TWI428645B - 彩色導光板以及液晶顯示裝置 - Google Patents

Description

彩色導光板以及液晶顯示裝置

本發明是有關於一種導光板與顯示裝置，且特別是有關於一種具有色光輸出結構(Color Light Output Structure)的彩色導光板(Color Light Guide Panel)與液晶顯示裝置(Liquid Crystal Display Device)。

隨著光電技術與半導體製造技術的發展，平面型顯示器(Flat Panel Display,FPD)，例如液晶顯示裝置，已逐漸成為顯示器產品之主流。一般而言。液晶顯示裝置包括：背光模組與液晶顯示面板，其中，液晶顯示面板是由薄膜電晶體陣列基板、彩色濾光基板與兩基板之間的液晶層所組成。

採用習知的彩色濾光基板時，每一單一畫素是由三個子畫素(sub-pixel)所構成，每個子畫素由一個薄膜電晶體控制該子畫素之通過光線的強度。通過各子畫素的光線再經由各子畫素對應的彩色濾光圖案(紅色、綠色與藍色)而調變，進而將各子畫素的原色混合成該畫素所欲表現的顏色。承上述，由於光線需經過彩色濾光基板，將導致亮度降低的問題。另外，製作彩色濾光基板的原料成本約佔液晶顯示面板的15%左右，且需要花費相當多的製程時間。因此，習知技術中開始發展無需採用彩色濾光基板的液晶顯示裝置。

在美國專利US 6,480,247中提出一種彩色顯示裝置，其無需採用彩色濾光基板。此美國專利US 6,480,247的圖1與相關說明中，揭露一種演繹出場序式色彩(Field Sequential Color,FSC)的技術，此技術將三種原色光源(紅色、綠色與藍色)依時序切換，且搭配在各色光源顯示時間內同步控制液晶畫素穿透率，進而調配各原色之相對光量。之後，再由視覺系統對光刺激的殘留效應，以形成並察知該顏色。亦即，上述的技術是將原本以空間軸混色改為以時間軸混色，就是讓R、G、B三原色快速切換。若轉換時間短於人眼視覺所能分辨的時間，借助人眼的視覺殘留效應，就能產生混色效果。但是，此技術中液晶的反應速度和色分離控制是技術關鍵。一般而言，若是液晶響應速度不夠快，將成為採用色序法技術的障礙。另外，改善色分離的方法，需要複雜的控制演算法和強大驅動電路能力，而不易達成。

另一方面，在美國專利7,164,454中提出一種利用彩色發光二極體背光模組(RGB LED Backlight Module)，來達成無需彩色濾光基板的技術。在美國專利7,164,454的圖2與相關內容中揭露：利用在導光板上製作透明光柵以使入射光被光柵繞射。由於不同波長所形成的一階繞射角度(first-order diffraction angle)不同，所以配合微透鏡陣列可以將不同波長的光線匯聚在擴散板的不同位置上，進而造成RGB三色分離的效果。然而，透明光柵與畫素的對準精度需求相當高，將導致製作困難。

有鑑於此，本發明提供一種彩色導光板，具有可對於入射光進行分光的色光輸出結構，以輸出一致且高亮度的色光。

本發明提供一種液晶顯示裝置，具有上述的色光輸出結構，而能輸出高亮度的全彩化影像。

基於上述，本發明提出一種彩色導光板，適於對一入射光進行分色。此彩色導光板包括：基板以及色光輸出結構。基板具有多個畫素區域。色光輸出結構設置於每一畫素區域中，此色光輸出結構包括：第一奈米圖案、第二奈米圖案與第三奈米圖案。上述入射光被第一奈米圖案散射出第一色光、被第二奈米圖案散射出第二色光、且被第三奈米圖案散射出第三色光。

