偏光片 偏光片知识讲座,第五讲,偏光片的性能和检验

　　摘 要：全文详细综述偏光片的发明和应用、偏振光学基础、偏振元件原理、偏光片的结构、制造、性能、检测、实验、技术发展、产业现状、市场前景等系列知识，文章对于从事偏光片生产和应用工作的新成员具有入门指导意义，对于偏光片研究者也具有一定的参考价值。
　　关键词： 偏光片；偏振光学；原理；制造；检验
　　中图分类号：TN949.199 　 文献标识码：B
　　A Course of Polarizer Knowledge
　　Part Five The Properties and Examination of Polarizer
　　FAN Zhi-xin
　　(Shenzhen Sunnypol Optoelectronics Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518106, China; Department of Applied Physics, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)
　　Abstract: This paper summarize the polarizer knowledge in detailed, include about of the invention and application of polarizer, the basic of polarization optics, the principle of polarizing devices, the structure and manufacture of polarizer, the properties and examination of polarizer, and the technology development and market state of polarizer. It have a common direct sense for new recruits in polarizer industry and a refer value for polarizer research workers.
　　Keywords: polarizer; polarization optics; principle; manufacture; examination
　　1　偏光片的性能及指标
　　LCD偏光片的基本性能指标主要有：光学性能、耐久性能、粘接特性、外观性能以及其它特殊性能几个方面。
　　1.1　偏光片的光学性能
　　偏光片的光学性能包括：偏振度、透光率和色调三项主要性能指标，其它还包括防紫外线性能以及半透射型偏光片半透膜的透光率、全反射率和漫反射率指标。在一般LCD产品的使用中，要求偏振度和透光率性能指标越高越好。偏振度和透光率越高，LCD显示器件的显示效率就越高，相对能耗就小。但对常规碘染色的偏光片产品而言，偏振度和透光率是一对矛盾，偏振度越高，透光率就会越低，而且还要受到色调的约束，因此一般普通型偏光片产品的偏振度都在90～99%之间，透光率在41%～44%之间。三利谱偏光片透射型透光率在42%以上，偏振度在98%以上；反射型反射率在27%以上，偏振度在98%以上；半透射系列透光率为4～24%，反射率为16～28%，偏振度在98%以上；黑白STN系列透光率在42%以上，偏振度在98%以上；彩色STN系列透光率在42%以上，偏振度在99.9%以上；OLED系列透光率在43%以上，偏振度在99.9%以上；3D系列透光率在41%以上，偏振度在98%以上；TFT系列透光率在43%以上，偏振度在99.9%以上。色调指标主要为满足人们的视觉习惯，同时要求偏光片产品的色调偏差要小，以保证LCD产品最终色调的一致性，这主要由偏光片产品的色度坐标参数值和它们的控制公差范围来标识，一般控制公差的范围越小越好。
