TW200903101A - Polarized light-emitting device - Google Patents

Description

200903101 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種偏極化發光元件，特別是一種可應用於液 晶顯示器背光模組之偏極化發光元件。 【先前技術】 背光模組(back light unit)為液晶顯示器(li_ crystal此卿， LCD)的關鍵零組件之—’由於液晶面板本身不具發光 的月b力而要一背光模組以提供足夠的亮度與分佈均句的光源。 目前液晶顯示H已廣泛細於監視器、筆記型·、數位相機及 技衫機等具成長潛力之電子產品’因而帶崎光模組及其相關零 組件的需求持續成長。 月 > 考第1圖’弟1圖為習知液晶顯示器構件示意圖。習知 液晶顯示器構件包含—液晶面板2、—下偏光片4、—上偏光片6 以及-月紐組8 ’其中液晶面板2係包含TFT基板、配向膜、 液晶層、彩色駐片等元件’為液晶顯示器的主要構成元件；液 晶顯示器之操作原理係利用液晶材料之光電特性，藉由外加一電 場改變液日日日_方向_示㈣暗不同，並搭配上、下偏光片及 ，色濾光片以顯示畫面。目前液晶顯示器的背光模組多以冷陰極 吕（c 或發光—極體(light-emittmgdiode，以下簡稱LED)為主 要的方光光源’其中又以£ED具備低驅動電壓、壽命長、發光效 率高、無水銀及高色彩再雜等_，因而具有取代冷陰極管的 200903101 潛力。然而LED所產生的光線，在入射至液晶面板前會因為傳播 介質折射率的不同’而會受到臨界角的限制，也就是說，當光線 的入射角度大於臨界角時’該光線將會在光學則表面全反射而 無法折射穿透光學則*提供液晶面板足夠的光源；此外，光線 經過層層的絲膜片及液晶面板’光線會被吸收因而減少光線利 用率；同時’來自背光模組的光源必須經由下、上偏光片來達成 偏極化的絲’在此難巾有半數赴的光線鶴光片所吸收。 由於大部份的光線已於上述過程中損耗，所以提昇錢利用率以 長1供足夠的党度已成為背光模組設計上一重要課題。 【發明内容】 因此，本發明之一目的在於提供一種偏極化發光元件，可直 接提供尚輝度之偏振光，簡化習知液晶顯示器的結構。 為達上述目的，本發明提供一種偏極化發光元件，其包含一 光源、一第一光學薄膜以及一第二光學薄膜設於該光源之出射 面該第光學薄膜之厚度為山，且該第一光學薄膜包含複數個 寬度為ai之第一幾何單元，其中該等第一幾何單元係沿一第一方 向重覆排列，且;另外，該第二光學薄膜之厚度為 屯，且該第二光學薄膜包含複數個寬度為a2之第二幾何單元，其 中該等第二幾何單元亦沿該第一方向重覆排列，且0.2gd2/a2S2。 本發明之偏極化發光元件不僅能直接提供具有特定偏振特性 200903101 之偏振光，當使財發明之偏極化贱元件於背光馳時，其光 線的出射率及光源_率均較習知背光模組為佳，為良好的背光 模組元件。 【實施方式】 為使貴審查委員與熟習該項技藝者能更進—步了解本發 明’下文制舉數個触實關，並配合所關示、元件符號 仔細说明本發日觸構朗容及所欲達成之功效。 圖。係本發邮—實關之—偏極化發光元件ig的示意 發光π件10包含一光源12、複數層第 ::=學薄膜™堆疊於光 -幾何Γ-厚度為di，.其具有複數個第—幾何單元19，' 及高度^為9a依及序Γ列形成具据齒狀截面的結構，其個別物 有複數個第二幾何」-，另外’第二光學薄臈16的厚度為4，其」 整體而言，第—幾一 著X方向(第-方向）、γ°=9與第二幾何單元17單元分別沿 列，形成如第2圖中具心” Ζ方向(第二方向)重覆或交疊排 光源12與該些光心齒狀截面的二次元週期性結構。