KR20080005950A

KR20080005950A - 섬유 보강 광학 필름

Info

Publication number: KR20080005950A
Application number: KR1020077026073A
Authority: KR
Inventors: 올레스터 쥬니어 벤슨; 노린 쥐. 데트윌러; 패트릭 알. 플레밍; 크리스틴 엘. 썬호스트
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2006-05-09
Publication date: 2008-01-15
Also published as: TW200700767A; CN101175806A; JP2008541174A; EP1879957A1; US20060257678A1; WO2006122131A1

Abstract

광학체, 예를 들어 광학 필름은 무기 섬유가 중합체 매트릭스에 매립되어 형성된다. 일부 실시 형태에서, 무기 섬유 및 중합체 매트릭스의 굴절률은 정합된다. 섬유와 중합체 매트릭스 사이에는 결합제가 있을 필요가 없다. 무기 섬유는 유리 섬유, 세라믹 섬유 또는 유리-세라믹 섬유일 수 있다. 예컨대 광학체를 통과하는 광에 대한 광학능을 제공하기 위해 구조체가 광학체의 표면에 제공될 수 있다. 광학체는 무기 섬유의 연속 층이 이후 고형화될 매트릭스 내로 매립되는 연속 공정을 이용하여 형성될 수 있다.

광학체, 광학 필름, 무기 섬유, 중합체, 굴절률

Description

섬유 보강 광학 필름{FIBER REINFORCED OPTICAL FILMS}

본 발명은 중합체 광학 필름(polymer optical film)에 관한 것으로, 특히 경직성(rigidity)과 강성(stiffness) 증가를 위해 무기 섬유를 함유한 중합체 광학 필름에 관한 것이다.

광학 필름, 즉 광학적 특성이 기능상 중요한 얇은 중합체 필름이, 예컨대 광원으로부터 디스플레이 패널로의 광의 전달을 조절하기 위한 디스플레이에 흔히 사용되고 있다. 광 조절 기능은 상(image)의 밝기를 증가시키는 것과 상을 가로지르는 조도 균일성을 증가시키는 것을 포함한다.

이러한 필름은 얇으며, 따라서 구조적 완전성(structural integrity)을 거의 갖지 않는다. 디스플레이 시스템의 크기가 증가함에 따라, 필름의 면적도 또한 커지게 된다. 필름이 두껍게 제조되지 않는다면, 이들은 그 형태를 유지할 만큼 충분히 강성이지 않은 크기에 이르게 될 수 있다. 그러나, 필름을 더 두껍게 제조하면 디스플레이 유닛의 두께가 증가되고 아울러 중량 및 광 흡수의 증가로 이어진다. 두꺼운 필름은 단열 특성이 또한 증가되어 디스플레이 외부로의 열 전달 성능을 감소시킨다. 더욱이, 휘도가 증가된 디스플레이에 대한 계속적인 요청이 있으며, 이는 디스플레이 시스템에서 더 많은 열이 발생한다는 것을 의미한다. 이는 더 많은 가열과 관련된 비틀림 효과의 증가, 예컨대 필름 뒤틀림(warping)으로 이어진다.

현재, 보다 큰 디스플레이 크기를 수용하는 해결책은 광학 필름을 훨씬 더 두꺼운 기재에 적층하는 것이다. 이러한 해결책은 장치 비용을 증가시키고 장치를 더 두껍고 무거워지게 하는 것이다. 그러나, 이러한 비용 증가는 디스플레이의 광학적 기능의 주목할 만한 향상으로 이어지지는 않는다.

발명의 개요

본 발명의 일 실시 형태는 제1 굴절률을 갖는 중합체 매트릭스와 결합제 없이 중합체 매트릭스 내에 매립된 복수의 무기 섬유를 포함하는 광학체에 관한 것이다. 무기 섬유는 제1 굴절률과 사실상 정합되는 제2 굴절률을 갖는 무기 재료로 형성된다.

