TFT-LCD液晶屏光学薄膜研究及应用

2014-01-14 admin1 4523

  一、光学薄膜简介

  1、光学薄膜的定义

  光学薄膜在我们的生活中无处不在,从精密及光学设备、显示器设备到日常生活中的光学薄膜应用;比方说,平时戴的眼镜、数码相机、各式家电用品,或者是钞票上的防伪技术,皆能被称之为光学薄膜技术应用之延伸。倘若没有光学薄膜技术作为发展基础,近代光电、通讯或是镭射技术将无法有所进展,这也显示出光学薄膜技术研究发展的 重要性。

  光学薄膜系指在光学元件或独立基板上,制镀上或涂布一层或多层介电质膜或金属膜或这两类膜的组合,以改变光波之传递特性,包括光的透射、反射、吸收、散射、偏振及相位改变。故经由适当设计可以调变不同波段元件表面之穿透率及反射率,亦可以使不同偏振平面的光具有不同的特性。

  一般来说,光学薄膜的生产方式主要分为干法和湿法的生产工艺。所谓的干式就是没有液体出现在整个加工过程中,例如真空蒸镀是在一真空环境中,以电能加热固体原物料,经升华成气体后附着在一个固体基材的表面上,完成涂布加工。日常生活中所看到装饰用的金色、银色或具金属质感的包装膜,就是以干式涂布方式制造的产品。但是在实际量产的考虑下,干式涂布运用的范围小于湿式涂布。湿式涂布一般的做法是把具有各种功能的成分混合成液态涂料,以不同的加工方式涂布在基材上,然后使液态涂料干燥固化做成产品。在本文中仅讨论湿式涂布技术的光学薄膜产业。

  2、光学薄膜种类

  光学薄膜根据其用途分类、特性与应用可分为:反射膜、增透膜/减反射膜、滤光片、偏光片/偏光膜、补偿膜/相位差板、配向膜、扩散膜/片、增亮膜/棱镜片/聚光片、遮光膜/黑白胶等。相关衍生的种类有光学级保护膜、窗膜等。

  2.1、反射膜

  反射膜一般可分为两类,一类是金属反射膜,一类是全电介质反射膜。此外,还有将两者结合的金属电介质反射膜,功能是增加光学表面的反射率。

  一般金属都具有较大的消光系数。当光束由空气入射到金属表面时,进入金属内的光振幅迅速衰减,使得进入金属内部的光能相应减少,而反射光能增加。消光系数越大,光振幅衰减越迅速,进入金属内部的光能越少,反射率越高。人们总是选择消光系数较大,光学性质较稳定的金属作为金属膜材料。在紫外区常用的金属薄材料是铝,在可见光区常用铝和银,在红外区常用金、银和铜,此外,铬和铂也常作一些特种薄膜的膜料。由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能,所以必须用电介质膜加以保护。常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。

  金属反射膜的优点是制备工艺简单,工作的波长范围宽;缺点是光损大,反射率不可能很高。为了使金属反射膜的反射率进一步提高,可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层,组成金属电介质反射膜。需要指出的是,金属电介质射膜增加了某一波长(或者某一波区)的反射率,却破坏了金属膜中性反射的特点。

  全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。与增透膜相反,在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜,就可以增加光学表面的反射率。最简单的多层反射是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分一。在这种条件下,参加叠加的各界面上的反射光矢量,振动方向相同。合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。

  铝箔反射膜Dike铝箔隔热卷材,又称阻隔膜、隔热膜、隔热箔、拔热膜、反射膜等。由铝箔贴面+聚乙烯薄膜+纤维编织物+金属涂膜通过热熔胶层压而成,铝箔卷材具有隔热保温、防水、防潮等功能。铝箔隔热卷材的日照吸收率(太阳辐射吸收系数)极低(0.07),具有卓越的隔热保温性能,可以反射掉93%以上的辐射热,被广泛应用于建筑屋面与外墙隔热保温。

  相对应的是一种防反射膜,主要功效是提高光线的衍射,使人们能够长时间的观看文字和图形。这就需要表面平滑反射少的防反射薄膜。

  2.2、增透膜/减反射膜

  减反射膜又称增透膜,它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等学表面的反射光,从而增加这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光。

  减反射膜是以光的波动性和干涉现象为基础的。二个振幅相同,波长相同的光波叠加,那么光波的振幅增强;如果二个光波原由相同,波程相差,如果这二个光波叠加,那么互相抵消了。减反射膜就是利用了这个原理,在镜片的表面镀上减反射膜(AR-coating),使得膜层前后表面产生的反射光互相干扰,从而抵消了反射光,达到减反射的效果。最简单的增透膜是单层膜。一般情况下,采用单层增透膜很难达到理想的增透效果,为了在单波长实现零反射,或在较宽的光谱区达到好的增透效果,往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

  减反射膜的实际应用非常广泛,最常见的是镜片及太阳能电池- 通过制备减反射膜来提高光伏组件的功率瓦值。目前晶体硅光伏电池使用的减反射膜材料是氮化硅,采用等离子增强化学气相淀积技术,使氨气和硅烷离子化,沉积在硅片的表面,具有较高的折射率,能起到较好的减反射效果。早期的光伏电池采用二氧化硅和二氧化钛膜作为减反射层。

  2.3、滤光片

  滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的,红色滤光片只能让红光通过,如此类推。玻璃片的折射率原本与空气差不多,所有色光都可以通过,所以是透明的,但是染了染料后,分子结构变化,折射率也发生变化,对某些色光的通过就有变化了。比如一束白光通过蓝色滤光片,射出的是一束蓝光,而绿光、红光极少,大多数被滤光片吸收了。

  滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。

  光谱波段:紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片;

  光谱特性:带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片;

