第1章 神奇的偏光片
在現(xiàn)代生活中，人們每天都花了大量時(shí)間把眼睛盯在手機(jī)、電腦和電視屏幕上，稍有常識的人都知道，那主要都是些液晶顯示器，更有些專業(yè)好奇心的人會懂得，液晶顯示器上離不開偏光片。
如圖1-1所示，如果手里有條聚乙烯醇無色透明薄膜，有瓶碘酒溶液，那么把這條薄膜浸泡到碘酒溶液中，數(shù)分鐘后取出來，薄膜會被染成深藍(lán)紫色。雙手抓住這條薄膜兩端，用力把它拉長幾倍，這條薄膜的顏色可能從深藍(lán)紫色變?yōu)榈�青紫色。拿剪刀把薄膜從中一分為二裁開，當(dāng)把兩條薄膜平行疊起來看時(shí)，它是半透明的�？墒钱�(dāng)轉(zhuǎn)動一條薄膜使之與另一條薄膜成十字交叉時(shí)，奇跡出現(xiàn)了，中間重疊部位，居然是漆黑不透明的了，這條淡青紫色薄膜就是神奇的偏光片了。這個(gè)情景在十幾年前的中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會液晶分會的某次年會上出現(xiàn)過，是幾位偏光片供應(yīng)商上臺表演的。偏光片作為偏振光學(xué)元件，具有柔性輕薄、面積不限的特點(diǎn)，從早期立體電影開始大眾通過偏光眼鏡知道了偏光片，到現(xiàn)在它成為液晶顯示器主要組成部件，隨著液晶顯示器的廣泛應(yīng)用，對偏光片的需求也急劇增加。沒有偏光片，就沒有立體電影和液晶顯示器，人們的日常生活也將倒退回幾十年前液晶顯示器沒有被廣泛應(yīng)用的年代。
圖1-1 簡易偏光片制作演示
1.1 偏光片的發(fā)明
偏光片誕生在美國，是埃德溫 赫伯特 蘭德（Edwin Herbert Land，1909～1991）發(fā)明的。蘭德是20世紀(jì)偉大的科學(xué)家和多產(chǎn)的發(fā)明家，也是成功的企業(yè)家和精明的商人，他的發(fā)明專利有535項(xiàng)之多，是知名度僅次于最偉大的發(fā)明家愛迪生的發(fā)明家，也是被喬布斯所崇拜的精神導(dǎo)師。偏光片被發(fā)明的起因是蘭德要解決晚上駕車安全問題，歷史故事是這樣講的。
傳說蘭德從小就喜歡讀光學(xué)方面的書，早就知道光的偏振性，他13歲那年參加夏令營活動就看到過方解石雙折射現(xiàn)象，并與人討論要解決晚上汽車燈晃眼導(dǎo)致交通不安全的問題。直到1926年他17歲就讀于哈佛大學(xué)物理系一年級時(shí)，還沒有大面積廉價(jià)的偏振光起偏器件，于是蘭德打定主意要發(fā)明這種實(shí)用的大面積偏光片。為了發(fā)明制造偏光片，蘭德決定休學(xué)，專心致志做實(shí)驗(yàn)。蘭德在紐約公立圖書館開始了他的偏振光學(xué)和化學(xué)研究工作，他發(fā)現(xiàn)哥倫比亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室晚上經(jīng)常不關(guān)窗子，他就爬進(jìn)去做實(shí)驗(yàn)。蘭德看了一篇由英國的一位醫(yī)生赫拉帕斯（William B. Herapath）在1852年發(fā)表的論文，內(nèi)容提到赫拉帕斯的一位學(xué)生曾不小心把碘掉入奎寧的硫酸溶液中，發(fā)現(xiàn)立即就有許多小的綠色晶體產(chǎn)生，赫拉帕斯于是將這些晶體放在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩片晶體相重疊時(shí)，其光的透過率會隨晶體相交的角度而改變：當(dāng)它們是相互垂直時(shí)，光被完全吸收；相互平行時(shí)，光可完全透過。這種晶體就是碘硫酸奎寧，又叫碘硫酸金雞納堿。