液晶顯示用光學薄膜技術現(xiàn)況與發(fā)展

　　前言：液晶顯示技術1973年問世之后歷經(jīng)30年的進化，目前超過40寸以上全彩HD液晶電視不但已經(jīng)商品化，它的影像畫質、電氣、光學特性更凌駕傳統(tǒng)37寸CRT電視。隨著數(shù)位電視的開播、次世代DVD錄放影機、寬頻無線網(wǎng)路等數(shù)位週邊技術的推廣，大畫面、高畫質的平面顯示器，儼然成為全球顯示市場關注的焦點。

　　以目前來看，各個平面顯示技術之間的競爭可以說相當激烈，尤其液晶顯示和等離子顯示之間的競爭十分激烈。從現(xiàn)狀看來，液晶顯示稍占優(yōu)勢。然而，等離子顯示不僅在應答速度，和視野角這兩個液晶顯示的弱點上不斷自我提升。而且等離子顯示更利用優(yōu)質的色彩能力來平衡因為價格所帶來的弱勢條件，例如，在動態(tài)影像表現(xiàn)方面，也比液晶顯示更小耗電。即使背投與等離子電視最擅長的大畫面領域，若以影像細致度、明亮環(huán)境下的辨視性、消耗電力觀點而言，不可否認未來液晶顯示仍舊扮演關鍵性角色。

　　提升液晶顯示效能的市場需求

　　在2005年之后，平面技術在顯示市場上的占有比例越來越重，相信在幾年之內將會超過50%以上，雖然這對于液晶顯示技術而言，無非是蘊藏了巨大的市場潛力，但是另一方面，也因為如此，使得競爭日益白熱化，業(yè)者每年都不斷的面對降低價格的壓力，因此如果期望在競爭中存活下來，就必須持續(xù)地提升零件和材料的功能性，以及降低生產成本。原理上穿透式液晶顯示必須仰賴以偏光膜片為中心的各種光學膜片，包含可以使液晶的切換識認化的偏光膜片、位相差膜片、輝度提升膜片，以及AG、AR等表面處理層等各種光學膜片。

　　2003 年大尺寸液晶電視正式跨入消費市場之后，立即成為次世代數(shù)位電子產品的所注目的焦點，同時還扮演影響全球市場興衰的重要角色。雖然在部分弱勢基礎上需要面對來自于其他平面技術的挑戰(zhàn)，但是液晶顯示技術仍舊保有一定程度的優(yōu)越性，并且為了在競爭中存活下來，提升液晶顯示材料的功能性，與降低成本將成為一件很重要的事情。

　　從基本原理來看，依照液晶扭轉的動作區(qū)別的話，液晶顯示技術主要包括，TN(Twisted Nematic)、VA(Vertical Algnment)、IPS(In Plane Switching)、OCB(Optically Compenssted Bend)等等4種模式技術，來決定液晶面板的視角、反應速度、生產性等，目前VA與IPS模式的液晶技術已經(jīng)達到成熟商品化的階段。

　　雖然液晶配向的多域化(Multi domain)使得視角獲得大幅度的改善，不過以顯示效能的觀點而言，液晶顯示技術顯然比CRT、等離子顯示更具備競爭優(yōu)勢(advantage)。目前大尺寸顯示器顯示效能較積極被提升的領域包括了，反應速度、輝度、對比、視角、色再現(xiàn)性，以及顯示均勻性等等，其中除了反應速度必須以液晶材料的黏性改善與驅動模式處理之外，其它特性的改善幾乎完全仰賴光學膜片。

　　偏光膜片呈現(xiàn)不同的特性

　　液晶電視非常重視色再現(xiàn)性，液晶顯示利用彩色濾光片來顯示紅藍綠三種基本色，當顯示紅藍綠時，色純度越高色則所獲得的再現(xiàn)性越好，提高色純度意味著必須控制顯示色以外的畫素漏光問題，以及提高各色的對比，即使是顯示中間色紅藍綠穿透率，同樣要求能夠以相同的百分比進行變化。

　　通常液晶顯示是由平行或是直交的兩片偏光膜片與液晶Cell構成，動作時則利用液晶Cell，控制穿透第一片偏光膜片的偏光狀態(tài)，同時調整穿透第二片偏光膜片的光量。偏光膜片是以PVA為中心使碘附著，接著再透過延伸產生雙色性吸收功能，不論偏光膜片平行或是直交，為達成中性(neutral)色相必須控制聚合碘離子種的產生，使它能夠在可視光全領域均衡吸收，同時使聚合碘離子有秩序配向。