基於上述，本發明再提出一種液晶顯示裝置，包括：背光模組、液晶顯示面板與色光輸出結構。背光模組提供一入射光。液晶顯示面板設置於背光模組上方，此液晶顯示面板包括：主動元件陣列基板、對向基板與液晶層。對向基板對向於主動元件陣列基板。液晶層設置於主動元件陣列基板與對向基板之間。色光輸出結構設置於主動元件陣列基板或對向基板上，且對入射光進行分色，此色光輸出結構包括：第一奈米圖案、第二奈米圖案與第三奈米圖案。上述的入射光被第一奈米圖案散射出一第一色光、被第二奈米圖案散射出一第二色光、且被第三奈米圖案散射出一第三色光。

在本發明之一實施例中，上述的第一奈米圖案、第二奈米圖案與第三奈米圖案分別包括多數個奈米顆粒。並且，上述的奈米顆粒的粒徑介於3奈米~250奈米之間。

在本發明之一實施例中，上述的第一奈米圖案的這些奈米顆粒之間的間距為Da或Da的倍數，其中Da為650奈米±30奈米，且第一色光的顏色為紅色。

在本發明之一實施例中，上述的第二奈米圖案的這些奈米顆粒之間的間距為Db或Db的倍數，其中Db為550奈米±30奈米，且第二色光的顏色為綠色。

在本發明之一實施例中，上述的第三奈米圖案的這些奈米顆粒之間的間距為Dc或Dc的倍數，其中Dc為450奈米±30奈米，且第三色光的顏色為藍色。

在本發明之一實施例中，上述的色光輸出結構更包括一第四奈米圖案，此入射光被第四奈米圖案散射出一第四色光，且第四奈米圖案包括多數個奈米顆粒，並且，上述的奈米顆粒的粒徑介於3奈米~250奈米之間。

在本發明之一實施例中，上述的第四奈米圖案的這些奈米顆粒之間的間距為Dd或Dd的倍數，其中Dd為600奈米±30奈米，且第四色光的顏色為黃色。

在本發明之一實施例中，上述的奈米顆粒的材質包括有機材料或無機材料，其中，有機材料包括聚苯乙烯(Polystyrene)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylemethacrylate)或光聚合物(Photopolymer)；無機材料包括金屬、合金、絕緣材質或半導體。

在本發明之一實施例中，上述的奈米顆粒的形狀包括三角形、多邊形或圓形。

在本發明之一實施例中，上述的主動元件陣列基板包括：基板、主動元件陣列與畫素電極層。基板具有多個畫素區域。主動元件陣列設置於基板上。畫素電極層與主動元件陣列電性連接，其中，當色光輸出結構設置於主動元件陣列基板上時，此色光輸出結構是對應於每一畫素區域而設置在基板上或畫素電極層上。

本發明因採用具有第一、第二、第三奈米圖案的色光輸出結構，且色光輸出結構可設置在導光板、主動元件陣列基板、或對向基板上，以將入射光分色出多個色光。因此，無需利用習知的彩色濾光基板，而能降低製作成本。另外，藉由控制奈米顆粒的形狀、大小、週期等就可以個別取出所需的原色，以達到全彩化的顯示效果。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1為本發明較佳實施例的一種彩色導光板的示意圖。請參照圖1，此彩色導光板100適於對一入射光L進行分色。此彩色導光板100包括基板110以及色光輸出結構120。基板110具有多個畫素區域112。色光輸出結構120設置於每一畫素區域112中，此色光輸出結構120包括：第一奈米圖案122、第二奈米圖案124與第三奈米圖 案126。入射光L被第一奈米圖案122散射出第一色光L1、被第二奈米圖案124散射出第二色光L2、且被第三奈米圖案126散射出第三色光L3。

請繼續參照圖1，基板110的材質可以是玻璃或是透明樹脂，其中，透明樹脂例如是採用壓克力、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。值得注意的是，由於第一奈米圖案122、第二奈米圖案124與第三奈米圖案126處於奈米尺度而產生特殊的光學特性。更詳細而言，入射光L在第一奈米圖案122、第二奈米圖案124與第三奈米圖案126中將產生高散射現象以及表面電漿子共振現象(surface plasmon resonance)，因而可以將入射光L散射出高亮度、且具有不同波長(即不同顏色)的第一光線L1、第二光線L2與第三光線L3，以下將更詳細地進行說明。

