大尺寸LCD TV之背光技術分析

房東：阿偉
發表時間：2007-04-28

大尺寸LCD TV之背光技術分析

台灣約自1999年、2000年開始投入TFT LCD面板產業，初期以數位相機、口袋電視之用的小尺寸為主，之後進入筆記型電腦用的稍大尺寸，待此兩應用領域的市場站穩後，才進一步的往更大尺寸的桌上型電腦用顯示器發展。

附註：就直覺來命名，桌上型電腦用顯示器當稱為Displayer，然而IBM於80年代推行PC時，刻意將顯示器稱為監督、監視器（Monitor），如此也就一直慣用至今。

數位相機、口袋電視、筆記型電腦為求攜帶性，因此只能用LCD顯示器，沒有其他選擇，而桌上型電腦用顯示器則不然，桌上型電腦用顯示器原是用CRT，LCD若要在此市場取代CRT，除了顯示本務上的各項特性表現不能落後CRT太多外，價格也是一大關鍵因素。

經過數年的努力，桌上型電腦用顯示器的價格跌幅極快，在2000年初投入時，一個15英吋的桌上型TFT LCD顯示器的零售還要新台幣33,000∼29,000元，如今2006年已到了15英吋停產，17英吋只要6,000元，19英吋也是7,000元有找的價位，至此CRT顯示器雖也更低價格因應，17英吋CRT僅在3,000元左右的價位，甚至3,000元有找，但更低的價位也難以阻抵TFT LCD呈為主流的趨勢，如今僅有極專業取向、極成本訴求的利基小眾市場會持續使用CRT，一般而言都已改用LCD。

在順利攻佔、取代桌上電腦用顯示器的市場後，國內面板產業也持續往大尺寸路線發展，然而桌上型電腦用顯示器多只要15英吋∼21英吋，如同筆記型電腦只要8英吋∼15英吋，沒有更大化的需求，為此國內面板產業看上了另一塊新市場，即是家庭客廳用的大尺寸電視（LCD TV）。

雖然面板產業有了新的目標市場，然而挑戰難度似乎也愈來愈高，在數位相機、筆記型電腦市場時並沒有其他類型的顯示器可與之競爭，然而到了桌上型電腦用顯示器時就必須面對CRT的競爭，LCD最終以顯示特性強化、價格降低來戰勝，如今朝大尺寸LCD TV發展，不僅要面對原有CRT的競爭，甚至還會遭遇PDP，以及其他投影型顯示器的競爭，對手類型明顯增加。

此外，LCD電視化應用的特性要求比桌上用顯示器更高，因為要在客廳給眾人觀賞，所以亮度（日式用語為：輝度）、對比等必須更高，可視角度也要更高，顯示的反應速度（也稱：響應時間，或日式用語為：應答時間）也必須提升，其他也包括黑色度、色飽和度、色彩表現範疇等多項顯示特性。不過，最重要的還是在「成本」，今日29英吋的CRT TV已是一萬元新台幣有找，而相近吋數的LCD TV仍要27,000元，如此很明顯的，除非家庭用戶極重視空間精省或用電花費，否則依然會選擇CRT TV。

所以，LCD為求攻佔新目標，求勝秘訣依然在「顯示特性」與「價格成本」兩項，在此姑且不論特性，單就成本而言，愈大吋數的LCD，其背光模組（Backlight Module）所佔的成本比重就愈高，而降低成本又是LCD TV的一大要項。

因此，現有的LCD TV研製業者都積極針對背光模組部分研擬對策，如何讓背光部分的設計更低廉，同時要控制改變所導致的副作用不致過度影響LCD顯示器的核心優點（輕薄、省電），為此本文以下將討論現有LCD TV的各種背光技術，針對其優缺現況與未來推估進行討論。

■冷陰極螢光燈管（Cold Cathode Fluorescent Lamp；CCFL）

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，面板吋數愈大時亮度就愈低，僅適合8英吋∼15英吋的TFT LCD面板，也就是Laptop、Desktop等個人觀賞之用，但闔家觀賞的LCD TV屬大尺寸，側入式的亮度將難以滿足，取而代之的是直落式。

不過，前面說過的：「愈大吋數的LCD，其背光模組所佔的成本比重就愈高……」，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，在15英吋時背光模組僅佔整體成本的23％，但是到30英吋時就增至37％，且推估到57英吋時，背光模組所佔的成本就會達到50％。

