CN102540315B - 偏振器板、光学装置和制备偏振器板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及偏振器板、光学装置以及制备偏振器板的方法。更具体地，本发明涉及具有高透射率、高偏振和高耐久性的偏振器板、包括该偏振器板的光学装置以及制备偏振器板的方法。

Description

偏振器板、光学装置和制备偏振器板的方法
技术领域
本发明涉及偏振器板、光学装置以及制备偏振器的方法。更具体地，本发明涉及具有高透射率、高偏振和高耐久性的偏振器板、包括该偏振器板的光学装置以及制备该偏振器板的方法。
背景技术
液晶显示器(LCD)是本领域广泛使用的平板显示器，通常，液晶显示器包括封装在薄膜晶体管(TFT)阵列基板和彩色滤光片基板之间的液晶层。液晶显示器基于液晶层内的液晶分子在对阵列基板和彩色滤光片基板上的电极施加电场时的排列变化而显示图像。
液晶显示器包括在阵列基板和彩色滤光片基板外部的偏振器板。每个偏振器板允许背光单元入射的光和通过液晶层的光中在特定方向上传播的光选择性透过，从而实现偏振。这种偏振器板包括能够使光在特定方向上偏振的偏振器和用于支撑和保护偏振器的保护层。偏振器一般通过用二色性碘对聚乙烯醇膜进行染色，随后用硼酸或者硼砂使该膜交联并拉伸来制备。
高透射率和高偏振度对于偏振器板是有利的。然而，随着透射率的增加，偏振器板在偏振效率上降低，从而降低了对比度。因此，虽然已努力尝试获得高透射率而不劣化偏振效率，但相关领域中尚未获得令人满意的方案。
而且，随着液晶显示器的应用范围扩大，液晶显示器在高温条件下的应用也在增长，因此，需要在这种条件下具有耐久性并经历较少颜色变化的偏振器板。
发明内容
本发明的一个方面提供一种偏振器板，所述偏振器板可包括具有15或更高的如等式1所示取向度的偏振器：
取向度＝RD/RPVA×100，
其中，RPVA表示聚乙烯醇的相位差，RD表示二色性材料的相位差。
在一个实施方式中，所述取向度可为15至30。
在一个实施方式中，所述二色性材料可为碘。
在一个实施方式中，所述聚乙烯醇的相位差(RPVA)可为500至800，所述二色性材料的相位差(RD)可为90至130。
在一个实施方式中，所述偏振器板在70℃下放置48小时后可具有0.4或更低的CIE Lab a值的颜色变化(Δa)和1.5或更低的CIE Lab b值的颜色变化(Δb)。
本发明的另一方面提供一种包括所述偏振器板的光学装置。
本发明的又一方面提供一种制备偏光器板的方法，所述方法包括：对结晶度为0.40或更高的聚乙烯醇膜进行溶胀，对溶胀的聚乙烯醇膜进行染色，以及对染色的聚乙烯醇膜进行拉伸。
在一个实施方式中，所述结晶度可为0.40至0.43。
在一个实施方式中，所述染色的聚乙烯醇膜可以5.5至6.5倍的比率拉伸。
在一个实施方式中，所述方法可进一步包括对拉伸的聚乙烯醇膜进行颜色校正。
在一个实施方式中，所述拉伸的聚乙烯醇膜的颜色校正可在包含重量百分比为1％至6％(wt％)的碘化钾的颜色校正浴内进行。
附图说明
图1为根据本发明一个实施方式偏振器板的侧视图；以及
图2至图6为描述包括实施例1至3以及对比例1和2的偏振器的偏振器板的正交透射率的曲线图。
具体实施方式
本发明的一个方面涉及一种偏振器板。
该偏振器板可包括具有15或更高的如等式1所示取向度的偏振器：
取向度＝RD/RPVA×100，
其中，RPVA表示聚乙烯醇的相位差，RD表示二色性材料的相位差。
如果取向度小于15，该偏振器板会显示出负面的透射率、较差的偏振效率和较差的耐久性。优选地，取向度为15至30。
取向度可为就偏振器而言的值，或者可为就偏振器板而言的值，该偏振器板具有粘附在偏振器至少一个侧面的保护膜。
