CN101356403A - 具有粘合层的光重定向膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学结构，其包括聚合物基底层，包括具有多个光学特征的上表面的热塑性聚合物光学层，和在基底层和光学层之间的粘合层，其中粘合层与基底层和光学层粘合。

Description

具有粘合层的光重定向膜
技术领域
本发明的实施方式涉及用于将来自光源的光重新导向与膜平面正交的方向的光重定向膜(light redirecting film)。
背景技术
光重定向膜可以用于各种应用中。例如，光重定向膜可以用作显示器或照明设备的部件。显示器和发光设备可以以各种技术为基础，可以具有完全不同的应用。不论技术基础或应用如何，光重定向膜可以用于提高光从光源传输到输出端的效率。
已经在显示器技术中得到关注的一项技术是液晶(LC)技术。一个LC显示器(LCD)包括被调整以提供光阀功能的液晶材料。在许多LCD的应用中，其能够有效地用来提高功率效率。增加LCD(或其它类似的显示器)的功率效率有利于提高显示器的图像质量，还具有其它好处。
提高LCD效率的一种方法是使用光重定向膜使光再循环。光重定向膜的光学部件可以非常地明确和详细。光重定向膜可以包括多个光学元件。在LCD中可以使这些光学元件成形并进行安排以使光重新定向，使得LCD更加节能。然而，可能存在重定向膜的次生效应(比如，叠栅效应(moire effect)或叠栅干涉图案(moire interference pattern))，它会降低显示器的质量。比如，显示叠栅效应的光重定向膜在LCD屏幕上可能具有不希望的非均一的亮度。这种非均一的亮度可能是由光学元件在光重定向膜中的有序安排造成的。
人们已经通过提供光学元件的无规图案解决了光重定向膜的次生效应。比如，Wilson等人的美国专利公开了一种光学元件的无规图案，它能有利地减少光学显示器中的干扰和其它能降低图像质量的影响。
以光阀为基础的直照式光学显示器的尺寸继续增加，应用继续扩大。这要求更大的光学膜，包括更大的光重定向层。不幸的是，这些光学膜较薄而且为挠性的，增加它们的尺寸(面积)，机械应变可能造成光学膜的变形。继而，机械变形会改变膜的光学性质。
美国专利5919551(Cobb，Jr等人)要求保护一种线性阵列膜，它具有可变化的节距(pitch)峰和/或凹槽以降低叠栅干扰图案的可见性。节距变化可以在相邻的峰和/或谷之上或在相邻的成对的峰和/或谷之间。尽管线性阵列元件的节距的这种变化确实会减少叠栅效应，但是膜的线性元件仍会与背光光波导上的光点图形和显示器的液晶部分内的电子相互作用。人们需要解除元件的线性矩阵以减少或消除这种相互作用。
美国专利第6354709号公开了一种具有线性阵列的膜，它的高度随着脊线变化，脊线也从一边移动到另一边。尽管这种膜使得光准直化，并且它的随着脊线变化的高度能够轻微减少叠栅效应，但是人们希望具有一种能在用于一个系统中时显著地减少膜的叠栅效应、同时保持适当高的轴向增益的膜。
美国专利申请2001/0053075(Parker等人)公开了将整体性特征用于光的准直化。令人惊奇的是，已经发现，对于某些显示器配置，仔细选择整体性特征的设计参数会产生预想不到的、轴向增益和减少叠栅效应之间的平衡，这是Parker等人没有预料到的。
美国专利第6583936号(Kaminsky等人)公开了一种用于微观复制光聚合物漫射透镜的压花辊。该压花辊是通过先用多种尺寸的颗粒对辊进行珠粒喷砂处理，然后进行镀铬处理(这产生微小的结节)而产生的。辊的生产方法十分适合于为使入射光能漫射而设计的光漫射透镜。
而且，为了增加显示图像的亮度，光源的数量或光源的功率或这两者都持续增加。这导致光学显示器，特别是较大的显示器中的操作温度升高。这些较高的操作温度能导致光学膜(包括光重定向膜)的膨胀和变形。而且，更高的温度能导致光重定向膜失去刚性。光重定向膜的膨胀或失去刚性会改变膜的光学性质，并干扰膜在光学显示器中的性能。最终，这会不利地影响光学显示器的性能。
在提供具有所需的光学性质和机械性质的膜的努力中，一个选择是由一种较厚的材料整体式地制造光学膜。不幸的是，人们不希望从较厚的用于光学膜的合适的材料层形成光学特征。一个缺点是由该材料形成的挤压的光学特征的复制性差。另一个缺点涉及所述层本身的制造。人们已知的，挤压材料的时候，如果具有较大的厚度，会使挤压过程变慢，由此减小了生产过程中的运转速率。除了其它的考虑外，减小的运转速率会减少产量和增加每件产品的成本。
除了已知的光学膜的缺点以外，由提供改善的光学性能的某些材料制造光学特征是有利的。不幸的是，许多这样的材料较昂贵。制造较厚的光学膜以试图满足尺寸和温度稳定性的需要可能受到成本限制。因此，某些光学材料尽管能够提供所需的光学性质，但是由于最终产品的成本的缘故而被预先排除于考虑之外。
因此，我们需要的是克服了至少与上述已知的膜相关的缺点的光重定向膜和它的生产方法。
发明内容
根据实施例实施方式，揭示了一种光学结构，其包括基底层；光学层，其包括具有多个光学特征的上表面；在基底层和光学层之间的粘合层，其中粘合剂(adhesive)粘合于基底层和光学层。