所以，直落式CCFL背光僅適合用在30英吋左右的中型尺寸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規範，只要對「水銀」劑量在標準以下仍可接受，但無人能保證日後可能將標準提高至零含量（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，較大的衝撞將使光管破裂，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，在大吋數的LCD TV上使用CCFL光管，光管的長度也必須因應吋數增加而增長，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，根據瞭解，CCFL背光模組的用電已佔LCD TV整體用電的90％之高。

■發光二極體（Light Emitting Diode；LED）

既然CCFL背光有諸多的副作用疑慮，因此業界也苦思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，即是高階的大尺寸（40英吋、46英吋）的LCD TV，其背光部分是用WLED所構成，稱為WLED背光技術。

WLED背光有多項好處，首先是固體式電子照明，對衝撞的抗受性高於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的需求準位也低於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的亮度調節就較為複雜，且無法抑制殘影，必須以另行方式才能抑制。當然！並非一定要使用WLED才能實現白色的背光，也可以用紅光LED、綠光LED、藍光LED等三原色來組合成白光，效用與WLED相同。

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，WLED的發光效率還在提升中，目前已可至100 ml/W，如此色彩飽和度可以更佳，以及讓背光的WLED排置更寬鬆，進而讓用電與散熱問題獲得舒緩，且製造良率持續進步成熟後，嚴選光亮特性一致的LED之成本也會降低。

■平面螢光燈管（Flat Fluorescent Lamp；FFL）

除了CCFL與LED外，南韓的三星電子（Samsung Electronics）與三星康寧高精密玻璃公司（Samsung Corning Precision Glass；SCP）合作，共同研究開發出FFL背光技術，並已實際用在32英吋的量產商品中。

FFL背光技術的好處在於只要單一燈源，單一燈源只要一個反流器（Inverter）便可驅動，相對於CCFL需要多組反流器，可以省下較多的用料成本，且FFL為面型光源，光均設計上比CCFL、LED都來得容易，且亮度充足，不需使用價昂的增亮膜，此也同樣有助於降低成本。

更重要的是，FFL在組裝程序上相當容易，無論是在背光模組的構成組裝，還是在LCD TV成品的構成組裝，都可用全自動化的生產流程來執行。此外德國歐司朗Osram的FFL技術還以其他惰性氣體來代替汞，如此更能符合環保規定。

■外部電極螢光燈管（External Electrode Fluorescent Lamp；EEFL）

EEFL背光技術是由LG. Philips所提倡，同樣也已經用於實際的量產商品上，EEFL的首要優點是反流驅動器的數目縮減，過往直落式CCFL背光的作法，是每個螢光燈管都要對應一個反流驅動器，然而改採EEFL作法則可縮減反流器的數目，約可減少2個∼4個，使用料成本降低，同時也有助於提升生產良率。

不過，EEFL的益處目前有其範疇性，即是反流器的縮減僅適合於30英吋∼40英吋間，若在更大吋數的設計中使用EEFL技術，反而會使反流器的需求用數增加，甚至增加反流器的熱度（不利於散熱與用電效率）。

■熱陰極螢光管（Cathode Hot Fluorescent Lamp；HCFL）

LED型的電子照明與背光技術給予傳統光管式照明、光管式背光很大的壓力，而Philips一直是光管照明技術的一大領導業者，雖然近年來也投入參與WLED照明技術，但另一方面也仍持續加碼其光管技術，因此由Philips集團下的照明事業群提出了HCFL的背光技術。

HCFL的首要優點也在於光管數的縮減，在相同的畫面尺寸下，傳統CCFL的背光守法需使用12根∼16根光管，相對的HCFL卻只要11根，且色飽和度方面也有大幅的進步。可惜的是其功耗過大，此方面仍需極大的改進強化。

■奈米碳管（Carbon Nano Tube；CNT）

最後，還有一種未來相當具看好性的背光技術，此即是奈米碳管技術，奈米碳管一樣採行放電方式來產生背光照明，且其放電不需要倚賴惰性氣體，能以真空方式進行放電，如此就比使用惰性氣體取代汞的FFL還要更具環保性，此外低成本、低用電、輕薄等也都是其優點，不過其光均性與點亮驅動等方面仍不夠穩定。

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