偏光片周边精密加工关键技术研究

电子工艺技术　２０１１年５月　・Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　１６３　新工艺・新技术・　偏光片周边精密加工关键技术研究　刘玉成，郎鹏　（太原风华信息装备股份有限公司，山西太原０３００２４）　摘要：为满足高端ＴＦＴ—ＬＣＤ产品的工艺要求，必须对裁切后的偏光片周边进行精密加工。在对偏光片的　结构特点和裁切机理分析的基础上，指出传统偏光片裁切加工工艺存在的不足及原因。对偏光片周边精密加工　工艺及关键技术进行了较为详实的理论分析与实践总结，通过对夹紧与同步旋转机构的受力分析，论述了偏光　片的最大静摩擦力矩和夹紧与同步旋转机构能传递的最大扭矩之问的关系。　关键词：偏光片；精密加工；夹紧；同步旋转　中图分类号：ＴＮ１０５文献标识码：Ａ文章编号：１００１—３４７４（２０１１）０３—０１６３—０５　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　Ｓｌｉｃｅ　Ｅｄｇｅ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ＬＩＵ　Ｙｕ・ｃｈｅｎｇ，ＬＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　ＩＴａｉｙｕａｎ　Ｆｅｎｇｈｕａ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．．ＬＴＤ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ－ｅｎｄ　ＴＦＴ－ＬＣＤ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　ｆｉｌｍ　ｉｓ　ｎｅｅｄｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｐｏｉｎｔ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　ｆｉｌｍ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　ｆｉｌｍ．１ｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ．Ｄｉｓｃｕｓｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔａｔｉｃ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｔｏｒｑｕｅ　ｄｅｌｉｖｅｒｅｄ　ｂｙ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｌａｍｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　ｆｉｌｍ：Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：Ｃｌａｍｐｉｎｇ：Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ｃｏｄｅ：Ａ　Ａｒｔｉｃｌｅ　ＩＤ：１００１．３４７４（２０１１　ｌ０３．０１　６３．０５　偏光片是ＴＦＴ—ＬＣＤ的重要组成部件。液晶显示器　１偏光片的结构特点及加工工艺现状　的种类繁多，大小不一，所需偏光片的尺寸也各不相　偏光片是一种由多层高分子材料复合而成的具　同。液晶显示器使用的偏光片需要根据产品尺寸和光　有产生偏振光功能的光学材料　］。图１是一种典型的　轴方向从整张（或整卷）偏光片上裁切而成。　偏光片结构示意图。　裁切后的偏光片尺寸精度和角度精度较低，其　ＬＣＤ常用的偏光片，大多是采用将聚乙烯醇　裁切面上有溢胶现象和残留毛刺，不能满足高端ＴＦＴ　（ＰＶＡ）作为基材，用各类具有二向色性的有机染料　液晶模块制造过程中贴片工序的要求，使贴片工序　进行染色，同时在一定的湿度和温度条件下进行延　良品率降低，甚至会导致液晶模块的整体报废。