KR101840892B1

KR101840892B1 - 광학적으로 대칭인 미소결정의 복굴절 층을 갖는 광학 적층체

Info

Publication number: KR101840892B1
Application number: KR1020137002368A
Authority: KR
Inventors: 마이클 에프 웨버; 유펭 리우; 스테펜 에이 존슨; 데이비드 티 유스트
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2018-03-21
Also published as: US9069136B2; US20130100530A1; EP2588904A1; WO2012005879A1; KR20130102529A

Abstract

복수의 교번적인 중합체 층(401, 402)들을 갖는 광학 적층체(400)가 개시된다. 교번적인 층들은 교번적인 복굴절(신디오택틱 폴리스티렌, sPS) 및 등방성(CoPENa) 층들이거나, 교번적인 양 및 음의 복굴절 층들일 수 있다. 복굴절 층들은 중합체의 연신 시, 광학적으로 대칭인 미소결정들을 형성하는 중합체를 사용하여 제조된다. 광학 적층체는 x-방향(연신 방향)에서 큰 굴절률 차이를, y- 및 z-방향(비-연신 방향)들에서 작은 굴절률 차이를 갖는다. 광학 적층체는, 표준 필름 텐터링 방법을 사용하여 제조될 수 있으며, 다층 반사성 편광기일 수 있다.

Description

광학적으로 대칭인 미소결정의 복굴절 층을 갖는 광학 적층체{OPTICAL STACK HAVING BIREFRINGENT LAYER OF OPTICALLY SYMMETRICAL CRYSTALLITES}

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 그 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2010년 6월 30일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/360128호의 이익을 주장한다.

다양한 유형의 장치에서 광을 관리하는 데 사용되는 광학 적층체(optical stack)가 개시된다. 광학 적층체는 디스플레이 장치에 사용하기에 적합한 다층 반사성 편광기일 수 있다.

반사성 편광기와 같은 다층 광학 필름은, 하나의 편광 배향의 광을 반사시키고, 직교 편광 배향을 갖는 광을 투과시키도록 설계된다. 이들 다층 반사성 편광기는 통상적으로 컴퓨터 모니터, 랩탑 컴퓨터, 텔레비전, 핸드헬드(hand-held) 장치, 디지털 카메라, 비디오 장치 등과 같은 디스플레이 장치에 사용된다. 다층 반사성 편광기는, 그렇지 않으면 디스플레이 장치의 디스플레이 패널에 의해 이용되지 않을 광을 재순환시켜 투과시키고, 이에 의해 백라이트 효율을 개선하고 전력 소비를 절감함으로써, 디스플레이 장치의 성능을 개선할 수 있다.

광학 적층체가 본 명세서에 개시되는데, 광학 적층체는 복수의 교번적인 복굴절 층들 및 등방성 층들을 포함하고, 복굴절 층들은 광학적으로 대칭인 미소결정(crystallite)들을 갖는 반결정질(semi-crystalline) 중합체를 포함하며, x-방향 및 y-방향은 층들에 평행한 평면을 한정하고, z-방향은 상기 평면에 수직하며, x-방향, y-방향 및 z-방향은 서로 직교하고, 복굴절 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_1x, n_1y 및 n_1z이며, 등방성 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_2x, n_2y 및 n_2z이고, 광학적으로 대칭인 미소결정들은, n_1x와 n_1y 사이의 차이가 약 0.10 초과이고, n_1y, n_1z, n_2y 및 n_2z 중 임의의 2개 사이의 차이가 약 0.03 미만이도록, 실질적으로 정렬된다. 광학적으로 대칭인 미소결정들은,

|n_1x - n_1y | > 5|n_1y - n_1z|

가 성립되도록, 실질적으로 정렬될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 광학 적층체는 복수의 교번적인 복굴절 층들 및 등방성 층들을 포함하고, 복굴절 층들은 광학적으로 대칭인 미소결정들을 갖는 반결정질 중합체를 포함하며, x-방향 및 y-방향은 층들에 평행한 평면을 한정하고, z-방향은 상기 평면에 수직하며, x-방향, y-방향 및 z-방향은 서로 직교하고, 복굴절 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_1x, n_1y 및 n_1z이며, 등방성 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_2x, n_2y 및 n_2z이고, 광학적으로 대칭인 미소결정들은,

|n_1x - n_2x| > 5|n_1y - n_2y|

가 성립되도록, 실질적으로 정렬된다.

|n_1x - n_2x| > 5|n_1z - n_2z|

가 성립되도록, 실질적으로 정렬된다.

광학 적층체의 복굴절 층들은 음 또는 양의 복굴절을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 복굴절 층은 신디오택틱(syndiotactic) 폴리스티렌을 포함하고 음의 복굴절을 나타낼 수 있다. 다른 예의 경우, 복굴절 층은 나일론을 포함하고 양의 복굴절을 나타낼 수 있다.

일부 실시 형태에서, 광학 적층체는 복수의 교번적인 제1 및 제2 복굴절 층들을 포함하고, 제1 복굴절 층은 음의 복굴절을 나타내고, 제2 복굴절 층은 양의 복굴절을 나타낸다. 이 광학 적층체의 경우에, x-방향 및 y-방향은 층들에 평행한 평면을 한정하고, z-방향은 상기 평면에 수직하며, x-방향, y-방향 및 z-방향은 서로 직교하고, 복굴절 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_1x, n_1y 및 n_1z이며, 등방성 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_2x, n_2y 및 n_2z이고, 각각의 제1 복굴절 층 및 제2 복굴절 층은 광학적으로 대칭인 미소결정들을 갖는 반결정질 중합체를 포함할 수 있고, 광학적으로 대칭인 미소결정들은 n_1y, n_1z, n_2y 및 n_2z 중 임의의 2개 사이의 차이가 약 0.03 미만이도록 실질적으로 정렬된다.

