让你的视野更鲜亮 LCD新背光技术点将台

在IT工业中，产品更新换代的速度常常超出我们的想象。就拿我们现在每天都能见到的液晶显示技术来说，仅仅在五年前，响应速度慢、对比度低、可视角度窄还是人们在谈论液晶显示器时常常脱口而出的话。但是如今，这些当初耳熟能详的缺点已经得到了明显改善。液晶技术在显示器和电视市场强势崛起，几乎霸占了全部市场份额。为了进一步巩固地位，打压其他如等离子、OLED等小众技术，各液晶厂商还在不断革新和改进现有技术，不断挖掘液晶显示的潜力。

再谈液晶原理和被动发光的技术劣势

这里再老生重弹说一下液晶技术原理吧。如图1：液晶实际上就像一个多层夹心的三明治。背光发出的面白光照射到液晶层，液晶分子在TFT电路产生的偏转电压下选择性地让光通过，滤色膜将白光分解为RGB三原色，终形成一个一个的彩色像素。

图1

不得不说由于液晶这种被动发光的原理，使得相当一部分背光被损耗在滤色膜和液晶选通等过程中，终能够被我们看到的光强不超过发出的50%。而且使用CCFL的背光模块必须时时保持常亮，即使显示大面积黑色图像时也必须保持较高功率输出。我们来做一个计算，保证一台19英寸液晶显示器具备200cd/m2亮度时，背光输出功率要达到50W。如果背光利用率为50%，那么有25W功率被浪费。而47英寸液晶电视200cd/m2可见亮度需要的背光功率已经达到300W，加上其它部件功耗和损耗，总功率将轻易超过400W，液晶节电的称号已经名不副实。

一、不仅是差一个字母——CCFL VS. HCFL

近几年，我们已经很熟悉传统的CCFL背光和先进的LED背光。但是在CES展会上，某厂商宣布使用了改进的HCFL背光技术。HCFL是什么？新发明还是新工艺呢？

过去在液晶技术的介绍中，我们常常将背光模块中的灯管比作小日光灯，这样的解释并不准确。荧光管在构成原理上分为CCFL（Cold Cathode Fluorescent Light冷阴极荧光管）和HCFL（
Hot Cathode Fluorescent Light热阴极荧光管）两种。过去在液晶背光模块中使用的大都是CCFL。而我们日常使用的那种50cm长的日光灯管实际上属于HCFL。

图2

在谈到两者区别前，我们先来认识一下荧光管的工作原理。图2中是一个荧光管，无论使用哪种技术，终的工作原理都是用电极发射电子。电子撞击管内的水银气体（或者是惰性气体）使之产生紫外线，并由紫外线激发管壁内上的荧光粉来发光。因此CCFL和HCFL主要通过电极的组成和放电方式来区别。

CCFL利用冷阴极辉光放电，无需预加热阴极，仅通过控制电极的电势，就能够使电极内的电子将电势能转化为动能而向外发射。为了能够获得足够高的电势能，CCFL正负极间必须存在1000v以上的电压差， 因此使用CCFL背光的液晶显示器（电视）都会带有一个逆变高压器。

新型的HCFL（第三种）使用了螺旋灯丝

而HCFL则利用热阴极弧光放电。给HCFL阴极提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，产生明显电弧而发射电子，并伴随强烈电弧光。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射，因此被称为热阴极放电。

从上开始依次是：传统CCFL管、改进的HCFL管、传统的HCFL丝

值得注意的是，虽然CCFL属于冷阴极放电，但是在工作中由于高压的原因往往使得电极温度高于仅在发光初期需要加热电极的HCFL。所以长时间工作后的液晶显示器表面，也会感觉到明显温升。

冷阴极辉光

长久以来，CCFL灯管因为电极简单，能够做的很细，被广泛地应用于液晶显示器和液晶电视机中。而具有更高亮度、更高效率HCFL却因为电极中存在被加热产生弧光的灯丝，使得灯管难以小型化，始终无法进入高精尖的IT领域，只能屈就于照明领域，直到近节能风刮进液晶电视市场。

