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图文详解:AMOLED圆偏光片的宽波域相位差补偿膜技术

编辑:liuchang 2018-02-01 09:12:56 浏览:13140  来源:未知

  AMOLED显示器所面临的挑战之一,是如何有效抵抗环境光、减少显示方面的干扰,搭载圆偏光片便是其中一个解决方法。

  目前圆偏光片是以1/4波长相位膜与传统偏光片结合成的抗反射片。为有效提升对比,1/4波长相位膜是关键材料,原因在于环境光的波长范围,能涵盖可见光区的宽波域1/4波长相位膜才是首选。

  本文将介绍适用AMOLED圆偏光片用之宽波域相位差补偿膜制作,包括最夯的单膜延伸、传统的迭膜法以及厚度最有竞争力的液晶涂布等方式。

  虽然在三星主导的AMOLED产品中,以1/2λ + 1/4λ延伸型相位差膜迭层的方式补偿效果最好,但相对厚度及成本都相当可观。最终,业界将在高对比度、薄型与价格间作取舍。

  液晶涂布型相位差补偿膜技术发展多年,以日本大厂最积极投入研究,透过分子的操控,具有可调的光学补偿特性、可任意调整光轴、且厚度薄、成本低等优点,期望在不久的将来有更突破性的发展。

  关键词/Key Words相位差(Phase Retardation)、补偿膜(Compensation Film)、宽波域(Wideband)

  AMOLED抗反射层相位差的补偿原理

  LCD显示器是一个背光穿透与否的开关,需要背光源及上下偏光片才能产生有效的信息。而OLED为可发彩色光的发光二极管,不需要背光源也不需要彩色滤光片,就彩色显示而言,OLED结构相对简单许多,一直被认为是完美显示器。

  不过,完美的OLED显示器却因为金属电极结构,在室内或外界强光下的反光,造成阅读的干扰,暗态不暗!一般解决之道是在外部再加上可抗环境光反射的圆偏光片。

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图一 圆偏光片的抗反射原理

  图一说明了圆偏光片的抗反射原理,经过最外的偏光片,光源仅剩一半的线性偏振,其下夹角45˚的1/4λ波长波板可将线性偏振转换至圆偏振光(ex.左旋光);

  当光被金属电极反射后会形成直交的圆偏振光(ex.右旋光),如此虽再经过1/4λ波长波板,最终偏光呈现与原偏光片透过轴垂直的偏振,无法再出光,外界光就被阻隔在圆偏光片之内。

  因此,需求暗态时,OLED可以忠实地呈现信息,对比度就提高了。有了这片圆偏光的遮蔽,即使在太阳光下,显示的信息依然清楚可见。

  如前所述,圆偏光片的组成为线偏振片搭配1/4λ相位差补偿膜,其中还1/4λ相位差补偿膜为关键。

  主要是因环境光的波长范围涵盖极宽,因此首选的1/4波长相位膜至少要能涵盖大部分的可见光区。不过目前皆以对应单波长的1/4波长相位膜为大宗,而违反自然定律的宽波域(Wideband) 1/4波长相位补偿膜因着必须有特殊设计而奇货可居,价格更是居高不下。

  在进入技术介绍前,我们先针对一些市场面作介绍。

  AMOLED后续发展趋势

  关于AMOLED面板技术方面,韩国三星与LG集团正积极开发中,目前由韩国三星居于龙头,此技术应用产品主要为Smart-phone、Tablet PC;然而在AMOLED大尺寸TV面板技术上,现阶段大尺寸所搭配的

  偏光片及其光学补偿膜,在显示器四个边角的视觉呈现上有着明显的光学Mura,尺寸越大,Mura越明显,因此,AMOLED大尺寸面板技术与设计尚待突破。

图文详解:AMOLED圆偏光片的宽波域相位差补偿膜技术

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图二 AMOLED应用市场发展预测

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图三 中国AMOLED面板技术投资案件

  AMOLED面板技术应用产品

  AMOLED面板技术应用于3C产品,目前市场近100%来自韩国三星产品,三星智能型手机Galaxy系列皆使用AMOLED面板,从第一代产品Galaxy S至Galaxy S4皆采用AMOLED面板,未来的Galaxy S5应该也会选择AMOLED面板。

  在这一整个系列面板,评估选择的偏光片所需搭配之宽波域补偿膜,因成本问题与补偿效果之间存在着角力拉锯,所以尚未有真正满足市场需要的胜利者。

  在Galaxy系列产品被导入的宽波域补偿膜有WR Film(帝人)、1/2λ Film + 1/4λFilm (Zeon)、RM Film(帝人)、Amond Film(Kanaka)。

  其中,在颜色补偿表现上仅1/2λFilm + 1/4λ Film达到三星需求目标,其余皆有暗态(Real Black)不足问题,但1/2λ Film + 1/4λ Film的价格为其他宽波域补偿膜之1.3~1.6倍,对于AMOLED产品将是不小的负担,无助于AMOLED面板成本下降。

