主流光源技术展望

1、主流光源技术展望多、快、好、省一直是人类追求的目标，不光是在IT领 域，在全社会都是如此。聚焦到显示领域，有没有一款光源能 够实现亮度高、寿命长、功耗低、材料环保呢？ LED、激光、 有机EL等固态光源也许是最好的选择。LED （红、绿、蓝或者白色）比传统的光源具有更多的优 点，UHP （超高压汞灯泡）灯的寿命大概在4000小时（最好的 可以达到1万小时），CCFL（冷阴极管）的寿命则长一些，可 以达到3万4万小时，WCG-CCFL （广色域一冷阴极管）可以 达到6万小时，之后便需要更换。而LED的寿命则可以达到 10万小时。此外，LED还具有可瞬间点亮达到最高亮度，不使 用汞等优点。激光光源

2、和有机EL光源虽然在色差和亮度方面 有优势，但是其寿命目前还比LED短。LED发光效率逐年提高白色LED的发光效率逐年提高，而且量产效果使单价不断 降低。目前高演色型LED也实现了 100lm/W左右的发光效率， 业界公认20年前后将会达到150lm/W左右。LED液晶面板问 世之初，采用的是RGB三色LED，曾以色彩表现范围NTSC比 超过100%为卖点。但其功耗却高达两倍左右，价格也很高， 只能在极少一部分高档机型上采用。如果使用白色LED，虽然 色彩表现范围不会明显大于CCFL型，但在功耗和成本方面却 十分有竞争力。随着导光板技术的进步，照光方式无论是端面型还是直下 型，利用LED薄型的

3、特点，均可获得均匀的扩散光。这样，厚 度比原来薄，全部亮灯时功耗与CCFL型等同或更低，成本基 本相当的模块便得以实现。LED能够轻松调整显示时的亮度， 所以还可采用便携终端广泛使用的动态对比度调整技术。因 此，与全部亮灯时的功耗相比，LED可降低标准图像的功耗。 也就是说，如果是平均图像，LED功耗完全能够低于CCFL 型。如果采用局部调光(Local Dimming)技术，LED还有望 进一步降低功耗并提高对比度。大尺寸化的LED封装不仅是背照灯光源的配置，白色LED的形状也出现了变 化。韩国三星集团旗下LED厂商三星LED公司及LG集团旗下 LED厂商LG Innotek公司在不断加大背

4、照灯光源用白色LED 的封装尺寸。以前以5630 (5.6mmX3.0mm)产品为主流，而 现在则开始采用6030 (6.0mmX3.0mm)产品，并在研究在不 远的将来采用7030 (7.0mmX3.0mm)产品。其原因在于，加 大封装尺寸不仅易于散热，而且在增加向封装输入的功率时还 可获得更高的亮度。另外，随着封装尺寸加大，还可在封装内 收放大尺寸的LED芯片。根据这些效果，便可考虑减少背照灯 光源所需要的白色LED的个数。而日系LED厂商并未效仿这种加大封装尺寸的做法，将尺 寸控制在了 3.0mm见方的单边3mm左右。原因是单边3mm左右 的封装尺寸被公认为最能提高发光效率。Displa

5、ySearch的宇 野介绍，这一尺寸因发光效率高而能够降低耗电，但同时也存 在散热面积小，使背照灯光源的散热设计难度加大的问题。白色LED封装尺寸的不同还使收放于封装内的LED芯片的 大小表现出差异。DisplaySearch研究总监Kevin Kwak表 示，在输入功率为0.5W的白色LED所使用的LED芯片的面积 方面，日亚化学工业为0.150mm2、丰田合成为0.210mm2，而 三星 LED 为 0.303mm2、LG Innotek 为 0.360mm2、韩国首尔半 导体为0.360mm2。其中，韩国厂商的LED芯片收放在5630封 装中，而如果封装尺寸变为6030芯片，则LED的尺

