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偏光板技術介紹
()
賴劍書、鄭堯中、顏富祥
/
力特光電
隨著社會高度電子化發展，人與人之間的互動也愈趨頻繁，在訊息的傳遞上講求即時、互動
功能的顯示器技術也愈受重視。由於液晶顯示器所具有的薄型、輕量、低耗電等優點，使其
廣泛被使用在個人及家庭用的電子商品上。
近年來又由於大型化及彩色化技術提高，液晶顯示器似乎已有取代陰極射線管
(CRT)
的趨
勢，在
2005
年時估計將有大於
1,000
億美金的市場
，被喻為是
21
世紀明星產業之一。偏光
膜為液晶顯示器重要元件之一，伴隨著液晶顯示器的快速發展，偏光膜的市場也隨之擴大。
目前商品化的液晶顯示器均利用偏極光做為光源，而偏光膜的功能是將非偏極光轉為偏極
光。我們以
TN
型
LCD
為例加以說明。圖一
(a)
是當光線進入經配向
過的液晶槽
(liquid crystal
cell)
後，其偏極方向隨液晶的排列而旋轉
90
度
。圖一
(b)
則是在對液晶槽施加電壓後，所有
的液晶分子皆朝同一方向排列，入射光的偏極方向沒有改變。由此可知，在沒有偏光膜的情
況下，光線可自由進出液晶槽，不受外加電場的影響。圖二表示，當外加兩層偏光膜之後，
光線的透過就可用外加電場加以控制，使得視覺上可以感受到明暗的變化。
[
圖一
]
[
圖二
]
偏極光與偏光膜的基本原理
大多數的
人仍然對偏光膜這個名詞感到陌生而不很清楚，故在此先對偏極光的現象及基本原
理稍做
說明。
偏極光
人類對光的了解依序可分成以下四個重要階段：
1.
十七世紀中，牛頓首先開始對光做有系統的研究，他發現到所謂的白光<
/p>
(White Light)
是由所
有的
色光
(Colored Light)
混合而成。為了要解釋這
個現象，就有許多不同的理論衍生出來。
2.
十九世紀初，楊氏
(Thomas
Young)
利用波動理論成功的解釋了大部分的光學現象如反射、
折射和繞射等。
3.1873
年
，馬克斯威爾發現光波是電磁波，其中它的電波和磁波是相依相存不能分開的，電
場
(E)
、磁場
(H)
與電磁波進行的方向
(k)
這三者是呈相互垂直的關係。
[
圖三
]
4.
二十世紀初，愛因斯坦發現光的
能量要用粒子學說才能解釋，因而衍生出量子學。換言之，
光同時具有波動及粒子兩種特
性。
因為偏極光的理論是用波動學來解釋的，所以往後的討論
都將光視為電磁波，並且為了簡化
易懂，我們只考慮其電場向量
E
。非偏極光的
E
可以用圖四表示，圖
四中許多對稱等長的輻
射線表示
E
在<
/p>
E
、
H
所組成的
平面上振動，並且在各方向振動的機會均等。當
E
的分佈不均<
/p>
時就稱之為偏極化
(Polarization)
，如圖五所示為部份偏極光，當
E
只在一個方向振動時
則稱
之為線性偏極光
(
圖六
)
。從向量的觀點來看，當圖四中各方向的向量投影到
X
和
Y
兩個相互
< br>垂直的座標軸上後，非偏極光可以分解為兩條相垂直的線性偏極光
(
圖七
)
。
[
圖四：非偏極光
< br>]
[
圖五：部份偏極光
]
[
圖六：線性偏極光
]
[
圖七：相互垂直的線性偏極光
]
偏極光的製造
一般而言，製造偏極光的方法是由以下三個步驟：
1.
製造普通非偏極光
(
圖四
)
。
2
.
分解此非偏極光為兩個相互垂直的線性偏極光
(
圖七
)
。
3.
