TFT-LCD液晶屏光學薄膜研究及應用（下）

目前市面上已量產及開發(fā)中的補償膜/相位差膜包括N-TAC(KONICA)，X-PLATE(日東電工)，M-TAC(FUJI FILM)，COP(Zeoron，Arton)等。與廣視角TAC膜市場情況不同的是，補償膜的市場競爭者眾多且變化快速。Konica的N-TAC最先被TFT面板廠廣泛采用，后被日東電工的X-Plate逐漸取代，成為國內TV偏光片主流。 Zeon(Zeoron)，日本合成橡膠JSR(Arton)兩家日系廠商則舍棄傳統(tǒng)的TAC膜而采用COP膜為基材，旨在避開TAC膜供應吃緊時，原料取得不易的困境(圖13)：

　　2.6、偏光片產業(yè)現(xiàn)狀

　　2.6.1 全球產業(yè)綜述

　　2009 年，全球TFT-LCD用光學膜出貨面積估計達到5.43億平方米，出貨金額達91億美元，其中偏光片占了所有類型光學膜三分之一出貨面積以及將近三分之二產值。從需求結構上看，大尺寸偏光片將在偏光片市場占主導地位。從應用類型上看，LCD TV的偏光片需求將是大尺寸偏光片的主要應用。在LCD TV的驅動下，偏光片市場將維持穩(wěn)定的成長，預估2010 年、2011 年與2012年整體產值分別達59.54 億美元、62.49 億美元與64.36 億美元，年增率分別達4%、5%與3%(圖14)。

　　日本企業(yè)在偏光片生產上居于全球領先地位，在技術上更是居于壟斷地位。尤其是生產偏光片所需的關鍵原材料方面，日本企業(yè)對技術和生產的嚴密控制保證了其在市場上的獨占地位。TAC膜、PVA膜、AG膜和光學補償膜的技術和市場被日本絕對掌控。TAC膜和PVA膜分別占到偏光片原材料成本的54%和17%。 起初，僅FUJI FILM和KONICA能夠生產TAC膜，后臺灣新光合成纖維的子公司達輝光電、國內的樂凱和南韓曉星(Hyosung)也可以生產。但是FUJILIM 和KONICA的市場占有率仍有65%和23%左右，兩者占據近全球90%的份額。目前全球TAC薄膜產能為12億平方米左右。雖然PVA是常見的化學材料，但是偏光片用的PVA目前僅日本的KUARARY和合成化學能夠制造，價格高達20美金每平米。

KURARAY占據了全球約80%的市場份額。最近有傳國內最大的PVA廠商皖維高新計劃從日本引入偏光用PVA膜技術，年產300萬平米，投資40億日元。另外在偏光片的其他原材料膜方面，日本也居于壟斷地位，例如，90%AG膜市場由日東電工和大日本印刷占據。

　　偏光片市場占有率前三名依次為韓國LG化學、日本日東電工、日本住友化學。韓國企業(yè)于2000年開始進軍TFT用偏光片市場，首家廠商LG化學于2000年 3月量產。盡管在偏光片的技術上有一定的實力，但是其在偏光片關鍵原材料方面的技術仍與日本差距較大。我國臺灣企業(yè)雖然在偏光片的生產上有一定規(guī)模，但其技術完全依賴于日本，實際是日本企業(yè)的加工廠。我國內地企業(yè)在偏光片領域生產規(guī)模較小，主要供應TN-LCD用和部分STN-LCD用偏光片。但已有報道稱深紡織集團的盛波光電及深圳三利譜于2011年上TFT-LCD用偏光片生產線。從全球角度來看，中國的面板生產2010-2012年在全球的占比分別是3-5%、9%、20-22%。而國內生產偏光片在全球占比目前只有1%，發(fā)展空間巨大。

三、背光光學膜

　　3.1、背光模組簡介

　　背光模組(BLU， Back Light Unit)主要由光源(冷陰極螢光管CCFL/發(fā)光二極體LED等)、反射板(Reflector)、導光板(LGP，Light guide plate)、擴散膜、增亮膜/棱鏡片及外框等組件組裝而成(圖15)。背光模組實際是由一層層光學膜片所組成，通過光源，經過模組中各種膜片材料對光的功能作用，實現(xiàn)對光能的重新分配。由于背光光源必須使用反射膜、擴散膜等等的光學薄膜，來達到光源平均投射的目的，但是往往產生光耗損的現(xiàn)象。根據研究，從傳統(tǒng)背光光源出來的光是100%的話，經過反射膜、擴散膜等光學薄膜后，只會有約60%的光通過背光模組進入到偏光膜，最后經過液晶、Surface出來只剩下4-8%左右的光。