根据另一个实施例实施方式，揭示了一种光学显示器，其包括光阀；光源和光重定向层，光重定向层配置在光源和光阀之间的光路中。光重定向层包括基底层；光学层，其包括具有多个光学特征的上表面；在基底层和光学层之间的粘合层，其中粘合剂粘合于基底层和光学层。
根据又一个实施例实施方式，揭示了一种制造光学结构的方法，其包括提供一个基底；在基底上配置粘合层；在粘合剂上形成光学层；在光学层中形成多个光学特征的过程。
附图说明
伴随附图阅读以下的具体说明可以很好地理解本发明。要强调的是，各种元件不一定按比例绘制。实际上，为了使讨论清晰，可以任意地增大或减小尺寸。
图1是根据一个实施例实施方式的光学膜的剖视图。
图2是根据一个实施例实施方式的用于制造光学膜的设备的简化的示意图。
图3是根据另一个实施例实施方式的光学膜的剖视图。
具体实施方式
在以下的具体说明中，为了说明而非限制性的目的，叙述公开特定的细节的实施例实施方式以提供对本发明的透彻的理解。然而，本领域普通技术人员利用本公开将能够很明显地看到不同于本文公开的特定细节的其它实施方式。而且，我们将省略或仅仅简略地描述熟知的设备、方法、系统和材料以使得对实施例的实施方式的描述不会含糊不清。然而，根据实施例的实施方式，这些设备、方法、系统和材料在本领域普通技术人员的知识范围之内。最后，在任何实用的地方，同样的引用数字指代相同的特征。
实施例实施方式的光重定向膜重新分布通过膜的光，使得离开膜的光的分布定向为与膜的表面更加垂直。这些重定向光膜可以在膜的光线出射面(exitsurface)上提供有序的棱柱形凹槽、透镜形凹槽或棱锥体，对于离开膜的光线，这些结构会改变离开膜的光线的膜/空气界面的角度，并造成在与凹槽的折射表面垂直的平面中传播的入射光线分布的分量被重新分配到与膜的表面更加垂直的方向。这种光重定向膜被用于比如增强液晶显示器(LCD)、笔记本电脑、文字处理器、航空电子学的显示器、手机、PDA等的亮度以使显示器看起来更亮。
本发明提供粘合层以使得两种不相似的聚合物材料结合在一种结构中。不相类似的材料的使用使得，比如光学结构既在广泛范围的操作温度中机械稳定，又具有需要的光学性质，诸如高的光透射率、低的着色和高的表面光滑度。本发明的粘合层提供预成形的聚合物薄片和熔熔浇铸聚合物之间的极佳的粘合。现有技术的粘合层通常促进室温涂布的聚合物和定向的片之间的粘合，本发明的粘合层提供具有大大高于聚合物的Tg的温度的熔熔浇铸聚合物(诸如聚碳酸酯)与定向的预成形的聚合物片之间的极佳粘合。本发明的粘合层提供聚合物浇铸时熔融浇铸聚合物层的粘合，使得熔融浇铸聚合物在以织网为基础的(web based)生产过程中有效地传输，并提供充足的粘合性，以使其可在高要求的电子显示器应用(诸如LCD、有机发法二极管(OLED)和挠性的电润湿(electro-wetting)显示器)中使用。
而且，本发明的粘合层可以用于提供抗静电层，它能减少静电在具有两种不同材料的聚合物膜上的累积。已经显示，静电在光学膜上的累积会吸引不希望出现的气载颗粒，它们会在显示设备中产生缺陷。而且，本发明的粘合层能用于提供光漫射装置，使得进入聚合物光学元件的可见光发生漫射。通过在粘合层中加入光漫射装置，膜能具有双重功能，消除了对单独的光漫射膜的需要。
要注意，为了说明清楚的目的，我们经常将实施例实施方式的光重定向膜与液晶(LC)系统连系起来加以说明。然而，要强调这仅仅是实施例实施方式的光重定向膜的举例的实施。实际上，实施例实施方式的光重定向膜可以用于其它应用，诸如以光阀为基础的显示器和照明应用等。本领域的普通技术人员通过借鉴本发明可以清楚地了解，光重定向膜可以在其它各种技术中实施。
如本文所使用的，术语“透明的”指使辐射通过而没有显著偏离或吸收的能力。对于本发明，“透明的”材料定义为具有大于88％的光谱透射率的材料。术语“光”指可见光。术语“聚合的膜”指包含聚合物的薄的挠性的膜。术语“光学聚合物”指通常是透明的均聚物、共聚物和聚合物混合物。术语“光学特征”指位于网状材料(web material)的表面上或表面附近的几何体，该几何体能够对透射的光或入射光进行漫射、转向、准直化、改变颜色、或反射。术语“粘合层”是独立的连续层或图案化的层，它起到促进两个相邻层之间的粘合的作用。术语“光学增益”、“轴向增益”或“增益”指输出光强度除以输入光强度的比率。增益被用作准直膜的效率的度量，可以用于比较不同光准直化膜的性能。
在光学膜背景中，单个的光学元件指定义明确的形状的元件，它们是光学膜中的突出或凹陷。单个的光学元件相对于光学膜的长度和宽度是较小的。术语“弯曲的表面”用于指膜上的三维特征，它在至少一个平面中具有曲率。“楔形的特征”用于指包括一个或多个倾斜表面的元件，这些表面可以是平面和弯曲的表面组合。
术语“光学膜”用于指改变透射的入射光的性质的聚合物薄膜。比如，准直光学膜提供大于1.0的光学增益(输出/输入)。术语“偏振”指限制横波中的振动，以便振动发生在单个平面中。术语“偏振器”指使入射的可见光偏振的物质。
如本文中使用的，术语“平面的双折射”和“双折射”指膜平面内的平均折射率和厚度方向的折射率之间的差异。也就是，机器方向和横向的折射率加起来除以二，然后从该值中减掉厚度方向的折射率以得到平面双光折射的值。使用埃博(Abbe)-3L折射计、使用《聚合物科学工程百科全书(Encyclopedia ofPolymer Science&Engineering)》，Wiley，N.Y.，1988年，第261页，中叙述的程序测量折射率。术语“低双光折射”指在光的偏振状态中产生小的变化的材料，而且限于双折射小于0.01的光学聚合物织网材料。
