背光模組復合光學膜片的應用

羅運安，葉 蕓，郭太良，肖慈斌

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350016)

1 引 言

液晶顯示器件(LCD)作為目前平板顯示市場的主流產品，具有工作電壓低、功耗小、分辨率高、抗干擾性好、大規模生產技術成熟、成本較低等優點，并且由于價格不斷降低，產品應用領域迅速擴大[1]。由于液晶本身不會自發光，液晶顯示器是一種非主動發光式顯示器，必須由外界提供光源才能達到顯示畫面的目的[2-3]。背光模組作為整個LCD顯示器件的光源提供者，其光學性能的優劣會直接影響顯示器的顯示質量[4-6]。隨著液晶顯示器件逐漸朝著高亮度化、薄型化、輕量化方向發展，背光模組也將迎來薄型化的變革[7-11]。徐平等為實現側入式背光模組的輕薄化，提出了一種集成化導光板下表面微棱鏡二維分布的設計[12]；曹保柱等同樣為滿足背光模組亮度高、發光均勻、厚度小的要求，確定了一種基于自由曲面函數的導光板底部微型槽結構[13]；Joo等為實現背光模組的高亮度照明，通過提高導光板的光凝效率來提高背光模組的亮度[14]。但他們都是針對導光板的微結構提出新的設計思路來進行研究，沒有進行過光學膜片對背光模組的亮度提升效果以及厚度減少方面的研究[15-16]。而桂詩信等也只僅僅通過實驗研究了不同光學膜組合對TFT液晶顯示性能的影響[17]。光學膜片作為背光模組的關鍵組件，膜片厚度的減少，亮度的提升是未來發展趨勢，將多層光學膜片復合化是目前的解決方案之一。

綜上所述，為了適應液晶顯示器的輕薄、高亮的發展趨勢和需求，將光學膜片兩張以及兩張以上復合化，可以進一步減少背光模組的成本和厚度，簡化組裝的步驟。本文從背光模組的基本結構出發，利用light tools軟件對背光模組和復合膜片結構進行了建模仿真，探究了棱鏡頂角角度、棱鏡周期(Pitch)和棱峰刺入深度(D)對復合光學膜片的光學效果影響，并建立了多種不同架構的光學膜片復合結構，分析其亮度、均勻度、可視角對光學顯示畫面改善的特點，為未來的光學膜片的進一步開發提供了借鑒。

2 背光模組結構及光學膜片的搭配

背光模組通常由背板、背光光源(發光二極管LED 或者冷陰極熒光CCFL燈管)、反射膜片、導光板、擴散膜片和棱鏡膜片以及外框等部件組成。如圖1所示，其工作的基本原理是將背光光源LED或者CCFL提供的點光源或線光源通過導光板和各層的光學膜片轉化成高亮度、高均勻性的面光源，從而使光源入射進入液晶面板，達到畫面顯示的效果。光學膜片中按功能分類，主要可分為反射膜片類、擴散膜片類和增亮膜片類。在液晶顯示器中，一般根據背光模組的光學需求，選擇搭配光學膜片的搭配方式，常見的有4-films 架構，3-films 架構和2-films架構，如表1所示。

圖1 背光模組結構

表1 光學膜片搭配結構

從表1可以看出，上擴散片的作用可以起到擴大可視角度，改善品味，遮蔽瑕疵的效果，而下擴散片則是可以遮蔽導光板上的網點，修正從導光板射出光線的出光角度，棱鏡片則可以起到聚光、提高亮度的作用，當使用兩張棱鏡片的棱鏡條紋為相互垂直時可以大幅提高背光模組的輝度。從棱鏡z片的制成結構可以看出，棱鏡片由下底面的PET基材與上表面的棱鏡微結構組成，具體的聚光增亮結構原理如圖2所示。

圖2 棱鏡結構增亮原理

3 復合膜片軟件建模仿真因素分析

膜片的復合化是將兩張及以上的擴散類膜片和增光類膜片貼合成一張，在減少厚度和操作工序的同時保證膜片的光學亮度及視角不會下降很多。由圖2的棱鏡結構可知，棱鏡的聚光是利用光的折射和反射原理將全方位角度的光聚集成小角度的光束，從而提高軸向的輝度。其中棱鏡的頂角角度以及棱鏡周期是決定棱鏡膜片增光聚亮的關鍵因素，在膜片的復合過程中由于貼合膠層的存在會造成棱峰的缺失，為探究關鍵因素對復合膜片的影響，利用light tools軟件對棱峰的頂角角度、棱鏡周期以及棱峰的刺入深度D做出模擬分析。

