光学增亮棱镜膜技术综述

应用于背光模块改善整个背光系统发光效率的增亮膜主要有四种类型： 一般 棱镜片，多功能 棱镜片，微透镜膜片与反射型偏光增亮膜，每种光学膜也有着 不同的市场特性。 一般棱镜片， 棱镜片的主要功能为将灯源发出的光线予以导正以增加发光效 率目前最主要的供货商为 3M 公司，其它供货商有 Mitsubishi Rayon，LG 电子， 新和，大日本印刷，LGS,台湾嘉威,迎辉,友辉,Suntech，SKC Haas 以及 LG 化学 等。 多功能棱镜片 多功能棱镜片是一种较高阶的产品，整合了棱镜片与扩散片 的功能，较一般型棱镜片有更好的发光效率。主要的供货商有：新和、迎辉与 LG 电子。同时，韩国面板厂商较日本与台湾厂商更快地由一般型棱镜片转换为 多功能棱镜片。 微透镜膜片 微透镜膜片是将棱镜片与扩散片功能整合到一张膜里，有许多 面板采用二张微透镜膜以取代一张棱镜片加二张上下扩的架构， 目前主要应用的 产品为 32 英寸、37 英 寸与 40 英寸液晶电视。面板主要的供货商为韩国公司如 MNTech、SKC Haas、新和 LG 化学以及 LG Micron。 反射型偏光增亮膜 目前只有 3M 公司一家供货商。据实验结果显示它是目 前所有种类光学膜中使发光效率提高的最好产品， 发光效率能较其它产品高出至 少30%， 不过目前有些韩国厂商也开始推出类似功能的产品， 如MNTech的NPRF, 新和的 CLC 与 Woongjin 以及日本 Zeonor 的 Zeno 等。 LCD 增亮膜及幅面薄膜传送工艺的研究增亮膜及幅面薄膜传送工艺的研究 我们简要介绍下背光模组的组成，背光模组由光源 CLight Source)、导光板 (Light Guide Plate ） 、扩散膜(Diffuser)、增光片(BEF, Prism Sheet)、反射板 (Reflector)等组成。冷阴极管的线型光源从侧面进入导光板，经导光板的散射转 化为均匀分布的面光源，然后经过扩散片的再次均光作用射入棱镜片，由十棱镜 片的集光作用，符合某种角度的光线被射出，即控制了光线的出射角度，又增加 了光线的亮度。不符合角度的光线经棱镜片折射返回扩散片，再次被利用。 一般而言，市场的期待方向为不断应用在技术上的优势，推出整合型的光学 膜产品，将单纯 BEF 功能附加到其它高阶光学膜上，使光学膜产生更高的附加 价值，整合式光学膜已成为背光模块增亮技术发展方向。 棱镜膜(BEF, Brightness Enhancement Film)，其利用精密的微复制技术，形 成特殊的棱镜结构，可以管理光的角度以达到增亮的效果。 多层膜结构的反射式偏光片(DBEF, Dual Brightness Enhancement Film)，利 用多层膜技技术形成一具有特殊性质之薄膜，可以将光线预偏极化，同暗反射本 会被下偏光片吸收的偏极光，经背光模组回收再利用，达到全面增光的效果。 增强型镜面反射型膜(ESR, Enhanced Specular Reflector)， 其为在可见光区 具有高度反射率之多层镜面反射膜，可以大幅提高灯管的发光效率。 由上可知，上述的二大种增亮膜是基十对背光源在角度改进，控制偏振态及 减少吸收二方面所做出的努力。 1、BEF 棱镜膜的光学原理 棱镜膜的设计思想起源十玻璃二棱镜，与玻璃棱镜不同，棱镜膜是运用树脂 材料对光线的角度进行控制， 使光源发出的光经棱镜面反射后最终能以预期的固 定角度射出。下图 3.1 我们可以看到棱镜膜的微观结构，固定棱镜顶角和间距的 棱镜规律地排成一排，散射过来的不同角度的光在相邻棱镜间进行反射和折射， 使更多的光按预期的方向射出。 棱镜膜的关键参数是两各棱镜的间距(如图 Pitch） ， 及棱镜顶点的角度(如图 Apex Angle ，不同的棱镜间距和顶点角度会出现不同 的出射光角度。 50um 的棱镜间距和 90 度的顶点角度是常用的规格参数， 这是在 不断实验后得出的最佳参数，这个规格的棱镜膜使只有出射角在(法线方向)士 350 内的光才能被折射导出，超过此角度范围外的光经反射返回背光系统得以重 复利用，直至以理想角度(士 350 内)导出。 2、BEF 棱镜膜的增亮原理 BEF 的增亮原理为利用其特殊的棱镜结构管理， 当经由扩散片散射的光到达 棱镜表面时，小于 BEF 材料关键角度的光线经棱镜面射出，大于 BEF 材料关键 角度的光线经棱镜面反射回扩散片， 约 50%的光被再次循环利用。 这样出射光线 集中在+/-35(与法线方向)的范围内，提高了中心视角的亮度(如下图 3.6).通常 一片 BEF 约可提高 60%的亮度，通常建议搭配 2 张交叉的 BEF 可达到最佳的增 亮效果(最高可达到 120%的增益)， 总言之，对十一束散射光来讲，36.8%的光线会被初次利用，46.3%的光会经 该棱镜反射回扩散片，而 11.8%的光需经相邻的棱镜片反射回扩散片被再次循环 利用。当然，难可避免，会有约 5.1%的部分大角度的光线被损失掉。 目前最常使用的光学膜是属于 BEF90/50，其中 90为棱镜的角度，50 则为 棱镜的间隔(um)。由于棱镜片是靠光线在棱镜不断进行全反射.