CN101175627A - 制造含有无机纤维的复合光学体的方法 - Google Patents

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Abstract

光学体例如光学薄膜采用嵌入聚合物基体中的无机纤维形成。在某些实施例中，无机纤维和聚合物基体的折射率是匹配的。在纤维和聚合物基体之间不需要粘合剂。无机纤维可以是玻璃纤维、陶瓷纤维或玻璃陶瓷纤维。可以在光学体的表面上提供结构，以例如对通过光学体的光提供屈光力。光学体可以利用连续方法形成，将无机纤维的连续层嵌入到基体内，然后使基体凝固。

Description

制造含有无机纤维的复合光学体的方法
技术领域
本发明涉及聚合物光学薄膜，更具体地涉及含有增强刚度和刚硬度的无机纤维的光学薄膜。
背景技术
光学薄膜是一种聚合物薄膜，这种聚合物薄膜的光学特性对于其功能来说是重要的。光学薄膜经常用在显示器中，例如用于控制从光源到显示面板的光传播。光控制功能包括提高图像亮度以及提高整个图像的照明均匀度。
这种薄膜是薄的，因此结构整体性较低。随着显示系统的尺寸增大，薄膜的面积也变大。如果不将薄膜制做得更厚，则薄膜的尺寸可能会使其刚硬度不足以保持其形状。然而，把薄膜做得更厚会增大显示单元的厚度，并且导致重量和光学吸收增加。更厚的薄膜还会增大隔热性，从而降低从显示器散热的能力。此外，一直存在对于亮度提高的显示器的需求，这意味着显示系统会产生更多热量。这导致与更多热量相关的扭曲效应，例如薄膜翘曲增强。
目前，适应更大显示器尺寸的解决方案是将光学薄膜层压到厚得多的基板上。该方案使器件的成本增加，并且使器件更厚更重。然而，成本的增加不会带来显示器的光学性能的显著提高。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种制造光学薄膜的方法。所述方法包括将多根无机纤维展开为无机纤维连续层，并将无机纤维连续层嵌入聚合物树脂中。所述方法还包括使所述聚合物树脂凝固以产生聚合物与无机纤维的复合层，所述聚合物树脂的折射率与所述无机纤维的折射率大致匹配。
本发明的上述概要说明并非意图描述本发明的每一个图示实施例或每一种实施方式。下面的附图和详细说明将更具体地描述这些实施例。
附图说明
通过下面参考附图对本发明的各种实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明，其中：
图1A示意性示出光学薄膜；
图1B示意性示出根据本发明原理的光学薄膜的局部去除视图；
图2为示出散射效率与纤维半径的关系的曲线图；
图3示意性示出纤维织物的实施例；
图4A和图4B示意性示出根据本发明原理的纤维纱的示例性实施例；
图5A至图5C示意性示出根据本发明原理的纤维增强光学薄膜的横截面图；
图6示意性示出根据本发明原理的具有屈光力的纤维增强光学薄膜的横截面图；
图7A至图7D示意性示出根据本发明原理的具有结构化表面的纤维增强光学薄膜的横截面图；
图8A和图8B示意性示出可以用于制造根据本发明原理的纤维增强光学薄膜的系统；
图9示意性示出采用树脂浸渍纤维层的系统，其用于制造根据本发明原理的纤维增强光学薄膜；以及
图10示意性示出可以用于制造根据本发明原理的纤维增强光学薄膜的系统。
虽然在附图中示例性示出本发明的细节并且进行了详细说明，但可以将本发明修改为各种变型和替代形式。应该理解，本发明不限于所描述的具体实施例。相反，本发明涵盖位于所附权利要求书限定的本发明的精髓和范围内的全部变型、等同物以及替代物。
具体实施方式
本发明适用于光学系统并且特别适用于使用一个或多个光学薄膜的光学显示系统。随着光学显示系统，例如液晶显示器(LCD)变大和变亮，对于显示器中的光学薄膜的需求也越来越大。更大的显示器需要更刚硬的薄膜，以避免翘曲、弯曲和松弛。然而，使薄膜的厚度随其长度和宽度按比例地增大将导致薄膜更厚更重。因此，合适的是，使光学薄膜更刚硬，从而使其可以在不同时增大厚度的情况下用于大显示器中。用于增强光学薄膜刚硬度的一种方法是在薄膜中包含纤维。在一些示例性实施例中，使纤维的折射率与薄膜的周围材料相匹配，从而使得通过薄膜的光产生很小的散射或者不产生散射。
图1A示意性示出光学元件100的一个实施例，图中相对于任意设定的坐标系示出元件100。元件100的厚度沿z方向。图1B示意性示出通过元件100的一部分的横截面。元件100包括聚合物基体104，该基体可以称为连续相。元件100形成为块状光学体，例如可以为薄膜片材、圆柱体、管等形式。元件100可以具有足够的横截面尺寸，使得元件100至少在一个维度上基本上自支承。例如，如果元件100是在z方向上尺寸较小并且在y方向上尺寸显著更大的片材，那么元件100在y方向上自支承，这是因为其在z方向上容易挠曲而在y方向上不容易挠曲。
在基体104中设置有诸如玻璃纤维、玻璃陶瓷纤维或陶瓷纤维等无机纤维102。各根纤维102可以在薄膜100的整个长度上延伸，但这并非是必需的。在图示实施例中，纤维102与x方向平行地纵向取向，但是这并非是必需的。如下所述，纤维102可以在基体104中以单纤维的形式或者以很多其它的布置方式进行组织。
形成聚合物基体104的材料的x、y和z方向的折射率在本文中称为n1x、n1y和n1z。在聚合物材料为各向同性材料的情况下，x、y和z折射率都大致匹配。在基体材料为双折射材料的情况下，x、y和z折射率中至少一者与其它折射率不同。在某些情况下，只有一个折射率不同于其它折射率，此时材料称为单轴材料；在另一些情况下，全部三个折射率都不同，此时材料称为双轴材料。无机纤维102的材料通常是各向同性材料。因此，形成纤维的材料的折射率给定为n2。无机纤维102也可以是双折射的。
在某些实施例中，需要聚合物基体104是各向同性的，即n1x≈n1y≈n1z≈n1。为了可以当作各向同性的，n1x、n1y和n1z之间的差值应该小于0.05，优选地小于0.02，更优选地小于0.01。此外，在某些实施例中，合适的是，基体104和纤维102的折射率大致匹配。于是，基体104和纤维102之间的折射率差值，即n1和n2之间的差值应该较小，至少小于0.02，优选地小于0.01，更优选地小于0.002。
在其它实施例中，需要聚合物基体为双折射的，此时基体折射率中至少一者与纤维102的折射率不同。例如，如果基体是单轴双折射的，从而n1x≈n1z≠n1y，那么n1x和n1z的值可以与n2密切匹配。然而，n1y与n2不同，结果使得y方向的偏振光被薄膜100散射，但是x方向的偏振光基本上无散射地通过薄膜。y偏振光的散射量决定于几个因素，包括折射率差值n2-n1y的大小、纤维102的尺寸以及纤维102的密度。此外，光可以发生前向散射(漫透射)或后向散射(漫反射)或者两者。基体104和纤维102之间双折射界面处的折射率失配可以为至少0.05，并且可以更大，例如为0.1或0.15或者可以为0.2。
虽然上面描述的示例性实施例涉及x方向的折射率匹配，而y方向存在相对较大的折射率差异，但是其它示例性实施例可能包括y方向的折射率匹配，而x方向存在相对较大的折射率差异。
基体
适合用于聚合物基体的材料包括在所需光波长范围内透明的热塑性和热固性聚合物。在某些实施例中，可能特别有用的是，聚合物不溶于水，聚合物可以是疏水性的或者具有较低的吸水趋势。此外，合适的聚合物材料可以是非晶体的或半晶体的，并且可以包括均聚物、共聚物或其共混物。示例性的聚合物材料包括但不限于：聚碳酸酯(PC)；间规立构和全同立构聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；含芳环和脂环的(甲基)烷基丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基化和丙氧基化的(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；环氧丙烯酸树脂；环氧树脂；其它乙烯化不饱和材料；环烯烃和环烯烃共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯环己烯；PMMA/聚氯乙烯共混物；聚苯醚合金；苯乙烯类嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；饱和聚酯；聚乙烯，包括低双折射率聚乙烯；聚丙烯(PP)；聚对苯二甲酸亚烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚萘二甲酸亚烷基酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；乙酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET和PEN的共聚物，包括聚烯烃PET和PEN的共聚物；以及聚碳酸酯/脂肪族PET共混物。术语(甲基)丙烯酸酯定义为是或者相应的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯化合物。除了间规立构PS之外，这些聚合物可以以可选的各向同性形式使用。
在一些产品应用中，重要的是，薄膜产品和组分表现出低水平的漂泊种(未反应的或未转化的低分子量分子、溶解的水分子或者反应副产品)。漂泊种可以从产品或薄膜的终端使用环境中吸收，例如水分子，或者可以从初始产品制造就存在于产品或薄膜中，例如水，或者可以作为化学反应(例如缩聚反应)的结果而产生。通过缩聚反应进行小分子演化的例子是在通过二胺和二酸进行反应形成聚酰胺的过程中释放水。漂泊种还可以包括诸如单体、增塑剂等低分子量有机材料。
