TWI490597B - 增亮光學元件及液晶顯示元件 - Google Patents

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Description

增亮光學元件及液晶顯示元件
本發明係有關於一種光學元件，特別是有關於一種增亮光學元件及其應用。
液晶顯示器因具有體積小、重量輕、低電力消耗等優點，已被廣泛地應用於生活中的電子產品，如：監視器、筆記型電腦、數位相機、投影機、行動電話等，此外，液晶顯示器走向大面積化，也使得大尺寸的背光模組耗電量也逐漸受到重視。
背光模組(back light module)為液晶顯示器的關鍵零組件之一，由於液晶顯示器本身無法發光，背光模組之功能即在於供應充足的亮度與分佈均勻的光源，使液晶顯示器能正常顯示影像。偏光型增亮膜為液晶顯示器背光模組中關鍵零組件，與背光模組的搭配具可使得原本有一半以上會被偏光片吸收的光，轉換成在偏光片的穿透軸上的光。根據過去開發的經驗，膽固醇液晶材質偏光型增亮膜，可在無須耗費額外電力的條件下，使背光模組增亮50%以上，因此增亮膜為液晶顯示器中非常重要的節能元件。然而，偏光型增亮元件在實際使用時會有視角的問題需考慮，例如：一般的碘系偏光片往往到60度視角之後就明顯的有漏光現象，在膽固醇液晶膜作為偏光膜的狀況下則是在大外視角(off-axis)方向容易出現色偏與亮度低現象。若要將此技術真正落實實用化，改善大視角之光學缺陷是一 個很重要的課題。
美國Rockwell公司在美國專利US 5,731,886中揭示一種補償色偏的方法，其係在膽固醇液晶膜的出光面與四分之一波板之間插入一正型的C板(+C plate)來補償色偏，其用意即在補償膽固醇液晶膜的大視角，然而此方法僅係為各層理想狀態之理論計算結果，並沒有考慮膽固醇液晶膜在真實的背光模組情況下具有光回收機制，而該機制會導致與純理論計算之不同結果。其次，寬波域膽固醇液晶膜具有兩個表面，其膽固醇液晶螺距自一表面到另一表面為梯度分佈(gradient pitch)，因此，進一步而言，膽固醇液晶螺距會自一表面到另一表面為長螺距分佈區到短螺距分佈區；該專利揭示若膽固醇液晶膜為長螺距分佈區之表面(下表面)臨向光源，即短螺距分佈區面向出光面(上表面)的組態，則在膽固醇液晶膜上表面與四分之一波板之間插入一正型的C板(+C plate)作補償時，視角與色偏才有明顯效益；然而，當前述膽固醇液晶膜的組態反過來，亦即以在膽固醇液晶短螺距分佈區之表面(下表面)臨向光源，即長螺距分佈區面向出光面(上表面)的組態，則在膽固醇液晶膜上表面與四分之一波板之間插入一正型的C板(+C plate)作補償時，視角與色偏的效益不明顯；因此該設計對色偏的修正受到相當的侷限。
其他如：US 6,630,974、US 6,175,400等專利，皆以引用此篇專利US 5,731,886之光學架構為基礎，皆在膽固醇液晶膜與四分之一板間做補償。
美國專利文件US 2008/273151 A1中揭示一種利用 O-plate相位差補償膜的方法，其為結合A-plate+C-plate之功能同時達成偏光態的轉換及補償色偏，但因其光軸係在一方向上自平面翹起一角度，造成補償效果不對稱，因此需要以兩片O-plate來補償，補償方式受限於前述O-plate之特性，使用狀況較複雜。
美國3M公司在USP-5,808,794、USP-6,449,092及USP-6,088,159號中則揭示一種將膽固醇液晶膜的有效波長範圍向紅外光區延伸以減少色偏的方法，然而，這個方法只能是針對特定的膽固醇液晶膜而非全面適用，另因背光光源通常為非連續性光譜，而膽固醇液晶膜在各波長的透光率並非完全隨角度成一致性的上升或降低，因此該方法無法完全解決大視角色偏的問題。
其他如US 7,575,820 B2、US 2008/273151 A1為LCD display系統提及在液晶顯示器面板上下兩側之偏光片與面板玻璃之間各別使用一補償膜，以補償顯示器之視角，與本發明之架構與補償對象不同。
根據上述，本發明提供一種增亮光學元件，包括：一膽固醇液晶膜；一四分之一波板，設置於膽固醇液晶膜之出光面的上方；以及一光學補償膜，設置於四分之一波板之出光面的上方，其中光學補償膜包含一具有正雙折射的C板，結合該光學補償膜與四分之一波板之平面上相位差R0 係介於100nm~170nm之間，平面外之相位差Rth 係介於0nm~400nm之間。
