KR100344364B1

KR100344364B1 - 광학편광자및디스플레이장치

Info

Publication number: KR100344364B1
Application number: KR1019960703296A
Authority: KR
Inventors: 제이. 아우더커크 앤드류; 에프. 웨버 마이클; 엠. 존자 제임스; 에이. 스토버 칼
Original assignee: 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
Priority date: 1993-12-21
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 2002-11-30
Also published as: EP1126292A2; EP1126292A3; JPH09507308A; CA2179625A1; EP0736187A1; JP3621415B2; DE69430323D1; BR9408379A; ES2171182T3; IL112072A0; DE69430323T2; WO1995017691A1; KR960706646A; CA2179625C; EP0736187B1

Abstract

반사 편광자 및 다이크로익 편광자는 개량된 광학 편광자를 제공하기 위해 조합된다. 전형적으로, 다이크로익 및 반사 편광자는 서로가 거의 밀접해 있으며, 편광자들 사이의 공기 공간을 제거하기 위해 함께 양호하게 접합된다. 2개의 편광자의 조합은 조합된 편광자의 반사 편광자 축면으로부터 하나의 편광에 관한 높은 반사성 및 수직 편광에 관한 높은 투광성 및 다이크로익 편광자 측면으로부터 직교 편광에 관한 광선의 높은 흡광성 및 투광성을 제공한다. 또한, 이러한 조합은 투광시에 보여지고 다이크로익 편광자 측면으로부터의 반사시에 보여지는 진주빛을 감소시킨다. 광학 편광자의 증가된 소광비 및 낮은 반사성은 소정의 소광비 및 높은 투광성을 요하는 응용시에 최저 소광비의 다이크로익 편광자를 이용할 수 있게 한다.

Description

광학 편광자 및 디스플레이 장치

광학 편광 필름은 눈부심을 감소시키는 선글라스로, 광학 콘트라스트 증가용으로, 및 액정 디스플레이(LCD)에 널리 이용되었다. 이러한 응용 분야에 가장 공통적으로 이용된 형태의 편광자는 다이크로익(dichroic) 편광자이다. 다이크로익 편광자는 한 방향으로 신장되는 폴리머 시트(polymer sheet)에 염료(dye)를 함유시킴으로써 제조된다. 또한, 다이크로익 편광자는 폴리비닐 알코올과 같은 반결정성(semicrystalline) 폴리머를 단축으로 신장시킨 다음, 요오드 콤플렉스(complex)로 폴리머를 착색시키거나 폴리머를 배향된(oriented) 다이크로익 염료로 코팅함으로써 제조된다. 전형적으로, 이러한 편광자는 500 : 1 이상의 흡수율(신장 방향과 평행한 편광 광선과 신장 방향에 대해 수직으로 편광된 광선의 투과도 비)을 갖고 있다. 다이크로익 편광자는 고투과 방향으로 편광된 광에 대해서도 소정의 흡수성을 갖고 있다. 전형적으로, 이러한 투과 방향으로의 광선 손실은 10-20 %이다.

시판 중인 편광자는 염료용 폴리머 매트릭스로서 폴리비닐 알코올을 이용하지만, 다른 폴리머가 이용될 수 있다. 미합중국 특허 제4,756,953호에는 폴리머 매트릭스로서 폴리에틸렌 나프탈레이트를 사용하는 것에 관해 기술하고 있다.

하나의 편광을 갖는 광은 반사시키고, 다른 하나의 편광을 갖는 광은 투과시키는 납작한 시트 형태의 반사 편광자가 이용될 수 있다. 이러한 편광자는 고투과도 방향의 편광을 통과시키는데에 보다 효과적이다. 이것은 광선을 편광시키는데 비흡수성 절연 스택(stack)을 이용하기 때문이다. 이러한 편광자는 시트의 양쪽 측면에서 투사되는 광선에 대해 동일한 반사성을 나타낸다. 또한, 이러한 형태의 편광자는 시트의 국부 영역을 통과한 광선의 누설 및 관심 영역의 파장 영역에 걸쳐 발생하는 높은 소광(extinction) 방향 편광에 관한 불완전한 반사도와 같은 소정의 결함을 갖고 있다. 이러한 광선의 누설 및 불완전한 반사도는 종종 이리디슨 스(iridescence)라 부른다.

발명의 요약

반사 편광자 및 다이크로익 편광자는 개량된 광학 편팡자를 제공하기 위해 조합된다. 전형적으로, 다이크로익 및 반사 편광자들은 서로가 밀접해 있고, 편광자들 사이에 공기 공간(air gap)을 제거하기 위해 양호하게는 함께 접합되어 있다. 2개치 편광자들을 조합하면, 제1 편광 광선에 대해 고반사도를 나타내고 광학 편광자의 반사 편광자 쪽에서 보았을 때 제1 편광에 직교하는 제2 편광 광선에 대해 높은 투과도를 나타내고, 및 제1 편광 광선에 대해 고흡수도를 나타내고 다이크로익 편광자 쪽에서 보았을 때 제1 편광에 직교하는 제2 편광 광선에 대해 고투과도를 제공하는 편광자가 제공된다. 또한, 투과광에 대해 관측하고, 다이크로익 편광자 쪽으로부터 반사광을 관측했을 때 이리디슨스는 반사 편광자만 있을 때에 비해 감소된다. 이리디슨스의 이러한 감소는 광학 디스플레이의 외관, 광학 편광자의 소광율 및 디스플레이의 광학 균일성을 개선하는데 유용하다.

이러한 광학 편광자의 증가된 소광율 및 낮은 반사도는 소정의 소광율을 요구하는 응용 분야에서 더 낮은 소광율의 다이크로익 편광자를 이용할 수 있도록 한다. 다이크로익 편광자에 요구되는 소광율을 낮춤으로써 다이크로익 편광자에서, 투과되어야 할 레이(transmitted ray)의 흡수 손실이 감소될 수 있다. 그러므로, 이러한 광학 편광자는 다이크로익 편광자만 있는 것에 비해, 광학 편광자의 양쪽 측면으로부터 진입하는 레이에 대한 향상된 투과 소광율, 제1 편광의 광으로서 다이크로익 편광자에 의해 부분적으르 투과되어 반사 편광자에 의해 반사될 레이에 대한 낮은 반사도, 및 낮은 흡수 손실을 나타낸다.

본 발명은 개량된 광학 편광자(optical polarizer)에 관한 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 여러 가지 목적, 특징 및 장점에 대해 상세하게 기술하고자 한다.

제1도는 반사 편광자 및 이에 근접 배치된 다이크로익 편광자를 포함하는 광학 편광자를 도시한 것이고,

제2도는 반사 편광자와 접합된 다이크로익 편광자를 가지는 양호한 다층 반사 편광자를 도시한 것이며,

제3도는 반사 편광자 및 다이크로익 편광자를 이용하는 디스플레이의 한 실시예를 도시한 것이고,

제4도는 반사 편광자 및 다이크로익 편광자를 이용하는 디스플레이의 다른실시예를 도시한 것이며,

제5도는 2개의 조합된 반사 편광자 및 다이크로익 편광자를 이용하는 디스플레이의 다른 실시예를 도시한 것이고,

제6도는 반사 편광자 및 다이크로익 편광자를 이용하는 액정 디스플레이를 도시한 것이며,

제7도는 단일 인터페이스를 형성하는 필름으로 구성된 2개 층 스택을 도시한 것이고,

제8도 및 제9도는 굴절률 1.60의 매체에서 단축 복굴절 시스템의 반사율 대입사각의 곡선을 도시한 것이며,

제10도는 굴절률 1.0의 매체에서 단축 복굴절 시스템의 반사율 대 입사각의 곡선을 도시한 것이고,

제11도, 제12도 및 제13도는 단축 복굴절 시스템의 공면 굴절률과 z 굴절률 사이의 여러 가지 관계를 도시한 것이며,

제14도는 2개의 상이한 단축 복굴절 시스템에 대한 오프 축 반사율 대 파장을 도시한 것이고,

제15도는 쌍축 복굴절 필름의 y 굴절차를 발생시키는 효과를 도시한 것이며,

제16도는 쌍축 복굴절 필름의 z 굴절차를 발생시키는 효과를 도시한 것이고,

제17도는 제10도 및 제11도로부터의 정보를 요약하는 상황도이며,

제18도 내지 제23도는 미러 예에서 제공된 다층 미러의 광학 성능을 도시한 것이고,

제24도 내지 제27도는 편광자 예에서 제공된 다층 편광자의 광학 성능을 도시한 것이다.

제1도는 2개의 주요 부품을 가지는 광학 편광자(10)를 도시한 것이다. 두가지 부품에는 다이크로익 편광자(11) 및 반사 편광자(12)가 있다. 두개의 편광자는 최대 투과성을 제공하도록 정렬된다. 두개의 편광자를 조합하면 제1의 편광 광선에 대한 높은 반사성 및 광학 편광자의 반사 편광자 측면으로부터 제1 편광과 직교하는 제2 편광 광선에 대한 높은 투과도를 제공하고, 제1의 편광 광선에 대한 높은 흡수도 및 다이크로익 편광자 측면으로부터 제1 편광에 대해 직교하는 제2의 편광 광선에 대한 높은 투과도를 제공한다.

사용시, 조합된 편광자는 한쪽 또는 양쪽의 외측면 상에서 조명된다. 레이(13)는 레이(14)를 형성하기 위해 반사 편광자(12)에 의해 양호하게는 반사되는 편광의 광이다. 반사 편광자(12)에 의해 투과된 레이(13)의 광선은 다이크로익 편광자(11)에 의해 감쇠되는 레이(15)를 형성한다. 레이(13)의 편광에 대해 직교하는 편광 광선(16)은 반사 편광자(12)에 의해 양호하게는 투과되고, 다이크로익 편광자(11)에 의해 약간 감쇠된다. 레이(17)는 다이크로익 편광자(11)에 의해 양호하게는 흡수되는 편광을 갖고, 또한 양호하게는 레이(13)와 동일한 편광이 된다. 더욱이, 다이크로익 편광자(11)에 의해 투과되는 레이(17)의 광선 일부분은 반사 오프 반사 편광자(12)에 의해 반사되어 레이(18)를 형성하고 이는 다이크로익 편광자 (11)에 의해 추가로 흡수되어 감쇠된다. 레이(17)의 편광에 대해 직교하는 편광이고, 레이(16)와 동일한 편광인 광선(19)은 다이크로익 편광자(11)와 반사 편광자(12)에 의해 각각 양호하게는 투과된다.

전형적으로, 다이크로익 편광자(11)는 반사 편광자(12)에 밀접해 있다. 양호하게는, 이들은 제2도에 도시된 바와 같이 편광자들 사이의 공기 공간을 제거하기 위해 접합된다.

제2도에 도시된 양호한 예시적 반사 편광자 몸체(12)는 두가지의 상이한 중합체 물질로 이루어진 교호층(ABABA )으로 제조된다. 이 교호층들을 도면과 설명 부분의 전반에 걸쳐 물질 "(A)" 및 물질 "(B)"라고 칭한다. 두가지 물질은 함께 사출되고, 최종 다층(ABABA ...) 물질은 한 축(X)을 따라서는 신장되고(5:1), 다른 축(Y)을 따라서는 거의 신장되지 않는다(1:1). X축을 "신장" 방향이라 칭하고, Y축을 "횡단" 방향이라 칭한다.

