KR20070110349A - 나노입자를 포함하는 중합가능한 올리고머 우레탄 조성물 - Google Patents

나노입자를 포함하는 중합가능한 올리고머 우레탄 조성물 Download PDF

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KR20070110349A
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클링턴 엘. 존스
브랜트 유. 콜브
다비드 비. 올슨
에밀리 에스. 고에너
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

휘도 증진 필름 또는 광학 터닝 필름과 같은 미세구조 물품을 본원에서 기재하였다. 미세구조 물품은 1종 이상의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트를 갖는 유기 성분을 포함하는 조성물 및 표면 개질 실리카 나노입자의 반응 생성물을 포함하는 휘도 증진 중합 구조를 포함한다.
휘도 증진 필름, 광학 터닝 필름, 표면 개질 실리카 나노입자

Description

나노입자를 포함하는 중합가능한 올리고머 우레탄 조성물{POLYMERIZABLE OLIGOMERIC URETHANE COMPOSITIONS COMPRISING NANOPARTICLES}
미국 특허 제5,175,030호 및 제5,183,597호에 기재된 것과 같은 임의의 미세복제 광학 제품은 보통 "휘도 증진 필름 (brightness enhancing film)"으로 지칭된다. 전자발광 패널, 랩탑 컴퓨터 디스플레이, 워드 프로세서, 데스크탑 모니터, 텔레비젼, 비디오 카메라 뿐만 아니라 자동차 및 항공기 디스플레이를 포함한 액정 디스플레이(LCD)와 같은 배면조명 평판 디스플레이의 휘도를 증가시키기 위하여, 휘도 증진 필름이 많은 전자 제품에서 사용된다.
휘도 증진 필름은, 생성된 휘도 게인(gain) (즉, "게인")에 관련된 휘도 증진 필름의 굴절율을 포함한 특정한 광학 및 물리적 성질을 바람직하게 나타낸다. 개선된 휘도는, 디스플레이를 밝게 하기 위해 적은 전력을 사용하고 이에 의해 전력 소모를 감소시키고 부품에 대해 열 부하를 낮추고 제품의 수명을 연장시킴으로써, 전자 제품이 더욱 효율적으로 작동될 수 있도록 한다.
휘도 증진 필름은, 예를들어 미국 특허 제5,908,874호; 제5,932,626호; 제6,107,364호; 제6,280,063호; 제6,355,754호; 뿐만 아니라 EP 1 014113호 및 WO 03/076528호에 기재된 바와 같이, 경화되거나 중합된 고 굴절율 모노머로부터 제조되었다.
휘도 증진 필름의 제조를 위해 적절한 다양한 중합가능한 조성물이 알려져 있긴 하지만, 산업계에서는 대안적인 조성물에서의 장점을 찾고 있다.
발명의 요약
본 발명에서는 미세구조 물품, 예를 들어 휘도 증진 필름 또는 광학 터닝 필름 (optical turning film)에 대하여 기재한다. 미세구조 물품은 1종 이상의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트를 갖는 유기 성분을 포함하는 조성물 및 표면 개질 실리카 나노입자의 반응 생성물을 포함하는 휘도 증진 중합 구조를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 발명의 각종 실시태양의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완전하게 이해될 수 있으며, 여기서
도 1은 배면조명 (backlit) 액정 디스플레이에서의 본 발명의 예시적인 미세구조 물품의 개략도이다.
도 2는 미세구조 표면을 포함하는 예시적인 중합 구조의 사시도이다.
도 3은 다양한 높이의 프리즘 부품을 갖는 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 4는 다양한 높이의 프리즘 부품을 갖는 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 5는 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 6은 프리즘 부품의 높이가 상이하며, 상이한 평면에 그의 기초를 갖는 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 7은 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 8은 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 9는 예시적인 미세구조 물품의 단면도이다.
도 10은 터닝 필름을 포함하는 조명 장치의 개략도이다.
도 11은 터닝 필름의 단면도이다.
도 12는 다른 터닝 필름의 단면도이다.
본 발명은 각종 변형과 다른 형태를 가질 수 있으나, 그의 구체적인 내용은 도면을 예로 들어 나타내며, 더욱 상세하게 나타낼 것이다. 그러나, 본 발명은 기재된 특정 실시태양으로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니라고 이해되어야 한다. 반대로, 본 발명은 발명의 취지와 범위 내에 속하는 모든 변형물, 등가물 및 대체물을 포함하는 것이다.
용어 "미세구조"는 미국 특허 제4,576,850호에 정의되고 설명된 바와 같이 본 명세서에서 사용된다. 따라서, 이것은 미세구조를 가진 물품의 사전 결정된 바람직한 실용적인 목적 또는 기능을 나타내거나 특징화하는 표면의 형태를 의미한다. 상기 물품의 표면에 있는 돌출 및 함몰과 같은 불연속성은, 중심 선 위의 표면 윤곽에 의해 둘러싸인 면적의 합계가 그 선 아래의 면적의 합계와 동일하도록, 미세구조를 통해 그려진 평균 중심선으로부터의 윤곽에서 편향될 것이고, 상기 선은 물품의 공칭 표면 (미세구조 포함)과 필수적으로 평행하다. 상기 편차의 높이는 광학 또는 전자 현미경에 의해 측정 시에 표면의 대표적인 특징 길이, 예를들어 1 내지 30cm를 통하여 전형적으로 약 +/- 0.005 내지 +/- 750 마이크론이다. 상기 평균 중심 선은 피아노(piano), 오목, 볼록, 비구면 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 편차가 낮은 정도, 예를들어 +/- 0.005 내지 +/- 0.1, 또는 바람직하게는 +/- 0.05 마이크론이고, 상기 편차가 빈번하지 않거나 최소로 발생하는, 다시말해서 표면이 상당한 불연속성을 갖지 않는 물품은, 미세구조-포함 표면이 필수적으로 "편평 (flat)"하거나 "매끄러운 (smooth)" 표면인 것이고, 이러한 물품은 예를들어 정밀 광학 요소 또는 정밀 광학 계면을 가진 요소, 예컨대 안 렌즈 (ophthalmic lense)로서 유용하다. 상기 편차가 낮은 정도이고 자주 발생하는 물품은 반사방지 미세구조를 가진 것을 포함한다. 상기 편차가 높은 정도, 예를들어 +/- 0.1 내지 +/- 750 마이크론이고, 동일하거나 상이하고 무작위 또는 정연한 방식으로 서로 떨어져 있거나 연속적인 다수의 실용적 불연속성을 포함하는 미세구조에 기인하는 물품은, 역반사 큐브-코너 시트, 선형 프레즈넬 렌즈, 비디오 디스크 및 휘도 증진 필름과 같은 물품이다. 미세구조-포함 표면은 낮은 정도 및 높은 정도의 실용적 불연속성을 함유할 수 있다. 미세구조-포함 표면은, 그의 양 또는 유형이 상기 물품의 미리 정해진 바람직한 용도를 상당히 방해하거나 악영향을 미치지 않는 한, 비-본질적 또는 비-실용적 불연속성을 함유할 수도 있다.
휘도 증진 필름은 일반적으로 발광 장치의 축상(on-axis) 휘도 (본 명세서에서 "휘도"로 일컬어짐)를 증진시킨다. 휘도 증진 필름은 광 투과성, 미세구조화 필름일 수 있다. 미세구조화 지형은 필름 표면 위에 있는 다수의 프리즘일 수 있고, 따라서 반사 및 굴절을 통해 빛을 방향을 바꾸기 위해 필름을 사용할 수 있다. 프리즘의 높이는 통상적으로 약 1 내지 75 마이크론 범위이다. 랩탑 컴퓨터, 손목시계 등에서 발견되는 것과 같은 광학 디스플레이에서 사용될 때, 미세구조화 광학 필름은 디스플레이로부터 방출되는 빛을 광학 디스플레이를 통해 지나가는 수직 축으로부터 바람직한 각으로 배치된 한 쌍의 면으로 제한함으로써 광학 디스플레이의 휘도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 허용가능한 범위 밖에서 디스플레이를 나오는 빛은 디스플레이로 다시 반사되고, 이 곳에서 빛의 일부가 "재순환"될 수 있고 디스플레이로부터 방출될 수 있는 각으로 미세구조화 필름으로 다시 되돌아간다. 원하는 수준의 휘도를 디스플레이에 제공하기 위해 필요한 전력 소모를 감소시킬 수 있기 때문에 재순환이 유용하다.
역반사 필름은 일반적으로, 주 표면에 직각을 이루는 축에 대한 시트의 회전 배향과 무관하게, 비교적 높은 도입 각에 있는 입사 광의 상당한 퍼센트를 되돌릴 수 있다. 큐브 코너 역반사 필름은 실질적으로 평면 기저 표면 및 기저 표면 반대쪽에 다수의 큐브 코너 요소를 포함하는 구조화 표면을 가진 본체 부를 포함할 수 있다. 각각의 큐브 코너 요소는 하나의 기준점 또는 정점에서 전형적으로 교차하는 3개의 상호 실질적으로 수직인 광학 면을 포함할 수 있다. 큐브 코너 요소의 기저는, 빛이 큐브 코너 요소 안으로 투과되는 구경으로서 작용한다. 미국 특허 5,898,523호에 기재된 바와 같이, 사용 시에, 시트의 기저 표면에 입사하는 빛은 시트의 기저 표면에서 굴절되고, 시트 위에 배치된 큐브 코너 요소의 각각의 기저를 통해 투과되고, 3개의 직각 큐브 코너 광학 면의 각각으로부터 반사되고, 광원을 향해 방향을 바꾼다.
하기 정의된 용어에 관하여, 본 명세서의 청구의 범위 또는 기타 부분에서 상이한 정의가 주어지지 않는 한, 이러한 정의가 적용될 것이다.
용어 "폴리머"는 폴리머, 코폴리머 (예, 2 이상의 상이한 모노머들을 사용하여 형성된 폴리머), 올리고머 및 이들의 조합, 뿐만 아니라 예를들어 공압출 또는 에스테르교환반응을 포함한 반응에 의해 혼화성 배합물에서 형성될 수 있는 폴리머, 올리고머 또는 코폴리머를 포함하는 것으로 이해된다. 달리 나타내지 않는 한, 블록 및 랜덤 코폴리머가 양쪽 모두 포함된다.
용어 "굴절율"은 재료의 절대 굴절율로서 본 명세서에서 정의되고, 자유 공간에서 전자기 복사선 속도 대 그 재료 내에서 복사선 속도의 비율인 것으로 이해된다. 굴절율은 공지된 방법을 사용하여 측정될 수 있고, 일반적으로 가시광 영역에서 Abbe 굴절계를 사용하여 측정된다.
용어 "나노입자"는 약 100 nm 미만의 직경을 갖는 평균 입자 (1차 입자 또는 결합된 1차 입자)로 정의된다.
본 명세서에서 사용된 용어 "결합된 입자 (associated particle)"는 응집(aggregated) 및/또는 집적(agglomerated)된 2 이상의 일차 입자들의 군을 가리킨다.
본 명세서에서 사용된 용어 "응집(aggregation)"은 서로 화학적으로 결합될 수도 있는 일차 입자들 간의 강한 결합을 설명한다. 응집물을 더 작은 입자로 분해하는 것은 달성하기 곤란하다.