또한 본 명세서에 광학 적층체의 제조 방법이 개시된다. 이 방법은 복수의 교번적인 제1 층 및 제2 층을 포함하는 필름을 제공하는 단계 - x-방향 및 y-방향은 층들에 평행한 평면을 한정하고, z-방향은 상기 평면에 수직하며, x-방향, y-방향 및 z-방향은 서로 직교함 - ; 필름을 연신기(stretcher) 내로 이송하는 단계; 및 제1 층이 광학적으로 대칭인 제1 미소결정들을 갖는 반결정질 중합체를 포함하는 제1 복굴절 층을 포함하도록, 필름을 연신기 내에서 x-방향으로 연신시키는 단계를 포함할 수 있다. 광학 적층체는 연신 후 열고정 처리(heat set treatment)를 받게 될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 필름은 제2 층이 제2 등방성 층을 포함하도록, 연신기 내에서 x-방향으로 연신될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제2 층이 광학적으로 대칭인 제2 미소결정들을 갖는 반결정질 중합체를 포함하는 제2 복굴절 층을 포함하도록 필름이 연신기 내에서 x-방향으로 연신되고, 제1 및 제2 복굴절 층들은 각각 양의 복굴절 및 음의 복굴절을 나타낸다.

일부 실시 형태에서, 광학 적층체는 디스플레이 장치를 비롯한 광학 응용에 사용되는 것과 같은 반사성 편광기를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 적층체는 광학 적층체가 프리즘들 사이에 배치되는 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타 태양이 하기의 상세한 설명에 기재된다. 어떠한 경우에서도 상기 개요가 청구 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안되며, 청구 요지는 본 명세서에 기술된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

본 발명은 하기 도면과 연관된 하기 상세한 설명을 고려하여 더욱 완전히 이해될 수 있다:
<도 1>
도 1은 반사성 편광기의 예시적인 한 쌍의 층(1, 2)들의 개략 사시도.
<도 2>
도 2는 연신 시 음의 복굴절을 나타내는 중합체의 적합한 결정학적 형태를 도시하는 도면.
<도 3>
도 3은 연신 시 양의 복굴절을 나타내는 중합체의 적합한 결정학적 형태를 도시하는 도면.
<도 4>
도 4는 신디오택틱 폴리스티렌 및 등방성 비정질 폴리에스테르의 교번적인 층들을 포함하는 예시적인 광학 적층체(실시예 2에서 기술됨)의 개략 사시도.
<도 5>
도 5는 양의 복굴절성인 이오노모 폴리에스테르 및 신디오택틱 폴리스티렌의 교번적인 층들을 포함하는 예시적인 광학 적층체(실시예 3에서 기술됨)의 개략 사시도.
<도 6>
도 6은 양의 복굴절성인 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 신디오택틱 폴리스티렌의 교번적인 층들을 포함하는 예시적인 광학 적층체(실시예 4에서 기술됨)의 개략 사시도.
<도 7>
도 7은 바이페닐 다이카르복실레이트를 포함하고 양의 복굴절성인 폴리에스테르 및 신디오택틱 폴리스티렌의 교번적인 층들을 포함하는 예시적인 광학 적층체(실시예 5에서 기술됨)의 개략 사시도.

하나의 편광 배향의 광을 반사시키고, 직교 편광 배향을 갖는 광을 투과시키는 복굴절 다층 반사성 편광기의 존재가 잘 알려져 있다. 때때로 광학 적층체로 불리는 그러한 반사성 편광기는 디스플레이 장치에 흔히 사용되어, 통상적으로는 장치에 의해 사용되지 않는 광을 재순환 및 재투과시켜, 이에 의해 백라이트 효율을 개선하고 장치의 전력 소비를 절감한다. 예시적인 반사성 편광기는 쓰리엠(3M)™ 컴퍼니에 의해 비퀴티(Vikuiti)™ 이중 휘도 향상 필름으로서 판매된다.

단순화하여 보면, 복굴절 다층 반사성 편광기는 열처리가능한 2개의 중합체들의 교번적인 층(1, 2, 1, 2, 1, 2, 1…)들의 필름으로의 공압출 및 뒤이은 필름의 단축 연신(uniaxial stretching)을 통해 생성된다. 중합체 재료는 하나의 재료(1)가 양의 복굴절성(배향이 증가함에 따라 굴절률이 증가함)이고, 다른 재료(2)가 등방성이거나 최소한으로 복굴절성이도록 선택된다. 각각의 쌍에서의 층들의 광학적 두께는 실질적으로 동일하다. 소정 범위의 파장에 걸쳐 반사도를 얻기 위해, 쌍들의 두께들은 서로 상이하게 된다. 연신 공정은, 연신 방향으로의 복굴절 재료의 굴절률을 증가시키고, 나머지 2개의 방향으로의 굴절률을 감소시키는 역할을 하는 반면, 등방성 재료는 대체로 변화 없이 유지된다.

도 1은 반사성 편광기의 예시적인 한 쌍의 층(1, 2)들의 개략 사시도를 도시한다. 예시적인 층들의 쌍(100)은 각각 제1 층(101) 및 제2 층(102)을 포함한다. 서로 직교하는 x-, y-, 및 z-축은, x-축이 필름이 연신되는 방향이고, y-축이 필름의 폭을 한정하며, z-축이 필름의 두께를 한정하는 상태로 도시된 바와 같이 정의된다. 제1 층(101)은 복굴절 재료를 포함하고, x-, y-, 및 z-방향으로 각각 굴절률 n_1x, n_1y 및 n_1z를 갖는다. 제2 층(102)은 등방성 재료를 포함하고, x-, y-, 및 z-방향으로 각각 굴절률 n_2x, n_2y 및 n_2z를 갖는다. 이상적인 반사성 편광기의 경우에, 굴절률들 사이의 관계는 s-편광된 광의 고 반사도를 위해 n_1x >> n_2x이고, p-편광된 광 및 색조가 약한 색의 고 투과도를 위해 n_1y = n_2y = n_1z = n_2z = n_2x이도록 한다.

