液晶顯示器CCFL與LED背光技術之析

王曉泓

筆者近來接觸不少機關企業信息化終端顯示設備，發現諸多錯把LCD液晶顯示器CCFL、LED背光技術與LCD、LED顯示器混為一談，甚有液晶顯示器正面貼著“LED”標簽，反面卻又標著“LCD”，因此撰寫此文，與諸位讀者共探討之。

一、LCD(Liquid Crystal Display)液晶顯示器

(一)何謂液晶(liquid crystal)。液晶是物質除固態、液態、氣態外存在的第四態，是分子晶體介于固體和液體之間的物體，兼具有液體的流動性和晶體的光學各異向性。1889年，德國物理學家萊曼發現了這種物質具有多種彎曲性質，認為這種物質是流動性結晶的一種，這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性，于是萊曼將其命名為“液態晶體”，由此而取名為Liquid Crystal即液晶，這就是“液晶”名稱的由來。液晶材料一般可以分為熱致液晶和溶致液晶。1973年日本的夏普公司首次將它運用于制作電子計算器的數字顯示(見圖1)，這也是為何我們稱夏普為“液晶之父”的原因，標志著液晶顯示技術正式進入應用階段。

(二)液晶的物理特性。液晶是部分有序，各向異性液體，介于三維有序固體和各向同性液體之間，從分子序來看，液晶分子具有一維或二維長程有序。這些晶體分子的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點：當電流通過液晶層，這些分子將會以電流的方向進行有秩序的排列，使光線容易通過；不通電時則排列混亂，阻止光線通過，使液晶如閘門開關般地阻隔或讓光線穿透。

至于液晶分子中的電子結構，都具備著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應偶極性，這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再通過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況，進而達到顯像的目的。用于液晶顯示器的液晶分子結構排列類似細火柴棒，稱為Nematic液晶，采用此類液晶制造的液晶顯示器也就稱為LCD(Liquid Crystal Display)。

(三)LCD液晶顯示器的基本工作原理(見圖2)。LCD顯示器，也稱液晶顯示器英文全稱為Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術來實現色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。

LCD顯示屏是由不同部分組成的分層結構(見圖3)，從液晶顯示器的結構來看，好像一塊“三明治”，液晶面板由兩塊精致的無鈉玻璃板構成，厚約1mm，在兩片平行的玻璃當中放置液態的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀液晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面，其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發光，所以在顯示屏周邊都設有背光源(CCFL或LED)，同時在液晶顯示屏背面有一塊背光板和反光膜，背光板是由熒光物質組成的，可以發射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。

背光板發出的光線在穿過偏振過濾層之后進入包含成千上萬水晶液滴的液晶層，液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素，而這些像素可以是亮的，也可以是不亮的，大量排列整齊的像素中亮與不亮便形成了單色的圖像。像素中的點是亮或不亮主要是由控制電路來控制，在無鈉玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交*點上，通過改變電壓而改變液晶體的是否通光狀態，在這個時候，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥，控制光的通過與不通過。在液晶材料周邊還有控制電路部分和驅動電路部分，這樣就可以用信號來控制圖像的生成。當LCD中的電極產生電場時，液晶分子就會產生扭曲，從而將穿 越其中的光線進行有規則的折射，然后經過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。對于液晶顯示器來說，亮度往往和他的背板光源有關，背板光源越亮，整個液晶顯示器的亮度也會隨之提高，當前液晶顯示器根據背光源不同主要為“CCFL”和“LED”兩大類。

二、CCFL背光源液晶顯示器

(一)CCFL背光源技術原理。CCFL是Cold Cathode Fluorescent Lamps(冷陰極熒光燈)的英文縮寫，所謂CCFL冷陰極燈管是在一玻璃管內封入隋性氣體Ne和Ar混合氣體，其中含有微量水銀蒸氣，并于玻璃內壁涂布熒光體，通過燈管兩端的電極間加上一高壓高頻電場，能夠讓燈管內的氣態汞激發的紫外線碰撞管壁上的熒光粉即產生釋能發光效應，從而發出紫外線光，而內壁的螢光體原子則因紫外線激發而提升其能階，當原子反回原低能階時放射出可見光，可見光波長由螢光體物質特性所決定(見圖4)。CCFL對交流電壓要求相對較高，啟動時達到1500～1600 Vac(交流電壓)，然后穩定至700或800Vac。無論是從發光原理還是物理結構上講，CCFL都和常用的日光燈管非常接近，在剛剛問世的時候，CCFL冷陰極燈被認為是具有跨時代意義的新型照明光源。由于CCFL燈管具有結構簡單、燈管細小、易加工成形、表面溫度低、顯色性好、發光均勻等優點，被認為是TFT-LCD液晶屏理想的背光源。當前，市場中大多數的液晶顯示器所應用的背光源還是CCFL冷陰極熒光燈，也為眾多IT廠商實現了更多的商業價值。