无定形聚合物是在由差示扫描热量计(DSC)法产生的标准温度曲线中不显示熔化转变的聚合物。根据该方法(为本领域的技术人员所熟知)，将聚合物的小样品(5-20mg)密封在小的铝质平底锅中。然后将平底锅放置在DSC仪器(比如，皮埃金艾尔默(Perkin Elmer)7系列热分析系统)中，通过以10-20℃/分钟的速度从室温上升至300℃的扫描记录它的热响应。显著的吸热峰表示熔化。没有出现这种峰表示测试聚合物功能上是无定形的。温度曲线中的阶梯式的变化代表聚合物的玻璃转化温度。
图1是根据一个实施例实施方式的光学结构的剖视图。该光学结构可以是能用于如上所述的照明应用和显示器应用中有用的光重定向层。而且，该光学结构可以是漫射结构、转向结构或部分折射作用的结构。该光学结构包括基底层101、粘合层103和光学层105。
基底层101为光学结构提供结构刚性和热稳定性，当光学结构具有较大的尺寸或当光学结构长时间承受高的操作温度、或这两种情况同时出现时，它有利于防止光学结构的变形。因此，制造该基底层101的材料和该基底层101的厚度可用来防止材料由于应力和热而变形。而且，基底层101通常基本上是透射性的，几乎没有着色。
在一个实施例实施方式中，基底层101由玻璃转化温度(Tg)约高于70℃的材料制成，可以具有约高于150℃的Tg。通过选择具有较高Tg的材料，当曝露在显示器和照明设备的操作温度中时，光学结构基本上不会翘曲或收缩。结果，光学特征保持合适地取向，以根据设定发挥作用。而且通过提供具有高于70℃的Tg的基底层，当熔熔浇铸聚合物被浇铸在粘合层103上时，该基底不太可能发生翘曲或变形。
基底层101也必须基本上可避免因为它的尺寸引起的应力造成的扭曲。如上所述，由于显示器的观察区持续增大，光重定向层的尺寸也增加。伴随增加的尺寸，置于光学结构上的应力增加，该结构可能伸缩或弯曲。这会改变光学结构的光学性质，会有害地影响图像的光学质量或光源的性能。因此，选择基底层具有一定厚度并且由一定材料制成，所述厚度和材料能为光学结构的其它层提供刚性。在一个实施例实施方式中，基底层101具有约250μm的厚度和约2GPa的弹性模量。
除了需要的机械性质和热性质，基底层可以是相对无色的和基本上透明的。在一个实施例实施方式中，基底层101具有大于约0.85的透射率。在特定的实施方式中，基底层的透射率大于约0.88，可以大于约0.95。而且，在一个实施例实施方式中，基底层具有约-2.0至约+2.0的、按国际照明委员会(CIE)标度测量的b*值。蓝色的着色剂，诸如染料或颜料，可以用于调节光学元件沿蓝-黄轴的颜色。具有轻微蓝色色彩的光学元件感知上比黄色的光学元件更受到消费者的喜爱，因为如果用于LCD显示设备中的光学膜具有蓝色色彩，LCD显示的图像中的白色物倾向于具有蓝色色彩。
透明的基底层101对于用于光透射模式的光学结构是有用的。在另外的实施例实施方式中，基底层101基本上不透明是有利的。在基底材料具有高的重量百分比的白色颜料，诸如TiO2或BaSO4，和基底层含有空气气孔或基底层含有反射金属(诸如铝或银)或具有含有反射金属(诸如铝或银)的层的情况下，不透明层可以提供高的反射率。不透明基底层可用于LCD显示器的背部反射镜，漫射镜或半透反射(transflective)元件。
在一个实施例实施方式中，基底层101是热塑性材料。在特定的实施方式中，基底层101可以是聚碳酸酯、聚苯乙烯、定向的聚酯或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。这些材料仅仅是举例。也就是说，基底材料可以是能提供上述的材料性质的其它材料。这些材料包括但不局限于三乙酸纤维素、聚丙烯、PEN或PMMA。
光学层105可以是在光学应用中有用的无定形的或半晶体的热塑性材料。光学层105较薄，具有大约25.0μm的厚度。比如，热塑性材料可以是聚碳酸酯。在特定的实施方式中，光学层105可以由PET或PMMA制成。比如，含有金属氧化物的纳米颗粒的聚合物可以用于光学层105。这些材料可能很贵，由此限制了光重定向层或类似结构作为对于结构稳定性具有合适的厚度的整体性结构的制造。然而，由于伴随基本上刚性的基底层101的多层结构的缘故，光学层105较薄，可以以合理的成本实现这些较昂贵的光学材料的益处。
在特定的实施方式中，光学层包括多个无规则取向的光学特征(图1中未显示)。这些光学特征和它们的生产可以如美国专利申请系列号10/868083，Brickey，题为“Thermoplastic Optical Features with High Apex Sharpness”，2004年6月15日提交，和美国专利申请系列号10/939769，Wilson，题为“RandomizedPatterns of Individual Optical Elements”，2004年9月13日提交，中描述的。引用的美国专利申请转让于本受让人，它们明确地通过引用结合于此。要强调的是，光学特征可以不同于引用的申请中描述的光学特征。
