TWI443390B - 寬波域膽固醇液晶薄膜、其製法、包含其之偏光元件、及包含其之高光效率液晶顯示器 - Google Patents

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Description

寬波域膽固醇液晶薄膜、其製法、包含其之偏光元件、 及包含其之高光效率液晶顯示器
本發明關於一種膽固醇液晶薄膜、及其製品，特別關於一種寬波域膽固醇液晶薄膜、及其製品。
膽固醇液晶薄膜係由含有旋光性分子所構成之液晶材料、其具有選擇性光反射、圓偏光二色性等光學上的特性，廣泛應用於各種顯示裝置或光學元件中，例如偏光態分離膜及LCD之背光增亮元件。
膽固醇液晶(cholesteric liquid crystal)，其分子的堆列具有一定的規則性，若液晶分子的外型可視為一具有長軸及短軸之分子，則基本上在同一平面之分子層具有大致相同的長軸方向，如同向列型液晶(nematic liquid crystal)，而其下一分子層之軸向則會與上一層之軸向夾一角度，如此堆列法將在厚度方向形成一螺旋堆列的結構體，當其軸向變化360度時，其分子所堆列的厚度稱為一個螺距(pitch,p)；前述的分子堆列方式，可逐層向左轉動、也可逐層向右轉動，端視膽固醇液晶中的掌性(chirality)成分而定；膽固醇液晶之層狀結構可以選擇性的反射特定波長的光波，尤其反射與其螺旋方向相同之圓偏極光，而通過另一個方向的圓偏極光。根據Bragg反射定則，膽固醇液晶之選擇性反射頻譜(selective reflection spectrum)中心波長λ、膽固醇液晶的平均折射率n、和膽固醇液晶排列的螺距P有以 下的關係：λ=n˙P
反射波域寬度△λ(reflection bandwidth)則與薄膜的光學異向性△n(birefringence，或稱複折射率，光學異向性)及螺距P有關，關係式如下：△λ=△n˙P
在不進行調變的狀況下，膽固醇液晶薄膜純粹由△n所引起的△λ，一般約僅為數十奈米(nm)，易言之，一般液晶單體材料聚合成的膽固醇液晶高分子其偏光效果的波長範圍狹小(約40~50nm)，然而LCD是一個視覺用途的產品，此反射波寬不足以應用於液晶顯示器中。作為液晶顯示器中的應用需有較大的反射波寬，因此將有效偏光反射範圍擴大以涵蓋全可見光的範圍(400~700nm)成為一必要之技術需求，許多種技術提到如何將該偏光反射頻譜寬度擴大的方法。
一普遍的作法係將數個具有不同反射波段的膽固醇液晶薄膜組合(如美國專利6,016,177)，形成一膽固醇液晶複合結構10(多層膽固醇液晶薄膜)，請參照第1圖。該膽固醇液晶複合結構10包含三層膽固醇液晶薄膜12、14、及16，係先各自製備，再逐一以膠層18黏合，以達到全可見光的反射波段。然而，上述方法因多層結合，其光學效果會被減弱，且需要許多種類的製程且製程數太多，導致良率較低。
為克服上述缺點，逐層塗佈法是另一用來形成膽固醇 液晶複合結構的作法，用以取代以膠層黏合的方式。由於膽固醇液晶層係直接配置於另一層膽固醇液晶層之上，少了膠層，使得透光率會明顯提升。然而，由於各膽固醇液晶層間之表面張力接近，易造成膜面塗佈缺陷。
其次，製作單層膽固醇液晶薄膜可省去多層貼合的工序，且避免連續塗佈的介面缺陷，單層膽固醇液晶薄膜逐漸成為此領域開發的重點。
美國專利5506704揭露一種單層膽固醇液晶薄膜，係使用兩個反應性有差異的液晶單元體，並加入UV染料，可在照光程序中達成膽固醇液晶薄膜的螺距可自基材往上呈線性連續增大的變化，以致有機會涵蓋可見光範圍。然而，上述方法需要長時間的曝光，以使液晶可以有充分的時間做規則化排列，因此使得產品的生產效率降低，且使用的製程設備需具有一定程度的限制。
美國專利7311952揭示一種兩段式曝光之方法，首先在一空氣環境中進行第一次UV照射，形成部份固化的寡聚體。在等待一段時間使寡聚體配向後，再以高能量UV曝光進行第二次UV照射以固化成膜。請參照第2圖，所得的膽固醇液晶薄膜20的螺距分佈分成三區域，其臨上表面21側的區域22具有最小平均螺距、位於中間的區域24則具有最大平均螺距、而臨下表面(與基材30接觸)23側之區域26的螺距則介於上述兩者間。上述方法需要一個等待配向的時間，且其製程需使用能量不同的二次UV照射，於第一次UV照射中需要精準控制UV照射強度以達到部 份聚合形成寡聚體(UV照射強度不足則無法聚合，太強則完全聚合)，使得製程複雜度及製程不確定性增加。
