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光學膜–光的魔術師

光學膜在我們周遭可說是無所不在,對人類生活機能的增進日形重要,它就像是光的魔術師。了解光的特性、掌控光的行為,我們就可以操控光使它呈現所設定的各種功能。
 
 
 
光學膜在我們生活周遭可說是無所不在,鈔票上的防偽技術,檯燈的防眩光、車窗隔熱材、太陽眼鏡、數位相機中的濾波材,平面顯示器等,都有光學膜隱身其中,其中平面顯示器更是國家發展重點產業之一。政府在2002年提出了兩兆雙星計畫,設定半導體及平面顯示器兩種產業在2006年的產值都可達到1兆新臺幣,而液晶顯示器產值約占平面顯示器產業的70%,可說是其中要角。再加上液晶顯示器中應用的光學膜種類繁多,因此本文以液晶顯示器為例說明各種光學膜的應用。

近幾年液晶顯示器產業發展迅速,大家對液晶顯示器品質的要求也日益提高,有鑑於此,相關產業紛紛針對可提升視覺效果的光學膜做改善。依據液晶顯示器製作成本配置的分析,光學膜占了40%,是零組件中成本比重最大的。因此以簡單的製程與便宜的價格達到最佳的視覺效果,是目前液晶顯示器研發的重點之一。

如何顯示彩色畫面

從液晶顯示器上看到的彩色畫面,基本上是由光的明暗度和顏色的變化所產生的。當然,有光源的提供才能顯示畫面,因此液晶面板的底部配置有白光光源,但如何讓光源顯示出所要的彩色畫面,就需要各式光學膜的輔助了。

首先,由燈管提供的白光是以線性的型態放光,但面光源的型態才能均勻照顧到面板的每個角落,因此需要一層擴散膜使線光源擴散。但如此一來有些光線會從面板側邊逸散掉,為了減少光源的損失,就需要增亮膜,它可以經由光行進角度的再管理,使原本由側邊逸散掉的光失而復得。

然而,要管理散亂的光並不容易,需要用偏光膜處理各個方向的光,使它變成類似單一方向的光,再利用液晶分子對這近似單一方向的光做扭轉與過濾,以得到所要的明暗度。但液晶分子在扭轉光線之前也需整齊排列,這就需要配向膜了。處理完明暗度之後,再用彩色濾光片把白光中不要的顏色過濾掉,留下紅藍綠3原色的部分再進行比例調配,進而得到所要的彩色畫面。

液晶顯示器的使用經常是在照明的狀況下,但是照明光源會在顯示器表面反光,甚至眩光,因而降低畫面品質。這時需要藉由抗眩膜及抗反射膜來加以改善,使得在太陽光或強光底下仍可清楚地觀看畫面。此外,液晶顯示器常使用在家庭娛樂上,且需要由客廳中的任何位置都能清楚看到畫面,因此需要廣視角膜來增加視角。以下就針對上述各式的光學膜做更進一步的介紹。

擴散膜

一般液晶顯示器中提供白光光源的背光模組是條狀光源,如果未經過處理,燈管間必定有較暗的區域,如此一來畫面會有明暗不均的情形。因此需加上一層擴散膜,一方面消除條狀光影的現象,另一方面可讓光源的光線更均勻、全面性地分布,而不會有局部過暗或過亮的情況。

目前的做法大都是把無機粒子加入高分子膜中,讓光進入這層膜時不斷地在不同折射率的材料中穿梭,而發生折射、散射及反射以達到光擴散的功能。也有人以粗化膜表面的方式達到光擴散的目的,但因製程較費時且成本較高,所以現在仍以加入無機粒子的傳統方式為主。

增亮膜

增亮膜最主要的功能是把通過擴散膜後的均勻光線,以反射和折射的方式控制光線的行進角度,使光線集中在使用者視角的範圍內。一開始想要發展增亮膜的原因,在於液晶顯示器中的光源利用率極低,因為光源經過層層消耗後,從背光模組出來的光線,送到使用者眼中大約只剩下5%。更糟糕的是,這未被使用的95%光源有一大部分會轉換為熱能,導致顯示器中局部溫度上升,加速顯示器本身的劣化,因此增亮膜絕對有其必要性。