  膜层材料:软膜滤光片、硬膜滤光片。硬膜滤光片不仅指薄膜硬度方面,更重要的是它的激光损伤阈值,所以它广泛应用于激光系统当中。软膜滤光片则主要用于生化分析仪当中。

  带通型: 选定波段的光通过,通带以外的光截止。

  短波通型(又叫低波通):短于选定波长的光通过,长于该波长的光截止。 比如红外截止滤光片,IBG-650。

  长波通型(又叫高波通):长于选定波长的光通过,短于该波长的光截止 比如红外透过滤光片,IPG-800。

  彩色滤光片是TFT-LCD背光模组的重要组成部分,详见第二章。

  2.4、偏光片

  偏光片(Polarizing Film)的全称应该是偏振光片。液晶显示器的成像必须依靠偏振光。偏光片的主要作用就是使不具偏极性的自然光变成产生偏极化,转变成偏极光,加上液晶分子扭转特性,达到控制光线的通过与否,从而提高透光率和视角范围,形成防眩等功能。

  偏光片可广泛应用于现代的液晶显示产品:液晶电视、笔记本电脑、手机、PDA、电子词典、MP3、仪器仪表、投影仪等,也可用于时尚偏光眼镜。其中,LCD的应用是拉动偏光片产业发展的主要力量。详见第二章。

  2.5、补偿膜/相位差板

  补偿膜的补偿原理,是将各种显示模式下( TN / STN / TFT ( VA / IPS / OCB ))液晶在各视角产生的相位差做修正, 简言之,即是让液晶分子的双折射性质得到对称性的补偿。若要从其功能目的来区分则可略为分单纯改变相位的相位差膜、色差补偿膜及视角扩大膜。补偿膜能降低液晶显示器暗态时的漏光量,并且在一定视角内能大幅提高影像之对比、色度与克服部分灰阶反转问题。

  2.6、配向膜

  配向膜是具有直条状刮痕的薄膜,作用是引导液晶分子的排列方向(图1.1)。在已蒸上透明导电膜(ITO)的玻璃基版上,用PI涂液和转轮 (roller),在 ITO膜上印出一条一条平行的沟槽,到时候液晶可依此沟槽的方向横躺於沟槽内,达到使液晶呈同一方向排列之目的。此具有一条一条方向的膜,即為配向膜。

  液晶之所以可应用于萤幕上,乃因其在平行分子方向与垂直分子方向之诱电率不同,因此可用电场驱动之,另一方面,由于液晶也具有视分子方向而变化之折射率(也就是具有双折射),可改变偏极光之偏极方向,最后更因液晶与配向膜之界面有很强之作用力(AnchoringStrength),在电场关闭后液晶就靠着弹性系数(恢复力)而恢复到原来之排列,由此可知没有配向膜之存在,液晶是无法工作的。但在液晶萤幕之应用上,其液晶分子与配向膜表面呈某一角度的倾斜 (即预倾角,PretiltAngle),如此才能达到均一配向的效果。

  配向膜涉及的涂布非卷式湿法涂布,方式有传统的定向刷磨法和现在的UV光配向法、电子浆配向和离子束配向。

  2.7、扩散膜

  扩散膜为TFT-LCD背光模块中之关键零组件,能够为液晶显示器提供一个均匀的面光源,一般传统的扩散膜主要是在扩散膜基材中,加入一颗颗的化学颗粒,作为散射粒子,而现有之扩散板其微粒子分散在树脂层间,所以光线在经过扩散层时,会不断于2个折射率相异的介质中穿过,故光线就会发生许多折射、反射与散射的现象,如此便造成了光学扩散的效果。详见第二章。

  2.8、增亮膜/棱镜片/聚光片

  增亮膜又叫棱镜片(Prism Sheet),常简称BEF(Brightness Enhancement Film),为TFT-LCD背光模块中之关键零组件,主要是借由光的折射与反射原理,利用棱镜片修正光的方向,使光线正面集中,并将视角外未被利用的光线可以回收与利用,同时提升整体辉度与均匀度,达到增亮的效果,又称聚光片。复合型光学膜,主要是将原本聚光片的功能与扩散功能加以整合,如此将可减少使用1片扩散片,有利於下游厂商简化背光设计、节省工序、降低成本,同时亮度效率还可提升。对於光学膜厂商来说,虽然复合型增亮膜会取代传统聚光片(增亮膜),但单价和利润都较佳。

  2.9、遮光膜/黑白胶

  黑白遮光胶|遮光膜主要应用于背光源上,起固定、遮光作用(遮掉边光和灯位的光),也叫遮光片、黑白膜,简称黑白胶(可说是种双面胶带)。相对TFT- LCD所使用的背光源遮光要求较高,所以大部分的黑白胶都应用在TFT- LCD的背光源上面。除黑白胶外,还有黑黑胶(双面为黑色),主要作用仍然是固定,遮光;黑银胶(单面黑色,单面银色),除遮光外,银色面有反射作用。相对黑白胶是LCD市场的主流产品。黑面与白面的粘性对比,白面需要更大一些,因为白面与橡胶框相连接,而黑面与玻璃相连接,相对玻璃对胶的附着性,橡胶框更差一些,所以需要白面的粘性更大来保证整个模组的稳定性。

  二、TFT-LCD产业链的光学薄膜

  1、TFT-LCD产业概述

  TFT(Thin Film Transistor)-LCD是指液晶显示器上的每一液晶像素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动,可实现高速度、高亮度、高对比度地显示屏幕信息,是目前平板显示技术(FPD)中最为成熟的主流技术,市场应用最为广泛。而TN型,STN型液晶相对落后。TN型(扭曲向列型)是利用有液晶分子扭曲90 度实现显示,STN型(超扭曲向列型)是以液晶分子扭曲180-270度实现显示。

