《偏光片制造技术》全面、系统、深入地阐述了偏光片的发明、结构、分类和应用,偏振光学基础,偏光片原理,偏光片生产线的建设,制造偏光片的原材料,偏光片的制造工艺,偏光片制造的质量控制,偏光片下游产品的制造工艺和偏光片产业的发展等内容。

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目录
序言
前言
第1章神奇的偏光片1
1.1偏光片的发明2
1.2偏光片的结构3
1.2.1TN-LCD用偏光片的结构4
1.2.2STN-LCD用偏光片的结构5
1.2.3TFT-LCD用偏光片的结构6
1.2.4其他偏光片的结构6
1.3偏光片的分类7
1.3.1按起偏原理分类7
1.3.2按用途分类8
1.3.3按功能分类8
1.3.4按起偏材料种类分类8
1.3.5按二向色性物质分类9
1.3.6其他分类9
1.4偏光片的应用9
1.4.1液晶显示器10
1.4.2液晶光阀11
1.4.3偏光眼镜13
1.4.4偏光显微镜15
1.4.5偏光摄影镜头17
1.4.6其他应用18
第2章偏振光学基础21
2.1光的偏振特性22
2.1.1光的横波性22
2.1.2偏振态22
2.1.3偏振光检验24
2.2偏振光的描述26
2.2.1三角函数表示法26
2.2.2复数表示法29
2.2.3琼斯矢量表示法31
2.2.4斯托克斯参量表示法31
2.2.5庞加莱球表示法33
2.3光在各向同性介质界面的反射与折射34
2.3.1光的反射与折射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光在各向异性介质中的传播36
2.4.1晶体的概念36
2.4.2晶体的双折射39
2.4.3晶体的旋光性41
2.4.4晶体的二向色性43
2.4.5惠更斯作图法43
2.5光的干涉45
2.5.1光的一些性质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马吕斯定律49
第3章偏光片原理51
3.1棱镜偏光元件52
3.1.1尼科耳棱镜52
3.1.2沃拉斯顿棱镜53
3.1.3洛匈棱镜53
3.1.4菲涅耳菱体54
3.1.5偏振分光棱镜54
3.2反射偏光片原理55
3.2.1玻片堆55
3.2.2多层膜反射偏光片57
3.2.3胆甾相液晶反射偏光片60
3.3线栅偏光片原理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玻璃夹硝酸钠偏光片67
3.5.2聚合物加芯壳偏光片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定向电纺液晶偏光片70
3.6波片原理70
3.6.1波片70
3.6.2补偿膜71
第4章偏光片生产线的建设73
4.1偏光片工厂的建设74
4.1.1厂房建设74
4.1.2设备投资74
4.1.3知识产权投资75
4.2偏光片生产环境75
4.2.1洁净车间76
4.2.2洁净原材料78
4.2.3洁净工作服81
4.2.4环境保护83
4.3偏光片生产设备88
4.3.1TAC预处理设备88
4.3.2PVA拉伸设备89
4.3.3复合设备90
4.3.4烘干设备90
4.3.5涂布复合设备91
4.3.6电控系统91
4.4偏光片生产员工92
4.5偏光片的产品设计与研发93
第5章制造偏光片的原材料95
5.1碘96
5.1.1碘的发现96
5.1.2碘的来源96
5.1.3碘的性质96
5.1.4碘对光的作用原理98
5.1.5碘在偏光片中的应用98
5.1.6碘的用途98
5.2染料99
5.2.1染料发展简史99
5.2.2染料的分类100
5.2.3染料系偏光片102
5.3聚乙烯醇103
