偏光膜是由美国拍立得公司(polaroid)创始人兰特(edwin h. land)于1938年所发明。六十年后的今天,虽然偏光膜在生产技巧和设备上有了许多的改进,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样。大多数的人仍然对偏光膜这个名词感到陌生而不很清楚,故在此先对偏极光的现象及基本原理稍做说明。


一、偏极光
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,牛顿首先开始对光做有系统的研究,他发现到所谓的白光(white light)是由所有的色光(colored light)混合而成。为了要解释这个现象,就有许多不同的理论衍生出来。
2.十九世纪初,杨氏(thomas young)利用波动理论成功的解释了大部分的光学现象如反射、折射和绕射等。
3.1873年,马克斯威尔发现光波是电磁波,其中它的电波和磁波是相依相存不能分开的,电场(e)、磁场(h)与电磁波进行的方向(k)这三者是呈相互垂直的关系。

4.二十世纪初,爱因斯坦发现光的能量要用粒子学说才能解释,因而衍生出量子学。换言之,光同时具有波动及粒子两种特性。
因为偏极光的理论是用波动学来解释的,所以往后的讨论都将光视为电磁波,并且为了简化易懂,我们只考虑其电场向量e。非偏极光的e可以用图2表示,图2中许多对称等长的辐射线表示e在e、h所组成的平面上振动,并且在各方向振动的机会均等。

当e的分布不均时就称之为偏极化(polarization),如图3所示为部份偏极光,当e只在一个方向振动时则称之为线性偏极光(图4)。从向量的观点来看,当图2中各方向的向量投影到x和y两个相互垂直的坐标轴上后,非偏极光可以分解为两条相垂直的线性偏极光(图5)。


二、偏极光的制造
一般而言,制造偏极光的方法是由以下三个步骤:
1.制造普通非偏极光(图2)。
2.分解此非偏极光为两个相互垂直的线性偏极光(图5)。
3.舍弃一条偏极光,应用另一条偏极光(图4)。
能将非偏极光分解为两条偏极光,而舍弃其一的仪器称之为起偏器(polarizer),起偏器可以利用如吸收、反射、折射、绕射等光学效应来产生偏极光。

三、起偏器种类

一般较常用的起偏器种类有以下数种:
(1) 反射型
当光线斜射入玻璃表面时,其反射光将被部分偏极化。利用多层玻璃的连续反射效果即可将非偏极光转为线性偏极光。
(2) 复屈折型
将两片方解石晶体接合,入射光线会被分解为两道偏极光,称为平常光与非常光。
(3) 二色性微晶型
将具有二色性的微小晶体有规则地吸附排列在透明的薄片上,这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,将膜内分子加以定向,再吸着具有二色性的物质,此为现今生产偏光膜最主要的方法。这类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,通常又称之为偏光膜(polarizing film)或偏光板(polarizing plate or sheet)。英文上另外一个更通俗的称呼是polarizing filter。


四、偏光膜的起源
偏光膜是由美国拍立得公司(polaroid)创始人兰特(edwin h. land)于1938年所发明。六十年后的今天,虽然偏光膜在生产技巧和设备上有了许多的改进,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样。因此,在说明偏光膜的制程原理之前,先简单的叙述一下兰特当时是在什么情况下得到灵感,相信这有助于全面了解偏光膜的制程。
兰特于1926年在哈佛大学念书时看了一篇由英国的一位医生dr. herapath在1852年发表的论文,内容提到dr. herapath的一位学生mr. phelps曾不小心把碘掉入the solution disulfate of quinine,他发现立即就有许多小的绿色晶体产生,dr. herapath于是将这些晶体放在显微镜下观察,发现如下图所示:当两片晶体相重叠时,其光的透过度会随晶体相交的角度而改变,当它们是相互垂直时,光则被完全吸收(图6);相互平行时,光可完全透过(图7)。

这些碘化合物的晶体非常小,所以在实际应用上有了很大的限制,dr. herapath花了将近十年的时间来研究如何才能做出较大的偏光晶体,可是他并没有成功。因此,兰特认为这条路可能是不可行的,于是他采用了以下的方式:
●兰特把大颗粒晶体研磨(ball mill)成微小晶体,并使这些小晶体悬浮在液体中。
●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。
●将此塑料片从悬浮液中取出,偏光晶体就会附盖在塑料片的表面上。
●将此塑料片留在磁场或电场中,干燥后就成为偏光膜。
兰特的方法是将许多小的偏光晶体,有规则的排列好,这就相当于一个大的偏光晶体。他应用上述的方法,在1928年成功的做出了最早问世的偏光膜、j片。这种方法的缺点是费时、成本高和模糊不透明。但兰特已经发现了制造偏光膜的几个重要因素:(1)碘 (2)高分子 (3)定向(orientation)。经过不断的研究改进,兰特终于在1938年发明了到现在还在沿用的制造方法,其基本原理将于下节中讨论。


