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1、才LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板 2004-8-20 -文章作者:台湾工研院光电所 高弘毅 文章来源:EEDesign前言 液晶显示器(LCD:iquid Crystal Display)的背光照明单元(Back Light Unit；以下简称为BLU)是由冷阴极灯管(CCFL:Cold Cathode Fluorescernt Lamp)、CCFL反射膜片(reflector sheet)、导光板(LGP:Light Guide Plate)、LGP反射膜片、扩散(diffuser) 膜片等组件所构成(图1)。为了要提高LGP的光使用效率，通常会在LGP表面设计某些光学机制(dev
2、ice)，或者是在LGP内添加材料等两种方法。背光照明单元使用的光源分别有EL(Electro Luminance)、LED(Light Emitted Diode)、CCFL(Cold Cathode Fluorescernt Lamp)等三种；EL与LED方式主要应用于PDA(Personal Digital Assistant)、移动电话等小型液晶显示器的背光照明单元；CCFL则是应用于NB-PC(Note Book Personal Computer)等大型可携式产品。 如图1所示冷阴极灯管外侧的CCFL反射膜片呈拋物线状(parabolic)将CCFL包围，由光源产生的白光透过该反射
3、膜片反射至由压克力制成的导光板内。导光板主要功能是藉由光散乱原理将入射的平行光转换成平面垂直光，之后再经过扩散膜片使导光板射出的光线扩散与偏向，最后再经由两片表面成连续锯齿沟槽状的集光棱镜膜片，使光线在xy方向集光并调整光线发散角度。 图1 背光单元的基本结构 导光板的种类 (a)散乱式印刷导光板 如图2所示传统的散乱式导光板底面印刷白色浓淡(gradation)网点使入射光散乱，散乱光的浓淡取决于网点的直径与分布密度。网点的材质是由UV胶、二氧化钛、硫化钡混合黏稠液所构成。如图3所示网点直径在灯源入射端为250m，远离灯源端亦即导光板的端缘的网点直径为1250m。利用网点散乱的光线由导光板表
4、面射出，部份从导光板侧面与底面逃漏的光线则再度回到导光板内，被导光板周围的反射膜片反射至导光板。设于导光板正面的扩散膜片具有两种功能，分别是将入射光扩散至集光棱镜膜片；另一功能是减弱导光板表面的网点形状。扩散膜片上方之三角断面状第一片集光棱镜膜片与冷阴极灯管成直角方向(y方向)设置，第二片集光棱镜膜片再与第一片成直角铺设，藉此特殊设计收敛xy方向的光线，同时再次淡化导光板表面的网点形状与楔形导光板特有的横缟(灰色横纹)。 (b)散乱式射出成形导光板 具体方法是利用精密蚀刻技术将射出成形的模芯微细加工成上述网点形状，再利用塑料射出成形机制作导光板，图4与图5是利用射出成形法所制成的导光板散乱模式
5、与散乱spot的直径、浓淡分布密度。 (c)反射式射出成形导光板 如图6所示它是利用超精密加工技术在导光板底面制作微细光学镜面，使导光板内的光线反射，这种方式会因制作方法使得散乱要因消失。具体制作步骤是将射出成形的模芯微细加工成圆状微形反射镜面(Micro Reflector；以下简称为MR device)，之后再利用塑料射出成形机制作导光板，MR系设于导光板底面与导光板形成一体(图7)。 如图8所示具数组状MR device的导光板可将入射光全反射，主要原因是MR device的表面很平滑，因此入射光不会有反射散乱与能量损耗等问题，也不会发生波长分散现象，除此之外还可藉由导光板入射光与MR
6、device的形状变化控制出射光的方向。图9是入射至导光板内的光线与MR device的反射机制概念图；图9是利用雷射显微镜所拍摄的MR device照片，MR device的直径为100m，高度为10m，spot的大小祇有传统散乱式印刷导光板的1/41/8。 换言之由于数组状MR device导光板的spot直径变小后，相对的可淡化spot形状的扩散膜片厚度亦随之变薄，光线穿透率则大幅提高。一般而言12.1吋大小的数组状MR型导光板底面的MR数量大约有100万个。为了检讨MR device的加工精度，因此将导光板的纵横向各分割成六等份，并在各线交点上直径10mm圆内作三点随机取样(rando
7、m)，量测各点的MR device直径与高度的平均值。总数27个MR device的平均直径为，平均高度为时，直径的误差分布如图11所示约为2m以下，高度的误差分布为1m以下。依此量测结果可确定制程的稳定性，同时还可推论部份变化的互动要因。(d)折射式射出成形导光板 折射式导光板是改良自反射式导光板，主要差异是MR device数组变成micro deflector数组(以下简称为MD device)，也就是说导光板底面是由微小偏向device所构成，入射光被MD device的凸面折射。MD device的表面如图12所示为镜面曲线状，因此不具光散乱的要素，折射光的仰角被导光板法线以大角度方
8、向射出。MD device的直径为30m，高度为5m。实际上MD device数组是先经过光学设计，再制成塑料射出成形模具的模芯(Optical Insertion；以下简称为OPI)，之后再利用塑料射出成形机制作导光板。 折射式导光板可将入射光锁闭于导光板内，并转写于内侧可产生全反射之三角沟槽，进而达成提高光使用效率，与单棱镜构造之光学最高境界(图13)。 是图14 MD式导光板与内部全反射棱镜膜片(TIR:Total Internal Reflection)将导光板射出的光线方向变成导光板法线方向，亦即光线射出仰角变小的动作模型。 光学设计 导光板的几何外形与辉度分布是由各液晶显示器厂商决
