LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板820.docx
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LCD用高亮度导光板与散乱型聚合体导光板820
LCD用高亮度導光板與散亂型聚合體導光板2004-8-20
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文章作者:
臺灣工研院光電所高弘毅文章來源:
EEDesign
前言
液晶顯示器(LCD:
iquidCrystalDisplay)的背光照明單元(BackLightUnit;以下簡稱為BLU)是由冷陰極燈管(CCFL:
ColdCathodeFluorescerntLamp)、CCFL反射膜片(reflectorsheet)、導光板(LGP:
LightGuidePlate)、LGP反射膜片、擴散(diffuser)膜片等組件所構成(圖1)。
為了要提高LGP的光使用效率,通常會在LGP表面設計某些光學機制(device),或者是在LGP內添加材料等兩種方法。
背光照明單元使用的光源分別有EL(ElectroLuminance)、LED(LightEmittedDiode)、CCFL(ColdCathodeFluorescerntLamp)等三種;EL與LED方式主要應用於PDA(PersonalDigitalAssistant)、行動電話等小型液晶顯示器的背光照明單元;CCFL則是應用於NB-PC(NoteBookPersonalComputer)等大型可攜式產品。
如圖1所示冷陰極燈管外側的CCFL反射膜片呈拋物線狀(parabolic)將CCFL包圍,由光源產生的白光透過該反射膜片反射至由壓克力製成的導光板內。
導光板主要功能是藉由光散亂原理將入射的平行光轉換成平面垂直光,之後再經過擴散膜片使導光板射出的光線擴散與偏向,最後再經由兩片表面成連續鋸齒溝槽狀的集光棱鏡膜片,使光線在xy方向集光並調整光線發散角度。
圖1背光單元的基本結構
導光板的種類
(a)散亂式印刷導光板
如圖2所示傳統的散亂式導光板底面印刷白色濃淡(gradation)網點使入射光散亂,散亂光的濃淡取決於網點的直徑與分佈密度。
網點的材質是由UV膠、二氧化鈦、硫化鋇混合黏稠液所構成。
如圖3所示網點直徑在燈源入射端為250μm,遠離燈源端亦即導光板的端緣的網點直徑為1250μm。
利用網點散亂的光線由導光板表面射出,部份從導光板側面與底面逃漏的光線則再度回到導光板內,被導光板周圍的反射膜片反射至導光板。
設於導光板正面的擴散膜片具有兩種功能,分別是將入射光擴散至集光棱鏡膜片;另一功能是減弱導光板表面的網點形狀。
擴散膜片上方之三角斷面狀第一片集光棱鏡膜片與冷陰極燈管成直角方向(y方向)設置,第二片集光棱鏡膜片再與第一片成直角鋪設,藉此特殊設計收斂xy方向的光線,同時再次淡化導光板表面的網點形狀與楔形導光板特有的橫縞(灰色橫紋)。
(b)散亂式射出成形導光板
具體方法是利用精密蝕刻技術將射出成形的模芯微細加工成上述網點形狀,再利用塑膠射出成形機制作導光板,圖4與圖5是利用射出成形法所製成的導光板散亂模式與散亂spot的直徑、濃淡分佈密度。
(c)反射式射出成形導光板
如圖6所示它是利用超精密加工技術在導光板底面製作微細光學鏡面,使導光板內的光線反射,這種方式會因製作方法使得散亂要因消失。
具體製作步驟是將射出成形的模芯微細加工成圓狀微形反射鏡面(MicroReflector;以下簡稱為MRdevice),之後再利用塑膠射出成形機制作導光板,MR系設於導光板底面與導光板形成一體(圖7)。
如圖8所示具陣列狀MRdevice的導光板可將入射光全反射,主要原因是MRdevice的表面很平滑,因此入射光不會有反射散亂與能量損耗等問題,也不會發生波長分散現象,除此之外還可藉由導光板入射光與MRdevice的形狀變化控制出射光的方向。
圖9是入射至導光板內的光線與MRdevice的反射機制概念圖;圖9是利用雷射顯微鏡所拍攝的MRdevice照片,MRdevice的直徑為100μm,高度為10μm,spot的大小祇有傳統散亂式印刷導光板的1/4~1/8。
換言之由於陣列狀MRdevice導光板的spot直徑變小後,相對的可淡化spot形狀的擴散膜片厚度亦隨之變薄,光線穿透率則大幅提高。
