因應顯示器產業對光學膜的需求，今年四月在日本東京舉行的Finetech2008擴大了展覽規模，特別規劃光學膜加工展區與顯示器用光學膜展區，將光學膜製造源頭與光學膜產品進行完整連結，藉此可一窺平面顯示器所需之光學膜上中下游產業整體技術發展。
三大精密機械加工廠商競相演出
去年顯示器薄型化的發展趨勢，帶動新一代背光源所需之光學膜（板）技術，薄型化的秘密，在各家廠商專利佈局完成後，今年開始會逐漸的浮上檯面，其中，高分子光學膜加工技術的演進，功不可沒。這次展覽中，三大精密機械加工廠：日立造船（Hitachi Zosen）、東芝機械（Toshiba Machine）與住友重機（Sµmitomo Heavy Industries）均參與了這次盛會，東芝機械甚至把壓箱寶，連續押出壓印技術（Extrusion roller embossing）實驗機整台搬出來展示，這些上游高分子膜片加工廠，以往代表高分子光學膜片一次加工技術，也就是以不同種的高分子材料，利用精密熔融押出成型製作單層或多層的光面高分子膜片，再交由二線廠進行精密塗佈、硬化、延伸、表面處理或是鍍膜等所謂的二次加工。以上這些技術都已經很成熟了，除了這些傳統的膜片製程外，從這次展覽亦可明顯看出這些廠商未來的企圖心，就是發展整合型的押出成型技術，結合一次加工與二次加工，形成整合型高分子加工技術，這樣的技術需包含精密機械、高分子加工、材料本質與精密光學的認知與相互累積才會有特殊的工藝展現，絕非幾台高昂的設備與固定的操作程序參數所能達到的境界，國內對光學級高分子光學膜加工技術，還停留在買設備與摸索階段，在已經出貨的擴散膜與菱鏡片產品的削價競爭也持續白熱化，在技術演化與成本的考量上，終極光學膜技術是未來精密高分子押出的新領域與趨勢，以下就Finetech2008對於顯示器中，不可或缺的光學膜相關技術進行說明。
平面顯示器薄化的關鍵技術
LCD薄型化主要分成面板薄化與背光模組薄化，玻璃基板的薄化與強度有一定的限度，所以顯示器肥胖因子在背光模組，在維持光輝度與均勻度的前提下，光學膜功能的複合化是必要的趨勢，除了希望降低膜片使用數量並簡化製造流程、減少成本與增加光源利用率外，所面對的是燈管數量的減少與光學膜板間距的壓縮，利用更佳的光學擴散系統，在更短的距離，達到勻光增亮的效果，這就是目前各種光學膜的發展目標。以一般塗佈型的擴散膜為例，會場中可以找到兩家具代表性的廠商推出擴散膜改良產品；分別為Maxell的集光型Micro Lens擴散膜與大日本油墨（DIC）Lumistar系列高擴散型與反射擴散型產品，圖一為Maxell32吋集光型擴散膜樣品。主要技術原理與MNtech的微鏡片類似，利用不同曲率微鏡片的排列組合，來達到擴散膜可以增亮的功能，比較特別的是，除了達到正視角聚光的效果外，更進一步控制水平與垂直視角的範圍，研判是採用非對稱型的micro lens array，在圖一的TV展示中，在大視角範圍，感到比以往micro lens更優異的色彩與對比，背光源所產生的特殊光型，可以直接顯示在畫質表面上，圖二為這款擴散膜的光型分佈圖與微鏡片陣列製作概念圖，可以得到功能與視覺相對的印證，圖三為DIC所推出Lumistar一系列光學擴散、反射擴散等相關功能的光學薄膜，特別之處是將擴散膜厚度降到40µm，如此薄的PET基材上所需要的接著劑與粒子塗佈功夫，可是DIC技術發揮之處，在擴散效果與光型上，都可以藉由擴散粒子的調控來加以達到更高擴散、反射效率，利用這樣的紊亂的微結構擴散層，與反射層相互搭配，應用在手機的導光膜反射層上，除了可以直接增加正視角的亮度外，並可以減少入光側明暗不均的情形。
圖一、Maxell 新開發roll to roll micro lens 光擴散膜
圖二、Maxell micro lens 光擴散膜光型分佈
圖三、大日本油墨化學工業（DIC）發表的Lumistar光學擴散反射膜
導光板薄化是中小尺寸側光型背光源的重要減薄指標，厚度在3.5吋以下，目前會場中各家所展示的厚度約略在200-350µm左右，7吋以上則是以大於500µm為主，導光板材料需要較高的透光性，降低光波傳遞的損失，富士高分子發表了以矽膠片成型的軟質導光膜（圖四），可以看到導光的效果與全波段的高光穿透率（>93%），矽膠材質的折射率低，約1.45-1.48左右，光源較易導入膜片當中形成光波導，最薄可以將導光膜厚度降至200µm，可惜會場展示的3-7吋以上的樣品，僅展出最薄500µm的樣品，軟質膜片本身機械強度不足，會是製造與使用上的隱憂，矽膠表面的特殊出光印刷，也是將光源均勻導出的關鍵。
