2015.02 王子計測機器株式会社 LCD における PET フィルムの虹ムラに関する実験結果 はじめに最近 PETフィルムはLCD 関連の部材として バックライトユニットの構成部材 保護シート タッチセンサーの基材等に数多く使用されています 特に 液晶セルの外側にPET フィルムが設けられる状態のとき 表示画面を偏光メガネを通して見たときに干渉色いわゆる虹ムラが発生する場合があることはよく知られています さらに 偏光メガネを使用せずに裸眼で同様の画面を見たときにも虹ムラが観察できる場合があります ここでは PETフィルムに直線偏光が入射したとき アイポイント ( 方位と受光角 ) によって裸眼でも虹ムラが観察されるメカニズムについて調べた結果を報告します 結論フィルムに直線偏光が入射したときの透過光を斜め受光したとき 直線偏光の透過軸が受光面と平行 ( または直交 ) でかつフィルムの遅相軸が受光面と平行 ( または直交 ) の条件以外では 透過光は楕円偏光になります その光を裸眼で見るときは P 偏光強度とS 偏光強度の和を見ることになり P 偏光 S 偏光の透過率の違いから分光スペクトルに山谷が現れます したがって 虹ムラ発生の原因には以下のことが考えられます ⅰ) 逐次 2 軸延伸 PETフィルムの場合 斜め受光のときに位相差の方位による変化が大きく 傾斜中心軸が進相軸になる方位での位相差値が4000nm 以下になるためである ⅱ) 入射直線偏光の透過軸と逐次 2 軸延伸 PETフィルムの遅相軸が平行のときに虹ムラが現れるのは 配向の2 層構造のために透過光が楕円偏光になるためである 使用した測定装置と試料 装置: 楕円偏光測定装置 KOBRA-WPR 使用ソフト : 位相差測定用 REソフト 入射角依存性 波長分散特性透過率測定用 TRソフト 偏光透過率測定 1
試料: 表 1のフィルムを試料として用いました 表 1 実験に使用した試料 記号 厚さ面内位相差厚さ方向位相差 (μm) R0(nm) Rth(nm) 材質 備考 pet5300 125 5273 22044 PET 逐次 2 軸延伸 pc535 534 269 PC pc40 124 4519 2151 PC 1 軸延伸 pet00 69 PET ただし pet_00 の測定にはチューブ用複屈折測定装置 PAM-IMSを使用 干渉色の確認図 1のように 白色 LEDの面光源上に偏光板 ( 偏光子 ) を置き その上にフィルムを置いたときの透過光を斜めから検光子をレンズ前に付けたカメラで撮影しました このとき 受光面を角度基準とし 偏光子透過軸を0 検光子透過軸を としましたので いわゆる直交ニコル観察に相当します フィルムの遅相軸 Nx を0 45 としたときの干渉色を調べると 図 2のようになります 図 2を見ると 虹ムラが見えるのは pet5300 のNx=0 のときが最も顕著で 次に pet5300 のNx=45 のときに僅かに確認できます 裸眼で見たきは 虹ムラは直交ニコル観察時と同じ模様ですが 全体的に薄い色になりカメラにはうまく映りませんが 図 3のようなイメージになります pc535 のNx=45 のときは鮮やかな干渉色が見られますが それ以外の条件では暗視野であるか虹ムラが出ないことが分かります pc535 のNx=45 のときの干渉色も直交ニコル観察であるためで 裸眼観察のときは色も虹ムラも出ません 図 1 干渉色確認時の図 2
pet5300 pc535 pc40 pet00 図 2 直交ニコル観察時の干渉色の写真 図 3 裸眼で見た干渉色のイメージ図 (pet5300 Nx=0 ) 測定結果透過率測定用 TRソフトを用いて 図 1の測定系に合わせるために図 4のような構成でP 偏光透過率とS 偏光透過率の入射角依存性を測定しました 例えば Nx=0 のときのP 偏光 S 偏光透過率の測定結果は 図 5のようになります 3
(a)p 偏光透過率 (b)s 偏光透過率 図 4 TR ソフトを用いた P 偏光 S 偏光透過率の測定系の図 (Nx=0 のとき ) (a)pet5300 (b)pc40 図 5 P 偏光 S 偏光透過率の入射角依存性の測定例 (Nx=0 のとき ) 裸眼で見るときの光強度は 直交 2 軸の光強度の和と考えればよいので 図 5のP 偏光とS 偏光の合計を裸眼観察時の光強度と見做して (P 偏光 +S 偏光 ) の透過率をグラフにすると 図 6のようになります 図 6を見ると 黒色破線内の箇所の曲線が他のグラフに比べて乱れが大きいことが分かります 入射直線偏光の透過軸とフィルムの遅相軸の関係およびアイポイントの条件が このような透過率の乱れを起こすときに虹ムラが裸眼でも観察されると考えられます 4
