LCD-Hinterleuchtung LEDs erobern große Displays

Autor / Redakteur: Matthias Winter* / Andreas Mühlbauer

Schon seit einigen Jahren kommen weiße LEDs als Display-Hintergrundbeleuchtung in Mobilgeräten und überall dort, wo wenig Platz verfügbar ist, zum Einsatz. Nicht nur die kleine Bauform, sondern auch Eigenschaften wie immer bessere Lichtausbeute, Farbtreue und Langlebigkeit prädestinieren LEDs zunehmend auch für die Hinterleuchtung großer Displays.

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Sie sind wesentlich kleiner als Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFL), verbrauchen weniger Energie und liefern eine bessere Bildqualität: Leuchtdioden überzeugen bei der Hinterleuchtung von Liquid-Crystal-Displays in fast allen Punkten. Nur der Preis der LEDs muss noch attraktiver werden, um zukünftig die CCFLs zu überholen.

Die Nachfrage nach hochwertigen Displays in mobilen Endgeräten sowie in PC- und TV-Flachbildschirmen steigt kontinuierlich. Handys, Notebooks oder PDAs mit mobilen Internetzugängen sind häufig multimediatauglich, und Displays mit hoher Schärfe, gutem Kontrast und kräftigen Farben sind gefordert. Nach Berechnungen der US-Marktforscher von Strategies Unlimited könnten Leuchtdioden im Jahr 2010 bereits über 35% der LCD-Bildschirme hinterleuchten.

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Farbtreue für den Grafik- und Druckbereich

Im professionellen Einsatz, vor allem im Grafik- und Fotobereich sowie in der Druckvorstufe ist eine exakte Farbwiedergabe gefordert. Hier punkten Displays mit RGB-LED-Hintergrundbeleuchtung. Speziell rote und grüne Bildbereiche zeigen eine größere Farbtiefe und strahlen intensiver als mit Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen. Die Farben erscheinen am Bildschirm so wie im späteren Druck.

RGB-LEDs enthalten einen roten, einen grünen und einen blauen Chip in einem gemeinsamen Gehäuse. Im Gegensatz zu Einzelfarb-LEDs findet hier die zur Erzeugung weißen Lichts erforderliche Farbmischung bereits im Gehäuse statt. Die Anteile der drei Grundfarben liegen bei 30% Rot, 60% Grün und 10% Blau. Jeder Chip lässt sich individuell ansteuern, sodass neben Weiß für Hinterleuchtungen alle Farben innerhalb des Farbdreiecks darstellbar sind (Bild 1).

Die gezielte Kombination der Einzelfarben erlaubt eine individuelle Einstellung der Farbtemperatur. So lässt sich beispielsweise der Weißpunkt zwischen 5000 und 9300 K justieren. Helligkeit und Farbe der Displays lassen sich mithilfe dieser Steuerungsmöglichkeiten dauerhaft konstant halten. Mit RGB-LEDs gelingt eine Farbwiedergabe von mehr als 110% des NTSC-Standards. CCFLs erreichen oft weniger als 75% des NTSC-Standards.

LEDs für große Bildschirmdiagonalen

Bei Bildschirmdiagonalen von 19 bis 30˝ und Kontrastverhältnissen von 1:600 bis 1:1000 liegt die Leuchtdichte der LED-hinterleuchteten Monitore zwischen 200 und 250 cd/m2. Auch für LCD-TV-Displays sind leistungsstarke LEDs in Kombination der Farben Rot, Grün und Blau das Mittel der Wahl. Neben den bereits genannten Eigenschaften spielen die kurzen Schaltzeiten von weniger als 100 ns eine wichtige Rolle. Sie erlauben auch den Pulsbetrieb, der dem unerwünschten Verwischen bei bewegten Bildern entgegen wirkt.

Prinzipiell lassen sich LED-Hintergrundbeleuchtungen für jede beliebige Bildschirmgröße herstellen. Gleichmäßig und mit sehr guter Farbmischung hinterleuchten beispielsweise RGGB-Cluster des Typs Golden Dragon Argus selbst große Displayflächen (Bild 2 und 3). Dafür sorgen neben der hohen Lichtausbeute auch spezielle Linsen. Rautenförmig angeordnet, bilden Viererkombinationen aus je zwei grünen, einer blauen und einer roten LED eine Lichteinheit. Gegeneinander versetzt oder in Reihe geschaltet, entstehen aus mehreren Rauten skalierbare, lichtstarke Hinterleuchtungssysteme. Sie können Displays direkt hinterleuchten und benötigen etwa 35 mm Bautiefe (Bild 4 und 5).

