JP2018500595A - 薄いガラス板の光弾性の補償 - Google Patents

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Abstract

塗布ガラス基板。塗布ガラス基板は、0.1〜0.7mmの厚さを有し、第1の側面が、正の光弾性定数を有する第1の光学層で塗布され、第2の側面が、負の光弾性定数を有する第2の光学層で塗布された、ガラス板を備える。【選択図】なし

Description

本発明は、ガラスが薄型表示装置用基板として使用され、内部または外部応力を受ける場合に光漏れの低減を示す、ガラス板に関する。
ガラスは任意に等方性であるが、応力が加えられると、この対称性が崩れ、ガラスは通常、複屈折性になる。等方性の応力下であっても複屈折性がゼロである、いくつかの珍しいガラス組成物が知られており、これらは、高い含有量の鉛、タリウム、または酸化ビスマスを含んでいる。かかるガラスは、ゼロ応力の光材料として知られており、光学研究器具及びリアプロジェクションテレビなどの製品における主要な構成部分となっている。しかしながら、安全に対する懸念や環境問題が、レンズ、光フィルム、コンパクトディスク、及び液晶表示装置などの多くの光学用途における、こうしたゼロ応力の光学ガラスの使用を阻んでいる。これらの用途では、ガラス、例えば液晶表示器の一部が、表示器に取り付けられた取付構造に起因した、または内部表示構造に起因した応力を受ける場合がある。こうしたガラス基板内の応力に起因した複屈折性が、画像の適切な表示に対する問題を生じさせる場合がある。米国特許番号第8,659,728号は、LCセルの上及び底の両方のガラス基板に、LCガラスの負の応力に起因した位相差に対する負の光弾性定数を有する層を塗布した、LCセルを開示している。しかしながら、本文献は、位相差を低減させる個々のガラス板の処理を教示していない。
本発明は、塗布ガラス基板を提供する。塗布ガラス基板は、0.1〜0.7mmの厚さを有し、第1の側面が、正の光弾性定数を有する第1の光学層で塗布され、第2の側面が、負の光弾性定数を有する第2の光学層で塗布された、ガラス板を備える。
本発明は、本発明の少なくとも1つの塗布ガラス基板を備えるLCセルをさらに提供する。
別段の定めがない限り、割合は重量パーセント(wt%)であり、温度は℃である。別段の定めがない限り、作業は室温(20FF5E25℃)で行われた。
光弾性効果に起因した複屈折性を、材料(Cp)の光弾性定数及び材料(σ)に適用された応力の量によって決定する。光弾性定数を、適用された応力が材料の小さな度合いの弾性変形のみを誘発する条件下で、応力に起因した複屈折性の割合と、ガラス状の材料に適用された応力の大きさとを計算することによって決定する。材料の光弾性の複屈折性は、その材料に内在する複屈折性(Δn)とは異なる。内在する複屈折性とは、材料が、例えば材料を一方向に一軸延伸させることによって、完全に一方向に配向されたことを示す、複屈折性の量のことをいう。正の内在する複屈折性の材料は、それぞれ他の2つの方向、y及びzの屈折率n及びnより大きい、材料が完全に配向されたx方向(n)の屈折率を有し、x、y、zは互いに対して直交する3つの異なる方向を表している。反対に、負の内在する複屈折性の材料は、他の2つの方向、y及びzの屈折率より小さい、材料が完全に配向された、x方向の屈折率を有する。正の内在する複屈折性型の材料は、常に正の光弾性型である傾向があり、負の複屈折性型の材料では、それらは負の光弾性型または正の光弾性型のいずれかであり得る。
光弾性定数は、各材料に内在する特性であり、正または負の値を有し得る。したがって、材料は2つの群、正の光弾性定数を有する群と、負の光弾性定数を有する他の群とに分けられる。正の光弾性定数を有する材料は、材料がx方向に沿った小さな度合いの一軸引張応力を被るとき、正の複屈折性(すなわち、n>n)を示す傾向がある。反対に、負の光弾性定数を有する材料は、材料がx方向に沿った小さな度合いの一軸引張応力を被るとき、負の複屈折性(すなわち、n<n)を示すだろう。