　　在面板中，背光模組(約20-30%)是成本最高的零組件。對于BLU，15“-17”約20-25%，30寸以上則達25%以上。隨著大尺寸面板時代的來臨，其在面板成本結構中的地位也越來越重要。而其光學膜也占背光模組近40%的成本，舉足輕重(圖16)。

　　3.1.1、光源

　　CCFL 可以簡單理解為在屏幕背設置幾根長形燈管，而LED則可以簡單理解為在屏幕后設置許多矩形發(fā)光二極管。CCFL的背光設計主要有兩種：“側入式”與“直落式”，但由于側入式因光導設計使得光折損率較高，進而讓背光亮度受限，面板尺寸越大時亮度就越低。通常情況下，大尺寸LCD通常都是直落式的。在液晶面板中，消耗電源最多的部份就是背光模塊。LED背光可以在較低的功耗下，達到更高的色彩飽和度和亮度，顯示器可以做得很薄，已成為中小尺寸TFT-LCD面板中的主流背光源。

　　3.1.2、導光板

　　導光板(LGP)絕大多數材料為PMMA，作用在于引導光的散射方向，用來提高面板的輝度，并確保面板亮度的均勻性，因此導光板的設計與製造攸關背光模組光學設計與輝度、均細度的控制，為背光模組最主要的技術與成本所在。

　　3.2、擴散膜

　　3.2.1、擴散膜原理及作用

　　在LCD模組中，將 CCFL的線性光源或 LED的點狀光源均勻轉換成面光源時，需藉由擴散材料如擴散膜，使光線形成漫射來達到勻光的效果。LCD擴散膜其原理系利用光在不同折射率的介質中穿過，光線產生許多折射、反射、散射的現(xiàn)象，于是造成光學擴散的效果(圖18)

　　一般而言，LCD需要兩片擴散膜，上擴散膜(透明白色)與下擴散膜(白色)各一。下擴散膜主要功能是集光、遮蔽導光板印刷網點或線光源、燈管黑影;上擴散膜具高光穿透能力，可改善視角、增加光源柔和性，兼具擴散及保護稜鏡片的功能，加工易有損傷，要求更高。在背光模組材料中，相較于稜鏡片等光學膜片，擴散膜所占成本比重雖不高，但在LCD TV高亮度規(guī)格要求下，電視產品顯示出的均勻度與亮度主要受擴散材料的品質影響下，擴散膜的重要性自是不言可喻。

　　3.2.2、擴散膜的工藝

　　擴散膜按制作方法分類，有涂布式及非涂布式兩種。其中涂布式擴散膜又分為散射粒子型的濕法涂布和表面微結構型的UV涂布。涂布擴散膜具有透光率較高，霧度調節(jié)范圍大，外觀質量好，為高端背光源產品的擴散膜首選品種。擴散膜按形態(tài)分，有卷料和片料兩種。我們的客戶群在母卷制作的廠家。

　　市面上的擴散膜結構大同小異，從上至下分別是：擴散層——基材——隔離層。特殊一點的有，底部光背光源用擴散膜在基材上下各有一層擴散層，在下擴散層的下面一般還具有粘接層?；耐ǔ橥该鞴鈱W級PET薄膜，厚度有25、38、50、75、100、125、150、188um幾個規(guī)格。

　　散射粒子型的涂布原料是擴散微粒+粘合劑(壓克力樹脂)(圖19)。散射粒子可以是無機粒子或合成的高分子粒子，涂層經高溫烘干去除溶劑、硬化。此類擴散膜的優(yōu)點是生產技術成熟，廣為市場接受，粘合劑樹脂材料容易取得。缺點是涂料含有溶劑，溶劑揮發(fā)度不同易造成涂層不均;含溶劑之廢氣的處理問題;烘干溶劑需消耗能源且制程時間長;散射粒子與溶劑、樹脂接著力不佳;粒子分布均勻度難以控制;干燥過程易受溫濕度影響。

