背光模組導光板模仁微結構成型技術(上)

刊登日期:2009/5/7
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背光模組(Back Light Module; BLM)成本比重高居薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)所有關鍵的零組件材料成本結構中之第二位,是所有關鍵零組件中最高的,其中導光板(Light Guide Panel)更扮演了最重要的角色,因為它控制了光線是否能均勻發散出去的關鍵。國內目前多達三十多家廠商先後投入背光模組或其相關產品的製造,對於面板廠商提供了良好的產品供應,國內產品供給的自給率在2008年達到95%左右。由於利用射出成型製造導光板可精確轉印複雜精密光學微結構圖案,可提升光源使用效率,因此關鍵製程零組件導光板成型光學微結構模仁之產業重要性也與日俱增。使用精密光蝕刻與電鑄加工應用於複合導光元件模仁製作,將有利於降低成本與增加利用性。有鑑於此,本文將對材化所導光板成型模仁(Stamper)之精密光蝕刻、微結構模仁電鑄與表面粗度可調控翻鑄等製程技術加以介紹。

背光模組之發展趨勢
由於LCD 之使用量日增,其影響顯像品質甚鉅之背光模組也就顯得更加重要。高亮度是TFT-LCD 非常決定性的要求項目。近兩年來,由於液晶顯示器及行動通訊的大量需求,使大尺寸TFT-LCD 及小尺寸PDA面板製程技術不斷被引進台灣。背光模組主要負責LCD 顯示器中的光源射出功能,由導光板及燈管等零組件結合而成,背光模組加上控制光線的LCD 面板後,即可組成一個LCD 顯示器。背光模組中,又以導光板最重要,因為它是控制光線是否能均勻發散出去的關鍵。國內目前超過三十多家廠商先後投入背光模組相關元件的製造,是所有關鍵零組件中自給率最高的。側光式LED 背光模組於液晶面板背面設置導光板, LED 之光線由導光板的端面入射至導光板內,均勻擴散後再從導光板表面射出。由於LED 光源亮度大幅提高及導光板加工技術的進步,目前側光式LED 背光模組如圖一所示,儼然已經成為市場主流。


圖一、側入光式背光模組示意圖

現行導光板大多利用塑膠射出成型的方式來製作,結構上大概為2.0~0.6 mm 的壓克力板,當背光技術趨勢逐漸朝向利用LED 作為背光源的時候,相對的導光板生產技術也隨之困難。因為當背光源體積縮小,在顯示產品有可能變得更輕薄的機會下,導光板自然也要跟著變薄,才能達到輕薄的目的。目前,能夠實現低成本、且符合現在與未來規格之極超薄導光板的生產製造技術陸續發表出來,過去這項技術是利用透過微鏡片和透明樹脂材料所組成的射出成型技術來實現。目前包括韓國三星、壽喜精密、日本宮川、日本歐姆龍、荷蘭Modilis 等業者開始利用新技術,如噴墨或熱壓印成型的方式(製程如圖二所示),生產新一代的薄型導光板,但是不管是材料還是技術都面臨諸多問題尚未解決。現有一般中型尺寸導光板厚度約為2.0~1.0mm 左右,但隨著市場趨勢與技術的要求,導光板厚度已經逐漸薄化達到0.8~0.6mm 。未來隨著LED 背光源模組日益成熟,依應用尺寸與產品之需求,導光板厚度可薄到0.5~0.1mm ,甚至可稱之為導光膜,導光板之厚度演化趨勢如圖三。由於厚度突然變薄,這在導光板成型方面將會出現一些問題,若期望以傳統的射出成型技術完成薄型導光板,那麼在設備上就必須改用高射速的射出成型機才行,而且其成型的厚度也有極限,依目前的射出成型而言,十多吋的導光板0.5mm 已經接近極限值。所以,對於背光模組業者就必須不斷地追求更新的導光板製作技術,來生產可量產低成本、且符合現在與未來規格的導光板。


圖三、側光式導光板厚度之演化趨勢圖
(註:本圖為部分節錄資料,詳全圖請見原文)

