液晶聚合物光學膜在顯示領域的應用

現今市面上的光學膜產品種類繁多，功能不盡相同，依材料可簡單區分為同向性的高分子膜(Isotropic Polymer Film)以及異向性液晶膜(Anisotropic Liquid Crystal Film)兩大類，本文將聚焦于異向性液晶膜或液晶聚合物薄膜的原物料——UV反應性液晶材料作簡單介紹。

　　UV反應性液晶材料

　　眾所周知，液晶即液態晶體(Liquid Crystal)，不過亦有人因為液晶是介于液態與固態間而稱為Mesogen，因此，默克公司將所反應性液晶命名為Reactive Mesogen。

　　簡單地說，相比于普通的光電液晶分子，在分子結構上，反應性液晶除了具有液晶核心以外(Core Group)，末端還帶有一個或多個可反應官能基(Reactive Groups)，可經光聚合成高分子網絡(Polymer Network)，即液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer)。由于所使用的聚合起始劑多為UV感光型(波長為254～365nm)，故稱為UV反應性液晶。

　　液晶聚合物光學膜的優點

　　傳統光學膜多以高分子經單軸或雙軸延伸而成，原本分子軸呈雜亂排列的同向性(Isotropic)會隨著延伸方向而偏轉至異向性(Anisotropic)，從而使不同方向的入射光的行進速度產生差異，即相位延遲現象(Retardation, R)，可用來調整或補償光的相位。

　　一般相位延遲量可由薄膜的雙軸折射率的差異(Birefringence，△n)與薄膜的厚度(d)乘積計算，即R=△nd。而無論是棒狀(Rod-like)或碟狀(Discotic )的液晶分子，雖然整體異向性仍取決于排列規則，但基本上液晶的雙折射率約在0.1，雙折射率是傳統高分子延伸膜十倍甚至百倍，因此所制作出的光學膜薄膜厚度可以非常小，非常適用于卷對卷(roll-to-roll)的涂布制程。

　　前述整體液晶的異向性與排列規則性相關，不過由于液晶的自組裝性(self-assembly)，因此在特定條件下，即可得全面性單一的規則性，即所謂單疇區(monodomain)。

　　如果小分子液晶利用不同表面處理與材料設計，可得到不同的軸向型態(orientation)，如平躺(planar)、直立(vertical)、傾斜(tilted)或混合(hybrid)，如圖一所示，非常合適各種各類光學膜的需求設計。

　　因此，利用反應性液晶制作光學膜具有大面積、單疇區、且有配向型態(aligned morphology)的優勢，這是傳統高分子光學膜所無法相較之處。

　　液晶聚合物光學膜在顯示領域的應用

　　液晶具有多種軸向排列可從事需求多變化的光學膜制作，目前包括廣視角膜、增亮膜、偏光膜等顯示器用光學膜。以下介紹各種光學膜與反應性液晶的關聯性。

　　廣視角膜

　　針對TFT-LCD 廣視角特性所開發的光學補償膜材料大致分為可延伸型高分子型如PC、PS，反應性液晶類-碟狀液晶、棒狀液晶，以及最近被使用可旋轉涂布高分子型如PI等。以補償功能而言，可依之光學軸方向分為單軸、雙軸。單軸系指補償膜在xyz方向上的折射率nx, ny, nz具有nx= ny1 nz的關系;而雙軸則是指具有nx1 ny1 nz的關系的補償膜。

　　簡單的說，廣視角膜就是相位補償膜，補償原理為「截長補短」。根據液晶顯示器驅動分子受限于邊界條件影響所產生漏光現象，可歸類3種簡單對應之單軸結構補償膜：A-plate、O-plate、C-plate。

　　根據相位補償膜的光軸區分，光軸平行于薄膜表面稱為A-plate，垂直表面稱為C-plate，與表面成一傾角稱O-plate。以棒狀液晶為例：A-plate可通過水平配向制得，用來補償液晶盒中直立的液晶分子;O-plate的制作常用方法采則較大預傾角之配向膜或斜向蒸鍍，主要補償液晶盒驅動過程中的反向傾斜液晶分子;C-plate為分子直立的光學膜，一般用垂直配向可得，用來補償液晶盒中水平排列的液晶分子。

　　而若采用負型液晶類別的反應性碟狀(discotic)液晶，由于其C軸(光學對稱軸)的折射率(off-axis, nz) 大于平面折射率(on-axis, nx、ny)。因此這種分子平躺則為負C-plate，直立時為負A-plate。

　　不過由于單軸分子(uniaxial)無法完全滿足平面需求特性，雙軸(biaxial)補償膜的研究需求同樣與日俱增。

　　所謂雙軸之補償膜則是指光軸具有空間連續變化指向的補償膜：光軸在同一平面變化為傾斜變化(Tilt);另一種常見的為扭轉變化(Twist)，即最下層與最上層之光軸相互垂直之連續變化的光軸。

　　例如分子設計為扇形開展(splay)或一端水平一端垂直的混合型(hybrid);例如1996年Fujifilm公司Mori博士所設計的hybrid碟狀液晶的廣視角膜，其圓盤狀結構與補償配置如圖二。

　　增亮膜

　　接下來介紹的增亮膜是一種具有光回收機制的反應性膽固醇液晶(cholesteric)增亮膜(cholesteric reflective polarizer, CRP)。

　　膽固醇液晶是一種有天生螺旋結構(naturally helical structure)，其螺旋結構并不會因為光聚合而破壞;當入射光進入時，有一半的入射光(圓偏光)會順著螺旋結構進入，而另一半則因逆旋而被反射，這就是所謂的(圓)偏光選擇性，因此，有時也被當作偏光轉換膜(polarization conversion film)使用(圖三)。

　　圖三 膽固醇液晶螺旋結構與反應機制

　　應用膽固醇液晶作為增亮膜的原理見圖四，背光源發射的光經過膽固醇增亮膜(例如左旋膽固醇液晶)時，右旋偏振光會直接穿過，而左旋圓偏振會被反射。而被反射的這部分左旋圓偏振光會被背光模組中的反射背板重新反射，繼而變成右旋圓偏振光穿過膽固醇增亮膜，達到增亮的效果。

　　相較于傳統偏光片的穿透—吸收機制，CRP為穿透-反射->二次穿透機制，可有效的進行光回收，減少整體的光損失。若進一步貼合1/4波片，則偏光機制將由圓偏光轉至線偏光片。

　　偏光膜

　　傳統偏光膜是碘系偏光膜，其制造流程是透明PVA膜吸附碘離子經單軸延伸后，而賦與偏光機制，不過由于PVA易吸水，必須外加2層TAC膜來保護，成本與產品厚度一直是問題。

　　相較之下，具有異向性的反應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，除制程較簡單、厚度較薄特點外，更可制成in-cell 偏光片，進一步解決多層接口光學干擾，提高光學效益。

　　目前有棒狀(rod-like)或碟狀(discotic )液晶兩類反應性液晶，由于兩者的雙折射率為一正一負，他們的吸收軸方向恰好互相垂直，一般定義前者為O型偏光片(ordinary ray, O-ray)，后者為E型偏光片(extraordinary ray, E-ray)。

　　綜合以上介紹，雖然現今市面上的光學膜產品種類繁多，但相信新功能的反應性液晶光學膜仍能不斷被開發，借由不同的操作技巧、不同的材料、不同的表面處理、外加電場等，UV反應性液晶可變化光學幾何上不同構型的光學膜對應不同的光學需求。