UV反應型液晶材料：材料世界網

根據DisplaySearch資料，隨著2008北京奧運的到來，今年液晶電視市場可望突破上億台，可喜的是目前不論是在面板的產值、產量上，台灣皆取得全球第一的地位，而相關零組件需求量必然隨之大增，顯示器用光學膜材料產業前景看好。現今市面上的光學膜產品種類繁多，功能不盡相同，依材料可簡單區分為同向性的高分子膜（Isotropic Polymer Film）以及異向性液晶膜（Anisotropic Liquid Crystal Film）兩大類，目前以液晶膜的研發能量投入最多，因此，本文將聚焦於液晶膜的原物料—UV反應型液晶材料作一介紹。

UV反應型液晶材料
眾所周知，液晶即液態晶體（Liquid Crystal），不過亦有人因為液晶是介於液態與固態間而稱為Mesogen，因此，Merck 將所售之反應型液晶命為Reactive Mesogen。簡單地說，反應型液晶即與一般光電液晶分子具有液晶核（Core Group），末端帶有1或多個可反應官能基（Reactive Groups），通常為壓克力基（Acrylate Group），可經光聚合成高分子網絡（Polymer Network）。由於所使用的聚合起始劑多為UV感光型（波長為254～365nm），故稱為UV反應型液晶。目前UV反應型液晶的供應商與產品有Merck的RM 系列，Wacker的SLM系列，BASF的 Paliocolor系列等。

反應液晶型光學膜的優點
傳統光學膜多以高分子經單軸或雙軸延伸而成，原本分子軸呈雜亂排列的同向性(Isotropic)會隨著延伸方向而偏轉至異向性(Anisotropic)，使不同方向的入射光的行進速度產生差異的相位延遲現象（Retardation, R），可用來調整或補償光的相位。一般相位延遲量可由薄膜的雙軸折射率的差異（Birefringence，△n）與薄膜的厚度(d)乘積計算，即R=△nd，而液晶分子無論是棒狀（Rod-like）或碟狀(Discotic )，雖然整體異向性仍取決於排列規則優劣，但基本上液晶的雙折射率約在0.1，相較於傳統高分子延伸膜為十倍至百倍，因此所製作出的光學膜薄膜厚度可以非常小，適用於roll-to-roll塗佈製程。

前述整體液晶的異向性與排列規則性相關，不過由於液晶的自組裝性(self-assembly)，因此在特定條件下，即可得全面性單一的規則性，即所謂單疇區（monodomain）。如果小分子液晶，利用不同表面處理與材料設計，可得到不同的軸向型態(orientation)，如平躺（planar）、直立（vertical）、傾斜（tilted）或混合（hybrid），如圖一所示，非常合適各種各類光學膜的需求設計。因此，利用反應型液晶製作光學膜具有大面積、單疇區、且有配向型態（aligned morphology）的優勢，這是傳統高分子光學膜所無法相較之處。

圖一、不同的軸向型態示意圖，上為棒狀液晶，下圖為碟狀液晶
圖一、不同的軸向型態示意圖，上為棒狀液晶，下圖為碟狀液晶

液晶分子之光學幾何與應用的光學膜
液晶具有多種軸向排列可從事需求多變化的光學膜製作，目前包括廣視角膜、增亮膜、偏光膜等顯示器用光學膜。以下介紹各種光學膜與反應型液晶的關聯性。

廣視角膜
針對TFT-LCD 廣視角特性所開發的光學補償膜材料大致分為可延伸型高分子型如PC、PS，反應型液晶類-碟狀液晶、棒狀液晶，以及最近被使用可旋轉塗佈高分子型如PI等。以補償功能而言，可依之光學軸方向分為單軸、雙軸。單軸係指補償膜在xyz方向上的折射率nx, ny, nz具有nx= ny nz的關係；而雙軸則是指具有nx ny nz的關係的補償膜。

