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背光模组技术简介

背光模组技术简介. --------------- 液晶模组事业处 研发部 张江华. 第一章 TFT-LCD. 第一節 TFT-LCD 簡介 第二節 TFT-LCD 構造說明. 第一節 TFT-LCD 簡介 1.1 TFT-LCD 名詞解釋 TFT-LCD 即是 thin-film transistor liquid-crystal display 的縮寫，即薄膜電晶體液晶顯示器。 1.2 液晶顯示器的主要優缺點 優點： 1 低電壓驅動，低耗能 缺點 : 1 視角不及其他顯示器

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  1. 背光模组技术简介 ---------------液晶模组事业处 研发部 张江华

  2. 第一章 TFT-LCD • 第一節 TFT-LCD 簡介 • 第二節 TFT-LCD 構造說明

  3. 第一節 TFT-LCD簡介 1.1 TFT-LCD名詞解釋 TFT-LCD即是thin-film transistor liquid-crystal display的縮寫，即薄膜電晶體液晶顯示器。 1.2 液晶顯示器的主要優缺點 優點：1 低電壓驅動，低耗能 缺點: 1 視角不及其他顯示器 2 輕薄不佔空間 2 響應速度太慢 3 可以顯示彩色 3 操作溫度范圍有限 4 可以做成反射式顯示器 1.3 液晶簡介 物質都有三態，分別是固態，液態跟氣態。其實物質的狀態是針對一般物質而言，對於不同的物質，可能有其他不同的狀態存在。以液晶態而言，是介於固體跟液體之間的一種狀態，液晶態擁有固態的晶格及液態的流動性。 液晶具有兩大特性，即對光的雙折射性和對電有介電性。由於液晶分子的結構為異方性(Anisotropic)，所以引起的光電效應就會因為方向不同而有所差異，也就是液晶分子在介電係數及折射係數等光電特性都具有異方性，因而可以利用這些性質來改變入射光的強度。

  4. 根據液晶結構，可將液晶大致分為三類：Nematic（向列相）、Smectic（近晶向）及Cholesteric（胆甾向）。向列相就是現在的TFT液晶顯示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶。這種液晶分子在空間上具有一維的規則性排列，所有棒狀液晶分子長軸會選擇某一特定方向(也就是指向矢)作為主軸並相互平行排列。而且不像層狀液晶一樣具有分層結構。與層列型液晶相比，其排列較無秩序，也就是其秩序參數S較層狀型液晶小。另外其黏度也較小，所以較易流動(它的流動性主要來自對於分子長軸方向較易自由運動)。 1.4 TFT-LCD的顯示原理 TFT-LCD的兩片玻璃基板中間夾著一層液晶，上層的玻璃基板貼有彩色濾光片(Color Filter)，而下層的玻璃則有電晶體鑲嵌於上。當電流通過電晶體產生電場變化，造成液晶分子偏轉，藉以改變光線的偏極性，再利用偏光片決定畫素pixel的明暗狀態。此外，上層玻璃因與彩色濾光片貼合，形成每個畫素(Pixel)各包含紅藍綠三顏色，這些發出紅藍綠色彩的畫素便構成了面板上的影像畫面。

  5. 如上圖所示，在玻璃基板上貼有彩色濾光片，因為液晶隻能單純控制光的透過與否，因此要產生彩色影象的話，需要有彩色濾光膜，分別產生紅，綠，藍三原色。在每片玻璃上還貼有偏光片，因為液晶顯示器均採用偏極光作為光源，故要採用偏光片將非偏極光轉成偏極光。黑色框罩主要有兩大功用，一是外界光照會造成TFT channel漏電，因此需要黑色框罩來遮光。二是液晶在某些區域可能形成不正常的排列，這些區域也可能會漏電，故也需要黑色框罩。在玻璃上有液晶配向層，它是用來提供液晶分子穩定的配向，使液晶分子能按照設計上所需的排列。兩層玻璃之間的間隙物則是用來支撐液晶所需要的間隙並使整個面板擁有均勻的間隙，形狀可能為球狀，或是突起物。驅動IC則是負責將外部的訊號轉成驅動液晶所要有波形。

