光散射聚合物導(dǎo)光板的材料參數(shù)設(shè)計(jì) - 圖文-

1、文章編號(hào):100425929(20070120055205光散射聚合物導(dǎo)光板的材料參數(shù)設(shè)計(jì)張楠,唐振方,栗萬(wàn)里,彭舒,葉勤(暨南大學(xué)物理系,廣州510632摘要:光散射聚合物(HSO T導(dǎo)光板與傳統(tǒng)導(dǎo)光板相比具有亮度更高均勻性更好等優(yōu)點(diǎn),其性能受材料的影響十分明顯。通過(guò)蒙特卡羅方法進(jìn)行光學(xué)仿真模擬考察不同材料的導(dǎo)光板照明光線的均勻性差別,研究了光散射聚合物導(dǎo)光板的光學(xué)性能受其中摻雜粒子的材料折射率、粒徑、濃度的影響規(guī)律。通過(guò)比較不同材料參數(shù)的聚合物導(dǎo)光板的光學(xué)性能差別,總結(jié)出光散射聚合物導(dǎo)光板的材料設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞:背光源;導(dǎo)光板;光散射聚合物;體散射;液晶顯示中圖法分類號(hào):TB303文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)

2、碼:AMaterial Design of Highly Scattering OpticalT ransmission Polymer for Light G uide PlatesZHAN G Nan,TAN G Zhen2fang,L I Wan2li,PEN G Shu,YE Qin(Depart ment of Physics,Ji nan U niversity,Guangz hou510632,Chi naAbstract:A highly scattering optical transmission(HSO Tpolymer light guide plate(L GPin

3、backlight of liquid crystal displays(LCDshave succeed in applying high brightness and uni2 form illumination.The optical character of the HSO T L GP is depend on its material.By using the Monte Carlo ray tracing method a sequential ray-tracing and modeling simulation program is proposed.The differen

4、t optical characters between different material of L GP is depended on the percentage,diameter and the material of the scatter particle.By preparing the different characters between different material parameter,a design method of HSO T L GP could be pro2 posedK ey w ords:Backlight;L GP;HSO T;Volume-

5、scattering;LCD-display引言液晶本身不發(fā)光,必須為其配備相應(yīng)的照明系統(tǒng)。背光模組中通常包括電光源、導(dǎo)光板、光學(xué)膜片和邊框幾部分。導(dǎo)光板是背光器件中不可缺少的組成部分,其作用是改變光線的整體傳播方向。附在導(dǎo)光板側(cè)面電光源發(fā)出的光線射入其中,將由其正面出射對(duì)液晶面板進(jìn)行照明。導(dǎo)光板技術(shù)的不斷改良是背光技術(shù)水平不斷提高的重要途徑1。導(dǎo)光板按其工作原理的不同可分為印刷型、注塑成型型和光散射聚合物型。印刷型導(dǎo)光板通常用反射率高的物質(zhì)混合制成的墨水,在導(dǎo)光板底部印刷成網(wǎng)點(diǎn)圖案?？梢詫⑸湎蛳卤砻娴墓饩€吸收再放出。利用此性質(zhì)可改變光線的傳播方向,而使光線不再滿足全反射條件而射出導(dǎo)光板。但因

6、散射角過(guò)大,印刷點(diǎn)亮度對(duì)比高,從而為達(dá)到光線均勻出,射的目的就必須選用較厚的擴(kuò)散膜,這會(huì)使得背光組件55收稿日期:2006211201;修改稿收到日期:2006212218基金項(xiàng)目:廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2005B10201055,廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2005Z3-D00412007年3月THE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN G March12007的照明亮度降低。注射成型導(dǎo)光板是在導(dǎo)光板注射成型過(guò)程中同時(shí)形成散射花紋。這樣可相對(duì)減小導(dǎo)光板的厚度,更便于應(yīng)用于便攜產(chǎn)品。為保證背光系統(tǒng)的輕薄和高亮度,注塑成型導(dǎo)光板對(duì)機(jī)械加工精度的要求越來(lái)越高,現(xiàn)在某些導(dǎo)光板的底面微結(jié)構(gòu)分

