第二章 文獻探討
第二節 LED 於背光模組之應用
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第二節 LED於背光模組之應用
隨著L E D產品及技術之提升，LED應用範圍相當廣，在眾多新興應用市場，
除手機及車用L E D產品外，中大型面板背光源之應用備受矚目，主要係L E D背 光源在小尺吋手機面板之應用已相當成熟，函上7車用顯示器面板也於2006年逐 漸拓展，隨著沿用中小尺吋設計，在筆記型電腦之應用將可逐漸擴大，未來將更 發展至LCD TV應用。
壹、LED背光模組發展
圖15所示是使用LED光源的背光模組
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，由於具備「高輝度」、「無水銀」、「高色再現性」等特點，所以能夠賦予液晶面板更高的附函價值，目前已經推出 以LED 作為背光之液晶面板，例如韓國三星SDI 的Field Sequence 液晶面板，
其利用LED 的反應速度比冷陰極燈管快三倍的特性，以RGB 三種LED 作光源，
依序高速切換點燈，這種液晶面板除了可以取代高單價彩色濾光片(color filter) 之外，更可增函液晶面板的色飽和度與輝度，因此該公司已經決定利用上述技術，
大量生產二液晶面板提供行動電話使用，今後應用範圍還會擴及至數位攝影機與 筆記型電腦(NB-PC)，相較之下SHARP 則著眼於LED 的無水銀與高色再現性兩 特點，詴圖藉此賦予車用產品差異化，達成無水銀公害的環保訴求，同時還可使 DVD 再生時獲得極高色再現性。另外，由於LED應用於顯示光源及背光源具高 色彩飽和度、快速啟動、無汞及壽命長以及不需使用轉換器( I n v e r t e r )等優點，
成為目前最被看好之替代光源。又能配合輕薄短小型化的應用設備潮流，且LED 背光源不易受到LCD TV尺吋限制，故大型顯示器背光為LED 下一步具發展潛力 應用。預估至2010 年時，當LED發光效率
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提升至200 lm/W，且LED背光模組價 格較CCFL具競爭力時，LED大量應用於LCD TV 背光源指日可待。
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背光模組(Back light module)為液晶顯示器面板(LCD panel)的關鍵零組件之一，由於液晶本身不 發光，背光模組之功能即在於供應充足的亮度與分佈均勻的光源，使其能正常顯示影像。一般而 言，背光模組可分為前光式(Front light )與背光式(Back light)兩種。而背光模組其主要由光源(包括 冷陰極螢光管(CCFL))、熱陰極螢光管、發光二極體(LED)等)、燈罩、反射板(Reflector)、導光板(Light guide plate)、擴散片(Diffusion sheet 1-2 片)、增亮膜(Brightness enhancement film 1-2 片)及外框等組 件組裝而成。54
發光效率 (Luminous efficacy, η )單位：流明每瓦[lm/W]；代表光源將所消耗之電能轉換成光之 效率。‧ 國
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資料來源：DigiTimes Research,2007/01
圖 15 LED 背光模組應用
一、LED背光源型式與技術：
LED 背光模組能夠迅速擴展應用範圍另一項要因，是LED 背光模組單位耗 電量能獲得很高的輝度，亦即單位瓦特的發光流明數lm/W 。圖16 所示是適用 於LED背光模組的白光LED其產生的方式可分為下列四種:
(一) 擬似白光LED
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是由藍光LED 與黃色螢光體所構成，動作時利用互補原理產生白光，這種型 式的LED 結構非常單純，而且發光效率很高，因此被當作小型LCD的背光光源，
廣泛應用在行動電話，缺點是紅色成份的強度較弱。
(二) 近紫外白光LED
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是由可產生近紫外光的LED，與可產生RGB三種顏色的螢光體兩者組合而成，
由於它是利用RGB 三種顏色混合變成白光所以色再現性很高，不過這種白光
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利用藍光 G a I n N 的 LED 去激發黃色螢光粉（Yttrium Aluminum Garnet；YAG）或利用綠光的 GaInN 激發紅色螢光粉。亦即利用一個藍光 LED 和一個白光的互補性色彩-黃色螢光粉來產生白 光，而這也是目前比較常用來產生白光的技術，發光效率差不多是 25-30lm/W 之間。而現在比 較常用的技術是利 YAG:Ce 黃色螢光粉結合 InGaN blue LED chip(460nm)來產生白光，為現階段市 場最多採用的製造方法。且成本、壽命、亮度，及可靠度等也都較有優勢，不過，專利權幾乎掌 握在日系廠商，因此業者以取得授權或交叉合作的方式，來提升技術及產品效能。在授權方面，以 Nichia 及 Osram 為兩大授權陣營或交叉合作重心，而 Nichia 與 Osram 彼此交叉授權外，也分別 與其他業者有不同程度的合作關係。
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其原理是利用 UV LED 產生的光完全被使用的 RGB 螢光粉吸收，接著混合這三個螢光粉發出 的光，進而產生和 RGB LEDs 類似的白光，其具有高演色性、低成本等優點，但卻有發光效率 不足的問題。‧ 國
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LED 基於紫外光會使用率封裝樹脂與螢光體劣化等考量，因此必需另外開發抗 紫外光的樹脂與螢光體。
(三) 單體RGB 白光LED
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由於單體RGB白光LED 可針對各單體LED 設計散熱結構，因此較容易獲得高 輸出效果，不過RGB單體LED的晶片物理上彼此相隔，所以必需設計專用的導光 路，使RGB單體LED的光線能均勻混色變成白光，如此才能避免背光模組變厚。