  根据DisplaySearch的统计,LCD显示器约占平板显示市场88%的份额。PDP虽然已形成一定的产业规模,但远不及TFT-LCD的产业规模,OLED正处于产业化的前期阶段,而FED、EPD正处于技术开发和中试阶段。可以认为,在未来相当一段时间内仍将占据平板显示市场的大部分份额。

  一般42“TV面板的材料成本构成分别为:背光板模组占25%、彩色滤光片占16%、偏光片占8%、玻璃基板占7%、液晶占3%、IC驱动器占3%。

  在TFT-LCD产业链(图2.1)中,上游成本占75-80%。TFT产业里的利润也主要集中在上游材料领域,毛利率比较稳定,一般在15%左右。我们的目标客户群就是上游材料中应用到卷式湿法涂布的偏光片及背光模组里的扩散膜、增亮膜等的制造商。

  1.1 TFT-LCD的结构及制程

  目前LCD主要由彩色滤光片基板(Color filter, CF)、TFT数组(TFT Array) 基板和背光模块(Backlight)三大部分所组成。

  TFT Array玻璃上面有无数的画素(pixel)排列,彩色滤光片则是画面颜色的来源。LCD一般于上下透明电极间灌入液晶层,夹在TFT Array玻璃与彩色滤光片这两片玻璃基板之间。当电压施於TFT(电晶体)时,液晶转向,光线便穿过液晶在面板上产生一个画素,此光源由背光模组负责提供。而欲使背光模块产生并透过液晶的光线具有不同的颜色,那就需要红、蓝、绿(R/B/G)三种颜色的色阻成膜在彩色滤光片玻璃上,搭配灰阶产生全彩效果。例如,当屏幕显示蓝天的时候,有电晶体的ITO玻璃就会发出讯号,只让蓝光可以穿透彩色滤光片,而将红色光及红色光留在显示器里面。这样我们在显示器上就只能看到蓝色的光了。

  在分别完成TFT基板和CF基板制作后,接着将CF上板与TFT下板间灌注厚度约3~4um液晶并对组贴合,最后附上偏光板(Polarizer),此段制程称为「LCD制程」;而最后的「LCM制程」,其为驱动IC以及控制电路板(PCBA)与玻璃基板的连接 (JI Process),之后再与背光模块进行组装(MA Process) ,最后就是模块的点灯检测。

  1.2 LCD液晶面板技术

  当前,主流有三种液晶技术参与液晶显示器的市场竞争,它们是 TN+Film、VA、IPS。 液晶面板占据了一台液晶显示器成本的70%左右。

  TN+Film用于入门和中级解决方案

  优点:流程简易、高透光度、高反应速率、功耗低

  改进点:视角、色差、对比度

  常用于笔记本电脑,不适用于液晶电视

  TN 全称为Twisted Nematic(扭曲向列型)面板,低廉的生产成本使TN成为了应用最广泛的入门级液晶面板,在目前市面上主流的中低端液晶显示器中被广泛使用。目前的 TN面板多是改良型的TN+film,film一般是广视角TAC膜,用于弥补TN面板可视角度的不足。TN面板属于软屏,用手轻轻划会出现类似的水纹。 TN面板的可视角很小,不超过160°。

  注意这里的TN/VA/IPS的区别于TN/STN/TFT,前者是在面板显示技术的区别,后者是液晶材料和显示模式的不同。

  VA用于中级至高级解决方案

  优点:高透光度、高反应速率、黑白对比度相当高。

  改进点:补偿膜的成本、过程复杂、色差品质

  不适用于平板电脑

  VA 面板是现在高端液晶应用较多的面板类型,属于广视角面板,也是软屏。VA类(Vertical Alignment垂直配向)又可分为由富士通主导的MVA(Multi-domain Vertical Alignment象限垂直配向)技术和由三星开发的PVA(Patterned Vertical Alignment图像垂直调整)技术,其中后者,也是目前市场上最多采用的类型。

  MVA 是利用突出物使液晶静止时并非传统的直立式,而是偏向某一个角度静止;当施加电压让液晶分子改变成水平以让背光通过则更为快速,这样便可以大幅度缩短显示时间,也因为突出物改变液晶分子配向,让视野角度更为宽广。通过技术授权,台湾的奇美电子(奇晶光电)、友达光电等面板企业采用的是MVA技术。PVA是 MVA的继承和改良,采用透明的ITO电极代替 MVA中的液晶层突出物,透明电极可以获得更好的开口率,最大限度减少背光源的浪费。这种模式大大降低了液晶面板出现“亮点”的可能性,被日美厂商广泛采用

  IPS用于高阶解决方案

  优点:色彩稳定性高、流程简易

  改进点:漏光问题比较严重,黑色纯度不够,要比PVA稍差,需要依靠光学膜的补偿来实现更好的黑色。透光率较低,功耗较高。

  IPS(In-Plane Switching,平面转换)技术是日立公司于2001推出的液晶面板技术。IPS面板属于硬屏,最大的特点就是它的两极都在同一个面上,而不象其它液晶模式的电极是在上下两面,立体排列。由于电极在同一平面上,不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行,会使开口率降低,减少了透光率,所以会需要更多的背光灯。

