LED发光效率发展动向

LED发光效率发展动向
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 。如图2所示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2 LED背光模块常用的LED型式

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(图3)。

图3 LED背光模块的单位瓦特发光流明数

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/W以上。

图4 LED发光效率的发展经纬

LED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)。

图5 OSRAM的GaAlP系LED改善组件结构，提升取光效率

图6 日亚化学改善组件结构，提升取光效率的方法

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。

图7 使用RGB三色的背光模块

LED背光模块若能克服单位瓦特发光流明(lm/W)的问题，液晶面板就可以因LED背光模块的「高色再现性」与「高速反应」等特征获得充分的发挥。

※ 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)。

图8 使用荧光体的白光LED频谱

※ 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9 LED背光模块的成本分析

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。