TFT-LCD背光模组光学膜关键件的开发研究
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摘要:背光模组关键件包括导光板、扩散膜、增光膜等,其技术实质是大型微细结构光学元件,即利用光学微细结构和散射微粒等实现对光能的重新分布,并达到特定的使用目的。背光模组关键件的设计与制造涉及光学、高分子材料、精密模具(含模具机床)和精密成型工艺与设备等多学科的交叉技术,我国虽然研究开发背光模组的单位较多,但由于受基础工业的限制,因此无法形成产业。成都菲斯特科技有限公司长期致力于微细结构光学元件的研究开发和量产,以光学型投影显示器件为代表产品,所形成的技术体系具有自主性、完整性和基础性三大特点,足以支撑背光模组光学膜关键件项目的发展。
关键词:背光模组;光学膜;关键件
中图分类号:TN141.9文献标识码:B
Development & Mass Production of Key Components of BLU for LCD
ZHANG Yi-min, WU Qing-fu
(Chengdu fscreen Sci-Tech Co., Ltd., Chengdu Sichuan 611741, China)
Abstract: The key components in LCD BLU(back light unit) ――LGP(light guide plate), Diffusion film, BEF(brightness enhancement film), could be seen as the large area micro structure optical components in term of technology, these components help to distribute the light more evenly and more efficiently through micro structure optical pattern and diffuser so as to delivery the brightness and uniform image. The design and manufacturing for these optical components involves several technologies and manufacturing capabilities including Optics, Polymer Materials, Precision Tooling Machine, Fabrication methods. Although there are no shortage of companies engaging in LCD BLU, none of them possess the know-how, these are not enough to foster local industry Industrial clusters and to improve regional and national development. Chengdu Fscreen Sci-Tech Co., Ltd. has been engaged in research and development of optical micro-structure components for 10 years, has established integrated, proprietary, fundamental technical system, all these are strong supportive to implementation of LCD BLU key components.
Keywords: backlight module; optical film; key components
引言
一般而论,tft-lcd显示器由三个主要部件组成,即TFT-LCD(液晶)面板、背光模组、驱动电路。而背光模组主要是由光源(light source:包括冷阴极荧光管、发光二极管、反射膜(reflector)、导光板、扩散片(diffusion sheet,1~2片)、增亮膜(brightness enhancement film,1~2片)及外框等组件组装而成,其中光学膜片与导光板是主要的技术和成本所在。
而本文所指关键件是指导光板、扩散膜、增光膜(棱镜片)。
(1)导光板:主要功能在于引导光线的方向,以提高面板亮度及控制光线均匀度,是影响光效率的重要元件;通常是采用基础工艺生产的光学级PMMA板材印刷网点。相对增光膜来讲,工艺技术较简单,国内已有企业在生产;
