畢亞一 孫盛林 姚文澤 劉俊國 馬超

摘要：全面研究了液晶顯示行業(yè)背光源模組的電子材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化，探討了背光源模組的基本原理及類型、電子材料的基本屬性和分類，分析了當(dāng)前背光源模組設(shè)計(jì)存在的問題和挑戰(zhàn)，總結(jié)了影響背光源模組效率的關(guān)鍵因素?；诖?，從材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制程3 個(gè)方面提出優(yōu)化策略，并對(duì)優(yōu)化策略的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估，為背光源模組設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，具有較高實(shí)用性和研究前景。

關(guān)鍵詞：液晶顯示；背光源模組；電子材料；設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH140.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

液晶顯示技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電視、電腦、手機(jī)、平板以及其他電子產(chǎn)品中。作為液晶顯示中的關(guān)鍵部件，背光源模組（backlight module，BLM）直接影響顯示質(zhì)量和能效，并為液晶顯示提供均勻且持久的光源，其決定了顯示設(shè)備的亮度、色彩飽和度和視覺效果。背光源模組的設(shè)計(jì)和材料選擇在其中起決定性作用。電子材料在背光源模組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是提高背光源模組效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。電子材料的物理和化學(xué)性質(zhì)，如導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等，直接影響了背光源模組的性能和穩(wěn)定性。但當(dāng)前的背光源模組存在能效低、壽命短、熱管理不佳等問題，嚴(yán)重影響了液晶顯示的性能和用戶體驗(yàn)。本文通過深入研究背光源模組的基本原理、類型以及電子材料的屬性和分類，分析當(dāng)前背光源模組設(shè)計(jì)存在的問題和挑戰(zhàn)，總結(jié)影響背光源模組效率的關(guān)鍵因素，并提出一系列背光源模組設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略。

1 背光源模組和電子材料的基本概述

1.1 背光源模組的基本原理及類型

背光源模組是液晶顯示屏的關(guān)鍵組成部分，如圖1 所示，液晶面板提供均勻和連續(xù)的光源。背光源模組由背光源、光學(xué)膜、反射板和散光板等部件構(gòu)成。當(dāng)電源供電時(shí)，發(fā)光二極管（light emittingdiode，LED）發(fā)出光線，射入導(dǎo)光板內(nèi)，經(jīng)過導(dǎo)光板改變光的線路，使點(diǎn)光源變?yōu)槊婀庠?，?jīng)過增光膜、反射板和散光板等部件的反射和散射，形成均勻的光場，最后通過液晶面板形成顯示圖像。

背光源模組主要分為直下式背光源模組（圖2）和側(cè)入式背光源模組（圖3）[1]。直下式背光源模組將光源設(shè)于面板下方，通過多層反射和散射形成均勻的光場[1]。側(cè)入式背光源模組則將光源設(shè)于面板側(cè)面，通過光導(dǎo)板和散射膜將光線引入液晶面板。直下式背光源模組一般較厚、重量大、發(fā)熱量高，主要適用于超大尺寸或?qū)臻g要求不嚴(yán)格的液晶顯示產(chǎn)品的大尺寸顯示屏，如電視顯示屏；側(cè)入式背光源模組體積小、重量輕、功耗低，常用于30 寸以下中小尺寸的背光模塊，主要是小尺寸顯示屏，如手機(jī)和平板。

背光源的工作原理是將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換成面光源，為液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）產(chǎn)品提供顯示所需的外部光源[2]，如圖4 所示。

1.2 電子材料的基本屬性與分類

電子材料是電子器件和集成電路的基本材料，其性能直接影響電子器件和集成電路的性能。電子材料的基本屬性包括導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)性能等。

電子材料大致可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體主要包括金屬和合金，其內(nèi)部電子可以自由流動(dòng)，具有良好的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，可以通過控制其摻雜濃度和類型改變其導(dǎo)電性。半導(dǎo)體材料廣泛用于晶體管、二極管、光電器件等電子器件。絕緣體不導(dǎo)電，但在高電場下可能發(fā)生擊穿，其常用于電子器件的絕緣和保護(hù)[3]。

背光源模組中的電子材料主要包括發(fā)光材料、封裝材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、散光材料和反射材料等。發(fā)光材料是背光源的核心；封裝材料用于保護(hù)發(fā)光材料；導(dǎo)電材料和絕緣材料分別用于電路連接和電路絕緣；散光材料和反射材料則用于形成均勻的光場[4]。

例如，LED 是常用的背光源，其發(fā)光材料通常為InGaN（氮化銦鎵）或AlGaInP（磷化鋁鎵銦）等化合物半導(dǎo)體材料；封裝材料則為環(huán)氧樹脂或硅膠[5]；導(dǎo)電材料通常為銅或鋁；絕緣材料則為陶瓷或塑料。利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。