(四) 一體化RGB 白光LED
一體化RGB可直接混色變成白光，所以沒有專用導光路與背光照明模組厚度限 制等困擾，不過施函的電流量受到限制，因此不易獲得高輸出效果。
資料來源：光連雙月凼
圖 16 LED 背光模組的光源型式
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LED背光源技術種類主要分為2種，一是利用R、G、B三色LED混光技術，由 於三原色的色彩較純，易達到高色彩飽和度需求，且混光後的白光也能透過三原 色達到色溫調整，但缺點是必頇克服驅動電路和混色問題，且成本較高；另一種 是採用藍色LED函上黃色螢光粉達到白光效果，優點是不需考慮混光效果，且消
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對於白光 LED 的發展，剛開始是以紅+藍+綠三顆 LED，藉由透鏡混合這三種光，進而產生我 們人眼所看到的白光。不過混合後會在光譜間出現空隙，使得色彩不飽和。雖然這種方法產生的 發光效率可達到 20lm/W，不過由於每個 LED 的正向電壓、驅動電流、溫度和光衰減率都不一樣，而且要發出白光的話必頇有效的將光線混合，因而造成設計的困難和成本的增加。
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光連雙月刊〃2007／11〃72 期。‧
搭配RGB螢光粉所呈現的白光LED59
。表7所列為LED背光源廠商(凿括電視製造 商、TFT面板供應商、背光模組商、LED廠商)之產品規格表。140 380nm UV LED+RGB螢 光粉方式，使用數量為
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例如豐田合成展示的 32LCD 背光源，為 380nm UV LED(40lm/W)+RGB 螢光粉方式，數量為 1200 顆，消耗功率 140W，白光發光效率為 15lm/W。‧ 國
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廠商 尺吋 對比 NTSC (%)
輝度 (cd/m
2
)消耗凾率 (W)
LED特性
而綠光LED則使用了56顆 Sharp
32
〃
~65
〃
360(45
〃
) 4色LEDRohm
11.6
〃
35015
〃
800 R、B各34顆，G 68顆NEC、三 菱電機
21.3
〃
109Stanley 37
〃
中強光電 37〃
友達光電 46
〃
900:1 10023
〃
700:1 100 200 140 奇美電子 47〃
翰孙彩晶 26
〃
資料來源: PIDA 2005/10
然而縱使LED 背光模組具備許多優點，可是始終無法普及化，主要原因是LED 背光模組的成本居高不下，以及散熱問題導致LED 發光效率備受影響，因此所 需使LED之顆數相對就需要更多，未來若能搭配LED背光模組機構設計透過背光 模片提升輝度與亮度，並且設計良好的散熱方式以及低耗電量之迴路設計，如此 可以減少LED 之使用顆數將，進而達到低成本及低耗電量目的。表中所示的LED 背光模組廠商，應用於大尺吋液晶電視之廠商大多處於產品開發階段，因此所獲 資訊不多。
二、LED背光源應用產品及市場發展
圖17所示係對於以LED 作為背光模組應用，可分為兩種：一是LED 搭配螢 光粉，以互補的作用產生白光，如藍光LED 搭配黃色螢光粉
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，但對紅色的表60
螢光粉的種類非常繁多，但大體上可區分為：有機螢光粉、螢光顏料、無機螢光粉及放射性 元素。有機螢光粉是利用有機化合物來製造的，隨置換基的數目、位置及活化劑的效果而影響其‧ 國
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現明顯不佳，若使用紫外光LED 搭配螢光粉，則會使封裝樹脂與螢光體發生劣 化；二則是以R 、G 、B 三原色混合，色彩飽和度佳，對於R 、G 、B 三原 色混合在於封裝方式的不同，可分為單晶封裝(1 in 1)及三晶封裝(3 in 1)等
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。資料來源：DigiTimes Research，2006/6
圖 17 LED 背光源應用產品
依據DigiTimes Research 資料分析，2005年LED 背光在TFT LCD 3.5 （含）以 下小尺吋面板滲透率已達100%，而7 LCD 顯示器因LED 背光模組價格僅高於 CCFL 型不到10%，故2006 年滲透率達30%，因此，7 （含）以下LED 背光在 產品技術接受週期中，屬被大量採用階段。NB 及LCD TV 用LED 背光正處在 產品技術接受週期的萌芽段，預估2007年滲透率僅達2～3%；而 LCD TV 用LED 背光技術尚未臻成熟階段，滲透率將不到1%，如圖18所示。
螢光性的大小。至於螢光顏料是指顏料除了本身的色澤外，亦可以反射螢光。而無機螢光粉是利 用電子躍遷來產生螢光，因為光線殘留的時間較長，故可作為蓄光性夜光塗料。再者，混合放射 性元素及硫化物螢光粉則可激發出螢光，即使在沒有光線照射時也可以發光，這種自發光顏料大 多應用於航空儀器及鐘錶上。
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工業材料雜誌，247 期，96 年 7 月。‧ 國
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資料來源：DigiTimes Research，2007/1
圖 18 各類 TFT LCD 顯示器 LED 背光所處產品技術接受週期
(一) NB背光源
NB 採用白光LED 為背光源主要目的
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，與TV 或Monitor 採用R、G、B 3 色 LED 用途（以高色飽和度為主要訴求）不同，而是以輕、薄及省電為主要考量 重點。2006 年（含）以前，LED NB 多以日廠生產為主(有東芝、富士通、Sony)
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如 表8所示，而全球首款採用 LED 背光的NB，為東芝於2005 年4 月推出的「Libretto」。LED 背光NB的優點為