CN100440000C - 用于液晶显示器的光学元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是用于液晶显示器的光学元件及其制作方法。本发明的光学元件是结合光学相位延迟膜与配向膜的概念，该光学元件包含：一相位延迟层，其是由一交联液晶材料所构成，该相位延迟层的一表面具有多个并排沟槽；及一胆固醇液晶层，其是与前述相位延迟层结合。本发明亦提供制作前述光学元件的方法，其是利用压印法来制作具表面沟槽结构的光学相位延迟层，并将胆固醇液晶层形成于光学相位延迟层上，制成本发明的光学元件。
Description
技术领域
本发明是涉及用于液晶显示器的光学元件及其制作方法，尤指一种结合表面具微沟槽结构的相位延迟层及一胆固醇液晶层的光学元件。
背景技术
随着平面显示器技术的日益蓬勃，其中最受瞩目的莫过于液晶显示器相关技术，由于液晶本身并不发光，其功能是做为光阀以控制光的通过与否，因此透过液晶显示器而达到人眼的总亮度不过是其背光光源所提供的4～6％，因此如何提高光使用效率，减低能源的消耗便成为一重要的的课题。
在液晶显示器中造成光使用率偏低的主因在于液晶显示器需通过由偏光场达到「亮」与「暗」的状态转换，进一步达到全彩的显示，目前市售的偏光片其原理是利用有机高分子材料，例如聚乙烯醇(PVA)或其衍生物使其吸附碘并作单轴拉伸，通过此产生方向性，故此二色性偏光片已先将入射光减低一半以上的光强度。因此如果能将入射光先转换成可完全穿透偏光片的线偏振光再行穿过偏光片，即可将入射光的效能大幅提高，达到节省能源与提高亮度的目的。此外，随着液晶电视的普及化，高亮度的需求随之提升，若仅依照传统方法增加背光光源来因应并非良策，除能源消耗将提高外，更衍生出高温而面临散热问题的挑战，且高温会导致材料的劣化，进而影响显示器的寿命。
因此，在不改变液晶显示器呈色的机制下，采用反射式偏光片来达到增加亮度效果的技术受到极大的注目，这种反射式偏光片其实是一种光回收再利用的机制，目前可分为处理线偏振光的回复反射式偏光片及处理圆偏振光的胆固醇液晶反射式偏光片两大类。前者制程较为繁琐而量产不易；后者相对制程简易，只要配合适当的液晶操控技术，量产相对容易，因而受到极大的重视。胆固醇液晶反射式偏光片的原理是利用胆固醇液晶的圆偏振光分离特性，由于胆固醇液晶为一种具旋旋光性的向列液晶。其分子会随光轴作螺旋结构排列，故可将入射的未偏极化白光分离成左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，其中相反旋光性的圆偏振光可穿透，相同圆偏振光则被反射，此时再配合一反射面的使用即可将原本被胆固醇液晶反射的圆偏振光反转成可穿透的圆偏振光并通过胆固醇液晶，形成二倍单一旋旋光性的圆偏振光，若再配合使用一1/4波长延迟片，即可将圆偏振光转成线偏振光，最终使得入射光完全转换成可全数通过偏光片的偏光态，达到增加亮度的效果。
目前市售的1/4波长延迟片多为高分子力挤压或以溶剂镕铸法先造膜，再经拉伸、贴合一些保护膜而形成1/4波长相位延迟膜，故在组装前需先除去外层保护膜，再使用光学胶进行贴合，因此整体厚度厚，材料及制程成本不易下降，特别是层与层间的接口更会造成透光度的下降，对液晶显示器应用上有负面的影响。此外，此类1/4波长相位延迟膜是利用高分子延伸性方能产生相位差或相位延迟效果，在涂布高分子时需采用高极性高沸点溶剂，在操作温度上偏高而较不易。
近来的新技术是以涂布双折射率液晶来产生相位延迟效果，其一般制法为在基材上先涂布一层配向层，再将可交联液晶溶液涂布至基材上，但配向层的使用亦为成本的支出，且在制作时需使用摩擦机制方能产生配向效果，过程中容易产生缺陷。
