目前我們使用的液晶顯示設備,基本都是LED背光,其輕薄、節(jié)能、壽命長,成為了目前顯示世界最重要的材料之一。也許很多人都意識不到背光對于液晶面板的重要性,其實背光技術的進步,對于液晶面板的發(fā)展有著極為重要的促進作用。如果我們現在仍停留在CCFL背光的時代,那么可以想象的就是,我們目前使用的各種之移動智能設備,都不會是現在這種形態(tài)。
獲諾貝爾獎垂青 LED背光真的無敵了嗎?
液晶面板的成像原理其實很簡單,背光光源通過一組菱鏡片與背光模塊,將光源均勻地傳送到前方,依照所接收的影像訊號,液晶畫素玻璃層內的液晶分子會作相對應的排列,決定哪些光線是需偏折或阻隔的。因此背光對已液晶面板來說,是不可或缺的。如今LED幾乎已經統治了顯示市場,除了不用使用背光的OLED面板,目前的液晶面板背后的發(fā)光功臣都是LED。那么LED背光就真的完美了嗎?LED背光還有什么可以進化的地方呢?讓我們從頭說起。
被淘汰的CCFL背光燈管
上面我們提到CCFL背光,這是液晶背光的早期技術。CCFL即冷陰極熒光燈,是一種氣體放電發(fā)光器件,其構造類似常用的日光燈,通過連接插頭與高壓板相連。這種光源在啟動的時候,需要很高的電壓,因此才需要高壓板。而在工作的時候,電壓值稍微低一些,但是也需要600到800V的水平,因此能耗高是這種背光的典型特點。
液晶面板的顯示結構
此外由于是燈管的構造,CCFL背光的體積也是一大問題。對于大屏設備來說,這種體積的問題可能還不明顯,但是應用在移動設備之上的話,不僅電壓無法實現,其體積的問題也會讓移動設備的厚度大大的增加,因此如果我們依舊停留在CCFL背光的時代的話,目前的移動顯示設備是沒有可能出現的。
背光系統的結構
LED背光其實早就在研發(fā)了,在CCFL背光還是主流的時代,LED背光的就在慢慢的發(fā)展。但是由于當時技術的原因,合成白色LED光源非常的困難,因此LED背光無法用于彩色顯示器的背光之中。不過當時的移動設備中,LED背光也是開始出現了。不知道我們還記得那綠色或者黃色背光的顯示設備,比如著名的諾基亞3310,其實就是早期LED背光產品的代表之作。
那么為什么只有綠色或者黃色LED背光的產品出現,是什么阻擋了LED背光技術的發(fā)展呢?關鍵點就在于藍色LED背光當時還無法制備成功,接下來我們就來討論一下藍色LED的故事。
[NT:PAGE] 藍色LED背光影響一個時代
一個光源想要成為背光,首先它的顯色性要足夠好。人造光線應與自然光線相同,使人的肉眼能正確辨別事物的顏色,這就死顯色性的由來。因此在室內照明的時候,我們通常使用白光,這樣的效果和日光最接近,可以讓觀察者看到事物的本來顏色。如果我們在室內使用綠色的燈光來照明,那么很多物體的顏色會發(fā)現變化。為了實現白光的效果,工程師們想出一個聰明的辦法,就是利用三基色來實現白光,即我們經常說的RGB三色混合,這樣的光源顯色性是足夠好的。
藍色LED的研發(fā)至關重要
CCFL背光其實就是基于這種原理來生產的,其利用紫外線和三色熒光粉混合,實現了白光的效果。但是單一LED的發(fā)光波長很窄,這種單色的光源在多數場合并不適用。研究者參照熒光燈提出了多色LED組合與短波長的LED激發(fā)熒光粉等方案,它們理論上都可以獲得白光和全色顯示,但是它們都需要短波段,也就是藍紫色端的LED。
用于背光的LED燈條
因此藍色LED就成為了研發(fā)的重點。1973年,當時在松下電器公司東京研究所的赤崎勇最早開始了藍光LED的研究。后來,赤崎勇和天野浩在名古屋大學合作進行了藍光LED的基礎性研發(fā),1989年首次研發(fā)成功了藍光LED。而中村修二當時任職于日亞化學工業(yè)公司,他的實用化研究讓該公司于1993年首次推出LED照明成品,從而引發(fā)了照明技術革新。后來他們的這一成就被授予了諾貝爾物理學獎,充分說明了這個發(fā)明的對于整個世界的重要性。
獲得諾貝爾物理學獎的三位日本人
短波長的LED激發(fā)熒光粉的方案因為具有經濟上的優(yōu)勢,逐漸成為液晶面板背光中的絕對王者。通過不斷研究LED背光的封裝技術與熒光粉的調配比例,這種方案的發(fā)光效率以及顯色性一直都在提升,從而奠定了液晶面板使用LED背光的基礎。
