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液晶顯示器偏光膜的基本原理
偏極光與偏光膜的基本原理
大多數(shù)的人仍然對偏光膜這個名詞感到陌生而不很清楚，故在此先對偏極光的現(xiàn)象及基本原理稍做說明。
偏極光
人類對光的了解依序可分成以下四個重要階段：
1.十七世紀中，牛頓首先開始對光做有系統(tǒng)的研究，他發(fā)現(xiàn)到所謂的白光(White Light)是由所有的色光(Colored Light)混合而成。為了要解釋這個現(xiàn)象，就有許多不同的理論衍生出來。
2.十九世紀初，楊氏(Thomas Young)利用波動理論成功的解釋了大部分的光學現(xiàn)象如反射、折射和繞射等。
3.1873年，馬克斯威爾發(fā)現(xiàn)光波是電磁波，其中它的電波和磁波是相依相存不能分開的，電場(E)、磁場(H)與電磁波進行的方向(k)這三者是呈相互垂直的關(guān)系。
圖2
4.二十世紀初，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光的能量要用粒子學說才能解釋，因而衍生出量子學。換言之，光同時具有波動及粒子兩種特性。
因為偏極光的理論是用波動學來解釋的，所以往后的討論都將光視為電磁波，并且為了簡化易懂，我們只考慮其電場向量E。非偏極光的E可以用圖2表示，圖2中許多對稱等長的輻射線表示E在E、H所組成的平面上振動，并且在各方向振動的機會均等。當E的分布不均時就稱之為偏極化(Polarization)，如圖3所示為部份偏極光，當E只在一個方向振動時則稱之為線性偏極光(圖4)。從向量的觀點來看，當圖2中各方向的向量投影到X和Y兩個相互垂直的坐標軸上后，非偏極光可以分解為兩條相垂直的線性偏極光(圖5)。
圖2：非偏極光
圖3：部份偏極光
圖4：線性偏極光
圖5：相互垂直的線性偏極光
偏極光的制造
一般而言，制造偏極光的方法是由以下三個步驟：
1.制造普通非偏極光(圖2)。
2.分解此非偏極光為兩個相互垂直的線性偏極光(圖5)。
3.舍棄一條偏極光，應用另一條偏極光(圖4)。
能將非偏極光分解為兩條偏極光，而舍棄其一的儀器稱之為起偏器(Polarizer)，起偏器可以利用如吸收、反射、折射、繞射等光學效應來產(chǎn)生偏極光。
一般較常用的起偏器種類有以下數(shù)種：
(1) 反射型
當光線斜射入玻璃表面時，其反射光將被部分偏極化。利用多層玻璃的連續(xù)反射效果即可將非偏極光轉(zhuǎn)為線性偏極光。
(2) 復屈折型
將兩片方解石晶體接合，入射光線會被分解為兩道偏極光，稱為平常光與非常光。
(3) 二色性微晶型
將具有二色性的微小晶體有規(guī)則地吸附排列在透明的薄片上，這是人工第一次做出偏光膜的方法。
(4) 高分子二色性型
利用透光性良好的高分子薄膜，將膜內(nèi)分子加以定向，再吸著具有二色性的物質(zhì)，此為現(xiàn)今生產(chǎn)偏光膜最主要的方法。這類吸收式的起偏器都是以膜(Film)或是板(Plate or Sheet)的形式存在，因此，通常又稱之為偏光膜(Polarizing Film)或偏光板(Polarizing Plate or Sheet)。英文上另外一個更通俗的稱呼是Polarizing Filter。
偏光膜的起源
偏光膜是由美國拍立得公司(Polaroid)創(chuàng)始人蘭特(Edwin H. Land)于1938年所發(fā)明。六十年后的今天，雖然偏光膜在生產(chǎn)技巧和設(shè)備上有了許多的改進，但在制程的基本原理和使用的材料上仍和六十年前完全一樣。因此，在說明偏光膜的制程原理之前，先簡單的敘述一下蘭特當時是在什么情況下得到靈感，相信這有助于全面了解偏光膜的制程。
