CN101351732B - 包括双折射聚合物层的增亮光学膜复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学膜复合材料，包括：线性反射偏振膜；具有双折射性的第一聚合物基底层，其布置在所述反射偏振膜上；以及第二聚合物基底层，其布置在所述反射偏振膜之下，其中所述第一聚合物基底层的光轴相对于所述反射偏振膜的透光轴定向，使得所述光轴与所述透光轴之间具有0°至25°的角度差。所述光学膜复合材料可用于液晶显示器以改善光学性能。

Description

包括双折射聚合物层的增亮光学膜复合材料
本发明涉及增亮光学膜复合材料，更准确地说，涉及具有改善的光学特性的增亮光学膜复合材料。
背景技术
本文所公开的光学膜复合材料可用作能获得亮度增强和光扩散功能的器件，尤其是用于液晶显示器(LCD)装置中。一般来讲，液晶显示器通过控制来自背光源模组的光的透射比、并使用多个按矩阵方式布置的液晶单元和多个用于对提供给每个液晶单元的视频信号进行转换的控制开关，而在液晶显示器屏幕上显示所需图像。
根据其光源相对于液晶面板的方位，背光源模组分为侧边式和直下式两类。在侧边式中，因为灯布置在侧面，因此必须要有光导板(其将灯的线性光转换为平面光)。但在直下式中，由于灯布置在液晶面板表面的下方，因此不需要光导板。由于直下式背光源具有更高的光学效率、更简单的结构并且对显示面大小没有限制，因此直下式背光源更广泛地应用于大尺寸液晶显示器，例如电视机中。
发明内容
本发明提供了光学膜复合材料，其包括线性反射偏振膜、布置在所述反射偏振膜之上的具有双折射性的第一双折射聚合物基底层以及布置在所述反射偏振膜之下的第二聚合物基底层。所述第一聚合物基底层的光轴相对于所述反射偏振膜的透光轴定向，使得所述光轴与所述透光轴之间具有0°至25°的角度差。所述光学膜复合材料可并入液晶显示器中。在一些实施例中，至少所述第一聚合物基底层可被赋予光扩散特性。在一些实施例中，至少所述第一聚合物基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
附图说明
图1为示出电视机液晶显示装置通用结构的透视图。
图2为常规光学膜复合材料的示意图，该复合材料之上和之下设置有聚碳酸酯(PC)层。
图3A为示出本发明的一个实施例的示意图，其中具有双折射性的聚合物基底层布置在反射偏振膜之上和之下。
图3B为示出本发明的一个实施例的示意图，其中使用包含微珠的光学粘合剂将多个层层合。
图4为曲线图，其示出在将基于双折射聚合物的扩散体分别布置在反射偏振膜之上和之下的两种测试设置中，当各自旋转上扩散体双折射聚合物层的光轴和下扩散体双折射聚合物层的光轴时，所获得的光增益的变化。
图5A为示出本发明的一个实施例的示意图，其中扩散片布置在反射偏振膜之上。
图5B为示出本发明的一个实施例的示意图，其中使用包含微珠的光学粘合剂将多个层层合，并且该实施例配备了扩散片。
图6为曲线图，其示出在数种光学膜复合材料中，光增益随着光轴的旋转和布置在上方的聚合物基底层的雾度的不同而发生的变化。
图7a和图7b为示意性地示出电视机液晶显示装置的一部分的视图，同时，将使用常规反射偏振膜复合材料的情况和使用本发明的反射偏振膜复合材料的情况进行对比。
具体实施方式
参见图1，其示出电视机液晶显示装置通用结构的一个实施例，常规背光源模组111包括：多个灯104，其布置在下侧；反射板105，其能够反射光并将光线重定向为朝向液晶面板；扩散板103；以及至少一片扩散体102，其用于均匀地分布光线。一般来讲，通过在扩散板材料中复合微珠或其它扩散结构，然后对其进行挤压来制备扩散板，而通过在聚合物膜上实施光扩散处理(例如微珠处理)来制备扩散体。
