偏光片原理及技术(之一)

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1、偏 光 片 原 理 及 技 术深 圳 市 深 纺 乐 凯 光 电 子 材 料 有 限 公 司2009.09.01 目 录一 、 偏 振 光 简 介二 、 偏 光 片 生 产 技 术 浅 析三 、 偏 光 片 产 业 现 状 概 述 一 、 偏 振 光1、 光 的 理 解2、 自 然 光3、 光 的 偏 振 状 态4、 偏 振 光 的 定 义5、 偏 振 光 的 产 生 光 的 理 解人 类 对 光 的 了 解 依 序 可 分 成 以 下 四 个 重 要 阶 段 ： 1.十 七 世 纪 中 ， 牛 顿 的 混 色 原 理 。 2.十 九 世 纪 初 ， 杨 氏 (Thomas Young)的 光

2、 的 波 动 理 论 。 3.1873年 ， 马 克 斯 威 尔 的 电 磁 波 理 论 。 4.二 十 世 纪 初 ， 爱 因 斯 坦 利 用 量 子 学 解 释 了 光 同 时 具 有 波 动及 粒 子 两 种 特 性 。 自 然 光普 通 光 源 发 光 ：在 垂 直 传 播 方 向 的 平 面 内各 个 方 向 的 光 振 动 全 有各 个 振 动 方 向 的 强 度 相 等乱是各个振动的无规混杂 光 的 偏 振 状 态v 光 矢 量 的 振 动 方 向 总 是 与 光 的 传 播 方 向 垂 直 的 ， 即 光 矢 量 的横 向 振 动 状 态 ， 相 对 于 传 播 方 向 不 具

3、 有 对 称 性 ， 这 种 光 矢 量的 振 动 相 对 于 传 播 方 向 的 不 对 称 性 ， 称 为 光 的 偏 振 性v 线 偏 振 光v 也 叫 面 偏 振 光 偏 振 光 完 全 偏 振 光v 线 偏 振 光 的 图 示 u在纸面内振动垂直纸面的振动 偏 振 光 的 定 义v电 磁 波 理 论电 场 (E)、 磁 场 (H)与 电 磁 波 进 行 的 方 向 (k) 当 光 的 电 场 向 量 E的 分 布 不 均 时 就 称 之 为偏 极 化 (Polarization)这 样 的 光 就 称 为 偏 极 光 （ 偏 振 光 ）v1、 偏 极 光 的 理 论 是 用 波 动

4、学 来 解 释 的 v2、 在 此 光 仅 理 解 为 电 磁 波v3、 只 考 虑 其 电 场 向 量 E 非 偏 振 光 、 部 分 偏 振 光 和线 性 偏 振 光 （ 当 E只 在 一 个 方 向 振 动 ） 偏 振 光 的 产 生v一 般 而 言 ， 制 造 偏 振 光 的 方 法 是 由 以 下 三 个步 骤 ：1.制 造 普 通 非 偏 振 光 。2.分 解 此 非 偏 振 光 为 两 个 相 互 垂 直 的 线 性 偏 振 光 。3.舍 弃 一 条 偏 振 光 ， 应 用 另 一 条 偏 振 光 。 制 造 偏 振 光 的 例 子 使 自 然 光 通 过 一 系 列 玻 璃 片

5、 重 叠 在 一 起 的 玻 璃 堆 ， 并 使 入 射角 为 起 偏 角 ， 则 透 射 光 近 似 地 为 线 偏 振 光 。 pi 1.51.51.51.01.01.01.0 二 、 偏 光 片 生 产 技 术 浅 析 偏 光 片 的 定 义v 是 一 种 人 工 膜 片 ， 对 不 同 方 向 的 光 振 动 有 选 择 吸 收 的 性 能 ，从 而 使 膜 片 中 有 一 个 特 殊 的 方 向 ， 当 一 束 自 然 光 射 到 膜 片 上时 ， 与 此 方 向 垂 直 的 光 振 动 分 量 完 全 被 吸 收 ， 只 让 平 行 于 该方 向 的 光 振 动 分 量 通 过 ，