本發明提供一種液晶顯示元件，包括：一反射板；一光源，設置於反射板上；一擴散板，設置於光源上；一增亮光學元件，設置於擴散板上；一液晶顯示面板，設置於該增亮光學元件上方及一第一偏光板，設置於液晶顯示面板上方。其中增亮光學元件包括：一膽固醇液晶膜；一四分之一波板，設置於膽固醇液晶膜之出光面的上方；及一光學補償膜，設置於四分之一波板之出光面的上方，其中光學補償膜包含一具有正雙折射的C板，結合該光學補償膜與四分之一波板之平面上相位差R0 介於100nm~170nm之間，平面外之相位差Rth 係介於0nm~400nm之間。
上述之液晶顯示元件，更包括一第二偏光板，位於增亮光學元件和液晶顯示面板間。
為讓本發明之特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下詳細討論實施本發明之實施例。可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可以較廣的變化實施。所討論之特定實施例僅用來揭示使用實施例的特定方法，而不用來限定揭示的範疇。
本發明提供一個增亮光學元件包括：一膽固醇液晶膜；一四分之一波板，設置於膽固醇液晶膜之出光面的上方；及一光學補償膜，設置於四分之一波板之出光面的上方，將正型的C板置於四分之一波板的出光面，以改善光通過膽固醇液晶膜及四分之一波板之後在大外視角所產生 色偏的現象，以此新結構將可提供一在液晶顯示器之更有效的全視角低色偏、高亮度之光學元件。
請參照第1圖，本發明一實施例提供一種液晶顯示元件模組，依序包括一反射板102、一光源104、一擴散板105、一增亮光學元件106、一第二偏光板108及一液晶顯示面板110和一第一偏光板120。在本發明另一實施例中，如第2圖所示，液晶顯示面板110和增亮光學元件106間不包括第二偏光板，而只於液晶顯示面板110上方提供一第一偏光板120。增亮光學元件106包括：一膽固醇液晶膜112；一四分之一波板114，設置膽固醇液晶膜112出光面之上方；及一光學補償膜116，設置於四分之一波板114出光面之上方，其中，該光學補償膜116包含一具有正雙折射的C板，其平面上之相位差R0 小(例如介於0nm~10nm之間)，平面外之相位差Rth 大(例如介於70nm~450nm之間)。而由正雙折射的C板與四分之一波板組合而成的複合補償膜平面上之相位差R0 係介於100nm~170nm之間，平面外之相位差Rth 絕對值係介於0nm~400nm之間。其中增亮光學元件106、擴散板105、光源104和反射板102構成本發明一實施例之背光模組118。在本發一實施例中，膽固醇液晶膜112為螺距梯度分佈(gradient pitch)的膽固醇液晶膜，其具偏光選擇性波長頻譜之範圍在可見光之波長範圍(例如波長範圍為450nm~680nm)。在本發明一實施例中，膽固醇液晶膜112之螺距分佈為向光源側為較短螺距，在本發明另一實施例中，膽固醇液晶膜112之螺距分佈為向光源側為較長螺距。在本發明一實施例中，四分之 一波板114相位差分佈為寬波域分佈，在本發明另一實施例中，四分之一波板114相位差分佈為窄波域分佈。在本發明一實施例中，四分之一波板114之平面相位差值介於100nm~160nm之間。在本發明一實施例中，光學補償膜116係由垂直配向之高分子向列型液晶分子所形成，光學補償膜116之平面外相位差Rth 介於0.4~4.5倍的四分之一波板114之平面相位差R0 之間。在本發明一實施例中，由光學補償膜116與四分之一波板114組合而成的複合補償膜平面上之相位差R0 係介於100nm~170nm之間，平面外之相位差Rth 絕對值係介於0nm~400nm之間。
【實施例1】
單層寬波域膽固醇液晶膜之製備法可參照美國專利US 6,669,999所述之方法，本實施例採用有化公司，型號R6之可聚合型膽固醇液晶膜原料，以配向過之PET膜為塗佈基材、以旋轉塗佈法製作尺寸10×10cm具螺距大小呈梯度分佈(gradient pitch)的膽固醇液晶膜，其具長螺距特性區臨上表面、而短螺距特性區臨基材表面。
本實施例之含補償膜的四分之一波板之製法為，取帝人公司型號W147之四分之一波板為基材，其係利用高分子拉伸的方式製作而成，為寬波域相位差分佈，將+C板之液晶材料(Merck公司，型號RMS03-015)塗佈在四分之一波板上，並在氮氣環境下以UV燈進行曝光1min，得到本實施例之含補償膜的四分之一波板之R0 、Rth 分別為143nm、302nm，其具有兩個表面，其中之一表面為W147 材質、另一表面為+C液晶膜材質。
