如何降低液晶電視的背光模組成本.doc

如何降低液晶電視的背光模組成本前言為了要使液晶電視成為新世代平面電視市場主流，國內外各廠商無不卯足全力投入成本與性能的改善。如果仔細分析大型液晶電視的成本結構，不難發(fā)現(xiàn)背光模組占材料成本的28%，轉換器(inverter)占16%，兩者合計接近40%50%左右(圖1)。以30吋液晶電視的背光模組為例，2002年的價格為300美元，2003年則降至150美元，一般認為2005年的價格必需低於目前的1/2，因此各廠商已經開始著手削減背光模組的元件數量，基本上它是針對燈管、轉換器、反射板與擴散膜片進行改善以達成上述目的。液晶電的低成本化技術有關液晶電視的性能改善，背光模組具有絕對性的影響。為了擴大液晶電視市場規(guī)模，性能的改善順理成章就成為對抗傳統(tǒng)CRT TV最有效的利器，尤其是輝度、色再現(xiàn)範圍、反應時間都與背光模組的性能有密切關係，例如輝度必需從目前的450500cd/m2提高至800cd/m2，色再現(xiàn)範圍的NTSC比必需從目前的6070%提高至100%，反應時間則必需低於5ms以下。此外目前大型液晶電視的背光模組使用的元件數量也有過多之嫌，例如冷陰極燈管的使用數量40吋為32支，轉換器的數量則與燈管數相同或是一半左右，除此之外為了達成輝度、均勻性、抗雜訊等性能，還必需使用偏光分離膜片、擴散膜片、電磁遮蔽膜片等各種光學薄膜。依目前的情況而言，30吋等級的背光模成本能否降至1/3，40吋降至1/4，則取決於是否能順利削減上述元件的使用數量(圖2)。有關燈管的改善可分為長管化與提高電氣效率兩項。長管化可大幅減少燈管與轉換器的使用數量。如圖3所示傳統(tǒng)的縱向排列若改成橫向排列，以30吋等級的背光模組為例，縱向排列需要2030支燈管，橫向排列只需要1216支；40吋等級則可從32支削減至20支，其結果是40吋等燈管與轉換器，兩者合計可以降低30%的成本，相當於一萬日圓左右。目前東芝HARSON與STANLY兩公司在2003年第一季相繼推出長度為1000mm的冷陰極燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp；以下簡稱為CCFL)，適用於44吋等級的背光模組橫向排列。此外東芝HARSON還小量生產長度為1200mm的CCFL，預定將來會正式商品化，該極燈適用於50吋等級的背光模組橫向排列；STANLY也計劃製作長度為1200mm的CCFL，此外SUNKEN已在2003年9月正式量產長度為1000mm的CCFL。有關燈管長管化之後的課題，是如何維持安全性以及避免燈管彎曲，因為單純的增加燈管長度會導致燈管電壓(以下簡稱為管電壓)變高，例如燈管長度若變成1000mm時，大約有1Kv的高電壓恆常施加於燈管，一旦超過1Kv燈管的端子附近會產生corona，情況嚴重時甚至會噴出火花，為克服上述問題因此燈管廠商採用可使管電壓降低1/2左右的Floating電路(圖4)。Floating電路的動作原理是從燈管左右兩側的端子輸入逆相位電壓使燈管點燈，例如管電壓為1kv的場合，以往是直接從燈管的高壓端子施加1kV，從低將壓端子施加0V的電壓；相較之下Floating電路則是分別在高、低壓端子施加0.5 KV與0.5 KV，藉此使燈管與周圍的電壓差能夠抑制在0.5 KV範圍。有關燈管彎曲的對策，例如同時支撐左右兩端與中央部位雖然可獲得良好效果，不過支撐部位會發(fā)生漏電(leak)、溫降與輝度不均等現(xiàn)象，目前燈管廠商對問題的發(fā)生原因也不清楚，因此下游應用廠商只能採取縮小燈管與支撐元件接觸面積，藉此減緩上述現(xiàn)象。如圖3所示燈管長管化的另一發(fā)展趨勢是採用彎曲外形，基本上它是將燈管彎曲形成U字狀(以下簡稱為U形彎曲管)，藉此達成削減燈管的目的。日本的燈管廠商已在2003年第一季推出20吋等級的U形彎曲管，至於3040吋等級的U形彎曲管，各廠商似乎尚無明確的計劃。