许多由于需要的机械性质和热性质而用于基底层101的材料不附着于由于光学性质而被选择用作光学层的材料。因此，由于它们各自的材料的不溶混性和潜在的低表面能，对于许多材料，仅由基底层101和光学层105组成的光学结构是不可行的。
粘合层103通常粘合于基底层101和光学层105，由此提供具有基底层101的有利的机械品质和热品质以及光学层105的有利的光学品质的整体化的光学层。
在一个实施例实施方式中，粘合层103被置于基底层101之上，粘合层103中的聚合物链与基底层101中的聚合物链掺杂在一起。同样，粘合层103中的聚合物链与光学层105中的聚合物链掺杂在一起。这种相互作用产生足够的力以通过粘合层使光学层105粘附于基底层101。
较优地，粘合层对基底层101和光学层105的粘合强度为每35毫米宽度至少400克。在因斯特恩(Instron)计量器上于23℃和50％RH使用标准180度剥离试验测量基底层和粘合层之间或光学层和粘合层之间的粘合强度。样品宽度是35毫米，剥离长度是10cm。优选至少400克/35毫米的粘合强度，因为已经发现，提供至少400克/35mm粘合的粘合强度能防止元件在LCD显示器中的使用寿命期间出现不希望有的光学层105与基底层101剥离的现象，在所述的LCD显示器的使用寿命中，温度、温度梯度和湿度通常会循环。而且，当基底层101和光学层105之间的热膨胀系数(CTE)存在差异时，400克/35毫米的粘合强度足以以防止光学层105与基底层剥离。CTE差异的幅度将倾向于增加不希望出现的、导致层剥离的层间力。通过在层之间提供充足的粘合，克服了剥离的力。
粘合层103的选择是根据基底层101和光学层105选择的材料。在一个实施例实施方式中，粘合层103是与基底层101和光学层105的热塑性材料类型不同的热塑性材料。比如，粘合层可以是丙烯酸类树脂、聚氨酯、聚醚酰亚胺(PEI)或聚乙烯醇PVA。更优地，当基底层包括定向的PET，光学层包括聚碳酸酯时，粘合层是聚乙酸乙烯酯-乙烯共聚物或单体比率为15/79/6的聚丙烯腈-偏二氯乙烯-丙烯酸共聚物。
在另一个优选的实施方式中，粘合层包含导电聚合物。已经发现，一些导电聚合物也能用作粘合层。通过提供能提高基底层101和光学层105之间的粘合性的层，导电材料减少由复合材料结构造成的不希望出现的静电，并能减少显示设备(诸如LCD监视器)中不希望出现的电场。本发明的电导材料较优地涂布包含聚噻吩/聚阴离子组合物的涂料组合物，所述的聚噻吩/聚阴离子组合物含有具有共轭的聚合物主链的导电聚噻吩成份和聚合的聚阴离子成份。根据本发明使用的优选的聚噻吩成份含有用至少一个烷氧基取代的噻吩核，烷氧基是比如C1-C12烷氧基或-O(CH2CH2O)NCH3基，n是1-4，或者其中噻吩核是通过用亚烷基(包含该基团的取代形式)在两个氧原子的位置闭合的环。本发明使用的优选的聚噻吩可以由对应于以下通式(I)的结构单元组成，
Figure A20068005057300121
其中，R1和R2独立地代表氢或C1-4的烷基或共同代表任选取代的C1-4亚烷基、较优地亚乙基、任选的烷基取代的亚甲基、任选的C1-12烷基取代的或苯基取代的1，2-亚乙基，1，3-亚丙基或1，2-环己烯基。在欧洲专利0440975(和相应的美国专利第5300575号)，以及比如美国专利第5312681、5354613、53570981、5372924、5391472、5403467、5443944和5575898中叙述了导电聚噻吩/聚阴离子组合物的制备方法和在聚阴离子存在下合成的聚噻吩的水性分散体的制备方法，以及由这些分散体制备抗静电涂料，这些专利的公开通过引用结合于此。
在聚合的聚阴离子化合物的存在下制备导电聚噻吩可以比如通过根据以下通式(II)的3，4-二烷氧基噻吩或3，4-亚烷基二氧基噻吩的氧化聚合来进行，
其中，R1和R2如通式(I)中定义的，氧化剂是吡咯的氧化聚合作用通常使用的氧化剂和/或在聚酸的存在下的氧气或空气，较优地反应在含有任选的一定量的有机溶剂的水性介质中、在0℃至1000℃的温度下进行。通过氧化聚合聚噻吩得到正电荷，所述电荷的位置和数量无法确定地测量，因此没有在聚噻吩聚合物的重复单元的通式中提到它们。当使用空气或氧气作为氧化剂，将它们引入含有噻吩、聚酸和任选的催化量的金属盐的溶液中直到聚合反应完成。在比如J.AM.Soc.85卷，454期(1963年)中描述了适合于吡咯的氧化聚合的氧化剂。廉价的和易于操作的氧化剂是优选的，诸如三价铁盐，比如FeCl3、Fe(ClO4)3和三价铁的有机酸盐和含有有机残基的三价铁的无机酸盐，还有H2O2、K2Cr2O7、碱金属过硫酸盐或过硫酸铵、碱金属过硼酸盐、高锰酸钾和铜盐，诸如四氟硼酸铜。理论上，噻吩的氧化聚合需要2.25当量的氧化剂每摩尔噻吩。【参考J.Polym.Sci.Part A，Polymer Chemistry，第26卷，第1287页(1988年)】。