將前述含+C補償膜的四分之一波板之W147材質面以UV光學膠(肯美特公司，型號UV298)與膽固醇液晶膜之具長螺距特性區之表面做貼合，形成本發明[實施例1]之增亮光學元件結構，其尺寸為約10 cm x 10 cm。
【比較例1】
本[比較例1]之增亮光學元件結構(無+C補償膜結構)，其所使用之材料係與[實施例1]相同，但步驟為直接取帝人公司型號W147之四分之一波板，其R0 、Rth 分別為140nm、-69nm；利用UV光學膠(肯美特公司，型號UV298)與膽固醇液晶膜之具長螺距特性區之表面做貼合，形成[比較例1]之增亮光學元件結構，其尺寸約為10 cm x 10 cm。
【比較例2】
本[比較例2]之增亮光學元件結構(+C補償膜位於四分之一波板與膽固醇液晶膜之間、亦即為習知技術(US 5,731,886)所述之架構)，其所使用之材料係與[實施例1]相同，但步驟為將前述含+C補償膜的四分之一波板之+C補償膜材質面以UV光學膠(肯美特公司，型號UV298)與膽固醇液晶膜之具長螺距特性區之表面做貼合，形成本發明[比較例2]之增亮光學元件結構，其尺寸為約10 cm x 10 cm。經量測，本[比較例2]之含+C補償膜的四分之一波板之R0 、Rth 分別為143nm、302nm。
根據第1圖架構將上述增亮光學元件放入含第一及第二偏光板之面板及含擴散板、反射板之光源間形成液晶顯示器模組，以Eldim EZcontrast 160量測該增亮光學元件在整個顯示器模組之亮度與色偏表現，可得結果如下第1表及第2表所示：增亮度定義為：在只含擴散片、光源、反射板及含第一及第二偏光片之面板架構下，測其各角度的原始輝度(T0)值當作1.0；將本增亮光學元件以適當角度插入含擴散板及反射板的光源與含第一及第二偏光板之面板中間組合成液晶顯示器模組，測其各角度的輝度值(T1)，增亮度=(T1)/(T0)。其中，可將所得的圖形取0°、45°、90°、135°之截面做比較，截面切法表示如第3圖。
附註1：中央：指取+10~-10度之21個值之平均值；右大視角：指取+70~+50度之21個值之平均值；左大視角：指取-70~-50度之21個值之平均值。
量測增亮光學元件之色偏定義如下：在只含擴散片、光源、反射板及含第一及第二偏光片之面板架構下，Eldim測其各角度的Lxy色度值、且轉成座標Lu’v’色度值得到原始值(u0 ’,v0 ’)；測量色偏時，將本增亮光學元件以適當角度插入含擴散板及反射板的光源與含第一及第二偏光板之面板中間組合成液晶顯示器模組，測其各角度的色度值(u’,v’)，根據以下公式計算色偏：△u’v’=[(u-’u’0 )2 +(v’-v’0 ’)2 ]0.5 。其中，可將所得的圖形取0°、45°、90°、135°之截面做比較，截面切法表示如第3圖所示。
附註1：中央：指取+10~-10度之21個值之平均值；右大視角：指取+70~+50度之21個值之平均值；左大視角：指取-70~-50度之21個值之平均值。
根據以上第1表及第2表，當膽固醇液晶膜之短螺距側向光源時，此為增亮光學元件結構較佳組合。相較於無+C補償之[比較例1]，有+C補償之[實施例1]與[比較例2]均有改善大視角色偏的效益，然而本發明[實施例1]之增亮光學元件結構在左大視角和右大視角之四個截面角度平均色偏分別為0.0222、0.0224，相較於習知技術(US 5,731,886)增亮光學元件結構([比較例2])測得在左大視角和右大視角之四個截面角度平均色偏分別為0.0284、0.0234；[實施例1]之色偏改善優於[比較例2]甚多，為三者中之最佳效果。
【實施例2】
本[實施例2]之增亮光學元件結構其所使用之膽固醇液晶膜，基本上與[實施例1]相同，但當以[實施例1]之方法製成後，以貼膠方式將膽固醇液晶膜自原PET基材上取下，使膽固醇液晶膜之短螺距面露出表面，該表面為本[實施例2]之貼合面。
本[實施例2]之自製之含+C補償膜的四分之一波板之製法為在配向過之三醋酸纖維素(簡稱TAC)基材上塗佈具+A板特性之液晶材料(BASF公司，型號LC 242，溶於甲苯溶液濃度為20%)，並在氮氣之環境下以UV燈進行曝光1min，得到自製四分之一波板，其為窄波域相位差分佈，裁成尺寸為10×10cm。接著將四分之一波板之塗佈面以轉 速400rpm塗佈具+C板特性之液晶材料(Merck公司，型號RMS03-015)，並在氮氣之環境下以UV燈進行曝光1min，完成含+C補償膜的四分之一波板之製作。其R0 、Rth 分別為126nm、258nm。