漂泊种的分子量通常比由剩余功能性产品或薄膜构成的多数材料低。产品使用条件例如可能导致在产品或薄膜的一侧差异更大的热应力。在这些情况下，漂泊种可以通过薄膜迁移或者从薄膜或产品的一个表面挥发，从而产生浓度梯度、总体机械变形、表面改变，以及有时候产生不期望的放气。放气可能导致产品、薄膜或基体中出现空隙或气泡，或者可能导致在粘结到其它薄膜时出现问题。漂泊种还可能蚀刻或不期望地影响产品应用中的其它组分，或使其变成溶剂化物。
这些聚合物中的几种在取向时可以变为双折射的。具体地说，PET、PEN及其共聚物以及液晶聚合物在取向时表现出相对较大的双折射率值。聚合物可以利用不同的方法取向，包括挤出和拉伸。拉伸对于取向聚合物是特别有用的方法，这是因为该方法能够进行高度取向，并且可以通过诸如温度和拉伸比等多个易于控制的外部参数进行控制。
基体104可以具有各种添加剂以便为光学体100提供需要的特性。例如，添加剂可以包括如下物质中的一种或多种：耐候剂、UV吸收剂、受阻胺光稳定剂、抗氧化剂、分散剂、润滑剂、抗静电剂、色素或染料、成核剂、阻燃剂和发泡剂。
一些示例性实施例可以使用能抵抗随时间的发黄和模糊化的聚合物基体材料。例如，诸如芳香族聚氨酯等一些材料在长期暴露于UV光时会变得不稳定，并且随时间而改变颜色。当长期保持相同颜色较为重要时，需要避免使用这种材料。
可以为基体104提供其它添加剂以改变聚合物的折射率或者增强材料的强度。这种添加剂可以例如包括诸如聚合物珠子或颗粒以及聚合物纳米微粒等有机添加剂。在某些实施例中，利用特定比率的两种不同单体形成基体，其中每种单体a和b在聚合时与不同的最终折射率例如na和nb相关，其中下标a和b分别指单体a和b。在na小于nb并且基体中单体b的重量百分比为r的情况下，基体的折射率值nm如下给出：nm＝na+r(nb-na)。在其它实施例中，可以用三种或更多种不同单体的线性组合产生需要的折射率值。下面提供的实例示出利用三种、四种或者甚至五种单体的混合物调节折射率的能力。
在其它实施例中，可以将无机纤维添加到基体中以调节基体的折射率，或者增强材料的强度和/或刚硬度。例如，无机材料可以是玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷或者金属氧化物。下面结合无机纤维所述的任何合适类型的玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷都可以使用。合适类型的金属氧化物包括例如二氧化钛、氧化铝、氧化锡、氧化锑、氧化锆、二氧化硅及其混合物或其混合氧化物。这些无机材料优选地作为纳米微粒提供，例如以磨碎颗粒、粉末、珠子、薄片或微粒形式提供，并分布在基体中。颗粒的尺寸优选地小于约200nm、并且可以小于100nm或者甚至50nm，以减少通过薄膜的光的散射。
这些无机添加剂的表面可以设置有用于将纤维结合到聚合物上的偶联剂。例如，硅烷偶联剂可以和无机添加剂一起使用以将无机添加剂结合到聚合物上。尽管可以使用没有可聚合表面改性能力的无机纳米微粒，但是可以对无机纳米微粒进行表面改性，从而使得纳米微粒可以与基体的有机组分聚合。例如，可以将反应基团加到偶联剂的另一端。该基团可以例如通过化学聚合经由双键与反应性聚合物基体进行化学反应。
增强纤维
纤维102可以使用任何合适类型的无机材料形成。纤维102可以由对通过薄膜的光基本上透明的玻璃形成。合适的玻璃实例包括常用于玻璃纤维复合材料中的玻璃，例如E、C、A、S、R和D玻璃。也可以使用更高质量的玻璃纤维，例如包括熔融石英纤维和BK7玻璃纤维。合适的更高质量的玻璃可以从几个供应商获得，例如SchottNorth America Inc.，Elmsford，New York。合适的是，使用由这些更高质量的玻璃制成的纤维，因为它们更纯并因此具有更均一的折射率和更少的夹杂物，这会导致散射更少并且透射增多。另外，纤维的机械特性更可能均一。更高质量的玻璃纤维更不容易吸收水分，因此薄膜在长期使用中更稳定。此外，合适的是，使用低碱玻璃，这是因为玻璃中的碱含量会增大水分的吸收。
可以用于纤维102的另一类无机材料是玻璃陶瓷材料。玻璃陶瓷材料通常包括体积百分比为95％至98％的微小晶体，晶体的尺寸小于1微米。一些玻璃陶瓷材料具有小至50nm的晶体尺寸，从而使其在可见光波长内高度透明，这是因为晶体尺寸比可见光波长小得多，从而实际上不会发生散射。这些玻璃陶瓷在玻璃质和结晶区的折射率之间的有效差异还可以很小，或者没有差异，从而使其看起来是透明的。除了透明度之外，玻璃陶瓷材料可以具有超过玻璃的断裂强度，并且公知的是具有等于零或者甚至为负值的热膨胀系数。所关注的玻璃陶瓷的组分包括但不限于：Li2O-Al2O3-SiO2、CaO-Al2O3-SiO2、Li2O-MgO-ZnO-Al2O3-SiO2、Al2O3-SiO2以及ZnO-Al2O3-ZrO2-SiO2、Li2O-Al2O3-SiO2和MgO-Al2O3-SiO2。
一些陶瓷的晶体尺寸还可以足够小，以至于如果将其嵌入折射率适当匹配的基体聚合物中，则它们可以看起来是透明的。可以从3M Company，St.Paul，MN获得的NextelTM陶瓷纤维是这类材料的例子，并且可以以纱、线和机织垫的形式获得。在Chemistry of Glasses，2nd Edition(A.Paul、Chapman和Hall，1990)和Introduction toCeramics，2nd Edition(W.D.Kingery、John Wiley和Sons，1976)中进一步描述了合适的陶瓷或玻璃陶瓷材料。
如果纤维的折射率与基体的折射率并非良好匹配的话，那么纤维102的尺寸对于通过薄膜100的光的散射会具有重大影响。图2示出散射效率即标准化比例光学厚度(NSOT)与纤维的平均半径的关系的曲线图。NSOT通过如下表达式给出：
NSOT＝T(1-g)/(tf)
其中，T是光学厚度，等于tk，k是每单位体积的消光横截面积(平均消光自由程的倒数)，t是薄膜100漫射器的厚度，f是纤维的体积百分比，g是非对称指数。g的值对于纯前向散射为+1，对于纯后向散射为-1，对于等前向后向散射为0。用于绘制曲线图的计算假定入射光的真空波长为550nm。
从图中可以看出，散射效率在大约150nm的纤维半径处出现峰值，并且在大约50nm至1000nm的半径范围内散射效率的值为最大值的大约一半。因此，在一些实施例中，需要纤维102的半径位于该范围之外。使用半径显著小于150nm的单纤维是更不现实的，这是因为尺寸这么小的单纤维难以制造和搬运。因此，更容易的是，对于可见光使用半径至少为2μm，优选地超过3μm的纤维102。
在某些实施例中，合适的是，在基体与纤维之间不具有完全折射率匹配，从而使得至少一些光被纤维漫射。在这些实施例中，基体和纤维之一或两者可以是双折射的，或者基体和纤维都是各向同性的。根据纤维的尺寸，漫射由散射产生，或者由单折射产生。纤维的漫射是非各向同性的：光可以沿着垂直于纤维轴的方向漫射，但是不沿着纤维的轴向漫射。因此，漫射的性质决定于基体内纤维的取向。如果纤维例如平行于x轴和y轴布置，那么光沿着平行于x轴和y轴的方向漫射。
另外，基体可以充填有将光各向同性地散射的漫射颗粒。漫射颗粒是折射率不同于基体的颗粒，经常具有更高的折射率，直径达到约10μm。漫射颗粒可以是例如金属氧化物，例如上述用作调节基体折射率的纳米微粒的金属氧化物。其它合适类型的漫射颗粒包括聚合物颗粒，例如聚苯乙烯或聚硅氧烷颗粒，或其组合物。漫射颗粒可以单独用于漫射光，或者可以与折射率不匹配的纤维一起用于漫射光。
基体内纤维的一些示例性实施例包括纤维纱、在聚合物基体内沿一个方向布置的纤维束或纤维纱束、纤维织物、非织短纤维、短纤维垫(具有随机或有序的形式)、或者这些形式的组合。非织短纤维或短纤维垫可以被拉伸、施加应力或者取向以使得纤维在非织短纤维或短纤维垫中一定程度地排列，而非具有随机的纤维布置。此外，基体可以包括多层纤维：例如，基体可以包括位于不同纤维束或织物等中的更多层纤维。
也可以将有机纤维与无机纤维102一起嵌入基体104中。可以包含在基体中的一些合适的有机纤维包括聚合物纤维，例如由上述聚合物材料中的一种或多种形成的纤维。聚合物纤维可以由与基体104相同的材料形成，或者可以由不同的聚合物材料形成。其它合适的有机纤维可以由例如棉、丝或麻等天然纤维形成。
诸如聚合物等一些有机材料可以可选地为各向同性的，或者可以可选地为双折射的。双折射聚合物纤维可以用于将偏振相关特性引入薄膜，例如如都在2005年2月28日提交的美国专利申请No.11/068,157和No.11/068,158中所述。
在某些实施例中，有机纤维可以形成只含有聚合物纤维的纱、束、织物(例如聚合物纤维织物)的一部分。在其它实施例中，有机纤维可以形成含有无机纤维和聚合物纤维的纱、束、织物的一部分。例如，纱或织物可以含有无机纤维和聚合物纤维。图3示意性示出纤维织物300的一个实施例。该织物由经向纤维302和纬向纤维304形成。经向纤维302可以是无机或有机纤维，纬向纤维304也可以是有机或无机纤维。此外，经向纤维302和纬向纤维304都可以同时包含无机纤维和有机纤维。织物300可以是单根纤维、纤维束的织物，或者可以是纱的织物，或者上述任意组合。