導光板的製作方式
LCD 導光板導光技術最早由日本明拓公司於1986 年發明,稱為Edge Light ,是目前筆記型電腦液晶顯示螢幕背光照明的主流方法。其工作原理是利用PMMA 透明導光板將由冷陰極螢光管發出的純色白光,從透明板端面導入並擴散到整個背光板,當光照射到導光板背面凸出的白色反光點時發生漫反射,使光從光源入射面垂直的板面射出。導光板平面光源係運用光在透明介質上全反射的原理,將入射端面的光偏轉90° ,從正面射出,發揮功能性導光的作用。

導光板因形狀、製作方式和功能有不同的分類法,而目前並沒有統一的分法,形狀可簡易分為:平板和楔形板,平板導光板從入射光側來看為一厚度一致之矩形板(如圖五)。楔形導光板從入射光側看來為一邊厚一邊薄,呈三角形剖面之
楔形板(如圖六)。導光板顧名思義其最主要的功能在於將光線導向設計者所需要的方向,而所有的導光板設計都要配合下游產品背光模組和液晶模組的需要,最重要的是要達到高輝度和高均勻度之要求。導光板係依光學設計原理,以網點分佈改變材料厚度的方式去控制光線在導光板上之出光位置,進而將光源均勻傳遞分佈在整個背光模組上。目前中大尺寸監視器面板以CCFL(線光源)為光源,小尺寸手機面板則以LED 為主。


圖五、平板導光板


圖六、楔形導光板

導光板模仁微結構製作技術發展現況
導光板射出用高定位精度金屬模仁的製造技術主流有二,一為精密光蝕刻技術,另一為精密電鑄技術。新近發展之微結構V-CUT 加工技術由於難度和精度過高,目前還是以中小尺寸(10 吋以下)面板之應用為主,大尺寸(10 吋以上)應用部份則尚未成熟。由於對孔形、孔徑、深度及定位精度的控制不易一致,常見之雷射加工鋼板僅少量應用於導光板光學模仁之開發與量產。精密蝕刻與精密電鑄二者各有製造及使用之優缺點,精密蝕刻金屬模仁較適合大尺寸(如10 吋以上) LCD ,而精密電鑄金屬模仁目前較適合小尺寸高解析度(如10 吋以下SXGA 以上)LCD 。

近年來由於電鑄機台之性能發展日益精進,大尺寸高精度導光板電鑄模仁之開發與量產也越來越多。由於金屬模仁屬消耗品,必須在一定射出成型次數後進行更換,為了確保導光板量產品質,精密蝕刻或精密電鑄製程都必須確保尺寸公差穩定性。金屬模仁孔形與開口形狀、深度因各廠家設計而有不同,一般以圓形為主要開口形狀。至於高精度金屬模仁的材質選用,依各廠家設計需求而有不同,常見採用的金屬板材有430 、431 不銹鋼,主因430 不銹鋼具鐵磁性與較佳的剛性與強度,易於模具組裝。鎳基金屬模仁(Ni-Stamper)乃是利用精密電鑄製程而成, SUS430 不銹鋼金屬模仁則利用精密蝕刻技術開發。針對射出成型金屬模仁製造產業,國內約有3~5 家的鋼板製造廠可供應金屬蝕刻模仁用鋼板,唯國內提供之量產鋼板,其精度(即尺寸公差)穩定性並不足以適用於高光學解析精度金屬模仁。隨著國內對導光板孔形、孔徑及深度愈來愈精密的需求,須使用精密光學級模仁鋼板的國內廠商日趨殷切。基於導光板量產品質與價格之考量,國內開發高精密金屬模仁鋼板蝕刻與電鑄技術,甚至開發可結合電鑄、蝕刻、雷射加工、微結構機械加工之精密金屬複合加工技術與產品,已是刻不容緩。

對「背光模組導光板模仁微結構成型技術」有興趣者,歡迎mail至materialsnet@itri.org.tw

作者: 陳興華 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌269期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7731


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