본 발명의 다른 실시 형태는 제1 굴절률을 갖는 중합체 매트릭스를 포함하는 광학체에 관한 것이다. 복수의 섬유가 중합체 매트릭스 내에 매립되어 있다. 섬유는 제1 굴절률과 사실상 동일한 제2 굴절률을 갖는 무기 섬유 재료로 형성된다. 광학체는 적어도 하나의 구조화된 표면을 갖는다.

본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시 형태 또는 모든 구현 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 이러한 실시 형태들을 더 구체적으로 예시하는 것이다.

본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완벽하게 이해될 수 있다.

도 1A는 광학 필름을 개략적으로 도시한 도면.

도 1B는 본 발명의 원리에 따른 광학 필름의 개략 절결도.

도 2는 섬유 반경의 함수로 산란 효율을 도시한 그래프.

도 3은 섬유 위브(fiber weave)의 일 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.

도 4A 및 도 4B는 본 발명의 원리에 따른 섬유 얀(yarn)의 예시적인 실시 형태를 개략적으로 도시한 도면.

도 5A 내지 도 5C는 본 발명의 원리에 따른 섬유 보강 필름의 개략적인 단면도.

도 6은 본 발명의 원리에 따른, 광학능(optical power)을 갖는 섬유 보강 필름의 개략적인 단면도.

도 7A 내지 도 7D는 본 발명의 원리에 따른, 표면 구조를 갖는 섬유 보강 필름의 개략적인 단면도.

도 8A 및 도 8B는 본 발명의 원리에 따라 섬유 보강 광학 필름을 제조하는 데 사용될 수 있는 시스템을 개략적으로 설명한 도면.

도 9는 본 발명의 원리에 따라 섬유 보강 광학 필름을 제조하기 위해 섬유 층을 수지로 함침되게 하기 위한 시스템을 개략적으로 설명한 도면.

도 10은 본 발명의 원리에 따라 섬유 보강 광학 필름을 성형하기 위한 시스템을 개략적으로 설명한 도면.

본 발명이 다양한 변형예와 대체 형태를 따르고 있지만, 그 특정 실시예는 예로서 도면에 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명된 특정 실시 형태로 한정할 의도는 아니라는 것을 알아야 한다. 반대로, 첨부된 청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신 및 범주 내에 속하는 모든 변형예, 등가물 및 대체예를 포함하고자 하는 것이다.

본 발명은 광학 시스템에 적용될 수 있고, 특히 하나 이상의 광학 필름을 사용하는 광학 디스플레이 시스템에 적용될 수 있다. 광학 디스플레이, 예컨대 액정 표시 장치(LCD)가 더 커지고 밝아짐에 따라, 이 표시 장치 내의 광학 필름에 대한 요청이 더 커지고 있다. 더 큰 디스플레이는 뒤틀림(warping), 굽힘(bending) 및 처짐(sagging)을 방지하기 위해 더 큰 강성의 필름을 필요로 한다. 그러나, 필름의 두께를 그 길이 및 폭에 따라 증가시킴으로써 필름이 더 두꺼워지고 더 무거워진다. 따라서, 광학 필름이 부수적인 두께 증가 없이도 큰 디스플레이에 사용될 수 있도록 더 강성을 갖도록 제조되는 것이 바람직하다. 광학 필름의 강성을 증가시키기 위한 한 접근 방법은 섬유를 필름 내에 포함시키는 것이다. 일부 예시적인 실시 형태에 있어서, 필름을 통과하는 광의 산란이 거의 없거나 전혀 없도록 섬유는 굴절률의 관점에서 필름의 주변 재료와 정합되게 된다.

