背光模組

所謂背光源（BackLight）是位於液晶顯示器（LCD「」）背後的一種光源，它的發光效果將直接影響到液晶顯示模塊（LCM）視覺效果。液晶本身並不發光，它顯示圖形或字元是它對光線調製的結果。背光源的發展可以追溯到二戰時期。當時用超小型鎢絲燈作為飛機儀錶的背光源。這是背光源發展的初始階段。經過半個世紀的發展，如今背光源已經成為電子獨立學科，並逐步形成研究開發熱點。

隨著液晶顯示技術的不斷發展，液晶顯示器特別是彩色液晶顯示器的應用領域也在不斷拓寬。受液晶顯示器的市場拉動，背光源產業，呈現一派繁榮景象。LCD為非發光性的顯示裝置，須要藉助背光源才能達到顯示的功能。背光源性能的好壞除了會直接影響LCD顯像質量外，背光源的成本佔LCD模塊的30-50%，所消耗的電力更占模塊的75%，可說是LCD模塊中相當重要的零組件。高精細、大尺寸的LCD，必須有高性能的背光技術與之配合，因此當LCD產業努力開拓新應用領域的同時，背光技術的高性能化(如高亮度化、低成本化、低耗電化、輕薄化等)亦扮演著幕後功臣的角色。

背光源是提供LCD面板的光源。主要由光源、導光板、光學用膜片、塑膠框等組成。背光源具有亮度高，壽命長、發光均勻等特點。目前主要有EL、CCFL及LED三種背光源類型，依光源分佈位置不同則分為側光式和直下式（底背光式）。隨著LCD模組不斷向更亮、更輕、更薄方向發展，側光式CCFL式背光源成為背光源發展的主流。

液晶顯示是被動發光元件，顯示屏本身並不發光，而是由其下方的背光系統照亮的。背光源和液晶顯示屏組合在一起構成了液晶顯示模塊。下圖為液晶顯示器的背光源常見的結構。液晶背光是一個平面的均勻照明裝置，作為光源的冷陰極熒光燈管或LED燈條排列在整個背光源的兩邊或一邊（可能是長邊，也可能是短邊）。冷陰極燈管是線光源，LED是點光源，把此光源轉換為面光源需要使用導光板。導光板一般由高透光率的亞克力塑料製成，表面非常光滑平整，以致於大部分內部光線會在其平整表面上規則的全反射，而不會射出到導光板外部。液晶顯示器的導光板的底部印有白色的網點。在導光板印有網點的位置上，光線不再規則的全反射而是會嚮導光板上方射出。控制每個位置網點的密度就可以控制導光板在這個位置射出光線的多少。精密設計的導光板網點可以讓兩側入射的光線均勻的鋪散在整個平面上。導光板上方會再放置光學膜片，這些膜片起到均勻光線，並且匯聚大角度光供正面觀察等作用。

光源、導光板、反射片、光學膜片構成了液晶顯示器的背光源。其發出的光線照射到液晶面板上時，光線會先通過下偏振片向上透出，不同的液晶面板這個時候會按照自己的機理將光線轉變偏振方向。接下來光線接觸到彩色濾光片產生顏色，最後入射到上偏振片。在被液晶轉變偏振方向後，有部分光線可以出射，有部分會被吸收。整個液晶面板上每一個像素都可以分別決定出射光線的強度。從而產生圖像。

一般而言，背光模組可分為前光式(Front light )與背光式(Backlight)兩種，而背光式可依其規模的要求，以燈管的位置做分類，發展出下列三大結構。

發光源(Edge lighting)為擺在側邊之單支光源，導光板采射出成型無印刷式設計，一般常用於30寸以下中小尺寸的背光模組，其側邊入射的光源設計，擁有輕量、薄型、窄框化、低耗電的特色，亦為手機、平板電腦、筆記型電腦的光源，亦有大尺寸電視背光模組採用側光式結構。

(Bottom lighting)超大尺寸的背光模組，側光式結構已經無法在重量、消費電力及亮度上佔有優勢，因此不含導光板且光源放置於正下方的直下型結構便被發展出來。光源由自發性光源(例如燈管、LED等)射出藉由反射板反射后，向上經擴散板均勻分散後於正面射出，因安置空間變大，燈管可依TFT面板大小使用2至多之燈管，但同時也增加了模組的厚度、重量、耗電量、其優點為高輝度、良好的出光視角、光利用效率高、結構簡易化等，因而適用於對可攜性及空間要求較不挑剔的LCD顯示器與LCD TV，其高消費電力(使用冷陰極管)，均一性不佳及造成LCD發熱等問題仍需要求改善。

