研究与设计Research and Design 高亮度 TFT-LCD 模组设计顾伟民（上海金陵电机股份有限公司，上海 201204）摘要： 在相关文件、文献、以及实践经验的基础上，找出高亮度模组设计之概论。为了使高亮度模组有可量产性，通过案例和实验数据，严重设计概论之正确性。另外，从技术发展和技术特性方面，介绍了高亮度模组的应用和发展方向。设计的主要内容包括研究和解决关键技术，技术路线包括工艺流程图、产品结构图、框架图等。采取直下式 LED 背光的设计，采用特殊的散热方式，使得液晶屏的亮度达到高亮以及超高亮的标准，可以实现在各种复杂光学环境下的良好的显示效果。关键词：高亮度背光，LED，热辐射，热传导中图分类号：TN402；TN383 文章编号：1674-2583(2017)08-0030-06DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2017.08.007中文引用格式：顾伟民.高亮度TFT-LCD模组设计[J]. 集成电路应用, 2017, 34(8): 30-35.Design of High Brightness TFT-LCD ModuleGU Weimin （GW Electric（Shanghai）Co., Ltd，Shanghai 201204, China.）Abstract: Based on the relevant documents and literature, and practical experience, find out high brightness of module design specification. In order to make the high brightness module with production, experimental data are in the market after the module modification of production test. In addition, the application and development of high brightness module made the market. The main contents of the design include the research and solution of key technology, including the process flow chart, product structure diagram, frame diagram and so on. The design of vertical LED backlight adopts a special way of heat dissipation, which makes the brightness of the LCD screen bright and ultra bright. It can achieve good display effect in a variety of complex optical environment.Key words: high brightness backlight, LED, thermal radiation, heat conduction 1 半导体发光技术定比例组合而成。但日光灯的光线在某些色彩上过 1.1 LED 背光源技术的原理分强调，某些色彩则缺得厉害。传统的液晶显示设备都采用 CCFLS（冷阴极荧光于是问题就产生了，背后灯箱的光源色彩就不灯，Cold cathode fluorescent lamps）作为光源，虽然够精确，透过液晶板后产生的图像自然也无法克服名字专业，但我们把它理解为家里用的日光灯，只是先天不足，导致色彩还原偏差。这也是液晶显示器灯管非常细。很多物体在日光灯下的色彩都很怪异，在图像显示方面一直难以让专业用户真正满意的原因为它发出的光线不是真正意义上的日光。我们早已因之一[1]。LED 是一种高级的液晶解决方案，用适应的日光光线由赤橙黄绿青蓝紫等各色光线按照一LED 代替了传统的液晶背光模组。基金项目：上海市科技型中小企业技术创新基金（15CT24D6700）。作者简介：顾伟民，上海金陵电机股份有限公司，研究方向：半导体发光和平面显示技术。收稿日期：2017-06-30，修回日期：2017-07-27。30 集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月Research and Design 研究与设计真正的 LED 电视，应该是用 LED 直接成像的。