CN101226254A

CN101226254A - 超低迟滞光学膜与含有该光学膜的偏光板

Info

Publication number: CN101226254A
Application number: CNA2007100039270A
Authority: CN
Inventors: 陈世明; 李永仁; 李宗铭
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-23

Abstract

本发明披露了一种超低迟滞光学膜，主要包括纳米级金属氧化物粒子分散于具有三维空间交联结构的透光树脂中。本发明的光学膜的平面内光迟滞性(Ro；in－plane retardation)在0～2nm之间，平面外光迟滞值(Rth；out－of－plane retardation)接近0nm，可以用来取代传统偏光片的三醋酸纤维素保护膜，以改善液晶显示器在大角度下存在黑色及白色对比下降和颜色改变等问题。

Description

超低迟滞光学膜与含有该光学膜的偏光板

技术领域

本发明涉及超低迟滞光学膜以及该光学膜在偏光片保护膜中的应用。

背景技术

液晶显示器(LCDs)已普遍应用于个人计算机监视器、数字相机和行动电话及大尺寸的电视上。在LCD面板中，偏光板(Polarizer)为液晶显示器的基础零件之一。偏光板是一种只允许某一方向的光线透过的光板，在制作液晶板的过程中，必须上下各用一片，且成交错方向置入，主要用途为在有电场与无电场时使光源产生位相差而呈现明暗的状态，以显示字幕或图案。随着LCD用量的增加，偏光板需求与日俱增。偏光膜的极化作用系由透明聚合物膜中有指向性的光各异向性吸收体所致，例如聚乙烯醇(PVA)的偏振片是将碘或一种二色染料吸附在聚乙烯醇膜中后，通过延伸使其具单轴的指向性。随着LCD产品使用范围的扩大，对偏光产品的湿热工作条件的要求越来越苛刻，以这些材料做的偏光片在湿热的可靠性测试中容易遇到尺寸收缩的问题，光学特性劣化的原因是由于碘的分子结构在高温高湿的条件下易于被破坏之故，所以偏光膜需要有二面保护膜作为支撑与保护，以保持它的耐久性及机械强度，通常使用的保护膜为三醋酸纤维素(TAC)。这些保护膜需要有高的透光率、低双折射、优秀的热、冷、光、湿气抵抗力和光学上的均匀性，也就是说，必须无外物或可视斑纹的瑕疵。而以溶剂法涂布的三醋酸纤维素保护膜因其透光度、外观佳和容易与偏光膜黏贴之故而使用至今。

由于大尺寸LCD的电视逐渐普及，已要求TAC保护膜具有更低的双折射性质。目前TAC的Ro值(平面内光迟滞性(in-plane-retardation))小，但Rth值(平面外光迟滞性(out-of-plane retardation))仍大。此Rth值将导致LCDs上有不完美的光学补偿效应(例如大角度下有黑色和白色的对比下降和颜色改变(color shift)问题发生。因此Rth值需要愈小愈好，特别是在IPS(平面内转换(in-plane switching))模式的LCD上。通常，聚合物有它自己的双折射，其值随着聚合物中的分子链定向性升高而增加，而Rth值是很难降低的，因聚合物的分子链易倾向于在同平面上(in-plane)排列之故。因此，为了降低双折射，一般使用补偿的方法，例如日本最近研发了零双折射(zero-birefringence)的聚合物(WO2006098517；JP2006096793)，其通过使用负双折射无机物晶体或添加剂来补偿聚合物的正双折射，以调制出零双折射的聚合物混合物。也有表现低双折射的环烯烃聚合物(Cyclo OlefinPolymer)(JP2006124628；US2004099973；JP2004168063)，但其化学架构为疏水性主链和支链，若用于PVA偏光片保护膜，它们几乎难以附着在亲水性的PVA上。

发明内容

本发明的主要目的就是提供一种超低迟滞光学膜，以改善液晶显示器在大角度下的光学补偿效应。

为了达到上述与其它目的，本发明的超低迟滞光学膜主要包括：透光树脂，其具有三维空间的交联结构；以及，分散于该透光树脂中的纳米级金属氧化物粒子；其中，该光学膜的平面内光迟滞性(Ro；in-plane retardation)在0～2nm之间、平面外光迟滞(Rth；out-of-plane retardation)值接近0nm。

