TWI594054B - 具量子點的背光模組及其製造方法 - Google Patents

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TWI594054B TW105135895A TW105135895A TWI594054B TW I594054 B TWI594054 B TW I594054B TW 105135895 A TW105135895 A TW 105135895A TW 105135895 A TW105135895 A TW 105135895A TW I594054 B TWI594054 B TW I594054B
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Description

具量子點的背光模組及其製造方法
本發明是有關於一種光學增強單元，特別是有關於具有量子點的背光模組。
隨著顯示科技不斷的發展，就量產規模與產品應用普及性而言，液晶顯示裝置(Liquid Crystal Display, LCD)為平面顯示技術的主流。於液晶顯示裝置中，提供液晶顯示裝置所需之背光源的背光模組扮演著相當重要的角色。
一般而言，液晶顯示裝置之背光模組內係設置有複數個發光二極體所組成的發光二極體光條(LED light-bar)，用以提供液晶顯示裝置所需之背光源。由於液晶顯示裝置的面板模組本身不具發光的能力，背光模組之功能即在於供應充足的亮度與分佈均勻的光源，使液晶顯示裝置能正常顯示影像。目前液晶顯示裝置已廣泛應用於監視器、筆記型電腦、數位相機及投影機等具成長潛力之電子產品，因此帶動背光模組及其相關零組件的需求持續成長。
隨著量子點技術逐漸成熟，其具有高色域的特性應用於液晶顯示裝置，增加液晶顯示裝置的色彩飽   和度，使得影像有更豐富的顯示效果。然而，一般量子點顯示裝置的量子點容易受熱影響造成發光效率下降。
因此，如何有效率的使用量子點技術以達到高色彩顯示裝置，同時還能維持背光模組的發光亮度及顯示畫面的均勻度實屬當前重要研發課題之一，亦成爲當前相關領域極需改進的目標。
本發明在於提供一種背光模組，藉以進一步提升顯示裝置的高色彩與亮度，且又可兼顧顯示畫面的均勻度。
依照本發明之一實施例揭露一種背光模組具有導光部、光源、反射部、光柵、稜鏡片、擴散膜、光增益材料與反射層，導光部的入光面位於底面與出光面之間的側邊；光源設置於入光面的一側；反射部沿著導光部的底面設置；光柵沿導光部的出光面設置，具有多個等間距設置的亮區及暗區；稜鏡片鄰近光柵的表面具有多個微結構，微結構的水平剖面的第一側面與該第二側面夾出一角度；擴散膜具有凹陷部以使光增益材料容置於凹陷部；及反射層形成於擴散膜的平坦部。
依照本發明之另一實施例揭露一種光學增強單元及製造方法，藉以提升顯示裝置的光線轉換效率，進一步提升影像色彩飽和度。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施例之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
下文係舉實施例配合所附圖示作詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件將以相同之符號標示來說明。
關於本文中所使用之『第一』、『第二』、…等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的元件或操作而已。
關於本文中所引用之圖示，若說明書或圖示未特別說明其比例關係，則圖示並非用以限定本發明的比例關係，其僅僅是為了簡單示意。
