TWI412579B - 具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法 - Google Patents

Description

具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法

本發明係關於一種高分子膜之製造方法，特別關於一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法。

隨著平面顯示裝置(Flat Panel Display,FPD)技術的發展，並因平面顯示裝置具有體型輕薄、低功率消耗及無輻射等優越特性，已經漸漸地取代傳統陰極射線管(Cathode Ray Tube,CRT)顯示裝置，並且應用至各式電子產品。其中，膽固醇液晶(Cholesteric Liquid Crystal)亦應用於顯示技術，特別是應用於雙穩態的顯示器，如電子紙。

圖1為膽固醇液晶11之分子排列的示意圖，其可為對掌性膽固醇液晶，或為添加對掌性化合物之非對掌性液晶。膽固醇液晶基本上都具有不對稱碳原子(chiral center)。由這類分子所構成的液晶，其分子平行堆積層狀排列，層和層間互相平行，在每一層中分子有一向列型一般彼此同向排列著，其長軸和層面平行。在相鄰的兩層之間，分子的長軸方向規則性地依次旋轉一定角度，層層旋轉下來形成一個螺旋狀結構。液晶分子的長軸方向再旋轉一圈360度後，又回到相同方向並形成一螺距P，這類液晶分子基於特殊的螺旋構造，可以使得入射光偏轉，而散射出特殊波長的光，而螺距係決定它最強列的反射光線之波長。

圖2及圖3係顯示膽固醇液晶的分子排列示意圖。如圖2所示，膽固醇液晶11由兩玻璃基板12、13夾置，且底部設有一黑色吸收層14。當無外加電場時，膽固醇液晶11為平面螺旋型(planar texture)，由於其螺旋週期(螺距)約與光線波長相當，這種週期性結構可使特定波長之光線發生布拉格(Bragg)反射。其反射光之峰值為λ=nP(n為平均折射率)。一般，其可被用來反射特定波長範圍之光線，應用於光學元件及液晶顯示設計。圖3所示為垂直螺旋型膽固醇液晶配列。

目前，具有布拉格反射特徵之光學膜設計，可由膽固醇液晶設計，包括純膽固醇液晶膜或摻混有膽固醇液晶之高分子膜。

其中，於高分子安定型膽固醇液晶(PSCT)中，係利用添加少量的單體(濃度在10%以下)，使單體形成高分子散佈於膽固醇液晶中，使膽固醇液晶達到穩定平面螺旋型使呈現布拉格反射的效果。然而，由於膽固醇液晶所費不貲，因而大幅增加製造成本；也因此至今，仍難以廣被實用化。

因此，如何提供一種低成本及創新的製造方法，可以製成不含有膽固醇液晶就能具有光子晶體結構之高分子膜，已成為業界重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種低成本及創新的製造方法，可以製成不含有膽固醇液晶就能具有光子晶體結構之高分子膜。

為達上述目的，依據本發明之一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法包含以下步驟：一混合步驟，至少混合一非對掌性液晶、一光學活性添加劑、一單體及一光起始劑而製成一液晶單體混合物，使液晶單體混合物充填於一透光容器；一照光步驟，對該液晶單體混合物照光；一液晶去除步驟，去除非對掌性液晶；以及一充填步驟，充填一非對掌性異方性液體。

為達上述目的，依據本發明之一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法包含以下步驟：一混合步驟，至少混合一對掌性液晶、一光學活性添加劑、一單體及一光起始劑而製成一液晶單體混合物，使液晶單體混合物充填於一透光容器；一照光步驟，對該液晶單體混合物照光；一液晶去除步驟，去除對掌性液晶；以及一充填步驟，充填一非對掌性異方性液體。

在一實施例中，混合之非對掌性液晶為向列型液晶或層列型液晶。

在一實施例中，充填之非對掌性異方性液體為非對掌性液晶，例如向列型液晶或層列型液晶；或該二者之單體。

在一實施例中，液晶之重量百分比介於40%與80%之間，單體之重量百分比介於20%與60%之間。藉由提高單體之重量百分比可提升高分子膜之聚合體之對掌性的轉印率，使得高分子膜展現更充足的光子晶體結構及布拉格反射特性。

