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1、第十章 背光板和偏光板之種類、材料、結構及其特性 參考資料：1.平面面板顯示器 基本概論 二版 顧鴻壽/周本達/陳密/張德安/樊雨心/周宜衡 編著 出版者：高立 書號：232526 發行日期：2005年8月 2.顯示器原理與技術 趙中興 編著 出版者：全華 書號：03185-01 發行日期：199910-1 前言10-2 背光板的材料、種類及其結構1.背光板的材料及其種類2.背光板的結構及其特性10-3 偏光板的材料、種類及其結構1.偏光板的材料及其種類2.偏光板的結構及其特性10-4 背光板和偏光板的應用領域與未來展望*背光板模組的技術早期台灣無法生產而幾乎地是由日本進口，由於台灣大規模的投
2、資於中段液晶面板的製造，而引發台灣與日本廠商策略性聯盟的在台灣當地進行生產，並直接地供應給面板製造商，以期待能有效地降低製造成本以及提升產品的競爭力。*台灣背光板模組的生產廠家有康竣光電科技、興隆發電子、帝晶光電、大億科技、瑞儀光電、科橋電子、奇菱科技。至於，偏光膜、保護膜、光學補償膜以及抗反射膜等功能性的薄膜，均由日本及歐美各國進口，其中市場佔有率是以日本的日東電工為最大的，而國內則仍未有成熟的量產技術以及生產廠商。 10-1 前言*液晶背光模組(Blacklight Module)可分為直視型(Direct View)和投射型(Projection)，後者僅以液晶投影機為其代表。直視型液晶
3、可分直下式(Direct Type)和邊側式(Edge Side)，前者有發光管的小鋼珠遊樂器和汽車導航系統，以及全面發光的影像攝影機和數位照相機。邊側式的有筆記型個人和影像攝影照相機，以及中空的監視器。*邊側式的背光源模組是目前攜帶式資訊產品的主流。10-1 前言*代表性的背光板光源的分類表10-2.1 背光板的材料及其種類*在邊側式背光板中，主要的發光源有發光二極體(LED)、電激發光元件(EL)、冷陰極螢光燈(CCFL)，其中以冷陰極螢光燈(CCFL)為市場主流，如下圖所示，將其配置於有效發光面的外側，並在有效面上導光而正面的投影方式，其種類可分為使用導光板(Light Guide Pl
4、ate)的方式和不使用導光板的方式。 10-2.1 背光板的材料及其種類*冷陰極螢光登的代表性結構及其發光強度分布示意圖10-2.1 背光板的材料及其種類*一般冷陰極燈管的製造工程可分為玻璃製作工程以及燈管製作工程兩種，在燈管製造工程中有燈管徑工程、管座安裝工程；螢光粉途抹工程、烘烤工程、單端管徑封合工程、排氣及填充工程、水銀撞擊填充處理工程、水銀散佈均勻化工程、老化工程、焊接鍍金工程、登管及外觀撿查工程、包裝外送工程等.*在使用導光板的方式中，其導光板一般為光學透明度高的壓克力樹脂和聚碳樹脂等作為光源傳送媒介，導光板方式可以薄型化且效率都是最高的，故一般用於中、大型的液晶產品。10-2.1
5、背光板的材料及其種類*冷陰極燈管製造流程圖10-2.1 背光板的材料及其種類*若不使用導光板的方式中，則是使用中空導光板或空氣導光板等作為光源傳送媒介，此方法並不會使用一般塑膠板作為導光板，而是利用中空結構中所存在的空氣作為光線的傳播媒介，也因為如此而背光板的整體重量將大幅減少。*在直下式的背光源板中，有發光管方式和全面發光管方式等兩種:而發光管方式中作為發光源的冷陰極管螢光登，有直管型、U字型、V字型和W字型，光源的直射和反射光使其散射成均勻的面光源。*投射方式屬於直下式一種，在大型螢幕上投射，而供多數人觀看之用的液晶投影機內，而使用的超高輝度背光板，將250w的金屬鹵素燈進行集光，並使用透