이상적으로, 연신 방향으로의 2개의 층들 사이의 굴절률의 차이인 Δn_x는 층들의 각각의 쌍의 반사도가 이러한 굴절률 차이와 강하게 관련되기 때문에 최대화된다. 부가적으로, y-방향으로의 2개의 층들 사이의 굴절률의 차이인 Δn_y는 요구되는 편광 상태의 투과를 최대화하기 위해 최소화된다. 마지막으로, z-방향으로의 2개의 층들 사이의 굴절률의 차이인 Δn_z는 z-y 평면에서 p-편광된 광의 원치 않는 반사도를 최소화하기 위해 최소화된다. 액정 디스플레이 장치에 사용되는 경우, 임의의 바람직하지 않은 반사도는 투과된 광에서 색 아티팩트(color artifact)를 초래할 수 있다.

반사성 편광기를 형성하는 데 보통 사용되는 연신 방법의 개요를 문헌[M.E. Denker et al. in Society For Information Display 45.1 (2006)], 미국 특허 제6,939,499 B2호(머릴(Merrill) 등), 및 이들에서 인용된 참고 문헌들에서 찾을 수 있다. 독자의 편의를 위해, 간략한 요약이 본 명세서에 제공된다. 때때로 "비구속(unconstrained) 단축 연신"으로 불리는 종래의 방법은 필름이 y- 및 z-방향으로 변형되게 하면서, x-방향으로 필름을 잡아 당기는 길이 배향기(length orienter)를 이용한다. 이상적으로, 필름은 y- 및 z-방향에 대해 굴절률이 동일하거나 거의 동일하게 유지되도록, y- 및 z-방향으로 동등하게 변형된다. 때때로 "구속 단축 연신"으로 불리는 다른 방법은 분기형 레일 텐터(divergent rail tenter)를 갖는 종래의 텐터 오븐을 이용한다. 레일에 부착된 클립을 사용하여 필름의 대향 에지들이 파지되고, 필름은 레일들이 서로로부터 선형으로 분기함에 따라 y-방향으로 연신된다. x-방향으로의 필름의 길이가 구속되어 길이가 미변경 상태를 유지하는 동안, z-방향으로의 필름 두께가 변경될 수 있다.

다층 필름을 연신하는 데 사용되는 또 다른 방법은 때때로 "포물선형 연신(parabolic stretching)"으로 불리며, 이상적인 단축 배향에 근접한다. 레일에 부착된 클립을 사용하여 필름의 대향 에지들이 파지되며, 이 필름은 레일들이 전방으로 이동하여 포물선 경로를 따라 서로로부터 분기됨에 따라 y-방향으로 연신된다. 이 방법에서, 필름은 y-방향으로 연신되고, 동시에 x-방향으로 이완되게 된다. 실질적으로, y- 및 z- 방향으로의 동일한 비례하는 치수 변화가 얻어진다. 이 방법은 보다 높은 편광 효율, 즉 식별가능한 색상이 거의 또는 전혀 없는 p-편광된 광의 높은 투과도 및 s-편광된 광의 높은 반사도를 갖는 고성능 반사성 편광기를 제조할 수 있기 때문에, 종래의 방법에 비해 종종 바람직하다.

복굴절 다층 반사성 편광기에 사용되는 통상의 복굴절 폴리에스테르는 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함한다. 다층 광학 필름은 전형적으로 구속 단축 연신을 위한 종래의 필름 텐터 장비를 사용하여 연신된다. 비대칭, 전자-풍부 평면형 기, 예를 들어 나프탈렌 및 벤젠 고리들이 필름의 x-y 평면에서 정렬되도록 연신 시 결정화가 일어나지만, y-z 평면에 있어서의 얻어진 전자 밀도는 상당히 변한다. 일반적으로, 주어진 방향으로의 굴절률은 그 방향으로의 전자 분극도(electron polarizability)에 따라 정해진다. 따라서, 통상의 복굴절 폴리에스테르를 포함하는 다층 광학 필름의 경우에, x, y-평면에서의 굴절률은 y, z-평면에서의 굴절률보다 상당히 크다.

일례로서, 복굴절 층으로서 PEN을 포함하는 다층 광학 필름의 경우에, x-방향으로의 굴절률은, ~1.62의 y-방향의 굴절률 및 ~1.51의 z-방향의 굴절률에 비해, ~1.85로 최대이다. PEN 층의 굴절률들은 y- 및 z-방향에서 상이하며, 따라서 이들은 등방성 층을 사용하여 정합될 수 없다. 예를 들어, 등방성 층은 y-방향으로 PEN 층의 굴절률과 정합하는 굴절률을 가질 수 있지만, z-방향으로는 그렇지 않다. y- 및 z-방향들에서의 굴절률들의 이러한 부정합은, ~0.11이고, 복굴절 다층 반사성 편광기에서의 관련 축외(off-axis) 색상 문제 및 축외 반사도의 원인이 된다.

본 명세서에 개시된 다층 광학 필름은 단축 진연신(true uniaxial stretching)으로부터 구속 단축 연신 및 심지어 비대칭 이축 연신에 이르기까지 다양한 배향 조건을 이용하여 제조될 수 있다. 이러한 공정 자유도는 원통 대칭 또는 단축 대칭을 갖는 결정 구조를 구비하는 특별한 부류의 중합체의 사용에 의해 가능하게 된다. 이러한 특별한 부류의 중합체는 합성 시 분자 수준에서 고유의 단축 결정질 특성을 갖지 않는다. 그러나, 이들 중합체 중 하나의 중합체의 층을 포함하는 필름의 배향 동안, 중합체의 결정화가 일어나고, 단축 대칭을 갖는 미소결정이 생성되게 한다. 생성된 연신 필름은 y- 및 z-방향에서 실질적으로 또는 거의 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는다. 고성능 다층 광학 필름 또는 광학 적층체는 이들 중합체의 교번적인 층들을 사용하여 제조될 수 있으며, 다층 광학 필름은 식별가능한 색상이 거의 또는 전혀 없는 p-편광된 광의 높은 투과도 및 s-편광된 광의 높은 반사도로 높은 편광 효율을 갖는다.