  6. 第二章 背光模組 • 緒論 • 第一節 光學片 • 第二節 導光板 • 第三節 CCFL

  7. 绪论 由于LCD面板本身不发光的特性，因此必须在LCD面板加上一个发光源，才能达到显示的效果。背光模块的作用就是给LCD提供一个面光源。背光模块是由光源，导光板，反射板，扩散板，增光片组成。 目前背光源的主要产品为发光二极管（LED),冷阴极荧光灯（CCFL),电致发光（ELD)等。其中TFT-LCD上普遍采用的是CCFL.依照光源的位置不同，则可以分为直下式和侧光式。简单的说来背光模组的作用则是把CCFL发出的线光源使之通过漫反射成为面光源。看似简单的问题却涵盖了光学设计，精密模具，印刷等精密技术。 背光模组里的反射板用于将底面露出的光反射回导光板中，以提高光的利用率，它上面的扩散片则是使光更加均匀的分布。而棱镜片则可以修正光的方向，使光线聚集，以提高辉度。为了聚集各个方向的光，一般均采用两片棱镜片，即H 棱镜片和V棱镜片。导光板则是背光模块的心脏，顾名思义，它的作用是引导光线的方向，提高面板的辉度及控 制亮度均匀。

  8. 隨著國際IT行業的發展，使相關LCD產業不斷推陳出新。LCD隨著國際IT行業的發展，使相關LCD產業不斷推陳出新。LCD 產品尺寸朝多元化和輕便化發展。背光源作為LCD產品的核心組件之一勢必配合此發展趨勢，致力於產品的多元化和輕便化。 導光板的光學技術是背光模組的核心技術，目前主要有印刷式和射出成型形兩種導光板形式。目前LCD要求更加精密的導光板結構，因此射出成形導光板必然成為背光源的發展主流。但是此相應的模具技術難題隻有號稱液晶顯示器王國的日本能夠克服。LCD一直要求背光源具有高亮度，但高亮度也使LCD耗電量居高不下，所以在不增加耗電的情況下提高背光源的亮度進而增加LCD的亮度也是發展趨勢之一。 全球LCD和背光源產業以亞洲為生產重心，主要地區為日本， 韓國和台灣。我國的背光源生產仍然處於起步的階段，目前尚未形成規模經濟。因而，研究開發TFT-LCD背光源並逐步推進產業化進程，具有重要的經濟和社會意義。

  9. 背光模組的基本組成

  10. 第一节 光學片 1.1 扩散片簡介 擴散片(diffuser)的主要功能就是要讓光線透過擴散塗層產生散射，讓光的分布均勻化。 基材需要選擇透光率高的材料，如PET,PC,PMMA. 擴散片分為上擴散片和下擴散片兩種，兩者的功用有所不同，對於上擴散片它的主要作用是防止 LENS的刮傷和膜片的浮曲及防止形成彩影。下擴散片的主要作用是使光源均勻擴散，並使之折射成一個角度，同時它也有遮蓋導光板的pattern點及背光表面的缺點的作用。相對於上擴而言，下擴白且比較薄，而上擴較透明，透光率高。 對於擴散板的制作則主要是它的表面處理，從銘板工業壓花處理的PC材料到內加擴散劑的薄膜材料或塗布式的擴散材料或是結合增光膜功能的復合型材料不一而足。總而言之，要達到使光分散和遮蓋網點等目的。 衡量擴散片的光學特性主要有霧度(HAZE)，光透過率，及視角。當然透過率越高越好，對於霧度的要求則分為上擴及下擴。一般而言 下擴的霧度高，一般產家可以達到90％多，而上擴的霧度則30％-40％多。而對於擴散片的測試，參數一般為濕度沖擊，耐磨性，熱沖擊，平整性等。

  11. 1.3擴散片霧度的測定： 全光線透過強度:It=Id+Ip 全光線透過率：Tt=It/Io*100% 擴散光透過率：Td=Id/Io*100% HAZE=Td/Tt*100%

