CC BY
103Тенденция развития сектора ЖК-телевизоров
со светодиодной подсветкой
Александр САМАРИН
Первые серийные ЖК-телевизоры со светодиодной подсветкой (LED LCD TV) появились на мировом рынке в 2004 году. И лишь в 2009 году объем продаж этого типа продукции достиг уровня 3 млн штук. В ближайшее время прогнозируется быстрый рост сектора LED LCD TV и достижение годового объема выпуска на уровне 32 млн штук, что составит 19% от всего рынка ЖК-телевизоров. Объем рынка ЖК-телевизоров в 2010 году, по прогнозам Displaybank, составляет около 170 млн штук. Большая часть LED LCD телевизоров, запущенных в производство в прошлом году, представлена моделями с 40—50-дюймовыми экранами. Предполагается, что в 2010 году 40-дюймовые и 30-дюймовые модели составят, соответственно, 54 и 28% от всего сектора LED LCD TV. Перспективным считается использование светодиодной подсветки и для телевизоров с экранами менее 30 дюймов.
Процесс замены традиционной подсветки в ЖК-телевизорах на люминесцентных лампах на более прогрессивную светодиодную подсветку вступает в решающую фазу. В большинстве случаев LED backlighting означает использование схемы с краевой подсветкой (edge-lighting) с белыми светодиодами. Цена телевизоров с краевой светодиодной подсветкой на белых светодиодах в настоящее время продолжает уменьшаться. По прогнозам DisplaySearch, в 2012 году для 40-дюймовых моделей она составит всего на $50 больше цены аналогичной модели с подсветкой на люминесцентных лампах.
По-настоящему ощутимо рынок ЖК-телевизоров со светодиодной подсветкой начал развиваться в 2008-м (продано 34 000 те-
левизоров), но уже в 2009 году этот сектор рынка, представленный в основном брендами Samsung и Sony, достиг 3,6%. На рис. 1 показан прогноз развития рынка ЖК-телевизоров со светодиодной подсветкой на ближайщие годы (по данным Displaybank).
По прогнозу iSuppli, общемировой объем поставок ЖК-телевизоров со светодиодной подсветкой и экранами от 40 дюймов увеличится к 2013 году до 112,1 млн единиц. Таким образом, среднегодовой прирост телевизоров со светодиодной подсветкой оценивается в 405%. Только за 2010 год поставки увеличатся более чем в шесть раз: с 2,5 млн (итоги 2009 г.) до 18,8 млн единиц.
Основные производители ЖК-телевизоров намерены в 2010 году вести агрессивую политику продвижения на рынке своих моде-
Рис. 2. Распределение продаж LED LCD TV различных
брендов по регионам в 2009 году
лей со светодиодной подсветкой. Компания Samsung Electronics, лидер в этом направлении (рис. 2), намерена выпустить свыше 10 млн штук LED ЖК-телевизоров в этом году. LG, Sony и Sharp ориентируются на объемы около 5-7 млн штук каждая. Philips, Toshiba и Vizio также планируют выпустить по 3-5 млн штук телевизоров LED LCD.
