偏光片的原理、作用及生產工藝

2021-01-19 光電與顯示

偏光片的原理及作用

偏光片由美國Polaroid公司的EdwinH.Land在1938年所發明,是將一般不具有偏極性的自然光變成偏振光的光學元件。所有的液晶面板都有上下兩片偏光片,其中一個是起偏器,一個是檢偏器。偏光片起到光開關的作用,液晶顯示器必須依靠偏振光才可成像。背光模組負責為液晶屏顯像提供最基本的光源,但送出來的光線方向性不一致,呈放射狀,如果這樣的光線通過液晶分子的扭轉,我們在屏幕上看到的可能是白茫茫的一片,或者是花花綠綠的色塊。下偏光片則承擔了將光線的方向規範成一致後再送往液晶層的工作。液晶分子在TFT控制下發生扭轉,達到將方向一致的光線通亮進行控制,從而在通往後面像素單元的光線明暗度發生了改變。液晶本身沒有顏色,所以用濾色片產生各種顏色。原本方向一致光線經過了液晶層的扭轉後又變得方向不一致,所以如果不把呈漫射狀的光線再次規整,則在屏幕前看到的依然是白茫茫一片,被液晶扭轉過了的光線並沒有體現出來,所以必須在此將漫射光進行規整,使用一片與下偏光片偏光方向正交偏光片將經過液晶扭轉的光心重新進行偏轉,不同角度的光線經過上偏光板的亮度不同,所以我們可以在屏幕上可以看到明暗交替畫面,因為被偏轉的光線是經過了彩色濾色片的彩色光,所以我們在屏幕前可以看到我們需要的圖像。

偏光片的結構及類別

偏光片是一種複合膜,是由偏光膜、內保護膜、壓敏膠層及外保護膜組成。其基本結構是由兩面三醋酸纖維素膜(TAC)夾一層能產生偏振光線的聚乙烯醇膜(PVA)。市場上主要有以下幾種類型的偏光片:透射式偏光片、反射式偏光片(屬於增亮膜的一種)、半透過半反射式偏光片、補償型偏光片,表面一般經過防眩(AG)或減反射(AR)處理。在使用的壓敏膠中加入阻止紫外線通過的成份,則可製成防紫外線偏光片。對使用的壓敏膠、PVA膜或TAC膜著色,即為彩色偏光片。

偏光片的工藝

世界上各國偏光片的工藝方法都相差無幾,只是在使用原材料和具體技術細節方面各有特點。技術主流是碘系延伸法。

偏光板的製作有延伸法及塗布法,其中延伸法是主流工藝。偏光片生產技術以PVA膜的延伸工藝劃分,有幹法和溼法兩大類。幹法是指PVA膜是在具有一定溫度和溼度條件的蒸汽環境下進行延伸,早期使用的目的是可以提高工藝的生產效率,使用幅寬較大的PVA膜進行生產而不至於經常斷膜。但這種工藝的局限性在於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複合張力、色調的均勻性和耐久性不易穩定,因而實際應用較少。溼法是指PVA膜是在一定配比的液體中進行染色、拉伸的工藝方法。這種工藝早期的局限性在於PVA膜在液體中延伸的穩定控制難度較大,因此加工時PVA膜容易斷膜,且PVA膜的幅寬受到限制。但隨著改進,溼法工藝的局限性已得到極大的改進。從20世紀90年代末起,日本偏光片企業已普遍採用幅寬1330mm的TAC膜用溼法工藝。特別是由於大尺寸TFT-LCD產品的大規模普及,為提高偏光片產品的利用率,以1330mm基本寬度已成為液晶用偏光片生產的基本方法。

以PVA膜染色方法劃分,偏光片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使PVA膜產生極性化偏光特性。優點是比較容易獲得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品或需要高偏光、高透過特性的偏光材料產品中大多都採用碘染色工藝進行加工。但這種工藝的不足之處就是由於碘的分子結構在高溫高溼的條件下易於破壞,因此使用碘染色工藝生產的偏光片耐久性較差,一般只能滿足幹溫:80℃×500HR,溼熱:60℃×90%RH×500HR以下的工作條件使用。但隨著LCD產品範圍的擴大,對偏光產品的溼熱工作條件的要求越來越苛刻,已經出現在100℃和90%RH條件下工作的偏光片需求。對這種要求,碘染色工藝就無能為力了。為滿足這種技術要求,首先由日本化藥公司發明了偏光片生產所需的染料,並由日本化藥的子公司日本波拉公司生產了染料系的高耐久性偏光片產品。利用二向性染料進行偏光片染色工藝所生產的偏光片產品,目前最高可以滿足幹溫:105℃×500HR,溼熱: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的偏光片產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。

綜上所述:

碘系偏光片:容易獲得高透過率、高偏振度的光學特性,但耐高溫高溼的能力較差。價格比較便宜,所以市場佔有率高達80%~90%,應用領域廣泛,如:手錶,計算機,PC,OA機器等,所需LCD都大量採用碘系偏光片。