6、過液晶而將其投射於40吋以上的螢光幕上，單片彩色液晶投影方式最基本結構如下圖:10-2.1 背光板的材料及其種類*單片彩色液晶投影方式最基本結構10-2.1 背光板的材料及其種類*冷陰極螢光燈管是利用水銀原子的激發，而放射出紫外線並使螢光材料發出可見光，其輝度的大小深受水銀蒸氣壓力的影響，在相對管輝度為100%，其管壁溫度為40度c左右，至新，此一新的燈管則是在2mA以下低電流區域，其管輝度值是隨著其管電流值的增加而增加，但在高電流區域而管壁溫度超過40度c，則其管輝度將達到飽合值。10-2.1 背光板的材料及其種類*(a)導光板方式的背光板(b)直下式的背光板(c)全面發光管方式的背光板*直
7、下式的背光板乃是在LCD面板的正下方，將一條或數條冷陰極管並行地排列成面光源方式的背光板，此種方式的特點是螢光燈的發光量可以有效的利用。*邊側式的背光板則由燈管、反射板所持有燈管承接器所成之集光部、光導引的壓克力板、底部印刷有白色點狀圖案及下方設置反射板，以及最後在上方設置有將光擴散之薄膜的導光部所組成。邊側型式背光板是可以使用小口徑的燈管和薄的導光板，因此薄型化和輕量化是有可能的。10-2.2 背光板的結構及其特性*導光板方式 (a) 直下方式 (b)全面發光管方式的不同類型背光板模組10-2.2 背光板的結構及其特性*背光板的要求性能的項目，有亮度(Light Output)、均勻度、消耗
8、電能、壽命以及其尺寸厚度。所使用的液晶種類因STN、TFT、MIN等用途的不同，透光率的程度也有所不同。*一般透光率的改善可經由彩色慮光片、畫像素開口率、液晶材料以及背光板射出光的調控等作法達成*液晶平面顯示器之亮度提升的方法，則是有效利用LCD面板所射出的光線導引到一定方向上，利用設置於擴散板上之透鏡功能的稜鏡板(Prism sheet)可獲得明亮的畫面，但是其視野角度是較狹窄。10-2.2 背光板的結構及其特性*背光板與相關機能(a)薄膜示意圖 (b)視野角特性圖10-2.2 背光板的結構及其特性*由於液晶模組結構的設計，而燈管的電量消耗將產生不同程度的發熱情形，而引發其表示面的顯示性能發
9、生某些的變化。*在低消耗電量的方法，可以從發光源的燈管、燈管電流的提升、燈管電壓的降低和輝度效率的提升等方面進行檢討。如燈管徑、管內氣體種類、壓力、電極結構、電子發射性佳的電極材料;在燈管以外的材料方面，則有提升視角和正面輝度功能之透鏡性薄膜(Len Film)。10-2.2 背光板的結構及其特性*管徑3mm的燈管，當導光體部份厚度變小時，則其背光板相對輝度的值將急速降低10-2.2 背光板的結構及其特性*使用3mm導光板之邊側式的背光板，其能量損失的情形驅動變頻電路的損失75%燈管迴轉的損失15%導光板損失80%LCD面板損失10%10-2.2 背光板的結構及其特性*偏光板指能將自然光轉換成
10、直線偏光的元件，其機能是將入射光作直交而將偏光成份分離出來，一部份通過，一部份吸收、反射和散射，使其能產生遮蔽。偏光膜可分為高分子型薄型偏光板之碘據系聚以烯醇(I-PVA)，以及二色性有機染廖料系兩種量產化產品;此外也有使用所謂的聚乙烯膜(Polyethylene Film)。以及持有光學異方向之分散粒子的散射型薄膜。*在液晶平面顯示器光學特性中，偏光板的影響是很大的，又因顯示又因顯示器用途不同，所需要的偏光板特性也會有所差異。10-3 偏光板的材料、種類及其結構*目前偏光膜的材料，主要是由聚乙烯醇(PVA)材質以及其衍生的化合物所製成的薄膜，還有將PVA高分子膜浸泡於含多價碘離子混合態之碘化
11、鉀水溶液，再將PVA高分子膜在硼酸的水溶液中，以四倍程度使其在單一軸方向延伸，如此則碘分子將配列排置於鏈狀高分子上，形成具有偏光特殊機能的含碘的聚乙烯醇膜。*偏光膜特性的改良方法可PVA延伸工程之高分子鏈之配向控制，以及吸收著之碘的化學狀態最適化處理，偏光膜的透過率約為3848%，且隨著碘的吸收量而改變，又偏光度則是隨著PVA的延伸率而有很大的相依性。10-3.1 偏光板的材料及其種類*TAC薄片製造早期是用木棉棉絨(Cutton Linter)，作為原料，但是因成本價格的問題，而改換成木材的紙漿料，製出純紙漿後，再經行醋化反應，最後形成TAC薄片，反應過程如下頁圖。*在此一階段反應中大部份的