为了聚合，可以在有机溶剂、或优选在水中溶解对应于以上通式(II)的噻吩、聚酸和氧化剂或使它们在所述有机溶剂、或优选在水中乳化，在预计的聚合温度下搅拌得到的溶液或乳液直到聚合反应完成。本发明中采用的聚噻吩/聚阴离子组合物中聚噻吩聚合物组分对聚合的聚阴离子组分的重量比可以广泛地变化，比如，较优地约50/50至15/85。通过这种技术，得到固体含量为0.5至55重量％、较优地1至10重量％的稳定的水性聚噻吩/聚阴离子分散体。聚合的时间根据批次的大小、聚合的温度和氧化剂的种类，可以是几分钟至30小时之间。在聚合反应过程中和/或之后，可以通过加入分散剂，比如阴离子表面活性剂(诸如美国专利第3525621中描述的十二烷基磺酸盐、烷基芳香基聚醚磺酸盐)提高制得的聚噻吩/聚阴离子组合物分散体的稳定性。分散体中聚合物颗粒的尺寸通常在5至1μm的范围内，较优地在40至400nm的范围内。
这些导电聚合物的合成中使用的聚阴离子是诸如以下聚合的酸的阴离子：聚合的羧酸，诸如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸或聚马来酸，和聚合的磺酸，诸如聚苯乙烯磺酸和聚乙烯基磺酸，聚合的磺酸对于本发明是优选的。这些聚羧酸和聚磺酸也可以是乙烯基羧酸和乙烯基磺酸和其它可聚合的单体的共聚物，所述其它可聚合的单体是诸如丙烯酸酯和苯乙烯。与分散的聚噻吩聚合物结合使用的阴离子(酸性的)聚合物较优地具有根据所述的聚合物化合物，大于2重量％的阴离子基团，以确保分散体充分的稳定性。提供聚阴离子的聚酸的分子量较优地是1000至2000000，特优地是2000至500000。聚酸或它们的碱金属盐可以在市场上获得，比如聚苯乙烯磺酸和聚丙烯酸，或可以根据已知的方法生产这些物质。也可以使用聚酸的碱金属盐和合适量的一元酸的混合物以代替形成导电聚合物和聚阴离子所需要的游离酸。
本发明中使用的优选的导电聚噻吩/聚阴离子聚合物组合物包括3，4-二烷氧取代的聚噻吩/聚(苯乙烯磺酸盐)，最优选的导电聚噻吩/聚阴离子聚合物组合物是聚(3，4-亚乙基二氧基噻吩)/聚(苯乙烯磺酸盐)，它可作为贝特隆P(BaytronP)从拜尔公司(Bayer Corporation)购买。其它优选的导电聚合物包括分别在美国专利第5674654号和5665498号中被公开的聚(吡咯苯乙烯磺酸盐)和聚(3，4-亚乙基二氧基吡咯苯乙烯磺酸盐)。
为了进一步增加粘合层103与基底层101的粘合强度，可以将基底层101与粘合层103接触的表面变粗糙以便在其中具有无规则模式的或有序模式的刮痕或凹槽。粗糙的表面使得基底层101和粘合层103之间具有另外的接触面积，由此与光学光滑的基底层101相比，增大了粘合强度。已经发现，具有平均0.8-4.0微米的粗糙度的粗糙表面提供增大的粘合层103对基底层101的粘合强度。当表面粗糙度大于5.0微米时，粘合层要完全填充粗糙结构开始变得有困难，会产生小的空气气孔。当然，很重要的是凹槽或刮痕要较小以便基本上避免光学效应，诸如衍射和折射。在一个实施例实施方式中，在将粘合层103设置在基底层101上之前，可以对基底层的表面进行刷擦，或对其进行喷砂处理或等离子体蚀刻。如本文所述的，可以在挤出和特征形成过程中实施这种粗糙化作用。或者，可以在挤出特征形成过程之前实施粗糙化作用，基底层101在进一步处理以形成光学结构之前进行粗糙化。
如可以认识到的，多层光学结构包括每一层之间的光学界面。因此，基底层101、粘合层102和光学层103的折射率差异小是有用的，这对于避免能影响光学结构的功能的反射和折射作用也是重要的。比如，如果光学结构是光重定向层，在层的界面上的反射和折射能减少光重定向层的光输出。在特定的实施方式中，折射率的差异(Δn)小于约0.1是优选的。
在本发明的另一个优选的实施方式中，粘合层较优地包括漫射光的装置。通过提供漫射光的装置，光学结构能同时用作光准直器和漫射器，由此将两种功能结合于一个组件中。而且，已经证明，具有10-30之间的低雾度值(haze value)的粘合层103在光学元件中具有很多小的小的，显著地降低了显示器消费者检测缺陷的能力。用于光漫射的优选的装置在粘合层103的主体中，诸如为反射颗粒，诸如TiO2，纳米尺寸的粘土、玻璃珠、空气气孔、不能混溶的聚合物和具有不同的折射率的分层的聚合物。
出于减少来自光学结构的不希望出现的反射的目的，如果材料具有高低交替的折射率，也可以将包括交替层的抗反射涂层施涂在粘合层103的表面。在另一个优选的实施方式中，与基底层101邻接或与光学层105邻接的粘合层的表面可以是半透反射的。半透反射的表面是同时具有透射性和反射性的表面。半透反射元件的一个实施例是400至500埃的铝的沉积物，它对可见光的透射性约50％、反射性约50％。半透反射涂层对于在户外灯光条件下使用的显示器和使用反射太阳光以部分或全部照明LCD显示器是有用的。
图2是用于制造诸如关于图1描述的光学结构的设备的简化示意图。该设备包括挤出机201，它挤出材料203。在特定的实施方式中，材料203形成上述图1中描述的光学层105。该仪器也包括在光学层213中形成光学特征的压花辊205。另外，该设备包括压力辊207，压力辊提供压力以迫使材料203进入压花辊205，还包括帮助从压花辊205上除去材料203的剥离辊(strippingroller)211。