  VA,IPS主要是通过改变液晶排列的方向,达到广视角效果,而TN需通过加不同的补偿膜来达到广视角。

  2、偏光片

  2.1、偏光片的原理及作用

  偏光片由美国Polaroid公司的Edwin H. Land在1938年所发明,是将一般不具有偏极性的自然光变成偏振光的光学元件。所有的液晶面板都有上下两片偏光片,其中一个是起偏器,一个是检偏器。偏光片起到光开关的作用,液晶显示器必须依靠偏振光才可成像。背光模组负责为液晶屏显像提供最基本的光源,但送出来的光线方向性不一致,呈放射状,如果这样的光线通过液晶分子的扭转,我们在屏幕上看到的可能是白茫茫的一片,或者是花花绿绿的色块。下偏光片则承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。液晶分子在TFT控制下发生扭转,达到将方向一致的光线通亮进行控制,从而在通往后面像素单元的光线明暗度发生了改变。液晶本身没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色。原本方向一致光线经过了液晶层的扭转后又变得方向不一致,所以如果不把呈漫射状的光线再次规整,则在屏幕前看到的依然是白茫茫一片,被液晶扭转过了的光线并没有体现出来,所以必须在此将漫射光进行规整,使用一片与下偏光片偏光方向正交偏光片将经过液晶扭转的光心重新进行偏转,不同角度的光线经过上偏光板的亮度不同,所以我们可以在屏幕上可以看到明暗交替画面,因为被偏转的光线是经过了彩色滤色片的彩色光,所以我们在屏幕前可以看到我们需要的图像。

  2.2、偏光片的结构及类别

  偏光片是一种复合膜,是由偏光膜、内保护膜、压敏胶层及外保护膜组成。其基本结构是由两面三醋酸纤维素膜(TAC)夹一层能产生偏振光线的聚乙烯醇膜 (PVA)。市场上主要有以下几种类型的偏光片:透射式偏光片、反射式偏光片(属于增亮膜的一种)、半透过半反射式偏光片、补偿型偏光片,表面一般经过防眩(AG)或减反射(AR)处理。在使用的压敏胶中加入阻止紫外线通过的成份,则可制成防紫外线偏光片。对使用的压敏胶、PVA膜或TAC膜着色,即为彩色偏光片。

  2.3、偏光片的工艺

  世界上各国偏光片的工艺方法都相差无几,只是在使用原材料和具体技术细节方面各有特点。技术主流是碘系延伸法。

  偏光板的制作有延伸法及涂布法,其中延伸法是主流工艺。偏光片生产技术以PVA膜的延伸工艺划分,有干法和湿法两大类。干法是指PVA膜是在具有一定温度和湿度条件的蒸汽环境下进行延伸,早期使用的目的是可以提高工艺的生产效率,使用幅宽较大的PVA膜进行生产而不至于经常断膜。但这种工艺的局限性在于 PVA膜在延伸过程中的均匀性受到限制,因此所形成的偏光片原膜的复合张力、色调的均匀性和耐久性不易稳定,因而实际应用较少。湿法是指PVA膜是在一定配比的液体中进行染色、拉伸的工艺方法。这种工艺早期的局限性在于PVA膜在液体中延伸的稳定控制难度较大,因此加工时PVA膜容易断膜,且PVA膜的幅宽受到限制。但随着改进,湿法工艺的局限性已得到极大的改进。从20世纪90年代末起,日本偏光片企业已普遍采用幅宽1330mm的TAC膜用湿法工艺。特别是由于大尺寸TFT-LCD产品的大规模普及,为提高偏光片产品的利用率,以1330mm基本宽度已成为液晶用偏光片生产的基本方法。

  以 PVA膜染色方法划分,偏光片有碘染色法和染料染色法两种工艺。碘染色法是指在偏光片染色、拉伸过程中,使用碘和碘化钾作为二向性介质使PVA膜产生极性化偏光特性。优点是比较容易获得99.9%以上的高偏光度和42%以上高透过率的偏光特性。所以在早期的偏光材料产品或需要高偏光、高透过特性的偏光材料产品中大多都采用碘染色工艺进行加工。但这种工艺的不足之处就是由于碘的分子结构在高温高湿的条件下易于破坏,因此使用碘染色工艺生产的偏光片耐久性较差,一般只能满足干温:80℃×500HR,湿热:60℃×90%RH×500HR以下的工作条件使用。但随着 LCD 产品范围的扩大,对偏光产品的湿热工作条件的要求越来越苛刻,已经出现在100℃和90%RH条件下工作的偏光片需求。对这种要求,碘染色工艺就无能为力了。为满足这种技术要求,首先由日本化药公司发明了偏光片生产所需的染料,并由日本化药的子公司日本波拉公司生产了染料系的高耐久性偏光片产品。利用二向性染料进行偏光片染色工艺所生产的偏光片产品,目前最高可以满足干温:105℃×500HR,湿热:90℃×95%RH×500HR以下的工作条件的使用要求。但这种工艺方法所生产的偏光片产品一般偏光度和透过率较低,其偏光度一般不超过90%、透过率不超过40%,且价格昂贵。

  综上所述:

  碘系偏光片:容易获得高透过率、高偏振度的光学特性,但耐高温高湿的能力较差。价格比较便宜,所以市场占有率高达80%~90%, 应用领域广泛,如:手表,计算机,PC,OA机器等,所需LCD都大量采用碘系偏光片。 染料系偏光片:不容易获得高透过率、高偏振度的光学特性,但耐高温高湿的能力较好。所以在汽车,船舶,航空器,户外量测仪器上就得采用此类耐久性偏光片。

  2.4、偏光片的生产流程

  染色,延伸,贴合,干燥为最主要的步骤,其中染色材料配方是重要的技术关键。另外PVA的延伸定向控制也会影响偏光膜的光学特性。高分子膜在经过延伸之后,通常机械性质会降低,变得易碎裂; 且PVA膜具有亲水性,在湿热的环境下很快会变形、收缩、衰退,所以在偏光基体PVA延伸完后,要在两侧贴上三醋酸纤维(TAC)所组成的透明基板,一方面可做保护,一方面则可防止膜的回缩。

