CN115840266A - 宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法 - Google Patents

宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法 Download PDF

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CN115840266A CN202111097789.3A CN202111097789A CN115840266A CN 115840266 A CN115840266 A CN 115840266A CN 202111097789 A CN202111097789 A CN 202111097789A CN 115840266 A CN115840266 A CN 115840266A
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刘广韬
祁清凯
刘俊芹
施龙娣
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Abstract

本发明公开宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法，该相位补偿膜包括：第一向列相层和第二手性向列相层，第一向列相层内液晶分子均一方向排列，且第一向列相层内液晶分子的初始方位角为
Figure DDA0003269695330000011
第二手性向列相层底部贴合于第一向列相层上，且其底部内液晶分子与第一向列相层内液晶分子指向一致；沿第二手性向列相层厚度方向及背离第一向列相层的方向，第二手性向列相层内液晶分子逐渐扭曲，其总扭曲角为
Figure DDA0003269695330000012
本发明通过液晶分子指向操控实现功能，具有可调光学补偿特性，灵活度高，成本低且生产工艺简单。

Description

宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法
技术领域
本发明属于光器械技术领域，具体涉及一种宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法。
背景技术
AMOLED显示器所面临的挑战之一，是如何有效抵抗环境光、减少显示方面的干扰，在OLED外部再加上圆偏振片便是其中一个解决方法。外界自然光经过线偏光膜、1/4波长相位延迟膜，依次变成线偏振光、圆偏振光；经过OLED金属阴极反射后，变成旋向相反的圆偏振光；再经过1/4相位延迟膜，变成振动方向与线偏光膜偏振方向垂直的线偏振光；线偏振光不能透过，从而抑制了外界环境光的反射干扰。因此宽波段1/4波长相位延迟膜是提高OLED显示对比度的核心部件。
现有宽波段相位补偿膜工艺主要包括以下几种：
第一，斜向延伸树脂相位补偿膜工艺主要为：溶融压出后的COP树脂，先进行纵向延伸，再进行横向延伸，一次制程便能制造出双光轴相位差膜。但是，该工艺制备的相位补偿膜的厚度大于50微米，且工艺中对膜厚难以控制。
第二，多相位差膜堆栈工艺主要为：将树脂相位补偿膜裁切，每层以特定角度配向方式与偏光片贴合。但是，该工艺所制备的相位补偿膜的厚度大于50微米，且由于裁切后剩余的部分便成为无法再利用的废料，膜的利用效率变差，成本提高。
第三，采用具有正、负双折射率分散性的构成单元体(Segment Unit)，依体积分率调整形成共聚合物(Copolymer)或混合聚合物(Blend Polymer)，以单轴延伸方式配向高分子链，形成单层宽波域1/4λ相位差膜。但是，其材料分子设计、合成、提纯难度大。
第四，多层液晶相位补偿膜，液晶分子本身具有双折射率的特性且液晶折射率大，所需厚度较薄，并且可用配向方式调整任意角度以搭配偏光片轴向，减少废料，降低对贴难度及成本。一种可应用在AMOLED面板的宽波域、宽视角薄型椭圆偏光片分别利用1/2λ液晶涂布膜1/4λ液晶涂布膜的组合及1/2λ液晶涂布膜1/4λ延伸膜的组合为宽波域椭圆偏光片。为了得到宽波域相位延迟片，常需要将两片聚合液晶膜以特定的角度贴合，因此必须先裁切成小片，再将小片对贴。但是因轴向角度不容易对位，贴合后的膜片常有质量不良、生产率下降等问题，造成生产成本增加。
第五，负色散液晶相位补偿膜，涂布液晶组合物于配向层上，配向层的角度可视需求定义，以一般涂布方式(例如线棒涂布法、挤出涂布法、直接凹版涂布法、反向凹版涂布法及模涂法)涂布液晶溶液后，再以UV光固化，制程相当简便快速。但是材料分子设计、合成、提纯难度大。
