光學(xué)膜片之偏光片的結(jié)構(gòu)及其工作原理介紹

電視、智能手機(jī)、汽車(chē)儀表等IT設(shè)備的重要性能之一就是畫(huà)質(zhì)，為打造畫(huà)質(zhì)清晰的顯示器，“偏光板(Polarizer)”是必不可少的材料。

我們平時(shí)看到的自然光，沿著一切方向振動(dòng)，從而向四面八方傳播。沿多個(gè)方向振動(dòng)產(chǎn)生的自然光透過(guò)偏光板時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)化為沿一個(gè)方向振動(dòng)的光波。如果沒(méi)有偏光板，屏幕會(huì)看起來(lái)模糊不清。這也是偏光板被稱(chēng)為“數(shù)字快門(mén)(Digital Shutter)”的原因。

LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）是利用兩個(gè)偏光板之間的液晶來(lái)改變光的方向或調(diào)節(jié)強(qiáng)度的透射式顯示器。具體效果可以看看下面的視頻演示。

相反，OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光二極管）是通過(guò)向OLED器件傳輸電子信號(hào)來(lái)發(fā)光的自發(fā)光顯示器。

因此，OLED不需要偏光板也能發(fā)光，但為了確保戶(hù)外可見(jiàn)度偏光板仍必不可少。通常，OLED 偏光板用于常在戶(hù)外使用的智能手機(jī)或筆記本電腦屏幕，以防止外部光線反射并提供高可見(jiàn)度。但與LCD不同的是，OLED面板只需要上面的一層偏光板即可，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

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偏光片的結(jié)構(gòu)

偏光片主要由PVA膜、TAC膜、保護(hù)膜、離型膜和壓敏膠等復(fù)合制成。偏光片的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

偏光片中起偏振作用的核心膜材是PVA膜。PVA膜經(jīng)染色后吸附具有二向吸收功能的碘分子，通過(guò)拉伸使碘分子在PVA膜上有序排列，形成具有均勻二向吸收性能的偏光膜，其透過(guò)軸與拉伸的方向垂直。（而拉伸的方向，也就是常說(shuō)的吸收軸）

構(gòu)成偏光片的各種主要膜材所具備的特性及作用如下表所示：

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偏光片工作原理

LCD是利用液晶的旋光性，厚度適中的液晶分子可以讓光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°或者270°（加電壓時(shí)液晶分子由于電場(chǎng)作用樹(shù)立，不改變光的偏正方向），加上兩片偏光片才可以使整個(gè)液晶盒子變成一個(gè)光開(kāi)光。其中一個(gè)是起偏器（下偏，靠近光源），一個(gè)是檢偏器（靠近眼睛）。

如果沒(méi)有偏光片，入射光是圓偏振光，出射也是圓偏振光，就沒(méi)有任何圖像了。就是白色一片。至于LCD內(nèi)部已經(jīng)有RGB濾光膜，但是要顯示紅色需要綠色，藍(lán)色全關(guān)，紅色開(kāi)，看上去才是紅色，如果RGB由于偏光片失效，處于全開(kāi)狀態(tài)，那可能上去就是復(fù)色光--白光了。

偏光片（Polarizer）可控制特定光束的偏振方向。自然光在通過(guò)偏光片時(shí)，振動(dòng)方向與偏光片透過(guò)軸垂直的光將被吸收，透過(guò)光只剩下振動(dòng)方向與偏光片透過(guò)軸平行的偏振光。如下圖所示：

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偏光片只允許單一方向的光線通過(guò)，所以通過(guò)上下兩片偏光片的垂直排列就可以控制光線了。

當(dāng)背光源的入射光通過(guò)偏光板、液晶及取向膜后，輸出光便具備了特定的方向特性，也就是說(shuō)，大多數(shù)從屏幕射出的光具備了垂直方向。因此LCD的角度就有了一定限制；假如從一個(gè)非常斜的角度觀看一個(gè)全白的畫(huà)面，我們可能會(huì)看到黑色或是色彩失真。

一般來(lái)說(shuō)，上下角度要小于或等于左右角度。如果可視角度為左右80度，表示在始于屏幕法線80度的位置時(shí)可以清晰地看見(jiàn)屏幕圖像。但是，由于人的視力范圍不同，如果沒(méi)有站在最佳的可視角度內(nèi)，所看到的顏色和亮度將會(huì)有誤差。

LCD的顯示原理決定了它的可視角度并不理想。為了增大可視角度，有些廠商開(kāi)發(fā)出了各種廣視角技術(shù)，試圖改善液晶顯示器的視角特性，比如IPS液晶面板，可以把液晶顯示器的可視角度增加到160度，甚至更多。

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偏光片的分類(lèi)