本発明者らは、それぞれ、正及び負の光弾性定数を有する一対の光学層を用いて、応力に起因した複屈折性を、塗布ガラス基板内で最も有用に最小化し得ることを発見した。塗布された基板をLCセルに使用すると、それは表示画像性能の改善を提供する。塗布ガラス基板が受け得る、2つの異なる応力モードがある。光学層をガラス基板の上に塗布し、かつ塗布された基板が凸形(外側に塗布層を含む)への曲げ変形を受けているとき、塗布層は引張変形を受け、ガラス層は圧縮変形を受けるだろう。反対に、光学層をガラス基板の底に塗布し、かつ塗布された基板が同じ凸形(内側に塗布層を有するだろう)に曲げられたとき、塗布層は圧縮変形を受け、ガラス基板は引張変形を受けるだろう。
位相差は、材料の板の複屈折性の測定単位である。それは、Δnの製品及び板の厚さとして定義され、Δnがnとnとの間の差である。ガラスは正の光弾性定数を有するため、塗布された基板の全体の位相差(基板及び塗布に対する位相差の和)は、張力下にあるガラス基板に塗布された光学層が負の光弾性定数を有する場合、増加し得る。一方、張力下にあるかかる層が正の光弾性定数を有する場合、塗布された基板の全体の位相差は減少し得る。同様に、圧縮下にあるガラス基板に塗布された光学層が負の光弾性定数を有する場合、塗布された基板の全体の位相差は減少し得、塗布された基板の全体の位相差は、圧縮下にあるかかる層が正の光弾性定数を有する場合、増加し得る。これら全ての事例で、ガラスは塗布層のそれと反対の変形モードを受ける傾向がある。
本発明の好ましい実施形態では、LCセルは、2つのガラス基板を含有し、各ガラス基板に、それぞれ、正の光弾性定数及び負の光弾性定数を有する光学層を塗布する。
本発明の好ましい実施形態では、正の光弾性定数及び負の光弾性定数の絶対値は、互いに類似しているか、もしくは実質的に同一である。好ましくは、絶対値間の差が、250×10−12Pa−1以下、好ましくは150×10−12Pa−1以下、好ましくは100×10−12Pa−1以下である。好ましくは、正の光弾性定数が、5×10−12Pa−1以上、好ましくは10×10−12Pa−1、好ましくは25×10−12Pa−1である。好ましくは、負の光弾性定数が、−5×10−12Pa−1以下、好ましくは−10×10−12Pa−1、好ましくは−25×10−12Pa−1である。光弾性定数の絶対値が5×10−12Pa−1未満である場合、塗布層が民生用電子装置にとって望ましくないほど非常に厚い場合でない限り、基板の応力に起因した複屈折性を補償する効果は限られるだろう。
好ましくは、現在のLCD製造に使用されるガラス基板は、アルカリ土類酸化物によってさらに改変され得る、アルミナシリケート(Al−SiO)、ホウケイ酸塩(B−SiO)またはアルミノホウケイ酸(Al−B−SiO)型である。これらのガラスは全て、正の光弾性反応を示し、およそ2〜4×10−12Pa−1の光弾性定数を有する。これらのガラス基板ならびに正の光弾性特性を有する任意の他の型のガラス基板への本発明の塗布層の適用は有用であろう。ゼロの光弾性定数を有するガラスの開発について、鋭意な研究努力が行われていることも注目される。しかしながら、鉛、ヒ素、及び水銀などの大量の毒性化合物をガラスに組み込まない限り、LCDの製造に使用されるガラス板はゼロに近い光弾性反応を示さない。好ましくは、本発明に使用されるガラス基板は、鉛、タリウム、及びビスマスが実質的に含有されず、すなわちこれらの金属の各々が、1,000ppm未満、好ましくは800ppm未満、好ましくは600ppm未満、好ましくは400ppm未満、好ましくは200ppm未満、好ましくは100ppm未満、好ましくは50ppm未満の量で存在する。
好ましくは、ガラス基板に塗布された光学層の形成に使用され得る、正の光弾性定数