不過這種方案的顯色性相比于三色LED混合的方案還是有差距的,因此目前液晶面板的色域能力始終不強,就是因為背光方案的天然缺陷。此外藍色LED背光還有傷眼的弊端。目前的普通LED背光中,435納米波段的藍色光成分較多。這種藍光的能量比較強,可以引起視網膜色素上皮的萎縮,再引起光敏感細胞的死亡。光敏感細胞的功能是接受人射光把光信號轉變?yōu)殡娦盘?,后者再通過視覺神經傳遞給大腦后成像。光敏感細胞的死亡將會導致視力逐漸下降甚至完全喪失。
因此LED背光并非是完美的,還有進化的方向,那就是護眼以及提升色域。
[NT:PAGE] 量子點背光成新寵
量子點技術是提升色域的新辦法。量子點由鋅、鎘、硒和硫原子構成,是晶體直徑在2-10納米之間的納米材料。由于它的光電特性獨特,受到光電刺激后,會根據量子點的直徑大小,發(fā)出各種不同顏色的非常純正的高質量單色光?;谶@一特性,如果把量子點材料用在電視的背光源上,用藍色LED照射就能發(fā)出全光譜的光,從而對背光進行精細調節(jié),進而大幅提升色域表現,讓色彩更加鮮明。
受到光電刺激后 量子點根據直徑大小 發(fā)出各種不同顏色的單色光
可以看出量子點技術也需要藍色LED的激發(fā),進一步證明了藍色LED發(fā)明的重要性。量子點背光的并不復雜,將量子點制成薄膜,放置在藍色LED和液晶面板之間,這樣就可以有效的提升液晶面板的色域了。量子點本身體積就非常的小,因此量子點薄膜的厚度也是可以控制的很好,不會讓液晶顯示設備的厚度增加。我們之前提到過的三色LED混合方案其實也能提升色域,但是由于結構復雜,這種方案會讓顯示設備的厚度增加很多,并且價格也非常的昂貴。
量子點背光的位置
目前量子點背光的產品已經開始出現,手機、顯示器、電視、平板都有量子點產品的出現,未來窄色域將成一種歷史,人類顯示設備將全面進入廣色域的時代,隨著量子點背光產品的逐漸擴張,新產品的價格也是不會太高。相比于一直有色域優(yōu)勢的新技術OLED,液晶面板終于補齊自己的短板,這樣一來液晶面板技術使用的時間,就可以大幅度的延長。
量子點電視的已經出現
當然量子點技術并沒有解決藍光傷眼的問題,不過目前顯示市場正在研究藍色LED波長的控制問題,因為藍光可以根據波長分為兩部分,一直是對于視力傷害很大的420納米到460納米波長的藍光,一種則是460納米以上的藍光,也就是視覺上的淺藍色的藍光。這種藍光對于人類是有益處的,在白天的時候,可以幫助人類集中精神。所以講LED藍光的波長控制在460nm以上,就可以解決護眼的問題。
區(qū)域控制提升對比度
除了色域以及護眼,背光技術還有新的突破。那就是對比度的提升上,有了新的解決方案。HDR技術的出現,就是這種變化的代表技術。HDR超高動態(tài)對比技術,藉由局部背光模塊的區(qū)域調光,使畫面亮暗對比更鮮明、暗態(tài)細節(jié)更清晰、畫質色彩更逼真,貼近人眼可觀察到的真實景像。
HDR技術的效果(右面為開啟)
HDR技術的關鍵之一便是增加亮度,面板的亮度從400尼特增加至700甚至1000尼特。這樣廠商就可以通過調節(jié)不同的亮度,讓畫面的對比度顯得更加的有可塑性。HDR技術增加了亮度范圍,同時提升最亮和最暗畫面的對比度,明顯改善灰階,也帶來了更黑或更白的顏色效果。不過需要注意的是,HDR技術并非針對所有內容都有這個效果。要想體驗HDR技術,片源需要經過重制,這樣才可以發(fā)揮HDR技術的威力,不過這種局限,也是大大的限制了HDR技術的應用范圍。因此這種改變背光的新技術,相比于量子點技術,并沒有前者的普遍意義。
全文總結:
液晶面板背光的發(fā)展,經歷了CCFL到LED轉變,可以說LED背光的出現,真正改變了我們的顯示世界。超薄設備的出現,移動設備的流行以及超大屏LED巨幕的出現,都基于這個小小的發(fā)光二極管產品。其中特別是藍色LED的研發(fā),具有時代的意義。即便是未來量子點背光的得意成功,基礎也仍舊是藍色LED的出現。所以藍色LED的研發(fā)者被授予了諾貝爾物理學獎,這是很具有現實意義的獎勵。當然LED背光并非完美,其傷眼以及色域不廣的問題,目前正在得到解決,未來一到兩年,相信這兩個問題將被功課,那時LED背光已經發(fā)展到了極致,但是最符合人類觀察習慣的技術,仍舊是不采用背光的面板,比如說OLED面板,無背光面板才是未來的真正發(fā)展方向。