WGP偏光片 | AIST、菱江化学、东海精密工业、伊藤光学工业共同开发 印刷技术实现的低反射耐用型偏光片
文 | 小C君 · 编译 | Nina
来源 ：etnews
CINNO Research 产业资讯，偏光片不仅可以用于液晶显示屏，还可以用于液晶投影仪等光学仪器、抬头显示屏等车载设备、液晶曝光等生产设备及偏光太阳镜片等很多领域，是不可或缺的控制偏光技术的光学元件。车载设备、液晶投影仪等产品，会应用于高温高湿的环境，或高亮度光线经常照射的环境，所以对产品构成的原材料偏光片也有较高的耐久性（耐热性、耐湿性、耐光性）要求。
另一方面，在液晶投影仪、显示屏等光学仪器中，目前对杂散光的控制问题依然存在，并且需要具有低反射率的偏光片。而迄今为止还没有兼具较好耐久性及较低反射率的薄型偏光片产品，如果能够生产这样的偏光片，就可以把用途扩展到目前尚且难以应用的领域，期待能够迎来偏光片的新时代。
研发经过
日本国立研究开发法人－－产业技术综合研究所（AIST）利用传统加工技术难以实现的纳米级高纵横比的构造，以此创造新功能，以可实现生产为目标，致力于开发出表面形成细微印刷图案的高精细印刷技术。结果表明，该印刷技术验证了全球最细线宽80nm的印刷图案的生产。另外，通过灵活运用较细线宽、油墨图案具有一定厚度这一特点，成功验证了应用于电子元件、光学元件的可能性。
一直以来人们认为金属栅偏光片（以下称“WGP偏光片”：Wire Grid Polarizer）虽然兼备高偏光度、高透过率的特点，但是由于具有较高的反射率，所以难以应用到偏光太阳镜片上。此次，AIST集成Micro System研究中心·光学Micro System研究小组的穗苅遼平研究员、生产技术研究部的表面功能设计研究小组的栗原一真主任（研究员）与菱江化学株式会社、东海精密工株式会社、伊藤光学工业株式会社共同合作，成功研发了通过印刷技术就可以容易生产的低反射、高耐久、用于可视光的WGP偏光片，而且研发了应用此款偏光片的偏光太阳镜。
另外，此次研发中的一部分内容得到了日本科学技术振兴机构事业研究成果最佳展开支援计划－－A-STEP功能验证阶段的支援。
研究内容
此次研发，通过运用具有高耐久性金属的WGP偏光片的低反射率，实现具有低反射率、高强耐久性的可视光偏光片。用于可视光用金属WGP偏光片的可视光波长比（400-800nm）细得多，通过把金属栅做得更细、更厚来提高偏光特性，而且线宽要比以往验证过的80nm还要更细。再次融合纳米压印技术、湿控制技术、印刷技术，实现了线宽为50nm以下、纵横比为10以上的金属油墨图案的厚膜纳米印刷技术，是全球首次开发并实现了该技术。图1 说明了此次研发的WGP偏光片的制作方法。首先，使用具有条纹形状的凸起构造特点的模具，运用纳米压印技术，在树脂薄膜上形成槽；其次，通过使用刀片仅在凹槽部分填充金属油墨；最后，使用烘箱（Oven）烧制出金属栅WGP偏光片。虽然已经确立了制作75mm见方的偏光片，不过，通过运用更大面积的模具，也可以制作出更大面积的偏光片。
传统的WGP偏光片通过真空成膜技术，运用沉积金属膜来形成线栅结构，与线的方向平行的偏振入射光通过镜面反射，且以较高的反射率反射。然而， 此次开发的偏光片，通过运用银钠粒子油墨的低温烧成体线栅结构，发现了其偏光功能；然而为了降低反射率，在线的表面、背面分别做出凹凸形状，此外还新增了锥形形状。（图2：上部：模式图，下部：电子显微镜像SEM照片）。表面的凹凸形状是通过控制烧成条件做成的；背面的凹凸形状虽然也是通过控制烧成条件做成的，从模具的断面电子线显微镜像（图2下部）可以看出，模具的尖端部分做成了锥形，并且增加了凹凸形状，这反映在树脂薄膜的沟槽上。此次，通过很好地控制凹凸形状，获得了低于5%的反射率。
