液晶显示器偏光膜的基本原理

液晶显示器偏光膜的基本原理 

偏极光与偏光膜的基本原理
    大多数的人仍然对偏光膜这个名词感到陌生而不很清楚，故在此先对偏极光的现象及基本原理稍做说明。

偏极光
人类对光的了解依序可分成以下四个重要阶段：
1.十七世纪中，牛顿首先开始对光做有系统的研究，他发现到所谓的白光(White Light)是由所有的色光(Colored Light)混合而成。为了要解释这个现象，就有许多不同的理论衍生出来。
2.十九世纪初，杨氏(Thomas Young)利用波动理论成功的解释了大部分的光学现象如反射、折射和绕射等。
3.1873年，马克斯威尔发现光波是电磁波，其中它的电波和磁波是相依相存不能分开的，电场(E)、磁场(H)与电磁波进行的方向(k)这三者是呈相互垂直的关系。

图2

4.二十世纪初，爱因斯坦发现光的能量要用粒子学说才能解释，因而衍生出量子学。换言之，光同时具有波动及粒子两种特性。
    因为偏极光的理论是用波动学来解释的，所以往后的讨论都将光视为电磁波，并且为了简化易懂，我们只考虑其电场向量E。非偏极光的E可以用图2表示，图2中许多对称等长的辐射线表示E在E、H所组成的平面上振动，并且在各方向振动的机会均等。当E的分布不均时就称之为偏极化(Polarization)，如图3所示为部份偏极光，当E只在一个方向振动时则称之为线性偏极光(图4)。从向量的观点来看，当图2中各方向的向量投影到X和Y两个相互垂直的坐标轴上后，非偏极光可以分解为两条相垂直的线性偏极光(图5)。

图2：非偏极光

图3：部份偏极光

图4：线性偏极光

图5：相互垂直的线性偏极光

偏极光的制造
一般而言，制造偏极光的方法是由以下三个步骤：
1.制造普通非偏极光(图2)。
2.分解此非偏极光为两个相互垂直的线性偏极光(图5)。
3.舍弃一条偏极光，应用另一条偏极光(图4)。
能将非偏极光分解为两条偏极光，而舍弃其一的仪器称之为起偏器(Polarizer)，起偏器可以利用如吸收、反射、折射、绕射等光学效应来产生偏极光。

一般较常用的起偏器种类有以下数种：
(1) 反射型
当光线斜射入玻璃表面时，其反射光将被部分偏极化。利用多层玻璃的连续反射效果即可将非偏极光转为线性偏极光。

(2) 复屈折型
将两片方解石晶体接合，入射光线会被分解为两道偏极光，称为平常光与非常光。

(3) 二色性微晶型
将具有二色性的微小晶体有规则地吸附排列在透明的薄片上，这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，将膜内分子加以定向，再吸着具有二色性的物质，此为现今生产偏光膜最主要的方法。这类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，通常又称之为偏光膜(Polarizing Film)或偏光板(Polarizing Plate or Sheet)。英文上另外一个更通俗的称呼是Polarizing Filter。

偏光膜的起源
    偏光膜是由美国拍立得公司(Polaroid)创始人兰特(Edwin H. Land)于1938年所发明。六十年后的今天，虽然偏光膜在生产技巧和设备上有了许多的改进，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样。因此，在说明偏光膜的制程原理之前，先简单的叙述一下兰特当时是在什么情况下得到灵感，相信这有助于全面了解偏光膜的制程。
兰特于1926年在哈佛大学念书时看了一篇由英国的一位医生Dr. Herapath在1852年发表的论文，内容提到Dr. Herapath的一位学生Mr. Phelps曾不小心把碘掉入the solution disulfate of quinine，他发现立即就有许多小的绿色晶体产生，Dr. Herapath于是将这些晶体放在显微镜下观察，发现如下图所示：当两片晶体相重迭时，其光的透过度会随晶体相交的角度而改变，当它们是相互垂直时，光则被完全吸收(图6)；相互平行时，光可完全透过(图7)。

