液晶显示行业背光源模组的电子材料设计与优化

毕亚一 孙盛林 姚文泽 刘俊国 马超

摘要：全面研究了液晶显示行业背光源模组的电子材料设计与优化，探讨了背光源模组的基本原理及类型、电子材料的基本属性和分类，分析了当前背光源模组设计存在的问题和挑战，总结了影响背光源模组效率的关键因素。基于此，从材料设计、结构设计和制程3 个方面提出优化策略，并对优化策略的实际应用进行了评估，为背光源模组设计优化提供了理论依据和实践指导，具有较高实用性和研究前景。

关键词：液晶显示；背光源模组；电子材料；设计优化

中图分类号：TH140.8 文献标识码：A

0 引言

液晶显示技术已广泛应用于电视、电脑、手机、平板以及其他电子产品中。作为液晶显示中的关键部件，背光源模组（backlight module，BLM）直接影响显示质量和能效，并为液晶显示提供均匀且持久的光源，其决定了显示设备的亮度、色彩饱和度和视觉效果。背光源模组的设计和材料选择在其中起决定性作用。电子材料在背光源模组设计中的应用是提高背光源模组效率和质量的关键。电子材料的物理和化学性质，如导电性、热稳定性、机械强度等，直接影响了背光源模组的性能和稳定性。但当前的背光源模组存在能效低、寿命短、热管理不佳等问题，严重影响了液晶显示的性能和用户体验。本文通过深入研究背光源模组的基本原理、类型以及电子材料的属性和分类，分析当前背光源模组设计存在的问题和挑战，总结影响背光源模组效率的关键因素，并提出一系列背光源模组设计的优化策略。

1 背光源模组和电子材料的基本概述

1.1 背光源模组的基本原理及类型

背光源模组是液晶显示屏的关键组成部分，如图1 所示，液晶面板提供均匀和连续的光源。背光源模组由背光源、光学膜、反射板和散光板等部件构成。当电源供电时，发光二极管（light emittingdiode，LED）发出光线，射入导光板内，经过导光板改变光的线路，使点光源变为面光源，经过增光膜、反射板和散光板等部件的反射和散射，形成均匀的光场，最后通过液晶面板形成显示图像。

背光源模组主要分为直下式背光源模组（图2）和侧入式背光源模组（图3）[1]。直下式背光源模组将光源设于面板下方，通过多层反射和散射形成均匀的光场[1]。侧入式背光源模组则将光源设于面板侧面，通过光导板和散射膜将光线引入液晶面板。直下式背光源模组一般较厚、重量大、发热量高，主要适用于超大尺寸或对空间要求不严格的液晶显示产品的大尺寸显示屏，如电视显示屏；侧入式背光源模组体积小、重量轻、功耗低，常用于30 寸以下中小尺寸的背光模块，主要是小尺寸显示屏，如手机和平板。

背光源的工作原理是将点光源转换成面光源，为液晶显示器（liquid crystal display，LCD）产品提供显示所需的外部光源[2]，如图4 所示。

1.2 电子材料的基本属性与分类

电子材料是电子器件和集成电路的基本材料，其性能直接影响电子器件和集成电路的性能。电子材料的基本属性包括导电性、热稳定性、机械强度、光学性能等。

电子材料大致可分为导体、半导体和绝缘体。导体主要包括金属和合金，其内部电子可以自由流动，具有良好的导电性。半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过控制其掺杂浓度和类型改变其导电性。半导体材料广泛用于晶体管、二极管、光电器件等电子器件。绝缘体不导电，但在高电场下可能发生击穿，其常用于电子器件的绝缘和保护[3]。

背光源模组中的电子材料主要包括发光材料、封装材料、导电材料、绝缘材料、散光材料和反射材料等。发光材料是背光源的核心；封装材料用于保护发光材料；导电材料和绝缘材料分别用于电路连接和电路绝缘；散光材料和反射材料则用于形成均匀的光场[4]。

例如，LED 是常用的背光源，其發光材料通常为InGaN（氮化铟镓）或AlGaInP（磷化铝镓铟）等化合物半导体材料；封装材料则为环氧树脂或硅胶[5]；导电材料通常为铜或铝；绝缘材料则为陶瓷或塑料。利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