6、寸会随之 加大至原来的近两倍。日系LED厂商能够使用小尺寸LED芯片就意味着其发光效 率较高，因此不加大LED芯片尺寸也可获得高亮度。芯片价格 虽说还要看晶圆的口径及成品率如何，但一般而言芯片尺寸越 小，其单价就会越低。可以说，日系LED厂商采取的是从LED 入手进行优化的路线，具体而言就是将发光效率提高至更高水 平，由此来抑制热量的产生，达到只需较小芯片（封装）面积 的目的。而韩系LED厂商采取的则是包括封装到背照灯的部分 在内的优化路线，具体而言就是低发光效率通过加大芯片面积 来弥补，并通过进一步加大芯片面积来获得更高亮度，减少作 为背照灯光源进行封装的LED的个数。局部调光成可能在使液晶

7、电视的功耗降至最低的情况下实现最大对比度的 是二维局部调光技术。该技术是将屏幕分成数百区块，实时调 整对应各区块的直下型LED单元的亮度，并修正信号，使各区 块形成最佳对比度曲线的驱动方式。这种技术因电路规模增大、电子部件数增加而没有成本优 势。除此之外，该技术还存在一个致命问题：必须用绝对值补 偿由低亮度到高亮度的所有LED单元的输出亮度。为解决这个 问题，供货前的检查和调整需要花费大量时间，而且成本非常 高。并且，每个LED单元都会产生不同程度的亮度劣化，还可 能发生老化或亮度不均的问题。因此，普遍认为二维局部调光 技术在液晶电视的大批量产品(Volume Zone)上普及的可能 性很低。

8、如果不需要采用二维局部调光技术，则相对于直下型，端 面照光型LED背照灯的采用更容易。从这种观点来看，三星声 称的“全面采用端面照光型白色LED背照灯”的战略是非常明 确的。三星在韩国显示器展会上展出的电视用端面照光型白色 LED背照灯液晶模块的功耗值为“32英寸Max 55W Typ 38W” 和“40英寸Max 76W Typ 53W”。Typ （标准图像显示）时的 功耗值之所以小于Max （全白显示），被认为是进行了可使背 照灯亮度变化的动态对比度调整的结果。如果数字调谐器、图 像处理电路及音响电路等的功耗为20W左右，那么显示标准图 像时，32英寸电视的功耗便可降至60W以下，40英寸

9、机型可 降至75W以下。今后，白色LED LCD TV可能会成为推进低功 耗化战略的各厂商的旗舰机型。寿命增至数倍目前短焦投影机尚未有应用激光或LED光源的实例，但可 以从台式机的实例推知其设置性提高的效果。上市了利用激光 及LED的台式机型的卡西欧计算机营业本部战略统辖部游戏战 略部PJ企划推进室室长山本喜之表示：“上市后，接到了一 些设想以外用途的垂询。”例如，一家击球训练中心想在投球 机器边难以维修之处安装一个投影机，以投射名棒球员的影 像。与其类似的娱乐中心等设施也可应用。使用激光或LED光源的台式投影机已纷纷上市。例如，卡 西欧计算机结合使用了激光和LED，亮度实现了 2500ANS

10、I流 明（以下简称为lm）的投影机已于20年4月上市。韩国三 星电子同年6月也上市了仅以LED光源就实现了 1000lm亮度 的投影机。冲破了激光或LED光源投影机一直以来难以跨越的 1000lm的障碍。现有的数据投影机多具有1500lm至2500lm 的亮度。而如果有1000lm以上的亮度，就可以在明亮的室内 观看投影的影像。着眼于剧场的大屏幕用投影机的高输出化取得了进展。例 如，索尼公司开发了可输出三原色（红、绿和蓝，或RGB）的 激光模块，并在20_ 年下半年通过其全资子公司索尼 Manufacturing Systems开始样品出货。该激光模块的光输出 可达RGB合计为相当于5000l

11、m亮度的21W，尽管因投影机的 构造等原因，其屏幕上的亮度约为1500lm左右。此外，日本 Ushio公司的全资子公司XXUshio America，也正在进行高输 出投影机用高输出激光光源的开发。白色LED发光效率还能进一步提高白色LED在不久的将来到底会有多亮？XX科锐表示，在 输入350mA电流时，白色LED的发光效率可达到160lm/W。XX 科锐还表示，继160lm/W产品（研究开发阶段为161lm/W）之 后，186lm/W级产品将于20年20_年面市，其后208lm/W 级产品将于2020年亮相。日亚化学工业的白色LED的输入功率为0.1W0.5W级产品 的发光效率将由20_年下

