偏光膜涂布生产设备概述
2014-10-28崔华刘标盛
崔华+刘标盛
摘要：偏光膜涂布生产设备的要求与其他光学膜涂布生产设备类似，要求制造精密、控制准确。文章简要介绍了偏光膜的市场概况与偏光膜的结构，对偏光膜涂布主要生产流程及结构组成进行了详细阐述，并对如何降低偏光膜涂布生产设备的投资成本及设备的国产化提出了相关观点。
关键词：偏光膜；涂布生产设备；设备国产化；投资成本；液晶面板
中图分类号：TN805 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）25-0063-03
1 概述
近10年来，全球平板显示产业（FPD）特别是TFT-LCD发展速度很快，平板显示产业已成为支持全球经济的重要产业之一。液晶显示器最核心的部件是液晶面板，约占整个液晶显示器成本的80%左右，液晶面板的品质直接决定着显示效果。
图1 液晶面板结构
图1是液晶面板的组成结构，它由上层液晶面板模组和下层背光模组两部分组成。其中偏光膜是其必需的关键组件之一，且必须上下成对配合使用。偏光膜的作用就是将自然光变成偏振光，由于把偏振光用于其显示原理中，偏振片不仅是必需的构件，同时对其高性能、多功能的追求对于LCD功能的提高是必不可少的。
偏光膜的发展与LCD相辅相成，速度很快。根据矢野经济研究所及Display bank的统计，2005年全球偏光膜产量约1.26亿m2，至2010年偏光片产值已达95亿美元，面积3.16亿m2。预计到2016年，全球TFT偏光片产值将超过140亿美元。
不过，大陆偏光膜产能仍小。根据群智咨询调研数据显示，2013年中国大陆本土面板厂（即京东方、华星光电、中电熊猫、天马、龙腾）对偏光片的实际需求规模为4800万m2，而中国大陆本土偏光片厂商的实际出货供给规模为268万m2，偏光片的国内自给率仅为5.6%。因此，国内偏光膜的市场需求巨大。
偏光膜的生产分为TAC表面处理、PVA拉伸、离型膜涂布后贴合三个流程。不同的流程对应不同的设备。本文仅针对离型膜涂布贴合用的光学涂布生产设备进行阐述。
2 偏光膜的典型结构
偏光膜的典型结构如下表1所示：
表1 偏光膜的典型结构
从偏光膜的典型结构可以看出，不同类型的偏光膜均以其基本结构“原板”为基础——两层三醋酸纤维素酯薄膜（TAC）夹一层聚乙烯醇（PVA），业内称为“原板”。
根据产品的具体要求，通过光学涂布生产设备在原板的一侧或两侧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。产品类型不同，涂布的次数会有变化，如上述不同结构的产品，每增加一层PSA胶，需涂布一次。
3 涂布生产设备流程图及组成说明
3.1 设备流程图
图2 涂布生产设备流程图
偏光膜涂布生产设备的流程图如图2。与大多数涂布设备类似，主要由基材（如离型膜）放卷装置、接膜装置、基材蓄膜装置、电晕装置、涂布头、干燥箱、UV固化装置、原板放卷、原板蓄膜装置、贴合装置、裁片堆叠装置、涂布贴合产品收卷装置等组成。不同的是，偏光膜涂布生产设备与其他光学膜涂布设备对环境洁净度要求极高，涂布头及干燥箱要求在1000级以上，有的甚至达到100级。
3.2 组成说明
3.2.1 离型膜放卷装置。放卷装置为双工位，主要考虑到连续生产的需要。当一卷膜接近用完时，需做好与下一卷膜连接的准备。放卷装置通常配置对边装置，以保证膜按规定的路径运行。
3.2.2 接膜装置。此装置在生产速度较高或膜的幅宽较宽时才配置使用。偏光膜涂布的生产速度与普通的如粘胶带涂布速度动辄上100m/min不同，通常速度在（8～10）m/min，生产速度超过（30～50）m/min的很少。因此幅宽1m以下时直接人工接膜即可。
3.2.3 蓄膜装置。此装置主要是为换卷接膜时进行膜的储备，因为接膜的时候接膜处会短暂停止，而生产是连续的，蓄膜就是保证不影响生产的连续性。蓄膜的长度设计需考虑正常的生产速度及接膜所需的时间。太短来不及接膜，太长浪费设备投资与安装空间。
