畢業(yè)論文：光散射聚合物雙出射導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

題目：光散射聚合物雙出射導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

學(xué) 院 ： 信息科學(xué)與工程學(xué)院
專 業(yè) ： 電子科學(xué)與技術(shù)
屆 別 ： 2012屆

論文摘要

作為二十一世紀(jì)的主流顯示終端，LED液晶顯示器在平板顯示領(lǐng)域中處于主導(dǎo)地位。導(dǎo)光板作為液晶顯示器背光系統(tǒng)中重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣對液晶顯示器的顯示質(zhì)量以及能耗有重要影響。傳統(tǒng)導(dǎo)光板一般采用透明的光學(xué)材料，需要擴(kuò)散膜等其它輔助光學(xué)薄膜才能將點(diǎn)光源或者線光源有效地轉(zhuǎn)換成均勻的面光源。這些光學(xué)薄膜增加了背光模組的厚度、加工的復(fù)雜性及液晶顯示器的成本。
為此，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)小池教授提出了新型體散射導(dǎo)光板的設(shè)想。為了滿足輕薄節(jié)能的市場需求，本文對基于雙面出射的聚合物散射LED側(cè)入式背光模組加以討論和優(yōu)化。這種雙出射導(dǎo)光板可向上下兩面同時(shí)輻射光線，可以同時(shí)為兩塊液晶面板提供背光源，通過在光學(xué)材料內(nèi)部摻入高散射微粒子，使得從側(cè)面光源發(fā)出的光在導(dǎo)光板內(nèi)部產(chǎn)生散射，并從導(dǎo)光板表面均勻射出。相信該設(shè)計(jì)無論在個(gè)人電子設(shè)備還是在公共設(shè)施方面都有良好的應(yīng)用前景。該設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是對導(dǎo)光板的聚合物材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.從光度、色度學(xué)的基礎(chǔ)理論入手，分析了導(dǎo)光板的導(dǎo)光原理；并且對體散射導(dǎo)光板的微觀規(guī)律進(jìn)行理論分析。
2.由于影響體散射導(dǎo)光板光學(xué)性質(zhì)的因素較多，現(xiàn)有光學(xué)設(shè)計(jì)手段仍不夠完善和普及，本文旨在總結(jié)各個(gè)材料參數(shù)對導(dǎo)光板宏觀性能的復(fù)雜影響規(guī)律，總結(jié)適用于體散射導(dǎo)光板材料參數(shù)的優(yōu)化方法，為實(shí)驗(yàn)提供一定的依據(jù)。
3.通過研究摻雜粒子的折射率、粒子直徑、粒子濃度等幾個(gè)因素對導(dǎo)光板光學(xué)性能的影響，找到較為合適的理論參數(shù)，并借助米散射理論解釋這一現(xiàn)象的理論原因。





關(guān)鍵詞：LED背光源，雙出射導(dǎo)光板，光散射聚合物，體散射

Abstract
As the mainstream display terminal of the twenty-first century, LED backlight monitors in a dominant position in the field of flat panel display. As an important component of the liquid crystal display backlight system, LGP will have a major impact in LCD display quality and energy consumption of it’s performance. Conventional LGP is generally use transparent optical materials, it needs to diffusion film and other au*iliary optical films can be point the light source effectively converted into a uniform surface light source. These optical films to increase the thickness of the backlight module, the processing comple*ity and cost of the liquid crystal display.
To this end, a professor at Japan’s Keio University, Koike proposed the
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…………………………………………….20
5.4 發(fā)光強(qiáng)度………………………………………………………………………….21
5.5 照度……………………………………………………………………………….21
5.6 亮度……………………………………………………………………………….22
5.7 主波長…………………………………………………………………………….23
第三章 體散射導(dǎo)光板摻雜顆粒的討論………………………………………………………..24
1 微觀規(guī)律…………………………………………………………………………………24
1.1 單個(gè)粒子散射效率……………………………………………………………….24
1.2 平均_程……………………………………………………………………….25
1.3 光線傳播衰減…………………………………………………………………….26
1.4 出光效率………………………………………………………………………….28
2 摻雜材料的種類對光學(xué)性能的影響…………………………………………………….28
體散射顆粒的選擇…………………………………………………………………….28
3 摻雜材料相對折射率的影響…………………………………………………………….29
4 粒子尺寸的影響………………………………………………………………………….31
3.1 直徑大小對出光角度分布的影響………………………………………………..31
3.2 直徑大小對散射效果的影響………………………………………………...…...32
5 摻雜濃度對光學(xué)性能的影響…………………………………………………………….33
6 亞微米粒子材料的設(shè)計(jì)………………………………………………………………….35
7 小結(jié)……………………………………………………………………………………….37
第四章 樣品制作與測試分析…………………………………………………………………...38
1 試驗(yàn)樣品的制作………………………………………………………………………….38
1.1光源………………………………………………………………………………..38
1.2導(dǎo)光板……………………………………………………………………………..38
2 樣品的組裝……………………………………………………………………………….39
3 樣品的測試與分析方法………………………………………………………………….41
第五章 結(jié)論與展望……………………………………………………………………………...42
1 結(jié)論……………………………………………………………………………………….42
2 課題展望………………………………………………………………………………….42
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………………….44
致 謝………………………………………………………………………………………….45
附錄（文獻(xiàn)翻譯）……………………………………………………………………………… 46

















