液晶顯示器用光學膜製作
丁清華/交大應化
本建教合作計畫包含三個部份：
一、液晶顯示器用增亮膜之開發
1. 紫外光可聚合液晶單體之合成
2. 新型chiral dopant之合成
3. 液晶配方之調配
4. 增亮膜塗佈技術之開發
二、1/4 l plate及1/2 l plate製程技術之開發
1. 紫外光可聚合液晶單體之合成
2. 相位差膜1/4 l plate之製作
3. 相位差膜1/2 l plate之製作
三、光配向技術
1. 轉移配方技術
2. 轉移光配向膜技術
一、液晶顯示器用增亮膜之開發
於一般液晶顯示器結構中，液晶面板前後必須貼合兩片正交之偏光板，才能有效控制每一畫素的亮與暗狀態，標準偏光板使用吸附的方式加以過濾光源，因此造成最少50 %的光源損失，不但使液晶顯示器亮度不足，亦間接影響燈管之使用期限。有鑑於此，發展出膽固醇型光學膜來回收原本必須損失掉的光能量，其作用原理如下圖所示：
圖中由左至右M為反射鏡，L為光源，C為透鏡，CFL為膽固醇型光學膜且具左旋化學結構，l/4為相位差膜。當光源點亮時，光線經透鏡C轉變為平行光，當光線繼續經過CFL時，此膽固醇型光學膜僅允許右旋光通過，並將左旋光反射回光源方向，而通過之右旋光則由圓偏極光轉變為橢圓偏極光，因此可令光線再通過一相位差板，將光線修正為線性偏極光，此類型光線便可應用於液晶顯示器系統。另一方面，反射至光源方向之左旋光則經由反射鏡面M反射後而轉化為右旋光，當其再一次行經膽固醇型光學膜時，因旋光性已改變而可順利通過。因此，當膽固醇型光學膜存在時，光源進入液晶面板前已悉數轉化為單一方向之線性偏極光，而不會造成光源的大量損失。故初期將此膽固醇型光學膜稱之為膽固醇型偏光板，即意味著期望能取代傳統之偏光板，但事實上並不容易做到，因膽固醇型偏光板所通過之光線經相位差板候，並無法得到與傳統偏光板相同程度的線性偏光，即其偏光度不足，此光線直接進入液晶面板後將造成嚴重的漏光現象，因此，現行做法皆是將膽固醇型光學膜、相位差板、偏光板三者同時貼合，不但可以保證光源之偏光度，也可大幅提高光源之有效利用度。此膽固醇型光學膜目前便被稱之為增亮膜。
膽固醇型液晶配方有三種類型，分別是：純膽固醇型液晶、向列型液晶摻混膽固醇型液晶、向列型液晶摻混旋光分子。前者通常黏度極大，因此不適合於製作需強調排列性質的光學膜，我們將使用後兩種類型的膽固醇型液晶配方。
本實驗室已先後合成出13個不同的旋光分子單體，列於下表，並附上Merck之商品化旋光小分子R/S-811做為比較：
Chiral Dopant Structure |
| Pitch (mm) HTP (mm-1) 2.9% | Pitch (mm)HTP (mm-1)1% |
D-A* | 1.8669 18.4 | ------- ------- | |
A-cycl* | 2.7539 12.5 | 6.768 14.8 | |
R-811* | 3.4324 10 | 9.193 10.9 | |
S-811* | ------- ------- | 9.032 11.1 ( 11.8 Merck ) | |
A-L* | 4.7763 7.2 | 12.195 8.2 | |
B-N* | 5.8515 5.9 | 38.297 2.6 | |
Ch-1* | 14.1 2.4 | 36.38 2.7 | |
Ch-2* | 14.6 2.4 | 42.959 2.3 | |
Ch-3* | 15.2 2.3 | 46.977 2.1 | |
A-N* | 21.4 1.6 | 61.145 1.6 | |
9M** | ------- ------- | 64.183 1.6 | |
A-S* | nematic | ||
P-A* | 相分離 | ||
P-A*-2 | 相分離 | ||
P-A*-3 | nematic | ||
各單體之Pitch及HTP值皆以Merck之ZLI-5600-000液晶為媒介所得出。此數值之所以重要乃在於下列的關係式：
l ＝ n × p
l為膽固醇型液晶可反射之波長，與材料的折射率n及螺距p有關，由於液晶具有雙折射之性質，上式可修正為：
Dl ＝ ( ne － no ) × p
Dl則代表了反射波之頻寬，一般液晶的Dn值約為0.1 ~ 0.2，故其頻寬約為50 ~ 100 nm。
上表中所列化合物僅含cholesterol基團者及9M**具膽固醇型液晶相，其餘結構則不具任何液晶相，熱分析中只能得到一熔點。
所合成之向列型液晶可大致可分為兩類，具高Dn者及低Dn者，分別如下表所示：
High Dn Structure |
| Phase transition temp. |
XM | K 66 N 102 I | |
9M | K 65 N 111 I | |
CH3 | K 83 N 104 I | |
F-NCS | K 65.3 I I 42 N 40.6 K | |
Low Dn Structure |
| Phase transition temp. |
PCH-502 | K 65 I I 58 N 24 K | |
A-PCH-506 | K 37.5 I I 15.4 N 2.5 K | |
A-PCH-5 | K 52 I I 50 N 30 K | |
A-PhR65 | N 31 I | |
A-PhR5 | I 64.8 N 15 K | |
A-PhR4 | K 67.1 N 86.8 I I 83 N 29 K | |
A-Ph(Cl)R5 | K 38.2 N 71 I I 66.8 N –3.2 K |
由結構來看，高Dn化合物中含有較長的共軛剛硬部份，因此黏度通常較大，不利於加工，但依上述反射波段公式可知，Dn愈大者Dl也就愈大，因此液晶配方中有必要含有高Dn之材料。
以下將就各旋光分子分別討論其配方之反射效果，包括化合物D-A*、9M**、Ch-3*、A-L*。各配方及相對應之UV穿透圖譜如下：
Recipe | 反射波段 | UV穿透光譜 |
XM F-NCS PCH502 D-A* | 450 ~ 600 nm （液晶盒） | |
9M F-NCS A-PCH506 D-A* | 450 ~ 600 nm （液晶盒） | |
9M 9M** | 400 ~ 600 nm （液晶盒） | |
XM A-PCH506 Ch-3* | 800 ~ 1200 nm （液晶盒） | |
9M F-NCS A-PCH506 A-L* | 650 ~ 750 nm （液晶盒） | |
9M A-PCH506 A-L* BYK-361 TPO THF toluene | 650 ~ 850 nm （單層膜） |
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