본 명세서에서 사용된 용어 "집적(agglomeration)"은 전하 또는 극성에 의해 함께 고정될 수 있는 일차 입자들의 약한 결합을 설명하며, 더 작은 존재물로 분해될 수 있다.
용어 "일차 입자 크기"는 비-결합 단일 입자의 크기로서 본 명세서에서 정의된다.
용어 "졸"은 액체 상 중에서 콜로이드성 입자의 분산액 또는 현탁액으로서 본 명세서에서 정의된다.
용어 "안정한 분산액"은, 콜로이드성 나노입자가 예컨대 약 24시간의 기간 동안 주변 조건 - 예를들어 실온 (약 20-22℃), 대기압 및 과다한 전자기 힘의 부재 하에서 정치된 후 집적되지 않는 분산액으로서 본 명세서에서 정의된다.
용어 "게인 (gain)"은 휘도 증진 필름에 기인한 디스플레이의 휘도 향상의 측정으로서 본 명세서에서 정의되고, 광학 재료의 성질이고 또한 휘도 증진 필름의 기하구조의 성질이다. 전형적으로, 게인이 증가함에 따라 시야 각이 감소된다. 향상된 게인이 배면조명 디스플레이의 휘도를 효과적으로 증가시키기 때문에, 휘도 증진 필름을 위해서는 높은 게인이 요망된다.
끝점에 의한 수치 범위의 열거는 그 범위 내에 속하는 모든 숫자를 포함한다 (예를들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함한다).
본 명세서 및 청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 표면은 내용이 명확히 다른 것을 나타내지 않는 한 복수 대상물을 포함한다. 따라서, 예를들어 "화합물"을 함유하는 조성물에 관한 언급은 2 이상의 화합물들의 혼합물을 포함한다. 본 명세서 및 청구의 범위에서 사용된 바와 같이, 용어 "또는"은 내용이 명확히 다른 것을 나타내지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 일반적으로 사용된다.
달리 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구의 범위에서 사용된 성분들의 양, 성질의 측정 등을 표현하는 모든 수는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 가감된다는 것을 이해해야 한다.
미세구조화 표면층이 1종 이상의 올리고머 우레탄 ((메트)아크릴레이트화 우레탄 올리고머로도 알려져 있음)을 갖는 유기 성분을 포함하는 중합가능한 조성물 및 실리카 나노입자의 반응 생성물로부터 형성된 미세구조 물품이 본원에 기재되어 있다. 중합가능한 조성물은 바람직하게는 실질적으로 용매가 없는 방사선 경화성 무기 충전 유기 혼성물이다. 유기 성분은 고체일 수 있거나, 또는 융점이 코팅 온도보다 낮은 경우에는 고체 성분을 포함할 수 있다. 유기 성분은 주위 온도에서 액체일 수 있다. 유기 성분은 통상적으로 대부분의 용도에 있어서 1.47 이상의 굴절율을 가지며; 터닝 필름의 유기 성분은 1.44의 굴절율을 가질 수 있다. 가시광 스펙트럼의 고투과도가 통상적으로 바람직하다. 실리카 입자의 포함은 내구성을 개선할 수 있다. 내구성 있는 물품은 다수의 표면 개질 콜로이드성 나노입자를 갖는 중합 구조를 포함할 수 있다. 내구성 있는 물품은 베이스층 및 광학층으로 이루어져 있는 광학 요소 또는 광학 제품일 수 있다. 베이스층과 광학층은 동일하거나 상이한 폴리머 물질로부터 형성될 수 있다. 다수의 표면 개질 콜로이드성 나노입자를 갖는 중합 구조는 용매가 없는 시스템에서 형성될 수 있다는 장점을 가진다.
바람직하게는, 내구성 있는 광학 필름은 2004년 9월 10일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제10/938006호에 기재된 시험 방법에 따라서 측정하여 1.0 내지 1.15, 또는 1.0 내지 1.12, 또는 1.0 내지 1.10, 또는 1.0 내지 1.05 범위의 긁힘대비율 (scratch contrast ratio) 값과 미세구조화 표면을 갖는 중합된 광학 필름 구조를 포함한다. 약 0.5 내지 15 마이크로미터 범위의 반경을 갖는 둥근 프리즘 정점의 경우에, 긁힘대비율 값은 1.0 내지 1.65, 또는 1.0 내지 1.4, 또는 1.0 내지 1.10 범위일 수 있다.
경화된 물품은 바람직하게는 비스페놀 A 폴리카르보네이트 기재 상에 3.2 mm 두께의 평면 필름 상에 ASTM 과정 D 1003에 의하여 측정하여 5% 이하의 값에 상응하는 헤이즈비를 나타낸다. 다른 바람직한 특성은 모래낙하 마모시험 (ASTM 과정 D968)에 의하여 측정하여 20 이하, 바람직하게는 10 이하의 마모비 (abrasion rating) 및 망상선 부착 시험 (ASTM 과정 D3359)에 의하여 측정하여 5B의 비스페놀 A 폴리카르보네이트에 대한 부착비이다.
유기상 및(또는) 중합가능한 수지는 바람직하게는 경화 후에 35℃ 이상, 바람직하게는 40℃ 이상, 더욱 바람직하게는 45℃ 이상의 유리 전이 온도(Tg)를 제공하기에 충분히 가교되어 있다. 유리 전이 온도는 당업계에 알려진 방법, 예를 들어 시차주사열량계 (Differential Scanning Calorimetry (DSC)), 조절된 DSC, 또는 동적 기계적 분석 (DMA)에 의해 측정될 수 있다. 중합가능한 조성물은 통상적인 자유 라디칼 중합 방법에 의하여 중합될 수 있다.
경화된 조성물의 다른 특성은 약 70-700 kg/cm2 범위의 인장 강도, 약 140-14,000 kg/cm2의 탄성 모듈러스; 약 5-300%의 파괴점 신장율, 약 91% 투과도 이상의 광학 균일성, 약 5% 미만의 헤이즈값, 약 0.002 미만의 복굴절 및(또는) 미국 특허 제6,833,176호의 도 2의 면적 A-B-C-D의 경계면 내에 속하는 동적 인장 모듈러스 (E')를 포함한다. 동적 인장 모듈러스는 통상적으로 약 20℃에서 약 4 X 107 Pa 내지 약 1 X 109 Pa 범위이다. 또한, 동적 인장 모듈러스는 통상적으로 약 60℃에서 약 3 X 106 Pa 내지 약 5 X 108 Pa 범위이다. 또한, 동적 인장 모듈러스는 통상적으로 약 100℃에서 약 1 X 106 Pa 내지 약 1 X 108 Pa 범위이다.
본원에 기재된 물품은 1종 이상의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트를 포함하는 중합가능한 조성물의 반응 생성물로부터 형성된다. 통상적으로, 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트는 멀티(메트)아크릴레이트이다. 용어 "(메트)아크릴레이트"는 아크릴산 및 메타크릴산의 에스테르를 지칭하는데 사용되며, "멀티(메트)아크릴레이트"는 보통 (메트)아크릴레이트 폴리머를 지칭하는 "폴리(메트)아크릴레이트"에 대조적으로 하나가 넘는 (메트)아크릴기를 함유하는 분자를 지칭한다. 보다 종종, 멀티(메트)아크릴레이트는 디(메트)아크릴레이트이지만, 트리(메트)아크릴레이트, 테트라(메트)아크릴레이트 등을 포함하는 것으로 생각된다.
올리고머 우레탄 멀티(메트)아크릴레이트는 사르토머 (Sartomer)로부터 예를 들어 상표명 "포토머 (Photomer) 6000 시리즈", 예를 들어 "포토머 6010" 및 "포토머 6020", 및 상표명 "CN 900 시리즈", 예를 들어 "CN966B85", "CN964" 및 "CN972"로 상업적으로 입수할 수 있다. 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트는 또한 서페이스 스페셜리티즈 (Surface Specialties)로부터 예를 들어 상표명 "에버크릴 (Ebecryl) 8402", "에버크릴 8807" 및 "에버크릴 4827"로 입수할 수 있다. 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트는 알킬렌 또는 화학식 OCN--R3-NCO의 방향족 디이소시아네이트와 폴리올의 초기 반응에 의하여 제조될 수도 있다. 가장 빈번하게는, 상기 폴리올은 화학식 HO--R4--OH의 디올이며, 여기서 R3은 C2-100 알킬렌 또는 아릴렌기이고 R4는 C2-10O 알킬렌기이다. 그리고, 중간 생성물은 우레탄 디올 디이소시아네이트이며, 이어서 이를 히드록시알킬 (메트)아크릴레이트와 반응시킬 수 있다. 적절한 디이소시아네이트는 2,2,4-트리메틸헥실렌 디이소시아네이트 및 톨루엔 디이소시아네이트를 포함하며; 알킬렌 디이소시아네이트가 일반적으로 바람직하다. 이러한 유형의 특히 바람직한 화합물은 2,2,4-트리메틸헥실렌 디이소시아네이트, 폴리(카프로락톤)디올 및 2-히드록시 에틸 메타크릴레이트로부터 제조될 수 있다. 적어도 일부의 실시태양에서, 우레탄 (메트)아크릴레이트는 바람직하게는 지방족이다.
본 발명의 물품을 형성하는 방사선 경화성 조성물은 1종 이상의 다른 모노머 (즉, 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트가 아닌 것)을 포함할 수도 있다. 다른 모노머는 점도를 감소시키고(시키거나) 열기계 특성을 개선하고(하거나) 굴절율을 증가시킬 수 있다. 이러한 특성을 갖는 모노머는 아크릴 모노머 (즉, 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 에스테르, 아크릴아미드 및 메타크릴아미드), 스티렌계 모노머 및 에틸렌계 불포화 질소 헤테로사이클을 포함한다.
적절한 아크릴 모노머는 모노머 (메트)아크릴레이트 에스테르를 포함한다. 이들은 알킬 (메트)아크릴레이트, 예를 들어 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 1-프로필 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 및 t-부틸 아크릴레이트를 포함한다.
다른 작용기를 갖는 (메트)아크릴레이트 에스테르가 또한 포함된다. 이러한 유형의 화합물은 2-(N-부틸카르바밀)에틸 (메트)아크릴레이트, 2,4-디클로로페닐 아크릴레이트, 2,4,6-트리브로모페닐 아크릴레이트, 트리브로모페녹실에틸 아크릴레이트, t-부틸페닐 아크릴레이트, 페닐 아크릴레이트, 페닐 티오아크릴레이트, 페닐티오에틸 아크릴레이트, 알콕시화 페닐 아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트 및 페녹시에틸 아크릴레이트로 예시된다. 테트라브로모비스페놀 A 디에폭시드 및 (메트)아크릴산의 반응 생성물이 또한 적절하다.
다른 모노머는 또한 모노머 N-치환된 또는 N,N-이치환된 (메트)아크릴아미드, 특히 아크릴아미드일 수 있다. 이들은 N-알킬아크릴아미드 및 N,N-디알킬아크릴아미드, 특히 C1-4 알킬기를 함유하는 것들을 포함한다. 그 예는 N-이소프로필아크릴아미드, N-t-부틸아크릴아미드, N,N-디메틸아크릴아미드 및 N,N-디에틸아크릴아미드이다.
