液晶显示器CCFL与LED背光技术之析

王晓泓

笔者近来接触不少机关企业信息化终端显示设备，发现诸多错把LCD液晶显示器CCFL、LED背光技术与LCD、LED显示器混为一谈，甚有液晶显示器正面贴着“LED”标签，反面却又标着“LCD”，因此撰写此文，与诸位读者共探讨之。

一、LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器

(一)何谓液晶(liquid crystal)。液晶是物质除固态、液态、气态外存在的第四态，是分子晶体介于固体和液体之间的物体，兼具有液体的流动性和晶体的光学各异向性。1889年，德国物理学家莱曼发现了这种物质具有多种弯曲性质，认为这种物质是流动性结晶的一种，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性，于是莱曼将其命名为“液态晶体”，由此而取名为Liquid Crystal即液晶，这就是“液晶”名称的由来。液晶材料一般可以分为热致液晶和溶致液晶。1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示(见图1)，这也是为何我们称夏普为“液晶之父”的原因，标志着液晶显示技术正式进入应用阶段。

(二)液晶的物理特性。液晶是部分有序，各向异性液体，介于三维有序固体和各向同性液体之间，从分子序来看，液晶分子具有一维或二维长程有序。这些晶体分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点：当电流通过液晶层，这些分子将会以电流的方向进行有秩序的排列，使光线容易通过；不通电时则排列混乱，阻止光线通过，使液晶如闸门开关般地阻隔或让光线穿透。

至于液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性，这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再通过液晶分子的折射特性，以及对光线的旋转能力来获得亮暗情况，进而达到显像的目的。用于液晶显示器的液晶分子结构排列类似细火柴棒，称为Nematic液晶，采用此类液晶制造的液晶显示器也就称为LCD(Liquid Crystal Display)。

(三)LCD液晶显示器的基本工作原理(见图2)。LCD显示器，也称液晶显示器英文全称为Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。

LCD显示屏是由不同部分组成的分层结构(见图3)，从液晶显示器的结构来看，好像一块“三明治”，液晶面板由两块精致的无钠玻璃板构成，厚约1mm，在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状液晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏周边都设有背光源(CCFL或LED)，同时在液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板是由荧光物质组成的，可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层，液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素，而这些像素可以是亮的，也可以是不亮的，大量排列整齐的像素中亮与不亮便形成了单色的图像。像素中的点是亮或不亮主要是由控制电路来控制，在无钠玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交*点上，通过改变电压而改变液晶体的是否通光状态，在这个时候，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀，控制光的通过与不通过。在液晶材料周边还有控制电路部分和驱动电路部分，这样就可以用信号来控制图像的生成。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿 越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关，背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高，当前液晶显示器根据背光源不同主要为“CCFL”和“LED”两大类。

二、CCFL背光源液晶显示器

(一)CCFL背光源技术原理。CCFL是Cold Cathode Fluorescent Lamps(冷阴极荧光灯)的英文缩写，所谓CCFL冷阴极灯管是在一玻璃管内封入隋性气体Ne和Ar混合气体，其中含有微量水银蒸气，并于玻璃内壁涂布荧光体，通过灯管两端的电极间加上一高压高频电场，能够让灯管内的气态汞激发的紫外线碰撞管壁上的荧光粉即产生释能发光效应，从而发出紫外线光，而内壁的萤光体原子则因紫外线激发而提升其能阶，当原子反回原低能阶时放射出可见光，可见光波长由萤光体物质特性所决定(见图4)。CCFL对交流电压要求相对较高，启动时达到1500～1600 Vac(交流电压)，然后稳定至700或800Vac。无论是从发光原理还是物理结构上讲，CCFL都和常用的日光灯管非常接近，在刚刚问世的时候，CCFL冷阴极灯被认为是具有跨时代意义的新型照明光源。由于CCFL灯管具有结构简单、灯管细小、易加工成形、表面温度低、显色性好、发光均匀等优点，被认为是TFT-LCD液晶屏理想的背光源。当前，市场中大多数的液晶显示器所应用的背光源还是CCFL冷阴极荧光灯，也为众多IT厂商实现了更多的商业价值。