偏振器可通过将二色性材料吸附在聚乙烯醇膜上再将该聚乙烯醇膜进行拉伸而制备。该聚乙烯醇膜的相位差(RPVA)可为500至800，该二色性材料的相位差(RD)可为90至130，优选为110至130。在此取向度内，偏振器在透射率、偏振效率和耐久性上可具有有利的性能。
取向度为二色性材料与聚乙烯醇的相位差比。相位差可用作表示二色性材料与聚乙烯醇分子的平行取向度的指数。取向度可使用相位差检测器测量，聚乙烯醇的相位差(RPVA)可通过由偏振器或者偏振器板的相位差减去二色性材料的相位差(RD)而得到。
根据本发明的偏振器板在烤箱内在70℃下放置48小时后的颜色变化(Δa)可为0.4或更低，颜色变化(Δb)可为1.5或更低。
在一个实施方式，颜色变化(Δa)可为0.1至0.4，颜色变化(Δb)可为1.0至1.5。偏振器板的小颜色变化(Δa，Δb)意味着偏振器板具有极好的耐久性。通过拉伸具有高结晶度的聚乙烯醇膜以增加取向度，可实现高耐久性。
偏振器的厚度可为0.5至400μm，优选地为5至200μm，更优选地为5至50μm。
图1为根据本发明一个实施方式偏振器板的侧视图。
参照图1，根据本实施方式的偏振器板包括偏振器100、堆叠在偏振器100的上表面上的第一保护膜102以及堆叠在偏振器100的下表面的第二保护膜106。第三保护膜104可堆叠在第一保护膜102的上表面上，且离型膜110可通过粘合剂层108堆叠在第二保护膜106的下表面。
第一保护膜102和第二保护膜106可为乙酸乙酯膜，例如三乙酰纤维(TAC)、聚碳酸酯膜、聚酰胺膜、聚酰亚胺膜、聚烯烃膜、聚酯膜和聚醚砜膜。具体地，TAC膜可用作第一和第二保护膜。粘合剂层108可为压敏粘合剂(PSA)层。在本实施方式中，粘合剂层108以包括压敏层进行说明。
以上实施方式以一个实施例进行说明。例如，偏振器板可进一步包括设置在第一保护膜102和保护膜104之间的防闪(AG)层、抗反射涂层(ARC)等，以及设置在第二保护膜106和粘合剂层108之间的补偿层(补偿膜)。偏振器板可进一步包括增亮膜、反射膜，抗透射反射膜、散射膜等。或者，可省略一些保护膜。
而且，偏振器板可为用于TN(扭曲向列)液晶、STN(超扭曲向列)液晶、水平排列模式的液晶如IPS(平面内切换)、超IPS或FFS(边缘场切换)、或者垂直排列模式的液晶的偏振器板。即，根据本发明的偏振器板可应用于任何液晶模式。
本发明另一个方面涉及一种光学装置。
例如，该光学装置可为包括上述偏振器板的液晶显示器。液晶显示器可包括侧入式或者直下式背光单元、以及安装在该背光单元一个侧面上的液晶面板。
液晶面板包括在上基板和下基板之间的液晶层，在液晶层上分别堆叠根据本发明的偏振器板作为上偏振器板和下偏振器板。液晶层可包括TN(扭曲向列)液晶、STN(超扭曲向列)液晶、水平排列模式的液晶如IPS(平面内切换)、超IPS或FFS(边缘场切换)、或者垂直排列模式的液晶。液晶面板可为无源矩阵或者有源矩阵。或者，液晶面板可为薄膜晶体管(TFT)有源矩阵液晶面板。液晶显示器可用于例如移动电话、监视器、TV、平板电脑、笔记本电脑等电子设备的图像显示器。
本发明的又一方面涉及制备偏振器板的方法。
制备偏振器板的方法包括偏振器制备工艺和保护膜贴装工艺，该偏振器制备工艺包括溶胀、染色、拉伸等。
偏振器制备工艺
根据本发明一个实施方式的偏振器可通过对聚乙烯醇(PVA)膜进行溶胀、染色和拉伸而制备。