本发明还提供偏光板，主要包括偏光片、以及上述的超低迟滞光学膜，该光学膜设置于偏光片的至少一个表面，以作为偏光片保护膜。

附图说明

图1为本发明超低光迟滞光学膜的结构示意图。

图2为一种可用来制作上述光学膜的装置。

图3为一种应用上述光学膜的偏光板。

图4为一种应用上述偏光板的显示器。

图5为实施例的光学膜与TAC商品的双折射性质的测量结果。

附图标记

10～超低光迟滞光学膜 16～硬化装置

10a～透光树脂 17～卷取滚轮

10b～纳米级粒子 5～偏光片

12～混练槽 11～抗眩膜或抗反射膜

13～涂布装置 20～保护膜

14～离型膜 30～偏光板

15～驱动滚轮 40～液晶面板

50～液晶显示器

具体实施方式

本发明的超低迟滞光学膜的主要成份是高透光树脂及均匀分散于该透光树脂层的表面及内部的纳米级金属氧化物粒子的混成材料，又可称之为纳米复合材料。

如图1所示，本发明的超低迟滞光学膜10为复合材料，其组成包括透光树脂10a与均匀分散在树脂中的纳米级金属氧化物粒子10b。本发明所使用的透光树脂10a经反应固化后是呈三维空间交联结构，因此分子链几乎完全无指向性，即为具备光学的等方向性，所以为优异的零双折射透明材料。此外，纳米级粒子10b均匀分布在透光树脂10a中，除了本身具有光学上的等方向性，亦可打乱分子链的指向性，因而增加光学上的等方向性。另一方面，纳米级粒子10b的掺入还可提高硬度、热尺寸稳定性、亲水性、并降低湿气渗透率。

本发明所用的透光树脂具有90％以上的透光率，主要为环氧树脂或丙烯酸酯树脂，适用的环氧树脂包括具有环氧乙烷环(oxirane ring)的单体、寡聚物、或聚合物。优选的具体例包括：双酚A型环氧树脂(bisphenol A epoxyresin)、双酚F环氧树脂(bisphenol F epoxy resin)、双酚S型环氧树脂(bisphenolS epoxy resin)、酚醛Novolak环氧树脂、甲酚Novolak环氧树脂、脂环式环氧树脂、或是含氮或氢化的萘型环氧树脂与联苯型环氧树脂等等。这些环氧树脂可以单独或混和使用，应视所需求的加工及物性来作适当地选择与调配。所用的丙烯酸酯树脂包括其单体、寡聚物或聚合物，优选的具体例包括：环氧丙烯酸酯、聚氨基甲酸酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)等等。同样，这些丙烯酸酯树脂可以单独地或者组合地使用，甚至与上述的环氧树脂搭配使用，应视所需求的加工及物性来作适当地选择及调配。

本发明的透光树脂还包括硬化剂，该硬化剂可分为热引发剂与紫外光引发剂两大类，均可用单独或以混合方式用于本发明。对环氧树脂系统而言，热引发剂可选择酸酐和部份被酯化的酸酐类型硬化剂，如六氢邻苯二甲酸酐(hexahydrophthalic anhydride；HHPA)、四氢邻苯二甲酸酐(tetrahydrophthalic anhydride；THPA)、甲基四氢邻苯二甲酸酐(methyltetrahydrophthalic anhydride；MTHPA)、甲基六氢邻苯二甲酸酐(methylhexahydrophthalic anhydride；MHHPA)；三乙烯二胺；咪唑化合物，如2-乙基-4-甲基咪唑、2-甲基咪唑；磷化合物，如三苯基磷(triphenylphosphine)、四苯基硼酸四苯基膦(tetraphenylphosphonium tetraphenylborate)、o-二乙基二硫代磷酸酯(o-diethylphosphorodithioate)；季铵盐等。而紫外线引发剂可选择阳离子型的金属化合物，如三芳基硫六氟锑酸盐(triarylsulphoniumhexafluoroantimonite)、三芳基硫六氟磷酸盐(triarylsulphoniumhexafluorophosphate)、二芳基碘盐等。对丙烯酸酯树脂系统而言，紫外线引发剂可选择自由基型的光引发剂，如酮(ketone)系列、膦(phosphine)系列等。紫外线硬化剂：环氧树脂/丙烯酸酯树脂的重量比优选在0.03∶0.15之间，更优选在0.05∶0.1之间。热硬化剂：环氧树脂/丙烯酸酯树脂的重量比优选在0.6∶1.3之间，更优选在0.9∶1.1之间。