광학 요소(100)의 일 실시 형태는 임의로 할당된 좌표계에 대해 요소(100)를 도시한 도 1A에 개략적으로 도시되어 있다. 요소(100)는 z 방향으로 일정 두께를 갖는다. 요소(100)의 일부의 단면도가 도 1B에 개략적으로 도시되어 있다. 이 요소는 연속 상으로 불릴 수도 있는 중합체 매트릭스(104)를 포함한다. 요소(100)는 벌크 광학체(bulk optical body)로서 형성되고, 예를 들어 시트 또는 필름, 실린더 또는 튜브 등의 형태가 될 수도 있다. 요소(100)는 적어도 한 방향으로 사실상 자기 지지되기에 충분한 단면 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 요소(100)가 z 방향으로 얇은 치수를 갖고 y 방향으로는 상당히 폭이 큰 시트라면, 이 요소(100)는 z 방향으로는 쉽게 굴곡되지만 y 방향으로는 쉽게 굴곡될 수 없으므로 y 방향으로 사실상 자기 지지된다.

유리, 유리-세라믹 또는 세라믹 섬유와 같은 무기 섬유(102)는 매트릭스(104) 내에 배치된다. 필요 조건은 아니지만, 개별 섬유(102)는 필름(100)의 길이 전체에 걸쳐 연장될 수 있다. 도시된 실시 형태에 있어서, 꼭 그러할 필요는 없지만, 섬유(102)는 x 방향에 평행하게 길게 배향된다. 섬유(102)는 이하 설명되는 바와 같이 단일 섬유로서 또는 많은 다른 배치 형태로 매트릭스(104) 내에 구성될 수 있다.

중합체 매트릭스(104)를 형성하는 재료에 대한 x, y 및 z 방향으로의 굴절률은 본 명세서에서는 n_1x, n_1y 및 n_1z로 불린다. 중합체 재료가 등방성인 경우, x, y 및 z 방향 굴절률은 사실상 모두 정합된다. 매트릭스 재료가 복굴절성인 경우, x, y 및 z 방향 굴절률 중 적어도 하나는 나머지와는 다르다. 몇몇 경우에 단지 하나의 굴절률이 나머지와 다른데 이 경우 재료는 단축성이라 불리며, 다른 경우에 모든 3개의 굴절률이 서로 다른데 이 경우 재료는 이축성이라고 불린다. 무기 섬유(102)의 재료는 전형적으로 등방성이다. 그러므로, 섬유를 형성하는 재료의 굴절률은 n₂로 주어진다. 무기 섬유(102)는 복굴절성일 수도 있다.

일부 실시 형태에 있어서, 중합체 매트릭스(104)가 등방성인 것, 즉 n_1x

n_1y

n_1z

n₁인 것이 바람직하다. 등방성인 것을 고려하면, 굴절률 n_1x, n_1y 및 n_1z 사이의 차이는 0.05 미만, 바람직하게는 0.02 미만, 그리고 더욱 바람직하게는 0.01 미만이어야 한다. 더욱이, 일부 실시 형태에서, 매트릭스(104) 및 섬유(102)의 굴절률은 사실상 정합되는 것이 바람직하다. 따라서, 매트릭스(104)와 섬유(102) 사이의 굴절률 차이, 즉 n₁ 및 n₂ 사이의 차이는 작아야 하며, 적어도 0.02 미만, 바람직하게는 0.01 미만, 그리고 더욱 바람직하게는 0.002 미만이어야 한다.

다른 실시 형태에 있어서, 중합체 매트릭스가 복굴절성인 것이 바람직한데, 이 경우 매트릭스 굴절률의 적어도 하나가 섬유(102)의 굴절률과 다르다. 예를 들어, 매트릭스가 n_1x

n_1z ≠ n_1y인 단축 복굴절성이라면, 값 n_1x 및 n_1z 는 n₂와 매우 정합될 수 있다. 그러나, n_1y는 n₂와 다르고 그 결과 y 방향으로 편광된 광은 필름(100)에 의해 산란되지만 x 방향으로 편광된 광은 거의 산란 없이 필름을 통과한다. y 방향으로 편광된 광에 의해 겪는 산란량은 굴절률 차이 n₂ - n_1y의 크기, 섬유(102)의 크기 및 섬유(102)의 밀도를 비롯한 여러 인자들에 따른다. 더욱이, 광은 전방 산란(확산 투과)하거나, 후방 산란(확산 반사)하거나 이들의 조합일 수도 있다. 매트릭스(104)와 섬유(102) 사이의 복굴절 계면에서의 굴절률 부정합(refractive index mismatch)은 적어도 0.05일 수 있고, 예를 들어 0.1 또는 0.15보다 클 수 있고, 또는 0.2일 수도 있다.