請同時參考圖1及圖2，圖1為根據本發明之一實施例所繪示的背光模組的立體示意圖；圖2為根據本發明之一實施例所繪示的背光模組的剖面示意圖。背光模組100包含導光部(light guide part)110、光源120、反射部(reflection part)130、光柵(grating)140、稜鏡片(prism sheet)150及擴散膜(diffuser)160。導光部110具有入光面(incident surface)111、出光面(top surface)112及底面(bottom surface)113。底面113相對於出光面112，且入光面111介於出光面112與底面113之間。導光部110內的導光介質(medium)可以包括有空氣、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃、或者是可用來導光的材質。光源120沿著入光面111設置，用以發出一光線使得光源120的光線可以通過入光面111，光線自入光面111朝導光部110入射，光源120可以是單頻光(monochromatic light)，舉例而言可以是藍光或紫外光，於一較佳實施例中，光源120的波長可以為450奈米(nm，nanometer)。
反射部130鄰近於導光部110之底面113，反射部130具有反射面131，用以將光線反射以增加光線的散射路徑(scattering path)，達到增加光的均勻性的功效。其中反射部130可包括有多個微結構(micro structure)133凸起或凹陷以形成反射面131。光柵140(Grating)沿導光部110的出光面112設置，其中鄰近導光部110的表面包括多個微結構141，微結構141可以與光柵140表面具有角度以形成於光柵140的表面，微結構141包括多個亮區(bright zone)143及多個暗區(dark zone)145，且每個暗區145具有大體上相等的間距(pitch)D，以使得射入光柵140的光線經由繞射路徑通過光柵140，由於入射光柵140的光線來自不同角度，因此光柵140的暗區145角度可以包含多種角度，已使得出射的光源達到均勻的功效。所述的反射部130可以是多層膜反射片、白反射片或者表面塗佈反射材料如金、銀、鋁或合金等，本發明並不以此為限。
稜鏡片150(prism sheet) 沿著光柵140的平面設置，其中稜鏡片150具有相對的兩個表面，鄰近光柵140的表面包括多個微結構151，其中每個微結構151的水平剖面（cross-section）包括第一側面(wall)及第二側面，該第一側面與該第二側面夾出小於90度的角度φ、另一相對的表面為平面。微結構151可以是多個金字塔形也可以是多個三角柱形的結構，只要是兩相對側面所夾出的角度φ固定即為本發明所涵蓋的範圍，以使得通過稜鏡片150的光線可以朝垂直平面(亦及稜鏡片的法線方向)的方向出射。本發明之一較佳實施例兩相對側面所夾出的角度φ可以為68度。然本發明並不以此為限，可依使用者需求設計適合的角度φ。
擴散膜(diffuser)160具有第一表面及第二表面，第一表面貼附著稜鏡片150的平面設置，且第一表面具有多個凹陷部(cave)161，用以容納光增益材料(wavelength-transform material)170，其中光增益材料170可以是包括量子點(quantum dot)或者磷光材料(phosphor)等可以使光線通過光增益材料170而改變光線特性，更進一步解釋，此量子點或是磷光材料可以被封裝在真空玻璃管(vacuum glass tube)或是塑膠管中以起到保護功效；第二表面相對於第一表面，且第二表面對應第一表面的凹陷部161形成多個突起部165，其餘的第二表面則形成平坦部163，塗佈或覆蓋有反射層(reflection layer)180。擴散膜160可以由壓克力粒子、壓克力膠液與聚酯薄膜（Polyester Film, PET）等材料所組成。反射層180可以是金、銀、鋁或具反射效果的金屬材料，顯示面板200設置於背光模組100上，光線藉由背光模組100朝顯示面板200入射。
請搭配圖2參考圖3A，，圖3A為根據本發明之一實施例所繪示之反射部130的局部示意圖。如圖3A所示，反射部130可包括有多個相等間距、尺寸的微結構133或者不同間距、尺寸的微結構133凸起或凹陷於反射部130以形成反射面131。換句話說，微結構133的反射面133可以與反射部130的表面具有夾角以形成斜面。而微結構133的高度、寬度、角度與間距可以設計為不同或是隨著距離光源遠近，微結構133的角度可以與光源距離成相關漸變的調整，以增加光線散射路徑以及發光面均勻度。於本發明之另一實施例，反射部130也可以是相對於導光部110而具有一斜面的反射結構，只要是可以用來反射光線以增加光線散射路徑的反射結構，均為本發明所涵蓋的範圍。