  12. 2.1 聚光片簡介 當光線經過擴散片出來時，已經通過反射片，網點，擴散板的層層損耗及散射反射，光線會比較分散，如果沒有聚光片，則大角度的光會被浪費掉。因此必須通過聚光片來修正光的方向，它能夠把原本散開的光聚集到中央，以提高亮度。而原本射向中央的光則反射到導光板內，重新反射。 它的基本原理是利用V型細條紋讓光經過折射使散射的光集中角度， 達到輝度增加的目的。依照光波的特性（水平波和垂直波),用一片聚光片是不夠的，一般而言，是採用一片V 聚光片和一片H 聚光片疊放在一起。 聚光片的基本結構如下圖所示：

  13. 2.2 聚光片的聚光作用 Useful Light High Angle Light Recycled Light (by another prism) Diffuse Input Recycled Light

  14. 如上圖所示，當光線從下擴中出來時，光的方向是各異的。如上圖所示，當光線從下擴中出來時，光的方向是各異的。 當光的方向在綠色區域時，則能透過聚光片，且方向有所抬升。 達到了聚光的效果；當光的方向在紅色區域時，則會產生全反 射，因此光不能透過聚光片，而又被折射回來重復利用；當光 的方向在藍色區域時，為大角度的光，光的方向不能被抬升， 故基本上這部分光被損耗掉了；當光的方向在黃色區域時，光 經過相鄰的棱鏡結構被折射向導光板並被重復利用，整體達到 聚光的目的。兩個方向的聚光片組合，集光效果更明顯。

  15. 3.1 反射片簡介 反射片(reflector)就是把背光源發出的光通過將光線反射到面板.反射片分為鏡面反射片和非鏡面反射片。對於非鏡面反射片，要達到高反射效率，一般而言是選擇白色。因為有色材質會吸收某一部分可見光，並且PANEL中還有彩色濾光片，如果反射片選其它顏色，就會和彩色濾光片形成幹擾。 對於反射片的要求當然是高反射率，低透過率及使光均勻性好。而對於直下式的背光模塊中，反射片則還要求能夠抗UV. 反射片的材質則以PET為主，加上一些無機填充料，如二氧化鈦，硫酸鋇等。 下面以3M生產的反射片ESR為例，來具體說明反射片的光學作用及最新技術。ESR（ENHANCED SPECULAR REFLCTOR),它具有高反射率，其反射率可以大於98％，它的材質內不含金屬，是100％聚合物。因為散熱性和金屬強度是成反比關系的，故材質使用100％的聚合物，可以使散熱性和強度均達到所需要求。ESR的厚度僅僅隻有62微米。

  16. 第二節 導光板 1.1導光板簡介 導光板是背光模組的核心組件，它的作用是引導光的散射方向，用來將線光源變成面光源，並保証面板亮度的均勻性。如果導光板隻是一塊光滑的板，則當光線從側面射入時，光線會在導光板內不斷產生全反射，從而從導光板的另一側面射出來。因此導光板的表面是不光滑的，而是印有網點。當光源發出的光射到網點時，網點會破壞全反射條件，從而光由導光板的正面射出。因此，利用疏密，大小不一的網點可以使導光板均勻發光。 按照導光板的形狀可以分為平板和梯形板。 導光板的制作材料主要有亞克力(PMMA),ZEONOR,PC等。PMMA材料的透過率高，而且抗UV，但它的吸水性強；PC材料不易吸水，但它不抗UV.ZEONOR防刮傷的能力較弱。 導光板按照工藝流程不同分為印刷式和非印刷式。印刷式是在導光板上用具高反射率且不吸光的材料在導光板的底面用網版印刷印上圓形，方形等形狀的網點。非印刷式則是利用精密模具使導光板在射出成形時，在丙稀材料中加入少量不同折射率的顆粒狀材質，直接形成密布的微小突點(或凹點)，其作用有如網點。非印刷技術又可分為INJECTION, V-CUT, STAMPING, LAR SCANNED這四種方式。