引 言

1.平板顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
二十一世紀(jì)是一個(gè)信息化飛速發(fā)展的時(shí)期，顯示技術(shù)作為人機(jī)聯(lián)系和信息展示的窗口已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、娛樂、交通、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感以及醫(yī)療等諸多方面。顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為信息工業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。在我國，顯示技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品占信息產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的45%左右。隨著生活水平的提高，人們對顯示終端的要求也在升級(jí)。20世紀(jì)的顯示器件中，陰極攝像管（CRT）占據(jù)著主要地位，與此同時(shí)，以液晶顯示器（LCD）為代表的平板顯示器件,包括等離子體顯示器（PDP）、電致發(fā)光板（EL）、真空熒光管（VFD）、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、發(fā)光二極管（LED）、場發(fā)射顯示器（FED）也在快速發(fā)展。大尺寸電視、通信手機(jī)、PDA以及快速普及的電腦都要求有便攜的顯示器件與之配套。
液晶顯示（Liquid Crystal Display, LCD）器件是當(dāng)前發(fā)展最成熟、應(yīng)用面最廣、產(chǎn)業(yè)化程度最高、發(fā)展最迅猛的一種平板顯示器件。也是現(xiàn)在和未來IT 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要領(lǐng)域之一，擁有廣闊得市場前景和巨大的利潤空間。
經(jīng)過30 多年的發(fā)展，中國的液晶產(chǎn)業(yè)也有了很大的發(fā)展，已成為全球最大的TN/STN 生產(chǎn)大國和產(chǎn)值排名世界第四的LCD 生產(chǎn)區(qū)域。目前，在中國大陸有大約180家與LCD 產(chǎn)業(yè)相關(guān)的生產(chǎn)廠商、科研院所，約110 條TN/ STN- LCD 生產(chǎn)線，10 余條TFT- LCD 生產(chǎn)線和眾多的TN/STN/TFT 模塊生產(chǎn)線。隨著中國經(jīng)濟(jì)和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國家以及各級(jí)政府部門已經(jīng)越來越關(guān)注液晶顯示產(chǎn)業(yè)的建設(shè)�？梢哉f，在未來一段時(shí)期內(nèi)，中國的液晶產(chǎn)業(yè)即將迎來一個(gè)快速發(fā)展的機(jī)遇期。


2.雙出射導(dǎo)光板的市場應(yīng)用及發(fā)展前景
目前，雙面顯示已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸如手機(jī)一類的顯示終端上，副屏設(shè)置并顯示很多額外的功能。在眾多公共場所都需要雙向顯示終端，如車站的售票信息口、列車電視、廣告燈箱、指示牌等。但是為了滿足低功耗、便攜式的特點(diǎn)，雙面顯示器件都選用側(cè)入式背光模組。要保證雙面顯示兩面的輻射光通量均勻性一致，無疑增加了設(shè)計(jì)的難度。
早在2002年，日本LEIZ在美國西雅圖舉辦的“SID2004”會(huì)議上公布了單層光板、雙面發(fā)光的LED背照燈技術(shù)，這種背照燈是專為配備副顯示屏的手機(jī)開發(fā)生產(chǎn)的。該技術(shù)的特點(diǎn)在于利用在導(dǎo)光板下面形成的下射棱鏡和在上面形成的微光學(xué)系統(tǒng)對光進(jìn)行控制，但是導(dǎo)光板的成型比較困難，并且微光學(xué)系統(tǒng)的成本較高。這種設(shè)備的兩塊顯示屏幕尺寸不同，并且亮度的要求也是不同的。在2008年我國深圳和上海紛紛出現(xiàn)了以雙出射導(dǎo)光板為主要構(gòu)件的廣告燈箱，這種導(dǎo)光板的特點(diǎn)是應(yīng)用了兩塊分立的導(dǎo)光板背靠背疊合在一起，然后同時(shí)為兩塊液晶板提供背照光源，這樣一來，產(chǎn)品的功耗、重量和厚度都大幅增加。2009年，為了滿足客戶和工作人員能夠共享同一信息，國外開發(fā)設(shè)計(jì)了可以任意旋轉(zhuǎn)的顯示器件，但是該設(shè)備并不是便捷的結(jié)構(gòu)模式。
基于上述背景，一種輕薄并且能雙面出光的背光模組，可以同時(shí)為兩塊液晶板提供光源將大大節(jié)省成本，降低功耗，具有廣闊的市場前景。