일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 광학 적층체는 복수의 교번적인 복굴절 및 등방성 층들을 포함한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 층이 연신될 때 굴절률이 실질적으로 변경되는 경우, 예를 들어 n_1x와 n_1y 사이의 차이가 약 0.08 초과, 약 0.09 초과, 또는 약 0.10 초과, 약 0.08 내지 약 1, 약 0.09 내지 약 1, 또는 약 0.10 내지 약 1인 경우, 층은 복굴절성으로 간주된다. 층이 연신될 때 굴절률이 실질적으로 동일하게 유지되는 경우, 예를 들어 n_2x, n_2y 및 n_2z 사이의 굴절률의 차이가 약 0.08 미만, 약 0.05 미만, 약 0.03 미만, 약 0.08 내지 약 0.0001, 약 0.05 내지 약 0.0001, 또는 약 0.03 내지 약 0.0001인 경우, 층은 등방성으로 간주된다.

복굴절 층은 광학적으로 대칭인 미소결정들을 갖는 반결정질 중합체를 포함한다. 복굴절 층 내에서의 미소결정 또는 결정질 상의 존재는 x-선 산란 기술, 예를 들어 x-선 결정학을 사용하여 결정될 수 있다. 이 기술에서, 파동 또는 일련의 파동들이 샘플을 통과하고, 미소결정이 존재한다면, 파동은 회절되고, 간섭 무늬가 관찰된다. 소정의 단위 셀(unit cell) 구조와 관련된 간섭 무늬는 그 특정 단위 셀에 특유하기 때문에, 미소결정의 단위 셀 구조가 확인될 수 있다. 단위 셀은 이하에서 보다 상세하게 기술된다.

미소결정들은 이들 미소결정이 사슬 축(chain axis)에 수직인 평면에서, 실질적으로 동일한, 즉 약 0.03 미만, 약 0.01 미만, 약 0.0001 내지 약 0.03, 또는 약 0.0001 내지 약 0.01인, 굴절률을 갖는 경우, 광학적으로 대칭인 것으로 간주된다.

복굴절 층은 n_1y, n_1z, n_2y 및 n_2z 중 임의의 2개 사이의 차이가 약 0.03 미만, 약 0.01 미만, 약 0.0001 내지 약 0.03, 또는 약 0.0001 내지 약 0.01이도록 실질적으로 정렬되는 광학적으로 대칭인 미소결정들을 포함한다.

반결정질 중합체는 전형적으로 결정질 및 비정질 상들을 포함한다. 비정질 상이 뚜렷한 간섭 무늬를 생성하지 못하기 때문에, 반결정질 중합체의 간섭 무늬는 주로 결정질 상으로부터 유래한다. 예시적인 복굴절 층은 반결정질 중합체의 총 체적에 대해 약 10 체적% 이상, 약 20 체적% 이상, 약 30 체적% 이상, 약 10 내지 약 60 체적%, 약 20 내지 약 60 체적%, 또는 약 30 내지 약 60 체적%의 광학적으로 대칭인 미소결정을 포함한다.

복굴절 층은 광학적으로 대칭인 미소결정을 포함하고, 미소결정은 약 5 J/g 초과, 약 15 J/g 초과, 또는 약 10 내지 약 60 J/g의 융해열을 가질 수 있다. 융해열은 일반적으로 20℃/min의 가열 속도로 시차 주사 열량 측정법(differential scanning calorimetry)에 의해 결정된다.

복굴절 층은, 연신 시 복굴절 층의 굴절률이 x-방향으로 감소하고, 연신 시 y- 및 z-방향으로의 굴절률들 중 하나 또는 둘 모두가 증가하는 음의 복굴절을 나타낼 수 있다.

음의 복굴절을 나타내는 예시적인 중합체는 신디오택틱 폴리스티렌(sPS)이다. sPS의 몇몇 결정질 형태는 공지되어 있으며, 예를 들어 문헌[K. Hodge et al. in Journal of Applied Polymer Science 83, 2705-2715 (2002) and O. Greis et al. in Polymer 30, 590-594 (1989)]에 기재되어 있다. 비정질 sPS의 필름은 전형적인 배향 공정 동안 응력-유도 결정화를 겪을 수 있다. sPS의 α-결정질 형태는 예를 들어 배향 시 생성될 수 있고, α-결정질은 전술된 참고 문헌에 기재되어 있고, 전형적으로 a = b = 26.3 Å 및 c = 5.1 Å의 단위 셀 치수를 갖는다. sPS의 방향족 고리들은, 고리들이 장축(연신 축)에 수직하게 정렬된 대칭의 원통형 기하학적 형상으로 배열되어, 장축을 따라 볼 때 육각형 형상을 형성하는 것으로 생각된다. sPS의 α-결정질 형태는 밀도를 특징으로 할 수 있는데, 밀도는 상기 문헌[K. Hodge et al.]에 기재되어 있는 절차에 따라 측정될 때, 1.046 g/㎤를 갖는 비정질 sPS와 비교하여, 1.033 g/㎤의 밀도를 갖는다.

음의 복굴절을 나타내는 예시적인 중합체가 표 1에 열거되어 있다.

