台湾专利TW201316057A 無片式背光模組、其導光板及其製造方法

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本發明係提供一種無片式背光模組及其導光板，導光板包含本體以及複數光散射單元。其中，本體包含底面及複數微結構；複數微結構形成於本體之底面，且自底面陷入本體中。複數光散射單元係設置於複數微結構自底面陷入本體形成之空間內。上述導光板之製造方法包含於本體之底面上形成複數微結構；製備包含擴散性反射材料之流體溶液；分佈流體溶液於底面；驅使流體溶液流入複數微結構內；移除流入複數微結構內以外之部分流體溶液；以及固化流體溶液，形成複數光散射單元。
公开号:TW201316057A
申请号:TW100137338
申请日:2011-10-14
公开日:2013-04-16
发明作者:Yu-Ping Wu；fu-cheng Fan；Wei-Hsiang Tsai；Wei-Hung Lo
申请人:Au Optronics Corp；
IPC主号:G02B6-00

专利说明:
無片式背光模組、其導光板及其製造方法
本發明係有關於一種無片式背光模組及其導光板設計；具體而言，本發明係有關於一種具有較大發光角度之無片式背光模組及其導光板。
液晶顯示裝置(Liquid Crystal Display,LCD)廣泛應用在電腦、電視、以及行動電話等各種電子產品上。其中，導光板應用於液晶顯裝置之背光模組，並且是顯示裝置中影響光之使用效率的重要元件。除了導引光線方向及控制出光外，導光板之設計並追求光輝度之提高，以及亮度均勻度之提升，進而增加光利用率並使目視品質更佳化。另一方面，顯示裝置亦隨著顯示裝置產業技術的進步及生活需求而有輕薄化、輕量化之趨勢。因此，配合顯示裝置外觀的演進，內部元件則追求以其有限之體積在有限的空間條件下發揮相等、甚至更佳的效果。
如圖1A所示，無片式背光模組1’因可不使用例如擴散片、稜鏡片等光學膜片，而使背光模組1’之生產成本降低，且使得背光模組1’較傳統背光模組輕薄化；並且，由於無片式背光模組1’不採用擴散片，因此背光模組1’之出光更為直接，而可在正視時獲得光亮更為集中之效果。然而，背光模組1’之無片式設計卻也產生亮點以及光射線等關於目視時光學品質之問題；此外，在出光更為直接的同時，光的能量不夠分散，以致背光模組1’之觀測視角過小，如圖1B所示。
本發明之目的在於提供一種背光模組及導光板，能改善亮點、光射線，以及觀測視角太小等問題。
本發明之另一目的在於提供一種背光模組及導光板，可增加光利用率。
本發明之另一目的在於提供一種導光板，能降低背光模組之生產成本，並減少背光模組之厚度。
本發明提供一種背光模組及其導光板，導光板包含本體及複數光散射單元。其中本體包含出光面、位於出光面相反側之底面，以及與出光面及底面鄰接之入光端；本體並且具有複數微結構。複數微結構以自底面陷入本體中的方式形成於底面，而形成複數微小空間；此外，微結構於底面分布之密度較佳係隨著與入光端之距離遞增而遞增。該些微小空間之形狀可為圓錐平頭形狀、圓錐形狀、角錐平頭形狀、或角錐形狀；該些微小空間並且於底面上形成開口，開口包含圓形開口或多邊形開口。若為圓形開口，則開口直徑小於50微米；若為多邊形開口，則開口之外接圓之直徑小於50微米。此外，微結構形成之空間係有隨著離開口愈遠愈行縮減之趨勢，因此，圍繞空間之側壁之法線與底面之法線間之夾角為銳角，且為小於50度之銳角。
導光板之複數光散射單元設置於複數微結構自底面陷入本體形成之空間內。光散射單元至少包含一種擴散性反射材料。擴散性反射材料可包含二氧化鈦、二氧化矽、樹脂、或其組合。光散射單元具有光散射性，且其雙向散射分布函數(bidirection scattering distribution function，BSDF)值大於本體之雙向散射分布函數值。光散射單元可以填滿於空間之方式設置其中，亦可部分填滿空間。其中，空間中之光散射單元與空間之頂部緊密貼觸，並與頂部周圍大部分之側壁緊密貼觸；亦即微結構周圍之本體大體而言不與空氣接觸，而係由擴散性反射材料所遮覆。
本發明並提供一種導光板之製造方法，包含如下步驟：於導光板本體之底面上形成複數微結構陷入該本體中；製備至少包含一種擴散性反射材料之流體溶液；分佈流體溶液於底面；驅使流體溶液流入複數微結構內；移除流入複數微結構內以外之部分流體溶液；以及固化流體溶液，形成複數光散射單元於複數微結構內。