染料系偏光片:不容易獲得高透過率、高偏振度的光學特性,但耐高溫高溼的能力較好。所以在汽車,船舶,航空器,戶外量測儀器上就得採用此類耐久性偏光片。


偏光片工藝流程圖


偏光片生產技術以 PVA 膜的拉伸工藝劃分,有幹法和溼法兩大類。幹法拉伸工藝是指先在一定溫度、溼度的條件下,在惰性氣體環境中將 PVA 膜拉伸到一定倍率,然後進行染色、固色、複合、乾燥等的製備工藝;溼法拉伸工藝是指PVA 膜先進行染色,然後在溶液中進行拉伸、固色、複合、乾燥的生產方法。目前,全球偏光片生產企業主要以溼法拉伸技術為主。

而三利譜採用的是當前偏光片生產的主流工藝碘系生產技術和溼法拉伸工藝。公司偏光片的生產流程分為前、中、後三段工序,前工序是核心環節。主要工序簡圖如下:


1、前工序(TAC 膜清洗及 PVA 膜延伸與複合)

前工序包括 TAC 膜的預處理和 PVA 膜的延伸與複合。TAC 膜的預處理製程系將 TAC 膜進行鹼液處理,經過水洗槽清洗殘留的鹼液後,烘乾收卷,此製程主要目的在於降低 TAC 膜的接觸角,便於與 PVA 膜的貼合。具體如下:

PVA 膜的延伸和複合製程是先將經過純水膨潤後的 PVA 膜浸入染色槽,吸附二向吸收的碘分子,再經過延伸槽對碘分子進行拉伸取向,烘乾之後將 PVA膜與兩層預處理之後的 TAC 膜複合在一起,得到偏光膜。具體如下:


2、中工序(塗布與複合生產線)

中工序是塗布壓敏膠與複合離型膜等其他膜材的製程。該工序系將壓敏膠塗布在離型膜上,經過烘箱將壓敏膠中的水分蒸發出去後,並與前工序生產的偏光膜貼合到一起後收卷,之後放置到恆溫固化室進行固化,有時因產品類型不同,需要複合其它相關的光學薄膜。具體如下:


3、後工序(裁切生產線)

將固化好的偏光片按需要的尺寸大小進行裁切、磨邊、清潔、檢驗、包裝。具體如下:


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    ,偏光片的全稱是偏振光片,液晶顯示器的成像必須依靠偏振光,所有的液晶都有前後兩片偏振光片緊貼在液晶玻璃,組成總厚度1mm左右的液晶片。如果少了任何一張偏光片,液晶片都是不能顯示圖像的。偏光片的基本結構包括:最中間的PVA(聚乙烯醇),兩層TAC(三醋酸纖維素),PSA film(壓敏膠),Release film(離型膜) 和Protective film(保護膜)。  偏振光片之所以換掉偏光片,是因為普通液晶顯示器面對眼睛的那張偏光片是磨砂處理的,以消散表面反光,並且把光散射以增加液晶顯示器的視角。
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    偏光片的作用是將全向光線變成單一方向的偏振光,偏振光方向與偏光片透過軸方向平行,垂直於透過軸方向的光則被吸收。 偏光片原理示意圖 偏光片由多層膜複合而成,核心膜材 PVA 負責偏振作用。偏光片由 PVA 膜,TAC膜,保護膜,離型膜和壓敏膠組成,其中,吸附二向吸收分子的 PVA 膜負責偏振作用,是偏光片的核心膜材,決定偏光片的偏光性能,透過率及色調等關鍵參數, TAC 膜則起到對延伸的 PVA 膜的支撐和保護。
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    如果少了任何一張偏光片,液晶片都是不能顯示圖像的。3D眼鏡就是運用了這種原理。   偏振光片之所以叫偏光片,是因為普通液晶顯示器面對眼睛的那張偏光片是磨砂處理的,以消散表面反光,並且把光散射以增加液晶顯示器的視角。對於投影機來說,任何散射都會造成光線的損失,投影機用的液晶片理想狀態應該是0度視角,即偏離垂直方向看液晶片,就沒有光線了。
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  • 偏光片製造技術概況
    偏光片的生產工藝按拉伸工藝來分,有幹法拉伸和溼法拉伸兩種;按染色工藝來分,有染料染色和碘系染色兩種。偏光片的製備過程包括前工序、中工序和後工序三個工序。前工序包括制膜、清洗、染色、拉伸、複合 TAC 保護膜及烘乾固化等步驟。
  • LCD用偏光片的結構及主要性能解析
    各層的材質和主要功能偏光層:是由PVA(聚乙烯醇)薄膜經染色拉伸後製成,該層是偏光片的主要部分,也稱偏光原膜。偏光層決定了偏光片的偏光性能、透過率,同時也是影響偏光片色調和光學耐久性的主要部分。偏光層的基本加工工藝按染色方法可分為染料系和碘系兩大系列,按拉伸工藝可分為幹法拉伸和溼法拉伸兩大系列,改變其材料和加工工藝可實現對偏光度、透過率、色調和光學耐久性的調整。TAC層:由PVA膜製成的偏光層易吸水、褪色而喪失偏光性能,因此需要在其兩邊用一層光學均勻性和透明性良好的TAC(三醋酸纖維素酯)膜來隔絕水分和空氣,保護偏光層。
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