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获诺贝尔奖垂青LED背光

发布时间:2015-09-06 10:19 来源:修大屏 浏览次数:

目前我们使用的液晶显示设备,基本都是LED背光,其轻薄、节能、寿命长,成为了目前显示世界最重要的材料之一。也许很多人都意识不到背光对于液晶面板的重要性,其实背光技术的进步,对于液晶面板的发展有着极为重要的促进作用。如果我们现在仍停留在CCFL背光的时代,那么可以想象的就是,我们目前使用的各种之移动智能设备,都不会是现在这种形态。

 

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 获诺贝尔奖垂青 LED背光真的无敌了吗?

 

    液晶面板的成像原理其实很简单,背光光源通过一组菱镜片与背光模块,将光源均匀地传送到前方,依照所接收的影像讯号,液晶画素玻璃层内的液晶分子会作相对应的排列,决定哪些光线是需偏折或阻隔的。因此背光对已液晶面板来说,是不可或缺的。如今LED几乎已经统治了显示市场,除了不用使用背光的OLED面板,目前的液晶面板背后的发光功臣都是LED。那么LED背光就真的完美了吗?LED背光还有什么可以进化的地方呢?让我们从头说起。

 

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被淘汰的CCFL背光灯管

 

    上面我们提到CCFL背光,这是液晶背光的早期技术。CCFL即冷阴极荧光灯,是一种气体放电发光器件,其构造类似常用的日光灯,通过连接插头与高压板相连。这种光源在启动的时候,需要很高的电压,因此才需要高压板。而在工作的时候,电压值稍微低一些,但是也需要600到800V的水平,因此能耗高是这种背光的典型特点。

 

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液晶面板的显示结构

 

    此外由于是灯管的构造,CCFL背光的体积也是一大问题。对于大屏设备来说,这种体积的问题可能还不明显,但是应用在移动设备之上的话,不仅电压无法实现,其体积的问题也会让移动设备的厚度大大的增加,因此如果我们依旧停留在CCFL背光的时代的话,目前的移动显示设备是没有可能出现的。

 

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背光系统的结构

 

    LED背光其实早就在研发了,在CCFL背光还是主流的时代,LED背光的就在慢慢的发展。但是由于当时技术的原因,合成白色LED光源非常的困难,因此LED背光无法用于彩色显示器的背光之中。不过当时的移动设备中,LED背光也是开始出现了。不知道我们还记得那绿色或者黄色背光的显示设备,比如著名的诺基亚3310,其实就是早期LED背光产品的代表之作。

 

    那么为什么只有绿色或者黄色LED背光的产品出现,是什么阻挡了LED背光技术的发展呢?关键点就在于蓝色LED背光当时还无法制备成功,接下来我们就来讨论一下蓝色LED的故事。

 

    蓝色LED背光影响一个时代

 

    一个光源想要成为背光,首先它的显色性要足够好。人造光线应与自然光线相同,使人的肉眼能正确辨别事物的颜色,这就死显色性的由来。因此在室内照明的时候,我们通常使用白光,这样的效果和日光最接近,可以让观察者看到事物的本来颜色。如果我们在室内使用绿色的灯光来照明,那么很多物体的颜色会发现变化。为了实现白光的效果,工程师们想出一个聪明的办法,就是利用三基色来实现白光,即我们经常说的RGB三色混合,这样的光源显色性是足够好的。

 

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蓝色LED的研发至关重要

 

    CCFL背光其实就是基于这种原理来生产的,其利用紫外线和三色荧光粉混合,实现了白光的效果。但是单一LED的发光波长很窄,这种单色的光源在多数场合并不适用。研究者参照荧光灯提出了多色LED组合与短波长的LED激发荧光粉等方案,它们理论上都可以获得白光和全色显示,但是它们都需要短波段,也就是蓝紫色端的LED。

 

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用于背光的LED灯条

 

    因此蓝色LED就成为了研发的重点。1973年,当时在松下电器公司东京研究所的赤崎勇最早开始了蓝光LED的研究。后来,赤崎勇和天野浩在名古屋大学合作进行了蓝光LED的基础性研发,1989年首次研发成功了蓝光LED。而中村修二当时任职于日亚化学工业公司,他的实用化研究让该公司于1993年首次推出LED照明成品,从而引发了照明技术革新。后来他们的这一成就被授予了诺贝尔物理学奖,充分说明了这个发明的对于整个世界的重要性。

 

    短波长的LED激发荧光粉的方案因为具有经济上的优势,逐渐成为液晶面板背光中的绝对王者。通过不断研究LED背光的封装技术与荧光粉的调配比例,这种方案的发光效率以及显色性一直都在提升,从而奠定了液晶面板使用LED背光的基础。

 