此外: 亦可形成水顿面、柯限於財卿的麵狀截面， X疋八他形式的截面，該些週期性結構 200903101 的尺寸在奈米(nanometer)等級時，會具有偏極化的效果。 此外’本發明之第-幾何單元19與第二幾何單元1?不眼於 第2圖所输示相同大小、緊密接鄰排列的鑛齒狀截面的結構’其 實施方式可如第3a圖所示’麵賊面結觀現有疏密排列的區 間，或如第3b圖所示’形成不同大小的職狀_結構。 於本實施例中，光源12可以是一 LED元件，其包含有一 η 塑半導體層121、-主動層(aetivelayer)122、— ρ型半導體廣123 以及-出光層(window iayer)124依序堆疊而成，以提供不同波長 之光線，而具有二次元週期性結構的第—絲薄膜18及第二光學 薄膜16的折射率分別為叫及叱，其中第一光學薄膜可以採 用夕(Si) ^|(Ge)、坤化鎵(GaAs)及其組合或其他折射率大於2的 ;1電材料，而第二光學薄膜I 16則是包含氧切(si〇2)、氧化鎮 魄0)、氧化紹㈤办）、氮化石夕⑶洲)及其組合或其他折射率不等 於第y光學薄膜18的介電材料，同時第—光學薄膜18與第二光 子f膜1/的折射率差值愈大愈好。此外，在選擇第一光學薄膜18 與第-光學薄膜材料時，須考量於應細率波段材料本身的光 吸收係數幸又佳者為選擇於應用頻率波段光吸收係數愈小為佳。 再者’第一實施例中由第一光學薄膜18與第二光學薄膜16 所、同構成的週期性結構除了圖示中的麻狀截面外，其 g ί长面 4 ^ '、^ 、矩形、六角形、波浪狀等其他不同形式的立體結構亦 200903101 .^於本發明。具體來說m ϋ所繪示由第—光學細18與 第二光學薄臈16的鋸齒狀截面為例，由於第-幾何單元I9與第 -幾何單元π為相同尺寸，因此第—幾何單元的寬度ai恰等於第 二幾何單元的寬度a2H何單福寬度hi恰等於第二幾何單 凡的寬度h，且在偏極化發光元件1〇的製作過程中，、处的大 小將設定為光源12所產生之光線的波長λ乘上該些光學薄膜堆疊 後所求得的歸一化頻率(n〇rmalizedfrequency)f的積，即第一實施 例的aea^Af，至於f值的計算將另行在後面的圖示中說明。另 外，在製作偏極化發光元件10時，第一光學薄膜18的厚度山、 第二光學薄膜16的厚度也、第一幾何元件19的高度卜以及第二 幾何元件17的高度h2，將設定為第一幾何單元19寬度ai或第二 幾何單元17寬度的倍數’例如dfiai，d2=ja2, hfka〗，h2=la2，其 中i、j、k、l為常數，其數值將視實施時的製程或是產品需求而變 動。 第4圖為第一實施例中當光源12產生的光線入射到交互堆疊 的第一光學薄膜18與第二光學薄膜16時，光線波向量與入射光 歸一化頻率的關係圖，其中，光源12的光線包含電場方向與光線 應用方向(Z方向)垂直之te偏振光(transverse electric mode)以及磁 %方向與光線應用方向垂直之TM偏振光(transverse magnetic mode)。第4圖係利用平面波展開法(piane_wave expansion method) ’將第一光學薄膜與第二光學薄膜之介電常數、電場與磁 場的傅立葉展開級數代入Maxwell，s equation，並計算其沿First 200903101