  2.5、偏光片的增值功能

  面对各偏光厂几乎接近无差异化技术,多数面板厂也已扶持自身之偏光厂。因此,研发新型非碘系延伸偏光片技术与广视角位相差膜技术也是各偏光厂脱离红海的方向。如日东电工在2006年开发的具有相位差补偿功能的涂覆技术,专门面向VA(vertical alignment)模式的液晶面板。通过在偏光板制成后紧接着薄薄地涂一层树脂,即可使其具有相位差补偿功能。以前的做法是将偏光板与多枚相位差补偿薄膜贴合在一起。

  由于偏光片是面板最外层的膜,所以要添加保护膜。此外,许多光学特性亦被加注在TAC膜/偏光片上。单纯不具备任何光学功能的TAC膜一般称为normal-TAC,仅被赋予支撑PVA的功能。最外层的TAC膜,需增加防眩AG、抗/减反射AR/LR处理等,以改善屏幕在外界强光环境下的显像品质。AG处理是将微粒子分散在树脂内,利用微粒子的大小与覆膜制程控制表面凹凸形状;AR处理是在偏光膜片的表面堆叠诱电体薄膜- 多层光学干涉层,方法主要有涂布和真空蒸镀(金属膜)。广视角TAC膜(WV TAC)多用于LCD监视器及NB,被FUJI FILM寡占,不但价格昂贵而且取得不易。

  在制造工艺上,光学干涉层的制造方法分干式和湿式法;干式包括真空蒸镀法、溅射法,在显示器上应用的多是表面物性强的金属氧化物薄膜。干式法原来一直采用间歇处理,近年来也应用了连续处理薄膜的方法,但是设备成本高,生产性低,价格非常高。湿式法有旋转涂布、浸溃涂布等间歇处理和凹版印刷涂布、辊筒式、挤出式等连续处理。旋转涂布、浸渍涂布一直用于CRT的AR处理,随着各种显示器不断平板化,对光学膜需求增加,降低成本的要求日益增强。通过连续处理的涂布法涂布的光学膜成本低,供给能力强等。

  2.5.1、补偿膜/相位差膜

  以终端产品应用上来区分,广视角TAC膜是应用在液晶监视器,NB及部分20.1寸以下液晶电视等产品,而补偿膜是专为液晶电视所设计。

  目前市面上已量产及开发中的补偿膜/相位差膜包括N-TAC(KONICA),X-PLATE(日东电工),M-TAC(FUJI FILM),COP(Zeoron,Arton)等。与广视角TAC膜市场情况不同的是,补偿膜的市场竞争者众多且变化快速。Konica的N-TAC最先被TFT面板厂广泛采用,后被日东电工的X-Plate逐渐取代,成为国内TV偏光片主流。 Zeon(Zeoron),日本合成橡胶JSR(Arton)两家日系厂商则舍弃传统的TAC膜而采用COP膜为基材,旨在避开TAC膜供应吃紧时,原料取得不易的困境(图13):

  2.6、偏光片产业现状

  2.6.1 全球产业综述

  2009 年,全球TFT-LCD用光学膜出货面积估计达到5.43亿平方米,出货金额达91亿美元,其中偏光片占了所有类型光学膜三分之一出货面积以及将近三分之二产值。从需求结构上看,大尺寸偏光片将在偏光片市场占主导地位。从应用类型上看,LCD TV的偏光片需求将是大尺寸偏光片的主要应用。在LCD TV的驱动下,偏光片市场将维持稳定的成长,预估2010 年、2011 年与2012年整体产值分别达59.54 亿美元、62.49 亿美元与64.36 亿美元,年增率分别达4%、5%与3%(图14)。

  日本企业在偏光片生产上居于全球领先地位,在技术上更是居于垄断地位。尤其是生产偏光片所需的关键原材料方面,日本企业对技术和生产的严密控制保证了其在市场上的独占地位。TAC膜、PVA膜、AG膜和光学补偿膜的技术和市场被日本绝对掌控。TAC膜和PVA膜分别占到偏光片原材料成本的54%和17%。 起初,仅FUJI FILM和KONICA能够生产TAC膜,后台湾新光合成纤维的子公司达辉光电、国内的乐凯和南韩晓星(Hyosung)也可以生产。但是FUJILIM 和KONICA的市场占有率仍有65%和23%左右,两者占据近全球90%的份额。目前全球TAC薄膜产能为12亿平方米左右。虽然PVA是常见的化学材料,但是偏光片用的PVA目前仅日本的KUARARY和合成化学能够制造,价格高达20美金每平米。KURARAY占据了全球约80%的市场份额。最近有传国内最大的PVA厂商皖维高新计划从日本引入偏光用PVA膜技术,年产300万平米,投资40亿日元。另外在偏光片的其他原材料膜方面,日本也居于垄断地位,例如,90%AG膜市场由日东电工和大日本印刷占据。

  偏光片市场占有率前三名依次为韩国LG化学、日本日东电工、日本住友化学。韩国企业于2000年开始进军TFT用偏光片市场,首家厂商LG化学于2000年 3月量产。尽管在偏光片的技术上有一定的实力,但是其在偏光片关键原材料方面的技术仍与日本差距较大。我国台湾企业虽然在偏光片的生产上有一定规模,但其技术完全依赖于日本,实际是日本企业的加工厂。我国内地企业在偏光片领域生产规模较小,主要供应TN-LCD用和部分STN-LCD用偏光片。但已有报道称深纺织集团的盛波光电及深圳三利谱于2011年上TFT-LCD用偏光片生产线。从全球角度来看,中国的面板生产2010-2012年在全球的占比分别是3-5%、9%、20-22%。而国内生产偏光片在全球占比目前只有1%,发展空间巨大。