隨著影像要求的尺寸增加，LCD也朝更大尺寸的方向發展，這類超大型的LCD被拿來當作監視器及璧掛式電視，不僅要求大畫面、高亮度及輕量化，在電器上亦要求高功率下的低熱效應，發展的中空型結構的背光模組，使用熱陰極管作為發光源。此結構以空氣作為光源傳遞的媒介，光源向下被稜鏡片與反射板對方向調整及反射后，一部分向上穿過導光板並出射於表面，另一部分因全反射再度進入中空腔直到經折反射作用后穿過導光板出射，而向上的光源或直接進入導光板出射，或經一連串折射、反射作用再出射：導光板的形狀為楔型結構，目的在求均一化的效果。

電致發光(EL)背光源體薄量輕，提供的光線均勻一致。它的功耗很低，要求的工作電壓為80～100Vac，提供工作電壓的逆變器可把5/12/24Vdc的輸入變換為交流輸出。但EL背光源的使用壽命有限(在50%亮度條件下的平均使用壽命為3000～5000小時，在更高的亮度水平上使用壽命將大為縮短)，因此，理想的EL背面照明用逆變器允許輸出電壓和頻率隨著EL燈泡的老化而增加，從而延長採用EL的背面照明光源的顯示器的有效使用壽命。

EL背面照明對於像手錶、數字台式鍾和單色PDA等需要極度微弱的照明以便在光線朦朧或昏暗條件下使用的小型反射式LCD應用而言是較為適用的。然而，低效率、低亮度以及短壽命使其不適用於諸如膝上型電腦和平板桌上型監視器所要求的大型LCD這樣的透射型背面照明用途。

小型冷陰極熒光燈(CCFL)提供了用於大型LCD所需的亮度和壽命(以及燈光管制能力)，但是隨著更高效、設計使用更靈活的LED大量出現，CCFL的使用已經越來越少。但是，熱量堆積是一個值得關注的問題。

LED背光源的使用壽命超過5000小時，且使用直流電壓。LED背光源與CCFL背光源在結構上基本是一致的，其中主要的區別在於CCFL是線光源，而LED在使用時先要做成LED燈條（LED light-bar），再放入背光中。

導光板的作用在於引導光的散射方向，用來提高面板的亮度，並確保面板亮度的均勻性。導光板的良優與否對背光板影響甚大，因此，側光式背光板中導光板的設計製作是關鍵技術之一。導光板是利用射出成型的方法將丙烯壓製成表面光滑的板塊，然後用具有高反射且不吸光的材料，在導光板的底面用網版印刷的方式印上擴散點，CCFL或LED light-bar位於導光板側邊，其發出的光利用反射導入導光板內部，當光線射到擴散點時，反射光會往各個角度擴散，然後將破壞反射條件由導光板正面射出。利用各種疏密、大小不一的擴散點，可使導光板均勻發光。反射板的用途在於將底面露出的光反射回導光板中，用來提高光的使用效率。

導光板按照工藝流程不同又可分為印刷式及非印刷式(射出成型形)，印刷式是在壓克力平板上用具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。非印刷式則是利用精密模具使導光板在射出成型時，在丙烯材料中加入少量不同折射率的顆粒狀材質，直接形成密布的微小凸點，其作用有如網點。印刷法的效果不如非印刷法。非印刷法效果優異，使用人數少，速度快，效率高，但是技術門檻很高，需要掌握精密射出成型，精密模具，光學等技術才能掌握。目前國內廠商大多仍採用印刷式的導光板作為導光組件，印刷式的導光板具有開發成本低及生產快速的優點，而非印刷式的技術難度較高，但在亮度上表現優異，模具開發技術為瓶頸所在，另外，根據形狀可分為平板及楔形板，平板多應用於顯示器和電視，楔型板多用於筆記本。至於擴散板及主要用途，在於提高正面的亮度，擴散板的作用在於讓光的分佈更加均勻使從正面看不到反射點的影子。由於光自擴散板射出后，其光的指向性非常差，必須利用稜鏡片來修正光的方向，達到聚光的效果，提高正面的亮度。

另外，還有蝕刻方式(模仁咬花),即直接將印刷點的設計轉移到模具上，取代傳統的印刷方式，而在輝度的實際表現上，蝕刻導光板則不如印刷導光板。

切削方式SC加工，即在導光板正面以切削方式製造出一條條長溝型的結構，與稜鏡片結構類似的鏡面設計，更能增加輝度提高的效果，但在均一性的表現上則不如印刷方式的導光板結構。