本发明的透明树脂可视需要加入其它传统常用的添加剂，例如可添加塑化剂，以增加透明树脂的加工性、延展性与可用性，其添加量一般在10～50phr((每100份树脂)per hundred resin)之间。

相比于传统三醋酸纤维素(TAC)线性的分子链结构，本发明的树脂系统的分子在反应后是呈三维空间交联结构，因此分子链几乎完全无指向性，因而具备光学的等方向性，所以为优异的零双折射的透明材料。再者，交联结构的热尺寸稳定性较佳，而且根据不同的配方调制可以获得硬化物的玻璃转化温度介于80～190℃之间，如此可获得热尺寸稳定性很好的透明光学膜材料。

本发明的纳米金属氧化物粒子的平均粒径在1～50纳米之间，更优选可介于5～20纳米之间。由于纳米粒子粒径小于50纳米而且均匀分散于透光树脂层中，因此光线行经纳米复合材料时不会被散射及反射，可以达到90％以上的透光率(全透光率)。适当的纳米金属氧化物粒子包括但不限于：二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锌(ZnO)氧化镁(MgO)等。上述的纳米粒子除了可以单独使用以外，亦可以两种以上混合使用。

由于纳米金属氧化物粒子的热膨胀系数较低，所以本发明的纳米复合材料的热膨胀系数比一般已知的热塑性光学膜低，如此可以获得平整度及热尺寸稳定性很好的透明光学膜。另外，传统上为了保护偏光板的表面，一般皆会在偏光板上涂布一层约厚5～10μm的硬质层(hard coat layer)，材质通常为环氧树脂或丙烯酸酯树脂。而本发明添加的纳米金属氧化物粒子本质上就具有硬度很高的特性，可以补偿树脂低硬度的弱点，所以本发明的纳米复合材料的硬度远比一般已知的热塑性光学膜高，如此可以获得表里均一的高硬度(铅笔硬度大于3H)及耐磨耗的透明光学膜，而不需额外的硬质层。此外，纳米金属氧化物粒子可增加材料的亲水性，以增加与偏光片之间的贴合附着强度。

纳米粒子的含量优选在5～50重量％之间，更优选在10～30重量％之间(以光学膜的总重为基准)。根据本发明人的研究显示，只要纳米粒子的尺寸足够小，其含量多寡并不会严重影响到透光率，因此虽然一般不需要，但纳米粒子的含量也有可能超过50重量％。此外，纳米粒子的来源可选择商用上的固态粉体或溶液态品。

除了上述成分以外，本发明的光学膜亦可加入常规的抗氧化剂或紫外光吸收剂，以避免保护膜变质并确保偏光板的可靠度。举例而言，加入紫外光吸收剂后可吸收波长380nm以下的紫外光。抗氧化剂与紫外光吸收剂可单独或同时添加，一般的添加量约为0.1-3重量％(以光学膜的总重为基准)。

图2是一种可用来制作上述光学膜的装置。应注意的是，该图的装置仅用来举例说明，本发明的光学膜不限于由该装置所形成的光学膜。首先，将所有原料依配方比例称好置入混练槽12中，均匀混合形成浆料。根据本发明，此浆料可以是无溶剂(固含量100％)或含溶剂的系统(固含量40重量％以上)；优选浆料的黏度介于200～6000cp之间，以便于后续的涂布作业。浆料混合均匀后注入涂布装置13(滚轮或模头)中以设定的厚度精确地在离型承载膜14上涂布的，涂布后的离型承载膜14经由驱动滚轮15的带动以恒定的速度，即约0.5到10m/min的速率通过硬化装置16，如热烘箱或紫外辐照区域，使涂层硬化成形后经卷取滚轮17卷取。所形成的透明光学保护膜如18所示，在物性及成本双重考虑下，其适宜的厚度介于10～100μm之间，优选在20～80μm之间。

