详解:液晶聚合物光学膜在显示领域的应用

现今市面上的光学膜产品种类繁多,功能不尽相同,依材料可简单区分为同向性的高分子膜(Isotropic Polymer Film)以及异向性液晶膜(Anisotropic Liquid Crystal Film)两大类,本文将聚焦于异向性液晶膜或液晶聚合物薄膜的原物料——UV反应性液晶材料作简单介绍。

UV反应性液晶材料

众所周知,液晶即液态晶体(Liquid Crystal),不过亦有人因为液晶是介于液态与固态间而称为Mesogen,因此,默克公司将所反应性液晶命名为Reactive Mesogen。

 

简单地说,相比于普通的光电液晶分子,在分子结构上,反应性液晶除了具有液晶核心以外(Core Group),末端还带有一个或多个可反应官能基(Reactive Groups),可经光聚合成高分子网络(Polymer Network),即液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer)。由于所使用的聚合起始剂多为UV感光型(波长为254~365nm),故称为UV反应性液晶。

液晶聚合物光学膜的优点

传统光学膜多以高分子经单轴或双轴延伸而成,原本分子轴呈杂乱排列的同向性(Isotropic)会随着延伸方向而偏转至异向性(Anisotropic),从而使不同方向的入射光的行进速度产生差异,即相位延迟现象(Retardation, R),可用来调整或补偿光的相位。

 

一般相位延迟量可由薄膜的双轴折射率的差异(Birefringence,△n)与薄膜的厚度(d)乘积计算,即R=△nd。而无论是棒状(Rod-like)或碟状(Discotic )的液晶分子,虽然整体异向性仍取决于排列规则,但基本上液晶的双折射率约在0.1,双折射率是传统高分子延伸膜十倍甚至百倍,因此所制作出的光学膜薄膜厚度可以非常小,非常适用于卷对卷(roll-to-roll)的涂布制程。

 

前述整体液晶的异向性与排列规则性相关,不过由于液晶的自组装性(self-assembly),因此在特定条件下,即可得全面性单一的规则性,即所谓单畴区(monodomain)。

 

如果小分子液晶利用不同表面处理与材料设计,可得到不同的轴向型态(orientation),如平躺(planar)、直立(vertical)、倾斜(tilted)或混合(hybrid),如图一所示,非常合适各种各类光学膜的需求设计。

图1、不同的轴向型态示意图,上为棒状液晶,下图为碟状液晶

因此,利用反应性液晶制作光学膜具有大面积、单畴区、且有配向型态(aligned morphology)的优势,这是传统高分子光学膜所无法相较之处。

液晶聚合物光学膜在显示领域的应用

液晶具有多种轴向排列可从事需求多变化的光学膜制作,目前包括广视角膜、增亮膜、偏光膜等显示器用光学膜。以下介绍各种光学膜与反应性液晶的关联性。

  • 广视角膜

针对TFT-LCD 广视角特性所开发的光学补偿膜材料大致分为可延伸型高分子型如PC、PS,反应性液晶类-碟状液晶、棒状液晶,以及最近被使用可旋转涂布高分子型如PI等。以补偿功能而言,可依之光学轴方向分为单轴、双轴。单轴系指补偿膜在xyz方向上的折射率nx, ny, nz具有nx= ny¹ nz的关系;而双轴则是指具有nx¹ ny¹ nz的关系的补偿膜。

 

简单的说,广视角膜就是相位补偿膜,补偿原理为「截长补短」。根据液晶显示器驱动分子受限于边界条件影响所产生漏光现象,可归类3种简单对应之单轴结构补偿膜:A-plate、O-plate、C-plate。

 

根据相位补偿膜的光轴区分,光轴平行于薄膜表面称为A-plate,垂直表面称为C-plate,与表面成一倾角称O-plate。以棒状液晶为例:A-plate可通过水平配向制得,用来补偿液晶盒中直立的液晶分子;O-plate的制作常用方法采则较大预倾角之配向膜或斜向蒸镀,主要补偿液晶盒驱动过程中的反向倾斜液晶分子;C-plate为分子直立的光学膜,一般用垂直配向可得,用来补偿液晶盒中水平排列的液晶分子。

