PMMA导光板的应用

PMMA导光板在家用音响产品显示系统中的应用吴祎(南京夏普电子有限公司，江苏南京210038)摘要：通过对LCD显示器中PMMA导光板照明技术原理进行分析和比较，研究了家电产品中PMMA导光板的形状设计、材料选取及反光点阵设计对导光板导光效率和均匀度的影响。关键词：PMMA；导光板；背光照明1引言家电产品上通常需要一些显示单元来表示各种工作状态和信息，随着产品功能的复杂和增强，早先的LED、LED数码管等显示单元已不能满足要求，因此新一代的家电产品上基本都采用了LCD（液晶显示）、VFD（真空荧光管显示）等新型显示器件，信息容量大且清晰直观，其中LCD液晶显示器件由于不仅可以7段码形式及点阵形式显示信息，还可以做到显示彩色图像，因而在大容量信息显示方面的应用最为广泛。由于显示信息量的增加，各种形式的LCD显示屏的尺寸越来越大，对背光照明的要求也越来越高，而对于数码像机、数码摄像机等IT产品的彩色图像显示要求而言，背光的亮度和均匀度已经成为整机最重要的指标之一。因此，LCD显示器的背光照明设计已经成为家电产品结构设计的一项重要内容，其设计成功与否直接关系到产品的造型效果。早期的LCD背光照明采用的方法比较简单，如以普通LED阵列板作为光源直射照明（见图1），或是由普通LED阵列光源经简单反射照明（见图2），都存在光照不均匀、体积较大等缺陷，仅适用于要求不高且显示面积较小的低端产品，在高档的有较大面积LCD的产品上是不能满足要求的。因此，以音响产品为代表的新一代家电产品借鉴了笔记本电脑上使用的LCD导光板照明技术作为大面积LCD显示器的背光照明，从而满足了新的照明要求。2LCD导光板照明LCD导光板照明技术最早是由日本明拓公司于1986年发明的，称为EDGELIGHT，是目前笔记本电脑液晶显示屏背光照明的主流方法。它的工作原理是利用PMMA透明导光板将由冷阴极荧光管（线光源）发出的纯色白光，从透明板端面导入并扩散到整个板面，当光照射到导光板背面印刷的白色反光点时发生漫反射，从与光源入射面垂直的板面（工作面）射出。导光板照明通过巧妙运用光在透明板界面上全反射的原理，将端面射入的光偏转90°，从正面射出，从而起到照明的作用（见图3）。这种照明方式表面亮度高且照明系统体积小巧，对光的利用效率较高因而电力消耗较低，在笔记本电脑及数码像机等需要使用大面积LCD的产品方面获得了广泛的应用。LCD导光板照明技术的关键是光在PMMA中的全反射效应。我们知道，光在通过两种透明介质时会发生反射和折射，当光从折射率大于空气的透明介质中射向空气时，由于折射率的不同，入射角θ大于一定角度时光将在界面上发生全反射，不再有光射出介质，也就是说光在介质内部的传输损耗仅取决于介质对光的吸收，而在界面上反射时没有损耗（光在金属面上反射通常会损失10%～15%）。PMMA导光板正是利用了这一特性（见图4）。PMMA(Polymethylmethacrylate)学名聚甲基丙烯酸甲脂，俗称亚克力(acrylates)，是一种具有较高机械性能的透明树脂。PMMA的透明度很好，对可见光的透过率可达93％，比重为1.19（25℃），热变形温度为100℃，最高连续使用温度可达85℃。PMMA对可见光的折射率n=1.49（25℃），根据θ2＝Sin-1(1/n)可得其全反射角约为42.2°。因为只有当某种材料的折射率大到一定程度、光在其中的全反射角小于45°时，特定方向的光线才可在其相互平行和垂直的端面中反复反射从而减少散失，这也就是为什么不能采用透光率同样良好的聚苯乙烯（PS）来作导光板的原因。当然，光学玻璃（折射率为1.52）也可满足全反射的要求，但玻璃的加工性能及成本显然无法与PMMA通过注塑成型直接形成镜面相比。为了将PMMA导光板内的全反射光从导光板的工作面上导出，需要在导光板的背面（工作面的对面）形成一层反光层对光进行散射，从而使工作面获得一定亮度的均匀光输出。导光板的背面通过丝网印刷形成反光网点而非整个背面全部印满（见图3），以保证离光源较远处不会因光线过度衰减而亮度不足。