(9)--FPD_Chapter-4-6平板显示技术平板显示技术.ppt

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1、Flat Panel DisplaysFlat Panel Displays平板显示技术平板显示技术平板显示技术平板显示技术LED背光源背光源LEDLED背光源背光源背光源背光源一、一、LED背光源背光源二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理三、三、LCD场序场序驱动驱动2024/1/272/52一、一、LED背光源背光源LCD背光源简介背光源简介LCD背光源的重要性背光源的重要性（1）BLU占占LCD模组成本的模组成本的40%；（2）BLU对对LCD的图像显示质量影响很大，如运动模糊和彩色饱和度等的图像显示质量影响很大，如运动模糊和彩色饱和度等；（3）BLU是电光转换模块，其功耗

2、最大可占整机的是电光转换模块，其功耗最大可占整机的80%；（4）出于环境保护的考虑，含）出于环境保护的考虑，含Hg的的BLU应尽快被替换。应尽快被替换。LCD背光源成本构成背光源成本构成对对LCD TVs来说，背光模组的成本大约占原材料成本的来说，背光模组的成本大约占原材料成本的23%（15英寸）到英寸）到37%（30英寸）英寸），是，是LCD-TV原材料中比例最大的一部分。原材料中比例最大的一部分。背光模组中光学膜最昂贵，占到背光模组成本的背光模组中光学膜最昂贵，占到背光模组成本的44%，导光板占，导光板占16%，灯管占，灯管占12%，其，其它如反射板，外框等占它如反射板，外框等占28%。在

3、在LCD背光源的设计中，所用光源的选用是很重要的，它决定了背光源的功耗、亮度、背光源的设计中，所用光源的选用是很重要的，它决定了背光源的功耗、亮度、颜色等光电参数，也决定了其使用条件和使用寿命。颜色等光电参数，也决定了其使用条件和使用寿命。一、一、LED背光源背光源LCD背光源背光源分类分类1.冷阴极荧光灯（冷阴极荧光灯（Cold Cathod Fluorescent Lamps，CCFL）；）；2.外阴极荧光灯（外阴极荧光灯（External Electrode Fluorescent Lamps，EEFL）；）；3.热阴极荧光灯（热阴极荧光灯（Hot Cathod Fluorescent

4、Lamps，HCFL）；）；4.平面荧光灯（平面荧光灯（Flat Fluorescent Lamps，FFL）；）；5.场发射灯（场发射灯（Field Emission Diodes，FED）；）；6.发光二极管（发光二极管（Light Emitting Diodes，LED），），7.有机发光显示（有机发光显示（Organic Light Emitting Display，OLED）；）；8.无机电致发光（无机电致发光（Inorganic Electro-luminescence）。）。一、一、LED背光源背光源1.CCFL背光源背光源玻璃管玻璃管电极电极荧光粉荧光粉可见光可见光电极电极电极

5、引线电极引线e Hg Hg*e Hg Hg*253.7nm253.7nmCCFL利用冷阴极辉光放电，无需预加热阴极，仅通过控制电极的电势，就能够使电极内的利用冷阴极辉光放电，无需预加热阴极，仅通过控制电极的电势，就能够使电极内的电子将电势能转化为动能而向外发射。电子将电势能转化为动能而向外发射。一、一、LED背光源背光源2.HCFL背光源背光源荧光粉荧光粉汞原子汞原子电子电子电极电极可见光可见光紫外辐射紫外辐射HCFL则利用热阴极弧光放电，给则利用热阴极弧光放电，给HCFL阴极提供足够大的电流（几安到几十安），使气阴极提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，产生明显电弧而发射电子，并伴随

6、强烈电弧光。体击穿，产生明显电弧而发射电子，并伴随强烈电弧光。HCFL可以做成扫描背光和动态背光，从而降低功耗，提高对比度，在大尺寸可以做成扫描背光和动态背光，从而降低功耗，提高对比度，在大尺寸LCD背光背光中有较好的应用前景中有较好的应用前景。CCFL和和HCFL主要通过电极的组成和放电方式来区别。主要通过电极的组成和放电方式来区别。一、一、LED背光源背光源3.EEFL背光源背光源EEFL作为作为LCD背光源最突出的优点就是低成本，低功耗，长寿命，简单的灯结构和驱动电背光源最突出的优点就是低成本，低功耗，长寿命，简单的灯结构和驱动电路，但驱动电压相对较高。多个灯管可以用一个逆变器来驱动，同