3.本論文的研究內(nèi)容
導(dǎo)光板是平板顯示設(shè)備的重要部件，是背光模組的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以對其進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。對于最新提出的納米顆粒體散射導(dǎo)光板而言，目前的市場上還缺少相關(guān)的理論經(jīng)驗(yàn)和模擬軟件。本文借助相關(guān)理論知識(shí)和參考相關(guān)文獻(xiàn)，來研究體散射導(dǎo)光板中均勻摻加粒子的種類性質(zhì)、濃度、尺寸以及相對折射率等方面對其光學(xué)性能的影響；簡要闡述粒子在均勻分布情況下的影響以及實(shí)際可行性，從而總結(jié)和推斷出相對較為合理和優(yōu)秀的摻雜方案。





第一章 液晶顯示基礎(chǔ)

1. 液晶顯示的基本原理

圖1.1 LCD的基本結(jié)構(gòu)
液晶是1888年澳大利亞植物學(xué)著萊尼茨爾研究膽甾醇在植物中的作用是無意中發(fā)現(xiàn)的。深入研究表明，這種幾乎完全透明的物質(zhì)收到外界電場影響時(shí)，其分子會(huì)產(chǎn)生精確的有序排列；光線穿透液晶的路徑可以由構(gòu)成它的分子排列來決定；如對分子加以適當(dāng)?shù)目刂�，液晶分子將允許光線穿透。
如圖1.1所示，液晶顯示技術(shù)是把液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間。當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子會(huì)垂直排列，使光線能直射出去而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。通過改變LCD中的液晶排列，可使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。從而使液晶技術(shù)發(fā)展成為平板顯示技術(shù)并得到廣泛應(yīng)用。
液晶彩色屏幕有三個(gè)比較重要的指標(biāo)：亮度、對比度和可視角度。其中亮度是反映屏幕發(fā)光程度的重要指標(biāo)。亮度值越高，屏幕對周圍環(huán)境的抗干擾能力越強(qiáng)，畫面越亮麗。對比度是指在規(guī)定的照明和觀察條件下，液晶彩屏亮區(qū)與暗區(qū)的亮度之比，對比度越高，色彩越鮮艷飽和�？梢暯嵌仁侵附�(jīng)過導(dǎo)光板和光學(xué)組件后從屏幕發(fā)出的光所具備的特定的方向性。由此可見，一塊高亮度、出光高均勻度的導(dǎo)光板在液晶顯示中具有重要意義。

2.背光源技術(shù)
由于液晶顯示器本身不發(fā)光，所以需要配備相應(yīng)的光源。背光源技術(shù)最早應(yīng)用于軍事設(shè)備上的儀表顯示，之后相繼出現(xiàn)了粉末電致發(fā)光背光源(EL-BL)、冷陰極熒光燈背光源(CCFL-BL)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管背光源(LED-BL)。
電致發(fā)光背光源由于亮度低，僅適用于小型顯示器的背光模塊，應(yīng)用并不廣泛。而且要求高壓驅(qū)動(dòng)（工作時(shí)需配升壓逆變器），在實(shí)際應(yīng)用中有諸多不便。但其具有發(fā)光面積大，發(fā)光均勻，微功耗和輕薄等優(yōu)點(diǎn)，在未來市場具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢。
冷陰極熒光燈背光源的優(yōu)點(diǎn)是亮度高，發(fā)白光容易，并且三基色均勻。所以一般用于大面積顯示設(shè)備的背光源。缺點(diǎn)是壽命相對較短（一般使用壽命在3萬小時(shí)左右），工作電壓偏高，并且在雙面出光領(lǐng)域應(yīng)用有一定難度。
LED背光源的特點(diǎn)是功耗小，出光效率較高，并且壽命長。LED目前的使用壽命可以達(dá)到10萬小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通光源的使用壽命。采用LED作為背光的液晶板，其色彩的再現(xiàn)度很容易達(dá)到NTSC（美國國家電視制式委員會(huì)，National Television System Committee）規(guī)格的100%以上水平。但是作為背光源它對設(shè)計(jì)水平的要求比較高。
不論是何種形式的背光源，都可以按照光源的分布位置分為直下式背光源（又稱背盒式light bo*背光源）和側(cè)入式背光源（又稱邊進(jìn)式edge-light背光源）兩種。
(1).側(cè)入式（Edge light）結(jié)構(gòu)如圖2-圖4所示：該結(jié)構(gòu)多用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等中小尺寸的顯示器件上，其優(yōu)點(diǎn)在于輕薄型、功耗低，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在許多大尺寸的顯示器件也在啟用側(cè)入式背光模組。側(cè)光式背光模組的主要特點(diǎn)是將線或點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化成面光源，其主要部件包括光源，導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜、反射片、棱鏡膜和框架。側(cè)入式白光LED被業(yè)界稱為第三代LED背光技術(shù)，已經(jīng)向超大液晶顯示器件_。它可以大幅提高液晶顯示器的對比度和色域，可以達(dá)到NTSC 的80% 以上。但是由于薄型化的要求，各組件的加工難度隨之增大，成本比較高。并且因?yàn)閭?cè)入式LED 的位置不是在液晶面板的正后方，因此難以實(shí)現(xiàn)背光源的區(qū)域調(diào)光。圖1.2到1.4是幾種常見的典型側(cè)入背光源技術(shù)：