为　伸，使其吸收二向色性染料形成偏振性能，脱水和　此，需要根据偏光片的结构特点，研究偏光片的分　烘干后形成偏光片原膜。ＰＶＡ膜具有极强的亲水性，　切技术及工艺设备。　为保护偏光膜的物理特性，要在偏光膜的两侧，各　作者简介：刘玉成（１　９５７一），男．毕业于太原科技大学，高级工程师，从事电子专用设备研发工作。　基金项目：部产业发展基金项目（项目编号：２００８９７）。　电子Ｉ　艺技术　１６４　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１　１年５月　第３２卷第３期　复合一层透光率高、耐水性好又有一定机械强度的　三醋酸纤维素（ＴＡＣ）薄膜进行防护，形成了偏光　片原板。在偏光片原板的一侧涂覆一定厚度的压敏　胶，并复合上一层用来保护压敏胶的剥离膜；而在　另一侧，复合一层保护膜，由此形成偏光片成品嘲。　保护膜　图１偏光片的剖面结构示意图　偏光片对温度和湿度十分敏感，吸潮或加温　后，被拉伸成线性的分子链将会自动还原回团状的　分子链，失去光线选择性；偏光片同时还极具脆弱　性，很容易在外力的作用下失去光线选择性。　经过拉伸、染色、烘干、涂覆和复合等工序制　成的偏光片呈卷状，裁切后才能形成满足各种ＬＣＤ尺　寸要求的产品。　网２偏光片分切时挤压变形示意网　图３切断后产品断　ｌ：出现溢胶现象（放人５０倍）　裁切过程中，偏光片切刀附近的局部区域存在　着较大的挤压变形，如图２所示，变形区域的受力情　况较为复杂，膜与膜之间的胶体相当于装在一个密　封盒内，当受到挤压变形时，其容积减小，内部压　力增高，一旦切断，胶体便有可能在内外压差的作　用下从切断面上溢出。这就是偏光片裁切时的溢胶　现象，如图３所示。此外，剪切面上溢出的胶会沾在　切刀上，继续裁切时，沾有胶的刀会将部分毛刺撕　下，变成碎屑，附着在刀上或沾在切断面上。偏光　片上的这种沾有胶的碎屑很难在随后的拾片和清洁　工序中彻底去除掉。　裁切后的偏光片其尺寸精度能达到±０．１５　ｍｎ・，　角度精度能达到±０．１５。。切断面上的表面粗糙度较　差，边缘不齐有毛刺，如图４所示，容易在玻璃表面　与偏光片之间夹带异物。当贴片不良需要返：【时，　偏光片剥离后玻璃板上会留下残胶，偏光片返Ｔ性　差，也可能导致整块ＬＣＤ屏报废。这是现有生产Ｔ艺　无法解决的问题。　图４切断后的产品边缘　齐（放人５Ｏ倍）　高端ＴＦＴ—ＬＣＤ产品除了对偏光片的光电性能和　边缘质量有较高的要求外，外形尺寸及角度的精度　也采用了更高的标准：尺寸精度±０．０５　ｒａｍ；角度精　度－４－０．０５。。　２偏光片侧边精密加工工艺　通过对裁切后的偏光片的侧边进行精密加丁，　可以获得良好的外观质量　Ｊ。方法是将一叠裁切好的　留有加　余量的偏光片竖直安装在可以分度的旋转　Ｔ作台上，如图５（ａ）所示，用对称配置的两套装有　多组切削刀具的盘式端面铣刀对整叠偏光片的侧边　进行精密切削，如图５（ｂ）所示。一次装夹完成两　组对边（有些产品还要求切角）的精密加Ｔ。一组　对边加丁完成后，旋转９０。（或其他角度），加　ｒ　另一组对边（或切角）。　（ａ）叠放在一起的偏光片　２０１　１年５月　刘玉成，等：偏光片周边精密加工关键技术研究　１６５　（ｂ）铣削加工　图５偏光片侧边加工示意图　铣削加工的微观机理仍然是挤压变形。每个刀　盘上装有均匀分布的９把切刀，每３把刀为一组，共３　组。每组刀在刀盘上的安装半径、刀刃高度及对应　的切削余量按表１分布。　表１安装半径、刀刃高度及对应的切削余量　刀具编号　１　２　３　安装半径ｒ］ｍｍ　９３　９１　８９　刀刃高度ｈ／ｍｍ　４．７　４．９　５．０　切削余量占／ｍｍ　０．２　０－２　０．１　单刀切削量的计算公式为：　Ｓ＝Ｌｔ　式中：　为切屑横截面面积，单位：ｍｍ　；ｆ为吃　刀深度，单位：ｍｍ；Ｌ为单刀沿工件进给方向的切　削量，单位：ｍｍ。　Ｌ＝ｖ［ｚｎ　式中：刀为刀盘转速，单位：ｒ／ａｒｉｎ；　为工件进　给速度，单位：ｍｍ／ｍｉｎ；ｚ为刀盘上均匀分布的具有　相同吃刀深度的刀具数量。　５就是切削过程中刀具与偏光片的最大接触面　积。加工过程中，刀具与偏光片的接触面积很小，　切削过程中的挤压可以近似地认为是“瞬间”的　“点”接触挤压。