　　1.2　偏光片的耐久性能
　　偏光片的耐久性技术指标包括耐高温、耐湿热、耐低温和耐冷热冲击四项，其中最重要的是耐湿热性能指标的高低。耐高温是指偏光片在恒定烘烤温度下的耐温工作条件，目前根据偏光片的技术等级，通常分为通用型：工作温度为70℃×500HR；中耐久型：工作温度为80℃×500HR；高耐久型：工作温度在90℃×500H以上这三个等级。耐湿热技术指标是指偏光片在恒温恒湿条件下的耐湿热工作性能，通常也分为三个技术等级，即通用型：湿热工作条件为40℃×90%RH×500HR；中耐久型：湿热工作条件为60℃×90%RH×500HR；高耐久型：湿热工作条件为：70℃×95%RH×500HR以上。由于构成偏光膜的基本材料PVA膜和碘及碘化物都是极易水解的材料，同时也由于偏光片所使用的压敏胶在高温高湿条件下容易劣化，因此，在偏光片的耐久性技术指标中最重要的就是耐高温和耐湿热指标，如果耐高温和耐湿热指标通过，其它耐久性能指标通常都不会发生问题。
　　1.3　偏光片的粘结性能
　　偏光片的粘接特性技术指标主要指偏光片压敏胶的各项特性，一般包括：压敏胶与玻璃基板之间的剥离力、压敏胶与剥离膜之间的剥离力、偏光片保护膜与偏光片之间的剥离力以及压敏胶的粘接耐久性。压敏胶与玻璃基板之间的剥离力也称粘合剂的粘接强度，这是LCD偏光片产品最重要的粘接特性指标。这个技术指标通常用日本电子机械工业协会规格EIAJ-ED-2521A标准来加以测定，以g/25mm为单位来表示，通常LCD偏光片压敏胶对玻璃基板的剥离力都规定在500g/25mm以上，而实际使用中上限一般在1,000g/25mm以下。有实际的事例表明，当粘合剂对玻璃基板的剥离力在500g/25mm以下时，会发生偏光片在玻璃屏表面粘合后自动剥离和翘曲的现象。
　　1.4　偏光片的外观指标
　　偏光片的外观性能技术指标主要是指偏光片产品的表面平整度和外观欠点的个数，这些技术指标主要影响偏光片产品在贴片时的利用率。这些技术指标在偏光片行业通常都有着较为一致的技术规定，一般为每张偏光片产品（500×1,000mm）15个以下不大于150μm的欠点。由于偏光片产品的最终外观检查都是采用人工目视检查，因此在偏光片产品批量生产过程中，外观欠点的分布会有一定的离散分布，对此，各个偏光片生产企业都是采用一定的内控规格与交货规格的差值来保证交货质量标准。但应该注意，由于150μm已经是接近人眼目视分辨的最小极限，尤其是在工业化大批量生产过程中，检查人员在长时间作业中还会产生视觉疲劳，因此150μm的欠点检查标准是较为合理可信的。 　　1.5　影响偏光片性能指标的主要因素
　　影响偏光片性能的主要因素都与偏光片的基本性能指标有关。影响偏光片光学性能技术指标的主要影响因素包括：偏光膜材料的选择、染色材料的选择、偏光膜染色、拉伸工艺条件的选择以及设备能力的限制。这些都涉及到偏光片生产的核心技术，因此偏光片生产企业对这些材料和工艺条件的选择都是十分慎重的，一般不会轻易变更。一旦偏光片生产企业的产品为客户所认定通过，偏光片生产企业就会采取严格的生产质量管理措施，来保证偏光片产品光学性能的稳定。
　　偏光片产品耐久性技术指标实际包括二个方面的耐久性指标：偏光片的耐久性和压敏胶粘合剂的耐久性。影响偏光片耐久性的主要影响因素包括：偏光片基本材料的选择、染色材料的选择以及偏光片染色、拉伸、复合的工艺条件等要素。一般而言，偏光片所选用的PVA膜分子量越大、拉伸倍率越高，则偏光片的耐久性越好，反之也是一样。同时偏光片在生产过程中的着色度越好，所用染料的抗解能力越强，则偏光片的耐久性也就越好，因此染料系偏光片的耐久性要远好于碘染色系偏光片产品的耐久性。
