《偏光片制造技術》全面、系統、深入地闡述了偏光片的發明、結構、分類和應用,偏振光學基礎,偏光片原理,偏光片生產線的建設,制造偏光片的原材料,偏光片的制造工藝,偏光片制造的質量控制,偏光片下游產品的制造工藝和偏光片產業的發展等內容。
目錄
序言
前言
第1章神奇的偏光片1
1.1偏光片的發明2
1.2偏光片的結構3
1.2.1TN-LCD用偏光片的結構4
1.2.2STN-LCD用偏光片的結構5
1.2.3TFT-LCD用偏光片的結構6
1.2.4其他偏光片的結構6
1.3偏光片的分類7
1.3.1按起偏原理分類7
1.3.2按用途分類8
1.3.3按功能分類8
1.3.4按起偏材料種類分類8
1.3.5按二向色性物質分類9
1.3.6其他分類9
1.4偏光片的應用9
1.4.1液晶顯示器10
1.4.2液晶光閥11
1.4.3偏光眼鏡13
1.4.4偏光顯微鏡15
1.4.5偏光攝影鏡頭17
1.4.6其他應用18
第2章偏振光學基礎21
2.1光的偏振特性22
2.1.1光的橫波性22
2.1.2偏振態22
2.1.3偏振光檢驗24
2.2偏振光的描述26
2.2.1三角函數表示法26
2.2.2復數表示法29
2.2.3瓊斯矢量表示法31
2.2.4斯托克斯參量表示法31
2.2.5龐加萊球表示法33
2.3光在各向同性介質界面的反射與折射34
2.3.1光的反射與折射34
2.3.2菲涅耳公式34
2.3.3反射率和透射率公式35
2.3.4布儒斯特定律35
2.4光在各向異性介質中的傳播36
2.4.1晶體的概念36
2.4.2晶體的雙折射39
2.4.3晶體的旋光性41
2.4.4晶體的二向色性43
2.4.5惠更斯作圖法43
2.5光的干涉45
2.5.1光的一些性質45
2.5.2薄膜干涉47
2.5.3波片48
2.5.4偏振光干涉49
2.5.5馬呂斯定律49
第3章偏光片原理51
3.1棱鏡偏光元件52
3.1.1尼科耳棱鏡52
3.1.2沃拉斯頓棱鏡53
3.1.3洛匈棱鏡53
3.1.4菲涅耳菱體54
3.1.5偏振分光棱鏡54
3.2反射偏光片原理55
3.2.1玻片堆55
3.2.2多層膜反射偏光片57
3.2.3膽甾相液晶反射偏光片60
3.3線柵偏光片原理61
3.4吸收偏光片原理62
3.4.1碘系偏光片62
3.4.2染料系偏光片66
3.4.3活性不拉伸偏光片66
3.5散射偏光片原理67
3.5.1玻璃夾硝酸鈉偏光片67
3.5.2聚合物加芯殼偏光片67
3.5.3拉伸聚乙烯醇分散液晶偏光片67
3.5.4剪切聚合物分散液晶偏光片69
3.5.5定向電紡液晶偏光片70
3.6波片原理70
3.6.1波片70
3.6.2補償膜71
第4章偏光片生產線的建設73
4.1偏光片工廠的建設74
4.1.1廠房建設74
4.1.2設備投資74
4.1.3知識產權投資75
4.2偏光片生產環境75
4.2.1潔凈車間76
4.2.2潔凈原材料78
4.2.3潔凈工作服81
4.2.4環境保護83
4.3偏光片生產設備88
4.3.1TAC預處理設備88
4.3.2PVA拉伸設備89
4.3.3復合設備90
4.3.4烘干設備90
4.3.5涂布復合設備91
4.3.6電控系統91
4.4偏光片生產員工92
4.5偏光片的產品設計與研發93
第5章制造偏光片的原材料95
5.1碘96
5.1.1碘的發現96
5.1.2碘的來源96
5.1.3碘的性質96
5.1.4碘對光的作用原理98
5.1.5碘在偏光片中的應用98
5.1.6碘的用途98
5.2染料99
5.2.1染料發展簡史99
5.2.2染料的分類100
5.2.3染料系偏光片102
5.3聚乙烯醇103
5.3.1聚乙烯醇的基本結構103
5.3.2聚乙烯醇的成膜過程104
5.3.3聚乙烯醇的基本性能104
5.3.4聚乙烯醇偏光片104
5.3.5聚乙烯醇的主要用途105
5.4三醋酸纖維素105
5.4.1醋酸纖維素的生產方法107
5.4.2醋酸纖維素的技術表征107
5.4.3醋酸纖維素的理化性能108
5.4.4三醋酸纖維素的應用108
5.5壓敏膠黏合劑109
5.6聚乙烯110
5.7聚對苯二甲酸乙二醇酯111
5.8乙烯醋酸乙烯共聚物113
5.9其他功能薄膜116
5.10偏光片產品的成本構成117
第6章偏光片的制造工藝119
6.1偏光片制造工藝流程120
6.1.1干法生產工藝流程120
6.1.2濕法生產工藝流程121
6.1.3碘染色法工藝122