硫酸奎寧本品系金雞納樹皮中的一種生物堿，分子式：（C20H24N2O2）2 H2SO4 2H2O，分子量：782.96，白色粉末或針狀結(jié)晶。赫拉帕斯花了將近十年的時(shí)間來研究怎樣才能做出較大的偏光晶體，但也沒有獲得成功。蘭德重復(fù)過赫拉帕斯的實(shí)驗(yàn)后確定這條路是不可行的，他采用了不同的方式：把大顆粒碘硫酸奎寧晶體研磨成微小晶體，并把這些小晶體粉末懸浮在液體中；把一塑料片放入這種懸浮液中，之后再放入磁場或電場中定向排列這些小晶體；把這個(gè)塑料片從懸浮液里撈出，偏光晶體就會定向黏附在塑料片的表面上，干燥后就制作成了偏光片。這個(gè)方法是將許多小的偏光微晶有規(guī)則地排列好，也就相當(dāng)于一個(gè)大的偏光晶體。蘭德采用這個(gè)方法，在1928年他19歲時(shí)成功地做出了最早的J型偏光片。
須知研磨的碘硫酸奎寧針狀晶體粉末尺寸還是太大，超過光波波長，制品模糊不透明。而且這種方法的缺點(diǎn)是既費(fèi)時(shí)，成本又高，但蘭德已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了制造偏光片的幾個(gè)重要因素：碘+聚合物+定向。經(jīng)過不斷的研究改進(jìn)，蘭德終于在1938年發(fā)明了到現(xiàn)在還在沿用的H型偏光片制造方法。蘭德制作這種偏光片的方法是把聚乙烯醇（poly vinyl alcohol，PVA）薄膜在水蒸氣浴中均勻加熱并拉伸，使那些無序地相互糾合在一起的長鏈分子在沿同一方向拉伸過程中排列整齊。之后在含碘溶液中浸泡經(jīng)過拉伸的PVA薄膜，使碘分子嵌入已被拉直的分子上去，形成一條條的碘分子鏈，經(jīng)晾干便成為性能優(yōu)良的H型人造偏光片。
偏光片制造技術(shù)中，先拉伸后染色即干法工藝，先染色后拉伸即濕法工藝。圖1-2為偏光片發(fā)明人蘭德的照片，蘭德為了偏光片兩度從哈佛大學(xué)退學(xué)，雖然后來獲得了很多大學(xué)的名譽(yù)學(xué)位，但并沒有拿到一張哈佛大學(xué)的畢業(yè)證書。
圖1-2 偏光片發(fā)明者——埃德溫 赫伯特 蘭德
在偏振光技術(shù)的發(fā)展史中，尼科耳（Nicol）棱鏡和沃拉斯頓（Wollaston）棱鏡都曾經(jīng)起過極其重要的作用。但是直到蘭德發(fā)明J型、H型人造偏光片后，才使偏振光技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，很快在科學(xué)研究儀器用偏光片和大眾生活用偏光太陽鏡以及觀看立體電影用偏光眼鏡等各個(gè)方面獲得廣泛應(yīng)用。
20世紀(jì)60年代末發(fā)明了液晶顯示器（LCD），70年代初發(fā)明了扭曲向列相液晶顯示器（TN-LCD），由于液晶顯示器上需要偏光片，70年代后日本開始生產(chǎn)用于TN-LCD的偏光片�，F(xiàn)如今，偏光片原理知識和制造技術(shù)為更多人所研究和關(guān)注，偏光片制造業(yè)成為一個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)。
1.2偏光片的結(jié)構(gòu)
偏光片是一種由多層聚合物材料復(fù)合而成的具有產(chǎn)生偏振光的光學(xué)功能薄膜，最典型最常用最大量的是吸收偏光片。
1.2.1 TN-LCD用偏光片的結(jié)構(gòu)
TN-LCD是最早獲得實(shí)際應(yīng)用的灰底黑字的液晶顯示技術(shù)，核心原理是液晶層90°扭曲的電控旋光效應(yīng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、耗電量極低、容易制造等特點(diǎn)。但是TN-LCD顯示信息容量低，只能應(yīng)用于最簡單的筆段式數(shù)字顯示和低路數(shù)驅(qū)動的簡單字符式靜態(tài)顯示，不能用于大信息容量、彩色顯示和動態(tài)顯示。