다른 모노머는 추가로 폴리올 멀티(메트)아크릴레이트일 수 있다. 그러한 화합물은 통상적으로 2-10개의 탄소 원자를 함유하는 지방족 디올, 트리올 및(또는) 테트라올로부터 제조된다. 적절한 폴리(메트)아크릴레이트의 예는 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트, 1,6-헥산디올 디아크릴레이트, 2-에틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올 트리아크릴레이트 (트리메틸올프로판 트리아크릴레이트), 디(트리메틸올프로판) 테트라아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트, 상기 폴리올의 알콕시화 (보통은 에톡시화) 유도체의 상응하는 메타크릴레이트 및 (메트)아크릴레이트이다. 2개 이상의 에틸렌계 불포화기를 갖는 모노머가 가교제로 작용할 수 있다.
다른 모노머로서 사용하기에 적절한 스티렌계 화합물은 스티렌, 디클로로스티렌, 2,4,6-트리클로로스티렌, 2,4,6-트리브로모스티렌, 4-메틸스티렌 및 4-페녹시스티렌을 포함한다. 에틸렌계 불포화 질소 헤테로사이클은 N-비닐피롤리딘 및 비닐피리딘을 포함한다.
본 발명의 방사선 경화성 물품에서의 성분비는 변할 수 있다. 일반적으로, 유기 성분은 약 30-100% 올리고머 우레탄 멀티(메트)아크릴레이트를 포함하며, 이는 다른 (메트)아크릴레이트 모노머 에틸렌계 불포화기와 균형을 이룬다.
중합성 조성물은 실리카 입자를 함유한다. 상기 실리카 입자의 크기는 일반적으로 현저한 가시광 산란을 회피하기 위하여 선택된다. 표면 개질 실리카 나노입자는 투과 전자 현미경 (TEM)으로 측정하여 1 nm 초과 100 nm 미만의 입자 크기 또는 결합된 입자 크기를 가진다. 표면 개질 (예를 들어, 콜로이드성) 실리카 나노입자는 바람직하게는 실질적으로 충분하게 응축되어 있다.
충분하게 응축된 나노입자, 예를 들어 본원에서 사용된 콜로이드성 실리카는 통상적으로 그의 내부에 실질적으로 히드록실이 없다.
충분히 응축된 나노입자를 함유하는 비-실리카는 통상적으로 (단리된 금속 산화물 입자로 측정한) 55% 초과의 결정도, 바람직하게는 60% 초과의 결정도, 더욱 바람직하게는 70% 초과의 결정도를 가진다. 예를 들어, 결정도는 약 86% 이하의 범위일 수 있다. 결정도는 X-선 회절 (defraction) 기술로 측정할 수 있다. 응축된 결정 (예를 들어, 지르코니아) 나노입자는 높은 굴절율을 가지는 한편, 무정형 나노입자는 통상적으로 낮은 굴절율을 가진다.
실리카 나노입자는 5 내지 75 nm 또는 10 내지 30 nm의 입자 크기를 가질 수 있다. 실리카 나노입자는 통상적으로 10 내지 60 wt-%의 양이다. 통상적으로, 실리카의 양은 40 wt-% 미만이다.
적절한 실리카는 날코 케미칼사 (Nalco Chemical) (Naperville, I11.)로부터 상표명 날코 콜로이달 실리카 (NALCO COLLOIDAL SILICAS)로 시판된다. 예를 들어, 실리카는 날코 상표명 1040, 1042, 1050, 1060, 2327 및 2329를 포함한다. 적절한 발연 실리카는 예를 들어 데구사 아게 (DeGussa AG) (Hanau, Germany)로부터 이용가능한 상표명 에어로실 시리즈 (AEROSIL series) OX-50, -130, -150 및 -200, 및 캐보트사 (Cabot Corp.) (Tuscola, Ill)로부터 이용가능한 CAB-O-SPERSE 2095, CAB-O-SPERSE A105, CAB-O-SIL M5로 시판되는 제품을 포함한다.
중합가능한 조성물은 유일한 무기 나노입자로서 실리카(들)로 이루어질 수 있다. 다르게는, 실리카는 지르코니아, 티타니아, 산화안티몬, 알루미나, 산화주석, 및(또는) 혼합 금속 산화물 나노입자를 포함하지만 이로 한정되지는 않는 다른 무기 산화물 입자와 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 임의적인 (비-실리카) 무기 산화물 입자는 5 내지 50 nm, 또는 5 내지 15 nm, 또는 10 nm의 입자 크기 또는 연합 입자 크기를 가진다. 이러한 임의적인 (비-실리카) 무기 산화물 나노입자는 10 내지 70 wt-%, 또는 30 내지 50 wt-%의 양으로 존재할 수 있다. 적절한 혼합 금속 산화물은 카탈리스트 앤드 케미칼사 (Catalysts & Chemical Industries Corp.) (Kawasaki, Japan)로부터 상품명 옵톨레이크 3 (Optolake 3)으로 시판된다. 적절한 지르코니아는 날코 케미칼사 (Naperville, I11.)로부터 제품명 NALCO OOSSOO8로 시판된다.
나노-크기 입자를 표면-처리하는 것은 폴리머 수지 중에 안정한 분산을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 표면-처리는 나노입자를 안정화하여, 입자가 중합가능한 수지 중에 잘 분산될 것이며, 실질적으로 균일한 조성물을 야기할 것이다. 또한, 나노입자는 표면 처리제로 그의 표면의 적어도 일부 상에서 개질될 수 있어, 안정화된 입자는 경화 도중에 중합가능한 수지와 공중합되거나 반응할 수 있다.
나노입자는 바람직하게는 표면 처리제로 처리된다. 일반적으로, 표면 처리제는 (공유적으로, 이온성으로, 또는 강력한 물리적 흡착을 통하여) 입자 표면에 부착될 제1말단 및 입자와 수지와의 상용성을 부여하고(하거나) 경화 도중에 수지와 반응하는 제2말단을 갖는다. 표면 처리제의 예는 알코올, 아민, 카르복실산, 술폰산, 포스폰산, 실란 및 티타네이트를 포함한다. 처리제의 바람직한 유형은 부분적으로 금속 산화물 표면의 화학적인 성질에 의하여 결정된다. 실란은 실리카 및 규질 (siliceous) 충전제에 있어서 바람직하다. 실란 및 카르복실산은 지르코니아와 같은 금속 산화물에 있어서 바람직하다. 표면 개질은 모노머와 혼합한 후에, 또는 혼합 이후에 수행할 수 있다. 실란의 경우에, 수지 내로 도입하기 전에 입자 또는 나노입자 표면과 실란을 반응시키는 것이 바람직하다. 표면 개질제의 필요량은 입자 크기, 입자 유형, 개질제 분자량, 및 개질제 유형와 같은 몇몇 인자에 의존적이다. 일반적으로, 개질제의 대략 단일층은 입자의 표면에 부착되는 것이 바람직하다. 부착 과정 또는 필요한 반응 조건은 또한 사용되는 표면 개질제에 따른다. 실란에 있어서, 대략 1-24시간 동안 산성 또는 염기성 조건 하에서 승온에서 표면 처리하는 것이 바람직하다. 카르복실산과 같은 표면 처리제는 승온 또는 연장된 시간을 필요로 하지 않을 것이다.
내구성이 있는 조성물에 적절한 표면 처리제의 대표적인 실시태양은 예를 들어 이소옥틸 트리메톡시-실란, N-(3-트리에톡시실릴프로필) 메톡시에톡시에톡시에틸 카르바메이트 (PEG3TES), N-(3-트리에톡시실릴프로필) 메톡시에톡시에톡시에틸 카르바메이트 (PEG2TES), 3-(메타크릴로일옥시)프로필트리메톡시 실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시)프로필트리에톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시) 프로필메틸디메톡시 실란, 3-(아크릴로일옥시프로필)메틸디메톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시)프로필디메틸에톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시) 프로필디메틸에톡시실란, 비닐디메틸에톡시실란, 페닐트리메톡시실란, n-옥틸트리메톡시실란, 도데실트리메톡시실란, 옥타데실트리메톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 헥실트리메톡시실란, 비닐메틸디아세톡시실란, 비닐메틸디에톡시실란, 비닐트리아세톡시실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리이소프로폭시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리페녹시실란, 비닐트리-t-부톡시실란, 비닐트리스-이소부톡시실란, 비닐트리이소프로페녹시실란, 비닐트리스(2-메톡시에톡시)실란, 스티릴에틸트리메톡시실란, 머캅토프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 아크릴산, 메타크릴산, 올레산, 스테아르산, 도데칸산, 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산 (MEEAA), 베타-카르복시에틸아크릴레이트, 2-(2-메톡시에톡시)아세트산, 메톡시페닐 아세트산, 및 이들의 혼합물과 같은 화합물을 포함한다. 또한, OSI 스페셜티즈 (OSI Specialties) (Crompton South Charleston, WV)로부터 상표명 "실퀘스트 (Silquest) A1230"로 상업적으로 입수가능한 독점적인 실란 표면 개질제가 특히 적절한 것으로 나타났다.
콜로이드 분산물 중의 입자의 표면 개질은 다양한 방법으로 수행할 수 있다. 본 공정은 표면 개질제로 무기 분산물의 혼합물을 포함한다. 임의적으로, 공용매는 이 시점에서 첨가할 수 있으며, 그 예로는 1-메톡시-2-프로판올, 에탄올, 이소프로판올, 에틸렌 글리콜, N,N-디메틸아세트아미드 및 1-메틸-2-피롤리딘온이 있다. 공용매는 표면 개질제 및 표면 개질 입자의 용해도를 개선할 수 있다. 이어서, 무기 졸 및 표면 개질제를 포함하는 혼합물을, 혼합하면서 또는 혼합 없이 실온 또는 승온에서 반응시킨다. 한 방법에서, 상기 혼합물을 약 24시간 동안 약 85℃에서 반응시켜 표면 개질 졸을 얻을 수 있다. 다른 방법에서, 금속 산화물이 표면 개질되는 경우, 금속 산화물의 표면 처리는 바람직하게는 입자 표면으로 산성 분자의 흡착을 포함할 수 있다. 중금속 산화물의 표면 개질은 바람직하게는 실온에서 일어난다.
실란으로 ZrO2를 표면 개질하는 것은 산성 조건 또는 염기성 조건 하에서 이루어질 수 있다. 한 경우에, 실란을 적절한 시간 동안 산성 조건 하에서 가열한다. 그 시간 동안, 분산물을 수성 암모니아 (또는 다른 염기)와 조합한다. 이 방법은 ZrO2 표면으로부터 산 반대이온을 제거하도록 하고, 실란과 반응하도록 한다. 한 방법에서, 입자를 분산물로부터 침전시키고, 액상으로부터 분리한다.
표면 개질제의 조합은 유용할 수 있으며, 1종 이상의 상기 제제는 경화가능한 수지와 공중합가능한 작용기를 가진다. 예를 들어, 중합되는 기는 개환 중합되는 개환 중합할 수 있는 에틸렌계 불포화 또는 시클릭 작용기일 수 있다. 에틸렌계 불포화 중합기는 예를 들어 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트, 또는 비닐기일 수 있다. 개환 중합될 수 있는 시클릭 작용기는 일반적으로 산소, 황 또는 질소와 같은 헤테로원자를 함유하며, 바람직하게는 에폭시드와 같이 산소를 함유하는 3원환이다.
