CN100485481C - 光学膜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明系提供一种光学膜，包含一透明基材及至少一层胆固醇型液晶聚合物涂布于该基材之表面，该聚合物系由单官能基向列型液晶单体、双官能基向列型液晶单体及手性化合物单体聚合而成。本发明光学膜可用于液晶显示器中作为偏光片，特别是增亮膜，以提升液晶显示器之亮度。

Description

光学膜及其制造方法

技术领域

本发明系关于一种光学膜，其包含一透明基材及至少一层胆固醇型液晶聚合物涂布于基材之表面，以作为液晶显示器之偏光片。由于本发明光学膜可利用多层堆栈以调整其反射波频宽，因此可有效提升液晶显示器之亮度，且适用于频宽广或特殊频宽范围之液晶显示器。

背景技术

偏光片系指一选择性让特定方向的光通过的光学材料，主要用于将一般非极化光转变为偏极光。其作用方式是当照射非极化之一般光源时，只允许两正交线性光轴其中之一方向通过，但另一轴向之光则将被偏光片所吸收，用以控制特定光波的偏振方向。

在一般液晶显示器结构中，液晶面板前后必须贴合两片正交之偏光片，由于液晶本身不具使光通过、遮蔽的控制功能，需藉助偏光片来达成相关功能，才能有效控制每一画素的亮与暗状态。标准偏光片使用吸附的方式加以过滤光源，这种偏光片的缺点在于最佳状态下仅有最高50％的入射光能转化为线性偏极光，因此造成光源损失，使液晶显示器亮度不足，亦间接影响灯管之使用期限。此类型偏光片的另一个缺点在于未穿透之光源部份，此部份被吸收光源对于偏光片将转变成大量的热能，进而造成偏光片性质的不可预测之改变，尤其在高能量入射光下甚至可能引发偏光片结构的破坏。

为解决上述问题，业界发展出一种胆固醇型光学膜来回收原本必须损失掉的光能量。所谓胆固醇型液晶系为一种结构相似于胆固醇分子的液晶。胆固醇型液晶主要是由向列型(nematics)液晶堆积所形成，在向列型液晶中加入手性化合物(chiral compound)，会使向列型液晶分子的长轴方向渐次相差一个角度旋转而成螺旋状，这种结构跟胆固醇分子相似，因此称此类液晶为胆固醇型液晶。

图1为习知传统显示(I)及具有胆固醇型光学膜之显示(II)之液晶显示器之示意图。如图1所示，由下至上依序为反射板10、导光板12、具左旋化学结构之胆固醇液晶光学膜(CLC)14、λ/4相位差板16、下层偏光片18、液晶层20及上层偏光片22。当光源24点亮时，光线经导光板12扩散，当光线经过胆固醇液晶光学膜14时，此时仅允许右旋光通过，并将左旋光反射回光源方向，而通过之右旋光则由圆偏极光转变为椭圆偏极光，因此需要再通过相位差板16，将光线修正为线性偏极光，此类型光线便可应用于液晶显示器系统。另一方面，反射至光源方向之左旋光则经由反射板10反射后，转化为右旋光，当其再一次行经胆固醇液晶光学膜14时，因旋旋光性已改变而可顺利通过。因此，当胆固醇液晶光学膜存在时，光源进入液晶面板前已悉数转化为单一方向之线性偏极光，而不会造成光源的大量损失。因此称此种胆固醇液晶光学膜为胆固醇型偏光片，期望能取代传统之偏光片。但事实上并不容易做到，因为胆固醇型偏光片所通过之光线经相位差板后，并无法得到与传统偏光片相同程度的线性偏光，亦即其偏光度不足，此光线直接进入液晶面板后将造成严重的漏光现象。因此，目前业界做法为将胆固醇液晶光学膜、相位差板及偏光片三者同时贴合，不但可以保证光源之偏光度，也可大幅提高光源之有效利用度。这种胆固醇液晶光学膜目前便被称之为增亮膜。