일부 실시 형태에서, 광학 적층체는 교번적인 복굴절 및 등방성 층들을 사용하여 제조될 수 있으며, 복굴절 층은 음의 복굴절을 나타낸다. 그러한 구성을 갖는 예시적인 광학 적층체는 본 명세서에서 CoPEN으로 불리는, 다이카르복실레이트 단량체로서 테레프탈레이트 및 나프탈렌 다이카르복실레이트를 포함하는 비정질 폴리에스테르 및 sPS를 포함한다. 에틸렌 글리콜과 같은 글리콜, 1,6-헥산다이올과 같은 다이올, 및 트라이메틸올프로판과 같은 다작용성 다이올을 비롯한, 다양한 수산기-함유 단량체가 CoPEN 중합체를 제조하기 위해 사용될 수 있다. CoPEN 중합체가 미국 특허 제7,604,381 B2호(헤브링크(Hebrink) 등)에 기재되어 있다.

복굴절 층은, 연신 시 복굴절 층의 굴절률이 x-방향으로 증가하고, 연신 시 y- 및 z-방향으로의 굴절률들 중 하나 또는 둘 모두가 감소하는 양의 복굴절을 나타낼 수 있다.

양의 복굴절을 나타내는 예시적인 중합체는 나일론과 같은 폴리아미드이다.

양의 복굴절을 나타내는 예시적인 중합체가 표 2에 열거되어 있다.

일부 실시 형태에서, 광학 적층체는 복수의 교번적인 제1 및 제2 복굴절 층들을 포함하고, 제1 복굴절 층은 음의 복굴절을 나타내고, 제2 복굴절 층은 양의 복굴절을 나타낸다. 원칙적으로, 어느 층이든 배향 후에 x-방향으로 더 큰 굴절률을 가질 수 있지만, 대부분의 경우에, 음의 복굴절을 나타내는 층은 양의 복굴절을 나타내는 층의 배향 후 x-방향으로의 굴절률보다 작은 배향 후 x-방향의 굴절률을 가질 것이다.

음의 복굴절 중합체

음의 복굴절 중합체로 또한 불리는, 음의 복굴절을 나타내는 광학 단축 반결정질 중합체는 많은 방식으로 얻어질 수 있다. 하나의 접근법은, 디스크 형상과 닮은 대칭 단위 셀 구조로 인해, 결정화되어 주상(columnar) 결정 구조를 형성할 수 있는 엽상(leaf-like) 분자를 합성하는 것이다. 디스코틱(discotic) 단위 셀 구조는 결정 단위 셀 치수가 하기의 관계를 따르는 소정의 열가소성 물질에 의해서만 특유하게 이용가능하다:

여기서, a, b 및 c는 단위 셀 치수이다. 사슬 축은 단위 셀의 a,b-평면에 수직이다. 단위 셀 각도(α, β, γ)는 반드시 그럴 필요는 없으나 바람직하게는 약 90도일 수 있다.

결정의 단위 셀은 결정을 기술하기 위해 3차원 공간에 타일링되는(tiled) 원자들의 공간적 배열이다. 단위 셀 내에서의 원자들의 위치들은 대칭 단위에 의해 기술되는데, 원자 위치들의 세트는 격자점으로부터 측정된다. 각각의 결정 구조에 대해, 단위 셀은 일반적으로 생성된 격자가 가능한 한 대칭이 되도록 선택된다. 7개의 특유한 결정계가 있다. 가장 단순하고 가장 대칭적인 단위 셀은 입방체 단위 셀이며, 이는 수학식 1에서 개괄된 관계를 따르지 않는 단위 셀 치수로 인해, 음의 복굴절 열가소성 중합체에는 유용하지 않다. 대칭이 감소되는 순서로, 다른 6개의 결정계는 육방정계, 정방정계, 능면정계(삼방정계로 또한 알려짐), 사방정계, 단사정계 및 삼사정계이다. 따라서, 육방정계 및 정방정계는 음의 복굴절 열가소성 중합체를 설계하기 위한 가장 알맞은 결정질 형태이다.

비교해보면, 대부분의 폴리에스테르는 전술된 다른 6개의 결정계와 비교하여 결정 단위 셀 기하학적 형상에 있어서 대칭성이 가장 적은 삼사정계 구조로 결정화한다. 일부 드문 경우에, 삼사정계 단위 셀은 양의 복굴절을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 테레프탈레이트 및 바이페닐 다이카르복실레이트를 포함하는 코폴리에스테르는, 코폴리에스테르가 삼사정계 구조와 닮은 단위 셀 구조를 갖는다는 사실에도 불구하고, 단축 결정 단위 셀과 실질적으로 유사한 양의 복굴절을 나타낼 수 있다. 양의 복굴절을 나타낼 수 있는 코폴리에스테르의 특정 예는 35 몰%의 테레프탈레이트가 바이페닐 다이카르복실레이트로 대체되는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)이다.

도 2는 육방정계, 정방정계, 사방정계, 단사정계 및 삼사정계 단위 셀을 포함하는 음의 복굴절 중합체에 대한 적합한 결정학적 형태를 도시한다.

음의 복굴절과 단위 셀의 형상 사이의 관계는 음의 복굴절이 하기의 표현에 의해 정의되는 바와 같은 종횡비(L)로부터 비롯되게 하는 것이다.

여기서, a 및 c는 단위 셀 치수이다.

큰 종횡비(L)는 열가소성 중합체가 음의 복굴절성이 될 가능성을 크게 한다. 또한, 사슬 배향의 정도가 중요하며, 이는 반사성 편광기를 제조하는 주요 가공 단계인 연신 동안에 발현되는 결정도의 정도에 영향을 미친다. 사슬 배향을 최대화하기 위해 필름을 그의 유리 전이 온도 가까이에서 연신하는 것이 중요하다. 그러나, 온도는 필름이 캐비테이션(cavitation) 과정에 의해 탁도를 발현시키지 않도록 충분히 높아야 한다. 전형적인 연신 온도는 복굴절 열가소성 중합체의 유리 전이 온도보다 10 내지 30℃ 높다. 필름은 결정도를 추가로 발현시키기 위해 열고정될 수 있다.

