1.3 偏光片

偏光片（Polarizer，又称偏振片）是将自然光转变为偏振光的光学膜材。由于液晶显示器是利用液晶材料对偏振光的可控调节来实现光的透过，因此偏光片是液晶显示中必不可少的光学元件。在液晶显示面板结构中，偏光片的位置通常贴附在上下玻璃基板的表面。

1.3.1 偏光片的基本原理

实现偏光的原理有多种。用于液晶显示的偏光片通常是利用碘分子或具有二相色散性的染料来吸收某一偏振态光线，并透过另一偏振态光线而获得偏振光，如图1.7所示。

碘分子或染料通过染色过程附着于聚乙烯醇层（Poly Vinyl Alcohol，PVA）分子上；当对PVA分子膜进行单方向拉伸时，碘分子就随着PVA分子在拉伸方向一致排列了，如图1.8所示。

PVA拉伸后，一致排列的细长碘分子具有偏光性，会吸收振动方向与碘分子长轴平行的光线，透过与之垂直的光线。碘分子中吸收光线的主要是I ³⁻ 和I ⁵⁻ 离子。两种离子吸收光谱如图1.9所示。从图1.9可以看出，I ³⁻ 离子主要吸收蓝光波段，I ⁵⁻ 离子主要吸收红光波段。增加碘离子可增加吸收量，提高偏光片的偏振度，但同时会减低透过率；另外，I ⁵⁻ 分子易气化挥发或分解成I ³⁻ ，因此实际应用中需要优化两种离子的含量以获得优化的偏振度和透过率。碘分子在偏光片中起偏光作用，所以也称其为偏光子。

1.3.2 偏光片的基本构成

偏光片是由多层膜复合而成的光学部品，它的基本结构如图1.10所示。

各层薄膜层的基本作用描述如下。

1.PVA层

如前所述，PVA 是偏光片实现偏光功能的核心部分，其厚度约 20μm。PVA中的碘离子吸收自然光中一个偏振态的光线，透过另一个偏振态光线，从而获得偏振光。

2.TAC层

TAC（Tri-Acetate Cellulose，三醋酸纤维素）层在偏光片中主要起到支撑和保护PVA层的作用，目前常见的厚度有40μm和60μm的规格。PVA膜强度较低，质脆易破，同时具有较强的亲水性，在湿热的环境中容易发生收缩变形、吸水褪色等问题，因此需要在其两侧添加保护材料。TAC的主要构成为三醋酸纤维素酯，具有较高的强度、抗热敏感性，同时透过率也较高，是保护PVA层的常见材料。NRT（No Retardation TAC）是通过改善拉伸工艺，实现无光学延迟的TAC薄膜，对改善暗态漏光更有利。偏光片中的NRT常用于替换靠近玻璃那侧的TAC层。

TAC材料虽然具有多种优点，但其缺点是吸水率高，因此在高温潮湿环境或较长时间保存下易发生吸水形变，从而引起显示器出现诸如漏光和/或膜材褶皱等显示不良。为了解决这些不良，目前市场上出现多种替代TAC的材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（Poly Methyl Meth Acrylate，PMMA，也称亚克力）、聚对苯二甲酸乙二酯（PolyEthylene Terephthalate，PET）和环烯烃聚物（Cyclic Olefin Polymer，COP）等。这几种材料吸水率较低，有利于改善吸水膨胀引起的漏光。另外，COP 材料光弹性系数较小，约为TAC的十分之一，有利于改善内应力引起的漏光。但PMMA和COP在实际应用中也有诸多缺点。使用PMMA替代TAC的偏光片，显示器在暗态下易发生偏蓝或其他Mura类不良。COP材质较软，用于彩膜侧偏光片时需要盖板玻璃起保护作用，因此COP目前常用于替换PVA下侧的TAC材料。另外，当偏光片上下层的TAC都用COP替换时，需要用UV胶来对PVA和COP进行贴合，这是由于COP材料吸水率极低，用普通水胶贴合时，水胶不易脱水而固化。

3.PSA层

PSA层（Pressure Sensitive Adhere）为压敏胶，是一种靠压力作用实现对被粘接物体表面黏合的材料，厚度约为 20μm。它在偏光片中的作用是确保偏光片能够可靠地粘贴在玻璃基板上。除此之外，压敏胶还具有良好的耐湿热特性和再剥离特性。

4.离型膜和保护膜

在存放或运输过程中离型膜和保护膜对偏光片起着保护作用，分别用来保护PSA层和TAC层，其材质常为PET。

5.补偿膜

由于液晶分子为棒状结构，入射光在长轴方向和短轴方向位相差不同，所以，在不同观看视角下，会发生对比度和颜色的偏差，出现色偏和亮度不均。因此，常在偏光片中增加具有偏振补充作用的补偿膜，一定程度上补偿或修正不同视角下的位相差，从而提高画面品质。补偿膜一般是由固化了的聚合物液晶（比如胆甾相液晶）薄膜组成。用于VA或TN模式的补偿膜偏光片主要用来改善其视角特性，用于IPS和FFS（ADS）模式的补偿膜偏光片主要用来改善其色偏和暗态漏光等特性。此外，为了提升液晶显示器的透过率，在偏光片中还会集成偏振性增亮膜，使透过率有约30%提升。表1.1列出了补偿膜材料的特点。