  17. 印刷與非印刷兩者各有優缺點，印刷式具有開發成本低及生產速印刷與非印刷兩者各有優缺點，印刷式具有開發成本低及生產速 度快的特點，而非印刷式在亮度上表現優異。目前，對於小尺寸一般 採用非印刷方式，而對於大尺寸則採用印刷的方式。但是隨著目前 LCD產品要求更加精密的導光板結構，射出成形導光板會成為背光源 發展的主流。 1.2導光板制作工藝流程（射出成形方式） 導光板的生產流程：對於導光板的制作基本上是靠機器的自動化來操作。將原料PMMA用瓢放入原料桶中，經過4個小時以上的烘幹，烘幹溫度大概在88度左右，隨後原料進入射出成形機，一兩分鐘內便可制成一片導光板。 導光板拋光工藝流程：從托盤中取出成品，將其水口切除，然後用拋光機拋光，並刮毛邊。對於導光板的拋光，看似是一個簡單的過程，其實它對導光板的質量起了很大的作用。如果沒有拋光好的話，導光板就會有亮度不均以及明暗條紋等不良現象。 導光板畫檢：對於導光板的畫檢分為了亮箱畫檢和暗箱畫檢。主要檢查是否有黑點，白點，雜質，擦傷等問題。

  18. 第三節 CCFL 1.1 前言 冷阴极荧光灯管（ＣＣＦＬ）从上个世纪九十年代初开始在日本面世以来，由于其具有灯管细小、结构简单、灯管表面亮度高、灯管温升小，便于加工成各种形状、寿命长等等优异的特性，迅速在各种类型的背光源、扫描器中得到广泛的使用。随着冷阴极荧光灯管自身技术的发展和信息技术、办公设备、日用产品的迅猛发展，冷阴极荧光灯管的应用范围也越来越广，需求量也急剧增长. 1.2 CCFL的基本原理 冷陰極螢光燈是屬於螢光燈的一種，其發光原理非常類似『日光燈』。在有塗佈螢光体的玻管中封入惰性氣體（Ne-Ar混合氣）與微量的活性金屬氣體，並於玻管兩端的電極間外加一高壓電場（高頻率），使其產生氣體放電現象；自由電子從陰極發射，經過一長串的能量搬運（與惰性氣體碰撞），蓄積了相當程度的動能，最後和低壓的活性金屬原子相撞，電子將動能傳給原子使其激發。這受激原子返回基態時，所吸收的能量被以紫外線（253.7nm）的形式釋放，而螢光體吸收此光能後，再轉變成可見光放射出來。自由電子不斷地被外電場加速，上述的過程也就不斷地在燈管中進行。

  19. 1.3 CCFL特性參數 色溫: 將所有射進的能量完全吸收而不反射、不透過的假設體稱之為黑體。CCFL所放射之熱光顏色，若以放射相似顏色之黑體溫度來表示其顏色，則將此溫度稱之為燈管的色溫。 設備 : 利用BM-7F 量測燈管中心的色溫值。 色度 : 一般以色度（x , y）來代表燈管的發光顏色，而其值和螢光體比例（R/G/B）關係密切。在顏色的三個屬性中不考慮亮度關係之表示法稱之為色度。 方法 : 利用BM-7F 量測燈管中心的色度值。 管電流與管電壓 : 燈管的電氣特性中，管電流及管電壓是最基本的檢測科目，因為管電流與管電壓的乘積代表著CCFL消費電力之大小，而這是電子產品所必須提供的數據。由於CCFL之管電流與管電壓是呈反比關係，故一般以量測定電流下（6mA）的管電壓值，作為比較的參考依據。製程中影響的參數有: （1） 封入氣體的壓力 （2） 封入氣體的比例 （3） 電極的型式

  20. 管面輝度 : 一般定義發光源的光亮度（簡稱輝度）是指在定方向之單位投影面上的光強度。管面輝度代表著CCFL發光強度之大小。而影響其值的因素: （1） 填充氣體壓力 （2） 填充氣體比率 （3） 活性金屬壓力（環境溫度） （4） 電極材料 （5） 螢光體材料 方法 : 利用BM-7量測燈管中心點的輝度值 壽命 : 燈管壽命被定義為燈管中心點輝度值在其初始輝度50%以上之點燈時間。影響壽命的因素有: （1） 封入氣體壓力 (2） 封入氣體比率 （3） 螢光體材料 (4） 電極材料 （5） 活性金屬含量 （6） 加工工藝 方法 : 在周圍溫度25±5℃/相對濕度55±10%下，以6mA管電流連續點燈， 並於固定時間點量測其管面輝度值。

