液晶电视用LED背光源的热特性与光色特性之间的关系
施宇飞1杨洁翔1朱文清1李抒智2马可军2王峰2庄美琳2
（1.上海大学材料学院，上海200072；2.上海半导体照明工程技术研究中心，上海201203）
摘要：本文研究了温度对LED背光源的影响，发现温度高的地方，LED的亮度衰减较快，且红、绿、蓝三色LED亮度的衰减速度是不一致的，其中红光LED衰减最快，导致LED背光源的色度偏移，色温均匀性变差，严重影响背光源的颜色表现能力。此外，通过对直下式LED背光源的热分布与其亮度和色温变化情况的研究，发现温度较高的地方，亮度衰减得快，色温也上升得快；而侧光式LED背光源的光色分布主要受到导光板的影响，所以不能直观地观察到其与热分布的关联性。
关键词：LED背光源；老化；热分布；亮度；色度
1引言
由于液晶本身不发光［1］，因此液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）需要通过外部光源实现透射或反射显示。现有的LCD大多数是带有背光源的透射型器件，背光源的发光特性将直接影响到LCD显示器件的显像质量［2］。然而，传统的背光技术存在一些先天不足的缺陷，例如色域狭窄、能源利用率低、功耗较高和寿命短等，而LED具有更好的色彩表现力，寿命更长，节能环保等优势［3］。但是，LED在发光的同时，也会发热，尤其是对于大功率LED光源来说，温度的影响是不可忽视的［4］～［8］，这也将直接影响到LED背光源的出光质量［9］。我们研究温度对LED背光源的影响，对改善LED背光源的品质具有重要的意义。
2实验设计
2.1实验样品
选取4台不同品牌、不同背光源类型的LED液晶电视，通过拆解电视机获取实验所需的LED背光源，具体见表1。
2.2测试设备
2.2.1BM-7平面光源测试系统
是由日本TOPCON公司生产的BM-7色度亮度计配合自动测试台精确定位进行测试。BM-7色度亮度计采用三色值过滤［10］的测定方法。其被广泛用于背光模组的亮度、色度、色温及其均匀性等特性的测试。
2.2.2红外热像仪
由日本NEC公司生产的H2640红外热像仪，主要用于测试物体表面的热分布情况。该设备像素高、响应速度快，接近军用级别，对功率型LED器件也能实现温度分布分析。
2.2.3高温老化系统
可实现温度实时监控，保持恒温环境状态，样品可在点亮状态下进行高温老化实验。
2.3实验方案
本实验主要涉及以下三方面测试内容：
（1）保持样品点亮的情况下，对其进行1500小时，50℃高温加速老化实验。
（2）使用BM-7平面光源测试系统，每两周测试一次样品的亮度和色度等光学特性参数。
（3）使用红外热像仪测试样品稳定工作状态下的热分布情况。
3数据分析
3.1LED背光源的亮度、色度衰减分析
4个样品都是在50℃的温度条件下进行高温加速老化测试，但是，由于其品牌不同，LED背光源的生产加工工艺和质量都会有一定程度的差异，所以我们可以看到4个样品的亮度衰减程度差别很大，只有2号样品出现了明显的衰减。如图1所示，是4个样品的1500小时亮度衰减曲线。
通过给液晶屏不同的颜色信号，我们来进一步研究2号样品的RGB三种颜色的亮度衰减特性。得到表2，其中，红光的衰减最为明显。由此可见，不同颜色的亮度衰减速率是不同的，红光衰减最快。
我们研究背光源在高温老化过程中的色温变化，就会发现色温出现了明显上升，如图2所示，它是1、3、4号样品老化过程中的色温变化曲线。而2号样品的起始色温就很高，随着老化实验的进行，色温不断升高以至于超出了色度计的量测范围，所以不考察2号样品的色温变化状况。
虽然1号和3号样品的亮度在老化前后没有明显变化，但是他们的色温却明显升高了，1500小时老化后的色温分别为初始色温的1.4倍和1.7倍。白光色温的变化主要是其中的RGB颜色配比出现了变化，色温升高说明红光衰减快，红光的占比减少所致。