3.1 棱鏡頂角角度，棱鏡周期和棱峰刺入深度對光學效果的影響

利用light tools仿真軟件建立L×W×H為100 mm×100 mm×2 mm的背光模組，背光光源顆數設置為5 pcs，單個LED的光通量設置為20 lm，分別將棱鏡膜的棱鏡頂角角度分別設置為70°，80°，90°，100°，110°，120°，模擬得到光學中心輝度和1/2中心輝度的水平全寬可視角度變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同棱鏡頂角角度的中心輝度和可視角度變化曲線

從圖3可以看出，不同的棱鏡頂角角度對背光模組的中心輝度影響較大，隨著棱鏡頂角角度的增大，中心輝度先增大后降低，當棱鏡頂角角度為90°時，光線在棱鏡中的反射折射利用率最大，使得光線按照預期的方向射出，中心輝度達到最大值；隨后頂角角度增大，棱峰四周角度的光線提拉作用不明顯，中心輝度反而在降低，但可視角度得到提高。因此可得到棱鏡的頂角角度是影響棱鏡片提高亮度的關鍵因素之一，權衡可視角度與輝度的平衡關系，以棱鏡頂角角度90°為最佳值。

為進一步探究棱鏡周期對背光模組的影響規律，在以棱鏡頂角角度為90°的基礎上，分別將棱鏡周期設置為12，24，36，50，60，70 μm，得到中心輝度與1/2輝度的可視角變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同棱鏡pitch中心輝度與可視角度變化曲線

從圖4可知，隨著棱鏡周期的不斷增大，棱鏡對四周光線的折射反射利用率減少，光線大部分損耗掉了，使得棱鏡片的聚光能力逐步下降，中心輝度不斷降低；周期增大的同時棱鏡的密度減少，對光線的收集作用下降，則其他可視角度的輝度得到提升。從以上研究可知，棱鏡周期與棱鏡頂角角度是影響棱鏡片光效的兩個關鍵因素，也是膜片在復合過程中必須解決的關鍵因素；在兩張或兩張以上的膜片復合時，由于粘膠劑在棱鏡峰的上表面會形成一層膠合層，棱鏡峰在黏合的同時會進入膠合層，造成棱鏡峰的損失，將其稱為復合過程中的刺入深度(D)，為了探究刺入深度對光學效果的影響，利用light tools軟件對DOP復合膜進行模擬仿真，控制變量，將棱鏡頂角角度設置90°，棱鏡周期為50 μm，得到刺入深度對中心輝度影響變化的數據如表2所示。

由表2的數據可以得到，隨著棱峰高度的逐漸減少即刺入深度的增大，其中心輝度在刺入深度為1～2 μm時變化不明顯，對光學效果的影響較小，當棱峰損失較為嚴重時，中心輝度下降得比較明顯。由此可見，當兩張以及兩張以上的光學膜片進行復合時，棱峰刺入深度是直接影響復合光學膜片效果的關鍵因素。為了較好地減輕刺入深度對光學輝度的影響，對膜片表面的棱鏡結構采取了一高一低或者是一高兩低的交替結構，使得一部分低的棱峰不至于損耗太多，可將輝度提升3%～4%。

表2 刺入深度與中心輝度變化比率

Tab.2 Pierced depth and the centered variation luminance ratio

刺入深度/μm中心輝度/(cd·m-2)變化比率/%04752.1-14752.1024752.1034645.6-2.244456.9-6.253974.7-16.363254.1-31.5