  三、背光光学膜

  3.1、背光模组简介

  背光模组(BLU, Back Light Unit)主要由光源(冷阴极萤光管CCFL/发光二极体LED等)、反射板(Reflector)、导光板(LGP,Light guide plate)、扩散膜、增亮膜/棱镜片及外框等组件组装而成(图15)。背光模组实际是由一层层光学膜片所组成,通过光源,经过模组中各种膜片材料对光的功能作用,实现对光能的重新分配。由于背光光源必须使用反射膜、扩散膜等等的光学薄膜,来达到光源平均投射的目的,但是往往产生光耗损的现象。根据研究,从传统背光光源出来的光是100%的话,经过反射膜、扩散膜等光学薄膜后,只会有约60%的光通过背光模组进入到偏光膜,最后经过液晶、Surface出来只剩下4-8%左右的光。

  在面板中,背光模组(约20-30%)是成本最高的零组件。对于BLU,15“-17”约20-25%,30寸以上则达25%以上。随着大尺寸面板时代的来临,其在面板成本结构中的地位也越来越重要。而其光学膜也占背光模组近40%的成本,举足轻重(图16)。

  3.1.1、光源

  CCFL 可以简单理解为在屏幕背设置几根长形灯管,而LED则可以简单理解为在屏幕后设置许多矩形发光二极管。CCFL的背光设计主要有两种:“侧入式”与“直落式”,但由于侧入式因光导设计使得光折损率较高,进而让背光亮度受限,面板尺寸越大时亮度就越低。通常情况下,大尺寸LCD通常都是直落式的。在液晶面板中,消耗电源最多的部份就是背光模块。LED背光可以在较低的功耗下,达到更高的色彩饱和度和亮度,显示器可以做得很薄,已成为中小尺寸TFT-LCD面板中的主流背光源。

  3.1.2、导光板

  导光板(LGP)绝大多数材料为PMMA,作用在于引导光的散射方向,用来提高面板的辉度,并确保面板亮度的均匀性,因此导光板的设计与製造攸关背光模组光学设计与辉度、均细度的控制,为背光模组最主要的技术与成本所在。

  3.2、扩散膜

  3.2.1、扩散膜原理及作用

  在LCD模组中,将 CCFL的线性光源或 LED的点状光源均匀转换成面光源时,需藉由扩散材料如扩散膜,使光线形成漫射来达到匀光的效果。LCD扩散膜其原理系利用光在不同折射率的介质中穿过,光线产生许多折射、反射、散射的现象,于是造成光学扩散的效果(图18)

  一般而言,LCD需要两片扩散膜,上扩散膜(透明白色)与下扩散膜(白色)各一。下扩散膜主要功能是集光、遮蔽导光板印刷网点或线光源、灯管黑影;上扩散膜具高光穿透能力,可改善视角、增加光源柔和性,兼具扩散及保护稜镜片的功能,加工易有损伤,要求更高。在背光模组材料中,相较于稜镜片等光学膜片,扩散膜所占成本比重虽不高,但在LCD TV高亮度规格要求下,电视产品显示出的均匀度与亮度主要受扩散材料的品质影响下,扩散膜的重要性自是不言可喻。

  3.2.2、扩散膜的工艺

  扩散膜按制作方法分类,有涂布式及非涂布式两种。其中涂布式扩散膜又分为散射粒子型的湿法涂布和表面微结构型的UV涂布。涂布扩散膜具有透光率较高,雾度调节范围大,外观质量好,为高端背光源产品的扩散膜首选品种。扩散膜按形态分,有卷料和片料两种。我们的客户群在母卷制作的厂家。

  市面上的扩散膜结构大同小异,从上至下分别是:扩散层——基材——隔离层。特殊一点的有,底部光背光源用扩散膜在基材上下各有一层扩散层,在下扩散层的下面一般还具有粘接层。基材通常为透明光学级PET薄膜,厚度有25、38、50、75、100、125、150、188um几个规格。

  散射粒子型的涂布原料是扩散微粒+粘合剂(压克力树脂)(图19)。散射粒子可以是无机粒子或合成的高分子粒子,涂层经高温烘干去除溶剂、硬化。此类扩散膜的优点是生产技术成熟,广为市场接受,粘合剂树脂材料容易取得。缺点是涂料含有溶剂,溶剂挥发度不同易造成涂层不均;含溶剂之废气的处理问题;烘干溶剂需消耗能源且制程时间长;散射粒子与溶剂、树脂接着力不佳;粒子分布均匀度难以控制;干燥过程易受温湿度影响。

  表面微结构型扩散膜是在PET膜上涂布一层UV感光材料,经刻有微结构的钢轮(结构轮)压印,将微结构转印到感光材料上,再经紫外线硬化即可。

  对扩散膜涂布机的总体要求是:

  1) 合理的结构和尺寸:目前扩散膜涂布方式主要有3种,即刮刀辊涂布、计量辊涂布和喷胶涂布。具体使用哪一种要看所用胶水的性质、粘度和固含量。刮刀辊涂布具有涂布厚度调节范围大,适应涂布厚度10~30nm,涂料粘度20~100s的各类胶水的涂布。计量辊涂布有线辊和网纹辊涂布,适应涂布厚度在10 nm左右,粘度低于20s的各类胶水的涂布。喷胶涂布不适合油性胶的涂布,特别适合低粘度的水性胶和UV胶的涂布。涂布机的幅宽通常在1米左右,确定幅宽需要考虑基材宽度、生产率及设备制造能力等因素。扩散膜涂布机的涂布速度一般为10~40米之间,速度太低产能不高,速度太高不利于观察涂布中的缺陷。

  烘箱的干燥方式有热风式和光固式(UV)两类,烘道的长度主要与涂料干燥性能和要求的涂布速度有关。扩散膜涂布机一般只采用其中一种烘道,有的则两者都有。这样做的目的是使涂布机对涂料种类的适应性广泛。因为,烘道的种类完全是由扩散膜涂料的种类决定的。对于热风烘道,扩散膜涂布对温度的要求是一样的:最高温度120℃、温度控制精度≤5℃、初始升温时间≤30分钟。烘道内部的结构有气浮式(无接触)和辊筒式两种。有条件的最好设计成气浮式烘箱。对于辊道式烘箱的托辊,设计时要充分采用避免擦伤膜片的技术。