표 1은 음의 복굴절을 발생시키는 디스코틱 단위 셀 구조를 갖는 열가소성 중합체를 열거한다.

양의 복굴절 중합체

양의 복굴절 열가소성 재료를 갖는 단축 필름을 얻기 위하여, 하나의 접근법은 단축 대칭 로드(rod)의 형상을 닮은 대칭 단위 셀 구조로 인해, 외부 응력(예를 들어, 텐터에서의 연신) 하에서 대칭적인 결정 조립체를 형성하도록 결정화될 수 있는 선형 분자를 합성하는 것이다. 이 원통형 단위 셀 구조는 결정 단위 셀 치수가 하기의 관계를 따르는 소정의 열가소성 물질에 의해서만 특유하게 이용가능하다:

여기서, a, b 및 c는 단위 셀 치수이다. 사슬 축(c)은 단위 셀의 a-b 평면에 수직이다. 단위 각도(α, β, γ)는 반드시 그럴 필요는 없으나 바람직하게는 약 90도일 수 있다.

단위 셀은 결정을 기술하기 위해 3차원 공간에 타일링되는 원자들의 공간적 배열이다. 단위 셀 내에서의 원자들의 위치들은 대칭 단위에 의해 기술되는데, 원자 위치들의 세트는 격자점으로부터 측정된다. 각각의 결정 구조에 대해, 단위 셀은 일반적으로 생성된 격자가 가능한 한 대칭이 되도록 선택된다. 7개의 특유한 결정계가 있다. 가장 단순하고 가장 대칭적인 단위 셀은 입방체 단위 셀이며, 이는 수학식 3에서 개괄된 관계를 따르지 않는 단위 셀 치수로 인해, 양의 복굴절 열가소성 중합체에는 유용하지 않다. 대칭이 감소되는 순서로, 다른 6개의 결정계는 육방정계, 정방정계, 능면정계(삼방정계로 또한 알려짐), 사방정계, 단사정계 및 삼사정계이다. 양의 복굴절을 갖는 단축 열가소성 중합체에 대한 단위 셀계는 바람직하게는 육방정계, 정방정계, 단사정계 또는 삼방정계이다. 단위 셀계가 육방정계 또는 정방정계인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 단위 셀계가 육방정계인 것이 가장 바람직하다.

도 3은 단축 대칭 결정을 갖는 양의 복굴절 중합체에 대한 적합한 결정학적 형태를 도시한다.

양의 복굴절과 단위 셀의 형상 사이의 관계는 양의 복굴절이 하기의 표현에 의해 정의되는 바와 같은 종횡비(L)로부터 비롯되게 하는 것이다.

여기서, a 및 c는 단위 셀 치수이다.

큰 종횡비(L)는 열가소성 중합체가 양의 복굴절성이 될 가능성을 크게 한다. 또한, 사슬 배향의 정도가 중요하며, 이는 반사성 편광기를 제조하는 주요 가공 단계인 연신 동안에 발현되는 결정도의 정도에 영향을 미친다. 사슬 배향을 최대화하기 위해 필름을 그의 유리 전이 온도 가까이에서 연신하는 것이 중요하다. 그러나, 온도는 필름이 캐비테이션 과정에 의해 탁도를 발현시키지 않도록 충분히 높아야 한다. 전형적인 연신 온도는 복굴절 열가소성 중합체의 유리 전이 온도보다 10 내지 30℃ 높다. 필름은 결정도를 추가로 발현시키기 위해 열고정될 수 있다.

표 2는 단축 대칭 로드를 닮은 단위 셀 구조를 갖는 열가소성 중합체를 열거한다. 단축 대칭 로드는 y-및 z-방향으로의 굴절률들이 정합된 양의 복굴절을 생성한다. 표 2는 상이한 유형들의 나일론을 포함하고, 유용한 양의 복굴절 나일론은 또한, 나일론 6/66, 나일론 6/12, 나일론 6/10, 나일론 6/6 및 나일론 4/6을 포함한다.

유용한 양의 복굴절 중합체는, 본 출원과 동일자로 출원된 미국 가출원 제_________호(류(Liu) 등)(대리인 관리번호 65482US002)에 개시된 바와 같은 다이페닐 다이카르복실레이트 단량체를 포함하는 폴리에스테르를 포함한다.

등방성 층에 대해 사용될 수 있는 적합한 중합체는 다음과 같다. 등방성 층이 복굴절 층의 전형적인 인발 온도에서의 단축 배향 시 등방성을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 저굴절률 중합체는 바람직하게는 표 2에 열거된 중합체의 유리 전이 온도 미만의 유리 전이 온도를 갖는다. 일반적으로 그 온도는 100℃ 미만이다. 등방성을 유지하기 위해, 이들 중합체는 바람직하게는, 이들 중합체가 배향 공정 동안, 그리고 최종 사용 응용에서 결정화되는 것을 방지하기에 충분한 불규칙성을 갖는다. 최종 사용 응용이 중합체의 유리 전이 온도를 초과하는 경우, 중합체 결정화를 방지하는 데 통상적으로 요구되는 것보다 훨씬 더 큰 중합체 골격 불규칙성이 바람직하다. 다층 필름의 광학적 성능에 대해서, 이들 중합체는 바람직하게는 비-연신 방향(들)에서 복굴절 층의 굴절률과 실질적으로 정합하는 등방성 굴절률을 갖는다. 등방성 층에 대한 굴절률의 전형적인 범위는 1.35 내지 1.70, 더 바람직하게는 1.40 내지 1.65의 범위이다.