Brillonmzone邊緣的波向量k值所對應之歸一化頻率[關係圖， 弟4圖係以TE偏振光為例。由圖中頻率的曲線分佈可以看出入射 光入射交互堆疊的第一光學薄膜18與第二光學薄膜16的偏振光 具有一光子能隙（photonicband gap)，該光子能隙為一頻率區間， 當此頻率區間的入射光由外部入射至該些光學薄膜時，由於在該 些光學薄膜中，電場方向與光線應用方向(z方向)垂直之TE偏振 光>又有與其對應的傳播模態(pr〇pagatingm〇de)，因此該TE偏振光 會被完全地反射回去;而磁場方向與光線應用方向垂直之偏振 光於此頻率區間有相對應之傳播模態，因此該頂偏振光會完全 穿透’此-光子能隙所對朗的頻率區間即為該些光學薄膜應用 於偏極化70件的解區間。在此要另外制的是，該些光學薄膜 的波向量與人射光歸—化頻率的_圖會因 第:綱卿陳綱駭賴'爾及;: 之見度、㊅度而異’且光子能隙的搬數量不限於第4圖所示的 二個頻段’當選用不騎射率的材料製作該些光學薄膜時，光子 此隙的數量及鮮師大小將依㈣種_變動，且光子能隙之 間Ϊ大小將會影響該些光學薄臈在_化發光元件應用上 、’’譬如當光子能隙具魏大之頻輕間辆光學薄膜厚 度、折射率及幾何單元高度崎擇上具有較大轉性。、 示音^:為應_些光學薄輯選特定偏振特性的偏振光的 ㈣出射面，來膜18與第二_臈16係位於光源 柄12(圖未示)的光線包含電場方向與光線應 10 200903101 用方向(Z方向)垂直之TE偏振光以及磁場方向與光線應用方向垂 直之ΤΜ偏振光。本發明所述之該些光學薄膜搭配主動產生光線 的光源I2後’即可錢提供具有特定偏振特性的偏振光，供其他 光學元件使用。第6圖和第7關是以量化的方式表示第5圖第 -光學薄膜18及第二光學薄膜16篩選犯偏振光與顶偏振光的 結果’其中，X軸為第-光學薄膜18及第二光學薄膜㈣疊的層 數’每層結構包含-组本發明ϋ㈣膜18與第二光學薄膜 16，y軸則分別是ΤΕ偏振光及ΤΜ偏振光穿透的比率。 複參第4圖，在第-實施例中，當選用折射率n产3 5的第一 光學薄膜18以及折射率ήρα的第二光學薄膜16交互堆疊於光 源12的出射面，可得到一光子能隙，其頻率區間約介於〇415到 0.435之間。再由第6、7圖可知’當層數大於4之後ΤΕ偏振光的 穿透率隨著該些光學薄膜層數的增加而逐漸下降，最後，ΤΕ偏振 光的正向穿透率趨近於0.006左右；而層數大於8之後ΤΜ偏振光 透過該些光學薄膜後，其正向穿透率趨近於〇 82左右，經計算後 得知，於光學薄膜層數大於8層以上時ΤΜ偏振光的穿透率約為 ΤΕ偏振光的60〜170倍，於本實施例中最佳值為15層。因此，藉 由ΤΜ偏振光與ΤΕ偏振光經過多層交互堆疊的第一光學薄膜 及第一光學薄膜16懸殊的穿透率差異，再次說明了本發明之偏振 光元件具有篩選特定偏振光的特性。 除了第一實施例所揭露在光源12的表面直接堆疊多層第一光 200903101 學薄膜18及第二光學薄㈣的實施方式外，考量光源】2可能對 水汽或氧氣财高敏就’可在辆縣—解薄獻第二光學 薄膜間再行加設__，峨财汽魏㈣人統，延長本 發明之偏極化發光元件的壽命。請參考第s圖，其為依據本發明 之第二實施卿_之-偏極化發光元件％㈣_，與前述第 -實施例相同之元件將沿用相同的元件符號，本實施解第一實 施例的差異在於··光源12與第—光學薄膜18間另設置一封裝处 構29以及設於偏極化發光元件％相對於光源12出射面之另^ 射層28。設於光源i2與該些光學薄膜間之封褒結構29可選用樹 脂、氧化石夕或其他可隔絕水汽及氧氣的材料，包圍在光源 側’以保護光源12，且封裝結㈣材料之折射率與該第-光學薄 臈18之折射率間的差值小於〗；此外封裝結構Μ與第—光學薄膜 18的交界面不限於圖中所示的軸狀截面 、 膜作出水平截面或是其他形式的截面。另外，在選擇縣 材Γ員同時考量材料本身的折射率，較佳的選料封裝 冓㈣之折神_杨材制讀 至於設於偏極化發光元件26底部_層 二^。 雖丨)' 維撕蝴糊絲⑽賴m在 於使自第一光學簿 貝卿其目的在 射後能重新打亂為TM^ 射的庇偏振光在反 第《二=:== 源利用率。 