  2)较高的精度和表面质量要求:扩散膜涂布机属于精密涂布机范畴。由于扩散膜是一种透明度很高的光学膜片,在涂布时,局部稍微有点厚度不均,马上就可用眼睛看出膜片上有明暗不一的缺陷。一般扩散膜技规给出的厚度误差为±5%,减去基材厚度误差的1%后,还剩下4%,涂布厚度通常在10~20um。可见扩散膜对涂布机的精度要求是很高的,涂布误差小于3um。表面质量要求包括细小的表面粗糙度、很高的表面硬度和很高的表面抗腐蚀性能。

  3)符合在净化车间使用的要求:扩散膜涂布机所生产的产品质量要求,决定扩散膜涂布机必须在净化车间生产。

  因此,从扩散膜的涂布工艺分析,气浮式烘箱的优质客户群是应用到热风干燥生产的扩散膜生产商。

  3.2.3、扩散膜产业状况

  2008年尽管受到金融危机的影响,全球扩散膜的市场规模仍然达到了5.22亿美元。扩散膜片的主要营收来源亦来自大尺寸应用的贡献,约占95%,其中 LCD TV的应用为4成,预估至2012 年可超过5成。

  扩散膜原本由Keiwa、Kimoto、Tsujiden等日本厂商所掌控,但近年在韩国SKC、Shinwha的积极抢攻下,除Keiwa 仍位居领导地位外,其余已拱手让给韩国厂商。Keiwa向来在 LCD Monitor的上扩散片拥有极大的市占率,有鉴于下游客户的成本考量,上扩需求有减少趋势,未来该公司将加强扩大下扩散膜片的占有率。Tsujiden 是90年代首次推出扩散膜产品的厂商。此外,有别于日本其他竞争厂商在海外寻找当地合作厂以进行后段加工制程的策略,则多坚持公司本身从开发、生产、加工的一贯作业体制,该公司应用在笔记型电脑的下扩产品占有极高比重,2002年1月于昆山设立裁切厂(100%Tsujiden出资)。 Kimoto则在行动电话与LCD TV的应用上大幅斩获,目前亦积极扩大笔记型电脑等相关应用市场。Kimoto主要生产地点除了日本国内的三重与茨城两工厂外,在美国亦有两条生产线。

  在韩国市场上,SKC 原系 PET 底材的供应商,是韩国第一家制造扩散膜的本土厂商,国内主要客户为 LPL,因先进入者优势曾拥有韩国90%的市占率。然而在后进者积极抢攻下,已较不复当年的亮丽表现。Shinwha Intertek 于2002年进入市场后,除积极蓄积其产品技术能量外、亦专注在产品品质的提升。该公司除以其产品能力赢得客户青睐外,同时亦以生产的规模经济打低价策略,企图席卷扩散膜片的市场。2006年SKC的占有率已降至40%左右,反而是Shinwha因抢占Samsung 90%的订单,因此一跃成为韩国市场的龙头,市占率约45%,亦在全球市场上前进至仅次Keiwa第二名的地位。其余如PET底材的供货商Toary Seahan、Kolon等亦加入扩散膜的生产行列,不同于台湾多以下游厂商向上整合的状况。就扩散膜而言,PET材料占其其高比重的成本,因此在来自下游厂商Cost Down的要求下,拥有上游材料来源自是在成本竞争上具有极大的优势,而韩国下游大厂如Samsung与LG提出使用本土材料厂商产品的政策也多少扶植了韩系的本土厂商。

  随着台湾成为LCD的生产重镇,吸引了包括日、韩等上游材料厂商来台竞逐。综观日韩在LCD扩散膜的竞争态势,在处处以成本效益为优先考虑的LCD领域,日本厂商面对韩国业者的低价策略,似有节节败退的倾向,不过目前仍以下扩散膜的情形较为明显,在质量要求较高的上扩散膜,日本厂商仍掌握其技术优势。凭借技术与品质优势、以及与国内厂商较早及建立的合作关系,仍保有一定的市场版图。根据保守估计国内约7成以上扩散膜片被日系与韩系厂商所控制。

  国内目前尚处于起步阶段,暂无较大批量供货厂家。但是也有不少企业正在着手上线扩散膜的项目。台湾跨入LCD扩散膜领域的厂商,其最初的经营模式是与日韩厂商合作,如华宏新技与Keiwa、伸昌光电与Kimoto,宏森光电与SKC合作,进行后段工作。华宏是国内主要的扩散膜供货商,目前在台湾扩散膜的市场占有率约50%。宣茂科技是国内第一家本土制造商,提供从前段至后段的一贯制程。至于近年由传统化工业积极转型至电子材料领域的长兴化工,一如前述在背光光学膜的布局亦显相当积极;在扩散膜片的发展上,亦已建构相关制程技术的专利。至于岱稜科技、致和光电、捷晟等公司亦少量或即将切入国内扩散膜片的市场。

  3.3、增亮膜/棱镜片

  3.3.1、增亮膜的功能

  增亮膜又叫棱镜片 (Prism Sheet),常简称BEF(Brightness Enhancement Film),为TFT-LCD背光模组中之关键零组件,占背光模组成本比重最高,亦占到整个面板成本的2-8%。其具有精密微结构的光学薄膜,可将光源散射的光线正面集中,将原本散乱的光线集中至约70度的范围,并且将视角外未被利用的光,利用光的反射再循环利用减少损失,是LCD重要的节能元件。通常一片BEF约可提高40-60%的辉度,若搭配2张摆放位置垂直90度的增亮膜则可达到更高的辉度效果。