在一實施例中，光子晶體結構例如為膽固醇液晶結構，其具有布拉格反射特性。在製造上，可藉由膽固醇液晶轉印(imprint)而形成，或是藉由非對掌性液晶(achiral LC)混合光學活性添加劑(chiral dopant)轉印而形成。

在一實施例中，非對掌性異方性液體可更進一步被聚合，如此高分子膜不含液體，較為穩定、方便使用，且聚合後可不需封邊。

在一實施例中，製造方法可更包含將一透明導電膜貼合於高分子膜之一側，並可例如將透明導電膜貼合於高分子膜之上下兩側。藉由透明導電膜可控制非對掌性異方性液體之分子配列、及折射率，而能改變反射光顏色。

在一實施例中，製造方法更包含將所製成之複數高分子膜疊設而成為一多層結構之高分子膜，且該等高分子膜可分別利用左旋液晶及右旋液晶製成。藉此可增強高分子膜之反射光亮度。由於使用右旋性或左旋性膽固醇液晶作轉印，理論上僅能反射一半(50%)入射光，因此若將左旋及右旋膽固醇液晶所複製之高分子膜相重疊，即可製得全光反射(100%)之光學膜。

承上所述，本發明之製造方法係藉由非對掌性液晶(例如向列型液晶)及光學活性添加劑、或對掌性液晶，將光子晶體結構轉印至高分子膜，使其在填充非對掌性異方性液體(例如向列型液晶)的情況下，具光子晶體結構之高分子膜能夠將對掌性(chirality)提供給非對掌性異方性液體，而具有布拉格反射之特性。由於本發明並不需要含有膽固醇液晶即可使高分子膜具有光子晶體結構之光學特性，故可大幅降低製造成本。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖4所示，其係本發明較佳實施例之一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法的流程圖，製造方法包含步驟S01至步驟S04。以下詳細說明。

步驟S01：一混合步驟，至少混合一非對掌性液晶(achiral liquid crystal)、一光學活性添加劑(chiral dopant)、一單體(monomer)及一光起始劑(photo initiator)而製成一液晶單體混合物(liquid-crystal-monomer mixture)，使液晶單體混合物充填於一透光容器。在此步驟中，可先混合非對掌性液晶、單體及光起始劑，再添加光學活性添加劑於混合物中，然後再將液晶單體混合物充填於一透光容器；另外，亦可在透光容器中混合成液晶單體混合物。透光容器可例如具有透光部容讓光線通過、或是具有開口以讓光線通過；透光容器可例如為玻璃、或高分子膜。在此步驟中，亦可混合對掌性液晶、單體及光起始劑，此時即可不需添加光學活性添加劑於混合物中。對掌性液晶如所有的膽固醇液晶。

於本實施例中，非對掌性液晶係指不具對掌性(chirality)之液晶，例如向列型液晶(nematic LC)或層列型液晶(smectic LC)。光學活性添加劑可誘導非對掌性液晶產生螺旋排列，並而賦予其對掌性，光學活性添加劑例如為氯基聯苯(cyanobiphenyl)衍生物。單體可為單官能基或雙官能基單體，於此係以雙官能基單體為例，其可為具有液晶相之單體，以藉由光聚合反應而達到穩定液晶的配向效果，單體例如是BAHB(4,4’-Bis(6-acryloyxy-hexyloxy)biphenyl)。另外，單體亦可以單官能基單體摻混多官能基單體，並可以形成交聯性高分子，避免溶於溶劑。光起始劑的作用在於使單體於照光時產生光聚合反應。

在本實施例中，非對掌性液晶之重量百分比介於40%與80%之間，單體之重量百分比介於20%與60%之間。於此，非對掌性液晶、光學活性添加劑、單體及光起始劑之混合比例為53.3%、13.3%、33.3%及0.1%。於室溫下混合均勻後，液晶單體混合物呈現膽固醇液晶相。於此需注意者，本實施例藉由提高單體之重量百分比(習知在10%以下)可增加高分子膜之聚合體之對掌性的轉印率，這有助於提升高分子膜展現充足的光子晶體結構及布拉格反射特性。