纤维纱包括捻在一起的多根纤维。纤维可以在纤维纱的整个长度上延伸，或者纤维纱可以包括人造短纤维，此时各根纤维的长度比纤维纱的总长短。可以使用任何合适类型的纤维纱，包括例如如图4A示意性示出的传统加捻纱400，其由围绕彼此加捻的纤维402形成。纤维402可以是无机的、有机的或者两者。
图4B示意性示出纤维纱410的另一个实施例，其特征在于多根聚合物纤维414围绕中心纤维412缠绕在一起。中心纤维412可以是无机纤维或有机纤维。诸如纤维纱410等包括无机纤维和聚合物纤维的纤维纱可以用于提供与聚合物纤维414相关的特定光学特性，同时还为无机中心纤维412提供强度。例如，聚合物纤维可以是各向同性的或者双折射的。可以利用任何合适的方法将聚合物纤维制造成双折射的，包括通过在合适的处理条件下拉伸纤维而取向聚合物材料。双折射聚合物纤维将偏振相关特性引入薄膜。例如，薄膜可以对一种偏振态的光为基本漫透射或漫反射的，并且对于正交偏振态的光为基本镜面透射的。
在薄膜中使用的聚合物纤维通常具有小于约250μm的直径，并且可以具有小至约5μm或更小的直径。单独地搬运微小聚合物纤维可能是困难的。然而在包含聚合物纤维和无机纤维的混合纤维纱中使用聚合物纤维，使得可以更容易地搬运聚合物纤维，这是因为该纤维纱更不容易在搬运中受到损坏。
薄膜
采用无机纤维增强的光学薄膜具有至少与无机纤维的厚度相同的厚度。通常，光学薄膜可以具有高达约5mm的厚度，但是在某些实施例中薄膜的厚度可以高于该值。在其它实施例中，厚度小于250μm，并且可以甚至小于25μm。在很多应用中，薄膜基本上是透明的，从而使得在薄膜中吸收10％以下、优选地5％以下、更优选地1％以下的入射光。应该注意到，透明并不等同于透射，这是因为透明仅仅与吸收相关，而与被透射而不是被反射的光量不相关。
在某些实施例中，基体可选地是各向同性的。在其它实施例中，基体可选地是双折射的。一种制造双折射基体的常用方法是在受控的温度条件下拉伸基体，例如拉伸2至10次或更多次。拉伸可以沿纵向或横向进行。例如，当纤维是切短纤维时，可以拉伸含有无机纤维的基体。在另一种方法中，基体含有纤维束形式的纤维，此时可以沿与纤维束交叉的方向拉伸基体。
上述方法包括将预先存在的玻璃纤维、陶瓷纤维或玻璃陶瓷纤维或颗粒结合到聚合物基体中，以增强所得制品的机械特性。另一种方法是通过玻璃和聚合物的共处理产生尺寸稳定、刚硬并且可以热处理的复合材料。玻璃具有相对较低的熔点，并且适于与熔点相对较高的聚合物进行共处理。在Polymeric Materials Encyclopedia(CRC PressInc.，1996)p.2766中的“Glass-Polymer Melt Blends”(Quinn C.J.、Frayer P.和Beall G.)中描述了生成这种材料的方法。磷酸盐(P2O5)玻璃在远低于400℃的温度下可以具有粘性流，并且可以具有足以与聚合物共同形成的低粘度。共挤方法的优点包括通过聚合物熔融物良好地润湿玻璃，并且在玻璃和聚合物之间形成良好的界面结合，而不使用传统的偶联剂。已经提出了复合材料内的各种玻璃结构，包括小珠子、微径纤维、带和板。
使用可共处理的玻璃使得有可能使其折射率与基体相匹配、并且在将增强玻璃纤维结合到复合材料中之后将双折射引入基体聚合物中。通过可共处理的玻璃进行增强，使得有可能在已经形成复合材料之后进行另外的热和机械处理(潜在地包括引入双折射)。
纤维在薄膜中的位置可以是随机的，例如如图1B所示，或者可以是规则的。此外，在薄膜内的不同位置处，相邻纤维之间的间距可以是不同的。例如，图5A的横截面图中示意性示出的薄膜500具有以矩形网格形式规则地设置于基体504内的纤维502。y方向和z方向的纤维间的间距分别是hy和hz。hy和hz的值可以相同，或者可以不同。另外，hy和hz的值无需在薄膜的整个宽度和厚度上是均一的。
可以选择基体504内纤维502的位置以提高薄膜的刚硬度。例如，在图5B示意性示出的示例性实施例中，纤维502设置在薄膜510的各个表面附近的两行中。在材料的任何横截面中，在外表面处出现最大弯曲应力。因此，由于纤维的抗拉强度和/或杨氏模量通常大于基体材料，将纤维设置在表面附近将导致显著提高薄膜或制品的刚硬度。与将两行纤维502设置在薄膜510的中心附近的构造相比，该构造的刚硬度更高。
在将纤维502规则地设置于薄膜内的情况下，可以使用其它类型的网格形式。例如，如图5C示意性示出的薄膜520，纤维502可以以六边形形式布置。另外，y方向上的面内间距在整个薄膜上是不恒定的，在一个区域中纤维502的密度可以高于另一区域。在需要纤维502对照明光的漫射在整个薄膜520上空间不均一的情况下，类似图5C所示的构造可能是有用的。例如这可以用于为显示器提供不均一的漫射，从而隐藏各个光源。
薄膜可以具有平坦的表面，例如如图1A和图1B所示与x-y平面平行的平坦表面。薄膜也可以包含一个或更多个结构化表面，以便为入射在薄膜上的光提供需要的光学效应。例如，在图6示意性示出的一个示例性实施例中，薄膜600形成有嵌入基体604中的纤维602，并且具有弯曲输出面606。弯曲输出面606为通过表面606透射的光提供屈光力，即聚焦或散焦。在图示实施例中，光线608代表由弯曲折射面606聚焦的光线实例。在其它示例性实施例中，薄膜元件600的输入面610可以是弯曲的，或者可以具有其它的表面结构。此外，在透射光射出薄膜的输出面612上可以有表面结构。表面结构的实例包括例如菲涅耳透镜结构和透镜阵列。这些结构被认为能够为通过表面606的光提供屈光力。
除弯曲区域之外或者替代弯曲区域，输入面和输出面中之一或两者的结构化表面还可以包括直线区域。例如，在图7A示意性示出的另一示例性实施例中，形成有嵌入基体704的纤维702的薄膜700可以具有棱柱结构化的输出面706，该输出面称为增亮面。增亮面通常用于例如背光液晶显示器中以减小照明显示面板的光的锥角，并由此为观察者提高同轴亮度。该图示出入射在薄膜700上的两条光线708和709的实例。光线708倾斜地入射在薄膜700上，并被结构化表面706朝向z轴偏转。光线709接近垂直地或者垂直地入射在薄膜700上，并被增亮面706向后反射。增亮面706可以布置为使棱柱结构707与纤维702平行，如图所示，纤维702还与x轴平行。在其它实施例中，棱柱结构707可以相对于纤维702的方向形成其它角度。例如，棱柱结构707可以与y轴平行并与纤维702垂直，或者形成为x轴和y轴之间的某一角度。棱柱结构707可以由与基体704相同或者不同的材料形成。
可以利用任何合适的方法在基体上形成结构化表面。例如，基体可以固化或者以其它方式硬化，同时其表面与诸如微复制工具等工具表面接触，该工具表面在聚合物基体的表面上形成需要的形状。
纤维702可以存在于薄膜的不同区域上。在图7A示意性示出的示例性实施例中，纤维702没有设置于由结构化表面706形成的棱柱结构707中，而是仅仅设置于薄膜700的主体701中。在其它实施例中，纤维702可以以不同方式分布。例如，在图7B示意性示出的薄膜720中，纤维702设置于薄膜720的主体701中以及由结构化表面706形成的结构707中。在图7C示意性示出的另一实例中，纤维702仅仅设置于薄膜730的结构707中，而没有设置于薄膜730的主体701中。
除了上述结构化表面之外，还可以使用其它类型的结构化表面。例如，结构化表面可以是漫射表面。
图7D示意性示出本发明的另一个示例性实施例，其中薄膜740具有嵌入基体704中的纤维702。在该具体实例中，一些纤维702a没有完全嵌入基体704中，而是穿透基体704的表面746。在该布置方式中，在纤维702a和薄膜740外部的空气或其它介质之间存在光学界面，这可以导致通过纤维702a的光发生光学漫射。
无机纤维与很多聚合物材料相比相对刚硬，具有更高的抗拉强度和杨氏模量，因此采用无机纤维增强的聚合物薄膜通常比未纤维增强的聚合物薄膜更刚硬。因此，纤维增强薄膜更适合用于大显示器中。此外，无机纤维的存在提高了机械稳定性，降低了制品的热膨胀系数，从而降低光学薄膜在显示器中工作时因为温度升高而翘曲的可能性。
高抗拉强度应用的一个实例是在液晶显示(LCD)面板中使用纤维增强薄膜作为玻璃片的替代物的情况。传统上，LDC面板包括由液晶薄层(达到几十微米)隔开的两个玻璃盖片。盖片的内表面设置有图案化导电涂层，以便用作显示器的各个像素的电极。玻璃上的金属迹线提供与图案化导电层的电连接。随着显示面板的尺寸增大，玻璃盖片越来越重并昂贵，因此可以由纤维增强盖片代替它们。然而，这种盖片必须经受住例如超过150℃至180℃的处理高温。图案化导电涂层、与导电涂层连接的金属迹线以及聚合物盖片具有不同的热膨胀系数(CTE)，当盖片经历较大的温度变化时，这会导致导电层层离，或者导致与图案化导电层连接的金属迹线断裂。已经提出将玻璃纤维增强作为减小聚合物片的膨胀的方法，这是因为玻璃纤维的CTE小于聚合物材料的CTE。在聚合物片中使用玻璃纤维通常依赖于纤维的抗拉强度以及存在于纤维与聚合物基体之间的良好机械和化学耦合，从而使得两者之间的滑移非常小。因此，通常在纤维的表面上使用化学粘合剂，例如硅烷偶联剂，以将聚合物基体结合到纤维上。另外，纤维密度(垂直于纤维在薄膜上测量的每单位距离上存在的纤维数量)相对较高，以便于提供需要的抗拉强度和低CTE。