12、半年的122lm/W提高至20_年下半 年的130lm/W。输入电流为350mA的产品中配备3个或6个LED芯片的多芯片型，其发光效率将由20_年下半年的 115lm/W提高至20_年上半年的130lm/W，同年下半年达到 150lm/W。同属350mA产品、配备1个大型LED芯片的型号， 其发光效率将由20_年下半年的130lm/W提高至20_年的 50lm/W。虽然白色LED的发光效率将不断提高，但发光效率也存在 物理极限。组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED，其物 理极限大约为230lm/W。德国欧司朗光电半导体表示，在达到 物理极限之前首先会面临成本极限。虽然今后白色LED的发光

13、 效率将持续提高，但为实现高发光效率，将会大幅增加生产成 本，从而面临经济极限。德国欧司朗光电半导体认为，20_年 发光效率的开发将达到经济极限。对于LED厂商来说，为降低 单位亮度的单价，今后除发光效率的提高外，从LED芯片制造 到封装的低成本化的重要性也将日趋提高。白色有机EL潜力很大白色LED是点光源，要想得到可用于照明的亮度，必须并 列多个白色LED，使其形成一个面。而作为点光源来说，白色 LED的亮度实际上还不如HID （高压气体放电）灯。而需要面 光源和点光源的时候，白色LED之外其他光源的重要性就浮现 出来。与作为线光源的荧光管和点光源的白色LED 样，作为面 光源，白色有机1将

14、成为照明领域中独具特色的中坚力量。 松下电工计划于20_年开始白色有机EL面板的样品供货，最 初将应用于特殊照明，接着将用于店铺照明，20_ 年以后预计 将扩展到普通照明领域。虽然与白色LED相比，现阶段白色有机EL的发光效率稍 显逊色，但将来肯定会赶上白色LED。白色LED的发光效率可 能基本上会稳定在200lm/W左右，而随着高效率磷光类有机 EL材料开发的不断推进，白色有机EL与白色LED之间的差距 将会迅速缩小。从松下电工的研究成果来看，20_ 年前后出现 发光效率达130lm/W的产品将不是梦想。松下电工的双层多单元构造有机EL元件是把红色、绿色 磷光发光层和蓝色荧光发光层作纵向堆叠

15、而成。RGB三种颜色 通过纵向堆叠得以均匀混合，即使观看白色有机EL面板的角 度有变，白光的色调也几乎不变。另外，之所以在蓝色有机 EL层使用荧光发光材料，是因为现阶段还没有实用型蓝色磷 光发光材料。纯绿色激光光源已实现住友电气工业已成功开发了纯绿色的半导体激光器（振荡 波长531nm）。此为全球首款无需波长转换而直接振荡绿色的 半导体激光器，是可用于激光电视及便携激光投影机等的光 源。激光显示器除高亮度及高精细之外，还具有小型、轻量及 低功耗等特点。目前在光的三原色（红、绿、蓝）中，红色和 蓝色的半导体激光器已经实现，但绿色则需利用特殊的光学结 晶由红外激光的波长转换而成。原因是没有高效直接

16、振荡绿色 光的半导体激光器。绿色区域的材料目前有蓝色发光二极管使 用的氮化镓（GaN）类半导体，但将波长从蓝色向绿色加长 时，存在发光效率大幅下降的问题。该公司开发了克服效率下 降问题的GaN结晶，并利用该结晶在纯绿色区域中全球首次实 现了波长531nm的激光振荡（室温、脉冲）。该公司开发的绿 色半导体激光，具有GaN结晶的品质高和在绿色区域中可任意 选择波长的特点。此前的结晶在波长从蓝色向绿色加长时，作为发光层的结 晶会产生很大的内部电场，从而导致发光效率下降。因此，目 前业界正在研究通过改变结晶面方位来减弱发光层内部电场影 响的方法。为此，该公司开发了大幅提高发光层品质的技术， 并应用到了

17、绿色半导体激光器中。另外，之所以可在绿色区域振荡任意波长，是因为开发出 了通过抑制发光层而使振荡波长变化的技术。因基本覆盖了整 个绿色波长区域，所以可选择最佳的波长。采用半导体激光器元件的方式所面临的问题是画质和耗电 量（电池寿命）。而对这两者起决定作用的是绿色半导体激光 器元件。现在，绿色激光器还满足不了要求，这是因为绿色波 长（532nm）的直接振荡元件达不到商用生产的水平。因此， 产品和开发品中通常采用SHG元件将1064nm近红外光波长减 半成532nm激光。在这种用于1064nm振荡的激光器元件中，能够承受高速 调制的成品元件有限。之所以需要调制，是因为超小型投影机 一般将三原色激光