　　偏光膜片可分為吸收型及非吸收型兩種，生產吸收型偏光膜片的技中有碘系偏光膜片和染料偏光膜片。目前，幾乎所有被使用的偏光膜片都是具有良好光學特性的碘系偏光膜，然而能夠在高耐久型領域中使用的偏光膜片卻是染料偏光膜片。不過，在光學特性方面碘系偏光膜片卻略勝一籌，在能夠使用的環(huán)境條件上，碘系偏光膜片可承受的環(huán)境為攝氏90度，攝氏60度×90%RH;而染料偏光膜片能夠承受的使用環(huán)境則是攝氏105度，攝氏80度×90%RH，因此如果在高耐久性條件下，碘系偏光膜片便無法承受。

　　所以可攜式電子產品、液晶電視、監(jiān)視器，主要是利用高偏光度獲得高穿透率，因此大多使用碘系偏光膜片;車用電視、GPS等需要在較嚴苛使用環(huán)境下的車用顯示，則使用高耐久性的染料系偏光膜片。

　　目前，液晶用偏光膜片屬于吸收型，它是在單軸延伸的多乙烯基醇(PVA: Poly Vinyl Alcohol使雙色性物質作染色、配向。然而經(jīng)過染色、延伸的偏光膜片機械性非常脆弱，兩側必須以三醋酸硝化纖維素(TAC: Triacetyl Cellulose)作為保護。

　　液晶顯示的黑色、白色顯示取決于偏光膜片平行直交的特性，因此抑制偏光片吸光造成的能量損失非常重要。為提高偏光膜片的特性，除了控制聚乙烯醇的碘吸附狀態(tài)之外，還必須使碘錯體在光軸方向依序配向，如此才能夠提高PVA膜片整體的單軸配向性，進而達成碘離子配向性的提升。

　　反射型偏光膜片

　　背光模組產生的光線在背光模組側的偏光膜片，大約有一半的光線被吸收形成所謂的光損，如果將背光模組的所有光線轉換成直線偏光，就可以消除在偏光膜片的光損。

　　具體方法是在背光模組與吸收型偏光膜片之間，插入不會吸收的反射型偏光膜片，如此一來與穿透軸直交的光線會折返至背光模組側，在背光模組內部反射時能夠消除偏光使光線再度被利用。

　　合併使用反射型偏光膜片提高輝度，已經(jīng)成為不可欠缺的重要技術，根據(jù)實驗結果證實相同背光模組可以獲得1.5倍的輝度，反過來說相同的輝度只需要2/3的背光模組亮度即可，它對消耗電力的降低與使用壽命的延伸具有重大貢獻。

　　偏光膜片的表面處理

　　液晶顯示的對比被定義成黑暗環(huán)境對比與明亮環(huán)境對比兩種，一般對比是指黑暗環(huán)境的對比，此時偏光膜片的偏光度具有支配性。然而液晶電視等大型顯示器，通常是在有照明影的空間觀視，因此明亮環(huán)境的對比反而更受重視。

　　降低外亂光造成的反射光，是明亮環(huán)境下高對比化上非常重要的一環(huán)，為控制外亂反射光，在偏光膜片進行可以使反射光擴散的反強光(Anti-Glare)處理，以及可以削減反射光的強度的反反射光(Anti-Rrflection)處理，成為非常有效的方式。

　　AG處理是將微粒子分散在樹脂內，利用微粒子的大小與覆膜制程控制表面凹凸形狀;AR處理是在偏光膜片的表面堆疊誘電體薄膜。

　　在此同時支援大畫面顯示器的發(fā)展，要求大面積的AG處理技術，因此業(yè)者開發(fā)兼具高生產性與低制作成本的低折射率高分子材料的覆膜技術，此外組合AR與AG處理技術，還可以大幅提高明亮環(huán)境的對比。

　　偏光膜片特性與環(huán)境溫度的依存

　　碘系偏光膜片和染料系偏光膜片的老化構造不同。也就是說，相對于在碘系偏光膜片中具有偏光特性的構造會被破壞，但是染料系偏光膜片并不被破壞，而是產生紊亂的現(xiàn)象了。染料系偏光膜片在乾熱/濕熱條件下，偏光度幾乎不會發(fā)生變化。但是，碘系偏光膜片雖然能可以承受攝氏60度×90%的耐久性試驗，但是當出現(xiàn)攝氏65度×93%的環(huán)境條件下，就無法保持其特性，更糟糕的是當出現(xiàn)攝氏85度×85%更為嚴酷的條件下，會在短時間便失去了偏光特性。