导光板（light guide plate，LGP）的主要材料为光学压克力（PMMA）板，其化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯，透明压克力板材透光率达到92% 以上，抗冲击能力强。其在背光源模组内的作用是将点光源或线光源转换成面光源，并利用光线折射和全反射定律对光线进行引导。当光线从折射率高的物质向折射率低的物质入射且入射角超过一定角度时，不会发生折射，而发生全反射。LGP 底部印有网点，破坏了光线的全反射，使光线改变透出LGP。朝着反射片方向的光在反射片的作用下又被返回到LGP 中被重新利用。

散光材料和反射材料则通常为聚酯膜或玻璃纤维板等[6]。LED 发出的光源通过导光板转换成面光源后，通过散光材料和反射材料反射、聚拢、扩散，使画面均匀、柔和。

2 背光源模组设计中的问题分析

2.1 当前设计存在的问题和挑战

随着能源环保意识的不断提高，背光源模组的高效节能性成为重要的发展方向。智能制造技术的不断推进，使得背光源模组在显示器件中的作用越来越重要，制造工艺也越来越复杂，并且可以应用于手机、平板、电视等各个领域，未来其应用范围还将进一步扩展，如汽车、VR/AR 等，因此背光源模组的发展也需要不断满足新的需求和应用场景。液晶显示背光源模组设计面临着一系列问题和挑战。

首先，近年来液晶显示技术虽然取得了显著的进步，但背光源模组的光效率依然较低。在背光源模组中，大部分的光能在穿过液晶面板时被吸收或者散射，导致了能源的浪费。其次，背光源模组需要提供高亮度和高均匀度的光源，以确保液晶显示器能够展现出最佳的显示效果。因此对背光源的布局和散光板的设计提出了更高的要求。如何在保证亮度和均匀度的同时，又能降低能耗和成本，成为当前设计中面临的一大挑战。最后，随着移动设备的日益轻薄化，对背光源模组的体积和重量也提出了更严格的要求。如何设计出一款体积小、重量轻且性能卓越的背光源模组，是当前设计所面临的又一项重大挑战。

2.2 影响背光源模组效率的关键因素

背光源模组是LCD 显示器产品中的一个背面光源组件，由背光光源、多层背光材料及支撑框架组成。随着电子产品向智能化、轻薄化的方向发展，对生产设备精密度、稳定性水平的要求越来越高。背光质量决定了液晶显示屏的亮度、出射光均匀度、色阶等重要参数，这些参数很大程度决定了液晶显示屏的发光效果。根据研究，从传统背光光源发射出来的光，在经过反射膜、扩散膜等光学薄膜之后，只会有约60% 的光通过背光源模块进入下偏光膜，最后经过液晶、上偏光膜的光只剩下4%。因此，背光设计和材料的选择很重要。影响背光源模组效率的关键因素为：①发光材料的性质，包括其光效率、稳定性和寿命。选择具有高性能的发光材料，能显著提高背光源模组的效率。②光学设计，包括背光源的布局、反射板的设计以及散光板的设计等。优秀的光学设计可以更有效地将光能传递到液晶面板，从而提高背光源模组的光效率。③电路设计，包括电源管理和驱动电路的设计。高效的电源管理和驱动电路设计可以降低电能损耗，提高背光源模组的电效率。④制程技术，包括封装技术、焊接技术以及精细加工技术等。高品质的制程技术不仅可以确保背光源模组的性能，还能提高其生产效率和产品的可靠性。

以上各因素相互作用与影响，共同决定了背光源模组的整体效率。在实际的设计过程中，需要综合考虑并权衡这些因素，以实现背光源模组效率的最优化。

3 背光源模组设计的优化策略

3.1 材料设计优化策略

在液晶显示器背光源模组的设计中，材料选择是关键因素之一，优化材料设计可以提升设备性能和降低成本。首先，需要选择具有高发光效率和性能稳定的发光材料。例如，量子点材料以其较高的发光效率和稳定性受到瞩目。对量子点材料进行深入研究，优化其发光谱线宽度和发光峰值，能够实现更精准的色彩控制和更宽的色域。其次，电子材料包括电源管理集成电路（integrated circuit，IC）和驱动电路。通过选择低损耗的电源管理IC 和高效的驱动电路，不仅能降低能耗，提高电效率，而且能降低设备故障率，增加设备的稳定性和寿命。再次，光学材料的选择也很重要，需要选择具有高反射率的反射板和高透光率的散光板，必要时可增加增光膜，以优化光学设计，提高发光效率。同时，还要考虑设备的轻薄化需求，选择轻质、薄型的材料。最后，优化材料设计的过程中，还需要考虑环保因素，选择环保、可循环利用的材料，降低生产过程对环境的影响。

