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液晶显示用光学薄膜技术现况与发展

导读: 前言:液晶显示技术1973年问世之后历经30年的进化,目前超过40寸以上全彩HD液晶电视不但已经商品化,它的影像画质、电气、光学特性更凌驾传统37寸CRT电视。随着数位电视的开播、次世代DVD录放影机、宽频无线网路等数位週边技术的推广,大画面、高画质的平面显示器,俨然成为全球显示市场关注的焦点。

前言:液晶显示技术1973年问世之后历经30年的进化,目前超过40寸以上全彩HD液晶电视不但已经商品化,它的影像画质、电气、光学特性更凌驾传统37寸CRT电视。随着数位电视的开播、次世代DVD录放影机、宽频无线网路等数位週边技术的推广,大画面、高画质的平面显示器,俨然成为全球显示市场关注的焦点。

以目前来看,各个平面显示技术之间的竞争可以说相当激烈,尤其液晶显示和等离子显示之间的竞争十分激烈。从现状看来,液晶显示稍占优势。然而,等离子显示不仅在应答速度,和视野角这两个液晶显示的弱点上不断自我提升。而且等离子显示更利用优质的色彩能力来平衡因为价格所带来的弱势条件,例如,在动态影像表现方面,也比液晶显示更小耗电。即使背投与等离子电视最擅长的大画面领域,若以影像细致度、明亮环境下的辨视性、消耗电力观点而言,不可否认未来液晶显示仍旧扮演关键性角色。

提升液晶显示效能的市场需求

在2005年之后,平面技术在显示市场上的占有比例越来越重,相信在几年之内将会超过50%以上,虽然这对于液晶显示技术而言,无非是蕴藏了巨大的市场潜力,但是另一方面,也因为如此,使得竞争日益白热化,业者每年都不断的面对降低价格的压力,因此如果期望在竞争中存活下来,就必须持续地提升零件和材料的功能性,以及降低生产成本。原理上穿透式液晶显示必须仰赖以偏光膜片为中心的各种光学膜片,包含可以使液晶的切换识认化的偏光膜片、位相差膜片、辉度提升膜片,以及AG、AR等表面处理层等各种光学膜片。

2003年大尺寸液晶电视正式跨入消费市场之后,立即成为次世代数位电子产品的所注目的焦点,同时还扮演影响全球市场兴衰的重要角色。虽然在部分弱势基础上需要面对来自于其他平面技术的挑战,但是液晶显示技术仍旧保有一定程度的优越性,并且为了在竞争中存活下来,提升液晶显示材料的功能性,与降低成本将成为一件很重要的事情。

从基本原理来看,依照液晶扭转的动作区别的话,液晶显示技术主要包括,TN(Twisted Nematic)、VA(Vertical Algnment)、IPS(In Plane Switching)、OCB(Optically Compenssted Bend)等等4种模式技术,来决定液晶面板的视角、反应速度、生产性等,目前VA与IPS模式的液晶技术已经达到成熟商品化的阶段。

虽然液晶配向的多域化(Multi domain)使得视角获得大幅度的改善,不过以显示效能的观点而言,液晶显示技术显然比CRT、等离子显示更具备竞争优势(advantage)。目前大尺寸显示器显示效能较积极被提升的领域包括了,反应速度、辉度、对比、视角、色再现性,以及显示均匀性等等,其中除了反应速度必须以液晶材料的黏性改善与驱动模式处理之外,其它特性的改善几乎完全仰赖光学膜片。


图说:由于液晶显示的技术先天特性上,会出现相当多的无法避面的问题,因此就需要採用各种不同的光学膜片来加以改善或避免

偏光膜片呈现不同的特性

液晶电视非常重视色再现性,液晶显示利用彩色滤光片来显示红蓝绿三种基本色,当显示红蓝绿时,色纯度越高色则所获得的再现性越好,提高色纯度意味着必须控制显示色以外的画素漏光问题,以及提高各色的对比,即使是显示中间色红蓝绿穿透率,同样要求能够以相同的百分比进行变化。

