LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板.docx

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LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板

才LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板2004-8-20

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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:

iquidCrystalDisplay）的背光照明单元（BackLightUnit；以下简称为BLU）是由冷阴极灯管（CCFL:

ColdCathodeFluorescerntLamp）、CCFL反射膜片（reflectorsheet）、导光板（LGP:

LightGuidePlate）、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（device），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（ElectroLuminance）、LED（LightEmittedDiode）、CCFL（ColdCathodeFluorescerntLamp）等三种；EL与LED方式主要应用于PDA（PersonalDigitalAssistant）、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（NoteBookPersonalComputer）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250μm，远离灯源端亦即导光板的端缘的网点直径为1250μm。

利用网点散乱的光线由导光板表面射出，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（MicroReflector；以下简称为MRdevice），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MRdevice的导光板可将入射光全反射，主要原因是MRdevice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MRdevice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MRdevice的反射机制概念图；图9是利用雷射显微镜所拍摄的MRdevice照片，MRdevice的直径为100μm，高度为10μm，spot的大小祇有传统散乱式印刷导光板的1/4～1/8。

换言之由于数组状MRdevice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MRdevice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（random），量测各点的MRdevice直径与高度的平均值。

总数27个MRdevice的平均直径为α，平均高度为β时，直径的误差分布如图11所示约为±2μm以下，高度的误差分布为±1μm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MRdevice数组变成microdeflector数组（以下简称为MDdevice），也就是说导光板底面是由微小偏向device所构成，入射光被MDdevice的凸面折射。

MDdevice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向射出。

MDdevice的直径为30μm，高度为5μm。

实际上MDdevice数组是先经过光学设计，再制成塑料射出成形模具的模芯（OpticalInsertion；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14MD式导光板与内部全反射棱镜膜片（TIR:

TotalInternalReflection）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MRdevice。

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LIGHTTOOL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MDdevice的密度是二维浓淡图案（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MRdevice数量因导光板外形大小而不同，以10.4吋导光板而言，MRdevice数量约为100万个，MRdevice的直径为100±2μm，高度为10±1μm。

事实上12.1吋散乱式印刷导光板如果改成MRdevice导光板时辉度可提高3～10%。

表1是13.3吋MRdevice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MRdevice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BEFⅡ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ψ是指方位角度，有效范围是00~3600：

角度θ是指仰角，有效范围是00~900。

图18是侧边入光（edgetype）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，所获得的玉米颗粒状的视角特性。

在该特性中存有sidelob，也就是说光能量未从导光板表面法线方向射出。

所谓的sidelob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sidelob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MDdevice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（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（α,θ）。

图21是由单一粒子求得的散乱光强度分布图，之后再利用MonteCarlo法进行光散乱聚合体导光板的多重散乱分析。

（b）.多重散乱分析

三次元多重散乱仿真分析用程序是根据可导引光散乱聚合物导光板之光子（photon）行进方向以及测光路径长度，和决定反射、折射之MonteCarlo法制作撰选。

接着要介绍计算步骤，所谓的光子是为分析光场的确率性，因此将假想性光粒子视为假设物，散乱光的方向以极坐标系的θ与ψ两角度表示，散乱角θ是先根据Mie散乱理论求出光强度分布，再用累积分布关数F（θ）（上述之式（6））算出，之后用随机数random1（零到1之间的相同随机数θ）决定散乱点的光子行进方向θ。

一旦决定θ角度，散乱光强度的ψ角度同样使用random方式决定。

光子的预测光路长度L根据式（8）定义的衰减系数σ，利用随机数random2（由零到1之间的相同随机数）式（9）求得。

此处C表示浓度，Qsca表示利用Mie散乱理论求得的散乱效率。

反射与折射则是将各反射率与各光线的入射角与导光板的折射率利用上述手法求得。

以上的计算作业都是以105~106个光子为前提。

（c）.光散乱聚合物的应用

为满足实际背光照明单元应用上的需要，因此利用以上介绍的分析法做优化设计。

首先假设不均一结构为真圆状散乱粒子，之后量测被反射膜包覆之冷阴极灯管的出射光的特性与灯管的光线频谱，再利用这些数据加以计算。

图22是四吋单灯管的光散乱聚合物导光板内部光子轨迹模拟结果，图中的「×」符号表示光子的出射点，由图可知根据多重散乱之均一效益，由出射面整体所释出的光线非常的均分。

图22（b）与（c）显示浓度计算结果出现比最佳值更高或更低的现象，依此结果可决定画面辉度均一性的优化设计方法。

图23（a）是图22画面中央部位的出射光profile，出射光profile的角度定义如图23（b）所示。

由光散乱聚合物导光板射出的光线与法线方向呈600倾斜，因此图24的集光棱镜膜片朝法线方向作角度粘贴。

此外由于出射光的角度随着画面大小与形状改变，因此必需逐一解析出射光的profile，具体方法是先制作集光棱镜膜片分析用仿真程序，再将分析后的出射光的profile作棱镜膜片角度θ1,θ2优化设计。