有鉴于现有技术需使用配向膜才能配向其它层液晶，故需以光学胶结合相位延迟膜与配向膜两种元件才能配向其它层液晶以达到偏光全数转换穿透的效果，而过程中两元件结合接口易伴随产生气泡等成本、制程上缺失。
发明内容
本发明的目的是提供一种不需使用配向膜的光学元件，其可将不同旋旋光性的圆偏振光转换成单向双倍圆偏振光后再转换成可全数通过偏光片的线偏振光，达到降低厚度、成本、制程步骤，以及不必提高背光光源即可提高液晶显示器的亮度。
本发明的另一目的是提供一种光学元件的制作方法，其是利用压印法来制作具表面沟槽结构的光学相位延迟层，并将胆固醇液晶层形成于前述光学相位延迟层上制成本发明的光学元件，有效解决现有技术必需透过拉伸才能产生相位延迟效果或经由摩擦机制才能达到配向机制机制等易产生缺陷的缺失。
为达上述的目的，本发明是提供一种光学元件，其是包含：一相位延迟层，其是由一交联液晶材料所构成，该相位延迟层的一表面具有多个并排沟槽；及一胆固醇液晶层，其是与前述相位延迟层结合。
本发明提供的光学元件，其相位延迟层与胆固醇液晶层间，无须使用粘着剂结合；此外，本发明的光学元件是利用相位延迟层表面的沟槽构造配向胆固醇液晶，无须额外的配向层的使用。
本发明还提供一种光学元件的制作方法，其步骤包含：(a)提供一交联液晶溶液、一基材及一压印模具，该压印模具是具有多个并排的沟槽构造；(b)将前述交联液晶溶液利用前述压印模具压印于前述基材上；(c)将前述交联液晶固化形成一相位延迟层，该相位延迟层的一表面具有多个并排沟槽；及(d)于前述相位延迟层上形成一胆固醇液晶层。
本发明是利用压印法制成相位延迟膜，有别于现有技术利用拉伸法制程相位延迟膜，压印法的一态样是将交联液晶溶液涂布于基材表面后，再利用压印模具压印于基材的该表面；另一态样是将交联液晶溶液涂布于压印模具表面，再将该压印模具压印于基材表面；压印模具施加的压力小于每平方公分50公斤重。
较佳地，前述步骤(c)的固化的一态样是可利用小于200℃的温度进行热处理，另一态样是可利用光波长范围是介于200nm至600nm的光照射。
本发明的光学元件制作过程中液晶分子受到模具及基材的限制而产生单轴性，且其沟槽结构具有配向其它层液晶分子(胆固醇液晶)的特性，若搭配一反射面的使用即可使欲穿透本发明的光学元件的入射光，其不同旋旋光性的两圆偏振光可转变成二倍单一旋旋光性的圆偏振光，再进一步转换成线偏振光，达到可全数通过偏光片的偏光态。
因此，具有本发明的光学元件的液晶显示器，其背光光源所发出的光可于穿透该光学元件时低衰减地转换成线偏振光达到提高亮度的目的，在应用于计算机屏幕或液晶电视时，可避免增加背光光源以提高亮度时伴随的高温造成材料劣化，影响液晶显示器的寿命。
附图说明
图1为本发明的光学元件示意图；
图2为本发明的光学元件制作方法的正向压印法的流程图；
图3为本发明的光学元件制作方法的反向压印法的流程图；
图4为本发明的光学元件的原子力电子显微镜量测图；
图5为本发明的光学元件其左圆偏光及右圆偏光的穿透率关是图；
图6为本发明的光学元件的旋转角度与穿透率的关是图(相位延迟层值为126nm)。
[主要元件符号对照说明]
1相位延迟层
1’交联液晶溶液
2胆固醇液晶层
3沟槽
4基材
5模具
10本发明的光学元件
具体实施方式
本发明的光学元件10是如图1所示，是由一相位延迟层1及一胆固醇液晶层2结合形成，其中相位延迟层1是由交联液晶材料所构成。前述相位延迟层1的表面具有多个并排沟槽3，其中沟槽3的线宽加谷宽范围为0.1微米至5微米，线宽/谷宽比值范围为0.2至5，沟槽深度范围为0.1微米至2微米。本发明使用的交联液晶材料为小分子、寡聚合体或高分子等，现有包括向列液晶、对掌性向列液晶、层列液晶或碟型液晶，以市售商品为例如Merck的RMS03-001、Wacker的SLM90519等。
