LED發(fā)光效率發(fā)展動向

LED發(fā)光效率發(fā)展動向
LED背光模塊能夠迅速擴展應用范圍另一項要因，是LED背光模塊單位耗電量能獲得很高的輝度，亦即單位瓦特的發(fā)光流明數(shù)lm/W 。如圖2所示LED背光模塊的光源可分為下列四種:

?擬似白光LED

基本上它是由藍光LED與黃色熒光體所構(gòu)成，動作時利用互補原理產(chǎn)生白光，這種型式的LED結(jié)構(gòu)非常單純，而且發(fā)光效率很高，因此被當作小型LCD的背光光源，廣泛應用在行動電話，缺點是紅色成份的強度較弱。

?近紫外白光LED

它是由可產(chǎn)生近紫外光的LED，與可產(chǎn)生RGB三種顏色的熒光體兩者組合而成，由于它是利用RG三種顏色混合變成白光所以色再現(xiàn)性很高，不過這種白光LED基于紫外光會使用率封裝樹脂與熒光體劣化等考量，因此必需另外開發(fā)抗紫外光的樹脂與熒光體。

?單體RGB白光LED

由于單體RGB白光LED可針對各單體LED設計散熱結(jié)構(gòu)，因此較容易獲得高輸出效果，不過RGB單體LED的芯片物理上彼此相隔，所以必需設計專用的導光路，使RGB單體LED的光線能均勻混色變成白光，如此才能避免背光照明模塊變厚。

?一體化RGB白光LED

一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導光路與背光照明模塊厚度限制等困擾，不過施加的電流量受到限制，因此不易獲得高輸出效果。

圖2 LED背光模塊常用的LED型式

有關如何改善LED背光模塊的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)lm/W問題，基本上除了提高LED本身的發(fā)光效率之外，如何更有效的取出光線也是關鍵性要點之一，根據(jù)以往的經(jīng)驗顯示，結(jié)構(gòu)簡單的LED反而更容易提高單位瓦特的發(fā)光流明數(shù)，例如日本RIGHTS公司利用擬似白光LED與特殊導光板，獲得與傳統(tǒng)冷陰極燈管背光模塊相同的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)；日亞化學則利用一體化RGB白光LE，試作液晶顯示器的背光模塊，它的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)大約是傳統(tǒng)冷陰極燈管背光模塊的80%左右，如果改用單體RGB白光LED，由于必需透過混色用導光路才能產(chǎn)生白光，所以每瓦的發(fā)光流明數(shù)相對較低。整體上若以2003年的技術(shù)水準而言，日本RIGHTS公司的LED背光模塊的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)，大約是傳統(tǒng)冷陰極燈管背光模塊的1/3～1/2左右，換句話說今后除了必需提高LED本身的發(fā)光效率之外，也必需設法改善LED背光模塊的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)(圖3)。

圖3 LED背光模塊的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)

圖4是LED發(fā)光效率的進化經(jīng)緯，由圖可知過去2～3年LED的發(fā)光效率每年大約提高2倍左右，不過未來是否能持續(xù)保持如此高的成長倍數(shù)雖然令人質(zhì)疑，不過大部份的日本LED廠商卻認為未來2～3年LED可望持續(xù)維持上述水準，而且2005年時的單位瓦特發(fā)光流明數(shù)應該可以達成幾乎與冷陰極燈管相同的50lm/W水準，事實上以擬似白光LED領先的日亞化學，早在2002年就已經(jīng)達成60lm/W的實驗室成果，相較之下豐田合成則因50lm/W的發(fā)光效率問題，頓時陷入擬似白光LED與近紫外白光LED選擇的迷失；而德國OSRAM Opto Semiconductors正式則宣布加入液晶背光源開發(fā)行列，同時將發(fā)光效率定為50lm/W。有關RGB白光LED的發(fā)光效率未來發(fā)展動向，基本上日亞化學推測RGB白光LED的發(fā)光效率是擬似白光LED1.2倍左右，有關2005年以后的預測雖然涉及許多要因，不過日亞化學認為應該可達到70lm/W的水準，卻不易超過70lm/W以上。

圖4 LED發(fā)光效率的發(fā)展經(jīng)緯

LED業(yè)者為提高LED的發(fā)光效率，所以非常長久以來一直很熱衷LED結(jié)構(gòu)的改善。有關如何提高LED的發(fā)光效率，基本上各廠商思考模式幾乎完全一致，換句話說提高LED的發(fā)光效率，基本上取決于如何將發(fā)光層產(chǎn)生的光線取至LED外部，因為光層產(chǎn)生的光線會在組件內(nèi)部反復反射，甚至會被組件吸收轉(zhuǎn)化成熱能，為了抑制光線的多重反射，因此各廠商著手進行基板與電極的形狀改善，例如德國OSRAM將SiC基板的端面傾斜放置，接著制作凹凸狀電極，藉此改變光線的入射角，達到抑制光線反射的效果，該公司計劃未來將組件上下反轉(zhuǎn)進行flip chip連接，同時在發(fā)光層設置mirror使光線能朝前方集光(圖5)；日亞化學則是使在藍寶石基板表面形成凹凸狀藉此散亂光線，同時采用網(wǎng)狀電極增加電極部位的取光效率(圖6)。