彩色的 LED 显示屏用 R/G/B 三个 LED 管组成一个像素点，通过控制每一个像素点的亮与灭，来实现图像的显示。其成像的原理和同样是主动发光的等离子非常相似。 1.2 LED 背光源技术的分类：RGB LED 与白光不过白光 LED 电视的优点也是比较明显的，例如亮度动态调节、区域背光控制都可以实现，也能实现很好的对比度。在色域范围上也能较普通 CCFL 液晶电视有所提升。加上成本的优势，因此我们认为将成为未来普及型 LED 电视最优先采用的方案。 1.3 LED 背光源技术的工艺：直下式与侧光式LED目前，LED 电视有两种分法，按技术分类可分为两大类：RGB-LED 与白光 LED。按入射位置划分可分为：直下式（将显示屏的整个背面换成 LED）与侧入式（周边放上 LED）两大类，大致又可分为直下式 RGB-LED、直下式白光 LED、侧光式白光LED、侧光式 RGB-LED 等。RGB-LED 在组成背光源的时候，并不是完全按照 1:1:1 的数量构成。目前最常见的方案就是由1个红色 LED、1 个蓝色 LED 和 2 个绿色 LED。这组合方式是因为每种颜色的 LED 在发光效率上存在一定差异，必须要通过组合实现三种光源的匹配。RGB-LED 电视的优点主要体现在色彩表现力和对比度两方面：由于采用了 RGB 三原色发光元件，因此 RGB-LED 电视色域可以达到 NTSC 的 120% 以上，部分经过良好调教的机型甚至可以达到 150% 左右的色域范围，完全达到或者超越了等离子电视的水准。RGB-LED 电视也可以支持背光区域调整技术，亮度调节更是很容易实现，因此在对比度方面，往往能够达到 10 000 000：1 级的动态对比度，这对于提升电视的图像质量有着非常关键的作用。RGB-LED 电视虽然性能很优秀，但是也并非十全十美。第一是成本方面没有很大优势。第二是RGB-LED 需要单独的调光电路和更好的散热结构，这也会在一定程度上导致电视结构复杂。另外， RGB 灯在控制上的问题仍有待加强。举例来说，如果其中一颗灯坏了，在整个屏幕上会相当明显，反之，白光 LED 灯则可以互相补足，因为是旁射关系，因此可以补足某颗坏掉的 LED，并且均匀性的补足，让整体状况看起来不会太差。白光 LED 相对于 RGB-LED 就要简单不少，它采用了只能发出白色光线的 LED 光源代替原来的CCFL 荧光管。白光 LED 由于不像 RGB-LED 那样需要涉及到背光源的调光，因此在电路结构方面的要求相对不高。但是白光 LED 的光谱特性和 RGB-LED 相比还是有所欠缺的，这也导致此种 LED 电视在色彩表现上并不如 RGB-LED 电视那么优秀。直下式背光源工艺简单，不需要导光板，LED 阵列置于灯箱底部，从 LED 发出的光经过底面和侧面反射，再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。直下式背光源的厚度由灯箱底部和散射板的距离决定，通常厚度越厚，背光源的光均匀性就越好。在背光源较薄的情况下，色彩和亮度均匀性就成了直下式背光源的技术关键。LED 灯的光场分布类型对背光源的色彩和亮度均匀性起着重要作用，目前背光源所用 LED 灯通常有朗伯型和边发射型两种，由于边发射型 LED 更有利于背光源的光均匀性，直下式背光源大都采用边发射型 LED[2]。但是大角度边发射 LED 由于其中间光强偏低，易造成暗斑，影响背光源的均匀性。侧光式背光模块即将点状光源设置在经过特殊设计的导光板侧边作为背光源，使用 LED 颗数较少。而因光源置于导光板侧边，LED 颗数及亮度，仍需将光均匀分散整个平面上时，会形成当面板面积越大，光源亮度运用越有限。因 LED 背光源放在产品的侧面，因此后面只需要添加导光板就可以液晶产品的外观厚度可以做到很薄，比如索尼的 ZX1 系列，它就是采用侧光式背光模块[3]。侧光式白光 LED 背光液晶电视具轻薄、结构简单等优势，边光式背光一般可做的很薄，但光源的光利用率较小，且越薄利用率越小，最大约 50%。侧光式 LED 产品因是由点光源组成线光源，而非由点光源分布至 TV 用 LCD 面板整个面积，故无法作到区域控制功能，不能分区控制，不仅是对动态对比值及动态影像画质提升没有帮助，更为重要的是产品无法实现产品的节能，即使实现的节能也是通过减少 LED 灯的数量或采用低功耗 LED 灯来达到节能的目的[4-7] 。2 高亮度模组的研究项目国内外研究开发现状：包括国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析。近年来，液晶显示技术飞速发展，而作为 LCD 显示的核心技术之一的背光源技术也得到了很大发展，无论是应用在显示器上还是电视上，LCD 背光源的产品都迅速得到了普及。