本发明的光学元件10的胆固醇液晶层2是与前述相位延迟层1结合，其是涂布于前述相位延迟膜1的具有多个并排沟槽3的表面上，相位延迟层1及胆固醇液晶层2间不具有粘着剂；本发明所使用的胆固醇液晶是可具有连续或不连续的递增或递减的螺距，通过此将所有可见光波长的入射光皆分成左圆偏振光及右圆偏振光，本发明的胆固醇液晶亦可具有特定螺距，通过此达到特定波长的增亮效果。
本发明的光学元件的制作方法，其步骤详述如下：首先提供一交联液晶溶液、一基材及一压印模具，其中交联液晶溶液其组成是包含：0.1％至5％重量百分比的起始剂、5％至50％重量百分比的交联液晶材料，以及50-95％重量百分比的溶剂。交联液晶材料如前述的种类，起始剂是如市售Ciba Geigy的Irgacure
Irgacure
适用的溶剂包含，但不限于甲苯、乙酸乙酯、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、四氢呋喃(THF)、环磷醯胺(cyclophosphamide，CP)及丙二醇甲醚醋酸酯(Propyleneglycolmonomethylether acetate，PGMEA)；压印模具的材质包含，但不限于硅晶圆、石英或金属等。该压印模具的一表面是具有多个并排的沟槽构造，沟槽的周期(线宽加谷宽)范围为0.1微米至5微米、沟槽的线宽/谷宽比例为0.2至5，沟槽的深度为0.1微米至2微米。
接着将前述交联液晶溶液利用前述压印模具压印于前述基材上，其是可利用如图2所示的正向压印法或图3所示的反向压印法达成，若使用正向压印法，首先需将配制好的交联液晶溶液1’利用挤压式模具、旋转涂布法或刮刀涂布法涂布于基材4表面，然后将具有图案的模具5放置在涂布交联液晶溶液1’的基材4上，通过由压力与温度的控制使交联液晶溶液1’均匀充满模具5与基材4中间，再配合热或光照射(通常为紫外光)将其固化，最后使模具5剥离即可制得本发明的表面具多个沟槽3结构的相位延迟层1。
然若使用反向压印法，则是将配制好的交联液晶溶液1’利用挤压式模具、旋转涂布法或刮刀涂布法涂布于具有图案的模具5，然后将该模具5放置在基材4上，通过由压力与温度的控制使交联液晶溶液1’均匀充满模具5与基材中间，再配合热或光照射(通常为紫外光)将其固化，最后使模具5剥离即可制得本发明的表面具多个沟槽3结构的相位延迟层1。
压印模具施加的压力是根据液晶性质不同而有所差异，一般介于0～100kg/cm2，较佳是小于50kg/cm2，更佳可小于25kg/cm2；固化步骤同样是根据液晶性质的不同而有所差异，一般是利用小于200℃的温度进行热处理即可，若采用光照射方法，则可利用光波长范围介于200nm至600nm的光进行照射处理。
在前述步骤中模具与交联液晶溶液接触前，可进一步先于模具表面制作一离形层，制作的方法为该领域熟知该项技术者所熟知，例如以电浆辅助式化学气相沉积法(PECVD)将C4F8形成于模具上，如”Master replication into thermosetting polymersfor nanoimprinting.”(J.Vac.Sci.Technol.B 18(6)，Nov/Dec 2000pp3582)，或者用浸置法将含长碳链或含氟官能基的物质形成于模具上，如”Thermocurable polymers as resistsfor imprint lithography”(Elec.Lett.Vol.36No.11May 2000pp983)所述，造成模具的疏水效果，易于使模具与基材脱离。
当模具与基材脱离后，基材表面即具有一表面具有沟槽构造的相位延迟层，之后将一胆固醇液晶涂布于其上，最后将基材剥离即可完成本发明的光学元件(如图1所示)。本发明所使用的胆固醇液晶是可具有连续或不连续的递增或递减的螺距，通过此将所有可见光波长的入射光皆分成左圆偏振光及右圆偏振光，本发明的胆固醇液晶亦可具有特定螺距，通过此达到特定波长的增亮效果。