蘭特于1926年在哈佛大學念書時看了一篇由英國的一位醫(yī)生Dr. Herapath在1852年發(fā)表的論文，內(nèi)容提到Dr. Herapath的一位學生Mr. Phelps曾不小心把碘掉入the solution disulfate of quinine，他發(fā)現(xiàn)立即就有許多小的綠色晶體產(chǎn)生，Dr. Herapath于是將這些晶體放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)如下圖所示：當兩片晶體相重迭時，其光的透過度會隨晶體相交的角度而改變，當它們是相互垂直時，光則被完全吸收(圖6)；相互平行時，光可完全透過(圖7)。
圖6：光被完全吸收
圖7：光可完全透過
這些碘化合物的晶體非常小，所以在實際應用上有了很大的限制，Dr. Herapath花了將近十年的時間來研究如何才能做出較大的偏光晶體，可是他并沒有成功。因此，蘭特認為這條路可能是不可行的，于是他采用了以下的方式：
●蘭特把大顆粒晶體研磨(ball mill)成微小晶體，并使這些小晶體懸浮在液體中。
●將一塑料片放入上述的懸浮液中，然后再放入磁場或電場中定向。
●將此塑料片從懸浮液中取出，偏光晶體就會附蓋在塑料片的表面上。
●將此塑料片留在磁場或電場中，干燥后就成為偏光膜。
蘭特的方法是將許多小的偏光晶體，有規(guī)則的排列好，這就相當于一個大的偏光晶體。他應用上述的方法，在1928年成功的做出了最早問世的偏光膜、J片。這種方法的缺點是費時、成本高和模糊不透明。但蘭特已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了制造偏光膜的幾個重要因素：(1)碘 (2)高分子 (3)定向(Orientation)。經(jīng)過不斷的研究改進，蘭特終于在1938年發(fā)明了到現(xiàn)在還在沿用的制造方法，其基本原理將于下節(jié)中討論。
偏光膜的工作原理
時下最通用的偏光膜是蘭特在1938年所發(fā)明的H片，其制法如下：首先把一張柔軟富化學活性的透明塑料板(通常用PVA)浸漬在I2 / KI的水溶液中，幾秒之內(nèi)許多碘離子擴散滲入內(nèi)層的PVA，微熱后用人工或機械拉伸，直到數(shù)倍長度，PVA板變長同時也變得又窄又薄，PVA分子本來是任意角度無規(guī)則性分布的，受力拉伸后就逐漸一致地偏轉(zhuǎn)于作用力的方向，附著在PVA上的碘離子也跟隨著有方向性，形成了碘離子的長鏈。因為碘離子有很好的起偏性，它可以吸收平行于其排列方向的光束電場分量，只讓垂直方向的光束電場分量通過，利用這樣的原理就可制造偏光膜(如圖8)。
圖8
偏光膜的種類及發(fā)展
現(xiàn)今所使用偏光膜的種類
偏光膜的應用范圍很廣，不但能使用在LCD做為偏光材料，亦可用于太陽眼鏡、防眩護目鏡、攝影器材之濾光鏡、汽車頭燈防眩處理及光量調(diào)整器，其它尚有偏光顯微鏡與特殊醫(yī)療用眼鏡。為了滿足輕量化及使用容易的要求，所以偏光膜的選擇以高分子二色性型為主，這型起偏材料的種類有四：
(1) 金屬偏光膜
將金、銀、鐵等金屬鹽吸附在高分子薄膜上，再加以還原，使棒狀金屬有起偏的能力，現(xiàn)在已不使用這種方法生產(chǎn)。
(2) 碘系偏光膜
PVA與碘分子所組成，為現(xiàn)今生產(chǎn)偏光膜最主要的方法。