등방성 층에 대해 사용되는 중합체 재료는 일반적으로 요구되는 굴절률에 따라 선택된다. 등방성 재료는 폴리메틸메타크릴레이트; 다이카르복실레이트 단량체로서 테레프탈레이트 및 나프탈렌 다이카르복실레이트를 포함하는 비정질 폴리에스테르; 비정질 폴리스티렌; 폴리카르보네이트; 폴리락트산; 미국 특허 출원 공개 제2007/0177272 A1호(벤슨(Benson) 등)에 개시된 것과 같은 폴리다이오르가노실록산 폴리옥사미드 블록 공중합체; 및 폴리비닐리덴 플루오라이드, 플루오르화 에틸렌 프로필렌, 및 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드의 공중합체와 같은 플루오로중합체를 포함한다.

본 명세서에 개시된 광학 적층체는 복수의 교번적인 층들을 포함하는데, 이는 적층체가 10개 이상의 층, 수백 개 또는 심지어 수천 개의 층들을 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 복수의 층들은 약 10개 내지 약 10,000개의 층, 약 10개 내지 약 5000개의 층, 약 10개 내지 약 1000개의 층, 또는 약 10개 내지 약 700개의 층 중 임의의 개수의 층을 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 본 명세서에 개시되는 다층 광학 필름은 약 50개 내지 약 700개의 층을 포함한다.

본 명세서에 개시된 광학 적층체는 하나의 편광 배향의 광을 반사시키고, 직교 편광 배향을 갖는 광을 투과시킬 수 있는 반사성 편광기일 수 있다. 그러한 반사성 편광기가 위에서 기술되었다. 광학 적층체는, 종종 일 유형의 다층 광학 필름으로서 기술되고 컴퓨터 모니터, 랩탑 컴퓨터, 텔레비전, 휴대 전화, 개인용 디지털 단말기 등과 같은 다양한 디스플레이 장치에 사용되는 반사성 편광기를 포함할 수 있다. 반사성 편광기는 미국 특허 제5,825,543호; 제5,867,316호; 제5,882,774호; 제6,352,761 B1호; 제6,368,699 B1호; 제6,927,900 B2호; 미국 특허 출원 공개 제2006/0084780 A1호; 제2001/0013668 A1호; 미국 특허 출원 제09/229724호; 국제 출원 공개 WO 95/17303호; WO 95/17691호; WO 95/17692호; WO 95/17699호; WO 96/19347호; WO 97/01440호; WO 99/36248호; 및 WO 99/36262호에 기술되어 있다.

광학 적층체는 한 쌍의 프리즘들 사이에 배치되는 광학 적층체를 포함하는 편광 빔 스플리터에 사용될 수 있다. 편광 빔 스플리터는 미국 특허 출원 공개 제2008/0013051 A1호(글린스키(Glinski) 등)에 기술되어 있다. 편광 빔 스플리터는 미니-프로젝션 디스플레이, 헤드-장착형 디스플레이, 가상 뷰어, 전자식 뷰파인더, 헤드-업 디스플레이, 광학 컴퓨팅, 광학 상관(optical correlation), 및 다른 광학 뷰잉 시스템과 같은 다양한 디스플레이 장치에 사용될 수 있다.

실시예

실시예 1

276.7℃ (530℉)에서 파일럿 공장 압출기를 사용하여 sPS 펠릿(pellet)을 캐스트 웨브(cast web)로 압출함으로써 sPS의 복굴절을 연구하였다. 후속적으로, 필름을 표 3에 열거된 조건에서 구속 단축 연신을 사용하여 연신시켰다. 메트리콘 프리즘 커플러(Metricon Prism Coupler)를 사용하여 x-, y- 및 z-방향들의 굴절률들을 측정하였고, 이들을 또한 표 3에 나타내었다.

표 4는 상이한 조건들에서 열고정된 sPS 연신 필름의 복굴절을 나타낸다.

표 3 및 표 4에 나타나 있는 바와 같이, sPS 필름은 배향-유도 결정화 시에 음의 복굴절을 나타낸다. 평면내(in-plane) 복굴절(n_x-n_y)은 약 0.11이고, 비-연신 방향으로의 평면외(out-of-plane) 복굴절(n_y-n_z)은 0.01 미만이다. 이에 따라, 굴절률이 1.62인 CoPEN과 같은 등방성 재료는 실시예 2에 기술된 바와 같은 본 발명의 광학 적층체를 제조하기 위해 sPS와 조합하는 데 사용될 수 있다.

실시예 2

도 4는 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조될 수 있는 예시적인 광학 적층체의 개략 사시도를 도시한다. 광학 적층체(400)는 원통형으로 대칭인 단위 셀 구조를 갖는 음의 복굴절 중합체인 sPS, 및 1.62의 굴절률을 갖는 등방성 비정질 CoPEN인 CoPENa를 각각 포함하는 교번적인 층(401, 402)들을 포함한다. CoPENa는 미국 특허 제7,604,381 B2호(헤브링크 등)에 기술된 바와 같이 제조된, 다이카르복실레이트 공단량체로서 45 몰%의 다이메틸 테레프탈레이트 및 55 몰%의 나프탈렌 다이카르복실레이트; 및 하이드록실 공단량체로서 0.2 몰%의 트라이메틸올 프로판, 4 몰%의 1,6 헥산다이올, 95.8 몰%의 에틸렌 글리콜을 갖는 코폴리에스테르를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 교번적인 층들은 연신 방향(x-방향)으로 굴절률 부정합을 가지며, 비-연신 방향(y- 및 z-방향)들에서는 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는다. 구체적으로, 층(401)과 층(402) 사이에서, 연신 방향에서의 굴절률 부정합(n_x)은 약 -0.11이며, 둘 모두의 비-연신 방향(평면내 및 평면외)들에서의 굴절률 부정합은 0.01 미만이다. 비-연신 방향들에서의 작은 굴절률 부정합은 구속 단축 연신 시 sPS 층들에서의 거의 대칭적인 결정 배열에서 비롯된다.

