TWI498644B - 製造雙折射液晶元件的方法 - Google Patents

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Description

製造雙折射液晶元件的方法
本發明是有關於一種光學元件，且特別是有關於一種液晶光學元件。
先前已經有相關文獻(例如：世界專利公開第WO-03/015424號案與世界專利公開第WO-2005/006056號案)提到具有表面起伏結構的雙折射光學元件。這種雙折射光學元件主要是在彼此對齊的等向性材料與雙折射液晶材料之間形成一個表面起伏的介面，這個表面起伏的介面可作為雙折射微透鏡陣列。具有第一偏光狀態的光線在穿過這個介面時會產生第一階折射率，而具有第二偏光狀態的光線在穿過這個介面時則會產生不同的第二階折射率。
具有表面起伏結構之雙折射光學元件的製造方法如世界專利公開第WO-2008/062188號案所述，請一併將其全文併入本案說明書參考。在世界專利公開第WO-2008/062188號案中，製造者可先將相態為向列相(nematic phase)之液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer；LCP)填入軟質薄膜與表面起伏結構之間，然後再固化液晶聚合物。然而，這種作法在實務上將遭遇如下困難。
(1)　液晶聚合物必須長時間保持其相態為向列相，這往往會使得液晶聚合物過早熱固化。
(2)　製造者必須將相態為結晶相(crystalline phase)的液晶聚合物粉末帶入製程環境中，這往往會使得製程環境遭到液晶聚合物粉末的污染。
(3)　製造者必須裝設填入液晶聚合物(向列相)所需的加熱噴嘴系統。
因此，相關產業的人員莫不殷切期盼一種能夠解決上述問題的創新製造方法。
本發明之一技術態樣為一種液晶轉印膜，其可將液晶聚合物層轉印至被轉印物上。
根據本發明一實施方式，一種液晶轉印膜包含軟質薄膜與液晶聚合物層。軟質薄膜包含上表面。液晶聚合物層位於軟質薄膜之上表面上，此液晶聚合物層的相態為結晶相(crystalline phase)，且具有非平整的頂面。
本發明之另一技術態樣為一種應用上述液晶轉印膜來製造雙折射液晶元件的方法。
根據本發明另一實施方式，一種製造雙折射液晶元件的方法包含下列步驟。形成如上一實施方式所述之液晶轉印膜。將液晶聚合物層的相態由結晶相轉換至向列相(nematic phase)。將液晶轉印膜施覆於被轉印物上，使得相態為向列相之液晶聚合物層夾置於軟質薄膜與被轉印物之間。在將液晶轉印膜施覆於被轉印物上後，固化液晶聚合物層。
本發明之再一技術態樣為一種製造液晶轉印膜的方法。
根據本發明之再一實施方式，一種製造液晶轉印膜的方法包含下列步驟。形成軟質薄膜，此軟質薄膜包含上表面。將相態為結晶相之液晶聚合物置放於軟質薄膜之上表面上。將液晶聚合物的相態由結晶相轉換至向列相。將液晶聚合物的相態由向列相轉換至結晶相。
本發明上述實施方式與已知先前技術相較，至少具有以下優點：
(1)　液晶聚合物處於向列相的時間極少，可大幅減少液晶聚合物過早熱固化的情形發生。
(2)　不需要將液晶聚合物粉末帶入製程環境中，因此製程環境將不會遭到液晶聚合物粉末的污染。
(3)　液晶轉印膜可與雙折射液晶元件在不同的地方製作，因此可增加製造環境設計上的彈性，並進而降低整體成本。
(4)　原本填入液晶聚合物(向列相)所需的加熱噴嘴系統將不再需要。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
第1圖繪示依照本發明一實施方式之液晶轉印膜100的側視圖。第1圖之液晶轉印膜100包含軟質薄膜110與液晶聚合物層120。軟質薄膜110包含上表面112。液晶聚合物層120位於軟質薄膜110之上表面112上，此液晶聚合物層120的相態為結晶相(crystalline phase)，且具有非平整的頂面。
第2~6圖繪示製造第1圖之液晶轉印膜100的方法步驟。如圖所示，製造第1圖之液晶轉印膜100的方法包含下列步驟：
(1)　形成軟質薄膜110，此軟質薄膜110包含上表面112(如第2圖所繪示)；
(2)　將相態為結晶相之液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer；LCP)123置放於軟質薄膜110之上表面112上(如第3圖所繪示)；
(3)　將液晶聚合物123的相態由結晶相轉換至向列相(如第4圖所繪示)；
(4)　當液晶聚合物123的相態為向列相時，移除液晶聚合物123中的氣泡125(非必要步驟)(如第5圖所繪示)；以及
(5)　將液晶聚合物123的相態由向列相轉換至結晶相(如第6圖所繪示)。