請搭配圖2參考圖3B，圖3B為根據本發明之一實施例所繪示之稜鏡片150與擴散膜160的局部示意圖。如圖3B所示，稜鏡片150的微結構151主要設置於擴散膜160的凹陷部161開口之下，使得通過稜鏡片150的光線可以朝垂直平面(亦及稜鏡片的法線方向)的方向射入擴散膜160，進一步射入光增益材料170。
請搭配圖2參考圖4A，，圖4A為根據本發明之一實施例所繪示的光柵的剖面圖。如圖4A所示，光柵140的表面包括多個微結構141，微結構141可以與光柵140表面具有角度以形成於光柵140的表面，每個微結構141的角度可以是相等也可以不相等，由於光線由四面八方射向光柵140，通過設置多種角度的多個微結構141，可以達到充分利用散射後光線的目的。每個微結構141可包括多個亮區143及多個暗區145，亮區143可以是讓光線通過的區域，例如是多個狹縫(slit)以形成亮區143，且任兩相鄰狹縫的間距D大體上相等，亦即，多個亮區143或多個暗區145為等間距設置。
接著請搭配圖4A參考圖4B，圖4B為根據圖4A所繪示的光跡示意圖。光柵140供入射光(incident light)經過光線可根據布拉格定律(Bragg’s law)以使得射入光柵140的光線以繞射角θ(diffraction angle)經由繞射路徑(diffraction path)通過光柵140，使得光線朝垂直光柵140的出光面的方向射出。光柵140可以是繞射光柵使入射光的振幅或相位（或兩者同時）受到周期性空間調製，光柵140也可以是反射光柵(reflecting grating )或透射光柵(transparent grating)，本發明並不以此為限，只要光線可以經由相同的繞射角射出即為本發明所涵蓋的範圍。布拉格定律的方程式如下：
2Dsinθ=nλ，其中n為正整數、入射光光線波長λ。由於光源120發出的光線為單頻光，因此波長λ為定值，但是入射角度非特定單一角度。而希望出射光柵的出射光為特定角度，所以可以藉由調整間距D或是光柵傾斜的角度調整，進而決定光線與光柵140的出光光角度。
圖5為根據本發明之一實施例所繪示的光跡示意圖。以下將說明背光模組100的光線路徑及背光模組運作方法，在此先假設導光部110為空氣。如圖5所示，光源120發出光線L1與光線L2。光線L1係經過導光部110射向反射部130，再反射至導光部110，以增加光的散射路徑。光線L2係經過導光部110直接射向光柵140，以使得通過光柵140的光線經由繞射路徑射出具有繞射角θ1的光線L3或光線L4。以本發明之一實施例而言，光線L3與光柵140的平面所夾的角度為27度。然本發明並不以此為限，可依使用者需求設計適合的繞射角θ。
接著，以下先說明光線L3的行經路線，請搭配圖6A參考圖5。圖6A為根據本發明之一實施例所繪示的稜鏡片的局部光跡示意圖。光線L3以垂直於稜鏡片150的微結構151側面的路徑垂直射入稜鏡片150，已使得光線L3射入微結構151的另一側面造成光線L3偏轉以根據一偏轉路徑(deflection path)使得光線L3沿著垂直平面的方向射入擴散膜160的凹陷部161，進一步射向光增益材料170，使得光線L3通過光增益材料170後造成光線特性改變。通過在光增益材料170貼附稜鏡片150使得光線L3根據偏轉路徑垂直射入光增益材料170，以提高光線轉換效率，並使得單頻光通過光增益材料造成光線波長和發光視角的特性改變，並降低背光模組100的厚度。
再來說明光線L4的行經路線，請搭配圖6B參考圖5。圖6B為根據本發明之一實施例所繪示的稜鏡片的局部光跡示意圖。當光線L4射入擴散膜160的平坦部163時，由於平坦部163覆蓋著反射層180，因此光線L4可以透過反射路徑以射入微結構151的側面造成光線L4偏轉以根據偏轉路徑(deflection path)使得光線L4射入容置在擴散膜160的凹陷部161的光增益材料170，使得光線L3通過光增益材料170後造成光線特性改變。通過平坦部163覆蓋著反射層180的方式使得光線L4能夠反射再利用，增加光線的轉換效率。