对比之下，本文所述某些纤维增强光学薄膜的实施例中的纤维密度可以相对较低，足以为具体应用提供足够的刚硬度，但是不需要如上一段所述的LCD应用中的高抗拉强度。结果，需要使用更少的纤维，这减少了薄膜产生的雾度(漫透射的透射光的百分比)，当聚合物与纤维材料的折射率之间存在微小的失配时产生雾度。此外，在某些示例性实施例中，可以省略粘合纤维与基体的粘合剂，这是因为当刚硬度而非强度是主要关注因素时，对于纤维与基体之间的结合强度的要求降低。然而，即使省略偶联剂，含有无机纤维的薄膜的CTE仍然小于单独聚合物基体的CTE。另外，省略偶联剂还会减少任何可能由于偶联剂而产生的折射率失配问题。
纤维在薄膜内的排列和横截面布置可以产生各向异性的机械和光学特性。例如，在无机纤维只沿一个方向例如x方向排列的情况下，薄膜更能抵抗半径平行于xz平面的弯曲，即弯曲纤维使其不再平行于x轴。然而，对于半径平行于yz平面的薄膜弯曲则抵抗力较差，因此薄膜在一个方向的刚度会低于其它方向。在无机纤维设置为平行于x轴以及y轴的情况下，薄膜更加各向同性地刚硬，但是沿具体方向的刚度决定于位于该方向上的纤维数量。如果与x方向平行的纤维数量不等于与y方向平行的纤维数量，那么x方向的刚度可能不同于y方向的刚度。如果x方向和y方向的刚度相同，那么该刚度可以称为“假各向同性”。此外，对于不平行于x轴和y轴的方向的刚度可能与平行于这些轴之一的刚度不相同。无机纤维当然可以在薄膜内以任何需要的取向设置，而没有必要仅仅沿着x轴和y轴之一或两者排列。例如，一些纤维可以沿着与x轴和y轴都不平行的方向排列。
除了刚硬度之外，薄膜可能变得各向异性的其它机械特性包括抗拉强度、热膨胀系数以及撕裂强度。另外，如果仅仅沿一个方向布置散射光的无机纤维或聚合物纤维或者两者，诸如散射等光学特性也可以变得各向异性。如果促进这些特性的纤维是交叉的，那么这些薄膜特性当然也可以是假各向同性，如果纤维沿多个不同的方向布置，那么这些薄膜特性可以变得更加各向同性。
包括基体、纤维和提供给薄膜的任何添加剂在内的薄膜组分可以以选择的方式影响薄膜的光学特性。例如，薄膜的各种组分可以都选择为对于入射光是透明的。另外，可以提供诸如染料或色素等添加剂以吸收光，或者聚合物可以含有吸收光的分子组分。在一些示例性实施例中，染料、色素或分子组分可以例如通过拉伸含有染料、色素或分子组分的基体薄膜层而排列，从而导致处于一个偏振态的光比其正交偏振态的光更优选地被吸收。可以通过在基体薄膜层上施加一层或多层纤维来制造光学薄膜。如果存在染料、色素或分子组分的话，将其选择为吸收特定波长范围的光。在其它实施例中，添加剂可以设置在基体自身中。
某些添加剂诸如染料等可以例如通过荧光来转变入射光的频率。在一个实例中，可以采用吸收UV光并发射可见光的染料浸渍基体。
薄膜可以具有颜色选择性的散射能力。可以例如通过选择纤维折射率与基体折射率相匹配时的波长λ0来获得该能力。在纤维和基体材料的色散性不同的情况下，对于进一步远离λ0的波长，折射率差异增大。在需要微小散射或者中性散射的情况下，λ0通常设定为接近通过薄膜的光的波长范围的中心。这样，如果波长范围为约400nm至700nm的可见光通过薄膜，那么λ0可以设定为500nm至600nm范围内的某处。然而，如果需要薄膜散射更多的某一波长的光，那么可以相应地偏移λ0。例如，如果需要散射比红光或绿光更多的蓝光，那么λ0可以设定在更长的波长，例如在600nm至700nm的范围内，从而使得对于波长在400nm至500nm范围内的蓝光的折射率失配更高并且散射增多。
光学薄膜内不同材料的折射率随着温度而变化。因为纤维增强薄膜的光学特性至少部分地决定于基体与纤维材料之间的折射率失配的大小，因此如果上述材料之间的折射率失配在温度变化过程中没有保持在需要的范围内，那么薄膜的光学特性就可能随着温度变化。考虑如下实例：基体材料和无机纤维在室温下(20℃)具有匹配的折射率。然而，如果dn/dT值，即折射率n随温度T变化的变化率对于两种材料来说不同，那么在升高的工作温度下(例如50℃)，折射率可能会变得失配。因此，在某些示例性实施例中，可以选择基体和玻璃纤维的材料以减小在特定工作温度范围内聚合物和无机材料的dn/dT值之间的差异。
在某些其它实施例中，需要增加两种材料的dn/dT值之间的差异，从而使得薄膜对于温度更加敏感。例如，在某些示例性建筑应用中，合适的是，薄膜具有温度敏感的透射率。在照明时，需要建筑物或温室中的窗具有温度依赖性，如果温度升高到某一温度以上则通过窗的光量减小。
聚合物基体和无机纤维材料中的色散性导致对于不同波长来说每种材料的折射率是不同的：对于较短的波长，折射率较高。这样，可以对一个波长使基体与无机纤维材料之间的折射率精确匹配，但是在两种材料的色散性(dn/dλ，λ是真空波长)不相同的情况下，随着波长进一步远离匹配波长，两个折射率之间的差异将增大。因此，在某些实施例中需要把折射率匹配时的波长λm设定成接近所关注波长范围的中心。这样，对于在覆盖400nm至700nm波长范围的显示器中使用的光学薄膜，λm值可以在500nm至600nm的范围内。另外，聚合物和无机材料的某些组合具有比其它组合更接近的dn/dλ值。加工
可以使用几种不同的方法来制造纤维增强光学薄膜。一些方法包括间歇式加工，而另一些包括连续加工。在一个示例性实施例中，如上所述，无机材料具有低于聚合物基体的熔融温度，并且将两种材料共挤。在该方法中，通过在聚合物/无机物熔融物中发生的相分离来确定无机纤维、小滴或带在基体内的位置。
图8示意性示出适合于连续加工的系统800的另一个示例性实施例。可以将无机纤维层802，例如纤维束、织物等从辊804中拉出来，并且放在从另一个辊808中拉出的背衬层806上。从贮存器812将树脂810施加在无机纤维层802上，并且涂布机814形成树脂层816。在某些实施例中，还可以在施加无机纤维层802之前将树脂810施加在背衬层806上。树脂810浸入纤维层802。树脂810可以是热塑性聚合物或热固性聚合物。涂布机814可以是任何类型的涂布机，例如刮刀式涂布机、逗号式涂布机(图示)、刮棒式涂布机、模具涂布机、喷涂机、帘式涂布机、高压注射机等。在其它的考虑因素中，应用条件下的树脂粘度确定合适的一种或多种涂布方法。涂布方法和树脂粘度还影响在采用基体树脂浸渍增强件的步骤中从增强件中消除气泡的速度和程度。
在需要成品薄膜具有低散射性的情况下，重要的是，在该阶段确保树脂完全填充纤维之间的间隙：留在树脂中的任何空隙或气泡都可能成为散射中心。可以单独地或组合地使用不同方法以减小气泡的出现。例如，可以机械地振动薄膜以促使树脂810散布整个纤维层802。可以利用例如超声波源施加机械振动。另外，可以对薄膜施加真空以从树脂801中吸出气泡。可以在进行涂布的同时或者在此之后，例如在可选的排气单元818中进行该操作。
然后可以使薄膜中的树脂810在凝固台820处凝固。凝固包括固化、冷却、交联以及导致聚合物基体达到固态的任何其它处理。在某些实施例中，可以对树脂810施加不同形式的能量，包括但不限于热量和压力、UV辐射、电子束等，以使树脂810固化。在其它实施例中，可用通过冷却或者通过交联使树脂810凝固。在某些实施例中，凝固的薄膜822足够柔软以至于可以收集并存储在卷收辊824上。在其它实施例中，凝固的薄膜822可能对于卷收来说过于刚硬，此时以其它方式进行存储，例如可以将薄膜822切割成片材进行存储。
背衬层806可以用作薄膜的承载体或预掩模型基板，或者可以提供一些需要的光学特性。例如，背衬层806可以是光学各向同性的或者是双折射的，或者可以充填有吸收性染料或色素，或者可以固有地含有吸收种。背衬层可以提供物理支承并在凝固步骤之前限制气体和/或水蒸气进入。在其它实施例中，背衬层806可以是用于在存储和运输时保护薄膜的可剥离保护层。
可以将其它层添加到薄膜中。例如，可以将上保护层826添加到薄膜中。此外，可以添加附加纤维层和树脂层以堆积成多层纤维增强薄膜。附加纤维和树脂层可以在第一树脂层816凝固之前或者在第一树脂层816凝固之后添加。在某些实施例中，在施加附加纤维层和树脂层之前，第一树脂层816可以部分地凝固。
在某些实施例中，施加到薄膜上的一个或多个片材可以沿着不平行于膜片的方向施加。这种薄膜的一个实例是施加成使得纤维横过膜片的纤维束。在这种情况下，如图8B中示意性示出的系统830，可以利用片材供料机将横幅片材832施加在薄膜822上。可以使用切割工具836将薄膜822切成片材838。片材838可以在层叠进行存储之前在凝固台820处凝固。
在某些实施例中，可以在将浸渍纤维层802施加到背衬层806之前采用树脂浸渍纤维层802。预浸渍纤维称为“预浸料坯”。图9示意性示出可以用于制备预浸料坯的一个示例性实施例。将纤维层802从辊804中拉出并使其经过容纳有树脂810的浴槽906。纤维层802可以经过多个辊908以促使树脂浸渍纤维层802的纤维之间的间隙。然后可以将所得的预浸料坯910从浴槽中拉出并如上所述施加到背衬层806上。可以使用真空和/或超声波能进一步从树脂810中去除气泡。
纤维增强薄膜可以在凝固之前或在凝固的同时成型或成形。例如，可以成型薄膜以提供结构化表面，其示例性实施例如图6和图7A至图7D所示。图10示意性示出用于成型薄膜的系统1000的一个实施例。通过引导辊1006将薄膜1002引导至成型辊1004，并通过可选的加压辊1008将薄膜压在成型辊1004上。成型辊1004具有压印到薄膜1002中的成形表面1005。可以调节成型辊1004与加压辊1008之间的间隙以设定距离，该距离控制成形表面1005穿入薄膜1002的深度。
