吸收型偏光片制作及测试实验

丁 兰，魏 巍

（无锡科技职业学院电子工程学院，江苏无锡 214028）

吸收型偏光片制作及测试实验

丁 兰，魏 巍

（无锡科技职业学院电子工程学院，江苏无锡 214028）

介绍了偏光片制造技术，设计出简易偏光片制作实验.分别采用干法和湿法进行样品制作实验，在不同波长范围内对样品的透光率和偏振度进行了测试，其中在可见光范围内，制品透光率30%以上，偏振度98%以上.对制作偏光片的不同方法进行比较，并对自制偏光片与标准偏光片进行了对比，探讨了部分制品性能不良的原因.

偏光片；湿法工艺；干法工艺；透光率；偏振度

1 引 言

美国人埃德温·赫伯特·兰德（Edwin Herbert Land，1909-1991）于1938年发明了偏光片，之后偏光片实现产业化，被广泛应用于立体电影、防眩光眼镜、太阳镜、滤光片、显微镜等领域，其中尤为重要的是偏光片在液晶显示制造方面的应用，使得其成为目前投资的热点朝阳产业［1-11］.产业化的偏光片是精密自动化生产的，其科技成分高、投入大，普通实验室难以完成，各类教材也少有对偏光片的相关知识进行详细讲述.目前国内已有多家偏光片制造厂家，制作偏光片所需的关键材料，如聚乙烯醇、碘乙醇溶液都已不难获得，其他辅助设备也可在实验室中找到，因此实验室完成偏光片制作已具备可行性.

2 原 理

偏光片分为吸收型、反射型、散射型、光栅型.吸收型偏光片是利用某些材料的二向色性，对入射的自然光进行部分吸收、部分透过，其中典型的二向色性材料包括电气石和碘硫酸奎宁.反射型偏光片是利用多层膜的光学性质，对入射的自然光部分反射、部分透射.散射型偏光片是利用双折射材料和各向同性材料的混合，对入射的自然光部分散射、部分透过.光栅型偏光片就是光栅常量小于入射光波长的光栅器件［6］.

各类偏光片中占主导地位的是吸收型偏光片，该类偏光片的典型制造方法是碘液浸泡聚乙烯醇后拉伸.聚乙烯醇胶片在碘乙醇溶液中浸泡也称为“染色”，染色后碘离子进入聚乙烯醇膜中；对聚乙烯醇膜进行的拉伸定向处理也称为“拉伸”，拉伸后的聚乙烯醇有很强的各向异性，对沿拉伸方向的光分量有强烈吸收，但对垂直拉伸方向的光分量吸收很弱；最后复合上三醋酸纤维素保护膜完成偏光片制造.在具体工艺过程中，“染色”后“拉伸”的工艺方法称为“湿法工艺”，“拉伸”后“染色”的工艺方法称为“干法工艺”.

3 实 验

3.1 实验材料

1）聚乙烯醇胶片，由深圳市三利谱光电科技股份有限公司提供，聚乙烯醇胶片厚度为75μm，外观无色透明，密封保存.

2）碘乙醇溶液，碘浓度在3%以上，黑棕紫色液体.

3）先锋牌反射型取暖器（型号：NSB-8TQ21），功率为800 W.

3.2 实验步骤

1）湿法工艺步骤

湿法制作偏光片的流程如图1所示.

将聚乙烯醇胶片切割成长方形窄条，长宽比在4∶1以上.在250 m L烧杯中加入80 m L碘乙醇溶液，把切割好的聚乙烯醇胶片浸泡在溶液之中，浸泡时间在3 min以上，确保聚乙烯醇胶片染色均匀.浸泡结束后将聚乙烯醇胶片从碘乙醇溶液中取出，在室温下进行初步干燥，干燥时间在3 min左右，确保聚乙烯醇胶片表面无流动性溶液后进入下步操作.将干燥后的聚乙烯醇胶片的两侧宽边固定在细长杆上，记录固定后两细杆间距作为聚乙烯醇胶片的有效拉伸原始长度.打开反射型取暖器预热，预热时间在1min左右，待取暖器加热均匀后，将两细杆固定的聚乙烯醇胶片拉紧移动至取暖器前10 cm处，对聚乙烯醇胶片进行预热，预热时间约1 min.待聚乙烯醇胶片受热均匀后，开始进行拉伸，拉伸过程中适当调节拉伸力度，采用逐步增大拉力的方法来保证聚乙烯醇胶片的伸长过程比较稳定.加热拉伸过程约1 min，保证有效拉伸区域的拉伸长度在原长的4倍以上，之后结束加热，保持对聚乙烯醇胶片的拉力，并在室温下逐渐冷却，冷却时间约3 min，记录有效拉伸区域拉伸后的尺寸.制品经拉伸后变为比较透明的棕黄色，此时已具备偏光特性.将制成的样品裁剪为约5 cm长度，用2片长度相等的透明玻璃夹紧裁剪后的样品，保证制成样品的平整性.实验制作的偏光片样品相关参量见表1.

