UV反應(yīng)性液晶材料

眾所周知，液晶即液態(tài)晶體（Liquid Crystal），不過亦有人因?yàn)橐壕墙橛谝簯B(tài)與固態(tài)間而稱為Mesogen，因此，默克公司將所反應(yīng)性液晶命名為Reactive Mesogen。簡單地說，相比于普通的光電液晶分子，在分子結(jié)構(gòu)上，反應(yīng)性液晶除了具有液晶核心以外（Core Group），末端還帶有一個或多個可反應(yīng)官能基（Reactive Groups），可經(jīng)光聚合成高分子網(wǎng)絡(luò)（Polymer Network），即液晶聚合物（Liquid Crystal Polymer）。由于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(yīng)性液晶。

液晶聚合物光學(xué)膜的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)光學(xué)膜多以高分子經(jīng)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(zhuǎn)至異向性(Anisotropic)，從而使不同方向的入射光的行進(jìn)速度產(chǎn)生差異，即相位延遲現(xiàn)象（Retardation, R），可用來調(diào)整或補(bǔ)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(jì)算，即R=△nd。而無論是棒狀（Rod-like）或碟狀（Discotic ）的液晶分子，雖然整體異向性仍取決于排列規(guī)則，但基本上液晶的雙折射率約在0.1，雙折射率是傳統(tǒng)高分子延伸膜十倍甚至百倍，因此所制作出的光學(xué)膜薄膜厚度可以非常小，非常適用于卷對卷（roll-to-roll）的涂布制程。

前述整體液晶的異向性與排列規(guī)則性相關(guān)，不過由于液晶的自組裝性(self-assembly)，因此在特定條件下，即可得**性單一的規(guī)則性，即所謂單疇區(qū)（monodomain）。如果小分子液晶利用不同表面處理與材料設(shè)計(jì)，可得到不同的軸向型態(tài)(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(xué)膜的需求設(shè)計(jì)。因此，利用反應(yīng)性液晶制作光學(xué)膜具有大面積、單疇區(qū)、且有配向型態(tài)（aligned morphology）的優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)高分子光學(xué)膜所無法相較之處。

圖一 不同的軸向型態(tài)示意圖，上為棒狀液晶，下圖為碟狀液晶

液晶聚合物光學(xué)膜的在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用

液晶具有多種軸向排列可從事需求多變化的光學(xué)膜制作，目前包括廣視角膜、增亮膜、偏光膜等顯示器用光學(xué)膜。以下介紹各種光學(xué)膜與反應(yīng)性液晶的關(guān)聯(lián)性。

廣視角膜

針對TFT-LCD 廣視角特性所開發(fā)的光學(xué)補(bǔ)償膜材料大致分為可延伸型高分子型如PC、PS，反應(yīng)性液晶類-碟狀液晶、棒狀液晶，以及*近被使用可旋轉(zhuǎn)涂布高分子型如PI等。以補(bǔ)償功能而言，可依之光學(xué)軸方向分為單軸、雙軸。單軸系指補(bǔ)償膜在xyz方向上的折射率nx, ny, nz具有nx= ny1 nz的關(guān)系；而雙軸則是指具有nx1 ny1 nz的關(guān)系的補(bǔ)償膜。

簡單的說，廣視角膜就是相位補(bǔ)償膜，補(bǔ)償原理為「截長補(bǔ)短」。根據(jù)液晶顯示器驅(qū)動分子受限于邊界條件影響所產(chǎn)生漏光現(xiàn)象，可歸類3種簡單對應(yīng)之單軸結(jié)構(gòu)補(bǔ)償膜：A-plate、O-plate、C-plate。根據(jù)相位補(bǔ)償膜的光軸區(qū)分，光軸平行于薄膜表面稱為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可通過水平配向制得，用來補(bǔ)償液晶盒中直立的液晶分子；O-plate的制作常用方法采則較大預(yù)傾角之配向膜或斜向蒸鍍，主要補(bǔ)償液晶盒驅(qū)動過程中的反向傾斜液晶分子；C-plate為分子直立的光學(xué)膜，一般用垂直配向可得，用來補(bǔ)償液晶盒中水平排列的液晶分子。而若采用負(fù)型液晶類別的反應(yīng)性碟狀(discotic)液晶，由于其C軸（光學(xué)對稱軸）的折射率(off-axis, nz) 大于平面折射率(on-axis, nx、ny)。因此這種分子平躺則為負(fù)C-plate，直立時為負(fù)A-plate。