而 2009 年对于 LED 背光源技术来说，则从前两年的趋势阶段迈向了近期的成熟阶段，众集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 31研究与设计Research and Design 品牌的 LED 电视纷纷推向市场，逐渐代替了当前作4 高亮度模组的设计方案为主流的 LCD 电视。虽然在市场价格上，LED 背光经过理论设计和仿真模拟后，制定如下方案。源的产品比 LCD 的贵了不少，但其良好的画质的确是 LCD 所不可比的，仅从肉眼上就可辨别出两者明 4.1 创新特点显的画质差别，再加上 LED 背光源具有高效节能等项目主要内容及技术路线描述申报项目研究优势，LED 全面取代 LCD 的时代已为时不远。开发的内容及涉及的关键技术、主要解决的关键问但目前市场上的 LED 背光应用仅限用于普通亮题；技术路线描述包括工艺流程图、产品结构图、度的液晶显示器，用在高亮乃至超高亮的面板目前框架图等[8-9]。国际上也只有 4、5 家，包括韩国的 Limpia, 采取直下式 LED 背光的设计，和特殊的散热的 Litemax 等，采用的方式也不尽相同，有用 CCFL 方式，使得液晶屏的亮度达到高亮以及超高亮的标作为背光的，也有采用特殊导光板的，千山光电利准，可以实现在各种复杂光学环境下的良好的显示用 COB 方式封装 LED 来做为液晶电视的背光属于首效果，比如阳光直射、橱窗像人行道展示等。创，具有无法替代的一些的优异特性。和韩国公司目前现状分析。 4.2 关键技术 （1）Litemax （）。Litemax 有限公司是（1）采用 LED 作为背光，节能，省电。液晶拥有自主知识产权，从事超高亮及宽温工作环境 LCD的背景光通常有三种：LED、EL 和 CCFL，其中 LED 模组和显示器的研发、设计及生产的专业化高科技公的亮度最好，均匀性相对较好。本项目采用 LED 背司。也是全球少有的有能力设计和生产户外阳光下可光，不仅仅可以达到高亮以及超高亮的要求，由于视 TFT-LCD 高亮和宽温加固，适合户外应用的液晶LED 得低能耗、高效率、长寿命的特点，所以本项显示模组和显示器的生产厂家之一。目是结节能、省电于一体的高端产品。（2）Limpia Display （韩国）。Limia （2）用直下式底背光设计，由较多的点光源Display 在液晶显示技术研究方面有十几年的经验，构成背光源，可以实现更高的集成度，以达到超高积累不少行业的客户，在全球有不少的高亮液晶屏客显示亮度。户，有很多项高亮液晶屏方面的专利。（3）首次使用最新的 COB （Chip on Board） 封装方式的 LED，散热性，继承性更好，寿命长，3 高亮度模组的指标可靠性高。高亮度模组主要用在商业和工业体现，除了对亮（4）采用满天星结构的设计，液晶屏亮度更度方面的要求外，还要对防水等级和散热设计有特殊加均匀，对导光板的设计要求大大降低。的要求，我们从显示最核心的数据出发，根据人眼睛和太阳环境亮度，得出要成为高亮度显示模组必须满 4.3 难点问题 足以下两方面的要求。（1）本产品采用 LED 作为背光，数量较多，而且发热现象比较明显。 3.1 高亮度模组的关键技术（2）COB（Chip on Board） 封装方式的 LED液晶显示屏的亮度能够达到 1 000 cd/m2, 实现工艺流程较为复杂。阳光下可视，使用寿命达到一般液晶电视机的指标。（3）满天星结构的设计要求较高。 3.2 技术指标 4.4 技术路线 液晶屏的亮度：> 1 000cd/m2（9 点平均亮度）；超高亮液晶显示屏对设计以及工艺的流程要求对比度：> 1 000：1；相当高，由于大尺寸的液晶屏目前全世界只有有限使用寿命: > 50 000 小时；的厂家在生产，例如友达光电，奇美电子，三星电液晶屏响应速度：< 8 ms；子，（LG-Display）乐金电子，夏普等，我们采取功耗：< 100 W；的方式是在这些大屏的基础上进行改装，大大节省显示颜色：1 670 万色；了外部铁框的设计，同时由于目前大部分的液晶屏液晶屏接口：LVDS（低压差分信号）；采用灯管设计，其原始状态就是底背光，这样我们分辨率: 1 366×768。节省了设计底背光导光板的部分，图 1 是超高亮 32 集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月Research and Design 研究与设计LED 直下式背光液晶显示屏的完整工艺生产流程。图 2 是 1 条共 颗 LED 嵌入式 LED 设计。图 3 是一个 TFT-LCD 显示模组的设计案例。