以下实施例是用于进一步了解本发明的优点，并非用于限制本发明的申请专利范围。
实施例1.不同液晶浓度对相位延迟值的影响
取购自Wacker的侧链液晶寡聚合体SLM90519，搭配起始剂I rgac ure 369及溶剂甲苯，配制成10％、20％及30％的溶液，利用旋转涂布法在2000rpm转速下涂布于模具上，再反向压印于基材上(即反向压印法)，施加压力为每平方公分1.5公斤，操作温度为120℃，之后再以紫外光照射进行交联后获得固化的样品，再量测各比例的相位延迟值，所得结果如下表一所示：
表一、不同浓度液晶在2000rpm涂布速度下的相位延迟值
| 浓度 | 10％ | 20％ | 30％ |
| 相位延迟值 | 80nm | 126nm | 162nm |
由表一可知，本发明利用压印法制作具有表面沟槽结构的相位延迟膜，确实可以达到相位延迟的效果，且可通过由控制液晶分子的浓度达到所需的相位延迟值。
实施例2.涂布速度对相位延迟值的影响
取购自Wacker的侧链液晶寡聚合体SLM90519，搭配起始剂Irgacure 369及溶剂甲苯，配制成10％、20％及30％的溶液，利用旋转涂布法在3000rpm转速下涂布于基材上，再取模具正向压印于基材表面上(即正向压印法)，施加压力为每平方公分1.5公斤，操作温度为120℃，之后再以紫外光照射进行交联后获得固化的样品，再量测各比例的相位延迟值，所得结果如下表二所示：
表二、不同浓度液晶在3000rpm涂布速度下的相位延迟值
| 浓度 | 10％ | 20％ | 30％ |
| 相位延迟值 | 91nm | 156nm | 220nm |
由表二可知，本发明利用控制液晶分子的浓度可达到所需的相位延迟值外，介于与实施例1比较也可得知涂布转速的不同亦为控制相位延迟值的手段。
实施例3.压印条件对相位延迟值的影响
取购自Wacker的侧链液晶寡聚合体SLM90519，搭配起始剂Irgacure 369及溶剂甲苯，配制成30％的溶液，利用旋转涂布法在3000rpm转速下涂布于模具上，再反向压印于基材上(即反向压印法)，施加压力为每平方公分0.05公斤，操作温度为150℃，之后再以紫外光照射进行交联后获得固化的样品，再量测相位延迟值，所得的具表面沟槽结构的相位延迟膜其原子力电子显微镜量测图如图4所示，周期为1.8μm，深度为200nm，经量测后所得的相位延迟值为160nm。
实施例4.本发明的光学元件特性
取前述实施例中相位延迟值为126nm的相位延迟膜，该膜表面沟槽深度是如前述为200nm，周期为1.8μm，接着取在蓝光区域具有增亮效果的胆固醇液晶溶液(其是将购买自Wacker的SLM90032与SLM 90034以7∶3比例混合)涂布于该相位延迟膜表面，即可制成本发明的光学元件，之后量测其紫外光-可见光穿透效应。
经量测后发现，本发明的光学元件对线性偏光具有分光效果，如图5所示，不同波长的左旋光与右旋光，其穿透效果并不相同，随着波长的增加，特定旋光性的光的穿透效果产生变化，而其相对应旋旋光性的光则没有明显差异。
图6是单独量测波长为460nm的光，在转动偏光片时其穿透度与角度的相关性。由图由知，本发明的光学元件将光线转换成线偏光后，当偏振方向平行于偏光片时拥有较佳穿透度，在偏光片转动90度后光线穿透度最低。
综合上述，本发明的光学元件可于制造时利用交联液晶溶液浓度不同、涂布速度不同及压力温度的不同得到不同的相位延迟值，而相位延迟层的沟槽结构可达到配向其它液晶光学层的能力，例如本发明的光学元件所用的胆固醇液晶，两者的搭配可达到增亮的功能。另外，本发明光学元件的制备方法无须使用光学胶将相位延迟层及胆固醇液晶层贴合，因此无气泡产生等问题，大幅改善现有技术的缺点。
其它实施态样
