棱镜片在背光源下的应用研究.docx

棱镜片在背光源下的应用研究.docx

《棱镜片在背光源下的应用研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《棱镜片在背光源下的应用研究.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

棱镜片在背光源下的应用研究

摘要

平板显示中的液晶显示,用途非常广泛,使用量很大。

而随着液晶显示器的大量应用,其背光模组的组成元件也逐渐被人们所关注。

尤其以棱镜片为最主要的技术和成本所在。

本文主要通过在背光模组中改变棱镜片结构，来研究棱镜片中央辉度增益效果与基材厚度、UV胶的折射率及棱峰走向的关系。

最后总结出棱镜片基材厚度对其增益效果没有影响，为使棱镜片获得最好的增益效果应使棱峰走向与线光源平行、提高UV胶的折射率。

但是提高UV胶的折射率必定会增大成本的投入，且有更高的技术要求。

因此在生产应用中还需与实际要求相结合。

关键字：

背光源、液晶显示器、棱镜片、UV胶

Abstract

LCDflatpaneldisplayhasaverywiderangeofgreatuse.WiththelargeuseofLCDapplications,thecompositionofthebacklightmodulecomponentshavebeenofgreatconcerntothepeoplegradually.Particularlyprismfilmiswherethemostimportanttechnologyandcost.

Inthispaper,theaimistostudytherelationshipamongthebrightnessgainofthecentralprismfilmandthesubstratethicknesseffect,UVgluetotherefractiveindexandthepeakedgebychangingthroughthebacklightprismsheetstructure.Atlast,itdrawsaconclusionthatthethicknessoftheprismsheetsubstratedoesnotaffecttheirbuffs.Inordertomaketheprismfilmbuffshavethebestbrightnessgain,itshouldmakethepeakedgeparalleltothedirectionandlinesourceandtrytoimprovetherefractiveindexofUVglue.However,inordertoimprovetherefractiveindexofUVglue,itwillcertainlyincreasethecostofinputsandhavehighertechnicalrequirements.Therefore,itneedstocombinewiththepracticalrequirementsinproductionapplications.

Keywords:

backlight、Liquidcrystaldisplay、prismsheets、UltraVoiletcuringadhesive

目录

第一章绪论1

1.1液晶产业的发展现状1

1.1.1国外研究现状3

1.1.2国内研究现状4

1.2背光模组的简介5

1.2.1背光模组的分类5

1.2.2背光模组的架构6

1.3棱镜片主要的工艺技术方法9

1.3.1棱镜片的工艺技术体系9

1.3.2棱镜片生产工艺技术流程10

1.4棱镜片的发展趋势10

1.5课题的主要研究内容与意义12

第二章实验部分13

2.1棱镜片的聚光原理13

2.2各厂商不同系列棱镜片结构14

2.3实验仪器简介17

2.3.1直立式光学量测机台17

2.3.2USB2000+量测原理与操作SOP18

2.1.3CS1000T量测原理与操作SOP19

2.4实验方法介绍20

2.4.1实验film材简介20

2.4.2实验步骤21

第三章实验的数据与分析23

3.1基材厚度对棱镜片增益效果的影响23

3.2涂布的UV胶折射率对棱镜片增益效果的影响24

3.3棱峰走向对棱镜片增益效果的影响26

第四章实验总结29

参考文献30

致谢31

第一章绪论

1.1液晶产业的发展现状

21世纪是资讯大爆炸的时代。

资讯的平均年增长率到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人速度。

大量的资讯通过“资讯高速公路”传送者，要将这些资讯传送给人们必然要有一个下载的工具，即介面的终端。

研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得的资讯中，视觉占60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占3%，嗅觉占2%。

可见，近三分之二的资讯是通过眼睛获得的。

当然，也可以将资讯以文字或语言的形式表达出来，但其每分钟能够传送的信息量只能是几百个位元组，有时还不一定能够表达清楚，而用图像来传达资讯就快得多，一幅电视图像由几十万个图元组成高清晰度的电视图像可达到百万个图元，并且一目了然，比任何口头叙述或文字描写都清楚，这就是所谓“眼见为实”。

