液晶顯示行業背光源模組的電子材料設計與優化

畢亞一 孫盛林 姚文澤 劉俊國 馬超

摘要：全面研究了液晶顯示行業背光源模組的電子材料設計與優化，探討了背光源模組的基本原理及類型、電子材料的基本屬性和分類，分析了當前背光源模組設計存在的問題和挑戰，總結了影響背光源模組效率的關鍵因素。基于此，從材料設計、結構設計和制程3 個方面提出優化策略，并對優化策略的實際應用進行了評估，為背光源模組設計優化提供了理論依據和實踐指導，具有較高實用性和研究前景。

關鍵詞：液晶顯示；背光源模組；電子材料；設計優化

中圖分類號：TH140.8 文獻標識碼：A

0 引言

液晶顯示技術已廣泛應用于電視、電腦、手機、平板以及其他電子產品中。作為液晶顯示中的關鍵部件，背光源模組（backlight module，BLM）直接影響顯示質量和能效，并為液晶顯示提供均勻且持久的光源，其決定了顯示設備的亮度、色彩飽和度和視覺效果。背光源模組的設計和材料選擇在其中起決定性作用。電子材料在背光源模組設計中的應用是提高背光源模組效率和質量的關鍵。電子材料的物理和化學性質，如導電性、熱穩定性、機械強度等，直接影響了背光源模組的性能和穩定性。但當前的背光源模組存在能效低、壽命短、熱管理不佳等問題，嚴重影響了液晶顯示的性能和用戶體驗。本文通過深入研究背光源模組的基本原理、類型以及電子材料的屬性和分類，分析當前背光源模組設計存在的問題和挑戰，總結影響背光源模組效率的關鍵因素，并提出一系列背光源模組設計的優化策略。

1 背光源模組和電子材料的基本概述

1.1 背光源模組的基本原理及類型

背光源模組是液晶顯示屏的關鍵組成部分，如圖1 所示，液晶面板提供均勻和連續的光源。背光源模組由背光源、光學膜、反射板和散光板等部件構成。當電源供電時，發光二極管（light emittingdiode，LED）發出光線，射入導光板內，經過導光板改變光的線路，使點光源變為面光源，經過增光膜、反射板和散光板等部件的反射和散射，形成均勻的光場，最后通過液晶面板形成顯示圖像。

背光源模組主要分為直下式背光源模組（圖2）和側入式背光源模組（圖3）[1]。直下式背光源模組將光源設于面板下方，通過多層反射和散射形成均勻的光場[1]。側入式背光源模組則將光源設于面板側面，通過光導板和散射膜將光線引入液晶面板。直下式背光源模組一般較厚、重量大、發熱量高，主要適用于超大尺寸或對空間要求不嚴格的液晶顯示產品的大尺寸顯示屏，如電視顯示屏；側入式背光源模組體積小、重量輕、功耗低，常用于30 寸以下中小尺寸的背光模塊，主要是小尺寸顯示屏，如手機和平板。

背光源的工作原理是將點光源轉換成面光源，為液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）產品提供顯示所需的外部光源[2]，如圖4 所示。

1.2 電子材料的基本屬性與分類

電子材料是電子器件和集成電路的基本材料，其性能直接影響電子器件和集成電路的性能。電子材料的基本屬性包括導電性、熱穩定性、機械強度、光學性能等。

電子材料大致可分為導體、半導體和絕緣體。導體主要包括金屬和合金，其內部電子可以自由流動，具有良好的導電性。半導體材料的導電性介于導體和絕緣體之間，可以通過控制其摻雜濃度和類型改變其導電性。半導體材料廣泛用于晶體管、二極管、光電器件等電子器件。絕緣體不導電，但在高電場下可能發生擊穿，其常用于電子器件的絕緣和保護[3]。

背光源模組中的電子材料主要包括發光材料、封裝材料、導電材料、絕緣材料、散光材料和反射材料等。發光材料是背光源的核心；封裝材料用于保護發光材料；導電材料和絕緣材料分別用于電路連接和電路絕緣；散光材料和反射材料則用于形成均勻的光場[4]。

