CN105517792A - 多层光学膜 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了热塑性双折射多层光学膜。更具体地，本发明描述了这样的热塑性多层膜，所述热塑性多层膜具有交替的第一层和第二层，所述交替的第一层和第二层具有线性层分布，其中两个外层均薄于350nm，但是厚于150nm。描述了具有更薄的外部保护性边界层的热塑性双折射多层光学膜。

Description

多层光学膜
背景技术
热塑性双折射多层光学膜通常通过在送料区块使共挤出的聚合物成层形成。在一些制造工艺中，根据送料区块的尺寸、工艺条件和挤出物的厚度，外层上穿过送料区块的剪切力可能十分明显。这可能引起外层中的层断开，通常使最终的膜无法用于其期望的目的。为了在整个制造过程中保护膜，提供了较厚的保护界面层或较厚的表层。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种多层膜。更具体地，本发明涉及一种热塑性双折射多层膜，其包括交替的第一层和第二层，所述层具有基本上线性的层分布。热塑性双折射多层光学膜的两个外层均薄于350nm，但是厚于150nm。没有中间层厚于350nm。热塑性双折射多层光学膜的两个外层均包括与所述第一层或所述第二层相同的材料。热塑性双折射多层光学膜的最小平均分层大于100g/in。在一些实施例中，没有中间层厚于150nm。在一些实施例中，交替的第一层和第二层中的至少一者为取向的双折射聚合物层。
在一些实施例中，热塑性双折射多层光学膜薄于50微米，在其他实施例中，热塑性双折射多层光学膜薄于20微米。在一些情况下，热塑性双折射多层光学膜少于200层。在一些实施例中，热塑性双折射多层光学膜为反射偏振片。热塑性双折射多层光学膜也可以是反射镜。热塑性双折射多层光学膜可以卷筒形式提供或整合进背光源。
附图说明
图1是比较例C1的构造的示意性剖面表示。
图2是比较例C2、比较例C3a-C3c、实例1a-1f和实例2a-2d的构造的示意性剖面表示。
图3是实例3的构造的示意性剖面表示。
具体实施方式
多层光学膜(即至少部分地采用不同折射率的微层构造以提供期望的透射和/或反射特性的膜)已为人所知。众所周知，这类多层光学膜通过在真空室中将无机材料有序地在基底上沉积成光学薄层(“微层”)而制成。无机多层光学膜在例如H.A.Macleod所著的Thin-FilmOpticalFilters(薄膜光学滤光器)第二版，麦克米伦出版公司(1986)以及A.Thelan所著的DesignofOpticalInterferenceFilters(光学干涉滤光器的设计)，麦格劳-希尔出版公司(1989)中的教科书中有所描述。
也已通过共挤出交替的聚合物层展示了多层光学膜。参见例如美国专利No.3,610,729(Rogers)、4,446,305(Rogers等人)、4,540,623(Im等人)、5,448,404(Schrenk等人)以及5,882,774(Jonza等人)。在这些聚合物多层光学膜中，主要使用或者仅仅使用聚合物材料来构成各层。这些可被称为热塑性多层光学膜。此类膜可以采用高产量制造工艺进行制造，并且可制成大型薄板和卷材。以下说明书和实例涉及热塑性多层光学膜。
多层光学膜包括具有不同折射率特性的各个微层，从而在相邻微层间的界面上反射一些光。微层很薄，足以使在多个界面处反射的光经受相长干涉或相消干涉作用，从而赋予多层光学膜以期望的反射或透射特性。对于被设计成反射紫外光、可见光或近红外波长光的多层光学膜而言，各微层的光学厚度(物理厚度乘以折射率)通常小于约1μm。层可通常以最薄到最厚的方式布置。在一些实施例中，交替的光学层的布置可以作为层数的函数而基本线性地变化。这些层分布可以称之为线性层分布。可以包括更厚的层，例如位于多层光学膜的外表面处的表层或者设置在多层光学膜内用以分隔微层的固有组(本文称为“层组”)的保护性边界层(PBL)。在一些情况下，保护性边界层可以是与多层光学膜的交替层中的至少一层相同的材料。在一些情况下，保护性边界层可以是不同的材料，根据其物理特性或流变性来选择。保护性边界层可以在光学层组的一侧或两侧上。就单个分组多层光学膜而言，保护性边界层可以在多层光学膜的一个或两个外表面上。
表层有时在送料区块之后，但在膜模头熔化之前添加。然后，以用于聚酯薄膜的传统方式将多层熔融物通过薄膜模头浇注到激冷辊上，在该激冷辊上使其进行骤冷。然后，以不同方式拉伸浇铸料片，以便在至少一个光学层中实现双折射，在许多情况下制造反射偏振片或镜膜，在例如美国专利公开No.2007/047080A1、美国专利公开No.2011/0102891A1和美国专利No.7,104,776(Merrill等人)中已有所描述。具有双折射的膜可被称为热塑性双折射多层光学膜。
