TFT-LCD背光模組光學(xué)膜關(guān)鍵件的開發(fā)研究教學(xué)提綱

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。TFT-LCD背光模組光學(xué)膜關(guān)鍵件的開發(fā)研究-TFT-LCD背光模組光學(xué)膜關(guān)鍵件的開發(fā)研究成都菲斯特科技有限公司吳慶富摘要：背光模組關(guān)鍵件導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜、增光膜等，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是大型微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)元件，即利用光學(xué)微細(xì)結(jié)構(gòu)和散射微粒等，實(shí)現(xiàn)對光能的重新分布，達(dá)到特定的使用目的。其設(shè)計(jì)與制造涉及光學(xué)、高分子材料、精密模具（含模具機(jī)床）和精密成型工藝與設(shè)備等多學(xué)科的交叉技術(shù)。我國雖然研究開發(fā)背光模組的單位較多，但由于受基礎(chǔ)工業(yè)的限制，無法形成產(chǎn)業(yè)。成都菲斯特科技有限公司長期致力于微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的研究開發(fā)和量產(chǎn)，

2、以光學(xué)型投影顯示器件為代表產(chǎn)品，所形成的技術(shù)體系具有自主性、完整性和基礎(chǔ)性三大特點(diǎn)，足以支撐背光模組光學(xué)膜關(guān)鍵件項(xiàng)目的發(fā)展。AbstractThekeycomponentsinLCDBLU(BackLightUnit)LGP(lightguideplate),Diffusionfilm,BEF(BrightnessEnhancementFilm),couldbeseenasthelargeareamicrostructureopticalcomponentsintermoftechnology,thesecomponentshelptodistributethelightmoreevenlya

3、ndmoreefficientlythroughmicrostructureopticalpatternanddiffusersoastodeliverythebrightnessanduniformimage.ThedesignandmanufacturingfortheseopticalcomponentsinvolvesseveraltechnologiesandmanufacturingcapabilitiesincludingOptics,PolymerMaterials,PrecisionToolingMachine,Fabricationmethods.Althoughthere

4、arenoshortageofcompaniesengaginginLCDBLU,noneofthempossesstheknow-how,thesearenotenoughtofosterlocalindustryIndustrialclustersandtoimproveregionalandnationaldevelopment.ChengduFscreenSci-TechCo.,Ltd.hasbeenengagedinresearchanddevelopmentofopticalmicro-structurecomponentsfor10years,hasestablishedinte

5、grated,proprietary,fundamentaltechnicalsystem,allthesearestrongsupportivetoimplementationofLCDBLUkeycomponents.TFT-LCD液晶產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀一般而論，TFT-LCD顯示器由三個(gè)主要部件組成，即TFT-LCD（液晶）面板、背光模組、驅(qū)動(dòng)電路。而背光模組主要是由光源(LightSource：包括冷陰極熒光管（CCFL）發(fā)光二極管（LED）、反射膜(Reflector)、導(dǎo)光板、擴(kuò)散片（diffusionsheet1-2片）、增亮膜（BrightnessEnhancementFilm1-2片

6、）及外框等組件組裝而成，其中光學(xué)膜片與導(dǎo)光板是主要的技術(shù)和成本所在。而本文所指關(guān)鍵件即是指導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜、增光膜（棱鏡片）。導(dǎo)光板：主要功能在于引導(dǎo)光線方向，以提高面板亮度及控制光線均勻度，是影響光效率的重要元件；通常是采用基礎(chǔ)工藝生產(chǎn)的光學(xué)級(jí)PMMA板材印刷網(wǎng)點(diǎn)。相對增光膜來講，工藝技術(shù)較簡單國內(nèi)已有企業(yè)在生產(chǎn)。擴(kuò)散膜：主要功能是提升光線向上亮度（Brightness），并將導(dǎo)光板射出之光線柔散化，提供均勻的面光源；通常做法是在PET基材上，涂布光學(xué)粒子顆粒/玻璃微珠。國內(nèi)能夠生產(chǎn)小尺寸的擴(kuò)散膜，隨著電視機(jī)面板尺寸的增大，大尺寸擴(kuò)散板（膜）也是國內(nèi)空白。棱鏡片：也叫增光膜，主要功能是凝聚光線

