TFTLCD用背光源的结构与工艺.docx

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TFTLCD用背光源的结构与工艺

题目：

微电子工艺课程报告

姓名：

刘诗雨

学号：

3072406082

班级：

电子科学与技术0703班

TFTLCD用背光源的结构与工艺

TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）LCD（LiquidCrystalDisplay液晶显示器），广泛应用于笔记本、电视机、手机等的显示设备中。

液晶显示器发光原理不同于自发光型的CRT（CathodeRayTube阴极射线管）、PDP（PlasmaDisplayPanel等离子显示屏）等，由于液晶本身并不发光，为进行显示，作为外部光源的背光源不可或缺。

一、TFTLCD结构及显示原理

TFTLCD技术是用薄膜晶体管驱动液晶材料进行显示的技术；液晶材料是在某一特定温度范围内，会同时具有液体和晶体特性的材料，其所具备的光学各向异性使外部电场可以改变液晶材料的通光特性，从而进行显示。

典型的TFTLCD结构如图1所示，类似三明治结构，在两片玻璃基板中间夹有液晶材料，从上到下依次包括上偏振片、彩色滤光片、液晶层、TFT阵列基板、下偏振片和背光模组，其中在TFT阵列基板上连接有驱动IC。

TFTLCD主要利用光的偏振性能实现图像和文字的显示。

以不加电情况下为亮态（即常白状态）为例，图1中的上下两片偏振片的光学偏振方向互相垂直，即相位差为90度。

来自背光源的非偏振光，经过下偏振片成为线偏振光，在某个像素位置如果没有电压，由于液晶的旋光特性，该线偏振光的偏振方向将旋转90度，正好与上偏振片的偏振方向相同，则该像素显示状态为亮。

如果某个像素位置有电压，该像素区域的液晶旋光特性将消失，通过的光线的偏振状态不变，因此光线无法通过上面的偏振片，则该像素显示状态为暗。

这就是薄膜晶体管液晶显示器的基本显示原理。

图1

下面仅就上述结构中的背光源部分进行介绍。

二、TFTLCD用背光源的种类

位于显示屏背面的光源称为背光源。

作为背光源的光源，通常有以下三种：

（1）CCFL（ColdCathodeFluorescentLamp冷阴极管灯荧光灯）

（2）LED（LightEmittingDiode发光二极管）

（3）EL（electroluminescence电致发光板），OLED（OrganicLightEmittingDiode有机发光二极管，又称有机EL），无机EL

从大尺寸、高亮度、低价格考虑，目前多采用

（1），从便携性和发光效率考虑，越来越采用

（2）和（3）。

按光源与导光板的位置关系，背光源有下置式、侧置式（侧光式）之分，此外还有不设导光板的平面光源式。

各类背光源在液晶显示器中的应用及分类如图2。

图2

图3

下置式冷阴极管背光源（见图3）的优点是光利用率高，容易实现大面积，通过调节灯管数量和功率便于控制光源的亮度，广泛应用在20in以上的大尺寸液晶显示器中。

而在笔记本、台式PC监视器（显示器）等中型显示器领域（10-20in），为适应薄型化轻量化的要求，多采用如图4的侧光式冷阴极管背光源。

而对于便携设备（10in以下），如手机、数码相机、PDA（PersonalDigitalAssistant掌上电脑）、游戏机等，为满足高亮度低功耗的要求，多采用侧光式LED背光源。

图4

下置式、侧置式、平面光源式背光源的构造如图5所示。

下置式如图中a所示，在LCD屏的正下方，设置光源（多根日光灯管）和反射膜及光幕（lightingcurtain），作为面光源使用。

侧置式如图中b所示，将线光源的荧光灯管置于丙烯酸树脂做成的导光板的侧面，由线光源变换为平面光源。

平面光源式如图中c所示，光源自身为平面而被应用。

图5

在各种背光源中，下置式和平面光源式为面光源，因此光的利用率高；而侧置式是将线光源灯置于屏的侧面，因此光的利用率低。

图6所示为提高侧置式背光源光利用率所采取的各种措施。

如在导光板的底面形成使光发生散射的白色点状图案以及使光再利用的反射膜，为降低亮度不均插入扩散膜片，以及为提高亮度而设置棱镜片及偏振光分离片。

图6

最近，在侧置式背光源中已成功地采用LED，而且设置于液晶屏幕前方侧面的前置式光源也已制品化。

此外，室外使用将外部光收入背光源内、室内使用切换为背光源的采光型背光源也已问世，见图7。

图7

在平面光源式背光源中，也开始使用EL及平面型荧光灯做发光光源。

EL采用有机分散型EL，但由于低亮度短寿命，只能在小型LCD屏中使用。

对于大型电视用LCD屏来说，从高亮度考虑，适合采用下置式背光源。

三、TFTLCD用背光源结构之CCFL

CCFL（ColdCathodeFluorescentLamp冷阴极管灯荧光灯）的发光原理如图8所示，被电场加速的电子同氩原子碰撞使其激发或电离，激发态的氩原子及被电场加速的氩离子使汞原子激发或电离，它在返回基态时以紫外线的形式释放能量，紫外线打在管壁使荧光体发光，变换为可见光。

