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研究生:林志雄
論文名稱:大尺寸發光二極體薄型背光源組光學最佳化研究
論文名稱(外文):The Studies of Optical Optimization for Large Size and Thin Thickness LED NB BLU
指導教授:沈 志 雄
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:TFT LCD背光源模組薄型導光板CCFLLED NBLED NB BLU光學效益
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TFT LCD產業在被政府列為兩兆雙星重點扶植產業後,這幾年來蓬勃發展,因具有厚度薄、重量輕、高亮度、無輻射的特性,其產品應用從一開始的中小尺寸產品如手機、數位相機、PDA等,到後來的行動視訊、車用顯示器、筆記型電腦顯示器等,隨著技術的成熟,成本的降低,逐漸普及到PC監視器產業,大約在三年前TFT LCD業者更進一步將產品擴大應用在TV產品,在可預見的未來,週遭生活環境將隨處可見TFT LCD的相關產品應用。因為TFT LCD不會自發光,需要有一穩定、均勻、高亮度的背光源模組,而背光源模組的亮度、厚度、壽命也直接影響了最終的產品規格,此外背光源模組對提升色飽和度、對比及視野角也佔有關鍵因素,簡言之背光源組的發展與TFT LCD產業的發展息息相關。
筆記型電腦產品訴求主要是輕、薄、省電,為了達到上述目的,相對的背光源組只能使用厚度在3mm以下的導光板,且只能使用單邊光源入光以達到低耗電目的,在光能量有限,又要搭配導光效率較差的薄型導光板的前提下,如何提升光的利用效率,對光學設計人員絕對是一大挑戰,由於LED光源有厚度小、在一定數量下與CCFL相比相對省電、指向性光源特性,為了挑戰筆記型電腦輕、薄、省電極限,陸續有越來越多的筆記型電腦業者推出使用LED光源的高階筆記型電腦,搶攻金字塔上層的顧客需求,也引起了競相研究開發LED NB的熱潮。
本論文主要重點在研究大尺寸薄型LED NB BLU的光學可行性,如導光板的表面結構對光傳遞、出光角度及出光效益的研究,及搭配不同光學膜片的光效益研究,還有導光板端面粗糙度、結構對入光效益的研究,及LED光源與導光板作耦合對提升入光效益的研究等,以驗證使用厚度在0.6mm以下的導光板及LED光源,在大尺寸LED NB BLU的光學可行性,及光學效益最佳化產品設計方向。
Recently TFT LCD industry got a lot of attentions from public, due to its characteristics such as slim, light weight, no radiations. Originally it was used on the mobile phones, the digital still camera and PDA and now expands to mobile TV, car AV terminals, notebook computers and the any appliance which needs to 「display」.
Thanks to the TFT LCD firms continually work to overcome the patent limitations and go through the technology bottlenecks. Besides the TFT makers, the backlight module manufactures also do their works to improve the LCD quality. Since the TFT LCD could not emit light by itself, it needs a uniform, robust and bright backlight source to light it on. A backlight module is the second high cost unit and consumes to a LCD appliance consumes the highest electrical power in a LCD appliance. Also its shape, optical characteristics and duty life determine the LCDs』. Meanwhile, it could help the LCD appliance to improve its gamut, brightness, contrast and view angle. Backlight modules are the key components of LCD appliances.
The notebook computers』 backlight modules are the most challenge area in this industry, due to its requirements are slim, light weight and low power consumption. To comply these requirements, the engineers can only use slim LGPs, thickness < 3 mm, and less number of light sources.
Since the new solid light source, LED, shows its advantages such as slimmer, light weight, lower power consumption and higher directivity compared to the traditional one, CCFL, there are more and more engineers adopt these new light sources as their backlight modules』 sources to achieve a new level that can not be done by CCFL. Sony and ASUS have already provided their LED notebooks to public and lead the vogue which the others chase.
This thesis mainly studies the feasibility of the large size, thin thickness notebook BLU which adopts the LED as its light source. The included topics are how the surface microstructure of LGPs does influence the propagation and the exit angle of light and its extraction efficiency. Also the various film configurations, entrance surface textures and the new ways to put the LED sources are considered.
第一章 緒論 1
1.1薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)產品結構概述 1
1.1.1液晶 1
1.1.2液晶顯示器LCD ( Liquid Crystal Display ) 2
1.2薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)產業與技述發展驅勢 3
1.2.1液晶顯示器未來展望 3
1.2.2技術發展 7
1.2.3產業發展驅勢:垂直整合 10
1.3背光源模組(BLU)產品結構概述 11
1.3.1背光源模組(BLU)產品結構 11
1.3.2 背光源模組的種類與特性要求 14
1.3.3主要光學材料介紹 16
1.4背光源模組(BLU)產業與技術發展驅勢 19
1.4.1 TFT LCD BLU產品發展驅勢 19
1.4.2背光技術新發展趨勢 22
1.4.2.1高亮度化、高效率化 23
1.4.2.2光源的進化 23
1.4.2.3背光組件也要防「曬」 25
1.4.2.4快速點滅,高反應速度的配合 27
1.4.2.5次世代背光光源-LED 28
1.4.2.6光學膜片佔背光模組成本最高比例 29
1.4.2.7變頻器-幕後的推動者 30
1.5發光二極體(LED)在TFT LCD的產品應用 32
1.6 發光二極體(LED)在NB的產品應用 38
1.6.1市面上常見的LED NB產品 40
1.7研究動機與目的 41

