吸收型偏光片制作及測試實驗

丁 蘭，魏 巍

（無錫科技職業(yè)學院電子工程學院，江蘇無錫 214028）

吸收型偏光片制作及測試實驗

丁 蘭，魏 巍

（無錫科技職業(yè)學院電子工程學院，江蘇無錫 214028）

介紹了偏光片制造技術，設計出簡易偏光片制作實驗.分別采用干法和濕法進行樣品制作實驗，在不同波長范圍內對樣品的透光率和偏振度進行了測試，其中在可見光范圍內，制品透光率30%以上，偏振度98%以上.對制作偏光片的不同方法進行比較，并對自制偏光片與標準偏光片進行了對比，探討了部分制品性能不良的原因.

偏光片；濕法工藝；干法工藝；透光率；偏振度

1 引 言

美國人埃德溫·赫伯特·蘭德（Edwin Herbert Land，1909-1991）于1938年發(fā)明了偏光片，之后偏光片實現(xiàn)產業(yè)化，被廣泛應用于立體電影、防眩光眼鏡、太陽鏡、濾光片、顯微鏡等領域，其中尤為重要的是偏光片在液晶顯示制造方面的應用，使得其成為目前投資的熱點朝陽產業(yè)［1-11］.產業(yè)化的偏光片是精密自動化生產的，其科技成分高、投入大，普通實驗室難以完成，各類教材也少有對偏光片的相關知識進行詳細講述.目前國內已有多家偏光片制造廠家，制作偏光片所需的關鍵材料，如聚乙烯醇、碘乙醇溶液都已不難獲得，其他輔助設備也可在實驗室中找到，因此實驗室完成偏光片制作已具備可行性.

2 原 理

偏光片分為吸收型、反射型、散射型、光柵型.吸收型偏光片是利用某些材料的二向色性，對入射的自然光進行部分吸收、部分透過，其中典型的二向色性材料包括電氣石和碘硫酸奎寧.反射型偏光片是利用多層膜的光學性質，對入射的自然光部分反射、部分透射.散射型偏光片是利用雙折射材料和各向同性材料的混合，對入射的自然光部分散射、部分透過.光柵型偏光片就是光柵常量小于入射光波長的光柵器件［6］.

各類偏光片中占主導地位的是吸收型偏光片，該類偏光片的典型制造方法是碘液浸泡聚乙烯醇后拉伸.聚乙烯醇膠片在碘乙醇溶液中浸泡也稱為“染色”，染色后碘離子進入聚乙烯醇膜中；對聚乙烯醇膜進行的拉伸定向處理也稱為“拉伸”，拉伸后的聚乙烯醇有很強的各向異性，對沿拉伸方向的光分量有強烈吸收，但對垂直拉伸方向的光分量吸收很弱；最后復合上三醋酸纖維素保護膜完成偏光片制造.在具體工藝過程中，“染色”后“拉伸”的工藝方法稱為“濕法工藝”，“拉伸”后“染色”的工藝方法稱為“干法工藝”.

3 實 驗

3.1 實驗材料

1）聚乙烯醇膠片，由深圳市三利譜光電科技股份有限公司提供，聚乙烯醇膠片厚度為75μm，外觀無色透明，密封保存.

2）碘乙醇溶液，碘濃度在3%以上，黑棕紫色液體.

3）先鋒牌反射型取暖器（型號：NSB-8TQ21），功率為800 W.

3.2 實驗步驟

1）濕法工藝步驟

濕法制作偏光片的流程如圖1所示.

將聚乙烯醇膠片切割成長方形窄條，長寬比在4∶1以上.在250 m L燒杯中加入80 m L碘乙醇溶液，把切割好的聚乙烯醇膠片浸泡在溶液之中，浸泡時間在3 min以上，確保聚乙烯醇膠片染色均勻.浸泡結束后將聚乙烯醇膠片從碘乙醇溶液中取出，在室溫下進行初步干燥，干燥時間在3 min左右，確保聚乙烯醇膠片表面無流動性溶液后進入下步操作.將干燥后的聚乙烯醇膠片的兩側寬邊固定在細長桿上，記錄固定后兩細桿間距作為聚乙烯醇膠片的有效拉伸原始長度.打開反射型取暖器預熱，預熱時間在1min左右，待取暖器加熱均勻后，將兩細桿固定的聚乙烯醇膠片拉緊移動至取暖器前10 cm處，對聚乙烯醇膠片進行預熱，預熱時間約1 min.待聚乙烯醇膠片受熱均勻后，開始進行拉伸，拉伸過程中適當調節(jié)拉伸力度，采用逐步增大拉力的方法來保證聚乙烯醇膠片的伸長過程比較穩(wěn)定.加熱拉伸過程約1 min，保證有效拉伸區(qū)域的拉伸長度在原長的4倍以上，之后結束加熱，保持對聚乙烯醇膠片的拉力，并在室溫下逐漸冷卻，冷卻時間約3 min，記錄有效拉伸區(qū)域拉伸后的尺寸.制品經拉伸后變?yōu)楸容^透明的棕黃色，此時已具備偏光特性.將制成的樣品裁剪為約5 cm長度，用2片長度相等的透明玻璃夾緊裁剪后的樣品，保證制成樣品的平整性.實驗制作的偏光片樣品相關參量見表1.