利用UV光學膠(肯美特公司，型號UV298)將前述含+C補償膜的四分之一波板之TAC基材面與膽固醇液晶膜之具短螺距特性區之表面做貼合，形成[實施例2]之增亮光學元件結構，其尺寸為約10 cm x 10 cm。
【比較例3】
本[比較例3]之增亮光學元件結構(無+C補償膜結構)，其所使用之材料係與[實施例2]相同，但改用自製之無+C補償膜的四分之一波板，其無+C補償膜的四分之一波板之製法為在配向過之三醋酸纖維素(簡稱TAC)基材上塗佈具+A板特性之液晶材料(BASF公司，型號LC 242，溶於甲苯溶液濃度為20%)，並在氮氣之環境下以UV燈進行曝光1min，得到自製四分之一波板，其為窄波域相位差分佈，其R0 、Rth 分別為125nm、-63nm。
利用UV光學膠(肯美特公司，型號UV298)將前述無+C補償膜的四分之一波板之TAC基材面與膽固醇液晶膜之具短螺距特性區之表面做貼合，形成[比較例3]之增亮光學元件結構，其尺寸為約10 cm x 10 cm。
【比較例4】
本[比較例4]之增亮光學元件結構(+C補償膜位於四分之一波板與膽固醇液晶膜之間、亦即為習知技術(US 5,731,886)所述之架構)，其所使用之材料係與[實施例2]相同，但貼合步驟為將前述含+C補償膜的四分之一波板之+C補償膜材質面以UV光學膠(肯美特公司，型號UV298)與膽固醇液晶膜之具短螺距特性區之表面做貼合，形成本發明[比較例4]之增亮光學元件結構，其尺寸為約10 cm x 10 cm。經量測，本[比較例4]之含+C補償膜的四分之一波板之R0 、Rth 分別為126nm、258nm。
上述光學元件根據第1圖架構放入含第一及第二偏光板之面板及含擴散板、反射板之光源間形成一之液晶顯示器模組中，以Eldim EZcontrast 160量測該增亮光學元件之亮度與色偏差表現，可得結果如下第3表及第4表所示：量測膜片之增亮度定義為：在只含擴散片、光源、反射板及含第一及第二偏光片之面板架構下，測其各角度的原始輝度(T0)值當作1.0；將本增亮光學元件以適當角度插入含擴散板及反射板的光源上方形成背光模組與含第一及第二偏光板之面板組合成液晶顯示器模組，測其各角度的輝度值(T1)，增亮度=(T1)/(T0)。其中，可將所得的圖形取0°、45°、90°、135°之截面做比較，截面切法表示如第3圖。
附註1：中央：指取+10~-10度之21個值之平均值；右大視角：指取+70~+50度之21個值之平均值；左大視角：指取-70~-50度之21個值之平均值。
量測膜片之色偏定義如下：在只含擴散片、光源、反射板及含第一及第二偏光片之面板架構下，Eldim測其各角度的Lxy色度值、且轉成座標Lu’v’色度值得到原始值(u0 ’,v0 ’)；測量色偏時，本增亮光學元件以適當角度插入含擴散板及反射板的光源上方形成背光模組與含第一及第二偏光板之面板組合成液晶顯示器模組，測其各角度的色度值(u’,v’)，根據以下公式計算色偏：△u’v’=[(u-’u’0 )2 +(v’-v’0 ’)2 ]0.5 。其中，可將所得的圖形取0°、45°、90°、135°之截面做比較，截面切法表示如第3圖。
第4表(膽固醇液晶膜長螺距側向光源-45°、90°、135°截面)
根據以上第3表，當膽固醇液晶之長pitch測向光源為0°截面時，在增亮效益方面，本膽固醇液晶膜長螺距側向光源這一組中，相較於無+C補償之[比較例3]，有+C補償之[實施例2]與[比較例4]均有大幅度改善大視角亮度的效益。
根據以上第4表相較於無+C補償之[比較例3]與有+C補償之[比較例4]，有+C補償之[實施例2]明顯具有改善大視角色偏的效益，本發明[實施例2]之增亮光學元件結構中央、左大視角和右大視角之四個截面角度平均色偏分別為0.0052、0.0146、0.0121，相較於習知技術(US 5,731,886)增亮光學元件結構[比較例4]之中央、左大視角和右大視角之色偏分別為0.0068、0.0241、0.0224；[實施例2]之色偏改善優於[比較例4]甚多，為三者中之最佳效果。
相較之下，本發明光學元件補償結構(膽固醇液晶膜/ 四分之一波板/光學補償膜)[實施例2]在各個觀測角度0°、45°、90°及135°皆能有效改善色偏，為三者中之最佳效果。此亦說明本發明光學元件補償結構可更進一步地改善習知技術色偏的問題。