　　表面微結構型擴散膜是在PET膜上涂布一層UV感光材料，經刻有微結構的鋼輪(結構輪)壓印，將微結構轉印到感光材料上，再經紫外線硬化即可。

　　對擴散膜涂布機的總體要求是：

　　1) 合理的結構和尺寸：目前擴散膜涂布方式主要有3種，即刮刀輥涂布、計量輥涂布和噴膠涂布。具體使用哪一種要看所用膠水的性質、粘度和固含量。刮刀輥涂布具有涂布厚度調節(jié)范圍大，適應涂布厚度10~30nm，涂料粘度20~100s的各類膠水的涂布。計量輥涂布有線輥和網紋輥涂布，適應涂布厚度在10 nm左右，粘度低于20s的各類膠水的涂布。噴膠涂布不適合油性膠的涂布，特別適合低粘度的水性膠和UV膠的涂布。涂布機的幅寬通常在1米左右，確定幅寬需要考慮基材寬度、生產率及設備制造能力等因素。擴散膜涂布機的涂布速度一般為10~40米之間，速度太低產能不高，速度太高不利于觀察涂布中的缺陷。

　　烘箱的干燥方式有熱風式和光固式(UV)兩類，烘道的長度主要與涂料干燥性能和要求的涂布速度有關。擴散膜涂布機一般只采用其中一種烘道，有的則兩者都有。這樣做的目的是使涂布機對涂料種類的適應性廣泛。因為，烘道的種類完全是由擴散膜涂料的種類決定的。對于熱風烘道，擴散膜涂布對溫度的要求是一樣的：最高溫度120℃、溫度控制精度≤5℃、初始升溫時間≤30分鐘。烘道內部的結構有氣浮式(無接觸)和輥筒式兩種。有條件的最好設計成氣浮式烘箱。對于輥道式烘箱的托輥，設計時要充分采用避免擦傷膜片的技術。

　　2)較高的精度和表面質量要求：擴散膜涂布機屬于精密涂布機范疇。由于擴散膜是一種透明度很高的光學膜片，在涂布時，局部稍微有點厚度不均，馬上就可用眼睛看出膜片上有明暗不一的缺陷。一般擴散膜技規(guī)給出的厚度誤差為±5%，減去基材厚度誤差的1%后，還剩下4%，涂布厚度通常在10~20um?？梢姅U散膜對涂布機的精度要求是很高的，涂布誤差小于3um。表面質量要求包括細小的表面粗糙度、很高的表面硬度和很高的表面抗腐蝕性能。

　　3)符合在凈化車間使用的要求：擴散膜涂布機所生產的產品質量要求，決定擴散膜涂布機必須在凈化車間生產。

　　因此，從擴散膜的涂布工藝分析，氣浮式烘箱的優(yōu)質客戶群是應用到熱風干燥生產的擴散膜生產商。

　　3.2.3、擴散膜產業(yè)狀況

　　2008年盡管受到金融危機的影響，全球擴散膜的市場規(guī)模仍然達到了5.22億美元。擴散膜片的主要營收來源亦來自大尺寸應用的貢獻，約占95%，其中 LCD TV的應用為4成，預估至2012 年可超過5成。

　　擴散膜原本由Keiwa、Kimoto、Tsujiden等日本廠商所掌控，但近年在韓國SKC、Shinwha的積極搶攻下，除Keiwa 仍位居領導地位外，其余已拱手讓給韓國廠商。Keiwa向來在 LCD Monitor的上擴散片擁有極大的市占率，有鑒于下游客戶的成本考量，上擴需求有減少趨勢，未來該公司將加強擴大下擴散膜片的占有率。Tsujiden 是90年代首次推出擴散膜產品的廠商。此外，有別于日本其他競爭廠商在海外尋找當地合作廠以進行后段加工制程的策略，則多堅持公司本身從開發(fā)、生產、加工的一貫作業(yè)體制，該公司應用在筆記型電腦的下擴產品占有極高比重，2002年1月于昆山設立裁切廠(100%Tsujiden出資)。 Kimoto則在行動電話與LCD TV的應用上大幅斬獲，目前亦積極擴大筆記型電腦等相關應用市場。Kimoto主要生產地點除了日本國內的三重與茨城兩工廠外，在美國亦有兩條生產線。