　　影响压敏胶粘合剂耐久性的主要因素包括：粘合剂配方的选择、粘合剂溶剂的选择、粘合剂调和工艺条件的选择、粘合剂干燥工艺条件的选择以及粘合剂储存条件的选择。应该注意，粘合剂的耐久性指标是一个综合性指标，它的影响是多方面的，而且这是偏光片生产的另一个核心技术，一般偏光片生产企业在确定了粘合剂的工艺条件之后都不会轻易改变，并且有着严格的工艺质量管理要求，否则极易造成批量的产品不良。
　　影响偏光片外观性能的主要因素也是多方面的，主要有：偏光片生产的环境净化条件、偏光片生产的材料选择、偏光片生产的设备条件、偏光片生产的工艺流程和工艺配方、偏光片包装、储存、运输条件，以及偏光片在客户使用时的存放环境和加工方法。总之，偏光片是一种非常"娇气"的产品，必须仔细地加以保管和使用，否则就很容易造成表面凹点、黑点和翘曲等表面不良的出现。
　　1.6　偏光片的选用规则
　　A+级产品的面片，原则上选用原厂整张偏光片，部分产品可用TFT无旋光三角料；底片原则上选用原厂整张偏光片。A级产品的面片，一般选用原厂等级整张偏光片，TFT无旋光三角料，或是库存量较多TFT边角料偏光片，或者是以后是采购主要渠道供应商的TFT边角料偏光片，底片用原厂等级整张偏光片或复合底片。B级产品的面片，尽量使用库存量较少TFT边角料偏光片、碎料片，或者是以后不再是采购主要渠道供应商的TFT边角料偏光片，底片用复合底片。客户有特殊要求时，按客户要求选用特殊偏光片。
　　1.7　偏光片的使用方法
　　轻拿轻放，不能用硬物在表面上推划，取放时不能折叠。对等级片和边角料片在投入生产前要进行分色筛选。贴片时，一定要让LCD表面上残留的清洁液完全挥发干净后，才能贴上偏光片。超宽温偏光片分切时一定要胶水面朝下放置。
　　1.8　偏光片的贮存及搬运方法
　　偏光片的贮存方法：偏光片应贮存在室温条件下，湿度在75%以下遮光保存；贮放时要求平放；供应商完整包装偏光片，按供应商标识的堆放高度和堆放位置堆放；快递包装的偏光片、散装堆偏光片，堆放时每300张需单独隔离支撑堆放。偏光片的搬运方法：偏光片搬运时要放置在搬运物最上层，高度不能超过规定的堆放高度，并且要轻拿轻放，不能竖放，不能碰压。储存条件：产品应密封好，储存在通风良好、干燥的库房中，温度为23±2℃，湿度为60±5%RH；产品的内包装开封后，要及时使用，并按照规定的储存环境存放；在库房堆放时高度不得超过10箱。包装：产品每一片之间用隔离纸进行防压隔离，产品内包装为铝箔复合袋，具有防光辐射、防潮功能，每袋内装20片，产品外包装采用纸箱包装，每箱内装5袋，共计100片。
　　2　偏光片的检验
　　2.1　偏光片的环境试验标准
　　高温贮存试验条件：70℃×500h；判断标准：单体透过率（T）、偏振度变化（P）≤5%、无曲翘、气泡、分层、剥离。高温高湿试验条件：40℃×95%RH×500h；判断标准：单体透过率、偏振度变化≤3 %、无曲翘、气泡、分层、剥离。耐寒试验条件：-40℃×500h；判断标准：单体透过率、偏振度变化≤3%、无曲翘、气泡、分层、剥离。
　　2.2　测试方法
　　2.2.1　外观尺寸测试
　　环境条件如果没有特别注明，测试在室温条件下进行（23±2℃，60±5%RH）。尺寸检验：在室温下，用直尺和量角仪，分别测量产品的长度、宽度以及角度，测量结果应符合要求。整片厚度：厚度用千分尺测量三次，并取三次测量的平均值。压敏胶厚度：用千分尺测出附有压敏胶和剥离膜时的厚度d1，撕下剥离膜，用甲苯将压敏胶清洗干净，再将剥离膜附上，测出厚度d2。压敏胶层厚度d=d1-d2，至少测试3个点，得到平均值，数据应符合要求。外观检验：40W日光灯下，人眼距离偏光片20cm处观察各种点状缺陷，平均直径L大于0.15mm计数，小于0.15mm忽略不计。
　　2.2.2　光学性能测试