(B)물질은 신장 처리에 의해서도 거의 변경되지 않는 정규 굴절률(예를 들어, 1.64)을 갖고 있다. (A) 물질은 신장 처리에 의해 변경된 굴절률을 가지는 특성이 있다. 예를 들어, A물질로 단축 신장된 시트는 신장 방향에 관련하여 한가지 굴절률(예를 들어, 1.88)을 가질 것이고, 횡단 방향에 관련하여 다른 굴절률(예를 들어, 1.64)을 갖는다 공면축(필름의 표면과 평행한 축)에 관련된 굴절률은 그 편광면이 이러한 축과 평행한 평면 편광의 입사 광선에 대한 실효 굴절률로 정의한다.

그러므로, 신장 후에, 다층 스택(ABABA ...)은 신장 방향에 대해 층들 간의 큰 굴절차(1.88 - 1.64 = 0.24)를 나타낸다. 횡단 방향에 있어서, 층들 사이의 굴절률은 근본적으로 동일하다(예에서, 1.64 및 1.64). 이러한 광학 특성은 다층 적층체가 방향으로 축(22) 방향으로 정확하게 배향된 입사 광선의 편광 성분을 투과 시키는 반사 편광자로서 작용하도록 한다. 축(22)은 투과축으로서 규정된다. 반사 편광자 몸체(12)로부터 나오는 광선은 제1편광 방향을 갖는 것으로 칭해진다.

반사 편광자 몸체(12)를 통과하지 못하는 광선은 제1방향에 직교하는 또는 수직한 편광 방향을 갖고 있다. 이러한 편광 방향에서 발생하는 광선은 굴절률 차이에 직면하게 되고, 그 결과 반사 된다. 이것은 소위 "소광축"(24)을 규정해 준다. 이러한 형태에 있어서, 반사 편자 몸체(12)는 선택된 편광을 가지는 광선을 통과시킨다.

반사 편광자 몸체(12)의 광학 성능은 여러 개의 층의 광학 두께에 따라 부분적으로 변한다. 후막과 박막 구조 모두가 유용하다. 층들이 광선의 다수 파장에 해당하는 광학 두께를 나타내는 경우, 광학 편광자는 원래적으로 광 대역이 된다. 층들이 광선의 파장보다 작은 광학 두께를 갖고 있는 경우, 보강 간섭을 활용하여 선택된 파장에서 반사 편광과 몸체(12)의 광학 성능을 개선할 수 있다.

예에서 설명된 제조 공정은 가시 스펙트럼 광선의 파장보다 작은 광학 두께를 가지는 균일층을 제작할 수 있다. 쌍 층(A, B)의 합계 두께가 입사 광선의 1/2파장(A+B=λ/2)에 해당하는 경우 보강 간섭이 발생한다. 이러한 1/2 파장 조건은 설계 파장에 대해 협대역 보강 간섭 범위를 낳는다. 광대역 광학 성능은 다층 협대역 스택을 적층하거나, 다른 식으로 결합시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 동일 두께(A+B=λ/2)를 가지는 층들의 제1그룹(38)이 상이한 두께(A+B=λ '/2)를가치는 제2그룹(41)상에 적층될 수 있다. 명확하게 하기 위해, 소수의 층만이 제2도에 도시되어 있는데, 실은 전형적으로 수백 개의 층(ABAB...)이 효과적인 광대역 응답성을 달성하기 위해 함께 적층될 수 있다. 양호하게는, 반사 편광자 몸체(12)는 모든 관심 영역의 각도 및 파장에서 광선을 반사시키도록 설계되어야 한다.

다층 필름 스택을 제조할 때 다층 스택을 둘러싸는데에 "표피(skin)" 층을 자주 이용한다. 전형적으로, 이러한 표피층은 폴리머 "A" 및 폴리머 "B"로 조성되고, 광선의 파장보다 두껍다.

반사 편광자의 광학 성능 및 균일성은 다층 스택의 최소한 한 측면에 근접하게 다이크로익 편광자를 추가하거나 다이크로익 편광자를 다층 스택 내의 층들 중 최소한 하나의 층에 삽입함으로써 개량될 수 있다. 이러한 구조에 있어서, 양호하게는 다이크로익 편광자(11)의 투과축(27)은 반사 편광자(12)의 투과축(22)을 따라 정렬된다. 다이크로익 편광자(11)가 제1도에 도시된 바와 같이 반사 편광자(12)의 한 측면상에 있을 때, 다이크로익 편광자(11)가 없는 상태에서 레이(17)가 반사 편광자(12)에 의해 반사되는 것과 비교할 때 레이(17)가 다이크로익 편광자 쪽으로 반사되어 통과하는 양은, 반사된 레이(18)가 다이크로익 편광자(11)에 의해 감쇠되므로 감소될 것이다. 레이(13)가 반사 편광자(12)에 의해 반사되는 것은 다이크로익 편광자(11)에 의해서는 거의 영향을 받지 않는다. 이것은 최소한 한 측면 상에서 반사 저항성을 갖는(antireflectance) 광학 편광자(10)를 제공한다. 광학 편광자(10)의 반사된 편광의 광이 디스플레이 휘도를 증가시키는데 이용될 수 있지만 편광자의 다른 측면, 즉 관측 측면은 광선을 반사시키지 말아야만 하는 경우의 디스플레이, 특히 백릿(backlit) 디스플레이에 유용하다. 어느 방향으로든지 투과되는 광에서 관측되는 이리디슨스, 및 다이크로익 편광자 쪽에서 반사된 광을 보았을 때 관측되는 이리디슨스는 다이크로익 편광자(11)의 추가에 의해 감소된다. 이리디슨스의 이러한 감소는 디스플레이의 외관, 편광자의 소광율 및 디스플레이의 광학 균일성을 개선하는데 유용하다.

제1도에 도시된 다이크로익 및 반사 편광자의 구조는 효율이 높은 광학 편광자를 만든다. 반사 편광자(12)와 다이크로익 편광자(11)를 조합한 것이 다이크로익 편광자만을 이용하여 달성되는 것보다 투과된 광선에 대한 높은 소광율을 가지는 광학 편광자(10)를 만든다. 또한, 이러한 구조는 다이크로익 편광자(11)에 의한 반사된 레이(18)의 감쇠로 인해 다이크로익 편광자 쪽에서 보았을 때 레이(17)가 저 반사 되도록 한다. 소정의 소광율 및 높은 투과도를 요하는 응용에 있어서, 광학 편광자(10)의 증가된 소광율 및 낮은 반사도는, 그렇지 않을 경우에 제1편광에 대해 낮은 소광성을 가졌을 다이크로익 편광자가 이용될 수 있도록 하여 준다. 다이크로익 편광자(11)에 요구되는 소광 정도를 떨어뜨려서, 편광자(11)에서의 투과되는 레이(16 및 19)에 대한 흡수 손실이 감소될 수 있다. 그러므로, 광학 편광자(10)는 레이 쌍(17 및 19) 및 레이 쌍(13 및 16)에 대한 향상된 투과 소광율(transmissive extinction ratio), 반사 편광자(12)에 의해 반사된 레이(18)에 대한 낮은 반사도, 및 다이크로익 편광자만을 이용하여 달성될 수 있는 것보다 더 낮은 흡수 손실을 나타낸다. 액정 디스플레이에 이용되는 다이크로익 편광자(11)에 대한 양호한 소광도는 10 내지 99.99%, 보다 양호하게는 50 내지 99%이고, 더 양호하게는 60 내지 97%이고, 가장 양호하게는 70 내지 95%이다. 반사 편광자에 대한 양호한 소광도는 20 내지 99.99%이고, 더 양호하게는 50 내지 99.9%, 가장 양호하게는 90 내지 99%이다.

반사 편광자는 정규각 또는 정규각 이외의 각, 또는 이들 모두의 각에서 제2편광에 대한 소정의 절연 간섭을 나타낼 수 있다. 이러한 반사성은 제2편광의 반사된 광의 눈부심 및 제2 편광의 투과된 광의 감쇠로 인한 문제점을 제공할 수 있다. 제1도에 도시된 바와 같이 정렬된 실제 다이크로익 편광자는 이러한 반사를 아주 약하게 감쇠시킬 뿐이다. 소정의 응용에 있어서는 이러한 반사가 허용될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 반사 편광자는 장치에 의해 이용된 광각 범위(통상적으로, TFT 또는 STN 액정 디스플레이에서 +/-45° )에 걸쳐 제2편광에 대해 최소 반사도를 양호하게 가질 수 있다. 일반적으로, 제2편광의 선형으로 편광된 광선에 대한 반사 편광자의 반사율은 20%, 양호하게는 10%, 보다 양호하게는 5%보다 작은 것이 양호하다. 이러한 반사도는 특정하거나 일반적인 응용에서 관심 영역의 파장 범위 및 사용 각도 범위에 대한 평균치이다. 또한, 제1편광으로 선형 편광된 광선에 대한 반사 편광자의 반사도는 법선 방향을 기준으로 소광축과 직교하는 각도에 걸쳐 유지되는 것이 양호하다. 제1편광에 따른 반사도는 관심 영역의 최대 각도에서 30%, 양호하게는 60% 이하로 감소되지 않는 것이 양호하고, 더 양호하게는 관심 영역의 범위에 걸쳐 법선 방향 외의 각도에서 유지되거나 증가하는 것이 바람직하다.

반사 및 다이크로익 편광자는 광대역 및 협대역 편광자의 여러 가지 조합으로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 협대역 반사 편광자는 동일 대역 범위에 걸쳐소광성을 가지는 다이크로익 편광자와 조합될 수 있다. 이러한 조합은 착색된 다이크로익 편광자에 비해 우수한 소광성과 탁월한 컬러 선명도(definition)를 가지는 적색, 녹색, 청색, 청록색(cyan), 자홍색(magenta) 및 노란색 대역의 편광자를 생산하는데 이용될 수 있다. 다른 조합으로서는 가시 스펙트럼에서 불균일한 소광성을 가지는 다이크로익 편광자로서 광대역 반사 편광자를 이용하는 것이 있다. 예를 들어, 소정의 폴리비닐 알코올/요오드 편광자는 스펙트럼의 녹색 및 적색 부분에서 우수한 소광성을 나타내고 청색 부분에서 약한 소광성을 나타낸다. 이러한 편광자는 청색 파장에서 양호한 소광성을 제공하기 위해 광대역 반사 편광자와 조합될 수 있다. 또한, 불균일한 광학 소광성은 조합된 편광자의 광학 성능을 향상시키는 데에 유용할 수 있다. 예를 들어, 반사 편광자와 다이크로익 편광자의 조합으로부터 최대 복사(radiometric) 투과도를, 녹색에서 상대적으로 높은 흡수도를 나타내고 청색 및 적색에서 낮은 흡수성을 나타내는 다이크로익 편광자를 이용함으로써 최소 발광 반사도를 나타내면서 얻을 수 있다. 또한, 법선각 및 법선각 이외의 각에서의 반사 편광자의 불충분한 소광성은 필요한 스펙트럴 영역에서 다이크로익 편광자의 소광성을 증가시킴으로써 또한 보상될 수 있다. 예를 들어, 법선각 이외의 각에서 제2편광 적색 광선에 대해 불충분한 소광성을 가지는 반사 편광자는 상대적으로 높은 적색 소광성을 가지는 다이크로익 편광자를 이용함으로써 보상될 수 있다.