を有する材料が、ポリメチルメタクリレート以外のアクリレートポリマー(例えば、ポリ(ベンジルメタクリレート))及びコポリマー、フッ素及び塩素などのハロゲン原子を含むアクリレートポリマー、ポリ(ビニルナフタレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、スチレンコポリマー、スチレンアクリロニトリルコポリマー、スチレン無水マレイン酸共重合体、マレイミド−スチレンコポリマー、ポリエステル、環状オレフィンコポリマー、環状オレフィンポリマー、及びセルロース系ポリマーからなる群から選択される。大きい正の光弾性定数を有する好ましい材料が、ポリカーボネート、ポリエステル、及びアクリレートポリマーを含む。好ましくは、正の光弾性定数を有する層の形成に使用されたアクリレートポリマーは、メチルメタクリレートの60wt%重合単位以下、好ましくは50wt%以下、好ましくは40wt%以下、好ましくは30wt%以下、好ましくは20wt%以下、好ましくは10wt%以下、好ましくは5wt%以下を有する。好ましくは、ガラス基板に塗布された光学層の形成に使用され得る、負の光弾性定数を有する材料が、ポリメチルメタクリレート、完全に水素化されたビニル芳香族ポリマー及び共重合体(例えば、完全に水素化されたスチレン−イソプレンブロックコポリマーを含む環状ブロックコポリマー)、ポリ(α−メチルスチレン)、ポリ(トリフルオロエチルメタクリレート)及びポリ(トリクロロエチルメタクリレート)からなる群から選択される。負の光弾性定数を有する好ましい材料が、環状ブロックコポリマー及びポリメチルメタクリレートを含む。好ましくは、環状ブロックコポリマーが、水素化前の少なくとも50,000g/モルのポリスチレン換算重量平均分子量、好ましくは少なくとも60wt%、好ましくは少なくとも70wt%、好ましくは少なくとも75wt%重合単位のスチレンを有するものを含む、完全に水素化されたスチレン−イソプレンブロックコポリマーである。当業者に一般に知られているように、ガラス基板への塗布に好適なポリマーは、機械的靭性を有し、かつ脆弱でない程度の十分な分子量を有している必要がある。典型的な非晶質ポリマーでは、ポリスチレン換算重量平均分子量は、その絡み分子量の少なくとも8〜10倍である必要がある。加えて、それらは、可視光波長範囲(380〜780nm)での優れた光透過性を示す必要がある。
光学層の厚さの好ましい範囲が、100μm未満、より好ましくは50μm未満、よりいっそう好ましくは25μm未満である。好ましくは、光学層の厚さは、1μmを超え、好ましくは5μmを超え、好ましくは10μmを超える。かかる光学塗布層の厚さが100μmを超えると、消費者がより薄い電子装置を好む場合に望ましくない。光学層の厚さが1μm未満であると、ガラスへの光学補償効果が少なく、事実上存在しない。
本発明による光学層を、当該技術分野で周知の任意の好適な塗布プロセスを使用することによって、ガラス基板に塗布し得る。例えば、光学層を、浸漬塗布、スピン塗布、スリットスピン塗布、またはスロットダイ塗布によってガラスに塗布し得る。塗布領域、塗布の厚さ、及び均一性に対するその比較的容易な制御を有するスロットダイ塗布プロセスが、より好ましい。
ガラス板の厚さの好ましい範囲が、0.1mm〜0.7mm、好ましくは0.2mm〜0.5mmである。ガラス基板の厚さが0.7mmを超えると、光学塗布の効果が十分でない場合があり、これが装置の厚さを増大することにもなるだろう。ガラス基板が0.1mm未満であると、装置の製造に対するその物理的剛性が問題になる。