作为改善液晶显示器亮度的要素，可在扩散体102上复合反射偏振片，例如多层反射偏振膜。反射偏振膜选择性地反射具有特定偏振状态的光分量，反射光被设置在背光源模组后部的反射板重定向并被再循环利用，从而改善显示器的整体亮度。
在一些示例性实施例中，多层反射偏振膜可具有多层叠堆结构，其中交替堆叠至少两种材料，如在美国专利No.6,368,699中所公开的那样。由于在典型的实施例中，至少一种被堆叠的材料具有由拉伸应力引起双折射的性质，因此可通过采用适当的拉伸处理而致使各层之间具有不同的折射率，从而设计出能够作为偏振片工作的多层光学膜。本发明尤其优选的多层反射偏振膜在(例如)PCT专利申请公开No.WO 95/17303、WO95/17691、WO 95/17692、WO 95/17699、WO 96/19347和WO 99/36262中公开，这些专利文献均以引用方式并入本说明书。一种市售形式的多层反射偏振片是由3M公司(位于美国明尼苏达州圣保罗市)以反射式偏光增亮膜(DBEF)销售的产品。
当暴露在变化的温度中时，多层光学膜(例如上述多层反射偏振膜)有时可能会翘曲。PCT专利申请公开No.WO 2002/34541公开了通过在多层光学膜上设置尺寸稳定层来防止光学膜翘曲的工艺和材料。具体地讲，聚碳酸酯(PC)层已用作布置在多层光学膜之上和之下的合适的尺寸稳定层(见图2)。
然而，当将PC作为尺寸稳定层复合在多层反射偏振膜中时，针对PC的制造成本相对较高。这是液晶显示器的制造成本增加的原因之一。虽然曾尝试利用低成本的聚酯基聚合物作为尺寸稳定层，但迄今为止，这种反射偏振膜仍存在光学性能(例如亮度)劣化的问题。
本发明提供了线性反射偏振膜复合材料，与常规反射偏振膜复合材料相比，本发明的线性反射偏振膜复合材料的制造成本低，同时提供类似或改善的防翘曲特性和光学特性。
本发明还提供了这样的光学膜复合材料，与常规反射偏振膜复合材料相比，所述的光学膜复合材料可使显示器的总厚度减小(具体地讲是通过使背光源模组的厚度减小来实现的)，并且能始终保持更好的光学特性。可通过集成线性反射偏振膜的功能和扩散体的功能来实现这一点。
可通过将具有双折射性的聚酯基聚合物(而不是非双折射的聚碳酸酯(PC))布置在线性反射偏振膜上，并精确控制反射偏振膜的使光线从中透过的透光轴与布置在该膜上的双折射聚合物层的光轴之间的角度，来获得本发明公开的特征。双折射聚合物层可以是经过处理而具有光扩散功能的层。
本说明书中所用术语应解释为如下含义：
术语“布置”并不一定意味着使用粘合剂或其它材料将各层粘附在一起。术语“布置”的含义应解释为涵盖“层合”(即，使用粘合剂材料将各层粘附在一起)和“堆叠”(即，只是堆叠各层，而不使用粘合剂材料)。
短语“布置在……之上(或之下)”并不一定意味着将各层设置为彼此紧邻。“之上(或之下)”仅仅解释为表示两层间的相对位置，因此，可在这两层之间插入另一层(例如粘合剂)。
“经过处理而具有光扩散功能”的膜包括经过雾度处理的膜和扩散体，并且包括“经过粗糙处理”的膜(表面被制成轻微粗糙)、具有粗糙表面的膜、“经过微珠处理”的膜(使由聚合物或玻璃制成的微珠固定以形成光扩散层)以及使用其它常规的使光扩散的方法处理过的膜。
“具有扩散体功能”的膜可以是通过使用用于制造液晶显示器中的扩散体的任何方法(例如微珠处理)来处理以便具有光扩散功能的膜。
除非另外说明，否则“反射偏振膜”是指线性反射偏振膜。
可通过以下方法获得本发明的一个实施例：将具有双折射性的第一聚合物基底层布置在线性反射偏振膜之上，将第二聚合物基底层布置在该反射偏振膜之下，然后使第一聚合物基底层的光轴相对于反射偏振膜的透光轴定向，使得所述光轴与所述透光轴之间具有0°至25°(优选0°至15°)的角度差。
图3A是表示本发明的光学膜复合材料的一个实施例的示意图。参见图3A，第一聚合物基底层301布置在反射偏振膜302之上，而第二聚合物基底层303布置在反射偏振膜之下。