簡單的說，廣視角膜就是相位補償膜，補償原理採「截長補短」。目前根據液晶顯示器趨動時分子受限於邊界條件影響所產生漏光現象，可歸類3種簡單對應之單軸結構補償膜：A-plate、O-plate、C-plate。以膜之光軸區分，平行表面稱為A-plate，垂直表面稱為C-plate，與表面成一傾角稱O-plate。以棒狀液晶為例：A-plate可用水平配向製得，用來補償趨動之液晶盒中直立的液晶分子；O-plate的製作常用方法採則較大預傾角之配向膜或斜向蒸鍍，主要補償趨動之液晶盒中的反向傾斜液晶分子；C-plate為分子直立之光學膜，一般用垂直配向可得，用來補償趨動之液晶盒中水平的液晶分子。而若採用屬負型液晶反應型碟狀(discotic )液晶，由於其C軸（光學對稱軸）折射率(off-axis, nz) 大於平面折射率(on-axis, nx、ny)。分子平躺則為負C-plate，直立時為負A-plate。

不過由於單軸（uniaxial）無法滿足平面需求特性，雙軸（biaxial）補償膜的研究需求是與日俱增。所謂雙軸之補償膜則是指光軸具有空間連續變化指向的補償膜：光軸在同一平面變化為傾斜變化(Tilt)；另一種常見的為扭轉變化(Twist)，即最下層與最上層之光軸相互垂直之連續變化的光軸。例如分子設計為扇形開展 (splay)或一端水平一端垂直的混合型（hybrid）；而目前市面效果最佳為1996年Fujifilm公司Mori博士所設計的hybrid碟狀液晶的廣視角膜，其圓盤狀結構與補償配置如圖二。

圖二、Fujifilm-wv 補償配置與圓盤狀結構
圖二、Fujifilm-wv 補償配置與圓盤狀結構

增亮膜
接下來介紹的增亮膜是一種具光回收機制的反應型膽固醇液晶（cholesteric）增亮膜（cholesteric reflective polarizer, CRP）。膽固醇液晶是一種有天生螺旋結構(naturally helical structure)，其螺旋結構並不會因為光聚合而破壞；當入射光進入時，有一半的入射光（圓偏光）會順著螺旋結構進入，而另一半則因逆旋而被反射，這就是所謂的（圓）偏光選擇性，因此，有時當作偏光轉換膜（polarization conversion film）使用（圖三）。

圖三、膽固醇液晶螺旋結構與反應機制

應用膽固醇液晶作為增亮膜的原理見圖四，關鍵是利用一反射背板將原來被反射部份反轉旋光性，可再次順向通過而達到增亮的效果，相較於傳統偏光片的穿透-吸收機制，CRP為穿透-反射->二次穿透機制，可有效的進行光回收，減少整體的光損失。若進一步貼合1/4波板（quarter wave plate），則偏光機制將由圓偏光轉至線偏光片。

圖四、增亮膜應用原理
圖四、增亮膜應用原理

偏光膜
傳統偏光膜是碘系偏光膜，其製造流程是透明PVA膜吸附碘離子經單軸延伸後，而賦與偏光機制，不過由於PVA易吸水，必須外加2層TAC膜來保護，成本與產品厚度一直是問題。相較之下，具有異方性反應型液晶以添加二色性染料所完成的塗佈型薄膜液晶偏光膜，除製程較簡單、厚度較薄特點外，更可製成in-cell 偏光片，進一步解決多層介面光學干擾，提高光學效益。

目前有棒狀（rod-like）或碟狀(discotic )液晶兩類反應型液晶，由於兩者的雙折射率一為正一為負，所吸收的光軸恰好互相垂直，一般定義前者為O型偏光片（ordinary ray, O-ray），後者為美國Optiva所開發出E型偏光片（extraordinary ray, E-ray）。不過E型偏光片已為偏光片大廠日東電工所取得，開放的時程並不確定（圖五、六）。

圖五、O型偏光片(左)，E型偏光片(右)
圖五、O型偏光片(左)，E型偏光片(右)