CN1815271A - 光学单元及其制造方法、背光组件和显示装置 - Google Patents

光学单元及其制造方法、背光组件和显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学单元，其包括主体、散射元件和控制元件。散射元件设置在主体中以散射入射的光线。控制元件设置在主体中，以产生具有基本均匀尺寸的散射元件。从而，光学单元具有提高的光散射特性，由此改善从光学单元发出的光线的亮度的均匀性。

Description

光学单元及其制造方法、背光组件和显示装置
技术领域
本发明涉及一种光学单元、制造该光学单元的方法、具有该光学单元的背光组件和包括该背光组件的显示装置。更具体的说，本发明涉及一种能够提高光散射特性的光学单元、制造该光学单元的方法、包括该光学单元的背光组件以及包括该背光组件的液晶显示装置。
背景技术
通常，液晶具有使得它的分子可以由电场重新排列的电特性。这种分子重新排列也利于改变液晶的光学特性，如光透射性。这种电光特性被应用于液晶显示(LCD)装置中，来显示图象。液晶分子不发光，因此，包括用于显示图象的LCD面板的LCD装置采用背光组件，用于给LCD面板提供光线。
背光组件被分成直接照明型背光组件或边缘照明型背光组件。直接照明型背光组件包括多个光源，这些光源设置在显示面板之下。边缘照明型背光组件包括光导板和设置在光导板一侧的光源。
采用直接照明型背光组件的显示装置的尺寸通常在显示面板和光源之间的距离减小时得以减小(即，通常是较小的)。但是，随着所述距离的减小，由于显示面板中对应于光源的正上部分的第一区域和显示面板中对应于光源的剩余部分的第二区域之间的发光度不同造成的在显示面板上的亮线变得更清楚。
于是，显示装置包括光源和显示面板之间的光学元件，以改善从光源发出的光线的亮度的均匀性。然而，由于传统光学元件不能充分散射光线，在显示面板和光源之间的距离减小时，传统光学元件不能有效克服显示面板上的亮线。
发明内容
本发明克服上述问题，并因此本发明提供了一种能够增强光散射特性的光学单元。
本发明还包括具有上述光学单元的背光组件。
本发明还包括具有上述光学单元的显示装置。
本发明还包括制造上述光学单元的方法。
在本发明的一个方面中，光学单元包括主体、多个散射元件和多个控制元件。散射元件设置在主体中以散射入射光线。控制元件设置在主体中，以产生具有基本均匀尺寸的散射元件。每个散射元件例如具有基本上球形，散射元件的直径基本上相同。散射元件包括气泡和/或珠子。主体包括聚合物链，控制元件介于聚合物链之间。控制元件可以包括颗粒，每个颗粒相对于至少一个方向具有大约1纳米(nm)到大约100纳米的长度。
在本发明的另一方面中，背光组件包括光源、光学单元和接收容器。光学单元包括主体、设置在主体中以散射从光源提供的光线的多个散射元件和设置在主体中以为散射元件提供均匀尺寸的多个控制元件，接收容器接纳光源和光学单元。
在本发明的再一方面中，显示装置包括光学模块和显示单元。光学模块包括光源和光学单元。显示单元利用从光学模块发出的光线。
在本发明的又一方面中，一种制造用于显示装置的光学单元的方法包括将聚合物与颗粒相混合，每个颗粒相对于至少一个方向具有大约1纳米到大约100纳米的长度；以大于大气压的压力加压发泡剂，以将发泡剂溶解在聚合物和颗粒的混合物中；以及降低其中溶解有发泡剂的混合物的被施加的压力以在混合物中产生气泡。
根据上述技术方案，光学单元可以将通过散射元件入射到其上的光线散射，以发出提高了亮度均匀性的光线。
附图说明
在结合附图考虑时，本发明的上述和其他优点将通过参照下面的详细描述而变得显而易见，图中：
图1是示出根据本发明的光学单元的示例性横截面图；
图2是示出图1中部分’A’的放大图；
图3是示出根据本发明的光学单元的另一示例性横截面图；