反射偏振膜302包括多层光学膜，该多层光学膜包括在宽的带宽范围内具有高反射率的多层膜(其含有光学层，这些层中的全部或一些为双折射的，或者这些层中的全部或一些为各向同性的)以及连续相/分散相光学膜。多层反射光学膜和连续相/分散相反射光学膜均依靠至少两种不同材料(优选地是聚合物)之间的折射率差异来选择性地反射至少一个偏振方向上的光。特别适合用于本发明复合材料的光学膜包括在(例如)PCT专利申请公开No.WO 95/17303、WO 95/17691、WO 95/17692、WO 95/17699、WO 96/19347和WO 99/36262中所述的多层反射膜，这些专利文献均以引用方式并入本文。优选地，膜是具有很大或不具有布鲁斯特角(该角处的p偏振光的反射率趋于0)的多层聚合物层叠堆。膜被制成如下的多层反射镜或偏振片：其对p偏振光的反射率随入射角远离法线而缓慢减小、与入射角无关或随入射角远离法线而增大。该多层光学膜针对任何入射方向都具有高反射率(对s偏振光和p偏振光均如此)。一种市售形式的多层反射偏振片是由3M公司(位于美国明尼苏达州圣保罗市)以反射式偏光增亮膜(DBEF)销售的产品。在本文中，多层反射光学膜用于作为实例示出本发明光学膜复合材料的结构。
优选地，具有双折射性的第一聚合物基底层301是聚酯基聚合物(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)，并且通常使用双轴拉伸法来制备这类聚酯基聚合物层。第一聚合物基底层的双折射是由于第一聚合物基底层平面内两个互相垂直的轴线之间存在折射率差异而造成的。具有最高折射率的轴线与具有最低折射率的轴线之间的折射率差值为至少0.05。聚合物基底层的光轴是指与偏振膜302的折射率的差值最小的轴线，并且通常对应于聚合物基底层中具有最高折射率的轴线。
第一聚合物基底层可以以与PC层一致的厚度布置在反射偏振膜302之上，其中PC层为通常布置在膜之上的尺寸稳定层。此时，可以使用粗糙处理或其它已知方法对第一聚合物基底层赋予雾度。赋予雾度时，优选地是赋予至少20％的雾度。此外，参见图3B，可以使用光学粘合剂304将第一聚合物基底层层合在反射偏振膜之上。主要使用丙烯酸酯基粘合剂，例如光学粘合剂，并且可以将由玻璃、聚合物等制成的微珠添加到所述光学粘合剂中。
第二基底层303可以是任何能够防止反射偏振膜翘曲的聚合物，优选地是聚酯基聚合物。在这种情况下，第二聚合物基底层可以具有或不具有通过粗糙处理或其它已知方法得到的雾度，并且如果其具有雾度，优选地雾度为至少约20％。此外，可以使用光学粘合剂305将第二聚合物基底层层合到反射偏振膜上，并且粘合剂可以包含或不包含微珠。
与其中使用了非双折射聚合物的光学膜复合材料相比，当把聚酯基聚合物层合到反射偏振膜之上或之下时，由所得的光学膜复合材料透射的偏振光的光增益可能会减小。尤其当布置在复合膜上侧的聚酯基聚合物层的光轴以与反射偏振膜的偏振轴不重合的方式取向时，会出现这种情况。因此，以适当的角度布置反射偏振膜的偏振轴和聚酯基聚合物的(即具有双折射性的第一聚合物基底层)光轴十分重要。
图4为曲线图，其示出当把聚对苯二甲酸乙二醇酯布置在反射偏振膜之上和之下时的增益，该增益是聚对苯二甲酸乙二醇酯基扩散体的光轴与反射偏振膜的偏振轴之间的旋转角的函数。提供了将聚对苯二甲酸乙二醇酯基扩散体布置在反射偏振膜之上的测试设置和将聚对苯二甲酸乙二醇酯基扩散体布置在反射偏振膜之下的测试设置，并且偏振片以可透射某一种偏振分量的角度(0°)布置在每个反射偏振膜的最上部。在每种测试设置中，使用探测器测量由膜层透射的光的光强。结果在图4中示出。从图4的曲线图中可证实，布置在反射偏振膜之上的聚对苯二甲酸乙二醇酯基扩散体层的旋转比布置在该膜之下的该扩散体的旋转具有更显著的影响。也就是说，可以理解为，布置在反射偏振膜之上的双折射聚合物的布置方式比布置在膜下方的双折射聚合物的布置方式更重要。
