Die für die Lichtsteuerung in LCD-Anwendungen entwickelten monolithischen Folien mit Mikrolinsen bestehen aus dem Polycarbonat Lexan des Herstellers Sabic. Dabei zeigte sich, dass die Packungsdichte und Geometrie der Mikrolinsen sich auf die Fähigkeit der Folie zum Umleiten des Lichts auswirken. Die Leuchtkraftzunahme für einfache Linsenstrukturen übertrifft diejenige mit Perlen gefüllten Folien. Die Optimierung der Linsenkontur und -dichte steigert die Leuchtkraft um zehn Prozent gegenüber Standard-LCD-Folien.

Vielschichtige Kombination aus Folien

Eine LCD-Anzeige umfasst zwei Hauptkomponenten, mit denen ein Videobild für den Betrachter sichtbar gemacht wird: Ein Backlight-Modul (BLM) und das Panel. Das BLM ist die Lichtquelle, die das System mit dem erforderlichen Licht versorgt, während das Panel das bildgebende Element ist, das die Videosignale in Bilder umwandelt. Licht aus dem BLM beleuchtet das Panel, damit die Bilder für den Betrachter sichtbar werden. Die Bildqualität hängt daher von der Qualität des vom BLM erzeugten Lichts ab. Übliche Leistungsmerkmale zum Beschreiben der Bildqualität, die auf das BLM zurückgeführt werden kann, sind: Leuchtkraft, Betrachtungswinkel, Bildgleichförmigkeit und kosmetische Merkmale (wie Punktdefekte).

Ein BLM nutzt eine Schicht von optischen Folien, die das von der Quelle stammende Licht (Kaltkathodenlampe (CCFL) oder LED) bündeln, umlenken, aufbereiten und auf das Panel leiten. Die Merkmale der einzelnen Folien bestimmen die Fähigkeit des Moduls, die Anforderungen an die Leuchtkraft und die Gleichförmigkeit des Moduls zu erfüllen. Die Schichten setzen sich – abhängig von Anzahl, Art und Ausrichtung der Folien in der Schicht – anders zusammen. Je nach lichttechnischer Konfiguration handelt es sich um eine edge-lit (kantenbeleuchtet) oder direct-lit (direkt beleuchtet) Schicht. Weiterhin bestimmen Hersteller, Leistung und Anforderungen an den Energieverbrauch die Zusammensetzung der Schichten.

Der Weg des Lichts bestimmt Qualität

Die erste Schicht im herkömmlichen Stapel, oder der „untere Diffuser“, nimmt beim Bündeln und Umlenken des Lichts zur nächsten Folienschicht eine wichtige Funktion ein. Diese Funktionalität wird oft auch „Kollimation“ genannt, da die Folie aus allen Richtungen einstrahlendes Licht in eine bevorzugte Richtung umlenkt. Zusätzlich streut und vermischt die unterste Folienschicht Licht von verschiedenen Leuchtquellen und liefert eine gleichmäßige Verteilung der Lichtintensität (oder Leuchtkraft). Oft wird das als „Deckkraft“ des Diffusers bezeichnet oder als Fähigkeit einer Diffuserfolie, die räumlichen Unterschiede in den Lichtintensitäten von verschiedenen Lampen zu kaschieren.

Diese zwei sich oft widersprechenden Anforderungen an eine unterste Diffuserschicht sind bei der optischen Auslegung solcher Folien eine große Herausforderung. Die weiteren Folien im Stapel (Prismenfolien und oberste Diffuserfolien) lenken und bereiten das Licht weiter für die Beleuchtung des Panels auf.

Im Folgenden werden Diffuserfolien mit ausgezeichneten Lichtumlenkeigenschaften bei hohem Deckvermögen (Streuung) beschrieben. Der hierbei verfolgte Ansatz ist das direkte Erstellen von Lichtumlenkelementen und Mikrolinsen in der Folie während des Kalanderverfahrens zur Herstellung der Folie. Bei anderen in der Industrie verfolgten Ansätzen werden zum Erlangen des Kollimationseffekts perlengefüllte Beschichtungen angewendet. Seit kurzer Zeit sind Beschichtungen mit Mikrolinsen-Geometrien erhältlich. Solche Folien erfüllen die Leistungsanforderungen von LCD-Anwendungen. Sie erfordern jedoch zusätzliche Nachbearbeitungsschritte an der optischen Folie (normalerweise biaxial verstreckte PET-Folien), um die erwünschten Funktionalitäten zu erzielen.

Es ist bemerkenswert, dass traditionelle untere Diffuserschichten nur die Diffusion bereitstellen und für das BLM zusätzliche lichtumlenkende Folien (wie Prismenfolien) zum Lenken des Lichts erforderlich sind. Die Verwendung von hier besprochenen Lichtkollimations- und Diffuserfolien bieten eine zusätzliche Leuchtkraftzunahme für das Modul. Die Lichtkollimationseigenschaften von solchen Folien ermöglichten zudem die kostengünstige Herstellung von Stapeln, die nur aus zwei solchen Folien bestehen wodurch die Kosten für das BLM sinken. Solche Stapel sind hinsichtlich ihres Preis-/Leistungsverhältnisses attraktiv. Ihre Leistungen liegen in der Regel in einem Bereich von 80 bis 90 Prozent eines Standardstapels.