3.2 结构设计优化策略

结构设计优化是背光源模组设计的重要环节，对设备的性能和用户体验有直接影响。结构设计优化主要从以下几个方面进行：首先是光学结构的优化。通过改进反射板、导光板和散光板等光学部件的设计，使光线能更有效地通过液晶层，提高设备的亮度和对比度。其次是电路结构的优化。优化电源管理和驱动电路的设计，可以降低能耗，提高电效率，同时也可以降低设备的发热量，延长设备寿命。最后是机械结构的优化。考虑到设备的轻薄化和便携化需求，需要优化背光源模组的大小和重量，以及装配方式和接口设计等，使设备更加轻薄，安装更加简便，使用更加便捷。

3.3 制程优化策略

制程优化主要通过优化生产过程，提高生产效率，降低生产成本，提升产品质量[7]。首先是材料制备过程的优化。研究并应用新的材料制备技术，如量子点的精确制备和应用，以提升材料性能，确保材料质量的稳定性，降低材料成本。其次是装配过程的优化。通过应用高精度、高效率的自动化装配设备和技术，减少人工操作，提高装配精度和效率，减少产品缺陷，降低装配成本。再次是测试过程的优化。采用高精度的测试设备和技术，提高测试精度和效率，确保產品的性能和质量。最后是质量控制过程的优化。建立和完善质量管理体系，对全过程进行严格的质量控制，确保产品质量的稳定性和可靠性。此外，制程优化还需要注重环保，降低生产过程中的能耗和污染，实现绿色生产。

4 结论

本文对液晶显示背光源模组的电子材料设计与优化进行了深入探讨。首先，介绍了背光源模组的基本原理、类型以及电子材料的属性和分类。其次，针对当前背光源模组设计存在的问题和挑战，以及影响其效率的关键因素进行了详尽分析。此外，本文深入研究了电子材料在背光源模组设计中的应用和选择策略，并提供了实际应用案例。从材料设计、结构设计和制程3 个方面提出了背光源模组设计的优化策略，并对优化策略的实际应用效果进行了评估。这些优化策略不仅为背光源模组设计的优化提供了理论依据，也给予了实践指导，具有较高的实用性。此研究结果能为背光源模组设计者和制造商带来实质性帮助，以提升产品性能并优化生产流程。尽管本研究取得了显著的成果，但在未来的研究中还需要对更多的电子材料进行探索，以进一步提升背光源模组的性能。同时，随着液晶显示技术的不断发展，未来可能会出现新的设计挑战和制程问题，需要持续研究和优化。

参考文献

[1] 肖箫，文尚胜，陈建龙，等. 直下式LED 背光源模组第二扩散导光板光学特性分析[J]. 光电子·激光，2013，24（4）：679-686.

[2] 彭敦云. 液晶显示棱镜片在背光源下的应用研究[D].曲阜：曲阜师范大学，2015.

[3] 张志睿. 超薄侧光式LED 液晶电视背光源设计与驱动电源硬件实现[D]. 青岛：中国海洋大学，2010.

[4] 宋红花，刘玲娟，汪洪亮. 液晶显示行业如何在PLM中准确编制BOM[J]. 企业改革与管理，2021（13）：130-131.

[5] 孙晓平. KJP 公司背光源模组（BLU）事业的发展战略的研究[D]. 上海：上海交通大学，2015.

[6] 潘辛丽. 中小尺寸液晶显示模组结构设计[J]. 数字通信世界，2019（6）：114，236.

[7] 肖充伊. 光源封装对直下式背光模组设计的影响[D].深圳：深圳大学，2015.