具体地，在CN200880127702.9中公开了相位补偿膜，其包括最大尺寸为可见光波长的四分之一或者更小的交联的聚合物的纳米粒子和液晶物质，其基本上遍布所述交联的聚合物的纳米粒子吸收，从而给液晶显示器的像素提供相位补偿值。
在TW104110171中公开了双轴拉伸薄膜及其制造方法，在纵向方向和宽度方向上双轴拉伸，制造双轴拉伸薄膜。
在JP2017069756中公开了光学膜、使用其的偏振片、使用其的显示装置及其制造方法，将具有正固有双折射的材料和提供负固有双折射的树脂混合，同时保持独特的树脂结构。在第一拉伸温度下沿第一方向拉伸材料，并在不同于第一拉伸温度的第二拉伸温度下沿不同于第一方向的第二方向拉伸。
在CN201810960744.6中公开了一种奇偶阵列偏振膜及其制备方法，奇偶阵列偏振膜包括：圆偏光片、第一相位差膜以及第二相位差膜，圆偏光片贴附于第一相位差膜的第一面。
综上述，可以发现现有的相位补偿膜存在结构复杂、工艺难度系数大、厚度尺寸大等缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明公开一种宽波段四分之一波长的相位补偿膜，包括：
第一向列相层，第一向列相层内液晶分子均一方向排列，且第一向列相层内液晶分子的初始方位角为
Figure BDA0003269695310000031
第二手性向列相层，第二手性向列相层底部贴合于第一向列相层上，且其底部内液晶分子与第一向列相层内液晶分子指向一致；
沿第二手性向列相层厚度方向及背离第一向列相层的方向，第二手性向列相层内液晶分子逐渐扭曲，其总扭曲角为
Figure BDA0003269695310000032
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，第二手性向列相层内液晶分子的总扭曲角
Figure BDA0003269695310000033
由第二手性向列相层的掺入手性分子浓度和其厚度决定。
作为优选的方案，第一向列相层内液晶分子的均一配向通过摩擦取向或光取向得到。
另一方面，本发明还公开一种计算方法，用于计算上述任一种宽波段四分之一波长的相位补偿膜的参数，第一向列相层的初始方位角
Figure BDA0003269695310000034
第二手性向列相层的总扭曲角
Figure BDA0003269695310000035
第一向列相层的厚度d1以及第二手性向列相层的厚度d2通过muller传递矩阵计算得到。
作为优选的方案，具体包括以下步骤：
A：确定目标出射光为在450-650nm范围内均为椭圆率e>0.9的圆偏振光；
B：确定第一向列相层液晶聚合物材料的折射率色散系数以及第二手性向列相层液晶聚合物材料的折射率色散系数；
C：确定第二手性向列相层掺入手性分子浓度；
D：第一向列相层的初始方位角
Figure BDA0003269695310000041
第二手性向列相层的总扭曲角/>
Figure BDA0003269695310000042
第一向列相层的厚度d1以及第二手性向列相层的厚度d2通过muller传递矩阵计算得到。/>
另一方面，本发明还公开一种制备方法，用于制备上述任一种宽波段四分之一波长的相位补偿膜，具体包括以下步骤：
S1：将液晶配向材料溶解于溶剂中，形成液晶配向溶液；
S2：将液晶配向溶液涂布于基材上；
S3：烘干，形成配向层；
S4：采用摩擦取向或光取向方式进行配向；
S5：采用已知折射率色散系数的第一液晶聚合物材料溶液涂布于配向层上，形成d1厚度的第一向列相层；
S6：在已知折射率色散系数的第二液晶聚合物材料溶液中掺入一定浓度的手性分子，将其涂布于第一向列相层上，形成d2厚度的第二手性向列相层。
作为优选的方案，涂布方法为旋涂或刮涂。
作为优选的方案，第一液晶聚合物材料与第二液晶聚合物材料相同。
作为优选的方案，第一液晶聚合物材料与第二液晶聚合物材料不同。
本发明宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法具有以下有益效果：
第一，本发明所公开的相位补偿膜为液晶涂布型相位差补偿膜，通过液晶分子指向操控实现功能，具有可调光学补偿特性，灵活度高。
第二，液晶分子本身具有双折射率大的特性，薄膜厚度薄，便于OELD器件柔性可靠性提升。
第三，可用配向方式调整任意角度以搭配偏光片轴向，减少废料，降低对贴难度及成本。
第四，工艺简单，只需要对第一层进行均一配向操作，分两次涂布，便于大面积生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的相位补偿膜的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的初始方位角