Optischer Aufbau funktioneller Oberflächen

Lichtstrahlen, die eine optische Folie durchqueren und diese verlassen, unterliegen der Lichtbrechung. Die Wölbung der Oberflächenelemente bestimmt die Richtung des ausfallenden Lichtstrahls. Die Art, wie Lichtstrahlen eine Oberfläche verlassen, kann daher durch die Formbestimmung der Oberflächenwölbungen gesteuert werden. Ein optimaler unterer Diffuser besteht aus Licht ablenkenden Elemente, wie Mikrolinsen, die sich über die gesamte Austrittseite der Folie erstrecken. Halbkugelförmige, eng aneinander liegende Linsen erfüllen die Anforderungen an die Wölbungsverteilung für eine optimale Lichtablenkung. Hexagonal zusammengestellte, dicht aneinander liegende Mikrolinsen ergeben eine optimale Anordnung.

Ein ideales hexagonales Mikrolinsenmuster zeichnet sich durch keinerlei Lücken zwischen den Linsen aus. Die Linsen sind perfekte Halbkugeln und laufen makellos ineinander über. Im Gegensatz dazu hat eine bestehende Folie begrenzte Lücken zwischen den Linsen, weist Verzerrungen in der Geometrie der Halbkugel und möglicherweise etwas raue Übergänge auf. Um die Auswirkungen von Abweichungen vom idealen Muster zu verstehen, wurden anhand des Ray-Tracing-Verfahrens numerische Experimente durchgeführt, um die Effekte der Lücken und Linsenkonturen zu untersuchen. Basierend auf Untersuchungen an bestehenden Folien wurden Beschreibungskennzeichen für die Linsengeometrie ausgewählt. Raue Übergänge zwischen den Zellen wurden in der Simulation nicht berücksichtigt, da es bei Bedarf eine geringere Herausforderung ist, sanfte Übergänge zu erzielen.

Mikrolinsenfolie

Lexan Mikrolinsenfolien (75 bis 450 µm) werden in einem Kalanderverfahren hergestellt, in dem geschmolzenes Polycarbonat durch den Pressspalt von zwei Kühlwalzen hindurch gepresst wird. Auf einer der Kühlwalzen, dem formgebenden Werkzeug, wird das gewünschte Muster – in diesem Fall ein Linsendesign für 10 bis 100 µm große Linsen – erstellt. Während der Kalandrierung wird das Muster auf die Folie unter der Linienkraft zwischen den zwei Walzen auf die Folie übertragen. Die Wiedergabe auf der Folie erfolgt in einem Wirkungsgrad, der von der Linienauslegung und Linienkraft, den Wärmeeinstellungen im Kalanderstapel und den Fließeigenschaften des Polymers abhängig ist.

Unterschiedliche Kalanderlinien weisen verschiedene Wiedergabe-Eigenschaften auf. Diese müssen vollständig beschrieben werden, und es müssen geeignete Prozessfenster identifiziert werden, um die Reproduktion zu ermöglichen und die geplanten Oberflächen-eigenschaften zu steuern. Die für den Basic Lens-Diffuser in einem Zweifolienstapel gemessene Leuchtkraft übertraf diejenigen von üblicherweise verwendeten perlengefüllten Beschichtungen auf einer PET-Folie (79 Prozent gegenüber 76 Prozent). Der Unterschied kann auf die Ausbildung der Mikrolinsen auf der Oberfläche von perlengefüllter Beschichtung zurückgeführt werden. Da die optische Funktionalität solcher Diffusoren auf Perlen beruht, die sich zur Bildung von Mikrolinsen von der Oberfläche abheben, ist es vorhersehbar, dass einige der Perlen nicht genügend hervorstehen und daher als Linsen weniger effizient arbeiten. Im Gegensatz dazu sind alle Mikrolinsen auf einem Basic Lens-Diffusor vollständig ausgebildet und geformt.

Die Leistung der Basic Lens ist dennoch geringer als diejenige der beschichteten PET-Diffusoren (79 Prozent gegenüber 87 Prozent). Im letzteren Fall werden die Mikrolinsen in der Beschichtung in einem Mikro-Replikationsverfahren gebildet, mit dem ausgebildete und kontrollierte Mikrolinsen hergestellt werden können. Trotz der Kosten- und Verarbeitungsnachteile bieten diese beschichteten Diffusoren die erwünschte Leistung. Das Leuchtkraftniveau der Basic Lens-Diffusoren lässt sich durch die Formverzerrung und die Lücken zwischen den Linsen erklären. Die Ergebnisse der Simulation zeigten an, dass eine zunehmende Abweichung von der Form einer Halbkugel und größere Lücken zwischen den Mikrolinsen die Leuchtkraft negativ beeinträchtigen. Diese Eigenschaften bieten jedoch einen höheren Grad an Diffusion und sind vorteilhaft in Anwendungen, die eine höhere Deckkraft erfordern.

High-Gain Diffusoren eignen sich für Anwendungen mit maximalen Anforderungen an die Leuchtkraft. Die Kontrolle der Zellenkontur und die Packungsdichte wurden numerisch überprüft und flossen in das Folienherstellungsverfahren ein. Die Leuchtkraft konnte von 79 Prozent (für Basic-Lens) auf 83 Prozent und 86 Prozent für Folien gesteigert werden. Der High-Gain Diffuser weist eine gleichwertige Leistung wie PET auf und schneidet 10 Prozent besser ab als perlengefüllte PET Diffusoren.

 

Neue Technologien

Mikrolinsen-Folie für LCDs

Folien mit Mikrolinsen-Oberflächenstrukturen verbessern die Leuchtkraft von LCDs. Die Mikrolinsen werden direkt im Kalanderverfahren auf die Folie gebracht. Die Intensität der Leuchtkraft hängt von der Geometrie der Linsen und ihrer Anordnung auf der Folie ab (s. Abbildungen links). High-Gain“ -Diffuserfolien erzielen bessere Werte als die „Basic-Lens“-Diffuserfolien.

 

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Adel Bastawros, Jian Zhou und Michael J. Davis Zhe Chen und Wibowo Harsono