就这一点而言，第一聚合物基底层的光轴与所述层之下的反射偏振膜的透光轴之间的角度差θ为0°至25°，优选地是0°至15°，更优选地是0°至5°，并且最优选地是0°。在这些角度范围内的多层光学膜复合材料在光增益方面，表现出优于现有光学膜复合材料的改善特性。
在另一方面，根据本发明的布置在反射偏振膜之上的第一聚合物基底层和在反射偏振膜之下的第二聚合物基底层可以用作尺寸稳定层，以防止反射偏振膜翘曲。下面的表1是反射偏振片之上和之下具有聚对苯二甲酸乙二醇酯的光学膜复合材料的翘曲测试(热冲击测试(-40℃，85℃))的结果。对于在与现有反射偏振膜(其上布置有经过雾度处理的PC层)类似的环境条件下进行的测试，以如下方式进行此测试：当使用透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯作为尺寸稳定层时，使用包含玻璃或聚合物微珠的光学粘合剂将膜层合，当使用经过粗糙处理的聚对苯二甲酸乙二醇酯时，使用普通光学粘合剂将膜层合。
表1
Figure S2006800501545D00071
从以上的测试结果可以证实，在使用聚对苯二甲酸乙二醇酯作为第一和第二聚合物基底层的情况下，也能获得与现有的使用PC的光学膜复合材料类似的防翘曲效果。
因此可以发现，可以以比现有技术更低的制造成本来制造本发明的光学膜复合材料(即，使用包括聚酯基聚合物在内的低成本的双折射聚合物作为第一聚合物基底层，并且精确控制该层的光轴)，同时可以保持或改善防翘曲性和光学性能特性。
本发明还涉及将具有双折射性和扩散体功能的第一聚合物基底层布置在线性反射偏振膜之上，将第二聚合物基底层布置在该反射偏振膜之下，然后将反射偏振膜的透光轴和第一聚合物基底层的光轴控制在恒定的角度内。
图5A是本发明的一个实施例的示意图，其中具有扩散体功能的聚合物层(扩散片)布置在反射偏振膜之上。参见图5A，提供了其上布置光扩散层501的第一聚合物基底层502。层501和层502共同构成起到扩散体功能的扩散片511。此扩散片511布置在反射偏振膜503之上，而第二基底层504布置在反射偏振膜503之下。
具有双折射性的第一聚合物基底层502优选地是聚酯基聚合物。具有双折射性的聚合物基底层可以以与PC层(通常用作尺寸稳定层)一致的厚度，或者以与布置在扩散体之下的聚合物层(作为基底层)一致的厚度布置在反射偏振膜503之上。具有双折射性的聚合物基底层起到基底层(其形成扩散片511)和防止反射偏振膜503翘曲的尺寸稳定层的作用。
为了制备扩散体，优选地是通过常规方法处理具有双折射性的聚合物基底层502，上述方法包括(例如)固定微珠(如玻璃或聚合物等微珠)的微珠处理法。作为一个具体实例，将包含微珠的光扩散层501布置在具有双折射性的聚合物基底层502之上。布置在第一聚合物基底层表面上的微珠具有颗粒的形状，并且被粘合剂粘附到第一聚合物基底层的表面上。微珠具有不同于空气的折射率。粘附到第一聚合物基底层的微珠的大小可以相同或不同。经由反射偏振膜穿过第一聚合物基底层的偏振光在微珠表面上或在微珠中发生扩散。作为另一个具体实例，光扩散层501可由微珠和粘结剂构成。粘结剂具有流动性和粘性，并且微珠混合在粘结剂中。为了进一步改善光扩散层501的光扩散特性，粘结剂的折射率可不同于微珠的折射率。由微珠和粘结剂构成的光扩散材料以薄膜的形式布置在第一聚合物基底层的表面上。以薄膜的形式布置在第一聚合物基底层上的光扩散层501中的微珠和粘结剂，使经由反射偏振膜穿过第一聚合物基底层的偏振光扩散。
第二聚合物基底层504可以是任何能够防止反射偏振膜翘曲的聚合物，优选地是聚酯基聚合物。第二聚合物基底层可以是经过处理或未经过处理而具有雾度(优选地是至少约20％)或光扩散功能的层。