(3) 染料系偏光膜
將具有二色性的有機染料吸著在PVA上，并加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。
(4) 聚乙烯偏光膜
用酸為觸媒，將PVA脫水，使PVA分子中含一定量乙烯結(jié)構(gòu)，再加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。
偏光膜的構(gòu)造
高分子膜在經(jīng)過延伸之后，通常機械性質(zhì)會降低，變得易碎裂。所以在偏光基體(PVA)延伸完后，要在兩側(cè)貼上三醋酸纖維(TAC)所組成的透明基板，一方面可做保護，一方面則可防止膜的回縮。此外，在基板外層可再加一層離型膜及保護膜，以方便與液晶槽貼合(如圖十三)。
圖十三：偏光膜的構(gòu)造簡圖
LCD用偏光膜的質(zhì)量特性
由于LCD的顯示非發(fā)光型，為了達到顯示器明亮、易辨識的要求，偏光膜就必須具有清晰、高透過及高偏旋光性。近來LCD的使用愈來愈廣泛，如民生、軍事、高科技等。因應LCD的多樣化及耐用性的提升，必須加強偏光膜的耐久性及耐旋光性。
另外、在外觀特性上，配合LCD畫素的提高，偏光膜的表面必須是平滑且高精細化；若是在高溫高濕的環(huán)境之下長時間使用，也必須維持偏旋光性能，且所用的黏著劑其安定性也是要求的要點之一。通常在偏光膜的制造過程中，都是在無塵室進行：
1.由于偏光膜的素材為PVA及TAC，所以其上不可有異物及未溶的樹脂。
2.在偏光膜的貼合過程中，不可在涂膠、貼合及加工時有任何異物混入。
3.保護膜或離型膜等材料不可有任何缺陷。
4.在成品的表面及切斷面，或包裝袋上不可有任何異物附著混入。
若無法滿足上述條件，則無法做出高解析、大尺寸、高精細化的偏光膜。
LCD用偏光膜的發(fā)展
(1) 碘系偏光膜
PVA及碘所構(gòu)成的偏光膜長久以來都在LCD的市場上占有相當大的比例?，F(xiàn)今材料與延伸技術(shù)不斷改良下偏光度及透過率都相當接近理論值(偏光度100%；透過率50%)。
(2) 耐久性偏光膜
使用染料配方讓偏光膜具有耐高溫高濕、耐光等特性，大多使用在車、船舶或飛機用的LCD上。但偏光率不及碘系且價格昂貴是其缺點?，F(xiàn)今發(fā)展是藉由PVA的延伸配向及開發(fā)在可見光區(qū)有均勻吸收的高偏旋光性能染料分子，其偏旋光性能已可與碘系偏光膜相當，唯價格方面仍比碘系偏光膜高。
(3) 光學補償膜
隨著LCD產(chǎn)品技術(shù)愈來愈進步，故針對偏光膜之著色、視角、漏光等等要求相對提高，因此需要各種光學補償膜去做補償。例如(STN-LCD)因液晶分子之扭轉(zhuǎn)超過90度造成使用直線偏光之偏光膜會有著色現(xiàn)象出現(xiàn)，其解決方法為加上一片位相差膜。
表面處理
表面加工處理可增加偏光膜的光學及機械性能。現(xiàn)今為了滿足LCD多樣化的要求，具有復合功能的偏光膜已在市場上銷售。
1. 抗反射(AR)處理
當光經(jīng)過偏光膜的表面時，會有5%左右的反射損失，由于光度的損失及反射光將造成LCD辨識度的降低。改善的方法是在偏光膜的表面蒸鍍上一層金屬膜，利用光的干涉原理來降低反射值，將反射率降至1%以下。
(2) 抗眩(AG)處理
為了避免光線被過度集中，將偏光膜的表面加工做成凹凸狀，將光線均勻地分散，可達到防眩的效果。
有經(jīng)AG處理，其表面可達鉛筆3H硬度較耐刮，另霧度高可適用于大尺寸產(chǎn)品(大于12.1”)，主要是因LCD之背光源強的關(guān)系。另外隨著LCD之分辨率要求增加如UXGA級(1600 x 1200)對AG要求更細致化處理，目前偏光板制造商亦開始注意到此方面，相信最近會有對應產(chǎn)品供市場評估。