图4是示出根据本发明的光学单元的另一示例性横截面图；
图5示出根据本发明的背光组件的示例性横截面图；
图6是示出图5中部分’B’的放大图；
图7是示出根据本发明的显示装置的示例性横截面图；
图8是示出图7中部分’C’的放大图；以及
图9是示出根据本发明的制造显示装置的光学单元的方法的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图，更全面描述本发明，在附图中，示出了本发明的实施例。但是，本发明可以以多种不同形式实施，而不应理解为局限于在此描述的实施例中；而是，提供这些实施例以便本公开物透彻完整，并向本领域技术人员全面传达本发明的范围。遍及附图，相同的附图标记指代类似或相同的元件。
图1是示出根据本发明的光学单元的示例性横截面图。
参照图1，根据本发明示例性实施例的光学单元100包括主体110、散射元件130和控制元件150。
主体110例如是透明的，并具有板状形状。主体110包括具有良好光透射性、耐热性、耐化学性、机械强度等的聚合物树脂。聚合物树脂的示例包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚氨基甲酸乙酯等。构成主体110的聚合物链以链状彼此纠缠。聚合物链的粘合强度是各向异性的，即在不同方向上具有不同的值。
图2是示出图1中部分‘A’的放大图。
参照图2，散射元件130在允许入射到光学单元100内的光线离开光学单元100之前散射该光线，从而，增强了从主体110发出的光线的亮度均匀性。散射元件130均匀地分布在主体110中，以便有效地提高从光学单元110中发出的光线的亮度的均匀性。
从光学单元100发出的光线的亮度均匀性随着散射元件的光学折射率和主体110的光学折射率之间的差异的增大而增大。从而，当该差异较大时，从光学单元100发出的光线的亮度的均匀性得到改善。
在一个实施例中，散射元件130包括多个在主体110内产生的气泡。例如，气泡130可以优选地均匀分布在主体中，以有效提高从光学单元100发出的光线的亮度的均匀性。气泡130的尺寸在气泡130于光学单元100中产生时得以控制。
气泡130的平均直径可以根据聚合物树脂被加热以生长形成气泡130的核心时的各种因素，如温度、压力、时间等加以变化。在一个实施例中，希望气泡130相对于光学单元100的总的体积百分比是恒定的。在另一实施例中，希望气泡130具有较小的半径，并因此具有较大的总表面积。作为小半径尺寸和大表面积的结果，可以轻易散射入射到光学单元100的光线。
气泡130具有基本彼此相同的直径，并且，所有气泡130的直径可以同时增大或减小。气泡130的平均直径例如在大约1微米(μm)到大约20微米(μm)的范围内。
气泡130相对于光学单元100的体积百分比例如基于主体110的体积在大约1％到大约10％的范围内。由于相当恒定尺寸和表面积的气泡的恒定体积，光学单元100可以一致地并以可再现方式散射光线。另外，在主体110的机械强度上基本没有损失。
为了形成具有上述特性的气泡，在大于大气压十倍的所施加的压力下、在主体110中溶解发泡剂，如二氧化碳(CO2)、氮气(N2)等。通过减小所施加的压力，在主体110内产生气泡130。
每个气泡130的尺寸正比于生长时间，并随着每个气泡130具有长的生长时间而变大。即，每个气泡130的尺寸可以通过控制它的生长时间来加以控制。
气泡130相对于光学单元100的体积百分比由气泡130的尺寸和每单位体积主体110内的气泡130的数量来决定。每单位体积主体110内的气泡130的数量随着其中溶解有发泡剂的主体110的周围压力的变化率的增大而增大。从而，当气泡130的尺寸被确定时，每单位体积主体110内的气泡130的数量可以通过控制主体110的周围压力的变化率来加以控制。结果，气泡130相对于光学主体100的体积百分比可以得到控制。