如圖2所示之實施例，本發明供無片式背光模組使用之導光板10包含本體100及複數光散射單元300。其中本體100包含出光面110、位於出光面110相反側之底面120，以及分別與出光面110及底面120側邊鄰接之入光端130。當導光板10於背光模組中使用時(於後說明)，背光模組中之光源發射之光係自入光端130進入本體100；光線較佳會自出光面110離開導光板10，並進入例如顯示面板中。入光端130可位於本體100之一側或是相對兩側。複數光散射單元300則由與本體100不同之材料所構成且具有與本體100相異之光學特性，並較佳設置於本體100之底面120一側。
本體100並且具有複數微結構200，如圖3A所示。複數微結構200以自底面120陷入本體100中的方式形成於底面120，而形成複數微小空間2000。其中，複數微結構200可均勻分布或可不均勻分布於底面120，分別如圖3B或3C所示；且亦可採規律或不規律之分佈。微結構200於底面120分布之密度較佳係隨著與入光端130之距離遞增而遞增。因此，接近入光端130之光相較於離開入光端130之光有較小之出光率，由入光端130進入導光板本體100之光並因而獲得更多於導光板本體100中停留之時間及行進之範圍。整體來說，圖3C之微結構200分布可提高導光板出光面110出光之均齊度。
複數微結構200形成之複數微小空間2000並且於底面120上形成開口210a，如圖3A所示；其中，微小空間2000進一步以透視圖之方式另外表示於圖3A右下方。此外，該些空間2000之形狀除了如圖3A所示之圓錐平頭形狀以外，亦可選自如圖4A、4B與4D之圓錐形狀、角錐平頭形狀、或角錐形狀中至少其一；其中，角錐可為三角錐、四角錐等等多角錐形狀。該些空間2000係有隨著離開口210a或210b愈遠愈行縮減之趨勢。因此，當空間2000為圓錐平頭形狀或角錐平頭形狀時，空間2000具有與開口210a或210b相對之頂部230，且該些頂部230的面積小於相對之開口210大小；換言之，頂部230投影於開口210所在的範圍內。
如圖3B或3C，及圖4B之仰視圖圖4C所示，空間2000之開口的形狀並且包含圓形或多邊形。以前述圓錐或圓錐平頭形狀之空間2000之開口210a為例，開口210a較佳為直徑D小於50微米之圓形開口。若微結構200形成有如前述角錐或角錐平頭形狀之空間2000，則開口210b係為多邊形，例如四角錐形狀之空間2000具有四邊形開口210b；其中，多邊形開口210b之外接圓之直徑較佳小於50微米。
再者，微結構200並有圍繞空間2000之側壁220。由於微結構200形成之空間2000選自圓錐形狀、角錐形狀、圓錐平頭形狀、或角錐平頭形狀，且空間2000上窄下寬(底面120方向為下)，因此側壁220朝空間2000之方向傾斜；換言之，如圖3A、4A、4B與4D所示，側壁220法線n1與底面120法線n2間之夾角為銳角A；其中，銳角A較佳小於50度。此外，在滿足上述開口之直徑或開口之外接圓直徑小於50微米、以及銳角A小於50度之條件下，微結構200形成之空間2000亦可不限於上述之形狀。舉例而言，如圖4E-4F所示，空間2000亦可為圓錐頂部正方形凹頭形狀、圓錐頂部圓錐凹頭形狀等各種可能的形狀。
如圖2及5A-5C所示，導光板本體100之複數光散射單元300設置於複數微結構200自底面120陷入本體100形成之空間2000內。光散射單元300至少包含一種擴散性反射材料，而具有與本體100不同之光學特性。擴散性反射材料較佳包含二氧化鈦、二氧化矽、樹脂、或其組合，且該些材料於光散射單元300中的密度並可因應各種情況如導光板厚度或者微結構之高度而調整至適當值。光散射單元300具有光散射性，且其雙向散射分布函數(bidirection scattering distribution function，BSDF)值大於本體100之雙向散射分布函數值。其中，光散射性之測定(即BSDF之量測)大體而言係將光束以一特定角度入射樣本(例如本發明之光散射單元300)，再使感測器掃描散射所對應的空間，以取得散射至空間中之各角度的光線能量。此外，光散射單元300之光散射性詳細而言係為光之反射散射；亦即光線在到達光散射單元300後，大部分之光係自光散射單元300反射並散射，而非穿透光散射單元300後散射。
