TFT-LCD背光模组光学膜关键件的开发研究

作者：菲斯特科技  张益民 吴庆富

摘要：
    背光模组关键件——导光板、扩散膜、增光膜等，其技术实质是大型微细结构光学元件，即利用光学微细结构和散射微粒等，实现对光能的重新分布，达到特定的使用目的。其设计与制造涉及光学、高分子材料、精密模具（含模具机床）和精密成型工艺与设备等多学科的交叉技术。我国虽然研究开发背光模组的单位较多，但由于受基础工业的限制，无法形成产业。成都菲斯特科技有限公司长期致力于微细结构光学元件的研究开发和量产，以光学型投影显示器件为代表产品，所形成的技术体系具有自主性、完整性和基础性三大特点，足以支撑背光模组光学膜关键件项目的发展。

一、TFT-LCD液晶产业的现状
                     
    一般而论，TFT-LCD显示器由三个主要部件组成，即TFT-LCD（液晶）面板、背光模组、驱动电路。而背光模组主要是由光源(Light Source：包括冷阴极荧光管（CCFL）发光二极管（LED）、反射膜(Reflector)、导光板、扩散片（diffusion sheet 1-2片）、增亮膜（Brightness Enhancement Film 1-2片）及外框等组件组装而成，其中光学膜片与导光板是主要的技术和成本所在。

    而本文所指关键件即是指导光板、扩散膜、增光膜（棱镜片）。

（一） 导光板：主要功能在于引导光线方向，以提高面板亮度及控制光线均匀度，是影响光效率的重要元件；通常是采用基础工艺生产的光学级PMMA板材印刷网点。相对增光膜来讲，工艺技术较简单国内已有企业在生产。


（二） 扩散膜：主要功能是提升光线向上亮度（Brightness），并将导光板射出之光线柔散化，提供均匀的面光源；通常做法是在PET基材上，涂布光学粒子颗粒/玻璃微珠。国内能够生产小尺寸的扩散膜，随着电视机面板尺寸的增大，大尺寸扩散板（膜）也是国内空白。


（三） 棱镜片：也叫增光膜，主要功能是凝聚光线、提高正面亮度；主要以聚脂(PETG.PC.PMMA）为原料；主要技术难点在花纹模辊的制造，国内还不能生产。

    微型表面结构一般为棱形柱体或半圆柱体。导光板、扩散膜、镜片作为背光模组重要的组成部门，其作用都是对光的引导与控制，可称为光管理元件，从技术的实质上就是微细结构光学元件。
    通常微细结构光学领域包含了四个方面技术：光学设计、光学材料、超精密模具和模具设备、精密成型工艺与设备。是典型的综合性高科技领域。世界上在微细结构光学器件制造领域技术比较领先的属于美国、日本和韩国，我国台湾地区也能生产部分低端产品。
    增光膜由于涉及到大型超精密模具加工的单点金刚石机床，国内不能生产。由于我国这一基础工业的缺失，导致至今国内不能生产增光膜，特别是用于TFT-LCD彩色电视机的大尺寸增光膜片，在液晶显示产业风起云涌之时，增光膜生产仍然是国内空白。
    近年来，LCD液晶显示器已成为彩色电视机的主流显示方式，除广泛用于笔记本电脑，监视器以外，已广泛用于彩电领域。特别是大尺寸的彩色电视机。国外面板主要规格可以做到26吋——55吋。更大尺寸彩电的面板和背光模组均给生产带来更大的困难。
    2008年起全球的液晶显示器产量已超过40000万台以上，每年以不低于20%的速度递增。2007年全球的液晶彩电仅有700多万台，至2009年仅中国的液晶彩电已达2000万台以上。我国液晶平板电视产量增速远远超过国际水平。我国是世界上彩色电视生产量和消费量均为第一的国家  ，这一产业的迅速发展使我国正从一个电子信息大国向电子信息强国发展。特别是TFT-LCD产业已经得到国家发改委和工信部的大力支持，大力发展液晶产业的格局已经形成。  
    2009年底以来，以上广电、京东方、龙腾光电已在建的TFT-LCD五代线的基础上，又有：江苏昆山的龙腾光电8.5代线，南京中电熊猫的6代线，CEC与夏普合资建设的8代线，京东方的8代线，LG在广州的8.5代线，三星在苏州的7.5代线以及TCL在惠州的8.5代线相继动工建设，这些总投资达2000亿以上的高世代面板线的建设，促使2009年成为了中国大尺寸TFT-LCD面板产业发展的突破年。这样庞大的投资是全球LCD产业中前所未有的，将使我国的制造能力获得极大的突破，上述6条公布于世高世代面板生产线产能可达全球产能的10%以上，规格包含32吋-55吋产量将达4500万台以上。这些生产线建成以后必将改变全球的液晶产业格局。
    中国电视机生产企业众多，CRT电视产能一度超过全球产能的50%，随着平板电视产业的发展，对大尺寸的液晶面板需求更加强烈。从国家的角度来看，进军液晶电视上游面板行业对国家电子信息产业的全面升级，对我国工业化和信息化都有巨大的推动作用，同时对拉动内需也相当有利。
    我国受到基础工业薄弱的限制，目前还不能生产增光膜，在关键部件配套方面还只能依赖国外进口，使我国的国际竞争力弱，亟需加快解决自主配套的问题才能完善液晶产业链，形成国内液晶产业的完整体系。
   
