王何立穎 / 工研院電光所
全球氣候危機日益嚴峻，實現淨零碳排已是139個國家宣示落實的長遠環保目標。我國以出口為導向，歐盟《碳邊界調整機制》(CBAM)跟美國碳關稅《清潔競爭法案》(CCA)的規範，將對產業造成重大影響。我國顯示面板產業為第2大製造業，分析顯示面板模組整機碳排前三大分別為①Array、CF及Cell之原物料/製造、②背光模組、③印刷電路板。基於實現淨零碳排目標，本文透過光學模擬方式，探討低碳背光板的微結構設計對其光學特性的影響，並提出多種微結構與稜鏡片搭配前後的光學特性，以提高背光板的光效率與均勻度，同時減少材料用量與碳排放。
【內文精選】
微結構應用於低碳背光模組之機會
背光模組是LCD的主要能耗部件，其能耗占整機能耗的60%~80%。因此，降低背光模組的能耗，不僅可以節省電力成本，也可以減少碳排放，符合淨零碳排的目標。
背光模組中的核心部件，負責將光源均勻分布於整個顯示面板上，在降低能耗的目標中，扮演著重要的角色。微結構的設計不僅提升光線的利用效率，減少所需的LED光源數量，也使得背光模組更薄、更輕，進一步降低材料的使用和碳足跡。
降低背光模組能耗的方法主要有以下幾種：①結構簡化：減少背光模組的膜層數量，例如將導光板與稜鏡片整合為一體，或是省略擴散片等，可以減少光學損耗，提高出光效率，同時也可以減少材料用量與製程成本。②微結構優化：改善導光板的微結構設計，例如採用非均勻分布的點陣、自由曲面微結構或V-cut等，可以增加光線的出射機率，提高均勻度，減少LED的用量與功率。
光學設計與模擬簡介
應用於背光模組之微結構會根據產品需求而進行不同設計，為了縮短開發時程，並且降低成本，在進行微結構生產開發之前，會先以光學軟體進行相關的模擬分析，我們能將發想層面的設計，透過軟體得到初步的驗證。圖一為光學模擬流程，簡要說明如下。
圖一、光學模擬流程
①需求討論：確定模擬目的、光學系統需求和性能指標，與相關利害關係人討論並明確目標。
②3D建模：使用模擬軟體建立完整的光學系統模型，包括：光源、背光模組、微結構等元件。
③光源選定：選擇合適的光源模型，例如LED封裝結構或光源檔，並設定光源參數，如亮度、角度分布等。
④微結構設計及佈點排列需考慮微結構尺寸、密度和排列方式，以上條件皆會影響背光模組外觀的光學特性及外觀品味。
⑤光學分析：使用模擬軟體進行光學模擬，評估亮度、均勻性和其他性能指標。
⑥完整光學系統驗證與評估：將模擬結果與實際測量結果進行比對，確保光學系統符合需求並達到預期效能，同時優化模擬結果，提高精確度。
微結構對光學特性的影響
背光模組的微結構是影響背光板光學特性的關鍵因素，其主要作用是改變光線在光學元件內的傳播方向與強度，使其能夠均勻地從導光板的上表面出射。
本文透過模擬軟體比對了三種不同微結構之出光特性：
③稜鏡形微結構：圖四顯示了稜鏡形微結構的光線分布情況，最大能量強度集中在25度角，且整體的能量強度指向性最高。稜鏡形微結構具有獨特的光線分布情況，可在特定角度下產生折射或反射效果，這對於創造視覺效果或增加光學設計的多樣性非常有價值。
圖四、稜鏡形微結構出光特性
這些數據結果顯示了不同微結構在控制光線傳播路徑和強度方面的差異，進而影響背光模組的光學特性，如：出光率、亮度和均勻度等。總結來說，不同的微結構可以根據需求來控制背光模組的光學特性。在低碳背光模組的設計中，我們應該根據具體應用場景和性能需求來選擇適合的微結構，以實現高效能且節能的背光系統。
微結構搭配稜鏡片之光學特性
在背光模組中，稜鏡片扮演著重要的角色，其主要作用是將光源發出的光線進行導光和均勻分配，以確保整個顯示面板的亮度和色彩均勻性。當光源發出的光線進入稜鏡片時，稜鏡片會根據其光學設計，將光線進行折射和反射，使其垂直地傳播到液晶顯示面板或其他顯示組件上。這樣可以有效減少光能的損失，提高能源利用率，同時還可以減少背光模組的厚度，使整個背光模組更加輕薄---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》448期，更多資料請見下方附檔。