此次开发的低反射率WGP偏光片和传统的采用二色性染料的偏光片、WGP偏光片的功能对比如图1 所示。此处的透射率、反射率分别指的是“视感透射率”、“视感反射率”。此次开发的偏光片的特征是可以通过线栅结构、烧成条件来得以调整，表中举例A、B两种开发的产品。按照信赖性耐久实验的标准，模拟汽车的严苛环境、高亮度光照环境，进行了耐久实验。此次开发的产品，通过烧成工序中烧成的金属烧成体发现了偏光的功片能，而且偏光片的表面“深槽”里填充着金属烧成体，所以耐高温、耐高湿、耐强光，实验前后的光学特性几乎没有什么变化，结果可以说具有较好的耐久性特点。另一方面，二色性染料偏光片由于采用了染料，所以耐热性极低，并且在恶劣环境下会出现变色。另外，关于以往的WGP偏光片，金属层本身虽然耐热、耐光，由于金属层和基材是堆叠在一起的，在恶劣环境下，会出现卷曲、暗点现象。关于此次开发产品的光学特点，与以往WGP偏光片相比，虽然偏光度、透射率有所逊色，反射率却降低至1/10以下。而且，与二色性染料偏光片相比，此次开发的产品的光学特性几乎取得了同等程度的数值，这在耐久性方面是有利的。今后的光学特性目标是偏光度99.9%以上、透过率40%以上、反射率5%以下，不过以现有的较好的耐久性、耐刮伤性（Scratch）等特点也可以满足一些产品的规格要求。另外，已经找到了提高光学特性、控制反射率的方针，且做好了根据实际应用来推进研发的准备。
此次开发的产品与以往产品的性能比较：
由于传统的二色性染料偏光片通过单轴延伸控制二色性染料的定向，以此起到偏光作用，因此难以在偏光素子面内分布偏光度。本次开发的技术也可以对应“叶枚式工艺”的少量、多品种的生产，根据模具设计，可以自由控制偏光素子面内的偏光度分布；除了制作模具的工艺，其他工序都可以在此工序中简单地完成。图3 介绍了试做的渐变偏光片，传统的渐变膜受限于透射率的渐变；通过利用此次技术，可以控制偏光度的渐变，因此期待可以应用于兼具可识别性和显示功能的的抬头显示器、通过较高程度地控制偏光防止周围偷窥的安全性措施、3D-TV的眼镜等娱乐应用，也期待可以扩大设计性、功能性。
今后预想
通过运用此次的印刷技术，获得了线栅（Wire Grid）偏光素子的较低的反射率，今后会继续研发兼具偏光度、透射率的技术。为了能使我们开发的技术在多个领域得以应用，将继续推进企业合作，如提供样品、合作研究，并继续专注于技术进步。
用语说明
二色性染料偏光片
当光被视作电磁波时，与电场矢量的震动方向一致的光被称为偏光，是显示屏等液晶显示的必不可缺的光。根据入射光的偏振方向，具有着色可见或者透明性质的染料被称为“二色性染料”。关于二色性染料偏光片，某个方向的偏振光无法通过它，对于垂直方向的偏振光可以通过它，是一种集合了二色性染料、方向的偏光片。
WGP偏光片
利用以比对象光的波长还要短的间距（Pitch）排列的金属线（Wire），分离偏振光的光学素子。遇线（Wire）平行的偏振入射光就像遇到了整面的金属膜一样正常反射；遇线（Wire）垂直的的偏振入射光就像没有遇到金属线一样、如同穿过透明的物质一样直接穿过。呈片状（Sheet）的线栅（Wire Grid）偏光素子被称为“WGP偏光片（Sheet）”。
金属油墨（Ink）
含有金属粒子的油墨。
偏光度
表示偏光素子偏光程度的指标。假设与线（Wire）平行的偏光的视觉透过率为Tp，与线（Wire）垂直的偏光的视觉透过率为Tv,公式可以表示为V（偏光度）=√((Tv-Tp)／(Tv+Tp))。偏光分离特性近100%。
偏光太阳镜
搭载了偏光素子的太阳镜。偏光太阳镜可以控制水面的眩光、雨天时路面的眩光、雪地运动（Snow Sports）时雪面产生的眩光等，可以提供良好的视野。
杂散光
光学仪器的光学系统内部发生的不必要的光，主要起因于光学素子产生的反射光、衍射光。
纳米压印
将带有纳米尺寸(Nano meter size)图案的硬质材料压在柔软的基板上，并将图案转印到基板上的技术。主要有通过加热暂时软化基材的“热纳米压印技术”、利用光固化树脂的“光纳米压印技术”。
模具（Mold）
也就是模子，用于加工所需形状的用具。
视感透射率
视感透射率T通过公式T=(Tv+Tp)／2 来表示，视感透射率是从视感度曲线、可视光域的透射光谱（Spectre）得到的值。所谓视感度曲线指的是人眼对于光的能量（波长）感受到的亮度的曲线。
视感反射率
视感反射率R通过公式R=(Rv+Rp)／2来表示，此处，Rp、Rv分别是平行于线（Wire）的偏振光的视感反射率、垂直于线（Wire）的偏振光的视感反射率。视感反射率是从视感度曲线、可视光域的反射光谱得到的值。
单轴拉伸
朝着一个方向拉伸高分子薄膜、纤维等，可以使分子的方向一致。
枚叶式工艺
在半导体生产工艺中，逐个处理晶元的加工方法被称为“枚叶式工艺”。本文中的“枚叶式工艺”指的是逐个制作偏光片。
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