液晶的發展至今已有 20 多年的歷史，然而，在近幾年來，隨著 TFT(Thin Film Transistor)製程的進步，以及液晶發展的日趨成熟，在日常生活中，有許多消 費性的電子產品，最常見的如液晶螢幕(Liquid Crystal Display；簡稱 LCD)，
已隨處可見。液晶螢幕的普遍性，逐漸取代了傳統式的 CRT(Cathode Ray Tube Monitor)螢幕，主要是因為其具有厚度薄、質量輕、攜帶方便的優點。事實上，
LCD 在畫質、亮度或是色彩方面，不一定會比傳統的 CRT 好，但因為人們不斷追 求視覺享受，所以亦有許許多多的研究投入於如何改善 LCD 畫質表現。以下我的 研究，對於改進 LCD 畫面之光照度均勻分布、光源使用效率、甚至於更進一步於 減少光源數目，以至於減少 LCD 所需電力有很大的幫助。
液晶是一種非自發光性的材質，因此，要靠另外提供的光源才能使其正常顯 示圖像，而背光模組的功能就是提供液晶面板充足亮度、且使其照度能均勻分佈 的光源。一般的背光模組[圖 1.1]是由以下幾種元件組合而成：光源(一般使用 以下兩種：冷陰極螢光管(Cold Cathode Fluorescent Lamp；簡稱 CCFL)、發光 二極體(Light Emitting Diode；簡稱 LED))、燈罩、反光板(Reflector)、導光 板(Light-Guide Plate)、擴散片(Diffusion Sheet) 1~2 片、增亮膜 (Brightness Enhancement Film，或稱稜鏡片) 1~2 片、以及外框等組件組裝而成。其中光學 膜片與導光板為最主要的技術以及成本所在。而本篇論文是就導光板的設計來做 分析討論。要做導光板的設計與分析之前，需要先了解整個背光模組各項元件的 功能以及背光模組的種類，所以在本章第一節中，我們先介紹背光模組各項元件 的功能。在第二節中，我們將對目前市面上 LCD 所使用的背光模組作分類式的介 紹。在第三節中，為了加深我們對於導光板在整個背光模組中地位的認知，所以 簡單介紹了導光板對整的背光模組的重要性。在第四節中，我將對目前業界中導 光板的製造方式做簡單的介紹。
圖 1.1：一般背光模組之組成元件[1]
1-1 背光模組各項元件的功能簡介
背光模組所包含的元件種類已在前面介紹過，在此節中將一一介紹各項元件 的功能。
導光板：為本篇論文研究的重點，亦為整個背光模組的效率中心。一般來說，
在導光板的底部佈有許多擴散點，導光板利用此擴散點將由光源出射的光在通過 導光板後能霧化成均勻的面光源。
反光片：置於背光模組最底端，功能為將由導光板底部漏出的光反射回導光 板中，以增加光的使用效率。
擴散片：作用是使由導光板射出的光線在通過液晶面板後能經由擴散片而發 生漫射使光能均勻擴散，使的觀察者從正面不會看到擴散點或是光源的影子。
增亮膜(或稱稜鏡片)：通過擴散片的光，其指向性非常的差，因此要由增量 膜來修正光的方向，達到聚光的效果並及提高導光板出光面上之照度。
光源：提供液晶光源使其發光，一般是使用 CCFL，但最近一兩年，隨著 LED 製程封裝技術進步、以及此兩種光源(CCFL 及 LED)對畫質表現的差異性、甚至於 環保意識抬頭，使得 CCFL 有逐漸被 LED 取代的趨勢；在導光板設計分析中，光 源的選擇以及配置位置對其影響為最大。在第二章中第一節中，會詳細介紹 CCFL 光源及 LED 光源對導光板設計以及 LCD 畫質的影響。
1-2 現今最常使用的背光模組種類
對於背光模組的種類來說，我們可以依照兩方面來做分類及探討。第一，我 們可以依照其光源放置位置來做分類；第二，我們可就其光源入射以及出射背光 模組方式的不同來做分類。先就第一種分類討論，依據第一種分類法可將背光模 組歸類為兩種：(一)側光式結構，(二)直下式結構[圖 1.2]。另外，並將此兩種 結構作比較[表 1.1]。
圖 1.2：側光式與直下式背光模組[2]
形式 比較點
側光式結構 直下式結構
應用尺寸 小尺寸 LCD (例：手機、PDA,
筆記型電腦)
中尺寸 LCD(例:一般 17 吋 LCD)
優點 厚度薄 高輝度、良好的出光視角、光利用效率高、
結構簡易化
缺點 亮度低、光照度分 佈不均勻
散熱不佳，高消費電力(使用多根冷陰極燈 管或是多顆 LED)
表 1.1：側光式與直下式背光模組之比較