一般而言12.1吋大小的陣列狀MR型導光板底面的MR數量大約有100萬個。
為了檢討MRdevice的加工精度,因此將導光板的縱橫向各分割成六等份,並在各線交點上直徑10mm圓內作三點隨機取樣(random),量測各點的MRdevice直徑與高度的平均值。
總數27個MRdevice的平均直徑為α,平均高度為β時,直徑的誤差分佈如圖11所示約為±2μm以下,高度的誤差分佈為±1μm以下。
依此量測結果可確定制程的穩定性,同時還可推論部份變化的互動要因。
(d)折射式射出成形導光板
折射式導光板是改良自反射式導光板,主要差異是MRdevice陣列變成microdeflector陣列(以下簡稱為MDdevice),也就是說導光板底面是由微小偏向device所構成,入射光被MDdevice的凸面折射。
MDdevice的表面如圖12所示為鏡面曲線狀,因此不具光散亂的要素,折射光的仰角被導光板法線以大角度方向射出。
MDdevice的直徑為30μm,高度為5μm。
實際上MDdevice陣列是先經過光學設計,再製成塑膠射出成形模具的模芯(OpticalInsertion;以下簡稱為OPI),之後再利用塑膠射出成形機制作導光板。
折射式導光板可將入射光鎖閉於導光板內,並轉寫於內側可產生全反射之三角溝槽,進而達成提高光使用效率,與單棱鏡構造之光學最高境界(圖13)。
是圖14MD式導光板與內部全反射棱鏡膜片(TIR:
TotalInternalReflection)將導光板射出的光線方向變成導光板法線方向,亦即光線射出仰角變小的動作模型。
光學設計
導光板的幾何外形與輝度分佈是由各液晶顯示器廠商決定,為了設計導光板的光分佈通常是利用導光板內的光線追跡,與導光板的形狀推測光線射出的強度。
導光板內的導光是全反射所造成的,因此由導光板射出的光線並無法完全滿足該條件。
例如以平板狀導光板為例,如果光線完全符合全反射的條件時,臨界角出射光就不存在,類似這種型式的導光板就必需在它的底部與正面設置MRdevice。
導入冷陰極燈管的管徑、長度與拋物線外形之燈管反射膜片等各項參數(parameter),有了這些參數便可假設推測背光單元表面的光強度分佈。
此外亦可利用LIGHTTOOL公司的背光單元用光學設計軟體,針對光強度分佈推測值決定MR或是MD的位置。
MR與MDdevice的密度是二維濃淡圖案(pattern),它是由如圖15所示複數個一維濃淡圖案所構成。
圖中的參數W表示導光板的寬度與光搬運方向的長度。
圖6是使用U型冷陰極燈管之背光照明單元的與光強度分佈分析結果。
設計時已經把壓克力的折射率、塑膠射出成形的收縮率等諸元值列入考慮,因此利用光學設計軟體獲得的結果可直接轉用於生產單位,適用範圍最大可達18吋導光板。
根據實際作業統計資料顯示,反射式導光板的MRdevice數量因導光板外形大小而不同,以10.4吋導光板而言,MRdevice數量約為100萬個,MRdevice的直徑為100±2μm,高度為10±1μm。
事實上12.1吋散亂式印刷導光板如果改成MRdevice導光板時輝度可提高3~10%。
表1是13.3吋MRdevice導光板與散亂式印刷導光板的比較結果,表中的平均輝度以Lvave表示;輝度不均U則以(Lvmin/LvmaxX100)表示。
量測時是把背光照明單元縱橫分成6等份,量測背光照明單元周圍六分之一殘餘輝度數據合計9點的資料,由表1的量測結果得知MRdevice導光板的輝度比散亂式印刷型導光板高11%。
表2是12.1吋背光照明單元更換不同導光板、擴散膜片、棱鏡膜片的輝度差異比較。
假設:
1.散亂式印刷型導光板搭配PCM1擴散膜片與低收光性之H210棱鏡膜片(xy方向)的背光照明單元輝度為100%時,
2.上述相同的光學膜片搭配
3.MR式導光板的輝度增加率為107%(表中的B1)。
R.MR式導光板搭配高穿透性擴散膜片時,輝度增加率為110%(表中的B2)。
3..散亂式印刷型導光板搭配PCM1擴散膜片與高收光性之BEFⅡ棱鏡膜片(y方向)時,輝度增加率為116%(表中的C)。
4.散亂式印刷型導光板改為MR式導光板時,輝度增加率為125%(表中的D1)。
5.擴散膜片改為高性能之D117T時,輝度增加率為127%(表中的D2)。
由表2可知MR式導光板導光板各種高性能光學膜片時,可大幅提高背光照明單元的輝度。