직전에 설명된 예시적인 실시 형태가 y 방향으로의 굴절률 차이가 상대적으로 큰 x 방향으로의 굴절율 정합에 관한 것이지만, 다른 예시적인 실시 형태는 x 방향으로의 굴절률 차이가 상대적으로 큰 y 방향으로의 굴절률 정합을 포함한다.

매트릭스

중합체 매트릭스에서 사용하기에 적합한 재료는 원하는 광 파장 범위에 걸쳐 투과성을 갖는 열가소성 및 열경화성 중합체를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 중합체는 물에 비용해성이거나, 소수성일 수 있거나, 물 흡수 경향이 적을 수 있는 것이 특히 유용할 수 있다. 또한, 적합한 중합체 재료는 비결정질 또는 반결정질일 수도 있으며, 그의 단일중합체, 공중합체 또는 블렌드를 포함할 수도 있다. 중합체 재료의 예에는 폴리(카르보네이트)(PC); 신디오탁틱(syndiotactic) 및 아이소탁틱(isotactic) 폴리(스티렌)(PS); C1-C8 알킬 스티렌; 알킬, 방향족, 및 지방족 고리 함유 (메트)아크릴레이트 - 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 및 PMMA 공중합체를 포함함 - ; 에톡실화 및 프로폭실화 (메트)아크릴레이트; 다작용성 (메트)아크릴레이트; 아크릴화 에폭시; 에폭시; 및 기타 에틸렌계 불포화 물질; 사이클릭 올레핀 및 사이클릭 올레핀 공중합체; 아크릴로니트릴 부타다이엔 스티렌 (ABS); 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체 (SAN); 에폭시; 폴리(비닐사이클로헥산); PMMA/폴리(비닐플루오라이드) 블렌드; 폴리(페닐렌 옥사이드) 얼로이(alloys); 스티렌계 블록 공중합체; 폴리이미드; 폴리설폰; 폴리(비닐 클로라이드); 폴리(다이메틸 실록산) (PDMS); 폴리우레탄; 포화 폴리에스테르; 낮은 복굴절성의 폴리에틸렌을 포함하는 폴리(에틸렌); 폴리(프로필렌) (PP); 폴리(알칸 테레프탈레이트), 예를 들어 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (PET); 폴리(알칸 나프탈레이트), 예를 들어 폴리(에틸렌 나프탈레이트) (PEN); 폴리아미드; 이오노머; 비닐 아세테이트/폴리에틸렌 공중합체; 셀룰로오스 아세테이트; 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트; 플루오로중합체; 폴리(스티렌)-폴리(에틸렌) 공중합체; 폴리올레핀계 PET 및 PEN을 포함하는 PET 및 PEN 공중합체; 및 폴리(카르보네이트)/지방족 PET 블렌드가 포함되지만, 이로 한정되는 것은 아니다. (메트)아크릴레이트라는 용어는 상응하는 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트 화합물로서 정의된다. 신디오탁틱 PS를 제외하고는, 이들 중합체는 광학적 등방성 형태로 사용될 수도 있다.