6、 即 只 允 许 沿 某 一 特 定 方 向 的 光 通 过的 光 学 器 件 ， 叫 做 偏 光 片 。 这 个 特 定 的 方 向 叫 做 偏 光 片 的 偏振 化 方 向 ， 用 “ ” 表 示 。v 特 别 说 明 ： 本 文 所 述 的 偏 光 片 是 由 高 分 子 材 料 加 工 而 成 。 腰横别扁担进不了城门偏 光 片 的 理 解通光方向形象说明偏光片的原理 形 象 说 明 偏 光 片 的 作 用 再 看 一 个 实 验v 1、 当 偏 光 片 光 轴 平 行 时 ， 光 通 过 最 大 ；v 2、 当 偏 光 片 光 轴 垂 直 时 ， 光 通 过 最 小 ；v 3、 当

7、偏 光 片 光 轴 夹 角 介 于 0-90 之 间 ， 光 通 过 也 介 于最 大 与 最 小 之 间 。 看 一 个 实 例 玻 璃 门 反 光 很 强 带 上 偏 光 眼 镜 后 带 上 偏 光 眼 镜 ， 并调 整 好 观 察 角 度 偏 光 片 的 应 用 偏 光 片 的 起 源v 美 国 拍 立 得 公 司 (Polaroid)创 始 人 兰 特 (Edwin H. Land)于 1938年 所 发 明 。v 灵 感 来 源 于 碘 掉 入 磺 酸 奎 宁 溶 液 中 形 成 的 绿 色 小 晶体 ， 具 有 特 异 的 光 学 性 能 。 最 早 在 实 验 室 里 诞 生 的

8、 偏 光 片 （ 1928年 ）v 兰 特 把 碘 的 大 颗 粒 晶 体 研 磨 (ball mill)成 微 小 晶 体 ， 并 使这 些 小 晶 体 悬 浮 在 液 体 中 ；v 将 一 塑 料 片 放 入 上 述 的 悬 浮 液 中 ， 然 后 再 放 入 磁 场 或 电 场 中定 向 ；v 将 此 塑 料 片 从 悬 浮 液 中 取 出 ， 碘 晶 体 就 会 附 盖 在 塑 料 片 的 表面 上 ；v 将 此 塑 料 片 留 在 磁 场 或 电 场 中 ， 干 燥 后 就 成 为 偏 光 膜 ； v 缺 点 ： 费 时 、 成 本 高 和 模 糊 不 透 明 ， 没 有 商 业 价

9、 值 。 生 产 偏 光 片 的 关 键 因 素v1、 碘v2、 高 分 子 膜v3、 取 向 （ Orientation） 第 一 个 偏 光 片 专 利 的 诞 生（ 美 国 ， 发 明 者 ： 兰 特 ）v 1、 US patent 2,445,581 (1943) v 2、 一 张 柔 软 富 化 学 活 性 的 透 明 塑 料 板 (通 常 用 PVA)v 3、 I2 / KI的 水 溶 液 作 为 浸 渍 液v 4、 取 向v 5、 I 2的 固 定v 6、 干 燥 偏 光 片 的 种 类v (1) 金 属 偏 光 膜 ： 将 金 、 银 、 铁 等 金 属 盐 吸 附 在 高 分

10、 子 薄 膜 上 ， 再 加以 还 原 ， 使 棒 状 金 属 有 起 偏 的 能 力 ， 没 有 产 业 化 。v (2) 碘 系 偏 光 膜 ： PVA与 碘 分 子 所 组 成 ， 为 现 今 生 产 偏 光 膜 最 主 要 的 方法 。 信 赖 性 最 高 可 满 足 60 /90%RH 500h； 80 500h的 要 求 。v (3) 染 料 系 偏 光 膜 ： 将 具 有 二 色 性 的 有 机 染 料 吸 着 在 PVA上 ， 并 加 以 延伸 定 向 ， 使 之 具 有 偏 光 性 能 。 信 赖 性 最 高 可 满 足 90 /95%RH 500h；105 500h的 要