在某些实施例中，薄膜1002可以在仍然与成型辊1004接触时凝固，或者至少部分地凝固。在可固化聚合物的情况下，可以例如通过采用UV光照射或者来自能量源1010的热量使基体固化。在其它实施例中，成型辊1004工作于更高的温度：薄膜1002因为与被加热辊1004紧密接触而被传导加热，并且通过加热固化。在其它示例性实施例中，基体例如与热塑性聚合物一样可以通过冷却而凝固。在这种情况下，辊1004可以保持在相对较低的温度，从而使得薄膜或树脂1002在与辊1004接触时冷却。
成型薄膜1012可以存储在另一个辊上，或者被切割成片材用于存储。可选地，成型薄膜1012可以例如通过增加一个或多个层进行进一步处理。
可以通过注射成型制造热塑性基复合材料。在该方法的一个具体实施例中，将含有1至3mm长纤维的球均匀地分散在供料树脂中并且供给到注射成型机。将熔融聚合物/纤维混合物注射到分离式模具的模腔中，并使其凝固或固化，从模具中取出最终复合材料。用于制造复合材料的三种常用的热塑性树脂基体聚合物是聚丙烯、尼龙和聚碳酸酯。在D.Hull，Cambridge University Press，1990的“An introduction to Composite Materials”中描述了注射成型热塑性树脂/纤维混合物以制造复合材料的内容。
拉挤法是制造复合材料，特别是基于热固性基体树脂的复合材料的另一种方法。在拉挤法中，采用液态基体树脂浸渍纤维增强件，然后通过受热模具拉拔纤维增强件，该受热模具减少过量树脂，确定成品复合材料的横截面形状并导致树脂基体固化。还可以使用其它方法变型，诸如直接在拉挤模中将树脂注射到增强件中，而不是在受热模具之前利用树脂浴槽进行浸渍。在R.G.Weatherhead，AppliedScience Publishers，1980的“FRP Technology Fiber Reinforced ResinSystem”中进一步描述了拉挤法。
下面说明本发明的选择实施例。这些实例并非意图进行限制，而是仅仅举例说明本发明的某些方面。表I列出在实例1至15中使用的不同无机纤维样品的相关信息概要。
表I实例中使用的各种纤维材料的总表
  材料ID 制造商 产品号 纤维纱描述 重量(gm-2) 折射率
A  BGF Industries，Inc. 106 ECD9001/0 24.5 1.548
B  HexcelReinforcements 106 ECD9001/0 24.4 1.549
C  HexcelReinforcements 6060 ECDE6001/0 39.9 1.552
D  HexcelReinforcements 1620 ECG1501/0 53.6 1.552
E  HexcelReinforcements 1610 ECG1501/0 77.0 1.554
  F  3M Company   Nextel 312 2″带     1.568
材料A-E是机织玻璃纤维，材料F是机织陶瓷纤维。可以从制造商的宣传材料中获得纤维纱说明及重量。BGF Industries，Inc.位于Greensboro，NC，Hexcel Reinforcements Corp.位于Anderson，SC，3MCompany位于St.Paul，MN。每种纤维材料与覆盖纤维的胶料一起从销售商处获得。胶料是位于纤维上的层，经常由淀粉、润滑剂或诸如聚乙烯醇等水溶性聚合物形成，用于方便纤维的处理或机织。在下述实例中，在将纤维嵌入聚合物基体中之前，胶料留在纤维上。因此，在不采用偶联剂在纤维与聚合物基体之间进行偶联的情况下，使纤维包含在复合材料样品中。
采用带有20×/0.50物镜的Transmitted Single Polarized Light(TSP)以及带有20×/0.50物镜的Transmitted Phase Contrast Zernike(PCZ)测量表I中列出的纤维样品的折射率(RI)。通过利用刀片切割纤维的多个部分来制备用于测量折射率的纤维样品。将纤维置于载玻片上的各种RI油中，并采用玻璃盖片覆盖。利用Zeiss Axioplan(Carl Zeiss，Germany)分析样品。在由Milton Roy Inc.，Rochester，New York制造的ABBE-3L Refractometer上进行RI油的校准，并相应调节值。使用伴随相衬的Becke Line方法确定样品的RI。nD值的名义RI结果(在钠D线的波长，即589nm下的折射率)对于每个样品来说具有±0.002的精度。
在表II中列出在各实例中使用的各种树脂的信息概要。
表II树脂组分
  组分ID     制造商   树脂组分   折射率
    G   Cytec Surface Specialties   Ebecryl600   1.5553
    H   Sartomer Company，Inc.   CN 963 A 80   1.4818
    I   Sartomer Company，Inc.   CN120   1.5556
    J   Cytec Surface Specialties   RDX51027   约1.60
    K   Sartomer Company，Inc.   SR601   1.5340
    L   Sartomer Company，Inc.   SR349   1.5425
    M   Sartomer Company，Inc.   SR351   1.4723
N   Ciba Specialty ChemicalsCorp. Darocurl173 1.5286
除了Darocurl173(光引发剂)之外，表II中的所有组分都是在固化时发生交联的光聚合树脂。CN963A80是与二缩三丙二醇二丙烯酸酯共混的聚氨酯丙烯酸酯低聚物。CN120是环氧丙烯酸酯低聚物。Ebecryl600是双酚A环氧二丙烯酸酯低聚物。SR601和SR349是乙氧基化双酚A二丙烯酸酯。SR351是三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，SR306是二缩三丙二醇二丙烯酸酯。RDX51027是低聚溴化环氧丙烯酸酯。
Cytec Surface Specialties位于Brussels，Belgium，Sartomer Company，Inc.位于Exton，PA，Ciba Specialty Chemicals Corp.位于Tarrytown，NY。Sartomer材料的折射率从制造商的宣传材料获得。其它材料的折射率在20℃温度下利用ABBE Mark II Digital Refractometer(589.3nm波长)进行测量。RDX51027在20℃温度下是固态的，因此采用其它公知组分的折射率从测量的树脂组合物进行反算来估算其折射率。
实例1
利用如下组分形成树脂组合物1：74.20％wt.(重量百分比)的组分H、24.82％wt.的组分M以及0.986％wt.的组分N。树脂组合物1的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下在ABBE Mark IIDigital Refractometer上测量为1.4824。树脂组合物1固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下在Metricon Model 2010 Prism Coupler上测量为1.5019。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0461。
通过如下方式制备实例1的复合材料，即：取尺寸大约为75mm×75mm的一片材料A并将其放在100μm(4mil)厚的聚酯片上，该聚酯片位于4.7mm(3/16″)厚的浮法玻璃片上。在微波炉中将树脂组合物1加热到大约70℃。将大约1.8g温热树脂放在玻璃纤维片的中央，将第二个100μm厚的聚酯片放在上面，然后将第二个4.7mm厚的浮法玻璃片放在第二个聚酯片的上面。将该玻璃、聚酯、树脂和纤维的组合物称为树脂夹层构造。
将该树脂夹层构造放在温度为89℃并且压力为699mmHg的真空烤箱中保持8分钟，以从树脂和玻璃纤维中除去气体以便减少固化复合材料前的气泡量。
在从真空烤箱中取出树脂夹层构造之后，将两个200μm(0.008″)测隙规放在树脂夹层构造两个相对端的两个聚酯薄膜片之间，在每一端利用两个包装夹将树脂夹层构造夹在一起并测量树脂夹层构造的厚度。然后通过将树脂夹层构造置于在Fusion F600D灯下以大约9.1米(30英尺)/分钟的速度前进的移动带上使其固化，该灯带有分色反射镜并且功率设定为100％。采用来自EIT(Sterling，VA)的PowerMAP测量所得到的能量密度，测得的能量密度列在表III中。在相同的条件下进行三次单独的测量，并获得平均能量密度。
表III在9.1米/分钟的速度下采用带有分色反射镜并且功率为100％的F600D灯测量的能量密度
 波长范围 平均能量密度(mJ cm-2)
 UVA  1581
 UVB  433
 UVC  34
 UVV  953
从玻璃和聚酯薄膜中取出得到的固化复合材料。在表IV中列出测得的复合材料1的光学特性。
实例2