控制元件150设置在聚合物中，以改变主体110的散射特性。控制元件150例如包括纳米尺寸的颗粒，以便在分子等级与聚合物链相关联。控制元件150的颗粒在一维上通常具有大约1nm到100nm的长度。
纳米尺寸的颗粒散布在聚合物中，以防止主体110的热变形，抑制水分和气体的渗透，并提高主体110的强度和模量。
例如，纳米尺寸的颗粒对相纠缠的聚合物链提供加强作用，由此改善纳米尺寸的颗粒与聚合物之间的结合，并在光学单元100中产生各向同性的机械特性。从而，当主体110内产生的气泡130生长时，气泡130的表面遇到生长的均匀阻力。由此，气泡130在主体110内具有均匀的尺寸。气泡130的核心也在主体110内具有均匀的密度，使得气泡130均匀分布在主体110内。
入射到光学单元100内的光线在气泡130的表面上折射和反射。当气泡130在光学单元100中更加均匀地产生时，光学单元100可以更均匀地散射光线，使得以均匀的亮度发出光线。纳米尺寸的颗粒不会对光学单元100中透射的光线的亮度造成任何降低。
控制元件150例如可以包括这样的纳米尺寸的颗粒，这种颗粒具有金属和/或无机材料，如页硅酸盐(或分层的硅酸盐)、多面体倍半硅氧烷、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米硅石、氧化钛(TiO2)、氧化铝(AL2O3)等。
在一个实施例中，控制元件150包括蒙脱石(MMT)这是一种具有分层硅酸盐分子结构的粘土。MMT包括硅石四面体片和面对硅石四面体片的氧化铝八面体片的组合。虽然粘土层的总尺寸通常对应于大约1000nm，在粘土层之间的间隔小到1nm就足够了。
于是，诸如聚合物的有机材料就不会轻易在粘土层之间扩散。为了轻易将有机材料(如聚合物)***到亲水的MMT中，氢氯化物衍生物，如盐酸甲胺，和胺衍生物，如丙胺可以用于乳化剂，来将亲水MMT变成亲脂MMT。
控制元件130相对于光学单元100的体积百分比例如在大约0.1％到0.5％的范围内。
光学单元100可以包括插层型纳米复合物，其中，聚合物通过熔接方法、聚合方法和/或化合方法中任一种***在MMT的硅酸盐层之间。另外，光学单元100可以包括鳞片型纳米复合物，其中，MMT的硅酸盐层是片状剥落的。
图3是示出根据本发明的光学单元的示例性横截面图。光学单元200基于与图1和2中的光学单元100相同，除存在散射元件之外。从而，将省略对基本相同的元件的进一步描述。
参照图3，根据本发明另一示例性实施例的光学单元200包括主体210、散射元件230和控制元件250。
散射元件230将入射到光学单元200上的光线在其离开光学单元200之前散射。在一个实施例中，散射元件230包括多个珠子。珠子230例如具有小于主体210的折射率的光学折射率，使得这个差异有利于光学单元200对光线的散射。珠子230可以均匀分布在光学单元200中，使得光学单元200均匀散射入射光。
每个主体230例如具有球形或椭圆体形状。在一个实施例中，希望使每个主体230具有较小的半径。从而，在主体210内存在的主体230的总的表面积较大，使得光学单元200有效地散射入射光。
在一个实施例中，珠子230具有基本上彼此相同的直径。主体230的平均直径例如在大约1微米到大约20微米的范围内。
珠子230相对于光学单元200的体积百分比例如在大约1％到大约10％的范围内。从而，光学单元200具有理想的散射性。
图4是示出本发明的光学单元的另一示例性横截面图。除了存在散射元件之外，光学单元300与图1和2所示的光学单元100基本相同，因此，将省略对基本相同元件的进一步描述。
参照图4，根据本发明再一实施例的光学单元300包括主体310、散射元件330和控制元件350。