7、样情况下路，但驱动电压相对较高。多个灯管可以用一个逆变器来驱动，同样情况下EEFL 的功耗和的功耗和成本均低于成本均低于CCFL。交流供电交流供电玻璃管玻璃管荧光粉荧光粉保护层保护层外电极外电极一、一、LED背光源背光源4.FFL背光源背光源 功耗，成本，发光效率等方面低于功耗，成本，发光效率等方面低于CCFL，但从背光模块角度来看，但从背光模块角度来看，FFL光源做好后，等于光源做好后，等于背光模块已做好一大半，可明显减少整个背光模块组装工时及步骤，故有利于背光模块自背光模块已做好一大半，可明显减少整个背光模块组装工时及步骤，故有利于背光模块自动化方式生产动化方式生产。玻璃基板玻璃基板阳极电

8、极阳极电极阴极电极阴极电极后基板后基板一、一、LED背光源背光源5.LED背光源背光源 一、一、LED背光源背光源不同不同LCD背光源背光源的的比较比较一、一、LED背光源背光源不同不同LCD背光源背光源的功耗的功耗Light SourcePower range(%)ControlMinimumTypicalMaximumCCFL331001200D/1DEEFL201001200D/1DHCFL101003000D/1DLow power RGB-LED01001400D/1D/2D/2D colorHigh power RGB-LED01002000D/1D/2D/2D colorWhit

9、e LED01001200D/1D/2D一、一、LED背光源背光源LED的特点的特点1.效率（效率（LED芯片效率）芯片效率）LEDLED发光颜色发光颜色峰值波长峰值波长(nm)(nm)工作电流工作电流(mA)(mA)发光效率发光效率(lm/W)(lm/W)白色白色N/AN/A2020136136白色白色N/AN/A350350115115红色红色6256253503506060蓝色蓝色4504503503501010绿色绿色5275273503507272一、一、LED背光源背光源2.LED的光谱的光谱 R、G、B三色滤色片在相同波长区间有相互交叠的区域，绿滤色片可以传送三色滤色片在相同波长

10、区间有相互交叠的区域，绿滤色片可以传送15-20%的蓝色的蓝色波长的光，蓝光滤色片可以传送接近波长的光，蓝光滤色片可以传送接近25%绿光波长的光，而红光滤色片可以传送绿光波长的光，而红光滤色片可以传送10%的黄光。的黄光。W-LED RGB-LED一、一、LED背光源背光源（1）结温（）结温（25）一、一、LED背光源背光源（2）光谱变化）光谱变化一、一、LED背光源背光源（3）亮度变化）亮度变化一、一、LED背光源背光源（4）响应时间）响应时间 LED响应时间约为响应时间约为100ns，CCFL的响应时间为几个毫秒。的响应时间为几个毫秒。（5）光的辐射方向）光的辐射方向 LED背光源设计应考

11、虑到背光源设计应考虑到LED的辐射方向。的辐射方向。（6）LED寿命寿命 LED的寿命：在室温下，亮度减少到最初亮度的寿命：在室温下，亮度减少到最初亮度70%的时间，通常超过的时间，通常超过50000小时。对于小时。对于普通目的的照明，如果在正常环境下工作，普通目的的照明，如果在正常环境下工作，LED大约可以使用大约可以使用20-25年，是年，是CCFL寿命的寿命的4-5倍。倍。LED寿命会随着结温度的增加而缩短，如果寿命会随着结温度的增加而缩短，如果LED工作在低温环境下，寿命就可能工作在低温环境下，寿命就可能超过超过100 000小时。小时。（7）LED的分级的分级 同一批同一批LED在特

12、性上会不太一致。如：亮度、主波长、半峰值宽度。亮度的变化范围一在特性上会不太一致。如：亮度、主波长、半峰值宽度。亮度的变化范围一般在般在12%，对于蓝光，对于蓝光LED，波长会在，波长会在440-470nm之间改变，红光之间改变，红光LED在在613-645nm范围范围改变，绿光改变，绿光LED则是则是520-550nm范围。为了得到特性一致的范围。为了得到特性一致的LED背光源，背光源，LED制造中应根制造中应根据变化范围进行严格分级，但严格的分级会使成本增加。据变化范围进行严格分级，但严格的分级会使成本增加。RGB-LED和W-LED的比较：p亮度亮度/色彩色彩均匀性：均匀性：RGB-LE