다이크로익 편광자(11)는 반사 및 다이크로익 편광자를 동일한 광학 경로에 배치하거나 접착제로 함께 적층함으로써 광학 편광자(10)내에 수용될 수 있다. 다이크로익 편광자(11)는 폴리머 내의 다이크로익 다이스터프(dyestuff)의 혼합물로된 최소한 하나의 층을 다층 카스트(cast) 필름 상으로 사출시키거나 적층함으로써, 다층 반사 편광자의 하나 이상의 표피층(skin layer)의 폴리머 수지에 첨가된 다이크로익 다이스터프에 의해, 또는 다층 스택 내의 한개 이상의 층에 수지를 첨가함으로써, 배향 전에 반사 편광자(12)와 함께 수용될 수 있다. 또한, 다층 소광 기술은 광학 스택을 형성하는 개별 층 내에서 다이크로익 염료의 분포를 조절하는 능력을 제공한다. 이것은 염료가 최대 실용 영역에 배치될 수 있게 한다. 예를 들어, 염료는 광학 스택 내 최대 또는 최소 "E" 전계 강도 영역에 양호하게는 농축 될 수 있다. 다이크로익 다이스터프 및 폴리머 매트릭스의 적절한 선택에 의해, 최종 필름을 신장시키는 것은 적합한 방향을 갖는 다이크로익 편광자 및 반사 편광자를 동시에 생산할 수 있도록 한다.

안트라퀴논(antraquinone) 염료 및 아조기(azo) 염료는 다이크로익 염료 뿐만 아니라 다른 다이크로익 염료 물질로서 이용될 수 있다. 소정의 응용에 있어서, 염료는 배향될 때 현저하게 다이크로익 성질을 꼭 가질 필요는 없다. 예를 들어, 눈부심을 감소시키는데 필요한 선글라스 또는 디스플레이와 같이 둘 모두의 편광에 대해 상대적으로 높은 흡수도를 요하는 응용에서는 미미한 다이크로익 성질 또는 비다이크로익 성질의 염료를 이용할 수 있다.

다이크로익 편광자(11)는 폴리비닐 알코올 용액을 카스트(무배향) 다층 필름상에 코팅하고, 동시에 다층 반사 편광자 및 다이크로익 편광자를 형성함으로써 반사 편광자의 한쪽 또는 양쪽에 삽입될 수 있다. 카스트 필름은 무기 또는 중합체 프리머(primer)층 상의 용액 코팅, 코로나(corona) 처리에 의해 또는 물리적 처리에 의해 코팅되기 전에 접착용으로 초벌화될 수 있다. 이러한 응용에 대해 적절한 응액 기초 프리머는 미합중국 특허 제4,659,523호에 기재된 바와 같은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름을 초벌화하는데 공통적으로 이용된 수용성 코폴리에스테르이 다. 폴리비닐 알코올 코팅 용액은 물에서 2와 20 중량% 사이의 폴리머를 함유하여 야 하는데, 양호한 농도는 5와 15 중량% 사이이다. 폴리비닐 알코올은 95와 100% 사이, 양호하게는 97과 99.5% 사이의 가수 분해도를 갖고 있어야 한다. 코팅 중량은 2 내지 80 g/㎡의 범위여야 한다. 이 때, 폴리비닐 알코올 코팅된 카스트 필름은 배향된 폴리비닐 알코올 및 다층 반사 편광자를 생성하기 위해 승온 상태에서 신장된다. 온도는 다층 반사 편광자의 부품들 중 최소한 하나의 부품의 유리 전이 온도 이상이 되는 것이 양호하다. 일반적으로, 온도는 80과 160℃ 사이, 양호하게는 100과 160℃ 사이이어야 한다. 필름은 최초 치수의 2 내지 10배까지 신장되어야 한다. 양호하게는, 필름은 최초 치수의 3 내지 6배까지 신장되어야 한다. 필름은 교차 신장(cross-stretch)(신장비의 제곱근과 동일)의 자연적인 감소로부터 한정 상태가 되도록(즉, 교차 신장 치수의 변화가 거의 없는 상태) 교차 신장 방향을 따라 그 치수가 늘어날 수 있다. 필름은 길이 방향 오리엔터(orienter)로서 기계 방향으로 신장되고, 텐더를 이용하여 폭 방향으로, 또는 대각선 방향으로 신장 될 수 있다. 이 때, 배향된 폴리비닐 알코올 코팅은 요오드 기초 착색 용액, 염료 기초 착색 용액 또는 두가지 용액의 혼합물로 착색되고 붕산 및 붕사 용액과 같은 적절한 용액으로 필요한 경우 안정화된다. 이러한 착색 및 정착 기술은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 필름을 건조한 후, 다이크로익 편광자는 셀룰로오스 기재 폴리머, 아크릴레이트 폴리머, 폴리카보네이트 폴리머, 용액 기재 또는 광 경화 아크릴레이트 기재 접착제 또는 비접착 코팅, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 다른 폴리에스테르 기재 필름, 또는 반사 편광자 필름의 추가 시트와 같은 보호 필름 상에, 접착 적층됨으로써 보호될 수 있다. 다이크로익 편광자 쪽으로부터 편광자(10)를 진출 ·진입하는 편광된 광선의 상태가 크리티칼하지 않은 경우, 쌍축 배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 복굴절 폴리머가 보호층으로서 이용될 수 있다.

본 발명에 이용하기에 적절한 다이크로익 편광자는 미합중국 특허 제4,895,769호 및 제4,659,523호에 기재되어 있다. 이러한 특허에 기재된 편광자는 편광자의 폴리비닐 알코올 쪽이 반사 편광자에 접착 접합된 반사 편광자와 양호하게는 조합될 수 있다. 다이크로익 편광자는 상대적으로 얇은(즉, 4.5 g/㎡ 보다 작은) 폴리비닐 알코올 코팅으로 제조될 수 있다. 얇은 코팅은 신장 방향에 대해 수직인 편광에 대해 작은 흡수도를 갖고 있고, 고 투과축이 반사 편광자의 고 투과축과 정렬될 때 제1편광에 대해 양호한 소광성도 갖고 있다. 또한, 얇은 코팅은 처리 속도를 빠르게 한다.

그 밖의 다른 광학 필름은 특정한 응용에서 편광자(10)의 광학 경로 내에서 부착 또는 이용될 수 있다. 이러한 광학 필름의 예는 편광 상태를 유지하거나 무작위화하는 원형 또는 타원 확산기, 하드 코팅된 필름, 반사 저항성 필름, 텍스쳐된 눈부심 방지 필름, 보상 필름 또는 구조물(예로 액정 디스플레이) 및 선형 편광을 타원 또는 원형 편광으로 변화시키는데 공통적으로 이용되는 광학 리타더(retarder)를 포함한다.

다층 반사 편광자의 양호한 "A" 층은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)와 같은 결정성 나프탈렌 디카르복실산 폴리에스테르이고, 양호한 "B" 층은 나프탈렌 디카르복실 산 및 테레프탈 산(CoPEN)의 코폴리에스테르이다. PEN 및 70 나프탈레이트/30 테레프탈레이트 코폴리에스테르(CoPEN)는 에틸렌 글리콜을 디올(diol)로서 이용하여 표준 폴리에스테르 수지 솥(kettle)에서 합성된다. 만족스런 204 층으로된 편광자는 51 슬롯 피드 블록에서 PEN 및 CoPEN을 사출한 다음, 사출시 두개 층 이중 멀티플라이어(doubling multiplier)를 차례로 이용함으로써 제조된다. 멀티플라이어는 피드 블록을 빠져나오는 두개의 반폭 사출된 재료를 유동 스트림(half-width flow stream)으로 분할한 다음, 서로의 상부 상에 반폭 유동 스트림을 적층한다. 이러한 멀티플라이어는 당해 분야에 공지되어 있다. 사출은 약 295℃에서 수행된다. PEN은 0.50 dl/g의 고유 점도를 나타내고, CoPEN은 0.60 dl/g의 고유 점도를 나타낸다. PEN 물질의 사출 속도는 22.5 lb/hr이고, CoPEN의 사출 속도는 16.5 lb/hr이다. 카스트 웨브(web)는 그 두께가 약 0.0097cm(0.0038 인치)이고, 측면은 신장 중에 대기 온도 140℃에 제한되어 종 방향으로 5 : 1 비율로 단축으로 신장된다. 외부 표피층을 제외한 모든 PEN/CoPEN 층 쌍은 550nm의 설계 파장에 대해 1/2 파장의 광학 두께가 되게끔 설계된다.

이 때, 상기한 바와 같이 제조된 두개의 204 층 편광자는 접착제를 이용하여 손으로 적층된다. 양호하게는, 접착제의 굴절률은 등방성 CoPEN 층의 굴절률과 일치하여야 한다.

본 발명의 편광자는 최소한 하나의 다이크로익 편광자 및 최소한 하나의 반사 편광자를 갖고 있다(제1도에 도시됨). 또한, 다이크로익부/반사부/다이크로익부 또는 반사부/다이크로익부/반사부를 갖는 편광자를 포함하는 다른 조합이 사용될 수 있다.

제3도는 투과형 디스플레이에 이용되는 반사 편광자(12) 및 다이크로익 편광자(11)의 조합을 도시한 것이다. 액정 모듈(52)은 백라이트(54)에 의해 공급되는 종래의 다이크로익 편광자(53)를 통해 투과된 광선의 편광을 변경한다. 이러한 모드에 있어서, 반사 편광자는 액정 모듈(52)을 통과한 제1편광에 광선의 일부분을 백라이트로 복귀시킨다. 이러한 광선은 백라이트에 의해 재순환되어, 디스플레이의 휘도를 증가시키는데 이용될 수 있다.

제4도는 투과형 디스플레이의 배면 편광자로서 편광자의 조합(11 및 12)을 사용하는 것을 도시한 것이다. 이러한 모드에 있어서, 반사 편광자는 종래 디스플레이에서는 배면 다이크로익 편광자에 의해 통상적으로는 흡수되었을 제1편광 광선을 복귀시킴으로써 디스플레이의 휘도를 향상시킬 수 있다.

제5도는 디스플레이의 전면 편광자와 배면 편광자 모두로 이용되는 편광자의 조합(11 및 12)을 도시한 것이다. 제3도, 제4도 및 제5도에 도시된 디스플레이는 백라이트와 배면 편광자 사이에 부분 반사기를 삽입함으로써 트랜스플렉시브 (transflective) 디스플레이로 이용될 수도 있고, 백라이트를 반사 필름으로 대체함으로써 반사형 디스플레이로서 이용될 수도 있다.

제3도, 제4도 및 제5도에 도시된 것들과 같은 대부분의 액정 모듈(52)은 두개의 유리판 사이에 샌드위치된 액정 물질 박층을 일반적으로 포함한다. 패럴렉스(parullax)를 최소화하기 위해, 제6도에 도시된 구조가 이용될 수 있다. 여기서 편광자(11 및 12) 조합은 액정 모듈(52)의 액정(56)과 유리층(58 및 59) 사이에 배치된다. 편광자 조합을 이러한 방식으로 배치함으로써 , 그렇지 않은 경우에유리의 두께에 따라 여러 정도로 발생할 수 있는 패럴렉스가 제거된다.

예 1

Polaroid Corporation 모델 번호 제HN-38호의 다이크로익 편광 필름은 상술한 바와 같이 형성된 다층 반사 편광자에 대향하여 배치된다. 편광자는 하나의 편광을 최대로 투과시키기 위해 정렬된다. 다이크로익 및 반사 편광자의 조합은 어느 방향으로 투과된 광선을 관측하든 간에 반사 편광 필름의 이리디슨스를 제거한다. 또한, 다이크로익 편광자는 다이크로익 편광자를 통해 관측할 때 반사 편광자로부터 반사된 이리디슨스를 제거한다. 이러한 예는 반사 편광자와 다이크로익 편광자의 조합이 반사 편광자의 외관 균일성을 더 개선한다는 것을 나타낸다.