二、增光膜、扩散膜在液晶显示器中的主要功能
                       
1、增光膜扩散膜的作用
    由于液晶面板本身不发光，必须借助背光模组（backllight modiule)提供的光源及分布均匀的亮度才能使液晶显示器显示影像。因此增光膜、导光板、扩散膜等也称为背光模组关键件，其主要作用是为液晶面板提供均匀的面光源，尽可能高的光能透过特性，尽可能不影响光的特性。因此在大尺寸液晶显示器中尤为重要。因此，促进增光膜等关键件的国产化和产业化对促进我国平板电视产业的升级换代，增加我国液晶产业的国际竞争力发挥着重要的作用。同时可以带动超精密机床，超精密模辊加工工艺技术、光学高分子材料、投影显示光学器件等方面的基础工业技术的提升。
背光模组关键件——导光板、扩散膜、增光膜（棱镜片）等，其技术实质是大型微细结构光学元件，也就是利用在透明膜片材上加工成型光学微细结构和光学扩散微粒的工艺技术，实现对光能的重新分布达到一定的使用目的。国际上通称为增光膜、扩散膜、反射膜以及导光板。
我们揭开背光模组的面纱就可以看到，


               图一
   实际上是由一层层光学膜片材料组成，通过他们实现对光的均匀分布
从图1中我们可以看到背光模组中扩散膜和增光膜的实质。
背光模组实际上是由一层层光学膜片所组成，通过CCFL或LED光源，经过模组中各种膜片材料对光的功能作用，实现对光能的重新分配，使我们的LCD显示器能够看到影像。
扩散膜是通过在光学膜片材料上的微细颗粒（beads）实现光的扩散，而增光膜（棱镜片）是通过在透明光学材料上加工成型微细条纹（光栅）结构进行反射和折射，对光能重新分布。
      
  
                  图2                                       图3

2、主要技术难点   
    增光膜、扩散膜是背光模组中最关键的功能件，由于表面均匀布满棱形尖锥型的微细结构，提高了光线透过率，增大了亮度和视角。TFT-LCD进入电视机市场后，更加强调亮度系数的提高，使增光膜的需求更迫切。技术要求更高，国际流行的增光膜类似，CRT背投电视机的光栅柱面镜，只是齿型结构不一样，节距不一样主要设计参数不一样，导致辊筒加工方式不一样，成型工艺技术不一样，只要改造辊筒设计加工，完全可以批量生产增光膜。目前，该项技术国内由于精密加工工业基础太薄弱，没有专门用于辊筒加工的超精密单点金刚石机床，没有辊筒表面处理技术，不能达到增光膜工艺技术要求。现阶段还必须依赖引进国外先进的精密模辊加工技术。目前模辊加工设备及技术唯有美国穆尔纳米技术公司拥有，该公司已向韩国、台湾企业出售了该项设备与技术。


3、背光模组光学部件量产需要解决的关键技术问题
 增光膜光学结构设计
 背光模组光路设计
 辊筒精密加工技术与设备
 模具表面处理技术
 扩散膜的光学扩散粒子配方设计
 扩散板技术参数及挤出工艺技术的开发研究


