发光二极管(LED)近几年因为发光效率急速的提升,以及环保节能的需求下,从初期的电源指示灯渗透到显示器的背光领域,进而扩展至一般的照明市场。然而,LED光源的发光频谱特性,和过去传统白炽光源(Incandescentlamp)、气体放电灯 (Gas discharge lamp) 的光谱能量分布相比有很大的差异。本文主要即在介绍LED做为一般显示器背光与照明光源使用,在哪些方面与传统光源比较上具有其独特的优势,而又在哪些方面,必须符合现有的一些限制与规范。
LED显示与照明产业趋势
根据工研院IEK 2007资料,LED产业在2011年整体市场规模可望达114亿美元,2006年至2011年五年的复合成长率为13%,主要原因即为白光LED的发光效率(luminanceefficiency)超乎预期,这个参数代表每单位的电能(单位为瓦特Watt),在光源可以产生多少的光能(单位为流明lm)。
而这也是以往LED技术发展上,最常被使用的一个参数,以目前实验室的白光发光效率已经可以在150 lm/w以上,而商品化的发光效率也达100 lm/w,相较于一般光源已具有其优势,因此逐渐被广泛使用在显示与照明产业上。在显示器背光模块部份,小尺寸的市场虽面临同样具有薄形、省电特性的EL、OLED等新兴科技的挑战,但因为LED技术已相当成熟,具低价吸引力,未来应将持续成为主流,以手机用光源为例,市场占有率高达95%以上。至于中型尺寸显示器,主要包括车用显示器(car Navigator)、数字相框(Digital Frame)、可携式媒体播放器(Portable Media Player,PMP)、超可携式个人计算机(Ultra Mobile Personal Computer,UMPC)与笔记型计算机等,其显示尺寸介于7~15英寸间,LED背光模块的渗透率约为21%。在大尺寸显示器方面,于2004年底,Sony推出全球第一款40 英寸及46 英寸LED背光模块液晶显示器电视”QUALIA 005 ”,如图一所示,皆使用三色LED,耗电量分别为470W及 550W,虽然色彩饱和度高达NTSC(NationalTelevision System Committee,美国国家电视委员会电视系统标准)所制定标准的105%,但仍有其价格过高与散热,色均匀等技术成熟度上的问题,且背光模块总厚度高达10公分,故销量不高,近来电路控制技术与其它显示技术的搭配使得LED背光LCD TV的问题正积极改善中。在照明产业部份,在全球每年逾七百亿美元的照明市场中,目前LED照明仅占两亿美元。
根据国际能源总署(IEA)的估计,2005年全球照明总发光量为134.7千兆流明小时(petalumen-hours),估计全球所需要花费的照明成本为3650亿美元才能支撑上述如此庞大的发光量,换算之下约占全球GDP的1.2%,而CO2排放量约19亿吨,相当于全球七成的轻型车排放量。在2005年照明系统的平均发光效率50 lm/w,但照明效率提升速率与其它光源领域相较之下仍属偏低,相较之下,LED照明相较于传统照明光源的好处很多,但不可讳言,目前在价格、可靠度及系统整合等条件上仍然比传统光源逊色。然而,不管是政府或是民间企业都在LED产业投入大笔资源,对于LED普及于照明市场的推进不遗余力。而工研院IEK认为,在技术与经济层面要符合LED照明技术的产品,至少必须具有以下特点:
(1)对光通量的整体要求为中低度,例如夜灯。
(2)充分掌握半导体照明所强调的指向光优点,以减少光源的损耗,如厨柜用嵌灯。
(3)提升对高色温光源的接受度或开发其优势。 (4)灯具可维持长时数的使用。
(5)灯具使用寿命长,同时必须可减少维修费用,如大楼航空灯。 (6)可调控亮度或可承受频繁的开关动作。 (7)灯具须通过低温环测,如冷冻柜照明。
(8)要求几乎或完全不发出红外及紫外光,如博物馆展示灯。 (9)具小巧外型且高度经济价值。
(10)补强现有光源技术的严重缺点,如白炽灯的效率不佳、卤素灯的色彩质量低。
而在照明市场持续开拓之下,工研院IEK预估,2011年全球LED照明经济规模将达9.85亿美元,2006年至2011年的市场复合成长率则达37%。