TN-LCD用偏光片的制作成本最低，要求不高，偏光片最基本的結(jié)構(gòu)為“三明治”，即一層聚乙烯醇（PVA）兩面各貼附一層三醋酸纖維素（tri-acetate cellulose，TAC），PVA層厚度約20μm，TAC層厚度厚些，最后偏光片有效厚度有100μm、120μm、180μm等規(guī)格。為了方便使用和得到不同的光學(xué)效果，偏光片供應(yīng)商應(yīng)液晶顯示器制造商要求，又在“三明治”的貼附面涂布一層壓敏膠（PSA），最后在兩個(gè)外側(cè)面貼上保護(hù)膜和離型膜來保護(hù)偏光片，這種偏光片是人們最常見到的TN-LCD普通全透射型偏光片。
如果去掉一層離型膜，再復(fù)合一層反射膜，就是最普通的反射型偏光片。如果去掉一層離型膜，再復(fù)合一層半反膜，就是半反射型偏光片。使用的壓敏膠為耐高溫防潮壓敏膠，并對PVA進(jìn)行特殊浸膠處理（染料系列產(chǎn)品），所制成的偏光片即為寬溫類型偏光片；在使用的壓敏膠中加入阻止紫外光通過的成分，則可制成防紫外光偏光片。幾種TN-LCD用偏光片結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，圖1-3（a）是透射型偏光片，圖1-3（b）是反射型偏光片，圖1-3（c）是半透半反射型偏光片。
圖1-3幾種TN-LCD偏光片結(jié)構(gòu)
1.偏光層
偏光層是由PVA薄膜經(jīng)染色拉伸后制成，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、透光率，同時(shí)也是影響偏光片色調(diào)和光學(xué)耐久性的主要部分。通過拉伸PVA薄膜將嵌入其中的碘分子定向，使之具有二向色性，吸收偏振方向與拉伸方向相同的光分量，透射與拉伸方向垂直的光分量。
2.TAC層
單純由PVA制成的偏光膜經(jīng)過拉伸處理后，其在溫?zé)岬沫h(huán)境中會很快變形、收縮、松弛，而且強(qiáng)度很低，質(zhì)脆易破，不便于使用和加工，且因易吸水、褪色而喪失偏光性能。因此，需要在其兩邊各用一層光學(xué)均勻性和透明性良好而且強(qiáng)度高的TAC膜進(jìn)行貼附來隔絕水分和空氣，一方面可以起保護(hù)偏光層的作用，另一方面則可防止聚乙烯醇膜的回縮。采用具有紫外隔離（UV-cut）和防眩（anti-glare）功能的TAC膜可制成防紫外光型偏光片和防眩型偏光片。
3.黏合劑
為了讓偏光片能與液晶顯示器的玻璃面板貼合，需在偏光片外側(cè)涂上一層黏合劑，并復(fù)合上保護(hù)壓敏膠的離型膜，其在偏光片貼附時(shí)即被撕去。黏合劑可分為反射膜側(cè)黏合劑和離型膜側(cè)黏合劑。反射膜側(cè)黏合劑的作用是將反射膜牢固地黏合在TAC膜上，其工藝要求不允許有再剝離性。離型膜側(cè)黏合劑是一層壓敏膠，它決定了偏光片的黏結(jié)性能及貼片加工性能，其性能優(yōu)劣是LCD偏光片使用者最為關(guān)心的問題之一。
4.離型膜
離型膜為單側(cè)涂布硅涂層的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜，主要起保護(hù)壓敏膠層的作用，同時(shí)其剝離力的大小對LCD貼片時(shí)的作業(yè)性有一定影響。撕去離型膜，露出壓敏膠，偏光片就可方便牢固地貼到液晶顯示器的玻璃面上。
5.保護(hù)膜