표면 개질제의 바람직한 조합은 경화가능한 수지(의 유기 성분)과 공중합가능한 작용기를 갖는 하나 이상의 표면 개질제, 및 제1 개질제와는 상이한 제2 개질제를 포함한다. 제2 개질제는 임의로는 중합가능한 조성물의 유기 성분과 공중합가능하다. 제2 개질제는 낮은 굴절율 (즉, 1.52 미만 또는 1.50 미만)을 가질 수 있다. 제2 개질제는 바람직하게는 임의적으로 중합가능한 조성물의 유기 성분과 공중합가능한 개질제를 함유하는 폴리알킬렌옥시드이다.
그후, 표면 개질 입자는 다양한 방법으로 경화가능한 수지 내로 도입될 수 있다. 바람직한 측면에서, 용매 교환 과정이 사용될 수 있으며, 이로써 수지를 표면 개질 졸로 첨가하고, 이어서 증발을 통하여 물 및 공용매 (사용되는 경우)를 제거하여, 중합가능한 수지 중에 입자를 분산시킨다. 증발 단계는 예를 들어 증류, 회전 증발 또는 오븐 건조를 통하여 수행할 수 있다.
다른 측면에서, 표면 개질 입자는 물과 혼합할 수 있는 용매 내로 추출될 수 있고, 필요한 경우 용매 교환할 수 있다.
다르게는, 중합가능한 수지 중에 표면 개질 나노입자를 도입하는 다른 방법은 개질된 입자를 분말로 건조시키고, 이어서 수지 물질을 첨가하고, 여기에 입자를 분산시킨다. 이 방법에서 건조 단계는 예를 들어 오븐 건조 또는 분무 건조와 같이 시스템에 적절한 통상적인 방법에 의하여 수행할 수 있다.
본원에 기재된 중합가능한 조성물은 또한 계면활성제, 안료, 충전제, 중합 억제제, 항산화제, 대전 방지제, 및 다른 가능한 성분을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 당업계에 알려진 1종 이상의 다른 유용한 첨가제를 함유할 수도 있다.
본 발명의 방사선 경화성 물품은 균일한 혼합물을 제조하기 위하여 효율적으로 혼합하면서 그의 성분들을 단순하게 블렌딩한 후, 상기 성분들의 제조에 사용되는 임의의 용매를 제거함으로써 제조할 수 있다. 에어 버블은 혼합물이 점성인 경우에는 온화하게 가열하면서 진공 등을 적용하고, 주조하거나, 다르게는 원하는 표면 상에 얻어진 배합물의 필름을 형성함으로써 제거할 수 있다. 그후, 필름을 자외선 복사에 노출시켜 복제되고 중합되는 미세구조를 포함하는 몰드로 채우고, 상기 특성을 갖는 본 발명의 경화된 광학 수지 물품을 제조한다. 사용되는 것이 아닌 다른 표면 상에서 중합되는 경우, 광학 수지 물품을 다른 표면으로 전달할 수 있다.
상기 중합 공정은 용매 또는 다른 휘발성물질들이 방출되지 않거나 미량만이 방출되기 때문에, 환경에 부정적인 영향 없이 물품의 신속한 대량 생산을 가능하게 한다. 상기 공정은 또한 돌출부 및 함몰부와 같은 실제의 불연속부분을 포함하는 미세구조를 갖는 물품의 복제를 가능하게 하며, 이는 몰드의 상세부분의 손실 없이 몰드로부터 용이하게 유리되며, 사용 중에 다양한 조건 하에서 그러한 상세부분의 복제를 유지하면서 유리된다. 상기 물품은 다양한 바람직한 특성, 예를 들어 강도, 가요성, 광학적 투명성 및 균일성, 및 통상의 용매에 대한 저항성을 가지고 형성될 수 있으며, 상기 물품의 미세구조는 높은 열적 치수 안정성, 마모 및 충격에 대한 저항성 및 물품이 구부려질 때조차도 완전한 상태를 갖는다.
적절한 중합 방법은 당업계에 알려진 바와 같이 용해 중합, 현탁 중합, 유화 중합 및 벌크 중합을 포함한다. 적절한 방법은 광개시제의 존재시에 자외선 또는 가시광과 같은 전자기성 방사선으로 조사 (irradiation)하고 자유-라디칼 개시제의 존재시에 가열하는 것을 포함한다. 합성, 전달 및 저장 중에 수지의 미성숙 중합을 방지하기 위하여 중합가능한 조성물의 합성에 있어서 억제제가 종종 사용된다. 적절한 억제제는 50-1000 ppm의 수준에서 히드로퀴논, 4-메톡시 페놀 및 방해된 아민 니트록시드 억제제를 포함한다. 다른 종류 및(또는) 양의 억제제를 당업자에게 알려진 바와 같이 사용할 수 있다.
방사선 (예를 들어, UV) 경화성 중합가능한 조성물은 1종 이상의 광개시제를 포함한다. 단일 광개시제 또는 이들의 배합물을 본 발명의 휘도 증진 필름에 사용할 수 있다. 일반적으로, 광개시제(들)은 (예를 들어, 수지의 가공 온도에서) 적어도 부분적으로 가용성이고, 중합된 후에 실질적으로 무색이다. 광개시제가 UV 광원에 노출된 후에 실질적으로 무색이 된다면, 광개시제는 (예를 들어, 황색으로) 착색되어 있을 수 있다.
적절한 광개시제는 모노아실포스핀 옥시드 및 비스아실포스핀 옥시드를 포함한다. 상업적으로 이용가능한 모노 또는 비스아실포스핀 옥시드 광개시제는 BASF (Charlotte, NC)로부터 상표명 "루시린 (Lucirin) TPO"로 시판되는 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀 옥시드; BASF로부터 상표명 "루시린 TPO-L"로 시판되는 에틸-2,4,6-트리메틸벤조일페닐 포스피네이트; 및 시바 스페셜티 케미칼스로부터 상표명 "이르가큐어 (Irgacure) 819"로 시판되는 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀 옥시드를 포함한다. 다른 적절한 광개시제는 시바 스페셜티 케미칼스로부터 상표명 "다로큐어 (Darocur) 1173"로 시판되는 2-히드록시-2-메틸-1-페닐-프로판-1-온, 및 시바 스페셜티 케미칼스로부터 상표명 "다로큐어 4265", "이르가큐어 651", "이르가큐어 1800", "이르가큐어 369", "이르가큐어 1700", 및 "이르가큐어 907"로 시판되는 다른 광개시제를 포함한다.
광개시제는 약 0.1 내지 약 10 중량%로 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 광개시제는 약 0.5 내지 약 5 wt-%의 농도로 사용된다. 5 wt-% 초과는 일반적으로 휘도 증진 필름에서 황변을 야기하는 경향이 있어서 불리하다. 당업자에 의하여 결정될 수 있는 다른 광개시제들 및 광개시제가 또한 적절하게 사용가능하다.
불소계 계면활성제 및 실리콘계 계면활성제와 같은 계면활성제가 임의적으로 중합가능한 조성물 중에 포함되어 표면 장력을 감소시키고, 습윤을 개선하고, 보다 유연한 코팅을 가능하게 하고, 코팅에 결함을 적게할 수 있다.
문헌[Lu and Lu et al.]에 기재된 바와 같이, 미세구조-포함 물품 (예를 들어, 휘도 증진 필름)은 (a) 중합가능한 조성물 (즉, 본 발명의 중합가능한 조성물)을 제조하는 단계; (b) 중합가능한 조성물을 마스터의 공극을 채우기에 간신히 충분한 양으로 마스터 음성 미세구조 성형 표면 상으로 증착하는 단계; (c) 미리 형성된 베이스 및 마스터 (이들 중 적어도 하나는 가요성임) 사이에 중합가능한 조성물의 비드를 이동시켜 공극을 채우는 단계; 및 (d) 상기 조성물을 경화하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 마스터는 금속, 예를 들어 니켈, 니켈-도금된 구리 또는 놋쇠일 수 있거나, 또는 중합 조건 하에서 안정하고, 바람직하게는 마스터로부터 중합된 물질의 깨끗한 제거를 가능하게 하는 표면 에너지를 갖는 열가소성 물질일 수 있다. 베이스 필름의 하나 이상의 표면은 임의적으로 프라이밍될 수 있거나, 또는 베이스로 광학층의 부착을 촉진하도록 처리될 수 있다.
기재된 공정에 사용하기에 점도가 너무 높은 조성물은 임의적으로 당업계에 알려진 압출 공정으로 휘도 증진 필름으로 제조될 수 있다.
광학층은 직접 베이스층과 접촉할 수 있거나, 또는 임의적으로 베이스층에 배열될 수 있으며, 광학층을 빛의 흐름에 향하게 하거나 집중시키는 크기, 형상 및 두께일 수 있다. 광학층은 도면에 기재되고 나타난 임의의 다수의 유용한 패턴을 가질 수 있는 구성 또는 미세구조 표면을 가질 수 있다. 상기 미세구조 표면은 필름의 길이 또는 폭을 따라서 연장되는 다수의 평행한 종방향 융기 (ridge)일 수 있다. 이들 융기는 다수의 프리즘 정점 (apex)으로부터 형성될 수 있다. 이들 정점은 날카롭거나, 둥글거나 또는 납작하거나, 또는 끝이 절단되어 있을 수 있다. 예를 들어, 융기는 4 내지 7 내지 15 마이크로미터 범위의 반지름으로 둥글게 할 수 있다.
이들은 규칙적이거나 불규칙한 프리즘 패턴을 포함하며, 이는 고리 모양의 프리즘 패턴, 6면체-코너 패턴 또는 임의의 다른 렌즈의 미세구조일 수 있다. 유용한 미세구조는 휘도 증진 필름으로 사용하기 위한 전체적으로 내부를 반사하는 필름 (totally 내부 반사 필름)으로 작용할 수 있는 규칙적인 프리즘 패턴이다. 다른 유용한 미세구조는 반사 필름으로 사용하기 위한 요소 또는 역반사 필름으로 작용할 수 있는 코너-6면체 프리즘 패턴이다. 다른 유용한 미세구조는 광학 디스플레이로 사용하기 위한 광학 요소로 작용할 수 있는 프리즘 패턴이다. 다른 유용한 미세구조는 광학 디스플레이에 사용하기 위한 광학 터닝 필름 또는 요소로 작용할 수 있는 프리즘 패턴이다.
베이스층은 광학 제품 (즉, 빛의 흐름을 조절하도록 고안된 제품)에 사용하기에 적절한 특성과 조성일 수 있다. 대부분의 물질은 상기 물질이 실질적으로 광학적으로 투명하고 특정 광학 제품으로 조립되거나 사용되기에 충분히 구조적으로 튼튼한 한 베이스 물질로 사용될 수 있다. 베이스 물질은 광학 제품의 성능이 시간에 따라서 손상되지 않는 온도와 노화에 충분한 저항성을 갖도록 선택될 수 있다.
임의의 광학 제품을 위한 베이스 물질의 특정 화학 조성 및 두께는 구성되는 특정 광학 제품의 조건에 따라서 달라질 수 있다. 즉, 강도, 투명도, 온도 저항, 표면 에너지, 광학층으로의 부착성의 조화.
유용한 베이스 물질은 예를 들어 스티렌-아크릴로니트릴, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 셀룰로오스 트리아세테이트, 폴리에테르 술폰, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 나프탈렌 디카르복실산에 기초한 코폴리머 또는 배합물, 폴리시클로-올레핀, 폴리이미드, 및 유리를 포함한다. 임의적으로, 베이스 물질은 이들 물질의 혼합물 또는 조합을 함유할 수 있다. 한 실시태양에서, 상기 베이스는 다층일 수 있거나, 또는 연속상 중에 현탁되거나 분산된 분산상을 함유할 수 있다.