聚乙烯醇膜可选自任何商购的聚乙烯醇膜。或者，聚乙烯醇膜可通过溶剂浇铸、熔融挤出等来制备。在溶剂浇铸中，将通过树脂溶解在溶剂中制备的树脂溶液涂布在浇铸辊或者浇铸带上，随后蒸发该溶剂，从而制得所需膜。在熔融挤出中，将树脂在熔点或者更高温度熔融，随后挤出并通过冷却辊冷却，从而制得所需膜。用于制备该膜的溶液可以进一步包括用于增强聚乙烯醇膜柔性的增塑剂和便于从带或鼓上分离干燥聚乙烯醇膜的表面活性剂。
聚乙烯醇膜可具有0.40或更高的结晶度。在这个范围内，制备的偏振器在透射率、高偏振效率和耐久性上可具有有利的性能。具体地，聚乙烯醇膜具有0.40至0.43的结晶度。
结晶度可通过等式2得到：
结晶度＝B/A×100，
其中，A表示为通过FT-IR(傅里叶变换红外光谱)测量确定的基准带在1425cm-1处的强度，B表示为通过FT-IR测量确定的聚乙烯醇膜在1140cm-1处的强度。
基准带可为基于FT-IR测量的基线输出。
然后，偏振器通过拉伸制备的聚乙烯醇膜或者商购的聚乙烯醇膜来制造。提供以下制造偏振器的工艺仅为了说明，因而该方法可以进一步包括本文中未描述的其他工艺或者可省略本文中描述的一些工艺。而且，应理解的是，以下编号并非表示工艺的顺序，需要时可以改变。
A)溶胀
在对聚乙烯醇膜进行染色前可进行聚乙烯醇膜的冲洗和/或溶胀。进行冲洗以从聚乙烯醇膜去除杂质，进行溶胀以保证高效的染色工艺。具体地，将聚乙烯醇膜通过溶胀浴，该溶胀浴可容纳水或氯化物、硼酸、无机酸、有机溶剂等，并可保持在20℃至30℃的温度。本领域普通技术人员能够容易地准备和选择溶胀浴。
B)染色
将溶胀的聚乙烯醇膜经历使用对膜赋予偏振性能的二色性材料进行染色。二色性材料是在长轴和短轴之间的光吸收程度上表现出极大差异的材料，且任何材料可用作二色性材料，只要该材料仅选择性吸收相互垂直的偏振光成分中的一种成分以提供偏振性能即可。例如，可以使用碘、二色性颜料等。
当用碘分子对聚乙烯醇膜进行染色时，碘染色浴除碘之外还可进一步容纳碘化钾或者硼酸。碘染色可在20℃～40℃的温度下进行。
染色后，聚乙烯醇膜可进一步经历交联。具体地，为了使碘分子更牢固地附着于聚乙烯醇基质，可使用硼酸作为交联剂，并可进一步对其加入磷酸。
C)拉伸
染色的聚乙烯醇膜可进一步经历拉伸。对于此工艺可以使用干拉伸法或者湿拉伸法。干拉伸法的实例可以包括辊间拉伸法、压缩拉伸法、加热辊拉伸法等。
用于湿拉伸的浴可包含硼酸，并可以保持在35℃至65℃的温度。这里，该浴可包含0.1％至10wt％的硼酸。硼酸可用于聚乙烯醇的分子链之间的交联剂，因而在干燥过程中阻止I3-或I5-分解成I2和I-。
拉伸可与染色或者交联同时进行。当拉伸和染色同时进行时，这些工艺可以在碘溶液内进行，当拉伸与交联同时进行时，这些工艺可以在硼酸溶液内进行。拉伸也可与下述的颜色校正同时进行。
拉伸工艺形成偏振轴，可进行以提供2至7倍的拉伸率，优选为5至7倍，更优选为5.5至6.5倍，但不限于此。
该方法在溶胀、染色和拉伸后可进一步包括颜色校正。
D)颜色校正
拉伸的聚乙烯醇膜可进一步经历用于聚乙烯醇膜的颜色校准而进行的颜色校正。颜色校正可以在颜色校正浴内进行，该颜色校正浴包含碘化钾(KI)和/或硼酸，但不限于此。在一个实施方式中，颜色校正可以在颜色校正浴内进行，该颜色校正浴包含1至10wt％的碘化钾，优选为1至6wt％的碘化钾。该颜色校正浴可进一步包含0.1至3wt％的硼酸。碘化钾增加I5-的总量以吸收红色光谱内的光(光谱扩展)，从而提高耐久性。
保护膜贴装工艺
当制造的偏振器在被卷绕机卷绕的同时移动时，可进行将保护膜贴装于偏振器的至少一个侧面的工艺。虽然多种膜可用作保护膜，但是使用三乙酰纤维素(TAC)是有利的。在本实施方式中，TAC膜用作保护膜。用于偏振器板的TAC膜需要透明度、平整度和光学各向异性，用于保护使光偏振的偏振器，并包括聚乙烯醇。因此，两个TAC膜贴装在偏振器的上表面和下表面是有利的。