東芝HARSON最熱衷彎曲管的研發(fā)，事實上該公司已經正式量產17吋等級U形級彎曲管，2003年第一季又再推出23吋等級的U形彎曲管，緊追在後的STANLY則以一次成形方式製作雙U型彎曲管藉此強化生產性，該公司的10吋等級U形彎曲管已經進入量產階段，2003年第一季則推出20吋等級的U形彎曲管，除此之外SUNKEN正積極開發(fā)20吋等級的L型彎曲管。至於3040吋等候的彎曲管進展，受到相當大的阻力，主要原因是燈管長管化本身就有困難，例如30吋等級的直管長度為1500mm，40吋等級更高達19002000mm，然而目前的製作技術極限是1300mm，因為長度超過1300mm時玻璃會發(fā)生反翹，此外在燈管製作線上搬運長管玻璃，即使是微小振動嚴重時玻璃管可能會破裂，而且目前尚無技術可使螢光體均勻塗佈。有關提升燈管的輝度電力效率，可透過削減電極部、改善密封導線與改善電極材料三種方式獲得實現(xiàn)。有關削減電極部，燈管長管化可算是最有效的方法之一，因為有35%的電力能量會在CCFL的電極部變成熱能，隨著燈管長管化，電極的大小與整體比例相對降低，因此可以減刑電極部的能量損失，進而提高燈管的輝度電力效率，同時削減轉換器與光學膜片的使用數量。事實上東芝HARSON曾經將15吋等級直下式的straight冷陰極燈管換成U形彎曲管，依此提高15%的輝度電力效率(圖5)。具體方法是將6支長度為330mm，直徑為3mm的straight冷陰極燈管，換成3支長度為710mm，直徑為3mm的U形彎曲管，其結果是電極數量減少一半，同時還可以降低電極發(fā)熱所造成的能量損失，例如對各燈管施加5mA電流時的耗電量，直管式CCFL為19.88W，相較之下U形彎曲管只有18.2W。有關密封導線(Lead Wire)的改善，具體方法是用熱傳導性較高的鎢線取代鎳鐵合金線，同時將0.4mm的線徑提高至0.60.8mm藉此增加散熱性，進而降低管溫提升輝度電力效率。有關電極材料的改善，具體方法是用工作係數較低Mo與Nb取代Ni，藉此使輝度電力效率提高58%。事實上東芝HARSON、STANLY與SUNKEN等公司已在2003年利用以上兩種技術，相繼推出高效率長管化燈管。轉換器的改善可分為轉換器必需能支援燈管長管化、提高轉換器的效率與轉換器必需能支援並聯(lián)點燈三項。有關轉換器必需能支援長管化燈管，主要原因是燈管長管化雖然可以削減CCFL與轉換器(Inverter)的使用數量，不過這些都必需歸功於高安全性而且可產生數KV轉換器順利的進入商品化所致?；旧限D換器的動作原理可分為Floating Type轉換器與激發(fā)式轉換器兩種，不論是何種方式主要訴求都是降低變壓器的輸出電壓並確保安全性，F(xiàn)loating Type的動作原理是從燈管左右兩側輸入逆相位電壓，因此轉換器必需能夠支援如此的動作特性。Floating Type用轉換器是由TDK與東芝HARSON兩公司主導開發(fā)，東芝HARSON則將燈管與轉換器作成set狀，並在2002年下旬正式對外展開應用推廣；TDK一直到2003年第一季才正式對外發(fā)表20吋等級的Floating電路用轉換器，同年第四季再推出3040吋等級的轉換器。至於激發(fā)式轉換器，由於它可依照點燈後的管電壓，降低轉換器內的變壓器輸出電壓，因此安全性比上述Floating Type轉換器(Inverter)更高(圖6)，主要原因是點燈後的管電壓只有啟動電壓的一半左右，例如30吋等級點燈時的管電壓為2KV，點燈後就降至1KV，然而Floating Type轉換器必需恆常維持2KV高壓電，為解決該問題因此出現(xiàn)激發(fā)式轉換器，基本上激發(fā)式轉換器是將變壓器內的磁束洩漏當作阻抗(Impedance)使用，藉此取代傳統(tǒng)的Ballast Condenser，同時降低變壓器的電壓。目前FDK與MINIBEAR公司已正式量產激發(fā)式轉換器，MINEBEAR的激發(fā)式轉換器輸出電壓介於1.4 KV2.0 KV之間，該公司在2003年4月已經開始量產3040等級激發(fā)式轉換器；FDK也在2003年4月開始量產激發(fā)式轉換器。