LCD 大拆解面板、背光完全分析：LED、IGZO、In-cell 是什麼？專有名詞一次看懂

LED 背光的發展難題

自然界的白光由連續光譜組成，沒有辦法透過單一材料讓LED發出這麼寬的光譜，所謂的白光LED都是混色的，或者像螢光燈管一樣，先發出較高能量、波長較短的光，再將這道光照射在螢光體上，螢光體吸收之後再以部分熱能、部分波長較長的光釋出。

混合出白色光

較常拿來拿當做例子就是日亞化學工業開發出的方法，首先讓LED發出藍色，再將此藍光部分照射在螢光體上，使其發出黃光，由於黃光介於紅光與綠光之間，人眼的紅、綠光受體都會對其反應，之後加上原本的藍光，便能夠騙過人眼以為看到了白光。不過當這種白光和螢光燈管擺放在一起，人眼能夠很快的辨識出其不同，部分敏感的人甚至不需螢光燈管比較即可查覺。

若要獲得更好的混色效果，則是直接利用紅光、綠光、藍光LED混成白光，這種組合方式可達成比螢光燈管更好的顯示效果，但是成本較高，同時也由於LED發出的明亮度與電流並不成線性，RGB 3色材料所需電流也不同，在控制電路上也是筆不小的成本，因此只有較為高階的螢幕使用RGB 3色LED背光。

目前廠商製造白光LED大多也都是採用日亞化開發出的方法，只不過半導體和螢光體材料有著些許不同，求的是能夠發出盡量寬廣的光譜，以及規避它廠的專利問題。另外也可以採用紫外線照射在RGB螢光體上產生白光，不過紫外線對於材料的破壞性較大，RGB螢光粉的發光效率也沒有單一黃色螢光粉好。

▲數種以LED發出白光的方式，RGB混色有可能由個別的LED組合，也可能封裝在一起。

關鍵字：螢光

1種冷發光現象，某種物質在常溫下吸收某種波長的光，吸收之後物質進入激發態，而後物質為了回復到穩態，又以某種波長的光將能量發射出去。

PWM 調光

近期廠商推出號稱不閃爍的螢幕，但從CRT演化成LCD的其中1項優點不就是不會閃爍嗎？為何突然冷飯熱炒重講？其實這原因就出在LED配上PWM調光。

一般來說，我們要控制LED的亮度可以由簡單的電壓電流多寡調整，由於LED是二極體有著順向偏壓的特性，對於電壓的變化比較敏感（不同電壓下電流變化較為劇烈），通常會採用衡壓變流的方式調整亮度。先前也說到，LED的亮度不呈線性，使用變電流的方式調整亮度，最終會導致LCD顏色色偏過大，而且採用此方法調光的明暗範圍並不大。

於是乎好朋友PWM又跑出來了，脈寬調變PWM不像調整電壓或是電流為線性調整，PWM只有2種狀態，對於LED來說就是開跟關，藉由調整開關在時間內的占比，利用人眼的視覺暫留現象混出不同亮度。相對於利用電壓或是電流調整LED，使用PWM調整LED亮度可以得到比較穩定的結果，調出來的亮度範圍比較大，色偏比較小。

▲將LED通電的時間調整為50％，關閉的時間調整為50％，即可得出（1×0.5＋0×0.5）×100％＝50％亮度。

PWM 頻率為關鍵

一般來說利用PWM調整LED亮度的頻率約在數百Hz，已經遠超過人類大腦的辨識範圍，不過對於眼球來說還是能夠感受到亮度的變化，長期注視會不舒服，部分PWM頻率太低或是電路設計不良的螢幕，在較低亮度設定時甚至能夠看到螢幕在閃。

廠商也了解到這個問題，把PWM頻率再往上拉高，或是乾脆推出直流調光的機種，將人眼感受到背光閃爍的問題降到最低。過去的CCFL螢光燈管，部分機種也會採用PWM調光，只不過CCFL的反應比LED遲鈍，所以能夠得到較為平順的亮度輸出。

▲同樣是亮度50％，可藉由增加PWM頻率的方式降低人眼感受到的閃爍感。

直下式、側光式結構

LCD螢幕放置背光的位置大致上可分為2類，第一種放置在面板可視區域的邊緣，發光後藉由反射板和擴散板將光均勻傳導到整片面板，稱之為側光式。第二種就是直接把背光源放在面板正下方，稱之為直下式。這2類分別有其優缺點，側光式面板模組厚度較薄，但是相當依賴反射片、導光板和擴散膜的設計，設計或是組裝品質不佳很容易造成面板亮度不均勻。

直下式面板模組厚度較厚，但可平面排列光源、整體亮度能夠提高。直下式注重在該如何將單一點光源均勻分散至其負責的面板區域，反射片和擴散膜的表面加工比側光式複雜。直下式背光源由CCFL轉換為LED時由於發光面積的改變，使面板不同區域能夠呈現不同背光亮度，在消費市場規格戰中能夠標出更好的對比數值。近年側光式面板模組也開始能夠做到區域背光亮度控制，但總體來說還是直下式較好。

▲直下式背光的剖面結構，反射板可能有多種形狀。若未在反射板上下功夫，則可加大背光源與擴散板的距離讓背光均勻射出。

反射板與導光板

除了部分特殊的展示用途之外，我們大多數時候只從螢幕的某一邊進行觀賞，因此利用反射板將背光反射至一側，增加背光的利用效率。在LED直下式背光的面板模組中，反射板可說是最重要的部分，決定了LED這種點光源能不能夠將光線均勻的分布在面板上。一般來說LED會放在反射板的凹槽正中央，而這凹槽有多種形式，有可能是類似金字塔或是倒金字塔的形狀，也有可能是半球面或是具有不同曲率的弧面，這就像是可調整焦距的手電筒一樣，只不過將LED光源永久擺在光形最散的位置，將多個反射面和LED光源裝成1個平面就可形成LCD的背光。

除了利用反射板的形狀之外，反射板的表面並非光滑表面，而是會另外加工處理，有可能是直接霧面處理，也有可能比較費工，使用額外的製程在表面製作出類似透鏡的結構，這些都是希望當光線從LED照射在反射板上時並不是直接反射出去，還可以有散射的效果讓亮度更為平均。讀者會發現此段用了許多「有可能」描述，是因為受到專利保護影響，各廠設計略有差異，但大致上實作方式大同小異。

側光式背光面板模組則是較為注重導光板的設計，其成敗決定側光式背光面板的亮度均勻性，直下式則是透過此導光板再次將反射板傳來的光均勻化。側光式導光板的橫切面為楔形，面向面板的那側為平面，另一側為則是斜面，越靠近光源處越寬，此種形狀方便將光從單一側導向整個面板（也有2側皆為平面的導光板）。基本上在此導光板中光的路徑為全反射，但是於斜邊（靠近反射板的那邊）有著許多印刷網點或是光學結構，用來破壞全反射，使得光能夠遠離導光板。

▲測光式背光的剖面結構，注重導光板背部的網點結構，才能夠將光均勻的導出。