11、求 。 v (4) 聚 乙 烯 偏 光 膜 ： 用 酸 为 触 媒 ， 将 PVA脱 水 ， 使 PVA分 子 中 含 一 定 量 乙烯 结 构 ， 再 加 以 延 伸 定 向 ， 使 之 具 有 偏 光 性 能 。 TN、 STN、 TFT偏 光 片v 这 是 按 照 LCD显 示 方 式 而 分 类 的v TN(Twisted Nematic):扭 曲 向 列 显 示 类 型v STN(Supper Twisted Nematic):超 扭 曲 向 列 显 示 类型 v TFT(Thin Film Transistor):薄 膜 晶 体 管 显 示 类 型 偏 光 片 的 工 作 原 理

12、TN型 扭 曲 向 列 液 晶 显 示 器 件 （ TN-LCD）（ 1971年 1984年 ） TN-LCD的 特 点1、 最 常 见 的 一 种 液 晶 显 示 器 件2、 结 构 简 单 ， 易 于 制 造3、 耗 电 量 极 低4、 1971年 由 瑞 士 人 发 明 ,生 产 技 术 在 日 本 迅 速 发 展 成 熟 ， 在 1979 1984年间 ， 其 产 量 年 均 增 长 38%,成 本 年 递 减 18%， 销 售 额 年 增 长 12%， 在 显 示器 件 领 域 的 地 位 仅 次 于 CRT5、 TN-LCD的 信 息 容 量 小 ， 只 能 用 于 笔 段 式 数

13、 字 显 示 及 低 路 数 （ 16线 以 下 ）驱 动 的 简 单 字 符 显 示6、 电 光 响 应 前 沿 不 够 陡 峭 ， 反 应 速 度 慢 ， 阈 值 效 应 不 明 显 7、 不 能 实 现 大 容 量 显 示 、 彩 色 显 示 和 动 态 显 示 TN-LCD响 应 速 度 STN型LCD显示器结构图 (19851990) STN-LCD的 发 展 及 特 点1、 80年 代 初 ， 人 们 经 过 理 论 分 析 和 实 验 发 现 ， 只 要 将 分 子 的 扭 曲 角 增 加 到180 270 时 ， 就 可 大 大 提 高 电 光 特 性 的 响 应 速 度2、

14、随 着 扭 曲 角 的 增 大 ， 曲 线 的 斜 率 增 加 ， 当 扭 角 达 到 270 时 ， 斜 率 达 到 无 穷 大3、 曲 线 斜 率 的 提 高 可 以 允 许 多 路 驱 动 ， 且 可 获 得 敏 锐 的 锐 度 和 宽 的 视 角4、 1985年 1990年 ,LCD销 售 额 年 均 增 长 率 达 32%。 此 阶 段 发 展 最 快 的 是 STN-LCD,它 从 发 明 到 批 量 生 产 仅 用 了 五 年 时 间5、 由 于 STN-LCD具 有 扫 描 线 多 、 视 角 较 宽 、 对 比 度 好 等 特 点 ,很 快 在 大 信 息 容 量 显示 的

15、膝 上 型 、 笔 记 本 型 、 掌 上 型 微 机 及 中 英 文 打 字 机 、 图 形 处 理 机 、 电 子 翻 译机 及 其 它 办 公 和 通 信 设 备 （ 手 机 ） 中 获 得 广 泛 应 用 ,并 成 为 该 时 代 的 主 流 产 品 6、 1990年 销 售 额 15亿 美 元 ,占 整 个 LCD市 场 的 83% STN-LCD液 晶 分 子 的 倾 斜 角与 约 化 电 压 的 关 系 TFT-LCD显 示 器 示 意 图偏 光 片 (上 )TFT封 蜡TAB Driver LSI 扩 散 片 间 隔 圈 导 光 板 反 射 膜 CCFL偏 光 片 (下 )像

16、素 电 子电 容液 晶PI 普 通 电 子涂 料颜 色 过 滤黑 色 基 质 玻 璃 物 质ACF TFT LCD面 板 都 是 由 一 些 零 部 件 包 括 玻 璃 基 板 ， 液 晶 ， 塑 料 框 架 和 光 学 薄 膜而 组 成 的 。 光 学 薄 膜 在 TFT LCD模 块 中 发 挥 着 重 要 的 作 用 ， 比 如 协 助 控 制 ，扩 散 以 及 亮 度 和 对 比 度 的 增 强 。 TFT-LCD的 特 点1、 同 一 般 液 晶 显 示 器 类 似 ， 两 片 玻 璃 板 之 间 封 入 普 通 TN型 液 晶2、 不 同 的 是 在 玻 璃 基 板 上 要 放 置

