TWI364564B - Low color shift polarizer film assembly, lcd, low color shift polarized light source and method for polarization translation and color shift compensation - Google Patents

Low color shift polarizer film assembly, lcd, low color shift polarized light source and method for polarization translation and color shift compensation Download PDF

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TWI364564B TW096115861A TW96115861A TWI364564B TW I364564 B TWI364564 B TW I364564B TW 096115861 A TW096115861 A TW 096115861A TW 96115861 A TW96115861 A TW 96115861A TW I364564 B TWI364564 B TW I364564B
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Description

1.364564 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種光學元件，特別有關於一種低色 偏之組合型偏光光學膜及含有該光學膜的背光模組和液晶 顯示器。 【先前技锏·】 0 液晶顯示器是一種自身不發光的顯示器，為了影像顯 示，通常需要使用會發光的背光模組作為光源，而液晶在 電場的作用下配合偏光材料，其功能如同光閥，結合電極 的佈置及電極開關的安排，可調節光線的強弱、即可在空 間中產生不同的亮暗點而呈現生動的影像。 傳統上的偏光片是由二色性材料所形成，其中含有例 如峨離子錯合物或二色性染料物，使其在兩個互相直交的 轴上吸收光線的能力不同，亦即在其中一軸（吸收軸）有入 Φ 射光的最高吸收度，而在其直交軸（穿透轴）上有最低吸收 度，因此就實際狀況而言有一半以上的入射光會被偏光片 吸收而損失，造成偏光片及液晶顯示器總體之低光能利用 ' 率，無法同時滿足液晶顯示器高亮度與低能量耗損的需求。 目前用來增進液晶顯示器光能利用率最有效的方法之 一為偏光轉換法，其係利用結果為轉換偏光軸的方式將原 本在吸收軸振動的光轉換到穿透轴上（透過與背光模組的 反射機制），達到光的高效能再利用。 膽固醇液晶膜是一種可將自然光偏極化成圓偏光的偏 0954-A22074TWF(N2)；P54950137TW；kelly 5 1.364564 光元件，其可以將光線分離成左圓偏光與右圓偏光，與膽 ' 固醇液晶分子堆疊螺旋性（手性）相同的圓偏光將會被反 射，而另一與膽固醇液晶分子手性相反的圓偏光則會穿透 膽固醇液晶膜。通常將膽固醇液晶膜設置於液晶顯示器的 下偏光片與背光模組之間，如此被膽固醇液晶膜反射的光 經過背光模組的的反射機制將會穿透膽固醇液晶膜，增加 • 光能利用率。 • 一般液晶顯示器的光學係用線性偏光（linear polarized • light)的設計，前述膽固醇液晶膜所分離出來的是圓偏光， 需將其轉換成線性偏光，從光學原理得知這個轉換須用到 1/4波長延遲片膜（quarter wave film，簡稱QWF )，若將該 QWF設置於膽固醇液晶膜上，與光源成相反側，並藉由調 整1/4波長延遲片與偏光片的軸向之相對夾角，偏光態的 轉換即可達成，該組合物進一步與背光模組、顯示面板的 適當組合即可達到增加亮度（高光能利用率）的目的。 然而，傳統上所使用的1/4波長延遲膜通常為A板 ® (A-plate)型式，如第1圖所示，A板型式1/4波長延遲膜之 • 光軸14為與膜面方向平行，A板型式之1/4波長延遲膜與 . 