散射元件330散射入射到光学单元300上的光线，以提高亮度的均匀性。在一个实施例中，散射元件330包括气泡333和珠子335。每个气泡333的光学折射率和每个珠子335的光学折射率小于主体310的光学折射率。气泡333和珠子335可以均匀分布在主体310中，使得光学单元300均匀散射入射光。
具有纳米尺寸的控制元件350设置在主体310中所含的聚合物内。纳米尺寸的颗粒对纠缠的聚合物链提供加强作用，由此改善纳米尺寸的颗粒与聚合物的结合，丙在主体310内产生各向同性的机械特性。结果，在主体310内均匀产生并分布气泡333和珠子335。
图5是示出根据本发明的背光组件的示例性横截面图，图6是示出图5中部分‘B’的放大图。
参照图5和6，根据本发明示例性实施例的背光组件500包括接收容器410、光源430和光学单元450。
接收容器410包括底板411和从底板411的外部突出的侧壁413，以限定一个接收空间。光源430例如包括荧光灯。在一个实施例中，光源430包括多个设置在底板411上的灯。
背光组件500可以包括图1和2所示的光学单元100、图3所示的光学单元200和图4所示的光学单元300中的至少一个。参照图7，这个实施例的光学单元450基本上与图1和2所示的光学单元100相同。光学单元450包括主体451、散射元件453和控制元件455，它们基本上与光学单元100中的相同。
光学单元450接收从灯430发出的光线，以提高光线的亮度。在一个实施例中，光学单元450例如具有板状形状，并且光学单元450设置在灯430上。在另一实施例中，灯430可以设置成面对光学单元450的一侧。
当光学单元450设置在灯430之上时，对应于灯430的正上部分的第一区域与对应于灯430的剩余部分的第二区域之间的亮度差异较大。由此，为了补偿这种亮度差异，光学单元450保持距灯430预定的距离。
背光组件500可选地包括至少一个光学片530。光学片530设置在光学单元450之上，以增强从光学单元450发出的光线的光学特性。光学片530例如增强光线的前视亮度。
图7是示出根据本发明的显示装置的示例性横截面图，图8是示出图7中部分‘C’的放大图。
参照图7和8，根据本发明示例性实施例的显示装置800包括光学模块600和显示单元700。
光学模块600包括光源610和光学单元630。光源610例如包括荧光灯。在一个实施例中，光学单元630基本与图1和2所示的光学单元100相同。光学单元630接收从灯610发出的光线，以提高光线的亮度均匀性。
光学模块600还可以包括接收容器650和至少一个光学片690。接收容器650包括底板651和从底板651的外部突出的侧壁653，以限定接收空间。光学单元630设置在接收容器650之上，并与灯610分隔开预定距离。光学片690设置在光学单元630之上，以提高从光学单元630发出的光线的光学特性。光学片690例如改善光线的前视亮度。
显示单元700设置在光学模块600上，以利用从光学模块600发出的光线来显示图像。显示单元700包括第一基板710、第二基板750和设置于各基板710和750之间的液晶层(未示出)。
第一基板710包括透明玻璃基板，在该透明玻璃基板上形成具有矩阵形状的薄膜晶体管(TFT)。包括透明导电材料的象素电极形成在第一基板710上。
第二基板750面对第一基板710。RGB(红-绿-蓝)象素通过薄膜工艺形成在第二基板750上。公共电极形成在第二基板750上。公共电极包括透明导电材料，该公共电极对应于第一基板上形成的象素电极。
当在象素电极和公共电极之间产生电场的时候，第一和第二基板710和750之间的液晶层的液晶分子重新排列。当液晶分子的排列改变时，其光学透射率也改变，从而显示具有理想层次的图像。