5.3.1聚乙烯醇的基本结构103
5.3.2聚乙烯醇的成膜过程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
5.4三醋酸纤维素105
5.4.1醋酸纤维素的生产方法107
5.4.2醋酸纤维素的技术表征107
5.4.3醋酸纤维素的理化性能108
5.4.4三醋酸纤维素的应用108
5.5压敏胶黏合剂109
5.6聚乙烯110
5.7聚对苯二甲酸乙二醇酯111
5.8乙烯醋酸乙烯共聚物113
5.9其他功能薄膜116
5.10偏光片产品的成本构成117
第6章偏光片的制造工艺119
6.1偏光片制造工艺流程120
6.1.1干法生产工艺流程120
6.1.2湿法生产工艺流程121
6.1.3碘染色法工艺122
6.1.4染料染色法工艺122
6.1.5工艺过程描述123
6.2偏光片制造前工序124
6.2.1染色工艺125
6.2.2拉伸工艺125
6.2.3补色工艺127
6.2.4复合工艺127
6.2.5干燥工艺129
6.2.6收放卷工艺129
6.3偏光片制造中工序131
6.3.1涂胶工艺131
6.3.2离型膜保护膜复合工艺133
6.3.3固化工艺134
6.4偏光片制造后工序134
6.4.1切割工艺134
6.4.2磨边工艺135
6.4.3标记工艺136
6.4.4包装136
第7章偏光片制造的质量控制139
7.1偏光片生产的质量控制140
7.1.1TAC预处理和清洗线质量控制140
7.1.2拉伸复合线质量控制141
7.1.3涂布线质量控制144
7.1.4后工序质量控制146
7.2偏光片的特性指标149
7.2.1偏光片的光学性能149
7.2.2偏光片的耐久性能150
7.2.3偏光片的黏结性能151
7.2.4偏光片的外观指标152
7.3偏光片的性能检验153
7.3.1外观尺寸检验153
7.3.2光学性能检验154
7.3.3黏结力检验156
7.3.4耐久性检验159
7.4偏光片常见质量问题161
7.4.1常见问题的分类161
7.4.2常见缺陷的描述161
7.5偏光片的储存和运输163
第8章偏光片下游产品的制造工艺165
8.1液晶显示器制造工艺流程166
8.2小面板贴片工艺167
8.2.1切割偏光片168
8.2.2贴片170
8.2.3检验174
8.3大面板贴片工艺174
8.3.1连线清洗贴片174
8.3.2独立清洗贴片设备175
8.3.3贴片返工177
8.3.4加压消泡177
8.4偏光太阳镜制造工艺178
8.4.1镜片的结构178
8.4.2偏光太阳镜的制造工艺流程179
8.4.3镜片的加工179
8.4.4镜片的定位180
8.4.5镜片的装配方法180
8.4.6偏光太阳镜的加工注意事项181
8.4.7偏光太阳镜的技术发展181
8.4.8产品说明182
8.4.9偏光矫正镜片的工艺及特点182
第9章偏光片产业的发展185
9.1偏光片产业的现状186
9.1.1偏光片产业的格局186
9.1.2国内偏光片企业现状187
9.1.3国内TFT-LCD用偏光片发展壁垒189
9.1.4国家的产业政策190
9.2偏光片技术的发展191
9.2.1偏光片技术191
9.2.2偏光片的附加功能192
9.3偏光片制造原材料的国产化195
9.3.1光学功能薄膜种类195
9.3.2光学功能薄膜材料产业链197
9.3.3光学功能薄膜产业现状197
9.3.4未来趋势及国产化之路198
9.4偏光片行业人才的培养200
9.4.1偏光片行业人才成长史200
9.4.2偏光片行业人才培养重要性200
9.4.3偏光片行业人才培养现状201
9.4.4偏光片行业人才培养前景202

第1章 神奇的偏光片