所以图像显示为资讯显示中的最重要的方式。

目前LCD显示设备已广泛应用于笔记本电脑、台式电脑、数位照相机、手机萤幕、个人游戏机、PDA、车载电视、高清晰度电视、投影显示器、摄像机监视器、工业监视器、车载导航系统、取景器等领域。

随着工艺技术的进一步发展和成本价格的不断下降，LCD必将迎来更广阔的市场前景，其主要优势体现在：

1.精确还原图像，效果逼真无失真。

LCD采用直接数码定址的显示方式，它能够将显卡输出的视频信号一一对应的显示在萤幕的液晶图元上。

而CRT是靠偏转线圈产生电磁场来控制电子束在萤幕上周期性的扫描来达到显示图像的目的。

由于受到环境磁场或地磁的影响，无法做到萤幕上的绝对定位。

所以CRT无法根本消除画面的几何失真，线性失真。

而LCD在影响画质方面则更清晰、精准，在色彩表现方面则更真实、饱和。

2.清晰显示文本，画面稳定不闪烁。

LCD显示器的各个图元排列紧密且发光均匀，三基色的视频信号能直接送到图元背后，因此不会出现CRT显示器固有的会聚以及聚焦不良等弊病，显示文本时完全不会出现字体模糊、泛色等现象。

另外CRT显示器是靠电子束重复撞击到萤光粉来达到发光的目的，这样会导致亮度周期性闪烁，长时间使用容易造成人眼的不适。

3.纤薄轻巧，节省空间。

这种两片导电玻璃中间灌有液晶薄形盒的平板结构，突出的优点是开口率高，有利于作显示视窗；显示面积宜大宜小；成本低，便于大量自动化生产。

以15英寸的显示设备为例，CRT的深度一般接近50cm，而LCD的深度却不到5cm。

4.零辐射，无污染。

LCD不存在类似CRT内部的超高压元件，不至于出现由于高压导致的X射线超标；相比于PDP的高频电磁辐射，LCD的结构电路简单，模组化以及晶片的高集成化将电磁辐射降到最低；而考虑到散热，CRT不得以在遮罩罩上钻孔，导致辐射的泄露。

5.功耗低，寿命长。

CRT显示器需要加热电极元件使电子枪以极高的速度发射电子束，消耗了很大的功率；而LCD显示器的电能只耗在电极和驱动IC上，因而耗电量要小得多。

一台15英寸LCD显示器功耗大约是一台17英寸CRT显示器的1/3左右。

而相比相同萤幕的PDP，耗电量不到一半，寿命则长一倍以上，具有远优于PDP的长期稳定性。

LCD是目前平板显示领域中成熟度最高、发展最快、应用面最广、市场价值最大的一项技术[1]，涉及半导体、光学、微电子、化学材料、精密机械等众多高科技领域。

其制造产业，历经20年的快速发展，目前已成为一个规模庞大的新兴高科技产业。

目前可达300～400cd/m的亮度和17ms的回应速度；尺寸跨度从1.3cm的手表用液晶晶片到127cm的液晶电视[2]；解析度从早期的VGA（640×480）发展到现在的QUXGA（3200×2400）。

2000年-2003年，LCD的产值增长率达到58%。

2004年曾创下总额高达486亿美元的产值，成为全球IT制造业的第一大产业。

目前产业基地主要集中于日本、韩国和我国的台湾地区。

图1.1显示技术的发展趋势

1.1.1国外研究现状

日本是世界上LCD产业最发达的国家，也是全球最大的液晶显示器模组生产基地之一。

全球十大LCD厂家日本占其七，其中SHARP公司占据了全球LCD市场相当可观的份额。

2000年，日本TFT-LCD的产值已超过110亿美元，大多数着名的制造商在邻近的国家和地区都设有海外工厂。

日立等六大日本电子厂家联合出资设立了“液晶端技术开发中心”，其工作目标有两个：

一是开发节能型生产技术，减少装置的制造工序，力争将制造过程中的电力消耗减少50%；二是开发超薄和耗电少的液晶显示装置。

对这个开发机构的投资总额为5000万日元（约合43万美元）。

目前日本在LCD的技术和产业化规模方面总体上居世界领先地位，索尼、三洋和爱普生公司都已生产出解析度达到1366×768或者1280×720的LCD前投影机，索尼、Zenith和松下公司也都生产出50~60英寸的LCD背投电视。