步驟S02：一照光步驟，對液晶單體混合物照光。於此係藉由紫外光(例如254nm)進行照光，經光照後，單體產生光聚合反應而形成聚合體，並且將液晶之對掌性轉印至聚合體上。照光步驟，可使用雷射掃描、或光罩曝光等方法】。

步驟S03：一液晶去除步驟，去除非對掌性液晶。於此步驟中，藉由一有機溶劑去除液晶，有機溶劑例如是丙酮或氯仿。將液晶由高分子膜中完全去除，並使其乾燥。由於雙官能基具有耐性，故單體在架橋(crosslink)後就不溶解，故可避免有機溶劑除去聚合體。

步驟S04：一充填步驟，充填一非對掌性異方性液體(achiral anisotropic liquid)。非對掌性異方性液體係指不具對掌性但具異方性之液體，例如向列型液晶或層列型液晶。藉由具光子晶體結構之高分子膜能夠將對掌性(chirality)提供給非對掌性異方性液體，而使其具有布拉格反射之特性，其反射光線之波長係由布拉格方程式決定。於此，光子晶體結構係以膽固醇液晶結構為例。另外，在充填非對掌性異方性液體之後，高分子膜之製造方法可更包含使非對掌性異方性液體更進一步被聚合。如此高分子膜不含液體，較為穩定、方便使用，且聚合後可不需封邊。

圖5A及圖5B顯示上述步驟之產物對不同波長之反射率的示意圖。為清楚說明，步驟S01之產物稱為液晶膜A，步驟S02之產物稱為液晶膜B，步驟S03之產物稱為高分子膜C，步驟S04之產物稱為高分子膜D及E。如圖5A及圖5B所示，液晶膜A含有液晶/單體混合物，具有膽固醇結構，因此可反射光而呈色。紫外光聚合後之液晶膜B，仍保有膽固醇結構，因此可反射光而呈色，可能因聚合而改變螺旋距(pitch)，因此有藍位移現象。將液晶去除後，高分子膜C失去膽固醇液晶性，因此不具有光反射現象。將兩種向列型液晶(平均折射率例如分別為1.57及1.63)充填入高分子膜C，使形成高分子膜D及E，因所具有之折射率不同，而顯現出不同波長之反射特性；所有光反射現象都符合下列Bragg方程式：λ=nP(n為平均折射率)。

在其他實施例中，高分子膜之製造方法之混合步驟可改成至少混合一對掌性液晶、一單體及一光起始劑而製成一液晶單體混合物。亦即直接使用對掌性液晶來轉印對掌性至高分子膜，而不是藉由非對掌性液晶加上光學活性添加劑。

在其他實施例中，高分子膜之製造方法可更包含一配向步驟，其係配向該液晶單體混合物。例如是藉由將透光容器之內側表面經平行配向處理而達到配向效果。平行配向處理可藉由高分子、有機、或無機層處理。當液晶單體混合物充填於透光容器或於透光容器中混合時，配向步驟係可使液晶單體混合物呈現平面螺旋型(planar texture)。在配向後，對液晶單體混合物進行照光聚合，然後進行後續步驟。

在其他實施例中，高分子膜之製造方法可如圖6所示，更包含將一透明導電膜TC貼合於該高分子膜F之一側，於此係以兩透明導電膜TC分別貼合於高分子膜F之上下兩側為例。當然，若高分子膜F僅於上側用於顯示，則位於下側之導電膜可為非透光。藉由透明導電膜可控制充填於高分子膜內之流體(例如異方性液體)分子配列、及折射率，而能改變反射光顏色。

在其他實施例中，高分子膜之製造方法可如圖7所示，更包含將所製成之複數高分子膜F疊設而成為一多層結構之高分子膜，且該等高分子膜F可分別利用左旋液晶及右旋液晶製成，藉此可增強高分子膜之反射光亮度。由於使用右旋性或左旋性膽固醇液晶作轉印，理論上僅能反射一半(50%)入射光，因此若將左旋及右旋膽固醇液晶所複製之高分子膜相重疊，即可製得全光反射(100%)之光學膜。