9、定，为了设计导光板的光分布通常是利用导光板内的光线追迹，与导光板的形状推测光线射出的强度。导光板内的导光是全反射所造成的，因此由导光板射出的光线并无法完全满足该条件。例如以平板状导光板为例，如果光线完全符合全反射的条件时，临界角出射光就不存在，类似这种型式的导光板就必需在它的底部与正面设置MR device。 导入冷阴极灯管的管径、长度与拋物线外形之灯管反射膜片等各项参数(parameter)，有了这些参数便可假设推测背光单元表面的光强度分布。此外亦可利用LIGHT TOOL公司的背光单元用光学设计软件，针对光强度分布推测值决定MR或是MD的位置。MR与MD device的密度是二维浓淡图案(
10、pattern)，它是由如图15所示复数个一维浓淡图案所构成。图中的参数W表示导光板的宽度与光搬运方向的长度。 图6是使用U型冷阴极灯管之背光照明单元的与光强度分布分析结果。设计时已经把压克力的折射率、塑料射出成形的收缩率等诸元值列入考虑，因此利用光学设计软件获得的结果可直接转用于生产单位，适用范围最大可达18吋导光板。根据实际作业统计数据显示，反射式导光板的MR device数量因导光板外形大小而不同，以10.4吋导光板而言，MR device数量约为100万个，MR device的直径为1002m，高度为101m。事实上12.1吋散乱式印刷导光板如果改成MR device导光板时辉度可提高
11、310%。表1是13.3吋MR device导光板与散乱式印刷导光板的比较结果，表中的平均辉度以Lvave表示；辉度不均U则以(Lvmin/LvmaxX100)表示。量测时是把背光照明单元纵横分成6等份，量测背光照明单元周围六分之一残余辉度数据合计9点的资料，由表1的量测结果得知MR device导光板的辉度比散乱式印刷型导光板高11%。 表2是12.1吋背光照明单元更换不同导光板、扩散膜片、棱镜膜片的辉度差异比较。 假设: 1.散乱式印刷型导光板搭配PCM1扩散膜片与低收旋光性之H210棱镜膜片(xy方向)的背光照明单元辉度为100%时， 2.上述相同的光学膜片搭配 3.MR式导光板的辉度增
12、加率为107%(表中的B1)。 R.MR式导光板搭配高穿透性扩散膜片时，辉度增加率为110%(表中的B2)。 3.散乱式印刷型导光板搭配PCM1扩散膜片与高收旋光性之BEF 棱镜膜片(y方向) 时，辉度增加率为116%(表中的C)。 4.散乱式印刷型导光板改为MR式导光板时，辉度增加率为125%(表中的D1)。 5.扩散膜片改为高性能之D117T时，辉度增加率为127%(表中的D2)。 由表2可知MR式导光板导光板各种高性能光学膜片时，可大幅提高背光照明单元的辉度。 表3是使用MR与MD式导光板之13.3吋背光照明单元的辉度量测结果，由表3可知MR式导光板导光板的辉度比印刷式导光板高10%，这
13、意味着MD式导光板辉度是印刷式导光板的1.4倍。 有关背光照明单元的视角特性，它是利用坐标法量测各角度的特性分布。图17的角度是指方位角度，有效范围是003600 ：角度是指仰角，有效范围是00900 。 图18是侧边入光(edge type)楔形(wedge)MR导光板所构成的背光照明单元视角特性，量测位置是13.3吋背光照明单元的中心。图18(a)是从导光板的射出光，在900 仰角附近的光学特性；图18(b)是导光板上粘贴扩散膜片时的偏向射出光，在450附近的光分布最大值特性；图18(c)是扩散膜片表面再粘贴一片集光棱镜膜片时的椭圆形视角特性；图18(d)是粘贴第二片集光棱镜膜片时，所获得
14、的玉米颗粒状的视角特性。在该特性中存有side lob，也就是说光能量未从导光板表面法线方向射出。所谓的side lob能量通常被视为背光照明单元的光损耗。此外由图18可再次验证集光棱镜膜片具有支配玉米颗粒状的视角特性的效应。图19是MD式导光板视角特性与TIR集光棱镜膜片的视角特性。相对于MR式导光板，MD式导光板具有集光效应亦由图19获得证实，而且图中完全没有side lob的光损耗迹象，依此获得以下结论:设计高效率光照明单元时，必需考虑MD device的大小与TIR集光棱镜膜片的棱镜夹角。 图18 侧边入光式楔型MR导光板之背光照明单元的角度特性 光散乱聚合物导光板 所谓的光散乱聚合物
15、(polymer)导光板是在聚合物矩阵(matrix)内形成微细(micro)不均一结构，使聚合物导光板具备光导波与扩散射出光线之机能，进而获得高辉度照明用光散乱效应。换言之光散乱聚合物导光板是控制可吸收光线之微细不均一结构的相对折射率与不均一结构的大小，获得多重光散乱效果，使光线在没有损耗的环境下均匀且朝特定方向扩散射出。图20(b)是光散乱聚合物导光板所构成的背光照明单元，一般而言它的辉度比传统背光照明单元高二倍左右。 在密度均匀的媒体中若存有折射率相异的两种材料时就会引发光散乱现象，如果能够控制材质相异之不均一结构时，就可控制散乱光的特性。光散乱聚合物就是根据光散乱理论与多重散乱分析法，精密控制这种不均一结构，进而达成液晶显示器的背光照明单元实用化的目标。 (a).光散乱理论 利用下式(1)(5)Mie散乱理论可求出真圆球状粒子的散乱光强度分布I(,)。 图21是由单一粒子求得的散乱光强度分
