2009.01
王子計測機器株式会社

延伸フィルムの位相差の幅方向プロファイル測定
次の 2 種の延伸フィルムの幅方向サンプルについて、位相差および配向角のプロファイルを測定した結果を報告いたします。
・試料
PET フィルム・・・逐次 2 軸延伸品、t15µm、幅 5200mm
偏光板・・・・・・幅 400mm（エドモンド・オプティクス・ジャパン、商品コード 45204）

１）PET フィルム測定結果
・測定装置・・・・位相差測定装置

KOBRA-WR・使用ソフト・・・位相差測定 RE ソフト(入射角依存性)
R(0)、R(40)、配向角測定、3 次元屈折率計算、面配向係数算出
・試料・・・・・全幅から 200mm ごとに□40mm のカットサンプルを 27 点切出し
MD 方向を角度基準にして表した配向角の幅方向プロファイルは図 1 のようになります。
この結果より、面内における屈折率最大(Nx)方向は中央部では 90°すなわち TD 方向になり、フィルムの両端では TD 方向から約 35°ずれた方向になり、かつずれ量はフィルム中心位置に対して対称になっていることが分かります。
130120配向角(°)

11010090807060505200

4800

4400

4000

3600

3200

2800

2400

2000

1600

1200800

400040幅方向位置 (mm)

図１ PET フィルムの配向角の幅方向プロファイル
図 2 は、試料の Nx を傾斜中心軸にして入射角を 0°および 40°にして測定したときの位相差 R(0)、R(40)の幅方向プロファイルを表したものです。いずれの値もフィルム中央部で最小になり、両端で大きくなる弓形をしており、典型的なボーイング現象を示しています。

1200

位相差 R(0)、R(40)(nm)

1000

800

600

400200R(0)
R(40)
5200

4800

4400

4000

3600

3200

2800

2400

2000

1600

1200

800

40000

幅方向位置 (mm)

図２ PET フィルムの位相差の幅方向プロファイル
図 2 の R(0)、R(40)の各測定値とフィルム厚さ d および平均屈折率（PET;1.66）から幅方向位置ごとに 3 次元屈折率を計算し、さらに面内複屈折 ∆Nxy と面配向係数 ∆P を算出して、グラフにすると図 3 のようになります。
∆Nxy＝Nx-Ny＝R(0)／d1954019035185301802517520170

15165

10(×10 -3)

45ΔP

ΔNxy-3(×10 )∆P ＝(Nx+Ny)／2−Nz

160
ΔNxy
ΔP

5155
5200

4800

4400

40003600

3200

2800

2400

2000

1600

1200800

40015000

幅方向位置 (mm)

図３ PET フィルムの面内複屈折、面配向係数の幅方向プロファイル
図 1 の配向角および図 3 の ∆Nxy の幅方向分布を基に、フィルム面内の屈折率楕円を模式的に描くと図 4 のようになります。

図 4 幅方向のフィルム面内の屈折率楕円模式図

この結果は、次の論文に記載されている内容と合致します。
1) 坂本：「ポリエチレンテレフタレート２軸延伸フィルムの光学的異方性とその発生の解明」高分子論文集、Vol.48,No.11,671(1991)
2) 坂本：「新しい尺度によるフィルムの配向と機械的性質との関係」高分子論文
集、Vol.48,No.3,181(1991)
2)の論文では、機械的性質である強度や伸度と複屈折との関係が記述されています。このとき、例えば Nx 方向の機械的性質との関係付けをする場合は、次の式で得られる複屈折を尺度とすべきとしています。
∆N// ＝ Nx−(Ny+Nz)／2
また、Ny 方向の機械的性質との関係付けをする場合は、次の式で得られる複屈折を尺度とすべきとしています。
∆N⊥ ＝ Ny−(Nx+Nz)／2
これらは、いずれも Nx あるいは Ny の方向すなわち配向角の方向を調べた上で機械的性質を調べる必要があるということを意味しています。
しかし、実際に機械的あるいはその他の性質を調べるとき、試験片はMD方向あるいはTD方向を基準にして切り出されることが多く、上述の∆N//、∆N⊥との関系付けは当てはまらなくなります。この場合は、Nx、Nyの代わりにMD方向、TD方向の屈折率Nmd、Ntdを使用することになります。
今回の測定は、図 5(左)のように試料をサンプルホルダーにセットして測定しましたので、Nx、Ny、Nmd、Ntd および配向角の関係は図 5(中)のようになります。