몇몇 제품 적용예에서, 필름 제품 및 성분은 저수준의 일시적 화학종(저분자량, 미반응 또는 비전환 분자, 용해된 물 분자, 또는 반응 부산물)을 나타내는 것이 중요하다. 일시적 화학종은 제품 또는 필름의 최종 사용 환경으로부터 흡수될 수 있으며, 예를 들어 물 분자는 초기의 제품 제조에서부터 제품 또는 필름 내에 존재할 수 있거나, 예를 들어 물은 화학 반응(예를 들어, 축합 중합 반응)의 결과로서 생성될 수 있다. 축합 중합 반응으로부터의 작은 분자 발생의 예로는 다이아민과 이산(diacid)의 반응으로부터의 폴리아미드의 형성 동안의 물의 유리가 있다. 일시적 화학종은 저분자량 유기 재료, 예를 들어 단량체, 가소제 등도 포함할 수 있다.

일시적 화학종은 일반적으로 나머지의 기능성 제품 또는 필름에 포함되는 대부분의 재료보다 분자량이 일반적으로 더 작다. 제품 사용 조건은 예를 들어 열 응력으로 이어질 수도 있으며, 이러한 열 응력은 제품 또는 필름의 한 면에서 차등적으로 더 크다. 이러한 경우, 일시적 화학종은 필름을 통하여 이동하거나 필름 또는 제품의 한 표면으로부터 휘발하여 농도 구배, 총체적인 기계적 변형, 표면 변경, 및 때로 바람직하지 못한 가스 발생(out-gassing)을 야기할 수 있다. 가스 발생은 제품, 필름 또는 매트릭스 내에 공극 또는 기포가 생기게 할 수 있거나, 다른 필름으로의 부착에서 문제가 될 수 있다. 또한, 일시적 화학종은 제품 적용에서 다른 성분들을 잠정적으로 용매화하거나, 에칭하거나 다른 성분들에게 바람직하지 못한 영향을 줄 수 있다.

이들 중합체 중 여러 중합체는 배향될 때 복굴절성으로 될 수도 있다. 특히, PET, PEN 및 그의 공중체와, 액정 중합체는 배향될 때 상대적으로 큰 값의 복굴절성을 나타낸다. 중합체는 압출 및 신장을 포함하는 상이한 방법들을 사용하여 배향시킬 수도 있다. 신장은 중합체의 배향에 있어서 특히 유용한 방법인데, 그 이유는 신장이 고도의 배향을 가능하게 하고, 다수의 용이하게 조절가능한 외부 파라미터, 예를 들어 온도 및 신장비에 의해 조절될 수도 있기 때문이다.

매트릭스(104)는 다양한 첨가제가 제공되어 광학체(100)에 원하는 특성을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 첨가제는 하기 중 하나 이상을 포함할 수도 있다: 내후용 제제(anti-weathering agent), UV 흡수제, 장해 아민 광 안정제, 산화방지제, 분산제, 윤활제, 정전기 방지제, 안료 또는 염료, 핵화제, 난연제 및 발포제(blowing agent).

일부 예시적 실시 형태에서는, 오래됨에 따른 황화 및 흐려짐(yellowing and clouding)에 대하여 내성을 갖는 중합체 매트릭스 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 방향족 우레탄과 같은 몇몇 재료는 UV 광에 장기간 노출될 때 불안정해지며, 시간이 지남에 따라 변화된다. 장기간 동일 색을 유지하는 것이 중요할 때 그러한 재료는 피하는 것이 바람직할 수도 있다.

다른 첨가제가 중합체의 굴절률의 변경 또는 재료 강도의 증가를 위하여 매트릭스(104)에 제공될 수도 있다. 그러한 첨가제는, 예를 들어 중합체 비드 또는 입자 및 중합체 나노입자와 같은 유기 첨가제를 포함할 수도 있다. 일부 실시 형태에서, 매트릭스는 두 가지 상이한 단량체들의 특정 비를 이용하여 형성시키며, 여기서 각각의 단량체 a 및 b는 중합될 때 상이한 최종 굴절률, 예를 들어 n_a 및 n_b와 결부되며, 아래 첨자 a 및 b는 각각 단량체 a 및 b를 말한다. n_a가 n_b보다 작고, 혼합물 중 단량체 b의 중량 분율이 r이면, 매트릭스의 굴절률 값, n_m은 하기에 의해 주어진다: n_m = n_a + r(n_b - n_a). 다른 실시 형태에서, 3종 이상의 상이한 단량체의 선형 결합을 이용하여 원하는 굴절률 값을 생성할 수도 있다. 이하에 제공되는 실시예는 3종, 4종 또는 심지어 5종의 단량체들의 혼합물을 사용하여 굴절률을 튜닝(tuning)하는 능력을 예시하고 있다.