7、、提高正面亮度；主要以聚脂(PETG.PC.PMMA）為原料；主要技術(shù)難點(diǎn)在花紋模輥的制造，國內(nèi)還不能生產(chǎn)。微型表面結(jié)構(gòu)一般為棱形柱體或半圓柱體。導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜、鏡片作為背光模組重要的組成部門，其作用都是對光的引導(dǎo)與控制，可稱為光管理元件，從技術(shù)的實(shí)質(zhì)上就是微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)元件。通常微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)領(lǐng)域包含了四個(gè)方面技術(shù)：光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)材料、超精密模具和模具設(shè)備、精密成型工藝與設(shè)備。是典型的綜合性高科技領(lǐng)域。世界上在微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)器件制造領(lǐng)域技術(shù)比較領(lǐng)先的屬于美國、日本和韓國，我國臺(tái)灣地區(qū)也能生產(chǎn)部分低端產(chǎn)品。增光膜由于涉及到大型超精密模具加工的單點(diǎn)金剛石機(jī)床，國內(nèi)不能生產(chǎn)。由于我國這一基礎(chǔ)工業(yè)的缺失，

8、導(dǎo)致至今國內(nèi)不能生產(chǎn)增光膜，特別是用于TFT-LCD彩色電視機(jī)的大尺寸增光膜片，在液晶顯示產(chǎn)業(yè)風(fēng)起云涌之時(shí)，增光膜生產(chǎn)仍然是國內(nèi)空白。近年來，LCD液晶顯示器已成為彩色電視機(jī)的主流顯示方式，除廣泛用于筆記本電腦，監(jiān)視器以外，已廣泛用于彩電領(lǐng)域。特別是大尺寸的彩色電視機(jī)。國外面板主要規(guī)格可以做到26吋55吋。更大尺寸彩電的面板和背光模組均給生產(chǎn)帶來更大的困難。2008年起全球的液晶顯示器產(chǎn)量已超過40000萬臺(tái)以上，每年以不低于20%的速度遞增。2007年全球的液晶彩電僅有700多萬臺(tái)，至2009年僅中國的液晶彩電已達(dá)2000萬臺(tái)以上。我國液晶平板電視產(chǎn)量增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國際水平。我國是世界上彩色電

9、視生產(chǎn)量和消費(fèi)量均為第一的國家，這一產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使我國正從一個(gè)電子信息大國向電子信息強(qiáng)國發(fā)展。特別是TFT-LCD產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到國家發(fā)改委和工信部的大力支持，大力發(fā)展液晶產(chǎn)業(yè)的格局已經(jīng)形成。2009年底以來，以上廣電、京東方、龍騰光電已在建的TFT-LCD五代線的基礎(chǔ)上，又有：江蘇昆山的龍騰光電8.5代線，南京中電熊貓的6代線，CEC與夏普合資建設(shè)的8代線，京東方的8代線，LG在廣州的8.5代線，三星在蘇州的7.5代線以及TCL在惠州的8.5代線相繼動(dòng)工建設(shè)，這些總投資達(dá)2000億以上的高世代面板線的建設(shè)，促使2009年成為了中國大尺寸TFT-LCD面板產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破年。這樣龐大的投資是全球L

10、CD產(chǎn)業(yè)中前所未有的，將使我國的制造能力獲得極大的突破，上述6條公布于世高世代面板生產(chǎn)線產(chǎn)能可達(dá)全球產(chǎn)能的10%以上，規(guī)格包含32吋-55吋產(chǎn)量將達(dá)4500萬臺(tái)以上。這些生產(chǎn)線建成以后必將改變?nèi)虻囊壕Мa(chǎn)業(yè)格局。中國電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)眾多，CRT電視產(chǎn)能一度超過全球產(chǎn)能的50%，隨著平板電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對大尺寸的液晶面板需求更加強(qiáng)烈。從國家的角度來看，進(jìn)軍液晶電視上游面板行業(yè)對國家電子信息產(chǎn)業(yè)的全面升級(jí)，對我國工業(yè)化和信息化都有巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)對拉動(dòng)內(nèi)需也相當(dāng)有利。我國受到基礎(chǔ)工業(yè)薄弱的限制，目前還不能生產(chǎn)增光膜，在關(guān)鍵部件配套方面還只能依賴國外進(jìn)口，使我國的國際競爭力弱，亟需加快解決自主配套