Für die Hinterleuchtung kleiner und mittelgroßer LC-Displays kommen bereits seit einigen Jahren standardmäßig weiße LEDs zum Einsatz. Sie benötigen wenig Platz und sind in extrem flachen Ausführungen erhältlich. In der Lichtstärke und Farbdarstellung sind sie mit CCFLs vergleichbar. Osram hat sehr kleine LEDs im Programm, die sich mit 0,8 mm Bauhöhe komplett in der Leiterplatte versenken lassen. Hinzu kommen 0,6 mm hohe seitlich emittierende LEDs, deren Licht seitlich in dünne Lichtleiter eingekoppelt werden kann (Bild 6).

Bei allen mobilen Endgeräten spielt der Energieverbrauch eine wichtige Rolle. Herkömmliche Notebooks verwenden 30% und mehrihrer Energie für die Hinterleuchtung der Displays. Das verkürzt die Akkulaufzeit erheblich und setzt der Mobilität Grenzen. Osram Opto Semiconductors hat ein 15˝-Demo-Laptop vorgestellt, das 60 weiße LEDs des Typs MicroSideLED indirekt hinterleuchten.

Umgebungslichtsensor spart Strom

Die seitlich strahlenden Leuchtdioden sitzen im äußeren Rahmen des Displays und koppeln ihr Licht in einen Lichtleiter ein, der es gleichmäßig verteilt. Mit nur 5,5 W Verbrauch erreicht das Demogerät eine Leuchtdichte von 220 cd/m2. Zusätzliches Sparpotenzial steckt in der Möglichkeit, das Display abhängig von der Umgebungshelligkeit zu dimmen.Dies kann manuell oder über einen Umgebungslichtsensor geschehen (siehe Aufmacherbild). Bei einem Vergleichswert von 60 cd/m2 liegt der Verbrauch nur noch bei rund 1 W, und die Akkulaufzeit verlängert sich um etwa 45 Minuten.

Art und Anzahl der verwendeten LEDs richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen und nach dem Konzept des Herstellers. Der Energieverbrauch beispielsweise eines 32˝-LC-Displays mit RGB-LEDs sollte nach Meinung von Experten von Osram derzeit 150 W nicht überschreiten. Dies entspricht etwa dem Verbrauch CCFL-hinterleuchteter Geräte. Berücksichtigt man die Helligkeitssteigerungen von LEDs, ist davon auszugehen, dass sich der Energieverbrauch von großen Bildschirmen mit leistungsstarken LEDs zukünftig weiter reduzieren lässt.

Ohne Blei und Quecksilber, temperaturbeständig und mechanisch belastbar, profilieren sich LED immer stärker für die Hinterleuchtung von LC-Displays. Sie überzeugen mit hoher Zuverlässigkeit und sind mit mehr als 50.000 Stunden auch bei hohen Temperaturen äußerst langlebig. Ihre Spontanausfallrate liegt im Bereich 1 FIT, das heißt innerhalb von 109 Bauteilstunden kommt es zu einem Ausfall. Damit leben die Leuchtdioden in der Regel länger als das Display selbst. LEDs haben alle technologischen Voraussetzungen, um weitere Verbesserungen beim Energieverbrauch, bei der Leuchtkraft und bei der Farbwiedergabe zu erreichen.

Die passende LED für jede Display-Hinterleuchtung

Leuchtdioden eignen sich als Hintergrundbeleuchtung für kleine, mittlere und große Displays. Auf Grund der unterschiedlichen Anforderungen an Helligkeit, Farbtreue und Baugröße sind dabei unterschiedliche Techniken nötig.

Für kleine Displays in kompakten Mobilgeräten kommen weiße LEDs zum Einsatz, die sehr wenig Platz benötigen und daher direkt in der Leiterplatte versenkt werden können. In kleinen bis mittleren Displays werden RGB-LEDs zur Hinterleuchtung verwendet. Diese haben gegenüber weißen LEDs den Vorteil, dass es die getrennte Ansteuerung der drei Chips erlaubt, ihre Farbtemperatur individuell einzustellen. Somit lässt sich auch nach langem Betrieb die Helligkeit und Farbe des Displays konstant halten. RGB-LEDs erlauben eine Farbwiedergabe von 110% des NTSC-Standards.

Für Backlights von Displays mit Bildschirmdiagonalen mit mehr als 19˝ werden Lichtleistungen benötigt, die mit RGB-LEDs nicht zu erreichen sind. Daher finden Kombinationen mehrerer leistungsstarker LEDs in den Farben Rot, Grün und Blau Verwendung. Wie bei RGB-LEDs, lassen sich bei diesen Clustern die Helligkeit und der Weißpunkt einstellen. Pulsbetrieb ermöglicht die verwischungsfreie Darstellung bewegter Bilder. Da die Anteile der Grundfarben am Weiß wie bei RGB-LEDs 30% Rot, 60% Grün und 10% Blau betragen, kommen häufig RGGB-Cluster zum Einsatz, die dem hohen Grünanteil Rechnung tragen.

*Matthias Winter ist Marketing Manager LCD Backlighting bei Osram Opto Semiconductors.

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