传统的直下式冷阴极荧光灯高亮背光，厚度双倍增加，高功耗又造成高热，给高温工作带来困难。本项目采用 LED 背光，重量轻、厚度薄，低功耗、低热量，高亮宽温工作，长寿命易加固。另外，冷阴极灯管含重金属汞且采用高压的方式来驱动，而 LED 除了低能耗、不含有毒物质外，还是低压器件，其安全性远远好于灯管。LED 时代即将来临，LED 发光效率不断的提升，各企业间尤其是面板厂商之间激烈的技术竞争已经悄然开始，LED 电视是以发光二极管为背光源的液晶电视。设计方式上,显示器厂商一般采用直下和侧图 1 超高亮 LED 直下式背光液晶显示屏工艺流程图光这两种方式。侧光型 LED 模组在面板的边框处安装了 LED，使光源从侧面照出。这种方式的优点在于最大限度的降低了厚度,但因无法均匀传达光源，会使画面亮度以 X 的形态减少。直下方式是在面板背后均匀分布 LED,光源发散的光可以均匀传达到整个画面上。专家普遍认为直下背光可以更准确的呈现图像,并展现出优秀的色彩和明暗对比效果。LED 光的散发需要一定的空间,直下式背光技术想减少厚度,就需要更紧密地安装更多图 2 1 条共 颗 LED 嵌入式 LED 设计的 LED，使光扩散空间最小化或者把调谐器、电源稳压器部等基板部分单独分离出来[10-11]。但是，如果要使用 LED 背光实现高亮度的显示效果，就必须采用底面式的设计。传统直下式冷阴极荧光灯高亮背光，厚度双倍增加，而高功耗又造成高热，给高温工作带来困难，对于大尺寸 LCD 的背光，需要更长的灯管和更高电压的逆变电源。由于我们使用的是 LED 背光，既未增加外观尺寸，也未增加原屏厚度，又不会令液晶模组产生高热。真正做到了重量轻厚度薄，低功耗低热量，高亮宽温工作，长寿命易加固。LED 背光是用 DC 直流电源，不再使用逆变电源，大大提高了电源转换效率，同时也大大提高了产品的可靠性，而模块化的背光设计，无须使用大功率 LED 驱动模块和供电电源，使大尺寸 LCD 背光的制造不再成为高不可攀的难题。本文目采用发光二极管作为液晶屏的背光，跟传统的冷阴极灯管相比，灯管由于含重金属汞，更图 3 TFT-LCD 显示模组的设计案例集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 33研究与设计Research and Design 图 4 直下式背光结构图 6 9 点测试位置同等亮度下所用 LED 数量较少，甚至可以实现超高亮度的性能要求。因此采用直下式背光结构，在成本和能耗上具有明显优势，特别是对于大尺寸的液晶电视，结构厚重的劣势更加不明显，而低成本和低能耗的优势更为突出[12-13]。本文设计开发了一款用于半户外液晶显示用的高亮度 117 cm（46 英寸）直下式 LED 背光源。按照实际的环境要求，液晶屏的亮度要求在 800～1 200 图 5 直下背光 LED 阵列分布图cd/m2，考虑背光到液晶屏的光效利用率在 5.5% 左右，则背光源的亮度要达到 15 000～21 800 cd/m2。加环保，并且发光二极管由于发光效率高于传统的冷如果考虑外加增亮膜，按 1.2 倍的增亮效果计算，阴极灯管，因此也更加节能。则背光亮度要求达到 13 000～18 200 cd/m2。由于本产品应用是作为高亮度的液晶显示屏，目在背光有效区域，LED 使用数量为 1 008 颗，前的几个传统设计都是采用增加很多条冷阴极的灯管阵列确定为 42×24 的排布方式，如图 5 所示，将来实现，除耗电和含有害物质外，冷阴极灯管由于采整个 LED 阵列分成 4 个驱动部分（由此也方便根用高压的方式来驱动，而发光二极管是低压器件，其据具体需要设计动态驱动控制），每个部分由 21 颗安全性远远好于灯管。这也是为什么我们在传统的液LED 串联为一组，然后 12 组 LED 再通过并联驱晶电视机后面能够看到高压-危险的警告，而发光二极动。经过最初的软件按模拟、样品测试及调试，最终管设计的电视机则无需这方面的安全顾虑。确定各 LED 的排列间距为 25 mm×25 mm，光源阵列的混光距离为 25 mm。5 实验与分析图 6 直下式 LED 背光源 3×3 的排布方式 9如图 4 以直下式 LED+LENS 方式之背光结构，点测试位置，表 1 为对应的测试数据，测试设备 可以看出，LED 光源位于背光结构的底部，由反射膜SR-3，温度：23 ℃，湿度 56% RH。的反作用后向上出光，经过一定的空间混光距离，再采用直下式结构的另一个优势在于，随着新型由扩散板等光学薄膜调制后出光，因此各光学组件的LED 背光在中大尺寸液晶显示领域的广泛应用，传统厚度及 LED 所需的空间混光距离决定了背光模组的整的 CCFL 背光的 LCD 产品面临淘汰，因此在本项目体厚度。