注：（1）在聚合物的 n _o 和 n _e 中，折射率大的方向定义为 n _x 。

（2）补偿膜可以搭配使用，在偏光片中是位于靠近玻璃基板这侧。

1.3.3 偏光片的参数

偏光片的参数包括常见的光学特性参数：偏振度（P）、透过率（T）和色相（Hue）以及可靠性、剥离力和外观指标。

1.偏振度

偏振度（Polarization Degree）是描述偏光片获得偏振光的纯度特性，它取决于PVA层的延伸率。延伸率越大，偏振度就越高。偏振度可以表示为

式中， T _// 和 T _⊥ 分别是平行和垂直于碘分子排列方向的振动光强。目前常见偏光片的偏振度约为99%。

2.透过率

偏光片的透过率（Transmittance）根据测试方法不同分为单体透过率、平行透过率和垂直透过率。单体透过率是指光经过单片偏光片后的透过率，通常简写为 T _s 。单体透过率理论值为50%，但实际均小于50%。近年来，随着液晶面板厂商不断对透过率提升提出需求，偏光片制造商的技术及工艺也在改进。目前偏光片的单体透过率已经达到45%左右。平行透过率是指光经过两片透光轴互相平行的偏光片后的透过率，通常简写为 T _p 。垂直透过率是指光经过两片透光轴互相垂直的偏光片后的透过率，通常简写为 T _c 。上述三个参数中， T _p 影响LCD的最大亮度， T _c 影响LCD的暗态亮度， T _p / T _c 的大小影响LCD的对比度。

由于受二向色相染料分子取向性等现实因素的影响，实际光线在经过偏光片后并不能完全转变为振动方向绝对单一的线偏振光，部分向其他振动方向的光线也会“漏出”。如图1.11 所示，假设水平方向和垂直方向入射的光强为 I _o （总入射光强 I 分成为水平和垂直方向相等的 I _o ，即 I _o =0.5 I ），则可以计算出垂直方向和水平方向的出射光强度 I ₁ 和 I ₂ ，其中 k ₁ 和 k ₂ 分别表示两个方向的透过率。偏光片的单体透过率：

偏光片的平行透过率：

偏光片的垂直透过率：

最后，得到偏光片的偏振度如式（1.1）所示。

3.可靠性

偏光片的可靠性（Reliability）技术指标包括耐高温、耐湿热、耐低温和耐冷热冲击等多项技术指标。由于构成偏光膜的基本材料PVA膜和碘及碘化物都是极易水解的材料，同时也由于偏光片所使用的压敏胶在高温高湿条件下也容易劣化，因此，在偏光片的可靠性技术指标中最重要的就是耐高温和耐湿热指标。按照PVA染色方法的不同，偏光片分为碘系偏光片和染料系偏光片两种类型，其中碘系偏光片因透过率高、偏振度高和价格便宜等优点在液晶显示器市场中占有率高达80%～90%，但碘系偏光片耐高温及耐高温高湿的能力相对较差。相比较而言，在可靠性方面，染料系偏光片表现出更优良的性能，但其透过率和偏振度等方面的性能较差，因此多用于特殊场合的显示器件中，如汽车、船舶等应用领域。

偏光片在应用500h内按照可耐受的温度和湿度范围，通常分为以下三种类型。

（1）通用型：温度40℃和90%湿度。

（2）中耐久型：温度60℃和90%湿度。

（3）高耐久型：温度70℃和95%湿度。

4.剥离力

偏光片的剥离力（Peel Strength）又分为保护膜剥离力、离型膜剥离力和对玻璃基板的剥离力三项。对液晶面板制造商而言，偏光片对玻璃基板的剥离性能十分重要。例如，粘贴后短时间（4～6h）内剥离困难或剥离后玻璃基板上有残胶，则该偏光片返工修复性差，贴片不良会导致整片液晶屏报废。但如果剥离力很小，则易造成偏光片在玻璃基板上贴合后压敏胶耐久性和耐湿性能下降以及剥离膜表面凹陷等不良发生，也造成显示器不良或可靠性有问题。

5.外观指标

描述偏光片外观指标特性，通常指表面平整度、四角翘曲高度、边缘波纹状卷曲高度和尘粒污染参数。外观指标会影响偏光片的贴附工艺，如四角翘曲量会影响贴附的对位精度，边缘波纹状卷曲易引起贴附气泡等不良。

1.3.4 偏光片的表面处理

表面不做任何处理的偏光片通常被称为纯偏光片（Clear Polarizer），一般显示器的下偏光片（贴附在阵列基板上）都是纯偏光片；而上偏光片（贴附在彩膜基板上）由于位于显示器的最表面，为了满足不同的应用要求，通常在偏光片的TAC层进行一些表面处理，以实现一些必要的功能。最常见的表面处理为抗反射（Anti-Reflective，AR）处理、抗眩光（Anti-Glare，AG）处理和抗划伤硬化（Hard Coating，HC）处理。

偏光片表面不做任何处理时，光线经过偏光片表面通常会有约 5%左右的反射损失；另外，当环境光较强时，纯偏光片对外界光线的反射较强，会严重影响显示器的对比度和观看效果。抗反射处理方法就是在偏光片的TAC层上涂一层抗反射型物质，利用光的干涉原理来降低其反射值。抗反射处理的偏光片价格较高，为普通类型偏光片价格的2～3倍，因此一般多用于户外、半户外或特殊显示等附加值较高的液晶显示器中。

未做表面处理的偏光片在较强的环境光照射下，镜面反射较强，容易发生眩光，影响画面观看，且长时间观看易引起眼睛疲劳。抗眩光处理是在TAC表面制作一层凹凸状的粗化处理层，将反射光线均匀分散至各个方向，从而起到抗眩的效果。抗眩处理的偏光片广泛应用于桌面显示器和平板计算机等产品中。

纯偏光片在不经过任何处理之前，表面硬度一般小于 2H，不能满足某些应用场合要求，且容易被外力划伤。表面硬化处理就是在TAC层表面制作一层硬化处理层，以增强POL的硬度、耐磨损和抗侵蚀的能力，经处理后POL的表面硬度一般在3H以上。