Figure BDA0003269695310000051
及总扭曲角/>
Figure BDA0003269695310000052
的示意图。
图3为本发明实施例提供的经过实施例一制备的相位补偿膜的出射光在450-650nm的圆偏振率。
图4为本发明实施例提供的经过实施例二制备的相位补偿膜的出射光在450-650nm的圆偏振率。
其中：1-第一向列相层，2-第二手性向列相层。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
“包括”元件的表述是“开放式”表述，该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件或步骤，不应当解释为排除附加的部件步骤。
为了达到本发明的目的，宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法的其中一些实施例中，如图1所示，相位补偿膜包括：
第一向列相层1，第一向列相层1内液晶分子均一方向排列，且第一向列相层1内液晶分子的初始方位角为
Figure BDA0003269695310000061
第二手性向列相层2，第二手性向列相层2底部贴合于第一向列相层1上，且其底部内液晶分子与第一向列相层1内液晶分子指向一致；
沿第二手性向列相层2厚度方向及背离第一向列相层1的方向，第二手性向列相层2内液晶分子逐渐扭曲，其总扭曲角为
Figure BDA0003269695310000062
且第二手性向列相层2内液晶分子垂直于相位补偿膜膜面扭曲。
用于制备第二手性向列相层2的手性液晶聚合物可以通过将手性分子掺入反应性液晶单体获得，也可以由单一组分的手性反应性液晶单体或者混合物实现。
如图1所示，环境光经过线偏振片，从A面入射，宽波段线偏振转化为圆偏振，经过金属背底反射，圆偏振旋性翻转；从B面入射，得到90度旋转的线偏振光，再次经过线偏振片，从而将环境光滤去。
如图2所示，以入射偏振片起偏方向为x轴，设为0度。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，第二手性向列相层2内液晶分子的总扭曲角
Figure BDA0003269695310000071
由第二手性向列相层2的掺入手性分子浓度和其厚度决定。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，第一向列相层1内液晶分子的均一配向通过摩擦取向或光取向得到。
本发明实施例还公开一种计算方法，用于计算上述任一实施例公开的宽波段四分之一波长的相位补偿膜的参数，第一向列相层的初始方位角
Figure BDA0003269695310000072
第二手性向列相层的总扭曲角/>
Figure BDA0003269695310000074
第一向列相层的厚度d1以及第二手性向列相层的厚度d2通过muller传递矩阵计算得到。
进一步，上述计算方法具体包括以下步骤：
A：确定目标出射光为在450-650nm范围内均为椭圆率e>0.9的圆偏振光；
B：确定第一向列相层液晶聚合物材料的折射率色散系数以及第二手性向列相层液晶聚合物材料的折射率色散系数；
C：确定第二手性向列相层掺入手性分子浓度；
D：第一向列相层的初始方位角
Figure BDA0003269695310000073
第二手性向列相层的总扭曲角/>
Figure BDA0003269695310000075
第一向列相层的厚度d1以及第二手性向列相层的厚度d2通过muller传递矩阵计算得到。
本发明根据液晶聚合物材料的折射率色散系数(R450/R550，或Δn(λ))，进行计算设计。
具体的计算步骤如下所述：
入射光条件：水平偏振光入射，Muller矩阵表示Si＝(1,1,0,0)T；
要求目标出射光St＝(S0,S1,S2,S3)，为在450-650nm范围内均为椭圆率e>0.9的圆偏振光。
考虑材料体系双折射性质，液晶聚合物材料的双折射可通过如下公式表示：
Δn＝A+B/λ^2；
其中：A和B为分散系数。
液晶聚合物材料为常规正分散类材料。
入射光经过本发明提出的双层结构传输Muller矩阵由如下公式表示：
St＝T2*T1*Si
其中，T1为第一向列相层的Muller传输矩阵；
T2为第二手性向列相层的Muller传输矩阵。
具体地，以下m＝1代表的是第一向列相层的某一参数，m＝2代表的是第二手性向列相层的某一参数。
