光散乱聚合物导光板

 

    所谓的光散乱聚合物(polymer)导光板是在聚合物矩阵(matrix)内形成微细(micro)不均一结构，使聚合物导光板具备光导波与扩散射出光线之机能，进而获得高辉度照明用光散乱效应。换言之光散乱聚合物导光板是控制可吸收光线之微细不均一结构的相对折射率与不均一结构的大小，获得多重光散乱效果，使光线在没有损耗的环境下均匀且朝特定方向扩散射出。图20(b)是光散乱聚合物导光板所构成的背光照明单元，一般而言它的辉度比传统背光照明单元高二倍左右。

    在密度均匀的媒体中若存有折射率相异的两种材料时就会引发光散乱现象，如果能够控制材质相异之不均一结构时，就可控制散乱光的特性。光散乱聚合物就是根据光散乱理论与多重散乱分析法，精密控制这种不均一结构，进而达成液晶显示器的背光照明单元实用化的目标。

(a).光散乱理论
利用下式(1)～(5)Mie散乱理论可求出真圆球状粒子的散乱光强度分布I(α,θ)。 

图21是由单一粒子求得的散乱光强度分布图，之后再利用Monte Carlo法进行光散乱聚合体导光板的多重散乱分析。

(b).多重散乱分析


    三次元多重散乱仿真分析用程序是根据可导引光散乱聚合物导光板之光子(photon)行进方向以及测光路径长度，和决定反射、折射之Monte Carlo法制作撰选。接着要介绍计算步骤，所谓的光子是为分析光场的确率性，因此将假想性光粒子视为假设物，散乱光的方向以极坐标系的θ与ψ两角度表示，散乱角θ是先根据Mie散乱理论求出光强度分布，再用累积分布关数F(θ)(上述之式(6))算出，之后用随机数random 1(零到1之间的相同随机数θ)决定散乱点的光子行进方向θ。

 

    一旦决定θ角度，散乱光强度的ψ角度同样使用random方式决定。光子的预测光路长度L根据式(8)定义的衰减系数σ，利用随机数random 2(由零到1之间的相同随机数) 式(9) 求得。

    此处C表示浓度， Qsca表示利用Mie散乱理论求得的散乱效率。反射与折射则是将各反射率与各光线的入射角与导光板的折射率利用上述手法求得。以上的计算作业都是以105~106 个光子为前提。

(c).光散乱聚合物的应用

    为满足实际背光照明单元应用上的需要，因此利用以上介绍的分析法做最佳化设计。首先假设不均一结构为真圆状散乱粒子，之后量测被反射膜包覆之冷阴极灯管的出射光的特性与灯管的光线频谱，再利用这些数据加以计算。图22是四吋单灯管的光散乱聚合物导光板内部光子轨迹模拟结果，图中的「×」符号表示光子的出射点，由图可知根据多重散乱之均一效益，由出射面整体所释出的光线非常的均分。图22(b)与(c)显示浓度计算结果出现比最佳值更高或更低的现象，依此结果可决定画面辉度均一性的最佳化设计方法。

    图23(a)是图22画面中央部位的出射光profile，出射光profile的角度定义如图23(b)所示。由光散乱聚合物导光板射出的光线与法线方向呈600 倾斜，因此图24的集光棱镜膜片朝法线方向作角度粘贴。此外由于出射光的角度随着画面大小与形状改变，因此必需逐一解析出射光的profile，具体方法是先制作集光棱镜膜片分析用仿真程序，再将分析后的出射光的profile作棱镜膜片角度θ1,θ2 最佳化设计。根据计算结果所制成的背光板照明单元的辉度特性如图25所示，它的辉度是传统背光板照明单元的二倍左右，非常适合要求高辉度的新世代液晶显示器使用。

 

    由图25可知光散乱式聚合物导光板具有很优良的视角特性；图25(b)是传统散乱式印刷型导光板的视角特性，它的视角超过400时几乎没有光线射出，这对液晶显示器而言意味着画面得辉度会急遽改变进而影响显示特性。