13、D的亮度的亮度/色度分类要求严格色度分类要求严格，品质要求，品质要求比比W-LED高高，芯片芯片成本高成本高。p驱动：驱动：RGB-LED所需所需IC数量为同样情况下白光数量为同样情况下白光LED的三倍，驱动系统更为的三倍，驱动系统更为复杂复杂p白平衡：白平衡：RGB-LED三色的衰减三色的衰减速度速度不同，不同，RGB-LED背光通常需要导入亮度背光通常需要导入亮度/色彩色彩的监测反馈系统，以保证在长时间操作下保持恒定的白平衡的监测反馈系统，以保证在长时间操作下保持恒定的白平衡。p能效能效/功耗功耗/成本：成本：RGB-LED混光效率混光效率低，低，导致同样亮度的导致同样亮度的RGB-LED

14、背光功耗要背光功耗要远高于白光远高于白光LED背光功耗背光功耗。RG-p LED背背光源成本光源成本只有只有RGB-LED背光源的背光源的1/5-1/4。pRGB-LED适合适合LCD场序驱动。场序驱动。一、一、LED背光源背光源LED背光源技术的现状背光源技术的现状1.1.侧光式侧光式1.导光板特性：导光板特性：高折射率；全光谱透过率；耐热变形高折射率；全光谱透过率；耐热变形/热膨胀率低；表面硬度高；吸水率低；热膨胀率低；表面硬度高；吸水率低；2.导光板制作方式：导光板制作方式：印印刷刷式式：合合成成树树脂脂+扩扩散散材材料料+稀稀释释剂剂亚亚克克力力基基板板；出出光光点点精精度度60m，良

15、良品品率率低低；必必须须烘烘干干油油墨，受温度、网版、环境等影响，均匀性不佳。墨，受温度、网版、环境等影响，均匀性不佳。非印刷非印刷式式：（a）蚀刻（）蚀刻（Etching）：反面深蚀刻）：反面深蚀刻取代印刷点，出光面浅蚀刻取代印刷点，出光面浅蚀刻取代扩散片取代扩散片（b）V型切割（型切割（V-Cut）：）：反面反面V-Cut取代印刷点，出取代印刷点，出光面光面V-Cut取代棱镜片取代棱镜片（c）喷砂（）喷砂（Spray）：出光面）：出光面Spray具有扩散片效果具有扩散片效果（d）压膜：韩国，深圳）压膜：韩国，深圳一、一、LED背光源背光源2 2.直直下式下式3 3.中空中空式式直下式背光与

16、侧光式背光的比较侧入式侧入式LEDLED背光源背光源直下式直下式LEDLED背光源背光源Edge-litDirect-lit导光板导光板YN亮度均匀性亮度均匀性NYLED LED 数目数目YN厚度厚度YN分区调光分区调光NY2009年三星2004 Sony一、一、LED背光源背光源4 4.LED.LED背光源驱动背光源驱动 （a）传统图像 （b）高质量图像 （c）背光源图像5.5.场场序背光源驱动序背光源驱动 液晶场序驱动原理一、一、LED背光源背光源LED背光源的优背光源的优点点电子电气设备中限制电子电气设备中限制电子电气设备中限制电子电气设备中限制使用某些有害物质指使用某些有害物质指使用某

17、些有害物质指使用某些有害物质指令令令令 一、一、LED背光源背光源LED背光源背光源？一、一、LED背光源背光源p成本成本p发光效率发光效率p亮度均匀性亮度均匀性p功耗功耗pCBUp调光调光pRGB LED的结温对波长，亮度等的影响的结温对波长，亮度等的影响LED背光源存在的问题背光源存在的问题一、一、LED背光源背光源Basic Concept of LCD Coloration by White LightTechnologies of Wide Color GamutLED Backlight 发展展趋势http:/ Aluminum Garnet)produces yellow lig

