偏極光與偏光膜的基本原理

1、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(gè)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(gè)重要階段：1.十七世紀(jì)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(gè)現(xiàn)象，就有許多不同的理論衍生出來。2.十九世紀(jì)初，楊氏(Thomas Young)利用波動(dòng)理論成功的解釋了大部分的光學(xué)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

2、和磁波是相依相存不能分開的，電場(E)、磁場(H)與電磁波進(jìn)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(jì)初，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光的能量要用粒子學(xué)說才能解釋，因而衍生出量子學(xué)。換言之，光同時(shí)具有波動(dòng)及粒子兩種特性。    因?yàn)槠珮O光的理論是用波動(dòng)學(xué)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(dòng)，并且在各方向振動(dòng)的機(jī)會(huì)均等。當(dāng)E的分布不均時(shí)就稱之為偏極化(Polarization)，如圖3所示為部份偏極光，當(dāng)E只在一個(gè)方向振動(dòng)時(shí)

3、則稱之為線性偏極光(圖4)。從向量的觀點(diǎn)來看，當(dāng)圖2中各方向的向量投影到X和Y兩個(gè)相互垂直的坐標(biāo)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(gè)步驟：1.制造普通非偏極光(圖2)。2.分解此非偏極光為兩個(gè)相互垂直的線性偏極光(圖5)。3.舍棄一條偏極光，應(yīng)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(xué)效應(yīng)來產(chǎn)生偏極

4、光。一般較常用的起偏器種類有以下數(shù)種：(1) 反射型當(dāng)光線斜射入玻璃表面時(shí)，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(fù)屈折型將兩片方解石晶體接合，入射光線會(huì)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(Polar

5、izing Film)或偏光板(Polarizing Plate or Sheet)。英文上另外一個(gè)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(jìn)，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(dāng)時(shí)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(xué)念書時(shí)看了一篇由英國的一位醫(yī)生Dr. H

6、erapath在1852年發(fā)表的論文，內(nèi)容提到Dr. Herapath的一位學(xué)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(dāng)兩片晶體相重疊時(shí)，其光的透過度會(huì)隨晶體相交的角度而改變，當(dāng)它們是相互垂直時(shí)，光則被完全吸收(圖6)；相互平行時(shí)，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(shí)際應(yīng)用上有了很大的限制，Dr. Hera

7、path花了將近十年的時(shí)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(rèn)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(huì)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(dāng)于一個(gè)大的偏光晶體。他應(yīng)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(diǎn)是費(fèi)時(shí)、成本高和模糊

8、不透明。但蘭特已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了制造偏光膜的幾個(gè)重要因素：(1)碘 (2)高分子 (3)定向(Orientation)。經(jīng)過不斷的研究改進(jìn)，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(shí)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(xué)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(kuò)散滲入內(nèi)層的PVA，微熱后用人工或機(jī)械拉伸，直到數(shù)倍長度，PVA板變長同時(shí)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

9、，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?yàn)榈怆x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(yīng)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(hù)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

10、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(jī)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(jī)械性質(zhì)會(huì)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(hù)，一方面則可防止膜的回縮。此外，在基板外

11、層可再加一層離型膜及保護(hù)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用偏光膜的品質(zhì)特性    由于LCD的顯示非發(fā)光型，為了達(dá)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(yīng)LCD的多樣化及耐用性的提升，必須加強(qiáng)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(xì)化；若是在高溫高濕的環(huán)境之下長時(shí)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(diǎn)之一。通常在偏光膜的制造

12、過程中，都是在無塵室進(jìn)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(shí)有任何異物混入。3.保護(hù)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(xì)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(dāng)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(dāng)接近理論值(偏光度100%；透過率50%)。(2) 耐久性偏光膜 

13、60;  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(jī)用的LCD上。但偏光率不及碘系且價(jià)格昂貴是其缺點(diǎn)?，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(dāng)，唯價(jià)格方面仍比碘系偏光膜高。(3) 光學(xué)補(bǔ)償膜    隨著LCD產(chǎn)品技術(shù)愈來愈進(jìn)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(xué)補(bǔ)償膜去做補(bǔ)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(huì)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(xué)及機(jī)械性能。現(xiàn)今為了滿足LCD多樣化的要求，具有復(fù)合功能的偏光膜已在市場上銷售。1. 抗反射(AR)處理    當(dāng)光經(jīng)過偏光膜的表面時(shí)，會(huì)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 &