噴砂方式，利用細砂材料噴灑於模仁形成粗面分佈，在射出成型下直接轉移至導光板上時，粗面越多的地方，破壞光源全反射的效果越強，因此可達到光源面的均勻分佈。

可見，背光模組的作用無非就是把點光源或線光源發出的光通過漫反射使之成為面光源。但這個背光源大有學問，在搭配不同數量的燈管時其表面的紋理會有不同的變化，背光板的設計涵蓋了光學設計、精密模具以及蝕刻、印刷等精密科技。

在一定的光源輸出下，將會通過稜鏡膜、反射偏振片和高反射率反射片來提高液晶模組的正視亮度，或稱軸向亮度。在不增加光源數量的情況下，要提高軸向亮度有兩種途徑：一，改善光線的角分佈，將光線集中到正視角度上；二，減少損耗，提高總的出光光通量。市場上的增亮膜片的生產商有超過30家之多，比較大的有LG、3M、GE、Sony，羅姆哈斯等等。

1.稜鏡膜

稜鏡膜是當今使用最廣泛的增亮產品。它適用於小到手機顯示屏大到液晶顯示器，各個尺寸的液晶顯示模塊。幾乎所有的液晶背光源裡面都使用了稜鏡膜。稜鏡膜是一層透明的塑料薄膜，厚度在50到300微米之間，在薄膜的上表面均勻而整齊的覆蓋著一層稜鏡結構，如圖。稜鏡膜放置在背光源的擴散片和液晶面板之間，它的作用是改善光的角分佈，它可以將從擴散片射出的均勻地向各個角度發散的光匯聚到軸向角度上，也就是正視角度上，在不增加出射總光通量的情況下提高軸向亮度。

增亮膜的光增益（Gain）增益是指背光源在有增亮膜情況下的光強和沒有增亮膜情況下的光強的比值，增益可以比較客觀的排除背光源的光強分佈的影響，而只體現增亮膜的增亮效果。舉例說，如果增亮膜的增益為1.3，就說明在使用稜鏡膜前後，液晶模組的cd/w光效可以提高30%左右。稜鏡膜對入射的光線進行選擇，讓符合匯聚光角度的光線通過，而不符合條件的光線被反射回背光源，重新在背光源中散射后再回到稜鏡膜，直到符合條件出射為止。

Gain= I / I 在背光源上使用一張稜鏡膜可以使得光線在一個方向上匯聚，如果在這張稜鏡膜上面再疊加一層稜鏡方向與其垂直的稜鏡膜，光線就可在兩個方向上都得到匯聚。這個時候的膜片總增益會增加。

2.反射偏振片

和稜鏡膜不同，反射偏振片是對背光源光線根據偏振方向的不同進行選擇的循環增亮膜。這種薄膜可以精確的將平行其光軸方向的偏振光100%的反射，而另外一個正交方向上的偏振光可以正常穿透薄膜，如圖。相對於普通吸收型偏振片將一種偏振態的光完全吸收，這種特殊薄膜被叫做反射型偏振片。

常用的液晶顯示面板，不論是TN、STN、IPS或者VA，在ITO玻璃下面都有一層吸收型偏振片（下偏振片）。它提供給液晶面板所需要偏振態的入射光。從背光源出射的光都是全偏振光，入射到偏振片上會有一半光能變成熱損失掉。如果在背光源中使用了反射偏振片就可以避免這一半光能的損失。如圖，在背光源中，反射偏振片被放置在離液晶面板最近的位置，或者說反射偏振片和液晶面板的下偏振片之間是不存在任何其他薄膜。反射偏振片的透光軸也就是上圖中的P光光軸與下偏振片的透光軸平行放置。背光源中出射的光，有50%符合透射條件，可以通過反射偏振片，與此同時滿足下偏振片的透過要求，從而沒有損失的通過下偏振片。另外50%的光，具有和透射光正交的偏振方向，會被反射回背光源，在背光源散射並且消偏振之後變為自然光，再次入射到反射偏振片上，繼而又有一半光透射，一半被反射；周而復始，最終所有的光線都被轉化為符合透射條件的偏振光，而沒有損失的透過下偏振片。所以，在理想情況下，使用反射偏振片可以得到50%的增益。在實際情況下，光路中的吸收，實際增益比50%小很多。