複數微結構200形成之空間2000可選擇性地設置有光散射單元300；但在本發明較佳實施例中，複數微結構200形成之空間2000一律設置有光散射單元300。因此，若複數微結構200均勻分布於底面120，則光散射單元300也均勻分布於底面120；若複數微結構200不均勻分布於底面120，則光散射單元300亦不均勻分布於底面120。此外，無論光散射單元300於底面120之分布為何，擴散性反射材料的密度亦可隨光散射單元300分布於導光板底面120之部位不同而不同；舉例而言，因應對導光板出光面110之出光效果的不同需求，擴散性反射材料於光散射單元300中之密度可隨著與入光端130之距離遞增而遞增，或可隨著與入光端130之距離遞增而遞減。
光散射單元300較佳係以填滿於空間2000之方式設置其中。如圖2所示，若光散射單元300填滿於圓錐平頭狀之空間2000內，則光散射單元300同樣具有圓錐平頭之形狀；依此類推，則圖5A、5B、或5C之光散射單元300分別具有圓錐狀、角錐平頭狀、或角錐狀。然而，在其他實施例中，光散射單元300在無需填滿空間2000的情況下亦可達到其對光之反射散射效果，進而降低導光板之生產成本及減少製造步驟。如圖6所示之導光板10b，光散射單元300係佔空間2000大部分但非全部之容積，其中，光散射單元300與空間2000之頂部230依然緊密貼觸，且與頂部230周圍大部分之側壁220亦緊密貼觸；換言之，微結構200周圍之本體100大體而言不與空氣接觸，而係由擴散性反射材料所遮覆。另，如圖7所示之導光板10c實施例，光散射單元300亦可僅塗敷空間2000周圍之壁面，包括側壁220及頂部230之方式設置其中。同樣地，圖7之實施例亦使得微結構200周圍之本體100由擴散性反射材料所遮覆。
本發明進一步包含導光板之製造方法。如圖8所示，導光板之製造方法實施例包含步驟801：於導光板本體之底面上形成複數微結構陷入該本體中。在步驟801中，舉例而言，以裁切或射出成形法形成導光板後，即可以如蝕刻、電鑄、切削，或者壓印成形等方式，於導光板之底面形成陷入導光板之本體的複數微結構；或者在產出導光板時同時一體形成其上之微結構。步驟802：製備至少包含一種擴散性反射材料之流體溶液。在步驟802中，較佳係選擇具光固化性之流體作為溶劑，並將二氧化鈦、二氧化矽、樹脂、或其組合之溶質加入到溶劑中，並使溶質與溶劑形成均相混合物，即形成流體溶液。其中，溶質較佳為粉末或微顆粒之形式，但亦可為液體。步驟802並且進一步包含決定擴散性反射材料於光散射單元中之密度，並以此作為製備上述之流體溶液時，於單位體積之溶劑中加入之溶質總量之依據；以及/或包含製備具有不同擴散性反射材料密度之流體溶液。步驟803：分佈流體溶液於底面；其中底面可包含形成於底面之複數微結構及其陷入本體所形成之空間。詳細來說，步驟803包含將導光板之底面朝上，亦即使得微結構於導光板形成之空間之開口朝上，再將流體溶液分佈於底面；其中，底面上之流體溶液可自開口流入空間內。此外，步驟803亦可為在不同之底面部分分佈具有不同擴散性反射材料密度之流體溶液。
在實際施行上，亦可控制流體溶液直接進入空間內。舉例而言，步驟803為以網版印刷方式於底面印刷流體溶液；由於網版印刷方式包含提供網版、以網孔與底面之空間開口對應的方式將網版設置於底面，再行印刷，因此，以網版印刷方式進行步驟803係實質將流體溶液直接分佈於微結構之空間內。在步驟803之後，步驟804：驅使流體溶液流入複數微結構內，在本發明較佳實施例中係確保複數微結構之空間內皆有流體溶液流入其中，並確保空間內具有預設量之流體溶液。另一方面，進行步驟804之具體實施方式可為給予導光板一速度例如將導光板置於震盪器上水平震盪，以增加流體溶液流入空間之速度及均勻度。
再者，以圖2及5A-5C所示之導光板10之製造方法為例，步驟804並且包含驅使流體溶液填滿於複數微結構之空間內。或者，若為圖7所示之導光板10a之製造，則步驟804較佳包含使複數微結構之空間均含等量之流體溶液；若為圖8所示之導光板10c之製造，則步驟804包含控制流體溶液能塗敷空間周圍之壁面，包括側壁及頂部。總而言之，步驟804進一步包含確保複數微結構周圍之本體大體而言不與空氣接觸，而係由含有擴散性反射材料之流體溶液所遮覆。