예 2

예1의 광학 편광자의 반사도 및 투과도는 모델 번호 제03-FPG-009호인 Melles-Griot 다이크로익 편광자를 사용하여 편광된 샘플 비임을 이용하여 550 nm에서 Lambda 9 분광 광도계로 측정된다. 반사도 측정은 인터그레이팅 스피어(integrating sphere)를 이용하여 행해진다. 별도의 반사도 측정은 먼저 백색 확산 반사기로 반사시킨 다음 블랙 백킹(black backing)으로 반사된 샘플에 대해 행해진다. 조합된 편광자의 투과도는 최대 투과에 대해서 분광 광도계 내에 정렬되었을 때 65.64%이고, 최소 투과도에 대해서 분광 광도계 내에 정렬되었을 때0.05%이다. 다이크로익 편광자가 인티그레이팅 스피어와 마주 보고 있고 흡수 백킹이 이용될 때, 조합 편광자의 반사도는 최대 반사도로 정렬했을 때 13.26%이고, 최소 반사도에 정렬했을때 4.37%이다. 반사 편광자가 인티그레이팅 스피어와 마주보고 있을 때 조합된 편광자의 최대 및 최소 반사도는 각각 99.22% 및 16. 58%이다. 상기 측정은 샘플 뒤에 배치된 백색 반사 표준에 대해 반복된다. 인티그레이팅 스피어와 대면하는 다이크로익 편광자를 구비한 편광자의 반사도는 최대 반사도로 정렬시 47.47%이고, 최소 반사도에 정렬시 4.41%이다. 반사 편광자가 인티그레이팅 스피어와 대면할 때 조합된 편광자의 최대 및 최소 반사도는 각각 99.32% 및 36.73% 이다. 이러한 예는 두개의 편광자의 조합이 반사 편광자의 한 측면의 반사에 실질적인 영향을 끼치지 않고서 반사 편광자의 다른 측면이 효과적인 반사 저항성을 갖도록 한다는 것을 나타낸다.

예 3

예1의 Polaroid Corporation 모델 번호 제HN-38호인 다이크로익 편광 필름 및 반사 편광자의 투과도가 예2에 기재된 절차를 이용하여 430 nm에서 측정된다. 샘플 비임으로 편광된 샘플 교차에 따른 다이크로익 편광자의 투과도는 0.63%이다. 동일 조건하에서 반사 편광자의 투과도는 48%이다. 최대 투과용으로 정렬된 두개 편광자 조합의 투과도는 0.31%이다. 이러한 예는 다이크로익 편광자의 소광성이 광학 경로에 반사 편광자를 포함함으로써 증가될 수 있다는 것을 나타낸다.

양호한 반사 편광자 몸체(12)가 폴리머 물질로 이루어진 다층 스택으로 기재되어 있지만, 또 다른 반사 편광자가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서대체 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또 다른 반사 편광자는 반사 편광자와 다이크로익 편광자 사이에 배치된 광 리타더를 이용하는 콜리스테릭 액정 편광자, 경사 분광(tilted optic prismatic) 및 비분광 다층 편광자, 및 일차 회절 편 광자를 포함한다.

다층 스택의 광학 작용

상기에 도시된 것과 같은 다층 스택의 광학 작용에 대해 보다 일반적인 용어로 기술하고자 한다. 다층 스택은 수백 또는 수천 개의 층을 포함할 수 있고, 각각의 층은 다수의 상이한 물질들 중 소정의 물질로 제조될 수 있다. 특정한 스택용의 물질의 선택을 결정해 주는 특징은 스택에 요구되는 광학 성능에 따라서 변한다.

스택은 스택 내에 층들의 수단큼 많은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 제조를 용이하게 하기 위해서, 양호한 광학 박막 스택은 소수의 서로 다른 물질만을 포함한다. 예시적 목적으로, 두가지 물질을 포함하는 다층 스택에 관해 설명한다.

물질들 사이의 또는 상이한 물리적 특성을 가지는 화학적으로 동일한 물질들 사이의 경계부는 급격히 변화하거나 단계적 변화를 나타낼 수 있다. 해석적 해를 갖는 다소 간단한 경우를 제외하고, 굴절률이 연속적으로 변하는 후자 형태의 층화(stratified) 매체의 분석은 급격 변화 경계부를 갖고 있지만 인접 층들 사이의 특성이 작게 변하는 훨씬 많은 수의 더 얇은 균일층으로 취급하여 처리하는 것이 통상적이다.

임의의 방위각(azimuthal) 방향에 대해 임의의 입사각에서의 반사 작용은 필름 스택의 각각의 필름층의 반사 굴절률에 의해 결정된다. 필름 스택 내의 모든 층이 동일한 처리를 받는다고 가정하면, 전체 스택의 작용을 각도의 함수로서 이해하기 위해서 두 개의 성분 스택으로 이뤄진 단일 인터페이스만 살펴보아도 된다.

그러므로, 설명을 간단히 하기 위해서, 단일 인터페이스의 광학 작용에 대해 기술하고자 한다. 그러나, 본 발명에 기재된 원리에 따라 제조된 실제 다층 스택은 수백 또는 수천 개의 층으로 형성된다고 이해해야 한다. 제7도에 도시된 것과 같은 단일 인터페이스의 광학 동작을 설명하기 위해서, z축 및 하나의 공면 광학축을 포함하는 입사면에 대해 s 및 p 편광 광선의 입사각의 함수인 반사도에 대해 설명하고자 한다.

제7도는 둘 모두가 굴절률 n_o인 등방성 매체 속에 잠겨져 있는, 단일 인터페이스를 형성하는 두개 물질로 된 필름층을 도시한 것이다. 설명을 간단히 하기 위해, 두 개 물질의 광학축이 정렬된 직교 다층 복굴절 시스템에 대해 설명하고자 하는데, 여기서 하나의 광학축 z 는 필름면에 수직이고 다른 광학축은 x 및 y축을 따라 형성된다. 그러나, 광학축은 꼭 직교각일 필요는 없고, 비직교 시스템도 본 발명의 의의 및 범위 내에서 양호할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 광학축이 본 발명의 의도한 범위에 속하기 위해 꼭 필름축과 정렬될 필요는 없다는 것도 이해해야 한다.

임의의 두께의 임의의 필름 스택에 관한 광학 성질을 계산하기 위한 기초적인 수학적 기반은 개별 필름 인터페이스에 관해 널리 공지된 프레넬 반사 및 투과 계수이다. 프레넬 계수는 임의의 입사각에서 s 및 p 편광 광선에 대해 별도의 공식으로 주어지는, 인터페이스의 반사도 크기를 예측한다.

절연 인터페이스의 반사도는 입사각의 함수로서 가변하고, 등방성 물질에 대해서는 p 및 s 편광 광선에 대해 상당히 다르다. p 편광 광선에 대한 최소 반사는 소위 브루우스터(Brewster) 효과 때문이고, 반사도가 제로로 되는 각도를 브루우스터 각이라 한다.

임의의 입사각에서의 임의의 필름 스택의 반사 작용은 관계 모든 필름의 유전 계수 텐서(tensor)에 의해 결정된다.

이러한 주제에 관한 일반적인 이론은 1987년에 North- Holland 가 출판한 R M. A. Azzam 및 N. M Bashara 공저의, "Ellipsometry and Polarized Light"인 문헌에 제공된다. 결과는 널리 공지된 맥스웰(Maxwell) 방정식으로부터 직접 유도된다.

시스템의 단일 인터페이스의 반사도는 각각 등식(1) 및 (2)에 의해 제공된 p 및 s 편광 광선에 대한 반사 계수의 절대치를 제곱함으로써 계산된다. 등식(1) 및 (2)는 두 개 소자의 축이 정렬된 단축 직교 시스템에 대해 유효하다.

여기에서, θ 는 등방성 매체에 대해 측정된 것이다.

단축 복굴절 시스템에 있어서, n1x = n1y = n1o 및 n2x = n2y = n2o이다.

쌍축 복굴절 시스템에 있어서, 등식 (1) 및 (2)는 제7도에 정해진 바와 같이x-z 또는 y-z 면과 평행한 편광면을 가지는 광선에 대해서만 유효하다. 그러므로, 쌍축 시스템에 대해서, x-z 면에 입사하는 광선은 등식(1)(p편광 광선)에서 n1o = n1x, n2o=n2x 이고, 등식 (1)(s 편광 광선)에서 n1o = n1x, n2o=n2x이다. y-z면에 입사하는 광선에 있어서, 식(1)(p 편광 광선)에서 n1o=n1y 및 n2o = n2y이고, 식(2)(s 편광 광선)에서 n1o = n1x 및 n2o = n2x이다.

식(1) 및 (2)는 반사도가 스택 내의 각 물질의 x, y 및 z 방향으로의 굴절률에 따라 변한다는 것을 보여준다. 등방성 물질에 있어서, 세가지 모두의 굴절률은 동일하므로, nx = ny = nz이다. nx, ny 및 nz 사이의 관계는 물질의 광학 특성을 결정한다. 세가지 굴절률 사이의 상이한 관계는 물질을 세가지의 일반적인 범주로 나누는데, 즉 등방성, 단축 복굴절성, 및 쌍축 복굴절성 물질이 그것이다.

단축 복굴절 물질은 한 방향으로의 굴절률이 다른 두가지 방향으로의 굴절률과 다르게 되는 물질이라고 규정된다. 설명을 간단하게 하기 위해서, 단축 복굴절 시스템을 기술하는 표시는 조건 nx = ny ≠ nz이다. x 및 y축은 공면축으로 규정 되고, 각각의 굴절률 nx 및 ny를 공면 굴절률이라 한다.

단축 복굴절 시스템을 생성하는 한가지 방법은 폴리머 다층 스택을 쌍축으로 신장시키는 것이다(예로 이차원을 따라 신장시킴). 다층 스택의 쌍축 신장은 양축과 평행한 면에서 인접하는 층들의 굴절률 사이의 차이를 낳게 되어, 편광의 양쪽면에서 광선의 반사를 일으킨다.

단축 복굴절 물질은 포지티브 또는 네거티브 단축 복굴절성을 가질 수 있다. 포지티브 단축 복굴절은 z 굴절률이 공면 귤절률보다 클 때 (nz>nx 및 ny) 발생한다. 네거티브 단축 복굴절은 z 굴절률이 공면 굴절률보다 작을 때 (nz<nx 및 ny) 발생한다.

쌍축 복굴절 물질은 세개의 모든 축의 굴절률이 다른 경우, 예를 들어 nx≠ny≠nz인 경우의 물질로 정의된다. 또 다시, nx 및 ny 굴절률을 공면 굴절률이라 한다. 쌍축 복굴절 시스템은 다층 스택을 한 방향으로 신장시킴으로써 만들어질 수 있다. 다시 말하면 스택은 단축으로 신장된다. 설명을 간단하게 하기 위해서, x 방향을 쌍축 복굴절 스택의 신장 방향이라 한다.