利用如下组分形成树脂组合物2：30.01％wt.的组分H、54.92％wt.的组分G、14.06％wt.的组分L以及1.01％wt.的组分N。树脂组合物2的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下在ABBE MarkII Digital Refractometer上测量为1.5336。树脂组合物2固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下在Metricon Model 2010 Prism Coupler上测量为1.5451。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0029。
利用与实例1(材料A)相同的玻璃纤维和树脂组合物2制备实例2的复合材料。该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料2的光学特性。
实例3
利用如下组分形成树脂组合物3：29.79％wt.的组分H、48.85％wt.的组分G、5.07％wt.的组分K、15.25％wt.的组分L以及1.04％wt.的组分N。树脂组合物3的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5315。树脂组合物3固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5451。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0029。
利用与实例1(材料A)相同的玻璃纤维和树脂组合物3制备实例3的复合材料。除了在真空烤箱中的时间为19分钟而非8分钟之外，该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料3的光学特性。
实例4
利用如下组分形成树脂组合物4：74.17％wt.的组分H、24.83％wt.的组分L以及1.00％wt.的组分N。树脂组合物4的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.4998。树脂组合物4固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5140。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.054。
通过如下方式制备实例4的复合材料，即：取尺寸大约为50mm×63mm的一片Nextel312陶瓷2英寸带(材料F)并将其放在100μm厚的聚酯片上，该聚酯片由4.7mm厚的浮法玻璃片支承。在微波炉中将树脂组合物4加热到大约70℃。将大约2.9g温热树脂放在陶瓷纤维片的中央，将第二个100μm厚的聚酯片放在上面，然后将第二个4.7mm厚的浮法玻璃片放在第二个聚酯片的上面。将该玻璃、聚酯、树脂和Nextel带的组合物称为树脂夹层构造。
将该树脂夹层构造放在温度为60℃并且压力为699mmHg的真空烤箱中保持10分钟，以从树脂和玻璃纤维中除去气体以便减少固化复合材料前的气泡量。不使用测隙规或包装夹将树脂夹层构造夹在一起。然后如实例1所述固化该树脂夹层构造。
从玻璃和聚酯薄膜中取出得到的固化复合材料。在表IV中列出测得的复合材料4的光学特性。
实例5
利用如下组分形成树脂组合物5：74.25％wt.的组分K、24.74％wt.的组分I以及1.02％wt.的组分N。树脂组合物5的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5420。树脂组合物5固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5597。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0083。
利用Nextel312陶瓷2英寸带(材料F)和树脂组合物5制备实例5的复合材料。除了树脂的使用量为3.0g并且在真空烤箱中的时间为8分钟之外，该复合材料的制备采用与实例4中所述相同的程序和条件。在表IV和V中列出测得的复合材料5的光学和机械特性。
实例6
利用如下组分形成树脂组合物6：49.46％wt.的组分J、49.56％wt.的组分L以及0.99％wt.的组分N。树脂组合物6的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5682。树脂组合物6固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5821。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0141。
利用Nextel312陶瓷2英寸带(材料F)和树脂组合物6制备实例6的复合材料。除了树脂的使用量为3.0g、真空烤箱的温度为89℃并且在真空烤箱中的时间为8分钟之外，该复合材料的制备采用与实例4中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料6的光学特性。
实例7
利用如下组分形成树脂组合物7：39.59％wt.的组分J、59.41％wt.的组分L以及0.99％wt.的组分N。树脂组合物7的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5574。树脂组合物7固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5766。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.086。
利用Nextel312陶瓷2英寸带(材料ID F)和树脂组合物7制备实例7的复合材料。除了树脂的使用量为2.96g并且真空烤箱的温度为70℃之外，该复合材料的制备采用与实例4中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料7的光学特性。
实例8
用于实例8的树脂组合物与上述实例1相同。利用材料B和树脂组合物1制备复合材料。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0471。
除了树脂的使用量为1.7g并且在将树脂夹层构造分离之前使其冷却之外，该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料8的光学特性。
实例9
用于实例9的树脂组合物与上述实例3相同。利用材料B纤维和树脂组合物3制备复合材料。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0039。
除了树脂的使用量为1.9g之外，该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料9的光学特性。
实例10
利用如下组分形成树脂组合物10：31.07％wt.的组分H、50.66％wt.的组分G、2.63％wt.的组分K、14.64％wt.的组分L以及1.00％wt.的组分N。树脂组合物10的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5299。树脂组合物10固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5444。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0046。
利用与实例8(材料B)相同的纤维和树脂组合物10制备实例10的复合材料。该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV和V中列出测得的复合材料10的光学和机械特性。
实例11
利用如下组分形成树脂组合物11：18.05％wt.的组分H、35.93％wt.的组分G、22.06％wt.的组分K、22.96％wt.的组分L以及1.00％wt.的组分N。树脂组合物11的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5371。树脂组合物11固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5519。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0001。
利用材料D和树脂组合物11制备实例11的复合材料。该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV和V中列出测得的复合材料11的光学和机械特性。
实例12
用于实例12的树脂组合物与上述实例11相同。利用材料E和树脂组合物11制备复合材料。除了树脂的使用量为1.9g之外，该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0021。在表IV中列出测得的复合材料12的光学特性。
实例13
用于实例13的树脂组合物与上述实例11相同。利用材料C和树脂组合物11制备复合材料。该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0001。在表IV和V中列出测得的复合材料13的光学和机械特性。