圖2為本發明較佳實施例的一種背光模組的示意圖。於圖2中亦繪出位於背光模組200上方的擴散片210與主動元件陣列基板220，以清楚呈現彩色導光板100的第一奈米圖案122、第二奈米圖案124與第三奈米圖案126分別與主動元件陣列基板220的次畫素222、224、226之間的對應情形。

請繼續參照圖2，背光模組200包括光源230，此光源230例如為白色發光二極體陣列或是冷陰極螢光燈管，適於發出入射光L。值得注意的是，如區域A的放大圖所示，第一奈米圖案122、第二奈米圖案124與第三奈米圖案126分別包括多數個奈米顆粒122a、124a、126a。並且， 上述的奈米顆粒122a、124a、126a的粒徑介於3奈米~250奈米之間。另外，奈米顆粒122a、124a、126a的材質包括有機材料或無機材料，其中，有機材料包括聚苯乙烯(Polystyrene)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylemethacrylate)或光聚合物(Photopolymer)；無機材料包括金屬、合金、絕緣材質或半導體，其中，金屬可以是金或銀。

奈米顆粒122a、124a、126a具有兩種特別的光學特性，分別為：相當高的光學散射能力；以及可與入射光之間產生表面電漿子共振現象，而使得僅有滿足共振條件的光波長能被散射出來。就奈米顆粒122a、124a、126a的光學散射能力而言，若以奈米金屬球為例，其散射截面積C_sca (ω)可由公式(1)表示：

其中，r為奈米金屬球的半徑、λ為入射光的波長、ε_m 為空氣的介電係數、ε_p 為奈米金屬球的介電係數、ε’_p 為奈米金屬球的介電係數ε_p 的實部(real part)、ε”_p 為奈米金屬球的介電係數ε_p 的虛部(imaginary part)，ω為2πf，而f為光的頻率。

特別是，金屬的介電常數ε_p 為負值，且ε_p 的值與入射光的波長、以及奈米金屬球的大小與形狀等相關。在特定 波長下，若奈米金屬球的介電常數為-2，則式(1)的分母會趨近於零，因此散射截面積C_sca (ω)的值會相當大，而使奈米金屬球具有相當高的散射能力。相較於同尺度的透明球(其介電常數ε_p 為正值)的光散射能力而言，上述的奈米金屬球對於光的散射能力約高出2到3個數量級。

也就是說，利用具有奈米顆粒122a、124a、126a的第一奈米圖案122、第二奈米圖案124與第三奈米圖案126可以提昇所輸出的第一色光L1、第二色光L2與第三色光L3的亮度。

另外，奈米顆粒122a、124a、126a與入射光L之間會產生表面電漿子共振現象，可使得僅有滿足共振條件的光波長能被散射出來。圖3為本發明較佳實施例的又一種背光模組的示意圖，類似的結構已於圖2中說明，在此不予以重述。請共同參照圖2~圖3，更詳細而言，藉由適當地控制奈米顆粒122a、124a、126a的尺度、形狀、週期等，即可以改變表面電漿子共振條件，以使得僅有滿足共振條件的光波長能夠被散射出來。請先參照圖2，就形狀而言，奈米顆粒122a、124a、126a的形狀可以是三角形、多邊形、圓形或其他適合的形狀，以散射出紅光、綠光與藍光。

特別是，請參照圖3，如區域B的放大圖所示，就週期而言，第一奈米圖案122的這些奈米顆粒122a之間的間距Λ₁ 為Da或Da的倍數，其中Da為650奈米±30奈米，且第一色光L1的顏色為紅色；而第二奈米圖案124的這些奈米顆粒124a之間的間距Λ₂ 為Db或Db的倍數，其中 Db為550奈米±30奈米，且第二色光L2的顏色為綠色；且第三奈米圖案126的這些奈米顆粒126a之間的間距Λ₃ 為Dc或Dc的倍數，其中Dc為450奈米±30奈米，且第三色光L3的顏色為藍色。