通常液晶显示是由平行或是直交的两片偏光膜片与液晶Cell构成,动作时则利用液晶Cell,控制穿透第一片偏光膜片的偏光状态,同时调整穿透第二片偏光膜片的光量。偏光膜片是以PVA为中心使碘附着,接着再透过延伸产生双色性吸收功能,不论偏光膜片平行或是直交,为达成中性(neutral)色相必须控制聚合碘离子种的产生,使它能够在可视光全领域均衡吸收,同时使聚合碘离子有秩序配向。

偏光膜片可分为吸收型及非吸收型两种,生产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,几乎所有被使用的偏光膜片都是具有良好光学特性的碘系偏光膜,然而能够在高耐久型领域中使用的偏光膜片却是染料偏光膜片。不过,在光学特性方面碘系偏光膜片却略胜一筹,在能够使用的环境条件上,碘系偏光膜片可承受的环境为摄氏90度,摄氏60度×90%RH;而染料偏光膜片能够承受的使用环境则是摄氏105度,摄氏80度×90%RH,因此如果在高耐久性条件下,碘系偏光膜片便无法承受。

所以可携式电子产品、液晶电视、监视器,主要是利用高偏光度获得高穿透率,因此大多使用碘系偏光膜片;车用电视、GPS等需要在较严苛使用环境下的车用显示,则使用高耐久性的染料系偏光膜片。

目前,液晶用偏光膜片属于吸收型,它是在单轴延伸的多乙烯基醇(PVA: Poly Vinyl Alcohol使双色性物质作染色、配向。然而经过染色、延伸的偏光膜片机械性非常脆弱,两侧必须以三醋酸硝化纤维素(TAC: Triacetyl Cellulose)作为保护。

液晶显示的黑色、白色显示取决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损失非常重要。为提高偏光膜片的特性,除了控制聚乙烯醇的碘吸附状态之外,还必须使碘错体在光轴方向依序配向,如此才能够提高PVA膜片整体的单轴配向性,进而达成碘离子配向性的提升。


图说:车用电视、GPS等需要在较严苛使用环境下操作与使用,因此大多则使用高耐久性的染料系偏光膜片,来确保显示萤幕的运作功能正常性

反射型偏光膜片

背光模组产生的光线在背光模组侧的偏光膜片,大约有一半的光线被吸收形成所谓的光损,如果将背光模组的所有光线转换成直线偏光,就可以消除在偏光膜片的光损。

具体方法是在背光模组与吸收型偏光膜片之间,插入不会吸收的反射型偏光膜片,如此一来与穿透轴直交的光线会折返至背光模组侧,在背光模组内部反射时能够消除偏光使光线再度被利用。

合併使用反射型偏光膜片提高辉度,已经成为不可欠缺的重要技术,根据实验结果证实相同背光模组可以获得1.5倍的辉度,反过来说相同的辉度只需要2/3的背光模组亮度即可,它对消耗电力的降低与使用寿命的延伸具有重大贡献。

偏光膜片的表面处理

液晶显示的对比被定义成黑暗环境对比与明亮环境对比两种,一般对比是指黑暗环境的对比,此时偏光膜片的偏光度具有支配性。然而液晶电视等大型显示器,通常是在有照明影的空间观视,因此明亮环境的对比反而更受重视。

降低外乱光造成的反射光,是明亮环境下高对比化上非常重要的一环,为控制外乱反射光,在偏光膜片进行可以使反射光扩散的反强光(Anti-Glare)处理,以及可以削减反射光的强度的反反射光(Anti-Rrflection)处理,成为非常有效的方式。

AG处理是将微粒子分散在树脂内,利用微粒子的大小与覆膜制程控制表面凹凸形状;AR处理是在偏光膜片的表面堆叠诱电体薄膜。

在此同时支援大画面显示器的发展,要求大面积的AG处理技术,因此业者开发兼具高生产性与低制作成本的低折射率高分子材料的覆膜技术,此外组合AR与AG处理技术,还可以大幅提高明亮环境的对比。

偏光膜片特性与环境温度的依存

碘系偏光膜片和染料系偏光膜片的老化构造不同。也就是说,相对于在碘系偏光膜片中具有偏光特性的构造会被破坏,但是染料系偏光膜片并不被破坏,而是产生紊乱的现象了。染料系偏光膜片在乾热/湿热条件下,偏光度几乎不会发生变化。但是,碘系偏光膜片虽然能可以承受摄氏60度×90%的耐久性试验,但是当出现摄氏65度×93%的环境条件下,就无法保持其特性,更糟糕的是当出现摄氏85度×85%更为严酷的条件下,会在短时间便失去了偏光特性。

