1.前言

液晶显示器(LCD:Liquid Crystal Display)本身不会发光因此必需借助外部光源，尤其是穿透式TFT(Thin Film Transistor)彩色液晶显示器通常会使用背光板(back light)作为照明光源。而背光照明模块的光线来源则为具有三波长的冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lamp)或是发光二极管(LED:Light Emitting Diode)。其中冷阴极灯管具有高辉度、高效率、寿命长、高演色性等特性(图1)，加上圆柱状外形因此很容易与光反射组件组合成薄板状照明器，广被应用于平面显示器(FPD:Flat Panel Display)。

2.光源模块

光源模块可分为背光式(back type )与前光式(front type)两种；背光式可依照光线入射位置的不同分成端缘入光(edge lighting)与直下式入光(bottom lighting ) 两种；前光式则祇有端缘入光一种(图2) 端缘入光式背光照明模块的辉度非常均匀，模块外形厚度也很轻薄，光使用效率大约在50%左右，适合可携式彩色LCD使用。背光模块内的导光板(light guide pipe)为折射率极佳的透明状压克力(acryl)材质薄板所构成。

直下式背光板的光效率大约在60%左右，由于模块外形厚度较厚重，因此常用于桌置型LCD显示器(monitor)或是液晶电视等非可携式产品。如果LCD超过17吋以上时，直下式背光板的重量反而比端缘式背光板模块轻巧。不过由于复数灯管依序排列于导光板正下方，因此灯管的轮廓极易在LCD画面上造成辉度不均与阴影，常用的改善方法是设置光帘(light curtain)或是调整扩散板的形状，设法消除灯管的阴影并使画面的辉度更均匀。

此外不论是采用背光或前光照明模块，基本上背光模块内的导光板表面不可有任何微细的瑕疵或异物，否则画面会出现类似液晶缺陷之现象，因此在制作背光模块时作业环境清的洁净度需作严格的管制，凡是会造成粉屑的物品都不能进入作业区，人员的走动、交谈也是管制的项目之一，作业环境清的洁净度需恒时保持在1千等级范围内。 冷阴极灯管与照明用热阴极荧光灯管的最大差异处是它需在发光领域内具备均匀的发光特性。一般的荧光灯管耗电量可由式(1)表示:

耗电量=电极损耗+阳光柱损耗--------------(1)

数十KHz高频点灯时可忽视正极下降电压，因此电极损耗是阴极下降电压Vc(V)与灯管电流 (A)相乘的结果；阳光柱损耗是阳光柱的电界强度E(V/cm)与阳光柱长度L(cm)( 冷阴极灯管的场合几乎与电极间距相同)，以及灯管电流 (A)相乘的结果(图3)。换言之灯管耗电量 (W)可由式(1)表示:

WL=VcIL +ELIL -------------------(2)
其中部份阳光柱损耗会变成发光(可视光)所需要的能量(energy)，电极损耗则与阳光柱长度L无关为一定值，而转换成可视光的能量与灯管的耗电量两者关系，乃是随着灯管长度不同而改变，一般而言管径f2.0mm，长150mm的冷阴极灯管，可视光的能量约占灯管耗电量的15%；长400mm时则为20%左右。

3.单管型冷阴极灯管

是单管型冷阴极灯管的构造。它的最大特色是正、负电极都是冷阴极而且管径非常纤细，电极结构与管径对耗电量具有决定性的影响。

如上所述单管型冷阴极灯管构造简单，管径纤细容易缩小体积，适合应用在要求耐久性的背光照明模块等领域，不过冷阴极灯管的阴极下降电压Vc是热阴极灯管的十倍，这意味着效率上并不是很理想。为了改善阴极下降电压可将电极作成有底圆筒状，利用空心阳极(hollow cathode)效应舒缓电压下降，或是改用钼质(molybdenum)电极使下降电压降低20V。钼质电极除了可抑制放电时的电浆(plasma)之外，还可以减少电浆效应时的水银损耗量，进而延长灯管的使用时数。亦可在冷阴极表面涂抹一层容易释放电子材料，例如钇(yttrium)化合物、钡(barium)化合物、镧(lanthanum)化合物虽然可以使阴极下降电压降低数十伏特，不过点灯时由于离子撞击造成涂抹物飞散，所以数千小时后就会丧失上述的电压特性，也因此应用上受到相当多的限制，目前大多是应用在不要求耐久的电玩液晶银幕或数字相机等领域。