3.2 不同結構的復合光學膜片仿真

以中小型液晶顯示器為例，液晶顯示器整機的亮度約為200～350 cd/m2，超過這個亮度范圍會造成眼睛的損傷和不適。本文對2合1結構的DOP(上擴散片復合上棱鏡片)、POP(上棱鏡片復合下棱鏡片)、COP(DBEF復合棱鏡片)和3合1結構的COPP(COP復合下棱鏡片)、COPD(COP復合上擴散片)、DPP(上擴散片復合上下棱鏡片)復合結構利用light tools建模展開研究，分別對中心亮度、九點均勻度和可視角度方面分析。創建4-films架構的L×W×H為100 mm×100 mm×2 mm，背光光源為5 pcs，單顆亮度為20 lm的背光模組為對比，其中包含膠框、反射片、導光板、擴散片，添加空間亮度計和角度亮度計，分別對COP、DOP等復合光學膜片建模，控制變量因素，其中反射片材料設置為PMMA，類型為均勻，反射表面光學屬性設置為Smooth_1，其余表面光學屬性設置為Mirror。擴散片材質設置為air_USER,折射率性質設置為Laurent折射率，折射率系數A0=1.000，A1～A5皆設置為0.000，擴散片上表面區域設置為Scatter，其余各表面為Transmitting；棱鏡基層材料選用3MsubsLayerMat,折射率設置為1.667，棱鏡選用3MPrismLayerMat，折射率為1.59，基層與棱鏡層的各個表面光學屬性均設置為Smooth Optical，設置棱鏡頂角角度為90°，棱鏡周期為24 μm，棱峰的刺入深度為3 μm，模擬得到表3的結果和圖5的空間亮度分布和可視角分布圖。

表3 不同復合結構膜片的顯示效果

圖5 (a)空間亮度分布圖；(b)角度亮度分布圖。

由表3的仿真結論結合各復合膜的圖5展開分析，DOP復合結構由于棱峰的受損，相較于4-films結構，其中心輝度有所下降，均勻性沒有較大變化，但可視角度由于擴散片的直接復合有所提高，于其他復合膜片結構相比，增亮的性能較差，可視角良好。POP復合結構是雙棱鏡膜的復合，具有優異的增光聚亮的效果，對于中心亮度的提升較為明顯，但對可視角的限制較大，搭配上擴散片方能達到較好的視角。COP復合結構搭配上擴散片能較好地提高光學的均勻度，光效的利用率高，但由于上擴散片的擴散效果使得其中心亮度提升不明顯。COPD較于COP結構其輝度均勻度有較大提高。COPP復合結構對輝度的提升效果最為明顯，相較于其他的復合結構，中心亮度是最高的，但提升輝度的同時，均勻度明顯不如COPD結構。DPP復合結構由于上擴散片的存在，其輝度提升不明顯，在均勻度和可視角方面較為良好。

4 實驗驗證

為進一步驗證復合光學膜片仿真的正確性，采用60 cm(23.6 in)的側入式結構液晶顯示器背光模組進行測試驗證。以鐵背板、LED燈條、反射片、導光板、下擴散片、下棱鏡膜片、上棱鏡片中框等組裝成背光模組作為3-films架構的基礎對比，點亮后利用光學分析儀器測試中心輝度，9點均勻度以及品味分析。以激智科技的復合膜結構COP、POP作為對比，通過顯微鏡觀察POP、COP，其結構如圖6所示，分別組裝成模組點亮分析，驗證。9點均勻測試方法如圖7所示，測得其數據如圖8所示。

圖6 POP(a)和COP(b)顯微結構圖

圖7 (a)9點均勻度測試點位；(b)BM-7光學分析儀。

圖8 9點測試亮度值

光從背光模組射出進入液晶LCD模組，到達LCD表面大約只剩背光模組的4%～5%，對背光模組的光學亮度以及亮度均勻度要求很高，評估背光模組的9點均勻度的測試方法如公式(1)所示，得到3種背光模組中心亮度以及均勻度如表4所示。

(1)

表4 中心亮度以及均勻度數據

從表4的數據可知，3-films、POP和COP的3種背光模組結構中，COP復合結構的中心亮度最高，均勻度也高；POP與3-films結構相比，其中心亮度有所提升，但均勻度由于棱鏡的聚光作用而有所下降,與之前的仿真結論相一致。

5 結 論

通過light tools模擬仿真和實驗測試分析，說明了棱鏡的頂角角度，棱鏡周期和棱峰的刺入深度對光學復合膜片的影響，得到棱鏡頂角角度以90°為光學效果最佳，總結了棱鏡周期的最佳合適值范圍為24～60 μm，對刺入深度對復合結構光學膜片光學效果的影響做出了分析。通過對各復合結構的模擬仿真，從中心輝度、均勻度和可視角等因素，分析總結了各復合結構的光學改善特點，經過實際測試，均勻度均大于80%，高于背光模組開發的最低均勻度并為實際的背光模組開發提供了參考。