LCD偏光片生產(chǎn)的基本方法
目前偏光片生產(chǎn)技術(shù)以PVA膜的延伸工藝劃分，有干法和濕發(fā)兩大類；以PVA膜染色方法劃分，有染料系和碘染色兩大類。
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偏光片的干法生產(chǎn)技術(shù)是指PVA膜是在具有一定溫度和濕度條件的蒸汽環(huán)境下進行延伸的工藝方法，早期使用這種工藝方法的目的，是可以提高工藝的生產(chǎn)效率，使用幅寬較大的PVA膜進行生產(chǎn)而不至于經(jīng)常斷膜。但這種工藝的局限性在于PVA膜在延伸過程中的均勻性受到限制，因此所形成的偏光片原膜的復合張力、色調(diào)的均勻性和耐久性不易穩(wěn)定，因而在實際生產(chǎn)工藝中應用較少。? 偏光片的濕法生產(chǎn)技術(shù)是指PVA膜是在一定配比的液體中進行染色、拉伸的工藝方法。這種工藝方法早期的局限性在于PVA膜在液體中延伸的穩(wěn)定控制難度較大，因此使用這種工藝加工時PVA膜容易斷膜，且PVA膜的幅寬受到限制。但隨著工業(yè)控制技術(shù)的改進，這些濕法加工工藝的局限性已經(jīng)得到極大的改進，從20世紀90年代末起，日本偏光片企業(yè)已經(jīng)普遍采用幅寬1330㎜的TAC膜用濕法工藝進行偏光片的生產(chǎn)。特別是由于大尺寸TFT-LCD產(chǎn)品的大規(guī)模普及，為提高偏光片產(chǎn)品的利用率，以1330㎜為基本寬度的偏光片生產(chǎn)已經(jīng)成為液晶用偏光片生產(chǎn)的基本方法。?
偏光片生產(chǎn)工藝中的染色方法有碘染色法和染料染色法兩種工藝。碘染色法是指在偏光片染色、拉伸過程中，使用碘和碘化鉀作為二向性介質(zhì)使PVA膜產(chǎn)生極性化偏光特性。這種染色方法的優(yōu)點是比較容易獲得99.9%以上的高偏光度和42%以上高透過率的偏光特性。所以在早期的偏光材料產(chǎn)品或需要高偏光、高透過特性的偏光材料產(chǎn)品中大多都采用碘染色工藝進行加工。但這種工藝的不足之處就是由于碘的分子結(jié)構(gòu)在高溫高濕的條件下易于破壞，因此使用碘染色工藝生產(chǎn)的偏光片耐久性較差，一般只能滿足干溫：80℃×500HR，濕熱：60℃×90%RH×500HR以下的工作條件使用。
但隨著LCD產(chǎn)品使用范圍的擴大,對偏光產(chǎn)品的濕熱工作條件的要求越來越苛刻，已經(jīng)出現(xiàn)要求在100℃和90%RH條件下工作的偏光片產(chǎn)品需求，對這種工作條件要求，碘染色工藝就無能為力了。為滿足這種技術(shù)要求，首先由日本化藥公司發(fā)明了偏光片生產(chǎn)所需的染料，并由日本化藥的子公司日本波拉公司生產(chǎn)了染料系的高耐久性偏光片產(chǎn)品。利用二向性染料進行偏光片染色工藝所生產(chǎn)的偏光片產(chǎn)品，目前最高可以滿足干溫：105℃×500HR，濕熱：90℃×95%RH×500HR以下的工作條件的使用要求。但這種工藝方法所生產(chǎn)的偏光片產(chǎn)品一般偏光度和透過率較低，其偏光度一般不超過90%、透過率不超過40%，且價格昂貴。
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