(二)CCFL背光液晶显示器的结构原理

CCFL属于管状光源，这种光源并不是平面光源，要将所发出的光均匀散布到面板的每一个区域就需要相当复杂的辅助组件，除了亮度输出均匀度不够之外，CCFL的结构还非常复杂，应用了它的液晶电视屏幕的厚度也较难控制，而且随着面板的增大，必须使用多条光源。为了实现背光源均匀的亮度输出，还需要为液晶面板的背光模组搭配扩散片、导光板、反射板等众多辅助器件来实现(见图5)。

(三)CCFL背光源技术优缺点。

1.优点：亮度高，液晶屏比较薄，制造工艺简单，技术成熟，工作状态稳定，成本低，产品性价比高。

2.缺点：亮度均匀度不够，色彩表现力不足，体积大、功耗高，寿命较短，易造成环境污染。

三、LED背光源液晶显示器

(一)LED结构及发光原理。

1.结构。Light Emitting Diode即发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来(见图6)。

2.发 光 原 理 。 发 光 二 极 管 半 导 体 晶片由两部分组成，一是P型半导体空穴占主导地位，另一部分N型半导体，电子占主导地位，把这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”，当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

图1 世界上第一片LCD液晶屏幕 图2 LCD液晶显示器的基本工作原理图 图3 液晶屏构造示意图

(二)LED背光源分类及组成。

1.分类。目前LED背光源液晶显示器根据发光颜色的不同，主要分为白色LED(WLED)背光源和三色RGB-LED背光源两种。由于白色是混合色，没有可标识的波长值，因此白色LED会存在颜色偏差的问题，而RGB-LED以红、绿、蓝三色LED组成发光单元，能够独立控制光源，达到全彩的效果，从而实现更加精确的色彩还原，表现出更好的画质效果。普通的白光LED背光在对比度和色域上都和RGB-LED有很大的距离，甚至色域无法达到采用广色域CCFL的色域值。

另外按照LED背光模块依光源入射位置分为直下式与侧入式两大类，侧光源指LED灯只是排布在屏幕边缘，由机身两侧发出光源，通过内置的高透光率导光板的作用，使光线投射到面板上。直下式背光源就是指LED灯是均匀分布在整块液晶屏幕的背面，光线是直接透过面板的。目前侧边式LED电视在相对最少损失画质的前提下，具有超薄的外观，能够更好地满足消费者对现代家居环境唯美、时尚的要求。

2.组成：LED背光源主要有光源、导光板、光学用膜片、驱动电路、塑胶框等组成(见图7)。

(三)白光LED背光源。作为单一光谱白色光LED(WLED)背光源与CCFL背光源在结构上基本是一致的，主要的区别在于CCFL是高压线光源，而LED是低压点光源。白光LED相对于RGB-LED简单，它采用了只能发出白色光的LED光源代替原来的CCFL荧光管，白光LED很容易实现区域控制，因此白光LED显示器的对比度会很高。

图4 CCFL冷阴极灯管发光原理示意图

由于白光LED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的光谱特性在色彩显示特性方面上并不如RGB-LED电视。白光LED的优势主要体现在耗电量方面，广泛应用于对功耗要求高的移动设备，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，在成本上比RGB-LED显示器较低。

(四)RGB-LED三色背光源。RGB-LED背光源技术出现时间比较早，RGB-LED通过红色、绿色、蓝色三原色LED调制成白光，具有最好的光学特性，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，目前最常见的是由1个红色LED、1个蓝色LED和2个绿色LED组成。这种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，同时在合成标准白色时，绿色光所占的比例是最多(见图8)。