第2圖繪示形成包含上表面112之軟質薄膜110。此軟質薄膜110的材質可為聚合物，例如聚對苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate；PET)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol；PVA)、聚碳酸酯(Polycarbonate；PC)、三醋酸纖維素(triacetyl-cellulose；TAC)或上述之任意組合。
軟質薄膜110之上表面112可具有液晶配向特性。製造者可選擇適合的材料以賦予上表面112液晶配向特性(亦即，軟質薄膜110之上表面112可因軟質薄膜110的材料性質而具有液晶配向特性)。此外，製造者亦可摩擦定向處理軟質薄膜110之上表面112，使其具有大致均勻的液晶配向特性。如第2圖所繪示，製造者可以被覆摩擦絨布的滾輪200來摩擦定向處理軟質薄膜110之上表面112，以賦予上表面112大致均勻的液晶配向特性。或者，製造者也可先在軟質薄膜上形成配向層，然後再以滾輪摩擦定向處理此配向層。
第3圖繪示將相態為結晶相之液晶聚合物123置放於軟質薄膜110之上表面112上。此液晶聚合物123能夠藉由紫外光而固化(Ultraviolet(UV) curable)。上述之液晶聚合物123例如可為默克股份有限公司(Merck)所出品的RM257、RMM34c，或巴斯夫股份有限公司(BASF)所出品的LC242、LC270、LC1057。
第4~5圖繪示將液晶聚合物123的相態由結晶相轉換至向列相。在本步驟中，製造者可將液晶聚合物123加熱至製程溫度，例如90℃。具體方式例如可以加熱墊加熱，或者將整個結構放進已預熱至預定溫度(例如：90℃)的烤箱中加熱。上述之製程溫度通常高於液晶聚合物123之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)，但又不超過轉化溫度太多，以盡量避免液晶聚合物123熱固化的情形發生。
第5圖繪示移除向列相之液晶聚合物123中的氣泡125。此步驟可由例如真空抽除氣泡(vacuum degassing)的方式為之。
第6圖繪示將液晶聚合物123的相態由向列相轉換至結晶相。在本步驟中，製造者可冷卻液晶聚合物123至低於液晶聚合物123之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)。如此一來，液晶聚合物123將會結晶，並成為液晶聚合物層120以利儲存。
表面張力將會決定液晶聚合物層120的形狀。具體而言，表面張力會促使相態為向列相之液晶聚合物123縮小其表面積，因此結晶後的液晶聚合物層120將會具有非平整的頂面。在本實施方式中，液晶聚合物層120的頂面可為曲面或圓頂面。
第7~11圖繪示應用第1圖之液晶轉印膜100來製造雙折射液晶元件的方法步驟。如圖所示，製造雙折射液晶元件的方法包含下列步驟：
(1)　將液晶聚合物層120的相態由結晶相轉換至向列相(如第7圖所繪示)；
(2)　當液晶聚合物層120的相態為向列相時，移除液晶聚合物層120中的氣泡125(非必要步驟)(如第8圖所繪示)；
(3)　將液晶轉印膜100施覆於被轉印物300上，使得相態為向列相之液晶聚合物層120夾置於軟質薄膜110與被轉印物300之間(如第9圖所繪示)；以及
(4)　在將液晶轉印膜100施覆於被轉印物300上後，固化液晶聚合物層120(如第10圖所繪示)；以及
(5)　自液晶聚合物層120上移除軟質薄膜110(非必要步驟)(如第11圖所繪示)。
第7圖繪示將液晶聚合物層120的相態由結晶相轉換至向列相。在本步驟中，製造者可將液晶聚合物層120加熱至製程溫度，例如90℃。具體方式例如可以加熱墊加熱、以熱空氣吹拂液晶聚合物層120的表面，或者將整個結構放進已預熱至預定溫度(例如：90℃)的烤箱中加熱。上述之製程溫度通常高於液晶聚合物層120之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)，但又不超過轉化溫度太多，以盡量避免液晶聚合物層120熱固化的情形發生。
第8圖繪示移除向列相之液晶聚合物層120中的氣泡125。此步驟可由例如真空抽除氣泡(vacuum degassing)的方式為之。
第9圖繪示將液晶轉印膜100施覆於被轉印物300上。在此步驟中，製造者可先將軟質薄膜110輕覆於被轉印物300的表面，然後再以轉印棒400擀動軟質薄膜110的外表面，使得向列相之液晶聚合物層120夾置於軟質薄膜110與被轉印物300之間。在施作前，製造者可調整轉印棒400與被轉印物300之間的間隙，以控制完成後液晶聚合物層120的高度。完成後，液晶聚合物層120背對被轉印物300的一面將會是平面。
上述之被轉印物300可為具有表面起伏結構的光學元件。此光學元件包含基板310、表面起伏結構層320與配向層330。基板310的材質可為玻璃或聚合物。表面起伏結構層320位於基板310的表面。表面起伏結構層320的材質包含等向性材料。在本實施方式中，表面起伏結構層320的材質可為聚合物。表面起伏結構層320的外表面呈表面起伏狀。在本實施方式中，表面起伏結構層320的外表面包含圓柱表面透鏡陣列。配向層330位於表面起伏結構層320的外表面上，以提供所需的液晶配向特性。