图6：光被完全吸收

图7：光可完全透过

这些碘化合物的晶体非常小，所以在实际应用上有了很大的限制，Dr. Herapath花了将近十年的时间来研究如何才能做出较大的偏光晶体，可是他并没有成功。因此，兰特认为这条路可能是不可行的，于是他采用了以下的方式：
●兰特把大颗粒晶体研磨(ball mill)成微小晶体，并使这些小晶体悬浮在液体中。
●将一塑料片放入上述的悬浮液中，然后再放入磁场或电场中定向。
●将此塑料片从悬浮液中取出，偏光晶体就会附盖在塑料片的表面上。
●将此塑料片留在磁场或电场中，干燥后就成为偏光膜。
    兰特的方法是将许多小的偏光晶体，有规则的排列好，这就相当于一个大的偏光晶体。他应用上述的方法，在1928年成功的做出了最早问世的偏光膜、J片。这种方法的缺点是费时、成本高和模糊不透明。但兰特已经发现了制造偏光膜的几个重要因素：(1)碘 (2)高分子 (3)定向(Orientation)。经过不断的研究改进，兰特终于在1938年发明了到现在还在沿用的制造方法，其基本原理将于下节中讨论。

偏光膜的工作原理
    时下最通用的偏光膜是兰特在1938年所发明的H片，其制法如下：首先把一张柔软富化学活性的透明塑料板(通常用PVA)浸渍在I2 / KI的水溶液中，几秒之内许多碘离子扩散渗入内层的PVA，微热后用人工或机械拉伸，直到数倍长度，PVA板变长同时也变得又窄又薄，PVA分子本来是任意角度无规则性分布的，受力拉伸后就逐渐一致地偏转于作用力的方向，附着在PVA上的碘离子也跟随着有方向性，形成了碘离子的长链。因为碘离子有很好的起偏性，它可以吸收平行于其排列方向的光束电场分量，只让垂直方向的光束电场分量通过，利用这样的原理就可制造偏光膜(如图8)。

图8

偏光膜的种类及发展
现今所使用偏光膜的种类
    偏光膜的应用范围很广，不但能使用在LCD做为偏光材料，亦可用于太阳眼镜、防眩护目镜、摄影器材之滤光镜、汽车头灯防眩处理及光量调整器，其它尚有偏光显微镜与特殊医疗用眼镜。为了满足轻量化及使用容易的要求，所以偏光膜的选择以高分子二色性型为主，这型起偏材料的种类有四：
(1) 金属偏光膜
将金、银、铁等金属盐吸附在高分子薄膜上，再加以还原，使棒状金属有起偏的能力，现在已不使用这种方法生产。
(2) 碘系偏光膜
PVA与碘分子所组成，为现今生产偏光膜最主要的方法。
(3) 染料系偏光膜
将具有二色性的有机染料吸着在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
用酸为触媒，将PVA脱水，使PVA分子中含一定量乙烯结构，再加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。

偏光膜的构造
    高分子膜在经过延伸之后，通常机械性质会降低，变得易碎裂。所以在偏光基体(PVA)延伸完后，要在两侧贴上三醋酸纤维(TAC)所组成的透明基板，一方面可做保护，一方面则可防止膜的回缩。此外，在基板外层可再加一层离型膜及保护膜，以方便与液晶槽贴合(如图十三)。

图十三：偏光膜的构造简图

LCD用偏光膜的质量特性
    由于LCD的显示非发光型，为了达到显示器明亮、易辨识的要求，偏光膜就必须具有清晰、高透过及高偏旋光性。近来LCD的使用愈来愈广泛，如民生、军事、高科技等。因应LCD的多样化及耐用性的提升，必须加强偏光膜的耐久性及耐旋光性。
    另外、在外观特性上，配合LCD画素的提高，偏光膜的表面必须是平滑且高精细化；若是在高温高湿的环境之下长时间使用，也必须维持偏旋光性能，且所用的黏着剂其安定性也是要求的要点之一。通常在偏光膜的制造过程中，都是在无尘室进行：
1.由于偏光膜的素材为PVA及TAC，所以其上不可有异物及未溶的树脂。
2.在偏光膜的贴合过程中，不可在涂胶、贴合及加工时有任何异物混入。
3.保护膜或离型膜等材料不可有任何缺陷。
4.在成品的表面及切断面，或包装袋上不可有任何异物附着混入。
若无法满足上述条件，则无法做出高解析、大尺寸、高精细化的偏光膜。

LCD用偏光膜的发展
(1) 碘系偏光膜
    PVA及碘所构成的偏光膜长久以来都在LCD的市场上占有相当大的比例。现今材料与延伸技术不断改良下偏光度及透过率都相当接近理论值(偏光度100%；透过率50%)。

(2) 耐久性偏光膜
    使用染料配方让偏光膜具有耐高温高湿、耐光等特性，大多使用在车、船舶或飞机用的LCD上。但偏光率不及碘系且价格昂贵是其缺点。现今发展是藉由PVA的延伸配向及开发在可见光区有均匀吸收的高偏旋光性能染料分子，其偏旋光性能已可与碘系偏光膜相当，唯价格方面仍比碘系偏光膜高。