这些膜具有多种用途，其中膜被层合至其他膜构造(例如，吸收型偏振器、聚碳酸酯或聚酯薄片)和/或制品(例如LCD显示器)。在每个制造工艺中的某个点处，通常有一个转换步骤，其中MOF或层合MOF通过任一工艺进行切割，例如剪切、转动模具、模具压制、激光等等。在这些转换和后续处理步骤(例如，包装、预罩去除、显示器装配等等)过程中一个特定的失效模式是多层构造的潜在分层。分层通常发生在最外层和光学层之间的多层光学膜中，最外层在一些实施例中为表皮或PBL。然后，分层可能传播至多层，保留有可见的缺陷，这是不期望的。
在一些应用中，希望制造更薄的多层光学膜。在一些实施例中，也希望保持光学性能诸如增益和机械性能诸如在这些更薄的膜中的抗分层性。需注意，本文所用的“更薄”也可以是指添加额外的光学活性(例如，改善光学性能)或失活层(例如，改善物理特性)的能力，而保留相同或类似的厚度。由于反射偏振片中微层的光学功能与每个微层的特定光学厚度相关，通常不能仅仅通过使每个微层更薄来实现相同的光学特性。另外，减少微层数量可以实现更薄的膜，但是光学性能例如增益会降低。可以进行工艺改变来提升光学性能，但是通常通过这些工艺改变来降低抗分层性。先前，要实现更薄的多层光学膜同时保持光学性能和抗分层性是困难的。另外，认为减少PBL的厚度同时减少总体厚度会形成这样的膜，该膜会在制造中失效或者由于送料区块剪切而具有显著的缺陷。令人惊讶的是，更薄的PBL不仅能使总体多层光学膜更薄，还可为总体膜提供具有改善的抗分层性，同时由于送料区块剪切而不具有显著的缺陷。保护边界层在一些情况下可以薄于350nm、在一些情况下可以薄于300nm、在一些情况下可以薄于200nm，并且在一些情况下甚至有150nm薄，约为最厚光学层的厚度。在一些实施例中，多层膜可不具有厚于350nm的中间层或甚至不具有厚于150nm的层。本文所述的多层光学膜总体可以薄于50μm、薄于30μm、薄于20μm薄或者薄于17μm。
在显示系统的环境下多层光学膜的一个性能度量称之为“增益”。光学膜的增益可以用来衡量与没有光学膜的显示器相比具有光学膜的显示器呈现给观察者的亮度要亮多少。更具体地，光学膜的增益是具有光学膜的显示系统(或其一部分，如背光源)的亮度与不具有光学膜的显示系统的亮度的比率。由于亮度通常取决于观察取向，因此增益也取决于观察取向。如果认为增益与取向无关，则通常假设为同轴性能。对于反射偏振片，增益通常与非常高的反射率相关，对于垂直入射光和斜入射光而言，该反射偏振片的阻光轴具有非常高的反射率，而透光轴具有非常高的透射率(非常低的反射率)。这是因为非常高的阻光轴反射率最大化了非可用偏振的光线反射回背光源使其能够转化成可用的偏振的概率；非常低的透光轴反射率以最小的损失最大化了可用偏振的光线穿出背光源进入LC面板的概率。
实例
分层测试方法
制备膜样本并将其切割成1英寸(2.54cm)宽乘以12英寸(30cm)的条。双面胶带(3M665双面胶带，购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3MCompany,St.Paul,MN))附接到金属板，并且样本条附接到双面胶带。从板的一端切割多余的膜，使得膜与板的边缘齐平，同时通过使用剃刀刀片以锐角处切割来刻划其他边缘。胶带(3M396胶带，购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3MCompany,St.Paul,MN))的大约1.5英寸(4cm)的条的一端自身折叠形成1/2英寸(1.3cm)不粘插片。带的其他端施用到膜样本的刻划边缘。然后，使用IMASSSP-2000剥离测试仪(美国马萨诸塞州阿科德艾玛氏有限公司(IMASS,Inc.,AccordMA))执行90度剥离测试，使用5秒平均时间，剥离速度为60in/min(1.5m/min)。对每个膜样本测试五个条。对于在实例中给定的结果，为比较彼此分离层所需的最弱或最低的力，报告了最小值。在由于需要较高剥离力而无法测量值的情况下，值被报告为10,000+g/in。所有比较例和实例(比较例C1之外)在交替层的光学分组之内具有基本线性的层分布。
比较例C1
如下制备了双折射反射型偏振器。单个多层光学分组如名称为“LowLayerCountReflectivePolarizerwithOptimizedGain”(具有最佳增益的低层数反射偏振片)的美国专利申请公布No.2011/0102891中所述进行共挤出。通常描述于美国专利No.6,352,761(Hebrink等人)中的聚合物用于光学层。共挤出光学分组包括90/10coPEN的275个交替层、由90％聚萘二甲酸乙二酯(PEN)和10％聚对苯二甲酸乙二酯(PET)组成的聚合物，以及低折射率各向同性的层。低折射率各向同性的层由聚碳酸酯和共聚酯的共混物(PC:coPET)制得，其中PC:coPET摩尔比为大约42.5mol％聚碳酸酯和57.5mol％coPET。低折射率层具有约1.57的折射率，并且基本上保留各向同性的单轴取向。PC:coPET的Tg是105℃。