LED于背光模块的应用
LED的发光原理为半导体材料间电子电洞的结合。产生的光波特性,由材料能隙决定,而单一LED芯片,使用相同的主动发光材料,因此光源的频谱,具有窄频宽的特性,平均频谱的半强度宽(Full Width at Half Maximum),约在20nm左右。而传统的一般光源,发光原理为热辐射方式,因此发出的能量较为连续,而具有连续分布的频谱,或是荧光灯(Fluorescent)与高压气体放电灯系光源(High IntensityDischarge)如水银灯(mercury vapor, MV)、复金属(metal halide,MH)及高压钠灯(high pressure sodium,HPS)等具有不连续的宽发光频谱。
白光LED产生的方式主要分为两种,第一种是使用短波长的LED(蓝光或紫外光),然后在封装时掺入黄色或者红、蓝、绿等多色的荧光粉,前者借由蓝光搭配互补的黄光产生白色(如日亚化的InGaN蓝光搭配YAG荧光粉),后者则是利用紫外光激发多种荧光粉,产生频谱较宽广的白光光源。而第二种白光LED,则是使用红蓝绿三种或更多种的独立LED,使用外部电路控制其混光比例,再配合适当的混光机制,产生特定的白点(white point)。目前市面上的白光LED大部分都采用荧光粉搭配波长转换的方式形成白光,因为其操作上只需点亮蓝光或紫外光LED,混光比例由当初荧光粉的调配决定,不需额外的电路控制,且由于封装在同一芯片中,短距离内便可达成不错的混光效果。而后者在驱动电路和混光机制上,需要较复杂的设计,不过由于采用电路控制,因此可以动态的调整采用的混光比例,产生不同色温的光源,这是使用固定荧光粉比例和传统光源皆无法做到的。
一般LCD用的背光模块可分为直下式与侧光式,主要是由导光板、扩散片、聚光膜、反射板及光源所构成,其中光源是整体背光模块的关键角色,目前背光所使用的光源种类主要有冷阴极灯管(CCFL)、外部电极荧光管(EEFL)、有机发光二极管(OLED)、平面光源(FFL)与LED,皆有各自的特性与优缺点。以现有最为普及的CCFL虽有稳定性佳、技术成熟等优点,然而具有汞污染的环保疑虑,必须高压启动操作,并且其色彩表现取决于光源本身频谱与彩色滤光片频谱的乘积,虽然近来彩色滤光片材料上已有一些进展,但总合来说并无法将可表现的色域提升太多,同样的于白光LED及彩色滤光片的搭配上也有相同问题,但一般来说色域可达NTSC的90%以上。由于LED窄频宽的特性,相对应于CIE色坐标上其色点较接近马蹄形边缘的单波长,亦即色彩饱和度较高,使用三原色LED搭配色序法及区域控制,使亮度与对比度可以有效提升,色序法亦即不使用彩色滤光片,直接利用三原色的画面在人眼积分时间内快速切换,以达到全彩的效果,其色域表现范围可达NTSC标准的120%以上。而区域控制则是经由判读影像亮暗信息后LED可随影像做动态光源点灭,此种方式可同时降低LED的耗电量与发热量。上述的说明也点出LED具有快速反应的优点。另一方面,无论是直下式或是侧边式的背光模块所需的是一个均匀的面光源,而相对于传统CCFL的线光源而言LED是一个点光源,不同形式的LED更有其特殊的投光分布方向,在设计上需要有较多的考虑。
LED于照明设计的考虑
室内照明设计中,主要考虑的因素可分为两个,第一个是亮度,第二个是光源和环境的一些交互特性。对于亮度,主要是符合不同的工作环境和使用者,会有一些大约的数值的设定。而光源与环境的交互特性,则主要是在探讨光源的摆设方式,对使用者可能产生的一些影响,以及光源照射在物体上,可能产生的一些现象。
光源亮度的设定,主要是由所在环境的功能和使用者来决定的,一般而言,居家室内环境和餐厅等环境,亮度都是设定在200~500(lx)左右,而若是卖场展示柜台,则大约在1000~2000(lx)。另外,因为人眼会随着老化而降低光的穿透率,因此若是给较高龄层的人口使用(如老人活动中心),则略高于标准值,反而会是较好的选择,反过来,若是给较年轻的族群(如中小学餐厅或教室),光源的亮度则可以略微低于标准值。另外,光源可以分为功能性光源和背景光源两种,功能性指的是具有特定用途,比如用在阅读、文书处理、计算__