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題目: 微電子工藝課程報告 姓名: 劉詩雨 學號: 3072406082 班級:電子科學與技術0703班TFT LCD用背光源的結構與工藝TFT(Thin Film Transistor 薄膜晶體管)LCD(Liquid Crystal Display 液晶顯示器),廣泛應用于筆記本、電視機、手機等的顯示設備中。液晶顯示器發(fā)光原理不同于自發(fā)光型的CRT(Cathode Ray Tube 陰極射線管)、PDP(Plasma Display Panel 等離子顯示屏)等,由于液晶本身并不發(fā)光,為進行顯示,作為外部光源的背光源不可或缺。一、TFT LCD結構及顯示原理TFT LCD技術是用薄膜晶體管驅動液晶材料進行顯示的技術;液晶材料是在某一特定溫度范圍內,會同時具有液體和晶體特性的材料,其所具備的光學各向異性使外部電場可以改變液晶材料的通光特性,從而進行顯示。典型的TFT LCD結構如圖1所示,類似三明治結構,在兩片玻璃基板中間夾有液晶材料,從上到下依次包括上偏振片、彩色濾光片、液晶層、TFT陣列基板、下偏振片和背光模組,其中在TFT陣列基板上連接有驅動IC。TFT LCD主要利用光的偏振性能實現圖像和文字的顯示。以不加電情況下為亮態(tài)(即常白狀態(tài))為例,圖1中的上下兩片偏振片的光學偏振方向互相垂直,即相位差為90度。來自背光源的非偏振光,經過下偏振片成為線偏振光,在某個像素位置如果沒有電壓,由于液晶的旋光特性,該線偏振光的偏振方向將旋轉90度,正好與上偏振片的偏振方向相同,則該像素顯示狀態(tài)為亮。如果某個像素位置有電壓,該像素區(qū)域的液晶旋光特性將消失,通過的光線的偏振狀態(tài)不變,因此光線無法通過上面的偏振片,則該像素顯示狀態(tài)為暗。這就是薄膜晶體管液晶顯示器的基本顯示原理。圖1下面僅就上述結構中的背光源部分進行介紹。二、TFT LCD用背光源的種類位于顯示屏背面的光源稱為背光源。作為背光源的光源,通常有以下三種:(1)CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp 冷陰極管燈熒光燈)(2)LED(Light Emitting Diode 發(fā)光二極管)(3)EL(electroluminescence 電致發(fā)光板),OLED(Organic Light Emitting Diode 有機發(fā)光二極管,又稱有機EL),無機EL從大尺寸、高亮度、低價格考慮,目前多采用(1),從便攜性和發(fā)光效率考慮,越來越采用(2)和(3)。按光源與導光板的位置關系,背光源有下置式、側置式(側光式)之分,此外還有不設導光板的平面光源式。各類背光源在液晶顯示器中的應用及分類如圖2。圖2圖3下置式冷陰極管背光源(見圖3)的優(yōu)點是光利用率高,容易實現大面積,通過調節(jié)燈管數量和功率便于控制光源的亮度,廣泛應用在20in以上的大尺寸液晶顯示器中。而在筆記本、臺式PC監(jiān)視器(顯示器)等中型顯示器領域(10-20in),為適應薄型化輕量化的要求,多采用如圖4的側光式冷陰極管背光源。而對于便攜設備(10in以下),如手機、數碼相機、PDA(Personal Digital Assistant 掌上電腦)、游戲機等,為滿足高亮度低功耗的要求,多采用側光式LED背光源。圖4下置式、側置式、平面光源式背光源的構造如圖5所示。下置式如圖中a所示,在LCD屏的正下方,設置光源(多根日光燈管)和反射膜及光幕(lighting curtain),作為面光源使用。側置式如圖中b所示,將線光源的熒光燈管置于丙烯酸樹脂做成的導光板的側面,由線光源變換為平面光源。平面光源式如圖中c所示,光源自身為平面而被應用。圖5在各種背光源中,下置式和平面光源式為面光源,因此光的利用率高;而側置式是將線光源燈置于屏的側面,因此光的利用率低。圖6所示為提高側置式背光源光利用率所采取的各種措施。如在導光板的底面形成使光發(fā)生散射的白色點狀圖案以及使光再利用的反射膜,為降低亮度不均插入擴散膜片,以及為提高亮度而設置棱鏡片及偏振光分離片。圖6最近,在側置式背光源中已成功地采用LED,而且設置于液晶屏幕前方側面的前置式光源也已制品化。此外,室外使用將外部光收入背光源內、室內使用切換為背光源的采光型背光源也已問世,見圖7。圖7在平面光源式背光源中,也開始使用EL及平面型熒光燈做發(fā)光光源。EL采用有機分散型EL,但由于低亮度短壽命,只能在小型LCD屏中使用。對于大型電視用LCD屏來說,從高亮度考慮,適合采用下置式背光源。