捨棄一條偏極光，應用另一條偏極光
(
圖六
)
。
能將非偏極光分解為兩條偏極光，而捨棄其一的儀器稱之為起偏器
(Pola
rizer)
，起偏器可以
利用如吸收、反射、折射、繞射等光
學效應來產生偏極光。一般較常用的起偏器種類有以下
數種：
(1)
反射型
當光線斜射入玻璃表面時，其反射光將被部分偏極化。利用多層玻璃的連續反射效果即可將
< br>非偏極光轉為線性偏極光。
(2)
複屈折型
將兩片方解石晶體接合，入
射光線會被分解為兩道偏極光，稱為平常光與非常光。
(3)
二色性微晶型
將具有二色性的微小晶
體有規則地吸附排列在透明的薄片上，這是人工第一次做出偏光膜的
方法。
(4)
高分子二色性型
利用透光性良好的高分子薄膜，將膜內分子加以定向，再吸著具有二色性的物質，此為現
今
生產偏光膜最主要的方法。這類吸收式的起偏器都是以膜
(F
ilm)
或是板
(Plate or Sheet)
的形
式存在，因此，通常又稱之為偏光膜
(Pol
arizing Film)
或偏光板
(Polarizing
Plate or Sheet)
。
英文上另外一個更通俗的稱
呼是
Polarizing
Filter
。
偏光膜的起源
偏光膜是由美國拍立得
公司
(Polaroid)
創始人蘭特
(Edwin H. Land)
於
1938
< br>年所發明。六十年
後的今天，雖然偏光膜在生產技巧和設備上有了許多的改進，但
在製程的基本原理和使用的
材料上仍和六十年前完全一樣。因此，在說明偏光膜的製程原
理之前，先簡單的敘述一下蘭
特當時是在什麼情況下得到靈感，相信這有助於全面了解偏
光膜的製程。
蘭特於
1926
年在哈佛大學唸書時看了一篇由英國的一位醫生
Dr. Herapa
th
在
1852
年發表
的論文，內容提到
Dr.
Herapath
的一位學生
Mr.
Phelps
曾不小心把碘掉入
the solution
disulfate of quinine
，他發現立即就有
許多小的綠色晶體產生，
Dr. Herapath
於是將這些
晶體
放在顯微鏡下觀察，發現如下圖所示：當兩片晶體相重疊時，其光的透過度會隨晶體
相交的
角度而改變，當它們是相互垂直時，光則被完全吸收
(<
/p>
圖八
)
；相互平行時，光可完全透過
(
圖
九
)
。
[
圖八：光被完全吸收
]
[
圖九：光可完全透過
]
這些碘化合物的晶體非常小，所以在實際應用上
有了很大的限制，
Dr. Herapath
花了將近十
年的時間來研究如何才能做出較大的偏光晶體，可是他並沒有成功。因此，蘭特認為這條路
可能是不可行的，於是他採用了以下的方式：
●蘭特把大顆粒晶體研磨
(ball
mill)
成微小晶體，並使這些小晶體懸浮在液體中。
●將一塑膠片放入上述的懸浮液中，然後再放入磁場或電場中定向。
●將此塑膠片從懸浮液中取出，偏光晶體就會附蓋在塑膠片的表面上。
< br>
●將此塑膠片留在磁場或電場中，乾燥後就成為偏光膜。
蘭特的方法是將許多小的偏光晶體，有規則的排列好，這就相當於一個大的偏光晶體。他應<
/p>
用上述的方法，在
1928
年成功的做出
了最早問世的偏光膜、
J
片。這種方法的缺點是費時、
成本高和糢糊不透明。但蘭特已經發現了製造偏光膜的幾個重要因素：
(
1)
碘
(2)
高分子
(3)
定向
(Orientation)
。經過不斷的研究改進，蘭特終於在
1938
年發明了到現
在還在沿用的製造
方法，其基本原理將於下節中討論。
偏光膜的工作原理
時下最通用的偏光膜是蘭特在
1938
年所發明的
H
片，其製法如下：首先把一張柔軟富化學
活性的透明塑膠板
(
通常用
PVA)<
/p>
浸漬在
I2 / KI
的水溶液中，幾秒
之內許多碘離子擴散滲入內
層的
PVA
，微熱後用人工或機械拉伸，直到數倍長度，
PVA
板變長同時
也變得又窄又薄，
PVA
分子本來是任意角度無規則性分佈的，
受力拉伸後就逐漸一致地偏轉於作用力的方向，
附著在
PVA<
/p>
上的碘離子也跟隨著有方向性，
形成了碘離子的長鏈
。因為碘離子有很好的起偏
性，它可以吸收平行於其排列方向的光束電場分量
，只讓垂直方向的光束電場分量通過，利
用這樣的原理就可製造偏光膜
< br>(
如圖十
)
。
< br>
[
圖十
]
偏光率的計量
偏光膜的功能就是將非偏極光轉為偏極光，其偏光性能的好壞可用偏光率
(
或偏光度
)
來表
示。計
算方法如下：
1.
取一片偏光膜，將
吸收軸方向分別平行及垂直偏極光光源，測得透過率值
k1
及<
/p>
k2
，單體
透過率
(Total Transmission)
則定義為︰
單體透過率
= ( k1? +
k2? ) / 2
[
圖十一：偏光膜的單體透過率測得
]
2.
取兩片偏光膜，測得平行透過率
(T11)
及垂直透過率(T⊥)
T11 = (k1? + k2?) / 2 T⊥ = k1
×k2
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