RGB-LED背光源的位置和以往的CCFL相比变化并不大，仍然在液晶面板层正后方。因此从结构上看，采用这种技术的LCD，在外观上和普通CCFL液晶显示器没有很明显的差异。RGB-LED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三原色独立发光元件，因此RGBLED背光源色域宽广，它能够大幅度提高色彩表现，通过高纯度红、绿、蓝LED器件，实现CCFL不能达到的宽广色域，目前可以达到105%的NTSC色域，如果采用性能更好的LED，则可以实现120%以上的NTSC色域，主要被应用各类高端的显示设备。达到或者超越了等离子电视的色域范围，完全满足数字电视、大屏幕高清晰度电视色域的要求。此外，RGB-LED也可以支持背光区域调整技术，很容易实现亮度调节，因此在对比度方面，也能够达到很高动态对比度，提高了电视的图像质量。但是，由于大量使用了独立的LED器件，其点阵排列相当密集，不仅较难保证每一个器件发光的一致性，而且散热也非常不理想，达不到超长的寿命；虽然RGB-LED的色彩纯度较高，但是长期使用后每种LED色彩衰减的幅度并不一致，这也将对画面质量产生一些影响。

(五)LED背光源技术优缺点

1.主要优点：色域更广、彩色还原性好，亮度均匀性好，节能环保，超薄外观，寿命长，实时色彩管理，图像清晰稳定。

图5 CCFL背光液晶显示器结构原理示意图 图6 发光二极管结构示意图

图7 LED背光源组成模块结构示意图图8 RGB-LED背光结构组合图

2.主要缺点：发光率不够，亮度低，成本高，价格贵，RGB-LED背光源的使用时间一长，会影响显示器画面质量。

四、结论

综上所述，可得出以下结论供读者参考。

(一)“LCD”是液晶显示器的总称，液晶本身不发光，必须通过背光源提供光亮，主流显示器市场背光源主要分为“CCFL”与“LED”两种，所以目前市场上的液晶显示器主要分为两大类，即“CCFL背光源液晶显示器”和“LED背光源液晶显示器”。“LED”或“CCFL”仅仅是液晶显示器的一种背光技术，客观来讲，“背光技术”只是液晶显示器诸多技术中之一，多年来在显示技术的不断突破，使得当前液晶显示器无论是“CCFL背光”还是“LED背光”，都能实现1920*1080P的高清显示。“CCFL”与“LED”是指液晶显示器背光技术的两个发展阶段，也是目前液晶显示器市场主要的两种背光技术，但无论哪种背光技术，其采用的屏幕是液晶显示屏，而液晶本身的原理都相同。

(二)当前商业市场上宣称的“LED比LCD更先进、更高级，是一种替代LCD的技术”这样的描述，是误将“CCFL”视作“LCD”，但必须清楚的是目前市场所有家用的“LED液晶显示器”实际上都是LCD显示器的一种，只是背光源有所区别而已，与“LED”对等概念的应该是“CCFL”，商家宣称的所谓“LED电视”，事实上是“LED背光源”+“液晶屏”，屏幕都还是液晶屏，因此都不是真正的“LED电视”，上述说法严重偷换了概念。

(三)LED背光技术相比CCFL更先进，整体视觉效果更好，更节能，当然也更烧钱。白光LED只是RGB-LED背光技术的一个过渡，在消费者愈发重视液晶显示器画面质量的当下，RGB-LED背光是一发展方向，而现阶段RGB-LED背光成本的降低，发光效率的提高，这为“LED”取代“CCFL”提供了一个有效的途径，即便是当前还不能替代“CCFL”，LED背光技术的前景还是非常光明的。

总的来说，液晶显示器无论从高端还是低端导入LED背光产品，对于目前CCFL背光显示器发展停滞不前的状况有着良好的推动力，LED背光取代CCFL是一个趋势，当然换代之战需要过程和时间，需要理性看待LED背光技术，不要太迷信，毕竟白光LED背光并没有带来质的飞跃。但是LED背光毕竟是一项新兴的技术，发出的是产业升级的信号，不可否认“LED”最终将取代“CCFL”，这一点无论是在生产厂商还是相关业内人士心中都已经取得了共识，只是现阶段LED背光技术尚未完全成熟，较多的应用于高端液晶产品上，随着科技的进步和众多厂商进入这一领域，LED背光技术和工艺日趋成熟，取代“CCFL”也将成为历史的必然。