Study on optimization mode of inkjet printing process for LGP microlens

TFT-LCD背光模組中導光板的微透鏡採用噴墨列印製程技術(Inkjet printing)來製作。此製程技術的特點是可依分佈需求去設定墨水滴入模式，然後直接噴印於所設定範圍內的圖像特性。相較一般使用射出或熱壓的傳統微透鏡製程開發時程短，無需開發模具成本，且因微透鏡尺寸最小可達30 um左右，對於0.4~0.5 mm厚度的筆電背光模組中的導光板，可設計出更佳的輝度均勻性。 本論文針對此噴墨列印技術製程，使用單路徑噴墨列印設備。以丙烯酸酯+光聚合引發劑做為噴印微透鏡的材料，依業界13.3吋產品導光板(厚度0.4 mm)，在不同噴墨滴入量調配下，進行不同版次的混階微透鏡噴印實驗，首先探討各區域密度覆蓋率變化對均勻性影響，其次研究輝度相對強度分佈比例與均輝度的關係，最後探討多點位輝度立體曲面圖變化。 上述三項實驗結果顯示，導光板的密度覆蓋率以入光側到出光側5個區域均差值為3~4%和中央區5點之間約±7%的均等變化，可產生最佳均勻性分佈。而輝度相對強度比例以入光側到出光側為1~2%的微幅變化增減和整體相對強度比例強弱差異約30.49%，可調整出最佳的均輝度。以25點與160點的多點位量測可找出相對輝度比較偏高或偏低的分佈區域。再藉由三項實驗得到的數據和程序，進行2個版次的驗證。確認採用以上三項實驗得到的製程最佳化模式條件，可製作出13點輝度均勻性達成驗證的規格。其中均輝度4000 nit以上與均勻性達83%以上。此結果可做為日後導入新產品13.3”/ 0.4 mm導光板微透鏡噴印製程的驗證標準參考依據，減少日後新Model的驗證次數。In TFT LCD backlight modules, the microlens of the light guide plate (LGP) is made by adopting the technology of inkjet printing processing, which is characterized by the image feature of directly printing in given ranges after setting the ink dripping mode according to distribution requirements. Compared with the traditional micro lens process normally adopting injection and hot-pressing, this technology possesses advantages: short development time, no module development cost, and the minimum size of the microlens being around 30 um with an ability to achieve good luminant uniformity for LGP in laptop backlight modules with a thickness of 0.4 to 0.5 mm. This study uses a single-path inkjet printing equipment with the polymer produced by acrylate and photo-polymerization initiator as material for printing the microlens. Based on the 13.3 inch-LGP with a thickness of 0.4 mm, we conduct different experiments of inject-printed microlenses with different dripping volumes. We first explore influence of density coverage rate change in each region on luminant uniformity, and then study the relationship between luminance relative intensity distribution proportion and average luminance. Finally, we investigate the change of multi-spots luminance three-dimensional surface diagram. Results of the above-mentioned three experiments show that : the optimal uniformity is achieved as the density coverage ratios of the LGP are 3~4 % and ±7 % for the average change ratio of five regions from the light entering side to the light emitting side and change of the five spots in the central region, respectively. As for the relative luminant intensity ratio, it could be optimized by a slight change of 1~2 % from the light entering side to the light emitting side, and the overall difference of 30.49 % between the strongest and weakest relative intensities. It finds out some distribution regions with higher or lower relative luminance through multi-spot measurement of 25 spots and 160 spots. By using the procedures and data of the three experiments, we can produce the LGP which conforms with the specifications, wherein the average luminance and the uniformity reach above 4000 nit and 83 %, respectively. The results can be used for new 13.3 '/ 0.4 mm LGP microlens process and can reduce verification times of new models in the future.誌謝.......... .................................................i 中文摘要.......................................................ii 英文摘要......................................................iii 目錄..................................... .....................iv 圖目錄................................ ........................vi 表目錄............. .........................................viii 第一章 緒論.....................................................1 1.1 光電產業噴墨列印技術應用..................................1 1.2 背光模組結構原理簡介......................................1 1.3 導光板微透鏡製程種類簡介..................................2 1.4 研究動機..................................................3 第二章 文獻回顧.................................................4 2.1 噴墨科技歷史與發展........................................4 2.2 噴墨列印技術分類..........................................5 2.3 導光板形狀之光學設計......................................9 2.4 導光板微透鏡表面張力.....................................10 2.5 導光板微透鏡陣列製程.....................................10 第三章 光學理論與定律..........................................12 3.1 折射定律.................................................12 3.2 反射定律.................................................12 3.3 全內反射與臨界角.........................................13 3.4 Fresnel equation.........................................14 3.5 光散射...................................................15 3.6 光透射...................................................16 3.7 人眼與光度學.............................................16 第四章 微透鏡噴印實驗 .........................................18 4.1 實驗設備儀器簡介.........................................18 4.1.1 噴墨列印設備(Inkjet Printing Machine)...............18 4.1.2 噴墨頭(Inkjet Head). ...............................19 4.1.3 CCD光學系統 ........................................21 4.1.4 光學顯微鏡(OM)......................................22 4.1.5 共軛焦顯微鏡(Confocal Microscope)...................23 4.1.6 輝度量測機(Luminance Colorimeter)...................24 4.1.7 LED光源制具.........................................25 4.2 噴墨列印材料簡介.........................................25 4.2.1 噴墨材料............................................25 4.2.2 導光板基板材料特性..................................26 4.3 實驗程序作業與成品檢驗...................................27 4.3.1 製程參數與圖像建立..................................27 4.3.2 噴墨墨水材料填充....................................27 4.3.3 導光板基板表面製程前處理............................28 4.3.4 實驗成品檢驗........................................28 第五章 微透鏡陣列光分佈解析....................................29 5.1 微透鏡形成過程與原理.....................................29 5.2 微透鏡陣列製程條件設定...................................29 5.3 微透鏡密度分佈...........................................30 5.3.1 微透鏡密度覆蓋率分佈計算............................32 5.3.2 均輝度、均勻性量測..................................32 5.3.3 全部單一階與混階光分佈差異..........................34 5.4 微透鏡混階噴印分析.......................................34 5.4.1 各區域密度覆蓋率變化對均勻性影響實驗解析............38 5.4.2 輝度相對強度分佈比例與均輝度的關係實驗解析..........47 5.4.3 多點位輝度立體曲面圖變化實驗解析....................59 5.5 輝度均勻性最佳化噴印模式條件建立.........................63 5.6 微透鏡噴印製程最佳化模式條件驗證.........................64 第六章 總結與未來研究發展......................................69 參考文獻.......................................................71 圖目錄 圖1-1 背光模組結構與光路徑示意圖................................2 圖1-2 日本Miyakawa製作導光板微透鏡..............................3 圖2-1 液體從噴頭射出後滴狀形成圖................................4 圖2-2 液體射流為單個水滴圖像....................................5 圖2-3 噴墨技術分類圖............................................6 圖2-4 連續式雙向偏轉圖..........................................6 圖2-5 連續式多向偏轉圖..........................................7 圖2-6 熱氣泡式噴墨頭結構圖......................................7 圖2-7 基本壓電陶瓷板的變形模式..................................7 圖2-8 收縮管型壓電噴墨設計圖....................................8 圖2-9 彎曲模式壓電噴墨設計圖....................................8 圖2-10 推送模式壓電噴墨設計圖...................................8 圖2-11 剪切模式壓電噴墨設計圖...................................8 圖2-12 長方形與楔形導光板光反射路徑比較圖.......................9 圖2-13 (a)楔形與(b)弧形 導光板..................................9 圖2-14 導光板微透鏡陣列共軛焦SEM圖.............................11 圖3-1 折射機制示意圖...........................................12 圖3-2 反射示意圖...............................................13 圖3-3 全內反射機制示意圖.......................................13 圖3-4 菲涅爾方程式相關變數.....................................14 圖3-5 光通過散射介質...........................................15 圖3-6 光通過透明介質...........................................15 圖3-7 鏡面反射(Diffuse reflection)........... .................15 