步驟805：移除流入複數微結構內以外之部分流體溶液，係將進行步驟803~804時，滯留於複數微結構外之底面上的流體溶液以例如刮刀沿底面刮除，而確保流體溶液僅存在於微結構之空間中。此外，若在步驟803中係以網版印刷方式分佈流體溶液於底面，則可減少進行步驟805需要之時間；另，若為製造如圖6或圖7所示導光板，則步驟805亦可省略。步驟806：固化流體溶液，形成複數光散射單元於複數微結構內，進一步包含以光固化製程將流體溶液固化。流體溶液固化後並將與空間周圍之壁面緊密貼觸，而形成導光板中之複數光散射單元。
本發明亦包含使用前述導光板、或以前述製造方法製造而成之導光板的無片式背光模組。如圖9A所示之實施例，背光模組1包含例如圖2所示之導光板10、光源50，以及反射片60；光源50設置於導光板10之本體100具有入光端130之一側，且其發光區54朝向入光端130；反射片60設置於導光板10之一側，並與導光板10之底面120相對。其中，發光區54發射之光自入光端130進入導光板10之本體100，且朝離開入光端130之方向行進，並於本體100中進行全反射。其中，光於本體100中之行進包含朝向複數微結構200方向之行進。由於微結構200周圍之本體100大體而言係皆為光散射單元300所遮覆，因此朝向微結構200行進之光將抵達光散射單元300，而朝向離開微結構200之方向發生反射及散射，如光路P所示；換言之，含有擴散性反射材料之光散射單元300增加反射角以外之其他角度的光能分布，並進而增加出光之角度及改善亮點及光射線之問題。此外，在圖9A所示之實施例中，反射片60由指向性之反射材料組成；換言之，反射片60之雙向散射分布函數值小於光散射單元300之雙向散射分布函數值。反射片60具有之指向性反射特性能將離開導光板之光不分散地反射，而使光再進入導光板，以妥善使用光能或降低光能損失。
圖9B所示為圖9A之無片式背光模組之光學觀測試角模擬圖。其中，橫軸表示自-90度至90度之觀測視角；縱軸表示來自出光面110之光線的亮度大小。因此，由圖9B可得知在某觀測視角上之光線亮度佔可測得之最大亮度的百分比；其中，觀測視角為觀測者視線方向與出光面110之法線N的夾角。舉例來說，當觀測者正視出光面110，則觀測者之視線方向在法線N上，此時觀測視角為0度。進一步而言，若可測得亮度之觀測視角愈廣，表示該背光模組出光之角度愈多；若可測得亮度之觀測視角愈窄，表示該背光模組出光之角度愈少，然而，由於光線集中於較小的角度範圍，因此光線能量也愈集中。
比較圖9B與圖1B傳統無片式背光模組之光學觀測視角模擬圖。圖9B中測得50%亮度之角度範圍θB大於圖1B中測得50%亮度之角度範圍θA。換言之，圖9A使用本發明導光板10之無片式背光模組1具有較多之出光角度，而改善背光模組1’觀測視角太小之問題。
另一方面，由於分佈於導光板10之底面120的光散射單元300使得以小於臨界角之入射角抵達微結構200之光無法離開本體100而進入空氣介質中，因此可減少光能損失，提高光利用率。因此，在不同實施例中，背光模組1亦可不含反射片，如圖10所示。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。
1．．．背光模組
10、10b、10c．．．導光板
100．．．本體
110．．．出光面
120．．．底面
130．．．入光端
200．．．微結構
210a、210b．．．開口
220．．．側壁
230．．．頂部
2000．．．空間
300．．．光散射單元
50．．．光源
54．．．發光區
60．．．反射片
A．．．銳角
D．．．直徑
n1、n2、N．．．法線
P．．．光路
θA．．．角度範圍
θB．．．角度範圍
1’．．．背光模組
4．．．發光區
5．．．光源
6．．．反射片
8．．．導光板
圖1A為傳統無片式背光模組之實施例之剖面示意圖；
圖1A為傳統無片式背光模組之實施例之觀測試角模擬圖；
圖2為本發明導光板之實施例之剖面示意圖；
圖3A為本發明導光板之本體之實施例之剖面示意圖；
圖3B-3C為本發明導光板之本體之實施例之仰視圖；
圖4A-4B為本發明導光板之本體不同實施例之剖面示意圖；
圖4C為圖4B之導光板本體之實施例的仰視圖；
圖4D-4F為本發明導光板之本體不同實施例之剖面示意圖；
圖5A-5C為本發明導光板之不同實施例之剖面示意圖；