第二章 基礎理論 45
2.1液晶顯示器(LCD)之原理 45
2.1.1液晶顯示器(LCD)之構造 45
2.1.2液晶的定向 46
2.1.3加入電場後的液晶 46
2.1.4液晶與偏光片的效應組合 47
2.1.5液晶顯示器顯示模式與種類 48
2.2背光源模組(BLU)光學原理 49
2.2.1幾何光學與反射定律 49
2.2.2折射定律 50
2.2.3光的傳遞 -- 波動理論 51
2.2.4 介質導光的原理 51
2.2.5 散射:菱鏡分光與可見光光譜 52
2.2.6 折射率與光波長 53
2.2.7光的繞射與干涉現象 53
2.2.8光的相位變化 54
2.2.9牛頓環 – 光的干涉現象 54
2.2.10背光源組的光學 55
2.3 LED發光原理 55
2.3.1 LED發光原理 55
2.3.2 LED白光原理 56
2.3.3兩種白光LED技術在背光模組應用之比較 57
2.4光的度量名稱、定義與單位 58
2.4.1光的度量名稱、定義與單位 58
2.4.2背光源組光學規格用語 58
2.4.3 CIE XYZ 表色系統 59
2.4.4利用色度座標定義顏色 59

第三章 研究設計與量測 61
3.1研究設計 61
3.1.1研究設計 61
3.1.2 產品結構與規格 62
3.2 LED NB BLU之研究議題 63
3.3導光板光學設計 66
3.3.1 LGP光學結構轉寫製程 66
3.3.2 LGP光學結構與光學薄膜搭配關係 67
3.3.3正集光與逆集光BLU光學原理 67
3.4薄型導光板調光網點之研究 69
3.5導光板表面結構之研究 70
3.5.1 導光板表面結構對光能量出光角度影響 70
3.6 導光板厚度於入光效益之研究 75
3.6.1 不同肉厚導光板對入光效益的影響 75
3.7 導光板端面於入光效益之研究 78
3.7.1實驗一7」LED BLU入光效益實驗 78
3.7.2 實驗二 13.3」LED BLU入光效益實驗 82
3.8 LED與導光板光學耦合效益之研究 86
3.8.1 LED Lightbar與LGP 耦合光學效益實驗 86
3.9不同光學膜片組合堆疊測試 90
3.9.1 實驗一 正集光光學膜片組合堆疊測試 90
3.9.2 實驗二 逆集光光學膜片組合堆疊測試 91

第四章 實驗結果分析與結論 94
4.1在導光板表面結構設計方面 94
4.2 在導光板入光效益方面 94
4.3在LED光源方面 95
4.4在Lightbar與LGP耦合方面 95

第五章 研究結論與後續實驗規劃 97
5.1 研究結論 97
5.2 後續實驗規劃 99
5.2.1在LED與導光板光學耦合效益之研究方面 99
5.2.2 在LGP表面結構與光學膜片搭配之研究方面 99
參考文獻 100
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