圖1 濕法制作偏光片流程

表1 濕法制作偏光片技術參數(shù)

2）干法工藝步驟

干法制作偏光片的流程如圖2所示.

將聚乙烯醇膠片切割成長方形窄條，長寬比在4∶1以上.將聚乙烯醇膠片的兩側寬邊固定在細長桿上，記錄固定后兩細桿間距作為聚乙烯醇膠片的有效拉伸原始長度.打開反射型取暖器預熱，預熱時間在1 min左右，待取暖器加熱均勻后，將兩細桿固定的聚乙烯醇膠片拉緊移動至取暖器前10 cm處，對聚乙烯醇膠片進行預熱，預熱時間約1 min.待聚乙烯醇膠片受熱均勻后，開始進行拉伸，拉伸過程中適當調節(jié)拉伸力度，采用逐步增大拉力的方法來保證聚乙烯醇膠片的伸長過程比較穩(wěn)定.加熱拉伸過程約1 min，保證有效拉伸區(qū)域的拉伸長度在原長的4倍以上，之后結束加熱，保持對聚乙烯醇膠片的拉力，并在室溫下逐漸冷卻，冷卻時間約3 min，記錄有效拉伸區(qū)域拉伸后的尺寸.在250 m L燒杯中加入80 m L碘乙醇溶液，把拉伸好的聚乙烯醇膠片浸泡在溶液之中，浸泡時間在3 min以上，確保聚乙烯醇膠片染色均勻.浸泡結束后將聚乙烯醇膠片從碘乙醇溶液中取出，在室溫下進行干燥，干燥時間在3 min左右.制品經干燥后變?yōu)檩^深的棕黃色，此時已具備偏光特性.將制成的樣品裁剪為約5 cm長度，用2片長度相等的透明玻璃夾緊裁剪后的樣品，保證制成樣品的平整性.實驗制作的偏光片樣品相關參量見表2.

圖2 干法制作偏光片流程

表2 干法制作偏光片技術參量

3.3 干濕法工藝比較

在制作偏光片的過程中，干法與濕法的工藝環(huán)節(jié)相同，在工藝順序方面有所區(qū)別，這種工藝順序上的區(qū)別直接表現(xiàn)為偏光片制品的平整度，也即曲翹程度上.聚乙烯醇膠片在浸泡染色的過程中會出現(xiàn)曲翹現(xiàn)象，濕法工藝是在浸泡染色之后進行加熱拉伸，因此制品在浸泡后出現(xiàn)的曲翹，其程度會在拉伸過程中減弱，而干法工藝是在加熱拉伸后進行浸泡染色，因此其曲翹程度會略高.

在拉伸過程中，由于聚乙烯醇膠片在浸泡染色之后會在彈性上有所下降，因此使用干法制作樣品時，更容易將聚乙烯醇膠片拉伸得更長一些.從數(shù)據(jù)中可以看出，采用濕法制作偏光片時，拉伸長度為原長的4倍左右，采用干法制作偏光片時，拉伸長度在原長6倍以上.

在染色均勻性上，當采用濕法工藝時，由于拉伸工藝在染色工藝之后，因此染色均勻性方面較好；當采用干法工藝時，由于染色之后只有室溫干燥的過程，因此染色均勻性較差，會出現(xiàn)部分區(qū)域由于染料過多而形成的深黑顏色區(qū)域.

4 測試分析

將2片制品重疊進行效果檢驗.當拉伸方向平行時，呈棕黃色半透明效果；當拉伸方向正交時，呈黑棕紫色遮光效果.再用制品觀察電腦液晶顯示屏幕，如圖3和圖4所示，圖3（a）是濕法制品拉伸方向與電腦液晶顯示屏偏光片透光軸垂直，能看清楚電腦圖片.圖3（b）是濕法制品拉伸方向與液晶顯示器偏光片平行，遮擋處電腦圖片完全看不到.圖4是干法制品相對應的圖片.