在现代生活中，人们每天都花了大量时间把眼睛盯在手机、电脑和电视屏幕上，稍有常识的人都知道，那主要都是些液晶显示器，更有些专业好奇心的人会懂得，液晶显示器上离不开偏光片。
如图1-1所示，如果手里有条聚乙烯醇无色透明薄膜，有瓶碘酒溶液，那么把这条薄膜浸泡到碘酒溶液中，数分钟后取出来，薄膜会被染成深蓝紫色。双手抓住这条薄膜两端，用力把它拉长几倍，这条薄膜的颜色可能从深蓝紫色变为淡青紫色。拿剪刀把薄膜从中一分为二裁开，当把两条薄膜平行叠起来看时，它是半透明的。可是当转动一条薄膜使之与另一条薄膜成十字交叉时，奇迹出现了，中间重叠部位，居然是漆黑不透明的了，这条淡青紫色薄膜就是神奇的偏光片了。这个情景在十几年前的中国光学光电子行业协会液晶分会的某次年会上出现过，是几位偏光片供应商上台表演的。偏光片作为偏振光学元件，具有柔性轻薄、面积不限的特点，从早期立体电影开始大众通过偏光眼镜知道了偏光片，到现在它成为液晶显示器主要组成部件，随着液晶显示器的广泛应用，对偏光片的需求也急剧增加。没有偏光片，就没有立体电影和液晶显示器，人们的日常生活也将倒退回几十年前液晶显示器没有被广泛应用的年代。
图1-1 简易偏光片制作演示
1.1 偏光片的发明
偏光片诞生在美国，是埃德温 赫伯特 兰德（Edwin Herbert Land，1909～1991）发明的。兰德是20世纪伟大的科学家和多产的发明家，也是成功的企业家和精明的商人，他的发明专利有535项之多，是知名度仅次于最伟大的发明家爱迪生的发明家，也是被乔布斯所崇拜的精神导师。偏光片被发明的起因是兰德要解决晚上驾车安全问题，历史故事是这样讲的。
传说兰德从小就喜欢读光学方面的书，早就知道光的偏振性，他13岁那年参加夏令营活动就看到过方解石双折射现象，并与人讨论要解决晚上汽车灯晃眼导致交通不安全的问题。直到1926年他17岁就读于哈佛大学物理系一年级时，还没有大面积廉价的偏振光起偏器件，于是兰德打定主意要发明这种实用的大面积偏光片。为了发明制造偏光片，兰德决定休学，专心致志做实验。兰德在纽约公立图书馆开始了他的偏振光学和化学研究工作，他发现哥伦比亚大学的实验室晚上经常不关窗子，他就爬进去做实验。兰德看了一篇由英国的一位医生赫拉帕斯（William B. Herapath）在1852年发表的论文，内容提到赫拉帕斯的一位学生曾不小心把碘掉入奎宁的硫酸溶液中，发现立即就有许多小的绿色晶体产生，赫拉帕斯于是将这些晶体放在显微镜下观察，发现当两片晶体相重叠时，其光的透过率会随晶体相交的角度而改变：当它们是相互垂直时，光被完全吸收；相互平行时，光可完全透过。这种晶体就是碘硫酸奎宁，又叫碘硫酸金鸡纳碱。硫酸奎宁本品系金鸡纳树皮中的一种生物碱，分子式：（C20H24N2O2）2 H2SO4 2H2O，分子量：782.96，白色粉末或针状结晶。赫拉帕斯花了将近十年的时间来研究怎样才能做出较大的偏光晶体，但也没有获得成功。兰德重复过赫拉帕斯的实验后确定这条路是不可行的，他采用了不同的方式：把大颗粒碘硫酸奎宁晶体研磨成微小晶体，并把这些小晶体粉末悬浮在液体中；把一塑料片放入这种悬浮液中，之后再放入磁场或电场中定向排列这些小晶体；把这个塑料片从悬浮液里捞出，偏光晶体就会定向黏附在塑料片的表面上，干燥后就制作成了偏光片。这个方法是将许多小的偏光微晶有规则地排列好，也就相当于一个大的偏光晶体。兰德采用这个方法，在1928年他19岁时成功地做出了最早的J型偏光片。
须知研磨的碘硫酸奎宁针状晶体粉末尺寸还是太大，超过光波波长，制品模糊不透明。而且这种方法的缺点是既费时，成本又高，但兰德已经发现了制造偏光片的几个重要因素：碘+聚合物+定向。经过不断的研究改进，兰德终于在1938年发明了到现在还在沿用的H型偏光片制造方法。兰德制作这种偏光片的方法是把聚乙烯醇（poly vinyl alcohol，PVA）薄膜在水蒸气浴中均匀加热并拉伸，使那些无序地相互纠合在一起的长链分子在沿同一方向拉伸过程中排列整齐。之后在含碘溶液中浸泡经过拉伸的PVA薄膜，使碘分子嵌入已被拉直的分子上去，形成一条条的碘分子链，经晾干便成为性能优良的H型人造偏光片。