实例14
利用如下组分形成树脂组合物14：17.03％wt.的组分H、41.98％wt.的组分G、39.99％wt.的组分K以及1.00％wt.的组分N。树脂组合物14的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5359。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0004。树脂组合物14固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5516。
利用材料C和树脂组合物14制备实例14的复合材料。除了在将树脂夹层构造分离之前使其冷却之外，该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料14的光学特性。
实例15
利用如下组分形成树脂组合物15：21.48％wt.的组分H、44.67％wt.的组分G、22.26％wt.的组分K、10.57％wt.的组分L以及1.00％wt.的组分N。树脂组合物15的折射率(固化前)在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5356。树脂组合物15固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5505。固化的聚合物与嵌入的纤维的折射率之间的差值Δn为0.0015。
利用材料C和树脂组合物15制备实例15的复合材料。该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在表IV中列出测得的复合材料15的光学特性。
实例16至21涉及不包括纤维增强件的固化聚合物样品。
实例16
在实例14所述的复合材料14中，在固化之前存在延伸超出纤维增强件边缘的过量树脂区域。在固化后该区域凝固为自立式薄膜。将这一部分没有纤维增强件的组合物14作为实例16进行分析。实例16的所有相关样品制备信息如实例14中所述。在表IV中列出测得的实例16的树脂的光学特性。
实例17
利用如下组分形成实例17的树脂组合物：30.08％wt.的组分H、54.83％wt.的组分G、14.08％wt.的组分K以及1.00％wt.的组分N。树脂组合物固化前的折射率在20℃温度和589.3nm波长下测量为1.5323。树脂固化后的折射率(没有纤维)在632.8nm波长下测量为1.5452。
利用与实例8(材料B)相同的玻璃纤维和具有比较例2所列组合物的树脂制备实例17的复合材料。该复合材料的制备采用与实例1中所述相同的程序和条件。在样品固化之后在玻璃纤维增强件之外存在过量树脂区域。通过分析延伸超出玻璃纤维增强件的凝固树脂来获得实例17的数据。在表IV中列出测得的实例17的树脂的光学特性。
实例18
在实例2的复合材料中，在制备样品时存在过量树脂，通过分析其一部分来获得实例18的数据。在实例2中树脂固化之前，过量树脂延伸超出纤维增强件的边缘，从而形成只有树脂没有纤维增强件的区域。在固化后该区域凝固为自立式薄膜。将这一部分不含有纤维增强件的凝固树脂进行分析以获得实例18的数据。这样，实例18的所有样品制备信息如实例2中所述。在表IV中列出测得的实例18的树脂的光学特性。
实例19
通过如下方式制备实例19的固化树脂样品：在微波炉中将树脂(为与实例10所列相同的组合物)加热至大约60℃，并把大约1至2g树脂倒在100μm厚的聚酯片上，该聚酯片位于6mm(1/4″)厚的金属板上。将两个各自大约0.43mm厚的隔片放在树脂的两侧并间隔大约50至75mm(2″至3″)，从而使得树脂在变平之后不会接触隔片。将第二片100μm厚的聚酯片放在树脂和隔片上面。通过手动操作的层压机操作带有位于两个聚酯薄膜片之间的树脂和隔片的金属板，以将树脂压平。金属板、聚酯和树脂的组合物称为变型树脂夹层构造。然后通过与实例1相同的方法使变型树脂夹层构造固化。在表IV和V中列出测得的实例19的树脂的光学和机械特性。
实例20
除了树脂为与实例11所列相同的组合物之外，利用与实例19的固化树脂样品相同的方式制备实例20的固化树脂样品。在表IV和V中列出测得的实例20的树脂的光学和机械特性。
实例21
通过如下方式制备实例21的固化树脂样品：在微波炉中将实例5的树脂加热至大约50℃，并把大约1至2g的树脂倒在100μm厚的聚酯片上，该聚酯片位于4.7mm(3/16″)厚的浮法玻璃上。将两个各自大约0.43mm厚的隔片放在树脂的两侧并间隔大约50至75mm(2″至3″)，从而使得树脂在变平之后不会接触隔片。将第二片100μm厚的聚酯片放在上面，然后将第二个4.7mm(3/16″)厚的浮法玻璃片放在第二个聚酯片的上面。在设置两个隔片的区域轻轻挤压两个玻璃片，以产生需要的树脂厚度。玻璃、聚酯和树脂的组合物称为树脂夹层构造。然后通过与实例1相同的方法使树脂夹层构造固化。在表IV和V中列出测得的实例21的树脂的光学和机械特性。
测试不同实例复合材料的光学透射性、反射性、雾度和颜色。利用由BYK Gardner，Silver Spring，Maryland供应的商品目录号为4723的BYK Gardner Haze-Gard Plus仪器测量雾度(H)和透明度(C)。根据标题为“Standard Test Method for Haze and LuminousTransmittance for Transparent Plastics”的ASTM-D1003-00采集透射率和雾度水平。在测量过程中相对于空气校准仪器。透光率(T)测量结果表示为透射百分比。雾度是试样对光的散射，当透过试样观察物体时，雾度导致物体的对比度减小。雾度H表示为透射光中被散射成其方向偏离入射光束方向的角度超出指定角度的部分所占百分比。在该测试方法中，指定角度是2.5°。透明度C表示为透射光中被散射成其方向偏离角度小于2.5°的部分所占百分比。
利用BYK Gardner Colorsphere(商品目录号为6465)测量1976CIE L*a*b色空间中的颜色。测试程序与ASTM E1164：ObtainingSpectrometric Data for Object-Color Evaluation中所述相似。校准仪器以计算样品相对于空气的色移。
利用安装有PELA-1000积分球附件的Perkin-Elmer Lambda 900Spectrophotometer(型号：BV900ND0)在400至700nm范围内测量透光率(％T)和反射率(％R)。该球的直径为150mm(6英寸)并且符合“ASTM Standards on Color and Appearance Measurement”，Third Edition，ASTM，1991中公开的ASTM方法E903、D1003、E308等。在测量过程中相对于空气校准仪器。分光光度计的扫描速度为大约1250nm/分钟，UV-可见光积分时间为120ms/pt。数据间隔和分辨率为5nm。透光率和反射率数据表示为550nm下测量的百分比。
在四个不同点处测量每个样品的厚度。标为(t)的列中的数据表示以微米为单位的测量厚度。
表IV实例1至15的复合材料的光学特性总表
         BYKHaze-Gard BYK ColorSphere Lambda 900
实例 t(μm) H C L* a* b*    ％T@550nm     ％R@550nm
    1     70-103   48.6   82.7   96.42   0.11   0.47   92.22     7.80
    2     122-148   2.2   99.1   96.37   -0.08   0.58   91.04     8.51
    3     85-113   2.9   98.2   96.38   -0.04   0.43   91.09     8.57
    4     444-480   96.3   30.8   87.41   0.53   4.63   71.74     25.36
    5     413-451   72.3   40.7   85.05   0.37   5.00   67.10     28.66
    6     470-538   73.4   42.9   85.18   0.20   5.92   68.32     27.12
    7     409-447   66.9   45.9   84.94   0.23   5.37   66.61     28.67
    8     56-137   52.0   81.2   96.03   0.20   0.56   92.20     7.73
    9     103-167   2.6   99.1   96.34   -0.07   0.47   91.05     8.42
    10     112-171   2.5   99.0   96.36   -0.09   0.51   91.20     8.30
    11     137-175   4.2   96.2   95.94   -0.07   0.83   89.78     9.30