(2)扩散膜:主要功能是提升光线向上亮度(brightness),并将导光板射出的光线柔散化,以提供均匀的面光源,通常做法是在PET基材上涂布光学粒子颗粒/玻璃微珠。国内能够生产小尺寸的扩散膜,随着电视机面板尺寸的增大,大尺寸扩散板(膜)却是国内空白;
(3)棱镜片:也叫增光膜,主要功能是凝聚光线、提高正面亮度,主要以聚脂(PETG.PC.PMMA)为原料,主要技术难点是花纹模辊的制造,国内还不能生产。
微型表面结构一般为棱形柱体或半圆柱体。导光板、扩散膜、镜片作为背光模组重要的组成件,其作用都是对光的引导与控制,可称为光管理元件,从技术的实质上就是微细结构光学元件。
通常微细结构光学领域包含了四个方面的技术:光学设计、光学材料、超精密模具和模具设备、精密成型工艺与设备,是典型的综合性高科技领域。世界上在微细结构光学器件制造领域的技术比较领先的属于美国、日本和韩国,我国台湾地区也能生产部分低端产品。
由于增光膜涉及到大型超精密模具加工的单点金刚石机床,因此国内暂不能生产。也正是由于我国这一基础工业的缺失,导致至今国内不能生产增光膜,特别是用于TFT-LCD彩色电视机的大尺寸增光膜片,在液晶显示产业风起云涌之时,增光膜的生产仍然是国内空白。
近年来,LCD液晶显示器已成为彩色电视机的主流显示方式,除广泛用于笔记本电脑、监视器以外,也已广泛应用于彩电领域,特别是大尺寸的彩色电视机。国外面板主要规格可以做到26~55in,更大尺寸彩电的面板和背光模组均给生产带来更大的困难。
2008年起全球的液晶显示器产量已超过40,000万台以上,每年以不低于20%的速度递增。2007年全球的液晶彩电仅有700多万台,至2009年仅中国的液晶彩电产量就已达2,000万台以上,使我国液晶平板电视产量增速远远超过国际水平。同时我国是世界上彩色电视生产量和消费量均为第一的国家,这一产业的迅速发展使我国正从一个电子信息大国向电子信息强国发展,特别是TFT-LCD产业已经得到国家发改委和工信部的支持,大力发展液晶产业的格局已经形成。
2009年底以来,在上广电、京东方、龙腾光电已在建的TFT-LCD五代线的基础上,又有江苏昆山的龙腾光电8.5代线、南京中电熊猫的6代线、CEC与夏普合资建设的8代线、京东方的8代线、LG在广州的8.5代线、三星在苏州的7.5代线以及TCL在惠州的8.5代线相继动工建设,这些总投资达2,000亿以上的高世代面板线的建设,促使2009年成为中国大尺寸TFT-LCD面板产业发展的突破年。这样庞大的投资是全球LCD产业中前所未有的,从而将使我国的制造能力获得极大的突破。上述6条公布于世的高世代面板生产线的产能可达全球产能的10%以上,规格包含32~55in,产量将达4,500万台以上,这些生产线建成以后必将改变全球的液晶产业格局。
中国电视机生产企业众多,CRT电视产能一度超过全球产能的50%,随着平板电视产业的发展,对大尺寸的液晶面板需求更加强烈。从国家的角度来看,进军液晶电视上游面板行业对我国电子信息产业的全面升级以及工业化、信息化都有巨大的推动作用,同时对拉动内需也相当有利。
我国受到基础工业薄弱的限制,目前还不能生产增光膜,在关键部件配套方面还只能依赖国外进口,从而使我国的国际竞争力微弱,因此亟需加快解决自主配套的问题才能完善液晶产业链,形成国内液晶产业的完整体系。
1增光膜、扩散膜在液晶显示器中的主要功能
1.1增光膜扩散膜的作用
由于液晶面板本身不发光,必须借助背光模组(backllight modiule)提供的光源及分布均匀的亮度才能使液晶显示器显示影像。因此增光膜、导光板、扩散膜等也称为背光模组关键件,其主要作用是为液晶面板提供均匀的面光源,使尽可能高的光能透过而不影响光的特性,因此在大尺寸液晶显示器中尤为重要。促进增光膜等关键件的国产化和产业化对促进我国平板电视产业的升级换代,增加我国液晶产业的国际竞争力发挥着重要的作用,同时也可以带动超精密机床、超精密模辊加工工艺技术、光学高分子材料、投影显示光学器件等方面的基础工业技术的提升。
背光模组关键件――导光板、扩散膜、增光膜(棱镜片)等,其技术实质是大型微细结构光学元件,也就是利用在透明膜片材上加工成型光学微细结构和光学扩散微粒的工艺技术,实现对光能的重新分布以达到一定的使用目的。国际上通称为增光膜、扩散膜、反射膜以及导光板。
背光模组实际上是由一层层光学膜片材料组成,通过它们实现对光的均匀分布,如图1所示。
从图2、图3中我们可以看到背光模组中扩散膜和增光膜的实质。
背光模组实际上是由一层层光学膜片所组成,通过CCFL或LED光源,经过模组中各种膜片材料对光的功能作用,实现对光能的重新分配,使我们的LCD显示器能够看到影像。
扩散膜是通过在光学膜片材料上的微细颗粒(beads)实现光的扩散,而增光膜(棱镜片)是通过在透明光学材料上加工成型微细条纹(光栅)结构进行反射和折射,对光能进行重新分布。
