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LED发光效率发展动向

LED发光效率发展动向

  • 分类:索菲动态
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  • 发布时间:2011-05-28 12:30
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【概要描述】

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有关如何改善LED背光模块的单位瓦特发光流明数lm/W问题,基本上除了提高LED本身的发光效率之外,如何更有效的取出光线也是关键性要点之一,根据以往的经验显示,结构简单的LED反而更容易提高单位瓦特的发光流明数,例如日本RIGHTS公司利用拟似白光LED与特殊导光板,获得与传统冷阴极灯管背光模块相同的单位瓦特发光流明数;日亚化学则利用一体化RGB白光LE,试作液晶显示器的背光模块,它的单位瓦特发光流明数大约是传统冷阴极灯管背光模块的80%左右,如果改用单体RGB白光LED,由于必需透过混色用导光路才能产生白光,所以每瓦的发光流明数相对较低。整体上若以2003年的技术水准而言,日本RIGHTS公司的LED背光模块的单位瓦特发光流明数,大约是传统冷阴极灯管背光模块的1/3~1/2左右,换句话说今后除了必需提高LED本身的发光效率之外,也必需设法改善LED背光模块的单位瓦特发光流明数。

LED背光模块能够迅速扩展应用范围另一项要因,是LED背光模块单位耗电量能获得很高的辉度,亦即单位瓦特的发光流明数lm/W 。LED背光模块的光源可分为下列四种:

拟似白光LED 基本上它是由蓝光LED与黄色荧光体所构成,动作时利用互补原理产生白光,这种型式的LED结构非常单纯,而且发光效率很高,因此被当作小型LCD的背光光源,广泛应用在行动电话,缺点是红色成份的强度较弱。

近紫外白光LED 它是由可产生近紫外光的LED,与可产生RGB三种颜色的荧光体两者组合而成,由于它是利用RG三种颜色混合变成白光所以色再现性很高,不过这种白光LED基于紫外光会使用率封装树脂与荧光体劣化等考量,因此必需另外开发抗紫外光的树脂与荧光体。

单体RGB白光LED 由于单体RGB白光LED可针对各单体LED设计散热结构,因此较容易获得高输出效果,不过RGB单体LED的芯片物理上彼此相隔,所以必需设计专用的导光路,使RGB单体LED的光线能均匀混色变成白光,如此才能避免背光照明模块变厚。

一体化RGB白光LED 一体化RGB可直接混色变成白光,所以没有专用导光路与背光照明模块厚度限制等困扰,不过施加的电流量受到限制,因此不易获得高输出效果。 

图4是LED发光效率的进化经纬,由图可知过去2~3年LED的发光效率每年大约提高2倍左右,不过未来是否能持续保持如此高的成长倍数虽然令人质疑,不过大部份的日本LED厂商却认为未来2~3年LED可望持续维持上述水准,而且2005年时的单位瓦特发光流明数应该可以达成几乎与冷阴极灯管相同的50lm/W水准,事实上以拟似白光LED领先的日亚化学,早在2002年就已经达成60lm/W的实验室成果,相较之下丰田合成则因50lm/W的发光效率问题,顿时陷入拟似白光LED与近紫外白光LED选择的迷失;而德国OSRAM Opto Semiconductors正式则宣布加入液晶背光源开发行列,同时将发光效率定为50lm/W。有关RGB白光LED的发光效率未来发展动向,基本上日亚化学推测RGB白光LED的发光效率是拟似白光LED1.2倍左右,有关2005年以后的预测虽然涉及许多要因,不过日亚化学认为应该可达到70lm/W的水准,却不易超过70lm/WLED业者为提高LED的发光效率,所以非常长久以来一直很热衷LED结构的改善。有关如何提高LED的发光效率,基本上各厂商思考模式几乎完全一致,换句话说提高LED的发光效率,基本上取决于如何将发光层产生的光线取至LED外部,因为光层产生的光线会在组件内部反复反射,甚至会被组件吸收转化成热能,为了抑制光线的多重反射,因此各厂商着手进行基板与电极的形状改善,例如德国OSRAM将SiC基板的端面倾斜放置,接着制作凹凸状电极,藉此改变光线的入射角,达到抑制光线反射的效果,该公司计划未来将组件上下反转进行flip chip连接,同时在发光层设置mirror使光线能朝前方集光(图5);日亚化学则是使在蓝宝石基板表面形成凹凸状藉此散乱光线,同时采用网状电极增加电极部位的取光效率(图6)。