圖3-8 散射反射.................................................16 圖3-9 方向性反射 ..............................................16 圖3-10 光度函數曲線圖............................. ............17 圖4-1 噴墨列印設備示意圖.......................................18 圖4-2 噴墨頭示意圖.............................................19 圖4-3 Head交界噴嘴之間實際距離示意圖...........................20 圖4-4 CCD光學系統設備示意圖....................................21 圖4-5 光學顯微鏡(OM) ..........................................22 圖4-6 共軛焦顯微鏡(Confocal Microscope)........................23 圖4-7 輝度量測機(Luminance Colorimeter)........................24 圖4-8 LED光源制具..............................................25 圖4-9 微透鏡(microlens)墨水材料................................26 圖4-10 PMMA導光板..............................................26 圖4-11 實驗相關程序............................................27 圖4-12 檢驗可用視角示意圖......................................28 圖5-1 微透鏡SEM圖..............................................29 圖5-2 單階Level1微透鏡分佈裸片實攝圖...........................30 圖5-3 單階Level7微透鏡分佈裸片實攝圖...........................31 圖5-4 混階Level~Leve4微透鏡分佈裸片實攝圖......................31 圖5-5 微透鏡各區分佈比例圖、穿點(Dot mura)、Hot Spot現象.......31 圖5-6 微透鏡密度覆蓋率計算與各階覆蓋率示意圖...................32 圖5-7 微透鏡密度與距離關係圖...................................35 圖5-8 a.CCD實攝圖 b.輝度機測量圖 c.CCD輝度相對強度分佈比例圖...35 圖5-9 CCD光學解像軟體-密度自動補償運算功能設定.................36 圖5-10 IJP Tool補助軟體相關功能設定............................36 圖5-11 不同版本CCD光學軟體自動光學補償功能驗收測試.............37 圖5-12 CCD解像軟體運算覆蓋率原始資料、 輝度機量測數據和點數 位置分佈圖..............................................39 圖5-13 密度覆蓋率分佈變化曲線與均勻性實驗數據V.01..............40 圖5-14 密度覆蓋率分佈變化曲線與均勻性實驗數據V.02..............41 圖5-15 密度覆蓋率分佈變化曲線與均勻性實驗數據V.03..............42 圖5-16 密度覆蓋率分佈變化曲線與均勻性實驗數據V.04..............43 圖5-17 密度覆蓋率分佈變化曲線與均勻性實驗數據V.05..............44 圖5-18 密度覆蓋率分佈變化曲線與均勻性實驗數據V.06..............45 圖5-19 各版次密度分佈曲線與輝度均勻性差異圖....................46 圖5-20 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.1.............48 圖5-21 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.2.............49 圖5-22 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.3.............50 圖5-23 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.4.............51 圖5-24 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.5.............52 圖5-25 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.6.............53 圖5-26 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.7.............54 圖5-27 輝度相對強度比例分佈與均輝度變化實驗數據V.8.............55 圖5-28 各版次輝度均勻性差異圖..................................57 圖5-29 CCD 解像軟體分析各版次輝度強弱差異圖....................58 圖5-30 V.9多點位輝度立體曲面差異圖與實驗數據...................59 圖5-31 V.11多點位輝度立體曲面差異圖與實驗數據..................60 圖5-32 V.12多點位輝度立體曲面差異圖與實驗數據..................61 圖5-33 V.9~V.12多點位輝度均勻性比較圖..........................62 圖5-34 密度覆蓋率raw data設定分佈圖[驗證V.1]...................64 圖5-35 輝度相對強度比例設定圖[驗證V.1] ........................65 圖5-36 多點式160點輝度立體曲面圖[驗證V.1]. ....................65 圖5-37 各區密度覆蓋率分佈變化曲線圖與13點輝度分佈圖[驗證V.1]...66 圖5-38 密度覆蓋率raw data設定分佈圖[驗證V.2]...................67 圖5-39 輝度相對強度比例設定圖[驗證V.2].........................67 圖5-40 多點式160點輝度立體曲面圖[驗證V.2]......................68 圖5-41 各區密度覆蓋率分佈變化曲線圖與13點輝度分佈圖[驗證V.2]...68 表目錄 表3-1 國際單位制光度單位.......................................17 表4-1 噴墨列印設備規格表.......................................19 表4-2 噴墨頭相關規格...........................................20 表4-3 CCD光學系統設備規格 .....................................21 表4-4 光學顯微鏡(OM)相關規格 . ................................22 表4-5 共軛焦顯微鏡儀器規格.....................................23 表4-6 輝度量測機規格...........................................24 表4-7 LED 規格表...............................................25 表4-8 微透鏡(microlens)墨水材料規格........................26 表5-1 噴墨列印7階微透鏡滴入量關鍵參數表........................30 表5-2 均輝度與均勻性量測表.....................................3