特别是光源及其所需的混光距离，增加了背的高亮度直下式 LED 背光结构的研发中，可以直接光结构的厚度，使得采用直下式背光的 LCD 外形结构使用市场现有的同类型尺寸的背光框架结构。一方面较之侧背光的 LCD 要厚重一些。减少了产品需时间，缩短了生产周期，同时可以降低一般通过使用直下式用的利于光线发散的透镜来结构设计和加工的成本。改善 LED 阵列的混光效果，在一定程度上减小了背光模组的厚度，使得采用直下式背光的 LCD 结构薄6 高亮度模组的市场预期型化。同时，较之侧背光结构需使用成本较高的导光近年来，液晶显示技术飞速发展，而作为 LCD 板，采用直下式结构只需考虑透镜和扩散板成本，且显示的核心技术之一的背光源技术也得到了很大发34 集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月Research and Design 研究与设计展，无论是应用在显示器上还是电视上，LCD 背光源的产品都迅速得到了普及。而 2016 年对于 LED 背表 1 9 点测试数据光源技术来说，则从前两年的趋势阶段迈向了近期的成熟阶段，众品牌的 LED 电视纷纷推向市场，逐渐代替了当前作为主流的 LCD 电视。虽然在市场价格上，LED 产品全线替代 CCFL，OLED 和 Micro LED 还不能为工业和商业认可。于此同时，液晶技术越趋于成熟稳定，高亮超高亮 LED 背光液晶显示屏由于其在强阳光下和严寒环境的高清晰显示，极大地提高了液晶显示产品的应用范围。是户外图像显示及商业广告商梦寐以求的产品。可广泛应用于航空、舰船、油田、火车、城市公交及长途大巴的移动多媒体显示、公众场馆商业广告显示、工控行业，图像监控系统及其它特殊要求的图像显示，是国防和各行各业不可或缺的高科技产品，市场需求与日俱增。这种设计的高亮超高亮液晶显示器可以广泛应用电子机械高等专科学校学报，2010（12）.于航空、舰船、油田、火车、城市公交及长途大巴的[3] 梁萌，王国宏，范曼宁，郭德博，刘广义，移动多媒体显示、公众场馆商业广告显示、工控行业,马龙，王良臣，李晋闽.LCD-TV用直下式LED图像监控系统及其它特殊要求的图像显示，是国防和背光源的光学设计[J].液晶与显示,2007各行各业不可或缺的高科技产品。（02）. 互联网时代乘以物联网，又在工业 4.0 的驱动[4] 液晶LED背光源原理[EB/OL].HTTP://MAX.下让高亮度显示需求量大大提升，未来在半户外以及BOOK118.C.户外，高亮度显示是必配产品，配合国家战略发展转[5] 液晶LED背光源技术细谈[EB/OL].HTTP://型，高亮度显示模组从之前的小作坊将走进大公司的WENKU.BAIDU.C.批量车间，有理由相信，那个时候，整个高亮度显示[6] 陈建.解析LED电视原理，LED背光技术应用模组将大有可为。[EB/OL].HTTP://BLOG.SINA.COM.[7] LED电视技术全面揭秘[EB/OL].HTTP://BLOG.7 结语SINA.COM.本文所探讨之高亮度模组设计可行性和市场需求[8] 夏庆国.双模LED太阳能路灯技术创新与产业化方面两个方面，首先提出了侧入式背光和直下式背光发展[J].科技致富向导，2012（07）.高亮度设计值架构和方案，进而通过仿真设计，得出[9] 李立，周瑞云，李彩云，甘媚.国家科技型中光学数据模型，然后进行实际验证，得出方案可行并小企业技术创新基金的申报要点研究[J]. 企完全满足市场的需求，且成本优势明显；另外，从市业科技与发展,2012（08）. 场的发展角度探讨了高亮度模组的市场需求，得出在[10] 画质至上,LG DISPLAY发力LED市场[J].计算互联网乘以物联网的时代，高亮度模组越来越多的新机与网络，2009（07）.市场需求将不断出现，市场会在5年内形成特种显示器[11] 李敏.技术取胜 LG角逐LED市场[J].中国企业一大分支，而且量越来越大，从显示技术的成熟性来报，2009（07）.讲，TFT-LCD 高亮度模组还是市场主流。[12] 范曼宁，张国义，郝茂盛，陈云峰.半户外液晶显示用高亮直下式LED背光设计[J].液晶与参考文献显示，2012（02）.[1] LED电视与液晶电视有什么区别[EB/OL].HTTP://[13] 范曼宁，张国义，郝茂盛，陈云峰.一种高WENKU.BAIDU.C.亮度直下式背光液晶模组设计[J].光电子技[2] 龚国友.一种LCD的LED背光源馈电设计[J]. 成都术，2011（09）.集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 35