有關提高轉換器的效率，可藉由燈管、轉換器與光學膜片使用數量的削減達成預期效果，其中又以改用激發(fā)式轉換器的效果最好。以往大型液晶電視使用的Floating Type轉換器，大多利用Chopper電路的切換獲得調光功能，不過Chopper電路的效率卻非常差，相形之下激發(fā)式轉換器是利用專用控制器達成調光目的，因此無Chopper電路低效率的困擾，其結果是激發(fā)式轉換器可獲得90%的效率，遠比Floating Type轉換器80%的效率高10%。激發(fā)式轉換器最大問題是可產生高頻的專用控制器成本高達120日圓，因此MINIBEAR公司開發(fā)可利用一個制器成同時使複數支燈管點燈的激發(fā)式轉換器，試圖藉此降低背光模組控制器的成本，根據MINIBEAR公司表示目前擁有8燈點燈技術，未來將朝向1216燈方向發(fā)展。有關轉換器必需能支援並聯(lián)點燈，理論上它可以削減轉換器的使用數量。並聯(lián)點燈最大課題是隨著燈管使用數量的增加，轉換器的Ballast Condenser的容量與浮遊容量會變的非常不穩(wěn)定，導致燈管的輝度分佈不均，目前只能作到二燈並聯(lián)點燈，三燈以上有其困難性，為徹底解決多燈並聯(lián)點燈問題，因此所謂的EEFL(External Electrode Fluorescent Lamp)技術發(fā)展動向備受相關業(yè)者高度重視，由圖7可知EEFL是將電極設於燈管外側，再利用燈管本身的Ballast Condenser作高穩(wěn)定性並聯(lián)點燈，韓國三星曾計劃在2002年將EEFL商品化，不過由於遭遇可靠性等問題至今尚無法克服。目前三星與東芝HARSON已經著手進行改善可靠性問題，計劃在2003年開始量產。有關反射板的性能改善，可藉由提高反射板的散熱性，間接提高燈管的輝度電力效率，同時獲得削減燈管、轉換器、光學膜片等效應(圖8)。有關提高反射板的散熱性，變更材料是常用的手法。以往反射板大多使用鋁合金，不過散熱性與合金的強度具有trade off關係，為了使燈管產生的光線可獲得高效率反射，因此必需將鋁合金反射板加工成波浪狀，不過如此一來反射板的強度會變弱，有鑑於此韓國三星決定改用其他高強度鋁合金，配合削減燈管數量的所獲得的效益，使Lamp Box內的熱量降低至2/3以下，根據該公司表示20042005年可使輝度電力效率提高510%。有關擴散膜片的改善，目前相關業(yè)者正著手進行高效率化與光學膜片一體化的研究，屆時擴散膜片除了擴散功能之外還可具體其他特性，也就是所謂的性能整合技術，進而達成削減燈管、轉換器、光學膜片的終極目的(圖9)。有關擴散膜片的高效率化，具體方法是提高擴散膜片的光線穿透率，達成進而擴散膜片高效率化的目的。其中又以韓國三星最熱衷擴散膜片高效率化的研究，根據該公司表示如果擴散膜片的光線穿透率提高二倍，就可因燈管使用數量的減少使管溫大幅降低，同時還可以獲得高燈管效率的相乘效果，進而達成相當於2.5倍的輝度電力效率，背光模組的35%成本百分比亦可降至15%以下。如圖10所示韓國三星為了控制光線，因此在擴散膜片追加設置pattern與形狀，試圖藉此使光利用效率能提高二倍。傳統(tǒng)的擴散膜片為了隱藏身設於panel內側的燈管，因此必需抑制燈管正上方的光線穿透率，其結果造成光線巨大損失，有鑑於此韓國三星在擴散膜片上追加設置微細dot pattern與三維形狀，試圖藉此方式能充分利用上述的損失光，使光線更加均勻擴散。然而傳統(tǒng)的擴散膜片製作方法無法在膜片上追加設置dot pattern與三維形狀，因此三星開發(fā)模具與射出成形技術，並在2002年推出15吋與17吋無擴散膜片(diffuser sheet)、Lens膜片、偏光分離膜片的背光模組，該背光模組的輝度為300cd/m2，是傳統(tǒng)同等級的1.451.5倍左右，根據該公司表示今後將推出32吋等級的產品，同時提高through put與成形技術。有關光學膜片的一體化，可利用上述的成形技術達成目標。事實上韓國三星除了提高擴散膜片的光線穿透率之外，還計劃將電磁遮蔽膜片與擴散膜