一、概述
液晶显示屏已经广泛地应用到从手机、数码相机、PMP等便携式产品一直到笔记本电脑、显示器、电视机等各种产品中。因为液晶本身是不会发光的，而一定要有发光器件作为背光。发光二极管在这种场合得到了广泛的应用。
早在60年代就已经发明了半导体的发光现象而且制成了发光二极管LED，然而LED的大量应用还是最近十年的事。早期的应用主要是各种指示灯，以后发明了用电脑控制的LED显示面板，使其应用更加广泛。随着这种显示面板的尺寸越做越大，就开始把它应用到室外大屏幕电视显示屏。这要求红绿蓝三元色的光谱纯度很高。以后随着各种LCD显示屏的出现，要求用白色LED作为背光光源。由于其发光效率高，寿命长，因而逐步取代了冷阴极荧光管（CCFL），而应用到大尺寸的LCD显示器中作为背光光源。红绿蓝等彩色LED的出现，更可以改进显示色彩的纯度。
根据isuppli的统计，2004年LED在背光源应用的市场成长率较2003年成长44.5%，并开始成为LED最大的应用市场，市场占有率达25.2%，预估2005年市占率将更往上提升至26.4%，然而市场成长率仅预估15.7%，主要的原因在于彩色手机的换机需求已趋于饱和，手机产业在未达另一波3G革命前，仅为稳定的成长，将会使得LED在手机背光市场的成长有所限制，而且其市场也将逐步被OLED所蚕食。
在中小尺寸面板的背光源如DSC、PDA、手持式游戏机及汽车卫星导航系统等市场量虽不及手机市场来的庞大，不过白光LED却已开始悄悄的取代CCFL，成为中小尺寸LCD主要背光源。在10"以上的LCD背光源的市场，LED目前苦于价格、技术成熟度等问题，尚未能在此应用领域中开花结果，然而，由于CCFL含汞，在2007年就将会禁止进入欧盟。从而笔记本的背光将会全部采用白光LED作为背光。这将大大加速白光LED的发展。另一个更大的市场是液晶电视。自从日本Sony于2004年开始贩售全世界第一台以LED作为背光源的46" LCD TV（QUALIA 005）后，打破了LED在LCD背光源发展上由小尺寸循序发展的规律，这让LED在背光源市场中有了更快速且多元性的发展。
大电流高亮度LED的另一个极具吸引力的市场是汽车的前灯和尾灯。目前由于LED的亮度还不够，经常采用几十个或十几个LED来代替一个白织灯。当100lm的产品进入市场之后，单个这样的器件将可以替代数十个较小的LED。在今后十年，供应商们预计汽车外部将使用10个(后面6个，前面4个)或更多的LED管，从而最终创造一个庞大的LED市场，仅在美国每年的需求就达1.6亿只。
然而LED的真正大发展，是应用到普通照明灯中去，以取代普通的白织灯。目前广泛使用的白织灯的发光效率很低,只有8-10lm/W。而LED的发光效率比白织灯要高3-4倍，经过进一步改进，有希望高10倍以上。目前在实验室里已经做到，一个4W的LED所发出的光可以相当于一个30W的白织灯。发光效率方面，据最新报道，日本的Nichia公司(日亚化学工业株式会社)对蓝色LED芯片外延层和电极结构进行了改进，将正向电压降到了3V左右，也就是降低了其内阻，从而开发出100lm/W的白光LED，预计2006年年底就可以批量生产。而2007年准备开发出150lm/W。LED成本的降低使得这种取代有实现的可能。
目前，高亮度LED的生产地主要集中在台湾、大陆和韩国，约占45%，北美占25%，日本占22%，欧洲占8%。韩国Displaybank调查公司根据近期分析研究表示，2008年大型背照灯的销量将增至3.63亿台，从04年至08年这五年间，平均增长率将达到27.1%。以金额计算，市场规模将增至140亿美元，增长率为2005年的大约两倍，2004-2008年的年平均增长率将达到34.1%。
二、用于液晶屏背光的LED