　　在韓國市場上，SKC 原系 PET 底材的供應商，是韓國第一家制造擴散膜的本土廠商，國內主要客戶為 LPL，因先進入者優(yōu)勢曾擁有韓國90%的市占率。然而在后進者積極搶攻下，已較不復當年的亮麗表現(xiàn)。Shinwha Intertek 于2002年進入市場后，除積極蓄積其產品技術能量外、亦專注在產品品質的提升。該公司除以其產品能力贏得客戶青睞外，同時亦以生產的規(guī)模經濟打低價策略，企圖席卷擴散膜片的市場。2006年SKC的占有率已降至40%左右，反而是Shinwha因搶占Samsung 90%的訂單，因此一躍成為韓國市場的龍頭，市占率約45%，亦在全球市場上前進至僅次Keiwa第二名的地位。其余如PET底材的供貨商Toary Seahan、Kolon等亦加入擴散膜的生產行列，不同于臺灣多以下游廠商向上整合的狀況。就擴散膜而言，PET材料占其其高比重的成本，因此在來自下游廠商Cost Down的要求下，擁有上游材料來源自是在成本競爭上具有極大的優(yōu)勢，而韓國下游大廠如Samsung與LG提出使用本土材料廠商產品的政策也多少扶植了韓系的本土廠商。

　　隨著臺灣成為LCD的生產重鎮(zhèn)，吸引了包括日、韓等上游材料廠商來臺競逐。綜觀日韓在LCD擴散膜的競爭態(tài)勢，在處處以成本效益為優(yōu)先考慮的LCD領域，日本廠商面對韓國業(yè)者的低價策略，似有節(jié)節(jié)敗退的傾向，不過目前仍以下擴散膜的情形較為明顯，在質量要求較高的上擴散膜，日本廠商仍掌握其技術優(yōu)勢。憑借技術與品質優(yōu)勢、以及與國內廠商較早及建立的合作關系，仍保有一定的市場版圖。根據保守估計國內約7成以上擴散膜片被日系與韓系廠商所控制。

　　國內目前尚處于起步階段，暫無較大批量供貨廠家。但是也有不少企業(yè)正在著手上線擴散膜的項目。臺灣跨入LCD擴散膜領域的廠商，其最初的經營模式是與日韓廠商合作，如華宏新技與Keiwa、伸昌光電與Kimoto，宏森光電與SKC合作，進行后段工作。華宏是國內主要的擴散膜供貨商，目前在臺灣擴散膜的市場占有率約50%。宣茂科技是國內第一家本土制造商，提供從前段至后段的一貫制程。至于近年由傳統(tǒng)化工業(yè)積極轉型至電子材料領域的長興化工，一如前述在背光光學膜的布局亦顯相當積極;在擴散膜片的發(fā)展上，亦已建構相關制程技術的專利。至于岱稜科技、致和光電、捷晟等公司亦少量或即將切入國內擴散膜片的市場。

　　3.3、增亮膜/棱鏡片

　　3.3.1、增亮膜的功能

　　增亮膜又叫棱鏡片 (Prism Sheet)，常簡稱BEF(Brightness Enhancement Film)，為TFT-LCD背光模組中之關鍵零組件，占背光模組成本比重最高，亦占到整個面板成本的2-8%。其具有精密微結構的光學薄膜，可將光源散射的光線正面集中，將原本散亂的光線集中至約70度的范圍，并且將視角外未被利用的光，利用光的反射再循環(huán)利用減少損失，是LCD重要的節(jié)能元件。通常一片BEF約可提高40-60%的輝度，若搭配2張擺放位置垂直90度的增亮膜則可達到更高的輝度效果。

　　3.2.1、增亮膜/棱鏡片的分類

　　主要有四種類型，一般棱鏡片(normal prism sheet)、多功能棱鏡片、micro-lens film與反射型偏光片(reflective polarizer)等，每種光學膜也有著不同的市場特性。詳見第二章。

　　一般棱鏡片(Normal Prism Sheet)

　　棱鏡片的主要功能為將燈源(包括CCFL與LED)發(fā)出的光線與以導正，以增加發(fā)光效率。目前最主要的供貨商為3M公司，其它供貨商有Mitsubishi Rayon， LG Electronics，MNTech， Shinwha，DNP，LGS，Gamma(臺灣嘉威)，E-fun(臺灣迎輝)Suntech，SKC Haas以及Samsung Cheil等。

　　多功能棱鏡片(Multi-Functional Prism Sheet)

　　多功能棱鏡片是一種較高階的產品，她整合了棱鏡片與擴散片的功能，較一般型棱鏡片有更好的發(fā)光效率;主要的供貨商有 3M，Shinwha，MNTech，Samsung Cheil，E-fun 與LG Electronics。同時韓國面板廠商較日本與臺灣廠商更快地由一般型棱鏡片轉換為多功能棱鏡片，而臺灣面板廠商則是較快地達成降低CCFL燈管的目標。