圖四、富士高分子矽膠導光膜高光穿透率與導光表現
終極光學膜工藝技術
為了更減薄與更複雜的光學系統，精密高分子押出技術，勢必是目前光學膜生產的必要趨勢，精密高分子膜片加工技術是材料端的下游，同時也是應用產品端的最上游，高分子材料由成噸計算的粉或粒子，轉為乘以面積單位計算的膜或板，這是高分子傳統的加工產業，也是尖端精密高分子新興的製造產業，起初的高分子素膜，僅純粹表現成膜（板）後的材料本質，但經過二次加工後，就是賦予功能性的平面顯示器背光源重要零件，目前看到的光學膜片二次加工法，在背光模組中大部分都是採用PET為基材，在表層光硬化成型光學結構，例如微菱鏡或擴散片，或是一些擴散粒子押出板等，在技術演進下，新一代的光學膜膜片加工技術，在這次finetech展覽中可以看出端倪，東芝、住友與日立三大精密加工廠相繼推出軟滾輪技術，可以是未來光學膜加工必須的基本功夫。
首先映入眼簾的是東芝機械整個連續押出壓印實驗機台展示，去年十月在橫濱顯示器展僅提供禁止拍攝的影像與書面資料，雖然去年十月有個東芝機械沼津本部的特別招待會現場展示，也不見得很多人都見過，這次東芝機械所展出的也包含奈米壓印，微加工、電鍍、高速射出壓縮機與精密塗佈技術，在在顯示東芝機械的稱霸光學膜產業的強烈企圖心，這次所展示的整台連續押出壓印系統實驗機，如圖五(a)所示，主要處理材料為聚碳酸樹脂（PC），押出段為中尺寸雙螺桿押出機，T型模頭寬福大約是40-60公分，膜片從模頭出來瞬間的溫度為270℃，滾輪採用三滾輪架構。圖五(b)可以見到各式各樣的微細成型樣品。
圖五、(a) 東芝機械連續押出壓印成型機；(b) 東芝機械 微細成型樣品圖
住友重機與日立造船也不甘示弱，住友重機的Flex-roller三滾軟滾輪系統，國內包含工研院在內至少有兩至三組，圖六為量產尺寸的flex-roller，其主要構成，表皮為無縫金屬套筒，利用耐熱橡膠封住夾層，夾層中可用水或是油壓支撐與溫度控制，早期的flex-roller不超過100℃，目前已有更為耐熱的規格出現，軟滾輪的好處。圖七為日立造船的UF-roller，機構基本上與東芝機械、住友重機的軟滾輪類似，相異處推測是金屬套筒與溫度控制的設計，由UF-roller的感壓紙測試結果可以看到，軟滾輪所提供壓力的均勻差異，同時日立造船也展出，精密電鑄鎳質微結構滾輪雕刻滾輪與所成型的表面賦型擴散板(圖八)，微結構呈現無間隙柱狀鏡陣列結構，在鏡片的尖角與圓頂處都可以完美的成型，複製率據估計也有95%以上，所使用的材質同樣也是PC，東芝機械也有同樣的展示，微結構滾輪，複製HGD（High Gain Diffuser）Plate與顯微鏡立即呈現，除了軟滾輪的系統外，精密押出高分子膜片的傳送與冷卻亦是問題，氣浮式輸送滾輪系統，可以在不碰觸微結構面輸送的同時兼顧清潔作用，利用化工熱交換技術原理與射出模具技術的新式Core-shell輪，藉由液氣熱焓的變化，就可大幅增加冷卻效率與均勻性，比用冰水機的冷卻輪還有效。
圖六、住友重機Flex roller
圖七、日立造船軟滾輪技術(UF roller)
圖八、日立造船表面硬化鑄鎳H25/W50µm 柱狀鏡精密雕刻滾輪與表面賦型擴散板（PC）
由Finetech2008可以看到顯示器上游材料、加工技術與最終應用產品的連結，並嗅出未來光學膜片的製造趨勢，在輕薄化顯示器背後所表現出，減少材料使用、增加能源利用效率，簡化製造流程與滿足消費者對視覺空間的自由，日本廠商對這一點很清楚，利用微型光學結構，就可以用簡單的素材與加工成型法，達到多樣化的功能，並應用在不同的光學系統之中，終極光學膜工藝技術與所搭配的新興技術設備的演進，透過對材料與加工法的整合，可以構成新一代光學膜片的製造方法，在非機械的精密微細加工方式上，具有較大的可變性與靈活運用空間，可以因應更複雜的結構設計，來做各種形式的變化以符合更多變化的光學膜需求。
文章作者：趙志強/工研院材化所
資料來源：材料最前線/材料世界網
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