다른 실시 형태에서, 무기 첨가제를 매트릭스에 첨가하여 매트릭스의 굴절률을 조정하거나, 이 재료의 강도 및/또는 강성을 증가시킬 수도 있다. 예를 들어, 무기 재료는 유리, 세라믹, 유리-세라믹 또는 금속 산화물일 수도 있다. 무기 섬유와 관련하여 이하에 논의되어 있는 임의의 적합한 유형의 유리, 세라믹 또는 유리-세라믹이 사용될 수 있다. 적합한 유형의 금속 산화물은, 예를 들어 티타니아, 알루미나, 산화주석, 산화안티몬, 지르코니아, 실리카, 그 혼합물 또는 그의 혼합된 산화물을 포함한다. 이들 무기 재료는 바람직하게는 나노입자, 예를 들어 분쇄된 분말화 비드, 박편 또는 미립자 형태로서 제공되거나, 매트릭스 내에 분포된다. 입자의 크기는 바람직하게는 약 200 ㎚ 미만이며, 100 ㎚ 미만 또는 심지어 50 ㎚ 미만이어서 필름을 통과하는 광의 산란을 감소시킬 수도 있다.

이들 무기 첨가제의 표면에는 섬유를 중합체에 결합시키기 위한 커플링제가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 실란 커플링제를 무기 첨가제와 함께 사용하여 무기 첨가제를 중합체에 결합시킬 수도 있다. 중합가능한 표면의 개질이 결여된 무기 나노입자가 이용될 수 있지만, 무기 나노입자는 나노입자가 매트릭스의 유기 성분과 중합가능하도록 표면 개질될 수도 있다. 예를 들어, 반응성 기는 커플링제의 다른 말단에 부착될 수도 있다. 이 기는 예를 들어 이중 결합을 통한 화학적 중합을 통하여 반응 중합체 매트릭스와 화학적으로 반응할 수 있다.

섬유 보강재

임의의 적합한 유형의 무기 재료가 섬유(102)용으로 사용될 수 있다. 섬유(102)는 필름을 통과하는 광에 대해 사실상 투명한 유리로 제조될 수 있다. 적합한 유리의 예로는 E, C, A, S, R 및 D 등급과 같은 유리섬유 복합재에 흔히 사용되는 유리가 포함된다. 예컨대 용융 실리카 또는 BK7 유리의 섬유를 포함하는 더 높은 품질의 유리 섬유가 또한 사용될 수 있다. 적합한 더 높은 품질의 유리는 미국 뉴욕주 엘름스포드 소재의 쇼트 노스 아메리카 인크.(Schott North America Inc.)와 같은 몇몇 공급자로부터 입수할 수 있다. 더 높은 품질의 유리로 제조된 섬유가 더 순수하고 그래서 더 균일한 굴절률을 갖고 불순물을 덜 가져서 분산이 덜 되게 하고 투과를 증가시키기 때문에 이와 같은 섬유를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 섬유의 기계적 특성이 균일할 가능성이 더 크다. 더 높은 품질의 유리 섬유는 습기를 흡수할 가능성이 더 적어서, 필름은 장기간 사용시 더 안정하게 된다. 더욱이, 유리 내의 알칼리 함량이 물의 흡수를 증가시키므로 낮은 알칼리의 유리를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