例如，LED 是常用的背光源，其發光材料通常為InGaN（氮化銦鎵）或AlGaInP（磷化鋁鎵銦）等化合物半導體材料；封裝材料則為環氧樹脂或硅膠[5]；導電材料通常為銅或鋁；絕緣材料則為陶瓷或塑料。利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射，直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。

導光板（light guide plate，LGP）的主要材料為光學壓克力（PMMA）板，其化學名稱是聚甲基丙烯酸甲酯，透明壓克力板材透光率達到92% 以上，抗沖擊能力強。其在背光源模組內的作用是將點光源或線光源轉換成面光源，并利用光線折射和全反射定律對光線進行引導。當光線從折射率高的物質向折射率低的物質入射且入射角超過一定角度時，不會發生折射，而發生全反射。LGP 底部印有網點，破壞了光線的全反射，使光線改變透出LGP。朝著反射片方向的光在反射片的作用下又被返回到LGP 中被重新利用。

散光材料和反射材料則通常為聚酯膜或玻璃纖維板等[6]。LED 發出的光源通過導光板轉換成面光源后，通過散光材料和反射材料反射、聚攏、擴散，使畫面均勻、柔和。

2 背光源模組設計中的問題分析

2.1 當前設計存在的問題和挑戰

隨著能源環保意識的不斷提高，背光源模組的高效節能性成為重要的發展方向。智能制造技術的不斷推進，使得背光源模組在顯示器件中的作用越來越重要，制造工藝也越來越復雜，并且可以應用于手機、平板、電視等各個領域，未來其應用范圍還將進一步擴展，如汽車、VR/AR 等，因此背光源模組的發展也需要不斷滿足新的需求和應用場景。液晶顯示背光源模組設計面臨著一系列問題和挑戰。

首先，近年來液晶顯示技術雖然取得了顯著的進步，但背光源模組的光效率依然較低。在背光源模組中，大部分的光能在穿過液晶面板時被吸收或者散射，導致了能源的浪費。其次，背光源模組需要提供高亮度和高均勻度的光源，以確保液晶顯示器能夠展現出最佳的顯示效果。因此對背光源的布局和散光板的設計提出了更高的要求。如何在保證亮度和均勻度的同時，又能降低能耗和成本，成為當前設計中面臨的一大挑戰。最后，隨著移動設備的日益輕薄化，對背光源模組的體積和重量也提出了更嚴格的要求。如何設計出一款體積小、重量輕且性能卓越的背光源模組，是當前設計所面臨的又一項重大挑戰。

2.2 影響背光源模組效率的關鍵因素

背光源模組是LCD 顯示器產品中的一個背面光源組件，由背光光源、多層背光材料及支撐框架組成。隨著電子產品向智能化、輕薄化的方向發展，對生產設備精密度、穩定性水平的要求越來越高。背光質量決定了液晶顯示屏的亮度、出射光均勻度、色階等重要參數，這些參數很大程度決定了液晶顯示屏的發光效果。根據研究，從傳統背光光源發射出來的光，在經過反射膜、擴散膜等光學薄膜之后，只會有約60% 的光通過背光源模塊進入下偏光膜，最后經過液晶、上偏光膜的光只剩下4%。因此，背光設計和材料的選擇很重要。影響背光源模組效率的關鍵因素為：①發光材料的性質，包括其光效率、穩定性和壽命。選擇具有高性能的發光材料，能顯著提高背光源模組的效率。②光學設計，包括背光源的布局、反射板的設計以及散光板的設計等。優秀的光學設計可以更有效地將光能傳遞到液晶面板，從而提高背光源模組的光效率。③電路設計，包括電源管理和驅動電路的設計。高效的電源管理和驅動電路設計可以降低電能損耗，提高背光源模組的電效率。④制程技術，包括封裝技術、焊接技術以及精細加工技術等。高品質的制程技術不僅可以確保背光源模組的性能，還能提高其生產效率和產品的可靠性。