11、的問題才能完善液晶產(chǎn)業(yè)鏈，形成國內(nèi)液晶產(chǎn)業(yè)的完整體系。增光膜、擴(kuò)散膜在液晶顯示器中的主要功能增光膜擴(kuò)散膜的作用由于液晶面板本身不發(fā)光，必須借助背光模組（backllightmodiule)提供的光源及分布均勻的亮度才能使液晶顯示器顯示影像。因此增光膜、導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜等也稱為背光模組關(guān)鍵件，其主要作用是為液晶面板提供均勻的面光源，盡可能高的光能透過特性，盡可能不影響光的特性。因此在大尺寸液晶顯示器中尤為重要。因此，促進(jìn)增光膜等關(guān)鍵件的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化對促進(jìn)我國平板電視產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代，增加我國液晶產(chǎn)業(yè)的國際競爭力發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)可以帶動(dòng)超精密機(jī)床，超精密模輥加工工藝技術(shù)、光學(xué)高分子材料、投影顯

12、示光學(xué)器件等方面的基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的提升。背光模組關(guān)鍵件導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜、增光膜（棱鏡片）等，其技術(shù)實(shí)質(zhì)是大型微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)元件，也就是利用在透明膜片材上加工成型光學(xué)微細(xì)結(jié)構(gòu)和光學(xué)擴(kuò)散微粒的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對光能的重新分布達(dá)到一定的使用目的。國際上通稱為增光膜、擴(kuò)散膜、反射膜以及導(dǎo)光板。我們揭開背光模組的面紗就可以看到，圖一實(shí)際上是由一層層光學(xué)膜片材料組成，通過他們實(shí)現(xiàn)對光的均勻分布從圖1中我們可以看到背光模組中擴(kuò)散膜和增光膜的實(shí)質(zhì)。背光模組實(shí)際上是由一層層光學(xué)膜片所組成，通過CCFL或LED光源，經(jīng)過模組中各種膜片材料對光的功能作用，實(shí)現(xiàn)對光能的重新分配，使我們的LCD顯示器能夠看到影像。擴(kuò)散膜是通過

13、在光學(xué)膜片材料上的微細(xì)顆粒（beads）實(shí)現(xiàn)光的擴(kuò)散，而增光膜（棱鏡片）是通過在透明光學(xué)材料上加工成型微細(xì)條紋（光柵）結(jié)構(gòu)進(jìn)行反射和折射，對光能重新分布。出光入光基材厚度50-200微米圖2圖3主要技術(shù)難點(diǎn)增光膜、擴(kuò)散膜是背光模組中最關(guān)鍵的功能件，由于表面均勻布滿棱形尖錐型的微細(xì)結(jié)構(gòu)，提高了光線透過率，增大了亮度和視角。TFT-LCD進(jìn)入電視機(jī)市場后，更加強(qiáng)調(diào)亮度系數(shù)的提高，使增光膜的需求更迫切。技術(shù)要求更高，國際流行的增光膜類似，CRT背投電視機(jī)的光柵柱面鏡，只是齒型結(jié)構(gòu)不一樣，節(jié)距不一樣主要設(shè)計(jì)參數(shù)不一樣，導(dǎo)致輥筒加工方式不一樣，成型工藝技術(shù)不一樣，只要改造輥筒設(shè)計(jì)加工，完全可以批量生產(chǎn)增

14、光膜。目前，該項(xiàng)技術(shù)國內(nèi)由于精密加工工業(yè)基礎(chǔ)太薄弱，沒有專門用于輥筒加工的超精密單點(diǎn)金剛石機(jī)床，沒有輥筒表面處理技術(shù)，不能達(dá)到增光膜工藝技術(shù)要求?，F(xiàn)階段還必須依賴引進(jìn)國外先進(jìn)的精密模輥加工技術(shù)。目前模輥加工設(shè)備及技術(shù)唯有美國穆爾納米技術(shù)公司擁有，該公司已向韓國、臺(tái)灣企業(yè)出售了該項(xiàng)設(shè)備與技術(shù)。3、背光模組光學(xué)部件量產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題增光膜光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背光模組光路設(shè)計(jì)輥筒精密加工技術(shù)與設(shè)備模具表面處理技術(shù)擴(kuò)散膜的光學(xué)擴(kuò)散粒子配方設(shè)計(jì)擴(kuò)散板技術(shù)參數(shù)及擠出工藝技術(shù)的開發(fā)研究形成液晶產(chǎn)業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈、建成完整體系從技術(shù)實(shí)質(zhì)來講，背光模組是超大型的微細(xì)光學(xué)結(jié)構(gòu)透鏡組，由導(dǎo)光板、擴(kuò)散片、棱鏡片組成。通