圖4為文獻上已發表利用不同的奈米顆粒分別散射出不同波長光線的光譜圖。參照圖4可明顯得知，第一奈米圖案122的奈米顆粒122a散射出的第一色光L1為紅光；第二奈米圖案124的奈米顆粒124a散射出的第二色光L2為綠光；第三奈米圖案126的奈米顆粒126a散射出的第三色光L3為藍光。承上所述，利用不同形狀、大小、週期的奈米顆粒122a、124a、126a可以分別散射出紅綠藍三原色。

圖5為本發明較佳實施例的又一種彩色導光板的示意圖，類似的結構已於圖1中說明，在此不予以重述。在此彩色導光板102中，利用相同的原理，可以使色光輸出結構120a更包括一第四奈米圖案128，此入射光L被第四奈米圖案128散射出一第四色光L4，且第四奈米圖案128包括多數個奈米顆粒128a，並且，上述的奈米顆粒128a的粒徑介於3奈米~250奈米之間。特別是，第四奈米圖案128的這些奈米顆粒128a之間的間距Λ₄ 為Dd或Dd的倍數，其中Dd為600奈米±30奈米，且第四色光L4的顏色為黃色。當然，本發明並不限定色光輸出結構120a所具有的奈米圖案122、124、126、128的數量，及其顏色的組合。

製作上述色光輸出結構120、120a的方法十分容易。例如，是先利用電子束蒸鍍法在基板110上形成金屬膜(未 繪示)，接著，在金屬膜上塗佈光阻劑層(未繪示)。繼之，利用電子微影技術在光阻劑層上製作不同週期的圖案。之後，利用反應離子蝕刻法將光阻劑層上的不同週期圖案轉移到金屬膜上，以得到具有奈米圖案122、124、126、128的色光輸出結構120、120a。

在上述的彩色導光板100、102中，利用色光輸出結構120、120a可以輸出具有高亮度的第一色光L1、第二色光L2、第三色光L3、第四色光L4，因此，可使用在一般的液晶顯示裝置中，以輸出全彩化的影像。如此一來，便無需使用彩色濾光基板，而能降低液晶顯示裝置的製作成本。具有色光輸出結構120、120a的彩色導光板100、102除了可以直接應用於背光模組200中，以產生全彩化的色光以外，色光輸出結構120、120a也可以設置在液晶顯示面板中，說明如下。

圖6A與圖6B為本發明較佳實施例的兩種液晶顯示裝置的示意圖。請共同參照圖1與圖6A、圖6B，此液晶顯示裝置300包括：背光模組310、液晶顯示面板320與色光輸出結構330。背光模組310提供一入射光L。液晶顯示面板320設置於背光模組310上方，此液晶顯示面板320包括：主動元件陣列基板322、對向基板324與液晶層326。對向基板324對向於主動元件陣列基板322。液晶層326設置於主動元件陣列基板322與對向基板324之間。色光輸出結構330設置於主動元件陣列基板322(如圖6A所示)或對向基板324上(如圖6B所示)，且對入射光L進行分色。此色光輸出結構330可以是圖1或圖5所繪示的色 光輸出結構120、120a，在此不重述相同的內容。

值得注意的是，色光輸出結構330可以設置在液晶顯示面板320的各種膜層上。上述的主動元件陣列基板322可以包括：基板(未繪示)、主動元件陣列(未繪示)與畫素電極層(未繪示)。基板具有多個畫素區域(未繪示)。主動元件陣列設置於基板上。畫素電極層與主動元件陣列電性連接，其中，當色光輸出結構330設置於主動元件陣列基板322上時，此色光輸出結構330是對應於每一畫素區域而設置在基板上或畫素電極層上。亦即，色光輸出結構330可以製作在基板上、也可以製作在畫素電極層上。

另外，如圖6B所示，色光輸出結構330也可以設置在對向基板324上，以使入射光L分色出亮度較高的第一色光L1、第二色光L2與第三色光L3(及/或第四色光L4)。此相對於習知利用彩色樹脂製作的彩色濾光基板而言，除了可提昇色光的亮度，更可簡化製程步驟、降低製作成本。