目前最常用的增亮膜以菱鏡片為最大宗,它的做法是以紫外光為反應性光源,以精密的顯微複製技術(把正本顯微照相並以極大比率縮小照相的製程)把樹酯硬化,最後形成細微菱鏡結構,再用這菱鏡結構來管理光的行進角度,而達到增亮的效果。背光源進入擴散膜後均勻地放出光線,進入增亮膜後的光線會依路徑與角度而有不同的表現。

偏光板

偏光板是液晶顯示器中重要的零組件之一,它的成本占了液晶顯示器成本的15%,一片液晶顯示面板中有兩片偏光板。偏光板是一種具有光學選擇性,僅讓特定方向的光通過的光學元件,它的主要功能在於過濾掉非特定偏極方向的光,使成為特定偏極方向的光(即偏極化光)。

偏光膜的製造主要有兩種方法,分別是延伸法及塗布法,目前商品化的方法是延伸法。延伸法在1938年由美國拍立得(Polaroid)公司的創辦人蘭特(Edwin H. Land)發明並開始使用,雖然之前做出的偏光膜耗時又非透明態,卻已經掌握了偏光膜重要的3組成要素:碘、高分子及定向。一直到1938年,蘭特才真正發展出應用至今的偏光板製作方法。

現今的偏光基體是用高透光性的聚乙烯醇高分子薄膜,吸附上碘系分子或染料分子,使它擴散進入聚乙烯醇膜內。把聚乙烯醇膜稍作加熱後拉伸,原本雜亂排列的聚乙烯醇分子會偏轉於拉伸方向,而原本就在其中的碘離子就沿著拉伸方向作規則的排列。通過的光只要是平行於拉伸方向的就會被吸收,如此就可達到偏光的效果而形成偏光膜。

塗布法是在1993年由Optiva公司所發表,雖然不是目前量產的主流方法,但是具有成本低、製程速度快、可大面積生產等優點,相當具有發展潛力。
                  
偏光板的組成主體共有6層,最主要的功能層是中間的聚乙烯醇層,是達成偏光的要角。但是聚乙烯醇容易吸收水分導致偏光程度下降,因此需要在它的上下加上三醋酸纖維層,三醋酸纖維層不只是用來支撐聚乙烯醇,避免它回縮,又可耐熱抗濕,對聚乙烯醇有保護的功能。

接下來的一層黏著劑是用於把偏光層貼附在其他光學膜上。黏著劑須以離型膜保護,離型膜顧名思義就是在貼附前要撕開的薄膜,就像是雙面膠上的白色保護膜。然而黏著劑不可太黏,以免使離型膜難以撕開,但黏性也不可不足,以免離型膜無法貼附,可見即使是一個小小的黏著劑,也有著很大的學問。最後,偏光板在出貨時須再上一層保護膜,避免出貨時可能的刮傷損害。

配向膜

在液晶顯示器中,液晶分子傾斜的角度可藉著施加電壓的大小來控制,而光線會隨液晶分子的排列位向偏轉,如此就可控制光通量的多寡。未施加電壓時,膜上的液晶分子是平躺的,加上電壓後,液晶分子的長軸可能從任何一邊向上傾斜,但如此可能造成相鄰的液晶分子傾斜方向不一。如果使用配向膜使液晶分子一開始就有一個傾斜的角度,加上電壓後,液晶分子就會整齊排列,而不會有不同方向的問題。另一個優點就是當液晶分子受到電壓的作用時,可以很快地轉動到所設定的角度,因而增加響應的速度。

目前製作配向膜最常用的方式是機械式的摩擦定向,簡單地說就是用絨布摩擦高分子膜,以提供能量使高分子的主鏈因延伸而產生規則的順向排列,進而形成微小的溝槽,就能使液晶分子排列整齊,達到配向的效果。另外還有許多方法,如光配向法、離子束配向法等,其中光配向法是較有機會取代傳統摩擦定向的方法,但傳統的方法仍有生產時間較短的優勢。