7、布所允許的加工誤差只在幾十個(gè)微米2。光散射聚合物導(dǎo)光板在工作原理上較傳統(tǒng)的印刷型導(dǎo)光板和注塑成型型導(dǎo)光板有所不同。如圖1,光散射聚合物導(dǎo)光板基材中均勻摻雜了與導(dǎo)光板基材折射率不同的其他材料的顆粒。光線在這些顆粒上通過(guò)散射改變傳播方向,側(cè)向散射光射出導(dǎo)光板,不能射出的前向散射光線也會(huì)繼續(xù)向?qū)Ч獍暹h(yuǎn)端傳播,進(jìn)行下一次散射。光的散射發(fā)生在整個(gè)導(dǎo)光板中而不僅是導(dǎo)光板底面,所以光線在導(dǎo)光板中傳播路徑更短,光線利用效率更高。光散射聚合物導(dǎo)光板的出射光均均勻性可以達(dá)到很好,可不再使用擴(kuò)散膜從而降低了光線通過(guò)擴(kuò)散膜的吸收損失。研究表明,如果設(shè)計(jì)合理光散射聚合物導(dǎo)光板的照明亮度可達(dá)到傳統(tǒng)導(dǎo)光板的兩倍3。 Fig

8、.1Differences from conventinal B acklight (leftand H SOT b acklight(right1模擬仿真因?yàn)橹圃鞂?dǎo)光板的模具成本較高,在導(dǎo)光板開(kāi)模加工之前進(jìn)行理論論證和軟件模擬是必不可少的過(guò)程。高散射聚合物導(dǎo)光板的性能取決于其自身的材料和結(jié)構(gòu),材料對(duì)導(dǎo)光板的光學(xué)性能有明顯的影響。常見(jiàn)的模擬軟件不支持光散射聚合物材料的導(dǎo)光板計(jì)算模擬,本研究小組自行開(kāi)發(fā)了光散射聚合物導(dǎo)光板專用設(shè)計(jì)軟件4。該軟件根據(jù)米散射理論建立單個(gè)粒子的散射模型,借助蒙特卡羅方法處理多次散射的情況5,6。通過(guò)建立導(dǎo)光板各邊的界面方程和光子行進(jìn)軌跡方程,跟蹤光子在導(dǎo)光板內(nèi)的行進(jìn)方

9、向和散射位置以及光子在導(dǎo)光板界面上反射和折射的位置和出射光方向,記錄在導(dǎo)光板正面出射的光子的位置和方向。進(jìn)而統(tǒng)計(jì)大量光子,做出光強(qiáng)分布和立體角分布圖。通過(guò)該軟件可分析論證導(dǎo)光板設(shè)計(jì)方案的合理性,剖析各材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)導(dǎo)光板性能的影響規(guī)律,減少設(shè)計(jì)工作的盲目性。2材料設(shè)計(jì)研究同一結(jié)構(gòu)不同材料參數(shù)導(dǎo)光板的光學(xué)性能,可以得出這些材料參數(shù)對(duì)導(dǎo)光板性能的影響規(guī)律。建立如圖2幾何結(jié)構(gòu)的導(dǎo)光板模型。(導(dǎo)光板長(zhǎng)10cm 、寬15cm 、光源近處厚度2mm 、光源遠(yuǎn)端厚0.7mm 選用470nm 主波長(zhǎng)的藍(lán)光冷陰極射線熒光燈(CCFL 作為電光源,聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA 作為光散射聚合物導(dǎo)光板的基材。選擇不

10、同的散射顆粒材料、粒徑和濃度進(jìn)行光追跡仿真。2.1折射率變化選擇不同折射率材料的散射粒子會(huì)對(duì)導(dǎo)光板性能產(chǎn)生顯著影響。如圖3,選用相同粒徑(4m 相同體積百分比(0.134%的散射顆粒,可以得到PMMA 中摻雜0.35wt %4m 的SiO 2、0.53wt %4m 的Al2O 3和0.54wt %4m 的TiO 2的聚合物導(dǎo)光板輸出光線相對(duì)照度空間分布值。從圖中可見(jiàn)同樣基質(zhì)中摻雜4m Al2O 3的聚合物的光散射能力要高過(guò)摻雜同樣粒徑的同樣體積百分比4m 的SiO 2聚合物,而摻雜同65樣體積百分比4m 的TiO 2的聚合物的光散射能力則更高。通過(guò)米散射理論可知,摻雜同樣體積百分比同樣粒徑的不