(二)CCFL背光液晶顯示器的結構原理

CCFL屬于管狀光源，這種光源并不是平面光源，要將所發出的光均勻散布到面板的每一個區域就需要相當復雜的輔助組件，除了亮度輸出均勻度不夠之外，CCFL的結構還非常復雜，應用了它的液晶電視屏幕的厚度也較難控制，而且隨著面板的增大，必須使用多條光源。為了實現背光源均勻的亮度輸出，還需要為液晶面板的背光模組搭配擴散片、導光板、反射板等眾多輔助器件來實現(見圖5)。

(三)CCFL背光源技術優缺點。

1.優點：亮度高，液晶屏比較薄，制造工藝簡單，技術成熟，工作狀態穩定，成本低，產品性價比高。

2.缺點：亮度均勻度不夠，色彩表現力不足，體積大、功耗高，壽命較短，易造成環境污染。

三、LED背光源液晶顯示器

(一)LED結構及發光原理。

1.結構。Light Emitting Diode即發光二極管，簡稱LED，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態半導體器件。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極使整個晶片被環氧樹脂封裝起來(見圖6)。

2.發 光 原 理 。 發 光 二 極 管 半 導 體 晶片由兩部分組成，一是P型半導體空穴占主導地位，另一部分N型半導體，電子占主導地位，把這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”，當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。

圖1 世界上第一片LCD液晶屏幕 圖2 LCD液晶顯示器的基本工作原理圖 圖3 液晶屏構造示意圖

(二)LED背光源分類及組成。

1.分類。目前LED背光源液晶顯示器根據發光顏色的不同，主要分為白色LED(WLED)背光源和三色RGB-LED背光源兩種。由于白色是混合色，沒有可標識的波長值，因此白色LED會存在顏色偏差的問題，而RGB-LED以紅、綠、藍三色LED組成發光單元，能夠獨立控制光源，達到全彩的效果，從而實現更加精確的色彩還原，表現出更好的畫質效果。普通的白光LED背光在對比度和色域上都和RGB-LED有很大的距離，甚至色域無法達到采用廣色域CCFL的色域值。

另外按照LED背光模塊依光源入射位置分為直下式與側入式兩大類，側光源指LED燈只是排布在屏幕邊緣，由機身兩側發出光源，通過內置的高透光率導光板的作用，使光線投射到面板上。直下式背光源就是指LED燈是均勻分布在整塊液晶屏幕的背面，光線是直接透過面板的。目前側邊式LED電視在相對最少損失畫質的前提下，具有超薄的外觀，能夠更好地滿足消費者對現代家居環境唯美、時尚的要求。

2.組成：LED背光源主要有光源、導光板、光學用膜片、驅動電路、塑膠框等組成(見圖7)。

(三)白光LED背光源。作為單一光譜白色光LED(WLED)背光源與CCFL背光源在結構上基本是一致的，主要的區別在于CCFL是高壓線光源，而LED是低壓點光源。白光LED相對于RGB-LED簡單，它采用了只能發出白色光的LED光源代替原來的CCFL熒光管，白光LED很容易實現區域控制，因此白光LED顯示器的對比度會很高。

圖4 CCFL冷陰極燈管發光原理示意圖

由于白光LED不像RGB-LED那樣需要涉及到背光源的調光，因此在電路結構方面的要求相對不高。但是白光LED的光譜特性在色彩顯示特性方面上并不如RGB-LED電視。白光LED的優勢主要體現在耗電量方面，廣泛應用于對功耗要求高的移動設備，亮度動態調節、區域背光控制都可以實現，也能實現很好的對比度，在成本上比RGB-LED顯示器較低。

(四)RGB-LED三色背光源。RGB-LED背光源技術出現時間比較早，RGB-LED通過紅色、綠色、藍色三原色LED調制成白光，具有最好的光學特性，RGB-LED在組成背光源的時候，并不是完全按照1:1:1的數量構成，目前最常見的是由1個紅色LED、1個藍色LED和2個綠色LED組成。這種組合方式是因為每種顏色的LED在發光效率上存在一定差異，同時在合成標準白色時，綠色光所占的比例是最多(見圖8)。