섬유(102)용으로 사용될 수 있는 다른 유형의 무기 재료는 유리-세라믹 재료이다. 유리-세라믹 재료는 일반적으로 크기가 1 미크론 미만인 아주 작은 결정(crystal)을 체적 기준으로 95% 내지 98%를 포함한다. 결정 크기는 실질적으로 산란이 발생하지 않는 가시광의 파장보다 훨씬 작기 때문에 일부 유리-세라믹 재료는 50 ㎚ 정도로 작은 결정 크기를 가져서 가시 파장에서 상기 재료가 효과적으로 투명하게 한다. 이들 유리-세라믹은 유리질 및 결정질 영역의 굴절률 사이의 유효한 차이가 거의 없거나 전혀 없어서 시각적으로 투명하게 된다. 투명도에 더하여, 유리-세라믹 재료는 유리의 파단 강도를 초과하는 파단 강도를 가질 수 있고 영(zero)의 또는 심지어는 음의 값의 열팽창 계수를 가지는 것으로 알려져 있다. 관심있는 유리-세라믹은 Li₂O-Al₂O₃-SiO₂, CaO-Al₂O₃-SiO₂, Li₂O-MgO-ZnO-Al₂O₃-SiO₂, Al₂O₃-SiO₂, 및 ZnO-Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂, Li₂O-Al₂O₃-SiO₂, 및 MgO-Al₂O₃-SiO₂를 포함하지만 이로 한정되지는 않는 조성을 갖는다.

일부 세라믹은 굴절률이 적절히 정합된 상태로 매트릭스 중합체에 매립되는 경우 투명하게 보일 정도로 충분히 작은 결정 크기를 또한 갖는다. 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 입수할 수 있는 상표명 넥스텔(Nextel™) 세라믹 섬유가 이러한 유형의 재료의 예이고, 실(thread), 얀(yarn) 및 직포 매트(woven mat)로서 입수할 수 있다. 적합한 세라믹 또는 유리-세라믹 재료는 문헌[Chemistry of Glasses, 2^nd Edition (A. Paul, Chapman and Hall, 1990)] 및 문헌[Introduction to Ceramics, 2^nd Edition (W.D. Kingery, John Wiley and Sons, 1976)]에 추가로 설명되어 있다.

섬유의 굴절률이 매트릭스의 굴절률과 잘 정합되지 않으면, 섬유(102)의 크기가 필름(100)을 통과하는 광의 산란에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 산란 효율(scattering effectiveness), 즉 정규화된 크기의 광학적 두께(normalized, scaled optical thickness, NSOT)에 대한 선도(plot)가 섬유의 평균 반경의 함수로 도 2에 도시되어 있다. NSOT는 하기의 식으로 주어진다:

NSOT =

(1-g)/(tf)

여기서,

는 광학적 두께이고 tk에 해당하며, k는 단위 체적당 소광 단면(소광을 위한 평균 자유 경로의 역수)이고, t는 필름(100) 디퓨저의 두께이고, f는 섬유의 체적 분율이고, g는 비대칭 파라미터이다. g의 값은 순 전방 산란의 경우 +1이고, 순 후방 산란의 경우 -1이고, 전후방 산란이 동일한 경우 영(zero)이다. 상기 선도를 생성하는 데 사용된 이러한 계산은 입사광의 진공 파장이 550 ㎚라고 가정하였다.

도시된 바와 같이, 산란 효과는 약 150 ㎚의 섬유 반경에서 최대가 되고 약 50 ㎚ - 1000 ㎚의 반경 범위에 걸쳐 최대치의 약 절반의 값을 갖는다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 섬유(102)의 반경이 이러한 범위의 바깥에 있는 것이 바람직할 수 있다. 반경이 150 ㎚보다 상당히 작은 단일 섬유(102)를 이용하는 것이 덜 실용적인데, 그 이유는 이러한 작은 크기의 단일 섬유는 제조 및 취급이 어렵기 때문이다. 따라서, 가시광의 경우 반경이 2 ㎛ 이상, 바람직하게는 3 ㎛ 초과인 섬유(102)를 이용하는 것이 더 쉽다.