    不过这种方案的显色性相比于三色LED混合的方案还是有差距的,因此目前液晶面板的色域能力始终不强,就是因为背光方案的天然缺陷。此外蓝色LED背光还有伤眼的弊端。目前的普通LED背光中,435纳米波段的蓝色光成分较多。这种蓝光的能量比较强,可以引起视网膜色素上皮的萎缩,再引起光敏感细胞的死亡。光敏感细胞的功能是接受人射光把光信号转变为电信号,后者再通过视觉神经传递给大脑后成像。光敏感细胞的死亡将会导致视力逐渐下降甚至完全丧失。

 

    因此LED背光并非是完美的,还有进化的方向,那就是护眼以及提升色域。

 

    量子点背光成新宠

 

    量子点技术是提升色域的新办法。量子点由锌、镉、硒和硫原子构成,是晶体直径在2-10纳米之间的纳米材料。由于它的光电特性独特,受到光电刺激后,会根据量子点的直径大小,发出各种不同颜色的非常纯正的高质量单色光。基于这一特性,如果把量子点材料用在电视的背光源上,用蓝色LED照射就能发出全光谱的光,从而对背光进行精细调节,进而大幅提升色域表现,让色彩更加鲜明。

 

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受到光电刺激后 量子点根据直径大小 发出各种不同颜色的单色光

 

    可以看出量子点技术也需要蓝色LED的激发,进一步证明了蓝色LED发明的重要性。量子点背光的并不复杂,将量子点制成薄膜,放置在蓝色LED和液晶面板之间,这样就可以有效的提升液晶面板的色域了。量子点本身体积就非常的小,因此量子点薄膜的厚度也是可以控制的很好,不会让液晶显示设备的厚度增加。我们之前提到过的三色LED混合方案其实也能提升色域,但是由于结构复杂,这种方案会让显示设备的厚度增加很多,并且价格也非常的昂贵。

 

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量子点背光的位置

 

    目前量子点背光的产品已经开始出现,手机、显示器、电视、平板都有量子点产品的出现,未来窄色域将成一种历史,人类显示设备将全面进入广色域的时代,随着量子点背光产品的逐渐扩张,新产品的价格也是不会太高。相比于一直有色域优势的新技术OLED,液晶面板终于补齐自己的短板,这样一来液晶面板技术使用的时间,就可以大幅度的延长。

 

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量子点电视的已经出现

 

    当然量子点技术并没有解决蓝光伤眼的问题,不过目前显示市场正在研究蓝色LED波长的控制问题,因为蓝光可以根据波长分为两部分,一直是对于视力伤害很大的420纳米到460纳米波长的蓝光,一种则是460纳米以上的蓝光,也就是视觉上的浅蓝色的蓝光。这种蓝光对于人类是有益处的,在白天的时候,可以帮助人类集中精神。所以讲LED蓝光的波长控制在460nm以上,就可以解决护眼的问题。

 

    区域控制提升对比度

 

    除了色域以及护眼,背光技术还有新的突破。那就是对比度的提升上,有了新的解决方案。HDR技术的出现,就是这种变化的代表技术。HDR超高动态对比技术,藉由局部背光模块的区域调光,使画面亮暗对比更鲜明、暗态细节更清晰、画质色彩更逼真,贴近人眼可观察到的真实景像。

 

    HDR技术的关键之一便是增加亮度,面板的亮度从400尼特增加至700甚至1000尼特。这样厂商就可以通过调节不同的亮度,让画面的对比度显得更加的有可塑性。HDR技术增加了亮度范围,同时提升最亮和最暗画面的对比度,明显改善灰阶,也带来了更黑或更白的颜色效果。不过需要注意的是,HDR技术并非针对所有内容都有这个效果。要想体验HDR技术,片源需要经过重制,这样才可以发挥HDR技术的威力,不过这种局限,也是大大的限制了HDR技术的应用范围。因此这种改变背光的新技术,相比于量子点技术,并没有前者的普遍意义。

 

    全文总结:

 

    液晶面板背光的发展,经历了CCFL到LED转变,可以说LED背光的出现,真正改变了我们的显示世界。超薄设备的出现,移动设备的流行以及超大屏LED巨幕的出现,都基于这个小小的发光二极管产品。其中特别是蓝色LED的研发,具有时代的意义。即便是未来量子点背光的得意成功,基础也仍旧是蓝色LED的出现。所以蓝色LED的研发者被授予了诺贝尔物理学奖,这是很具有现实意义的奖励。当然LED背光并非完美,其伤眼以及色域不广的问题,目前正在得到解决,未来一到两年,相信这两个问题将被功课,那时LED背光已经发展到了极致,但是最符合人类观察习惯的技术,仍旧是不采用背光的面板,比如说OLED面板,无背光面板才是未来的真正发展方向。

来源:中关村在线