所述的光線特性可以是例如光線L3射入含有量子點材料的光增益材料170使得光線L3在光增益材料170中激發射出具有波長γ的光線。也可以是光線L3射入含有磷光材料的光增益材料170使得光線L3在光增益材料170轉換以射出波長γ的光線。波長γ可以藉由設計量子點材料能階(energy level)的能隙(band gap)而有不同的波長設計。如本發明之一較佳實施例，光線L5可以為白光。
請參考圖7，圖7為根據本發明另一實施例所繪示之背光模組的剖面圖。本發明所揭露之背光模組100亦可應用在可撓式顯示裝置上，由於本發明所揭露的背光模組100透過光學元件的堆疊設計出適合的光線軌跡，以使背光模組100不需過多膜層即可發出均勻的光線。且背光模組100所使用的光學元件均可以是有彈性可彎折的材質，因而適合可撓式顯示裝置與小尺寸的顯示裝置。
圖8為本發明之一實施例所述之光學增強單元(optical enhanced unit)的製造方法示意圖。以下將說明光學增強單元的製作方法300，一種光學增強單元包括稜鏡片150、擴散膜160、光增益材料170及反射層180。步驟S310：於擴散膜160的一表面，透過模壓或熱塑方式以形成凹陷部161，以使得對應凹陷部161的另一表面形成凸起部165及平坦部163。其中擴散膜160的凸起部165的厚度與平坦部163的厚度可以為相等也可以為不相等。步驟S320：於擴散膜160的平坦部163塗佈反射材料以形成反射層180。步驟S330：於凹陷部161充填光增益材料170。步驟S340：將擴散膜160與稜鏡片150貼合，以得到光學增強單元。其中所述的反射材料可以是金、銀、鋁或具反射效果的金屬材料。光增益材料170內含有的量子點尺寸的長寬高三維空間任一維度空間可以是小於100奈米以下的奈米微晶粒。
本發明提供一種應用量子點的輕薄化背光模組。在較佳實施例中，本發明的顯示裝置為液晶顯示裝置、電漿顯示裝置、電濕潤顯示裝置等使用背光模組的平面顯示裝置。然而在其他實施例中，本發明的顯示裝置亦可以為其他類型的顯示裝置。
本發明提供一種應用量子點的輕薄化背光模組。在較佳實施例中，可以應用在具有可撓性基板的顯示裝置。
根據本發明所揭露的背光模組，通過設置光柵及光學增強單元於背光模組，使得從導光部之射出的光線可透過光柵的以射出具有相同出射角的光線，以使得光線垂直射入稜鏡片的側面。再經過偏轉路徑以射入光增益材料中，進而使得光線能在光增益材料中改變光的特性以射出不同於光源特性的光線，並且透過設置反射部已使得光線均勻散射進一步地提升背光模組的光均勻性及光強度。
此外，本發明所揭露的背光模組，導光部可以由空氣或者輕薄的導光介質所組成，進而在大幅提升背光模組的均勻性與亮度之外，更進一步薄化背光模組，以兼顧背光模組之輕薄化需求。
綜上所述，本發明所揭露的背光模組，通過光學設計以達到提升光強度、光均勻性同時兼顧背光模組輕薄化的需求。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
100‧‧‧背光模組
200‧‧‧顯示面板
300‧‧‧製造方法
120‧‧‧光源
110‧‧‧導光部
111‧‧‧入光面
112‧‧‧入光面
113‧‧‧底面
130‧‧‧反射部
131‧‧‧反射面
140‧‧‧光柵
143‧‧‧亮區
145‧‧‧暗區
150‧‧‧稜鏡片
141、151‧‧‧微結構
160‧‧‧擴散膜
161‧‧‧凹陷部
163‧‧‧平坦部
165‧‧‧凸起部
170‧‧‧光增益材料
180‧‧‧反射層
L1~L5‧‧‧光路徑
D‧‧‧距離
θ、φ、θ1‧‧‧角度
γ、λ‧‧‧波長
圖1為根據本發明之一實施例所繪示的背光模組的立體示意圖。 圖2為根據本發明之一實施例所繪示的背光模組的剖面圖。 圖3A為根據本發明之一實施例所繪示之局部示意圖。 圖3B為根據本發明之一實施例所繪示之局部示意圖。 圖4A為根據本發明之一實施例所繪示的光柵的剖面圖。 圖4B為根據圖4A所繪示的光跡示意圖。 圖5為根據本發明之一實施例所繪示的光跡示意圖。 圖6A為根據本發明之一實施例所繪示的稜鏡片的局部光跡示意圖。 圖6B為根據本發明之一實施例所繪示的稜鏡片的局部光跡示意圖。 圖7為根據本發明另一實施例所繪示之背光模組的剖面圖。 圖8為本發明之一實施例所述之光學增強單元的製造方法示意圖。
100‧‧‧背光模組
120‧‧‧光源
110‧‧‧導光部
111‧‧‧入光面
112‧‧‧入光面
113‧‧‧底面