反射偏振片使用名称为“FeedblockforManufacturingMultilayerPolymericFilms”(用于制备多层聚合物膜的送料区块)的美国专利申请No.2011/0272849中所述的送料区块方法来制备。将90/10PEN和PC:coPET聚合物从单独的挤出机中送入多层共挤出进料器，它们在其中被聚合成有275个交替层叠的光学层的组，加上每边各一个较厚的PC:coPET保护性边界层，总共277层。在送料区块之后，添加表层，其中用于表层的聚合物是第二PC:coPET，其具有50mol％PC和50mol％coPET的比率，并且具有110℃的Tg。然后，将多层熔融物通过薄膜模头浇注到激冷辊上，在该激冷辊上使其进行骤冷。然后，浇铸料片沿抛物线拉幅机拉伸，如在美国专利公开No.7,104,776(Merrill等人)在表1中给定的温度和拉伸比所述。膜具有如通过电容规测得的大约26.5μm的所得厚度。如通过光学显微镜和原子力显微镜所测量，对应的PBL+表皮厚度为约6μm(3μm/侧面)。比较例C1的示意图在图1中示出。图1示出了光学膜100，包括交替光学分组110、保护性边界层120和表皮层130。
比较例C1测得的最少分层剥离力为大约80g/in(0.785N/25.4mm)。使用购自加利福尼亚彻沃兹照片研究公司(PhotoResearch,Inc(Chatsworth,California))的具有MS-75透镜的SpectraScanTMPR-650光谱色度计测量增益，如美国专利申请公布No.US2008/0002256(Sasagawa等人)中所述。
比较例C2
双折射反射型偏振器采用与如下比较例C1相似的方式制备。将单个多层光学分组共挤出，其包括275个90/10coPEN和PC:coPET的交替层。将90/10PEN和PC:coPET聚合物从单独的挤出机中送入多层共挤出进料器，它们在其中被聚合成有275个交替层叠的光学层的组，加上每边各一个较厚的PC:coPET保护性边界层，总共277层。然后以与比较例C1类似的方式处理多层熔融物，表1中列出了差值。如通过光学显微镜和原子力显微镜所测量，对应的PBL厚度(其中未将表皮共挤出)为约2μm(1μm/侧面)。比较例C2的示意图在图2中示出。图2示出了光学膜200，包括交替光学分组210和保护性边界层220。比较例C2测得的最少分层值为大约120g/in(1.18N/25.4mm)。通过移除表皮层，就类似的处理条件和成品膜厚度而言，相对于比较例C1，改善了层间强度。
比较例C3a-C3c
按照与比较例C2类似的方式制备双折射反射型偏振器，不同的是第一光学层和第二光学层组装到220个交替光学层分组中，加上每个侧面上的PC:coPET保护性边界层，总共222层。然后以与比较例C2类似的方式处理多层熔融物，表1中列出的某些参数除外。不施用表层。如通过光学显微镜和原子力显微镜所测量，所得的总厚度为20μm，并且外层PBL厚度为大约2μm(1μm/侧面)。比较例C3a-C3c具有与比较例C2类似的横截面，不同的是层数更少。比较例C3a测得的最少分层为大约88g/in(0.86N/25.4mm)，拉伸比、PBL厚度和处理条件与比较例C2类似。比较例C3的分层水平比比较例C2降低了大约27％。另外，将拉伸比从6倍(比较例C3a)增加至6.3倍(比较例C3b)，然后增加至6.7倍(比较例C3c)，层间强度降低52％。结果表明，相对于比较例C2仅仅降低总厚度不足以实现改善的分层性能。
实例1a-1f
按照与比较例C2类似的方式制备双折射反射型偏振器，不同的是第一光学层和第二光学层组装到183个交替光学层分组中，加上每个侧面上的PC:coPET保护性边界层，总共185层。然后以与比较例C2类似的方式处理多层熔融物，表1中列出了不同之处。所得的总厚度为约16.5μm。如通过光学显微镜和原子力显微镜所测量，对应的PBL厚度(未将表皮共挤出)为约0.7μm(0.35μm/侧面)。实例1a-1f具有与比较例C2类似的横截面，不同的是层数更少，PBL厚度更薄。实例1a-1f示出了改善的分层性能。
实例2a-2d
按照与比较例C2类似的方式制备双折射反射型偏振器，不同的是第一光学层和第二光学层组装到173个交替光学层分组中，加上每个侧面上的PC:coPET保护性边界层，总共175层。然后以与比较例C2类似的方式处理多层熔融物，表1中列出了不同之处，导致膜的总厚度为大约15.5μm。如通过光学显微镜和原子力显微镜所测量，对应的PBL厚度(未将表皮共挤出)为约0.5μm(0.25μm/侧面)。实例2a-2d具有与比较例C2类似的横截面，不同的是层数更少，PBL厚度更薄。实例2a-2d还示出了改善的分层性能。
实例3
按照与比较例C2类似的方式制备双折射反射型偏振器，不同的是第一光学层和第二光学层组装到186个交替光学层分组中，加上仅在浇注轮侧面上的PC:coPET保护性边界层，总共187层。浇注轮侧面上的外层光学层由PC:coPET共混物形成，该共混物用于在相对侧形成更厚的PBL层。然后以与实例1e类似的方式处理多层熔融物，导致总厚度为大约16.3μm。对应的单个PBL厚度(未将表皮共挤出)为大约0.25μm。实例3的示意性横截面在图3中示出。图3示出了光学膜300，包括交替光学分组310和保护性边界层320。处理之后，该膜测得的分层值为大约370g/in(3.6N/25.4mm)。