단축 복굴절 시스템 (미러)

단축 복굴절 시스템의 광학 특성에 대해 지금부터 기재하고자 한다. 상기한바와 같이, 단축 복굴절 물질의 일반적인 조건은 nx=ny≠nz이다. 그러므로, 제7도의 각각의 층(102) 및 (104)는 단축으로 복굴절되는 경우, nlx=nly 및 n2x=n2y이다. 설명을 간단하게 하기 위해, 층(102)은 층(104) 보다 큰 공면 굴절률을 갖고 있고, 따라서 x 및 y의 두 방향에서 n1>n2라고 가정한다. 단축 복굴절 다층 시스템의 광학 작용은 상이한 레벨의 포지티브 또는 네거티브 복굴절성을 도입하기 위해 n1z 및 n2z의 값을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.

등식(1)은 제7도에 도시된 것과 같은 두개 층으로 구성된 단축 복굴절 시스템의 단일 인터페이스의 반사도를 결정하는데 사용될 수 있다. 등식(2)는 s 편광 광선에 대해 등방성 필름(nx=ny=nz)인 간단한 경우의 식과 동일하게 되는 것을 용이하게 알수 있으므로, 식(1)만을 고려하면 된다. 예시적 목적으로, 필름 굴절률에 대한 소정의 특정치가 할당될 수 있다. n1x=n1y=1.75, n1z=가변이라 하고,n2x=n2y=1.50 및 n2z=가변이라 하자. 이러한 시스템 내의 여러 가지 가능한 브루우스터 각을 설명하기 위해 주변 등방성 매체에 대해 no=1.60라 하자.

제8도는 n1z가 n2z 보다 수치적으로 크거나 같을 경우(n1z≥ n2z) 등방성 매체에서 복굴절 층으로 입사된 p 편광 광선의 반사도 대 각도 곡선을 도시한 것이다. 제8도에 도시된 곡선은 다음과 같은 z 축값에서 얻은 것이다. a) n1z=1.75, n2z=1.50; b) n1z=1.75, n2z=1.57; c) n1z=1.70, n2z=1.60; d) n1z=1.65, n2z=1.60; e) n1z=1.61, n2z=1.60; 및 f) n1z=160=n2z. n1z가 n2z에 접근함에 따라 반사도가 제로가 되는 각도, 즉 브루우스터 각이 증가한다. 곡선(a-e)는 각도에 크게 의존한다. 그러나, n1z=n2z[곡선 f]일 때, 반사도의 각도 의존은 없다. 다시 말하면, 곡선(f)의 반사도는 모든 입사각에 대해 일정하다. 여기서, 식(1)은 각도 독립 변수인 (n2o-n1o)/(n2o+n1o)이 된다. n1z=n2z일 때, 브루스터 효과가 전혀 없고, 모든 입사각에 대해 반사도는 일정하다.

제9도는 n1z가 n2z 보다 수치적으로 작거나 같을 경우에 반사도 대 입사각의 곡선을 도시한 것이다. 광선이 등방성 매체로부터 복굴절층으로 입사된다. 이러한 경우에, 반사도는 입사각 증가에 따라 단조적으로 증가한다. 이것은 s 편광 광선에 대해 관측되는 현상이다. 제9도의 곡선(a)는 s 편광 광선인 단일의 경우를 도시한 것이다. 곡선(b-e)은 nz의 여러 가지 값에 대해 p 편광 광선의 경우를 다음과 같은 순서로 도시한 것이다: b) n1z=1.50, n2z=1.60; c) n1z=1.55, n2z=1.60; d) n1z=1.59, n2z=1.60; 및 e) n1z=1.60=n2z. 또 다시, n1z=n2z(곡선 e)일 때, 브루스터 효과가 전혀 없고, 모든 입사각에 대한 반사도는 일정하다.

제10도는 제8도 및 제9도의 경우와 동일하지만, 굴절률 no=1.0(공기)인 입사 매체에 대한 경우를 도시한 것이다. 제10도의 곡선은 굴절률 n2x=n2y=1.50, n2z=1.60인 포지티브 단축 물질, 및 n1x=n1y=1.75이고 n1z의 값이 상부에서 저부까지 다음과 같은 순서의 값을 갖는 네거티브 단축 복굴절 물질로 구성된 단일 인터페이스에서 p 편광 광전에 대해 도시한 것이다. n1z의 값의 순서는 a) 1.50; b) 1.55; c: 1.59, d) 1.60; f) 1.61, g) 1.65, h) 1.70 및 i) 1.75 이다. 또 다시, 제8도 및 제9도에 도시된 바와 같이, n1z 및 n2z의 값이 일치할 때(곡선 d), 각도에 대한 반사도의 의존성은 전혀 없다.

제8도, 제9도 및 제10도는 한쪽 필름의 z축 굴절률이 다른쪽 필름의 z축 굴절률과 동일할 때 한가지 유형의 작용에서 다른 유형의 작용으로 크로스 오버(cross-over)가 발생하는 것을 보여준다. 이것은 네거티브 및 포지티브 단축 복굴절의 몇 가지 조합, 및 등방성 물질에 대해 성립한다. 브루스터 각이 더 크거나 더 작은 각으로 시프트할 때 다른 상황이 발생한다.

공면 굴절률과 z 축 굴절률 사이의 여러 가지 가능한 관계가 제11도, 제12도 및 제13도에 도시되어 있다. 수직축은 상대 굴절치를 나타내고, 수평축은 여러 가지 조건을 간단하게 분리하는데 이용된다. 각각의 도면은 두개의 등방성 필름을 가지고 좌측에서 개시하는데, 여기서 z측 굴절률은 공면 굴절률과 같다. 우측으로 진행함에 따라, 공면 굴절률은 일정하게 유지되고, 포지티브 또는 네거티브 복굴절의 상대량을 나타내는 여러 개의 z 축 굴절률은 증가하거나 감소한다.

제8도, 제9도 및 제10도에 관련하여 기술된 경우가 제11도에 예시되어 있다.물질(1)의 공면 굴절률은 물질(2)의 공면 굴절률보다 더 크고, 물질(1)은 네거티브 복굴절성을 갖고 있으며(n1z는 공면 굴절률보다 작다), 물질(2)은 포지티브 복굴절성을 갖고 있다(n2z는 공면 굴절률보다 크다). 브루스터 각이 사라지고 반사도가 모든 입사각에 대해 일정한 위치는 두개의 z 축 굴절률이 동일하게 되는 지점이다. 이러한 지점은 제8도에서는 곡선(f), 제9도에서는 곡선(e), 또는 제10도에서는 곡선 (d)에 상응한다.

제8도에 있어서, 물질(1)은 물질(2) 보다 높은 공면 굴절률을 갖고 있지만, 물질(1)은 포지티브 복굴절성을 갖고 있으며, 물질(2)은 네거티브 복굴절성을 갖고 있다. 이러한 경우에, 브루스터 최소화는 더 작은 각도 값으로만 시프트할 수 있을 뿐이다.

제11도와 제12도는 두개의 필름들 중 하나의 필름이 등방성을 갖는 한정적인 경우에 유효하다. 두가지 경우는 물질(1)이 등방성이고 물질(2)가 포지티브 복굴절성을 가지는 경우이거나, 물질(2)가 등방성이고 물질(1)이 네거티브 복굴절성을 갖는 경우이다. 브루스터 효과가 전혀 없는 지점은 복굴절 물질의 z 축 굴절률이 등방성 필름의 굴절률과 같을 경우이다.

또 다른 경우는 양쪽의 필름이 동일한 유형, 즉 둘 모두 네거티브이거나 또는 포지티브 복굴절성인 경우를 말한다. 제13도는 양쪽의 필름이 네거티브 복굴절성을 가지는 경우이다. 그러나, 두개의 필름이 포지티브 복굴절성을 갖는 경우는 제13도에 도시된 두개의 필름이 네거티브 복굴절성을 갖는 경우와 유사하다는 것을 이해해야 한다. 전제한 바와 같이, 브루스터 최소화는 하나의 z축 굴절률이 다른필름의 굴절률과 같거나 교차하는 경우에만 제거된다.

또 다른 경우는 두개 물질의 공면 굴절률은 같지만, z축 굴절률이 상이한 경우에 발생한다. 제11도 내지 제13도에 도시된 세가지 모든 경우의 한 부분 집합인 이 경우에, 임의의 각도에서 s 편광 광선에 대한 반사가 전혀 발생하지 않고, p 편광 광선에 대한 반사도는 입사각이 증가함에 따라 단조적으로 증가한다. 이러한 유형의 경우에는, 입사각이 증가함에 따라 p 편광 광선에 대해 증가하는 반사도를 갖고 있고, s 편광 광선에 대해서는 투명하다. 이러한 구성의 소자를 "p 편광자"라고 지칭할 수 있다.

당해 분야에 숙련된 기술자라면 단축 복굴절 시스템의 작용을 설명하는 상술한 윈리가 광범위한 환경에서 요구되는 광학 효과를 발생시키는데 적용될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 다층 스택 내의 층들의 굴절률은 요구되는 광학 특성을 갖는 장치를 생산하도록 조작되어 맞추어진다. 다수의 네거티브 및 포지티브 단축 복굴절 시스템은 다양한 공면 및 z 축 굴절률들을 갖도록 생성할 수 있고 다수의 유용한 장치가 본 발명의 원리를 이용하여 설계 및 제조될 수 있다.

쌍축 복굴절 시스템(편광자)

제7도를 다시 참조하여, 두가지 성분의 직교 쌍축 복굴절 시스템에 대해 지금부터 설명하고자 한다. 또 다시, 이 시스템은 다수의 층을 갖고 있지만, 스택의 광학 작용은 하나의 인터페이스에서의 광학 작용을 검사함으로써 이해될 수 있다.

쌍축 복굴절 시스템은 모든 입사각에 대해 하나의 축과 평행한 편광면을 가지는 광선에 대한 높은 반사도를 제공하고, 모든 입사각에서 다른 축과 평행한 편광면을 가지는 광선에 대한 낮은 반사도를 동시에 제공하도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 쌍축 복굴절 시스템은 편광자로서 작용하여, 어느 한 편광의 광선을 투과시키고, 다른 편광의 광선은 반사시킨다. 각 필름의 굴절에 관한 세가지 굴절률인 nx, ny, nz를 조절하여, 요구된 편광자 작용이 얻어질 수 있다.

상기 설명한 PEN/coPEN의 다층 반사 편광자는 쌍축 복굴절 시스템의 한 예이다. 그러나, 일반적으로 다층 스택을 구성하는데 이용된 물질이 꼭 폴리머일 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 일반적인 원리 내에 속하는 임의의 물질이 다층 스택을 구성하는데 이용될 수 있다.

제7도를 다시 참조하면, 설명을 위해서 필름 굴절률에 대한 다음과 같은 값을 배정한다: nlx=1.88, nly=1.64, nlz=가변, n2x=1.65, n2y=가변 및 n2z=가변 x방향을 소광 방향이라 하고, y 방향을 투과 방향이라 한다.

등식(1)은 신장 방향 또는 비신장 방향으로의 입사면을 가지는 두가지 중요한 광선의 경우에 쌍축 복굴절 시스템의 각도 행동을 예측하는데 이용될 수 있다. 편광자에는 하나의 편광 방향에 대해서는 미러로 행동하고 및 다른 편광 방향에 대해서는 윈도우가 된다. 신장 방향에 있어서, 수백 개의 층을 가지는 다층 스택 내에서 1.88-1.65 = 0.23의 큰 굴절율차가 s 편광 광선에 대해 매우 높은 반사도를 발생시킬 수 있다. p 편광 광선에 대해, 여러 가지 각도에서의 반사는 nlz/n2z 굴절차에 따라서 변한다.