光学单元630包括作为散射元件633的气泡，用于散射所入射的光线，并包括控制元件635，该控制元件635控制每个气泡的尺寸，使之与其他气泡的尺寸类似。从而，控制原件有利于具有均匀尺寸的气泡的存在。从而，即使灯610和光学单元630之间的距离减小，在显示单元700上的亮线也不会显著增加。
图9是示出根据本发明示例性实施例的制造显示装置的光学单元的流程图。
参照图9，在步骤S1，精细颗粒混合在聚合物中。聚合物可以处于熔融状态。混合在聚合物中的每个颗粒例如在纳米尺寸范围内。每个纳米颗粒在至少一维上具有大约1纳米到大约100纳米的长度。纳米尺寸的颗粒散布在聚合物链中，以改变聚合物的机械强度、热特性、光学特性等。例如，纳米颗粒增强彼此纠缠的聚合物链，并且通过纳米颗粒可以使光学单元100的结合强度各向同性。
然后，在步骤S2，十倍于大气压力的压力施加到发泡剂，如惰性气体、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、溶剂等，使得发泡剂溶解在聚合物和纳米颗粒的混合物中。聚合物和纳米颗粒的混合物例如处于固态。另外，聚合物和纳米颗粒的混合物可以处于液态。发泡剂可以溶解在聚合物和纳米颗粒的混合物中到饱和。
最后，在步骤S3，降低施加在溶解发泡剂的混合物上的压力，并且该混合物被加热到聚合物的玻璃态转化温度之上。在这个加热过程中，聚合物的特性极大地变化，并且聚合物占据液态和固态之间的状态。在这些条件下，在混合物中产生的气泡的核心生长成气泡。这导致用于显示装置的光学单元形成。
当发泡剂溶解在聚合物和纳米颗粒的混合物中时，其中，混合物处于液态，该混合物可以通过喷嘴传输。在通过喷嘴传输之后，高温和高压的混合物改变成低温和低压的混合物。从而，混合物变成热动力学上不稳定的，并且在混合物中产生的气泡的核心经历双节分解(bimodaldecomposition)，以形成气泡。
根据上述方案，纳米尺寸的颗粒使气泡的尺寸均匀一致。换句话说，散布在聚合物链中的纳米颗粒在机械强度方面使得链结构均匀化。从而在聚合物中产生的气泡具有均匀一致的尺寸，并且气泡均匀分布。
根据本发明，光学单元包括气泡，该气泡用作散射光线的散射元件。每个气泡的光学折射率低于聚合物的光学折射率。从而，当光学单元利用气泡作为散射元件使，它的散射率大于用珠子作为散射元件的光学单元。
另外，光学单元有利地包括控制元件，该控制元件有利于产生均匀尺寸的气泡，并且另外使得气泡均匀地分布。从而，即使在灯和光学单元之间的距离减小时，光学单元上的亮线也不会显著增加。
在一个实施例中，随着灯和光学单元之间的距离极大地减小，光学单元上的亮线将减少，并且显示装置的显示质量得以提高。
虽然已经描述了本发明的示例性实施例，但是可以理解的是本发明不应局限于这些实施例，而是在不背离本发明的精髓和范围的前提下，可以作出各种变化和改进。

Claims (32)

1.一种光学单元，包括：
主体；
多个散射元件，所述散射元件设置在所述主体中以散射所入射的光线；以及
多个控制元件，所述控制元件设置在所述主体中，以使散射元件形成基本上均匀的尺寸。
2.如权利要求1所述的光学单元，其中，每个散射元件具有基本球形形状，并且散射元件的直径基本相同。
3.如权利要求2所述的光学单元，其中，所述散射元件的平均直径在大约1微米到大约20微米的范围内。
4.如权利要求2所述的光学单元，其中，所述散射元件相对于光学单元的体积百分比在大约1％到大约10％的范围内。
5.如权利要求1所述的光学单元，其中，所述散射元件包括气泡。
6.如权利要求5所述的光学单元，其中，所述气泡的折射率小于所述主体的折射率。
7.如权利要求1所述的光学单元，其中，所述散射元件包括珠子。
8.如权利要求7所述的光学单元，其中，所述珠子的折射率小于所述主体的折射率。