保護(hù)膜有聚乙烯（polyester，PE）膜和聚對苯二甲酸乙二醇脂（polyethylene terephthalate，PET）膜，PE保護(hù)膜為單側(cè)涂布乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）層的膜，具有低黏性，起保護(hù)TAC膜表面的作用；PET保護(hù)膜起保護(hù)壓敏膠層作用。在偏光片產(chǎn)品手冊中，標(biāo)注的偏光片有效厚度不包括離型膜和保護(hù)膜厚度。
6.反射膜
反射膜為單側(cè)鍍鋁的PET膜，目前大多使用無指向反射型蒸鍍鋁膜。例如，將反射膜更換為半透半反膜，則可制成半透半反型偏光片。此外，也可使用各種鍍金膜、鍍銀膜、鐳射膜作為反射膜，以獲得各種底色和鏡面反射等效果。
1.2.2 STN-LCD用偏光片的結(jié)構(gòu)
STN-LCD（超扭曲向列相液晶顯示器）顯示技術(shù)是繼TN-LCD之后獲得大量應(yīng)用的顯示技術(shù)，核心原理是液晶層扭曲角180°～270°的電控雙折射效應(yīng)，不加補(bǔ)償膜的黃綠模式是綠底黑字顯示，加補(bǔ)償膜可以是黑白模式，加補(bǔ)償膜再加彩色濾光膜是彩色模式。STN-LCD顯示容量、分辨率、響應(yīng)速度和視角等都有所提高，STN-LCD可用于中小尺寸的靜態(tài)文字和圖像顯示。
黃綠模式STN-LCD用偏光片與TN-LCD用偏光片的結(jié)構(gòu)相同，只是貼片方向角度有差異。黑白模式STN-LCD用偏光片是在TN-LCD用偏光片結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在TAC和壓敏膠間額外再復(fù)合上雙折射光學(xué)補(bǔ)償膜。STN-LCD用偏光片雖然還有黑白系列和彩色系列之分，但都是取決于相位差膜的相位補(bǔ)償量，結(jié)構(gòu)并沒有特別區(qū)分。相位差膜是種光學(xué)各向異性聚合物材料，用以改善液晶顯示器的顏色。STN-LCD用偏光片要求比較高，結(jié)構(gòu)如圖1-4所示。
圖1-4 STN-LCD用偏光片結(jié)構(gòu)
1.2.3 TFT-LCD用偏光片的結(jié)構(gòu)
TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）是點(diǎn)像素控制顯示技術(shù)，分辨率最高，視角和響應(yīng)速度都達(dá)到動態(tài)顯示要求，產(chǎn)品涵蓋小尺寸的手機(jī)屏、中尺寸的電腦屏和大尺寸的電視屏。TFT-LCD對偏光片的要求最高，附加功能最多。手機(jī)等小尺寸TFT-LCD用偏光片要求不高，結(jié)構(gòu)與TN-LCD相同。中大尺寸TFT-LCD用偏光片成對使用，后偏光片需要附加增亮膜功能，前偏光片需要附加視角補(bǔ)償功能和防�？狗吹裙δ�，這是最高檔的TFT-LCD用偏光片。增亮膜有棱鏡增亮膜和多層膜反射偏光片增亮膜兩種，增亮型偏光片結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，圖1-5（a）為增亮型偏光片，圖1-5（b）為反射偏光片。多層膜反射偏光片本來就已經(jīng)既是偏光片又是增亮膜了，但人們出于對液晶顯示器特性的苛刻要求，還是把它和吸收偏光片貼在一起來用。
1.2.4 其他偏光片的結(jié)構(gòu)
OLED（有機(jī)電致發(fā)光顯示器）用偏光片結(jié)構(gòu)與STN-LCD用偏光片結(jié)構(gòu)相似。觀看立體電影用的3D眼鏡偏光片不需要貼到液晶顯示器上去，也就可以省去壓敏膠層，3D眼鏡用偏光片結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。
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