另外,染料系偏光膜片在长时间的耐久性试验中,一般作为偏光膜片保护层被使用的TAC,会发生薄膜被腐蚀的问题。目前的现状是通过改变黏合剂等方法来改善这一个问题。


图说:如果环境温度过高的话,那么液晶面板所採用的偏光膜片,有可能短时间会失去偏光特性

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点在于,PVA上的是多碘分子还是二色性色素。碘系偏光膜目前有两种技术,I3或I5的多碘分子被包在PVA螺旋结构上的构造,以及多条PVA键组合包围在碘周围的构造。此外,也一些日本业者提出,PVA和硼酸的架桥在溶液中变会成Monodiol Type,再乾燥后的状态,则会形成Didiol Type。因此由于硼酸具有可逆反应,因此在不同的状态下,酯架桥偏移会对偏光膜的耐久性产生影响。

关于碘系偏光膜片的高耐久化方面,目前业界正透过几个方面来强化,包括了,保护层的改善,透过降低TAC水蒸气的透过性,使PVA/多碘离子/硼酸发生膨润等效果以改善络化物的不安定性,在黏接胶剂方面,则是改善PVA系的黏接胶剂,并且延伸PVA结晶构造的强度(乾式延伸),改善黏接胶剂处于高耐久条件下,会产生剥离/冒泡的现象,来抑制腐蚀的现象等等。

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学耐久性,与碘系偏光膜片有所不同,所以如果应用在汽车中的导航产品面板基本上是不会有太大的问题,不过对于染料系偏光膜片来说,如何提高偏光特性,符合汽车导航系统或汽车电视应用中,高品质画面显示要求,就成了染料系偏光膜片最为重要的问题。其中怎样达到提高染料分子的配向性,来维持偏光特性这一问题最为重要。

染料系偏光膜片的偏光特性的原理,是将染料分子进行特定方向排列,特定方向的迁移力矩扩大,因此在某一方向上的吸收就会发生异常。理想上来说,延伸方向上染料分子的配向方向一致,在此基础上,最希望染料的迁移力矩能够尽可能与染料分子方向一致。染料配向方向与迁移力矩并列的控制,是从Guest-host效应显示的染料开发时就开始进行的,并且透过改变偶氮色素的置换基,来提升配向性。因此在使用二色性色素偏光膜片的开发过程中,需要关注几点才能够开发出高品质的偏光膜片,包括了,色素分子的设计及合成、色素配合的模拟、染色方法的改善。


图说:液晶显示的黑色、白色显示取决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损失非常重要

整体来说,如果期望开发出高配向性,需要透过几点的改善来获得更好的偏光特性,例如像为了提高PVA的配向度,实行乾式延伸法或压延伸法、延伸条件(延伸温度等)的最适化、为了提高PVA分子键和染料的配向度,改变色素的构造,以及为了控制、维持染料吸附于PVA分子键上,对染色方法进行改善等等。

在高浓度硼酸溶液中发生的延伸,当延伸温度较低时,由于分子键被切断,偏光特性会急速下降。此外,相反在高温延伸中,会发生分子键的flow现象,由于配向度没有上升,因此偏光特性也不会有所提高。因此为了使其具有偏光特性,必须具有适当的延伸紧张状态。在色素分子设计上,重要的是要设计出使分子轴和迁移力矩尽可能地保持一致,并减少二色比较低的副生成物。

位相差膜片克服视角问题

对液晶电视而言视角越大,越能感受临场感的视听效果。传统525条电视的NTSC只有100,1080条高画质电视的NTSC为300,次世代4000条超高画质电视的NTSC预定1000,高精细大画面显示器在此视角内的影像显示必须非常均匀,同时还要求广视角化必须是克服视角造成的光学特性差,这意味着液晶特有的光学异方性(多重折射)与偏光膜片的视角特性,必须利用位相差膜片作光学补偿。