表3是使用MR與MD式導光板之13.3吋背光照明單元的輝度量測結果,由表3可知MR式導光板導光板的輝度比印刷式導光板高10%,這意味著MD式導光板輝度是印刷式導光板的1.4倍。
有關背光照明單元的視角特性,它是利用座標法量測各角度的特性分佈。
圖17的角度ψ是指方位角度,有效範圍是00~3600:
角度θ是指仰角,有效範圍是00~900。
圖18是側邊入光(edgetype)楔形(wedge)MR導光板所構成的背光照明單元視角特性,量測位置是13.3吋背光照明單元的中心。
圖18(a)是從導光板的射出光,在900仰角附近的光學特性;圖18(b)是導光板上粘貼擴散膜片時的偏向射出光,在450附近的光分佈最大值特性;圖18(c)是擴散膜片表面再粘貼一片集光棱鏡膜片時的橢圓形視角特性;圖18(d)是粘貼第二片集光棱鏡膜片時,所獲得的玉米顆粒狀的視角特性。
在該特性中存有sidelob,也就是說光能量未從導光板表面法線方向射出。
所謂的sidelob能量通常被視為背光照明單元的光損耗。
此外由圖18可再次驗證集光棱鏡膜片具有支配玉米顆粒狀的視角特性的效應。
圖19是MD式導光板視角特性與TIR集光棱鏡膜片的視角特性。
相對於MR式導光板,MD式導光板具有集光效應亦由圖19獲得證實,而且圖中完全沒有sidelob的光損耗跡象,依此獲得以下結論:
設計高效率光照明單元時,必需考慮MDdevice的大小與TIR集光棱鏡膜片的棱鏡夾角。
圖18側邊入光式楔型MR導光板之背光照明單元的角度特性
光散亂聚合物導光板
所謂的光散亂聚合物(polymer)導光板是在聚合物矩陣(matrix)內形成微細(micro)不均一結構,使聚合物導光板具備光導波與擴散射出光線之機能,進而獲得高輝度照明用光散亂效應。
換言之光散亂聚合物導光板是控制可吸收光線之微細不均一結構的相對折射率與不均一結構的大小,獲得多重光散亂效果,使光線在沒有損耗的環境下均勻且朝特定方向擴散射出。
圖20(b)是光散亂聚合物導光板所構成的背光照明單元,一般而言它的輝度比傳統背光照明單元高二倍左右。
在密度均勻的媒體中若存有折射率相異的兩種材料時就會引發光散亂現象,如果能夠控制材質相異之不均一結構時,就可控制散亂光的特性。
光散亂聚合物就是根據光散亂理論與多重散亂分析法,精密控制這種不均一結構,進而達成液晶顯示器的背光照明單元實用化的目標。
(a).光散亂理論
利用下式
(1)~(5)Mie散亂理論可求出真圓球狀粒子的散亂光強度分佈I(α,θ)。
圖21是由單一粒子求得的散亂光強度分佈圖,之後再利用MonteCarlo法進行光散亂聚合體導光板的多重散亂分析。
(b).多重散亂分析
三次元多重散亂仿真分析用程式是根據可導引光散亂聚合物導光板之光子(photon)行進方向以及測光路徑長度,和決定反射、折射之MonteCarlo法制作撰選。
接著要介紹計算步驟,所謂的光子是為分析光場的確率性,因此將假想性光粒子視為假設物,散亂光的方向以極坐標系的θ與ψ兩角度表示,散亂角θ是先根據Mie散亂理論求出光強度分佈,再用累積分佈關數F(θ)(上述之式(6))算出,之後用亂數random1(零到1之間的相同亂數θ)決定散亂點的光子行進方向θ。
一旦決定θ角度,散亂光強度的ψ角度同樣使用random方式決定。
光子的預測光路長度L根據式(8)定義的衰減係數σ,利用亂數random2(由零到1之間的相同亂數)式(9)求得。
此處C表示濃度,Qsca表示利用Mie散亂理論求得的散亂效率。
反射與折射則是將各反射率與各光線的入射角與導光板的折射率利用上述手法求得。
以上的計算作業都是以105~106個光子為前提。
(c).光散亂聚合物的應用
為滿足實際背光照明單元應用上的需要,因此利用以上介紹的分析法做最佳化設計。
首先假設不均一結構為真圓狀散亂粒子,之後量測被反射膜包覆之冷陰極燈管的出射光的特性與燈管的光線頻譜,再利用這些資料加以計算。
圖22是四吋單燈管的光散亂聚合物導光板內部光子軌跡模擬結果,圖中的「×」符號表示光子的出射點,由圖可知根據多重散亂之均一效益,由出射面整體所釋出的光線非常的均分。
圖22(b)與(c)顯示濃度計算結果出現比最佳值更高或更低的現象,依此結果可決定畫面輝度均一性的最佳化設計方法。
圖23(a)是圖22畫面中央部位的出射光profile,出射光profile的角度定義如圖23(b)所示。