Figure BDA0003269695310000081
a＝cos Xmcosφm+φmsinφmsin cXm
Figure BDA0003269695310000082
c＝cos Xmsinφm-φmcosφmsin cXm
Figure BDA0003269695310000083
ζm＝Γm(λ)/2＝πΔn(λ)dm/λ
Figure BDA0003269695310000084
Figure BDA0003269695310000085
sincXm＝(sinXm)/Xm
其中：
ζ1代表第一向列相层提供的平均光学延迟量；
ζ2代表第二手性向列相层提供的平均光学延迟量；
Figure BDA0003269695310000091
代表第一向列相层的初始方位角与截止方位角之和，/>
Figure BDA0003269695310000092
Figure BDA0003269695310000093
代表第二手性向列相层的初始方位角与截止方位角之和，/>
Figure BDA0003269695310000094
Figure BDA0003269695310000095
X1、X2、sincX1以及sincX2为计算过程中间变量。
要求目标出射光在450-650nm均为理想圆偏振光，即St＝(S0,S1,S2,S3)＝(1,0,0,1)T。且目标出射光的椭圆率|e|>0.9，其中：e的正负分别代表右旋和左旋偏振光。
e＝tan(sin-1S3)/2)
通过定义求解函数
Figure BDA0003269695310000096
通过最优值算法求解函数f的最小值，计算求解上述双层结构相位补偿膜中的初始方位角、扭曲角和厚度参数。
本发明实施例还公开一种制备方法，用于制备上述任一实施例公开的宽波段四分之一波长的相位补偿膜，具体包括以下步骤：
S1：将液晶配向材料溶解于溶剂中，形成液晶配向溶液；
S2：将液晶配向溶液涂布于基材上；
S3：烘干，形成配向层；
S4：采用摩擦取向或光取向方式进行配向；
S5：采用已知折射率色散系数的第一液晶聚合物材料溶液涂布于配向层上，形成d1厚度的第一向列相层；
S6：在已知折射率色散系数的第二液晶聚合物材料溶液中掺入一定浓度的手性分子，将其涂布于第一向列相层上，形成d2厚度的第二手性向列相层。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，涂布方法为旋涂或刮涂。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，第一液晶聚合物材料与第二液晶聚合物材料相同。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，第一液晶聚合物材料与第二液晶聚合物材料不同。
为了对本发明公开的制备方法有更清楚的了解，下面介绍两个具体实施例。
实施例一：
S1：将液晶配向材料SD1以1％质量浓度，形成DMF溶液；
S2：以3000rpm，将液晶配向材料SD1溶液涂布于玻璃或者柔性基板上；
S3：100摄氏度下，烘烤2-3分钟；
S4：采用线偏振405激光为记录光，曝光剂量达到1J/cm2以上，第一层液晶配向方向和记录光偏振方向成90夹角；
S5：采用张家港莱拓新材提供的液晶聚合物OCM-A0，Δn@589nm＝0.152，R(450)/R(550)＝1.087，控制OCM-A0的浓度和旋涂转速，获得厚度d1为1.18微米的第一向列相层，第一向列相层内液晶分子与入射偏振夹角
Figure BDA0003269695310000101
为14.9度；
S6：在30wt％OCM-AO溶液中掺入0.7wt％比例的CB15手性分子，控制旋涂转速，获得厚度d2为1.13微米的第二手性向列相层，其对应扭曲角
Figure BDA0003269695310000102
为86.5度。
如图3所示，为0度线偏振入射下，经过实施例一制备的宽波段四分之一波长相位补偿膜的圆偏振率，可以看出，波长在450nm-650nm的线偏振光，被转化为优异的圆偏振光。
实施例二：
S1：将液晶配向材料SD1以1％质量浓度，形成DMF溶液；
S2：以3000rpm，将液晶配向材料SD1溶液涂布于玻璃或者柔性基板上；
S3：100摄氏度下，烘烤2-3分钟；
S4：采用线偏振405激光为记录光，曝光剂量达到1J/cm2以上，第一层液晶配向方向和记录光偏振方向成90夹角；
S5：采用莱拓新材提供的液晶聚合物30wt％浓度的OCM-A1溶液，Δn@589nm＝0.160，R(450)/R(550)＝1.096，控制OCM-A1的旋涂转速，获得d1为1.11微米的第一向列相层，第一向列相层内液晶分子与入射偏振夹角