制作位相差膜片时要求的技术,是同时从材料与制程控制分子配向,与自由控制三次元折射率椭圆体,此外位相差膜片还需要提高RGB对光线的补偿强度,该技术包含控制材料造成的複折射波长依存性等精密光学补偿技术。

随着液晶电视的问世市场不断要求液晶显示的广视角化,然而实际上即使拥有TFT-液晶显示广视角化技术,仍然无法完全满足液晶电视要求的规格,因此VA模式(VA: Vertically Aligned Mode)与IPS模式(In Panel Switching Mode)成为有力的补强技术。


图说:高精细大画面显示器在此视角内的影像显示必须非常均匀,这就必须利用位相差膜片作光学补偿

VA模式使用非晶硅聚烯烃(Amorphous Polyolefine)当作双轴膜片,经过覆膜后的负单轴性补偿膜片已经在2002年商品化;以单层光学补偿层作视角补偿的覆膜补偿膜片,则在2004年实用化。而有关IPS模式的发展方面,同样为满足液晶电视要求的规格导入广视角技术,IPS模式的视角主要依赖偏光膜片的视角,偏光膜片的广视角化使用具备nx>nz>ny折射率关係的位相差膜片。然而偏光膜片的保护层使用的三醋酸纤维素(TAC: Triacetyl Cellulose)膜片具有位相差,因此当视角改变时会影响色彩移动,必需改用无位相差的保护层,目前无位相差的保护层已经实用化。

光学膜片的材料现况

随着大型显示器的大画面化、高辉度化、高对比化,各式各样光学性不均,亦即所谓的“MURA”极易发生,例如高对比液晶显示器与低对比液晶显示器比较时,黑色辉度差容易被视认成不均,因此要求高对比的大画面液晶显示的MURA对策非常重要。

发生MURA主要原因是光学膜片面内部位造成不均一所致,换言之偏光膜片的穿透率不均,位相差膜片的位相差值不均,光轴方向部位造成的偏差,表面处理时的凹凸形状分布不均,反射率分布不均,都是产生MURA的潜在原因。

如果进一步调查MURA的发生原因,可以发现MURA甚至涉及膜片材料厚度的不均,材料的不均质性,制程的处理条件变动等细节问题,为抑制MURA的发生,必须改善制程技术、开发生产设备。

实际使用状况初期被视认的MURA反而比较多,例如背光照明模组造成液晶面板温升,透过机壳结构的改善可以防止面板内部发生温度分布,即使发生温度分布,透过材料设计同样可以防止光学特性发生变化。

在此环境变化下光学膜片受到各构成材料的膨胀与收缩影响产生应力,光学膜片一旦承受应力,会发生位相差、偏离光学补偿状态,其结造成该部位被视认成MURA。减缓应力必须充分考虑各构成材料的弹性率、线膨胀係数、吸湿膨胀係数,有效对策例如即使发生应力,也能够缓和应力的方法,或是设计不易发生光学特性变化的低光弹性係数。

提高光学膜片的特性成为提高液晶显示的显示效能必要条件,大型液晶显示用光学膜片除了持续提高效能之外,面积扩大与无瑕疵化等材料、制程,同样要求革命性的技术进化。


图说:随着大型显示器追求大画面化、高辉度化、高对比化的情况下,容易出现各式各样光学性不均,而极易发生“MURA”的现象

高耐久性材料让技术立于不败

未来不断更好地维持甚或是提高光学特性,需要确保能够达到光学膜片耐久性的目标。因此,无论是有机偏光膜片还是无机偏光膜片,都应该强化材料的开发。以电视为主体的大型平面显示器市场,还处在成长发展过展过程中,面临显示器大型化、高细致化的发展趋势,未来光学膜片势必扮演更重要的角色。今后以偏光膜片为中心的光学膜片,除了光学特性设计之外还需进行材料、制程多方面的技术开发。

在乘着数位化浪潮上,液晶电视、PDP、背投电视机之间的竞争正日趋激烈。如果期望液晶显示器能够力于不败地位的话,那么对于所使用的材料,就必须研发出让寿命延长化的技术,来透过原材料的开发、生产方法的改善等方式开发出具有高耐久性的材料。

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