Стоимость модуля светодиодной задней подсветки
Большинство производителей LCD-панелей и готовых приборов фокусируют свое внимание на разработке светодиодной задней подсветки с целью улучшения визуальных характеристик, уменьшения толщины и потребляемой мощности ЖК-телевизора. Ключевым моментом этого процесса является уменьшение цены модуля задней подсветки, как абсолютной, так и относительной, по сравнению с ценой модуля подсветки на люминесцентных лампах. На рис. 3 показана диаграмма изменения
100% 80% 60% 40% 20%
„ , , , , , 0% 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Рис. 1. Диаграмма и прогноз развития рынка ЖК-телевизоров со светодиодной подсветкой (декабрь 2009 г., источник: Displaybank)
200
150
I,
Цена прямой подсветки на люминесцентных лампах Цена краевого светодиодного модуля подсветки Разница в цене модулей подсветки CCFL и LED
го со го со
*- CN со 'i ’-(M(0'T^2J22ST-N(0'f см со т
О ООО ОООООООООООООООО
Рис. 3. Диаграмма изменения цены LED и CCFL задней подсветки
Поля ризационны й фильтр отражающего типа 15%
С вето расп редел ител ь 13%
Работа по сборке и монтажу
Сборка светодиодов 6%
Другие материалы 5%
Нижняя светорассеивающая пленка с призматической структурой 4%
Нижняя пленка рассеивающего фильтра 2%
Пленка отражателя 1 %
Рис. 4. Структура цены модуля подсветки
стоимости LED и CCFL модулей подсветки (по материалам DisplaySearch). Уменьшение цены обеспечивается за счет увеличения объемов продукции, уменьшения цены светодиодов и материалов, улучшения яркости
светодиодов (их требуется меньше для обеспечения той же яркости дисплея).
Ключевыми компонентами модуля подсветки в ЖК-телевизорах со светодиодной подсветкой являются кристаллы светодио-
Таблица. Сравнение параметров источников света для задней подсветки ЖК-телевизоров
Параметры/источники RGB LED Белые LED Люминесцентная лампа
Цветовая насыщенность Отличная Бедная Средняя
Цветовая палитра 110% NTSC 70-80% NTSC 60% NTSC
Световая эффективность, лм/Вт 25-40 25-50 60-80
Цена Высокая Средняя Низкая
Условие включения источника света Не требуется прогрев Не требуется прогрев Требуется прогрев
Долговечность Высокая Высокая Низкая
Рассеяние энергии Высокая Низкая Средняя
DBEF полярязационный фильтр фирмы Vikuiti
Поляризующий пленочный фильтр, разработанный фирмой Vikuiti, — это многослойный оптический фильтр, обеспечивающий более эффективную поляризацию, по сравнению с обычной поляризационной пленкой, и равномерное рассеяние света. В отличие от традиционного поляризатора, в нем происходит не поглощение, а отражение излучения, имеющего вектор поляризации, перпендикулярный вектору поляризатора. Отраженный поток света попадает в оптическую систему модуля задней подсветки, отражается, частично меняет вектор поляризации и снова падает на фильтр-поляризатор и уже проходит через него, повышая уровень яркости. Фильтр отражающего типа не вносит дополнительных цветовых искажений. Таким образом, DBEF-фильтр позволяет сохранить широкую цветовую палитру, получить широкие углы наблюдения и экономию энергии за счет эффективной системы поляризации.
дов, светораспределитель LGP (light guide plate) и пленочный поляризатор DBEF (dual brightness enhancement film), который не используется в обычных модулях подсветки на люминесцентных лампах.
В 40-дюймовых LED ЖК-телевизорах цена модуля задней подсветки составляет около 34% от общей стоимости комплектующих (рис. 4, 5). Из них цена световода (LGP) составляет 13%, а заднего пленочного поляризатора DBEF — 15%.
В таблице показаны сравнительные характеристики источников света, используемых в модулях задней подсветки.
Согласно прогнозам, цена светодиодной подсветки (рис. 6) для 40-дюймового экрана к концу 2010 года должна упасть до уровня $100. В настоящее время цена модуля светодиодной подсветки пока остается в 2,8 раза больше цены аналогичной подсветки на люминесцентных лампах, но уже меньше примерно в 3,7 раза, чем средняя цена светодиодной подсветки на начало 2009 года.