操作时，在压力辊207和压花辊(patterned roller)205之间对基底层209和挤出的材料203施加压力。在实施例实施方式中，基底层209是上述的基底层101，在它上面形成粘合层103。而且，材料203形成光学层205，在通过压花辊205和压力辊207之间后，光学层205包括光学特征。或者，粘合层可以与材料203在挤出机201中共挤出。共挤出的益处是可以提供两个层或更多个层。可以选择共挤出的粘合层以提供对基底层101和光学层105的最佳的粘合，产生比单层更高的粘合强度。因此，可以在压力辊207和压花辊205之间对共挤出的粘合层和光学层与基底层施加压力。这导致基底层101、粘合层103和光学层105的粘合，以及在光学层105上形成光学特征。在通过压力辊207和压花辊205之间后，使层213沿着滚轴211通过。在特定的实施方式中，层213是关于图1具体描述的实施方式的光学结构。
在一个实施例实施方式中，在挤出光学膜和形成光学特征前，粘合层粘着于基底上。在特定的实施方式中，可以将粘合层103涂布在基底层101的表面上。可以用已知的溶液涂料法或已知的水性涂料法实施涂布过程。完成涂布后，引入作为层209的涂布的基底层以形成光学结构。
在另一个优选的实施方式中，给粘合层103加上图案。发现图案化的粘合层增加了粘合强度，因为在形成光学层的过程中，光学层聚合物可以在图案化的粘合层之间流动，由此有效地增加了粘合的表面积。图案化的粘合层的实施例是具有50微米周期和5微米振幅的简单重复的正弦波函数。而且，通过给粘合层103加上图案和提供至少0.02的粘合层103和基底层101之间的折射率差异，所述图案化的粘合层的几何形状能用于提供有利的光学功能，诸如光漫射或光准直化。比如，形成90度棱柱几何形状的图案的粘合层会在光具有机会通过光学层之前提供一些入射光的准直化。
在特定的实施方式中，可以使层213在通过辊205和207后受到超声能处理。已经显示，超声焊接能同时增大粘合层103与基底层101和光学层105之间的粘合强度。值得注意的是，可以使超声能源(未显示)位于挤出机201端部的旁边或在沿着挤出路径和形成特征的路径的另外位置。超声能通常来源于频率为20至60Khz的超声波喇叭。设置在基底层101附近的砧表面使超声能转化为热能以进一步增加基底层101和粘合层103之间的粘合强度。
在其它举例的实施方式中，在将层213引入压力辊207和图案化的层209之间之前，对层213进行电晕放电处理、等离子体照射处理或红外辐射处理以增加基底101、粘合层103和光学层105的粘合性。放电处理和等离子体处理增加表面粗糙度，以增加层209对材料203的粘合性。在特定的实施方式中，层209是基底层101，材料202是粘合层103和光学层105的共挤出物。该表面粗糙性促进了粘合层103对基底层101的粘合性。在另一个特定的实施方式中，层209包括基底层101和粘合层103，粘合层安排在基底层上；材料203是用于光学层105的材料。在此情况下，对粘合层的粗糙化可以提高粘合层103和光学层105之间的粘合强度。
可以在将层209引入辊205和207之间之前对层209施加IR处理。该层可以是底层101，或者底层101和位于该底层101之上的粘合层103。层209的加热增加粘合层103和光学层105的聚合物链掺杂以及粘合层103和基底层101的聚合物链的掺杂。
在另一个实施例实施方式中，基底层101和粘合层可以共挤出以形成层209。然后可以使层209与材料203(光学层)共挤出以形成光学结构。
制造光学特征的的方法和挤出材料层的方法是已知的。形成光学特征和挤出的细节可以在以上引用的Brickey和Wilson的专利申请中找到。
图3是在光学结构的两侧具有光学特征的光学结构的剖视图。该结构可以作为光重定向层用于光学显示器和照明应用中。
光学结构包括具有光学特征305和301的基底层303。基底层303可以是如上所述的，提供有利的机械性质和热性质。光学结构也包括如上所述的粘合层307和309。光学特征305和301设置在粘合层307和309的上面。光学特征305和301的诸如光准直化之类的功能可以是相同的(complimentary)，或者可以具有两种不同的功能，诸如光准直化和光漫射。光学特征305和301可以是光学配准定位的或者相互无规则定位的。
虽然选择本发明的粘合层以同时提供粘合层与基底层、粘合层与光学层之间的充分的粘合，在本发明的另一个优选的实施方式中，基底层101和粘合层103之间的粘合强度足够低以使得基底层101和粘合层103能容易地分离。基底层与粘合层和光学层的分离使得粘合层和基底层能够被应用于不同的基底层。最终选择的基底层材料可能不易于适应聚合物熔化挤出和压力成形，因此，通过基底层与粘合层分离，可以进行随后的对基底层的再施涂(reapplication)。可能需要再施涂的精细的基底材料的例子包括刚性玻璃基底、Tg低于50℃的聚合物基底和形成精确的微观图案化的基底。
各种光学层、材料和设备为了特定的应用也可以应用于本发明的设备和膜或与本发明的设备和膜共同使用。它们包括但不局限于磁的或磁光的涂料或膜；液晶面板，诸如在显示器面板和隐蔽窗中使用的液晶面板；照相乳液；织物；棱镜膜，诸如线性菲涅尔(Fresenel)透镜；亮度增加膜；全像底片或全息图像；浮雕胶卷；防损坏膜或涂层；用于低反射率应用的红外透射膜；剥离型膜或防粘涂布纸；偏振器或镜子。
