偏光膜生产核心设备

摘要：文章介绍了偏光膜的概况，同时对偏光膜生产核心设备——PVA拉伸机做了阐述，并对偏光膜生产新技术进行了介绍，对设备的国产化提出了观点。

关键词：偏光膜；生产设备；PVA拉伸机

中图分类号：TQ342　　　　　文献标识码：A　　　 　文章编号：1009-2374（2012）20-0034-03

1　前言

近年来的显示器技术中，液晶显示器（LCD）是发展最快速的技术之一。虽然这两年新一代显示技术有机EL面板发展迅速，但在全球面板产值高达1000亿美元的市场份额中，约9成仍是液晶面板。

图 1 偏光膜基本构造

一块液晶面板包括背光板、偏光板、液晶层以及彩色滤光片等重要组成部分。其中偏光板用于提供一个方向的线性极化光通过的功能。利用此功能，当液晶层接受外部电压控制时，能够产生明亮状态以及黑暗状态以控制液晶显示器的画面显示。所以说偏光膜是液晶显示器必需的关键组件之一，且必须上下成对配合使用。如图1所示，偏光膜的基本结构是两层TAC膜夹一层PVA膜，业内称之为“原板”。以“原板”为基础，分别复合不同功能的光学膜，如反射膜、半透膜、位相差膜等，由此形成不同用途的偏光膜成品。

因此，“原板”是偏光膜的核心，生产“原板”的设备——PVA拉伸机是偏光膜生产的核心设备。现对PVA拉伸机的设计要点进行探讨。

2　PVA拉伸机设备组成及作用

2.1　设备组成

见下图，PVA拉伸机为3层式标准结构，亦有2层式结构。不过，尽管布局不同，但基本组成仍然一样。

图 2 PVA拉伸机简图

2.2　作用

PVA拉伸机实现偏光膜的基本性能，如光学特性、耐久特性等。在一般LCD产品的使用中，要求偏光度和透过率性能指标越高越好。偏光度和透过率越高，LCD显示器件的显示效率就越高，相对能耗就越小。

3　PVA拉伸机设计要点

3.1　PVA放卷

PVA的放卷装置设计为单轴放卷，这主要取决于PVA膜高倍数拉伸的生产特性，在高倍数（3～8倍）拉伸条件下，PVA原料膜卷与卷之间的拼接根本无法承受。而PVA拉伸机的流程又较长（＞100米以上），为减少每卷膜用完后需重新穿膜所带来的损耗，同时提高生产效率，PVA原膜的长度应尽量长，有的已达6000米/卷以上。需要注意的是长度越长，重量也越大（超过1～2吨），必要时需考虑配备吊机以保安全。PVA的放卷为主动式放卷，并配置张力检出器进行张力控制，以确保放卷平稳。

3.2　液槽部分

各槽均要求液体循环过滤装置保证槽内液体的均匀性与洁净性，加热（冷却）装置保证温差控制在设定温度的±1℃以内，严禁循环出液口出现湍流、气泡等影响膜平稳运行的情况，同时也要避免出现呆滞区。槽内各导辊采用海绵辊（Sponge roll）为

宜，并注意辊面硬度及质量变化，及时进行更换。

（1）水洗槽。作用是通过纯水洗去PVA原膜上的皂化剂及异物。由于PVA膜吸水后会起皱，所以水洗槽的设计需注意防止PVA膜在槽内因浸水起皱形成折痕，PVA膜在槽内横向无拉伸，消除折痕的理想办法除采用弧形辊（Sponge roll，中心高度50～100mm）进行扩张外，还需要循环泵水力的帮助。生产过程中此槽会产生大量白色泡沫，设计合适的液体排放口与循环口及时将槽内异物去除很重要。

（2）膨润槽。槽内溶液为硼酸液，目的是利用硼酸控制膜的热膨胀，提高化学稳定性、提高机械强度和热冲击能力、改善着色性能等。

（3）染色槽。由于偏光膜的色相、透过率与偏光度及耐候性等均需在此槽来实现，因此该槽是所有液槽之中最为重要的一个。设计重点是确保染色时间充足（即行程够长），由于不同产品要求的染色时间不尽相同，槽内导辊亦设计成高度自动同步可调，此处升降机构的精度要求高，确保各导辊之间的平行误差在0.02～0.05mm之间。同时，需保证染色的均匀，保证槽内染着液浓度稳定一致。染色槽出口的Nip roll需保证切干效果，以避免槽内染着液被带走造成损失，并污染后面的液槽，导致色相的不可控。

PVA膜视不同产品要求在槽内浸染时间以60～300秒为宜。

（4）洗净槽。此槽相对单纯，只是对从染色槽出来的膜进行浸洗。

（5）延伸槽。目的就是保证达到要求的拉伸比。对染色后的PVA膜而言，拉伸比越大，就越容易实现高透过、高对比度。现在通用的湿法拉伸生产设备均采用两段拉伸，即通过两个延伸槽、三对延伸辊来共同实现。延伸槽的拉伸比大小是衡量拉伸能力的重要参数，拉伸比除取决于设备精度、延伸辊尺寸和材质外（NBR或EPDM，邵氏硬度A在70～85之间），还与PVA膜材料的性能、聚合度、槽内溶液的配比、工艺参数及人员操作水平等密切相关。拉伸比过低会导致偏光膜性能无法满足高透过、高对比度等规定要求；拉伸比过高则会引起膜厚度的相对误差难以控制，且制造工艺更为复杂。通常制造偏光膜的PVA膜单向拉伸至少3～5倍以上才可保证偏光膜的性能，而满足更高要求的偏光膜拉伸比需达到5～7倍。