三、形成液晶产业上下游产业链、建成完整体系
    从技术实质来讲，背光模组是超大型的微细光学结构透镜组，由导光板、扩散片、棱镜片组成。通过光学膜片发挥以下主要功能作用：
  1、引导光线的方向，提高面板辉度和控制亮度均匀性；
  2、尽可能高的光能透过特性，为液晶面板提供均匀的面光源；
  3、在一定波长范围内（可视光的范围）尽可能为可见白光的特性。
    虽然对于液晶电视机来讲，液晶面板非常重要，但是由于它本身并不发光，完全依靠背光模组提供光源才能实现显示图像的功能。因此是液晶面板中不可缺少的关键件。即使在科学技术已经高度发达的今天，国际上也只有少数几个国家的少数几个公司能够设计生产。背光模组关键件的制造工艺技术一般来讲，包含几个方面的技术，即光学结构设计、高分子材料、超精密模具、模辊表面处理技术、精密成型工艺及设备。是一种典型的综合性高科技产品。
    我们提出背光模组关键件产业化的根本目的在于，基于自主知识产权，围绕微细结构光学结构技术体系创新，实现背光模组的国产化和产业化，促进我国液晶电视产业的发展。其一，关键部件的国产化，特别是大尺寸背光模组关键件的产业化，可以提高国产液晶电视的国际竞争力；其二，满足市场需求，获取良好的经济效益和社会效益；其三，实现国内自主配套形成产业链；其四，提高国内超精密加工的基础工业水平，解决国内不能制造高精密花辊的技术难点。
    液晶电视是我国平板电视工业产业结构调整的重要产品之一，围绕液晶电视整机与其他部件一道，形成LCD电视产业链，无疑具有巨大的经济意义和社会意义。


形成产业链，建成我国强大完整的平板显示工业体系


      
4、相关技术带动相关产业的发展
可以支持：
 大型超精密模具和模具材料的开发
 LCOS，DLP投影屏幕的制造工艺技术体系
 立体显示屏幕的制造工艺技术体系



   如完成了增光膜的生产工艺技术体系，可以覆盖以下基础工业体系：
（1）光学高分子材料的开发
（2）背光模组光路设计（含增光膜结构设计）
（3）大型超精密单点金刚石机床的技术设备引进（国内还不能生产）
（4）模辊表面材料的开发（Ni-P)合金以及表面处理工艺技术
（5）辊筒的加工工艺技术
（6）增光膜的成型加工工艺技术
这些技术综合性强，技术起点高。建成后还可以解决我国在LCOS、DLP以及3D电视发展的需要。


四、主要工艺技术方法
    背光模组关键件市场表现出两大特点，即垄断性和集中性。国际上少数几个厂家如美国3M、日本的KIMTO、韩国三星、LG以及中国台湾的企业垄断了关键件市场90%的份额。至今为止增光膜反射膜等关键件完全依赖进口，对我国新上6条以上的高世代液晶面板产业的配套非常不利，造成这种态势的原因是我国的液晶产业起步晚、水平低，在关键技术上不具备实力，可以说还没有真正的参与到竞争中去。所以我国液晶背光模组光学膜产业的发展，形成自主配套能力，势在必行。
    背光模组主要由光源、导电板、扩散膜、反射膜、增光膜（棱镜片）模组框等组成，源于光路设计的需要，CCFL仍然是现阶段采用的主要光源，CCFL荧光灯发光功率高，其寿命可达2万小时，是现阶段TFT-LCD较理想的光源，但随着LED光源的出现，使LCD背光模组更有利于向更大更薄的方向发展，相信不久的将来，以LED作光源的背光模组必将成为LCD彩色电视机的主流产品。
    从技术实质来讲，背光模组是超大型的微细光学结构透镜组，由导光板、扩散片、棱镜片组成。揭开背光模组的外壳，可以看到几层光学模片通过光学模片背光模组发挥以下主要功能作用：
  引导光线的方向、提高面板辉度和控制亮度均匀性；
  尽可能高的光能透过特性，为液晶面板提供均匀的面光源；
  在一定波长范围内（可视光的范围）尽可能为可见白光的特性。


（一）增光膜的工艺技术体系
     增光膜最关键的技术是在辊筒上雕刻棱形花纹技术。透镜挤压生产中，透镜挤压辊筒加工技术直接影响产品的棱形透镜成型质量。目前世界上通行的做法是加工好的钢辊上镀上一层硬度较低的金属，如铜等金属，使用金刚石刀具加工所需要的微细棱形结构表面。这一层表面是无法达到挤压生产状态，必须在加工好的微细结构表层再镀上一层较硬的镍或铬，最先进的工艺是镀上一层镍—磷合金，才能满足金刚石刀具雕刻棱形透镜的工艺要求。同时，由于透镜需要的表面精度和表面光洁度都非常的高，这一制辊技术目前还是世界性的难题。