실시예 3

도 5는 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조될 수 있는 예시적인 광학 적층체의 개략 사시도를 도시한다. 광학 적층체(500)는 원통형으로 대칭인 단위 셀 구조를 갖는 음의 복굴절 중합체인 sPS, 및 양의 복굴절 중합체인 CoPENc를 각각 포함하는 교번적인 층(501, 502)들을 포함한다. 양의 복굴절 중합체는 다이카르복실레이트 공단량체로서 다이메틸 테레프탈레이트 및 나프탈렌 다이카르복실레이트의 이오노머성 코폴리에스테르를 포함하며, 여기서 단량체들의 방향족 기들 중 적어도 일부는 펜던트 이온성 기를 갖는데, 예를 들어 방향족 기들 중 약 0.25 내지 약 10 몰%가 펜던트 설포네이트 기를 갖는다. 에틸렌 글리콜, 1,6 헥산다이올, 트라이메틸올 프로판은 하이드록실 공단량체이다. 이들 이오노모성 코폴리에스테르는 미국 특허 출원 제11/763622호(류 등)에 기술되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 교번적인 층들은 x- 및 z-방향들에서 굴절률 부정합을 갖지만, y-방향에서의 굴절률은 실질적으로 동일하다. 구체적으로, 층(501)과 층(502) 사이에서, 연신 방향에서의 굴절률 부정합(n_x)은 약 0.26이며, 둘 모두의 비-연신 방향(평면내 및 평면외)들에서의 굴절률 부정합은 0.05 미만이다. 비-연신 방향들에서의 작은 굴절률 부정합은 구속 단축 연신 시 sPS 층들에서의 거의 대칭적인 결정 배열에서 비롯된다.

실시예 4

도 6은 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조될 수 있는 예시적인 광학 적층체의 개략 사시도를 도시한다. 광학 적층체(600)는 원통형으로 대칭인 단위 셀 구조를 갖는 음의 복굴절 중합체인 sPS, 및 고도로 양의 복굴절성인 중합체인 PEN을 각각 포함하는 교번적인 층 PEN(601, 602)들을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 교번적인 층들은 x- 및 z-방향들에서 굴절률 부정합을 갖지만, y-방향에서의 굴절률은 실질적으로 동일하다.

실시예 5

도 7은 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조될 수 있는 예시적인 광학 적층체의 개략 사시도를 도시한다. 광학 적층체(700)는 원통형으로 대칭인 단위 셀 구조를 갖는 음의 복굴절 중합체인 sPS, 및 고도로 양의 복굴절성인 중합체인 PENBB를 각각 포함하는 교번적인 층(701, 702)들을 포함한다. 예를 들어, PENBB20은 공칭적으로, 산 기준으로 80 내지 99 몰%의 2,6-나프탈레이트 부분(moiety) 및 1 내지 20 몰%의 4,4'-바이벤조에이트 부분을, 그리고 다이올 기준으로 100 몰%의 에틸렌 글리콜 부분을 갖는 코폴리에스테르에 대한 명칭이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 교번적인 층들은 x- 및 z-방향들에서 굴절률 부정합을 갖지만, y-방향에서의 굴절률은 실질적으로 동일하다. 구체적으로, 층(701)과 층(702) 사이에서, 연신 방향에서의 굴절률 부정합(n_x)은 약 0.33이며, 둘 모두의 비-연신 방향(평면내 및 평면외)들에서의 굴절률 부정합은 0.03 미만이다. 비-연신 방향들에서의 작은 굴절률 부정합은 구속 단축 연신 시 sPS 층 및 PENBB 층 둘 모두에서의 거의 대칭적인 결정 배열에서 비롯된다.

Claims

광학 적층체(optical stack)로서,
복수의 교번적인 복굴절 층들 및 등방성 층들을 포함하고,
복굴절 층들은 광학적으로 대칭인 미소결정(crystallite)들을 갖는 반결정질(semi-crystalline) 중합체를 포함하며,
x-방향 및 y-방향은 층들에 평행한 평면을 한정하고, z-방향은 상기 평면에 수직하며, x-방향, y-방향 및 z-방향은 서로 직교하고,
복굴절 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_1x, n_1y 및 n_1z이며,
등방성 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_2x, n_2y 및 n_2z이고,
광학적으로 대칭인 미소결정들은,
n_1x와 n_1y 사이의 차이가 0.10 내지 1이고,
n_1y, n_1z, n_2y 및 n_2z 중 임의의 2개 사이의 차이가 0.0001 내지 0.03이도록 정렬되는 광학 적층체.
제1항에 있어서, n_1y, n_1z, n_2y 및 n_2z 중 임의의 2개 사이의 차이가 0.0001 내지 0.01인 광학 적층체.
광학 적층체로서,
복수의 교번적인 복굴절 층들 및 등방성 층들을 포함하고,
복굴절 층들은 광학적으로 대칭인 미소결정들을 갖는 반결정질 중합체를 포함하며,
x-방향 및 y-방향은 층들에 평행한 평면을 한정하고, z-방향은 상기 평면에 수직하며, x-방향, y-방향 및 z-방향은 서로 직교하고,
복굴절 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_1x, n_1y 및 n_1z이며,
등방성 층들은 x-방향, y-방향 및 z-방향으로 각각 굴절률이 n_2x, n_2y 및 n_2z이고,
광학적으로 대칭인 미소결정들은,
|n_1x - n_2x| > 5|n_1y - n_2y| 또는 |n_1x - n_2x| > 5|n_1z - n_2z|
가 성립되도록 정렬되는 광학 적층체.
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