从开始变形到形成切屑，变形区　域特别小，以至于无法形成产生“溢胶”现象的内　外压力差，这也是铣削加工与裁切加工的本质区　别，同时，也是铣削加工能够去除溢胶现象的根本　原因。图６是裁切好的偏光片经过精密加工后的显微　照片。　除了切削机理之外，切削刀具的材料、刀具的　角度和刀具的安装方式同样影响产品的表面质量和　加Ｔ效率。研究表明，前角大于０。时，可以提高加　工表面的质量。但是，前角太大，会降低刀具的使　用寿命。因此，切削部分必须使用耐磨材料。　图６对侧边精加工后边缘整齐无溢胶现象（放火５０倍）　偏光片周边精密加Ｔ设备的夹紧与同步旋转结　构是影响偏光片加工精度和加Ｔ效率的关键部件，　尤其对中小尺寸偏光片来说，夹紧与同步旋转结构　是关系到能否实现周边精密加Ｔ的关键技术。　３同步旋转技术研究　ＴＦＴ—ＬＣＤ对偏光片的光学性能和外观质量都有　非常严格的要求，规定了较高的尺寸精度、角度精　度和侧边粗糙度。作为光学元件的偏光片，本身很　“娇气”，即使很轻微的压痕或划伤，都会导致产　品报废。精加工时需要将叠成一定厚度的一叠偏光　片安装在加工设备的工作台上，在一次装夹后完成　整叠偏光片的全部侧面的加工。　合理的结构方案应该满足整叠偏光片在夹紧状　态下具有足够的刚性；整叠偏光片与夹紧机构能够　在夹紧状态下按所需角度和精度保持同步旋转；在　切削位置，受切削力的作用时，整叠偏光片仍能保　持足够的刚性和定位精度。因此，偏光片的夹紧和　旋转机构是偏光片侧边加工的关键技术。　３．１夹紧和同步旋转结构设计依据　液晶显示器所用偏光片的尺寸规格１．４０　ｃｍ～　１５２．４０　ｅｍ。其中最常用的是４．３２　ｅｍ～８１．２８　ｅｍ。长宽比　一般为１６：９和４：３。将偏光片叠在一起对其侧边进行　精密加工时，需要将其夹紧并旋转一定角度。要求夹　紧机构既能上下运动完成压紧过程，又能保持与转台　同步旋转。不同尺寸的偏光片由于其面积大小不同，　偏光片之间的摩擦力矩也不相同。为保证侧边加工时　的定位精度和旋转精度，在设计夹紧和同步旋转结构　时应考虑产品的结构特点和经济性原则。　较大尺寸的偏光片有以下结构特点：（ａ）夹紧时　受压面积较大，可以施加较大的夹紧力；ｆｂ）装夹定　电子］二艺技术　１６６　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２０１　１年５月　第３２卷第３期　位稳定，可装夹较多的产品，适合选取较大的吃刀　深度和进给量，生产率较高；（ｃ）摩擦力矩较大，应　采用＿『＝作台旋转、压头从动的主从结构，如图７所　示，这种结构较为简单，容易实现。　图７大尺寸偏光片夹紧旋转机构　较小尺寸的偏光片有以下结构特点：　（ａ）夹紧力　不宜过大；　（ｈ）夹紧时容易失稳，如果结构刚性不　足，偏光片会逐渐向水平方向“滑移”，严重时出　现“崩塌”，如图８所示；（ｃ）因摩擦力矩较小。不　可能靠摩擦力矩传递动力，应考虑上下转台同步旋　转结构，如图９所示。　图８刚性不足偏光片“滑移　网９小尺．ｒ偏光片夹紧旋转机构　压头从动型夹紧机构其转台电机的驱动力矩要通　过偏光片间的摩擦力矩传递到从动压头上，并要保证　偏光片与转台电机同步旋转。因此，偏光片间必须具　有足够大的摩擦力矩。当最大静摩擦力矩大于从动件　的起动力矩并有一定的安全裕度时夹紧旋转机构应设　计成结构较为简单的主从结构；尺寸较小的偏光片，　其摩擦力矩也较小，当摩擦力矩不能满足上述力学条　件时，夹紧旋转机构应设计成结构复杂的上下转台均　为主动的同步旋转结构。所以，在一定条件下，偏光　片的最大静摩擦力矩和从动件的起动力矩是偏光片夹　紧旋转机构的重要设计依据。　ＴＦＴ—ＬＣＤ用的偏光片形状一般为矩形，其摩擦　力矩可以通过计算求得。　影响夹紧旋转机构起动力矩的因素很多，如滚　动轴承的摩擦力矩、零部件的加工精度、装配精　度、配合间隙、转动惯量、从动部件与主动部件旋　转轴的同轴度等。用计算法很难求出机构的启动力　矩。用图ｌ０所示的实验方法可以方便地求｝｝｛夹紧旋　转机构的起动力矩。　压台轴　Ｐ　Ｇ　网１Ｏ夹紧旋转机构起动力矩实验装置　图ｌ０中，上下从动压头结构完全相同。Ｌ＝１００　ＩＢｍ，　Ｐ＝２．３５６　ｘ　１０　Ｎ。实验时，逐渐增大砝码的质量，直　到压杆开始旋转。