예를 들어, 미세구조-포함 제품, 예를 들어 휘도 증진 필름과 같은 일부 광학 제품에 있어서, 바람직한 베이스 물질의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 및 폴리카르보네이트를 포함한다. 유용한 PET 필름의 예는 광등급 (photograde) 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 델라웨어주 윌밍톤의 듀폰 필름 (DuPont Films)으로부터 이용가능한 MELINEXTM PET를 포함한다.
일부의 베이스 물질은 광학 활성일 수 있고, 편광 물질 (polarizing material)로 작용할 수 있다. 필름 또는 기재 (substrate)로 본원에서 언급된 다수의 베이스는 광학 제품 분야에서 편광 물질로 유용하다고 알려져 있다. 필름을 통한 빛의 편광은 예를 들어 통과하는 빛을 선택적으로 흡수하는 필름 물질 중에 이색 편광기를 포함시켜서 이룰 수 있다. 빛의 편광은 또한 정렬된 운모 칩과 같은 무기 물질을 포함시키거나, 또는 연속적 필름 내에 분산된 불연속상 (예를 들어, 연속적 필름 내에 분산된 빛을 조절하는 액정의 방울)에 의하여 달성할 수도 있다. 별법으로, 필름은 상이한 물질의 초미세층으로부터 제조할 수 있다. 필름 내의 편광 물질은 예를 들어 필름 연신, 전기장 또는 자기장의 인가 및 코팅 기술과 같은 방법을 사용하여 편광 방향 내로 정렬할 수 있다.
편광 필름의 예는 미국 특허 제5,825,543호 및 제5,783,120호에 기재된 것들을 포함한다. 휘도 증진 필름과 조합된 이들 편광기 필름의 용도는 미국 특허 제6,111,696호에 기재되어 있다.
베이스로 사용될 수 있는 편광 필름의 두번째 예는 미국 특허 제5,882,774호에 기재된 필름이다. 상업적으로 입수가능한 필름은 3M으로부터의 상표명 DBEF (Dual Brightness Enhancement Film)으로 시판되는 다층 필름이다. 휘도 증진 필름 중의 그러한 다층 편광 광학 필름의 용도는 미국 특허 제5,828,488호에 기재되어 있다.
베이스 물질의 이러한 열거는 한정적인 것이 아니며, 당업자에게 알려진 바와 같이, 다른 편광 및 비편광 필름이 또한 본 발명의 광학 제품에 대한 베이스로 유용할 수도 있다. 이러한 베이스 물질은 예를 들어 다층 구조를 형성하는 편광 필름을 포함하는 다수의 다른 필름과 조합될 수 있다. 추가의 베이스 물질의 짧은 목록은 특히 미국 특허 제5,612,820호 및 제5,486,949호에 기재된 필름을 포함할 수 있다. 특정 베이스의 두께는 또한 광학 제품의 상기 요건들에 의존할 수 있다.
내구성 있는 미세구조-포함 물품은 완전한 내부 반사 필름을 제조하기에 충분한 일련의 교차되는 팁과 그루브를 갖는 것을 포함하는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 그러한 필름의 예는 대칭적인 팁과 그루브의 규칙적으로 반복되는 패턴을 갖는 휘도 증진 필름이며, 한편 다른 예는 팁과 그루브가 대칭적이지 않은 패턴을 가진다. 휘도 증진 필름으로서 유용한 미세구조 포함 물품의 예는 미국 특허 제5,175,030호 및 제5,183,597호에 기재되어 있다.
이들 특허에 따르면, 미세구조-포함 물품은 (a) 중합가능한 조성물을 제조하는 단계; (b) 마스터의 공극을 채우기에 겨우 충분한 양으로 마스터 음성 미세구조화 몰딩 표면 상으로 중합가능한 조성물을 증착하는 단계; (c) 그중 하나 이상은 가요성인 미리 형성된 베이스 및 마스터 사이에 중합가능한 조성물의 비드를 이동시켜 공극을 채우는 단계; 및 (d) 상기 조성물을 경화하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 상기 마스터는 금속, 예를 들어 니켈, 니켈-도금 구리 또는 놋쇠일 수 있거나, 또는 중합 조건 하에서 안정하고 마스터로부터 중합된 물질의 깨끗한 제거를 가능하게 하는 표면 에너지를 갖는 열가소성 물질일 수 있다. 본원에서 기재된 미세구조 지형을 형성하는데 사용되는 특정 방법은 미국 특허 제5,691,846호에 기재된 몰딩 방법과 유사할 수 있다. 본 발명에 따른 미세구조 물품은 예를들어 5, 10, 100, 1000 미터 이상의 원하는 길이로 연속 공정으로부터 형성될 수 있다.
내구성 있는 물품은 예를 들어 휘도 증진 필름을 포함하는 내구성 있는 미세구조 필름이 필요한 용도에 사용될 수 있다. 이들 내구성 있는 휘도 증진 필름의 구조는 예를 들어 미국 특허 제5,771,328호, 미국 특허 제5,917,664호, 미국 특허 제5,919,551호, 미국 특허 제6,280,063호, 및 미국 특허 제6,356,391호와 같은 다양한 미세구조 필름을 포함할 수 있다.
일반적을 도 1의 10으로 표시되는 배면조명 액정 디스플레이는 분산기(12)와 액정 디스플레이 패널(14) 사이에 위치할 수 있는 본 발명의 휘도 증진 필름(11)을 포함한다. 배면조명 액정 디스플레이는 또한 형광 램프와 같은 광원(16), 액정 디스플레이 패널(14)에 대한 반사를 위한 광을 전달하기 위한 광도파관(18), 및 액정 디스플레이 패널에 대하여 광을 반사시키기 위한 화이트 반사기(20)를 포함할 수도 있다. 휘도 증진 필름(11)은 광도파관(18)로부터 방출된 광을 조준하여, 액정 디스플레이 패널(14)의 휘도를 증가시킨다. 증가된 휘도는 액정 디스플레이 패널에 의하여 만들어지는 상을 더욱 날카롭게 하고, 광원(16)의 파워를 감소시켜 선택된 휘도를 형성하도록 한다. 배면조명 액정 디스플레이 중의 휘도 증진 필름(11)은 참조 번호(21)로 표시되는 바와 같이, 컴퓨터 디스플레이 (랩탑 디스플레이 및 컴퓨터 모니터), 텔레비젼, 비디오 녹화기, 이동 통신 장치, 휴대용 장치 (즉, 휴대폰, PDA), 자동차 및 항공 기기 디스플레이 등과 같은 장비에서 유용하다.
휘도 증진 필름(11)은 도 2에서 예시된 바와 같이 프리즘(22), (24), (26) 및 (28)으로 상징되는 프리즘의 배열을 포함한다. 예를 들어 프리즘(22)와 같은 각각의 프리즘은 제1각면(30) 및 제2각면(32)를 가진다. 프리즘(22), (24), (26) 및 (28)은 프리즘이 형성되는 제1 표면(36) 및 제1 표면에 대하여 실질적으로 편평하거나 평면인 제2 표면(38)을 갖는 몸체 부분(34) 상에 형성될 수 있다.
규칙적인 직각 프리즘의 선형 어레이는 광학 성능 및 제조 용이성을 양쪽 모두 제공할 수 있다. 직각 프리즘은, 정점 각 θ가 대략 90도이지만 대략 70도 내지 120도, 또는 대략 80도 내지 100도의 범위일 수 있음을 의미한다. 프리즘 각면은 동일할 필요는 없고, 프리즘은 서로에 대해 경사질 수도 있다. 또한, 필름의 두께(40)와 프리즘의 높이(42) 간의 관계는 중요하지 않지만, 잘 한정된 프리즘 각면을 가진 더욱 얇은 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 각면이 돌출될 수 있다면, 각면이 표면(38)과 이룰 수 있는 각은 45도일 수 있다. 그러나, 이러한 각은 각면의 경사도 또는 정점의 각 θ에 의존하여 변할 것이다.
도 3 내지 9는 광학 요소를 위한 구조의 대표적인 구현양태를 나타낸다. 이러한 도면은 일정한 비율이 아님을 주목해야 하고, 특히 구조화된 표면의 크기는 예증을 위한 목적으로 크게 과장시킨다. 광학 요소의 구조는 하기 구현양태의 2 이상 또는 조합을 포함할 수 있다.
도 3을 언급하면, 광학 요소 또는 광 방향지정 필름의 구현양태의 일부를 나타내는 대표적 단면도가 도시되어 있다. 필름(130)은 제1 표면(132) 및 실질적으로 선형으로 뻗은 다수의 프리즘 요소(136)를 포함하는 반대쪽 구조화 표면(134)을 포함한다. 각각의 프리즘 요소(136)는 첫 번째 측면(138) 및 두 번째 측면(138')을 갖고, 이들의 윗쪽 모서리가 피크 또는 프리즘 요소(136)의 정점(142)을 한정하기 위해 교차된다. 인접한 프리즘 요소(136)의 측면(138), (138')의 바닥 모서리들이 교차되어 프리즘 요소들 사이에 선형으로 뻗은 홈(144)을 형성한다. 도 3에 나타낸 구현양태에서, 프리즘 정점(142)에 의해 한정되는 이면각은 대략 90도로 측정되지만, 이러한 구현양태 및 기타 구현양태에서 이면각의 실제 측정치는 원하는 광학 매개변수에 따라 변할 수 있는 것으로 이해된다.
필름(130)의 구조화 표면(134)은, 공통 기준 면으로부터 상이한 거리로 떨어져 있는 피크를 가진, 프리즘 요소의 다수의 교대하는 대역을 가진 것으로 설명될 수 있다. 공통 기준 면이 임의로 선택될 수 있다. 공통 기준 면의 한가지 편리한 예는, 제1 표면(132)을 함유하는 면이고; 다른 예는 구조화 표면의 가장 낮은 홈의 바닥에 의해 한정되는 면 (점선(139)로 나타냄)이다. 도 3에 나타낸 구현양태에서, 더욱 짧은 프리즘 요소는 점선(139)으로부터 측정하여 폭이 대략 50 마이크론이고 높이가 대략 25 마이크론인 반면, 더욱 높은 프리즘 요소는 폭이 대략 50 마이크론이고 높이가 대략 26 마이크론이다. 더욱 높은 프리즘 요소를 포함하는 대역의 폭은 약 1 마이크론 내지 300 마이크론으로 측정될 수 있다. 더욱 짧은 프리즘 요소를 포함하는 대역의 폭은 중요하지 않으며 200 마이크론 내지 4000 마이크론으로 측정될 수 있다. 주어진 구현양태에서, 더욱 짧은 프리즘 요소의 대역은 적어도 더욱 높은 프리즘 요소의 대역만큼 넓을 수 있다. 도 3에 나타낸 물품은 단지 일례일 뿐이고, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를들어, 프리즘 요소의 높이 또는 폭이 실행가능한 범위 내에서 변할 수도 있고 - 약 1 마이크론 내지 약 200 마이크론의 범위 내에서 정확한 프리즘을 기계가공하는 것이 실행가능하다. 추가로, 이면각은 변할 수도 있거나, 원하는 광학 효과를 달성하기 위하여 프리즘 축이 기울어질 수도 있다.