18、ht from the blue source-Low cost-Difficult to create pure red and green needed for WCG (color gamut 75%of NTSC standard)一、一、LED背光源背光源2.BG LEDs+R Phosphor(KSF)InGaN Blue LED+K2SiF6:Mn4+(KSF)red phosphor(or PFS Potassium Fluoride Silicon)(GE Global,2014 SID)-KSF-based LED backlight is cost-effective f

19、or WCG (Samsung MU series LCDs)-Long decay time of KSF low frame rate and no active 3D possible一、一、LED背光源背光源Emission Properties of QDsQD Backlighthttp:/ R-light-emitting QDs are used as color converters in B(InGaN)LEDsLEDLED背光源背光源背光源背光源一一、LED背光源背光源二二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理三三、LCD场序场序驱动驱动2024/1/2730/52

20、二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理LCD背光源背光源结构结构p发光源发光源(Light source):CCFL;HCFL;LEDp导光板导光板(Light guide plate):导引导引光线方向，以提高面板光辉光线方向，以提高面板光辉及控制及控制均匀，均匀，用疏密、大小用疏密、大小同同 的的微结构图案设计可使导光板面均匀微结构图案设计可使导光板面均匀发光发光.p反射板反射板(Reflector):将将出的光反射回导光板中，防止光源外出的光反射回导光板中，防止光源外，以增加光的使用效，以增加光的使用效p扩散板扩散板(Diffuser):提供液晶显示器一个均匀的面光源提供液晶

21、显示器一个均匀的面光源 p增亮膜增亮膜(BEF棱镜片棱镜片):光光自扩散板射出后其光的指向性较差，因此必须自扩散板射出后其光的指向性较差，因此必须用用镜片镜片修正光的方向，其原修正光的方向，其原藉由光的折射与反射藉由光的折射与反射达到凝聚光线、提高正面辉达到凝聚光线、提高正面辉的目的。的目的。p偏光转换膜偏光转换膜(P-S Converter):用反射偏光板将可通过与用反射偏光板将可通过与可通过可通过LCD偏光板的光分偏光板的光分，然后，然后用反射板用反射板将反射回将反射回的光转换成可用的偏光，达到的光转换成可用的偏光，达到提高的目的。提高的目的。二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光

22、原理LCD背光源背光源效率效率Color Filter:33%Analyzer:95%TFT-Array:60%LC-Transmittance:90%CCFL B/L:70%(Full-on)Polarizer:45%Very Low Efficiency 5%only二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理BacklightLCObserved ImageConventional LCD System（Full on）Drawbacks:l Low contrast ratio (Contrast Ratio Lmax/Lmin )l High power consumption

23、 二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理动态调光动态调光Test ImageTest Image0D Dimming0D Dimming2D Dimming2D Dimming1D Dimming1D DimmingHigh CRHigh CRLow PowerLow PowerBacklightBacklightDimmingDimmingBacklightBacklightDimmingDimmingBacklightBacklightDimmingDimmingFull-on BacklightFull-on BacklightLmaxLminCR=Lmax/LminCR:C

24、ontrast RatioCR:Contrast RatioIntensity Control二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理动态调光动态调光 0D 调光适用于平板荧光灯（均匀衰减）；调光适用于平板荧光灯（均匀衰减）；1D 调光适用于调光适用于CCFL、HCFL 和和EEFL；2D 调光适用于调光适用于LED 背光源以及矩阵式背光源以及矩阵式FED、OLED 背光源，等离子体背光源等。背光源，等离子体背光源等。二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理调光原理调光原理动态调光LEDLC非调光动态调动态调光原理光原理二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理1D

25、调光方法调光方法 调调光光前前：假假设设一一个个背背光光单单元元只只有有一一个个灯灯管管且且液液晶晶透透射射率率与与输输入入信信号号成成比比例例。Lb(y)背背光光源源亮亮度度是是位位置置y的的函函数数，Lbmin是是最最小小亮亮度度，si(yn)是是第第n行行像像素素中中的的最最大大输输入入信信号号，则则si(yn)图图像像的的亮亮度度B(yn)定义为：定义为：B(yn)=si(yn)Lbmin。为了补偿背光亮度的不均匀性，输入信号要衰减到为了补偿背光亮度的不均匀性，输入信号要衰减到sr(yn)：sr(yn)=si(yn)Lbmin/Lb(y)二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原