三、TFT LCD用背光源結構之CCFLCCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp 冷陰極管燈熒光燈)的發(fā)光原理如圖8所示,被電場加速的電子同氬原子碰撞使其激發(fā)或電離,激發(fā)態(tài)的氬原子及被電場加速的氬離子使汞原子激發(fā)或電離,它在返回基態(tài)時以紫外線的形式釋放能量,紫外線打在管壁使熒光體發(fā)光,變換為可見光。除氬外,氖、氪、氙等惰性氣體單獨或混合使用均可作為激發(fā)物質,而燈電極形狀(面積)、熒光體的材質等共同決定燈的亮度和壽命等性能。圖8人們正在開發(fā)將燈的電極置于外部、通過電容耦合作為電極而放電的EEFL(External Electrode Fluorescent Lamp 外部電極熒光燈),其具有高亮度、低功耗、一組燈可以由一個變換器(inverter)來驅動等特點。四、TFT LCD用背光源結構之導光板對于側置式背光源來說,需要將置于側面的燈發(fā)出的光,在導光板內全反射的同時向前傳播,導光板底部的反射點圖形有規(guī)律變化,入射角小于全反射角的部分光能從導光板上表面射出,將線光源變?yōu)槊婀庠?,如圖9所示。圖9導光板底部的反射點,有通過印刷形成的白色點圖案(絲網印刷法),有由射出成形形成的點圖案(注射成形法)。前者將二氧化鈦及沉降性硫酸鋇等顏料與丙烯酸系黏合劑相混合,由絲網印刷,在導光板底部形成白色點圖案,如圖10所示。由絲網印刷法形成的白色點圖案,在靠近燈的部位,點直徑小、數量少;在遠離燈的部位,點直徑大、數量多;而在離燈最遠的部位,由于設置了反射膜片,因此點直徑略小些,數量也略少些。如此設置,保證整個顯示屏亮度均勻一致。圖10早期的這種導光板由PMMAf(poly methyl methacrylate 聚甲基丙烯酸甲脂)板材切割而成,隨著生產量的擴大及價格的降低,目前更多采用的是射出成形法。射出成形裝置及工作原理如圖11、圖12所示,下面簡要說明:(1)射出成形開始之前,首先打開模具,并保持一定間隙。(2)向模具中注入樹脂填充。(3)伴隨填充,模具內的壓力升高,伴隨定位桿的伸長,模具打開的間隙變大。(4)樹脂填充完畢之前,在模具腔內全面填充樹脂,經探測證實填滿之后,高速加壓。(5)樹脂填充之后,在保壓的同時進行階梯壓力控制。(6)在冷卻完成之前,一直保持最終壓力,冷卻完畢則制成導光板。圖11圖12五、TFT LCD用背光源結構之光學膜片在背光源中,為了將線光源和面光源發(fā)出的光高效率地照射在LCD屏上,需要用到各種光學膜片。1、棱鏡膜片棱鏡片(prism sheet)又稱增亮膜,用來提高屏幕亮度,分為折射型棱鏡膜片(向上設置棱鏡)和全反射型棱鏡膜片(向下設置棱鏡)兩種。折射型棱鏡膜片是將可塑性樹脂膜片在高壓下轉印而成。如圖13所示,此種膜片的頂角是90度,上下兩塊相互正交配合使用。為產生偏角效應,在其下部設置下擴散膜片(簡稱擴散片),進一步還要設置導光板、反射膜片等;還要在導光板下印刷白色點圖案。利用該圖案的散射效果,產生大約60度的出射光束,再利用下擴散片的散射折射效果,變?yōu)?0度的出射光束,進一步由折射型棱鏡膜片,使光束法線方向射向顯示屏。這樣,由相互正交的兩塊棱鏡膜片,將光面上的各成分向法線方向集中,從而提高亮度。這種機制,由于存在Fresnel反射損失和光的吸收損失,光的利用率有所降低。圖13圖14全反射型棱鏡膜片是在聚酯(polyester)膜片上利用紫外線硬化型樹脂,轉寫為棱鏡膜片的形狀而形成的。如圖14所示,此種棱鏡膜的頂角為60-70度,同擴散膜片、帶有透鏡的導光板、反射膜片等組合使用。對于65-70度由導光板出射的光束,全反射效果使其法線方向射入顯示屏。與折射型棱鏡膜片相比,所使用的部件和材料較少,而且由于利用了光的全反射,Fresnel反射損失和光的吸收損失較小,使光的利用率提高。2、反射膜片反射膜片通常設置于導光板的底部,用于使光向導光板內部反射以減少行進光的衰減;而位于燈管周圍的反射膜,則是為了高效率地取出燈光。反射分為鏡面反射和漫反射(擴散反射)兩種。代表性的反射膜,分為白色聚脂膜(顏料填加型)和超白色聚脂膜等。前者通過在樹脂中添加二氧化鈦等白色顏料,由于顏料吸收部分光能,反射率不太高;后者在白色聚脂膜的內部,形成許多扁平的空洞,因此與前者相比有較高的反射率。二者的反射特性見圖15。圖153、擴散膜片擴散膜片又稱散光膜片,用于增加光的擴散、防止顯示斑駁、提高液晶屏亮度。制作方法有的是使PET(poly ethylent terephthalate 聚酯)膜片表面粗糙化,有的則是在PET表面封入丙烯酸樹脂微球等。見圖16。六、TFT LCD用背光源的組裝背光源的制造,是從由丙烯酸樹脂制作導光板開始,然后在導光板上制作使光散射的白色點圖案,而后貼附反射膜片、擴散片、棱鏡膜片等光學膜片,并進行組裝,
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