TFT-LCD用背光源的結構與工藝.doc

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，