130‧‧‧反射部
131‧‧‧反射面
140‧‧‧光柵
150‧‧‧稜鏡片
151‧‧‧微結構
160‧‧‧擴散膜
161‧‧‧凹陷部
163‧‧‧平坦部
165‧‧‧凸起部
170‧‧‧光增益材料
180‧‧‧反射層
D‧‧‧間距

Claims (17)

  1. 一種背光模組，包括：一導光部，包括一入光面、一底面及一出光面，其中該出光面與該底面為該導光部的相對表面，該入光面位於該底面與該出光面之間的側邊；一光源，設置於該入光面的一側，用以發出一光線；一反射部，沿著該導光部的該底面設置；一光柵，沿該導光部的該出光面設置，包括多個亮區及多個暗區，且該些亮區為等間距設置；一稜鏡片，沿著該光柵的平面設置，其中該稜鏡片具有相對的一入光面與一出光面，該入光面鄰近該光柵且包括多個第一微結構，其中每一第一微結構的一水平剖面包括一第一側面及一第二側面；一擴散膜，具有彼此相對的一第一表面及一第二表面，該稜鏡片的該出光面為一平面且面向該擴散膜的該第一表面，其中：該第一表面包括一凹陷部；及該第二表面包括對應該凹陷部所形成之一凸起部及一平坦部；一光增益材料，容置於該擴散膜的該凹陷部；及一反射層，形成於該第二表面的平坦部。
  2. 如請求項1所述的背光模組，其中該光線經由與該光柵的平面具有一第二夾角的路徑通過該光柵。
  3. 如請求項2所述的背光模組，其中該第二夾角大致上為27度。
  4. 如請求項1所述的背光模組，其中該光線經由一繞射路徑通過該光柵，並根據一偏轉路徑通過該稜鏡片。
  5. 如請求項1所述的背光模組，其中每一該第一微結構的該第一側面與該第二側面之間具有一夾角為68度。
  6. 如請求項1所述的背光模組，其中該反射部包括多個第二微結構，以相等間距或不同間距形成於該反射部。
  7. 如請求項6所述的背光模組，其中該些第二微結構係凸起或凹陷於該反射部表面。
  8. 如請求項1所述的背光模組，其中該光源為一單頻光。
  9. 如請求項8所述的背光模組，其中該光源為一藍光或一紫外光。
  10. 如請求項1所述的背光模組，其中該導光部內包括：一空氣或一導光介質。
  11. 如請求項1所述的背光模組，其中該光柵包括多個狹縫以形成該些亮區，該些狹縫為等間距設置。
  12. 如請求項1所述的背光模組，其中該光柵還包括多個第三微結構，以相同角度或不同角度形成於該光柵的表面。
  13. 如請求項1所述的背光模組，其中該光增益材料包括：一量子點材料或一磷光材料。
  14. 如請求項13所述的背光模組，其中位於不同凹陷部中的各個量子點材料之間半徑大小不等。
  15. 如請求項1所述的背光模組，其中該稜鏡片還包括一平坦部，且該些稜鏡係對應該凹陷部設置。
  16. 一種光學增強單元，包括：一擴散膜，具有彼此相對的一第一表面及一第二表面，其中：該第一表面包括一凹陷部；及該第二表面包括對應該凹陷部所形成之一凸起部及一平坦部；一光增益材料，容置於該擴散膜的該凹陷部；一反射層，形成於該第二表面的平坦部；及一稜鏡片，具有相對的一入光面與一出光面，該稜鏡片的該出光面為平面並貼附於該擴散膜的第一表面，其中多個第一微結構形成於該入光面，該些第一微結構的水平剖面為一三角形，每一第一微結構的水平剖面包括一第一側面及一第二側面。
  17. 一種光學增強單元的製造方法，適用於一種光學增強單元，該光學增強單元包括一擴散膜，具有一第一表面及一第二表面，其中該第一表面包括一凹陷部；及該第二表面包括對應該凹陷部所形成之一凸起部及一平坦部；一光增益材料，容置於該擴散膜的該凹陷部；一反射層，形成於該第二表面的平坦部；及一稜鏡片，具有相對的兩個表面，其中一表面為平面並貼附於該擴散膜的第一表面，其中多個第一 微結構形成於另一表面，該些第一微結構的水平剖面為一三角形，每一第一微結構的水平剖面包括一第一側面及一第二側面，該製造方法包括：於該擴散膜的該第一表面，透過模壓或熱塑方式以形成該凹陷部，以使得對應該凹陷部的該第二表面形成該凸起部及該平坦部；於該擴散膜的該第二表面的該平坦部塗佈一反射材料以形成該反射層；於該凹陷部充填一光增益材料；及將該擴散膜與該稜鏡片貼合，以得到該光學增強單元。
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