  图四为三星Galaxy系列偏光片所搭配之宽波域补偿膜结构。

  AMOLED偏光片用之宽波域补偿膜后续发展方向包括:需达到Real Black、薄型化,以及结合透明导电功能;能开发出拥有市场需求功能之宽波域补偿膜,并且顾及价格成本,将会胜出,成为大赢家。

  因此,开发出与1/2λ Film + 1/4λ Film补偿膜同等补偿效果之宽波域1/4λ Film,且价格优于1/2λ Film + 1/4λ Film,有其利基及市场急迫性。目前市面上宽波域补偿膜产品都以延伸方式进行生产。

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图四 Galaxy系列产品之偏光片结构

  基材不外乎PC、COP等,在价格成本允许的情况下,液晶涂布亦是另一个选择,市场尚未出现液晶涂布型宽波域补偿膜,然而许多知名日本大厂正积极开发中,如富士、DNP、日东电工等,1/2λ + 1/4λ双层液晶涂布方式、液晶涂布转写方式等皆在开发中,表二为目前宽波域补偿膜商品及发展现况。

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表二 宽波域补偿膜发展状况

  (图六),将溶融押出后的COP树脂先进行纵向延伸,再进行横向延伸,一次制程便能制造出双光轴相位差膜,用于补偿VA模式大尺寸液晶电视的视角。然而,此技术的困难点在于膜厚的控制,目前ZEON所开发的双光轴相位差膜,膜厚误差仅±0.5%。

  同时,延伸后的相位差膜幅宽等同偏光片,可以与偏光片直接进行卷对卷贴合(图七),不但可以精简制程,同时可以省去偏光片的保护膜及中间资材等,大幅节省成本并提高良率。

  一般光学膜,透明树脂膜延伸的方向即为分子配列的方向,但因为目前手持式装置在设计上,其相位差膜分子配列方向与偏光片的透过轴方向需有一定的夹角,。#p#分页标题#e#

  因此,主流的方式是先将相位差膜以特定角度裁切后,再以片式的方式与偏光片贴合。

  此方式不但费工,而且裁切后剩余的部分便成为无法再利用的废料,膜的利用效率变差,同时成本也会提高,因此,若能在膜延伸时,即以所设定的角度斜向延伸,则可以和偏光片进行卷对卷贴合,可以减少工数及膜的浪费(图八)。

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图五 溶融押出法示意图

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图六 ZEON开发的逐次二轴延伸技术

  斜向延伸的困难点在于一般纵向延伸时,膜的幅方向产生的应力是左右对称的,然而,进行斜向延伸的话,幅方向产生的应力左右会有差别,如此会造成幅方向厚度及光学特性(配向角,Re)不均一。

  因此,ZEON由延伸机的改造做起,逐步调整押出机涂头唇嘴的开度、树脂押出流量、冷却滚轮的速度、温度以及Edge Pin-ning(图九(a))等参数,才成功开发出业界最先进的斜向延伸制程。并在2011年底建置斜向延伸专用制造线,正式迈入量产。

  由于斜向延伸,膜的分子配列方向可以配合偏光片透过轴的方向改变, 因此便可以实施卷对卷贴合,如此一来,材料的减少、制程的减少、超薄型偏光片都成为可能。

  斜向延伸相位差膜(ZEON之ZD系列)目前可应用于AMOLED、中小型VA LCD、3D电视等。

  用于行动装置上,可兼具反射防止、提高对比度,以及液晶光学补偿的作用,因具有反射防止的机能,也可应用于数字电子广告牌(Digital Signage)。目前ZEON斜向延伸相位差膜在行动装置使用的市占率约70%。此外,斜向延伸膜还可以应用于3D电视,即使眼睛不与画面呈水平,甚至是躺卧着看,也能享受到鲜明的三维效果。

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图八 一般相位差膜与使用斜向延伸相位差膜之偏光片制程比较

  虽然ZEON在相位差膜的押出、延伸上拥有优异的技术,然而,由于一般单一光轴材料双折射率Δn > 0时,其吸收极大波长会在长波长侧,因此在可见光范围之折射率分布为正斜率(图十),造成其相位差膜大多为窄波域(Narrow Band),仅在波长550nm附近可将光完全转换成另一个偏振态。

  因此,暗态时部分的光会损失,用于AMO-LED时,显示器的对比会降低并发生漏光和色差。

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图九 ZEON斜向延伸用(a)押出成形机及(b)斜向延伸机

  所以AMOLED用的圆偏光片如欲得到较佳的补偿效果,便需要具有理想相位值的宽波域1/4λ相位差补偿膜。

  要达成较理想的宽波域补偿效果,一般必须利用两层以上之相位差膜进行加成削减。

  例如折射率分布差异不大(Flat Dis-persion)的材料做成1/2λ波板,再与窄波域正常分布(Normal Dispersion) 的1/4λ波板,以直交或非直交的方向堆栈,Re值相减后,便可对光波长形成一近似理想线性的关系,可有效提升圆偏光在暗态的遮蔽情形。