3つの異なる光学ポリマー、ポリ(ベンジルメタクリレート)(PBMA)、環状ブロックコポリマー(CBC−1)、無水マレイン酸変性環状ブロックコポリマー(CBC−2)を使用した。PBMAが正の光弾性定数を有し、かつCBC材料の両方が負の光弾性定数を有する。100kg/モルのMwを有するPBMAを、Scientific Polymer Products社(ニューヨーク州オンタリオ)から購入した。The Dow Chemical Company社によって開発された光学的に明澄な材料である、CBC−1は、完全に水素化されたスチレン−イソプレンブロックコポリマーである。それは、およそ65kg/モルのMw及び水素化前の90wt%のスチレンを有する。CBC−2も、およそ1wt%の無水マレイン酸のグラフトを含む、水素化前の80wt%のスチレンを有する、完全に水素化されたスチレン−イソプレンブロックコポリマーである。Corning Glass社(ニューヨーク州コーニング)によって製造された0.5mmの厚さの薄いガラス基板を、Coresix Precision Glass社(バージニア州ウィリアムズバーグ)から購入した。光学ポリマー及び薄いガラスの光弾性定数を、適用された応力(σ)の関数として測定された複屈折性値(Δn)を線形適合させることによって得た。線形適合された曲線の勾配が、光弾性定数値、Cpである。PBMA、CBC−1及びCBC−2材料に対して1インチ×3インチの大きさ及びおよそ100〜300μmの厚さの自立膜試料についての応力に起因した複屈折性の測定を行った。薄いガラスの試験試料を、ガラススクライバーを使用して2インチ×5インチ(5.1×12.7cm)の大きさに切断した。PBMA、CBC及び薄いガラスのCp値を決定し、それぞれ、33×10−12Pa−1、−12×10−12Pa−1、−8.5×10−12Pa−1、及び3.3×10−12Pa−1になった。
参考例1 曲げ変形下の素ガラス基板
0.5mmの厚さ及び2インチ×5インチの大きさを有するガラス基板(EAGLE Glass社、Corning Glass社(ニューヨーク州コーニング))を、その位相差を測定することによって試験した。任意の機械的変形のないガラスの位相差を、Hinds Instrument社(オレゴン州ヒルズバロ)によって作製された複屈折性測定システム、Exicor 150ATSによって測定した。その後の位相差の測定をガラス上で行い、50cmの半径の曲げ固定具に対してガラスの2つの長い縁を加圧することによってそれを曲げた。曲げによるガラスの位相差を測定し、位相差の最大値が3nmであることを発見した。機械的変形を被らない素ガラスが、0.1nm未満である測定領域全体に渡って測定された位相差を有する略完全に等方性であることを発見した。しかしながら、ガラスを曲げ固定具によって変形すると、位相差の実質的な増加が観察された。最大位相差がガラスの中央領域近くに生じ、これはガラス基板の応力に起因した複屈折性効果に対する明確な証明である。
実施例2 曲げ変形下の塗布ガラスの位相差
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)内のポリ(ベンジルメタクリレート)の40wt%溶液及びシクロヘキサン内のCBC−1の20wt%溶液を、ガラス基板を塗布するために調製した。実施例1で使用された2片の薄いガラスに、それぞれ、ポリ(ベンジルメタクリレート)及び環状ブロックコポリマーのPBMA溶液及びCBC溶液を塗布し、続いて乾燥させた。各塗布の厚さを測定すると、それぞれ、75μm及び92μmであった。
塗布ガラスが、ガラスを固定具の曲げ形状に合うように曲げ固定具に対してガラスの非塗布側面を加圧することによって、曲げ変形を被った。塗布層は、この曲げ構成での引張変形を受ける。塗布ガラスが変形下にある間、PBMAの塗布ガラスに対して1.3nm及びCBC−1の塗布ガラスに対して4.8nmの最大値として上に記載されたように、塗布ガラスの位相差を測定した。
参考例1で測定された素ガラスの位相差値と比較した場合、正の光弾性定数を有するPBMAを塗布したガラスの位相差は、実質的に減少し、負の光弾性定数を有する環状ブロックコポリマーを塗布したガラスの位相差は、実質的に増加した。
実施例3 2つの異なる応力モード下で正の光弾性定数を有する光学層を塗布したガラスの位相差の変化