　　另外，染料系偏光膜片在長時間的耐久性試驗中，一般作為偏光膜片保護層被使用的TAC，會發(fā)生薄膜被腐蝕的問題。目前的現(xiàn)狀是通過改變黏合劑等方法來改善這一個問題。

　　碘系偏光膜片耐久性的改善

　　碘系偏光膜片和染料系偏光膜片的不同點在于，PVA上的是多碘分子還是二色性色素。碘系偏光膜目前有兩種技術，I3或I5的多碘分子被包在PVA螺旋結構上的構造，以及多條PVA鍵組合包圍在碘周圍的構造。此外，也一些日本業(yè)者提出，PVA和硼酸的架橋在溶液中變會成Monodiol Type，再乾燥后的狀態(tài)，則會形成Didiol Type。因此由于硼酸具有可逆反應，因此在不同的狀態(tài)下，酯架橋偏移會對偏光膜的耐久性產生影響。

　　關于碘系偏光膜片的高耐久化方面，目前業(yè)界正透過幾個方面來強化，包括了，保護層的改善，透過降低TAC水蒸氣的透過性，使PVA/多碘離子/硼酸發(fā)生膨潤等效果以改善絡化物的不安定性，在黏接膠劑方面，則是改善PVA系的黏接膠劑，并且延伸PVA結晶構造的強度(乾式延伸)，改善黏接膠劑處于高耐久條件下，會產生剝離/冒泡的現(xiàn)象，來抑制腐蝕的現(xiàn)象等等。

　　染料系偏光膜片的高偏光化

　　就如前面所敍述的，染料系偏光膜片所具有的光學耐久性，與碘系偏光膜片有所不同，所以如果應用在汽車中的導航產品面板基本上是不會有太大的問題，不過對于染料系偏光膜片來說，如何提高偏光特性，符合汽車導航系統(tǒng)或汽車電視應用中，高品質畫面顯示要求，就成了染料系偏光膜片最為重要的問題。其中怎樣達到提高染料分子的配向性，來維持偏光特性這一問題最為重要。

　　染料系偏光膜片的偏光特性的原理，是將染料分子進行特定方向排列，特定方向的遷移力矩擴大，因此在某一方向上的吸收就會發(fā)生異常。理想上來說，延伸方向上染料分子的配向方向一致，在此基礎上，最希望染料的遷移力矩能夠盡可能與染料分子方向一致。染料配向方向與遷移力矩并列的控制，是從Guest-host效應顯示的染料開發(fā)時就開始進行的，并且透過改變偶氮色素的置換基，來提升配向性。因此在使用二色性色素偏光膜片的開發(fā)過程中，需要關注幾點才能夠開發(fā)出高品質的偏光膜片，包括了，色素分子的設計及合成、色素配合的模擬、染色方法的改善。

　　整體來說，如果期望開發(fā)出高配向性，需要透過幾點的改善來獲得更好的偏光特性，例如像為了提高PVA的配向度，實行乾式延伸法或壓延伸法、延伸條件(延伸溫度等)的最適化、為了提高PVA分子鍵和染料的配向度，改變色素的構造，以及為了控制、維持染料吸附于PVA分子鍵上，對染色方法進行改善等等。

　　在高濃度硼酸溶液中發(fā)生的延伸，當延伸溫度較低時，由于分子鍵被切斷，偏光特性會急速下降。此外，相反在高溫延伸中，會發(fā)生分子鍵的flow現(xiàn)象，由于配向度沒有上升，因此偏光特性也不會有所提高。因此為了使其具有偏光特性，必須具有適當?shù)难由炀o張狀態(tài)。在色素分子設計上，重要的是要設計出使分子軸和遷移力矩盡可能地保持一致，并減少二色比較低的副生成物。

　　位相差膜片克服視角問題

　　對液晶電視而言視角越大，越能感受臨場感的視聽效果。傳統(tǒng)525條電視的NTSC只有100，1080條高畫質電視的NTSC為300，次世代4000條超高畫質電視的NTSC預定1000，高精細大畫面顯示器在此視角內的影像顯示必須非常均勻，同時還要求廣視角化必須是克服視角造成的光學特性差，這意味著液晶特有的光學異方性(多重折射)與偏光膜片的視角特性，必須利用位相差膜片作光學補償。