  日东与住友皆是利用此法制成宽波域相位差膜。以a-PO (Amorphous Polyolefin)材料为例(图十一),做成一层λ/2波板与一层1/4λ波板堆栈成的宽波域相位差膜,其相位差分布最接近理想值。

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图十 一般单一光轴材料相位差分布

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图十一 多层a-PO材料堆栈之相位差分布

  相对于上述几种相位差膜利用光学设计的方式堆栈,帝人化成则是由树脂材料着手,开发出具有正、负双折射率分散性的构成单元体(Segment Unit),依体积分率调整形成共聚合物(Copolymer)或混合聚合物(Blend Polymer),以单轴延伸方式配向高分子链,形成单层、宽波域1/4λ相位差膜。

  表三为帝人化成在专利中发表的结构,制膜法可采用溶融押出法或溶液浇铸法,拉伸则可采横向/纵向单轴拉伸,制法简单。

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表三 帝人化成在专利中发表结构

  图十二 (11,12) 为帝人化成数个系列产品的相位差对波长关系。其中WR-S、WR-W及RM型均为宽波域产品。

  单层宽波域1/4λ相位差膜的优点在于可以节省成本、重量及厚度,在目前手持式行动装置应用上,是业界极力追求的目标。因此,三星Galaxy S及S4产品均采用了帝人化成宽波域1/4λ相位差膜搭配偏光片,以提高AMOLED面板的对比。

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图十二 帝人化成数个系列产品之相位差分布

  液晶涂布型相位差膜

  以延伸法制作相位差补偿膜时,高分子材料因热延伸导致的裂解再配列,会使折射率减小,所以想要获得理想的相位延迟值,商品化的膜厚度会增加,然而膜厚度的增加又会引起光的损耗。而液晶分子本身具有双折射率的特性且液晶折射率大,所需厚度较薄,并且可用配向方式调整任意角度以搭配偏光片轴向,减少废料,降低对贴难度及成本,因此,许多知名日本大厂正积极开发中。例如日东电工便提出一种可应用在AMOLED面板的宽波

  域、宽视角薄型椭圆偏光片。如表四所示,分别利用1/2λ液晶涂布膜+1/4λ液晶涂布膜的组合及1/2λ液晶涂布膜+1/4λ延伸膜的组合为宽波域椭圆偏光片。

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表四 日东电工所提AMOLED用宽波域、宽视角薄型椭圆偏光片

  另外,为了得到宽波域相位延迟片,常需要将两片聚合液晶膜以特定的角度贴合。因此必须先裁切成小片,再将小片对贴。但因轴向角度不容易对位,贴合后的膜片常有质量不良、生产率下降等问题,造成生产成本增加。为了解决此问题,Fu-jifilm提出利用一种液晶组合物如表五所示,即可达到宽波域波长分布的专利,类似帝人化成单膜宽波域的概念。#p#分页标题#e#

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表五 Fujifilm一种液晶组合物,即可达到宽波域波长分布的专利

  涂布液晶组合物于配向层上,配向层的角度可视需求定义,以一般涂布方式(例如线棒涂布法、挤出涂布法、直接凹版涂布法、反向凹版涂布法及模涂法)涂布液晶溶液后,再以UV光固化,制程相当简便快速。成品即为单膜宽波域1/4λ相位差膜,而且可以随偏光片的需求调整相位差膜的光轴角度,有利于卷对卷贴合制程。

  结 论

  理想的AMOLED用圆偏光片,应具备在可见光波长范围内有高穿透度、补偿膜与线偏振光匹配良好、可以实施高量产性之卷对卷贴合、低材料成本等条件,才能将AMOLED显示器的整体表现再往上提升。

  目前搭配偏光片的宽波域1/4λ相位补偿膜有延伸型及涂布型两种方式,由于延伸型多属窄波域,须以迭层的方式来达到宽波域的要求,因此,其厚度目前仍无法小于50 μm,售价也居高不下,不利于未来行动装置薄型化的趋势。至于单层宽波域的产品,其暗态补偿的效果目前还无法完全赶上迭层的作法。因此,业界极需暗态完

  美补偿,薄型且价格具竞争力的产品。液晶涂布型相位差补偿膜目前技术发展虽还未成熟,但因其光学补偿特性佳且易于调整,厚度薄相对地成本也可降低,同时,透过斜向配向液晶即可达成如同斜向延伸的效果,大大降低制程难度,亦可以实现与偏光片卷对卷贴合,进一步降低成本。

  因此,许多日本大厂正积极投入研究,足见液晶涂布型相位差补偿膜技术将是极具潜力的明日之星,可望在不久的将来推出满足业界需求的产品。

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