上述被轉印物300的製造方法可如世界專利公開第WO-2008/062188號案所述，請一併將其全文併入本案說明書參考。
在本步驟中，製造者可將被轉印物300加熱至製程溫度，例如90℃。具體方式例如可以加熱墊500加熱、以熱空氣吹拂被轉印物300的表面，或者將整個結構放進已預熱至預定溫度(例如：90℃)的烤箱中加熱。上述之製程溫度通常高於液晶聚合物層120之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)，但又不超過轉化溫度太多，以盡量避免液晶聚合物層120熱固化的情形發生。若液晶聚合物層120的材質具有過冷(supercooling)特性，此製程溫度可以低於液晶聚合物層120之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)。在適當材料配合的條件下，上述之製程溫度甚至可以是室溫。
轉印棒400可以有許多不同的形式。舉例來說，轉印棒400可為圓棒(具有圓形剖面)，且其外表面可選擇被覆一外層，例如：橡膠層。或者，轉印棒400亦可為非圓形式，例如：橡膠刮條(rubber wiper)。轉印棒400可沿箭頭A的方向在軟質薄膜110上滾動，及/或沿箭頭B的方向在軟質薄膜110上滑動，使得液晶聚合物層120夾置於軟質薄膜110與被轉印物300之間。
雖然第9圖將轉印棒400的長度方向繪示為與表面起伏結構的幾何軸向垂直，但在表面起伏結構為長條形的情況下，轉印棒400的長度方向亦可與表面起伏結構的幾何軸向平行，使得液晶聚合物層120在表面起伏結構中流動得更平均，並同時避免氣泡的產生。
軟質薄膜110相對於配向層330的方位可適當地選擇，以在軟質薄膜110與配向層330之間提供適當的液晶扭轉角。這樣的配置能夠在液晶聚合物層120固化後，調整液晶分子的扭轉角度。在本實施方式中，配向層330之配向方向可與表面起伏結構的幾何軸向平行，並與軟質薄膜110之配向方向夾135°。應瞭解到，上述之配置方位僅為例示，非用以限制本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，應視實際需要彈性選擇各層之間的相對方位。
在將液晶聚合物層120夾置於軟質薄膜110與被轉印物300之間後，製造者可選擇對整體結構先進行回火製程，然後再降至一個較低的溫度。這種作法是為了改善可能發生的向錯缺陷(disclination)、增益液晶聚合物層120的雙折射特性、增加液晶聚合物層120在固化時的黏度及/或調校整個元件的折射率。
第10圖繪示固化液晶聚合物層120。在本步驟中，製造者可以電磁輻射(例如：光化輻射)致使液晶聚合物層120固化。在本實施方式中，製造者可以紫外光源600照射液晶聚合物層120，使得液晶聚合物層120固化。在實作時，製造者可以濾光的方式移除部份在吸收後會對液晶聚合物層120有不良影響的波段。雖然部份種類的液晶聚合物層120在固化時不能接觸氧氣，但由於軟質薄膜110能夠阻隔大部份的氣體與液晶聚合物層120接觸，因此製造者無須特別準備惰性氣體的環境，可進一步減少成本及製程裝置的複雜度。
當液晶聚合物層120能夠藉由某種電磁輻射而固化時，軟質薄膜110的材質可選擇能夠讓該種電磁輻射穿透的材質。舉例來說，當液晶聚合物層120能夠藉由紫外光而固化時，軟質薄膜110的材質可選擇能夠讓紫外光穿透的材質。如此一來，製造者可在軟質薄膜110上方，以紫外光源600照射液晶聚合物層120，使得液晶聚合物層120固化。
第11圖繪示自液晶聚合物層120上移除軟質薄膜110。在本實施方式中，軟質薄膜110的材質可選擇柔軟的材質。舉例來說，軟質薄膜110可較基板310更為柔軟，讓製造者可輕易地從液晶聚合物層120上剝除軟質薄膜110。當然，軟質薄膜110的柔軟度亦可與基板310相近，只要製造者能夠剝除軟質薄膜110即可。為了更讓移除作業更容易地進行，固化後的液晶聚合物層120與軟質薄膜110之間的黏著力，可較其他層間的黏著力(例如：固化後之液晶聚合物層120與配向層330之間的黏著力，配向層330與表面起伏結構層320之間的黏著力，表面起伏結構層320與基板310之間的黏著力)為低。
上述之軟質薄膜110可以在後端組裝時才作移除的動作。這樣軟質薄膜110就可以直接作為後端組裝前搬運或操作時的保護層。如此一來，雙折射液晶元件在完成後可不必清洗其表面，也不必在清洗後再貼上額外的保護層，這樣不但可以節省成本，並且可以避免額外的程序傷害雙折射液晶元件的表面。
在部份實施方式中，製造者可以重複使用這些被移除的軟質薄膜110。或者，製造者也可以選擇將這些軟質薄膜110回收重製，或者直接丟棄。
或者，軟質薄膜110也可以選用具有雙折射特性的材質。如此一來，製造者將無須移除軟質薄膜110，可直接應用軟質薄膜110來作為雙折射液晶元件中的一片波板，其效果例如可為增益另一個獨立偏振開關元件的可視角。