(3) 光学补偿膜
    随着LCD产品技术愈来愈进步，故针对偏光膜之着色、视角、漏光等等要求相对提高，因此需要各种光学补偿膜去做补偿。例如(STN-LCD)因液晶分子之扭转超过90度造成使用直线偏光之偏光膜会有着色现象出现，其解决方法为加上一片位相差膜。 

表面处理
    表面加工处理可增加偏光膜的光学及机械性能。现今为了满足LCD多样化的要求，具有复合功能的偏光膜已在市场上销售。
1. 抗反射(AR)处理
    当光经过偏光膜的表面时，会有5%左右的反射损失，由于光度的损失及反射光将造成LCD辨识度的降低。改善的方法是在偏光膜的表面蒸镀上一层金属膜，利用光的干涉原理来降低反射值，将反射率降至1%以下。

(2) 抗眩(AG)处理
    为了避免光线被过度集中，将偏光膜的表面加工做成凹凸状，将光线均匀地分散，可达到防眩的效果。
    有经AG处理，其表面可达铅笔3H硬度较耐刮，另雾度高可适用于大尺寸产品(大于12.1”)，主要是因LCD之背光源强的关系。另外随着LCD之分辨率要求增加如UXGA级(1600 x 1200)对AG要求更细致化处理，目前偏光板制造商亦开始注意到此方面，相信最近会有对应产品供市场评估。

LCD偏光片生产的基本方法  

目前偏光片生产技术以PVA膜的延伸工艺划分，有干法和湿发两大类；以PVA膜染色方法划分，有染料系和碘染色两大类。
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偏光片的干法生产技术是指PVA膜是在具有一定温度和湿度条件的蒸汽环境下进行延伸的工艺方法，早期使用这种工艺方法的目的，是可以提高工艺的生产效率，使用幅宽较大的PVA膜进行生产而不至于经常断膜。但这种工艺的局限性在于PVA膜在延伸过程中的均匀性受到限制，因此所形成的偏光片原膜的复合张力、色调的均匀性和耐久性不易稳定，因而在实际生产工艺中应用较少。?  偏光片的湿法生产技术是指PVA膜是在一定配比的液体中进行染色、拉伸的工艺方法。这种工艺方法早期的局限性在于PVA膜在液体中延伸的稳定控制难度较大，因此使用这种工艺加工时PVA膜容易断膜，且PVA膜的幅宽受到限制。但随着工业控制技术的改进，这些湿法加工工艺的局限性已经得到极大的改进，从20世纪90年代末起，日本偏光片企业已经普遍采用幅宽1330㎜的TAC膜用湿法工艺进行偏光片的生产。特别是由于大尺寸TFT-LCD产品的大规模普及，为提高偏光片产品的利用率，以1330㎜为基本宽度的偏光片生产已经成为液晶用偏光片生产的基本方法。?

偏光片生产工艺中的染色方法有碘染色法和染料染色法两种工艺。碘染色法是指在偏光片染色、拉伸过程中，使用碘和碘化钾作为二向性介质使PVA膜产生极性化偏光特性。这种染色方法的优点是比较容易获得99.9%以上的高偏光度和42%以上高透过率的偏光特性。所以在早期的偏光材料产品或需要高偏光、高透过特性的偏光材料产品中大多都采用碘染色工艺进行加工。但这种工艺的不足之处就是由于碘的分子结构在高温高湿的条件下易于破坏，因此使用碘染色工艺生产的偏光片耐久性较差，一般只能满足干温：80℃×500HR，湿热：60℃×90%RH×500HR以下的工作条件使用。

但随着LCD产品使用范围的扩大,对偏光产品的湿热工作条件的要求越来越苛刻，已经出现要求在100℃和90%RH条件下工作的偏光片产品需求，对这种工作条件要求，碘染色工艺就无能为力了。为满足这种技术要求，首先由日本化药公司发明了偏光片生产所需的染料，并由日本化药的子公司日本波拉公司生产了染料系的高耐久性偏光片产品。利用二向性染料进行偏光片染色工艺所生产的偏光片产品，目前最高可以满足干温：105℃×500HR，湿热：90℃×95%RH×500HR以下的工作条件的使用要求。但这种工艺方法所生产的偏光片产品一般偏光度和透过率较低，其偏光度一般不超过90%、透过率不超过40%，且价格昂贵。