。

去年,在FPD International會場,藉由改善LED封裝元件與整體背光模組結構設計,該公司展出一款新結構的26吋直下式LED 背光模組,配置的LED封裝不再是矩形,而是呈細長的條狀排列,並在LED元件之間,設置了反射率為98%的反射薄板,用來將擴散板反射回來的光線,有效地再次反射到面板的正面。此外,因結構設計的變更,新款的LED背光模組是在擴散板和反射薄板之間高25mm的空間內混光,但為了確保亮度和顏色的均勻性,在LED封裝表面上設計了微透鏡(圖五)。 


圖五、TAMA FINE OPTO的「FLATLED」直下式背光模組結構

在2007年FPD International上,許多面板廠商皆展出超薄型的大尺寸LCD面板,可見液晶電視薄型化是未來趨勢,其中背光模組的厚度將是決定LCD TV能做到多薄的關鍵,根據Nikkei Electronic Asia的預估,2008年背光模組的厚度會由2007年的25~30 mm降到15mm,而2010年將進一步縮減至5mm左右。展望未來,LCD TV用背光模組薄型化技術指標,若以CCFL為光源,一般認為以現今主流的直下式模組設計,厚度極限約為15 mm,如欲做的更薄,需改採側光式結構,但恐有亮度不足的問題;反觀,若使用LED光源,無論採取何種結構設計,皆可做得更薄,其中又以側光式的LED模式,最被看好。

作者: 吳耀庭 / 工研院材化所
出處:工業材料雜誌256期

★詳全文:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6796


分享