由上述本發明實施方式可知，由於液晶聚合物層120在儲存時的相態為結晶相，因此液晶聚合物層120處於向列相的時間將可有效減少。在上述製程中，一旦液晶聚合物層120轉換為向列相，液晶聚合物層120將立即施覆於被轉印物300上並固化。因此，液晶聚合物過早熱固化的可能性將會大幅減少。
此外，由於液晶聚合物是以液晶轉印膜100的形式帶入製程環境中，因此製程環境將不會遭到液晶聚合物粉末的污染。
再者，液晶轉印膜100可與雙折射液晶元件在不同的地方製作，因此可增加製造環境設計上的彈性，並進而降低整體成本。
另外，原本填入液晶聚合物(向列相)所需的加熱噴嘴系統將不再需要，其可再進一步地降低整體成本。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，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，當可作各種之更動與潤飾，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。
100．．．液晶轉印膜
110．．．軟質薄膜
112．．．上表面
120．．．液晶聚合物層
123．．．液晶聚合物
125．．．氣泡
200．．．滾輪
300．．．被轉印物
310．．．基板
320．．．表面起伏結構層
330．．．配向層
400．．．轉印棒
A．．．箭頭
B．．．箭頭
500．．．加熱墊
600．．．紫外光源
第1圖繪示依照本發明一實施方式之液晶轉印膜的側視圖。
第2~6圖繪示製造第1圖之液晶轉印膜的方法步驟。
第7~11圖繪示應用第1圖之液晶轉印膜來製造雙折射液晶元件的方法步驟。
100．．．液晶轉印膜
110．．．軟質薄膜
112．．．上表面
120．．．液晶聚合物層

Claims (11)

  1. 一種製造液晶轉印膜的方法，包含：形成一軟質薄膜，該軟質薄膜包含一上表面；將相態為結晶相之一液晶聚合物置放於該軟質薄膜之該上表面上；將該液晶聚合物的相態由結晶相轉換至向列相；以及將該液晶聚合物的相態由向列相轉換至結晶相。
  2. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，其中將該液晶聚合物的相態由結晶相轉換至向列相之步驟包含：加熱該液晶聚合物至高於該液晶聚合物之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)。
  3. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，其中將該液晶聚合物的相態由向列相轉換至結晶相之步驟包含：冷卻該液晶聚合物至低於該液晶聚合物之結晶相至向列相轉化溫度(crystalline to nematic transition temperature)。
  4. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，更包含：摩擦定向處理該軟質薄膜之該上表面，使其具有大致均勻的液晶配向特性。
  5. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，其中該軟質薄膜的材質為聚合物。
  6. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，其中該軟質薄膜的材質為聚對苯二甲酸乙二酯(polyethyleneterephthalate；PET)、聚乙烯醇(polyvinylalcohol；PVA)、聚碳酸酯(Polycarbonate；PC)、三醋酸纖維素(triacetyl-cellulose；TAC)或上述之任意組合。
  7. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，其中該軟質薄膜之該上表面因該軟質薄膜的材料性質而具有液晶配向特性。
  8. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，其中當該液晶聚合物的相態為向列相(nematic phase)時，該液晶聚合物能夠藉由電磁輻射而固化。
  9. 如請求項8所述之製造液晶轉印膜的方法，其中該軟質薄膜能夠讓該電磁輻射穿透。
  10. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，更包含： 當該液晶聚合物的相態為向列相時，移除該液晶聚合物中的氣泡。
  11. 如請求項1所述之製造液晶轉印膜的方法，更包含：當該液晶聚合物的相態為向列相時，真空抽除(vacuum degassing)該液晶聚合物中的氣泡。
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