導(dǎo)光板（light guide plate，LGP）的主要材料為光學(xué)壓克力（PMMA）板，其化學(xué)名稱是聚甲基丙烯酸甲酯，透明壓克力板材透光率達(dá)到92% 以上，抗沖擊能力強(qiáng)。其在背光源模組內(nèi)的作用是將點(diǎn)光源或線光源轉(zhuǎn)換成面光源，并利用光線折射和全反射定律對(duì)光線進(jìn)行引導(dǎo)。當(dāng)光線從折射率高的物質(zhì)向折射率低的物質(zhì)入射且入射角超過一定角度時(shí)，不會(huì)發(fā)生折射，而發(fā)生全反射。LGP 底部印有網(wǎng)點(diǎn)，破壞了光線的全反射，使光線改變透出LGP。朝著反射片方向的光在反射片的作用下又被返回到LGP 中被重新利用。

散光材料和反射材料則通常為聚酯膜或玻璃纖維板等[6]。LED 發(fā)出的光源通過導(dǎo)光板轉(zhuǎn)換成面光源后，通過散光材料和反射材料反射、聚攏、擴(kuò)散，使畫面均勻、柔和。

2 背光源模組設(shè)計(jì)中的問題分析

2.1 當(dāng)前設(shè)計(jì)存在的問題和挑戰(zhàn)

隨著能源環(huán)保意識(shí)的不斷提高，背光源模組的高效節(jié)能性成為重要的發(fā)展方向。智能制造技術(shù)的不斷推進(jìn)，使得背光源模組在顯示器件中的作用越來越重要，制造工藝也越來越復(fù)雜，并且可以應(yīng)用于手機(jī)、平板、電視等各個(gè)領(lǐng)域，未來其應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)展，如汽車、VR/AR 等，因此背光源模組的發(fā)展也需要不斷滿足新的需求和應(yīng)用場景。液晶顯示背光源模組設(shè)計(jì)面臨著一系列問題和挑戰(zhàn)。

首先，近年來液晶顯示技術(shù)雖然取得了顯著的進(jìn)步，但背光源模組的光效率依然較低。在背光源模組中，大部分的光能在穿過液晶面板時(shí)被吸收或者散射，導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)。其次，背光源模組需要提供高亮度和高均勻度的光源，以確保液晶顯示器能夠展現(xiàn)出最佳的顯示效果。因此對(duì)背光源的布局和散光板的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如何在保證亮度和均勻度的同時(shí)，又能降低能耗和成本，成為當(dāng)前設(shè)計(jì)中面臨的一大挑戰(zhàn)。最后，隨著移動(dòng)設(shè)備的日益輕薄化，對(duì)背光源模組的體積和重量也提出了更嚴(yán)格的要求。如何設(shè)計(jì)出一款體積小、重量輕且性能卓越的背光源模組，是當(dāng)前設(shè)計(jì)所面臨的又一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

2.2 影響背光源模組效率的關(guān)鍵因素

背光源模組是LCD 顯示器產(chǎn)品中的一個(gè)背面光源組件，由背光光源、多層背光材料及支撐框架組成。隨著電子產(chǎn)品向智能化、輕薄化的方向發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備精密度、穩(wěn)定性水平的要求越來越高。背光質(zhì)量決定了液晶顯示屏的亮度、出射光均勻度、色階等重要參數(shù)，這些參數(shù)很大程度決定了液晶顯示屏的發(fā)光效果。根據(jù)研究，從傳統(tǒng)背光光源發(fā)射出來的光，在經(jīng)過反射膜、擴(kuò)散膜等光學(xué)薄膜之后，只會(huì)有約60% 的光通過背光源模塊進(jìn)入下偏光膜，最后經(jīng)過液晶、上偏光膜的光只剩下4%。因此，背光設(shè)計(jì)和材料的選擇很重要。影響背光源模組效率的關(guān)鍵因素為：①發(fā)光材料的性質(zhì)，包括其光效率、穩(wěn)定性和壽命。選擇具有高性能的發(fā)光材料，能顯著提高背光源模組的效率。②光學(xué)設(shè)計(jì)，包括背光源的布局、反射板的設(shè)計(jì)以及散光板的設(shè)計(jì)等。優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)可以更有效地將光能傳遞到液晶面板，從而提高背光源模組的光效率。③電路設(shè)計(jì)，包括電源管理和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。高效的電源管理和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可以降低電能損耗，提高背光源模組的電效率。④制程技術(shù)，包括封裝技術(shù)、焊接技術(shù)以及精細(xì)加工技術(shù)等。高品質(zhì)的制程技術(shù)不僅可以確保背光源模組的性能，還能提高其生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可靠性。

