第一章 緒論
1.1 研究背景
1.1.1 液晶顯示器
液晶顯示器[1~2]除了具有輕薄、低耗電量、與陰極射線管顯示器 (Cathode Ray Tube, CRT)相比幾乎無輻射等優點外，還能與半導體製 程技術相容，使其成為平面顯示器市場的主流。
液晶顯示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通電時導通，
使液晶排列變得有秩序，使光線容易透過；不通電時，排列則變得混 亂，阻止光線透過。這種利用外加電場來產生光的調變現象，稱為液 晶的光電效應。利用此效應所設計製造出的液晶顯示器計有扭轉向列 型液晶顯示器(Twisted Nematic Liquid Crystal Display, TN-LCD)、薄膜 電 晶 體 液 晶 顯 示 器 (Thin Film Transistors Liquid Crystal Display, TFT-LCD)、及高分子散佈型液晶顯示器(Polymer Dispersed Liquid Crystal Liquid Crystal Display, PDLC-LCD)等。而液晶顯示器依據驅動 方式可分成被動矩陣驅動及主動矩陣驅動兩大類。再依據光源可將液 晶顯示器的顯示效果模式分為穿透式、反射式、及半穿透反射式。
以薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)為例，其為主動矩陣驅動、
穿透式液晶顯示器。其主要構造由液晶面板與背光模組兩大結構所組
成。而液晶面板包括玻璃基板、偏光片、彩色濾光片、液晶材料、驅 動IC、配向膜、ITO導電薄膜和其它元件製程需用到的材料及化學用 品等。液晶顯示器運作方式，首先由背光模組射出的光線照射在偏光 片上並穿透過去，穿透的光被偏極化後再穿透液晶，由於液晶分子的 排列狀態可由外加驅動電壓來改變，因此進而可改變偏極光的偏光角 度與光透過率，也因隨著偏光角度的改變，偏極光的強度也有所不 同，而不同強度的偏極光經由彩色濾光片的藍、綠、紅三種畫素後再 混色加成，就會顯現出各種不同顏色和亮度的畫素，最後由各種畫素 就可組成眼睛所看見的各種圖案或影像[2]。
圖1.1 主動矩陣型LCD結構
1.1.2 背光模組(Back Light Module)之簡介
背光模組(Back Light Module) [1][3~6]又稱作背光板或背光源，是 一個能提供充足亮度與分佈均勻光源的零組件，目前普遍的運用在各 種通訊、資訊消費產品上，例如底片掃瞄器、幻燈片看片箱、醫療器 材、監視器、數位相機(Digital Still Camera)、衛星導航系統(Global Positioning System, GPS)、個人數位助理(Personal Digital Assistant, PDA) 、 筆 記 型 電 腦 (Notebook, NB) 和 液 晶 顯 示 器 (Liquid Crystal Display, LCD)等產品，其中又以具有液晶面板組件的產品在市場上銷 路最大。不過由於液晶面板本身不發光，所以背光模組就成為提供光 源的一個關鍵光學組件，其重要性也隨之增加。
背光模組可分成前光式(Front Light)與背光式(Back Light)兩種，
其中背光式又依產品規格的要求，以燈管的位置不同，設計出下列三 大結構：
（1）邊光式(Edge Lighting)結構：此結構一般常用在18吋以下中 小尺寸的背光模組，其發光源是放在側邊的單支光源（如冷陰極螢光 管，導光板採用射出成型的無印刷式設計。而側邊入射的光源設計，
擁有輕量、薄型、窄框化、低耗電的特色，因此手機、個人數位助理 (PDA)、筆記型電腦等產品通常都是用此種光源設計，不過也有大尺 寸的背光模組採用邊光式結構。
圖1.2 邊光型背光模組主要結構圖