15、過光學(xué)膜片發(fā)揮以下主要功能作用：1、引導(dǎo)光線的方向，提高面板輝度和控制亮度均勻性；2、盡可能高的光能透過特性，為液晶面板提供均勻的面光源；3、在一定波長范圍內(nèi)（可視光的范圍）盡可能為可見白光的特性。雖然對于液晶電視機(jī)來講，液晶面板非常重要，但是由于它本身并不發(fā)光，完全依靠背光模組提供光源才能實(shí)現(xiàn)顯示圖像的功能。因此是液晶面板中不可缺少的關(guān)鍵件。即使在科學(xué)技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天，國際上也只有少數(shù)幾個(gè)國家的少數(shù)幾個(gè)公司能夠設(shè)計(jì)生產(chǎn)。背光模組關(guān)鍵件的制造工藝技術(shù)一般來講，包含幾個(gè)方面的技術(shù)，即光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高分子材料、超精密模具、模輥表面處理技術(shù)、精密成型工藝及設(shè)備。是一種典型的綜合性高科技產(chǎn)品。我

16、們提出背光模組關(guān)鍵件產(chǎn)業(yè)化的根本目的在于，基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，圍繞微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)結(jié)構(gòu)技術(shù)體系創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)背光模組的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)我國液晶電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其一，關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化，特別是大尺寸背光模組關(guān)鍵件的產(chǎn)業(yè)化，可以提高國產(chǎn)液晶電視的國際競爭力；其二，滿足市場需求，獲取良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；其三，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)自主配套形成產(chǎn)業(yè)鏈；其四，提高國內(nèi)超精密加工的基礎(chǔ)工業(yè)水平，解決國內(nèi)不能制造高精密花輥的技術(shù)難點(diǎn)。液晶電視是我國平板電視工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要產(chǎn)品之一，圍繞液晶電視整機(jī)與其他部件一道，形成LCD電視產(chǎn)業(yè)鏈，無疑具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。形成產(chǎn)業(yè)鏈，建成我國強(qiáng)大完整的平板顯示工業(yè)體系4、

17、相關(guān)技術(shù)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以支持：大型超精密模具和模具材料的開發(fā)LCOS，DLP投影屏幕的制造工藝技術(shù)體系立體顯示屏幕的制造工藝技術(shù)體系如完成了增光膜的生產(chǎn)工藝技術(shù)體系，可以覆蓋以下基礎(chǔ)工業(yè)體系：光學(xué)高分子材料的開發(fā)背光模組光路設(shè)計(jì)（含增光膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）大型超精密單點(diǎn)金剛石機(jī)床的技術(shù)設(shè)備引進(jìn)（國內(nèi)還不能生產(chǎn)）模輥表面材料的開發(fā)（Ni-P)合金以及表面處理工藝技術(shù)輥筒的加工工藝技術(shù)增光膜的成型加工工藝技術(shù)這些技術(shù)綜合性強(qiáng)，技術(shù)起點(diǎn)高。建成后還可以解決我國在LCOS、DLP以及3D電視發(fā)展的需要。主要工藝技術(shù)方法背光模組關(guān)鍵件市場表現(xiàn)出兩大特點(diǎn)，即壟斷性和集中性。國際上少數(shù)幾個(gè)廠家如美國3M、日本

18、的KIMTO、韓國三星、LG以及中國臺(tái)灣的企業(yè)壟斷了關(guān)鍵件市場90%的份額。至今為止增光膜反射膜等關(guān)鍵件完全依賴進(jìn)口，對我國新上6條以上的高世代液晶面板產(chǎn)業(yè)的配套非常不利，造成這種態(tài)勢的原因是我國的液晶產(chǎn)業(yè)起步晚、水平低，在關(guān)鍵技術(shù)上不具備實(shí)力，可以說還沒有真正的參與到競爭中去。所以我國液晶背光模組光學(xué)膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成自主配套能力，勢在必行。背光模組主要由光源、導(dǎo)電板、擴(kuò)散膜、反射膜、增光膜（棱鏡片）模組框等組成，源于光路設(shè)計(jì)的需要，CCFL仍然是現(xiàn)階段采用的主要光源，CCFL熒光燈發(fā)光功率高，其壽命可達(dá)2萬小時(shí)，是現(xiàn)階段TFT-LCD較理想的光源，但隨著LED光源的出現(xiàn)，使LCD背光模組更