    图26是光散乱式聚合物导光板所构成的背光照明单元实现高辉度化的动作原理；图26(a)是传统光散乱式印刷型导光板的结构，由冷阴极灯管射入导光板的光线被导光板底面的印刷网点散乱，因此散乱光几乎没有指向性，之后散乱光经由导光板正面不具直视性的扩散膜片朝广角方向扩散，最后再利用两片集光棱镜膜片将扩散光收敛提高辉度。相较之下光散乱式聚合物导光板则是使射入导光板的光线透过导光板的不均一结构散乱，由于控制不均一结构的大小与相对折射率，因此后方的光线散乱很少，这种特殊结构所引起指向性极强的前方散乱，导致适度的散乱与柔和的视觉效果。 

实际上液晶显示器的画面色彩均一性取决于视角特性与法线方向的均一性，一旦发生明显的色彩不均时就不具商品实用价值，而Mie散乱理论却可控制不均一结构防止色彩不均现象弥补上述缺憾。

    图27是利用Mie散乱理论计算的散乱效率，横轴ρ为散乱效率，D(μm)为粒径，△n为矩阵(matrix)与散乱因子的折射率差。换句话说如果把散乱理论视为空气中的水份时，第一个散乱效率的峰值约为1μm左右，该值随着粒径变大收敛成2μm。由图27可知粒径较小的区域，短波长光的散乱效率较大，如果将该区域的粒子用于光散乱聚合物导光板时，距离冷阴极灯管越远的光线会偏黄，若选用特定粒径使红光产生强大散乱时，理论上就可完全消除色彩不均现象。如此一来不祇要考虑R、G、B三波长冷阴极灯管的散乱效率，还需顾及散乱光的强度分布。然而事实上背光照明单元的色彩不均问题，主要是来自于于散乱效率，有鉴于此使用散乱效率为0.9的散乱因子测试背光照明单元时，其结果如图28所示，横轴是冷阴极灯管垂直方向的距离，纵轴是色温。原本预测ρ=0.5时距离灯管较远处会呈现蓝色基调，然而事实上色温却极为均匀，造成这种现象主要原因是大小不均一构造事实上祇是有限度的存在，因此即使被媒体吸收亦不会变为零。

　

 
最新光散乱式聚合物导光板的辉度特性

    图28是新型光散乱式聚合物导光板所构成的背光板照明单元构造，它的最大特征是集光棱镜膜片是设于导光板下方，并与冷阴极灯管呈直交状，集光棱镜膜片可收敛由冷阴极灯管所射出的平行光，三维出射光角度分布相当均匀对称，因此可产生辉度提升的效应。图30是10.4吋新型光散乱式聚合物导光板与传统无印刷之透明导光板所构成的背光板照明单元特性比较，由图可知无印刷type不易收敛散乱光，广角的峰值使得表面辉度祇有光散乱type的60%，即使无印刷type追加网点印刷，表面辉度也祇能提高5%左右。如果再增设扩散、集光棱镜膜片时就可获得相同的出射光profile，不过却缺乏光散乱式聚合物导光板特有的强大指向性光线。

图30 10.4吋背光板照明单元内的三维辉度分布特性

    图31是最新式光散乱式聚合物导光板与传统导光板所构成的板背光板照明单元厚度比较，由于光散乱式聚合物导光板可减少两片总厚度约0.3mm的光学膜片，这对厚度与辉度成正比的楔型导光板而言，为了顾及厚度太薄时的耐环境特性，传统的楔型导光厚度有其极限。相较之下光散乱式聚合物导光厚度却可减少0.3mm，仍不会影响背光板照明单元的光学特性。

图31 最新光散乱式聚合物导光板与无印刷之透明导光板所构成之板背光板照明单元厚度比较

结语

    今后液晶显示器用板背光板照明单元势必朝向薄型化、高辉度化、低组件数等方向发展，因此将射入导光板内的冷阴极灯管光线变成具体强大指向性散乱光，且又可减少系统厚度与组件数量的散乱式聚合物导光板照明技术，似乎已成为可达成以上要求的唯一方法，因此它的未来发展成为相关业者注目的焦点之一。