    12     144-149   16.5   90.0   94.86   -0.05   0.92   87.80     11.07
    13     87-126   5.6   98.0   95.94   -0.01   0.71   90.25     n/a
    14     90-123   3.7   98.4   96.18   -0.04   0.62   90.32     8.87
    15     110-128   5.5   98.3   96.13   -0,04   0.60   90.25     8.89
    16     54-63   0.3   99.7   96.57   -0.02   0.26   90.90     8.69
    17     119-154   0.5   99.7   96.53   0   0.31   91.14     8.69
    18     90-125   0.4   100   96.69   0.05   0.42   91.10     8.51
    19     132-169   0.3   99.7   96.62   -0.04   0.41   91.05     8.56
    20     111-129   0.3   99.7   96.55   -0.01   0.31   90.73     8.74
    21     419-426   0.5   99.7   96.43   -0.04   0.55   90.90     8.79
在多个实例中可以获得良好的折射率匹配，其中实例2、3和9至15中的折射率差值小于0.005，实例11和13的折射率差值小于约0.0002。实例2、3、9和10具有小于3％的雾度值并且具有较高的透光率。这些薄膜对于肉眼是非常透明的。
对于使用陶瓷纤维的实例4至7，基体和纤维的最小折射率差值至少为0.008，其中纤维为致密织物的形式。织物的致密性使得难以确保在固化前从聚合物/纤维界面上去除全部气泡。结果，这些样品的雾度值相对较高。通过在凝固之前从纤维和树脂中更好地消除气泡并通过获得折射率更加匹配的基体，可以获得更低的雾度值。
还测量了一些样品的机械特性。测量包括热膨胀系数(CTE)和储能模量。表V中列出这些测量结果。利用Perkin ElmerThermomechanical Analyzer，TMA-7以薄膜拉伸几何形态测量CTE。在膨胀模式中，在20℃至150℃的范围内以10℃/分钟的温度变化进行温度扫描实验。表V中列出的CTE是在70℃至120℃的范围内的CTE，已发现，在任何情况下，CTE在该温度范围内都是基本线性的。表中列出的CTE表示为百万分之一每摄氏度(ppm/℃)，并且对样品的第二个加热循环进行测量。对于含有纤维的样品，CTE表示为x/y的形式。纤维以织物的形似存在于样品中，其中纤维沿(任意指定的)x和y方向。列出的CTE是x和y方向上的膨胀系数。x和y方向上的纤维密度在实例5中是不相当的，这导致x和y方向上CTE值存在显著差别。在实例10、11和13中，纤维是在x和y方向上的纤维密度大致相似的织物的形式。在实例19至21中不存在纤维，因此对于这些实例只列出一个CTE。
利用TA Instruments Q800系列Dynamic Mechanical Analyzer(DMA)采用薄膜拉伸几何形态测量薄膜样品的储能(弹性)模量。在动态应变模式中，在-40℃至200℃的范围内以2℃/分钟的温度变化进行温度扫描实验。储能模量和正切值(损耗因子)为温度的函数。表V中列出三个不同温度即24℃、66℃和100℃下的储能模量。正切值曲线的峰值用于识别薄膜的玻璃态转变温度Tg。对于实例10和21，在各个样品的第二个加热循环中测量Tg值。
表V实例薄膜的机械特性
实例号   CTE(x/y)(ppm/℃)     储能模量(24℃)(GPa)     储能模量(66℃)(GPa)     储能模量(100℃)(GPa) Tg(℃)
    5   22.4/16.1     14.46     11.31     5.69     92
    10   27.5/28.0     5.37     2.82     1.41     82
    11   24.0/24.1     -     -     -     -
    13   25.3/24.1     -     -     -     -
    19   174.6     5.32     0.606     0.034     82
    20   159.7     2.76     0.668     0.040     83
    21   197.3     2.34     0.187     0.040     74
不管纤维是玻璃纤维还是陶瓷纤维，纤维增强的实例的CTE都显著地小于未增强的实例。另外，纤维增强的实例的储能模量显著地高于未增强的实例，特别是在66℃的升高温度下，该温度在几种不同类型的显示应用的预期工作范围内。纤维增强复合薄膜样品的储能模量较高被认为会减小薄膜在升高的工作温度下的翘曲量或松弛量，提高薄膜的刚硬度并且导致使用更稳定更长久。
在某些实施例中，需要Tg值小于135℃，并且可能小于100℃。使用Tg值处于这些范围内的聚合物可以使对于能够使用的材料具有更宽的选择，并且与使用Tg值更高的材料的情况相比，可以使材料成本更低并且更易于加工。要注意到，实例5和10的Tg值分别为92℃和82℃。
不应该认为本发明限于上述具体实例，而是应该认识到，本发明涵盖由所附权利要求书中明确提出的本发明的所有方面。本发明所属技术领域的技术人员在阅读本说明书之后可以容易地想到可以对本发明进行的各种变型、等同方法以及多种结构。权利要求书旨在包括这些变型和设计。

Claims (17)

1.一种制造光学薄膜的方法，包括：
把多根无机纤维布置成无机纤维连续层；
将无机纤维连续层嵌入聚合物树脂中；以及
使所述聚合物树脂凝固以产生聚合物与无机纤维的复合层，所述聚合物树脂的折射率与所述无机纤维的折射率大致匹配。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述提供多根无机纤维的步骤包括：提供包括无机纤维的纤维束和织物中之一。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
纤维束和织物中之一还包括有机纤维。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
纤维束和织物中之一还包括聚合物纤维和天然有机纤维中至少一者。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述有机纤维包括双折射有机材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述嵌入无机纤维的步骤包括：使所述无机纤维通过容纳有所述树脂的浴槽。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述嵌入无机纤维的步骤包括：将所述树脂铺在背衬层上，并将所述无机纤维压在铺于所述背衬层上的所述树脂上。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述嵌入无机纤维的步骤包括：将所述无机纤维置于背衬层上，并将所述树脂铺在所述背衬层上的所述无机纤维上面。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
通过使所述聚合物树脂的表面与结构成形工具接触，在所述聚合物树脂的表面上形成结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述聚合物树脂的表面上的结构向通过所述光学体的光提供屈光力。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述聚合物树脂的表面上的结构包括多个棱柱形肋。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述无机纤维包括至少玻璃纤维。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述无机纤维包括至少陶瓷纤维和玻璃陶瓷纤维中之一。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括：
为所述聚合物树脂提供添加剂，以使所述聚合物树脂的折射率与所述无机纤维的折射率相匹配。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述使聚合物树脂凝固的步骤包括：使所述聚合物树脂冷却。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述使聚合物树脂凝固的步骤包括：使所述聚合物树脂固化。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述聚合物树脂包括UV固化的丙烯酸酯。
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