膽固醇液晶膜搭配之組合元件往往容易在大視角觀察到與 原背光源不同的色調，即為色偏現象（color shift)，當色偏 現象嚴重時，就會在大視角處影響影像顏色的準確性，因 此，亟需一種整合功能型的光學膜片以改善該現象及增加 增亮技術的實用性。 為改善此一現象有許多解決方法被提出，例如美國專 0954-A22074TWF(N2);P54950i37TW:kelly 6 1.364564 利第5731886號係在1/4波長延遲片上另外設置一 >!正型C 板(C-plate)補償膜來補償色偏現象，然而，此方法會增加 材料的種類以及厚度，並且增加製程的步驟與複雜度，使 得大面積時難以均勻化。 0板相位差膜的特徵在於其為光軸在斜方向且不與膜 之法線垂直或平行之光學補償膜，但沿著厚度方向移動， * 其光轴在膜層兩表面間與膜面間的夾角可有兩種形式的分 - 布，若光軸在第一表面與第二表面之間與膜面的夾角是連 # 續變化，我們稱之為展開型的0板(splay-type O-plate);另 外，若光轴在第一表面與第二表面之間與膜面法線的夾角 大致一致，我們稱之為傾斜型的0板（synclinic-type O-plate)。 0板相位差膜係用於例如扭轉向列液晶模式（Twisted Nematic，簡稱TN)、超扭轉向列液晶模式（Super Twisted Nematic，簡稱STN)等液晶顯示器之視角-對比補償膜，例 如美國專利第5504603號及第708841 1號所述。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種低色偏偏光光學元件，包 ' 括：膽固醇液晶膜，以及波長延遲片，其係由一片或一片 以上的0板（O-plate)相位差膜組合而成，設置於膽固醇液 晶膜上，其中波長延遲片兼具偏光狀態轉換與色差補償功 能。 上述之波長延遲片具有1/4波長延遲片之功能，其特 徵在於使用〇板相位差膜組合而成，作為對通過膽固醇液 0954-A22074TWF(N2)：P54950137TW；kelly 7 1364564 晶膜的圓偏極化光轉換成線偏極光所需的l//t 4 p ·. j i/4波長延遲片 用。此外’其除了作為前述之偏光態轉換所需的1/4 延遲片之外，還兼有降低膽固醇液晶犋在大視角方;皮長 •偏功能。因此’上述之波長延遲片為兼具ι/4波長延遲色 及色偏補償功能之整合型光學膜。另外，為了提^更對^ 的光學補償效果’其中堆疊之各0板相位差膜的光轴可^ • 相互對稱或非對稱之型式。 … • 本發明之另一目的在於提供一種液晶顯示器，其包 • 括：液晶盒，一對上下偏光板對向設置夾設液晶盒，背^ 源设置於液晶盒與下偏光板下方，以及如上所述之低色偏 偏光光學元件’設置於背光源與下偏光板之間，且其中膽 固醇液晶膜朝向背光源。上述之液晶顯示器具有低耗電之 功效。 本發明又提供一種低色偏偏光光源，其係由如上所述 之低色偏偏光光學元件與背光模組所組合成，其中該低色 偏偏光光學元件設置於背光模組之出光面上。 籲 此外，本發明更提供—種兼具偏光狀態轉換與色差補 • 償的方法，適用於液晶顯示器’該方法包括：提供液晶盒， • 將一對上下偏光板對向設置夾設液晶盒，將背光源設置於 液晶盒與下偏光板下方，以及將上述之低色偏偏光光學元 件設置於背光源與下偏光板之間，且其中膽固醇液晶膜朝 向背光源。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳貫施例，並配合所附圖式，作詳 0954-A22074TWF(N2)；P54950137TW：kelly 8 1.364564 細說明如下： 【實施方式】 本發明提供一種光學元件，其係利用具有0板特徵之相 位差膜所組成之1/4波長延遲片設置於膽固醇液晶膜上，其 與背光源搭配可提供低色偏之偏光光源，並可應用於液晶顯示 • 器上。本發明利用0板相位差膜作為1/4波長延遲片之建立 . 元件，同時提供作為偏光狀態轉換的波長延遲片以及消除 φ 在大視角時的色偏現象之整合型功能，因此當其應用於液 晶顯示器時，可達到結構簡化、全視角低色偏以及高亮度 之功效。 