18、打在一枚镜子上，使其反射光在屏幕上扫描 以显示影像。要想实现高精细，就需要高速调制，而此前能满 足高速调制的元件有限。另外，使画质劣化的主要因素斑点噪声的抑制也取决于激 光器元件的调制速度。斑点噪声是因照射光和反射光的干扰等 而使用户感到晃眼的现象。抑制这种噪声的方法有对激光进行 调制以减轻干扰。由于波长1064nm的元件大多不能获得足够 的调制速度，因此只有绿色能够看到斑点噪声。蓝色和红色的 激光器元件，能够获得足以显示高清晰视频和抑制斑点噪声的 直接振荡型半导体激光器元件成品，因此不存在以上问题。另外，直接振荡型绿色激光器元件的开发最近日益活跃。 由于预计市场将比面向原来的加工用产业设备的

19、产品大得多， 半导体厂商等正在加快开发。数年前有很多人认为“还要等10年”，现在大家却都说“或许两年内实用化就有眉目 了”。激光光源试水成功厂商使用激光光源收到了莫大的效果。例如，三菱电机的 背投激光电视。三菱电机近日就宣布开发出了部分背照灯光源 采用半导体激光器的液晶电视一一“激光器背照灯液晶电 视”，并公开了 46英寸试制品。该产品采用由红色半导体激 光器及蓝绿色LED两种光源构成背照灯。与背照灯光源采用白 色LED的该公司现有液晶电视相比，色彩表现范围提高到了约 1.3倍（按照NTSC规格比约为126%计算），特别是红色的鲜 艳度得到了大幅提高。三菱电机已投产采用RGB 3色激光光源的背

20、面投射型投影 机。此次的液晶电视只采用红色激光光源是因为考虑到了实用 化时的成本，而红色在使用激光光源时效果最好。另外，激光 器由三菱电机制造，发光波长为638nm。三菱电机采用红色作为激光光源，剩下的绿色及蓝色采用 了二者的混合色蓝绿色LED。三菱电机表示：“如果分别 采用绿色LED和蓝色LED，容易出现颜色不均现象，所以才将 它们集成到了一个芯片内。”此次试制的46英寸液晶电视的背照灯采用端面照光型。 三菱电机介绍，该背照灯配备了数十个红色激光器及数百个蓝 绿色LED。因激光器和LED存在发散角不同的问题，该公司开 发出了可使二者的光线均匀混合的光学系统。由此抑制了颜色 不均等现象的发生。

21、此次试制的46英寸液晶电视的画面亮度、对比度及耗电 量等性能参数与该公司原来配备白色LED背照灯的液晶电视基 本相同。白色激光光源亮度达到HID的2.5倍日亚化学工业推出的白色激光光源的亮度为270cd/mm2， 达到HID（高压气体放电）灯2.5倍。白色激光光源的亮度也 比白色LED高出不少。白色激光光源使用了激光投影机蓝色光 源所用蓝色半导体激光器和荧光体材料，以0.65mm直径获得 了 250lm的亮度（电流1.2A、电压4.6V时），设想将其应用 于图像识别用聚光光源、医疗及产业用特殊光源等。白色激光 光源还具有以简易镜头即可集聚光的特点。此白色激光光源的构造是把镜头置于蓝色半导体激光器 CAN封装的上部，并将其用其他CAN封装包覆起来。在外层 CAN封装上面的中心位置开一个可射出光线的孔，将掺有荧光 体的粘合剂嵌入其中，其孔径为0.65mm。蓝色激光由封装内 的镜头聚光并照射到荧光体上，荧光体便可射出白色光。说起激光光源，很多人都会认为其寿命比较短。此次开发 的白色光源在外壳温度为25笆的条件下，亮度减半，寿命平 均为2万小时。激光器的寿命是由封装内反射层的劣化及反射 率的下降决定的。由于蓝色半导体激光器在外壳温度为50笆 的条件下寿命一般为4万小时，如果改进反射层，预计能把亮