但面对韩国等国家和地区生产成本低廉的挑战，日本产品的国际竞争力近年来相对地削弱了，迫使他们不得不调整产业政策，转向中小面板领域发展，设立新的研发机构，组成联合阵线，致力于面板产业链上游和高端产品领域的布局，以期实现差异化的竞争定位。

以三星、LG和现代为代表的韩国LCD生产企业发展极其迅速，拥有自主的知识产权已成为韩国厂商核心竞争优势的一个重要组成部分。

其发展战略是建立国际上最高水准的液晶显示器产业，不惜钜资引进先进的设备和技术，力图在短时期内建立先进的产业基地[3]。

为打破日本的垄断，他们从1997年开始相继投入20多亿美元，兴建TFT-LCD工厂，并且年增长率高达138.6%，2000年产值已超过58亿美元。

在大尺寸LCD方面，LG-Philips和三星仅2000年就投入20亿美元建第五代生产线。

目前LG-Philips20寸和三星24寸的快速响应LCD已大量投放市场。

2002年，产量已全面超过日本，分别占全球LCD市场份额的25%和21%，列世界第一位和第二位。

美国曾经是LCD技术的发源地，但是目前其LCD产业谈不上规模，无法与日韩相比。

其他欧洲国家LCD的产业规模也不大。

这并不是欧美国家缺乏建资金和技术，而是他们认为自己做LCD模组不如买日韩的成品划算。

而在背光源系统开发方面，美国的3M公司（MinnesotaMiningandManufacturingCompany）发展卓着，它是世界着名的产品多元化跨国企业。

其利用创新的显示增强薄膜技术开发的光学增亮膜系列产品，满足了手持产品彩色显示幕的增光需求。

在显示幕的背光源中采用新技术，包括微复制棱镜薄膜、多层反射型偏光片、精密涂布和各种新型材料，显着增强了背光照明的亮度，提高了显示均匀性[4]。

1.1.2国内研究现状

在我国，台湾省的LCD产业发展最快，它也是全球液晶显示器的重要生产基地。

当地的液晶显示器公司和它们的海外生产线现已几乎占全球液晶显示器模组营业额的30%。

2000年，台湾的LCD总产值已超过27亿美元，排名世界第三。

2003年的年增长率已达到29%，超过韩国而排名世界第二。

中华映管公司、华新丽新公司已经可以月产12-15英寸的LCD达2到3万件。

其主要液晶显示器厂商有元太、联友、瀚宇、达基、奇晶、厅美、广辉、统宝、中华映管及南亚等，主要海外市场为美国、欧洲和东南亚。

台湾的崛起，除利用了市场机遇外，政府的大力扶持、相对完备的电子产业体系以及先进的半导体制造能力等因素都不可忽视。

我国大陆的液晶显示器产业在时间上基本与世界保持同步，时滞不是很明显。

通过政府的产业政策引进生产线和投资，我国的液晶显示业已经形成，但发展根基不够牢靠，其中的深圳天马、无锡夏普、广电电子、汕尾信利、河北冀雅、上海海晶、鞍山三特、汕头超声、吉林紫晶、京东方等是我国处于领先优势的液晶企业。

2004年以来，我国的LCD出口保持持续快速地增长。

2005年，产量已占全球的43%。

在未来的4年，预计产量将达到50%，成为世界最大的LCD生产国。

现阶段我国的LCD显示产业处于一个机遇与挑战并存的关键时期，作为全球最大的消费类电子市场，处于尽可能的接近客户及降低成本的考虑，整个面板制造产业尤其是低端的PC类面板向大陆转移的趋势不会改变。