热阴极弧光

由图可见，新的HCFL通过采用横向旋转灯丝，使得HCFL灯管能够做得和CCFL一样细。加上HCFL天生的高亮度和高效率，过去需要使用8根CCFL灯管和一个高压逆变器的液晶电视机，现在仅需要4根高效的HCFL就能完成任务。这样不仅简化了背光模块结构，还减低了液晶电视的整体功耗。

二、带来完美的动态对比度——LED背光

目前在专业液晶显示器和高端液晶电视中，已经开始采用RGB的三基色LED背光，提供高于广色域CCFL光谱特性的白光。不过这都是LED背光能力的冰山一角，在液晶显示中应用LED的终目标是带来完美的动态对比度。

图3

在新推出的LED背光液晶电视中，整个背光面被分割为很多小块。每个小块能够独立地发出不同强度的白光（当然也是由RGB三色LED混合而成）。视频处理电路在处理每一帧图像时，不但会将每个像素点的RGB色彩信号传送给液晶驱动电路，还会将不同区域的亮度信号传送给LED背光中的每个小块。这样显示图像时，负责亮处的LED背光部分提高亮度，负责暗处的LED背光部分降低亮度，终达到强烈的对比效果，如图3与图4。

图4

传统的动态对比度仅仅能够在指标上达到20000∶1的水平，但是视觉感受上却感受不到指标数值提高带来的相应效果。而使用了动态的LED背光后，单单是通过背光的自身变化，我们就已经能够看到图像的大致轮廓。终输出的图像不仅在视觉感观上实现宽动态的效果，动态对比度指标更是提升至1000000∶1。

三、混合之美——Hybrid LED背光

为了提高液晶的色域输出，使之能够表现出更丰富的色彩，科学家们对液晶背光部分进行了多次改进：如更换光学性能更好的CCFL管，或者使用三基色的LED背光模块。一切都是为了使光谱中RGB的曲线更为理想。由图5可见，相对于传统的CCFL（蓝色），改进的CCFL（红色）一方面改善了过去蓝绿色发光区域偏出指定区间的问题，另一方面去除了蓝绿，红绿间的颜色串扰问题。

限于成本原因，高效的三基色LED背光目前只能用于高端。而改进的CCFL管不但技术难度很大，而且随着工作时间的增加，RGB三色衰减速度的不同也会使得其光谱曲线再次出现不一致。如果某种技术能够结合CCFL成本低和LED光谱一致性好的特点，那它将在广色域背光领域牢牢地占据一席之地。在这样的想法下，诞生了Hybird（混合）LED背光模块。

图5

Hybrid LED背光的原理是将CCFL和LED组合到一起，通过运用CCFL降低成本，再通过单色
LED补充CCFL自身光谱欠缺的颜色。比如说某种CCFL蓝绿色光谱特性好，颜色串扰少，但是在红色这块却很差。这时就在背光模块中加入红色的LED加强红色部分的光谱。经过滤色膜后，同样也能接近三基色LED的背光效果。

LED背光必然是未来的主流背光技术，怎奈目前成本较高。而CCFL由于自己固有技术的限制，很难在性能上追上LED。因此Hybrid LED技术将是在全LED背光技术正式来临前为合适的替代品之一，一方面控制生产成本，另一反面也能积攒LED制造和应用的经验。

四、环保的荧光灯——FFL和EEFL背光

CCFL内部使用水银蒸汽导电，终释放紫外线激发荧光粉发光。这在当今讲求环保的无汞生产生活理念下是不健康的。于是工程师们开始积极寻找其他材料代替水银。FFL（Flat Fluorescent Lamp平面荧光灯）和EEFL（External Electrode Fluorescent Lamp外置电极荧光灯）也就应运而生了。

FFL已广泛应用在高档轿车前大灯上的氙气放电技术上，在环保的同时由于其类面光源结构，亮度均匀性好，色域可达90%NTSC以上。同时光学设计容易，结构简单，易于加工自动化。不过
FFL目前还不成熟，其背光功耗大，良率较低，成本高于CCFL，只适合使用在单价较高的大尺寸液晶屏幕上。

CCFL、FFL、EEFL、LED几种背光技术在不同应用下的光传播特点

EEFL顾名思义，其电极在灯管的外面，这与一般的荧光灯是大不相同的。其外置电极间产生的电场形成灯管的发光体——等离子体。与传统的CCFL相比，CCFL每一个高压逆变器只能驱动一到二支灯管，灯管数一多，逆变器数也跟着增加，相对消耗的功率及产生的热量也顺势提高。