  21. 管電流與管電壓的關系 周圍溫度與相對濕度關系

  22. 封入壓力與輝度的關系 管電流與輝度的關系

  23. 第三章 背光模組的組裝 對於不同尺寸的背光模組，組裝的方法大致一樣。它包含的材料有光學片，導光板，CCFL，塑料中框，前鐵框，燈管反射罩，端面反射片，標簽，螺釘等。組裝的不同主要是針對於B/L中的光學結構。 一般而言，B/L的光學結構由上至下是上擴散片，水平聚光片，垂直聚光片，下擴散片，導光板，反射片。在有些模組中，則省去了上擴散片。而有些模組則用DBEF來取代上擴散片。這樣做的目的是為了提高模組的亮度。 CCFL的位置在不同的模組中也有所不同，對於梯形導光板，CCFL當然隻能位於導光板的一端；對於平板，CCFL可以位於導光板的一端，也可位於兩端。 1模組的組裝是在潔凈室中進行的，所謂潔凈室是指把空氣中的塵埃，微生物的量，以及壓力，溫度控制在一定的范圍內。進無塵室需穿無塵衣，網帽，乳焦手套，並經過15秒的風淋室。在無塵室內的 作業員必須帶上靜電環以消除靜電。作業員在作工前的20分鐘及作業後的20分鐘必須搞衛生，以保持工作環境的潔凈。 下面以14‘TV PANEL為例來具體說明組裝的具體過程。

  24. 14’TV PANEL的組裝 組裝流程圖 加工 組立 畫檢 包裝 加工：將玻璃相應的位置貼上遮光膠帶，和將導光板的左右兩側貼上端 面反射帶 。 組立：將反射片，導光板放入背框內，然後將燈管插入背框的上下兩端。 隨後將下擴散片，垂直聚光片，水平聚光片，上擴散片依次放入背框中，然後用塑料框固定。接著裝上玻璃板，並用鐵框固定。在玻璃板上貼上保護膜。 最後在背框後貼上橡膠墊和固定上PCB板。最後貼上背光條碼標簽， 高壓注意標簽，PANEL條碼標簽。 畫檢：將上一步的半成品進行畫檢，看是否有亮點，MURA等現象。如有不良品則需進行檢修。 包裝：將包裝好的LCM裝入物料箱。

  25. 組裝中的錯誤對B/L光學性能的影響

  26. 第四章 檢測 第一節 B/L的檢測 1.1B/L的檢測條件: 1.環境條件為室溫〈25℃±5℃〉、濕度〈65±20%RH〉。 2.檢查條件係於標準動作狀態下進行。 3.面板表面之外部照明300Lx~500Lx（標準400Lx），面板表面與檢查人員 眼睛距離350mm+50mm 一般不良檢查角度為上下左右5度 背光板不良檢查角度為上30度，下10度，左右45度 4.輝點檢查在黑畫面下進行 黑點檢查在紅/綠/藍畫面下進行 5.外觀檢查於工作台上的照明為一個螢光燈20W、50cm高，面板眼睛之間 維持 35cm±10cm距離進行目視檢查 1.2 B/L的光學性能測試方法 方法一： 裝置：CHROMA2327 CHROMA7120 原理：CHROMA可以產生各種輸出信號給LCD MONITOR顯示特定的畫面.CHROMA 可用於對PANEL的亮度，對比度，色坐標，均勻性，色溫漂移等參數的檢測。 測定步驟：將PANEL的畫面調到GENERAL-1的畫面，可以通過此畫面使鏡頭對 準測試點。通過鍵盤將PANEL工作環境調整到工廠區，調整裡面的各項性能指 標以測試PANEL的光學性能。