离型承载膜14可为镜面不锈钢带或热塑性胶膜，如氨基甲酸酯树脂、丙烯酸酯树脂、聚酯树脂、聚乙烯醇、乙烯-乙烯基醇共聚物(ethylene-vinylalcohol copolymer)、氯乙烯树脂、偏二氯乙烯(vinylidenechloride)树脂、环烯烃共聚物(MCOC)树脂、聚碳酸酯树脂、聚芳酯(polyarylate)树脂等。

图3为本发明的超低光迟滞光学膜作为偏光片保护膜的应用。如图3所示，偏光板30包括偏光片5，夹在第一保护膜10(超低光迟滞光学膜)与第二保护膜20之间。本发明的透明光学保护膜可以设置在偏光片的单面或上下两面。因此，图3中的第二保护膜20的材质可以是本发明的超低光迟滞光学膜，但也可以是传统的保护膜，例如纤维酯、聚碳酸酯、压克力、聚酯、聚烯烃、降冰片烯等。此处所用的偏光片5并无特定的限制，只要其具有偏光的特性即可，例如是聚乙烯醇(PVA)或多烯(polyene)偏光片。本发明的透明光学保护膜10，在物性及成本双重考虑下，其适宜的厚度介于10～100μm之间，优选在20～80μm之间。此外，在保护膜10上还可形成抗眩膜(AG)11，厚度优选约2～10μm之间，或抗反射膜(AR)11，厚度优选约0.1～0.2μm之间。

传统的偏光板由于保护膜的湿气抵抗力不足而导致偏光能力劣化，而通过本发明的透明光学膜可以提高偏光板的光学可靠度，特别是在高湿度的环境下。在优选实施例中，本发明的保护膜可以达到60～70g/m²/24hr以下的湿气渗透率，约为常用三醋酸纤维素保护膜的1/6左右。

保护膜10、20可利用透明粘合剂或感压性粘合剂与偏光片5贴合而成。此外，为了增强后续与偏光片贴合附着强度，可作预表面处理，如等离子、电晕、底涂(如PU底涂)等，由于本复合材料的结构与组成，在经过等离子、电晕等处理后其表面具有很好的亲水性，其水接触角可小于15°，如此可增强与本质即亲水的偏光片之间的贴合附着强度。

本发明的偏光板在实际应用时可与其它光学膜搭配使用，例如反射膜、半穿半反膜、延迟膜(1/2波长与1/4波长)、视角补偿膜等。举例而言，本发明的偏光板可与反射膜或半穿半反膜贴合而形成反射型偏光板或半穿半反型偏光板；或与延迟膜贴合以形成椭圆形或圆形偏振片；或与视角补偿膜贴合而形成广角偏光板；或者，与增亮膜贴合。

本发明的偏光板可以应用在各种显示器，包括但不限于：液晶显示器、有机电致发光显示器、等离子显示器等。例如，如图4的液晶显示器50所示，可将本发明的偏光板30设置在液晶面板40的任一表面或相反两面。液晶的型态与驱动方式亦无特别限制，可以是TN(扭曲向列)型液晶、垂直配向型液晶、IPS(横向电场切换)液晶等。此外，液晶面板的构成通常还包含扩散板、棱镜数组、背光组件等，在此不予赘述。

经测试，本发明的超低迟滞光学膜的Ro光迟滞性可在0～2nm之间(入射角为-40°～40°)，Rth光迟滞性则近于0nm，且透光率不小于90％(全透光率)，因此可用来取代传统偏光膜的三醋酸纤维素保护膜，来改善液晶显示器在大角度下有黑色和白色的对比下降和颜色改变(color shift)的问题。

由以上说明可知，本发明的混成材料具备零双折射及高透光率的光学特性外，也同时具备优秀的冷、热、湿气的抵抗力，在制程上可用非溶剂法涂布来制膜，具有光学上的均匀性、环保及成本经济性等优势。

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特列举优选实施例，作详细说明如下。实施例中所使用的纳米粒子为NissanChemical公司所生产的”MEK-ST”，为一种甲基乙基酮(MEK)二氧化硅溶胶(silica sol)，而整体材料配方中的二氧化硅含量控制在15重量％。

【实施例】

将热引发剂甲基六氢邻苯二甲酸酐(MHHPA)溶在MEK二氧化硅溶胶中，再加入环氧树脂EL-4221(Union Carbide)及塑化剂Triol(Union Carbide)形成浆料。热引发剂∶环氧树脂∶塑化剂的重量比为1∶1∶0.1。将浆料放置真空烘箱中脱泡及去除MEK溶剂至适当的固含量及黏度，然后将涂料通过精密连续涂布机涂布至Arton基板上，经烘箱硬化后可得成卷的产品。