在由未卷绕的辊环绕卷绕辊卷绕TAC膜的同时，通过将TAC膜贴装在聚乙烯醇膜可实现TAC膜与拉伸的聚乙烯醇膜的贴装，但不限于此。
除了保护膜，还可进一步将功能性膜，如补偿膜等贴装于拉伸的聚乙烯醇膜。
染色工艺
制得的偏振器和贴装在偏振器至少一个侧面的保护膜可进一步经历干燥。或者，在保护膜贴装到偏振器之前，制得的偏振器可经历干燥。干燥可在40至85℃的温度下进行1至15分钟。干燥可通过例如热风干燥、近红外加热等辐射加热干燥进行。
接下来，将参照以下实施例更详细地说明本发明的结构和功能。提供这些实施例仅用于说明，且不应以任何方式解释为限制本发明。
在此将省略对本领域技术人员来说明显的详细描述。
实施例1
将平均聚合度为2400和结晶度为0.425的聚乙烯醇膜(Kuraray有限公司)浸入离子交换水中并进行洗涤。接着，将聚乙烯醇膜在包含比例为1/23(为重量比)的碘/碘化钾且温度为30℃的水中浸泡10秒。接着，将聚乙烯醇膜在包含3wt％硼酸且温度为50℃的水中拉伸至6.2倍。将聚乙烯醇膜在包含4.0wt％碘化钾的水中经历颜色校正，并在50℃的烤箱内干燥2分钟，从而得到偏振器。
实施例2
根据实施例2的偏振器可用与实施例1相同的方法制备，区别在于将结晶度为0.422的聚乙烯醇膜拉伸至6倍，且颜色校正在颜色校正浴内使用含有3.5wt％碘化钾的水进行。
实施例3
根据实施例3的偏振器可用与实施例1相同的方法制备，区别在于将结晶度为0.418的聚乙烯醇膜拉伸至5.8倍，且颜色校正在颜色校正浴内使用含有3.0wt％碘化钾的水进行。
对比例1
将平均聚合度为2400和结晶度为0.394的聚乙烯醇膜(Kuraray有限公司)浸入离子交换水中并进行洗涤。接着，将聚乙烯醇膜在包含比例为1/23(为重量比)的碘/碘化钾且温度为30℃的水中浸泡10秒。接着，将聚乙烯醇膜在包含3wt％硼酸且温度为50℃的水中拉伸至5.8倍。将聚乙烯醇膜在包含3.0wt％碘化钾的水中经历颜色校正，并在50℃的烤箱内干燥2分钟，从而得到偏振器。
对比例2
根据对比例2的偏振器可用与对比例1相同的方法制备，区别在于将结晶度为0.390的聚乙烯醇膜在颜色校正浴内使用含有3.5wt％碘化钾的水进行颜色校正，随后在55℃下干燥。
测试
在实施例1至3和对比例1至2中，通过以下方法评价聚乙烯醇膜、制得的偏振器以及包括制得的偏振器的偏振器板的光学和物理性能。
(1)结晶度：使用型号为FTS-7000(Varian有限公司)的FT-IR(傅里叶变换红外光谱)检测器测量结晶度。FT-IR分光计装配有ATR(AttenuatedTotal Reflectance)以测量结晶度。具体地，聚乙烯醇膜不经过预处理切割成两半，并将该膜的切割部分与ATR的金刚石压腔(diamond cell)接触。然后，锁住ATR并旋转ATR上的螺杆以使金刚石压腔与样品表面紧密接触。具体地，旋转ATR的上侧面的螺杆约20次以在金刚石压腔和样品切割部分之间提供恒定的接触程度，随后测量光谱。然后，随着轻轻释放ATR的螺杆，ATR解锁以移走金刚石压腔，接着再锁住ATR以测量背景。在FT-IR测量中，获得基准带在1425cm-1处的强度(A)和聚乙烯醇膜在1140cm-1处得强度(B)，并根据等式：B/A×100计算结晶度。