雖然本發明已以較佳實施例發明如上，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準。
102‧‧‧反射板
104‧‧‧光源
105‧‧‧擴散板
106‧‧‧增亮光學元件
108‧‧‧第二偏光板
110‧‧‧液晶顯示面板
112‧‧‧膽固醇液晶膜
114‧‧‧四分之一波板
116‧‧‧光學補償膜
118‧‧‧背光模組
120‧‧‧第一偏光板
第1圖顯示本發明一實施例液晶顯示元件模組之示意圖。
第2圖顯示本發明另一實施例液晶顯示元件模組之示意圖。
第3圖顯示截面切法之示意圖。
102‧‧‧反射板
104‧‧‧光源
105‧‧‧擴散板
106‧‧‧增亮光學元件
108‧‧‧第二偏光板
110‧‧‧液晶顯示面板
112‧‧‧膽固醇液晶膜
114‧‧‧四分之一波板
116‧‧‧光學補償膜
118‧‧‧背光模組
120‧‧‧第一偏光板

Claims (12)

  1. 一種增亮光學元件，包括：一膽固醇液晶膜；一四分之一波板，設置於該膽固醇液晶膜之出光面；以及一光學補償膜，設置於該四分之一波板之出光面，其中該光學補償膜包含一具有正雙折射的C板，結合該光學補償膜與四分之一波板的平面上之相位差R0 係介於100nm~170nm之間，平面外之相位差Rth 係介於0nm~400nm之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之增亮光學元件，其中該膽固醇液晶膜為具有寬波域特性，且該寬波域膽固醇液晶膜之具偏光選擇性波長頻譜範圍至少含有450nm~680nm之波長範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之增亮光學元件，其中該膽固醇液晶膜為具梯度之螺距分佈(gradient pitch)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之增亮光學元件，其中該光學補償膜係由垂直配向之高分子向列型液晶分子所形成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之增亮光學元件，更包括一光學膠，該光學膠係位於膽固醇液晶膜及四分之一波板之間。
  6. 一種液晶顯示元件，包括：一反射板；一光源，設置於該反射板上； 一擴散板，設置於該光源上；一增亮光學元件，設置於該擴散板上，其中該增亮光學元件包括：一膽固醇液晶膜；一四分之一波板，設置於該膽固醇液晶膜之出光面；及一光學補償膜，設置於該四分之一波板之出光面，其中該光學補償膜包含一具有正雙折射的C板，結合該光學補償膜與四分之一波板的平面上之相位差R0 係介於100nm~170nm之間，平面外之相位差Rth 係介於0nm~400nm之間。一液晶顯示面板，設置於該增亮光學元件上方；及一第一偏光板，設置於該液晶顯示面板上方。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，其中該膽固醇液晶膜為寬波域膽固醇液晶膜，且該寬波域膽固醇液晶膜之具偏光選擇性波長頻譜範圍至少含有450nm~680nm之波長範圍。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，其中該膽固醇液晶膜為具梯度之螺距分佈(gradient pitch)。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，其中該光學補償膜係由垂直配向之高分子向列型液晶分子所形成。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，更包括一光學膠，該光學膠係位於膽固醇液晶膜及四分之一波板之間。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，其中該增亮光學元件之膽固醇液膜之螺距分佈為面向光源側為較短螺距。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之液晶顯示元件，更包括一第二偏光板，位於該增亮光學元件和該液晶顯示面板間。
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