基於上述，本發明係提供一種具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜，其係為單層(single layer)液晶材料結構，且具有數個不同平均螺距的區域且其平均螺距大小呈特定的分佈關係，使得該膽固醇液晶薄膜可具有寬範圍的反射頻譜。
本發明所述之寬波域膽固醇液晶薄膜可進一步與一相位差膜結合，構成一高對比、高透光度之反射式偏光元件，並可進一步應用於顯示器之反射式偏光片、增亮元件或3D影像顯示元件中。
根據本發明一實施例，本發明係提供一種具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜，該寬波域膽固醇液晶薄膜係為一單層液晶材質結構，具有一上表面及一下表面，其中，該膽固醇液晶薄膜可大致區分為第一區域、第二區域、及第三區域，該第一區域與該上表面相鄰、該第三區域與該下表面相鄰、而該第二區域位於第一及第三區域之間，其中該第一區域內的平均螺距P1及該第三區域內的平均螺距P3皆大於第二區域內的平均螺距P2。
此外，根據本發明另一實施例，本發明係提供一種具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜的製造方法，係由以下(A)-(C)步驟所組成： (A)將膽固醇液晶組合物及光起始劑溶解於溶劑中，得到一溶液；(B)塗佈該溶液於一基板，加熱後得到一塗層；(C)在一固定氧氣含量之氣體氛圍中對該塗層施以一能量使其固化，得到如申請專利範圍第1項所述之膽固醇液晶薄膜。
再者，根據本發明其他實施例，本發明係亦提供一種偏光元件，包含如上述之寬波域膽固醇液晶薄膜；以及，一相位差膜，配置於該膽固醇液晶薄膜之上。
根據本發明其他實施例，本發明係亦提供一種高光效率液晶顯示器，包含：一上基板及一下基板，該上基板之上表面及該下基板之上表面係各設置有一電極層，其中該上基板及該下基板之間係構成一液晶盒；以及，上述之寬波域膽固醇液晶薄膜設置於該液晶盒內部或外部。
以下藉由數個實施例並配合所附圖式，以更進一步說明本發明之方法、特徵及優點，但並非用來限制本發明之範圍，本發明之範圍應以所附之申請專利範圍為準。
膽固醇液晶薄膜
本發明所述之具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜，係為一單層結構，該「單層結構」係指由同一種膽固醇液晶組合物(可包含一向列型液晶以及一旋光化合物)經一光起始劑固化後所構成。藉由該單層結構，可省去以 貼合方式形成多層結構之膽固醇液晶薄膜之複雜的貼合步驟以及可避免以連續塗佈方式形成多層結構之膽固醇液晶薄膜所造成的介面缺陷。
本發明所述之具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜具有一選擇性反射波長範圍，而該反射波長範圍位於可見光波長範圍內，且該選擇性反射波長範圍之寬度係大於150nm，例如150~350nm。請參照第3圖，該膽固醇液晶薄膜100具有一上表面101及一下表面103，而該下表面103係用來與一基板50接觸，且該膽固醇液晶薄膜100可包含一第一區域102、一第二區域104、及一第三區域106，其中該第一區域102與該上表面101相鄰、該第三區域106與該下表面103相鄰、而該第二區域104位於第一區域102及該第三區域106之間。值得注意的是，該膽固醇液晶薄膜100之該第一區域102、該第二區域104、及該第三區域106之區別在於該等區域具有不同之平均螺距，亦即該第一區域102具有一平均螺距P1、該第二區域104具有一平均螺距P2、以及該第三區域106具有一平均螺距P3。本發明所述之寬範圍頻譜膽固醇液晶薄膜之特徵在於，該第一區域102之平均螺距P1與該第三區域106之平均螺距P3皆大於該第二區域內的平均螺距P2。值得注意的是，根據本發明所述之膽固醇液晶薄膜，該第一區域102、第二區域104、及該第三區域106內的平均螺距，較佳係具有以下關係：該第一區域內的平均螺距P1>該第三區域內的平均螺距P3>該第二區域內的平均 螺距P2，運用本技術所製作之膽固醇液晶膜，可使其膜體內之螺距分佈在膜體的兩表面間較為對稱。