此外，根据麦克斯威尔(Maxwell)理论：λ＝n×p，其中λ为液晶可反射之波长，n为材料的折射率，且p为螺距。

由于液晶具有双折射之性质，上式可修正为：Δλ＝(n_e—n_o)×p＝Δn×p，其中Δλ为反射波之频宽，n_e为液晶材料折射率，且n_o为一般折射率。

然而就实用性而言，可见光频宽约为250nm，但一般液晶的Δn值约为0.1～0.2，故其频宽约为50～100nm，远小于可见光频宽，因此须使用不同液晶材料所制之增亮膜，做多层堆栈方可应用，造成此制程烦琐复杂。所以，如何解决增亮膜作用频宽过小，成了显示器业界重要课题。

Dreher在Solid State Communication(Vol.12，pp.519-522，1973)、Mazkedian等人在J.Physique Colloq.(Vol.36，pp.C1-283，1974)及Hajdo等人在J.Opt.Soc.Am.(Vol.36，pp.1017，1976)中所做的研究指出，在纵深方向具梯度分布变化之螺距的螺旋状结构可有效的得到宽广反射波频宽。

欧洲专利案EP 0 606 940 A2曾提出以不同单体(手性与非手性化合物)聚合，因扩散效应而产生连续梯度分布之螺距值。但若要得到具有较广频宽之产品，则必须额外添加染料来造成光源强度随薄膜纵向深度不同而有所差异。此方法的缺点为以低能量光源做长时间曝光来控制螺距分布，对于膜厚的要求极为严苛。

另外Pindak等人于Phys.Rev.Lett.(Vol.32，pp.43，1974)中曾揭示以控制温度梯度的方式来控制胆固醇衍生物质的螺距变化，但由于高分子薄膜之导热性质良好，制作过程中的温度梯度极难做有效的控制，成为此方法重要的缺点。

本案发明人经广泛研究发现，胆固醇型液晶聚合物所制成之光学膜，利用其配方之单体掺混比例不同，可得不同之反射波。利用多层堆栈使其反射波频宽可涵盖可见光频宽，能有效解决上述的缺点。

发明内容

本发明之目的系提供一种光学膜，其包含高分子树脂之透明基材及至少一层胆固醇型液晶聚合物涂布于该基材之表面。该光学膜可用于液晶显示器中作为偏光片，特别是增亮膜，以提高液晶显示器之亮度。

本发明之另一目的在于提供一种胆固醇型液晶配方，可用以形成光学膜。

本发明之又一目的在于提供一种制造光学膜之方法。

附图简单说明

图1为习知传统显示(I)及具有胆固醇型光学膜之显示(II)之液晶显示器之示意图。

图2为本发明之实施例1至3中之胆固醇型液晶配方1至3之反射波段频宽之光谱。

图3为本发明之实施例4至9中之胆固醇型液晶配方1至3之反射波段频宽之光谱。

附图组件符号之简单说明

10     反射板

12     导光板

14     胆固醇液晶光学膜

16     λ/4相位差板

18     下层偏光片

20     液晶层

22     上层偏光片

24     光源

实施方式

本发明光学膜所使用之高分子树脂并无特殊限制，其可为聚酯树脂(polyester resin)、聚碳酸酯树脂(polycarbonate resin)或聚氨基甲酸酯树脂(polyurethane resin)或其混合物，较佳为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。

本发明之胆固醇型液晶聚合物，系由一胆固醇型液晶配方所聚合而成，该配方包含：

(1)单官能基向列型液晶单体；

(2)双官能基向列型液晶单体；

(3)手性化合物单体；及

(4)光起始剂。

本发明中可用于形成聚合物之单官能基向列型液晶单体及双官能基向列型液晶单体可分别选自由具以下结构式所组成之群组：

(1)单官能基向列型液晶单体

(2)双官能基向列型液晶单体

其中，R为C₁-C₁₀亚烷基或C₁-C₁₀亚烷氧基，X为选自氰基、C₁-C₁₀烷氧基及C₁-C₁₀烷基的一末端基，且Ar为选自由以下具液晶相之团基所组成之群组：

及

其中，A为选自由自氢原子、C₁-C₆烷基及卤素原子所组成之群组之另一末端基。

本发明中可用于形成聚合物之手性化合物单体，系单官能基手性化合物单体，可选自由具以下结构式所组成之群组：

其中，R为C₁-C₁₀亚烷基或C₁-C₁₀亚烷氧基，X为选自由氰基、C₁-C₁₀烷氧基及C₁-C₁₀烷基所组成之群组之一末端基，且Ar为选自以下具液晶相之团基所组成之群组：