偏光片的應(yīng)用范圍很廣，不但能使用在LCD上作為偏光材料，也可用于太陽(yáng)眼鏡、防眩護(hù)目鏡、攝影器材的濾光鏡、汽車(chē)頭燈防眩處理及光量調(diào)整器，其它還有偏光顯微鏡與特殊醫(yī)療用眼鏡

a.偏光片按功能分類(lèi)

透射式偏光片 反射式偏光片 半透過(guò)半反射式偏光片 補(bǔ)償型偏片

b.偏光片按染色方法分類(lèi)

碘系偏光片：PVA與碘分子相結(jié)合，為現(xiàn)今生產(chǎn)偏光膜最主要的方法。容易獲得高透過(guò)率、高偏振度的光學(xué)特性，但耐高溫高濕的能力較差。

染料系偏光片：將具有二色性的有機(jī)染料吸著在PVA上，并加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。不容易獲得高透過(guò)率、高偏振度的光學(xué)特性，但耐高溫高濕的能力較好。

c.偏光片按起偏材料的種類(lèi)分類(lèi)

金屬偏光片: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(xiàn)在已不使用這種方法生產(chǎn)。

碘系偏光片：PVA與碘分子所組成，為現(xiàn)今生產(chǎn)偏光膜最主要的方法。

染料系偏光片：將具有二色性的有機(jī)染料吸著在PVA上，并加以延伸定向，使之具有偏旋光性能;

乙烯偏光片：用酸為觸媒，將PVA脫水，使PVA分子中含一定量乙烯結(jié)構(gòu)，再加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。

d.按照不同的作用分類(lèi)

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偏光片的性能指標(biāo)

如下圖為，我們一般在選用偏光片時(shí)所關(guān)注的性能指標(biāo)：

不同性能指標(biāo)的含義如下圖：

不同的性能指標(biāo)量化后對(duì)LCD模組的影響：

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偏光片表面處理

常見(jiàn)的表面處理方式包括： 防眩處理（AG） 防眩＋低反射處理（AG＋LR） 透明硬化＋低反射處理（CHC＋LR） 透明硬化處理（CHC） 防反射處理（AR）等

不同的表面處理方式可滿(mǎn)足不同終端的應(yīng)用需求，例如CHC處理多用于可觸摸的移動(dòng)電子設(shè)備上等。目前上述表面處理已被廣泛用于各類(lèi)電子產(chǎn)品。其生產(chǎn)加工過(guò)程就是典型的濕法涂布過(guò)程。

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偏光片的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

偏光片的設(shè)計(jì)選用指標(biāo)主要包括光學(xué)特性、機(jī)械性能和可靠性三方面，在滿(mǎn)足這三方面的前提下，則要重點(diǎn)考慮成本方面。

光學(xué)特性主要是指偏光片的透過(guò)率、偏振度和色調(diào)等參數(shù)；下層偏光片如果是濾X方向的光，那上層只能是濾Y方向的光，如果上下同一方向，用戶(hù)就看不到任何東西。

LCD液晶顯示屏雖然在正常工作的，但是肉眼沒(méi)有辦法看到偏光。
和背光搭配方面，其下偏光片的吸收軸一定要與背光DBEF膜片的穿透軸垂直，否則背光光線將無(wú)法穿透下偏光片；其次若背光使用了光柵膜（防窺膜），則要注意光柵膜的角度問(wèn)題，否則容易產(chǎn)生摩爾紋問(wèn)題。

機(jī)械性能主要包括偏光片的翹曲度、偏光片壓敏膠的粘結(jié)強(qiáng)度及偏光片的厚度等； 可靠性則是衡量偏光片耐久性的指標(biāo)，其評(píng)價(jià)方法是將偏光片放置在高溫、低溫、高溫高濕等環(huán)境試驗(yàn)箱中經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，檢查其外觀和光學(xué)性能的變化。

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偏光片的發(fā)展前景

其實(shí)傳統(tǒng)偏光片技術(shù)已難以滿(mǎn)足日新月異的新型顯示技術(shù)需求。特別是現(xiàn)在手機(jī)產(chǎn)品越來(lái)越薄型化，對(duì)偏光片材料的薄型化、高透過(guò)率、高耐候性等均提出了較高的要求。

直接制備在顯示器件內(nèi)部的內(nèi)置型偏光片(In-Cell Polarizer)技術(shù)，使偏光片與顯示器件融為一體，其獨(dú)特的超薄、高透過(guò)率、環(huán)境耐受性以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到顯示行業(yè)的重視。

特別是柔性O(shè)LED和柔性LCD的發(fā)展，對(duì)內(nèi)置型偏光片的發(fā)展提出了迫切需求。柔性顯示屏的整體厚度越輕薄，材料柔韌性越好，可達(dá)到的曲率半徑越小。

制作LCD用外置型偏光片的塑料基板會(huì)導(dǎo)致顯示品質(zhì)差、視角特性狹窄等柔性顯示課題，比如偏光板及相位差板的厚度造成了柔性差的問(wèn)題。

審核編輯：劉清