Hintergrundbeleuchtung von LCDs

LEDs punkten bei der Hinterleuchtung von Displays in mobilen Geräten

08.05.2008 | Autor / Redakteur: Andreas Stich und Josef Hüttner* / Andreas Mühlbauer

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Notebook-Displays werden heute meist mit Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen hinterleuchtet. Als Lichtquelle allein erscheinen sie auf den ersten Blick effizienter als LEDs. Betrachtet man jedoch den Systemwirkungsgrad, haben LEDs die Nase vorn. Zusätzlicher Vorteil: Die Displays können flacher ausgelegt werden und verbrauchen deutlich weniger Energie.

Die Betriebszeit von mobilen Geräten hängt hauptsächlich von der Akku-Kapazität und von der durchschnittlichen Leistungsaufnahme der einzelnen Komponenten ab. Allein ein Drittel des Energieverbrauchs geht im Normalbetrieb zu Lasten des Displays.

Bild 1: Übersicht der mittleren Leistungsaufnahme der verschiedenen Funktionsgruppen in einem Notebook (Quelle: Intel)
Bild 1: Übersicht der mittleren Leistungsaufnahme der verschiedenen Funktionsgruppen in einem Notebook (Quelle: Intel)

Erst bei rechenintensiven Anwendungen verschiebt sich das Verbrauchsprofil in Richtung Prozessor. Hintergrundbeleuchtungen mit Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (Cold Cathode Fluorescent Lamp – CCFL) benötigen rund 65 bis 70% der Displayleistung.

LED-Hinterleuchtung als lohnende Alternative

Als alternative Lichtquelle bieten sich Leuchtdioden an. Vergleicht man die beiden Lichtquellen, bestechen LEDs nicht nur durch ihre bekannten Vorteile wie lange Lebensdauer, Vibrations- und Stoßfestigkeit, RoHS-Konformität oder Ansprechzeiten von weniger als 100 ns. Sie bergen auch Potenzial, den Energieverbrauch zu reduzieren und bieten Möglichkeiten, den Aufbau und das Design von LC-Displays zu verbessern.

Bild 2: Prinzipieller Aufbau der Hinterleuchtungen
Bild 2: Prinzipieller Aufbau der Hinterleuchtungen

LC-Displays bestehen in der Regel aus einem LC-Panel und einem Modul zur Hinterleuchtung. Das Hinterleuchtungsmodul umfasst eine oder mehrere Lichtquellen, eine Einheit zur flächigen Verteilung des Lichts sowie verschiedene diffuse und mikrostrukturierte prismatische Folien. Diese sollen die Homogenität verbessern und gleichzeitig die Helligkeit steigern.

Zur flächigen Verteilung des Lichts setzt man überwiegend oberflächenstrukturierte Lichtleiter aus Kunststoff ein. Das Licht wird dabei meist auf einer Seite eingekoppelt und über Reflexion zur Austrittsfläche des Lichtleiters umgelenkt. Der Lichtleiter und seine Oberflächenstruktur bestimmen entscheidend die Güte der Hinterleuchtung.

LEDs im System effizienter

Vergleicht man die reinen Effizienzwerte, erzeugen CCFLs insgesamt einen höheren Lichtstrom pro Watt als LEDs. Im Hinterleuchtungssystem lässt sich jedoch nicht der gesamte Lichtstrom nutzen. Auf Grund der baulichen Anordnung lässt sich nur ein geringerer Lichtanteil seitlich in den Lichtleiter einkoppeln. So erreicht eine CCFL mit einer optischen Effizienz von 70 lm/W nur eine Systemeffizienz von 42 lm/W.

Weiße LEDs schaffen schon heute 50 lm/W und mehr. Der Aufbau mit der vorgegebenen einseitigen Abstrahlung im System erlaubt es außerdem, nahezu 100% des Lichtstroms der LED für die Hinterleuchtung zu nutzen. Damit sind bereits heute verfügbare weiße LEDs effizienter als CCFLs – und das bei geringerer elektrischer Leistung. Die rasante Entwicklung der Halbleitertechnologie lässt außerdem eine kontinuierliche Verbesserung der Effizienz erwarten.

Je kleiner die Lichtquelle, desto dünner das Display

Bild 3: LEDs ermöglichen dünnere Displays
Bild 3: LEDs ermöglichen dünnere Displays

Auch beim Aufbau und beim Design von LC-Displays punkten LEDs, denn Dicke und Gewicht eines LCD-Moduls hängen außer vom Gehäuse wesentlich vom Lichtleiter der Hinterleuchtung ab. Dessen Abmessungen und Form richten sich unter anderem nach der jeweiligen Lichtquelle. Je kleiner diese ist und je direkter das Licht eingebracht werden kann, umso dünner lässt sich der Lichtleiter auslegen und umso geringer ist sein Gewicht.

Setzt man Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen ein, ist die Dicke des Lichtleiters durch die Größe des Lampenhalters (Reflektor) bereits vordefiniert. Eine Reduktion würde zu Lasten des einkoppelbaren Lichts führen und die Systemeffizienz reduzieren.

So liegt die typische Gesamtdicke von LC-Displays mit CCFL-Lichtquelle knapp unter 1 cm. Setzt man LEDs als Lichtquellen ein, bestimmt die Höhe des LED-Gehäuses beziehungsweise die Lichtaustrittsöffnung die Dicke des Lichtleiters. Je nach LED-Typ lässt sich die Lichtleiterdicke auf Folienstärke (< 0,6 mm) minimieren. Displays mit LED-Hinterleuchtung können daher deutlich dünner und leichter ausgelegt werden. Die Gesamtdicke beträgt hier nur 2 bis 4 mm.