及

其中，A为选自由氢原子、C₁-C₆烷基及卤素原子所组成之群组之另一末端基；其中Y为选自由胆固醇、

及

之可以形成液晶相之旋光性团基。

在本发明中，卤素原子可以为氟、氯、溴或碘原子。

此外，在本发明之较佳实施态样中，单官能基向列型液晶单体，可为具以下结构式者：

式(A)

在本发明之较佳实施态样中，双官能基向列型液晶单体，可为选自下列结构式者：

                                 式(B)

                                  式(C)

在本发明之较佳实施态样中，单官能基手性化合物单体，可为选自下列结构式者：

                                式(D)

在本发明之胆固醇型液晶配方中，单官能基向列型液晶单体系占胆固醇型液晶配方之约30至60重量百分比(wt％)，较佳为约40至50wt％；双官能基向列型液晶单体系占胆固醇型液晶配方之约30至60wt％，较佳为约40至50wt％；而手性化合物单体系占胆固醇型液晶配方之约1至20wt％，较佳为约5至15wt％。

本发明可用于形成聚合物之光起始剂，系熟习此项技术之人士所熟知者，例如但不限于2，4，6-三甲基苯甲酰二苯基膦氧化物(2，4，6-trimethyl benzoyl diphenyl phosphine oxide，TPO)。在本发明之胆固醇型液晶配方中，光起始剂系占胆固醇型液晶配方之约0.1至10wt％，较佳为约1至5wt％。

本发明之胆固醇型液晶配方可视需要添加各种添加剂，如平坦剂，例如但不限于丙烯酸酯共聚物，BYK-361。在本发明之胆固醇型液晶配方中，添加剂之用量系占胆固醇型液晶配方之约0.05至5wt％，较佳为约0.1至2wt％。

由本发明胆固醇型液晶配方所制得之聚合物，可用于液晶显示器中作为光学膜之材料，此光学膜可作为增亮膜之用途。

此外，本发明另提供一种制备光学膜之方法，其包含以下步骤：

(a)将向列型液晶单体和手性化合物单体掺混，然后加入光起始剂，以形成一胆固醇型液晶配方；

(b)将胆固醇型液晶配方涂布于一透明基材上；

(c)于常温或加热下，对胆固醇型液晶配方照射能量射线以进行光聚合反应。

在本发明制备方法中，将胆固醇型液晶配方进行光聚合所使用的能量射线，泛指一定范围波长之光源，例如紫外光、红外光、可见光或热线(放射或辐射)等，较佳为紫外光。

在本发明制备方法中，涂布步骤或聚合反应步骤的温度控制在约20至40℃，较佳为约30℃。

涂布于透明基材上之胆固醇型液晶配方之厚度为约2至25微米，较佳为约3至10微米。可视需要重复进行上述方法以于透明基材上重复增层，使所制得的光学膜具有较大范围的可见光频宽。

以下实施例将对本发明做进一步之说明，但并非用以限制本发明之实施范围，任何熟悉本发明技术领域者，在不违背本发明之精神下所得以达成之修饰及变化，均属于本发明之范围。

实施例

本发明实施例中所使用之各单体结构如下：

单官能基向列型液晶单体(a)

双官能基向列型液晶单体(b)

双官能基向列型液晶单体(c)

单官能基手性单体(d)

实施例1-3

取不同比例的上述单体(a)、(b)与(d)、平坦剂及光起始剂以形成胆固醇型液晶配方1、2及3，如表1所示：

表1

决定所得到配方反射光色的主要条件在于手性单体的掺混比例，所含比例较少者可反射较短波长的红光区域，反之则可得蓝光，但超出适用含量范围之组成配方则反射可见光区域外的红外光或紫外光，没有实际价值。