以上各因素相互作用與影響，共同決定了背光源模組的整體效率。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮并權(quán)衡這些因素，以實(shí)現(xiàn)背光源模組效率的最優(yōu)化。

3 背光源模組設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略

3.1 材料設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

在液晶顯示器背光源模組的設(shè)計(jì)中，材料選擇是關(guān)鍵因素之一，優(yōu)化材料設(shè)計(jì)可以提升設(shè)備性能和降低成本。首先，需要選擇具有高發(fā)光效率和性能穩(wěn)定的發(fā)光材料。例如，量子點(diǎn)材料以其較高的發(fā)光效率和穩(wěn)定性受到矚目。對(duì)量子點(diǎn)材料進(jìn)行深入研究，優(yōu)化其發(fā)光譜線寬度和發(fā)光峰值，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的色彩控制和更寬的色域。其次，電子材料包括電源管理集成電路（integrated circuit，IC）和驅(qū)動(dòng)電路。通過選擇低損耗的電源管理IC 和高效的驅(qū)動(dòng)電路，不僅能降低能耗，提高電效率，而且能降低設(shè)備故障率，增加設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命。再次，光學(xué)材料的選擇也很重要，需要選擇具有高反射率的反射板和高透光率的散光板，必要時(shí)可增加增光膜，以優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)，提高發(fā)光效率。同時(shí)，還要考慮設(shè)備的輕薄化需求，選擇輕質(zhì)、薄型的材料。最后，優(yōu)化材料設(shè)計(jì)的過程中，還需要考慮環(huán)保因素，選擇環(huán)保、可循環(huán)利用的材料，降低生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境的影響。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是背光源模組設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)設(shè)備的性能和用戶體驗(yàn)有直接影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：首先是光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過改進(jìn)反射板、導(dǎo)光板和散光板等光學(xué)部件的設(shè)計(jì)，使光線能更有效地通過液晶層，提高設(shè)備的亮度和對(duì)比度。其次是電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。優(yōu)化電源管理和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，可以降低能耗，提高電效率，同時(shí)也可以降低設(shè)備的發(fā)熱量，延長設(shè)備壽命。最后是機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化?？紤]到設(shè)備的輕薄化和便攜化需求，需要優(yōu)化背光源模組的大小和重量，以及裝配方式和接口設(shè)計(jì)等，使設(shè)備更加輕薄，安裝更加簡便，使用更加便捷。

3.3 制程優(yōu)化策略

制程優(yōu)化主要通過優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量[7]。首先是材料制備過程的優(yōu)化。研究并應(yīng)用新的材料制備技術(shù)，如量子點(diǎn)的精確制備和應(yīng)用，以提升材料性能，確保材料質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低材料成本。其次是裝配過程的優(yōu)化。通過應(yīng)用高精度、高效率的自動(dòng)化裝配設(shè)備和技術(shù)，減少人工操作，提高裝配精度和效率，減少產(chǎn)品缺陷，降低裝配成本。再次是測試過程的優(yōu)化。采用高精度的測試設(shè)備和技術(shù)，提高測試精度和效率，確保產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。最后是質(zhì)量控制過程的優(yōu)化。建立和完善質(zhì)量管理體系，對(duì)全過程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。此外，制程優(yōu)化還需要注重環(huán)保，降低生產(chǎn)過程中的能耗和污染，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文對(duì)液晶顯示背光源模組的電子材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行了深入探討。首先，介紹了背光源模組的基本原理、類型以及電子材料的屬性和分類。其次，針對(duì)當(dāng)前背光源模組設(shè)計(jì)存在的問題和挑戰(zhàn)，以及影響其效率的關(guān)鍵因素進(jìn)行了詳盡分析。此外，本文深入研究了電子材料在背光源模組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和選擇策略，并提供了實(shí)際應(yīng)用案例。從材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制程3 個(gè)方面提出了背光源模組設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略，并對(duì)優(yōu)化策略的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)估。這些優(yōu)化策略不僅為背光源模組設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)，也給予了實(shí)踐指導(dǎo)，具有較高的實(shí)用性。此研究結(jié)果能為背光源模組設(shè)計(jì)者和制造商帶來實(shí)質(zhì)性幫助，以提升產(chǎn)品性能并優(yōu)化生產(chǎn)流程。盡管本研究取得了顯著的成果，但在未來的研究中還需要對(duì)更多的電子材料進(jìn)行探索，以進(jìn)一步提升背光源模組的性能。同時(shí)，隨著液晶顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，未來可能會(huì)出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和制程問題，需要持續(xù)研究和優(yōu)化。

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