11、同材料散射粒子的聚合物對(duì)光線散射能力的強(qiáng)弱是和聚合物中摻雜的散射粒子對(duì)基質(zhì)的相對(duì)折射率大小相關(guān)的。而大量的模擬仿真證明對(duì)本文研究的這種摻雜幾微米散射粒子的2毫米厚7英寸大的PMMA 基質(zhì)導(dǎo)光板而言,摻雜同樣粒徑同樣體積百分比的SiO 2(n =1.46、Al2O 3(n =1.76、TiO 2(金紅石態(tài)n =2.76的聚合物對(duì)可見(jiàn)光的散射能力隨其折射率的增加呈遞增趨勢(shì) 。Fig.2Schem atic diagrams of L GP geometry parameterFig.3Illumination distrbution of L GP with same volume percent

12、age but different m aterial scatter particle (aSiO 2(bAl 2O 3(cTiO 22.2粒度變化對(duì)同一材料的散射粒子而言,粒度不同粒子對(duì)光線的散射能力也不同。以PMMA 基質(zhì)中摻雜SiO 2的情況為例,比較摻雜同一質(zhì)量百分比的不同粒徑散射顆粒的導(dǎo)光板輸出光相對(duì)照度空間分布,可以得出同樣摻雜濃度下不同粒徑顆粒對(duì)光線散射能力的區(qū)別。如圖4為同樣摻雜0.3wt %2m (a 、4m (b 、9m (c 的SiO 2粒子的導(dǎo)光板出射光線照度分布圖。由圖可知在PMMA 基質(zhì)中摻雜同樣質(zhì)量比SiO 2的情況下,摻雜2m SiO 2的聚合物對(duì)光線的的散射

13、能力要高過(guò)摻雜4m SiO 2的聚合物,而摻雜9m SiO 2的聚合物對(duì)光的散射能力則不如摻雜4m SiO 2聚合物。這是因?yàn)樵谕瑯拥馁|(zhì)量百分比條件下降低粒子粒徑就相應(yīng)提高了單位體積內(nèi)散射顆粒的數(shù)目,導(dǎo)致同樣的傳播路徑內(nèi)光線散射的次數(shù)增多,聚合物對(duì)光線的散射能力相應(yīng)提高。并且粒子粒度不同,粒子對(duì)光線的散射效率以及散射后光線偏轉(zhuǎn)角度的概率福分不都不同。這也是導(dǎo)致不同粒徑散射粒子的聚合物對(duì)光線散射能力不同的原因。2.3濃度變化選用粒徑為4SiO 2作為散射粒子,輸入不同的SiO 2混入濃度值。當(dāng)SiO 2混入量分別為0.375wt %、0.3wt %、0.24wt %時(shí),照明平面輸SiO 2出光線

14、的相對(duì)照度空間分布圖分別如圖5(a 、(b 、(c 所示。752007年3月THE JOURNAL OF L IGHT SCATTERIN G March 12007 Fig.4Illumination distrbution of L GP with diff irerent particle diameter (a2m (b4m (c9 m Fig.5Illumination distrbution of L GP with diff irerent particle (a0.375w t %(b0.3w t %(c0.24w t %由圖可知,粒子濃度的變化對(duì)輸出光線的照度的空間分布均勻程

15、度有顯著的影響。當(dāng)散射顆粒混入濃度過(guò)高,光線在導(dǎo)光板內(nèi)傳輸過(guò)程中就會(huì)衰減明顯,就會(huì)導(dǎo)致光源附近輸出光過(guò)多而光源遠(yuǎn)處出現(xiàn)暗區(qū)。散射顆?；烊霛舛冗^(guò)低則不能保證導(dǎo)光板對(duì)光線的散射能力,光線也不能在導(dǎo)光板照明平面上均勻的輸出。為使光線在整個(gè)照明平面上分布均勻,就必須控制合理的散射粒子混入濃度。2.4材料參數(shù)的優(yōu)化由圖5(b 可知,對(duì)本文研究的圖2幾何結(jié)構(gòu)、PMMA 基質(zhì)的導(dǎo)光板配合470nm 主波長(zhǎng)的CCFL 光源的情況而言,摻雜0.3wt %4m 的SiO 2可以獲得均勻的導(dǎo)光板照明輸出光。但這并不能說(shuō)明對(duì)這種尺寸導(dǎo)光板、這種波長(zhǎng)的光源而言0.3wt %4m 的SiO 2粒子是唯一的選擇。為了獲得更