将实施例所形成的光学膜与商品TAC膜经KOBRA-21ADH双折射分析仪(Optical birefringence Analyzer made by Oji Scientific Instruments)测量，结果如图5所示(位相差对入射角)。经计算后，商品TAC膜的平均Rth值高达46nm，而本发明的超低光迟滞光学膜的Rth值则接近0nm。

经测量实施例光学膜的其它性质，包括湿气渗透率、透光率、硬度、表面粗糙度、水接触角等，所得的各项数据与传统的TAC膜并列进行比较，如下表所示。

上表的数据显示，本发明的复合材光学膜相比于已知的TAC保护膜具有较佳的湿气抵抗率、硬度、以及表面接触角；而其它偏光片保护膜所需要的特性，例如穿透度、光延滞、表面粗糙度等亦不比TAC差。

虽然本发明已以数个优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可作任意更动与润饰。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求书所限定的范围为准。

Claims

1.一种超低光迟滞光学膜，包括：

透光树脂，其具有三维空间的交联结构；及

分散于该透光树脂中的纳米级金属氧化物粒子；

其中，该光学膜的平面内光迟滞性(Ro)在0～2nm之间，平面外光迟滞值(Rth)接近0nm。

2.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该透光树脂为环氧树脂或丙烯酸酯树脂或前述的组合。

3.如权利要求2所述的超低光迟滞光学膜，其中该环氧树脂选自双酚A型环氧树脂、双酚F环氧树脂、双酚S型环氧树脂、酚醛Novolak环氧树脂、甲酚Novolak环氧树脂、脂环式环氧树脂、或是含氮或氢化的萘型环氧树脂及联苯型环氧树脂。

4.如权利要求2所述的超低光迟滞光学膜，其中该丙烯酸酯树脂选自环氧丙烯酸酯、聚氨基甲酸酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、羟乙基甲基丙烯酸酯(HEMA)。

5.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该透光树脂包括：热固型高分子、紫外光固化型高分子、或前述的组合。

6.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该透光树脂的玻璃转化温度在80-190℃之间。

7.如权利要求2所述的超低光迟滞光学膜，其中该透光树脂还包括硬化剂。

8.如权利要求7所述的超低光迟滞光学膜，其中该硬化剂为热引发剂或紫外光引发剂硬化剂。

9.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其透光率为90％以上。

10.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该纳米级金属氧化物粒子的粒径介于1～50nm之间。

11.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该纳米级金属氧化物粒子的粒径介于5～20nm之间。

12.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该纳米级金属氧化物粒子包括：二氧化硅(SiO₂)、二氧化钛(TiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化锌(ZnO)、氧化镁(MgO)、或前述的组合。

13.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其中该纳米级金属氧化物粒子占该光学膜的5～50重量％。

14.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其铅笔硬度不小于3H。

15.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其水气渗透率小于80g/m²/天。

16.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其表面经过处理后的水接触角小于15°。

17.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，还包括：紫外光吸收剂、抗氧化剂、或前述的组合。

18.如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，其厚度介于10～100μm之间。

19.一种偏光板，包含偏光片，以及如权利要求1所述的超低光迟滞光学膜，该光学膜设置在该偏光片的一表面上，以作为偏光片保护膜。

20.如权利要求19所述的偏光板，其中该偏光片的另一表面设置三醋酸纤维素作为偏光片保护膜。

21.如权利要求19所述的偏光板，其中该超低光迟滞光学膜设置于该偏光片的上下两面。

22.如权利要求19所述的偏光板，其中该超低光迟滞光学膜上无额外的硬质层。

23.如权利要求19所述的偏光板，其中该超低光迟滞光学膜以透明粘合剂或感压性粘合剂与该偏光片结合。

24.如权利要求19所述的偏光板，其中该超低光迟滞光学膜的厚度介于10～100μm之间。

25.如权利要求19所述的偏光板，其中该超低光迟滞光学膜上还包括抗眩膜或抗反射膜。

26.如权利要求19所述的偏光板，其中该偏光片为聚乙烯醇(PVA)偏振片。