　　制作位相差膜片時要求的技術，是同時從材料與制程控制分子配向，與自由控制三次元折射率橢圓體，此外位相差膜片還需要提高RGB對光線的補償強度，該技術包含控制材料造成的複折射波長依存性等精密光學補償技術。

　　隨著液晶電視的問世市場不斷要求液晶顯示的廣視角化，然而實際上即使擁有TFT-液晶顯示廣視角化技術，仍然無法完全滿足液晶電視要求的規(guī)格，因此VA模式(VA: Vertically Aligned Mode)與IPS模式(In Panel Switching Mode)成為有力的補強技術。

　　VA 模式使用非晶硅聚烯烴(Amorphous Polyolefine)當作雙軸膜片，經(jīng)過覆膜后的負單軸性補償膜片已經(jīng)在2002年商品化;以單層光學補償層作視角補償?shù)母材ぱa償膜片，則在2004 年實用化。而有關IPS模式的發(fā)展方面，同樣為滿足液晶電視要求的規(guī)格導入廣視角技術，IPS模式的視角主要依賴偏光膜片的視角，偏光膜片的廣視角化使用具備nx>nz>ny折射率關係的位相差膜片。然而偏光膜片的保護層使用的三醋酸纖維素(TAC: Triacetyl Cellulose)膜片具有位相差，因此當視角改變時會影響色彩移動，必需改用無位相差的保護層，目前無位相差的保護層已經(jīng)實用化。

　　光學膜片的材料現(xiàn)況

　　隨著大型顯示器的大畫面化、高輝度化、高對比化，各式各樣光學性不均，亦即所謂的“MURA”極易發(fā)生，例如高對比液晶顯示器與低對比液晶顯示器比較時，黑色輝度差容易被視認成不均，因此要求高對比的大畫面液晶顯示的MURA對策非常重要。

　　發(fā)生MURA主要原因是光學膜片面內部位造成不均一所致，換言之偏光膜片的穿透率不均，位相差膜片的位相差值不均，光軸方向部位造成的偏差，表面處理時的凹凸形狀分布不均，反射率分布不均，都是產生MURA的潛在原因。

　　如果進一步調查MURA的發(fā)生原因，可以發(fā)現(xiàn)MURA甚至涉及膜片材料厚度的不均，材料的不均質性，制程的處理條件變動等細節(jié)問題，為抑制MURA的發(fā)生，必須改善制程技術、開發(fā)生產設備。

　　實際使用狀況初期被視認的MURA反而比較多，例如背光照明模組造成液晶面板溫升，透過機殼結構的改善可以防止面板內部發(fā)生溫度分布，即使發(fā)生溫度分布，透過材料設計同樣可以防止光學特性發(fā)生變化。

　　在此環(huán)境變化下光學膜片受到各構成材料的膨脹與收縮影響產生應力，光學膜片一旦承受應力，會發(fā)生位相差、偏離光學補償狀態(tài)，其結造成該部位被視認成 MURA。減緩應力必須充分考慮各構成材料的彈性率、線膨脹係數(shù)、吸濕膨脹係數(shù)，有效對策例如即使發(fā)生應力，也能夠緩和應力的方法，或是設計不易發(fā)生光學特性變化的低光彈性係數(shù)。

　　提高光學膜片的特性成為提高液晶顯示的顯示效能必要條件，大型液晶顯示用光學膜片除了持續(xù)提高效能之外，面積擴大與無瑕疵化等材料、制程，同樣要求革命性的技術進化。

　　高耐久性材料讓技術立于不敗

　　未來不斷更好地維持甚或是提高光學特性，需要確保能夠達到光學膜片耐久性的目標。因此，無論是有機偏光膜片還是無機偏光膜片，都應該強化材料的開發(fā)。以電視為主體的大型平面顯示器市場，還處在成長發(fā)展過展過程中，面臨顯示器大型化、高細致化的發(fā)展趨勢，未來光學膜片勢必扮演更重要的角色。今后以偏光膜片為中心的光學膜片，除了光學特性設計之外還需進行材料、制程多方面的技術開發(fā)。

　　在乘著數(shù)位化浪潮上，液晶電視、PDP、背投電視機之間的競爭正日趨激烈。如果期望液晶顯示器能夠力于不敗地位的話，那么對于所使用的材料，就必須研發(fā)出讓壽命延長化的技術，來透過原材料的開發(fā)、生產方法的改善等方式開發(fā)出具有高耐久性的材料。