如上所述促成LED背光模块进步的原动力,除了LED光源本身的发光效率获得大幅提升之外,导光路的最佳化设计也是具有决定性的影响。LED背光模块的导光路比传统背光模块更容易设计,因为改变发光组件的构造,可使光线轻易朝相同方向集光,所以可以省略反射膜片(Reflector Sheet)等光线均匀化组件,根据实验结果显示发光效率只有冷阴极灯管1/2的拟似白光LED,若搭配最佳化设计的导光路,亦可将单位瓦特发光流明(lm/W),提升至与冷阴极灯管相同水准。值得一提的是单体RGB白光LED的场合,为了使各单体LED产生的光线能均匀混色变成白光,所以必需使用类似图7所示的特殊设计的导光路。

为了彻底追求第(1)项高色再现性,直接使用RGB芯片(chip)的发光色混色变成白光,比利用荧光体产生白光的拟似白光LED更有利,因此日本三菱利用RGB三色LED制作NTSC比高达104.4%的液晶显示器,它的色再现性甚至超越同等级的CRT显示器。虽然使用荧光体的拟似白光LED的红光成份较弱,不过利用RGB三种荧光体发光的近紫外白光LED,却可获得RGB成份相当均衡的光线,因此可以弥补上述红光成份偏弱的缺点。事实上丰田合成已经开始小量试作亮度与拟似白光LED相同的近紫外白光LED,2003年9月则正式进入大量生产阶段(图8)

有关第(2)项高速反应,如上节介绍的韩国三星SDI的的Field Sequence液晶面板,已经证实利用RGB三种LED,可以取代高单价的彩色滤光片(Color Filter),而且LED的发光特性稳定,点灯熄灯的反应速度是以ns计算,它的点灯熄灯反应速度比传统冷阴极灯管的10ms足足减少三位数,如果搭配高速液晶时可获得无切换时差的全彩显示(Full Color Display)效果。此外LED的点灯熄灯特性对in pulse驱动方式非常有利,因为in pulse驱动方式可以改善动态影像境界部位常见的影像模糊现象,不过光源的反应速度如果太慢的话,就无法使上述效果获得充分发挥,而LED的高速点灯特性正好符合如此的需求。

虽然LED背光模块具备许多优点,可是始终无法普及化,主要原因是LED背光模块的成本居高不下,例如23吋液晶电视用LED背光模块,如果使用单体RGB白光LED时,2003年的制作成本是传统冷阴极背光模块的2.5倍(图9),LED光源的成本则是冷阴极光源的10倍,使得LED背光模块的优势只剩下不需使用耐高压转换器(inverter)一项而已。为了达成2006年LED背光模块的成本与传统冷阴极背光模块相同的目标,LED光源的成本必需降至1/6以下,同时大幅提高LED的发光效率减少使用颗数,才能全面取代传统冷阴极背光模块。

图10是德国OSRAM公司针对30吋液晶电视开发的低成本Xe平面Lamp结构,由于它是平面光源因此不需使用导光板与扩散膜片(Diffuser Sheet)。Xe平面Lamp是利用脉冲电压激发Xe(Xenon)气体,将紫外光转换成可视光,虽然它的发光效率只有传统冷阴极灯管的1/2,不过由于Xe平面Lamp无导光板的光损耗,所以单位瓦特发光流明(lm/W)特性与冷阴极灯管相同。Xe平面Lamp最大特征是它的寿命是冷阴极灯管2~3倍,而且更不会因为高温加速发光特性劣化,或是紫外线造成背光模块周围塑料组件老化。根据OSRAM公司表示Xe平面Lamp的辉度半衰期为10万小时,而且色度变化非常小,-300C~+850C时的辉度几乎维持不变,点灯时的站立时间低于5ns。早期的Xe平面Lamp价格比冷阴极灯管的贵2~3倍,因此OSRAM公司采取四项对策,试图藉此降低Xe平面Lamp的制作成本,这四项对策分别如下:

(一).在front glass制作圆锥形凹槽取代spacer 

(二).降低玻璃基板厚度。

(三).改采spray方式涂布荧光体。

(四).取消诱电体结构。

该公司已经在2003年小量生产,预定2005年开始大量生产,30吋等级的价格为100~120USD,一般认为该价格相当具体竞争力。 

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