圖6為本發明導光板之不同實施例之剖面示意圖；
圖7為本發明導光板之不同實施例之剖面示意圖；
圖8為本發明導光板製造方法之流程圖；
圖9A為本發明無片式背光模組之實施例之示意圖；
圖9B為圖9A之無片式背光模組實施例之觀測試角模擬圖；以及
圖10為本發明無片式背光模組之另一實施例之示意圖。
1．．．背光模組
100．．．本體
110．．．出光面
120．．．底面
130．．．入光端
200．．．微結構
300．．．光散射單元
50．．．光源
54．．．發光區
N．．．法線

权利要求:
Claims (18)
[1] 一種導光板，供一無片式背光模組使用，包含：一本體，具有一出光面；一底面，位於該出光面之相反側；一入光端，位於該出光面及該底面之同一側，且分別與該出光面及該底面鄰接；複數微結構，形成於該本體之該底面，且自該底面陷入該本體中；以及複數光散射單元，設置於該複數微結構自該底面陷入該本體形成之空間內，且該複數光散射單元之雙向散射分布函數值大於該本體之雙向散射分布函數值。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中該複數光散射單元填滿於該複數微結構自該底面陷入該本體形成之空間內。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之導光板，該複數微結構自該底面陷入該本體形成之空間形狀選自圓錐形狀、圓錐平頭形狀、圓錐頂部圓錐凹頭形狀、圓錐頂部正方形凹頭形狀、角錐形狀、角錐平頭形狀中至少其一。
[4] 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中該微結構自該底面陷入該本體形成之空間於該底面上形成一開口，該開口之形狀包含圓形或多邊形。
[5] 如申請專利範圍第4項所述之導光板，該圓形開口之直徑或該多邊形開口之外接圓之直徑小於50微米。
[6] 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中該微結構具有一側壁與該光散射單元相貼合，該側壁法線與該底面法線間所夾之銳角小於50度。
[7] 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中該複數光散射單元至少包含一擴散性反射材料。
[8] 如申請專利範圍第7項所述之導光板，該擴散性反射材料包含二氧化鈦、二氧化矽、樹脂、及上述之組合中至少其一。
[9] 如申請專利範圍第7項所述之導光板，其中該擴散性反射材料於該光散射單元中之密度隨著與該入光端之距離遞增而遞增。
[10] 如申請專利範圍第1項所述之導光板，其中該複數光散射單元於該底面中分布之密度隨著與該入光端之距離遞增而遞增。
[11] 一種無片式背光模組，包含：如申請專利範圍第1至申請專利範圍第10項所述導光板中至少其一；以及一光源，設置於該導光板之該本體具有該入光端之一側，且朝向該入光端。
[12] 如申請專利範圍第11項所述之背光模組，進一步包含一反射片，設置於該導光板之一側，並與該導光板之該底面相對。
[13] 如申請專利範圍第12項所述之背光模組，其中該複數光散射單元之雙向散射分布函數值大於該反射片之雙向散射分布函數值。
[14] 一種導光板之製造方法，包含：於一導光板本體之底面上形成複數微結構陷入該本體中；製備至少包含一擴散性反射材料之一流體溶液；分佈該流體溶液於該底面；驅使該流體溶液流入該複數微結構內；移除流入該複數微結構內以外之部分該流體溶液；以及固化該流體溶液，形成複數光散射單元於該複數微結構內。
[15] 如申請專利範圍第14項所述之導光板之製造方法，其中分佈該流體溶液於該底面包含以網版印刷方式分佈該流體溶液。
[16] 如申請專利範圍第14項所述之導光板之製造方法，其中驅使該流體溶液流入該複數微結構內進一步包含驅使該流體溶液填滿於該複數微結構內。
[17] 如申請專利範圍第14項所述之導光板之製造方法，其中移除流入該複數微結構內以外之部分該流體溶液包含沿該底面刮除部分該流體溶液。
[18] 如申請專利範圍第14項所述之導光板之製造方法，其中固化該流體溶液包含以光固化製程固化該流體溶液。

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