6.1.4染料染色法工藝122
6.1.5工藝過程描述123
6.2偏光片制造前工序124
6.2.1染色工藝125
6.2.2拉伸工藝125
6.2.3補色工藝127
6.2.4復合工藝127
6.2.5干燥工藝129
6.2.6收放卷工藝129
6.3偏光片制造中工序131
6.3.1涂膠工藝131
6.3.2離型膜保護膜復合工藝133
6.3.3固化工藝134
6.4偏光片制造后工序134
6.4.1切割工藝134
6.4.2磨邊工藝135
6.4.3標記工藝136
6.4.4包裝136
第7章偏光片制造的質量控制139
7.1偏光片生產的質量控制140
7.1.1TAC預處理和清洗線質量控制140
7.1.2拉伸復合線質量控制141
7.1.3涂布線質量控制144
7.1.4后工序質量控制146
7.2偏光片的特性指標149
7.2.1偏光片的光學性能149
7.2.2偏光片的耐久性能150
7.2.3偏光片的黏結性能151
7.2.4偏光片的外觀指標152
7.3偏光片的性能檢驗153
7.3.1外觀尺寸檢驗153
7.3.2光學性能檢驗154
7.3.3黏結力檢驗156
7.3.4耐久性檢驗159
7.4偏光片常見質量問題161
7.4.1常見問題的分類161
7.4.2常見缺陷的描述161
7.5偏光片的儲存和運輸163
第8章偏光片下游產品的制造工藝165
8.1液晶顯示器制造工藝流程166
8.2小面板貼片工藝167
8.2.1切割偏光片168
8.2.2貼片170
8.2.3檢驗174
8.3大面板貼片工藝174
8.3.1連線清洗貼片174
8.3.2獨立清洗貼片設備175
8.3.3貼片返工177
8.3.4加壓消泡177
8.4偏光太陽鏡制造工藝178
8.4.1鏡片的結構178
8.4.2偏光太陽鏡的制造工藝流程179
8.4.3鏡片的加工179
8.4.4鏡片的定位180
8.4.5鏡片的裝配方法180
8.4.6偏光太陽鏡的加工注意事項181
8.4.7偏光太陽鏡的技術發展181
8.4.8產品說明182
8.4.9偏光矯正鏡片的工藝及特點182
第9章偏光片產業的發展185
9.1偏光片產業的現狀186
9.1.1偏光片產業的格局186
9.1.2國內偏光片企業現狀187
9.1.3國內TFT-LCD用偏光片發展壁壘189
9.1.4國家的產業政策190
9.2偏光片技術的發展191
9.2.1偏光片技術191
9.2.2偏光片的附加功能192
9.3偏光片制造原材料的國產化195
9.3.1光學功能薄膜種類195
9.3.2光學功能薄膜材料產業鏈197
9.3.3光學功能薄膜產業現狀197
9.3.4未來趨勢及國產化之路198
9.4偏光片行業人才的培養200
9.4.1偏光片行業人才成長史200
9.4.2偏光片行業人才培養重要性200
9.4.3偏光片行業人才培養現狀201
9.4.4偏光片行業人才培養前景202
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第1章 神奇的偏光片
在現代生活中，人們每天都花了大量時間把眼睛盯在手機、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，數分鐘后取出來，薄膜會被染成深藍紫色。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紫色變為淡青紫色。拿剪刀把薄膜從中一分為二裁開，當把兩條薄膜平行疊起來看時，它是半透明的。可是當轉動一條薄膜使之與另一條薄膜成十字交叉時，奇跡出現了，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。這個情景在十幾年前的中國光學光電子行業協會液晶分會的某次年會上出現過，是幾位偏光片供應商上臺表演的。偏光片作為偏振光學元件，具有柔性輕薄、面積不限的特點，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用的年代。
圖1-1 簡易偏光片制作演示
1.1 偏光片的發明