參閱第2A及2B圖，0板相位差膜210是一種光軸與 厚度的法線之間具有一角度之光學膜，其材料例如為具向 列相液晶特性或碟型液晶之材料，可在基底200上形成， 基底之材料例如為離型層，當用於本發明之1/4波長延遲 片的建立元件及成品時，該離型層不存在。Ο板相位差膜 φ 具有上表面201與下表面202,在上表面與下表面之層間 可有多個光軸203，且其中至少一光軸與下表面之間夹有 一角度。0板相位差膜大致上可分為兩類，其中一種如第 2A圖所示，為展開型的Ο板（splay type O-plate)，多個光 軸從膜的下表面到上表面，由近乎水平狀態（亦即0度）連 續變化至近乎垂直狀態（亦即90度），且此種Ο板相位差膜 具有一大致的平均傾斜角度（9 !;另一種如第2B圖所示， 為傾斜型的0板(synclinic type O-plate)，光軸從膜的下表 面到上表面有幾乎相同的傾斜角度，亦即0板相位差 0954-A22074TWF(N2):P5495013丌 W:kelly 9 ^64564 ·. 膜自底部至頂部之層間分子所形成的平均光軸與〇板相位 差膜平面間所失的角度大抵相同，且傾斜角度Θ 2大於〇 度。 本發明之光學元件可使用一片或一片以上的〇板相位 是膜之組合做為1/4波長延遲片與膽固醇液晶膜搭配成低色 . 偏之偏光光學元件，其中波長延遲片的平面相位差值 (邙-plane retardation，簡稱 R〇)介於 I30±30nm 之間，且其 _ 平面外相位差值（out-〇f-plane retardation’簡稱Rth)大於
9〇nm °本發明之〇板相位差膜層内分子所形成的平均光軸 與〇板相位差膜水平面間所夾的角度可介於〇度至75度 之間’較佳為10度至60度之間，更佳為15度至5〇度之 間。若使用如第2A圖所示之〇板相位差膜，則其中與膽固 酉子液aa膜接近的光軸可為近乎水平狀態或近乎垂直狀態。第 3A^3B圖為使用一片〇板相位差膜設置膽固醇液晶膜上之 光學7L件，如第3A圖中所示，其中〇板相位差膜21〇係以 % 近乎水平狀悲的光軸204靠近膽固醇液晶膜220，而第3B .f中的0板相位差膜210則是以近乎垂直狀態的光軸2〇5 ' 靠近膽固醇液晶膜220。 . 另外，本發明亦可使用由—片以上的Ο板相位差膜組合 而成之1M波長延遲片與膽固醇液晶膜搭配成本發明之低色 偏=光光學元件，其中多片〇板相位差膜的堆疊方式可為將 各單層0板相位差膜之光軸以對稱或非對稱方式堆疊，如 第3C至3J圖所示，其為使用2片〇板相位差膜堆疊的夂 種方式，其中第,30 3卜3(}和3：[圖的堆疊方式為光鋪 〇954-A22074TWF(N2)：P54950137TW;kelly 1364564 稱，而第3D、3E、3H和31圖的堆疊方式則為光軸非對稱， ' 雖然第3C至3J圖是以2片0板相位差膜堆疊為例，熟悉 此技藝人士當可瞭解，也可以使用2片以上的0板相位差 膜堆疊，並且其堆疊方式也可分成光轴對稱與光軸非對稱。 在本發明之光學元件中，無論使用一片或是一片以上 的〇板相位差膜，其都可以作為對通過膽固醇液晶膜的圓 ' 偏光做偏光狀態轉換的波長延遲片，此外還可同時具有色 • 偏補償之功能，因此只需要一種光學膜即可同時達到偏光 • 狀態轉換與色偏補償之功能，反觀習知技藝中，若需要達 到上述的兩種功能，則需要利用具有偏光狀態轉換之1/4 波長延遲片搭配正型C板（C-plate)補償膜來補償色偏現 象，因此本發明可簡化材料並節省成本。 本發明之低色偏偏光光學元件可應用於液晶顯示器 中，在本發明一實施例中，液晶顯示器的結構剖面圖如第 4圖所示，一對上、下偏光板412、414對向設置，中間夾 設液晶盒（liquid crystal cell)416，熟悉此技藝人士當可瞭 ® 解，液晶盒包括彩色濾、光片基板與陣列基板夾設液晶層（未 • 繪出），在下偏光板414與背光源410之間為本發明之光學 . 元件430，其包括一片或多片的Ο板相位差膜之組合做為 1/4波長延遲W 418設置於膽固醇液晶膜420上。