実施例1で使用されたものと同一の薄いガラス基板に、実施例2と同じ手段で正の光弾性定数を有するポリ(ベンジルメタクリレート)を塗布した。それを乾燥させた後の塗布の厚さを測定すると、約95μmであった。塗布ガラスを、2つの異なる方法で曲げ固定具に対してそれを加圧することによって変形させた。第1の事例では、ガラス基板の非塗布側面が曲げ固定具に直接接触したため、塗布層は引張変形下にあり、ガラス基板は主に圧縮変形下にあった。第2の事例では、ガラス基板の塗布側面が曲げ固定具に直接接触し、それが塗布層の圧縮変形を生じさせた。塗布ガラスの中央領域内の位相差を、これらの2つの変形モード下で測定し、素ガラスのそれと比較した。結果を表3に要約する。
実施例4 2つの異なる応力モード下で負の光弾性定数を有する光学層を塗布したガラスの位相差の変化
実施例1で使用されたものと同一のEAGLE Glass社の薄いガラス基板に、実施例2と同じ手段で環状ブロックコポリマーを塗布した。それを乾燥させた後の塗布の厚さを測定すると、約92μmであった。塗布ガラスを、2つの異なる方法で曲げ固定具に対してそれを加圧することによって変形させた。第1の事例では、ガラス基板の非塗布側面が曲げ固定具に直接接触したため、塗布層は引張変形下にあった。第2の事例では、ガラス基板の塗布側面が曲げ固定具に直接接触し、それが塗布層の圧縮変形を生じさせた。塗布ガラスの中央領域内の位相差を、これらの2つの変形モード下で測定し、素ガラスのそれと比較した。結果をまた、表3に要約する。
表3のデータは、ガラス基板が異なる型の変形(すなわち、引張対圧縮)を受けるとき、本発明の表2で議論されたようなガラスの応力に起因した複屈折性の補償に有用であるために、塗布層の光学素子を適切に適合させなければならないことを示している。
実施例5 曲げ変形下の両面に塗布したガラスの位相差
実施例1で使用されたものと同一の薄いガラス基板に、光学材料を両面で塗布した。
PGMEA溶剤内のPBMAの40wt%溶液及びシクロヘキサン溶剤内のCBC−2の20wt%溶液を使用した。標的の塗布の厚さは、上面及び底面の両方に対して100μmであった。これらの塗布ガラスを、曲げ固定具に対して底面を加圧することによって変形させた。その後の位相差の測定を行い、塗布ガラスは曲げ変形下にあった。塗布材料、変形モード及び測定結果についての詳細を、下の表4に要約する。
表4の結果は、上の塗布層による効果が底の塗布層による効果の影響を弱め得るため、ガラスの両面への塗布が一側面塗布ほど有用でない場合があることを示している。上の塗布層及び底の塗布層の光弾性特性が、実施例5Cに示されるように適切に適合されない場合、位相差の総量は、素ガラスのそれより実質的に悪化する場合がある。さらに、上面及び底面の両方に負の光弾性材料を塗布したガラス(実施例5A)を測定すると、上及び底の塗布層がそれぞれ引張変形及び圧縮変形を受けた状態で、実施例5Bに示されるような上面に正の光弾性材料及び底面に負の光弾性材料を塗布したガラスより高い位相差を有した。

実施例2 曲げ変形下の塗布ガラスの位相差
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)内のポリ(ベンジルメタクリレート)の40wt%溶液及びシクロヘキサン内のCBC−1の20wt%溶液を、ガラス基板を塗布するために調製した。参考例1で使用された2片の薄いガラスに、それぞれ、ポリ(ベンジルメタクリレート)及び環状ブロックコポリマーのPBMA溶液及びCBC溶液を塗布し、続いて乾燥させた。各塗布の厚さを測定すると、それぞれ、75μm及び92μmであった。
実施例3 2つの異なる応力モード下で正の光弾性定数を有する光学層を塗布したガラスの位相差の変化