Da die elektrischen Anschlüsse bei CCFLs an den Enden sitzen und kein Licht abgeben, muss die wirksame leuchtende Länge der Lampe der Displaybreite entsprechen, denn die Lampe gibt ihr Licht über die gesamte Länge gleichmäßig ab. Die Kontakte stehen an beiden Seiten über, was bei der Einfassung des Panels zu berücksichtigen ist.

LEDs werden so angeordnet, dass sie mit den Kanten des LC-Panels abschließen. Meist platziert man sie auf Grund ihres Abstrahlwinkels etwas nach innen, um eine Überstrahlung an den Ecken zu vermeiden. Bei gleicher Displaygröße kann der Gehäuserahmen daher schmaler ausfallen als bei CCFLs.

Gesucht: Möglichst homogener Flächenstrahler

Für die Hinterleuchtung von LC-Displays in mobilen PCs eignen sich nur LEDs mit geringer Bauhöhe (<1 mm), wie die Micro SIDELED. Dank seitlicher Abstrahlung lässt sich nahezu das gesamte Licht in den Lichtleiter einkoppeln und verteilen. Beim Aufbau des Displays ist jedoch zu berücksichtigen, dass LEDs im Gegensatz zu CCFLs nahezu punktförmiges Licht in einem vorgegebenen Abstrahlwinkel emittieren. Dieses punktförmig in einen Lichtleiter eingestrahlte Licht muss homogen verteilt werden.

Bedingt durch den Abstrahlwinkel lässt sich dies jedoch erst in einem bestimmten Abstand realisieren. Die Größe des notwendigen Mischbereichs hängt dabei vom Abstand der LEDs untereinander und vom Abstrahlwinkel ab.

Letztlich muss der Lichtleiter um diesen Mischbereich größer ausgeführt werden, sonst würden sich am Rand des Displays so genannte Hot-Spots, punktuell hellere Stellen, zeigen. Um einen Mischbereich, zu erhalten, der nicht größer als 5 mm ist, dürfen die einzelnen LED nicht mehr als 7 mm voneinander entfernt sein.

CCFL durch LED-Lichtleiste ersetzt

Im Rahmen einer internen Studie haben die Entwickler ein herkömmliches Notebook mit 15,4"-LC-Panel von CCFL- auf eine weiße LED-Hinterleuchtung umgerüstet, dabei jedoch alle Originalteile wie Lichtleiter, Folien und Filter beibehalten. Dazu brachten sie eine Lichtleiste mit 50 LEDs des Typs Micro SIDELED in Form von fünf Strängen mit je zehn LEDs auf eine 0,2 mm dicke, flexible Leiterplatte auf. Verschaltet wurden die Stränge parallel, sodass 50 V Versorgungsspannung nicht überschritten wurden. Die LEDs lieferten bei 20 mA eine Helligkeit von 1400 mcd. Die Gesamtverlustleistung der LED-Leiste betrug 3 W.

Eine Vermessung des Displays ergab, dass es mit LED-Hinterleuchtung nicht nur heller (200 cd/m2 im Vergleich zu 160 cd/m2 bei CCFL) sondern auch homogener strahlte. Ein spezieller Lichtleiter für LEDs mit optimierter Einkoppelstruktur und angepasster Dot-Verteilung würde die Helligkeit und Homogenität noch verbessern.

Bild 5: Vergleich der Verlustleistung der Hinterleuchtungen eines 15,4
Bild 5: Vergleich der Verlustleistung der Hinterleuchtungen eines 15,4"-Displays mit CCFL und LED

Außerdem verbraucht die LED-Hinterleuchtung bei vergleichbarer Helligkeit deutlich weniger Energie als die CCFL-Hinterleuchtung. Bei einer Displayhelligkeit von 60 cd/m2, typisch bei abgedunkelter Umgebung, ist die Verlustleistung sogar um rund 60% niedriger. Damit würde sich die Akku-Laufzeit durchschnittlich um rund eine Stunde erhöhen.

Bild 6: Das Notebook mit LED-Hinterleuchtung (rechts) zeigt eine deutlich bessere Farbdarstellung als das Original-Notebook mit Fluoreszenzlampen (links)
Bild 6: Das Notebook mit LED-Hinterleuchtung (rechts) zeigt eine deutlich bessere Farbdarstellung als das Original-Notebook mit Fluoreszenzlampen (links)

Auch beim visuellen Vergleich der beiden LC-Displays schneidet die LED-Hinterleuchtung besser ab. Das Bild ist auf Grund der besseren Abdeckung des Farbdreiecks detailreicher und wirkt insgesamt plastischer. Hinsichtlich Farbraum, Homogenität und Helligkeit liegt die Hinterleuchtungslösung mit weißen LEDs klar vorn.

Energieeffizienz lässt sich weiter steigern

Schon heute lassen sich herkömmliche CCFL-Hinterleuchtungen durch effiziente LED-Lösungen ohne zusätzliche Systemkosten ersetzen. Mit der Verfügbarkeit schneller LCD-Panels werden sich auch Hinterleuchtungslösungen auf Basis von RGB-LEDs etablieren, die einen sequenziellen Farbbetrieb erlauben. Damit ist eine weitere Effizienzsteigerung um den Faktor vier zu erwarten.

*Andreas Stich und Josef Hüttner sind Applikationsingenieure für LED-Backlighting bei Osram Opto Semiconductors.

 

Vorteile der LED-Hinterleuchtung

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