經由該組 合型1/4波長延遲片418、膽固醇液晶膜420與背光源410 搭配，可提供低色偏之偏光光源，同時由於本發明之低色偏 偏光光學元件與背光模組的搭配可提高LCD的光能利用 率，因此可達到高亮度的需求。 0954-A22074TWF(N2):P54950137TW；kelly 1364564 在液晶顯示器的應用上，若只針對特定視角需求，例 ' 如駕駛員觀看的液晶螢幕，則可利用單片型的0板1/4波 長延遲片或非對稱型組合型0板1/4波長延遲片來補償特 定視角的色偏現象；若需針對對稱視角的需求，例如在液 晶螢幕的兩側都有觀看者，則需要對稱型組合型0板1/4 波長延遲片以補償兩側的色偏現象。多片〇板組合型〇板 ' 1/4波長延遲X可提供更對稱的光學補償效果，且無論是光 - 軸對稱或非對稱的堆疊方式都能達到同樣的效果。 鲁本發明之光學元件利用單一種光學膜同時提供作為偏 光狀態轉換的波長延遲片以及消除在大視角時的色偏現象 之整合型功能，因此不需像傳統的液晶顯示器要有各別的 1/4波長延遲片及正型C板(C-plate)補償膜，當其應用於液 晶顯示器時，可達到結構簡化材料、成本降低、全視角低 色偏以及高亮度之功效。 【實施例1】 0板相位差膜（取自遠東紡織）其單片之平面内相位差 隹 值（Ro)為60nm(±5nm)，單片之平面外相位差值（Rth)為 . 94nm(±5nm)，光轴傾斜角為19.6°，將兩片上述之Ο板相 _ 位差膜以第3C圖方式堆疊成組合型1/4波長延遲片，並設 置於寬波域膽固醇液晶膜上，成為本發明實施例1之低色 偏偏光光學元件。 將本發明實施例1之低色偏偏光光學元件以光學儀器 £冗(：〇111^31;-160(法國丑1(1丨111公司產品）量測其在1^0背光模 組裝設前與裝設後所發出的光在各視角之色彩差異情形， 0954-A22074TWF(N2)：P54950137TW；kelly 1.364564 所得之結果如第5 A圖所示，其中橫軸為視角自_8〇。至.go 。’縱軸為色度座標之差異值(du，v，，簡稱色偏值），由圖中 可得知，使用本發明之光學元件其在小視角（g 士4〇。)之色偏 值約為0.01或0.01以下，且在大視角g±5〇。）之色偏值 約為0.02。 【比較例1】 使用市售的1/4波長延遲片（取自曰本帝人化成），其平 . 面内相位差值(Ro)為147nm(@589nm)，平面外相位差值 • (Rth)約為75nm(±5nm)，光軸傾斜角為0。，與同實施例丄 之I波域膽固醇液晶膜搭配，利用光學儀哭 EZC〇ntraSt-160(法國Eldim公司產品）量測其在LCD背光模 組裝設前與裝設後所發出的光在各視角之色彩差異情形， 所得之結果如第5B圖所示，其中橫軸為視角自_8〇。至+8〇 ，縱軸為色度座標之差異值(du，v，，簡稱色偏值），由圖中 可得知’其在小視角（以4〇。)之色偏值約為〇〇卜且在大 視角（2±50°)之色偏值約為〇 〇4。 籲 由第5八圖及S5B圖的結果比較可得知，雖然市售的 • 1/4嫩遲片搭配寬波域膽固醇液晶膜可在小視角時達 •到與本發明之光學元件相同效果的色偏值〇.(n，但是其在 大視角時的色偏值為0.04,遠大於本發明之光學元件在大 視角時的色偏值0.02，由此可得知，利用本發明之光學元 件較傳統的1/4波長延遲片搭配寬波域膽固醇液晶膜更能 達到液晶顯示器在大視角時低色偏之要求。
雖然本發明已揭露較佳訾你点以L ^ , L 貫知例如上，然其並非用以限 〇954-A22074TWF(N2)：P54950137TW：kelly 1.364564 定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