17、 扫 描 线 和 寻 址 线 （ 行 、 列 线 ） ， 在 交 点 上再 制 作 上 TFT有 源 器 件 和 像 素 电 极 。 上 玻 璃 板 是 一 共 用 电 极 ， 如 果 是 彩色 显 示 ， 则 还 要 在 上 面 用 微 细 加 工 方 式 （ 染 色 法 ， 或 印 刷 法 ） 制 作 上 与下 面 矩 阵 对 应 的 R、 G、 B滤 色 膜 。 TFT的 栅 极 G接 扫 描 电 压 主 ， 漏 极 D接 信号 电 压 ， 源 极 S接 ITO像 素 电 极 ， 与 液 晶 像 素 串 联 ， 液 晶 像 素 可 以 等 效 成一 个 电 阻 R LC和 一 电 容 C

18、LC的 并 联 。 TFT有 源 矩 阵 显 示 器 件 像 素等 效 电 路 及 驱 动 波 形 C GP-分 布 电 容 ； CST-补 偿 电 容 ； RON-导 通 电 阻 ； ROFF-截 止 电 阻 由 于 超 扭 曲 液 晶 显 示 器 的 发 明 及 TFT液 晶 显 示 技 术 的 突 破 ， LCD技 术进 入 了 大 容 量 化 的 新 阶 段 ， 使 便 携 计 算 机 和 液 晶 电 视 等 新 产 品 得 以 开 发 ，并 迅 速 商 品 化 。 LCD市 场 需 求 量 大 幅 度 增 长 TN、 STN、 TFT显 示 比 较v TN是 最 基 本 的 LCD显

19、 示 方 式 ， 只 能 显 示 黑 白 字 段 ， 画 面 分 辨率 低 ， 适 于 静 态 图 像 显 示 。 制 作 成 本 最 低 ， 对 偏 光 片 要 求 不高 ；v STN是 超 扭 曲 型 ， 可 以 显 示 彩 色 ， 分 辨 率 有 所 提 高 ， 在 小 尺寸 色 彩 还 原 性 接 近 TFT， 可 显 示 静 态 图 像 及 部 分 动 画 。 制 作成 本 适 中 ， 对 偏 光 片 有 光 学 补 偿 功 能 的 要 求 ；v TFT是 点 像 素 控 制 显 示 ， 分 辨 率 最 高 ， 色 彩 还 原 性 最 好 ， 显示 效 果 与 常 规 的 CRT相

20、当 。 但 制 作 成 本 最 高 ， 对 偏 光 片 要 求也 最 高 。 STN-LCD以 及 TFT-LCD两 者 2吋 面 板 比 较 TN、 STN、 TFT对 偏 光 片 的 要 求 （ 1）v TN： 偏 振 度 95%， 单 体 透 过 率 40%， 信 赖 性 要 求 ：40 /90%RH 500h； 70 500h；v STN： 偏 振 度 99.5%， 单 体 透 过 率 42%， 信 赖 性 要 求 ：60 /90%RH 500h； 80 500h； 有 光 学 补 偿 功 能 ；v TFT： 偏 振 度 99.95%， 单 体 透 过 率 43%， 信 赖 性 要 求 ：60 /90%RH 500h； 80 500h； 有 AG、 HC、 WV等 功 能 。 TN、 STN、 TFT对 偏 光 片 的 要 求 （ 2）v偏 光 片 外 观 品 质 要 求 ： （ 对 下 例 疵 点 有 严 格 的 控 制 要 求 ）v 偏 光 片 中 的 异 物 及 未 溶 的 树 脂v 胶 层 中 出 现 的 异 物 及 不 溶 物v 保 护 膜 或 离 型 膜 等 辅 助 材 料 上 的 光 学 疵 点v 生 产 环 境 必 须 保 证 相 应 的 净 化 要 求vTN、 STN、 TFT对 偏 光 片 外 观 品 质 的 要 求依 次 递 增