偏極光的制造

一般而言，制造偏極光的方法是由以下三個步驟：
1.制造普通非偏極光(圖2)。
2.分解此非偏極光為兩個相互垂直的線性偏極光(圖5)。
3.舍棄一條偏極光，應用另一條偏極光(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、繞射等光學效應來產生偏極光。

一般較常用的起偏器種類有以下數種：

(1) 反射型
當光線斜射入玻璃表面時，其反射光將被部分偏極化。利用多層玻璃的連續反射效果即可將非偏極光轉為線性偏極光。

(2) 復屈折型
將兩片方解石晶體接合，入射光線會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，將膜內分子加以定向，再吸著具有二色性的物質，此為現今生產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(Polarizing Film)或偏光板(Polarizing Plate or Sheet)。英文上另外一個更通俗的稱呼是Polarizing Filter。

偏光膜的起源

    偏光膜是由美國拍立得公司(Polaroid)創始人蘭特(Edwin H. Land)于1938年所發明。六十年后的今天，雖然偏光膜在生產技巧和設備上有了許多的改進，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時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年在哈佛大學念書時看了一篇由英國的一位醫生Dr. Herapath在1852年發表的論文，內容提到Dr. Herapath的一位學生Mr. Phelps曾不小心把碘掉入the solution disulfate of quinine，他發現立即就有許多小的綠色晶體產生，Dr. Herapath于是將這些晶體放在顯微鏡下觀察，發現如下圖所示：當兩片晶體相重疊時，其光的透過度會隨晶體相交的角度而改變，當它們是相互垂直時，光則被完全吸收(圖6)；相互平行時，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，所以在實際應用上有了很大的限制，Dr. Herapath花了將近十年的時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，有規則的排列好，這就相當于一個大的偏光晶體。他應用上述的方法，在1928年成功的做出了最早問世的偏光膜、J片。這種方法的缺點是費時、成本高和模糊不透明。但蘭特已經發現了制造偏光膜的幾個重要因素：(1)碘 (2)高分子 (3)定向(Orientation)。經過不斷的研究改進，蘭特終于在1938年發明了到現在還在沿用的制造方法，其基本原理將于下節中討論。

偏光膜的工作原理

    時下最通用的偏光膜是蘭特在1938年所發明的H片，其制法如下：首先把一張柔軟富化學活性的透明塑料板(通常用PVA)浸漬在I2 / KI的水溶液中，幾秒之內許多碘離子擴散滲入內層的PVA，微熱后用人工或機械拉伸，直到數倍長度，PVA板變長同時也變得又窄又薄，PVA分子本來是任意角度無規則性分布的，受力拉伸后就逐漸一致地偏轉于作用力的方向，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。因為碘離子有很好的起偏性，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

 


現今所使用偏光膜的種類
    偏光膜的應用范圍很廣，不但能使用在LCD做為偏光材料，亦可用于太陽眼鏡、防眩護目鏡、攝影器材之濾光鏡、汽車頭燈防眩處理及光量調整器，其它尚有偏光顯微鏡與特殊醫療用眼鏡。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、鐵等金屬鹽吸附在高分子薄膜上，再加以還原，使棒狀金屬有起偏的能力，現在已不使用這種方法生產。
(2) 碘系偏光膜
PVA與碘分子所組成，為現今生產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構，再加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。

偏光膜的構造
    高分子膜在經過延伸之后，通常機械性質會降低，變得易碎裂。所以在偏光基體(PVA)延伸完后，要在兩側貼上三醋酸纖維(TAC)所組成的透明基板，一方面可做保護，一方面則可防止膜的回縮。此外，在基板外層可再加一層離型膜及保護膜，以方便與液晶槽貼合(如圖十三)。

圖十三：偏光膜的構造簡圖

LCD用偏光膜的品質特性

    由于LCD的顯示非發光型，為了達到顯示器明亮、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LCD的多樣化及耐用性的提升，必須加強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化；若是在高溫高濕的環境之下長時間使用，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之一。通常在偏光膜的制造過程中，都是在無塵室進行：

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、貼合及加工時有任何異物混入。
3.保護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、高精細化的偏光膜。

LCD用偏光膜的發展

(1) 碘系偏光膜
    PVA及碘所構成的偏光膜長久以來都在LCD的市場上占有相當大的比例。現今材料與延伸技術不斷改良下偏光度及透過率都相當接近理論值(偏光度100%；透過率50%)。

(2) 耐久性偏光膜
    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、船舶或飛機用的LCD上。但偏光率不及碘系且價格昂貴是其缺點。現今發展是藉由PVA的延伸配向及開發在可見光區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，唯價格方面仍比碘系偏光膜高。

(3) 光學補償膜
    隨著LCD產品技術愈來愈進步，故針對偏光膜之著色、視角、漏光等等要求相對提高，因此需要各種光學補償膜去做補償。例如(STN-LCD)因液晶分子之扭轉超過90度造成使用直線偏光之偏光膜會有著色現象出現，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及機械性能。現今為了滿足LCD多樣化的要求，具有復合功能的偏光膜已在市場上銷售。

1. 抗反射(AR)處理
    當光經過偏光膜的表面時，會有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
    為了避免光線被過度集中，將偏光膜的表面加工做成凹凸狀，將光線均勻地分散，可達到防眩的效果。
    有經AG處理，其表面可達鉛筆3H硬度較耐刮，另霧度高可適用于大尺寸產品(大于12.1”)，主要是因LCD之背光源強的關系。另外隨著LCD之分辨率要求增加如UXGA級(1600 x 1200)對AG要求更細致化處理，目前偏光板制造商亦開始注意到此方面，相信最近會有對應產品供市場評估。