대부분의 응용에 있어서, 이상적인 반사 편광자는 모든 입사각에서 한쪽 축을 따라 반사가 크게 일어나고, 다른 쪽 축을 따라서는 반사가 제로가 된다. 소정의 반사가 투과축을 따라 발생하는 경우, 그리고 이러한 반사가 여러 가지 파장에 대해 다르게 발생하는 경우, 편광자의 효율은 감소되고, 색깔이 투과된 광선에 생긴다. 두가지 효과는 바람직하지 못하다. 이것은 공면 y굴절률이 일치하는 경우 일지라도 z 굴절률의 큰 비일치에 의해 야기된다. 그러므로, 최종 시스템은 p 편광 광선에 대해 큰 반사도를 갖고 있고, s 편광 광선에 대해 고도로 투명하다. 이러한 경우는 미러 경우의 분석에서 "p 편광자"라고 이미 언급되었다.

제14도는 PEN/coPEN의 800 층 스택에 대해 비신장 방향으로의 입사면을 가지는 p 편광 광선에 대해 75。에서의 반사도(-Log[1-R]로 도시됨)를 도시한 것이다. 반사도는 가시 스펙트럼(400-700nm) 범위의 파장의 함수로서 도시되어 있다. 550nm에서 곡선(a)에 관련된 굴절률은 nly=1.64, nlz=1.52, n2y=1.64 및 n2z=1.63이다. 모델 스택 설계는 각각의 쌍이 이전 쌍보다 0.3% 만큼 두껍게 되는, 1/4 파장 쌍으로 된 선형 두께 증가 형태가 된다. 모든 층에는 가우스 분포 및 5% 표준편차를 가지는 무작위 두께 에러가 할당된다.

곡선(a)은 투과축(y축)을 따라서 가시 스펙트럼에 걸쳐서 높은 오프축 반사도가 나타나고 및 상이한 파장의 광이 상이한 반사도를 겪는다는 것을 도시한 것이다. 스펙트럼이 필름 캘리퍼와 같은 층 두께 에러 및 공간적인 불균일성에 민감하기 때문에, 이것은 매우 불균일하고 "색깔" 현상을 갖는 쌍축 복굴절 시스템을 제공한다. 높은 정도의 컬러화가 어떤 응용에 바람직할지 몰라도, 오프축 컬러의 정도를 제어하고 LCD 디스플레이 및 다른 형태의 디스플레이에서와 같이 균일하면서 낮은 컬러 현상을 요구하는 응용 분야에서는 색깔 현상을 최소화하는 것이 바람직하다.

필름 스택이 모든 가시 파장에 대해 동일한 반사도를 제공하도록 설계된 경우, 균일하면서 중성인 회색 반사로 귀결될 것이다. 그러나, 이것은 거의 완벽한 두께 제어를 필요로 한다. 대신에, 오프측 반사도 및 오프축 컬러는, s 편광 반사도를 최소로 유지하면서, 비신장 공면 굴절률(n1y 및 n2y)에 굴절률 비일치를 도입하여 부루스터 조건 오프 축을 생성함으로써 최소화될 수 있다.

제15도는 쌍축 복굴절 시스템의 투광축을 따라 오프축 반사도를 감소시킬 때 y 굴절률의 비일치를 도입하는 효과를 설명한 것이다. n1z=1.52 및 n2z=1.63(△ nz=0.11)에 있어서, 다음과 같은 조건에서 p 편광 광선에 대해 도시하였다. a) n1y p=n2y=1.64; b) n1y=1.64, n2y=1.62; c) n1y=1.64 n2y=1.66 곡선(a)은 공면 굴절률 n1y 및 n2가 동일한 경우에 반사도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 0°에서 반사 최소치를 갖고 있지만, 20°이후에 급격하게 상승한다. 곡선(b)에 있어서, n1y>n2y이고, 반사도는 신속하게 증가한다. n1y<n2y인 곡선(c)은 38°에서 반사 최소치를 갖고 있지만, 이후에는 급격하게 상승한다. 고려해야 할 반사가, 곡선 (d)로 도시된 바와 같이 n1y≠n2y인 경우의 s 편광 광선에 대해서도 마찬가지로 발생한다. 제15도의 곡선(a-d)은 브루스터 최소화가 존재하려면 y 굴절률의 비일치 (n1y-n2y)의 사인(sign)이 z 굴절률의 비일치(n1z-n2z)의 사인과 동일하여야 하는 것을 나타낸다. n1y=n2y의 경우에, s 편광 광선의 반사도는 모든 각에서 제로이다.

층들 간의 z 축 굴절차를 감소시킴으로써 오프축 반사도가 더욱 감소될 수 있다. n1z가 n2z와 동일한 경우, 제10도는 소광축이 직교 입사에 대해 높은 반사도를 나타내는 것처럼 오프각에 대해서도 높은 반사도를 여전히 가질 수 있고, 양자의 굴절률이 일치하기 때문에(예를 들어, n1y=n2y 및 n1z=n2z) 임의의 각에서 어떤 반사도 비신장 축을 따라 발생하지 않는다는 것을 나타낸다.

두가지 y 굴절률 및 두가지 z 굴절률의 정확한 일치는 어떤 폴리머 시스템에서는 불가능할 수 있다. z축 굴절률이 편광자 구조에서 일치하지 않는 경우, 약간의 비일치가 공면 굴절률(n1y 및 n2y)에 대해 요구될 수 있다. 다른 예는 도16에 도시되었는데, 여기서 y 굴절률은 a) n1y=1.64, n2y=1.65: b) n1y=1.64, n2y=1.63로 가정하였고 z 굴절률은 n1z=1.56 및 n2z=1.60(△nz=0.04)이라고 가정하였다. 곡선(c)은 어느 경우에나 s 편광 광선에 관한 곡선이다. y 굴절률의 비일치의 사인이 z 굴절률의 비일치 사인과 동일한 경우에 곡선(a)는 최소 오프 각 반사도를 발생시킨다.

제16도에서 곡선(a)의 조건을 가지는 75°의 입사각에서 필름으로 이루어진 800 층 스택에 대해 계산된 오프축 반사가 제14도에 곡선(b)로 도시되어 있다. 제14도의 곡선(b)와 곡선(a)를 비교해 보면, 곡선(b)로 도시된 조건에 대해 오프축 반사도가 훨씬 더 작으므로, 컬러가 최저로 지각된다는 것을 알 수 있다. 550nm에서 곡선(b)에 관련된 굴절률은 n1y=1.64, n1z=1.56, n2y=1.65, n2z=1.60이다.

제17도는 p 편광에 대해 제7도에 관련하여 기술된 오프축 반사도를 요약한 등식(1)의 등고선도(contour plot)를 도시한 것이다. 비신장 방향과 관계된 네가지 독립 굴절률은 두가지의 굴절률 비일치(△nz 및 △ny)로 축약되었다. 이 등고선도는 0°에서 75°까지의 범위에서 15°씩 증가시키며 여러 가지 입사각에서 얻은 6개의 등고선도의 평균이다. 반사도의 범위는 0.4 × 10^-4만큼의 일정한 증가시, 등고선(a)에 대한 0.4 N 10^-4에서 등고선(j)에 대한 4.0 × 10^-4까지이다. 이 등고선도는 하나의 광학축을 따라 발생하는 굴절률의 비일치에 의해 야기된 반사도가 다른 축을 따라 발생하는 비일치에 의해 얼마만큼이나 오프셋될 수 있는지를 나타낸다.

그러므로, 쌍축 복굴절 시스템의 층들 사이의 z 굴절률의 비일치를 감소시키고, 또는 브루스터 효과를 발생시키기 위해 y 굴절를의 비일치를 도입함으로써, 다층 반사 편광자의 투과축을 따라 발생하는 오프축 반사도 및 그에 따른 오프축 컬러는 최소화한다.

또한, 좁은 파장 범위에 걸쳐 동작하는 협대역 편광자가 본 발명의 원리를 이용하여 설계될 수 있다는 것을 주지해야 한다. 이 편광자들은 적색, 녹색, 청색, 청록색, 자홍색 또는 노란색 대역의 편광자가 되도록 제조될 수 있다.

물질 선택 처리 공정

설정된 상기 설계를 고려함에 있어서, 당해 분야에 숙련된 기술자라면 요구되는 굴절률의 관계를 발생시키도록 선택된 조건하에서 넓은 범위의 물질이 처리될 때, 본 발명에 따른 다층 미러 또는 편광자를 형성하는데 많은 종류의 물질이 이용 될 수 있다는 것을 용이하게 인지할 수 있을 것이다. 일반적으로, 요구되는 모든 조건은 제2물질과 비교할 때 제1물질이 선택된 방향에 대해 상이한 굴절률을 가져야 한다는 것이다. 이러한 차는 필름 형성 중에 또는 후에(예를 들어, 유기 폴리머의 경우에) 신장시키거나, (예로 액정의 경우에)사출나기리나 또는 코팅을 포함하는 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 부수적으로, 두가지 물질이 유사한 유동 특성(예를 들어, 용융 점도)을 갖고 있어서, 함께 사출될 수 있는 것이 양호하다.

일반적으로, 적절한 조합은 제1물질로서 결정성 또는 반결정성 유기 폴리머를 선택하고 제2물질의 유기 폴리머를 선택함으로써 달성될 수 있다. 제2물질은 결정성, 반결정성 또는 비결정성인 물질이거나, 제1 물질의 것과 반대되는 복굴절 성을 가진 물질일 수 있다.

적절한 물질에 관한 특정 예는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 이의 이성체(예를 들어, 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- 및 2,3-PEN), 폴리알킬 테레프탈레이트(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 폴리-1,4-사이클로 헥산디메틸렌 테레프탈레이트), 폴리이미드(예를 들어, 폴리아크릴 이미드), 폴리에테르이미드, 아탁틱(atactic)의 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리메타크릴레이트(예를 들어, 폴리이소부틸 메타크릴레이트, 폴리프로필 메타크릴레이트, 폴리에틸 메타크릴레이트 및 폴리메틸 메타크릴레이트), 폴리아크릴레이트(예를 들어, 폴리부틸아크릴레이트 및 폴리메탈아크릴레이트), 셀룰로스 유도체(예를 들어, 에틸 셀룰로스, 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 프로피오네이트, 셀룰로스 아세테이트 부티레이트 및 셀룰로스 니트레이트), 폴리아킬렌 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리이소부틸렌 및 폴리(4-메틸) 펜텐, 플루오리네이트 폴리머(예를 들어, 퍼플루오로알콕시 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이트 에틸렌 프로필렌 코폴리머, 폴리비닐리덴 플루오라이드및 폴리클로로트리 플루오로 에틸렌), 클로리네이트 폴리머(예를 들어, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 폴리비닐클로라이드), 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 실리콘 수지, 에폭시 수지, 폴리비닐아세테이트, 폴리에테르 아미드, 이온오메릭 수지, 탄성 폴리머(예를 들어, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌 및 네오프렌)및 폴리우레탄을 포함한다.