本发明可以与液晶显示设备结合使用，所述液晶显示设备的一般配置在以下内容中描述。液晶(LC)被广泛应用于电子显示器。在这些显示器系统中，LC层位于偏振器层和分析仪层之间，通过该层具有一个关于法线轴显示方位角扭转的导向器。分析仪定向使得它的吸收轴垂直于偏振器的吸收轴。被偏振器起偏振化的入射光通过液晶元件时，受到液晶中分子取向的作用，可以通过在液晶元件中应用电压来改变分子取向。使用该构思，可以控制来自外部光源的光(包括环境光线)的透射。实现这种控制需要的能量通常比在其它显示器类型，诸如阴极射线管，中使用的发光材料所需的能量少得多。因此，LC技术被用于许多应用中，包括但不局限于数字手表、计算器、便携式电脑、电子游戏机，重量轻、能耗低和操作寿命长是这些产品的重要特点。
有源矩阵液晶显示器(LCD)使用薄膜晶体管作为驱动每个液晶象素的开关装置。这些LCD能显示更高清晰度的图像而没有串音，因为可以选择性地驱动单个液晶象素。光学模干扰(OMI)显示器是液晶显示器，它“一般是白色的”，即，在关闭状态下光透射穿过显示器层。使用扭曲向列型液晶的LCD的操作模式大致分为双折射模式和旋光模式。“薄膜补偿超扭曲向列型”(FSTN)LCD一般是黑色的，即，在不施加电压的关闭状态，光的传输受到限制。据报导，OMI显示器具有更快的响应时间和更宽的操作温度范围。
而且，本发明的材料可以用于其它显示设备，诸如OLED和背投式系统。而且，本发明的材料可应用于但不限于提高商业和住宅照明系统、后向反射系统、太阳能电池、汽车照明、交通照明和平面艺术应用的产量。
举例的实施方式与现有的光重定向膜相比具有许多优点。鉴于本公开，应该注意，本文描述的各种方法和设备可以以硬件和软件来实施。而且，仅仅通过实施例的方式将各种方法和参数包括在内，但是这并不含有任何限制的意义。鉴于本公开，本领域的技术人员可以实施本发明的教导以确定他们自己的技术和实施这些技术需要的设备，但是这仍然属于权利要求的范围之内。
以下的实施例举例说明本发明的实施。他们无意排除本发明的所有可能的变化体。除非另外指出，分数和百分数以重量计。
实施例
在本实施例中，使几种聚合物粘合层用于提供无定形的图案化的聚碳酸酯聚合物层与典型的定向的PET基底层之间的粘合，以及与典型的熔融浇铸聚碳酸酯基底层之间的粘合。图案化的聚碳酸酯层含有单个光学元件，它设计用于对通常在LCD显示设备中使用的入射光进行准直化以增加LCD设备的亮度。本实施例将说明几种不同的粘合层配方的效用和功能。而且，本实施例将说明功能粘合层的独特的性质。
基底层：
1.典型的透明的175微米厚的双轴定向(伸缩率3x×3x)的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基底层
2.典型的透明的175微米厚的聚碳酸酯(PC)基底层(莱克森(Lexan)TF2OQ)
粘合层：
1.聚合物1-艾尔弗莱克斯(Airflex)100HS(艾尔(Air)产品)聚乙酸乙烯酯-乙烯共聚物胶乳乳液，Tg为7℃，不含表面活性剂
2.聚合物2-艾尔弗莱克斯4530(艾尔产品)乙烯-氯乙烯聚合物，Tg为29℃
3.聚合物3-聚乙酸乙烯酯，Tg为30℃
4.聚合物4-聚丙烯腈-偏二氯乙烯-丙烯酸共聚物(15/79/6)
使用X料斗涂布技术将以上的粘合层施用在两种基底层上(定向的PET和浇铸聚碳酸酯)，在绕成卷之前进行机器干燥。以下表1提供了各种组合的总结。
表1
  测试条件   基底层  粘合层   固体敷设(克/米2)
  1   PET  聚合物1   22.4
  2   PC  聚合物1   5.3
  3   PC  聚合物1   22.4
  4   PC  聚合物1   68.0
  5   PET  聚合物2   20.2
  6   PC  聚合物2   4.2
  7   PC  聚合物2   20.2
  8   PC  聚合物2   62.0
  9   PET  聚合物3   8.0
  10   PC  聚合物3   4.0
  11   PC  聚合物3   8.0
  12   PC  聚合物3   41.5
  13   PET  聚合物4   20.0
含有以上表1中列出的粘合层的以上的基底层用作挤出熔化浇铸聚碳酸酯光学透镜的基底，该透镜用于对可见的入射光进行准直化。传输含有粘合层的以上的基底层使其通过高压钳，在该高压钳的一侧包括支承辊，在相反的一侧包括加热的(142℃)镀镍的压花辊。镀镍的压花辊含有单个的弯曲的空穴，其几何尺寸为35微米深、1200微米长和90度顶角。将熔化的泰金(Teijin)AD-5503聚碳酸酯(316℃)施加在涂布了粘合层的基底层和镀镍的压花辊之间。聚碳酸酯熔化层的厚度为约100微米。当使涂布粘合物的基底层以15米/分钟的速度通过高压钳时，在压花辊上的空穴中形成聚碳酸酯透镜，该透镜附着于粘合层表面。以下的剖面举例说明了本实施例的基本结构。
Figure A20068005057300201
使用标准的180度剥离粘合试验测量熔融浇铸聚碳酸酯透镜对基底层的粘合力。使用35毫米的剥离样品宽度在23℃和50％相对湿度下测定剥离作用力。以“克力/35mm宽度”为单位表示测量的剥离作用。在23℃和50％相对湿度下保持24小时后执行剥离粘合试验。以下表2包括本实施例中13个样品的剥离作用力结果。
表2