綜上所述，本發明的彩色導光板與液晶顯示裝置至少具有以下優點：將具有奈米圖案的色光輸出結構製造在導光板、主動元件陣列基板、或對向基板上，可以將入射光分色出多個色光，而無需利用習知利用樹脂製作的彩色濾光基板。特別是，藉由控制奈米顆粒的形狀、大小、週期等就可以個別取出所需的原色，相較於習知的演繹出場序式色彩技術，不會產生反應速度和色分離控制等問題。

另一方面，相較於透明光柵技術所製作的彩色濾光基板，本發明不需要使用額外的微透鏡陣列來將不同角度的 光在空間中加以分離，特別是，在本發明中光子的取出與紅綠藍畫素的形成皆整合在同一導光板上，因此沒有額外的對準問題。

再者，取出紅綠藍三色光的相對強度可以藉由不同製程參數調整，以使各原色亮度一致。習知利用單一透明光柵技術取出三色光的相對亮度的技術並無法控制亮度使其一致。另外，由於可以不需使用彩色濾光片，可降低製作成本，且也無因彩色濾光片的額外穿透量損失。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、102‧‧‧彩色導光板

110‧‧‧基板

112‧‧‧畫素區域

120、120a、330‧‧‧色光輸出結構

122‧‧‧第一奈米圖案

122a、124a、126a‧‧‧奈米顆粒

124‧‧‧第二奈米圖案

126‧‧‧第三奈米圖案

128‧‧‧第四奈米圖案

200、310‧‧‧背光模組

210‧‧‧擴散片

220‧‧‧主動元件陣列基板

222、224、226‧‧‧次畫素

230‧‧‧光源

300‧‧‧液晶顯示裝置

320‧‧‧液晶顯示面板

A、B‧‧‧區域

L‧‧‧入射光

L1‧‧‧第一色光

L2‧‧‧第二色光

L3‧‧‧第三色光

Λ₁ 、Λ₂ 、Λ₃ 、Λ₄ ‧‧‧間距

圖1為本發明較佳實施例的一種彩色導光板的示意圖。

圖2為本發明較佳實施例的一種背光模組的示意圖。

圖3為本發明較佳實施例的另一種背光模組的示意圖。

圖4為利用不同的奈米顆粒分別散射出不同波長光線的光譜圖。

圖5為本發明較佳實施例的又一種彩色導光板的示意圖。

圖6A與圖6B為本發明較佳實施例的兩種液晶顯示裝 置的示意圖。

110‧‧‧基板

120‧‧‧色光輸出結構

122‧‧‧第一奈米圖案

122a、124a、126a‧‧‧奈米顆粒

124‧‧‧第二奈米圖案

126‧‧‧第三奈米圖案

200‧‧‧背光模組

210‧‧‧擴散片

220‧‧‧主動元件陣列基板

222、224、226‧‧‧次畫素

230‧‧‧光源

L‧‧‧入射光

L1‧‧‧第一色光

L2‧‧‧第二色光

L3‧‧‧第三色光

A‧‧‧區域

Claims (23)