偏光片誕生在美國，是埃德溫 赫伯特 蘭德（Edwin Herbert Land，1909～1991）發明的。蘭德是20世紀偉大的科學家和多產的發明家，也是成功的企業家和精明的商人，他的發明專利有535項之多，是知名度僅次于最偉大的發明家愛迪生的發明家，也是被喬布斯所崇拜的精神導師。偏光片被發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象，并與人討論要解決晚上汽車燈晃眼導致交通不安全的問題。直到1926年他17歲就讀于哈佛大學物理系一年級時，還沒有大面積廉價的偏振光起偏器件，于是蘭德打定主意要發明這種實用的大面積偏光片。為了發明制造偏光片，蘭德決定休學，專心致志做實驗。蘭德在紐約公立圖書館開始了他的偏振光學和化學研究工作，他發現哥倫比亞大學的實驗室晚上經常不關窗子，他就爬進去做實驗。蘭德看了一篇由英國的一位醫生赫拉帕斯（William B. Herapath）在1852年發表的論文，內容提到赫拉帕斯的一位學生曾不小心把碘掉入奎寧的硫酸溶液中，發現立即就有許多小的綠色晶體產生，赫拉帕斯于是將這些晶體放在顯微鏡下觀察，發現當兩片晶體相重疊時，其光的透過率會隨晶體相交的角度而改變：當它們是相互垂直時，光被完全吸收；相互平行時，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，白色粉末或針狀結晶。赫拉帕斯花了將近十年的時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。蘭德重復過赫拉帕斯的實驗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。這個方法是將許多小的偏光微晶有規則地排列好，也就相當于一個大的偏光晶體。蘭德采用這個方法，在1928年他19歲時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是既費時，成本又高，但蘭德已經發現了制造偏光片的幾個重要因素：碘+聚合物+定向。經過不斷的研究改進，蘭德終于在1938年發明了到現在還在沿用的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，經晾干便成為性能優良的H型人造偏光片。
偏光片制造技術中，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為偏光片發明人蘭德的照片，蘭德為了偏光片兩度從哈佛大學退學，雖然后來獲得了很多大學的名譽學位，但并沒有拿到一張哈佛大學的畢業證書。
圖1-2 偏光片發明者——埃德溫 赫伯特 蘭德
在偏振光技術的發展史中，尼科耳（Nicol）棱鏡和沃拉斯頓（Wollaston）棱鏡都曾經起過極其重要的作用。但是直到蘭德發明J型、H型人造偏光片后，才使偏振光技術走出實驗室，很快在科學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方面獲得廣泛應用。
20世紀60年代末發明了液晶顯示器（LCD），70年代初發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用于TN-LCD的偏光片。現如今，偏光片原理知識和制造技術為更多人所研究和關注，偏光片制造業成為一個朝陽產業。
1.2偏光片的結構
偏光片是一種由多層聚合物材料復合而成的具有產生偏振光的光學功能薄膜，最典型最常用最大量的是吸收偏光片。
1.2.1 TN-LCD用偏光片的結構
TN-LCD是最早獲得實際應用的灰底黑字的液晶顯示技術，核心原理是液晶層90°扭曲的電控旋光效應，具有結構簡單、耗電量極低、容易制造等特點。但是TN-LCD顯示信息容量低，只能應用于最簡單的筆段式數字顯示和低路數驅動的簡單字符式靜態顯示，不能用于大信息容量、彩色顯示和動態顯示。
TN-LCD用偏光片的制作成本最低，要求不高，偏光片最基本的結構為“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等規格。為了方便使用和得到不同的光學效果，偏光片供應商應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），最后在兩個外側面貼上保護膜和離型膜來保護偏光片，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進行特殊浸膠處理（染料系列產品），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用偏光片結構如圖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偏光片結構
1.偏光層