笔记型计算机(NB-PC:Note Book-Personal Computer；以下简称为NB-PC)等产品非常重视外形厚度，因此NB-PC的背光照明模块通常是采用端缘入光式背光板，随着楔形(wedge)导光板的厚度不断的降低，冷阴极灯管的外径也由92年的f3mm逐渐缩小到目前的f2.2mm以下(图5)。

图6可知单管型冷阴极灯管的管径愈纤细发光辉度就愈高，外形纤细的灯管可提高射入导光板内的光入射效率，这对背光板照明模块的表面辉度提升非常有帮助。
冷阴极灯管的发光原理是利用水银所产生的紫外线撞击荧光体产生光线，换句话说发光效率与水银的蒸汽压有密切关系。如图7可知水银蒸汽压乃是取决于管壁温度。

图8是以长度204mm的灯管为例说明灯管内径与相对发光效率的互动关系，由图可知如果电压过高管壁温度就会上升，造成水银蒸汽压超过最适值，进而导致灯管辉度出现降低现象。反之电力过低时水银蒸汽压无法获得最适值，相对的灯管辉度也随着下跌。换句话说冷阴极灯管必需依照使用条件，将灯管内径、长度、玻璃肉厚、水银蒸汽压、电极形状、材质、操作电力作适当的组合才能发挥灯管应有的特性。最近几年由于封装技术的进步使得LCD的光线穿透率明显改善，以目前的技术而言用于NB-PC的背光照明模块，它的冷阴极灯管的外径祇需f1.2~1.8mm左右便可达到设计值的辉度。

冷阴极灯管的管壁肉厚愈薄，管壁温度也就是所谓的水银蒸气压愈容易上升。图9是以内径f1.8mm的灯管为例，说明管壁厚度与消耗电力、相对全光束的互动关系。由图9可知低电力时管壁肉厚愈薄发光效率愈高；反之高电力时管壁温度过度上，发光效率反而降低。

实际上冷阴极灯管装入端缘入光式背光照明模块时，灯管本身的发光效率加上纤细的管径，都是促成射入导光板的光入射效率大幅提上升的主要原因，因此往往祇需一支单管型灯管就可以满足使用者的需求(图10)。目前15吋以下的LCD所使用的f2mm冷阴极灯管，管壁厚度大多祇有0.2~0.25mm左右，除此之外荧光体的发光效率也不断向来攀升，因此可预期不久得未来冷阴极灯管的发光效率将出现重大改变。

4.双管型冷阴极灯管

双管型冷阴极灯管可以提高低电力时的发光效率减少灯管发热现象。它的动作原理是将冷阴极灯管密封于透明的玻璃材质所构成的外管内，外管与内部冷阴极灯管之间再填充微量稀有气体或做成真空状，达成隔绝冷阴极灯管所产生的热流(图11)。

用这种特殊结构的特质，祇需控制外管与内部冷阴极灯管之间微量稀有气体的压力，便可调整内管的发热现象。除此之外双管型冷阴极灯管配合实际使用条件，便可以获得高效率且更宽广的操作电力范围(图12)，双管型冷阴极灯管具有比单管型冷阴极灯管更快速的点灯特性，同时还可以改善低温操作环境时的辉度与效率，它的未来发展与应用则备受相关业界重视。

图13是以行动电话用二吋背光照明模块为例，说明双管型冷阴极灯管与单管型冷阴极灯管、白光LED发光二极管(LED:Light Emitting Diode)三种照明灯源，在相同的输入电力前提下的画面辉度特性。由图可知150mW以上时双管型冷阴极灯管的发光效率优于其它光源，由此可以验证今后可携式对动态画面、大尺寸画面要求高辉度时，双管型冷阴极灯管可说是最佳选择。

5.结语

以上介绍目前最受相关业者重视的穿透式彩色液晶显示器用冷阴极灯管，相信未来轻巧省电的市场需求会越来越严苛，如何降低成本改善操作效率，将彩色液晶显示器的特性充更加发挥，成为国内外各大厂商今后主要研究课题。
 

关键词：液晶显示器 背光

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