记录此时砝码的质量。　将上下从动压头交换，重复上述实验，记录砝　码的质量。　夹紧机构的启动力矩为：Ｍ－ｍｇＬ，　式中：　为夹紧机构的启动力矩，Ｎ・ｍ；／Ｔ／为两　次实验砝码的平均质量，ｋｇ；ｇ为重力加速度，９．８　ｍ／ｓ　；　为力臂，ＩＴＩ。　当砝码质量增加至珊－－４．８７５　ｋｇ时，实验装置开始　２０１　１年５月　刘玉成，　片旦　宣　堡蕉　窒　１６７　旋转，所以，　朋ｒ＿三×４．８７５×９．８×０．１：２．３９（Ｎ・ｍ）。　实验结果表明，克服单个从动压头起动力矩所　需的摩擦力矩大于等于２．３９　Ｎ・ｍ。　３．２夹紧和旋转结构设计依据验证　拆除图１０所示的实验装置中的滑轮、下压头及　压杆，将整个装置安装在卧式铣床的移动工作台　上，百分表安装在滑枕上，如图１１所示，图中箭头　分别表示工作台和滑枕的移动方向。　图ｌ１偏光片夹紧旋转实验装置　取约１６０枚尺寸为２０８．６１　ｍｍ×１５６．８６　ｍｍ的偏光　片叠整齐后装夹在实验装置上，并将方角尺分别夹　持在偏光片的上、中、下部位置。调整方角尺的安　装角度，使被测表面平行于工作台移动方向。夹紧　力仍然为２．３５６×１０　Ｎ，移开百分表，上转台锁定，　下转台缓慢旋转。在摩擦力的作用下，尼龙垫板、　偏光片、方角尺以及从动压台随下转台一起旋转　９０。，观察旋转过程中整叠偏光片的运动情况，在　停止位置检测方角尺另一被测表面与工作台运动方　向的平行度，测量并计算出方角尺分别夹持在上、　中、下位置时旋转９０。的角度误差。　重复上述步骤，测量并计算出其他尺寸的偏光　片的角度误差。表ｅｙＯ出了５种典型尺寸偏光片的测　量结果。　表２数据表明，偏光片尺寸大于等于１　５６．９　ｍｍ×９０．１　ｍｍ时，最大角度误差为０．０２４。，对应的　摩擦力矩为５．６９　Ｎ・ｍ，满足生产要求。尺寸小于等　于７８．３４　ｍｍ×５３．３４　ｍｍ时，最小角度误差为０．０５４。，　对应的摩擦力矩为３　Ｎ・ＩＴＩ，不能满足生产要求，与　起动力矩实验结果略有偏差。当压头从动时，偏光　片被夹紧后，旋转力矩由下转台通过偏光片各层间　的摩擦力矩传递至从动压头。较大尺寸的偏光片各　层间的摩擦力矩较大，整叠偏光片的刚性也足够，　偏光片各层间没有出现相对角位移；当偏光片的尺　寸较小时，偏光片各层问的摩擦力矩较小，不足以　克服从动件的阻力矩和惯性矩，偏光片各层间出现　了较大的角位移。　表２　５种典型尺寸偏光片的测量结果　序号　角尺　尺寸规格角度误差　摩擦力矩Ｍ／　位置　Ｓ／ｒａｍ　／（ｏ　）　（Ｎ・ｍ）　上　０．０１０　ｌ　由　２０８．６ｌ×１５６．８６　０．０ｌ２　８．２９　下　Ｏ．０ｏ５　上　０．０１７　２　中　ｌ５６．９Ｏ×９Ｏ．１０　０．０２４　５．６９　下　０．０１２　上　０．０３２　３　由　７８．３４×５３．３４　０．０５４　３．ｏ０　下　０．０２２　上　０．１８４　４　中　４９．８ｌ×３２．８８　０．２７１　１．８９　下　０．１４４　上　＞１．０００　５　由　３０．３２×２９．７７　＞１ｏ００　ｌｌ３５　．下　＞１．００ｏ　考虑到加工过程中转台作加速运动和受切削力　的影响，安全系数取１．５。在本例条件下，当偏光片　的摩擦力矩大于３．６　Ｎ・ｍ时，偏光片夹紧旋转机构应　设计成压头从动型。　４结束语　综上所述，对裁切后的偏光片周边进行精密加　工能够有效地解决产品边缘缺陷。偏光片周边精密　加工关键技术夹紧与同步旋转机构能传递的最大扭　矩与偏光片的最大静摩擦力矩相关，是结构设计的　依据。在本文讨论条件下，当最大静摩擦力矩大于　等于３．６　Ｎ・ｍ时，夹紧与同步旋转机构可采用下转台　主动旋转，上压头从动的主从结构。反之，均应采　用上下均为主动旋转的同步技术方案。　参考文献　［１】范志新．液晶器件工艺基础［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社．　２Ｏｏ０．　［２］贺智．ＴＦＴ—ＬＣＤ偏光片加工工艺与设备探索［ＪＪ．电子工艺技术．　２００８，２９（４）：２２２—２２４．　【３】马艳萍，魏海滨，李润生．液晶偏光片切片机研制［Ｊ】＿电子工艺　技术，２０００，２１（１）：４１—４３．　收稿日期：２０１１－０３—２５