液晶屏由于自身不会发光，因而需要采用外加的背光。液晶屏应用十分广泛，而且其尺寸大小可以为1-80"。小屏幕的液晶屏早就采用白色WLED作为背光，而大型液晶屏（笔记本、监视器、液晶电视）目前还大多采用CCFL（冷阴极荧光管）作为背光。然而这种CCFL存在着三大缺点：一是亮度不够，二是寿命太短，三是含有有害物质（水银）。所以，很有可能会在短期内被白光发光二极管WLED所取代。换句话说，LED背光正在逐步蚕食大尺寸LCD屏幕的CCFL背光市场。这也是因为小屏幕的LCD逐步被OLED所取代。
与现有的CCFL技术相比，发光二极管有大量的优点。因为LED是一种平面的光源，最基本的LED发光单元是边长3-5×0.8mm的矩形，极容易组合在一起成为既定面积的面光源，如果作为液晶屏幕的背光源，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。而且其色彩表现能力也比CCFL为高。
其次，LED使用的是6-24V的低压电源，不像CCFL需要高压交流供电。其所需电压由CCFL管子的直径和长度决定,长度越长,电压越高,直径越细电压也越高。在LCD TV里还要求高达上千伏的高压。而用LED作为背光，其所需的电源电压只要十几伏到几十伏，供电模块的设计也颇为简单，这种采用LED背光源的液晶屏比通常用的CCFT（冷阴极荧光管）类液晶屏省电48%，同时不含对身体健康、环境有害的重金属汞。和CCFL相比，WLED具有如下优点：亮度高、寿命长、无有害物质。然而它的发光效率迄今还赶不上CCFL。但是，因为它体积小，很容易均匀分布，从而提高了它的导光效率，所以最后从屏幕的亮度来看，在同样的电源功耗时，它并不比CCFL差很多。而且它的效率提高得很快，差不多每15年提高一个数量级，估计到2007年就可以达到150lm/W。
不过最近韩国的LPL展出了全球最大的100" LCD TV仍然采用了CCFL作为背光，不但其对比度可以达到3000:1，而且其色饱和度也可以达到NTSC的92%。这是因为采用了高色饱和度的CCFL的缘故。
然而最重要的问题，还是环保问题。由于环保的要求，CCFL将被淘汰。欧盟于2003年2月13日发布WEEE（Waste Electronics and Electrical Equipment）与RoHS（Restriction of Hazardous Substances Directive）两项规定，其中RoHS规定自2006年7月1日起销往欧洲的商品不得用有害物质，包括铅、汞、六价铬、PBB（多溴联苯）、及PBDE（多溴二苯醚）等。其中当然也包括含有汞的CCFL在内。不过最近也出现了无汞CCFL。这种称之为FFL（Flat Fluorescent Lamp）的平面荧光管大多采用了Xe气放电原理，这种平面光源有组装简单，无汞等优点，在稳定的生产良率之下，FFL的成本可以是所有背光源技术最具竞争力者，因此也开始有厂商顺利量产并应用在32"以上的大尺寸LCD TV模块。但是其发光效率也只有27-35lm/W。寿命也只有10,000小时。都无法与LED匹敌。
三、白光LED用于LCD背光
没有一种LED可以直接产生白光，因为白光是太阳光，或者是指可见光谱，而由LED形成的白光实际上都是由几种光组合而成。
目前主要有三种白光LED。第一种是用红蓝绿三种LED合成为一种白光LED，虽然其理论的流明效率很高，但是这种方法需要有六条腿，而且需要精确地控制三种色彩的亮度，其电子电路要很复杂，所以很少采用。第二种是用紫外线LED激励RGB的荧光粉而产生白光，这种方法的效率比较高，而且光谱比较接近自然的太阳光。但是会有紫外线输出。第三种是用蓝色LED激发黄色的荧光粉，从而产生接近的白光。这种方法最为简单，成本最低，是目前使用最多的一种方法。它是采用氮化镓铟半导体InGaN的高亮度的蓝色LED与钇铝石榴石荧光粉(YAG：添加Ce的钇、铝石榴石)组合在一起而成的。它的发光效率（电能转换为光能）可以达到30%，以后还可以达到50%，而CCFL目前只有24%。