3.2.4 电晕装置。电晕装置的使用是根据需要对涂布的一面进行表面电击处理，使其具有更高的附着性。其原理是利用高频率高电压在被处理的塑料表面电晕放电，而产生低温等离子体，使塑料表面产生游离基反应从而使聚合物发生交联、表面变粗糙并增加其对极性溶剂的润湿性和附着能力。
3.2.5 涂布头。涂布头是整个涂布生产设备的核心，目前偏光膜涂布主要有COMMA KNIFE（逗号式刮刀）与SLOT DIE（狭缝式模头挤出涂布）两种形式。
COMMA KNIFE适合的涂布厚度为18～100?m，涂布液粘度较高，其突出的优点是改变涂布宽度比较容易，另供胶系统也相对简单。但存在涂布液大面积暴露的问题，因此必须保证涂布头的洁净度。
SLOT DIE涂布是一种预计量的涂布方式，就是说涂布量取决于输入涂布液量与基材运行速度之比，可预先精确设定。通常都采用高精度无脉冲计量泵来输送涂布液量。SLOT DIE涂布可分为背辊直接接触和基材张力控制两种方式，偏光膜涂布采用背辊直接接触式为主。这种涂布厚度范围较宽，约为3～300?m，可满足不同的使用要求，适合生产速度从低到高均可。其涂布精度受背辊本身的平直度以及轴承的跳动影响，由于涂布间隙很小，对基材厚度变化及表面异物影响非常敏感。生产过程中更换涂布液品种时内部清洁比较困难，需用溶剂反复清洗。
两种涂布头涂层干后厚度误差均可控制在1μm以内。其中SLOT DIE涂布精度更高，造价昂贵，并需配置完善的供胶系统。
3.2.6 干燥箱。偏光膜涂布设备干燥箱分为“导辊式”与“导辊加气悬浮式”两种，总长度一般在20～30m之间。“导辊加气悬浮式”通常是前两节为导辊，其余为气悬浮。气悬浮干燥过程中，因涂布基材只受到空气的磨擦力影响、无机械接触，所以对产品表面无划伤。且干燥效率比“导辊式”大幅提高。但要保证膜在干燥箱内温度均匀、运转平稳具有较高的技术难度，因此对风槽、喷嘴的结构设计，对风量与压差的控制等都有较高要求。对进入干燥箱的空气一定要经过HEPA过滤，确保箱内的洁净度。同时需及时将干燥箱内产生的有机废气及时排出，防止VOCs聚集导致发生危险。偏光膜涂布干燥箱内温度不高，通常不超过120℃，但对温度的控制非常严格，通常误差在±1℃以内。加热方式有蒸汽盘管直接加热与外置换热器热风循环加热（气悬浮式必须）。热源以蒸汽为主，部分使用导热油。
3.2.7 UV固化装置。此装置主要针对UV固化胶水，在偏光膜涂布设备中比较少用，有的并不配置。配置的原因主要是考虑一机多用，除偏光膜涂布外还可进行其他光学膜的涂布，如硬化膜等。需注意的是，COMMA KNIFE涂布头不适合UV固化胶水的涂布，通常使用Micro Gravure（微凹版辊）涂布工艺。
3.2.8 原板放卷装置。同本节第1点。
3.2.9 原板蓄膜装置。同本节第3点。
3.2.10 贴合装置。贴合装置的重点是贴合辊，贴合辊设计有上下两辊式或3辊式、水平两辊式等。两辊式通常一钢辊、一胶辊配置。进行贴合时，各膜的平整度与张力控制非常重要，否则会影响贴合产品的平整度。为提高贴合效率，根据实际需要在贴合机上实现多功能复合与保护膜收卷是十分必要的。在偏光膜的涂布过程中，由于膜的层数多，实现这一功能尤为重要。
3.2.11 裁片堆叠装置。本装置是偏光膜生产必需设备之一，因为偏光膜产品多为片状交货，直接配置在生产线上切片易于实现连续生产。由于偏光膜对切口要求整齐、不能起毛边，因此对切刀的要求极高。同时，由于偏光膜与位相差膜贴合时有角度的要求，因此切片装置需具有整体旋转功能并配置角度显示。需注意的是，堆叠机的使用受到生产速度的限制，当生产速度超过10m/min时不适宜在线自动切片堆叠，而必须进行离线裁切。
3.2.12 成品收卷装置。本装置与裁片堆叠装置错开使用。当不需要裁切时，就使用本装置进行收卷。收卷机视实际需要，选用单工位收卷或双工位收卷。
4 结语