以曰加先源12的光 12 200903101 第9圖係TE偏振光經過折射率11产4_〇1的第-光學薄膜18 n2==1.5的第二光學薄膜16時，該些光學薄膜的厚度、該 "7戍何單％的尺寸與光子能隙的關細，其中X軸為φ/a’Y軸 為=/a、Z軸為—且圖中每一圓點代表τΕ偏振光具有對應的光 …/、中山、也分別為第一光學薄膜丨8與第二光學薄膜π 、旱X h為第—幾何單元19的高度h與第二幾何單元I?的高 度h2之和(即h==hi+h2)，而第—光學薄膜π所包含之第一幾何單 凡16與第—光學細16所包含之第二幾何單元17具有相同的寬 度a ’即aI：=a2=a。由第9圖可知，在特定的結構條件下，偏振 光曰有對應的光子能隙’目此無法穿透該些光學薄膜，而此結構 條件下TM偏振光不具對應的光子能隙，因此可輕易穿透該些光 學薄膜’進而達成分離TM#TE偏振光的目的。另外，第1〇圖 為第9圖之—實施例’其綠示當㈣25a時，dl/a與d2/a之關係圖。 其中’ h為第-幾何單元19的高度hi與第二幾何單元17的高度 比之和(即h=h汁h2)。 根據第9圖、第1〇圖的結果，在製作偏極化發光元件1〇時， 如要達成上述分離偏振光的目的，第—光學薄膜18的厚度山與第 一幾何單兀17寬度a!間較佳的比例約在〇2_2之間，即〇2^山知 S2，第二光學薄膜16的厚度d2與第二幾何單元17的寬度七間 較佳的比例亦是在〇.2·2之間，即〇.2娜衫2 ; h與a間較佳的 比例亦在0.2〜2間，即0,2芸h/a$2。 13 200903101 由於本發明所述之偏振光元件具有可直接提供TM偏振光的 功此’經献的封錢連結其他光學元件或電路㈣後，在應用 上可作為液晶顯示器或其他顯示元件的背光模組。以紅藍綠三色 的背光模組為例’娜計算後的結果，以可發出的波長λ=4術瓜 的藍光LED來說’第—光學薄膜、第二光學薄膜、第—幾何單元、 第二幾何單元的結構參數設定在ai=a2=2G()nm，di=9〇nm、 d2-76nm、與hfh^MOnm ’可製作出藍色光源的偏極化發光元 件，若將第-絲薄膜、第二光學薄膜、第—幾何單元、第二幾 何單元的規格設定在a1=a2=225nm、di=1〇lnm、d2=86nm、與 hi-h2=158nm，則可用於波長λ=53〇ηιη的綠光LED，製作出綠色 光源的偏極化發光元件；倘若第一光學薄膜、第二光學薄獏、第 歲何單元、苐一幾何單元的規格設定在ai=a2=268nm, di=121nm， d2=102nm，與h产h2=188nm ’則可用於波長A=630nm的紅光 LED，製作出紅色光源的偏極化發光元件。該些紅色光源、綠色 光源以及藍色光源的偏極化發光元件的組合可應用於背光模組， 請參考第11圖，其繪示以本發明之偏極化發光元件組合為背光模 組之一液晶顯示器的結構示意圖。液晶顯示器3〇包含一背光模組 32、一液晶面板34以及一上偏光片36，其中液晶面板34係位於 該背光模組32的出光面，上偏光片36則是設在液晶面板34相對 於背光模組32的另一側。液晶面板34及上偏光片36的細部結構 已為公眾所知悉，在此不再贅述。液晶顯示器32的背光模組32 係包含複數個紅色(R)偏極化發光元件38、複數個綠色(G)偏極化 發光元件40及複數個藍色(B)偏極化發光元件42等不同顏色偏極 200903101 化發光元件，且每四個偏極化發光元件(G、R、G、B)構成一個單 位，彼此相鄰排列成馬赛克(mosaic)式的背光光源陣列，用以提供 特定波長的偏振光。由於該些偏極化發光元件各自具備該些光學 薄膜，除了可直接提供TM偏振光的優點外，該些光學薄膜因具 有鋸齒狀的截面，可使入射至該些光學薄膜的光線不受臨界角的 限制，提高光線自該些光學薄膜出射的比例提昇光源利用率。