在小型液晶屏中，早已采用WLED作为背光，例如在手机液晶屏中，通常采用3-4个WLED作为背光。在液晶电视中采用WLED作为背光时，由于单个WLED的发光量不够，而且为了使其发光均匀，要求采用很多个WLED。背光所需要的WLED数目，通常由屏幕的大小决定。
目前，WLED背光已经开始应用到笔记本电脑中去，在笔记本电脑中，至少需要用40颗以上的WLED。
四、白光LED背光的驱动电路和芯片
为了要了解白光LED的驱动电路，首先要了解LED的电特性。WLED的发光量是由流过它的电流所决定，而不是由加在它两端的电压所决定。而各个LED的压降和流过的电流之间的离散度很大。
加在其两端的电压和流过的电流呈非线性关系。而且不同品牌之间有很大离散度。即使是同一品牌，不同个体之间也有很大离散度。因为WLED的亮度是由通过其电流的强度所决定的。所以为了使各个WLED发光均匀，就必须要求流过的电流相同。这样为了驱动WLED就必须要有满足其电压要求的恒流源来供电。而且正向电流的变化也会引起发光光谱的变化。
同时，LED所允许的最大电流是由环境温度决定的。当最大的环境温度为50oC时，就应当将其电流限制为20mA。这些特点都要求采用LED驱动器来对WLED的电流进行恒流控制。所以LED驱动器的任务是：
（1）将电源(可能是锂电池)的电压转换为驱动LED所需的电压, 这个电压取决于LED的连接方法(串联、并联或串并联)和数量。
（2）在工作过程中保持恒定的电流。如果以恒压源供电，则其电流将会有很大的不同。有些个别LED就会烧毁。
LED的发光亮度可以用改变其电流的方法来实现。但是这种模拟亮度控制方法会产生色偏现象。也就是它所发出光线的波长将会随着其正向电流而改变。例如，一颗“真正”绿光LED，其最大亮度规格电流为20mA，当其亮度通过模拟调光减少为25%时（相当于正向电流从20mA减少到5mA），其色谱也会从525nm偏移到531nm，这种色偏移程度显然不可能被要求真实色彩的高画质显示器接受。
因此，通常就采用PWM的方式来对LED进行亮度调节。不同的工作比就可以得到不同的亮度，这相当于用改变LED导通的时间来改变亮度，而每次导通所达到的正向电流是不变的，所以其色谱也就不会改变。为了得到不同的亮度，就要求能够精确控制PWM的宽度。一个12位精度的PWM可以实现4096级灰度。虽然改变PWM的工作比可以改变其亮度，但是其效率也会跟着改变。
对多个WLED供电时有两种方法，一种是将各个WLED串联，还有一种是把各个WLED并联。在串联供电时很容易保证流过各个WLED的电流一致。但是WLED的个数越多，所需的电压也就越高，而且一旦一个WLED烧毁，所有的WLED都不亮。并联供电的结构中，其优点是需要的电压低，各路互不影响，但是要求每一路都要有单独的恒流控制。
在便携设备中，其屏幕尺寸通常在1.5-2.5"之间，所需的WLED数目大约在3-4个之间。如果串联供电，当要求的电流为20mA时，每个WLED的电压大约在3.3-4.0V之间，这样，总电压就在12-16V之间，而输入为锂电池，其电压在2.8-4.2V之间。这种WLED驱动器通常可以用电感型升压电路来实现。其优点是变换效率高，缺点是电感体积大，价钱贵，而且有可能产生高频辐射干扰。所以在手机，或带GPS的Smart Phone里，就希望采用不带电感的电容式电荷泵升压器。但是这类升压器的效率比较低，而且通常顶多只能升1倍（x2）。因而，所有的WLED就只能用并联方式。
五、用RGB LED作为液晶电视背光