또한, 적절한 물질은 코폴리머, 예를 들어 PEN의 코폴리머[예를 들어, (a) 테레프탈 산 또는 이의 에스테르: (b) 이소프탈 산 또는 이의 에스테르: (c) 프탈산 또는 이의 에스테르: (d) 알칸 글리콜: (e) 사이클로알칸 글리콜(예를 들어, 사이클로헥산 디메탄올 디올): (f) 알칸 디카르복실릭 산 및/또는 (g) 사이클로알칸 디카르복실릭 산(예를 들어, 사이크로헥산 디카르복실릭 산)을 구비한 2, 6-,1, 4-, 1, 5-, 2, 7-, 및/또는 2, 3 나프탈렌 디카르복실릭산 또는 이것의 에스테르와, (a) 나프탈렌 디카르복실릭 산 또는 이의 에스테르: (b) 이소프탈 산 또는 이의 에스테르: (c) 프탈 산 또는 이의 에스테르: (d) 알칸 글리콜: (e) 사이클로알칸 글리콜(예를 들어, 사이클로헥산 디메탄올 디올): (f) 알칸 디카르복실릭 산 및/또는 (g) 사이클로알칸 디카르복실릭 산(예를 들어, 사이클로헥산 디카르복실릭산)을 구비한 폴리알킬렌 테레프탈레이트 코폴리머(예로, 테레프탈릭 산 또는 이것의 에스테르인 폴리머와, 및 스티렌 코폴리머(예를 들어, 스티렌 부타디엔 코폴리머 및 스티렌 아크릴로니트릴 코폴리머), 4,4' 비벤조익(bibenzoic)산 및 에틸린 글리콜을 가지는 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7-1 및/또는 2,3-나프탈린 디카르복실릭 산 또는 이의 에스테르가 있다. 부수적으로, 각각의 개별 층은 상기 제시한 폴리머 또는 코폴리머의 두가지 이상의 혼합물[예를 들어, SPS 및 아탁틱의 폴리스티렌의 혼합물]을 포함할 수 있다.

편광자의 경우에 층들의 특히 양호한 조합은 PEN/co-PEN, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PEN)/co-PEN, PEN/SPS, PET/SPS, PEN/Eastair, 및 PEN/Eastair을 포함하는데, 여기서 "co-PEN"은 나프탈렌 디카르복실릭 산(상기 설명한 물질)에 기초를 둔 코폴리머 또는 혼합물을 칭하는 것이고, Eastair은 Eastman Chemical 사가 시판 중인 폴리사이클로헥산디메틸렌 테레프탈레이트이다.

미러의 경우에 층들의 특히 양호한 조합은 PET/Ecdel, PEN/Ecdel, PEN/SPS, PEN/THV, PEN/co-PET 및 PET/SPS를 포함하는데, 여기서 "co-PET"는 (상기 설멸한) 테레프탈 산에 기초를 둔 코폴리머 또는 혼합물을 칭하는 것이고, Ecdel은 Eastman Chemical Co. 사가 시판 중인 열가소성 폴리에스테르이고, THV는 3M 사가 시판 중인 플루오르폴리머이다.

장치의 층의 개수는 경제적인 이유 때문에 최소 개수의 층을 이용하여 요구된 광학 특성을 달성하도록 선택된다. 편광자와 미러 모두의 경우에, 층의 수는 양호하게 10,000 이하, 보다 양호하게는 5,000 이하, 및 더욱 양호하게는 2,000개 이 하가 된다.

상기한 바와 같이, 여러 가지 굴절률 중 사이에서 요구되는 관계(따라서, 다층 장치의 광학 특성)를 달성하기 위한 능력은 다층 장치를 준비하는데 사용된 처리 조건에 영향을 받는다. 신장에 의해 배향될 수 있는 유기 폴리머의 경우에, 장치는 다층 필름을 형성하기 위해 개별 폴리머를 함께 사출시킨 다음 선택된 온도에서 신장시켜 필름을 배향하고, 선택 사항으로는 규정된 온도에서 가열 경화시킴으로써 준비되는 것이 일반적이다. 대안으로, 사출 및 배향 단계는 동시에 수행될 수 있다. 편광자의 경우에, 필름은 한 방향(단축 방향)으로 신장되지만, 미러의 경우에 필름은 두 방향(쌍축 방향)으로 신장된다.

필름은 교차 신장시의 자연적이 감소(신장비의 제곱근과 동일)로부터 교차신장 방향으로 치수가 늘어나서 제한되게 된다(교차 신장 규모의 변화가 거의 없음). 필름은 길이 오리엔터로서 같이 기계 가공 방향으로 신장되고, 텐터를 사용해 폭 방향으로 또는 대각선 방향으로 신장된다.

사전 신장 온도, 신장 온도, 신장 속도, 신장비, 열 경화 온도, 열 경화 시간, 열 경화 완화 및 교차 신장 완화는 요구되는 굴절률의 관계를 가지는 다층 장치를 발생시키도록 선택된다. 이러한 변수는 상호 의존적이므로, 예를 들어 상대적으로 낮은 신장 속도는 예를 들어, 상대적으로 낮은 신장 온도와 결합되는 경우에 이용될 수 있다. 당해 분야에 숙련된 기술자라면 요구된 다층 장치를 달성하기 위한 이러한 변수들의 적절한 조합을 어떻게 선택할 것인지를 알고 있다. 그러나, 일반적으로, 1:2-10(보다 양호하게는, 1:3-7)의 신장비는 편광자의 경우에 양호하다. 미러의 경우에, 한 축을 따라 발생하는 신장비는 1:2-10(보다 양호하게는 1:2-8 및 1:3-7)의 범위 이내가 양호하고, 제2축을 따라 발생하는 신장비는 1:0.5-10(보다 양호하게는 1.1-7 및 1.3-6)의 범위 이내가 양호하다.

적절한 다층 장치는 스핀(spin) 코팅 기술(예를 들어, Boese 등 저, JPolym, Sci. ; Part B, 30:1321(1992)에 기재된 바와 같이] 및 진공 피착 기술과 같은 기술을 이용하여 준비될 수 있는데, 후자의 기술이 결정성 유기 및 무기 폴리머 물질의 경우에 특히 유용하다.

본 발명을 다응과 같은 예를 들어 지금부터 설명하고자 한다. 이 예에 있어서, 광학 흡광성이 무시될 수 있기 때문에, 반사도는 (1- 투과도)(R=1-T)와 동일하다.

미러 예:

PET:Ecde1,601

601 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 함께 사출 처리에 의해 후속 평탄 필름 제조 라인 상에서 형성된다. 0.6 dl/g의 고유 점도(6Owt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 75 pound/hour의 속도로 전달되고, Ecdel 9966(Eastman Chemical Co.사가 시판 중인 열가소성 탄성 폴리머)은 다른 사출기에 의해 65 pound/hour의 속도로 전달된다. PET는 표피층 상에 있다. 피드블록(feedblock) 방법(미합중국 특허 제3,801,429호에 기재)은 151개 층을 발생시키는데 이용되고 이 층들은 601개 층의 사출부를 발생시키는 두개의 멀티플라이어를 통과하게 된다. 미합중국 특허 제3,565,985호에는 실례와 함께 사출 멀티플라이어를 기술하고 있다. 웨브(web)에는 약 210 ℉에서의 웨브 온도에서 약 3.6의 배출비(draw ratio)로 길이 배향된다. 필름은 약 50초 동안 약 235 ℉에서 후속적으로 사전 가열되고, 약 6%/sec의 속도로 약 4.0의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 이 때, 필름은 400 ℉에 설정된 열 경화 오븐 내에서 그 최대 폭의 약 5%만큼 완화된다. 최종 필름 두께는 2.5 mil이다.

생산된 카스트 웨브는 공기와 대하는 조직이 거칠고, 제18도에 도시된 바와 같은 투과도를 제공한다. 60°각[곡선 (b)]에서의 p 편광 광선의 퍼센트(%) 투과도는 직교 입사광[곡선 (a)](파장이 전이됨)에서의 값과 유사하다.

비교해 보건대, 등방성 물질로 된 Mearl Corporation 사의 필름(제9도)은 60°각[직교 입사각에 대한 곡선(a)와 비교되는 곡선(b)임]에서 p 편광 광선에 대한 반사도의 주목할 만한 손실을 나타낸다.

PET:Ecdel, 151

151개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 공통 사출 처리에 의해 후속 평탄 필름 제조 라인에서 형성된다. 0.6 dl/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 75 pourd/hour의 속도로 전달되고, Ecdel 9966(Eastman Chemical Co. 사가 시판 중인 서모플라스틱 탄성 폴리머)은 다른 사출기에 의해 65 pound/hour의 속도로 전달된다. PET는 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 151개 층을 발생시키는데 이용된다. 웨브에는 약 210℉에서의 웨브 온도에서 약 3.5의 배출비로 길이 배향된다. 필름은 약 12초 동안 약 215 ℉에서 후속적으로 사전 가열되고, 약 25%/sec의 속도로 약 4.0의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 이 때, 필름은 약 6초 동안 400 ℉ 에서 열 경화 오븐 내에서 그 최대폭의 약 5%만큼 늘어난다. 최종 필름 두께는 약 0.6mil이다.

이러한 필름의 투과도는 제20도에 도시되어 있다. 60°각[곡선(b)]에서의 P 편광 광선의 % 투과도는 파장의 시프트에 따라 직교 입사각[곡선(a)]에서의 값과유사하다. 동일한 사출 조건에서, 웨브 속도는 감속되어 약 0.8mi1의 두께를 가지는 적외선 반사 필름을 제조할 수 있도록 한다. 투과도는 제21도에 도시되어 있다.

[직교 입사각에서의 곡선(a), 60°에서의 곡선(b)].

PEN: Ecdel, 225

225개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 카스트 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험용 필름 신장 장치 내에서 필름을 배향함으로써 제조된다. 0.5 dl/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 18 pound/hour의 속도로 전달되고, Ecdel 9966(Eastman Chemical Co.사가 시판 중인 열가소성 탄성 폴리머)은 다른 사출기에 의해 17 pcund/hour의 속도로 전달된다. PEN은 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 57개 층을 발생시키는데 이용되고 이 층들은 225개 층의 사출부를 발생시키는 두개의 멀티플라이어를 통과하게 된다. 카스트 웨브는 두께가 12 mil이고, 폭이 50.8cm(12 인치)이다. 웨브는 필름의 사각 부분을 파지하여 균일한 속도로 양 방향으로 동시에 신장시키기 위해 판토그래프를 이용하는 실험실 신장 장치를 이용하여 나중에 쌍축으로 배향된다. 7.46㎠의 웨브는 약 100℃에서 신장기 내에 적재되어 60초 동안 130℃까지 가열된다. 신장은 샘플이 100%/sec에서 개시되어(최초 규모에 기초를 둠) 약 3.5 x 3.5로 신장될 때까지 계속된다. 신장 직후에, 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣으므로써 냉각된다.

제22도는 이러한 다층 필름의 광학 응답성을 도시한 것이다[직교 입사각에서 곡선(a), 60° 에서 곡선(b)]. 60° 의 입사각에서 p 편광 광선의 % 투과도는 직교입사각에서의 것과 (소정의 파장의 시프트에 따라) 유사하다는 것을 주목하라.

PEN:THV 500, 449

449개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 카스트 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 필름 신장 장치 내에서 필름을 배향함으로써 제조된다. 0.53 dl./g의 고유 점도(60wt. %페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 56 pound/hour의 속도로 전달되고, THV500(Minnesota Mining and Manufacturing Company사가 시판 중인 플루오로폴리머)은 다른 사출기에 의해 11pound/hour의 속도로 전달된다.