以上各因素相互作用與影響，共同決定了背光源模組的整體效率。在實際的設計過程中，需要綜合考慮并權衡這些因素，以實現背光源模組效率的最優化。

3 背光源模組設計的優化策略

3.1 材料設計優化策略

在液晶顯示器背光源模組的設計中，材料選擇是關鍵因素之一，優化材料設計可以提升設備性能和降低成本。首先，需要選擇具有高發光效率和性能穩定的發光材料。例如，量子點材料以其較高的發光效率和穩定性受到矚目。對量子點材料進行深入研究，優化其發光譜線寬度和發光峰值，能夠實現更精準的色彩控制和更寬的色域。其次，電子材料包括電源管理集成電路（integrated circuit，IC）和驅動電路。通過選擇低損耗的電源管理IC 和高效的驅動電路，不僅能降低能耗，提高電效率，而且能降低設備故障率，增加設備的穩定性和壽命。再次，光學材料的選擇也很重要，需要選擇具有高反射率的反射板和高透光率的散光板，必要時可增加增光膜，以優化光學設計，提高發光效率。同時，還要考慮設備的輕薄化需求，選擇輕質、薄型的材料。最后，優化材料設計的過程中，還需要考慮環保因素，選擇環保、可循環利用的材料，降低生產過程對環境的影響。

3.2 結構設計優化策略

結構設計優化是背光源模組設計的重要環節，對設備的性能和用戶體驗有直接影響。結構設計優化主要從以下幾個方面進行：首先是光學結構的優化。通過改進反射板、導光板和散光板等光學部件的設計，使光線能更有效地通過液晶層，提高設備的亮度和對比度。其次是電路結構的優化。優化電源管理和驅動電路的設計，可以降低能耗，提高電效率，同時也可以降低設備的發熱量，延長設備壽命。最后是機械結構的優化。考慮到設備的輕薄化和便攜化需求，需要優化背光源模組的大小和重量，以及裝配方式和接口設計等，使設備更加輕薄，安裝更加簡便，使用更加便捷。

3.3 制程優化策略

制程優化主要通過優化生產過程，提高生產效率，降低生產成本，提升產品質量[7]。首先是材料制備過程的優化。研究并應用新的材料制備技術，如量子點的精確制備和應用，以提升材料性能，確保材料質量的穩定性，降低材料成本。其次是裝配過程的優化。通過應用高精度、高效率的自動化裝配設備和技術，減少人工操作，提高裝配精度和效率，減少產品缺陷，降低裝配成本。再次是測試過程的優化。采用高精度的測試設備和技術，提高測試精度和效率，確保產品的性能和質量。最后是質量控制過程的優化。建立和完善質量管理體系，對全過程進行嚴格的質量控制，確保產品質量的穩定性和可靠性。此外，制程優化還需要注重環保，降低生產過程中的能耗和污染，實現綠色生產。

4 結論

本文對液晶顯示背光源模組的電子材料設計與優化進行了深入探討。首先，介紹了背光源模組的基本原理、類型以及電子材料的屬性和分類。其次，針對當前背光源模組設計存在的問題和挑戰，以及影響其效率的關鍵因素進行了詳盡分析。此外，本文深入研究了電子材料在背光源模組設計中的應用和選擇策略，并提供了實際應用案例。從材料設計、結構設計和制程3 個方面提出了背光源模組設計的優化策略，并對優化策略的實際應用效果進行了評估。這些優化策略不僅為背光源模組設計的優化提供了理論依據，也給予了實踐指導，具有較高的實用性。此研究結果能為背光源模組設計者和制造商帶來實質性幫助，以提升產品性能并優化生產流程。盡管本研究取得了顯著的成果，但在未來的研究中還需要對更多的電子材料進行探索，以進一步提升背光源模組的性能。同時，隨著液晶顯示技術的不斷發展，未來可能會出現新的設計挑戰和制程問題，需要持續研究和優化。

參考文獻

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