Основные типы светодиодной подсветки
Существуют два основных типа светодиодной подсветки, используемых в ЖК-
Люминофор 1,6% Золотая проволока для монтажа соединений 2,4%
Защитный стабилитрон 4,9% ”
Герметизация 5,7%
Адгезив кристалла 0,8%
Остальное
3,3%
Кристалл светодиода - 56,9%
Рис. 5. Ключевые материалы, используемые в SMD-светодиодах
Рис. 6. Структура цены светодиодов
телевизорах: прямая подсветка full array (или матричная) и боковая (edge-lit) подсветка. Как следует из названия типов, в первом случае массив или матрица светодиодов располагается непосредственно под плоскостью зоны подсветки (direct), а во втором — с одного из торцов ЖК-панели. Каждый из типов имеет определенные преимущества и недостатки. Так, боковая подсветка дешевле в реализации, в ней используется меньшее число светодиодов. Она более эффективная в плане использования светового потока и за счет малого профиля светораспределите-ля обеспечивает малую толщину всего ЖК-телевизора. Конструкция модуля краевой подсветки обеспечивает простой и эффективный теплоотвод.
Краевая светодиодная подсветка (edge-lit)
Конструкция краевой (edge) подсветки представлена на рис. 7, 8. Она проще и дешевле и широко используется в LED ЖК-телевизорах. Структура модуля подсветки состоит из нескольких мощных белых светодиодов, размещенных с одного из торцов ЖК-панели, и плоского пластикового свето-распределителя. Есть архитектура краевой подсветки, в которой используются RGB светодиодные излучатели. Они обеспечивают лучшую, чем с белыми светодиодами, цветопередачу, однако их стоимость существенно больше.
S-образная световая трубка для сопряжения со светораспределителем
Рис. 7. Конструкция краевой подсветки
ЖК-телевизоров Sony
на основе трех белых мощных светодиодов
Клиновидный светораспределитель обеспечивает равномерное распределение яркости световых потоков, формируемых светодиодами. На задней, отражающей поверхности светораспределителя размещается массив светоотражающих микрошариков (шишек). Концентрация этих шариков изменяется от начала до конца световода, создавая различную характеристику отражения света и обеспечивая равномерность яркости
по всей поверхности зоны подсветки. Потери света за счет его переотражения в оптике краевой системы больше по сравнению с full array типом подсветки. Однако такая система светораспределения не требует рассеивания света и не имеет локальных световых пятен яркости (hot spotting), то есть пятен с повышенной яркостью, которые присутствуют в системе full array, если конструкция проработана неверно. Для боковой подсветки можно использовать регулировку яркости, но только для всей поверхности подсветки. Динамическая регулировка ярокости в архитектуре с боковой подсветкой позволяет получить экономию энергии и увеличить динамический контраст. Но локальная регулировка яркости для данной архитектуры в принципе невозможна.
В настоящее время, несмотря на трудности реализации для матричной подветки, достигнута большая однородность яркости, чем для краевой подсветки. Тем не менее, компания Samsung объявила в начале 2010 года, что ей удалось достичь параметров эффективности и равномерной яркости для краевой подсветки не хуже, чем для матричной светодиодной подсветки, и компания в дальнейшем планирует продолжать использовать эту схему подсветки, но с новой улучшенной конструкцией.
Использование краевой подсветки позволяет Samsung уменьшить стоимость подсветки от 30 до 40% по сравнению с матричной и при этом получить более тонкий и привлекательный для покупателей профиль дисплея. Толщина дисплея во многих случаях является при выборе предпочтительным параметром.
Архитектура задней подсветки full array
Следующим шагом развития светодиодной LCD-TV подсветки является применение прямой или полностью матричной светодиодной подсветки, в которой используется массив светодиодов, распределенных равномерно по всей активной площади ЖК-экрана. Впервые такие архитектуры подсветки в ЖК-телевизорах были использованы фирмами Sony и Samsung еще несколько лет назад, однако стоимость реализации была слишком высокой для массовой продукции. Расположение светодиодов непосредственно под поверхностью ЖК-панели, казалось бы, упрощает конструкцию модуля подсветки. Реально же задача получения равномерной подсветки сильно усложняется для данной архитектуры.