参见示出本发明的一个实例的图5B，可使用光学粘合剂505、506将第一聚合物基底层和第二聚合物基底层层合到反射偏振膜上。光学粘合剂可以是丙烯酸酯基粘合剂，并且可以包含或不包含微珠(例如玻璃或聚合物)。
在一个实施例中，当把基于聚酯基聚合物的扩散片布置在反射偏振膜之上并且将聚酯基聚合物层布置在反射偏振膜之下时，在某些情况下，穿过光学膜复合材料的偏振光的光增益效果良好，但在大多数情况下，由于上文所述的原因，其光增益不如其上布置有非双折射性聚合物(例如PC)的光学膜复合材料的光增益。相应的是，本发明人已经发现可通过精确控制扩散片的偏振轴和反射偏振膜的透光轴来提高光增益，此外，使用适当的雾度处理也可促进提高光增益。
上述效果已由如下面的表3和图6所示的实验结果所证实。在测试时，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯作为具有双折射性的聚合物。分别在反射偏振膜上设置不具有雾度的聚对苯二甲酸乙二醇酯层(1号)和雾度分别为95.8％、62.5％、60.2％的聚对苯二甲酸乙二醇酯基扩散片1、2、3(2、3、4号)，然后在通过旋转上层来改变光轴时测量光增益的变化。将透光的聚对苯二甲酸乙二醇酯布置在反射偏振膜之下。以下总结了实验用光学膜复合材料的构成：
表2
  编号   下层+反射偏振膜+上层   上层的透射比   上层的雾度(％)
  1   聚对苯二甲酸乙二醇酯+反射偏振膜+聚对苯二甲酸乙二醇酯   95.3 -
  2   聚对苯二甲酸乙二醇酯+反射偏振膜+扩散片1   99.7   95.8
  3   聚对苯二甲酸乙二醇酯+反射偏振膜+扩散片2   93.2   60.2
  4   聚对苯二甲酸乙二醇酯+反射偏振膜+扩散片3   93.5   62.5
1至4号光学膜复合材料的实验结果如下：
表3
  角度θ(°)   1号   2号   3号   4号
  0   1.653   1.734   1.653   1.642
  2   1.649   1.747   1.646   1.651
  角度θ(°)   1号   2号   3号   4号
  4   1.647   1.753   1.627   1.659
  6   1.64   1.752   1.609   1.661
  8   1.633   1.744   1.574   1.659
  10   1.623   1.73   1.533   1.655
  12   1.591   1.713   1.484   1.644
  14   1.572   1.688   1.433   1.634
  16   1.55   1.662   1.337   1.617
  18   1.527   1.634   1.308   1.601
  20   1.5   1.601   1.224   1.584
当上层的光轴与反射偏振膜的透光轴之间的角度θ为0°时，理论上认为此时的光增益最大，但在上面的表3中，在2号和4号光学膜复合材料的情况下最大值分别出现在角度4°、6°处。一般来讲，在采用双轴拉伸法制备的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜中，偏离拉伸膜的中心区域(光轴＝0°)越远，光轴的一致性越差，在上述4°、6°处的最大值是由于在2号和4号光学膜复合材料中没有刚好使用经过双轴拉伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜的中心区域而造成的误差。因此，这些值实际上是在θ＝0°的状态下获得的。
从表3和图6中可以看出，光增益将随上层的光轴与反射偏振膜的透光轴之间的角度θ而发生精细的变化，并且尤其可以证实的是，该角度越小，光增益越大。θ的合适范围是0°至25°，优选地是0°至15°，更优选地是0°至5°，并且最优选地是0°。在该角度范围内，根据本发明的光学膜复合材料的性能优于常规的反射偏振膜复合材料的性能。