液晶电视由于其市场增长速度很快，而且背光系统的成本很高，所以将会成为LED背光的一个重点市场。目前LCD TV的背光系统主要是采用CCFL。然而，由于CCFL含汞，欧盟规定从2006年7月1日开始，要对采用CCFL背光的LCD电视机每台增收10美元的废旧电子产品的回收费。根据Insight Media的预测，到2010年，采用LED背光的LCD TV就将在数量上超过采用CCFL的系统。在液晶电视中，采用LED作为背光可以有三种方法：
1、白光LED代替CCFL作为背光
因为通常的白光背光LED是由蓝光LED和黄光荧光粉合成，其光谱离纯白光相去甚远。所以，这种白色LED作为背光只能得到80%NTSC色域，为了得到非常接近天然白光光谱的LED背光，就必须采用红绿蓝三种颜色的LED来合成白光。
2、RGB LED混合成白光后作为背光
要构成白光，所需要的绿光的亮度要最亮，其次是红光，蓝光只要很少就可以了，这也是为什幺通常需要两颗绿光LED的原因。红绿蓝LED通常采用磷化铝铟镓AlInGaP(红色)和氮化镓铟InGaN (绿色或兰色)技术。通常都是在碳化硅（SiC）基底上生成。其中红色的波长为626nm，绿色为525nm，蓝色为450nm。
早期的蓝色LED的发光效率很低，以后采用氮化镓可以提高一倍，再以后采用氮化镓铟又可以提高一倍。这样蓝光LED的发光效率就解决了。采用RGB LED以后，其光谱分布要比CCFL好很多，和彩色滤光片的光谱更加匹配。
在液晶电视机中，最理想采用RGB三色LED来作为背光。这是因为采用红、绿、蓝三色LED来构成白光，则其色域有可能超过100%的NTSC色域。不过在采用红蓝绿三色LED作为背光，其散热将成为一个严重的问题，如何安排RGB LED的位置以及通风孔的位置就是一个十分重要的问题。
为了产生彩色就需要RGB三种LED，如果每个灯的亮度可以控制到4096级，就有可能实现687亿种颜色。通常把同一种颜色的LED串联起来，以得到相同的电流。由于LED的发光通常会受到其本身温度的影响，而且温度还会改变其颜色，所以在高质量的液晶屏中还需要采用彩色传感器和温度传感器，以便随时监测LED的颜色和温度，然后再用PWM来控制各种的发光。
用于LCD TV的背光LED要求有较大的功率，通常每个高亮度LED的压降为3-4V，电流则高达500-700mA。为了驱动如此多的LED，势必需要很高的电压。由于通常LCD TV都是用交流供电的。所以最好采用由交流市电直接整流而得到的电压供电。先把桥式整流得到大约250VDC，直接用来驱动70多颗串联的LED。然后再对LED进行恒流调节。这种转换方案对输入端的功率因子要求很高，所以还需要功率因子校正（PFC）。
目前采用CCFL背光液晶电视机的对比度最高可达100：1，亮度是550；LED背光液晶电视机的对比度达到1400：1，亮度达到900，同时颜色更加丰富艳丽。但是，第一批以LED作为背光的LCD TV还是有一些缺点的：
首先，因为LED的发光效率目前还比较低，大约只有50-60lm/W，虽然要比白织灯高5-6倍，但只有CCFL的1/2。这就造成了这种彩色LED背光的电视机的总效率就很低。例如，Sony 公司采用CCFL的40" WEGA液晶彩电，耗电为290W，而世界上第一个采用彩色LED作背光同样尺寸的液晶电视，耗电达到470W。为CCFL的1.6倍。46"的彩色LED背光的液晶电视，其耗电更高达550W。
其次，LED背光面板的价格相当昂贵，同等尺寸的背光源，LED是冷阴极荧光管价格的3-5倍，而且屏幕尺寸越大，采用LED背光技术的成本就越高。
六、场顺序无彩色滤光片液晶屏
由于LED具有快速开关的能力，因而有可能实现无滤光片的彩色液晶屏。在普通的彩色液晶屏中，每一个象素都是由三个红绿蓝象素构成。这三个象素其实是三种不同色彩的滤光片。这种彩色滤光片会损失光能，其光线的损失是非常可观的，只有4%的光线才能达到最后的输出。而滤色片的损失是非常大的，只有30%的光线可以通过。70%的光线都损失了。而要除去滤色片唯一的方法是直接采用红绿蓝的光源。RGB LED就可以在这里大大发挥作用了。