本發明之發明精神在於製造方法的步驟流程，其中所使用作為例子之材料種類及混合比例，熟悉所屬技術領域者皆知道，依據不同產品特性及需求，可替換並找出較佳材料之組合及混合比例用以製造具有光子晶體結構之高分子膜。故，前述舉例說明之材料及其比例不應用以限制本發明之保護範圍。

綜上所述，本發明之製造方法係藉由非對掌性液晶(例如向列型液晶)及光學活性添加劑、或對掌性液晶，將光子晶體結構轉印至高分子膜，使其在填充非對掌性異方性液體(例如向列型液晶)的情況下，具光子晶體結構之高分子膜能夠將對掌性(chirality)提供給非對掌性異方性液體，而具有布拉格反射之特性。由於本發明並不需要含有膽固醇液晶即可使高分子膜具有光子晶體結構之光學特性，故可大幅降低製造成本。本發明之高分子膜可僅反射特定波長光，其他波長光會穿透，因此亦可應用於太陽能電池表面彩色圖紋設計、光學顯示元件設計背光模組之光增強膜使用。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

11．．．膽固醇液晶

12、13．．．玻璃基板

14．．．黑色吸收層

F．．．高分子膜

P．．．螺距

S01～S04．．．具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法步驟

TC．．．透明導電膜

圖1為膽固醇液晶之分子排列的示意圖；

圖2為膽固醇液晶為平面螺旋型排列的示意圖；

圖3為膽固醇液晶為垂直螺旋型排列的示意圖；

圖4為本發明較佳實施例之一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法的流程圖；

圖5A及圖5B為圖4之製造方法所產生之產物對不同波長之反射率的示意圖；

圖6為本發明較佳實施例之製造方法所製成之高分子膜貼合透明導電膜的示意圖；以及

圖7為本發明較佳實施例之製造方法所製成之複數高分子膜相疊設的示意圖。

S01～S04．．．具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法步驟

Claims (16)

1. 一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法，包含以下步驟：一混合步驟，至少混合一非對掌性液晶、一光學活性添加劑、一單體及一光起始劑而製成一液晶單體混合物，使該液晶單體混合物充填於一透光容器；一照光步驟，對該液晶單體混合物照光；一液晶去除步驟，去除該非對掌性液晶；以及一充填步驟，充填一非對掌性異方性液體。
2. 一種具有光子晶體結構之高分子膜之製造方法，包含以下步驟：一混合步驟，至少混合一對掌性液晶、一單體及一光起始劑而製成一液晶單體混合物，使該液晶單體混合物充填於一透光容器；一照光步驟，對該液晶單體混合物照光；一液晶去除步驟，去除該對掌性液晶；以及一充填步驟，充填一非對掌性異方性液體。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中在該液晶去除步驟中，係藉由一有機溶劑去除該液晶。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該非對掌性異方性液體為非對掌性液晶。
5. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該非對掌性液晶為向列型液晶或層列型液晶。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該液晶之重量百分比介於40%與80%之間，該單體之重量百分比介於20%與60%之間。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該非對掌性液晶為向列型液晶或層列型液晶。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該單體包含單官能基單體或雙官能基單體。
9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該透光容器之內側表面經平行配向處理。
10. 如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中該平行配向處理可以高分子、有機或無機層處理。
11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該光子晶體結構為膽固醇液晶結構。
12. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中該照光步驟為使用雷射掃描或光罩曝光方法。
13. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，其中在該充填步驟之後，使該非對掌性異方性液體經過聚合反應。
14. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，更包含：將一透明導電膜貼合於該高分子膜之一側。
15. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之製造方法，更包含：當製成複數高分子膜時，將該等高分子膜疊設。
16. 如申請專利範圍第15項所述之製造方法，其中該等高分子膜分別利用左旋液晶及右旋液晶製成。