图1 湿法制作偏光片流程

表1 湿法制作偏光片技术参数

2）干法工艺步骤

干法制作偏光片的流程如图2所示.

将聚乙烯醇胶片切割成长方形窄条，长宽比在4∶1以上.将聚乙烯醇胶片的两侧宽边固定在细长杆上，记录固定后两细杆间距作为聚乙烯醇胶片的有效拉伸原始长度.打开反射型取暖器预热，预热时间在1 min左右，待取暖器加热均匀后，将两细杆固定的聚乙烯醇胶片拉紧移动至取暖器前10 cm处，对聚乙烯醇胶片进行预热，预热时间约1 min.待聚乙烯醇胶片受热均匀后，开始进行拉伸，拉伸过程中适当调节拉伸力度，采用逐步增大拉力的方法来保证聚乙烯醇胶片的伸长过程比较稳定.加热拉伸过程约1 min，保证有效拉伸区域的拉伸长度在原长的4倍以上，之后结束加热，保持对聚乙烯醇胶片的拉力，并在室温下逐渐冷却，冷却时间约3 min，记录有效拉伸区域拉伸后的尺寸.在250 m L烧杯中加入80 m L碘乙醇溶液，把拉伸好的聚乙烯醇胶片浸泡在溶液之中，浸泡时间在3 min以上，确保聚乙烯醇胶片染色均匀.浸泡结束后将聚乙烯醇胶片从碘乙醇溶液中取出，在室温下进行干燥，干燥时间在3 min左右.制品经干燥后变为较深的棕黄色，此时已具备偏光特性.将制成的样品裁剪为约5 cm长度，用2片长度相等的透明玻璃夹紧裁剪后的样品，保证制成样品的平整性.实验制作的偏光片样品相关参量见表2.

图2 干法制作偏光片流程

表2 干法制作偏光片技术参量

3.3 干湿法工艺比较

在制作偏光片的过程中，干法与湿法的工艺环节相同，在工艺顺序方面有所区别，这种工艺顺序上的区别直接表现为偏光片制品的平整度，也即曲翘程度上.聚乙烯醇胶片在浸泡染色的过程中会出现曲翘现象，湿法工艺是在浸泡染色之后进行加热拉伸，因此制品在浸泡后出现的曲翘，其程度会在拉伸过程中减弱，而干法工艺是在加热拉伸后进行浸泡染色，因此其曲翘程度会略高.

在拉伸过程中，由于聚乙烯醇胶片在浸泡染色之后会在弹性上有所下降，因此使用干法制作样品时，更容易将聚乙烯醇胶片拉伸得更长一些.从数据中可以看出，采用湿法制作偏光片时，拉伸长度为原长的4倍左右，采用干法制作偏光片时，拉伸长度在原长6倍以上.

在染色均匀性上，当采用湿法工艺时，由于拉伸工艺在染色工艺之后，因此染色均匀性方面较好；当采用干法工艺时，由于染色之后只有室温干燥的过程，因此染色均匀性较差，会出现部分区域由于染料过多而形成的深黑颜色区域.

4 测试分析

将2片制品重叠进行效果检验.当拉伸方向平行时，呈棕黄色半透明效果；当拉伸方向正交时，呈黑棕紫色遮光效果.再用制品观察电脑液晶显示屏幕，如图3和图4所示，图3（a）是湿法制品拉伸方向与电脑液晶显示屏偏光片透光轴垂直，能看清楚电脑图片.图3（b）是湿法制品拉伸方向与液晶显示器偏光片平行，遮挡处电脑图片完全看不到.图4是干法制品相对应的图片.