抗反射膜

在偏光板中的三醋酸纖維膜會把進入的光線反射掉4~5%,然而多1%的反射就等於少了1%的穿透度,顯示器畫面也會因此變暗。為了改善這樣的困擾,抗反射膜因此而生。

抗反射的做法分成兩大類,第1類是用不同折射率的物質互相堆疊在一起形成多層結構,或藉由控制堆疊的厚度及材料的折射率,當兩個相差四分之一波長的波碰在一起時,就會產生完全破壞性干涉,把反射的光抵銷掉。因此只要把抗反射膜的厚度控制在可見光波長的四分之一,便不會影響到我們的視覺感受了。

傳統的抗反射塗層是以乾式製程的真空蒸鍍法進行,之後陸續出現許多種抗反射膜作法,包括濺鍍、濕式製程塗布多層結構、溶膠凝膠法、奈米粒子塗布、奈米孔洞高分子等。塗布的方法有許多種,如浸泡式塗布是使基板浸泡在溶液中然後拉起,它的優點是可同時做雙面抗反射處理,缺點是製程的速度較慢。另外還有旋轉式塗布,是把溶液滴在基板上,然後旋轉基板使想要塗布的材料旋轉塗布開來。但是在旋轉過程中會甩掉許多可用的材料,材料利用率極低是一大缺點。

第2大類稱為低反射膜,如果考慮光線由空氣進入玻璃基板,已知空氣的折射率(nair=1)及玻璃的折射率(nglass=1.52),從空氣及基板界面發生反射,則雙面玻璃造成的反射大約是7~8%。若想避免反射所造成觀看品質的不良,也就是讓反射率趨近於零,由理論推知所需材料的折射率須低於1.22。

想要達到抗反射的功能,研發人員一直在尋找更低折射率的材料(n<1.22),然而折射率最低的無機材料Na3AlF6也只達到n=1.35的值。因空氣的折射率是1,想要得到較低折射率材料的方法就是把材料做成多孔結構,孔洞處的折射率則是空氣的折射率1和所使用材料的折射率的平均,而可得到較低的有效折射率。

抗眩膜

當外界光線照在未經處理的平整表面上時,集中在某一個角度反射進入眼中的光線會讓人覺得昏眩、看不清螢幕上的內容。例如在大太陽底下使用手機時,常會看不清螢幕的字,這就是「眩光」所造成的影響。而現今手機的影音設備又愈來愈高級,為了跟上技術的進展,眩光問題必須改善,解決的方法就是在偏光板上做一層抗眩的處理。

抗眩的原理是以表面處理的方式使表面變得粗糙不平整,這不平整狀態使照在上面的光線散射,光線因為散射到各個角度而不會集中在某一個特定角度。使表面不平整的方法有幾種,可以使用機械的方法對表面作噴砂處理,也可以在表面上均勻塗布一層奈米粒子,但是所塗布的物質須具有高透明性及一定的穩定性。

廣視角膜

液晶顯示器由於使用有方向性的液晶分子操控光的特性,使得使用者從不同角度觀看時,畫面品質會有所變化。以顯示器正前方90度為基準,向旁邊逐漸偏移觀看角度,當看到的畫面品質劣化到無法接受時,這一臨界角度稱為該顯示器的視角。未經處理的液晶顯示面板通常具有窄視角,也就是在顯示器的正前方才有較佳的畫面品質。偏移了某個小角度觀看時,便可能會有顏色失真、灰階反轉或明暗處顛倒的情形,因此增廣視角是製造液晶面板亟需解決的重要課題。

廣視角膜的原理就像是把平面鏡改變成球面鏡,既然只能在正面看得清楚,就把各個方向都做成正面。目前廣視角膜的作法主要是採取多象限垂直配向的方式,就是把配向膜的配向方向以微影製程由一個改成兩個或四個方向。依照這個方法,雖然主要的製程不變,但是它把原本配向膜的製作方式由絨布摩擦改成微影製程,整體的良率會跟著下降。

隨著科技不斷的進步,人們對於各種商品的品質要求也愈來愈高,而平面顯示技術為了因應這個趨勢,更不斷朝向更高亮度、高畫質、廣視角、高速響應等視訊性能前進。目前雖然已經有一定的品質,各種新式的光學膜也紛紛出爐,但由於各製程相當繁瑣,在價格上仍稍嫌過高。在光學膜這個部分需要努力的重點,在於如何使製程精簡,盡可能使各種光學膜合一,把繁瑣的各段製程變成單一步驟的製程,以達到成本精簡的目的。
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