如何以国际产业结构调整为契机，在未来发展空间已完全打开的局面下，打造以自主知识产权为基础的核心竞争力，摸索出一条适合自身的产业发展壮大的可行之路，是目前我国大陆厂商需要理性思考的问题。

我国LCD背光元件的生产厂家主要集中在广东，目前在广东不少于10家塑胶厂想进入导光板行业，但相继失败了2-3家，后面的厂家是想试又没把握。

其最大原因在于他们不具备高精细加工技术与设备和开发设计人才。

而彩屏液晶用的导光板,其技术难度更大,设备要求更高；部分加工技术已涉及到纳米技术。

目前该产品基本由日本和韩国所垄断:

国内的日资背光源企业（斯坦雷占日本背光源市场12%、西铁城、日本友池、日本卓华）导光板均100%来自日本国内，国内基本还没有厂家生产导光板和日本背光源企业直接配合。

棱镜片由于涉及到大型超精密模具加工的单点金刚石机床，国内不能生产。

由于我国这一基础工业的缺失，导致至今国内不能生产棱镜片，特别是用于TFT-LCD彩色电视机的大尺寸棱镜膜片，在液晶显示产业风起云涌之时，棱镜片生产仍然是国内空白[6]。

从技术实质来讲，背光模组是超大型的微细光学结构透镜组，由导光板、扩散片、棱镜片组成。

棱镜片的主要功能是凝聚光线、提高正面亮度。

1.2背光模组的简介

背光模组其主要由光源（包括冷阴极萤光管（CCFL））、热阴极萤光管、发光二极体（LED）等）、灯罩、反射板（Reflector）、导光板（Lightguideplate）、扩散片（Diffusionsheet1-2片）、增亮膜（Brightnessenhancementfilm1-2片）及外框等组件组装而成，其中光学膜片与导光板为最主要之技术和成本所在。

作为被动型显示器件，液晶靠调制外光源实现显示。

液晶显示器通过高亮灯管发光，由灯管反射膜将光线反光平行射向导光板，导光板具有光线吸收及反射作用，在底部反光板的作用下，平行的投向偏光膜，然后透过液晶分子，继续通过上层偏光膜最终成像[7]。

在导光过程中，为了利用反面漏出的散射光设置了反射板；为了缓解辉斑设置了扩散板；为了增加正面发光强度增加了棱镜板。

这些导光与增亮部件的应用，保证了系统获得高亮度、均匀的平面光源，目前已成为LCD背光照明系统的主流模式[8]。

1.2.1背光模组的分类

一般而言，背光模组可分为前光式（Frontlight）与背光式（Backlight）两种，而背光式可依其规模的要求，以灯管的位置做分累，发展出下列三大结构。

侧光式结构（Edgelighting）：

发光源为摆在侧边之单支光源，导光板采射出成型无印刷式设计，一般常用于18寸以下中小尺寸的背光模组，其侧边入射的光源设计，拥有轻量、薄型、窄框化、低耗电的特色，亦为手机、个人数位助理（PDA）、笔记型电脑的光源，目前亦有大尺寸背光模组采用侧光式结构。

直下型结构（Bottomlighting）：

超大尺寸的背光模组[9]，侧光式结构已经无法在重量、消费电力及亮度上占有优势，因此不含导光板且光源放置于正下方的直下型结构便被发展出来。

光源由自发性光源（例如灯管、发光二极体等）射出由反射片反射后，向上经扩散板均匀分散后于正面射出，因安置空间变大，灯管可依TFT面板大小使用2至多之灯管，但同时也增加了模组的厚度、重量、耗电量，其优点为高辉度、良好的出光视角、光利用率高、结构简易化等，因而适用于对可携性及空间要求较不挑剔的LCDmonitor与LCDTV，其高消费电力（使用冷阴极管），均一性不佳及造成LCD发热等问题仍需要求改善。