偏光片制造技术中，先拉伸后染色即干法工艺，先染色后拉伸即湿法工艺。图1-2为偏光片发明人兰德的照片，兰德为了偏光片两度从哈佛大学退学，虽然后来获得了很多大学的名誉学位，但并没有拿到一张哈佛大学的毕业证书。
图1-2 偏光片发明者——埃德温 赫伯特 兰德
在偏振光技术的发展史中，尼科耳（Nicol）棱镜和沃拉斯顿（Wollaston）棱镜都曾经起过极其重要的作用。但是直到兰德发明J型、H型人造偏光片后，才使偏振光技术走出实验室，很快在科学研究仪器用偏光片和大众生活用偏光太阳镜以及观看立体电影用偏光眼镜等各个方面获得广泛应用。
20世纪60年代末发明了液晶显示器（LCD），70年代初发明了扭曲向列相液晶显示器（TN-LCD），由于液晶显示器上需要偏光片，70年代后日本开始生产用于TN-LCD的偏光片。现如今，偏光片原理知识和制造技术为更多人所研究和关注，偏光片制造业成为一个朝阳产业。
1.2偏光片的结构
偏光片是一种由多层聚合物材料复合而成的具有产生偏振光的光学功能薄膜，最典型最常用最大量的是吸收偏光片。
1.2.1 TN-LCD用偏光片的结构
TN-LCD是最早获得实际应用的灰底黑字的液晶显示技术，核心原理是液晶层90°扭曲的电控旋光效应，具有结构简单、耗电量极低、容易制造等特点。但是TN-LCD显示信息容量低，只能应用于最简单的笔段式数字显示和低路数驱动的简单字符式静态显示，不能用于大信息容量、彩色显示和动态显示。
TN-LCD用偏光片的制作成本最低，要求不高，偏光片最基本的结构为“三明治”，即一层聚乙烯醇（PVA）两面各贴附一层三醋酸纤维素（tri-acetate cellulose，TAC），PVA层厚度约20μm，TAC层厚度厚些，最后偏光片有效厚度有100μm、120μm、180μm等规格。为了方便使用和得到不同的光学效果，偏光片供应商应液晶显示器制造商要求，又在“三明治”的贴附面涂布一层压敏胶（PSA），最后在两个外侧面贴上保护膜和离型膜来保护偏光片，这种偏光片是人们最常见到的TN-LCD普通全透射型偏光片。
如果去掉一层离型膜，再复合一层反射膜，就是最普通的反射型偏光片。如果去掉一层离型膜，再复合一层半反膜，就是半反射型偏光片。使用的压敏胶为耐高温防潮压敏胶，并对PVA进行特殊浸胶处理（染料系列产品），所制成的偏光片即为宽温类型偏光片；在使用的压敏胶中加入阻止紫外光通过的成分，则可制成防紫外光偏光片。几种TN-LCD用偏光片结构如图1-3所示，图1-3（a）是透射型偏光片，图1-3（b）是反射型偏光片，图1-3（c）是半透半反射型偏光片。
图1-3几种TN-LCD偏光片结构
1.偏光层
偏光层是由PVA薄膜经染色拉伸后制成，该层是偏光片的主要部分，也称偏光原膜。偏光层决定了偏光片的偏光性能、透光率，同时也是影响偏光片色调和光学耐久性的主要部分。通过拉伸PVA薄膜将嵌入其中的碘分子定向，使之具有二向色性，吸收偏振方向与拉伸方向相同的光分量，透射与拉伸方向垂直的光分量。
2.TAC层
单纯由PVA制成的偏光膜经过拉伸处理后，其在温热的环境中会很快变形、收缩、松弛，而且强度很低，质脆易破，不便于使用和加工，且因易吸水、褪色而丧失偏光性能。因此，需要在其两边各用一层光学均匀性和透明性良好而且强度高的TAC膜进行贴附来隔绝水分和空气，一方面可以起保护偏光层的作用，另一方面则可防止聚乙烯醇膜的回缩。采用具有紫外隔离（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.黏合剂