0954-A22074TWF(N2)：P54950i37TW；kei(y 14 1364564 【圖式簡單說明】 第1圖為A板1/4波長延遲片之光軸剖面示意圖。 第2A與2B圖為0板相位差膜之光軸剖面示意圖。 第3A至3B圖為本發明之光學元件的結構剖面圖，圖 中顯示1片0板相位差膜在膽固醇液晶膜上的堆疊方式。 第3C至3J圖為本發明之光學元件的結構剖面圖，圖 中顯示兩片0板相位差膜在膽固醇液晶膜上的堆疊方式。 第4圖為本發明之一實施例的液晶顯示器的結構剖面 圖。 第5A圖為本發明實施例1的光學元件在各視角之色偏 值的量測結果。 第5B圖為本發明比較例1的光學膜在各視角之色偏值 的量測結果。 【主要元件符號說明】 10、200〜基底； 12〜A板1/4波長延遲片； 14、203、204、205〜光軸； 210、418〜0板相位差膜； 201〜Ο板相位差膜之下表面； 202〜Ο板相位差膜之上表面； 220、420〜膽固醇液晶膜； 410〜背光源； 412〜上偏光板； 0954-A22074TWF(N2)：P54950137TW；kelly . c 1.364564 414〜下偏光板； 416〜液晶盒； 430〜本發明之低色偏偏光光學元件。
0954-A22074TWF(N2)：P54950137TW；kelly 16

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1364564 修正日期:1〇1.2.8 第 9611586]號 修正本 盒與一背光 十、申請專利範圍： 】·種低色偏偏光光學元件，位於一液 源之間，包括： … 一膽固醇液晶膜；以及 /皮長延遲片，其係由—片或_片以上的〇板(㈣刪 相位是膜組合而成，設置於該膽固醇液晶膜上’其中該波 ^遲片兼具偏綠態轉換與色差補償功能，且該膽固醇 鲁液晶膜朝向該背光源。 2.如申請專利範圍第】項所述之低色偏偏光光學元 /、中4波長延遲片的平面相位差值（in-plane 簡稱R〇)介於13〇±3〇_之間，且其平面外相 。（〇m-0f-plane retardati〇n ’ 簡稱⑽）大於 9〇·。 3甘如t請專㈣圍第〗項所述之低色偏偏光光學元 ^中該Q板相位差膜層内分子所形成的平均光轴與該 反目位差膜水平面間所夾的角度介於〇度與Μ度之間。 _ ^如申料·㈣3項所叙低色偏偏光光學元 千、中該Q板相位差膜相分子卿成的平均光轴與該 相位差膜水平面間所央的角度介於1()度與⑹度之間。 =如申請㈣範圍第4項所述之低色偏偏光光學元 ^巾該Ο板相位差膜相分子卿成时均光轴與該 目位差膜水平面間所夾的角度介於15度與別度之間。 ，复6.如巾5f專利翻第]項所述之低色偏偏光光學元件 平亥0板相位差膜自底部至頂部之層間分子所形成的 :由與該Ο板相位差膜平面間所夾的角度相同，且該 ^64 第96】]586】號 角度大於0度。 修正曰期:】〇】.2.8 修正本 杜1如申明專利靶圍第1項所述之低色偏偏光光學元 、中該G板相位差膜自底部至頂部之層間分子所形成 自、先轴與該G板相位差膜平面間所夾的角度由g 化至90度。 、 8甘如申請專利範圍第】項所述之低色偏偏光光學元 卞，、中。亥波長延遲片由兩片〇板相位差膜組成。 9甘如申請專·圍第8項所述之低色偏偏光光學元 ，/、中該兩片0板相位差膜以絲對稱方式堆疊。 申請翻範㈣8韻狀低色偏偏光光學元 八5亥兩片〇板相位差膜以光軸非對稱方式堆疊。 11. 一種液晶顯示器，包括： 一液晶盒； 一^工卜偈光板，對向設置夾設該液晶盒； 一背光源’設置於該液晶盒與該下偏光板下方；以及 如申5月專利範圍第1項所述之低色偏偏光光學元 於該背光源與該下偏光板之間，且其中該膽 液日日版朝向該背光源。 12_如申請專利範㈣u項所述之液晶顯示器， 在該〇板相位差膜與該下偏光板之間沒有c板補償膜 ]3.—種低色偏偏光光源，包括： 一背光模組；以及 件：二申請專利範圍第】項所述之低色偏偏光光學元 件，5又置於該背光模組之上。 ^ y〇Ji^5〇i 一種兼具偏光狀態轉換與色差補償 、笟正本 一液晶顯示器，該方法包括·· 、 ，適用於 提供一液晶盒； 將對上下偏光板對向設置央設該液晶各. :一 設置於該液晶盒與該τ偏先:下方；以及 將一如ΐ請專利範圍第】項所述之 以及 件設置於”絲賴τ 、 ·色Μ光光學元 晶膜朝向該背光源。 Β，且其中該膽固醇液 15.如申請專利範圍第】 與色差補償的方法，並中在' I、偏光狀態轉換 之間沒有設置c板補償膜在该0板相位差膜與該下偏光板 與色所述之兼具偏光狀態轉換 供—低色偏偏光光源月光源與該光學元件的組合提
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