（6）洗净槽。相对简单，主要是去除膜上附有的硼酸或其他异物。

（7）补色槽。主要是对经过前面工序的PVA膜，检测其色相等指标是否已符合要求，然后再根据色相与要求的误差进行补充染色。

（8）水切。将PVA素子上的水分彻底挤切干净，因此设计时Nip roll连续配置2～3对，水切不良，水迹会被带入素子干燥箱内，由于水迹为硼酸溶液，硼酸干燥结晶后会形成白色颗粒，从而造成欠点并划伤PVA素子。为加强水切效果，建议生产速度超过10m/min时加配不锈钢风刀。

3.3　素子干燥箱

此干燥箱对净化等级要求在1000～100级之间。箱体内壁采用抛光不锈钢板制作，所有直角应导成圆角并抛光，以便于清洁。干燥箱内导辊间距为350～500mm，布置较密，以防止PVA素子受热后产生卷曲。建议采用被动辊，要求辊表面抛光、钢性好、质轻、防锈、防腐。干燥箱内需保持正压以确保洁净，箱体长度在10～20米之间，箱内温度范围在55℃～90℃之间，设定后温度波动控制在±1℃以内。热风系统需经亚高效、高效两级过滤。

3.4　上TAC与下TAC

上TAC与下TAC两个装置的组成是一样的，由双工位放卷、贮膜机、洗净槽、干燥箱等组成。双工位放卷是确保TAC可连续供应，贮膜机主要是为了保证换膜、接膜不影响生产，洗净槽是对已处理的TAC膜再次洗净，这里出口的Nip roll切水效果一定要好，必要时也要配置风刀。干燥箱长度较短，温度在60℃～85℃之间，相关要求同素子干燥箱。

3.5　贴合（LAMI）

在此实现PVA膜与上、下TAC膜的贴合。由于是三层膜同时贴合，因此通过张力控制装置保持各膜的平整是必须的。LAMI-ROLL的质量直接决定贴合质量，此处，LAMI-ROLL如同印刷辊，不同的是要求辊圆、平、性质均匀，不能有缺陷甚至暗影。辊的材质主要为液体硅胶或NBR，硬度控制在邵氏硬度A70～85度之间，但同一对辊硬度误差需控制在±1以内，辊径大小一致，确保线速度一样，必须指出的是，目前国内的NBR胶辊还不能用作LAMI-ROLL。

影响LAMI质量的除上述因素外，两贴合辊间的压力大小、接着剂的添加方式如加胶装置、加胶位置、加胶距离等也对产品质量影响很大。

3.6　合板干燥箱

三膜贴合后即进入合板干燥箱进行干燥。合板干燥箱通常分为两部分，第一部分为贴合后部分，此处胶水未干，干燥的方式有电加热、热风加热或两种方式的组合，此段干燥箱工作高度建议与LAMI-ROLL保持一致，长度在8～15米之间，温度在50℃～70℃之间。此干燥箱出口需有一外径超过400mm的牵引展平辊。然后进入第二段合板干燥，此段干燥箱长度相对较长，在25～80m之间。干燥温度需分段设定，不能过高，否则会导致偏光膜变黄。合板干燥箱质量要求与素子干燥箱相似，不同的是合板干燥箱内导辊很少、风量和缓。

3.7　贴保护膜装置至成品收卷

完成干燥过程的“原板”表面非常洁净，为确保后工序加工时不影响表面质量，通常需在偏光膜的一面或两面贴上保护膜。

收卷的产品称之为“原板”。收卷时张力的控制与收卷辊径的尺寸非常重要，否则易产生折痕，影响良品率，收卷辊辊径建议为400～700mm，双工位收卷。

3.8　电控装置

在PVA拉伸机的整个生产过程中张力、速度、温度等控制非常重要，因此对机台的自动化控制要求也高，建议使用进口电气品牌进行配置。

4　结语

PVA拉伸机目前主要由日本与韩国的设备商制造，属非标设备，生产速度基本在10～25m/min之间，幅宽从500mm到2500mm不等。随着显示技术的不断发展，对偏光片的要求也越来越高，耐候水平从通常的干热80℃×500HR，湿热60℃×90%RH×500HR变得更为苛刻，即要求在高耐久条件下（干热85℃×1000HR，湿热65℃×95%RH×1000HR）使用。为满足这些严苛要求，近来有人尝试使用UV固化胶水代替传统的接着剂，以获得高耐久产品。同时，可大幅提高生产效率并缩短整个生产线长度，现已取得较大进展。

PVA拉伸设备完全国产化条件仍不具备，国内相关核心部件的加工技术仍有待提高，特别是重要的辊——如LAMI-ROLL、液槽内EXPANDER ROLL以及电控部分等。另外，设备国产化也受到市场需求制约，偏光膜市场近几年新进入的厂商基本没有，大都是现有客户为扩大产能而增加投资。

参考文献

[1]　施明志，郑尧中，王宜屏．降低TAC膜接触角的方法．CN 1670588A．

[2]　文尚胜，莫文贞，文斐，彭俊彪．薄膜晶体管液晶显示器用偏光膜技术研究进展[J]．半导体光电，2007，28（6）．

（责任编辑：周加转）