Во-первых, необходим диффузный рассеиватель для «гашения» и распределения
,16
162,5
237,5
Рис. 8. Конструкция торцевого модуля светодиодной задней подсветки для 32-дюймового экрана ЖК-телевизора
световых потоков от точечных светодиодных источников. Для этой цели необходим диффузный фильтр со специальной двумерной характеристикой поглощения, соответствующий топологии светодиодов. Этот фильтр существенно ухудшает эффективность использования энергии светового потока. Вторая проблема — обеспечение теплоотвода от массива светодиодов. Для размещения платы со светодиодами, схемой управления яркостью светодиодов и диффузного фильтра необходимо определенное пространство. Поэтому конструкция подсветки full array имеет большую толщину, чем edge lit. Потенциально матричная система позволяет получить большую равномерность яркости, чем у системы подсветки с боковым размещением светодиодов, но для этого требуется затратить определенные усилия и средства.
Большее число светодиодов сильно удорожает стоимость модулей с архитектурой direct. Однако данная арахитектура имеет другие достоинства, благодаря которым и нашла свое применение. Этим достоинством является локальная динамическая регулировка яркости.
Т ехнология задней подсветки full array (Local Dimming)
Local Dimming — технология, которая непосредственно ассоциируется с матричной светодиодной подсветкой и позволяет изменять яркость в определенных областях зон подсветки в зависимости от яркости сцен изображения (рис. 9, 10). Это обеспечивает стократное увеличение контраста для ЖК-телевизора. Заявленный уровень динамического контраста от 10 000:1 до 2 000 000:1 существенно выше уровня контраста плазменных телевизоров.
Несмотря на высокую стоимость реализации, технология Local Dimming в настоящее время стала проникать и в сектор ЖК-телевизоров.
Применение технологии Local Dimming позволяет получить следующие преимущества:
1. Уменьшение уровня черного и получение более высокого контраста.
2. Уменьшение потребления за счет использования локальной динамической светодиодной подсветки.
3. Возможность упрощения и удешевления ЖК-панелей (увеличение апертуры ЖК-ячеек, увеличение коэффициента пропускания).
Фирма Samsung одна из первых начала использовать данную технологию для расширения динамического диапазона ЖК-мониторов и ЖК-телевизоров и улучшения других параметров изображения. Компания запатентовала название для своей технологии: PCBD — pixel compensated backlight dimming.
Сам модуль подсветки называют BLD — BackLight Local Dimming.
Блок управления локальной яркостью
' >
Блок управления глобальной яркостью
Рис. 11. Алгоритм работы динамической активной светодиодной подсветки
Виртуальное
изображение, Массив
формируемое светодиодов
ЖК-панель локальной подсветкой задней подсветки
Рис. 9. Конструкция ЖК-панели телевизора со светодиодной подсветкой full array
Рис. 10. Система локальной светодиодной подсветки в ЖК-телевизорах:
а) исходное изображение;
б) светодиодная матрица локальной подсветки ЖК-панели;
в) стандартная ЖК-панель;
г) результирующее изображение
на экране с локальной подсветкой
Алгоритм работы локальной динамической светодиодной подсветки (рис. 11):
1. Буферизация в памяти видеоизображения.
2. Определение средних уровней яркости по макроячейкам LED.
3. Формирование файла сигналов управления матрицей светодиодной подсветки.
4. Коррекция исходного видеосигнала и формирование сигналов управления матрицей ЖК-панели с учетом поля яркости, формируемого светодиодной матрицей.
5. Загрузка файла светодиодной матрицы.
6. Формирование развертки стандартной TFT ЖК-панелью.
Для данной схемы существует возможность проявления артефактов. Один из артефактов локальной подсветки — это появление цветной паразитной окантовки вокруг ярких объектов на темном фоне. Эффект возникает вследствие неидеального согласования коэффициентов яркости подсветки и коэффициентов пропускания ЖК-пикселей, а так-
же вследствие неизбежной утечки света для яркого объекта через ЖК-затворы пикселей вокруг этого объекта. Производители пытаются преодолеть эту проблему путем увеличения числа светодиодов в матрице, а также за счет увеличения разрядности управления токами светодиодов.
