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3M DBEF的应用范畴与市场趋势

发布日期2017-05-16 16:04  作者:admin  浏览次数:

  本人于2002年任职于台湾的偏光膜厂做RD时,即对DBEF有深刻的印象。初次接触DBEF,听闻一片135um厚度的薄膜竟由近一千层的薄膜组成,不禁对它独特又神秘的制造方式感到好奇。恰巧当时负责的项目正是与3M一同合作开发的,于是请教对方DBEF是如何制作的?他的回答让我难以想象,甚至无法相信,他回答说“多层挤出后,拉伸后叠合再拉伸叠合再拉伸….”,当时脑中浮现出一种食物“面条”。

  2007年台湾有家科技公司开一个DBEF制造项目,而我也参与了这个项目,从此正式开始了从事多层膜的研发工作,我们从相关专利研读到分析DBEF各种特性,甚至以10万倍的电子显微镜观察它的千层结构,最终揭开DBEF的神秘面纱。当然通过研读3M申请的专利,知道了DBEF千层结构的形成方式跟那位3M仁兄回答得有点相似,只是顺序上有些错乱。然而不管DBEF是不是真如3M专利写的方式做出来的,我们还是通过自己的方式做出了具有一样效果的DBEF产品,这篇就先不提我们是如何做出DBEF的了。

  液晶显示器的制造一般由三个主要部件组装而成,分别玻璃面板、背光模块、外框模块三部分。而光学膜主要用于其中的玻璃面板;背光模块,玻璃面板里以偏光膜使用最多。有鉴于国内多家光学膜厂都是由背光模块光学膜切入,所以对DBEF的应用认知不够完整。因此下面整理了DBEF在液晶显示器的使用范畴和产品沿革。

  谈到DBEF首先应该弄清楚它与BEF的差异性,两种是采用完全不同的作用原理却同时可达到增亮功能的薄膜。

  BEF(图一) 稜镜片(Prism Sheet或称Brightness Enhancement Film,BEF)主要作用在于增强背光源所产生的亮度,稜镜的功能可藉由折射与内部全反射将导光板发出的四处乱散射光线集中到约±35的正视角(On-Axis),如图一所示,用以提升中心视角辉度,减少光耗损率,并提升亮度,通常一片BEF可提高约60%的辉度,垂直交叠二片BEF更可提升达110%。稜镜片的主材料为Polyester(PET)或Polycarbonate光学薄膜。一般将厚度约125um的光学级PET薄膜上涂布压克力树脂(Acrylic Resin),再利用预铸微结构的滚轮转印,制作出周期性约50μm、90°角之稜镜结构,并配合高能紫外光将微细的稜镜结构硬化。

  DBEF(图二) 其制作原理是将800多层具特殊双折射率(Birefringence)特性的高子分膜层交叠成一张厚度仅135um的光学薄膜,并将非穿透方向的偏极光有效反射回背光模块,所以能将原非穿透方向偏极光部分转化为穿透方向偏极光,进而通过下偏光片,因而称之为反射式偏光片(Reflective Polarizer)。当光源经如此的反覆作用后,大多数原本应被吸收而损耗的光大都转变成可利用的有效光,模块亮度不但能提升60%,同时也能扩大视角范围。由于集光原理不同于BEF,DBEF除了在正面亮度得到提升之外,大视角方向的亮度也同时得到提升。

  

BEF

 

  图一

  

DBEF

 

  图二

  而DBEF的使用上,一般会在两种部件上使用,一是偏光膜上;另一是背光模块上,使用的部件不同但功能是一样的,均是为了达到增亮的效果。

  DBEF在偏光膜的应用与发展沿革

  3M提供DBEF原反包含上下保护膜给偏光膜厂,做感压胶涂布与换贴保护膜和离形膜后裁切再与下偏光膜贴合。因为偏光膜吸收光的方向是在纵向(MD),DBEF的反射方向在横向,DBEF主要是要将偏光膜吸收的光反射再利用,所以偏光膜和DBEF必须要裁切后两轴垂直对贴,就目前一般的贴合尺寸约650mm*1100mm,由于DBEF在偏光膜使用无法Roll to Roll对贴,所以在产品使用上无法大尺寸化,一般都在14吋以下。

  而DBEF在偏光膜的使用也不是一成不变的,早在2002年当时的DBEF-P1,厚度135um,后续在厚度与光学方面微调即推出DBEF-P2,厚度为110um,其实3M不只是将DBEF上下表层的厚度降低而已,光学效益上也通过膜堆厚度与数量的微调使P2比P1的效果更佳。之后再推出一款DBEF-Q,厚度95um,而当时会在偏光膜上贴合DBEF的产品大多以轻薄化高阶PC monitor 或NB产品使用。尤其以APPLE公司的产品使用最多。

  2007年3M利用特殊的拉伸制程开发出一款厚度降低2/3,光学效能更好的APF(Advance Polarizer Film),其厚度仅26um。APF虽然厚度减少了78%,但整体反射率与偏光度却提升了许多。在同一机型的面板上比较APF的增亮效果比DBEF增加了8%。下图三是APF与DBEF的反射率与频谱的比较图,在380~780nm的可见光波段,APF反射率比DBEF表现优异许多。为何能有这么大的差异,其实是通过不同的拉伸参数使材料间的折射率差变的更大,反射率增加,相对所需要的膜堆数量便可以大量降低。也因此;2008年后3M在偏光膜使用上不再推DBEF产品,而全面改推APF,因为厚度减少,材料成本也相对降低,但价格却比原来的DBEF系列高。

  