19、有利于向更大更薄的方向發(fā)展，相信不久的將來，以LED作光源的背光模組必將成為LCD彩色電視機(jī)的主流產(chǎn)品。從技術(shù)實(shí)質(zhì)來講，背光模組是超大型的微細(xì)光學(xué)結(jié)構(gòu)透鏡組，由導(dǎo)光板、擴(kuò)散片、棱鏡片組成。揭開背光模組的外殼，可以看到幾層光學(xué)模片通過光學(xué)模片背光模組發(fā)揮以下主要功能作用：引導(dǎo)光線的方向、提高面板輝度和控制亮度均勻性；盡可能高的光能透過特性，為液晶面板提供均勻的面光源；在一定波長范圍內(nèi)（可視光的范圍）盡可能為可見白光的特性。（一）增光膜的工藝技術(shù)體系增光膜最關(guān)鍵的技術(shù)是在輥筒上雕刻棱形花紋技術(shù)。透鏡擠壓生產(chǎn)中，透鏡擠壓輥筒加工技術(shù)直接影響產(chǎn)品的棱形透鏡成型質(zhì)量。目前世界上通行的做法是加工好的鋼輥上

20、鍍上一層硬度較低的金屬，如銅等金屬，使用金剛石刀具加工所需要的微細(xì)棱形結(jié)構(gòu)表面。這一層表面是無法達(dá)到擠壓生產(chǎn)狀態(tài)，必須在加工好的微細(xì)結(jié)構(gòu)表層再鍍上一層較硬的鎳或鉻，最先進(jìn)的工藝是鍍上一層鎳磷合金，才能滿足金剛石刀具雕刻棱形透鏡的工藝要求。同時(shí)，由于透鏡需要的表面精度和表面光潔度都非常的高，這一制輥技術(shù)目前還是世界性的難題。1、增光膜生產(chǎn)工藝技術(shù)流程增光膜（棱鏡片）的生產(chǎn)工藝，國際先進(jìn)國家的方法就是在加工完的模輥上通過光固化UV膠成型工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微細(xì)光學(xué)結(jié)構(gòu)的成型工藝，其中精密模輥制造是本項(xiàng)目的核心技術(shù)，而模輥的鍍層材料及工藝則是加工模輥技術(shù)的核心。測試打樣試輥開模輥表面處理初制模輥出廠檢驗(yàn)包

21、裝切割光固化成型2、模輥加工技術(shù)研究增光模生產(chǎn)所用的關(guān)鍵設(shè)備之一是需要加工模輥的單點(diǎn)金剛石超精密機(jī)床，由于國際上只有美國的穆爾納米技術(shù)公司等個(gè)企業(yè)別具備這種設(shè)備的制造能力，一直是制約我國發(fā)展高精密光學(xué)模輥的能力，使我國的光柵制造能力一直不能進(jìn)入精密光柵的制造領(lǐng)域。這種數(shù)控機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0.01um，在200.1至201的恒溫狀態(tài)下加工，采用花崗石床身、氣浮軸承、單點(diǎn)金剛石刀具，可以加工完成增光膜所需要的1英寸500線以上的微細(xì)光柵的需要，加工長度達(dá)1800mm，可滿足70英寸以下的LCD電視機(jī)增光膜生產(chǎn)需要。目前我國投入建設(shè)的8.5代線只能滿足55英寸電視機(jī)的需要，故這種機(jī)床的加工能力是有富余的。見圖：為現(xiàn)用于增光膜模輥加工的超精密金剛石機(jī)床，床身為花崗石，氣浮減震，工作環(huán)境為200.1至201。3、模輥材料的研究由于單點(diǎn)金剛石機(jī)床是一種超精密的精密加工方法，其金剛石刀具的刀尖角度等的檢測是需要放大2000倍的顯微鏡下檢測，一般的刀具在金屬表面是不能加工出高精密的形面的，金剛石刀具只有在銅的表面上才能實(shí)現(xiàn)這種精密加工，而銅的高光潔度的表面會(huì)在短時(shí)間氧化，影響增光膜的成形精度，同時(shí)，受銅的硬度的影響，這樣的花輥所使用壽命非常短，通常只能成形20003000張