显示器亮度与对比率
按以下方式对LCD显示器的显示器亮度与对比率进行测量，该LCD显示器包括实例1-3和比较例C1-C3的膜。获得可商购获得的具有LCD面板的平板电脑。平板中LCD面板后面的膜包括具有反射偏振片的吸收型偏振器，该反射偏振片附接有粘合剂。取下附接到吸收型偏振器的反射偏振片，将各种比较例膜和实例膜与光学透明的粘合剂附接。然后，使用相同的背光组件重新装配显示器，该背光组件被接收在装置中。使用EZContrastXL88W锥光镜(型号XL88W-R-111124，购自法国圣克莱尔埃鲁维尔的Eldim-Optics公司(Eldim-Optics,Herouville,Saint-ClairFrance))根据极性角度测量显示器的亮度和对比率。结果显示，所有实例膜和比较例膜的亮度和对比率都非常类似。
表1
以下是根据本公开的示例性实施例：
项目1.一种热塑性双折射多层光学膜，包括：
具有线性层分布的交替的第一层和第二层；
其中所述热塑性双折射多层光学膜的两个外层均薄于350nm，但是厚于150nm；
其中没有中间层厚于350nm；
其中热塑性双折射多层光学膜的两个外层均包括与所述第一层或所述第二层相同的材料；并且
其中所述热塑性双折射多层光学膜的最小平均分层大于100g/in。
项目2.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中没有中间层厚于150nm。
项目3.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述交替的第一层和第二层中的至少一者为取向的双折射聚合物层。
项目4.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜薄于50微米。
项目5.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜薄于20微米。
项目6.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜少于200层。
项目7.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜为反射偏振片。
项目8.根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜为反射镜。
项目9.一种卷膜，其包括根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜。
项目10.一种背光源，其包括根据项目1所述的热塑性双折射多层光学膜。
本专利申请中引用的所有美国专利和专利申请利均以引用方式全文并入本文。不应当将本发明视为限于上述的特定实例和实施例，因为详细描述此类实施例是为了有助于说明本发明的各个方面。相反，本发明应被理解为涵盖本发明的所有方面，包括落在所附权利要求书及其等同物所定义的本发明的范围内的各种修改、等同工艺和替代装置。

Claims (10)

1.一种热塑性双折射多层光学膜，包括：
具有线性层分布的交替的第一层和第二层；
其中所述热塑性双折射多层光学膜的两个外层均薄于350nm，但是厚于150nm；
其中没有中间层厚于350nm；
其中所述热塑性双折射多层光学膜的两个外层均包括与所述第一层或所述第二层相同的材料；并且
其中所述热塑性双折射多层光学膜的最小平均分层大于100g/in。
2.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中没有中间层厚于150nm。
3.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述交替的第一层和第二层中的至少一者为取向的双折射聚合物层。
4.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜薄于50微米。
5.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜薄于20微米。
6.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜少于200层。
7.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜为反射偏振片。
8.根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜，其中所述热塑性双折射多层光学膜为反射镜。
9.一卷膜，其包括根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜。
10.一种背光源，其包括根据权利要求1所述的热塑性双折射多层光学膜。
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