偏光膜涂布生产设备的要求与其他光学膜涂布生产设备类似，要求制造精密、控制准确，设备必须做好防锈、防尘工作，设备相关组件材质不能产生粉尘。各传动导辊需质轻、动平衡良好，确保转动顺畅。同时需做好防爆、隔爆工作，并配备除静电装置。
由于国内偏光膜厂商不多，目前偏光膜涂布生产设备基本从国外进口，以日本与韩国生产为主，其中日本的设备技术含量更高、价格更贵。为有效降低投资成本，可与设备制造商进行友好协商，部分非主要零部件可放在国内加工，如机架、钢构等；相对重要的辊、控制部分、涂布头、干燥箱等由国外加工。
偏光膜涂布设备完全国产化条件仍不具备，主要差距体现在加工精度与控制精度，另外设备设计与制造人员对高精密涂布、光学膜高要求的认识也有待提高。
参考文献
[1] 崛浩雄，铃木幸治.彩色液晶显示[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 中华液晶网.今年国内TFT-LCD偏光片自给率估6.7%.http：//www.fpdisplay.com/news/2014-05/info-168249-617.htm
[3] 谢宜凤.精密涂布工艺应用新进展[J].信息记录材料，2010，（1）.
3.2.7 UV固化装置。此装置主要针对UV固化胶水，在偏光膜涂布设备中比较少用，有的并不配置。配置的原因主要是考虑一机多用，除偏光膜涂布外还可进行其他光学膜的涂布，如硬化膜等。需注意的是，COMMA KNIFE涂布头不适合UV固化胶水的涂布，通常使用Micro Gravure（微凹版辊）涂布工艺。
3.2.8 原板放卷装置。同本节第1点。
3.2.9 原板蓄膜装置。同本节第3点。
3.2.10 贴合装置。贴合装置的重点是贴合辊，贴合辊设计有上下两辊式或3辊式、水平两辊式等。两辊式通常一钢辊、一胶辊配置。进行贴合时，各膜的平整度与张力控制非常重要，否则会影响贴合产品的平整度。为提高贴合效率，根据实际需要在贴合机上实现多功能复合与保护膜收卷是十分必要的。在偏光膜的涂布过程中，由于膜的层数多，实现这一功能尤为重要。
3.2.11 裁片堆叠装置。本装置是偏光膜生产必需设备之一，因为偏光膜产品多为片状交货，直接配置在生产线上切片易于实现连续生产。由于偏光膜对切口要求整齐、不能起毛边，因此对切刀的要求极高。同时，由于偏光膜与位相差膜贴合时有角度的要求，因此切片装置需具有整体旋转功能并配置角度显示。需注意的是，堆叠机的使用受到生产速度的限制，当生产速度超过10m/min时不适宜在线自动切片堆叠，而必须进行离线裁切。
3.2.12 成品收卷装置。本装置与裁片堆叠装置错开使用。当不需要裁切时，就使用本装置进行收卷。收卷机视实际需要，选用单工位收卷或双工位收卷。
4 结语
偏光膜涂布生产设备的要求与其他光学膜涂布生产设备类似，要求制造精密、控制准确，设备必须做好防锈、防尘工作，设备相关组件材质不能产生粉尘。各传动导辊需质轻、动平衡良好，确保转动顺畅。同时需做好防爆、隔爆工作，并配备除静电装置。
由于国内偏光膜厂商不多，目前偏光膜涂布生产设备基本从国外进口，以日本与韩国生产为主，其中日本的设备技术含量更高、价格更贵。为有效降低投资成本，可与设备制造商进行友好协商，部分非主要零部件可放在国内加工，如机架、钢构等；相对重要的辊、控制部分、涂布头、干燥箱等由国外加工。
偏光膜涂布设备完全国产化条件仍不具备，主要差距体现在加工精度与控制精度，另外设备设计与制造人员对高精密涂布、光学膜高要求的认识也有待提高。
参考文献
[1] 崛浩雄，铃木幸治.彩色液晶显示[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 中华液晶网.今年国内TFT-LCD偏光片自给率估6.7%.http：//www.fpdisplay.com/news/2014-05/info-168249-617.htm
[3] 谢宜凤.精密涂布工艺应用新进展[J].信息记录材料，2010，（1）.