RGB-LED背光源的位置和以往的CCFL相比變化并不大，仍然在液晶面板層正后方。因此從結構上看，采用這種技術的LCD，在外觀上和普通CCFL液晶顯示器沒有很明顯的差異。RGB-LED的優點主要體現在色彩表現力和對比度兩方面，由于采用了RGB三原色獨立發光元件，因此RGBLED背光源色域寬廣，它能夠大幅度提高色彩表現，通過高純度紅、綠、藍LED器件，實現CCFL不能達到的寬廣色域，目前可以達到105%的NTSC色域，如果采用性能更好的LED，則可以實現120%以上的NTSC色域，主要被應用各類高端的顯示設備。達到或者超越了等離子電視的色域范圍，完全滿足數字電視、大屏幕高清晰度電視色域的要求。此外，RGB-LED也可以支持背光區域調整技術，很容易實現亮度調節，因此在對比度方面，也能夠達到很高動態對比度，提高了電視的圖像質量。但是，由于大量使用了獨立的LED器件，其點陣排列相當密集，不僅較難保證每一個器件發光的一致性，而且散熱也非常不理想，達不到超長的壽命；雖然RGB-LED的色彩純度較高，但是長期使用后每種LED色彩衰減的幅度并不一致，這也將對畫面質量產生一些影響。

(五)LED背光源技術優缺點

1.主要優點：色域更廣、彩色還原性好，亮度均勻性好，節能環保，超薄外觀，壽命長，實時色彩管理，圖像清晰穩定。

圖5 CCFL背光液晶顯示器結構原理示意圖 圖6 發光二極管結構示意圖

圖7 LED背光源組成模塊結構示意圖圖8 RGB-LED背光結構組合圖

2.主要缺點：發光率不夠，亮度低，成本高，價格貴，RGB-LED背光源的使用時間一長，會影響顯示器畫面質量。

四、結論

綜上所述，可得出以下結論供讀者參考。

(一)“LCD”是液晶顯示器的總稱，液晶本身不發光，必須通過背光源提供光亮，主流顯示器市場背光源主要分為“CCFL”與“LED”兩種，所以目前市場上的液晶顯示器主要分為兩大類，即“CCFL背光源液晶顯示器”和“LED背光源液晶顯示器”。“LED”或“CCFL”僅僅是液晶顯示器的一種背光技術，客觀來講，“背光技術”只是液晶顯示器諸多技術中之一，多年來在顯示技術的不斷突破，使得當前液晶顯示器無論是“CCFL背光”還是“LED背光”，都能實現1920*1080P的高清顯示?！癈CFL”與“LED”是指液晶顯示器背光技術的兩個發展階段，也是目前液晶顯示器市場主要的兩種背光技術，但無論哪種背光技術，其采用的屏幕是液晶顯示屏，而液晶本身的原理都相同。

(二)當前商業市場上宣稱的“LED比LCD更先進、更高級，是一種替代LCD的技術”這樣的描述，是誤將“CCFL”視作“LCD”，但必須清楚的是目前市場所有家用的“LED液晶顯示器”實際上都是LCD顯示器的一種，只是背光源有所區別而已，與“LED”對等概念的應該是“CCFL”，商家宣稱的所謂“LED電視”，事實上是“LED背光源”+“液晶屏”，屏幕都還是液晶屏，因此都不是真正的“LED電視”，上述說法嚴重偷換了概念。

(三)LED背光技術相比CCFL更先進，整體視覺效果更好，更節能，當然也更燒錢。白光LED只是RGB-LED背光技術的一個過渡，在消費者愈發重視液晶顯示器畫面質量的當下，RGB-LED背光是一發展方向，而現階段RGB-LED背光成本的降低，發光效率的提高，這為“LED”取代“CCFL”提供了一個有效的途徑，即便是當前還不能替代“CCFL”，LED背光技術的前景還是非常光明的。

總的來說，液晶顯示器無論從高端還是低端導入LED背光產品，對于目前CCFL背光顯示器發展停滯不前的狀況有著良好的推動力，LED背光取代CCFL是一個趨勢，當然換代之戰需要過程和時間，需要理性看待LED背光技術，不要太迷信，畢竟白光LED背光并沒有帶來質的飛躍。但是LED背光畢竟是一項新興的技術，發出的是產業升級的信號，不可否認“LED”最終將取代“CCFL”，這一點無論是在生產廠商還是相關業內人士心中都已經取得了共識，只是現階段LED背光技術尚未完全成熟，較多的應用于高端液晶產品上，隨著科技的進步和眾多廠商進入這一領域，LED背光技術和工藝日趨成熟，取代“CCFL”也將成為歷史的必然。