(a)pet5300 (b)pc40 図 6 (P 偏光 +S 偏光 ) の透過率の入射角依存性 ( 実測 ) シミュレーション裸眼でみたときに虹ムラが見える条件を探すために アイポイントの受光角を一定に保った状態で方位を3 変えたときの光強度の変化を計算することを試みます 先ず 位相差測定用 REソフトで各試料について波長 5nmでの位相差の入射角依存性の測定値から3 次元屈折率を計算し 厚さ方向位相差 Rth を算出すると表 1の結果を得ました その3 次元屈折率から 受光角 のときの位相差の全方位特性を計算すると 図 7のようになり pet5300 の方位による位相差値の変化が特に大きいことが分かります 5
位相差 (nm) 13000 12000 10 00 00 00 00 00 00 4000 3000 2000 0 0 0 30 120 1 1 210 240 2 300 330 3 遅相軸方位 ( ) pet5300 pc535 pc40 pet00 図 7 各試料の位相差の全方位特性の計算値 (θ= ) 計算上は 図 1のような系ではNx=0 と のときは暗視野状態になるので ここでは Nx=45 で受光角 θが のときに 裸眼で見たときの分光スペクトルがどうなるかを計算します 計算に必要な基礎データは 1 位相差の波長分散特性と2 波長 5nmでの3 次元屈折率および3Nx=45 で入射角を変えたときの遅相軸の変化であって それらはREソフトを使って測定します 3の測定結果をまとめると図 8のようになり この結果も pet5300 が他の試料と大きく異なることが分かります 上記 1 2 3の各測定値をもとに Nx=45 θ= のときの透過光の分光スペクトルをシミュレーションすると図 9のようになります 図 9(a) の pet5300 の分光スペクトルの振幅が小さいことより 明確な虹ムラは現れないことを意味しますが 実際の裸眼観察では僅かに虹ムラが確認できることより 分光スペクトルがこの程度のときは虹ムラが見えるということになります 一方 図 9(b) は分光スペクトルの山の数が多く透過光は白色光になります 次に pet5300 について θ= でNx の方位を変えたときの透過光の分光スペクトルを計算すると 図 10のようになり 山の数はNx=45 のときより少なくかつ振幅も大きいことから より鮮明な虹ムラが出ることが予想できます また Nx=30 でθを変えたときの透過率の計算結果は図 11のようになり pet5300 はθが20 以上で曲線が乱れるのに対して pc40 は滑らかな曲線になることが分かります 6
遅相軸方位 φ r ( ) y = 0.0074x 2 + 0.1561x + 45 R 2 = 0.9945 y = 0.0034x 2 + 0.0146x + 45 R 2 = 0.9996 y = 0.0011x 2 + 0.0432x + 45 R 2 = 0.93 pet5300 pc535 pc40 pet00 45 40 35 y = 0.0015x 2 + 0.00x + 45 R 2 = 0.9967 0 10 20 30 40 入射角 θ ( ) 図 8 Nx=45 の状態で入射角を変えたときの遅相軸の変化 ( 実測 ) 95 85 400 4 0 0 0 0 0 波長 (nm) (a)pet5300 と pc535 pet5300 pc535 95 85 400 4 0 0 0 0 0 波長 (nm) (b)pc40 と pet00 pc40 pet00 図 9 (P 偏光 +S 偏光 ) の透過率の分光スペクトルの計算値 (θ= Nx=45 ) 40 30 20 10 0 Nx=10 Nx=20 Nx=30 400 4 0 0 0 0 0 波長 (nm) 図 10 pet5300 の (P 偏光 +S 偏光 ) の透過率の分光スペクトルの計算値 (θ= ) 7
95 85 4 0 630 0 10 20 30 40 受光角 ( ) 95 85 4 0 630 0 10 20 30 40 受光角 ( ) (a)pet5300 (b)pc40 図 11 (P 偏光 +S 偏光 ) の透過率の受光角依存性の計算値 (Nx=30 ) おわりに本来は 直交ニコル観察において偏光子の透過軸とフィルムのNx 軸が平行のときは暗視野になるはずですが 図 2の pet5300 のNx=0 のときの虹ムラは 以下のことが原因と考えられます 逐次 2 軸延伸 PETフィルムの配向の2 層構造のために 偏光子の透過軸とNx 軸が平行の条件でも透過光が楕円偏光になる Nx=0 ( 進相軸 Ny が傾斜中心軸に相当 ) のときの位相差値が 0nm 以下になることから 分光スペクトルの山谷の数が少なくなって干渉色が明確になる 仮に フィルムの配向が 2 層構造をしている場合であっても 観察する受光角での全方位的 な位相差値が 4000nm 以上あれば pc40 と同じように虹ムラは出ないと考えられます 以上 8