3.2.7 UV固化装置。此装置主要针对UV固化胶水，在偏光膜涂布设备中比较少用，有的并不配置。配置的原因主要是考虑一机多用，除偏光膜涂布外还可进行其他光学膜的涂布，如硬化膜等。需注意的是，COMMA KNIFE涂布头不适合UV固化胶水的涂布，通常使用Micro Gravure（微凹版辊）涂布工艺。
3.2.8 原板放卷装置。同本节第1点。
3.2.9 原板蓄膜装置。同本节第3点。
3.2.10 贴合装置。贴合装置的重点是贴合辊，贴合辊设计有上下两辊式或3辊式、水平两辊式等。两辊式通常一钢辊、一胶辊配置。进行贴合时，各膜的平整度与张力控制非常重要，否则会影响贴合产品的平整度。为提高贴合效率，根据实际需要在贴合机上实现多功能复合与保护膜收卷是十分必要的。在偏光膜的涂布过程中，由于膜的层数多，实现这一功能尤为重要。
3.2.11 裁片堆叠装置。本装置是偏光膜生产必需设备之一，因为偏光膜产品多为片状交货，直接配置在生产线上切片易于实现连续生产。由于偏光膜对切口要求整齐、不能起毛边，因此对切刀的要求极高。同时，由于偏光膜与位相差膜贴合时有角度的要求，因此切片装置需具有整体旋转功能并配置角度显示。需注意的是，堆叠机的使用受到生产速度的限制，当生产速度超过10m/min时不适宜在线自动切片堆叠，而必须进行离线裁切。
3.2.12 成品收卷装置。本装置与裁片堆叠装置错开使用。当不需要裁切时，就使用本装置进行收卷。收卷机视实际需要，选用单工位收卷或双工位收卷。
4 结语
偏光膜涂布生产设备的要求与其他光学膜涂布生产设备类似，要求制造精密、控制准确，设备必须做好防锈、防尘工作，设备相关组件材质不能产生粉尘。各传动导辊需质轻、动平衡良好，确保转动顺畅。同时需做好防爆、隔爆工作，并配备除静电装置。
由于国内偏光膜厂商不多，目前偏光膜涂布生产设备基本从国外进口，以日本与韩国生产为主，其中日本的设备技术含量更高、价格更贵。为有效降低投资成本，可与设备制造商进行友好协商，部分非主要零部件可放在国内加工，如机架、钢构等；相对重要的辊、控制部分、涂布头、干燥箱等由国外加工。
偏光膜涂布设备完全国产化条件仍不具备，主要差距体现在加工精度与控制精度，另外设备设计与制造人员对高精密涂布、光学膜高要求的认识也有待提高。
参考文献
[1] 崛浩雄，铃木幸治.彩色液晶显示[M].北京：科学出版社，2003.
[2] 中华液晶网.今年国内TFT-LCD偏光片自给率估6.7%.http：//www.fpdisplay.com/news/2014-05/info-168249-617.htm
[3] 谢宜凤.精密涂布工艺应用新进展[J].信息记录材料，2010，（1）.