为了让偏光片能与液晶显示器的玻璃面板贴合，需在偏光片外侧涂上一层黏合剂，并复合上保护压敏胶的离型膜，其在偏光片贴附时即被撕去。黏合剂可分为反射膜侧黏合剂和离型膜侧黏合剂。反射膜侧黏合剂的作用是将反射膜牢固地黏合在TAC膜上，其工艺要求不允许有再剥离性。离型膜侧黏合剂是一层压敏胶，它决定了偏光片的黏结性能及贴片加工性能，其性能优劣是LCD偏光片使用者最为关心的问题之一。
4.离型膜
离型膜为单侧涂布硅涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜，主要起保护压敏胶层的作用，同时其剥离力的大小对LCD贴片时的作业性有一定影响。撕去离型膜，露出压敏胶，偏光片就可方便牢固地贴到液晶显示器的玻璃面上。
5.保护膜
保护膜有聚乙烯（polyester，PE）膜和聚对苯二甲酸乙二醇脂（polyethylene terephthalate，PET）膜，PE保护膜为单侧涂布乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）层的膜，具有低黏性，起保护TAC膜表面的作用；PET保护膜起保护压敏胶层作用。在偏光片产品手册中，标注的偏光片有效厚度不包括离型膜和保护膜厚度。
6.反射膜
反射膜为单侧镀铝的PET膜，目前大多使用无指向反射型蒸镀铝膜。例如，将反射膜更换为半透半反膜，则可制成半透半反型偏光片。此外，也可使用各种镀金膜、镀银膜、镭射膜作为反射膜，以获得各种底色和镜面反射等效果。
1.2.2 STN-LCD用偏光片的结构
STN-LCD（超扭曲向列相液晶显示器）显示技术是继TN-LCD之后获得大量应用的显示技术，核心原理是液晶层扭曲角180°～270°的电控双折射效应，不加补偿膜的黄绿模式是绿底黑字显示，加补偿膜可以是黑白模式，加补偿膜再加彩色滤光膜是彩色模式。STN-LCD显示容量、分辨率、响应速度和视角等都有所提高，STN-LCD可用于中小尺寸的静态文字和图像显示。
黄绿模式STN-LCD用偏光片与TN-LCD用偏光片的结构相同，只是贴片方向角度有差异。黑白模式STN-LCD用偏光片是在TN-LCD用偏光片结构基础上，在TAC和压敏胶间额外再复合上双折射光学补偿膜。STN-LCD用偏光片虽然还有黑白系列和彩色系列之分，但都是取决于相位差膜的相位补偿量，结构并没有特别区分。相位差膜是种光学各向异性聚合物材料，用以改善液晶显示器的颜色。STN-LCD用偏光片要求比较高，结构如图1-4所示。
图1-4 STN-LCD用偏光片结构
1.2.3 TFT-LCD用偏光片的结构
TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）是点像素控制显示技术，分辨率最高，视角和响应速度都达到动态显示要求，产品涵盖小尺寸的手机屏、中尺寸的电脑屏和大尺寸的电视屏。TFT-LCD对偏光片的要求最高，附加功能最多。手机等小尺寸TFT-LCD用偏光片要求不高，结构与TN-LCD相同。中大尺寸TFT-LCD用偏光片成对使用，后偏光片需要附加增亮膜功能，前偏光片需要附加视角补偿功能和防眩抗反等功能，这是最高档的TFT-LCD用偏光片。增亮膜有棱镜增亮膜和多层膜反射偏光片增亮膜两种，增亮型偏光片结构如图1-5所示，图1-5（a）为增亮型偏光片，图1-5（b）为反射偏光片。多层膜反射偏光片本来就已经既是偏光片又是增亮膜了，但人们出于对液晶显示器特性的苛刻要求，还是把它和吸收偏光片贴在一起来用。
1.2.4 其他偏光片的结构
OLED（有机电致发光显示器）用偏光片结构与STN-LCD用偏光片结构相似。观看立体电影用的3D眼镜偏光片不需要贴到液晶显示器上去，也就可以省去压敏胶层，3D眼镜用偏光片结构如图1-6所示。
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