圖3 透過濕法制品看電腦圖片

圖4 透過干法制品看電腦圖片

對制品做紫外-可見光光譜分析，儀器為UV757CRT紫外光-可見光分光光度計，光譜范圍200～1 100 nm.分別測試標準偏光片產品透光率、濕法制作的3片偏光片透光率、干法制作的3片偏光片的透光率、標準偏光片與濕法及干法偏光片平行透光率、標準偏光片與干法及濕法偏光片正交透光率曲線.測試參量：測試波長范圍為200～900 nm；縱坐標范圍為0～100%；掃描間隔為1.0 nm.測試結果如圖5～7所示.其中P曲線為標準偏光片，S1～S3為濕法制作偏光片樣品曲線，G1～G3為干法制作偏光片樣品曲線.

1）透光率

從測試結果中可以看出，在250 nm處，干法和濕法制作的6片樣品都出現(xiàn)了非常陡峭的透光率波峰，而在同波長內，標準偏光片透光率始終保持接近0的數(shù)值.在進入可見光波段之后，各樣品及標準偏光片的透光率都明顯增加.在紫光到橙光范圍內，即380～625 nm范圍內時，采用濕法制作的偏光片的透光特性曲線更接近標準偏光片的特性曲線，而采用干法制作的偏光片的透光率低于標準偏光片的透光率.在進入紅色波長后，各樣品透光特性曲線均比較接近標準偏光片曲線.

圖5 標準偏光片及自制偏光片透光率特性

圖6 偏振光垂直自制偏光片樣品的透光率特性

圖7 偏振光平行自制偏光片樣品的透光率特性

進入紅外波段后，部分樣品透光率大于標準偏光片，特性曲線高于標準偏光片曲線.樣品在各不同波長的典型可見光條件下的透光率如表3所示.

表3 偏光片樣品的透光率

2）偏振度

表4 偏光片樣品的偏振度

5 結 論

利用聚乙烯醇和碘乙醇在實驗室條件下制作的偏光片，不論是濕法工藝還是干法工藝，制作出的偏光片樣品的平均透光率均在30%左右，而偏振度特性平均在98%左右，能夠達到偏光片技術要求.部分樣品的性能不夠良好，是與制作過程中工藝參量的設定有關，如浸泡時間、拉伸強度，同時與實驗人員的操作手法也有很大的關系.該實驗內容豐富，趣味性強，對培養(yǎng)學生動手能力，提高對偏振光知識的直觀了解具有實用意義.

［1］ 祝玉華，王賀清，石鳳良.人造偏光片的發(fā)明與立體電影的發(fā)展［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2008，67（9）：158-159.

［2］ 謝書偉.偏光片及其用途［J］.感光材料，1997（2）：44-46.

［3］ 呂興亞.介紹一種自制偏光片的方法［J］.物理教學，1984，（10）：30-31.

［4］ 范志新.偏光片知識講座第一講：偏光片的發(fā)明和應用［J］.現(xiàn)代顯示，2012（2）：5-12.

［5］ 范志新.偏光片知識講座第二講：偏振光學基礎［J］.現(xiàn)代顯示，2012（3）：5-11.

［6］ 范志新.偏光片知識講座第三講：偏光元件原理［J］.現(xiàn)代顯示，2012（4）：5-12.

［7］ 范志新.偏光片知識講座第四講：偏光片的結構和制造［J］.現(xiàn)代顯示，2012（5）：5-12.

［8］ 范志新.偏光片知識講座第五講：偏光片的性能和檢驗［J］.現(xiàn)代顯示，2012（6）：5-11.

［9］ 范志新.偏光片知識講座第六講：偏光片制造業(yè)的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.現(xiàn)代顯示，2012（7）：5-12.

［10］ 管永軍，金武，牛小寧.3D偏振演示實驗［J］.物理實驗，2011，31（12）：1-3，7.

［11］ 黃衛(wèi)良.光的偏振演示儀的制作［J］.物理實驗，2006，26（2）：30-31.

［責任編輯：郭 偉］

Experiment of fabrication and test of absorbing polarizer

DING Lan，WEI Wei
（School of Electronic Engineering，Wuxi Professional College of Science and Technology，Wuxi 214028，China）

Based on the manufacture technology of polarizer，simple experiment of polarizer fabrication was designed.The transmittance and polarization degree of the samples made by dry process and wet process，were tested at different visible wavelengths，the sample’s transmittance was higher than 30%，and the polarization degree was greater than 98%.At last，we compared the difference between wet and dry process，the standard polarizer and self-making polarizer，the reason for the poor performance of some samples were analyzed.

polarizer；wet process；dry process；transmittance；polarization degree

O436.2

A

1005-4642（2014）10-0021-05

2014-06-05；修改日期：2014-07-18

無錫科技職業(yè)學院科技基金資助（No.RJ14025）

丁 蘭（1980－），女，江蘇無錫人，無錫科技職業(yè)學院電子工程學院講師，碩士，主要從事液晶顯示技術及電子設計教學研究.

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