色温均匀性也是反映LED背光源颜色表现能力的一项指标，通过高温老化实验后，我们发现LED背光源不仅色温升高了，而且色温均匀性也趋向于更不均匀，可见其不同区域的色温变化程度并不一致，见表4。这里我们引入标准差的概念来评价色温不均匀程度，标准差是反映一组数据离散程度最常用的一种量化形式，标准差越大，说明色温越不均匀，反之亦然。
3.2热分布与亮度、色度之间的关系
对于侧光式LED背光源来说，其LED灯条所在的侧边会有一个明显的温升，所以整体温度分布很不均匀；而对于直下式LED背光源来说，由于其正常工作状态是竖直放置，因此，即便其LED是均匀排布的，也难以避免顶端比底部热的情况，再加上电路元件等其他热源的分布不均匀，所以难以实现整个背光源的温度均匀分布。见图3，是1～4号样品稳定态的热分布。
由热像照片可见，2号和3号样品的LED灯条都是位于LED背光源的底部的侧入式结构，由于他们的亮度分布和色温分布主要受到导光板的影响，所以无法从热分布情况直观地反映出其亮度和色度变化。而1号和4号样品是直下式背光源，没有导光板的影响，温度分布的不均匀就会直观地以亮度和色温等特性表现出来。
如图4所示，是4个样品的初始亮度分布情况。从亮度分布图中可以看到，1号和4号直下式LED背光源的亮度分布较为均匀，呈现中间亮度高且平坦，四周亮度低的分布，主要与其LED的排布有关；而2号和3号侧光式LED背光源的亮度分布较不均匀且没有一定的规律性，主要与导光板有关.
如图5所示，是4个样品的初始色温分布情况。我们发现，1号和4号样品虽然都是直下式LED背光源，但他们的色温分布也有很大差异，大尺寸的4号样品的色温分布相对较平坦；而2号和3号侧光式LED背光源的色温分布主要与导光板有关，所以没有一定的规律性。结合之前讨论的高温老化前后色温均匀性的变化，参考表4，我们发现老化后，侧光式LED背光源的色温均匀性相比直下式LED背光源来说更不均匀。而对于不同尺寸的直下式LED背光源来说，大尺寸的4号样品的色温均匀性表现较好。我们认为，这主要是因为大尺寸背光源的散热性能较好。
下面我们主要研究直下式LED背光源的热特性与光色特性之间的关系。
以1号样品为例，如图6和图7所示，是1号样品老化前后的亮度分布上视图。中间亮度较高的区域同时也是温度较高的区域，老化后，此区域的亮度出现了明显的衰减，而两边温度较低的地方，亮度几乎没有变化。
对比1号样品的色温分布三维视图，如图8和图9所示。老化前，色温分布总体而言较平坦，色温较低；老化后，中间及上部温度较高区域由于受到高温老化的影响，色温出现大幅上升呈隆起状，而下边缘温度较低区域的色温呈现一个向下的陡坡，越靠近边缘，色温就越低。
4总结
由于高温会使LED的发光效率降低［11］、光谱波长偏移［12］、荧光粉老化失效等，背光源温度分布的不均匀性会导致不同位置LED发光特性的不同。温度高的地方，LED的亮度衰减较快，且红、绿、蓝三色LED亮度的衰减速度是不一致的，其中红光LED衰减最快。因此，不同位置温度不同会导致LED背光源的亮度衰减不均匀，而且使三基色LED的颜色配比出现差异，因而也会引起色差，严重影响背光源的颜色表现能力。
此外，直下式LED背光源的温度分布与其亮度和色温变化情况是基本一致的，温度较高的地方，亮度衰减得快，色温也上升得快，反之亦然。而对于侧光式LED背光源来说，其亮度和色温分布主要受到不同导光板的影响，所以不能直观地观察到其与热分布的关联性。
根据相同条件的高温老化实验结果的验证，我们认为直下式LED背光源的亮度和色度表现相比侧光式LED背光源要好，而且对于不同尺寸的直下式LED背光源来说，较大尺寸的LED背光源的亮度和色度表现较好。