相 較於習知液晶液晶顯示器，本發明之液晶顯示器3〇使用本發明之 該些偏極化元件作為背光模組32的偏振光來源時，因該些偏極化 元件可直接&供液晶面板34所需的偏振光，故本發明之液晶顯示 器30可省略習知液晶顯示器所必備之下偏光片及增亮膜，即能提 供高輝度、高色彩再現性的影像顯示效果。此外，本發明所揭露 之實施例係以紅藍綠三色之背光光源陣列為例，其他組合之 为光光源陣列亦適用於本發明，例如：紅色、藍色、綠色及白 色（white，〜)四色組合之背光光源陣列（RGBWpaU⑽），且 背光光源陣列的排列方式亦不侷限於前述實施列所示以每四 個偏極化發光元件(G、R、G、B)或(R、G、B、w)構成一個單位， 使用者將可視產品需要而更動其排列組合，例如，在另一實 施例中亦可由二個或其它數量之偏極化發光元件構成一個單位， 且亦不限於以馬賽克式之方式排列。 综上所述，本發明所提供之偏極化發光元件，可配合不同波 長的域’設計出不同的該些絲_，以直接提供狀偏振特 性及高輝度的偏振光，供其他的需要偏振光的產品，如投影機、 15 200903101 液晶顯示器等電子產品伽，偏振光的種類不限於該些實施例所 示的™偏振光’改變第—光學薄膜、第二光學薄膜、第一幾何 單7G、第二幾何單元材料或結構參數將可決定通過的偏振光種 類’例如，電場方向與光線應財向垂直之TE偏振光，以符合各 種光電產品所f。另外’產生光線的絲並不限於上述實施例中 的LED元件其他可主動發光的裝置或機構，如有機發光二極體 (OLED)、雷射二極體（LD)亦可適用於本發明。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發日种請專利範 圍所做之均等變化與修飾，魏屬本發日月之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知液晶顯示器構件示意圖。 第2圖係依據本發明之—第—較佳實施例麟示之-偏極化發光 元件的示意圖。 第3圖係本發明之第—幾何單元與第二幾何單元其他形式的實施 態樣。 第4圖為第-實酬巾級波向量與人射光歸—化鮮關係圖。 第5圖即為翻該些光學細騎蚊偏娜性的偏振光的示意 圖。 第6圖和帛7圖為以量化的方式呈現該些光學薄膜篩選TE偏振光 與TM偏振光的結果。 第8圖係依據本發明之—第二實施例崎示之一偏極化發光元件 16 200903101 的示意圖。 第9圖繪示本發明之該些光學薄媒厚度、 子能隙間的關係圖。 第川圖係緣示第9圖之一實施例，當h=〇25a時， 關係圖。 該些幾何單元尺寸與光 di/a 與 d2/a 之 第11圖係繪示以本發明之偏極化發光元件組合為背光模組之一液 晶顯示器的結構示意圖。 【主要元件符號說明】 2 液晶面板 4 下偏光片 6 上偏光片 8 背光模組 10 偏極化發光元件 12 光源 121 η型半導體層 122 主動層 123 Ρ型半導體層 124 出光層 16 第二光學薄膜 17 第二幾何單元 18 第一光學薄膜 19 第一幾何單元 26 偏極化發光元件 28 反射層 29 封裝結構 30 液晶顯示器 32 背光模組 34 液晶面板 36 上偏光片 38 紅色偏極化發光元件 40 綠色偏極化發光元件 42 藍色偏極化發光元件 17

Claims (1)

1. 200903101 十、申請專利範圍： 元件，其包含有 I 種^^供偏振光之偏極化發光 一光源； •第一光學_設賊統之㈣面，鮮 山，且該第-絲_包含 賴之；度為 〃 心度為ai U何單元， /、中5亥荨第一幾何單元係沿—第一 <9 .、，η ¥方向重覆排列，且0.2钟/ai sZ，以及 Τ^Γ覆蓋該第—光學_，該第二光學薄膜之厚度為 2 先學薄臈包含複數個寬度為a2之第二幾何單元， 其中該等第二幾何單嫌_ —方向重覆排列，且0.2_ 2.