Вариацией матричной системы задней подсветки является замена кластеров белых светодиодов на цветные (два зеленых, один красный, один голубой), которые составляют белый свет. Более чистый белый свет обеспечивает более широкую цветовую гамму и, следовательно, позволяет более точно воспроизводить цвета. Фирма Sony имеет бренд для такой технологии — Triluminos. Большинство производителей продолжает использовать более дешевый вариант подсветки full array на основе белых светодиодов.
Резюме
Первый вывод, который можно сделать при сравнении двух архитектур: full array (local dimming) более дорогая при реализации — по сравнению с боковой подсветкой, но обеспечивает более качественное изображение, в частности, за счет более широкого динамического диапазона контраста. Но так ли реально это преимущество на деле?
Во-первых, глубокий уровень черного и широкий динамический контраст могут быть достигнуты и для телевизоров с боковой светодиодной подсветкой, несмотря на отсутствие функции локального управления яркостью. Что касается более глубокого уровня черного и контраста, декларируемых в качестве плюсов матричной подсветки, то не стоит забывать, что они достигаются только в редких случаях, когда в видеоконтенте присутствуют темные сцены. Разница в контрасте между двумя системами практически незаметна. При сравнении следует учесть возможность системы с боковой подсветкой обеспечивать большую яркость изображения при одинаковом энергопотреблении, поскольку не нужно использовать дополнительное рассеяние света. И главные преимущества боковой подсветки — простота и дешевизна — будут сохраняться долгие годы.
Изначально казалось, что разница между изображениями с краевой и матричной подсветкой небольшая, но есть. Однако за счет
разработки и внедрения новых технологий в краевой подсветке эта разница сойдет на нет уже в 2010 году.
Одной из таких инновационных технологий, позволяющих усилить позиции боковой подсветки, является технология микролюминофоров Quantum Dots.
Технология Quantum Dots
Технология Quantum Dots (технология квантовых точек) была разработана американской компанией QD Vision специально для светодиодной подсветки, с ее помощью можно значительно улучшить цветопередачу и сделать ее более согласованной с цветовос-приятием человеческого зрения. Технология получила признание и стала в 2009 году лауреатом ежегодной премии «Инновационные технологии», учреждаемой журналом The Wall Street Journal.
В настоящее время для боковой подсветки используются белые светодиоды, которые реально представляют собой синий светодиод с нанесенным люминофорным слоем, содержащим желтые, красные и зеленые спектральные компоненты. Слой люминофора, сформированный по технологии QD Vision, будет интегрирован в качестве оптической структуры в светораспредели-тель краевой системы подсветки. В качестве источника света в ней должны использоваться мощные синие светодиоды. Оптический фильтр, интегрированный в светораспре-делитель, содержит красные и зеленые микролюминофоры (quantum dots), которые будут конвертировать голубой свет в трехкомпонентный белый, обеспечивая спектр не хуже, чем спектр, образованный раздельными RGB-светодиодами. Подстройка частоты или длины волны излучаемого света в данной технологии обеспечивается просто подбором размера микролюминофорных частиц, а не типом материала люминофора, что существенно упрощает реализацию. Например, при размере квантовых частиц селенида кадмия в 6 нанометров обеспечивается переизлучение красного спектра; при 4 нм — квантовые частицы излучают уже зеленый, а при 2 нм — синий свет.
Компания QD Vision [3] создана специалистами из Массачусетского Технологического
Института (MIT). «Технология квантовых точек» основана на применении нанотехнологий с использованием полупроводниковых нанокристаллов люминофора, излучающих красный, зеленый и синий свет. Ключевым фактором технологии является высокая эффективность преобразования излучения по сравнению с обычными люминофорами — свыше 40%. Активное использование данной технологии в моделях телевизоров со светодиодной подсветкой начнется уже в 2011 году.