  27. 方法二： 裝置：TS-550. BM-7（又稱輝度計） BM-7原理：通過輝度計測出輝度和色坐標，然後將數據輸入PC機的記錄軟件系統。整個測試系統包括：BM-7，TS-550，PC機，電流表。 測定步驟：首先將要測試的PANEL或BL放在TS-550上，並將其固定，插上升壓板及連接上電流表。在電腦上選擇好相應機種的參數。預熱8分鐘，即可開始測量。測量的參數包括最大輝度，最小輝度，平均輝度，輝度均勻性。 對於測量點的確定，一般依照以下規范制定測量點的位置。 1.當X>30,Y>30時：

  28. 2.當25<X<30，25<Y<30時 3.當X<25,Y<25時 4.當X<30,25<Y<30時 5.當X>30,Y<25時

  29. 1.3 影響B/L光學性能的因素 1.3.1 膜片對B/L光學性能的影響

  30. 1.3.2 框架對B/L光學性能的影響 框架結構支承整個背光模組正常工作，機構設計的基本原則是： 1、結構緊湊，保証各零部件固定良好，可以通過各種可靠性測試。 2、盡量使用便宜的材料與制造工藝，以達到降低成本的目的。 3、盡量設計成防呆結構，防止裝配錯誤，結構盡量簡單，以利提 高生產效率。

  31. 二 CCFL的性能測試 因為燈管是組裝於LCD模組中，商家不希望一塊高成本 的面板因為燈管的原因而不能使用，所以對燈管的品質要 求相當高。在制程方面如何控制熒光粉的調配，熒光體塗 布的均勻性，抽真空封口及溫濕度的控制，都需要相當高 的技術水平。可見，如何嚴格控制燈管品質與可靠性是一 個相當重要的課題。 測試內容如下所示： 備注：1 電氣和機械性能不能有異常 2 外觀上不能有顯著的變化 3 不點燈狀態下動作標準回路需與正常點燈狀態下一樣 4 燈管應該水平放置，點燈3分鐘後進行測試 5 BM-7用0.1度視場角，距離燈管距離應該為500+5mm

  32. 測試回路如下所示: 備注：1 d-e的線長為300+10mm;f-g線長為300+10mm; 2 燈管之上不可以放置任何導線； 3 IL 測量時，切開VL測量裝置； 4 VL測量時，切開IL測量裝置； 5 燈管水平固定在黑色絕緣板上，離開絕緣板10-15mm處， 才進行測試； vin + - V A I Inverter GND OUT GND d f mA g e VL FLUKE 高電壓 1000：1

  33. 1.2 影響CCFL光學性能的因素 1.2.1 光學片對色坐標的影響

  34. 由上表可以得出以下結論： 1.當加上導光板與反射片後，對CCFL的色坐標影響很大，其中Y值的變化 超過了0.04。 2. 當加上上擴，垂直聚光片，水平聚光片和下擴後，對色坐標基本上沒有 影響。因為聚光片的作用，亮度有了大幅度提高。 3.當加上玻璃後，主要因為玻璃中有Color Filter,故對色坐標有較大的影響，且亮度下降。

  35. 1.2.2 點燈時間對CCFL亮度的影響 實驗數據如下表所示： 由上表可得出以下結論：點燈時間對色坐標的影響不大，但對亮度有 一定的影響，點燈時間越長，則中心亮度逐步提供。但當時間達到30 小時以上時，亮度基本上達到恆定，且達到最大。

  36. 1.2.3 管電流對CCFL亮度的影響 實驗數據如下表所示： 燈管直徑2.2mm 由上表可以得出以下結論：當管電流增加時，燈管的亮度隨之增加。 但當燈管增至它的標準管電流6.5mA時，亮度達到最大。若再繼續增 加電流，亮度將基本保持不變。

  37. 1.2.4 溫度對CCFL亮度的影響 實驗數據如下表所示： 通過上表可以得出以下結論：隨著溫度的升高，亮度逐漸增大，當 溫度增加至燈管的40~50攝氏度時，亮度達到最大。若再持續增加溫度， 燈管表面亮度會逐漸降低。同時，在此溫度范圍內，對CCFL色坐標有 較小的影響。

  38. 1.3 B/L和PANEL的不良現象及原因分析

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