生質材料在偏光板技術的應用

 

刊登日期:2010/4/8
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近年來,石油能源危機、地球暖化等議題發酵,如何取得永不枯竭的資源,以及製造更加環保的產品,受到廣大消費者的重視。生質材料(Bio-based Materials)取自動物、植物或微生物等生物體。由於生物可藉由新生、再生而生生不息,因此生質材料具有取之不盡、用之不竭的特性。目前無論政府、學界或業界都逐漸注意到生質材料的研究開發,其中包括如何取得具有競爭價格的生質材料、製造性質優越的應用元件、取代現有石化產品或開發新應用領域、使用後回收/ 分解等議題。

液晶顯示器屬於影像顯示產業,為我國「兩兆雙星」計畫的重點之一,本文即討論液晶顯示器及其關鍵元件偏光板產業現況,以及生質材料三醋酸纖維素(TAC)、聚乳酸(PLA)和甘油在偏光板的應用和發展。

液晶顯示器與偏光板產業現況
近年來液晶顯示器(Liquid Crystal Display; LCD)產業在政府及民間企業的努力之下,不斷地創新研發,各面板廠不僅在2007年創下亮眼的營收,更在面板製造業的競賽中,不斷地提升市占率。儘管2008年及2009年的金融危機造成面板廠營運的寒冬,整體營業利潤下滑,由面板本身整體的出貨數量來看,雖然爆發性的成長不如2007年,但仍然如預期逐漸成長。

而在整個LCD產品的材料端,偏光板是LCD的關鍵零組件,不僅影響液晶顯示器的影像顯示,更會影響對比值、色度及色偏等各種重要的視覺感受。隨著LCD產業的復甦,偏光板更是成長可期。目前一般LCD用偏光板技術主要有塗佈式及機械延伸式兩種偏光板。
1. 塗佈式偏光板
塗佈式偏光板是1993年由Optiva公司所發表,主要是將液晶經由狹縫式塗佈器(Slot Die)塗佈後,排列於顯示器基板上,使基板具有偏光的特性。此方式具有可大面積化生產、製程速度快、薄型化、能直接在面板廠內直接生產等優勢。只是目前相關製造技術的成本較高、液晶來源及專利受到國外廠商控制,以及偏光度與對比度不如浸碘機械延伸式的偏光板等因素,市面上仍以機械延伸式偏光板為主流。
2. 機械延伸式偏光板
機械延伸式偏光板為1938年由美商拍立得(Polaroid)公司的創辦人Edwin H. Land所發明,當時已知製造偏光效果的高分子膜必須具備三要素:(1)高透光率;(2)吸附碘的能力;(3)可機械延伸定向。以目前的商用製程而言,聚乙烯醇(PVA)膜具有良好的吸碘拉伸性質,使用機械外力拉伸吸碘後的PVA膜,會使原本雜亂排列的碘分子順著延伸方向呈現線性排列。由於碘分子具有吸附沿著應力方向振動電磁波的特性,因而達到偏光的效果。但是碘分子容易和空氣中的水氣結合,導致偏光板的耐溼熱性不佳而褪色,且PVA膜經由拉伸裁切後有應力殘留而回縮等缺點。所以在拉伸過後的PVA膜外貼合三醋酸纖維素膜(TAC膜),用以兼具碘分子在PVA膜上的安定性和偏光板張力的穩定性。偏光板用的TAC膜特別要求高透光率、耐濕熱變形性、接著性與光學均一性等。圖二為一般偏光板構造圖。


圖二、偏光板構造

三醋酸纖維素
TAC用來製作TAC薄膜,是製造偏光板中的重要材料。TAC的原料取自於天然的植物,因此TAC 為一典型的生質材料。TAC是由纖維素和醋酸酐經由酯化反應而得,在反應過程中使用硫酸做為催化劑(圖三),其中醋酸化程度(Degree of Acetylation)決定醋酸纖維素的特性,通常TAC的醋酸化程度約為59~62%,僅溶於氯仿等有毒溶劑,用於電絕緣薄片、電影膠片、片基等。

三醋酸纖維素是以天然高分子纖維素為原料,依來源不同可分為來自木材的木漿泊(Wood Pulp)與來自棉絨的棉漿泊(Cotton Linter Pulp)兩種,在醋酸纖維素的製造上會因應用需求而選擇不同的漿泊來源與規格。一般用於製造三醋酸纖維素的原料為α-纖維素,短棉絨的α-纖維素含量可達90%以上;而木漿的α-纖維素含量較少,半纖維素(Hemicellulose)及木質素(Lignin)等雜質較多。因此短棉絨常用於製造三醋酸纖維素。

聚乳酸
PLA屬於直鏈型脂肪族熱塑性聚酯,具有良好的結晶性及透明度,用以製備成為薄膜、絲狀或各種鑄型品。而且具可生物分解特性、生物相容性和物理機械特性。工業製備PLA的方法是將澱粉類的穀物(例如玉米、小麥等)先經過水解的程序,使澱粉轉化成葡萄糖或麥芽糖等糖類,再以生物發酵的方式得到乳酸單體,如圖六所示。而PLA則是將乳酸單體經過縮合聚合反應(Condensation)或開環聚合反應(Ring Opening Polymerization)製備而得(圖七)……以上內容為重點摘錄,如欲詳細全文請見原文


圖七、PLA聚合示意圖(a)縮合聚合反應;(b)開環聚合反應

作者:王威智、許玉瑩、林和玫、黃國棟/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌280期」,更多資料請見:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8475


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