Figure BDA0003269695310000111
为14.1度；
S6：在OCM-A1溶液中掺入0.7％质量分数的CB15手性分子，控制旋涂转速，获得厚度d2为1.07微米的第二手性向列相层，其对应扭曲角
Figure BDA0003269695310000112
为83.16度。
如图4所示，为0度线偏振入射下，经过实施例二制备的宽波段四分之一波长相位补偿膜的圆偏振率，可以看出，波长在450nm-650nm的线偏振光，被转化为优异的圆偏振光。
本发明宽波段四分之一波长的相位补偿膜、计算方法及制备方法具有以下有益效果：
第一，本发明所公开的相位补偿膜为液晶涂布型相位差补偿膜，通过液晶分子指向操控实现功能，具有可调光学补偿特性，灵活度高。
第二，液晶分子本身具有双折射率大的特性，薄膜厚度薄，便于OELD器件柔性可靠性提升。
第三，可用配向方式调整任意角度以搭配偏光片轴向，减少废料，降低对贴难度及成本。
第四，工艺简单，只需要对第一层进行均一配向操作，分两次涂布，便于大面积生产。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.宽波段四分之一波长的相位补偿膜，其特征在于，包括：
第一向列相层，所述第一向列相层内液晶分子均一方向排列，且所述第一向列相层内液晶分子的初始方位角为
Figure FDA0003269695300000011
第二手性向列相层，所述第二手性向列相层底部贴合于所述第一向列相层上，且其底部内液晶分子与所述第一向列相层内液晶分子指向一致；
沿所述第二手性向列相层厚度方向及背离所述第一向列相层的方向，所述第二手性向列相层内液晶分子逐渐扭曲，其总扭曲角为
Figure FDA0003269695300000012
2.根据权利要求1所述的相位补偿膜，其特征在于，所述第二手性向列相层内液晶分子的总扭曲角
Figure FDA0003269695300000013
由所述第二手性向列相层的掺入手性分子浓度和其厚度决定。
3.根据权利要求1或2所述的相位补偿膜，其特征在于，所述第一向列相层内液晶分子的均一配向通过摩擦取向或光取向得到。
4.计算方法，其特征在于，用于计算如权利要求1-3任一项所述的宽波段四分之一波长的相位补偿膜的参数，所述第一向列相层的初始方位角
Figure FDA0003269695300000014
所述第二手性向列相层的总扭曲角
Figure FDA0003269695300000015
所述第一向列相层的厚度d1以及所述第二手性向列相层的厚度d2通过muller传递矩阵计算得到。
5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A：确定目标出射光为在450-650nm范围内均为椭圆率e>0.9的圆偏振光；
B：确定第一向列相层液晶聚合物材料的折射率色散系数以及第二手性向列相层液晶聚合物材料的折射率色散系数；
C：确定第二手性向列相层掺入手性分子浓度；
D：所述第一向列相层的初始方位角
Figure FDA0003269695300000016
所述第二手性向列相层的总扭曲角
Figure FDA0003269695300000017
所述第一向列相层的厚度d1以及所述第二手性向列相层的厚度d2通过muller传递矩阵计算得到。
6.制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-3任一项所述的宽波段四分之一波长的相位补偿膜，具体包括以下步骤：
S1：将液晶配向材料溶解于溶剂中，形成液晶配向溶液；
S2：将液晶配向溶液涂布于基材上；
S3：烘干，形成配向层；
S4：采用摩擦取向或光取向方式进行配向；
S5：采用已知折射率色散系数的第一液晶聚合物材料溶液涂布于配向层上，形成d1厚度的第一向列相层；
S6：在已知折射率色散系数的第二液晶聚合物材料溶液中掺入一定浓度的手性分子，将其涂布于第一向列相层上，形成d2厚度的第二手性向列相层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述涂布方法为旋涂或刮涂。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一液晶聚合物材料与第二液晶聚合物材料相同。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一液晶聚合物材料与第二液晶聚合物材料不同。
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