根據本發明一實施例，該膽固醇液晶薄膜之螺距大小變化係在厚度方向有所改變，其中鄰近該上表面之該膽固醇液晶薄膜具有一螺距P4、鄰近該下表面之該膽固醇液晶薄膜具有一螺距P5、而該膽固醇液晶薄膜中最小螺距P6係位於該第二區域內，其中該螺距P4係漸次變小至該最小螺距P6，並漸次變大至該螺距P5。此外，該膽固醇液晶薄膜中最小螺距P6出現的位置至該上表面的距離D1係與最小螺距P6出現的位置至該下表面的距離D2係不一定相等；在本發明其他實施例中，該膽固醇液晶薄膜中最小螺距P6出現的位置至該上表面的距離D1係與最小螺距P6出現的位置至該下表面的距離D2可相等。
本發明亦提供一種製備上述具有特定螺距分佈的單層膽固醇液晶薄膜的方法，該方法係由以下(A)-(C)步驟所組成：(A)將膽固醇液晶組合物及光起始劑溶解於溶劑中，得到一溶液；(B)塗佈該溶液於一基板，加熱後得到一塗層；(C)在一固定氧氣含量之氣體氛圍中對該塗層施以一能量使其固化，得到如申請專利範圍第1項所述之膽固醇液晶薄膜。
本發明所述具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜的製造方法，其所使用的膽固醇液晶組合物並沒有限制， 可為習知之任何膽固醇液晶組合物(可包含由向列型液晶及旋光化合物之組合物)；所使用的溶劑也可為任何可溶解膽固醇液晶組合物的溶劑或共溶劑，例如：甲苯、環戊酮、二甲苯、環己酮、PGMEA、丙酮、2-丁酮、酯類化合物、或其混合；所使用的基板也沒有限制，可例如為經一配向處理後的玻璃或塑膠基板，而該配向處理可例如為形成一配向膜於該基板之上；此外，用以固化該塗層的方式可為照射UV輻射或加熱。該固定氧氣含量之氣體氛圍係指調控放入在該氣體氛圍中的氣體，其氧氣含量係介於0.01%至10%間之一固定值，在一實施例中，氧氣含量係介於2%至8%間之一固定值，並可藉由調整該該氣體氛圍中的氧氣含量來調整所得之膽固醇液晶薄膜的反射波寬之頻譜範圍。此外，若在氧氣含量大於10%的氣體氛圍中對該塗層施以能量使其固化，會導致所得之膽固醇液晶薄膜之成膜性質不穩定，無法達到所需之特定物理特性。
值得注意的是本發明所述之具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜的製造方法，係為一段式快速製程(僅具有一次固化(例如UV照射)步驟)，且在完成塗佈該溶液於基板形成一塗層後，立刻進行固化步驟，換言之，在完成步驟(B)後立即進行步驟(C)，而步驟(C)不需經過等待時間(無需等待膽固醇液晶配向)。基於上述，本發明所述之具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜的製造方法較先前技術所用之兩段式或慢速製程相比具有較快的生產效率(through put)，成膜性質也較為穩定，且對製程設備的限 制較小。
此外，於任何單層膽固醇液晶薄膜之習知技術中，皆未提及與本發明所述之單層膽固醇液晶薄膜相同之上述具有特定的螺距分佈，易言之，沒有任何習知技術教示形成本發明上述具有特定螺距分佈的單層膽固醇液晶薄膜的方法。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖式，作詳細說明如下：
實施例1：
首先，將可聚合之向列相液晶LC-1057(2.829g、由BASF製造及販售)與右旋光對掌性化合物LC-756(0.171g、由BASF製造及販售)混合。接著，以甲苯與環戊酮(比例為1：4)所構成的共溶劑(12g)加以溶解，配置成一溶液。接著，將該溶液塗佈於於經配向處理過之基板上形成一塗層(塗層膜厚約5μm)。在形成該塗層後，立即將該塗層在含5%氧氣的氣體氛圍中(和氮氣混合)以UV曝光，得到具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜(A)。最後對該膽固醇液晶薄膜(A)進行量測，測得其反射波寬之頻譜範圍介於445-690nm間。
請參照附件1，係為膽固醇液晶薄膜(A)之掃描式電子顯微鏡(SEM)光譜圖，依距螺距的大小該膽固醇液晶薄膜(A)可區分為三個區域。
經量測後可得知，該第一區域具有之平均螺距P1約 為368nm、該第二區域之平均螺距P2約為275nm、而該第三區域之平均螺距P3約為350nm。因此，該第一區域、第二區域、及第三區域的平均螺距，具有以下關係：該第一區域的平均螺距P1>該第三區域的平均螺距P3>該第二區域的平均螺距P2。
實施例2：