첫 번째 대역의 폭은 약 200 내지 300 마이크론 미만일 수 있다. 수직 시야 조건 하에서, 육안으로는 약 200 내지 300 마이크론 미만의 폭 영역에서 발생하는 빛의 강도에서 작은 변화를 분해하기 곤란하다. 따라서, 첫 번째 대역의 폭이 약 200 내지 300 마이크론 미만으로 감소될 때, 이 대역에서 일어날 수 있는 광학 결합은 수직 시야 조건 하에서 육안으로 검출될 수 없다.
공통 기준 면 위에 다양한 높이로 배치된 피크를 가진 프리즘 요소의 부분을 포함하는 교대하는 대역을 만들기 위하여, 그의 선형 정도를 따라서 하나 이상의 프리즘 요소의 높이를 변화시킴으로써 가변 높이 구조화 표면을 제공할 수도 있다.
도 4는, 필름(150)이 하나의 더욱 높은 프리즘 요소(156)를 포함한 대역에 의해 분리되는 비교적 더욱 짧은 프리즘 요소(154)의 대역을 가진 구조화 표면(152)을 포함하는 것 이외에는, 도 3과 유사한 광학 요소의 다른 구현양태를 나타낸다. 도 3에 나타낸 구현양태와 매우 유사하게, 더욱 높은 프리즘 요소는 필름의 두번째 시트가 구조화 표면(152)에 물리적으로 근접하는 것을 제한하고, 이에 의해 눈에 보이는 습윤 상태의 가능성을 감소시킨다. 육안은 빛 방향지정 필름에서 각면 높이의 변화에 민감하고, 더욱 높은 프리즘 요소의 비교적 넓은 대역이 필름 표면 위에서 눈에 보이는 선으로 나타날 것으로 결정되었다. 이것은 필름의 광학 성능에 실질적으로 영향을 미치지 않지만, 특정한 상업적 상황에서는 이러한 선이 바람직하지 못할 수도 있다. 더욱 높은 프리즘 요소의 대역 폭을 감소시키는 것은, 그에 상응하여, 더욱 높은 프리즘 요소에 의해 유발된 필름의 선을 검출하는 육안의 능력을 감소시킨다.
도 5는 프리즘 요소가 대략 동일한 크기이지만 반복되는 계단 또는 경사로 패턴으로 배열되어 있는 광학 요소의 다른 구현양태의 대표적인 예이다. 도 5에 나타낸 필름(160)은 제1 표면(162) 및 다수의 실질적으로 선형 프리즘 요소(166)를 포함하는 반대쪽의 구조화 표면(164)을 포함한다. 각각의 프리즘 요소는 반대쪽의 측 각면(168), (168')을 가지며, 프리즘 피크(170)를 한정하기 위해 그의 윗쪽 모서리에서 교차한다. 반대쪽의 측 각면(168), (168')에 의해 한정되는 이면 각은 대략 90도로 측정된다. 이러한 구현양태에서, 가장 높은 프리즘은 첫 번째 대역으로 간주될 수도 있고, 인접한 프리즘들은 두 번째 대역으로 간주될 수도 있다. 다시, 첫 번째 대역은 약 200 내지 300 마이크론 미만으로 측정될 수 있다.
도 6은 광학 요소의 추가의 구현양태를 나타낸다. 도 6에 개시된 필름(180)은 제1 표면(182) 및 반대쪽의 구조화 표면(184)을 포함한다. 이러한 필름은, 비교적 짧은 프리즘 요소를 포함한 두 번째 대역이 다양한 높이의 프리즘 요소를 함유함을 특징으로 할 수도 있다. 도 6에 나타낸 구조화 표면은, 프리즘 요소의 높이 변화에 의해 유발된 필름 표면 위에 있는 선을 육안으로 볼 수 있는 가시성을 실질적으로 감소시킨다는 추가의 장점을 갖는다.
도 7은 부드러운 컷오프를 제공하기 위한 광학 요소의 다른 구현양태를 나타낸다. 도 7은 본 발명에 따라서 일반적으로 (240)으로 명명된 휘도 증진 필름을 나타낸다. 휘도 증진 필름(240)은 기판(242) 및 구조화 표면 재료(244)를 포함한다. 기판(242)은 일반적으로 폴리에스테르 재료일 수 있고, 구조화 표면 재료(244)는 본 명세서에 언급된 자외선-경화 아크릴 또는 기타 중합체 재료일 수 있다. 기판(242)의 외부 표면은 바람직하게는 편평하지만 또한 구조를 가질 수 있다. 또한, 다른 대안적인 기판이 사용될 수도 있다.
구조화 표면 재료(244)는 그 위에 형성된 프리즘(246),(248) 및 (250)과 같은 다수의 프리즘을 갖는다. 프리즘(246), (248) 및 (250)은 각각 피크 (252), (254) 및 (256)를 갖는다. 60도 내지 120도의 범위 내의 각이 포함될 수 있긴 하지만, 모든 피크(252), (254) 및 (256)은 바람직하게는 90도의 피크 또는 프리즘 각을 갖는다. 프리즘(246)과 (248) 사이에 골(258) (valley)이 존재한다. 프리즘(248)과 (250) 사이에 골(260)이 존재한다. 골(258)은 프리즘(246)과 결합된 골을 갖는 것으로 간주되고, 70도의 골 각을 가지며, 골(26)은 프리즘(248)과 결합된 골로 간주될 수도 있고 다른 값이 사용될 수 있긴 하지만 110도의 골 각을 갖는다. 효과적으로, 휘도 증진 필름(240)은, 빛의 일부를 반사하고 재순환시키고, 교대하는 방향에서 경사진 프리즘을 갖는 것 이외에는 선행 기술의 휘도 증진 필름과 유사하게 나머지를 굴절시킴으로써, 배면조명의 뚜렷한 축상 밝기를 증가시킨다. 프리즘을 경사시키는 효과는 출력되는 빛 원추의 크기를 증가시키는 것이다.
도 8은 둥근 프리즘 정점을 가진 광학 요소의 다른 구현양태를 나타낸다. 휘도 증진 물품(330)은 한 쌍의 반대쪽 표면 (334),(336)을 가진 가요성의 베이스층(332)을 특징으로 하고, 양쪽 면 모두 베이스층(332)과 일체식으로 형성된다. 표면(334)은 일련의 돌출된 광-확산 요소(338)를 특징으로 한다. 요소는 층(332)과 동일한 재료로 만들어진 표면에서 "융기"의 형태일 수도 있다. 표면(336)은 베이스층(332)과 일체식으로 형성된 무디거나 둥근 피크(340)를 가진 선형 프리즘의 어레이를 특징으로 한다. 이러한 피크는 현 폭(342), 단면 피치 폭(344), 만곡 반경(346) 및 루트 각(348)을 특징으로 하고, 여기에서 현 폭은 단면 피치 폭의 약 20 내지 40%와 동일하고, 만곡 반경은 단면 피치 폭의 약 20 내지 50%와 동일하다. 루트 각은 약 70 내지 110도 또는 약 85 내지 95도의 범위이고, 약 90도의 루트 각이 바람직하다. 바람직한 광학 성능을 최대화하기 위하여 어레이 내에서 프리즘의 배치를 선택한다.
둥근 프리즘 정점 휘도 증진 물품은 보통 감소된 게인을 겪는다. 그러나, 고 굴절율 표면 개질 콜로이드성 나노입자의 첨가는, 둥근 프리즘 정점 휘도 증진 물품으로부터 소실된 게인을 상쇄할 수 있다.
도 9는 편평하거나 평면 프리즘 정점을 가진 광학 요소의 다른 구현양태를 나타낸다. 휘도 증진 물품(430)은 한 쌍의 반대쪽 표면(434),(436)을 가진 가요성 베이스층(432)을 특징으로 하고, 이들 양쪽 모두 베이스층(432)과 일체식으로 형성된다. 표면(434)은 일련의 돌출된 광-확산 요소(438)를 특징으로 한다. 이러한 요소는 층(432)과 동일한 재료로 만들어진 표면에서 "편평한 융기"의 형태일 수도 있다. 표면(436)은 베이스층(432)과 일체식으로 형성된 편평하거나 평면 피크(440)를 가진 선형 프리즘의 어레이를 특징으로 한다. 이러한 피크는 편평한 폭(442) 및 단면 피치 폭(444)을 특징으로 하고, 여기에서 편평한 폭은 단면 피치 폭의 약 0 내지 30%와 동일할 수 있다.
광도파관으로부터 빛을 추출하는 다른 방법은 저해된(frustrated) 전체 내부 반사(TIR)를 사용하는 것이다. 저해된 TIR의 한가지 유형에서, 광도파관은 쐐기 형태를 갖고, 광도파관의 두꺼운 모서리에서 입사하는 광선은 광도파관의 상부 및 하부 표면에 대해 임계 각을 달성할 때까지 완전히 내부 반사된다. 이어서, 이러한 부-임계 각 광선을 추출하거나, 또는 출력 표면에 빗나가는 각에서 광도파관으로부터 간결하게 굴절된다. 디스플레이 장치를 조사하기 위해 유용하도록, 이러한 광선은 디스플레이 장치의 시야 또는 출력 축에 실질적으로 평행하게 선회되어야 한다. 이러한 선회는 보통 터닝 렌즈 또는 터닝 필름을 사용하여 달성된다.
도 10 내지 12는 터닝 필름을 포함한 조명 장치를 나타낸다. 터닝 필름은 본 명세서에 개시된 발명의 재료를 포함할 수 있다. 터닝 렌즈 또는 터닝 필름은 전형적으로 입력 표면 위에 형성된 프리즘 구조를 포함하고, 입력 표면이 광도파관에 인접하게 배치된다. 빗나가는 각, 보통 출력 표면에 대해 30도 미만에서 광도파관을 나오는 광선은 프리즘 구조를 만난다. 광선은 프리즘 구조의 제1 표면에 의해 굴절되고, 바람직한 방향에서, 예를들어 디스플레이의 시야 각에 실질적으로 평행하게 터닝 렌즈 또는 필름에 의해 방향지정되도록 프리즘 구조의 제2 표면에 의해 반사된다. 터닝 필름은 예를 들어 0.5 마이크로미터 이상이며, 통상적으로는 10 마이크로미터 이하의 반경을 갖는 둥근 정점을 가질 수 있다.
도 10을 언급하자면, 조명 체계(510)는 광학적으로 결합된 광원(512); 광원 반사기(514); 출력 표면(518), 뒷 표면(520), 입력 표면(521) 및 말단 표면(522)을 가진 광도파관(516); 뒷 표면(520)에 인접한 반사기(524); 입력 표면(528) 및 출력 표면(530)을 가진 첫번째 광 방향바꿈 요소(526); 두번째 광 방향바꿈 요소(532); 및 반사 편광판(534)를 포함한다. 광도파관(516)은 쐐기 또는 그의 변형일 수도 있다. 공지된 바와 같이, 광도파관의 목적은, 광원보다 훨씬 더 큰 면적에 걸쳐, 더욱 특별하게는 출력 표면(518)에 의해 형성된 전체 면적에 걸쳐, 광원(512)으로부터 빛의 균일한 분포를 제공하는 데 있다. 광도파관(516)은 더욱 바람직하게는 소형의 얇은 패키지에서 그들의 임무를 달성한다.