圖5 OSRAM的GaAlP系LED改善組件結(jié)構(gòu)，提升取光效率

圖6 日亞化學改善組件結(jié)構(gòu)，提升取光效率的方法

如上所述促成LED背光模塊進步的原動力，除了LED光源本身的發(fā)光效率獲得大幅提升之外，導光路的最佳化設計也是具有決定性的影響。LED背光模塊的導光路比傳統(tǒng)背光模塊更容易設計，因為改變發(fā)光組件的構(gòu)造，可使光線輕易朝相同方向集光，所以可以省略反射膜片(Reflector Sheet)等光線均勻化組件，根據(jù)實驗結(jié)果顯示發(fā)光效率只有冷陰極燈管1/2的擬似白光LED，若搭配最佳化設計的導光路，亦可將單位瓦特發(fā)光流明(lm/W)，提升至與冷陰極燈管相同水準。值得一提的是單體RGB白光LED的場合，為了使各單體LED產(chǎn)生的光線能均勻混色變成白光，所以必需使用類似圖7所示的特殊設計的導光路。

圖7 使用RGB三色的背光模塊

LED背光模塊若能克服單位瓦特發(fā)光流明(lm/W)的問題，液晶面板就可以因LED背光模塊的「高色再現(xiàn)性」與「高速反應」等特征獲得充分的發(fā)揮。

※ 為了徹底追求第(1)項高色再現(xiàn)性，直接使用RGB芯片(chip)的發(fā)光色混色變成白光，比利用熒光體產(chǎn)生白光的擬似白光LED更有利，因此日本三菱利用RGB三色LED制作NTSC比高達104.4%的液晶顯示器，它的色再現(xiàn)性甚至超越同等級的CRT顯示器。雖然使用熒光體的擬似白光LED的紅光成份較弱，不過利用RGB三種熒光體發(fā)光的近紫外白光LED，卻可獲得RGB成份相當均衡的光線，因此可以彌補上述紅光成份偏弱的缺點。事實上豐田合成已經(jīng)開始小量試作亮度與擬似白光LED相同的近紫外白光LED，2003年9月則正式進入大量生產(chǎn)階段(圖8)。

圖8 使用熒光體的白光LED頻譜

※ 有關第(2)項高速反應，如上節(jié)介紹的韓國三星SDI的的Field Sequence液晶面板，已經(jīng)證實利用RGB三種LED，可以取代高單價的彩色濾光片(Color Filter)，而且LED的發(fā)光特性穩(wěn)定，點燈熄燈的反應速度是以ns計算，它的點燈熄燈反應速度比傳統(tǒng)冷陰極燈管的10ms足足減少三位數(shù)，如果搭配高速液晶時可獲得無切換時差的全彩顯示(Full Color Display)效果。此外LED的點燈熄燈特性對in pulse驅(qū)動方式非常有利，因為in pulse驅(qū)動方式可以改善動態(tài)影像境界部位常見的影像模糊現(xiàn)象，不過光源的反應速度如果太慢的話，就無法使上述效果獲得充分發(fā)揮，而LED的高速點燈特性正好符合如此的需求。

雖然LED背光模塊具備許多優(yōu)點，可是始終無法普及化，主要原因是LED背光模塊的成本居高不下，例如23吋液晶電視用LED背光模塊，如果使用單體RGB白光LED時，2003年的制作成本是傳統(tǒng)冷陰極背光模塊的2.5倍(圖9)，LED光源的成本則是冷陰極光源的10倍，使得LED背光模塊的優(yōu)勢只剩下不需使用耐高壓轉(zhuǎn)換器(inverter)一項而已。為了達成2006年LED背光模塊的成本與傳統(tǒng)冷陰極背光模塊相同的目標，LED光源的成本必需降至1/6以下，同時大幅提高LED的發(fā)光效率減少使用顆數(shù)，才能全面取代傳統(tǒng)冷陰極背光模塊。

圖9 LED背光模塊的成本分析

圖10是德國OSRAM公司針對30吋液晶電視開發(fā)的低成本Xe平面Lamp結(jié)構(gòu)，由于它是平面光源因此不需使用導光板與擴散膜片(Diffuser Sheet)。Xe平面Lamp是利用脈沖電壓激發(fā)Xe(Xenon)氣體，將紫外光轉(zhuǎn)換成可視光，雖然它的發(fā)光效率只有傳統(tǒng)冷陰極燈管的1/2，不過由于Xe平面Lamp無導光板的光損耗，所以單位瓦特發(fā)光流明(lm/W)特性與冷陰極燈管相同。Xe平面Lamp最大特征是它的壽命是冷陰極燈管2～3倍，而且更不會因為高溫加速發(fā)光特性劣化，或是紫外線造成背光模塊周圍塑料組件老化。根據(jù)OSRAM公司表示Xe平面Lamp的輝度半衰期為10萬小時，而且色度變化非常小，-300C~+850C時的輝度幾乎維持不變，點燈時的站立時間低于5ns。早期的Xe平面Lamp價格比冷陰極燈管的貴2～3倍，因此OSRAM公司采取四項對策，試圖藉此降低Xe平面Lamp的制作成本，這四項對策分別如下:

(一).在front glass制作圓錐形凹槽取代spacer。
(二).降低玻璃基板厚度。
(三).改采spray方式涂布熒光體。
(四).取消誘電體結(jié)構(gòu)。
該公司已經(jīng)在2003年小量生產(chǎn)，預定2005年開始大量生產(chǎn)，30吋等級的價格為100～120USD，一般認為該價格相當具體競爭力。