接著，我們依照第二種分類法，亦可將背光模組分為三大類：(一)穿透式 (Transmissive)結構，(二)反射式(Reflective)結構，(三)穿反式
(Transflective)結構[圖 1.3]。穿透式結構為利用背光模組中所提供的光源經 由導光板而入射液晶面板；反射式結構為利用外界環境所提供的光源入射至背光 模組再經由背光模組底部的反射而入射液晶面板；而穿反式的結構其光源可視環 境的不同而調整背光模組之光源與外界環境光源提供的比例。此三種結構之比較 如[表 1.2]。
穿透式結構 反射式結構 穿反式結構
穿透式結構 反射式結構 穿反式結構
圖 1.3：穿透、反射、穿反式三種背光模組[3]
結構 使用環境
穿透式結構 反射式結構 穿反式結構
較暗的環境 佳 差 佳
明亮的環境 差 佳 佳
表 1.2：穿透、反射、穿反三式背光模組比較
由以上比較結果可知，穿反式結構結合了穿透式結構與反射式結構的優點，在較 暗的環境下，外界的環境光不足，因而只採用背光模組之光源；在較亮的環境下，
採用外界的環境光作為背光光源，而可關閉背光模組中之光源達到省電的效果；
而在亮度普通的環境下，則外界環境光與背光模組光源各使用一半，如此一來相 當於節省一半的背光模組光源所需電力[圖 1.4]。
明亮環境下 黑暗環境下 亮度普通的環境下 明亮環境下 黑暗環境下 亮度普通的環境下
圖 1.4：穿反式背光模組在各種不同環境下的工作模式[4]
以上將一般 LCD 所使用的背光模組作簡單介紹以及分類之後，我們對背光模 組的設計以及光學原理將有初步的認識，因此在往後我們做導光板的設計及分析 時會更加得心應手。在下兩節中，我們會詳細介紹導光板在背光模組中的重要性 以及導光板的製造方式。
1-3 導光板對於背光模組的重要性
首先，我們先由[圖 1.5]說明光在一般 LCD 中的使用效率。在下圖中，我們 可以知道一般的 LCD，真正進入人眼的光，只有光源入射光的 30%，如此的光利 用效率可以說是非常的低。如果我們可以提高光源的利用效率，間接來說就是節 省能源，甚至於降低製造的成本。在下圖的結構中，有些部分是無法去更動的，
例如 Polarizer、Active Matrix。但是我們可以發現，光在導光板的傳遞過程 中，損失了 40%的光，由此可知，導光板設計的優良與否，確實對光利用效率影 響極大。此外，光通過 Color Filter 也會有損耗，原因是因為一般我們液晶螢 幕所使用的背光光源皆是白光光源。因此如果我們可以將光源換成三原色(紅、
藍、綠)光源，輔以特殊的導光板設計，則我們所需的色彩可以直接由三原色 LED 去混色，而不需要用 Color Filter 將白光分光成三原色再來混色出我們所要的 顏色，如此一來，就可以扣除 Color Filter 對光能量損耗的影響；然而，要有 如此的設計，導光板的設計將會是一個主要的關鍵點。因此無論如何，如果我們 要增進光在 LCD 中的使用效率，要改善的部分均與導光板的設計有關，所以我們 在前一節中會說導光板是整個背光模組的技術核心。
圖 1.5：光在通過背光模組各項元件之效率[5]
1-4 導光板的製造方法
目前市面上導光板的製造方法最大的不同在於擴散點的製造，其製造方式可 分為印刷式以及非印刷式，而非印刷式以蝕刻技術為主。此外，某些導光板除了 底部有擴散點的設計之外，為了要省下增量膜(或稱稜鏡片)所佔的體積以及成 本，會在導光板上方加上 V 形之的微型結構，此結構的構造方式見後面 2-2.3 節的說明；而此種導光板微結構的製造方式以精密加工為主。以下就這幾種最常 見的導光板製造技術所做簡單的介紹[6]：
1. 印刷式：
印刷式的導光板利用具有高度光散射性的印刷塗料(通常用 SiO2 或是 TiO2)，以網點印刷的方式塗在導光板的底部，如此一來光在導光板中全反射過 程中，如果遇到擴散點則會產生散射的特性，且會破壞全反射而使光由正面均勻 射出導光板。
2. 蝕刻技術：
此方法是將擴散點以感光性油墨轉印於鏡面處理的模具上，經曝光顯影後，
以蝕刻液進行化學蝕刻。
3. 精密加工：
此方式主要是用鑽石在模具上刻出 V 型或是其它種的微型結構，其亦會破壞 光在導光板中的全反射，我們可利用控制 V 型微結構的寬度或是深度的變化，來 調整導光板出光面的光照度分佈，此方法的優點為製造上較為方便，且在導光板 的被切割表面會有較好的平整性。