五、偏光膜的工作原理
时下最通用的偏光膜是兰特在1938年所发明的h片,其制法如下:首先把一张柔软富化学活性的透明塑料板(通常用pva)浸渍在i2 / ki的水溶液中,几秒之内许多碘离子扩散渗入内层的pva,微热后用人工或机械拉伸,直到数倍长度,pva板变长同时也变得又窄又薄,pva分子本来是任意角度无规则性分布的,受力拉伸后就逐渐一致地偏转于作用力的方向,附着在pva上的碘离子也跟随着有方向性,形成了碘离子的长链。因为碘离子有很好的起偏性,它可以吸收平行于其排列方向的光束电场分量,只让垂直方向的光束电场分量通过,利用这样的原理就可制造偏光膜(如图8)。


六、偏光膜的种类及发展
现今所使用偏光膜的种类
偏光膜的应用范围很广,不但能使用在lcd做为偏光材料,亦可用于太阳眼镜、防眩护目镜、摄影器材之滤光镜、汽车头灯防眩处理及光量调整器,其它尚有偏光显微镜与特殊医疗用眼镜。为了满足轻量化及使用容易的要求,所以偏光膜的选择以高分子二色性型为主,这型起偏材料的种类有四:
(1) 金属偏光膜
将金、银、铁等金属盐吸附在高分子薄膜上,再加以还原,使棒状金属有起偏的能力,现在已不使用这种方法生产。
(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。
(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,使之具有偏旋光性能。
(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,使之具有偏旋光性能。


七、偏光膜的构造
高分子膜在经过延伸之后,通常机械性质会降低,变得易碎裂。所以在偏光基体(pva)延伸完后,要在两侧贴上三醋酸纤维(tac)所组成的透明基板,一方面可做保护,一方面则可防止膜的回缩。此外,在基板外层可再加一层离型膜及保护膜,以方便与液晶槽贴合(如图十三)。


八、lcd用偏光膜的品质特性
由于lcd的显示非发光型,为了达到显示器明亮、易辨识的要求,偏光膜就必须具有清晰、高透过及高偏旋光性。近来lcd的使用愈来愈广泛,如民生、军事、高科技等。因应lcd的多样化及耐用性的提升,必须加强偏光膜的耐久性及耐旋光性。
另外、在外观特性上,配合lcd画素的提高,偏光膜的表面必须是平滑且高精细化;若是在高温高湿的环境之下长时间使用,也必须维持偏旋光性能,且所用的黏着剂其安定性也是要求的要点之一。通常在偏光膜的制造过程中,都是在无尘室进行:
1.由于偏光膜的素材为pva及tac,所以其上不可有异物及未溶的树脂。
2.在偏光膜的贴合过程中,不可在涂胶、贴合及加工时有任何异物混入。
3.保护膜或离型膜等材料不可有任何缺陷。
4.在成品的表面及切断面,或包装袋上不可有任何异物附着混入。
若无法满足上述条件,则无法做出高解析、大尺寸、高精细化的偏光膜。


九、lcd用偏光膜的发展
(1) 碘系偏光膜
pva及碘所构成的偏光膜长久以来都在lcd的市场上占有相当大的比例。现今材料与延伸技术不断改良下偏光度及透过率都相当接近理论值(偏光度100%;透过率50%)。
(2) 耐久性偏光膜
使用染料配方让偏光膜具有耐高温高湿、耐光等特性,大多使用在车、船舶或飞机用的lcd上。但偏光率不及碘系且价格昂贵是其缺点。现今发展是藉由pva的延伸配向及开发在可见光区有均匀吸收的高偏旋光性能染料分子,其偏旋光性能已可与碘系偏光膜相当,唯价格方面仍比碘系偏光膜高。
(3) 光学补偿膜
随着lcd产品技术愈来愈进步,故针对偏光膜之着色、视角、漏光等等要求相对提高,因此需要各种光学补偿膜去做补偿。例如(stn-lcd)因液晶分子之扭转超过90度造成使用直线偏光之偏光膜会有着色现象出现,其解决方法为加上一片位相差膜。


十、表面处理
表面加工处理可增加偏光膜的光学及机械性能。现今为了满足lcd多样化的要求,具有复合功能的偏光膜已在市场上销售。
1. 抗反射(ar)处理
当光经过偏光膜的表面时,会有5%左右的反射损失,由于光度的损失及反射光将造成lcd辨识度的降低。改善的方法是在偏光膜的表面蒸镀上一层金属膜,利用光的干涉原理来降低反射值,将反射率降至1%以下。
(2) 抗眩(ag)处理
为了避免光线被过度集中,将偏光膜的表面加工做成凹凸状,将光线均匀地分散,可达到防眩的效果。
有经ag处理,其表面可达铅笔3h硬度较耐刮,另雾度高可适用于大尺寸产品(大于12.1”),主要是因lcd之背光源强的关系。另外随着lcd之分辨率要求增加如uxga级(1600 x 1200)对ag要求更细致化处理,目前偏光板制造商亦开始注意到此方面,相信最近会有对应产品供市场评估。