场顺序的工作原理是这样的：在电视的每一场中，让红、绿、蓝三种彩色的LED背光源依次发光，对所有颜色的背光源，其重复频率为场频的三倍。这样每个象素就只需要一个TFT管，根据这一帧的画面顺序来依次控制红绿蓝三种颜色的亮度。因为每个色彩的光源都已经有了，显然彩色滤色片就不再需要了。而且假如每个象素的尺寸和原来红绿蓝子象素的尺寸一样大，那幺显然同样大小的屏幕和同样大小的子象素，其分辨率可以提高三倍。而且这种分辨率的提高，不是靠缩小象素的尺寸而实现的，这降低了减少良率的风险，这是采用场顺序以后带来的另一个重要的好处。
每一个色场有三个时段，先是红色数据加载，然后是等待液晶稳定，最后是红色LED闪光。其它时段的顺序也是一样的。在CRT电视中，为了避免闪烁，已经把场频提高到70Hz。所以每一种颜色的LED闪光的频率也是70Hz。而闪光的时间只有几毫秒。所以这种方法要求液晶具有快速响应时间，短至3.3毫秒。因为在每一场中只有1/3的LED在发光，这也就降低了功率消耗。而且因为去掉了滤色片的光线损失，LED的数量还可以减少70%。
取消滤色片的好处是很大的。不仅是提高了光传输的效率，而且降低了成本。而且还可以降低工场投资成本，降低生产制程时间。更可以提高成品的良率。去掉滤色片的另一个附带的好处是增大了视角的范围。
彩色滤光片的成本大约占全部液晶屏成本的19-25%左右。而滤光效率的提高，更可以降低电源功耗达60%之多。电源功耗主要是指LED所消耗的功率。这个功率的降低是靠减少LED的数目而获得的。而且电源功耗的降低还可以省去风扇，以及由风扇带来的噪音。因为光能损失少了，所以就不需要那幺多LED了。而LED成本是背光的板成本的77%。LED的数目可以减少70%，意味着这部分成本也可以减少同样的数量。这样整个背光系统的成本就可以从$347.2降低到$158.2，就只比CCFL贵50%左右，如果再加上省去滤色片所省下的成本和提高成品率所省下的费用，采用RGB LED的场顺序背光系统的整个成本就和采用CCFL带滤色片系统的成本就相差无几了。更何况LED本身的成本降低得非常快，所以采用RGB LED的LCD电视成本低于CCFL成本的日子已经很近了。
2005年5月，三菱电机在SID 2005更发表了一款以6色LED搭配双色彩色率光片的LCD，其sRGB比提高到了181%，大约可以涵盖物体色彩的96%。sRGB规格是由微软（Microsoft）与惠普因应CRT Monitor而制定的色域规格，目前包含电视影像播放系统也是采用相当于sRGB规格的色彩领域。
三菱电机的做法是，利用两组3色LED搭配而成，其波长分别为第一组的410nm（蓝）、540nm（绿）、615nm（红），及第二组的430nm（蓝）、510nm（绿）、625nm（红），在每一个帧中，采用场序方式交替点亮。
在显示尺寸为23吋、1280×768、亮度为80cd/m2的面板中，蓝光与红光LED各使用26颗，而绿光LED则使用了56颗发表当天令所有与会者惊讶，面板可以呈现如此高的色彩表现。
七、结束语
长期以来，液晶屏一直采用CCFL作为背光，而近两年来，LED背光异军突起。逐步蚕食了小屏幕的背光市场。明年开始将会大规模地向笔记本电脑背光进军。向更大屏幕的液晶电视的应用也已经开始。虽然LED仍然面临发光效率低，价格高等问题，可喜的是LED产业也存在类似微处理器产业中的“摩尔”——Haitz定律：LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20倍。而CCFL已经是挖掘尽所有的潜力。所以，用不了一两年，随着LED发光效率的提高，LED的数量可以减少，而单价也可以降低，LED的总成本一定可以低于CCFL。