模塊中使用反射偏振片，在提高亮度的同時，出光的角度並不會像使用稜鏡膜那樣匯聚到一起，而是將各個角度輸出的光強都按一定的增益同比例放大，使用前和使用后，光的角分佈具有類似的形狀。這一特性對顯示器和顯示器這樣對視角要求比較大的液晶屏很有幫助。不使用反射偏振片，只在背光源中使用稜鏡膜的顯示器想要達到TCO'03這樣嚴格的顯示器標準是比較困難的。稜鏡膜出光的某些角度附近會有很大的亮度變化，在大角度觀測時，因為從觀測點到屏幕上每一個點的視角不同，屏幕亮度均勻度變得比較差。使用反射偏振片的顯示器就不會遇到這樣的大視角均勻度問題。除了在視角上有優勢之外，反射偏振片還可以提高整個液晶模塊的lm/w光電轉化效率和cd/w能源效率。

3.高反射率反射片

使用高反射率反射片可以提高燈管反射片或者底反射片的反射率。在和其他增亮技術不衝突的情況下，能進一步提高亮度和能效。迄今為止，反射率最好的反射片是由數百層增反薄膜組成的多層膜反射片，和普通反射片95%左右的反射率相比，其具有幾乎對所有可見光波長99%～100%的反射率。這樣的反射片在循環增亮系統中非常有用，因為它可以減少循環光每次在反射時的損失。雖然在反射率上相差不多，但是在載入稜鏡膜或者反射偏振片之後，得到的增益變化都在10%以上。

4．增亮綜合解決方案

不同尺寸和用途的模塊可以通過不同的增亮技術達到更大的亮度增益。液晶顯示器多使用17英寸到22英寸的模塊，考慮到會有不只一個人觀看屏幕，顯示器模塊一般只會使用一張稜鏡方向水平的稜鏡膜來保證水平視角，同時可以使用反射偏光片和高效率反射片得到更高的光學增益。實際的背光設計中，只有小部分高端的模塊會使用到全套方案，更多的則是設計者在需求、性能和成本上綜合考慮，選用最合適的增亮產品。

隨著國際IT行業迅速發展，使得相關LCD行業不斷推陳出新，LCD產品尺寸朝多元化和輕便化方高發展，背光源作為LCD產品的核心組件之一勢必配合此發展趨勢，致力於產品的多元化和輕便化。

LCD一直對背光源的發光亮度要求很高，但高亮度也使得LCD耗電量居高不下，背光源作為LCD模組中最費電的配件，已不適應可攜式資訊產品的要求，因此在不增加耗電量情況下提高背光源亮度進而增加L最費電的配件，已不適應攜帶型產品的要求，因此在不增加耗電的情況下提高背光源亮度進而增加LCD亮度也是主要發展趨勢之一。當前的目標是達到500-700cd/平方米亮度，壽命達到10萬小時的平板熒光燈。

隨著LED的技術不斷發展，LED背光源的市場佔有率迅速擴大。原來以熒光燈管作為光源的液晶顯示器正逐步被LED液晶顯示器所取代。

不只是液晶顯示器，其他各種應用的液晶顯示產品中使用LED背光源的比率也都逐年遞增。如圖所示，至2015年時，以熒光燈管為光源的液晶顯示器或可退出市場。

從圖中可見，2010年起，LED液晶顯示器相較於CCFL顯示器的出貨量在不斷增加中。LED液晶顯示器的出貨量在所有液晶顯示器中所佔比例由最初的3%不到，一直增加至2012年末預測的74%。而且這個比例還在不斷的增加中。

對能源效率最敏感的背光模組，其成本中所佔比重最大的是LED和導光板，而LED有恰是於能源效率直接相關的部件。它在整個背光模組中所佔成本比例是27%，在整個液晶模組中所佔的成本比例約為6%。

背光模塊(Back Light Unit)是液晶顯示器(LCD)光源的提供者，LCD本身並不發光，背光模塊光源的表現便決定了顯示器表現在外的視覺感，液晶顯示器由於其厚度薄，質量輕且攜帶方便，需求快速的增加，已能在CRT的市場佔有一席之地。

隨著液晶顯示器製造技術的提升，大尺寸及低價格的趨勢下，背光模塊在考慮輕量化、薄型化、低消費電力、高亮度及降低成本的市場要求，為保持在未來市場的競爭力，開發、設計新型的背光模塊及導光板成型的新製作技術，是今後努力的方向及重要課題。