PEN은 표피층 상에 있고, PEN의 50%가 두개의 표피층 내에 제공된다. 피드블록 방법은 57개 층을 발생시키는데 이용되고, 이 층들은 449개 층의 사출부를 발생시키는 세개의 멀티플라이어를 통과한다. 카스트 웨브는 두께가 20mi1이고, 폭이 50.8cm(12인치)이다. 웨브는 필름의 사각 부분을 파지하여 균일한 속도로 양방향으로 동시에 신장시키기 위해 판토그래프를 이용하는 실험실 신장 장치를 이용하여 나중에 쌍축으로 배향된다. 7.46㎤의 웨브는 약 100℃에서 신장기 내에 적재 되어 60초 동안 140℃까지 가열된다. 이 때, 신장은 샘플이 10 %/sec에서 개시되어 (최초 규모에 기초를 둠) 악 3.5 x 3.5로 신장될 때까지 계속된다. 신장 직후에, 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣으므로써 냉각된다.

제23도는 이러한 다층 필름의 투과도를 도시한 것이다. 또 다시, 곡선(a)은 직교 입사각에서의 응답도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60°에서의 응답도를 도시한 것이다.

편광자 예:

PEN:CoPEN, 449-Low Color(로우 컬러)

449개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 카스트 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 필름 신장 장치 내에 필름을 배향함으로써 제조된다. 0.56 d1/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 하나의 사출기에 의해 43 pound/hour의 속도로 전달되고, 0.52 dl/g 고유 점도(6Owt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 CoPEN(70 mol% 2, 6 NDC 및 30 mol% DMT)은 다른 사출기에 의해 25 pound/hour의 속도로 전달된다. PEN은 표피층 상에 있고, PEN의 40%는 두개의 표피층 내에 제공된다. 피드블록 방법은 57개의 층을 발생시키는데 이용되고, 이 층들은 449개 층의 사출부를 발생시키는 세개의 멀티플라이어를 통과하게 된다. 카스트 웨브는 두께가 10 mil이고 폭이 50.8cm(12 인치)이다. 웨브는 필름의 사각 부분을 파지하여 한 방향으로 신장시키기 위해 판토그래프를 이용하는 실험실 신장 장치를 이용하여 단축으로 나중에 배향되는데, 다른 방향으로는 균일 속도에 제한된다. 7.46㎣의 웨브는 약 100℃에 서 신장기 내에 적재되어 60초 동안 140℃까지 가열된다. 이 때, 신장은 샘플이 1O%/sec에서 개시되어(최초 규모에 기초를 둠) 약 5.5x 1로 신장될 때까지 계속된다. 신장 직후에 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣으므로써 냉각된다.

제24도는 이러한 다층 필름의 투과도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 직교 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60°의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선(c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60°의 입사각 모두에서 p 편광 광선의 투과도가 매우 높다는 것(85~100%)을 주지해야 한다. 투과도는 공기/PEN 인터페이스가 60°주변에서 브루스터 각을 갖고 있어서 60°의 입사각에서 투과도가 거의 100%이기 때문에, 60°의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도가 최고로 높다. 곡선 (c)로 도시된 바와 같이 가시 범위(400-700nm)내의 s 편광 광선의 소광성이 높다는 것을 주지해야 한다.

PEN:CoPEN, 601-High Color(하이 컬러)

601개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 웨브를 사출시킨 다음, 2일 후에 모든 다른 예에서 기재된 것과 상이한 텐터 상에 필름을 배향함으로써 제조된다. 0.5 dl/g의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)는 하나의 사출기에 의해 75 pound/hour의 속도로 전달되고, 0.55dl/g의 [V(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 CoPEN(70 mol% 2, 6 NDC 및 30 mol% DMT)은 다른 사출기에 의해 65 pound/hour의 속도로 전달된다. PEN은 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 151개 층을 발생시키는데 이용되어 이 층들은 601개 층의 사출부를 발생시키기 위해 두개의 멀티플라이어를 통과하게 된다. 미합중국 특허 제3,565,985호에는 유사한 공통 사출 멀티플라이어가 기재되어 있다. 모든 신장은 텐터 내에서 행해진다. 필름은 약 20초 동안 약 28O℉에서 사전 가열되고, 약 5%/sec의 속도로 약 4.4의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 이때, 필름은 460℉에 설정된 열 경화 오븐 내에서 그 최대폭의 약 2% 만큼 늘어난다. 최종 필름 두께는 1.8 mil이다.

필름의 투과도는 제25도에 도시되어 있다. 곡선(a)은 직교 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60°의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선(c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60°의 입사각 모두에서 p 편광 광선의 투과도가 불균일하다는 것을 주지해야 한다. 또한, 곡선(c)로 도시된 바와 같이 가시 범위(400-700nm)에서의 s 편광 광선의 소광성도 불균일하다는 것을 주지해야 한다.

PEN:CoPEN, 449

449개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 카스트 웨브를 한번의 조작으로 사출시킨 다음, 실험실 필름 신장 장치로 필름을 배향함으로써 제조된다. 0.60 dl/g의 고유 점도(60wt, % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)는 하나의 사출기에 의해 26 pound/hour의 속도로 전달되고, 0.53의 고유 점도(60wt. % 페놀/40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 CoPEN(70 mol% 2, 6 NDC 및 30 mol% DMT)은 다른 사출기에 의해 24 pound/hour의 속도로 전달된다. PET는 표피층 상에 있다. 피드블록 방법은 57개 층을 발생시키는데 이용되고, 이 층들은 449개 층의 사출부를 발생시키는 세개의 멀티플라이어를 통과하게 된다. 미합중국 특허 제3,565,985호는 유사한 공통 사출 멀티플라이어를 기술하고 있다. 카스트 웨브는 두께가 7.5 mil이고 폭이 50.8 cm(12 인치)이다. 웨브는 필름의 사각 부분을 파지하여 한 방향으로 신장시키기 위해 판토그래프를 이용하는 실험실 신장 장치를 이용하여 단축으로 나중에 배향되는데, 이것은 다른 방향에서는 균일 속도에 제한된다. 7.46 ㎤의 웨브는 약 100℃에서 신장기 내에 적재되어 60초 동안 120℃ 까지가열된다. 이 때, 신장은 10%/sec에서 개시되어(최초 규모에 기초를 둠) 샘플이 약 5.0 × 1로 신장될 때까지 계속된다. 신장 직후에 샘플은 실온 공기를 샘플 상에 불어 넣으므로써 냉각된다. 최종 필름 두께는 약 1.4mil이다. 이러한 필름은 얇은 조각으로 갈라지는 일이 없이 배향 처리를 견디어 내는 충분한 점착성을 갖고 있다.

제26도는 이러한 다층 필름의 투과도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 직교 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60° 의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선(c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60°의 입사각 모두에서 p 편광 광선의 투과도(80~100%)가 매우 높다는 것을 주지해야 한다.

PEN: coPEN, 601

601개 층을 포함하는 함께 사출된 필름은 공통 사출 처리에 의해 후속 평탄필름 제조 라인 상에 형성된다. 0.5d1/g의 고유 점도(60wt. % 페놀 플러스 40wt. % 디클로로벤젠)를 가지는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)는 하나의 사출기에 의해 75 pound/hour의 속도로 전달되고, coPEN은 다른 사출기에 의해 65 pound/hour의 속도로 전달된다. coPEN은 에틸렌 글리콜을 가지는 70 mol%, 2,6 나프탈렌 디카르복실릭레이트 메틸에스테르, 15% 디메틸 이소프탈레이트 및 15% 디메틸 테레프탈레이트의 코폴리머이다. 피드블록은 PEN에 대해 1.22 및 coPEN에 대해 1.22의 광학층의 두께비를 가지는 층의 경사 분포를 발생시키도록 설계된다. PEN 표피층은 총 두께가 공통 사출된 층의 8%인 광학 스택의 외측 상에 함께 사출된다. 광학 스택은 두개의 후속 멀티플라이어에 의해 다중화된다. 멀티플라이어의 공칭 다중비는 각각 1.2 및 1.2이다. 필름은 약 40초 동안 310℉까지 후속적으로 사전 가열되고, 6%/sec의 속도로 약 5.0의 배출비로 횡단 방향으로 배출된다. 최종 필름 두께는 2mi1이다.

제27도는 이러한 다층 필름에 대한 투과도를 도시한 것이다. 곡선(a)은 직교 입사각에서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이고, 곡선(b)은 60°의 입사각에 서 p 편광 광선의 투과도를 도시한 것이며, 곡선(c)은 직교 입사각에서 s 편광 광선의 투과도를 도시한 것이다. 직교 입사각과 60°의 입사각에서 p 편광 광선의 투과도가 매우 높다는 것을 주지해야 한다. 또한, 곡선(c)로 도시된 바와 같이 가시 범위(400-700nm) 에서 s 편광 광선의 소광성이 매우 높다는 것을 주지해야 한다. 소광성은 500과 650 nm사이에서는 100%에 가깝다.

57층 피드블록을 이용하는 이러한 예에 있어서, 모든 층은 단 하나의 광학 두께(550 nm의 1/4)를 갖도록 설계되지만, 소광 장비는 전 스택을 통하여 층 두께에 따른 편차를 도입하여 상당한 광대역 광학 응답성을 발생시킬 수 있다. 151 층 피드블록으로 만들어진 예에 있어서, 피드블록은 가시 스펙트럼 부분을 포괄하여 층 두께 분포를 발생시키도록 설계된다. 이 때, 비대칭 멀티플라이어는 미합중국 특허 제5,094,788호 및 제 5,094,793호에 기재된 바와 같이 대부분의 가시 스펙트럼을 포괄하도록 층 두께 분포를 확장하는데 이용된다.

본 발명의 광학 편광자는 양호한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 당해 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명을 여러 가지 양상으로 변경, 생략 및 추가하는 것은 본 발명의 사상 및 범위 내에서 가능하다는 것을 이해하고 있을 것이다.

Claims

광학 편광자에 있어서, 적어도 하나의 복굴절 재료를 포함하여, 제1 편광을 가지는 광은 반사시키고 제2 편광을 가지는 광은 투과시키는 반사 편광자와;

상기 반사 편광자의 제1 측면 쪽에 인접하게 배치되어 상기 반사 편광자의 제1 측면에 대해 반사 저항성을 제공하는 다이크로익 흡수 편광자(dichroic absorbing polarizer)를 포함하는 광학 편광자.
LCD(Liquid Crystal Display)와, 광원과, 상기 LCD 및 광원 사이에 배치된 제1항 기재의 광학 편광자를 포함하고, 상기 광학 편광자는 상기 LCD의 시청 측면으로부터 상기 LCD를 투과하여 상기 반사 편광자에 의해 반사되는 광이 자신에 의해 흡수되도록 상기 LCD 쪽으로 배치된 상기 다이크로익 흡수 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 반사 편광자는 제1투과축을 가지며, 상기 다이크로익 흡수 편광자는 제2투과축을 가지되, 상기 제1투과축은 상기 제2투과축과 정렬되는 광학 편광자.
제1항에 있어서, 상기 반사 편광자는 적어도 하나가 복굴절 재료가 되는 적어도 두개의 재료로 된 다층 스택(multilayer stack)을 포함하는 광학 편광자.
제4항에 있어서, 상기 다이크로익 흡수 편광자는 다층 스택 내의 층중 적어도 한 층에 포함되는 광학 편광자.
제4항에 있어서, 상기 재료 중 적어도 하나의 재료는 폴리머인 광학 편광자.
제6항에 있어서, 상기 복굴절 폴리머 재료는 PEN인 광학 편광자.
제1항에 있어서, 상기 두개의 폴리머 재료는 제1 편광의 광에 대해 굴절률 차이(refractive index difference)를 나타내지 않으며, 제1 편광을 갖지 않는 광에 대해 굴절률 차이를 나타내는 광학 편광자.
제1항에 있어서, 상기 다이크로익 편광자는 상기 반사 편광자에 접착되는 광학 편광자.