印刷所用的油墨由二氧化钛（TiO2）和硫酸钡（BaSO4）混合丙烯基粘合剂组成，其中的结晶对可见光的折射率高达2.62，它将从PMMA导光板中射到反光网点上的光线反射折射回导光板并从工作面输出，因而具有很强的反光作用（见图5）。3家电产品上的导光设计家电产品中的PMMA导光板照明系统与笔记本电脑等的液晶背光照明有相似之处，但也有自身的一些特点。首先，笔记本电脑液晶显示屏的光源是冷阴极荧光管（线光源），导光板的形状较规则，而家电产品出于成本考虑，多采用LED（点光源）作为光源，并且为提高亮度或营造效果常常在多点布置光源，为保证背光的均匀度，导光板的形状比前者要复杂一些；其次由于点光源的亮度要小于线光源，对于导光板系统的效率要求就更高；再者，冷阴极荧光管所发出的光为纯色白光，最终获得的也是白光，而家电产品出于造型效果考虑往往采用各种不同色光照明或照明光可动态变色，因此还要在照明系统中加上各种滤光膜或设置多种颜色的光源，经反复调试才能达到预期的目的。也就是说，家电产品的LCD背光照明兼有显示信息和渲染气氛的双重功能。因此，家电产品的导光板照明系统设计主要考虑的是两个问题：如何提高导光的效率（即如何提高工作面的亮度）；如何改善工作面的发光均匀度。关于如何提高导光的效率，首先是设计高效率的导光板形状。对于在导光板单边设置光源的情况，在光源的对面设计互相垂直的面可有效减少光的漏出，最大限度地利用全反射（见图6）。对导光板的厚度有一定的要求，太薄将使点光源发出的光不能充分进行反射，太厚又会使注塑成型困难，通常以点光源在射入面上光斑直径的1.2~1.5倍为宜（见图7）。此外，还有一种在小尺寸LCD照明（如手机显示屏）上常用的方法，即将导光板做成斜面，利用模具将工作面的背面制作出反射点（见图8），这种方法虽然发光效率高且成本较低，但由于均匀度较差因而在音响产品中不常用。PMMA材料的选取对导光板的效率具有很大的影响。由于不同制造厂家的产品在性能上有一些差异，因而不是所有的PMMA都可以用作导光板的原料。部分原料有偏色、透明度低将直接影响照明光的效果，材料熔流指数较低将给注塑带来不利影响，容易产生熔接痕等光斑的缺陷，而杂质黑点较多的原材料显然也会影响导光板的品质。目前国内采购较为便利的PMMA材料主要有上海制笔化工厂、台湾奇美、韩国LG、日本三菱等公司的产品，其中韩国LG的IF850、IF870等较适合作为导光板的原料。从图3中可知，由于入射角度的关系，在导光板的非工作面上不可避免地有一些光的泄漏，从而影响了工作面的光强。为了提高光的利用率，需要在工作面的对面和光源入射面的对面设置反光膜（见图9）。反光膜同样是利用全反射原理工作，它是一层内含微泡的PC或PET薄膜，当光线从表面入射时，不断通过PET与气泡的界面折射反射，再从表面射出，可以提高导光板工作面的亮度。不过，在某些成本要求不严格的场合，也可用采用白纸来代替反光膜。对于衡量导光板照明效果的另一项重要指标——表面均匀度，音响产品的标准稍低于笔记本的液晶显示器，通常的标准是表面看不到光源、反光点及其它杂质点，发光面任意两点间的亮度差不超过20%～30%。为达到这一目标，在反射点阵的设计上需考虑点光源与线光源的差异，以保证在入射光强不同的各个区域，反射光的亮度基本一致（见图10），由于点光源LED的光线射出角度较窄，必须使LCD处于导光板上的有效照明区域内才能保证光强不致太强或太弱，反射点阵也应在有效区域内以减少损耗。另外，在导光板工作面和LCD之间设置漫射膜可以起到很好的均匀化作用。音响产品显示屏与电脑液晶显示器的一个重要区别在于：电脑液晶显示器由于可视角的限制，要求将光聚集在特定的角度范围内，因而需要在导光板上加一层具有集光作用的带微棱镜的聚光膜；而在音响产品上，LCD显示的作用除了信息显示外还有渲染气氛的作用，要求光尽可能扩散，因而可采用雾面PET无方向性扩散膜，当选用带颜色的漫射膜时，就可以根据需要来调整LCD背光的颜色了。4结束语家电产品设计的困难在于追求严格成本条件下的最优化效果，因此在借鉴其它产品的成功设计时往往要做出相应的改进，才有可能获得实际应用的成功。参考文献1中外树脂牌号大全.全国塑料研究所技术情报协作网编.浙江科学技术出版社出版，1991,102XL-3500组合音响设计文件.南京夏普电子有限公司,2002,1电子机械工程