圖1.2 多管雙側(cè)式背光源

圖1.3 單管單側(cè)式背光源

圖1.4 大型中空式結(jié)構(gòu)背光源


(2)直下式（Bottom lighting）結(jié)構(gòu)如圖1.5所示:直下式背光模組主要特點(diǎn)是其光源，包括點(diǎn)光源和線光源，分布在液晶板的正下方，經(jīng)過一定空間的混光，再配合一系列的光學(xué)膜材的擴(kuò)散和增強(qiáng)，就可以得到比較理想的面光效果。這種結(jié)構(gòu)相對于側(cè)入式的厚度、重量以及功耗都有所增加。目前，直下式背光模組多用于大尺寸的顯示器件。相比側(cè)入式，它的厚度很大，尤其是現(xiàn)在正在開發(fā)應(yīng)用的三基色混光理論，需要一定的空間充分混合后才能獲得均勻的光效。

圖1.5 直下式結(jié)構(gòu)背光源

本文最后之作出的實(shí)物所采用的是雙側(cè)入光的LED導(dǎo)光板。

3.導(dǎo)光板技術(shù)
導(dǎo)光板是背光源模塊中光源的傳播媒介，同時(shí)也是本文將要重點(diǎn)討論的部分。導(dǎo)光板的材料和結(jié)構(gòu)決定了背光模塊整體的亮度水平和照度分布，它的不斷改良是背光技術(shù)水平不斷提高的重要途徑。按照工作原理的不同，可分為反射式導(dǎo)光板、折射式導(dǎo)光板、面散射型導(dǎo)光板和體散射型導(dǎo)光板多種。
各種導(dǎo)光板技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，基于本文是對雙面出光導(dǎo)光板的討論和設(shè)計(jì)，體散射導(dǎo)光板在結(jié)構(gòu)上無疑更加具有優(yōu)勢。通過反射，折射等機(jī)制要形成均勻的雙面出光。難度較大，而通過納米顆粒的光的散射，無疑可以較好的解決這一問題，光線在納米顆粒上通過散射改變方向，側(cè)向散射光射出導(dǎo)光板，不能發(fā)生散射的光也會(huì)繼續(xù)向?qū)Ч獍鍌鞑�，進(jìn)行下一次散射。由此來提高雙面出光背光源的亮度、均勻性等光學(xué)性能，同時(shí)也較容易滿足雙面出光背光源輕薄化，低成本化的設(shè)計(jì)要求。



圖1.6 反射式導(dǎo)光板示意圖



圖1.7 面散射型導(dǎo)光板



圖1.8 傳統(tǒng)（左）與光散射聚合物（右）導(dǎo)光板背光的區(qū)別


通過比較可以看出，在聚合物散射機(jī)制的導(dǎo)光板中，光的散射是發(fā)生在整個(gè)導(dǎo)光板中而不是導(dǎo)光板底面，所以在選材合適的前提下其出射光均勻性可以達(dá)到很好，可不再使用擴(kuò)散膜從而降低了光線通過擴(kuò)散膜的吸收損失。


















第二章 體散射導(dǎo)光板的理論基礎(chǔ)

1. LED光源
LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）是一種半導(dǎo)體元器件。發(fā)光二極管的核心部分是由p 型半導(dǎo)體和n 型半導(dǎo)體組成的晶片，在p 型半導(dǎo)體和n 型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n 結(jié)。P區(qū)帶有過量的正電荷（通常稱為空穴），n區(qū)帶有過量的負(fù)電荷（通常稱為電子），當(dāng)正向?qū)ǖ碾妷杭釉谶@個(gè)半導(dǎo)體材料的pn結(jié)上時(shí)，電子就會(huì)從n區(qū)向p區(qū)移動(dòng)，在p區(qū)和n區(qū)得交界處電子和空 ……（未完，全文共39146字，當(dāng)前僅顯示7041字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：光散射聚合物雙出射導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化》）