LCD TV背光模組的節能應用設計趨勢

各種尺寸的LED背光設計LCD面板

前言：
LCD TV持續搶占市場，其原因不只是薄型化的設計優勢，其實其省電、節能與省空間，應用價值已超越傳統CRT技術甚多，而在LCD薄型化的趨勢下，LCD顯示原理必備的背光源設計，目前已有多種技術應用中，在低價產品仍相當常見的CCFL冷陰極管式背光源，雖逐漸被LED式背光源取代，但CCFL技術也有對應技術提升因應，而更具未來性的EL背光源技術，亦值得持續觀察...

本文：
在眾多家電中，電視為家中使用相對較頻繁的電器，當LCD TV持續取代傳統CRT(Cathode ray tube)映像管式電視機，相關技術發展也如雨後春筍般相繼提出。LCD TV雖較CRT電視更具省電效用，但實際上，LCD TV的背光設計不僅影響實際觀賞品質，也會左右同尺寸LCD TV耗電量表現。雖然LCD TV已達到相當程度的省電效用，但隨著使用者對大尺寸螢幕需求越來越高，LCD TV顯示尺寸持續增大，相對也使LCD TV耗電量也持續飆高，如何兼顧顯示畫質與省電表現，已是各LCD TV廠商積極研發的重點。

檢視LCD TV整體能耗關鍵，會發現1部LCD TV消耗能源最多的即背光模組設計，光是背光模組所消耗的能源，就佔掉整部LCD TV 7成運作電力，而此為採CCFL冷陰極燈管背光模組設計為基礎的產品表現，若背光模組設計總成更換為LED背光元件設計，能耗即可相對減少許多。

改變產品設計 強化背光源應用效能

除在背光源技術的考量外，其實LCD TV的背光源設計仍可經由物理原理的設計構型調整，達到提升光源利用率的方式去減少背光源的設立數量，進一步達到省電、降低成本的好處。例如，LCD TV經常使用的CCFL直下型背光模組，在LCD的背光設計構型，就有相當大的改善空間可供調整、強化其設計。

基本的LCD TV內部構造中，由於可用的機構空間為狹長平面，導光板多採扁平設計，一般將導光板設置於CCFL燈管後方，而導光板可將CCFL燈管後方未能善用的發光來源往LCD TV面板上折射，藉此可減少LCD TV背光所需設置的CCFL燈管數、或降低CCFL的驅動功率，達到節省用電的目的。

採行高效導光板的優點相當多，此即代表燈管背後的光源可減少浪費，但經折射率高之材質所產生的反射現象還會同時出現折射光效能減損問題，而為了產品薄化設計，也會讓燈管與導光結構距離過於接近，影響折射效果。LCD TV機體受限於趨於薄化的外觀構型，燈管與導光板距離過小，經導光板折射向前燈光即被燈管本身管徑阻擋，影響設置燈管可用的背光實際使用發光效率。

此問題的改善的方針並不困難，多數設計可透過CCFL燈管的管徑縮減，使管徑縮小，當燈管背後所發出的燈光經過導光板折射，被燈管阻擋折射光線的問題即可獲得改善，除燈管管徑縮小外，在燈室(即燈管、反光板構成的模組空間)設計若設置更多深度的反射空間，也能將薄化造成背光源效能低落問題大幅改善。

改善能源轉換效率 讓被光源驅動電力更精省

觀察主流的低價42~47吋LCD TV，背光燈管數量約在20~25組，驅動燈管的電源轉換器也會有能源轉換效率問題，其功率轉換也會造成大量能源消耗、損失，對LCDLCD TV而言，顯示面積提升就等於耗能持續增加，減少顯示能耗最根本的方法就是改善驅動燈管發光的電子電路的能源轉換效率。

以CCFL冷陰極燈管為例，想延長CCFL使用壽命，即需針對背光源驅動電壓、電子電路進強化設計，如使冷陰極燈管運作環境(如燈管距離、散熱、驅動電壓)…細節進行強化，而驅動電路需能針對燈管電氣特性提供最佳化工作電流、電壓，才能使CCFL燈管壽命能藉此延長。

EL背光源技術 大廠爭相投入研發資源

新興的有機發光二極體技術(EL)，其技術特性更適合僅有狹小空間的背光應用需求，其應用可能性也讓各大廠躍躍欲試。EL背光模組相較LED背光設計更具體積優勢，EL背光系統為透過EL燈片、驅動器進行背光系統設計。目前EL燈片製作厚度可達到0.2mm以下，而燈片本身是採行絕緣基底上塗布特殊壓電發光材料，至於發光材料為利用兩層電極結構組成一發光模組。