如申请專利範圍第1項所述之偏極化發光元件，其中該第一幾 何單元的寬度ai等於該第二幾何單元的寬度&。 3·如申請專繼圍第丨項所述之偏極化發光元件，另包含。層該 第—光學層該第二光學細，依序交疊於該光源上，其 中n、m為大於或等於4之整數。 4·如申請專利範圍第3項所述之偏極化發光元件，其中η值為4。 5.如申請專利範圍第3項所述之偏極化發光元件，其中m值為4。 18 200903101 6.如申請專利制第3項所述之偏極化發技件，其中n或m之 最佳值為8。 5. 7·如申凊專利|&圍第3項所述之偏極化發光元件，其中打或 m之最佳值為15。 一 8. 如申料利細第丨項所述之偏極化發光元件，其巾該第一光 學薄膜之折射率不該第二光學_之折射率。 9. 如申料利範圍第1項所述之偏極化發光元件，其中該第一光 學薄膜之折料為3.5麟第二絲_之折射率為！ 5。 10·如申睛專利範圍第i項所述之偏極化魏元件，其巾該第—光 學薄膜之折射率為4.G1且該第二光學祕之折射率為i 5。 11. 如申請專利範圍第K)項所述之偏極化發光元件，其中該第一幾 何單元的高度hi與該第二幾何單元的高私之和融屈㈣仏 12. 如申請專利範圍第1項所述之偏極化發光元件，其中該第—光 學薄膜或該第二光學薄膜之折射率大於2。 13. 如申明專利㈣第！項所述之偏極化發光元件，其中該等第一 幾何皁元或該等第二幾何單元另沿—第二方向交疊排列且該第二 方向垂直於該第一方向。 19 200903101 14.如申請專利範圍第丨項所述之偏極化發光元件，其中該等第一 邊何單元具有鑛齒狀截面的結構。 15如申请專利範圍第1項所述之偏極化發光元件，其中該等第二 成何單元具有鑛齒狀戴面的結構。 16,如申請專利範圍第丨項所述之偏極化發光元件，另包含一封裝 結構位於該光源與該第一光學薄膜間。 Π如申請專利範圍第16項所述之偏極化發光元件，其中該封裝 結構之折射率與該第一光學薄膜之折射率間的差值小於1。 18.如申請專利範圍第16項所述之偏極化發光元件，其中該封裝 結構之折射率與該光源之折射率間的差值小於j。 19·如申請專利範圍第16項所述之偏極化發光元件，其中該封裝 結構的材料包含樹脂或氧化矽。 2〇.如申請專利範圍第1項所述之偏極化發光元件，其中該第一光 學薄臈包含矽、鍺、砷化鎵或其組合。 21.如申請專利範圍第1項所述之偏極化發光元件，其中該第二光 予薄膜包含氧化矽、氧化鎂、氧化鋁、氮化矽或其組合。 20 200903101 22. 如申請專利範圍第1項所述之偏極化發光元件，另包含一反射 層設於相對於該光源之出射面之另一側。 23. 如申請專利範圍第22項所述之偏極化發光元件，其中該反射層 包含銀、鋁或金。 24. —種液晶顯示器，包含： 一液晶面板； 一上偏光片設於該液晶面板之一側；以及 一背光模組設於該液晶面板之另一側，該背光模組包含： 複數個偏極化發光，且各該偏極化發光元件包含： 一光源； 一第一光學薄膜設於該光源層之出射面，該第一光學薄膜之 厚度為山，且該第一光學薄膜包含複數個寬度為々之第一 幾何單元，其中該等第一幾何單元係沿一第一方向重覆排 列’且;以及 一第二光學薄膜覆蓋該第一光學薄膜，該第二光學薄獏之厚 度為山，且該第二光學薄膜包含複數個寬度為七之第二幾 何單疋’其中該等第二幾何單元係沿該第一方向重覆排 歹4，且 0.2Sd2/a2S2。 A如申請專利範圍第24項所述之液晶顯示器，其中該光源可為 21 200903101 紅色、綠色、藍色或白色之光源。 26. 如申請專利範圍第24項所述之液晶顯示器，其中該背光模組 中光源之組合以紅色、綠色、綠色及藍色為一背光光源陣列。 27. 如申請專利範圍第24項所述之液晶顯示器，其中該背光模組 中光源之組合以紅色、綠色、藍色及白色為一背光光源陣列。 十一、圖式： 22