12、經基(Hydroxyl Group)，因醋化反應可達62.5%醋化度，若進一步加水的話，分解後，一般的TAC薄膜材料的醋化度約在61%。TAC的分子結構中，因存有塊狀似的乙腌基(Acety1, CH3CO-)而使其吸水率變大，而因吸水後易發生捲曲現象，故在顯像處理時必需將其恢復成平滑的平整狀態，其TAC和PET材料之潤濕時間和吸水率及捲曲值的關係圖如下頁圖10-3.1 偏光板的材料及其種類*三醋酸纖維素(TAC)的反應過程和分子結構10-3.1 偏光板的材料及其種類*TAC和PET材料之潤濕時間、吸水率以及捲曲值10-3.1 偏光板的材料及其種類*在各種有機高分子材料或塑膠材料中，一般均會添加
13、15wt%左右的可塑劑，以使材料的溶融溫度和溶融粘度降低，並容易成型加工、溶劑的乾燥性快且成膜速度容易提升、防污性、反射防止性、耐刮傷性、防眩性、耐衝擊強度、耐折斷強度、難燃性、吸濕性、以及最後產品之柔軟性等各種力學特性的改良。*TAC添加可塑性之基本特性的要求，有相溶性佳且無折出現像，目前最廣汎使用的可塑劑是三笨磷化物(TPP)，其雖燃性、蔬水性及乾燥性都非常優越，但其相溶性不是太好，需要加入溶化劑可以解決問題。10-3.1 偏光板的材料及其種類* TAC薄膜的製作方法，有壓延法(Calendar)、溶融壓出法，溶液 製膜法等一般都是使用溶液製膜法，其程序是在TAC薄片屑， 添加混合溶媒和可
14、塑劑,並使用其溶解的溶液經過過慮，再其使 其覆蓋鏡面之鼓面和板面上，求次是在乾燥區域進行乾燥和搬送 ，並使其由支稱體的表面剝離而捲曲包裝。 *溶液製膜法的優點有均一的平面形狀和光學等方向性，但是其 製膜速度是很慢的，而且不合符經濟效應生產效應。 *偏光板用保護膜是貼附於偏光板的兩面，其功能除了可增加強 度以外對於光熱和濕度也具有某些程度的保護作用。 *平面顯示器視野角度括大的需求性大，一般在看液晶顯示器角 度傾斜時，表示影像的對比度降低，全黑或全白的影像不清楚的 畫面，而這些都是液晶晶胞中的向列型(Nematic)液晶分子的複 折射變化效應所造成，若可以有效的利用廣視野角薄膜材料，就 可以防止
15、黑色部份的光洩露。10-3.1 偏光板的材料及其種類*最近廠商開發出偏光板一體成型視角擴大用TAC膜，其特點是有兩倍的複折射性、可使面板總厚度減少約200m且光有透過率提升2%，其作法是在液晶胞中央部份幾乎垂直排列之液晶分子，擔任光學補償的兩片TAC膜的位相膜或光學補膜，以增加其功能性而減少一個片數，尤其是增強其複折射之光學功能，而可部份地減少一個片數。*光學補償膜的發展，是起源在因陰極射線管的表面做反射防止之用的光學測定時的補償膜，即是將直線偏光膜和1/4波長膜組合後，獲得圓形偏光或圓偏光並採用為光反射防止材料，後來成功應用在STN-LCD的無彩化技術。*從一方入射的光線在液晶晶胞內扭曲性液
16、晶，利用此一扭曲性而將直線偏光進行偏光補償作用。10-3.1 偏光板的材料及其種類*延伸法而有不同的複折射率其模式的類型*利用此一複折率的異方向性，進行色補償和視角補償等10-3.1 偏光板的材料及其種類*位相差模膜的特性取決於材料的基本特性，如透明性、耐溫濕性、光學均一性、加工性、複折率和折射率其波長分散性，其複折射率的均一性和複折射率的視野角特性，將受其加工方式不同而有所變化。一般所使用的光學補償薄膜，是由耐熱性的聚碳酸樹脂高分子配向成膜後，並烘乾進行熱延伸處理，以獲得最終的延伸性高的高分子膜製品。*有效利用位相差膜的加成性，製作出積層型光學補償膜時，將可以實現寬廣範圍領域的波長分散特性，如下頁圖。10-3.1 偏光板的材料及其種類*一般1/4波長()膜和寬廣領域化的1/4波長()膜之反 射光譜改善圖10-3.1 偏光板的材料及其種類*偏光膜是僅允許一定方向波面之光線通過的元件，並使電場 作用下的液晶的配向產生變化，呈現清晰的畫面，故偏光膜對 液晶平面顯示器的光學特性有很重要的影響 *如下圖所示，上到下為表面保護膜或丙烯系25m粘著劑層和 40m離