1.2主要技术难点
增光膜、扩散膜是背光模组中最关键的功能件,由于表面均匀布满棱形尖锥型的微细结构,从而提高了光线透过率,增大了亮度和视角。TFT-LCD进入电视机市场后,更加强调亮度系数的提高,使增光膜的需求更迫切,技术要求更高。国际流行的增光膜类似CRT背投电视机的光栅柱面镜,齿型结构、节距、主要设计参数的不一样导致辊筒加工方式、成型工艺技术的不一样,因此只要改造辊筒的设计加工,完全可以批量生产增光膜。目前,国内没有专门用于辊筒加工的超精密单点金刚石机床、辊筒表面处理技术,不能达到增光膜工艺技术的要求,因此现阶段还必须依赖引进国外先进的精密模辊加工技术。而模辊加工设备及技术唯有美国穆尔纳米技术公司拥有,该公司已向韩国、台湾企业出售了该项设备与技术。
1.3背光模组光学部件量产需要解决的关键技术问题
(1)增光膜光学结构设计;
(2)背光模组光路设计;
(3)辊筒精密加工技术与设备;
(4)模具表面处理技术;
(5)扩散膜的光学扩散粒子配方设计;
2形成液晶产业上下游产业链、建成完整体系
从技术实质来讲,背光模组是超大型的微细光学结构透镜组,由导光板、扩散片、棱镜片组成,其通过光学膜片发挥以下主要功能作用:
(1)引导光线的方向,提高面板灰度和控制亮度均匀性;
(2)尽可能高的光能透过特性,为液晶面板提供均匀的面光源;
(3)在一定波长范围内(可视光的范围)尽可能满足可见白光的特性要求。
虽然对于液晶电视机来讲,液晶面板非常重要,但由于它本身并不发光,完全依靠背光模组提供光源才能实现显示图像的功能,因此是液晶面板中不可缺少的关键件,即使在科学技术已经高度发达的今天,国际上也只有少数几个国家的少数几个公司能够设计生产。背光模组关键件的制造工艺技术包含几个方面的技术,即光学结构设计、高分子材料、超精密模具、模辊表面处理技术、精密成型工艺及设备,是一种典型的综合性高科技产品。
我们提出背光模组关键件产业化的根本目的是基于自主知识产权,围绕微细光学结构技术体系创新,实现背光模组的国产化和产业化,促进我国液晶电视产业的发展。关键部件的国产化,特别是大尺寸背光模组关键件的产业化,可以提高国产液晶电视的国际竞争力;满足市场需求,获取良好的经济效益和社会效益;实现国内自主配套形成产业链;提高国内超精密加工的基础工业水平,解决国内不能制造高精密花辊的技术难点。
液晶电视是我国平板电视工业产业结构调整的重要产品之一,围绕液晶电视整机与其它部件形成LCD电视产业链,无疑具有巨大的经济和社会意义,从而建成我国强大完整的平板显示工业体系,如图4所示;
(4)相关技术带动相关产业的发展可以支持大型超精密模具和模具材料的开发,LCOS、DLP投影屏幕的制造工艺技术体系,立体显示屏幕的制造工艺技术体系。
如完成了增光膜的生产工艺技术体系,可以覆盖以下基础工业体系:
(1)光学高分子材料的开发;
(2)背光模组光路设计(含增光膜结构设计);
(3)大型超精密单点金刚石机床的技术设备引进(国内还不能生产)及国产化;
(4)模辊表面材料的开发(Ni-P)合金以及表面处理工艺技术;
(5)辊筒的加工工艺技术;
(6)增光膜的成型加工工艺技术。
这些技术综合性强,技术起点高,建成后还可以解决我国在LCOS、DLP以及3D电视发展的需要,如图5、图6所示。
3主要工艺技术方法
背光模组关键件市场表现出两大特点:垄断性和集中性。国际上少数几个厂家如美国3M、日本KIMTO、韩国三星、LG以及中国台湾的企业垄断了关键件市场90%的份额。至今为止增光膜、反射膜等关键件完全依赖进口,对我国新上6条以上的高世代液晶面板产业的配套非常不利,造成这种态势的原因是我国的液晶产业起步晚、水平低,在关键技术上不具备实力,可以说还没有真正的参与到竞争中去。因此我国液晶背光模组光学膜产业的发展以及形成自主配套能力,势在必行。
背光模组主要由光源、导电板、扩散膜、反射膜、增光膜(棱镜片)模组框等组成,源于光路设计的需要,CCFL仍然是现阶段采用的主要光源,CCFL荧光灯发光功率高,其寿命可达2万小时。是现阶段TFT-LCD较理想的光源,但随着LED光源的出现,使LCD背光模组更有利于向更大更薄的方向发展,相信不久的将来,以LED作光源的背光模组必将成为LCD彩色电视机的主流产品。
3.1增光膜的工艺技术体系
增光膜最关键的技术是在辊筒上雕刻棱形花纹技术,透镜挤压生产中,透镜挤压辊筒加工技术直接影响产品的棱形透镜成型质量。目前世界上通行的做法是在加工好的钢辊上镀上一层硬度较低的如铜等金属,使用金刚石刀具加工所需要的微细棱形结构表面。这一层表面无法达到挤压生产状态,必须在加工好的微细结构表层再镀一层较硬的镍或铬(最先进的工艺是镀上一层镍-磷合金),才能满足金刚石刀具雕刻棱形透镜的工艺要求。同时,由于透镜需要的表面精度和表面光洁度都非常高,这一制辊技术目前还是世界性的难题。