　　光学性能检验单体透过率，用分光光度计测试400nm到700nm的光谱曲线，用人眼视觉函数曲线进行修正，得到光学平均值，数据应符合要求。偏光片的光学性能主要用三个参数来判定：透光率T、偏振度P和色调。透光率T定义为T=I/I0，其中I0表示入射自然光的光强，I表示偏光片的透射光强。透光率表征了偏光片对光能量的传递比例。偏振度P定义为P=（I∥-I⊥）/（I∥+I⊥），其中I∥和I⊥分别表示两个偏光片组合时，透光轴平行和垂直时所对应的透射光强。偏振度表征了当自然光入射到偏光片后，透射光中完全偏振光所占的比率，它表示偏光片的起偏程度，愈接近1愈好。在实际应用中，偏光片有一定的最佳偏振区，透光率最高可达42%以上，偏振度可达99.9以上；耐温性H片稍差，约60℃左右，而K片可达80℃以上，目前生产和使用以H片和K片为主，国内生产较为普遍的是H片。色调，显示产品外观颜色特征，由400nm到700nm的光谱曲线，根据CIE-1976标准，计算得到的数据应符合要求。 　　2.2.3　粘接力测试
　　粘接力检验，与玻璃粘接力，切割偏光片样品25mm宽，180mm长，从一端剥掉剥离膜135mm，用胶辊将样品贴在玻璃上，压力为2kg，然后静置1小时。在材料试验机上进行90°剥离测试，行进速度为200mm/min，测得的数据作为与玻璃粘接力。至少测试3个样品，得到峰值的平均值作为与玻璃的剥离力。剥离膜，切割样品，大小为25mm宽，175mm长，将剥离膜剥开75mm，剩下100mm长，然后将偏光片固定住，用夹子夹住剥离膜，以500mm/min的速度进行剥离，测出的数据即为剥离力。至少测试3个样品，得到峰值的平均值作为剥离膜的剥离力。外保护膜，用和剥离膜同样的方法进行测试。反射膜，用和剥离膜同样的方法进行测试。耐久性检验，切割样品，大小为20mm宽，50mm长，将样品贴合在玻璃上，按前面的条件进行试验，试验后样品应符合要求。
　　2.3　偏光物理实验
　　2.3.1　马吕斯定律实验
　　（1）马吕斯实验
　　马吕斯实验是1808年马吕斯（Malus）在实验上发现了光的偏振现象的实验，这个实验可以用准直光源（细束手电筒、激光笔）、玻璃、亚克力板等来做。使一束光以57 °角入射在玻璃板M上，反射光线以入射角同样的角度反射到玻璃板N上，当玻璃板N围绕此反射光线转动时，从N产生的反射光线强度会发生变化。在M和N的入射面平行时反射光最强，而M和N的入射面垂直时反射光近乎为零。实验揭示了M的反射光是线偏振光，玻璃板M对振动方向与入射面垂直的光有强烈的反射，对振动方向与入射面平行的光不反射，N的作用是检测光是否偏振。这个实验用光波是横波能给出解释，而如果认为光波是纵波却不能给予说明。在马吕斯实验中应用的实验装置也有教材上称之为内伦贝格反射偏振计。
　　（2）马吕斯定律实验
　　马吕斯定律是描述从偏光器件透射出来的光强随起偏器和检偏器的主截面之间夹角变化规律的经验定律。从尼科耳棱镜透射出的将是单一的线偏振光，电矢量振动方向平行于尼科耳棱镜的主截面。让这个线偏振光再入射到第二块尼科耳棱镜上，若第二块尼科耳棱镜与第一块尼科耳棱镜主截面夹角为θ，入射线偏振光的振幅为A0，根据矢量分析原理，只有平行于第二块尼科耳棱镜主截面的投影振动分量A=A0cosθ可以从第二块尼科耳棱镜透射出，透射出的光强为I=I0cos2 θ。当θ=0时，则从第一块尼科耳棱镜透射出的线偏振光的振动方向平行于第二块尼科耳棱镜的主截面，光能全部透射过第二块尼科耳棱镜，这样的装置称为平行尼科耳装置。当θ=π/2时，则从第一块尼科耳棱镜透射出的线偏振光的振动方向垂直于第二块尼科耳棱镜的主截面，光完全不能透射过第二块尼科耳棱镜，这样的装置称为正交尼科耳装置。马吕斯定律实验可以用尼科耳棱镜做，也可以用其它各种起偏元件做，最简单就是用手中的偏光片来做。当然光从空气入射到偏光片表面或者从偏光片出射在与空气的界面处，都有反射光损失，在扣除反射和吸收的光损失后，才能正确验证马吕斯定律。