（2）直下型(Bottom Lighting)結構：此結構主要為了因應更高亮 度的需求，並配合大尺寸的背光模組所設計出來的。由於邊光式結構 已經無法在重量、耗電及亮度上佔優勢，因此將原本能減輕模組重量 及厚度考量的側面光源改為由直下式光源（例如燈管、發光二極體等）
將光線從正下方直接射入，並藉由反射板反射後，經擴散片均勻分散 轉變為平面光源後進入液晶面板。也因光線從正下方射入，光源的平
面化只需由擴散片完成，不像邊光式背光模組要利用導光板上的網點 結構，將側邊的冷陰極螢光管線光源或發光二極體點光源射出的光產 生重複折射後，導出形成均勻面光源。更因為安置空間變大，所以可 依液晶面板大小使用兩根或三根以上的燈管，但同時也增加了背光模 組的厚度、重量與耗電量。其優點為高輝度、良好的出光視角、光利
用效率高與結構簡易化等，因而適用於針對可攜性及空間要求較不挑 剔的LCD Monitor 與LCD TV。其高消費電力（使用兩根以上的冷陰 極管）、均一性不佳及造成LCD 發熱等問題仍需要求改善。
圖1.3 直下型背光模組主要結構
（3）中空型結構：隨著大眾對於影像觀感上的要求，LCD也朝 更大尺寸的方向發展。像這類被拿來當作監視器及壁掛式電視的超大 型LCD，除了要求大畫面、高亮度及輕量化外，在電器上更是要求高 功率下的低熱效應。而近年來發展的中空型結構的背光模組，使用熱 陰極螢光管作為發光源，光源所射出的光線被稜鏡片與反射板調整方 向及反射後，一部分穿過導光板、擴散片與稜鏡片並射向液晶面板，
另一部分因全反射再度進入中空腔體直到經折、反射作用後穿過導光
板、擴散片與稜鏡片射出。導光板的形狀為楔型結構，目的在求均一 化的效果。
圖1.4 中空型背光模組主要結構
1.1.3 背光模組之光學基礎理論
為瞭解上述結構的設計方法，以下介紹所使用之相關基礎理論。
以光學原理來分類，背光模組所使用到的光學基礎理論為幾何光學 [3][7~8]。其中包括反射、折射原理，可表示成：
r
i θ
θ = (1-1)
t
i n
n1sinθ = 2sinθ (1-2)
其中θi為入射角，θr為反射角，而兩者所在介質之折射率為n1； θt為 折射角，而其所在之介質的折射率為n2。
在折射定理中，當光線由疏介質進入密介質時，入射角會大於折 射角；而當光線由密介質入射至疏介質時，折射角將會大於入射角。
當折射角大於90°時，折射現象會發生在同一介質，這時稱之為全反 射現象。而當折射角(θt)等於90°時之角度時，所對應之入射角度(θi) 稱為全反射之臨界角(θc)。因此將θt =90o與θi =θc兩條件代入公式 (1-2)，則臨界角(θc)可表示成：
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
= − ⎛
1 2
sin 1
n n
θc (1-3)
其中n1 >n2。
由上式可知，只要當入射角大於全反射臨界角時，全反射現象即 會發生。而當入射角大於全反射臨界角時，全反射光線會遵循反射定 理，即發生在同介質之全反射的反射角會等於入射角，如圖1.5所示。
以全反射原理作為光傳遞最顯著之應用有光纖通訊：利用光之全反射 原理讓光在光纖中傳遞[8]。
圖1.5 同介質之全反射的反射角會等於入射角
1.1.4 背光模組之關鍵光學零組件介紹
背光模組[4]主要是由發光源、燈罩、反射板(Reflector)、導光板 (Light Guide Plate，LGP)、偏光轉換膜(P-S Converter)、擴散片(Diffusion Sheet 光學用模片1-2片)、稜鏡片(Brightness Enhancement Film 增光 膜1-2片)及外框等組件組裝而成。
發光源(Light Source)