EEFL所用的逆变器，可以驱动多根灯管，逆变器数减少，相对的在背光单元的设计就会较为简化，成本也就会跟着下降。

五、纳米科技的终极武器——CNT背光

CNT（Carbon Nanotube 碳纳米管）可谓是目前材料科学领域的当红“人物”。这种看不见的原子管重量轻，六边形结构连接完美，具有耐高温、原子间结构坚固、高导电性的特点。CNT背光也就是运用CNT电极荧光灯的背光模块。

CNT内部结构

目前绝大多数荧光灯的老化都是由于电极材料在长年累月工作中受高温、强电流的冲击，表面损坏造成导电性能的降低，或者是电极原子随电子一起发射出去，在管壁形成阴影，影响荧光管的透光性造成的。而CNT荧光灯将改变这一切。其原理是在使用碳纳米管的平面电极（发射极）上施加高压电场，使放射出的电子直接射向荧光板而发光。CNT相比现有的荧光管具有很多超前的优势：

●CNT自身化学构成坚固，耐高温，使用CNT作为电极材料将带来超越普通荧光管的工作寿命；
●CNT内部抽真空，利用电子激发荧光板发光的原理，同样具有无汞环保的特点；
●CNT电极放电迅速，无需高压逆变器或者预加热电极，因此具有极高的反应速度（10us）；
●CNT运用整个平面上的场电子发射模式，是真正的面光源，减少背光模块中反光板和扩散板的数量，有效增强背光模块的坚固性。

不过和CNT目前大热但是实际应用却不多的现状一样，受其制造不成熟影响，CNT背光目前还处于实验室验证阶段，短期内无法大规模上市。

六、背光的终结者——OLED技术

关心液晶显示技术的读者对于OLED肯定已经不陌生了。这项5年前就已经在大众面前展露头角的新一代平板显示技术，以其自发光、无可视角问题、响应速度比液晶快10倍以上、结构简单的特点，吸引了每个关注者的目光。可惜这么多年过去了，OLED的应用始终是千呼万唤不出来，仅仅停留在多色小屏和某公司展示技术实力的天价产品阶段。

实际上随着产业的发展，过去影响OLED发展的关键性问题，如寿命短、驱动电路不成熟等等都已经被攻克。现在让OLED无法进入平板显示主流市场的障碍，恰恰就是已经在OLED研究上投入不菲的各大公司。

OLED “夹心饼干”。显而易见结构比液晶简单

大家一定发现，主要的OLED研究厂商资本家的个性决定了他们在充分压榨完液晶的利润前，绝不会快速上马OLED。不过为了保持自身在未来的技术竞争力，他们又不断在实验室中改进OLED技术，以便适时调整自己的战略重点。而且随着液晶的高速发展，使得它和OLED间的技术差距在近10年内缩小不少。这样在性能基本满足需求时，成本就成了决定市场导向的重要标志，而这正是目前液晶技术领先OLED技术的地方。

OLED还是只能委身实验室吗？不。由于液晶被动发光的局限，必须浪费一部分电能。对于桌面电脑和电视，十瓦的电能可能不会是大问题，但是对于笔记本电脑和掌上设备，每降低1w的功耗可能就能带来近1小时的续航时间。对于同尺寸并达到相同亮度的显示屏，OLED能比液晶节省30%以上的电力。所以掌上设备，如笔记本电脑、手机、MP4等等正是OLED登陆主流市场的“诺曼底”。

结语

背光照亮默默无闻的液晶，带给我们轻薄节能的显示屏，让21世纪的电脑和电视在外观上完全区别于上个世纪。现在它们又联手提升自己的“形象”，再一次焕发出勃勃生机。同时新的技术也逐渐崭露头角，沿着液晶足迹走向我们。其中的细微技术和微妙差别纵然千百篇专业论文也阐述不完。

那么让我们远离这些底层技术和商业策略，来看看我们能得到什么吧。没错，对我们这些终端消费者来说，就是在明天能够用更少的预算买到更好的显示器和电视，它们色彩更丰富，对比更鲜明，功耗更低，外观更轻薄。这对我们不就够了吗？