광원(512)은 광도파관(516)의 입력 표면(521)에 모서리 결합된 CCFL일 수도 있고, 램프 반사기(514)는 램프 구멍을 형성하는 광원(512) 주위를 감싸는 반사 필름일 수도 있다. 반사기(524)는 광도파관(516)을 역행시키고, 효율적인 역 반사기, 예를들어 램버티안(Lambertian) 또는 거울 필름 또는 이들의 조합일 수도 있다.
모서리-결합된 빛은 입력 표면(521)으로부터 말단 표면(522) 쪽으로 전파되고, TIR에 의해 제한된다. 빛은 TIR의 저해(frustration)에 의하여 광도파관(516)으로부터 추출된다. 광도파관(516) 내에 제한된 광선은, 각각 TIR 바운스와 함께, 쐐기 각에 기인하여 상부 및 하부 벽의 면에 대하여 입사 각을 증가시킨다. 따라서, 더 이상 TIR에 의해 함유되지 않기 때문에, 빛이 결국 각각의 출력 표면(518) 및 뒤 표면(520) 밖으로 굴절된다. 뒷 표면(520) 밖으로 굴절되는 빛은 반사기(524)에 의해 광도파관(516)을 향해 그리고 대부분 이것을 통해 거울 또는 확산 반사된다. 바람직한 시야 방향에 실질적으로 평행한 방향을 따라 출력 표면(518)에서 나오는 광선의 방향을 바꾸기 위하여 첫 번째 광 방향바꿈 요소(526)가 배열된다. 바람직한 시야 방향은 출력 표면(518)에 대해 수직일 수도 있지만, 전형적으로 출력 표면(518)에 대해 어느 정도의 각으로 존재할 것이다.
도 11에 나타낸 것과 같이, 첫 번째 광 방향바꿈 요소(526)는 광 투과성 광학 필름이고, 여기에서 출력 표면(530)은 실질적으로 평면이고 입력 표면(528)이 프리즘(538),(540) 및 (542)의 어레이(536)과 함께 형성된다. 두번째 광 방향바꿈 요소(532)는 광 투과성 필름, 예를들어 휘도 증진 필름, 예컨대 3M 컴퍼니 (미국 미네소타주 세인트폴)로부터 입수가능한 3M 휘도 증진 필름 제품 (BEFIII로 시판됨)일 수도 있다. 반사 편광판(534)은 무기, 중합체, 콜레스테릭 액정 반사 편광판 또는 필름일 수도 있다. 적절한 필름은 3M 확산 반사 편광판 필름 제품 (DRPF로 시판) 또는 거울 반사 편광판 필름 제품 (DBEF로 시판)이고, 양쪽 모두 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩쳐링 컴퍼니로부터 입수가능하다.
어레이(536) 내에서, 각각의 이웃한 프리즘에 비해 상이한 측 각을 가진 각각의 프리즘(538),(540) 및 (542)이 형성될 수도 있다. 다시 말해서, 프리즘(538) (각 A 및 B) 및 프리즘(542) (각 E 및 F)에 비하여 상이한 측 각 (각 C 및 D)을 가진 프리즘(540)이 형성될 수도 있다. 나타낸 바와 같이, 프리즘(538)은 각 A 및 B의 합과 동일한 프리즘 각, 다시 말해서 끼인 각을 갖는다. 유사하게, 프리즘(540)은 각 C 및 D의 합과 동일한 프리즘 각을 갖는 반면, 프리즘(542)은 각 E 및 F의 합과 동일한 프리즘 각을 갖는다. 어레이(536)은 상이한 프리즘 각을 기초로 하여 3개의 상이한 프리즘 구조를 포함하는 것으로 나타났지만, 실제로 어떠한 수의 상이한 프리즘들이 사용될 수도 있음을 이해해야 한다.
공통 프리즘 각을 갖지만 다양한 프리즘 배향을 가진 프리즘(538),(540) 및 (542)이 형성될 수도 있다. 프리즘 각"l"을 프리즘(538)에 대하여 도 11에 나타낸다. 프리즘 각 l은 프리즘(538)에 대해 나타낸 것과 같이 출력 표면(530)에 대해 수직으로 배열될 수도 있거나, 또는 프리즘(540) 및 (542)에 대하여 각각 상상의 축"l+" 및 "l-"에 의해 도시되는 바와 같이 광원을 향해 또는 광원으로부터 멀리 출력 표면에 대한 각으로 배열될 수도 있다.
프리즘(538),(540) 및 (542)는 도 11에 나타낸 바와 같이 어레이(536) 내에서 규칙적인 반복 패턴으로 또는 프리즘의 집단(543)으로 배열될 수도 있고, 어레이(536)가 유사한 프리즘에 인접한 유사한 프리즘을 갖는 것으로 나타나지 않지만, 이러한 형상이 사용될 수도 있다. 또한, 어레이(536) 내에서, 프리즘(538),(540) 및 (542)이 제1 프리즘 형상, 예컨대 프리즘 형상(538)로부터 제2 프리즘 형상, 예컨대 프리즘 형상(540) 등등으로 연속적으로 변화될 수도 있다. 예를들어, 프리즘 형상은 제1 프리즘 형상로부터 제2 프리즘 형상로 구배 방식으로 변화할 수도 있다. 대안적으로, 프리즘은 도 11에 나타낸 형상과 유사하게 단계식 방식으로 변화할 수도 있다. 각각의 집단(543) 내에서, 프리즘은 프리즘 피치를 가지며, 이것은 공간 리플 빈도보다 더 작도록 선택된다. 유사하게, 집단은 규칙적인 집단 피치를 가질 수도 있다. 프리즘은 도 11에 나타낸 것과 같이 대칭적일 수 있거나, 또는 프리즘 어레이가 비-대칭일 수도 있다.
도 11에 나타낸 어레이(536)는 대칭 형상을 가진 프리즘을 갖는 반면, 광 방향바꿈 요소(526')에 형성되어진 도 12에 나타낸 어레이(536')와 같은 프리즘의 어레이가 사용될 수도 있다. 도 12를 참조하면, 어레이(536')에서, 예를들어 프리즘(538')은 각 B'와 동일하지 않은 각 A'를 갖는다. 유사하게 프리즘(540') 및 (542')에 대하여 각 C'는 각 A' 및 D'와 동일하지 않고 각 E'는 각 A', 각 C' 또는 각 F'와 동일하지 않다. 어레이 (536')은 미리 결정된 각의 단일 다이아몬드 절단 도구를 사용하여 유리하게 형성될 수도 있고, 각각의 절단을 위한 도구의 경사는 상이한 프리즘 각 및 대칭을 가진 프리즘을 만든다. 그러나, 단일 절단 도구를 사용하면, 프리즘 각이 동일하고, 다시 말해서 A+B=C+D=E+F인 것으로 이해된다.
광도파관(516)으로부터 출력 프로파일의 변형을 달성하기 위해 필요한 만큼 많은 프리즘 크기가 사용될 수도 있긴 하지만, 어레이(536) 내에서 2개 정도로 적은 상이한 프리즘 형상이 집단으로 사용되고 배열될 수 있는 것으로 관찰된다. 프리즘 측각 변동의 한가지 목적은 변하는 양의 광학 전력을 첫 번째 광 방향바꿈 요소(526)에 전개시키고 첨가하는 것이다. 프리즘(538),(540) 및 (542)의 다양한 형상은 광도파관의 입력 구멍의 실질적으로 균일한 샘플링을 제공하는 역할을 하고, 광도파관(516)으로부터 추출된 빛의 불-균일성을 최소화한다. 전체 결과는, 특히 광도파관(516)의 입구 말단(521) 근처에서 리플 효과를 효율적으로 최소화하는 것이다.
본 발명은 여기에 기재된 특정한 예에 한정되는 것으로 간주되어서는 안되고, 오히려 첨부된 청구의 범위에 개시된 본 발명의 모든 측면을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 다양한 변형, 균등한 공정 뿐만 아니라 본 발명이 적용될 수 있는 다수의 구조가, 본 명세서의 검토 시에 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련가에게 명백할 것이다.
실시예에 나타낸 모든 비율은 달리 나타내지 않는 한 중량 퍼센트이다.
실시예 1 - 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트
첨가 깔때기, 온도 센서 및 기계적 교반기가 장착된 3구 플라스크를 31.2 ml의 2,2,4-트리메틸헥산 1,6-디이소시아네이트 및 50 mg의 디부틸틴 디라우레이트로 채웠다. 첨가 깔때기를 39.75 g의 따뜻한 폴리카프로락톤 디올 (Mn. 530)로 채운 후, 플라스크의 내용물로 55-60℃에서 첨가하였다. 혼합물을 65℃에서 14시간 동안 교반하였다. 그후, 플라스크를 55℃로 냉각하였고, 54-58℃ 범위의 온도를 유지하면서 18.7 ml의 2-히드록시에틸 메타크릴레이트 및 100 mg의 히드로퀴논 모노메틸 에테르의 혼합물을 첨가하였다. 반응이 완결되어 올리고머 우레탄 디메타크릴레이트를 얻는 것을 적외선 분광기로 확인할 때까지 혼합물을 55℃에서 10-12시간 동안 교반하였다.
실시예 2 - 콜로이드성 실리카 분산액
날코 2327 (Nalco 2327) (400.00 g)를 1 리터 엘렌마이어 플라스크에 채웠다. 1-메톡시-2-프로판올 (450.0 g), 실란 A 174 (18.54 g), 및 PEG2TES (9.11 g)를 함께 혼합하고, 교반하면서 콜로이드성 분산액에 첨가하였다. 플라스크의 내용물을 32 oz 밀봉 항아리 내에 부었다. 항아리를 80℃에서 16시간 동안 가열하였다. 이로써 표면 개질 콜로이드성 실리카 나노입자 "콜로이드성 실리카"의 투명한 저점도 분산액을 얻었다 (20.8% 고체).
"PEG2TES"는 N-(3-트리에톡시실릴프로필) 메톡시에톡시에틸 카르바메이트를 지칭한다. 이는 이하와 같이 제조하였다: 자성 교반 바를 넣은 250 ml 둥근 바닥 플라스크를 35 g의 디에틸렌 글리콜 메틸 에테르 및 77 g의 메틸 에틸 케톤으로 채우고, 이어서 용매 혼합물의 실질적인 부분의 회전 증발에 의하여 물을 제거하였다. 3-(트리에톡시실릴)프로필이소시아네이트 (68.60 g)를 플라스크로 채웠다. 디부틸틴 디라우레이트 (대략 3 mg)를 첨가하고, 혼합물을 교반하였다. 반응은 약한 발열로 진행되었다. 반응을 대략 16시간 동안 진행시키고, 이때 적외선 분광기는 이소시아네이트를 나타내지 않았다. 용매 및 알코올의 잔여량을 회전 증발을 통하여 90℃에서 제거하여 104.46 g의 PEG2TES를 다소 점성인 액체로 얻었다.