1、增光膜生产工艺技术流程
    增光膜（棱镜片）的生产工艺，国际先进国家的方法就是在加工完的模辊上通过光固化UV胶成型工艺技术，实现微细光学结构的成型工艺，其中精密模辊制造是本项目的核心技术，而模辊的镀层材料及工艺则是加工模辊技术的核心。



2、模辊加工技术研究
    增光模生产所用的关键设备之一是需要加工模辊的单点金刚石超精密机床，由于国际上只有美国的穆尔纳米技术公司等个企业别具备这种设备的制造能力，一直是制约我国发展高精密光学模辊的能力，使我国的光栅制造能力一直不能进入精密光栅的制造领域。这种数控机床主轴回转精度可达0.01um，在20℃±0.1℃至20℃±1℃的恒温状态下加工，采用花岗石床身、气浮轴承、单点金刚石刀具，可以加工完成增光膜所需要的1英寸500线以上的微细光栅的需要，加工长度达1800mm，可满足70英寸以下的LCD电视机增光膜生产需要。
    目前我国投入建设的8.5代线只能满足55英寸电视机的需要，故这种机床的加工能力是有富余的。
见图：为现用于增光膜模辊加工的超精密金刚石机床，床身为花岗石，气浮减震，工作环境为20℃±0.1℃至20℃±1℃。


3、模辊材料的研究
    由于单点金刚石机床是一种超精密的精密加工方法，其金刚石刀具的刀尖角度等的检测是需要放大2000倍的显微镜下检测，一般的刀具在金属表面是不能加工出高精密的形面的，金刚石刀具只有在铜的表面上才能实现这种精密加工，而铜的高光洁度的表面会在短时间氧化，影响增光膜的成形精度，同时，受铜的硬度的影响，这样的花辊所使用寿命非常短，通常只能成形2000—3000张产品就必须从新刻制花纹，而铜辊的保存需要在氮气的坏境下才不会氧化，使生产成本增加很高。
现在，国际上选进的方法是在粗加工好的辊上，镀上镍—磷合金，然后再镍-磷合金上加工花纹结构增加了辊的韧性，寿命又增加10倍。可使辊的寿命延长，可加工30000M-40000M。
    解决好模辊电镀NI-P技术，是发展背光模组关键件的原创关键技术之一。目前我国还不具备该项技术，成都菲斯特一直在模板电铸镍—磷合金方面进行原创技术的研究，已经可以进行小型产品的生产，相信经过进一步的研究和投入，必定可以完全解决这一技术难题。


4、增光膜成型工艺技术
    增光膜工艺技术国际上传统的方法就是通过挤出机挤出成形，但设备投入大，产能低，能耗大，合格品率低。
通过UV光固的形式生产增光膜，必定是最便捷的方法，韩国三星、LGD中国台湾的一些企业都是采用这种方法在生产。

结束语：大尺寸TFT-LCD背光模组光学膜关键件是发展液晶产业必不可少的重要部件，一台液晶显示器需要一套光学膜。随着国内几条高世代面板生产线的建设投产，光学膜关键件势必成为我国液晶产业的瓶颈，实施光学膜关键件的国产化可以形成完整的创新性液晶产业体系，提高我国液晶产业的整体水平。


作者简介：
    吴庆富，男，出生于1946年12月，成都菲斯特科技有限公司副总裁，高级工程师，国家视听机械标准委员会委员。
    长期从事机电工程研究开发，主要分管技术开发，多次组织实施国家平板显示器专项和国家电子发展基金项目的开发，曾在国家级刊物发表论文多篇。近年来在光电显示产业组织实施了空军某部061号超大型航空模拟视景终端工程，0.5M小超风洞加热器921工程，聚光太阳能发电菲涅尔透镜，数字多媒体信息显示终端，TFT-LCD背光模组光学膜关键件的开发等项目。E-mail:wu-qf@yeah.net

    张益民，男，42岁，四川大学工学硕士，高级工程师。曾任成都伟事达电子公司副总，现任成都菲斯特科技有限公司总裁，长期从事光电显示器件的研发，曾在美国专修工商管理，在光电显示领域具备国际一流专业知识，组织实施了多项国家级科技项目。

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