由光散亂聚合物導光板射出的光線與法線方向呈600傾斜,因此圖24的集光棱鏡膜片朝法線方向作角度粘貼。
此外由於出射光的角度隨著畫面大小與形狀改變,因此必需逐一解析出射光的profile,具體方法是先製作集光棱鏡膜片分析用仿真程式,再將分析後的出射光的profile作棱鏡膜片角度θ1,θ2最佳化設計。
根據計算結果所製成的背光板照明單元的輝度特性如圖25所示,它的輝度是傳統背光板照明單元的二倍左右,非常適合要求高輝度的新世代液晶顯示器使用。
由圖25可知光散亂式聚合物導光板具有很優良的視角特性;圖25(b)是傳統散亂式印刷型導光板的視角特性,它的視角超過400時幾乎沒有光線射出,這對液晶顯示器而言意味著畫面得輝度會急遽改變進而影響顯示特性。
圖26是光散亂式聚合物導光板所構成的背光照明單元實現高輝度化的動作原理;圖26(a)是傳統光散亂式印刷型導光板的結構,由冷陰極燈管射入導光板的光線被導光板底面的印刷網點散亂,因此散亂光幾乎沒有指向性,之後散亂光經由導光板正面不具直視性的擴散膜片朝廣角方向擴散,最後再利用兩片集光棱鏡膜片將擴散光收斂提高輝度。
相較之下光散亂式聚合物導光板則是使射入導光板的光線透過導光板的不均一結構散亂,由於控制不均一結構的大小與相對折射率,因此後方的光線散亂很少,這種特殊結構所引起指向性極強的前方散亂,導致適度的散亂與柔和的視覺效果。
實際上液晶顯示器的畫面色彩均一性取決於視角特性與法線方向的均一性,一旦發生明顯的色彩不均時就不具商品實用價值,而Mie散亂理論卻可控制不均一結構防止色彩不均現象彌補上述缺憾。
圖27是利用Mie散亂理論計算的散亂效率,橫軸ρ為散亂效率,D(μm)為粒徑,△n為矩陣(matrix)與散亂因數的折射率差。
換句話說如果把散亂理論視為空氣中的水份時,第一個散亂效率的峰值約為1μm左右,該值隨著粒徑變大收斂成2μm。
由圖27可知粒徑較小的區域,短波長光的散亂效率較大,如果將該區域的粒子用於光散亂聚合物導光板時,距離冷陰極燈管越遠的光線會偏黃,若選用特定粒徑使紅光產生強大散亂時,理論上就可完全消除色彩不均現象。
如此一來不祇要考慮R、G、B三波長冷陰極燈管的散亂效率,還需顧及散亂光的強度分佈。
然而事實上背光照明單元的色彩不均問題,主要是來自于於散亂效率,有鑒於此使用散亂效率為0.9的散亂因數測試背光照明單元時,其結果如圖28所示,橫軸是冷陰極燈管垂直方向的距離,縱軸是色溫。
原本預測ρ=0.5時距離燈管較遠處會呈現藍色基調,然而事實上色溫卻極為均勻,造成這種現象主要原因是大小不均一構造事實上祇是有限度的存在,因此即使被媒體吸收亦不會變為零。
最新光散亂式聚合物導光板的輝度特性
圖28是新型光散亂式聚合物導光板所構成的背光板照明單元構造,它的最大特徵是集光棱鏡膜片是設于導光板下方,並與冷陰極燈管呈直交狀,集光棱鏡膜片可收斂由冷陰極燈管所射出的平行光,三維出射光角度分佈相當均勻對稱,因此可產生輝度提升的效應。
圖30是10.4吋新型光散亂式聚合物導光板與傳統無印刷之透明導光板所構成的背光板照明單元特性比較,由圖可知無印刷type不易收斂散亂光,廣角的峰值使得表面輝度祇有光散亂type的60%,即使無印刷type追加網點印刷,表面輝度也祇能提高5%左右。
如果再增設擴散、集光棱鏡膜片時就可獲得相同的出射光profile,不過卻缺乏光散亂式聚合物導光板特有的強大指向性光線。
圖3010.4吋背光板照明單元內的三維輝度分佈特性
圖31是最新式光散亂式聚合物導光板與傳統導光板所構成的板背光板照明單元厚度比較,由於光散亂式聚合物導光板可減少兩片總厚度約0.3mm的光學膜片,這對厚度與輝度成正比的楔型導光板而言,為了顧及厚度太薄時的耐環境特性,傳統的楔型導光厚度有其極限。
相較之下光散亂式聚合物導光厚度卻可減少0.3mm,仍不會影響背光板照明單元的光學特性。
圖31最新光散亂式聚合物導光板與無印刷之透明導光板所構成之板背光板照明單元厚度比較
結語
今後液晶顯示器用板背光板照明單元勢必朝向薄型化、高輝度化、低元件數等方向發展,因此將射入導光板內的冷陰極燈管光線變成具體強大指向性散亂光,且又可減少系統厚度與元件數量的散亂式聚合物導光板照明技術,似乎已成為可達成以上要求的唯一方法,因此它的未來發展成為相關業者注目的焦點之一。
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