不過由于單軸分子（uniaxial）無法完全滿足平面需求特性，雙軸（biaxial）補(bǔ)償膜的研究需求同樣與日俱增。所謂雙軸之補(bǔ)償膜則是指光軸具有空間連續(xù)變化指向的補(bǔ)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(zhuǎn)變化（Twist），即*下層與*上層之光軸相互垂直之連續(xù)變化的光軸。例如分子設(shè)計(jì)為扇形開展（splay）或一端水平一端垂直的混合型（hybrid）；例如1996年Fujifilm公司Mori博士所設(shè)計(jì)的hybrid碟狀液晶的廣視角膜，其圓盤狀結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償配置如圖二。

圖二 Fujifilm-WV 補(bǔ)償配置與圓盤狀結(jié)構(gòu)

增亮膜

接下來介紹的增亮膜是一種具有光回收機(jī)制的反應(yīng)性膽固醇液晶（cholesteric）增亮膜（cholesteric reflective polarizer, CRP）。膽固醇液晶是一種有天生螺旋結(jié)構(gòu)(naturally helical structure)，其螺旋結(jié)構(gòu)并不會因?yàn)楣饩酆隙茐模划?dāng)入射光進(jìn)入時，有一半的入射光（圓偏光）會順著螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)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，有時也被當(dāng)作偏光轉(zhuǎn)換膜（polarization conversion film）使用（圖三）。

圖三 膽固醇液晶螺旋結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機(jī)制

應(yīng)用膽固醇液晶作為增亮膜的原理見圖四，背光源發(fā)射的光經(jīng)過膽固醇增亮膜（例如膽固醇液晶）時，偏振光會直接穿過，而圓偏振會被反射。而被反射的這部圓偏振光會被背光模組中的反射背板重新反射，繼而變成右旋圓偏振光穿過膽固醇增亮膜，達(dá)到增亮的效果。相較于傳統(tǒng)偏光片的穿透—吸收機(jī)制，CRP為穿透-反射->二次穿透機(jī)制，可有效的進(jìn)行光回收，減少整體的光損失。若進(jìn)一步貼合1/4波片，則偏光機(jī)制將由圓偏光轉(zhuǎn)至線偏光片。

圖四 增亮膜應(yīng)用原理

偏光膜

傳統(tǒng)偏光膜是碘系偏光膜，其制造流程是透明PVA膜吸附碘離子經(jīng)單軸延伸后，而賦與偏光機(jī)制，不過由于PVA易吸水，必須外加2層TAC膜來保護(hù)，成本與產(chǎn)品厚度一直是問題。相較之下，具有異向性的反應(yīng)性液晶以添加二色性染料所完成的涂布型薄膜液晶偏光膜，除制程較簡單、厚度較薄特點(diǎn)外，更可制成in-cell 偏光片，進(jìn)一步解決多層接口光學(xué)干擾，提高光學(xué)效益。

目前有棒狀（rod-like）或碟狀(discotic )液晶兩類反應(yīng)性液晶，由于兩者的雙折射率為一正一負(fù)，他們的吸收軸方向恰好互相垂直，一般定義前者為O型偏光片（ordinary ray, O-ray），后者為E型偏光片（extraordinary ray, E-ray）。

圖五 O型偏光片(左)，E型偏光片(右)

圖六 外貼式偏光片(上)，液晶盒內(nèi)偏光片(下)

綜合以上介紹，雖然現(xiàn)今市面上的光學(xué)膜產(chǎn)品種類繁多，但相信新功能的反應(yīng)性液晶光學(xué)膜仍能不斷被開發(fā)，藉由不同的操作技巧、不同的材料、不同的表面處理、外加電場等，UV反應(yīng)性液晶可變化光學(xué)幾何上不同構(gòu)型的光學(xué)膜對應(yīng)不同的光學(xué)需求。