9.如权利要求1所述的光学单元，其中，所述散射元件包括气泡和珠子。
10.如权利要求1所述的光学单元，其中，所述主体包括聚合物，并且所述控制元件设置在该聚合物中。
11.如权利要求10所述的光学单元，其中，所述控制元件包括颗粒，所述颗粒在至少一维上具有大约1纳米到大约100纳米的长度。
12.如权利要求10所述的光学单元，其中，每个控制元件具有分层的分子结构，并且所述聚合物***在每个控制元件的各层之间。
13.如权利要求10所述的光学单元，其中，控制元件相对于光学单元的体积百分比在大约0.1％到大约0.5％的范围内。
14.如权利要求1所述的光学单元，其中，所述控制元件包括页硅酸盐(或分层的硅酸盐)、多面体倍半硅氧烷、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米硅石、氧化钛(TiO2)、氧化铝(AL2O3)。
15.如权利要求1所述的光学单元，其中，所述控制元件包括蒙脱石(MMT)，该MMT包括硅石四面体片和面对硅石四面体片的氧化铝八面体片的组合。
16.一种背光组件，包括
光源；
光学单元，该光学单元包括：
主体；
多个散射元件，所述散射元件设置在主体中，以散射从光源提供的光线；和
多个控制元件，所述控制元件设置在主体中，以使散射元件形成基本均匀的尺寸；以及
接收容器，该接收容器接纳光源和光学单元。
17.如权利要求16所述的背光组件，其中，每个散射元件具有基本上球形形状，并且散射元件的直径基本上相同。
18.如权利要求16所述的背光组件，其中，所述散射元件包括气泡。
19.如权利要求18所述的背光组件，其中，所述散射元件还包括珠子。
20.如权利要求16所述的背光组件，其中，所述主体包括聚合物，而所述控制元件设置在该聚合物中。
21.如权利要求20所述的背光组件，其中，所述控制元件包括颗粒，每个颗粒在至少一维上具有大约1纳米到大约100纳米的长度。
22.如权利要求20所述的背光组件，其中，每个控制元件具有分层的分子结构，且聚合物***每个控制元件的各层之间。
23.一种显示装置，包括：
光学模块，该光学模块包括：
光源；和
光学单元，该光学单元包括：主体；多个散射元件，所述散射元件设置在主体中，以散射从光源提供的光线；和多个控制元件，所述控制元件设置在主体中，以使散射元件形成基本均匀的尺寸；以及
显示单元，该显示单元设置在光学模块之上，以利用光学模块发出的光线来显示图像。
24.如权利要求23所述的显示装置，其中，每个散射元件具有基本上球形形状，并且散射元件的直径基本上相同。
25.如权利要求23所述的显示装置，其中，所述散射元件包括气泡。
26.如权利要求23所述的显示装置，其中，所述主体包括聚合物，其中所述控制元件设置在该聚合物内。
27.如权利要求26所述的显示装置，其中，所述控制元件包括颗粒，每个颗粒在至少一维上具有大约1纳米到100纳米的长度。
28.一种制造显示装置的光学单元的方法，包括：
将聚合物和颗粒混合，其中每个颗粒在至少一维上具有大约1纳米到100纳米的长度；
以大于大气压的压力加压发泡剂，使得发泡剂溶解于聚合物和颗粒的混合物中；以及
减少其中溶解有发泡剂的混合物的压力，以在混合物中产生气泡。
29.如权利要求28所述的方法，其中，每个气泡具有基本上球形形状，并且气泡被形成为具有基本相同的直径。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述混合物包括聚合物和设置在聚合物中的颗粒。
31.如权利要求28所述的方法，其中，所述聚合物处于熔融状态。
32.如权利要求31所述的方法，其中，所述混合物处于固态和液态的一种状态下。
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