26、理p 调光后的背光亮度调光后的背光亮度La(y)等于等于k Lb(y),k=sa(yn)max/smax；p 经过自适应调光的信号经过自适应调光的信号sa(yn)等于等于sr(yn)/k；p LCD的的输输出出sa(yn)La(y)与与B(yn)相相等等，而而B(yn)=si(yn)Lbmin，背背光光亮亮度度的的不不均均匀匀性性也也得得到到了了补补偿偿，且实现了动态调光。且实现了动态调光。二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理侧入式LED背光源结构及可能的调光方式二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理BottomTop and bottomLeft and right

27、All side侧入式LED背光源结构及显示效果二、二、LED背光源动态调光原理背光源动态调光原理2D调光方法调光方法首首先先将将背背光光划划分分成成MN个个区区域域，通通过过一一个个因因子子k(m,n)(k 1000Hz RGBAlmost invisible:540Hz RGBSlightly visible:360Hz RGBUnacceptable:180Hz RGB 540Hz is almost impossible for LCD But Color Breakup HAVE TO be solvedMost Effective Solution for CBU：Increasi

28、ng Frequency三、三、LCD场序驱动场序驱动Prior Method for CBU Reduction Increase field rate:RGBRGB/RGBKKK(360Hz)Decrease CBU width Brightness decrease and LC response limited三、三、LCD场序驱动场序驱动Prior Method for CBU ReductionInsert multi-primary color fields:RGBCY(300Hz)Reduce color difference between each field Power

29、increase and LC response limitedRef:D.Eliav,etc,“Suppression of Color Breakup in Color-Sequential Multi-Primary Projection Displays”,SID05Motion interpolation Compensate the eye movement eye move is uncertainRef:N.Koma,T.Uchida,“A new field-sequential-color LCD without moving-object color break-up”,

30、SID03 三、三、LCD场序驱动场序驱动What is“Stencil”?A kind of painting technique A kind of painting technique Base contourBase contourBase colorBase colorDetail Detail Finished painting Finished painting 三、三、LCD场序驱动场序驱动Stencil-FSCReduce the intensity of R,G,and B fieldsRGB DrivingConventional RGB FSC-LCDR-fieldG-

31、fieldB-fieldField rate=180 HzTarget imageColor-fieldHigh lumi.&rough color Stencil-FSC LCDField rate=240 HzB-fieldBlue detailG-fieldGreen detailR-fieldRed detailConcept of Stencil-FSC三、三、LCD场序驱动场序驱动Concept of Stencil-FSCRGBSteStencncil-il-FSCFSC multi-colorRough imageR-fieldAdd red detailG-fieldAdd

32、green detailB-fieldAdd blue detaill 1st field-multi-color image to display most of the luminance.(Originally proposed concept for FSC Display)l 2nd 4th field-R,G,B to modify the color detail only.l CBU can be much reduced due to low brightness of R/G/B field.三、三、LCD场序驱动场序驱动Upgrade Stencil-FSC Techno

33、logiesRGB(180Hz)Stencil-FSC4-field4-field(240Hz)Stencil-FSC3-field3-field(180Hz)三、三、LCD场序驱动场序驱动How to Achieve Multi-color Image of 1st field?+|colorfulLow ResolutionLEDsB/LOnly Black&WhiteHigh ResolutionCF-lessLCMulti-color imagefor 1st field 三、三、LCD场序驱动场序驱动Target for Ultra-Low Power Green LCDRGB LE

34、Ds B/L:70%(Sequentially-on)Color Filter:33%Analyzer:95%TFT-Array:60%LC-Transmittance:90%Polarizer:45%CBU-less Field-Color SequentialNon-polarizer LC PanelIntelligent Power management BLU三、三、LCD场序驱动场序驱动Battery on Green LCD-TV?CBU-less Field-Color Sequential CF-Less x 280%Non-polarizer LC PanelPolarizer-Less x 170%Intelligent Power management BLULocal Dimming+Angle Control x 240%Improve 1100%32”LCD:105WattConventional-“Plug-in”LCD-TVBatteryNext Gen.-“Battery-on”LCD-TV 32”LCD:15Watt本本节课结束节课结束下下一节课内容：一节课内容：有机发光显示器件原理与结构有机发光显示器件原理与结构