在另一方面，参见图5A和5B，此光学膜复合材料是将扩散体的构造和功能与常规反射偏振膜相结合的形式。因此，可提供其中扩散体的数量比常规液晶显示器少一个或多个的装置。通过参见图7来说明此结果。图7比较了在用于电视机的液晶显示器中，使用常规反射偏振膜复合材料的情况(图7a)和使用根据本发明的反射偏振膜复合材料的情况(图7b)。在图7a中使用两片扩散体，而在图7b中使用一片扩散体，对亮度和对比度进行测量，获得如表4所示的数据。
表4
亮度的相对值 对比度的相对值
(a)两片扩散体+常规反射偏振膜复合材料 100％ 100％
(b)一片扩散体+本发明的反射偏振膜复合材料 98％ 109％
(c)两片扩散体+本发明的反射偏振膜复合材料 101％ 115％
如从上表中可以证实的那样，可以发现即使移除一片扩散体，亮度也没有显著的差异，并且对比度略微增加约9％。因此，在根据本发明的光学膜复合材料中，可在不损失液晶显示器的光学性能的情况下，减小液晶显示器的总厚度(尤其是背光源区域的厚度)。另一方面，对于使用根据本发明的反射偏振膜复合材料和两片扩散体的液晶显示器，例如(c)(未示出)，可以发现其厚度类似于常规装置的厚度，同时光学性能显著改善。
此外，由于具有双折射性的第一聚合物层同时起到尺寸稳定层和扩散体基底层的作用，因此可移除尺寸稳定层和扩散体基底层中的一个，从而可减小该显示装置的厚度。此外，可使用比PC便宜的聚酯基聚合物作为扩散体的基底层，从而可降低液晶显示器的制造成本。

Claims (10)

1.一种光学膜复合材料，包括：
线性反射偏振膜；
具有双折射性的第一双折射聚合物基底层，其布置在所述反射偏振膜之上；以及
第二聚合物基底层，其布置在所述反射偏振膜之下，
其中，所述第一聚合物基底层的光轴相对于所述反射偏振膜的透光轴定向，使得所述光轴与所述透光轴之间具有0°至25°的角度差。
2.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述反射偏振膜为多层偏振膜。
3.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第一聚合物基底层为聚酯基聚合物层。
4.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第二聚合物基底层为聚酯基聚合物层。
5.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第一聚合物基底层经过处理而具有光扩散功能。
6.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第二聚合物基底层经过处理而具有光扩散功能。
7.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第一聚合物基底层具有至少20％的雾度。
8.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第二聚合物基底层具有至少20％的雾度。
9.根据权利要求1所述的光学膜复合材料，其中所述第一聚合物基底层的所述光轴相对于所述反射偏振膜的所述透光轴定向，使得所述光轴与所述透光轴之间具有0°至15°的角度差。
10.一种制造光学膜复合材料的方法，包括以下步骤：
提供线性反射偏振膜；
将具有双折射性的第一聚合物基底层布置在所述反射偏振膜的一侧上，使得所述第一聚合物基底层的光轴与所述反射偏振膜的透光轴之间的角度差为0°至25°；以及
将第二聚合物基底层布置在所述反射偏振膜的另一侧上。
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