TFT-LCD液晶屏光学薄膜研究及应用（下）

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%。