　　Micro-Lens Film

　　micro- lens膜藉由mico-lens數組架構同樣地將棱鏡片與擴散片功能整合到一張膜里，有許多面板采用二張mico-lens膜以取代一張棱鏡片加二張上下擴的架構，目前主要應用的產品為32“，37”與40”液晶電視面板，主要的供貨商為韓國公司如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獨有的專利產品，屬于反射式偏光板，為最重要之增亮膜，設計原理為利用回收光機制，重復利用背光源輸出的光，以高低不同折射率的光學材料層層疊制，讓光在800多層的介質中全反射，使之通過二色性吸收型偏光板時不被吸收，工藝多達百層。效能可增亮1.6倍，優(yōu)于BEF。不過目前有些韓國廠商也開始推出類似功能的產品，如MNTech的NPRF，Shinwha的CLC與Woongjin以及日本Zeonor的Zeno等。

　　3.3.2、增亮膜的工藝

　　擴散膜是通過在光學膜片材料上的微細顆粒(beads)實現(xiàn)光的擴散，而增亮膜(棱鏡片)是通過在透明光學材料上加工成型微細條紋(光柵)結構進行反射和折射，對光能重新分布。由于表面均勻布滿棱形尖錐型的微細結構，提高了光線透過率，增大了亮度和視角。

　　增光膜(棱鏡片)的生產工藝包括光學設計、精密模具、化學配方及涂布。國際先進國家的方法就是在加工完的模輥上通過光固化UV膠成型工藝技術，實現(xiàn)微細光學結構的成型工藝。增光膜最關鍵的技術是在輥筒上雕刻棱形花紋技術。

　　3.4、整合型光學膜

　　近年來背光光學膜片有重大的變革，其中變化最多的應屬將擴散膜、稜鏡片、偏極增亮膜、導光板等多項功能合并設計，成為復合化、一體化以及特殊化之新型式光學膜片。先進廠商利用既有產品加以改良，結合各項光學膜功能，制作出多功能的光學膜片;亦有新進者試圖運用新的光學設計與新技術，開發(fā)整合型的光學膜。整合型光學膜改進了以往單一膜片單一功能之多膜片模組架構，藉此減少膜片的使用數量，并降低總體成本，是廠商一致認為光學膜片未來的發(fā)展趨勢。自3M開始推出多功能光學膜、MNtech 于2005年6月開始量產UTE產品并交貨給三星，整合型光學膜開始進入市場。爾后，在廠商陸持續(xù)改良品質(如增加Lens 密度及光輝度)，陸續(xù)推出新產品外，也見到新加入者如SKC、Shinwha 等加入市場行列，目前市場競爭雖尚屬萌芽階段，但仍可見到市場上每增加1家新進者，價格就會有5%~10%不等的下降幅度。 而隨著面板廠將傳統(tǒng)的光學膜組成模式由上擴散膜+BEF+下擴散膜改成兩張Microlens Film+下擴散膜，雖然表面輝度下降許多，然而在成本價格掛帥的中低階LCD TV市場中已成為趨勢。

　　跨入整合型光學膜廠商的類型，除原本從事稜鏡片制造的廠商(如3M、MNtech、迎輝等)外，擴散膜的制造商亦積極跨入此領域(如 SKC、Shinwha等)。由于現(xiàn)階段整合型光學膜各家廠商的制造方法差異頗大，但可確定的是，各類廠商都以既有核心技術為基盤，再衍生導入相關功能所需的技術。換言之，在整合型光學膜的制造手法上，擴散膜廠商在利用擴散粒子涂布制作擴散膜的膜片上，追加設置Pattern與形狀，試圖藉此以提高光利用效率;至于稜鏡片廠商則進行其微結構的分子與形狀控制外，涂上擴散粒子以達到擴散效果并同時具備輝度增益的特性。一般而言，因稜鏡片廠商具備微結構分子與形狀控制等關鍵技術，而此等技術層次高，具控制良率的重要因素，對擁有該等技術的稜鏡片廠商而言，欲進入整合型光學膜的事業(yè)領域，相對門檻較低。

　　近年來，隨著中國電子工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的世界電子巨頭在中國投資設廠，隨著世界電子生產基地向中國的轉移，目前中國已經成為全球最大的筆記本電腦和手機生產基地，而液晶電視、液晶顯示器以及其它電子類產品的產量也位居世界前列。在此帶動下，中國擴散膜市場空前發(fā)展，目前已占全球市場的近50%。