發光源必須具有高亮度與高壽命等特色，而目前所使用的發光源 包括冷陰極螢光管(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)、熱陰極螢 光 管 (Hot Cathode Fluorescent Lamp, HCFL) 、 發 光 二 極 體 (Light Emitting Diode, LED)與電激發光片(Electro Luminescent, EL)等。而其 中以冷陰極螢光管具有高壽命、高效率、高輝度極高演色性等特點，
再加上外形是圓柱狀，因此易與光反射元件組合成薄板狀照明裝置，
所以目前光源以冷陰極螢光管為主流。
反射板(Reflector)
以邊光式背光模組為例，邊光式的反射板放置於導光板底部，將 來自底面漏出的光反射回導光板中，防止光源外漏，以增加光的使用 效率。而直下式背光模組的反射板則是放置或黏貼在燈箱底部表面，
將經擴散片部份反射往燈箱底部的光束再次反射回擴散片。
導光板(Light Guide Plate)
導光板功能在於導引光線方向，以提高面板光輝度及控制亮度的 均勻性，其主要應用在邊光式背光模組。以邊光式背光模組為例，位 於導光板厚側端面的冷陰極螢光管將其所發的光以端面照光的方式 進入導光板後，大部分的光以全反射的方式傳向導光板薄的一端。當 光線在底面碰到微結構後，會往正面射出。而利用疏密、大小不同的 微結構圖案設計可使導光板面均勻發光。
導光板是利用射出成型的方法將丙烯壓製程表面光滑的楔形板 或平板，然後用具有高反射率且不吸光的材料，在導光板底面用網版 印刷印上圓形或方形的擴散點。通常筆記型電腦因考慮空間關係均採 用楔型板，而LCD Monitor與LCD TV則採用平板為主。
擴散片(Diffusion Sheet)
擴散片的功能為提供液晶顯示器一個均勻的面光源。一般傳統的 擴散片主要是在擴散片基材中，加入一顆顆的化學顆粒，作為散射粒 子，而現有的擴散片其微粒子分散在樹指層之間，所以光線在經過擴 散層時會不斷的在兩個折射率相異的介質中穿梭，而同時光線就會發
生許多折射、反射與散射的現象，如此便造成了光學擴散的效果。另 一種製作方法是使用全像技術，經由曝光顯影等化學程序將毛玻璃的 相位分部紀錄下來粗化擴散片基材表面，以散射模糊導光板上的墨點 或線條，但在如此的光路架構下，會由於材料本身及化學顆粒的性質 造成吸光，而且其對光的散射是散亂的。如此將會有部分的光強被浪 費，而造成光源無法有效的利用，再加上其化學製程較費時，所需的 生產成本相對也較高。
圖1.6 擴散片構造圖
稜鏡片(Brightness Enhancement Film, BEF 增光膜)
由於從擴散片射出的光之指向性較差，因此必須利用稜鏡片來修 正 光 的 方 向 。 稜 鏡 片 主 要 以 多 元 酯 （ Polyester ） 或 聚 碳 酸 酯
（Polycarbonate）為材料，其表面結構一般為稜形柱體或半圓柱體。
稜鏡片的原理是藉由光的折射與反射來達到凝聚光線、提高正面輝度 的目的，如此可以增加光線從擴散片射出後的使用效率，使得背光模
組的輝度提高60%~100%以上。通常一組背光模組會使用兩片稜鏡 片，彼此方向垂直，將光集中使輝度增加。
偏光轉換膜（P-S Converter）
採用偏光轉換膜的功能是使光源做偏極態轉換。偏光轉換膜是藉 由特殊的光學塗佈與結構特殊的排列方式構成光分離板，將出射光分 離成P偏光與S偏光，S偏光又經反射後變成P偏光後，即可通過偏光 板。也有利用一片膽固醇型液晶片與1/4波片構成的偏光反射板，將
採用偏光轉換膜的功能是使光源做偏極態轉換。偏光轉換膜是藉 由特殊的光學塗佈與結構特殊的排列方式構成光分離板，將出射光分 離成P偏光與S偏光，S偏光又經反射後變成P偏光後，即可通過偏光 板。也有利用一片膽固醇型液晶片與1/4波片構成的偏光反射板，將