APF与DBEF的反射率与频谱的比较图

 

  图三

  下图四,是我们通过FE-SEM所分析的这四代产品的截面,将其每层的结构汇整下来比较,不难发现3M除了在上下表皮层的厚度降低外,多层膜堆之间的厚度也有做些微调。

  

通过FE-SEM所分析的这四代产品的截面

 

  图四

  近几年来随着智能手机和平板计算机等行动显示器的应用产品普及化,以及产品功能不断提升,行动显示器的电池续航力已经变成了一个重要的课题。APF的使用也随之扩大化,从原本只应用于高阶智能机如IPhone,到今年已成为任何一支品牌智能机的标准部件。因为使用这种反射式偏光增亮膜可以在一样面板亮度下减少30%的耗电量。同时手机面板轻薄化需求越加强烈,从玻璃到偏光膜等光学膜部件都在往薄型化发展。为符合下世代智能机的更轻薄的设计需求,3M已推出18um的APF-V4超薄型产品,并预告下阶段推出16.5um的APF。

  许多国内光学膜厂对新产品前期评估时,通常以量与应用广泛性为主要考量点,所以往往只考虑电视等大尺寸的需求而着墨,而忽略了小精美的产品开发商机。就APF来说,它的需求面积或许不及一般光学膜的十分之一,但它的毛利率却是一般光学膜的数十倍。

  就需求量而言,我们可以通过IHS调查报告显示的TFT-LCD智能手机用偏光膜的年使用量来估计APF在智能机上的年需求量,2015年1060万平方米;2016年1157万平方米;2017年1275万平方米;2018年1316万平方米。目前3M 26~18um的APF报价为35~43美元每平米,越薄越贵。这4亿美金的市场,目前仅3M一家独占!

  

2015Q3 IHS数据

 

  图五2015Q3 IHS数据

  背光膜的应用与发展沿革

  DBEF在背光模块的使用情况是国内光学膜厂家较为熟悉的,由于在整个背光模块的成本结构上使用DBEF的成本与LED相当,因此为降低成本DBEF往往是首先考虑被替换的部件,但一些高阶机种还是需要使用。DBEF与偏光膜有轴向不一致的问题,所以大尺寸的DBEF是需要与两片PC扩散膜Roll to Roll对贴后裁切转向置入背光模块。最典型的是DBEF-D 系列产品,3M在背光模块所使用的产品非常多样化,以应对NB、PC、TV…等不同产品的需求。如图六所示的3M DBEF系列产品,分别对应不同面板的需求。值得一提的是3M在DBEF-D系列上的变革与偏光膜用的DBEF-P系列有一点不同,D系列通过上下两层夹层做不同功能的加工,来对应背光模块内光学膜堆的变化,所以在反射层并没甚么变化。

  在2012年前DBEF-D系列的产品的中间层是DBEF-P1,而在2012年3M 将中间的DBEF-P1换成New DBEF厚度38um是cost down 版。

  近年来3M逐渐以DBEF为基材往二合一甚至三合一的复合功能光学膜发展,最典型的是BEF-RP跟 DLF实现市场趋势中降低成本,减少组装数来发展。此举将影响PET光学基膜在平面显示器的使用需求。

  

3M DBEF系列产品

 

  图六3M 产品列

  

New DBEF取代DBEF-P1

 

  图七New DBEF取代DBEF-P1

  DBEF在背光模块的市场趋势和售价变化,下列为2015Q3 IHS的预估数据:

  

DBEF在背光模块的市场趋势

 

  

DBEF在背光模块的售价变化

 

  图八DBEF在背光模块的市场趋势和售价变化

  2015年需求量为8000万平方米,可见在需求上背光模块的用量远高于偏光膜用量,这固然是大尺吋与小尺寸应用的分野之处,但在价格上小尺寸占优。以上述的报价换算一平方米约32美金,低于APF的35~43美金。由于大尺寸在使用上必须结合其他功能膜,在制作成本上高于普通功能膜,但即便如此DBEF与其他功能膜的价格依然有数倍的差距,就以稜镜片为例:同一尺寸两者相差4~5倍之多。

  结论

  目前DBEF对于平面显示器来说,或许不是不可或缺的部材,但从利润空间来看却是最为可观的,因为目前DBEF仅3M独家供应,或许大部分人不知道它的制造成本所以不知其毛利率,其实DBEF的制程跟PET基膜很相似,规模却远小于PET,若以材料的成本和售价来看,DBEF材料的成本一公斤约为70RMB可产APF(18um)40平方米,对应销售额约9000RMB。反观,光学级PET基膜的成本一公斤10RMB,对应销售额仅50RMB。许多人认为,DBEF因为3M专利层层保护无法突破,这种说法若五年前还可认同,但现在!DBEF算算卖也将近卖了20年,专利了不起也是20年的寿命。况且我们已经在3M专利中找到回避的规则。

  另一方面,国内光学膜厂商往往先从PET基膜切入光学膜市场,但光学级的PET技术门槛不见得就低,尤其这种日韩技术已经非常成熟的产品,规格几近材料极限的情况下,国内厂商在短时间内不太可能可以做出和日韩厂商同等规格的产品,到最后只能沦入低阶产品恶性杀价的冋境。反之,DBEF目前只唯一制造、供应,产品规格尚有很大的调整空间。况且背光模块正往复合功能的光学膜方向发展,PET基膜的用量必将缩减。此外,3M的新产品大多以DBEF为基材来整合其他功能膜,而这也或将成市场使用趋势。所以两相比较之下投资PET真的不如投资DBEF。


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