中空型结构：

随着影像要求的尺吋增加，LCD也朝更大尺寸的方向发展，现在这类超大型的LCD被拿来当作监视器及璧挂式电视，不仅要求大画面、高亮度及轻量化，在电器上亦要求高功率下的低热效应，近年来发展的中空型结构的背光模组，使用热阴极管作为发光源。

此结构以空气作为光源传递的媒介，光源向下被棱镜片镜片与反射板对方向调整及反射后，一部分向上穿过导光板并出射于表面，另一部分因全反射再度进入中空腔直到经折反射作用后穿过导光板出射，而向上的光源或直接进入导光板出射，或经一连串哲反射作用再出射：

导光板的形状为楔型结构，目的在求均一化的效果[10]。

1.2.2背光模组的架构

背光模组的主要组成为发光源（Lightsource）、导光板（lightguideplate）、胶框（housing）、反射片（Reflector）、扩散片（Diffuser）、增光片（BEF、棱镜片）、黑白胶（CurtainTape）等。

由于背光要求越来越薄，所以有部份需加铁框（METALFRAME）。

背光模组主要系提供液晶面板一均匀、高亮度的光源，基本原理系将常用的点或线型光源，透过简洁有效光机构转化成高亮度且均一辉度的面光源产品。

一般结构为利用冷阴极管的线型光源经反射罩进入导光板，转化线光源分布成均匀的面光源，再经扩散片的均光作用与棱镜片的集光作用以提高光源的亮度与均齐度[11]。

在此我们就背光模组的几个基本构成组件做些介绍。

首先来看一下背光模组的组成框架图：

图1.2背光模组架构图

1、背光源（Backlight）

我们知道，液晶面板本身并不发光，需要通过光源来照亮，所以无论液晶面板的设计多么出色，但最终决定色彩的关键还是在于光源。

由于液晶显示器件本身具有纯平面、显示精细等特性，所以它需要一个亮度高且均匀的背光源。

背光源（BackLight）是位于液晶显示器（LCD）背后的一种光源，它的发光效果将直接影响到液晶显示模块（LCM）视觉效果。

目前各个领域常用的背光源[12]主要有：

发光二极管（LED）、卤钨灯、电致发光器件（ELD）、冷阴极荧光灯、阴极发射灯（CLL）和金属卤化物灯等。

源于光路设计的需要，CCFL仍然是现阶段采用的主要光源，CCFL荧光灯发光功率高，其寿命可达2万小时，是现阶段TFT-LCD较理想的光源，但随着LED光源的出现，使LCD背光模组更有利于向更大更薄的方向发展，相信不久的将来，以LED作光源的背光模组必将成为LCD的主流产品。

相比于传统的CCFL，它具有以下优势：

.相比于管状的CCFL，平面状的LED更容易组合成即定面积的面光源，具有出色的亮度均匀性；

.普通CCFL的色域在70%NTSC色域范围左右，而LED的采用可使其达到100%NTSC色域范围，所以LED具有更广的色域范围，色彩表现力更佳；

.CCFL的寿命一般只有2万小时，而LED产品的实际使用寿命为5万至6万小时，与LCD显示屏的使用寿命基本一致；

.LED使用的是6～40V的低压电源，安全可靠且相对同等尺寸的CCFL省电48%，供电模块的设计也更简单；

.LED不需要使用对环境有害的金属汞，更加环保；

.LED的亮度变化大约是CCFL的5倍，颜色变化为5至7倍；

表1.1CCFL与LED的性能对比

项目

LED

CCFM

小型化

点光源

线光源

轻薄化

优

可

成本

高

低

使用寿命

5-6万小时

2万小时

耗电量

高

低

发光效率

20-30lm/w

60-70lm/w

高辉度化

5-12lm/w

80lm/w

色彩表现力

强

弱

色域

NTSC105%

NTSC65-75%

散热难度

易

难

绿色环保

无汞

含汞

2、反射片（Reflector）

其主要作用是反射从LGP中的透射光以及反射光，提高光的利用率。

一般侧光式背光模组反射片放置于导光板底部，而直下式背光模组置于灯箱底部表面或直接粘贴在上面。

3、导光板（LightGuidePlate）

由于轻薄化的需求，故需结构调整，将光源设置在侧端，利用导光板，通过光的全反射和折射将点光源光或线光源转化为面光源，为液晶盒提供一个均匀理想的背光源。

图2.3锲型结构导光板

导光板适用于靠近灯管处，并且上表面与其他film材贴合，会因受热形变、吸湿形变或被其他film材刮伤；因此热形变温度高、高折射率、高全光透过率、吸水率小、硬度较高的材料更适用，与此同时还需要考虑到成本问题。

