背光是液晶节能关键 LED将成主流光源

图为龙腾光电生产的液晶面板。

昆山龙腾光电有限公司产品研发中心LCM技术处副处长 李奇典

液晶面板节能设计需要考虑诸多环节，比如光透过率、背光源驱动模块等。作为液晶产业链的上游设备制造商，国内外面板厂商目前正对各个环节进行突破，从而寻求更好的节能解决方案。

伴随着全球对环境问题的重视以及人们环保意识的日益提高，节能降耗已逐渐成为电子产品竞相追逐的方向，作为平板显示主流技术的液晶亦不例外。相关调查显示:在选购液晶显示器时，超过80%%的消费者会考虑产品是否节能省电，其中32%%的消费者更是把节能作为选购液晶显示器的关键因素。因此，液晶显示器产业链中的各个厂家都投入大量人力与经费发展相关技术，针对产品的材料开发、节能设计、生产制造、包装运输等各项环节来降低能耗。在众多环节中，产品的节能设计成为厂家关注的重中之重。

节能需考虑显示器五大部分

液晶显示器物理上可拆分为五个主要部分：液晶面板、背光模组、背光源驱动模块、显示控制电子系统以及电源转换模块。液晶面板是液晶显示器的关键零组件，由上下直交的偏光片、彩色滤光片、液晶、阵列玻璃等构成。就功能而言，液晶面板是一种具有滤色作用的光阀阵列，在背光照射下，通过控制每个基色子像素(光阀)的光透过率，可显示各种色彩及图像。背光源驱动模块用于驱动背光模组中的发光源，其发出的光线经由背光模组增强并均化，成为液晶面板使用的背光源。显示控制电子系统则负责处理外部输入的图像信号，通常包括图像的缩放与色彩的优化。显示控制电子系统的另外一项作用是作为人机接口，处理使用者对液晶显示器实施的各项调整。电源转换模块通常是一组输入交流电对多组输出直流电的转换电路，负责将市电转换成液晶显示器中各个部分所需的不同直流电源。液晶显示器的节能设计可从这五大组成部分中考虑。

背光占整体能耗七成以上

液晶面板本身并不发光，需要靠后面的背光来“照亮”，但是实际上最后从背光源发出的光线只有很少的一部分可以射入人眼，绝大部分都损失在中间部件的吸收上。一般而言，液晶面板的光透过率在5%%—8%%之间，尽管很多液晶显示器看起来已经很亮了，但事实上它们的背光模组还必须要再亮上十几倍，因此背光成为液晶显示器主要的能耗部件也就不足为奇了。以19英寸4根灯管液晶显示器为例，背光模组连同背光源驱动模块能耗就占了总能耗约七成。很明显，液晶面板节能设计的第一要务是追求更高的光透过率。

实际做法方面，可以开发尺寸更小的薄膜晶体管器件，或提升彩色滤光片与阵列玻璃的组立制程精度，进而降低对准误差，以缩小遮光层区域；也可通过开发低电阻金属镀膜及蚀刻工艺来细化金属配线，进一步缩减遮光区域；另外，通过色阻材料的优化改良，亦可提高彩色滤光片的光透过率。通常在工艺能力以及成本许可的情况下，厂家会优先采用高开口率的设计方案，在满足液晶显示器对亮度要求前提的同时，使背光能耗降至最低，从而降低整体能耗，达到节能设计目的。

背光模组主要由发光源、反射片、光学膜片、导光板或扩散板等相关器件组成。光学膜片有多种类型，具棱镜结构光学膜片的主要作用是凝聚光线；部分类型的光学增亮膜片与偏光片搭配可将无法透过偏振片的偏振光反射、回收、再利用，达到1.80倍-1.85倍的光学增益。以相同的显示器亮度为前提，通过提升反射片的反射效率，增加棱镜膜片或使用增亮膜片，或将不同的光学器件进行有效的组合，可以大幅提高光的有效利用率，削减光源能耗达50%%。目前以冷阴极灯管(CCFL)作为光源的台式液晶显示器，利用上述方法，已将背光模组中的灯管数目减为当初的一半。此外，荧光粉材料的改良与最适化工作温度设计，也可提升并优化光源发光效率，进一步降低总体能耗。

LED将成主流光源发展趋势

使用冷阴极灯管(CCFL)作为光源的液晶显示器，其背光源驱动模块一般称为逆变器(Inverter)，作用是将输入的直流电转换成高频高压的交流电输出。以19英寸台式液晶显示器为例，通常由12V—24V的直流电转换成约800V左右的交流电。由于转换的电压差极大，转换效率并不高，约在65%%到75%%之间。在大尺寸背光源驱动设计上，可结合电源转换模块设计，使用电源转换模块的中介高压部分作为背光驱动模块的输入，降低转换电压差来提升转换效率。

不过比较不同发光源，笔记本电脑以及手持式装置中使用的液晶显示器光源已逐渐被白色发光二极管(WhiteLED)取代，这主要是由于冷阴极灯管(CCFL)的背光源驱动电路效率较差且含有汞等对环境有害的物质。发光二极管(LED)是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压时，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。其基本原理不同于灯泡需要在3000℃以上的高温下工作，也不必像日光灯需使用高电压激发电子束。发光二极管(LED)和一般的电子组件相同，只需要2V—4V电压，在常温下就可以正常驱动，转换效率在80%%—90%%之间。

虽然目前发光二极管(LED)成本仍比冷阴极灯管(CCFL)高，但差距已日益缩小，随着节能的大潮流推进，发光二极管(LED)成为液晶显示器全尺寸的主流光源将实现。

在液晶显示器的五个主要部分中，显示控制电子系统所占能耗相对较低，可通过优化主要芯片的设计或制造工艺降低能耗，也可经由与其他部分相互搭配设计达到整体能耗降低的目的，例如可通过CABC技术(ContentAdaptiveBacklightControl)，分析输入图像数据并结合背光驱动模块来调整背光亮度，这不仅能提高显示器对比度，还能依据显示的画面不同最高可节省背光能耗50%%以上。此外，通过结合环境光感应电路，可使背光亮度依外界光源做动态调整，在相对较暗的环境中降低背光亮度，进一步降低能耗。

在液晶显示技术方面，如何达成节能降耗的目标并做好成本控制，以增加产品的市场接受度及普及率，是厂家面临的巨大挑战。随着液晶显示器制造技术的提升，在大尺寸及低价格的趋势下，市场竞争日益激烈。厂家唯有进一步开发节能技术与产品，才能在市场上保持长久竞争力。