  测试条件   基底层  粘合层   剥离作用力(克/35毫米)
  1   PET  聚合物1   ＜200
  2   PC  聚合物1   1044
  3   PC  聚合物1   2008
  4   PC  聚合物1   ＞2500
  5   PET  聚合物2   ＜200
  6   PC  聚合物2   ＜200
  7   PC  聚合物2   ＜200
  8   PC  聚合物2   ＜200
  9   PET  聚合物3   ＜200
  10   PC  聚合物3   ＜200
  11   PC  聚合物3   ＜200
  12   PC  聚合物3   ＜200
  13   PET  聚合物4   ＞2500
如以上的数据清楚地表明的，通过向PET基底层或聚碳酸酯基底层的表面提供粘合层，很大地提高了聚碳酸酯光准直透镜的粘合力，如试验样品2、3和13相比较其它样品所显示的结果。特别地，聚合物1在PC基底和熔融挤出的PC透镜之间产生优良的结合。聚合物4在PET基底和熔融挤出的PC透镜之间产生优良的结合。而且，熔融挤出的聚碳酸酯透镜对未涂布的定向的PET基底层和浇铸PC基底层具有非常低的粘合力。聚碳酸酯透镜对基底层的粘合力是重要的，因为对于许多考虑的应用，光学结构需要机械完整性，当包括在诸如LCD显示器之类的显示器系统中时尤为如此。LCD显示器系统受到广泛范围的操作条件(温度和湿度)的挑战，这些条件会造成不需要的复合材料聚合物光学膜的剥离。而且，包含在许多LCD设备内的背光灯产生高温和温度梯度，这些进一步对复合材料多层光学结构造成机械应力。通过在粘合层与基底层以及粘合层与光学结构层之间提供大于400克/35毫米的粘合力，本发明的光学结构能既保持整体性又能用作光学元件。
尽管本实施例涉及LCD显示设备和光准直系统，但是本发明的材料可以用于其它显示设备，诸如OLED、电湿润、CRT、投影屏和喷墨打印显示系统。而且，光学结构也可以对可见光能或不可见光能进行漫射、半透反射、折射、衍射或吸收。
部件列表
101基底层
103粘合层
105光学层
201挤出机
203挤出材料
205压花辊
207压力辊
209基底层
211剥离辊
213光学层
301光学特征
303基底层
305光学特征
307粘合层
309粘合层

Claims (14)

1.一种光学结构，其包括：
聚合物基底层；
包括具有多个光学特征的上表面的热塑性聚合物光学层；和
在所述的基底层和所述的光学层之间的粘合层，
其中，粘合层与基底层和光学层粘合。
2.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的光学结构是光重定向层，所述的光学特征基本上使可见光准直化。
3.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，Tg高于约150℃。
4.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的基底层在550纳米的透光率大于约0.90。
5.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的基底层的材料是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚苯乙烯。
6.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的基底层的材料是聚碳酸酯。
7.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的粘合层是丙烯酸类聚合物或聚氨酯。
8.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的粘合层是聚乙酸乙烯酯-乙烯共聚物或聚丙烯腈-偏二氯乙烯-丙烯酸共聚物。
9.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的基底层、粘合层和光学层都具有折射率，任何两种折射率之间的差异不大于0.1。
10.如权利要求1所述的光学结构，其特征在于，所述的光学特征包含单个的具有90度顶角的聚碳酸酯光学元件，所述的粘合层包含聚丙烯腈-偏二氯乙烯-丙烯酸共聚物，所述的基底层包含定向的PET并且进一步包含位于与光学特征相反的一侧上的连续的聚碳酸酯层。
11.一种光学显示器，其包括：
光阀；
光源；
设置在光源和光阀之间的光路中的光重定向层，其中所述的光重定向层进一步包括：
聚合物基底层；
包括具有多个光学特征的上表面的热塑性聚合物光学层；和
在所述的基底层和所述的光学层之间的粘合层，
其中，粘合层与基底层和光学层粘合。
12.如权利要求11所述的光学显示器，其特征在于，所述的光阀是液晶设备(LCD)。
13.如权利要求11所述的光学显示器，其特征在于，所述的基底层在550纳米的光透射率大于约0.88。
14.如权利要求11所述的光学显示器，其特征在于，所述的粘合层包含聚乙酸乙烯酯-乙烯共聚物或聚丙烯腈-偏二氯乙烯-丙烯酸共聚物。
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