실시예 3-14
사르토머로부터 상표명 "CN-985B88"으로 상업적으로 입수가능한 올리고머 폴리에스테르 우레탄 디아크릴레이트 49.5부와 실시예 2의 적당량의 혼합물을 조합하여 5 wt-% 실리카 (실시예 3), 10 wt-% 실리카 (실시예 4), 15 wt-% 실리카 (실시예 5), 20 wt-% 실리카 (실시예 6), 및 25 wt-% 실리카 (실시예 7), 30 wt-% 실리카 (실시예 8), 35 wt-% 실리카 (실시예 9), 40 wt-% 실리카 (실시예 10), 45 wt-% 실리카 (실시예 11), 50 wt-% 실리카 (실시예 12), 55 wt-% 실리카 (실시예 13) 및 60 wt-% 실리카 (실시예 14)를 갖는 중합가능한 조성물을 제조할 수 있다. 중합가능한 실리카-함유 조성물을 진공에서 제거하고, 0.5부의 "다로큐어 4265" (1-메톡시-2-프로판올 중의 10% 용액의 형태)를 첨가할 수 있다. 얻어진 조성물을 비스페 놀 A 폴리카르보네이트 플라크 상에서 1-메톡시-2-프로판올로부터 스핀 코팅할 수 있으며, 단일 "H" 벌브에 의하여 방출되는 자외선 복사에의 노출에 의하여 경화될 수 있다.
실시예 15-21
각종 조성물을 적절한 양의 실시예 1의 올리고머 디메타크릴레이트, 실시예 2의 실리카 나노입자 분산물, 광개시제로서 "다로큐어 4265" (0.5%) 및 헥산디올 디아크릴레이트 ("HDDA")로부터 제조할 수 있다. 용매 및 물을 제거하면, 조성물은 하기 표 1에 표시된 양으로 얻어질 것이다.
Figure 112007065432056-PCT00001
실시예 17 - 실시예 17을 이하와 같이 제조하였다:
500 ml 플라스크에, 실시예 1로부터의 23.70 g의 올리고머 디아크릴레이트, 4.1 g의 HDDA, 20 g의 메톡시프로판올, 및 실시예 2의 71 g의 콜로이드성 실리카를 첨가하였다. 용매 및 물을 회전 증발을 통하여 제거하였다. 얻어진 물질 5.001 g, 7.37 g의 HDDA, 실시예 1로부터의 5.07 g의 올리고머 디아크릴레이트 및 0.151 g의 TPO-L를 30 ml 바이알에 첨가하였다.
실시예 17의 중합가능한 조성물을 미국 특허 제5,175,030호 및 제5,183,597호에 기재된 것 또는 2003년 5월 12일에 출원된 공동 양수된 미국 출원 일련 번호 제10/436377호 및 2003년 9월 12일에 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제10/662,085호에 기재된 것과 유사한 미세구조화된 휘도 증진 필름으로 제조하였다.
미세-프리즘 구조는 약 50 마이크로미터인 인접 정점 사이의 평균 거리와 프리즘 측의 기울기로 정의되는 90°정점각을 가진다. 프리즘 최고점 또는 정점은 날카롭고, 프리즘 패턴은 3M에서 Vikuity BEF III 90/50로 상업적으로 입수가능한 것과 유사하다.
얻어진 미세구조화된 휘도 증진 필름의 게인은 포토 리서치 인크 (Photo Research, Inc. Chatsworth, CA)로부터 입수가능한 스펙트라스캔TM PR-650 스펙트라색상계 (SpectraColorimeter) 상에서 측정하였다. 단일 시트 게인을 측정하기 위하여, 필름 샘플을 절단하고, Foster DCR II 광원을 이용하여 광-파이프 (light-pipe)를 통하여 조명된 테플론 광 입방체 (Teflon light cube) 상에 위치키며, 프리즘의 그루브를 테프론 광 입방체의 전면에 평행하도록 하였다. 실시예 17의 중합가능한 조성물로부터 제조된 필름의 단일 시트 게인은 1.524였다.
실시예 22-24
하기 표 2의 실시예 22-34는 제조된 추가의 올리고머 우레탄 (메트) 아크릴레이트 기재 조성물이다. 실시예 35 및 36은 제조될 수 있는 추가의 적절한 제제를 예시한다.
실시예 22-34의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트 조성물 각각을 적절한 양의 실시예 2의 실리카 분산액과 조합하여 5 wt-% 실리카, 10 wt-% 실리카 , 15 wt-% 실리카, 20 wt-% 실리카 , 및 25 wt-% 실리카, 30 wt-% 실리카, 35 wt-% 실리카, 40 wt-% 실리카, 45 wt-% 실리카, 50 wt-% 실리카, 55 wt-% 실리카 및 60 wt-% 실리카를 갖는 중합가능한 조성물을 제조할 수 있다. 테트라히드로퍼푸릴 아크릴레이트(THFA), 페녹시 에틸 아크릴레이트 및 이소보르닐 아크릴레이트 (IBOA)와 같은 5 wt-% 내지 30 wt-%의 반응성 희석제를 특히 점도를 낮추기 위하여 실리카 함유 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트 조성물 중 임의의 것에 첨가할 수 있으며, 상기 조성물이 문헌[Lu and Lu et al.]에 기재된 방법에 적절하도록 하였다.
상기 중합가능한 조성물 (즉, 적절한 점도를 가짐)을 미국 특허 제5,175,030호 및 제5,183,597호 또는 2003년 5월 12일에 출원된 공동 양수된 미국 특허 출원 일련 번호 제10/436377호 및 2003년 9월 12에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제10/662,085호에 기재된 것과 유사한 미세구조화된 휘도 증진 필름으로 제조될 수 있다.
미세-프리즘 구조는 약 50 마이크로미터인 인접 정점 사이의 평균 거리와 프리즘 측의 기울기로 정의되는 90°정점각을 가질 수 있다. 프리즘 최고점 또는 정점은 7 마이크론 반경 모서리를 가질 수 있거나, 정점은 날카롭고 상표명 "Vikuity BEF III 90/50"로 3M 사로부터 시판되는 휘도 증진 필름과 유사한 프리즘 패턴을 가질 수 있다.
얻어진 미세구조화된 휘도 증진 필름은 상기 긁힘대비율 (Scratch Contrast Ratio)에 따라서 측정할 수 있다.
얻어진 미세구조화된 휘도 증진 필름의 게인은 실시예 17에 기재된 시험 방법에 따라서 측정할 수 있다.
Figure 112007065432056-PCT00002

Claims (32)

1종 이상의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트를 갖는 유기 성분을 포함하는 조성물 및 표면 개질 실리카 나노입자의 반응 생성물을 포함하는 휘도 증진 중합 구조
를 포함하는 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 중합 구조가 제1 표면을 따라서 연장되는 다수의 융기를 갖는 것인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 일차 입자 크기가 1 nm 초과 100 nm 미만인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 일차 입자 크기가 5 nm 내지 75 nm인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 실리카 나노입자의 일차 입자 크기가 10 nm 내지 30 nm인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 실리카가 10 내지 60 wt-%의 중합 구조를 포함하는 것 인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 실리카가 10 내지 40 wt-%의 중합 구조를 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 조성물이 지르코니아, 티타니아, 산화안티몬, 알루미나, 산화주석, 그의 혼합된 금속 산화물, 또는 그의 혼합물로부터 선택된 나노입자를 추가로 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 표면 개질 나노입자가 유기 성분과 중합가능한 것인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 조성물이 광개시제를 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 올리고머 우레탄 (메트) 아크릴레이트가 올리고머 멀티(메트)아크릴레이트인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트가 2,2,4-트리메틸헥산 1,6-디이소시아네이트, 폴리카프로락톤 디올 및 2-히드록시에틸 메타크릴레이트의 반응 생성물인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 유기 성분이 (메트)아크릴레이트 모노머, 스티렌계 모노머, 및 에틸렌계 불포화 질소 함유 헤테로시클릭 모노머로부터 선택된 1종 이상의 모노머를 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제13항에 있어서, 상기 모노머가 폴리올 멀티(메트)아크릴레이트인 휘도 증진 필름.
제14항에 있어서, 상기 폴리올 (메트)아크릴레이트가 헥산디올 디아크릴레이트인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 상기 유기 성분이 약 30-100 중량%의 올리고머 우레탄 멀티(메트)아크릴레이트를 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제1항에 있어서, 중합 구조에 광학적으로 커플링된 베이스층을 추가로 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제17항에 있어서, 상기 베이스층이 스티렌-아크릴로니트릴, 셀룰로오스 트리아세테이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 나프탈렌 디카르복실산의 코폴리머, 또는 이들의 혼합물을 포함 하는 것인 휘도 증진 필름.
제17항에 있어서, 상기 베이스층이 편광층인 휘도 증진 필름.
제19항에 있어서, 상기 베이스층이 반사 편광층인 휘도 증진 필름.
(a) 발광 표면을 가진 발광 장치; 및
(b) 상기 발광 표면에 실질적으로 평행하게 배치된 제1항의 휘도 증진 필름
을 포함하는 장치.
제21항에 있어서, 상기 발광 장치가 배면조명 (back-lit) 디스플레이 장치 또는 액정 디스플레이 장치인 장치.
제21항에 있어서, 상기 장치가 휴대용 장치, 컴퓨터 디스플레이 및 텔레비젼으로부터 선택되는 것인 장치.
1종 이상의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트를 갖는 유기 성분을 포함하는 조성물과 표면 개질 실리카 나노입자의 반응 생성물을 포함하는 중합 구조를 포함하는 광학 터닝 필름 (optical turning film).
(a) 발광 표면을 가진 광도파관을 갖는 광원; 및
(b) 상기 광도파관에 실질적으로 평행하게 배치된 제24항의 광학 터닝 필름을 포함하고,
상기 터닝 필름이 제1 표면과 제2 표면, 및 상기 제1 표면 위에 형성된 프리즘의 어레이를 갖고, 광도파관의 발광 표면을 나오는 광선이 프리즘의 어레이와 만나도록 발광 표면에 대해 배치된 제1 표면을 가진 터닝 필름이 배치되고, 광선이 제2 표면을 통해 실질적으로 원하는 각 방향을 따라서 터닝 필름을 나오도록 프리즘의 어레이에 의해 반사 및 굴절되며,
프리즘의 어레이가 제1의 다수의 프리즘을 포함하고, 제1의 다수의 프리즘 각각이 제1 프리즘 형상을 갖고, 제2의 다수의 프리즘의 각각이 제1 프리즘 형상과 상이한 제2 프리즘 형상을 갖고, 제1 프리즘 형상 및 제2 프리즘 형상은 제2 표면을 나오는 광선이 광도파관에 들어가는 광선의 실질적으로 균일한 샘플링에 상응하는 것인, 조명 장치.
1종 이상의 올리고머 우레탄 (메트)아크릴레이트를 갖는 유기 성분을 포함하는 조성물과 표면 개질 실리카 나노입자의 반응 생성물을 포함하는 중합 구조를 포함하는 미세구조 물품.
제26항에 있어서, 상기 물품이 역반사성 (retroreflective)인 미세구조 물품.
제26항에 있어서, 상기 물품이 플라스마 디스플레이 패널을 위한 배리어 립을 만들기에 적절한 가요성 몰드 (flexible mold)인 미세구조 물품.
제1항에 있어서, 상기 필름이 정점을 갖는 다수의 융기를 포함하는 것인 휘도 증진 필름.
제29항에 있어서, 상기 정점이 4 내지 15 마이크로미터 범위의 반경을 갖는 둥근 것인 휘도 증진 필름.
제24항에 있어서, 상기 터닝 필름이 정점을 갖는 다수의 융기를 포함하는 것인 터닝 필름.
제31항에 있어서, 상기 정점이 0.5 내지 10 마이크로미터 범위의 반경을 갖는 둥근 것인 터닝 필름.
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