図 5 試料セット方法と各屈折率の説明

位相差測定値より計算で得た 3 次元屈折率を基にして ∆Nxy の代わりに次式の ∆N’、また ∆Pの代わりに次式の ∆P’を計算して、図 3 の ∆Nxy および ∆P との差をグラフにすると図 6 のようになり、フィルムの両端部では ∆N’は ∆Nxy に対して約 0.025、∆P’は ∆P に対して約0.0003 小さくなることが分かります。これは、フィルム端部の配向角が TD 方向に対して約 35°ずれていることに起因します。
∆N’ ＝Nmd−Ntd∆P ’ ＝(Nmd+Ntd)／2−Nz300.35
ΔNxy-ΔN'
ΔP-ΔP'0.25
0.20150.15
100.105200

48004400

4000360032002800

2400

2000

16000.00
120008000.05

4005

ΔP-ΔP' (10 -3)

0.30200

ΔNxy-|ΔN' | (10 -3)25

幅方向位置 (mm)

図 6 (ΔP−ΔPʼ)、(ΔNxy-ΔNʼ) の幅方向プロファイル
仮に、屈折率楕円体を Nx=1.73、Ny=1.69、Nz=1.56 と固定したとき、∆P=0.15 に対して上式のΔP’が配向角によってどの程度ずれるかを計算すると図 7 のようになり、配向角が45°のときに約 0.00035 小さくなることが分かります。この値は 0.15 に対して 0.23%ですから無視できる差異とも言えます。
ΔP= 0.150.15005
0.15000
0.14995

ΔP'0.14990
0.149850.14980
0.14975
0.14970
0.14965
0.14960
01020304050
配向角 (°)

60708090

図 7 屈折率楕円体を固定したとき ΔPʼの配向角による変化の一例

２）偏光板測定結果
・測定装置・・・・偏光板用位相差測定装置

KOBRA-WX100/IR(近赤外)・試料・・・・・・全幅 400mm、5mm ピッチで測定
MD 方向を角度基準にして表した配向角の幅方向プロファイルは図 8 のようになります。
この結果より、1 軸延伸品であってもフィルムの両端では 0.6°程度の変化があることが分かります。
0.50.4
0.3

0.1
400

380360340320300

280260240220200180160140

120

1008060-0.1

400020配向角 (°)

0.2-0.2-0.3-0.4-0.5
幅方向位置 (mm)

図 8 偏光板の配向角のプロファイル
近赤外域での複数波長に対する位相差を測定し、波長分散特性を次式で表して偏光板を構成する PVA フィルムの位相差 Rpva とヨウ素の位相差 RI とを分離し(ただし、波長 1000nmでの値)、それぞれの値の幅方向プロファイルをグラフにすると図 9 のようになり、両端部で Rpva の値が大きくなっているのがよく分かります。
Rtotal＝Rpva＋RI＝a＋b／(λ2−6002)

750

170

幅方向位置 (mm)

図 9 偏光板の位相差の幅方向プロファイル

400

360
380340110300320450280120260500

22024013020055016018014014060012015080100650601602040700

0

位相差 Rtotal、Rpva (nm)180

RtotalＲｐｖａＲＩ

位相差 RI (nm)800図 9 の Rpva を横軸に、RI を縦軸にして測定値をプロットすると図 10 のようになります。
殆どの偏光板では、Rpva は 500〜1300nm の範囲に、また RI は 400nm 以下になっており、
図 10 のグラフにおいてどの位置に点が集まるかで、PVA フィルムの延伸の程度やヨウ素の吸着量の違いが分かります。また、横軸の Rpva の値の広がりは PVA フィルムの延伸ムラを表しており、１箇所にすべての測定値の点が集まっているほど均一性に優れていると言えます。
400350RI (nm)

300250200150100500500600700800900

1000

1100

12001300

Rpva (nm)図 10 偏光板の Rpva と RI のプロット
図 11 は単体透過率が約 32%から 44%の 7 種の偏光板について測定した Rpva と RI をプロットしたもので、単体透過率が高いものほど RI が小さくなっていることが分かります。
400D̲32350

RI (nm)300

A̲36250

C̲38B̲38200
150

A̲43100

B̲4350A̲440500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

R pva (nm)

図 11 各種偏光板の Rpva と RI のプロット
以上