(2)取向度：使用相位差检测器KOBRA-WX100/IR(OSI有限公司)测量取向度。对包括TAC保护膜贴装在偏振器相对两侧的偏振器板测量取向度。具体地，在样品均匀地固定在对应于光源的位置时，根据样品尺寸通过连续测量选择测量方法。该测量在300nm～1200nm的波长内，例如845.1nm、903.3nm、952.1nm、1000.0nm、1046.5nm和1092.7nm完成。Rc和Rs为根据KOBRA-WX100/IR输出的结果。Rc来源于柯西公式开根据KOBRA-WX100/IR以曲率类型输出。柯西公式的A至D在波长内确定，由此输出n＝Rc。Rs来源于塞耳迈耶尔公式塞耳迈耶尔公式的A和B在波长内确定。通过在波长内连续测量，调节Rs与Rc一致。Rs，即Rc等于RD+RPVA，这是偏振器在特定波长，例如1000.0nm处的总相位差。然后，在样品设置在相互平行的偏振器之间时，将单一波长偏振光束照射在样品上端以穿过该样品，而由光束穿过该样品的角度依存关系获得样品的相位差和取向角。输出偏振器板的相位差(RD+RPVA)、二色性颜料的相位差(RD)和聚乙烯醇的相位差(RPVA)。由全部偏振器板的相位差(RD+RPVA)减去二色性材料(RD)的相位差也可得到聚乙烯醇的相位差(RPVA)。取向度使用上述等式1得到。假定保护膜TAC不会对取向度产生任何影响。仅对偏振器测量取向度的情况和仅对偏振器板测量取向度的情况没有差别。当使用偏振器板测量取向度时，由于偏振器板的平坦表面可降低测量误差。
(3)透射率、偏振效率和色值：使用型号为V-7100(Jasco有限公司)的UV-vis分光光度计测量透射率、偏振效率和色值。对包括TAC保护膜贴装在偏振器相对两侧的偏振器板进行测量。使波长为380至780nm的光穿过格兰-汤姆逊棱镜并变成偏振光。然后，在偏振光穿过1.5的偏振器板的同时与偏振器板的吸收轴平行或者正交时，测量偏振器板的透射率、偏振效率和色值。根据分光光度计内存储的等式获得偏振器板的单一透射率、平行透射率、正交偏光透射率(cross-nicol transmittance)和偏振效率，且色值相对于D65光源以CIE Lab值中的a值、b值、x值和y值输出。
(4)耐久性：进行耐热性测试以测量耐久性。具体地，当由于施加热在a值或者b值上存在变化时，偏振器板的颜色改变，因而所期望的颜色并未显示在显示装置上，且这种现象与耐久性相关。对包括TAC保护膜贴装在偏振器相对两侧的偏振器板进行耐久性的测量。在70℃下放置48小时后，使用型号为V-7100的分光计分析色值(Δa，Δb)上的变化。
图2至图6为描述包括实施例1至3以及对比例1和2的偏振器的偏振器板的正交透射率的曲线图。表1示出了用于实施例和对比例的聚乙烯醇膜的结晶度以及由此制得的偏振器板的取向度，表2比较了包括由实施例和对比例制备的偏振器的偏振器板的光学特性，表3示出了包括由实施例和对比例制备的偏振器的偏振器板的色值，表4示出了包括由实施例和对比例制备的偏振器的偏振器板的颜色变化。
表1
  样品号   FT-IR结晶度(ATR)   RPVA   RD   取向度(RD/RPVA×100)
  实施例1   0.425   696.5   126.3   18.1
  实施例2   0.422   756.7   123.3   16.3
  实施例3   0.418   775.0   119.1   15.4
  对比例1   0.394   812.3   114.5   14.1
  对比例2   0.390   850.9   118.3   13.9
表2
  样品号   透射率(％)   偏振效率(％)
  实施例1   43.15   99.94
  实施例2   43.11   99.90
  实施例3   43.07   99.89
  对比例1   43.01   99.89
  对比例2   42.46   99.92
表3
  样品号   颜色(a)   颜色(b)
 实施例1   -1.31   3.20
 实施例2   -1.18   3.17