首先，將可聚合向列相液晶LC-1057(2.829g、由BASF製造及販售)與右旋光對掌性化合物LC-756(0.171g、由BASF製造及販售)混合。接著，以甲苯與環戊酮(比例為1：4)所構成的共溶劑(12g)加以溶解，配置成一溶液。接著，將該溶液塗佈於於經配向處理過之基板上形成一塗層(塗層膜厚約5μm)。在形成該塗層後，立即將該塗層在含6%氧氣的氣體氛圍中(和氮氣混合)以UV曝光，得到具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜(B)。最後對該膽固醇液晶薄膜(B)進行量測，測得其反射波寬之頻譜範圍介於420-700nm間。
偏光元件
根據本發明一實施例，本發明亦提供一種偏光元件200，請參照第4圖，其包含本發明所述之膽固醇液晶薄膜100(配置於一基板50之上)及一相位差膜110，其中該相位差膜110配置於該膽固醇液晶薄膜100之上。該相位差膜可具有一平面相位差值，該平面相位差值約略為該膽 固醇液晶薄膜之反射波長的0.25倍，且該相位差膜具有一平面相位差值(Ro)，其中該平面外相位差值(Rth)與該平面相位差值(Ro)之比值(Rth/Ro)係介於1-3之間。此外，該偏光元件200可更包含一貼合膠120，配置於該相位差膜及該膽固醇液晶薄膜間，其中該貼合膠120之折射率介於1.45-1.75間，以減少光學上之負面效果。該貼合膠120可例如為一UV膠，且可進一步含有0.01-10wt%或0.01-6wt%之填充顆粒(例如：PMMA(polymethyl methacrylate)、PS(polystyrene)、或氧化矽)，且該填充顆粒之直徑尺寸介於3-10μm或3-6μm，以獲得米氏散射(mie scattering)的效果。
根據本發明另一實施例，為得到高效率的偏光元件，一吸收型偏光膜可更進一步配置於第4圖所述之偏光元件200之該相位差膜110之上。
根據本發明其他實施例，本發明亦提供一種高光效率液晶顯示器，其包含：一上基板及一下基板，該上基板之上表面及該下基板之上表面係各設置有一電極層，其中該上基板及該下基板之間係構成一液晶盒；以及，本發明所述之寬波域膽固醇液晶薄膜設置於該液晶盒內部或外部。此外，該高光效率液晶顯示器亦可進一步包含一相位差膜(配置於該寬波域膽固醇液晶薄膜上)、一對設置於液晶盒上下之偏光片(此時該寬波域膽固醇液晶薄膜係設置於該液晶盒外部)、以及一背光模組。
綜合上述，本發明所述之膽固醇液晶薄膜，係為一單 層(single layer)結構，因此可改善習知多層結構膽固醇液晶薄膜製程複雜及成膜性質不佳等缺點；此外，本發明所述之膽固醇液晶薄膜具有數個不同平均螺距的區域，且該等具有不同平均螺距的區域呈特定的分佈關係，因此與習知單層膽固醇液晶薄膜相比，可增加的選擇性反射頻譜的範圍；再者，本發明所述之具有寬反射範圍頻譜之膽固醇液晶薄膜的製造僅需使用一段固化步驟、所得膜層之成膜性質也較為穩定，且對製程設備的限制較小。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為基準。
附件1係為本發明實施例1所得之膽固醇液晶薄膜(A)其掃描式電子顯微鏡(SEM)光譜圖，由圖可知依據螺距大小可將膽固醇液晶薄膜劃分為三個區域。
10‧‧‧膽固醇液晶複合結構
12、14、16‧‧‧膽固醇液晶薄膜
18‧‧‧膠層
20‧‧‧單層膽固醇液晶薄膜
21‧‧‧上表面
22‧‧‧第一區域
23‧‧‧下表面
24‧‧‧第二區域
26‧‧‧第三區域
30‧‧‧基板
50‧‧‧基板
100‧‧‧膽固醇液晶薄膜
101‧‧‧上表面
102‧‧‧第一區域
103‧‧‧下表面
104‧‧‧第二區域
106‧‧‧第三區域
110‧‧‧相位差膜
120‧‧‧貼合膠
200‧‧‧偏光元件
第1圖係顯示習知膽固醇液晶複合結構(多層膽固醇液晶薄膜)之剖面結構示意圖。
第2圖係顯示習知單層膽固醇液晶薄膜之剖面結構示意圖。
第3圖係顯示本發明一實施例所述之單層膽固醇液晶薄膜之剖面結構示意圖。
第4圖係顯示本發明一實施例所述之偏光元件之剖面結構示意圖。
50‧‧‧基板
100‧‧‧膽固醇液晶薄膜
101‧‧‧上表面
102‧‧‧第一區域
103‧‧‧下表面
104‧‧‧第二區域
106‧‧‧第三區域

Claims (16)