偏光層是由PVA薄膜經染色拉伸后制成，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，同時也是影響偏光片色調和光學耐久性的主要部分。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制成的偏光膜經過拉伸處理后，其在溫熱的環境中會很快變形、收縮、松弛，而且強度很低，質脆易破，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均勻性和透明性良好而且強度高的TAC膜進行貼附來隔絕水分和空氣，一方面可以起保護偏光層的作用，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，需在偏光片外側涂上一層黏合劑，并復合上保護壓敏膠的離型膜，其在偏光片貼附時即被撕去。黏合劑可分為反射膜側黏合劑和離型膜側黏合劑。反射膜側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。離型膜側黏合劑是一層壓敏膠，它決定了偏光片的黏結性能及貼片加工性能，其性能優劣是LCD偏光片使用者最為關心的問題之一。
4.離型膜
離型膜為單側涂布硅涂層的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜，主要起保護壓敏膠層的作用，同時其剝離力的大小對LCD貼片時的作業性有一定影響。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.保護膜
保護膜有聚乙烯（polyester，PE）膜和聚對苯二甲酸乙二醇脂（polyethylene terephthalate，PET）膜，PE保護膜為單側涂布乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）層的膜，具有低黏性，起保護TAC膜表面的作用；PET保護膜起保護壓敏膠層作用。在偏光片產品手冊中，標注的偏光片有效厚度不包括離型膜和保護膜厚度。
6.反射膜
反射膜為單側鍍鋁的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用偏光片的結構
STN-LCD（超扭曲向列相液晶顯示器）顯示技術是繼TN-LCD之后獲得大量應用的顯示技術，核心原理是液晶層扭曲角180°～270°的電控雙折射效應，不加補償膜的黃綠模式是綠底黑字顯示，加補償膜可以是黑白模式，加補償膜再加彩色濾光膜是彩色模式。STN-LCD顯示容量、分辨率、響應速度和視角等都有所提高，STN-LCD可用于中小尺寸的靜態文字和圖像顯示。
黃綠模式STN-LCD用偏光片與TN-LCD用偏光片的結構相同，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用偏光片結構基礎上，在TAC和壓敏膠間額外再復合上雙折射光學補償膜。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償量，結構并沒有特別區分。相位差膜是種光學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，結構如圖1-4所示。
圖1-4 STN-LCD用偏光片結構
1.2.3 TFT-LCD用偏光片的結構
TFT-LCD（薄膜晶體管液晶顯示器）是點像素控制顯示技術，分辨率最高，視角和響應速度都達到動態顯示要求，產品涵蓋小尺寸的手機屏、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。手機等小尺寸TFT-LCD用偏光片要求不高，結構與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償功能和防眩抗反等功能，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，增亮型偏光片結構如圖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 其他偏光片的結構
OLED（有機電致發光顯示器）用偏光片結構與STN-LCD用偏光片結構相似。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眼鏡用偏光片結構如圖1-6所示。
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