图3 透过湿法制品看电脑图片

图4 透过干法制品看电脑图片

对制品做紫外-可见光光谱分析，仪器为UV757CRT紫外光-可见光分光光度计，光谱范围200～1 100 nm.分别测试标准偏光片产品透光率、湿法制作的3片偏光片透光率、干法制作的3片偏光片的透光率、标准偏光片与湿法及干法偏光片平行透光率、标准偏光片与干法及湿法偏光片正交透光率曲线.测试参量：测试波长范围为200～900 nm；纵坐标范围为0～100%；扫描间隔为1.0 nm.测试结果如图5～7所示.其中P曲线为标准偏光片，S1～S3为湿法制作偏光片样品曲线，G1～G3为干法制作偏光片样品曲线.

1）透光率

从测试结果中可以看出，在250 nm处，干法和湿法制作的6片样品都出现了非常陡峭的透光率波峰，而在同波长内，标准偏光片透光率始终保持接近0的数值.在进入可见光波段之后，各样品及标准偏光片的透光率都明显增加.在紫光到橙光范围内，即380～625 nm范围内时，采用湿法制作的偏光片的透光特性曲线更接近标准偏光片的特性曲线，而采用干法制作的偏光片的透光率低于标准偏光片的透光率.在进入红色波长后，各样品透光特性曲线均比较接近标准偏光片曲线.

图5 标准偏光片及自制偏光片透光率特性

图6 偏振光垂直自制偏光片样品的透光率特性

图7 偏振光平行自制偏光片样品的透光率特性

进入红外波段后，部分样品透光率大于标准偏光片，特性曲线高于标准偏光片曲线.样品在各不同波长的典型可见光条件下的透光率如表3所示.

表3 偏光片样品的透光率

2）偏振度

表4 偏光片样品的偏振度

5 结 论

利用聚乙烯醇和碘乙醇在实验室条件下制作的偏光片，不论是湿法工艺还是干法工艺，制作出的偏光片样品的平均透光率均在30%左右，而偏振度特性平均在98%左右，能够达到偏光片技术要求.部分样品的性能不够良好，是与制作过程中工艺参量的设定有关，如浸泡时间、拉伸强度，同时与实验人员的操作手法也有很大的关系.该实验内容丰富，趣味性强，对培养学生动手能力，提高对偏振光知识的直观了解具有实用意义.

［1］ 祝玉华，王贺清，石凤良.人造偏光片的发明与立体电影的发展［J］.中国现代教育装备，2008，67（9）：158-159.

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

［3］ 吕兴亚.介绍一种自制偏光片的方法［J］.物理教学，1984，（10）：30-31.

［4］ 范志新.偏光片知识讲座第一讲：偏光片的发明和应用［J］.现代显示，2012（2）：5-12.

［5］ 范志新.偏光片知识讲座第二讲：偏振光学基础［J］.现代显示，2012（3）：5-11.

［6］ 范志新.偏光片知识讲座第三讲：偏光元件原理［J］.现代显示，2012（4）：5-12.

［7］ 范志新.偏光片知识讲座第四讲：偏光片的结构和制造［J］.现代显示，2012（5）：5-12.

［8］ 范志新.偏光片知识讲座第五讲：偏光片的性能和检验［J］.现代显示，2012（6）：5-11.

［9］ 范志新.偏光片知识讲座第六讲：偏光片制造业的发展和现状［J］.现代显示，2012（7）：5-12.

［10］ 管永军，金武，牛小宁.3D偏振演示实验［J］.物理实验，2011，31（12）：1-3，7.

［11］ 黄卫良.光的偏振演示仪的制作［J］.物理实验，2006，26（2）：30-31.

［责任编辑：郭 伟］

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

无锡科技职业学院科技基金资助（No.RJ14025）

丁 兰（1980－），女，江苏无锡人，无锡科技职业学院电子工程学院讲师，硕士，主要从事液晶显示技术及电子设计教学研究.

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