将液晶配方1、2与3分别以本发明之制作方法形成光学膜，以作为单色增亮膜。图2为本发明之实施例1至3中之胆固醇型液晶配方1至3之反射波段频宽之光谱，分别以I、II及III表示。其中，配方1为红光波段增亮膜，有效波长范围约为576至694毫微米(nm)，配方2为绿光波段增亮膜，有效波长范围约为492至586nm，配方3为蓝光波段增亮膜，有效波长范围约为400至492nm。

由上述数据显示，使用本发明之胆固醇型液晶配方所制得之三层增亮膜的叠加产品，已可有效涵盖整个可见光频宽(有效波长范围约为426～686nm)。

实施例4-9

取不同比例的上述单体(a)、(c)与(d)、平坦剂及光起始剂以形成胆固醇型液晶配方4至9，如表2所示：

表2

配方4至9系使用与实施例1至3之配方1至3不同之双官能基向列型液晶单体，主要差别在于单体(b)为具高双折射率值材料，而单体(c)则为具低双折射率值材料。由前述麦克斯威尔理论可知材料之双折射率值可直接影响反射波段之频宽，因此，于实施例4至9中所配制配方均具有较窄的反射波段频宽，如图3所示，图3为本发明之实施例4至9中之胆固醇型液晶配方4至9之反射波段频宽之光谱。

因此，若以配方4至9制作全可见光波段增亮膜即必须以更多光学膜之叠加来表现。举例言之，可选择实施例6至9之增亮膜，利用四层叠加来获得可见光谱增亮膜。

综上所述，本发明之胆固醇型液晶配方可利用简单且容易控制之制程，灵活由配方组成中制得具有适当的反射波段之增亮膜，不但可有效提升液晶显示器之亮度，且可利用多层堆栈以有效涵盖整个可见光频宽，以应用于需要全光谱白光之一般显示器，或应用于特殊频宽范围之特殊显示器驱动模式。

申请专利范围系用以界定本发明之合理保护范围。然应明了者，技艺人士基于本发明之揭示所可达成之种种显而易见之改良，亦应归属本发明合理之保护范围。

Claims (6)

1.一种胆固醇型液晶配方，包含：

(a)30至60wt％的单官能基向列型液晶单体；

(b)30至60wt％的双官能基向列型液晶单体；

(c)1至20wt％的手性化合物单体；及

(d)0.1至10wt％的光起始剂，

其中

该单官能基向列型液晶单体选自具有以下结构式所组成之群组：

及

该双官能基向列型液晶单体系选自由具以下结构式所组成之群组：

及

该手性化合物单体系选自由具以下结构式所组成之群组：

及

其中，R为C₁-C₁₀亚烷基或C₁-C₁₀亚烷氧基，X为选自C₁-C₁₀烷氧基及C₁-C₁₀烷基的一末端基，Y为选自胆固醇、

及

的可以形成液晶相之旋光性团基，且

Ar为选自以下具液晶相之基团：

及

其中，A为选自氢原子、C₁-C₆烷基及卤素原子的另一末端基。

2.如权利要求1所述的胆固醇型液晶配方，其中该单官能基向列型液晶单体系具式(A)结构：

式(A)。

3.如权利要求1所述的胆固醇型液晶配方，其中该双官能基向列型液晶单体系选自式(B)或式(C)结构：

                                                式(B)

                                                式(C)。

4.如权利要求1所述的胆固醇型液晶配方，其中该手性化合物单体系具式(D)结构：

                                                式(D)。

5.一种光学膜，包含一透明基材及至少一层胆固醇型液晶聚合物涂布于该基材的表面，其特征在于该聚合物由如权利要求1所述的胆固醇型液晶配方聚合而成。

6.如权利要求5所述的光学膜，其中该基材包含高分子树脂，及该高分子树脂选自聚酯树脂、聚碳酸酯树脂或聚氨基甲酸酯树脂。

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