  1. 一種寬波域膽固醇液晶薄膜，該寬波域膽固醇液晶薄膜係為一單層液晶材質結構，具有一上表面及一下表面，其中，該寬波域膽固醇液晶薄膜大體區分為第一區域、第二區域、及第三區域，該第一區域與該上表面相鄰、該第三區域與該下表面相鄰、而該第二區域位於第一及第三區域之間，其中該第一區域內的平均螺距P1及該第三區域內的平均螺距P3皆大於第二區域內的平均螺距P2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜，其中該寬波域膽固醇液晶薄膜之螺距大小變化係在厚度方向漸次改變，其中鄰近該上表面之該寬波域膽固醇液晶薄膜具有一螺距P4、鄰近該下表面之該寬波域膽固醇液晶薄膜具有一螺距P5、而該寬波域膽固醇液晶薄膜中最小螺距P6係位於該第二區域內，其中該螺距P4係漸次變小至該最小螺距P6，並漸次變大至該螺距P5。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜，其中該寬波域膽固醇液晶薄膜中最小螺距P6出現的位置至該上表面的距離D1係與最小螺距P6出現的位置至該下表面的距離D2係相等或不相等。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜，其中該第一區域內的平均螺距P1>該第三區域內的平均螺距P3>該第二區域內的平均螺距P2。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜，其中該膽固醇液晶薄膜具有一反射波長範圍，該反射 波長範圍位於可見光波長範圍內，且該反射波長範圍之寬度大於150nm。
  6. 一種寬波域膽固醇液晶薄膜的製造方法，係由以下(A)-(C)步驟所製備而成：(A)將膽固醇液晶組合物及光起始劑溶解於溶劑中，得到一溶液；(B)塗佈該溶液於一基板，加熱後得到一塗層；(C)在一固定氧氣含量之氣體氛圍中對該塗層施以一能量使其固化，得到如申請專利範圍第1項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜，其中該氣體氛圍中的氧氣含量係介於0.01%至10%間之一固定值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜的製造方法，其中固化該塗層的方式係為照射UV輻射或加熱。
  8. 一種偏光元件，包含：如申請專利範圍第1項所述之寬波域膽固醇液晶薄膜；以及一相位差膜，配置於該寬波域膽固醇液晶薄膜之上。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之偏光元件，其中該相位差膜具有一平面相位差值，該平面相位差值大體為該寬波域膽固醇液晶薄膜之反射波長的0.25倍，且該相位差膜具有一平面外相位差值，其中該平面外相位差值與該平面相位差值之比值係介於1-3間。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之偏光元件，更包含： 一貼合膠，配置於該相位差膜及該寬波域膽固醇液晶薄膜間，其中該貼合膠之折射率介於1.45-1.75間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之偏光元件，其中該貼合膠係為一UV膠。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之偏光元件，其中該貼合膠含有0.01-10wt%之填充顆粒，其直徑尺寸介於3-10μm。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之偏光元件，更包含：一吸收型偏光膜，配置於該相位差膜之上。
  14. 一種高光效率液晶顯示器，包含：一上基板及一下基板，該上基板之上表面及該下基板之上表面係各設置有一電極層，其中該上基板及該下基板之間係構成一液晶盒；如申請專利範圍1所述之寬波域膽固醇液晶薄膜設置於該液晶盒內部或外部。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之高光效率液晶顯示器，更包含：一相位差膜，配置於該寬波域膽固醇液晶薄膜上。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之高光效率液晶顯示器，更包含：一對設置於液晶盒上下之偏光片，其中該寬波域膽固醇液晶薄膜係設置於該液晶盒外部。
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