并基由其特殊结 构将光做有效的管理及应用，因此若棱镜峰不是 90 度直角，便会使得发生全反 射的机会降低，如此一来的增亮效果将会大大降低。 BEFII 系列中，TBEF，可兼顾提高正面亮度和薄型设计;BEF1190/50,着重于 亮度的提高，以及 BEFII90/24，用十减轻反射摩尔效应;BEFIII 系列，采用了无 规则棱镜结构，降低了光偶合 wet-out 现象和摩尔效应，下表面的雾处理使面光 源更均匀;RBEF 系列和 WBEF 提供了更宽的视角以及更柔和的显示。 此外， BEF 和 DBEF 或 ESR 一起使用时，可以进一步增加亮度 3、多层膜结构的反射型偏光片 DBEF 的工作原理 传统型偏光片是属十吸收型偏光片，主要是以碘系化合物经由拉伸fU 成。 光行进时与吸收轴同方向的光，与碘化合物产生共振fU 被吸收，另一方向的光 才能穿透。如此一来，最多仅有 50%的光会通过下偏，这造成光积大的损耗。 DBEF 则是利用高分子的特性，使与穿透轴同方向的光能通过，但另一方向的光 能被反射回去，这些被反射回去的光，经由各兀件的非极化后，又能再度且不断 的被 DBEF 利用，使其能有更多的光能通过下偏光片. 4、增亮膜产品的搭配 由于增亮膜产品的市场分额的大小， 我们可将其排列称如图 3.33 的金字塔结 构(此图只为增亮膜产品的最基本结构，不涵盖介于两产品系列间的开发的新产 品)。增亮产品中最底层为应用最广的扩散片，几乎每一背光源都会用到至少一 片，其次为 BEF 棱镜增亮膜，以及多层膜结构的反射型偏光片 DBEF。此外， 也有 BEF 与 DBEF 搭配使用的增亮片。一般而言，对于 Notebook 以及 Monitor 的设计， 觉大部分厂商会选用两正交的 BEF 与 DBEF 搭配以达到 120%的亮度增 益，而对于 TV 的设计上，因需考虑视角的要求，则需使用一张 BEF 搭配 DBEF 即可。 在 BEF 约 DBEF 的搭配使用中，我们需注意，BEF 只能放在 DBEF 的下方 使用。这是因为 DBEF 属于反射式偏光片，光线透过 DBEF 后会被偏极化，如 果在 DBEF 上方放上 BEF，会使得原本已被偏极化的光线透过 PEF 基材，再度 回复形成非极化光，使得透过下偏后会有部分的光被吸收造成亮度下降。 基于增亮膜在LCD显示器中的常用组合， 我们将测得的亮度图做如下图3.34 的比较。其中包括普通显示片，BEFII90/50 增亮片显示，DBEF 增亮显示，正交 的两片 BEF 增亮显示，一片 DBEF 和一片 BEF 的增亮显示以及一片 DBEF 和两 片正交的 BEF 增亮显示。可见其亮度依次为 55.27nits,83.10nits, 87.27nits, 108.70nits,114.60nits 和 130.80nits. 【LCD 增亮膜专利技术分析】 3M 目前是全球棱镜片( BEF) 与反射式偏光增亮膜( DBEF) 的主要供货商, 目前已经推出棱镜片与扩散功能相结合的产品, 在传统棱镜片的基材下侧涂布 含有扩散材料, 使光学膜同时具有扩散膜与棱镜片的效果, 也可以避免棱镜片磨 损。最新的产品 7BEF-RP90/ 248 ( 见图 1) 结合原本棱镜片与增亮膜的功能, 节 省光学膜的数量, 减少组装成本, 复合式增光片( Mult-i FunctionOp-tical Film) 是在DBEF为基材, 上方则为BEF的棱镜结构, 使其同时具有棱镜片与DBEF的 性质,可以减少使用一片 BEF, 同时可以减少背光模块的厚度( 见图 1) 。 增亮膜专利技术主要特征: 增亮片主要分为 2 大类: 棱镜膜( BEF:BrightnessEnhancement Film) 系列和 反射型偏光 增亮膜( DBEF: Dua-l BrightnessEnhanceFilm) 。 棱镜膜( BEF) 是利用 3M 微棱镜技术制造的光学薄膜, 其表面为 20Lm 左右 高度的微棱镜结构。棱镜膜( BEF) 的增亮原理, 是将原先大视角的发散光, 聚拢 在较小的角度范围内出射, 从而增加了正视的亮度。 反射型偏光增亮膜( Dual Brightness En-hancement Film; DBEF) 的原理主亲 是利用两种不同高低折射率的材料组成多层膜。白光透过多层膜时, 未偏极化的 白光被分成平行于入射面的 P 光与垂直于入射面的 S 光两种, P 波穿透而 S 波反 射。经界面再次反射的 S 波将转变为 P 波后穿透,经过多次反射, 最终多数光源 将穿透偏光膜, 起到增亮效应。 与棱镜膜( BEF) 的增亮方式相比, DBEF 在增亮的同时, 对视角没有影响。 因此, 反射型偏光片( DBEF) , 很快被广泛应用于 LCDTV 这类对亮度要求很高 的大尺寸产品。 当入射的 a 光线射入到棱镜结构 231 的底面 232 后, 由于空气的折射率小于 该棱镜部分 231 的折射率, 依据折射定律, 其折射角将小于入射角。当折射光线 经过斜面 233 出射时, 由于该棱镜结构 231 的折射率大于空气折射率, 因而再依 据折射定律, 出射光线 b 的出射角将大于折射角。经过此光路, 使原本斜射入该 底面的光线 a 的行进