在本说明书中所揭露的所有特征都可能与其它方法结合，本说明书中所揭露的每一个特征都可能选择性的以相同、相等或相似目的特征所取代，因此，除了特别显著的特征的外，所有的本说明书所揭露的特征仅是相等或相似特征中的一个例子。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。
Claims (13)
1.一种光学元件，其特征在于，包含：
一相位延迟层，其是由一交联液晶材料所构成，该相位延迟层的一表面具有多个并排沟槽；及
一胆固醇液晶层，其是与前述相位延迟层结合；
所述胆固醇液晶层是涂布于前述相位延迟层的具有多个并排沟槽的表面上，且所述多个并排沟槽的周期为0.1微米至5微米；所述多个并排沟槽的线宽/谷宽比值为0.2至5；所述多个并排沟槽的深度为0.1微米至2微米。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述交联液晶材料包含向列液晶相液晶材料、对掌性向列液晶相液晶材料、层列液晶相液晶材料或碟型液晶材料。
3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述胆固醇液晶是具有连续或不连续的递增或递减的螺距。
4.一种光学元件的制作方法，其特征在于，步骤包含：
(a)提供一交联液晶溶液、一基材及一压印模具，该压印模具具有多个并排的沟槽构造；
(b)将前述交联液晶溶液利用前述压印模具压印于前述基材上；
(c)将前述交联液晶固化形成一相位延迟层，该相位延迟层的一表面具有多个并排沟槽；及
(d)于前述相位延迟层上形成一胆固醇液晶层；
所述多个并排沟槽的周期为0.1微米至5微米，且所述多个并排沟槽的线宽/谷宽比例为0.2至5，以及所述多个并排沟槽的深度为0.1微米至2微米。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)是将前述交联液晶溶液涂布于前述基材表面，再利用前述压印模具压印于前述基材的该表面。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)是将前述交联液晶溶液涂布于前述压印模具表面，再将该压印模具压印于前述基材表面。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)的压印模具施加的压力小于每平方公分50公斤重。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)的固化是利用小于200℃的温度进行热处理。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)的固化是利用光照射，所述光波长范围是介于200nm至600nm。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(d)是将胆固醇液晶涂布于表面具有多个并排沟槽的相位延迟层上。
11.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于，所述交联液晶溶液包含向列液晶相液晶材料、对掌性向列液晶相液晶材料、层列液晶相液晶材料或碟型液晶材料。
12.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于，所述胆固醇液晶是具有连续或不连续的递增或递减的螺距。
13.一种如权利要求1～3其中之一所述光学元件的液晶显示器，其特征在于，所述液晶显示器的一背光光源所发出的光可于穿透该光学元件时低衰减地转换成线偏振光。
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