根据计算结果所制成的背光板照明单元的辉度特性如图25所示，它的辉度是传统背光板照明单元的二倍左右，非常适合要求高辉度的新世代液晶显示器使用。

由图25可知光散乱式聚合物导光板具有很优良的视角特性；图25（b）是传统散乱式印刷型导光板的视角特性，它的视角超过400时几乎没有光线射出，这对液晶显示器而言意味着画面得辉度会急遽改变进而影响显示特性。

图26是光散乱式聚合物导光板所构成的背光照明单元实现高辉度化的动作原理；图26（a）是传统光散乱式印刷型导光板的结构，由冷阴极灯管射入导光板的光线被导光板底面的印刷网点散乱，因此散乱光几乎没有指向性，之后散乱光经由导光板正面不具直视性的扩散膜片朝广角方向扩散，最后再利用两片集光棱镜膜片将扩散光收敛提高辉度。

相较之下光散乱式聚合物导光板则是使射入导光板的光线透过导光板的不均一结构散乱，由于控制不均一结构的大小与相对折射率，因此后方的光线散乱很少，这种特殊结构所引起指向性极强的前方散乱，导致适度的散乱与柔和的视觉效果。

实际上液晶显示器的画面色彩均一性取决于视角特性与法线方向的均一性，一旦发生明显的色彩不均时就不具商品实用价值，而Mie散乱理论却可控制不均一结构防止色彩不均现象弥补上述缺憾。

图27是利用Mie散乱理论计算的散乱效率，横轴ρ为散乱效率，D（μm）为粒径，△n为矩阵（matrix）与散乱因子的折射率差。

换句话说如果把散乱理论视为空气中的水份时，第一个散乱效率的峰值约为1μm左右，该值随着粒径变大收敛成2μm。

由图27可知粒径较小的区域，短波长光的散乱效率较大，如果将该区域的粒子用于光散乱聚合物导光板时，距离冷阴极灯管越远的光线会偏黄，若选用特定粒径使红光产生强大散乱时，理论上就可完全消除色彩不均现象。

如此一来不祇要考虑R、G、B三波长冷阴极灯管的散乱效率，还需顾及散乱光的强度分布。

然而事实上背光照明单元的色彩不均问题，主要是来自于于散乱效率，有鉴于此使用散乱效率为0.9的散乱因子测试背光照明单元时，其结果如图28所示，横轴是冷阴极灯管垂直方向的距离，纵轴是色温。

原本预测ρ=0.5时距离灯管较远处会呈现蓝色基调，然而事实上色温却极为均匀，造成这种现象主要原因是大小不均一构造事实上祇是有限度的存在，因此即使被媒体吸收亦不会变为零。

最新光散乱式聚合物导光板的辉度特性

图28是新型光散乱式聚合物导光板所构成的背光板照明单元构造，它的最大特征是集光棱镜膜片是设于导光板下方，并与冷阴极灯管呈直交状，集光棱镜膜片可收敛由冷阴极灯管所射出的平行光，三维出射光角度分布相当均匀对称，因此可产生辉度提升的效应。

图30是10.4吋新型光散乱式聚合物导光板与传统无印刷之透明导光板所构成的背光板照明单元特性比较，由图可知无印刷type不易收敛散乱光，广角的峰值使得表面辉度祇有光散乱type的60%，即使无印刷type追加网点印刷，表面辉度也祇能提高5%左右。

如果再增设扩散、集光棱镜膜片时就可获得相同的出射光profile，不过却缺乏光散乱式聚合物导光板特有的强大指向性光线。

图3010.4吋背光板照明单元内的三维辉度分布特性

图31是最新式光散乱式聚合物导光板与传统导光板所构成的板背光板照明单元厚度比较，由于光散乱式聚合物导光板可减少两片总厚度约0.3mm的光学膜片，这对厚度与辉度成正比的楔型导光板而言，为了顾及厚度太薄时的耐环境特性，传统的楔型导光厚度有其极限。

相较之下光散乱式聚合物导光厚度却可减少0.3mm，仍不会影响背光板照明单元的光学特性。

图31最新光散乱式聚合物导光板与无印刷之透明导光板所构成之板背光板照明单元厚度比较

结语

今后液晶显示器用板背光板照明单元势必朝向薄型化、高辉度化、低组件数等方向发展，因此将射入导光板内的冷阴极灯管光线变成具体强大指向性散乱光，且又可减少系统厚度与组件数量的散乱式聚合物导光板照明技术，似乎已成为可达成以上要求的唯一方法，因此它的未来发展成为相关业者注目的焦点之一。