1. 一種彩色導光板，適於對一入射光進行分色，該彩色導光板包括：一基板，具有多個畫素區域；一色光輸出結構，設置於每一該些畫素區域中，該色光輸出結構包括：一第一奈米圖案，該入射光被該第一奈米圖案散射出一第一色光；一第二奈米圖案，該入射光被該第二奈米圖案散射出一第二色光；一第三奈米圖案，該入射光被該第三奈米圖案散射出一第三色光；以及一第四奈米圖案，該入射光被該第四奈米圖案散射出一第四色光，且該第四奈米圖案包括多數個奈米顆粒，且該第四奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Dd或Dd的倍數，其中Dd為600奈米±30奈米，且該第四色光的顏色為黃色。
2. 如申請專利範圍第1項所述之彩色導光板，其中該第一奈米圖案、該第二奈米圖案與該第三奈米圖案分別包括多數個奈米顆粒。
3. 如申請專利範圍第2項所述之彩色導光板，其中該些奈米顆粒的粒徑介於3奈米~250奈米之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之彩色導光板，其中該第一奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Da或Da的倍 數，其中Da為650奈米±30奈米，且該第一色光的顏色為紅色。
5. 如申請專利範圍第2項所述之彩色導光板，其中該第二奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Db或Db的倍數，其中Db為550奈米±30奈米，且該第二色光的顏色為綠色。
6. 如申請專利範圍第2項所述之彩色導光板，其中該第三奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Dc或Dc的倍數，其中Dc為450奈米±30奈米，且該第三色光的顏色為藍色。
7. 如申請專利範圍第1項所述之彩色導光板，其中該些奈米顆粒的粒徑介於3奈米~250奈米之間。
8. 如申請專利範圍第2項所述之彩色導光板，其中該些奈米顆粒的材質包括有機材料或無機材料。
9. 如申請專利範圍第8項所述之彩色導光板，其中該有機材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或光聚合物。
10. 如申請專利範圍第8項所述之彩色導光板，其中該無機材料包括金屬、合金、絕緣材質或半導體。
11. 如申請專利範圍第2項所述之彩色導光板，其中該些奈米顆粒的形狀包括三角形、多邊形或圓形。
12. 一種液晶顯示裝置，包括：一背光模組，提供一入射光；一液晶顯示面板，設置於該背光模組上方，該液晶顯示面板包括： 一主動元件陣列基板；一對向基板，對向於該主動元件陣列基板；以及一液晶層，設置於該主動元件陣列基板與該對向基板之間；一色光輸出結構，設置於該主動元件陣列基板或該對向基板上，且對該入射光進行分色，該色光輸出結構包括：一第一奈米圖案，該入射光被該第一奈米圖案散射出一第一色光；一第二奈米圖案，該入射光被該第二奈米圖案散射出一第二色光；一第三奈米圖案，該入射光被該第三奈米圖案散射出一第三色光；以及一第四奈米圖案，該入射光被該第四奈米圖案散射出一第四色光，其中該第四奈米圖案包括多數個奈米顆粒，其中該第四奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Dd或Dd的倍數，其中Dd為600奈米±30奈米，且該第四色光的顏色為黃色。
13. 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示裝置，其中該第一奈米圖案、該第二奈米圖案與該第三奈米圖案分別包括多數個奈米顆粒。
14. 如申請專利範圍第13項所述之液晶顯示裝置，其中該些奈米顆粒的粒徑介於3奈米~250奈米之間。
15. 如申請專利範圍第13項所述之液晶顯示裝置，其中該第一奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Da或Da 的倍數，其中Da為650奈米±30奈米，且該第一色光的顏色為紅色。
16. 如申請專利範圍第13項所述之液晶顯示裝置，其中該第二奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Db或Db的倍數，其中Db為550奈米±30奈米，且該第二色光的顏色為綠色。
17. 如申請專利範圍第13項所述之液晶顯示裝置，其中該第三奈米圖案的該些奈米顆粒之間的間距為Dc或Dc的倍數，其中Dc為450奈米±30奈米，且該第三色光的顏色為藍色。
18. 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示裝置，其中該些奈米顆粒的粒徑介於3奈米~250奈米之間。
19. 如申請專利範圍第13項所述之液晶顯示裝置，其中該些奈米顆粒的材質包括有機材料或無機材料。
20. 如申請專利範圍第19項所述之液晶顯示裝置，其中該有機材料包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或光聚合物。
21. 如申請專利範圍第19項所述之液晶顯示裝置，其中該無機材料包括金屬、合金、絕緣材質或半導體。
22. 如申請專利範圍第13項所述之液晶顯示裝置，其中該些奈米顆粒的形狀包括三角形、多邊形或圓形。
23. 如申請專利範圍第12項所述之液晶顯示裝置，其中該主動元件陣列基板包括：一基板，具有多個畫素區域； 一主動元件陣列，設置於該基板上；以及一畫素電極層，與該主動元件陣列電性連接；其中，當該色光輸出結構設置於該主動元件陣列基板上時，該色光輸出結構是對應於每一該些畫素區域而設置在該基板上或該畫素電極層上。