除氩外，氖、氪、氙等惰性气体单独或混合使用均可作为激发物质，而灯电极形状（面积）、荧光体的材质等共同决定灯的亮度和寿命等性能。

图8

人们正在开发将灯的电极置于外部、通过电容耦合作为电极而放电的EEFL（ExternalElectrodeFluorescentLamp外部电极荧光灯），其具有高亮度、低功耗、一组灯可以由一个变换器（inverter）来驱动等特点。

四、TFTLCD用背光源结构之导光板

对于侧置式背光源来说，需要将置于侧面的灯发出的光，在导光板内全反射的同时向前传播，导光板底部的反射点图形有规律变化，入射角小于全反射角的部分光能从导光板上表面射出，将线光源变为面光源，如图9所示。

图9

导光板底部的反射点，有通过印刷形成的白色点图案（丝网印刷法），有由射出成形形成的点图案（注射成形法）。

前者将二氧化钛及沉降性硫酸钡等颜料与丙烯酸系黏合剂相混合，由丝网印刷，在导光板底部形成白色点图案，如图10所示。

由丝网印刷法形成的白色点图案，在靠近灯的部位，点直径小、数量少；在远离灯的部位，点直径大、数量多；而在离灯最远的部位，由于设置了反射膜片，因此点直径略小些，数量也略少些。

如此设置，保证整个显示屏亮度均匀一致。

图10

早期的这种导光板由PMMAf（polymethylmethacrylate聚甲基丙烯酸甲脂）板材切割而成，随着生产量的扩大及价格的降低，目前更多采用的是射出成形法。

射出成形装置及工作原理如图11、图12所示，下面简要说明：

（1）射出成形开始之前，首先打开模具，并保持一定间隙。

（2）向模具中注入树脂填充。

（3）伴随填充，模具内的压力升高，伴随定位杆的伸长，模具打开的间隙变大。

（4）树脂填充完毕之前，在模具腔内全面填充树脂，经探测证实填满之后，高速加压。

（5）树脂填充之后，在保压的同时进行阶梯压力控制。

（6）在冷却完成之前，一直保持最终压力，冷却完毕则制成导光板。

图11

图12

五、TFTLCD用背光源结构之光学膜片

在背光源中，为了将线光源和面光源发出的光高效率地照射在LCD屏上，需要用到各种光学膜片。

1、棱镜膜片

棱镜片（prismsheet）又称增亮膜，用来提高屏幕亮度，分为折射型棱镜膜片（向上设置棱镜）和全反射型棱镜膜片（向下设置棱镜）两种。

折射型棱镜膜片是将可塑性树脂膜片在高压下转印而成。

如图13所示，此种膜片的顶角是90度，上下两块相互正交配合使用。

为产生偏角效应，在其下部设置下扩散膜片（简称扩散片），进一步还要设置导光板、反射膜片等；还要在导光板下印刷白色点图案。

利用该图案的散射效果，产生大约60度的出射光束，再利用下扩散片的散射折射效果，变为30度的出射光束，进一步由折射型棱镜膜片，使光束法线方向射向显示屏。

这样，由相互正交的两块棱镜膜片，将光面上的各成分向法线方向集中，从而提高亮度。

这种机制，由于存在Fresnel反射损失和光的吸收损失，光的利用率有所降低。

图13

图14

全反射型棱镜膜片是在聚酯（polyester）膜片上利用紫外线硬化型树脂，转写为棱镜膜片的形状而形成的。

如图14所示，此种棱镜膜的顶角为60-70度，同扩散膜片、带有透镜的导光板、反射膜片等组合使用。

对于65-70度由导光板出射的光束，全反射效果使其法线方向射入显示屏。

与折射型棱镜膜片相比，所使用的部件和材料较少，而且由于利用了光的全反射，Fresnel反射损失和光的吸收损失较小，使光的利用率提高。

2、反射膜片

反射膜片通常设置于导光板的底部，用于使光向导光板内部反射以减少行进光的衰减；而位于灯管周围的反射膜，则是为了高效率地取出灯光。

反射分为镜面反射和漫反射（扩散反射）两种。

代表性的反射膜，分为白色聚脂膜（颜料填加型）和超白色聚脂膜等。

前者通过在树脂中添加二氧化钛等白色颜料，由于颜料吸收部分光能，反射率不太高；后者在白色聚脂膜的内部，形成许多扁平的空洞，因此与前者相比有较高的反射率。

二者的反射特性见图15。

图15

3、扩散膜片

扩散膜片又称散光膜片，用于增加光的扩散、防止显示斑驳、提高液晶屏亮度。

制作方法有的是使PET（polyethylentterephthalate聚酯）膜片表面粗糙化，有的则是在PET表面封入丙烯酸树脂微球等。

见图16。

六、TFTLCD用背光源的组装

背光源的制造，是从由丙烯酸树脂制作导光板开始，然后在导光板上制作使光散射的白色点图案，而后贴附反射膜片、扩散片、棱镜膜片等光学膜片，并进行组装，之后装配CCFL及灯光反射器等，组装完成背光源。

图17、图18分别示出侧置式、下置式背光源的组装工程。

最后，为了排除初期不良品，还要进行老练处理、亮度测试等的性能检查，合格品则包装出厂。

整个工艺流程见图19。

参考资料：

《薄膜晶体管液晶显示器件的制造、测试与技术发展》王大巍等著机械工业出版社

《TFTLCD面板设计与构装技术》田民波、叶锋著科学出版社

XX百科等网络资料

图16

图17

图18

图19