参考例1で使用されたものと同一の薄いガラス基板に、実施例2と同じ手段で正の光弾性定数を有するポリ(ベンジルメタクリレート)を塗布した。それを乾燥させた後の塗布の厚さを測定すると、約95μmであった。塗布ガラスを、2つの異なる方法で曲げ固定具に対してそれを加圧することによって変形させた。第1の事例では、ガラス基板の非塗布側面が曲げ固定具に直接接触したため、塗布層は引張変形下にあり、ガラス基板は主に圧縮変形下にあった。第2の事例では、ガラス基板の塗布側面が曲げ固定具に直接接触し、それが塗布層の圧縮変形を生じさせた。塗布ガラスの中央領域内の位相差を、これらの2つの変形モード下で測定し、素ガラスのそれと比較した。結果をに要約する。
実施例4 2つの異なる応力モード下で負の光弾性定数を有する光学層を塗布したガラスの位相差の変化
参考例1で使用されたものと同一のEAGLE Glass社の薄いガラス基板に、実施例2と同じ手段で環状ブロックコポリマーを塗布した。それを乾燥させた後の塗布の厚さを測定すると、約92μmであった。塗布ガラスを、2つの異なる方法で曲げ固定具に対してそれを加圧することによって変形させた。第1の事例では、ガラス基板の非塗布側面が曲げ固定具に直接接触したため、塗布層は引張変形下にあった。第2の事例では、ガラス基板の塗布側面が曲げ固定具に直接接触し、それが塗布層の圧縮変形を生じさせた。塗布ガラスの中央領域内の位相差を、これらの2つの変形モード下で測定し、素ガラスのそれと比較した。結果をまた、に要約する。
[表]
のデータは、ガラス基板が異なる型の変形(すなわち、引張対圧縮)を受けるときガラスの応力に起因した複屈折性の補償に有用であるために、塗布層の光学素子を適切に適合させなければならないことを示している。
実施例5 曲げ変形下の両面に塗布したガラスの位相差
参考例1で使用されたものと同一の薄いガラス基板に、光学材料を両面で塗布した。PGMEA溶剤内のPBMAの40wt%溶液及びシクロヘキサン溶剤内のCBC−2の20wt%溶液を使用した。標的の塗布の厚さは、上面及び底面の両方に対して100μmであった。これらの塗布ガラスを、曲げ固定具に対して底面を加圧することによって変形させた。その後の位相差の測定を行い、塗布ガラスは曲げ変形下にあった。塗布材料、変形モード及び測定結果についての詳細を、下の表4に要約する。

Claims (8)

  1. 塗布ガラス基板であって、0.1〜0.7mmの厚さを有し、第1の側面が、正の光弾性定数を有する第1の光学層で塗布され、第2の側面が、負の光弾性定数を有する第2の光学層で塗布された、ガラス板を備える、塗布ガラス基板。
  2. 前記第1の光学層及び前記第2の光学層の各々が、1〜100ミクロンの厚さを有する、請求項1に記載の塗布ガラス基板。
  3. 前記第1の光学層が、ポリ(ベンジルメタクリレート)、ポリ(ビニルナフタレン)、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリスチレン、スチレンコポリマー、スチレンアクリロニトリル、スチレン無水マレイン酸、マレイミド−スチレンコポリマー、環状オレフィンコポリマー、環状オレフィンポリマー、及びセルロース系ポリマーからなる群から選択される、請求項2に記載の塗布ガラス基板。
  4. 前記第2の光学層が、完全に水素化されたビニル芳香族ポリマー及びコポリマー、環状ブロックコポリマー、ポリメチルメタクリレート、ポリ(α―メチルスチレン)、ポリ(トリフルオロエチルメタクリレート)、及びポリ(トリクロロエチルメタクリレート)からなる群から選択される、請求項3に記載の塗布ガラス基板。
  5. 前記ガラス板の前記厚さが、0.2〜0.5mmである、請求項4に記載の塗布ガラス基板。
  6. 前記第1の光学層の前記光弾性定数が、5〜250×10−12Pa−1である、請求項5に記載の塗布ガラス基板。
  7. 前記第2の光学層の前記光弾性定数が、−5〜−250×10−12Pa−1である、請求項6に記載の塗布ガラス基板。
  8. 請求項1に記載の少なくとも1つの塗布ガラス基板を備える液晶セル。
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