综合以上几个因素会选用光学级PMMA作为导光板基材。

4、扩散片（DiffusionSheet）

扩散膜主要起混光作用，由于扩散膜基材上附有大量的散射粒子，因此光线在经过扩散膜时，会不断地在折射率相异的两介面发生折射、反射与散射将光线打散以达到雾化效果，将PrismSheet之缺点模糊化,减轻炫光现象，增广视野，使出射光均匀化并且保护PrismSheet,避免Prism受物理性破坏。

5、棱镜片（prismsheets）

棱镜片也称增亮膜，是在透明性非常好的PET表面，使用丙烯酸树脂，精密成型一层均一的棱镜图案的光学薄膜。

将其组装在背光源前面，将光源发出的光向显示设备使用者方向聚集，可很大程度提高正面亮度。

（两片正交使用情况下,有模竖BEF）。

并且，视角外未被利用的光，根据光的再反射效应被循环利用，并以最适当的角度聚集向使用者。

1.3棱镜片主要的工艺技术方法

1.3.1棱镜片的工艺技术体系

棱镜片最关键的技术是在辊筒上雕刻棱形花纹技术[13]。

透镜挤压生产中，透镜挤压辊筒加工技术直接影响产品的棱形透镜成型质量。

目前世界上通行的做法是加工好的钢辊上镀上一层硬度较低的金属，如铜等金属，使用金刚石刀具加工所需要的微细棱形结构表面。

这一层表面是无法达到挤压生产状态，必须在加工好的微细结构表层再镀上一层较硬的镍或铬，最先进的工艺是镀上一层镍—磷合金，才能满足金刚石刀具雕刻棱形透镜的工艺要求。

同时，由于透镜需要的表面精度和表面光洁度都非常的高，这一制辊技术目前还是世界性的难题[14]。

1.3.2棱镜片生产工艺技术流程

棱镜片的生产工艺，国际先进国家的方法就是在加工完的模辊上通过光固化UV胶成型工艺技术，实现微细光学结构的成型工艺。

其具体步骤如下：

1.3.3棱镜片成型工艺技术

   棱镜片工艺技术国际上传统的方法就是通过挤出机挤出成形，但设备投入大，产能低，能耗大，合格品率低。

通过UV光固的形式生产棱镜片，由于其固化速度特别快，必定是最便捷的方法，在加上上其无毒环保，适用性好，韩国三星、LGD中国台湾的一些企业都是采用这种方法在进行棱镜片的生产。

1.4棱镜片的发展趋势

在未来的一段时间内，面对TFT-LCD面板业的激烈竞争及成本降低压力，棱镜片制造厂商在选择增亮技术时，往往会优先选择低成本之设计架构，众多新竞争者加入战局的结果，迫使棱镜片毛利率开始下滑[14]，而3M则是应用其技术优势，推出整合型光学膜产品。

有别于传统的BEF，3M以反射型多层偏光增光片作为基材，在其下方利用光学硬化胶固定一层扩散型聚碳酸酯膜，以提供较佳的稳定性，并修饰各种光学耦合现象。

而在反射型多层偏光片的上方则加上一层波良状层层交迭的棱镜，而这些棱镜与一般常用之棱镜片并不相同，其棱镜是与下膜类似的聚碳酸酯接合，利用聚碳酸酯极低的双折射性维持偏光效果，并在棱镜峰顶做圆弧化处理，使亮度随视角增加而降低的幅度平顺和缓。

除了3M推出