EL發光材料的應用相當多，業界有採硫化鍶、硫化鈣或硫化鋅…等化合物成份，再搭配如釤、銪、鎂與螢光染色劑強化其發光效率，或藉由不同配方或製程，製作不同發光光色、亮度、致動頻率…等EL燈片的電氣特性。

而EL燈片對施加於電極的偏壓能量、頻率不同，而會有不同的變化！雖在一般裝飾照明用途不需太精確的燈光輸出效率控制，但若要使用在提供LCD背光應用的光源設計，EL燈片的偏壓與其發光反應，就必須在電子電路設計更要求穩定表現與相關設計要求，EL驅動的設計難度相對比LED背光設計更高，業界對EL燈片的發展，較成熟的技術可在200V、400Hz下進行燈片驅動，而當頻率降低則產生的光色亦會呈現對應變化。

EL燈片隨長時間使用會令其發光效能逐漸趨於變弱，進而使元件進入光衰現象，雖EL燈片透過偏壓頻率調控可令其提升發光效率，但實際應用中EL燈片在接近半衰期，發光效率即大幅縮減，影響其實用價值。典型的成熟EL發光片設計，半衰期約5,000小時，過高的驅動電壓與高頻驅動都會讓EL燈片的半衰期更快產生，相較LED動輒數萬小時使用壽命，EL燈片的耐用度仍需持續改善、強化。

背光模組選用素材不同 省電表現差異大

LCD TV的背光源在積極薄化構型設計下，傳統光源並無法滿足需求，主流設計目前已逐漸改用熱門的LED光源，因為LED具高啟動速度(ns)、低消耗功率，更適合薄形化構型設計。

目前LED背光源在中、小尺寸應用效益高，因其省電效用可讓設備應用的電池時間增長，而LCD TV在大尺寸要求下，LED光源需面對的是如何讓其展生的光源均勻、光源的演色性更豐富，技術難度上明顯較中、小尺寸LCD的背光設計要求更多，也存在更多技術瓶頸。

在背光模組的整體設計方面，近來已有日趨專業分工的設計邏輯導入，背光設計不再只是求有即可，在發光光型、效能與物理特性…等多項要求，採專業分工設計。例如，將背光光源的設計採模組化開發，透過菱鏡概念的反光機構，改善受限機構設計限制的光型瑕疵，例如，容易出現光斑、暗斑的液晶螢幕四周，就可以利用特殊折射或散射反光構造，調整背光光型。

目前為求薄化設計，原有的光室空間受到巨幅壓縮，可在光室內完成的光型變得更加困難。新的設計是將以往散置於面板底部四周的設計，改成集中在邊框的設計方式，而面板中央部位的背光需求，則以更精密、更高效率的導光、集光設計取代，由於面板正下方少了光室與光源組件，成品厚度自然可以大幅壓低。

薄化設計也有其產品價值，因為光源變成集中在面板四周，如此一來在背光源的汰換、維修，反而比直下式設計更加單純，模組化的組裝方式，也能讓生產成本壓低不少。但目前薄型化設計的LED背光模組單價很高，定位精度與光導角的些微差異，就會影響顯示品質

LCD TV的省電關鍵，圍繞在光學物理特性如何達到最佳化設計，新式設計概念也是為背光模組導入增光膜設計。所謂的增光膜並無法無中生有更多的光源，在實際的應用場合中燈管發出的可見光發光效果在玻璃管的管身已有部分折損，實際輸出的亮度並無法達到驅動的全額輸出，若搭配設計不良的光室構型，物理光源折射、散射或阻擋造成光損失。

增光膜效用就在於利用特殊物理光學特性，把損失的光源集中於前方或呈現面狀放射。光學膜的設計概念差異大，一般多為PET材質有些特殊設計反光膜片，業者號稱可見光折射率可達98%，由於PET材質會比採金屬反光板具更好的設計彈性(如面板死角或結構空間)反射需求，補強反光率較差的四周或特殊區塊。

另還可搭配擴散板輔助設計，其目的在導向光源讓輸出能確實傳送至所需背光位置，一般這類搭配光學元件大多採用高透明壓克力、PC、MS、PS、COP…材質。

導入LED背光的趨勢下，透過這些物理性的光源改善手法，可提升整體發光品質的設計重點，因為LED畢竟屬於點狀光源，除透過導光材質，例如壓克力、COP…等素材，將點狀光源儘可能修正為接近面光源，而反光板設置仍需使用大量波浪形底板，將點光源透過多重散射、折射，形成更接近完美的面狀光源，補強LED光源素材的先天條件限制。