QD Vision объединилась с небольшой компанией, производителем светодиодных ламп, Nexxus Lighting Inc., для того, чтобы внедрить свою технологию в сектор светодиодного освещения. Светодиодные лампы с использованием технологии квантовых люминофоров должны обеспечивать эффективность преобразования электрической энергии в 6 раз выше, чем у обычных ламп накаливания. Ожидается выход на рынок этих ламп уже в 2010 году.
Следующие шаги в эволюции модулей подсветки ЖК-дисплеев
Очевидно, что торцевая подсветка как более простая и дешевая еще долго будет использоваться в конструкции LED ЖК-телевизоров. Производители телевизоров не сдались и продолжают усиленно работать над проблемой, для того чтобы реализовать все преимущества матричной подсветки: расширенная цветовая палитра цветов при использовании красных, синих и зеленых светодиодов; возможность зонного диммирования (local area dimming) для расширения диапазона контраста и уменьшения потребляемой мощности. В настоящее время возросшие возможности технологии позволили производителям вновь обратить свое внимание на матричную сис-
тему светодиодной подсветки. Фирмы Vizio, Sony, Samsung, Toshiba и Sharp (а также другие) разработали модели ЖК-телевизоров для рынка или близки к этому. Vizio разработала 55-дюймовый телевизор с ценой около $2100, это самая низкая цена из всех известных моделей с аналогичной подсветкой. Sharp использует белые светодиоды, для того чтобы сохранить относительно низкий уровень цены подсветки. Однако прямая подсветка имеет и ряд нерешенных проблем. Пока она остается достаточно дорогой для рынка, чем боковая подсветка, и пока еще толщина модуля также больше. Для компенсации цветового разбаланса при старении и деградации, а также в зависимости от температуры должно проводиться измерение яркости различных цветовых компонент.
Интегральный модуль задней подсветки Oree
Разработчики панелей пока работают над этой проблемой, а вот израильская компания Oree [4] заявила, что получила ее интегральное решение. Oree использует модульный принцип сборки подсветки. Модуль имеет фиксированную площадь — около 50 см2 (7x7 см). В каждом модуле используется матрица RGB-светодиодов, которая управляется встроенным контроллером. В модуле имеются встроенные датчики яркости по цветам и датчик температуры. Цветовое смешение обеспечивается патентованной оптической системой, светораспределитель обеспечивает равномерность яркости около 90%. Модуль размещен на алюминиевой подложке-радиаторе. Предложенная концепция обеспечивает решение сразу всех вопросов: конструкции, оптики, питания, интерфейса, а также охлаждения модульного бло-
ка подсветки. Например, для 46-дюймового экрана телевизора потребуется 288 модулей. Прототип обеспечивает яркость модуля около 10 000 нит, что соответствует примерно 500 нит яркости экрана ЖК-телевизора. Толщина модуля подсветки — около 7,6 мм, включая шасси и схему управления. Цена модульного решения на 50% меньше по сравнению с другими известными решениями прямой подсветки на основе цветных RGB-светодиодов. Пока еще не определена компания-производитель, которая рискнет опробовать это решение в модели своего ЖК-телевизора.
Заключение
Несмотря на трудности развития, у светодиодных технологий подсветки ЖК-телевизоров есть будущее. В настоящее время во многих государствах принята политика перехода на энергосберегающие и экологически безопасные технологии. Для большеформатных телевизоров вопрос потребления стоит особенно остро. Применение светодиодных источников подсветки позволяет решить эту проблему уже в ближайшие годы. n
Литература
1. Suzuki H., Higuchi M., Yang Y. Twisted S-Shaped Light Pipe for Highly Efficient Coupling between LED and Light Guide in Backlight System // Digest SID’07. Mobile Display Business Group, Core Component Business Unit. Sony Corporation. Atsugi, Japan.
2. Самарин А. Светодиодная динамическая подсветка цветных ЖК-дисплеев // Электронные компоненты. 2003. № 4.
3. http://qdvision.com
4. www.oree-inc.com