　　用大量的偏光片还可以做如下有趣的实验，理论上，两偏光片正交：光强I=I0cos2（π/2）=0；在两张偏光片之间平分角度插进一张偏光片：I=I0[cos2（π/4）]2=I0/4；插进两张偏光片：I=I0[cos2（π/6）]3≈0.42I0；插进三偏光片：I=I0[cos2（π/8）]4≈0.53I0；插进四张偏光片：I=I0[cos2（π/12）]5≈0.84I0；插进五张偏光片：I=I0[cos2（π/16）]6≈0.89I0；插进N（无穷多）偏光片：I≈I0[cos2（π/N）]N= I0[1-sin2（π/N）]N≈I0。由此可以理解扭曲排列液晶盒旋光后光透过。
　　2.3.2　布儒斯特定律实验
　　一般情况下，光从空气入射到透明材料中，反射光和折射光都是部分偏振光，反射光电矢量在垂直入射面方向相对强，折射光电矢量在平行入射面方向相对强。当光以某特定角度θB入射，满足公式：tanθB=n，反射光和折射光互相垂直，反射光偏振方向垂直入射面，为S光；反射光中没有P光分量。这个现象是布儒斯特于1815年发现的，称为布儒斯特定律。布儒斯特定律是一些偏光元件的起偏原理，布儒斯特定律实验可以用各种反射材料和偏光元件以及量角器来做，最简单的实验是用偏光片观察地板瓷砖釉面或者桌面油漆镜面对房间吊灯光的反射。首先转动偏光片总有反射光透射极大和极小的变化，反射光是部分偏振光，电矢量振动方向以水平方向居多。当透过偏光片的反射光极强时，沿水平横向标记出偏光片透光轴方向，也可以沿垂直纵向标记出偏光片吸光轴方向。再把偏光片透光轴转到垂直地面方向，也就是吸光轴转到平行地面方向，移动实验者与吊灯之间的距离，总能找出透光极弱的位置，用米尺测出这个位置对应的灯与反射点的水平距离l和垂直高度h，就能由公式tanθB=l/h=n方便地计算出作为反射镜面材料的折射率。这个实验不仅是测试透明材料折射率的方法之一，实际上也是通常人们在生产实践中因地制宜确定偏光片透光轴方向的有效方法。
　　2.3.3　偏振光检验方法实验
　　（1）偏振光的获得
　　光有五种偏振状态，即自然光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光以及线偏振光，这五种偏振状态如何产生又如何检验是哪种偏振光，是普通物理光学教材都予以介绍过的。普通光源，电致发光如灯泡，化学反应和热致发光如燃烧等，发出的光是自然光；自然光经过透明材料的折射和反射可以获得部分偏振光；自然光和部分偏振光通过尼科耳棱镜等偏光元件可以变成线偏振光。自然界的大多数光源发出的都是自然光，但把光源放在强磁场中，电子作拉莫尔进动，其电磁辐射就是圆偏振光或者椭圆偏振光。获得椭圆偏振光的简单方法是用一块尼科耳棱镜和一枚云母片，或一张偏光片和一张补偿膜，自然光经过偏光片就变成线偏振光，线偏振光通过补偿膜一般情况下就变成椭圆偏振光，特殊情况下变成圆偏振光或还是线偏振光。
　　（2）偏振光的检验
　　光的偏振现象可以借助于两张同样的偏光片和一张1/4补偿膜进行观察，通过一张偏光片直接观察光源，如果没有强弱变化，表明光源是自然光或者是圆偏振光；如果有强弱变化，表明光源是部分偏振光或者是椭圆偏振光，如果强弱反差很大，弱时几乎为零，则表明是线偏振光。用1/4波片可以把圆偏振光和椭圆偏振光变成线偏振光，但不能把自然光和部分偏振光变成线偏振光，而将偏光片与1/4波片组合使用，就可以把五种光都给区分开来，达到检验鉴别自然光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光的实验目的。 　　2.3.4　玻片堆制备实验
　　相比较而言，玻片堆是最容易制作的偏光元件。此“玻片”非彼“波片”，玻片是玻璃片，可以用LCD用超白超平超薄玻璃片，厚度有0.4mm、0.7mm、1.1mm等，也可以用化验室常见的试玻片。波片是波晶片，是用石英或云母等双折射晶体制成的薄片。直接把玻璃片叠放起来就可以制成玻片堆，但玻璃片与玻璃片之间的空气间隙太薄可能引起薄膜干涉现象。不仿用双面胶条，约0.1mm厚，贴在玻璃片两侧或两端作为间隔。每片玻璃之间留出与玻璃片厚度大致相同的位错台阶边，使玻片堆成倾斜排列形式。
　　由菲涅耳反射率和透射率公式可知，在布儒斯特角θB处，θi+θt=90°，rp=0，Rp=0。