 实施例3   -1.22   2.95
 对比例1   -1.32   3.42
 对比例2   -1.23   3.25
表4
  样品号   颜色变化(Δa)   颜色变化(Δb)
  实施例1   0.17   1.13
  实施例2   0.33   1.40
  实施例3   0.33   1.20
  对比例1   0.54   1.80
  对比例2   0.49   2.13
在表1中可以看到，由等式1得到的偏振器板的取向度随着非拉伸聚乙烯醇膜的结晶度增加而增加。换句话说，与对比例1和2的偏振器板相比，根据实施例1至3具有非拉伸聚乙烯醇膜的高结晶度和拉伸聚乙烯醇膜的高取向度的偏振器板具有优异的单一透射率和偏振效率。换句话说，对比例1具有比实施例1至3低得多的偏振效率，对比例2具有比实施例1至3低得多的透射率。
另一方面，在烤箱内将偏振器板在70℃放置48小时后分析色值变化时，根据实施例1至3的偏振器板的平均色值变化(Δa)为0.28，而根据对比例1和2的偏振器板的平均色值变化(Δa)为0.515。而且，根据实施例1至3的偏振器板的平均色值变化(Δb)为0.515，而根据对比例1和2的偏振器板的平均色值变化(Δb)为1.965。因此，可以看出根据实施例1至3的偏振器板的色值表现出很小的变化，从而在高温下放置长时间后具有充分改善的耐久性。
虽然本文中公开了一些实施方式，但应理解的是，提供这些实施方式仅用于说明，可进行各种修改、变更和替换而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明的范围应仅由所附的权利要求及其等效方案限定。

Claims (11)

1.一种制备偏光器板的方法，包括：
对结晶度为0.40至0.43的聚乙烯醇膜进行溶胀；
对溶胀的聚乙烯醇膜进行染色；以及
对染色的聚乙烯醇膜进行拉伸；
其中所述结晶度通过以下等式得到：
结晶度＝B/A×100，
其中，A表示为通过傅里叶变换红外光谱测量确定的基准带在1425cm-1处的强度，B表示为通过傅里叶变换红外光谱测量确定的聚乙烯醇膜在1140cm-1处的强度，且所述基准带为基于傅里叶变换红外光谱测量的基线输出。
2.如权利要求1所述的制备偏光器板的方法，其中将染色的聚乙烯醇膜拉伸至5.5至6.5倍的比率。
3.如权利要求1所述的制备偏光器板的方法，其中进一步包括：对拉伸的聚乙烯醇膜进行颜色校正。
4.如权利要求3所述的制备偏光器板的方法，其中拉伸的聚乙烯醇膜的颜色校正在包含1wt％至6wt％碘化钾的颜色校正浴内进行。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的制备偏光器板的方法制备的偏振器板，包括：
具有15或更高的由以下等式所示取向度的偏振器：
取向度＝RD/RPVA×100，
其中，RPVA表示聚乙烯醇的相位差，RD表示二色性材料的相位差；
其中所述二色性材料的相位差为90至130nm。
6.如权利要求5所述的偏振器板，其中所述取向度为15至30。
7.如权利要求5所述的偏振器板，其中所述二色性材料为碘。
8.如权利要求5所述的偏振器板，其中所述聚乙烯醇的相位差为500至800nm。
9.如权利要求5所述的偏振器板，其中所述偏振器板在70℃下放置48小时后测量的颜色变化Δa为0.4或更低。
10.如权利要求5所述的偏振器板，其中所述偏振器板在70℃下放置48小时后测量的颜色变化Δb为1.5或更低。
11.一种光学装置，包括权利要求5至10中任意一项所述的偏振器板。
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