 

而若采用负型液晶类别的反应性碟状(discotic)液晶,由于其C轴(光学对称轴)的折射率(off-axis, nz) 大于平面折射率(on-axis, nx、ny)。因此这种分子平躺则为负C-plate,直立时为负A-plate。

 

不过由于单轴分子(uniaxial)无法完全满足平面需求特性,双轴(biaxial)补偿膜的研究需求同样与日俱增。

 

所谓双轴之补偿膜则是指光轴具有空间连续变化指向的补偿膜:光轴在同一平面变化为倾斜变化(Tilt);另一种常见的为扭转变化(Twist),即最下层与最上层之光轴相互垂直之连续变化的光轴。

 

例如分子设计为扇形开展(splay)或一端水平一端垂直的混合型(hybrid);例如1996年Fujifilm公司Mori博士所设计的hybrid碟状液晶的广视角膜,其圆盘状结构与补偿配置如图二。

图2、Fujifilm-WV 补偿配置与圆盘状结构

  • 增亮膜

接下来介绍的增亮膜是一种具有光回收机制的反应性胆固醇液晶(cholesteric)增亮膜(cholesteric reflective polarizer, CRP)。

 

胆固醇液晶是一种有天生螺旋结构(naturally helical structure),其螺旋结构并不会因为光聚合而破坏;当入射光进入时,有一半的入射光(圆偏光)会顺着螺旋结构进入,而另一半则因逆旋而被反射,这就是所谓的(圆)偏光选择性,因此,有时也被当作偏光转换膜(polarization conversion film)使用(图三)。

图3、胆固醇液晶螺旋结构与反应机制

应用胆固醇液晶作为增亮膜的原理见图四,背光源发射的光经过胆固醇增亮膜(例如左旋胆固醇液晶)时,右旋偏振光会直接穿过,而左旋圆偏振会被反射。而被反射的这部分左旋圆偏振光会被背光模组中的反射背板重新反射,继而变成右旋圆偏振光穿过胆固醇增亮膜,达到增亮的效果。

图4、增亮膜应用原理

相较于传统偏光片的穿透—吸收机制,CRP为穿透-反射->二次穿透机制,可有效的进行光回收,减少整体的光损失。若进一步贴合1/4波片,则偏光机制将由圆偏光转至线偏光片。

  • 偏光膜

传统偏光膜是碘系偏光膜,其制造流程是透明PVA膜吸附碘离子经单轴延伸后,而赋与偏光机制,不过由于PVA易吸水,必须外加2层TAC膜来保护,成本与产品厚度一直是问题。

 

相较之下,具有异向性的反应性液晶以添加二色性染料所完成的涂布型薄膜液晶偏光膜,除制程较简单、厚度较薄特点外,更可制成in-cell 偏光片,进一步解决多层接口光学干扰,提高光学效益。

 

目前有棒状(rod-like)或碟状(discotic )液晶两类反应性液晶,由于两者的双折射率为一正一负,他们的吸收轴方向恰好互相垂直,一般定义前者为O型偏光片(ordinary ray, O-ray),后者为E型偏光片(extraordinary ray, E-ray)。

图5、O型偏光片(左),E型偏光片(右)

图6、外贴式偏光片(上),液晶盒内偏光片(下)

综合以上介绍,虽然现今市面上的光学膜产品种类繁多,但相信新功能的反应性液晶光学膜仍能不断被开发,借由不同的操作技巧、不同的材料、不同的表面处理、外加电场等,UV反应性液晶可变化光学几何上不同构型的光学膜对应不同的光学需求。

文章来源:莱拓新材料

关键词:光学膜展、薄膜展、功能性薄膜展