　　取玻璃折射率典型值为1.5，θB=56.3° ，得到RS≈0.15，可知光强每经过一个界面就反射损失约15%，但都是S分量。由10片玻璃叠放制成的玻片堆就足够达到起偏作用，透射光中S分量已经反射损失殆尽，偏振度已经在99%以上。
　　2.4　偏光片实验
　　2.4.1　偏光片偏振干涉实验
　　本实验可以用偏光片和塑料薄膜、胶片、尺、云母片、液晶盒等来做。一个平行平面波片放置在两枚起偏器P和检偏器A之间，当波长为 的单色线偏振光垂直入射到波片时，求通过检偏器A的干涉光强。厚度为d的波片使o光和e光产生的光程差是
　　δ=Δnd=(ne-no)d
　　相位差是
　　φ=■（ne-no）d
　　用α表示P和A之间的夹角，用θ表示波片光轴与P之间的夹角，干涉光强表达式是
　　P‖A时
　　P⊥A时
　　I=I0sin22θsin2■
　　没有双折射样品时，转动A，光强变化规律，从0°→360°，经历最亮到最暗，0°、180°最亮，90°、270°最暗。当样品很薄时，双折射干涉光程差很小，可见光都没有干涉极大，样品在正交偏光场下就暗，在平行偏光场就亮。样品很厚，可见光总有几个波长满足干涉极大，也另有几个波长干涉极小，无论是正交还是平行偏光场，样品都比较白，没有暗态。当样品厚度适当，在45°处正交，I=I0sin2(δ/2)，平行，I=I0cos2(δ/2)，可见光只有一个波长满足干涉极大，一个满足干涉极小时，这两个波长就是颜色互补。白光中缺少某个波长，就显示互补色着色。
　　2.4.2　偏光片偏振度测试实验
　　偏光片偏振度测试实验需要用到分光光度计仪器，也可以用点光源和光电池布置好光路搭建简易测试装置。无色透明材料通常需要测试的性能指标有透光率和雾度，有色透明材料加上色调指标，偏光片再加上偏振度这个特殊的而且是主要的指标。
　　透光率是透明或半透明材料的光线透过率，以透过材料的光通量与入射光通量之比的百分率表示，用一束平行光垂直照射到试样上，透过试样的光通量I与照射到式样上的入射光通量I0之比的百分率，透光率T=I/I0，测试仪器为雾度计或光度计。对于用某一单一波长的单色光测量的透光率称之为单色光透光率，测试仪器为分光光度计。样品表面应平整光滑，厚度均匀，不同厚度测试结果不能比较。偏振度P定义为P=(I∥-I⊥)/(I∥+I⊥)，其中，I∥和I⊥分别表示两个偏光片组合时透光轴平行和垂直时所对应的透射光强。雾度是透明或半透明材料的内部或表面由于光散射造成云雾状或混浊的外观，以散射的光通量与透过材料的光通量之比的百分率表示，用一束平行光垂直照射到试样上，以部分平行光偏离入射方向大于2.5 的散射光通量Td与透过样品的光通量T2之比的百分率，它是通过测量无试样时入射光通量T1与仪器造成的散射光通量T3，有试样时通过试样的光通量T2与散射光通量T4，按计算式H(%)=[(T4/T2)-(T3/T1)]×100≈(T4/T2) ×100计算得到雾度值，测试仪器为雾度计，对样品表面要求无污染和擦伤。不同厚度，测试结果不可比较。一般透射型偏光片的透光率T>42%，偏振度P>98%，雾度H 　　制品外观是半透明状态，不是散射毛玻璃状态。偏光显微镜中能看到剪切液晶微滴是拉长的长椭球状，而不是一般聚合物分散液晶中的圆球状。分光光度计光谱测试表明，制品在可见光范围有接近50%的透光率，偏振度能达到80%以上。隔着制品观察液晶电脑屏幕，当剪切方向与液晶显示器表面吸收偏光片透光轴垂直时，图像最清晰，当剪切方向与液晶显示器表面偏光片透光轴平行时，图像最模糊。
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　　作者简介：范志新（1960-），男，吉林人，博士，深圳市三利谱光电科技股份有限公司顾问，河北工业大学应用物理系教授，从事液晶器件物理专业教学与科研， E-mail：zxfan@hebut.省略。