16、好的導(dǎo)光板材料參數(shù),在生產(chǎn)中不斷提升光散射聚合物導(dǎo)光板的性能,需要嘗試不同的材料參數(shù)。既然通過(guò)調(diào)整粒子濃度可以控制導(dǎo)光板輸出光的均勻性,則可針對(duì)導(dǎo)光板具體尺寸具體基材和不同光源類型篩選各種材料各種粒度的散射粒子的合適的濃度值。很明顯圖4(a 的照明光不夠均勻,可以降低摻雜濃度以獲得均勻度高的導(dǎo)光板照明輸出光。如圖6為摻雜0.15wt %2mSiO 2粒子的聚合物導(dǎo)光板的照明光相對(duì)照度空間分布曲線。較摻雜0.3wt %4mSiO 2粒子的情況相比其均勻性稍差,但也可滿足實(shí)際需要。進(jìn)一步計(jì)算表明此時(shí)的光學(xué)利用效率較摻雜0.3wt %4mSiO 2粒子的情況有所提高。這說(shuō)明雖然摻雜的質(zhì)量百分比降低了

17、一半,但因單位體積內(nèi)散射粒子個(gè)數(shù)很多,PMMA 基質(zhì)中摻雜0.15wt %的2m SiO 2粒子的聚合物對(duì)光線的散射能力仍舊較PMMA 基質(zhì)中摻雜0.3wt %的4m SiO 2粒子的聚合物略高。在研究中可嘗試各種材料參數(shù)值,通過(guò)比較不同材料參數(shù)導(dǎo)光板的性能可以得到更好的材料參數(shù)。散射顆粒的粒徑、材料和摻雜濃度都是影響光散射聚合物性能的重要因素。針對(duì)光源以及導(dǎo)光板幾何尺寸、導(dǎo)光板基材的不同,要選擇合適的散射粒子材料類型和粒徑范圍,在粒徑和材料確定后通過(guò)調(diào)節(jié)摻雜濃度可以保證導(dǎo)光板的出射光均勻。85 Fig.6Illumination distrbution of L GP with 2micro

18、meter diameter particle of prohibit percentage.3結(jié)論與展望本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了SiO 2摻雜PM 2MA 中制得的光散射聚合物應(yīng)用于七英寸導(dǎo)光板的可行性。因?yàn)檫x用SiO 2作為散射粒子的方法對(duì)加工工藝的要求不高,所以針對(duì)本文這種兩毫米厚七英寸配合單色蘭光光源的導(dǎo)光板而言,摻雜0.15wt %左右的粒徑2的SiO 2和摻雜0.3wt %左右的粒徑4的SiO 2粒子的材料參數(shù)都是實(shí)驗(yàn)中可供選擇的方案。考慮到吸收因素,散射粒子濃度的提高是有限度的。所以選用對(duì)可見(jiàn)光單次散射能力更高的散射粒子將有利于進(jìn)一步改善導(dǎo)光板的性能。本文僅針對(duì)PMMA 基質(zhì)的小

19、尺寸導(dǎo)光板,單色CCFL 燈的情況對(duì)光散射聚合物的材料設(shè)計(jì)方法做了分析。對(duì)于白光光源以及其他不同尺寸的導(dǎo)光板而言,光散射聚合物導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)方法可能會(huì)更復(fù)雜。因?yàn)樯⑸溥^(guò)程中伴隨的色散現(xiàn)象也和粒子的材料與粒徑相關(guān),若要避免色散則需要進(jìn)一步篩選散射粒子的材料和粒徑大小。針對(duì)具體情況可采用理論模擬和實(shí)驗(yàn)篩選兩種方法對(duì)材料進(jìn)行選則和優(yōu)化。只要設(shè)計(jì)合理,光散射聚合物導(dǎo)光板的高亮度和良好均勻性等優(yōu)點(diǎn)都會(huì)明顯地體現(xiàn)出來(lái)。并且光散射聚合物導(dǎo)光板可以比傳統(tǒng)導(dǎo)光板使用更少的光學(xué)膜片,這也為開(kāi)發(fā)更加輕便的背光模組和進(jìn)一步降低背光模組的成本提供了可能7,8。參考文獻(xiàn):1李海峰,柏梁,鳳雷.高品質(zhì)液晶顯示器用輕薄背光源技

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