  3.2.1、增亮膜/棱镜片的分类

  主要有四种类型,一般棱镜片(normal prism sheet)、多功能棱镜片、micro-lens film与反射型偏光片(reflective polarizer)等,每种光学膜也有着不同的市场特性。详见第二章。

  一般棱镜片(Normal Prism Sheet)

  棱镜片的主要功能为将灯源(包括CCFL与LED)发出的光线与以导正,以增加发光效率。目前最主要的供货商为3M公司,其它供货商有Mitsubishi Rayon, LG Electronics,MNTech, Shinwha,DNP,LGS,Gamma(台湾嘉威),E-fun(台湾迎辉)Suntech,SKC Haas以及Samsung Cheil等。

  多功能棱镜片(Multi-Functional Prism Sheet)

  多功能棱镜片是一种较高阶的产品,她整合了棱镜片与扩散片的功能,较一般型棱镜片有更好的发光效率;主要的供货商有 3M,Shinwha,MNTech,Samsung Cheil,E-fun 与LG Electronics。同时韩国面板厂商较日本与台湾厂商更快地由一般型棱镜片转换为多功能棱镜片,而台湾面板厂商则是较快地达成降低CCFL灯管的目标。

  Micro-Lens Film

  micro- lens膜藉由mico-lens数组架构同样地将棱镜片与扩散片功能整合到一张膜里,有许多面板采用二张mico-lens膜以取代一张棱镜片加二张上下扩的架构,目前主要应用的产品为32“,37”与40”液晶电视面板,主要的供货商为韩国公司如MNTech,SKC Hass,Shinwha,LG Chemical以及LG Micron。

  反射型偏光片(Reflective Polarizer)

  或DBEF(Dual Brightness Enhancement Film),是3M独有的专利产品,属于反射式偏光板,为最重要之增亮膜,设计原理为利用回收光机制,重复利用背光源输出的光,以高低不同折射率的光学材料层层叠制,让光在800多层的介质中全反射,使之通过二色性吸收型偏光板时不被吸收,工艺多达百层。效能可增亮1.6倍,优于BEF。不过目前有些韩国厂商也开始推出类似功能的产品,如MNTech的NPRF,Shinwha的CLC与Woongjin以及日本Zeonor的Zeno等。

  3.3.2、增亮膜的工艺

  扩散膜是通过在光学膜片材料上的微细颗粒(beads)实现光的扩散,而增亮膜(棱镜片)是通过在透明光学材料上加工成型微细条纹(光栅)结构进行反射和折射,对光能重新分布。由于表面均匀布满棱形尖锥型的微细结构,提高了光线透过率,增大了亮度和视角。

  增光膜(棱镜片)的生产工艺包括光学设计、精密模具、化学配方及涂布。国际先进国家的方法就是在加工完的模辊上通过光固化UV胶成型工艺技术,实现微细光学结构的成型工艺。增光膜最关键的技术是在辊筒上雕刻棱形花纹技术。

  3.4、整合型光学膜

  近年来背光光学膜片有重大的变革,其中变化最多的应属将扩散膜、稜镜片、偏极增亮膜、导光板等多项功能合并设计,成为复合化、一体化以及特殊化之新型式光学膜片。先进厂商利用既有产品加以改良,结合各项光学膜功能,制作出多功能的光学膜片;亦有新进者试图运用新的光学设计与新技术,开发整合型的光学膜。整合型光学膜改进了以往单一膜片单一功能之多膜片模组架构,藉此减少膜片的使用数量,并降低总体成本,是厂商一致认为光学膜片未来的发展趋势。自3M开始推出多功能光学膜、MNtech 于2005年6月开始量产UTE产品并交货给三星,整合型光学膜开始进入市场。尔后,在厂商陆持续改良品质(如增加Lens 密度及光辉度),陆续推出新产品外,也见到新加入者如SKC、Shinwha 等加入市场行列,目前市场竞争虽尚属萌芽阶段,但仍可见到市场上每增加1家新进者,价格就会有5%~10%不等的下降幅度。 而随着面板厂将传统的光学膜组成模式由上扩散膜+BEF+下扩散膜改成两张Microlens Film+下扩散膜,虽然表面辉度下降许多,然而在成本价格挂帅的中低阶LCD TV市场中已成为趋势。

  跨入整合型光学膜厂商的类型,除原本从事稜镜片制造的厂商(如3M、MNtech、迎辉等)外,扩散膜的制造商亦积极跨入此领域(如 SKC、Shinwha等)。由于现阶段整合型光学膜各家厂商的制造方法差异颇大,但可确定的是,各类厂商都以既有核心技术为基盘,再衍生导入相关功能所需的技术。换言之,在整合型光学膜的制造手法上,扩散膜厂商在利用扩散粒子涂布制作扩散膜的膜片上,追加设置Pattern与形状,试图藉此以提高光利用效率;至于稜镜片厂商则进行其微结构的分子与形状控制外,涂上扩散粒子以达到扩散效果并同时具备辉度增益的特性。一般而言,因稜镜片厂商具备微结构分子与形状控制等关键技术,而此等技术层次高,具控制良率的重要因素,对拥有该等技术的稜镜片厂商而言,欲进入整合型光学膜的事业领域,相对门槛较低。

  近年来,随着中国电子工业的不断发展,越来越多的世界电子巨头在中国投资设厂,随着世界电子生产基地向中国的转移,目前中国已经成为全球最大的笔记本电脑和手机生产基地,而液晶电视、液晶显示器以及其它电子类产品的产量也位居世界前列。在此带动下,中国扩散膜市场空前发展,目前已占全球市场的近50%。

 

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