일부 예시적인 실시 형태에 있어서, 매트릭스와 섬유 사이의 완벽한 굴절률 정합을 이루지 않아 적어도 일부의 광이 섬유에 의해 확산되는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 실시 형태에 있어서, 매트릭스 및 섬유의 어느 하나 또는 둘 다는 복굴절성일 수 있고, 매트릭스 및 섬유 둘 다는 등방성일 수 있다. 섬유의 크기에 따라, 산란 또는 단순 반사로부터 확산이 일어난다. 섬유에 의한 확산은 비등방성이다. 즉, 광은 섬유의 축선에 대해 측방향으로는 확산될 수 있으나 섬유에 대해 축방향으로는 확산되지 않는다. 그러므로, 확산의 본질은 매트리스 내의 섬유의 배향에 의존하게 된다. 섬유가 예를 들어 x 축 및 y 축에 평행하게 배열된다면, 광은 x 축 및 y 축에 평행한 방향으로 확산된다.

또한, 매트릭스는 광을 등방성으로 산란시키는 확산 입자로 채워질 수 있다. 확산 입자는 매트릭스와는 굴절률이 다른데 대개 굴절률이 더 높으며, 직경이 최대 약 10 ㎛인 입자이다. 확산 입자는 예를 들어 매트릭스의 굴절률을 튜닝하기 위한 나노입자로서 사용되는 전술한 바와 같은 금속 산화물일 수 있다. 다른 적합한 유형의 확산 입자는 중합체 입자, 예를 들어 폴리스티렌 또는 폴리실록산 입자, 또는 그 조합을 포함한다. 확산 입자는 광을 확산시키기 위해 단독으로 사용될 수 있거나 아니면 광을 확산시키기 위해 굴절률이 정합되지 않은 섬유와 함께 사용될 수 있다.

매트릭스 내의 섬유의 일부 예시적인 배열은 얀, 중합체 매트릭스 내에 일방향으로 배열된 섬유 또는 얀의 토우(tows of fibers or yarns), 섬유 위브, 부직포, 쵸핑된 섬유, (무작위 또는 규칙적인 포맷의) 쵸핑된 섬유 매트, 또는 이들 포맷의 조합을 포함한다. 쵸핑된 섬유 매트 또는 부직포는 섬유가 무작위로 배열되기보다는 신장되거나, 압력을 받거나 또는 부직포 또는 쵸핑된 섬유 매트 내의 섬유의 약간의 정렬을 제공하도록 배향될 수 있다. 더욱이, 매트릭스는 다중 층의 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스는 다양한 토우 또는 위브 등의 형태로 더 많은 층의 섬유를 포함할 수 있다.

또한, 유기 섬유가 무기 섬유(102)와 함께 매트릭스(104)에 매립될 수 있다. 매트릭스 내에 포함될 수 있는 일부 적합한 유기 섬유는 중합체 섬유, 예컨대 위에 열거된 하나 이상의 중합체 재료로 제조된 섬유를 포함한다. 중합체 섬유는 매트릭스(104)와 동일한 재료로 제조되거나 아니면 다른 중합체 재료로 제조될 수 있다. 다른 적합한 유기 섬유는 천연 재료, 예컨대 면, 실크 또는 대마로 제조될 수 있다.

중합체와 같은 일부 유기 재료는 광학적으로 등방성이거나 또는 광학적으로 복굴절성일 수 있다. 복굴절성 중합체 섬유는 편광 의존 특성을 필름, 예컨대 모두 2005년 2월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/068,157호 및 제11/068158호에 개시된 것에 도입하는 데에 사용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 유기 섬유는 중합체 섬유, 예컨대 중합체 섬유 위브만을 포함하는 얀, 토우 및 위브 등의 일부를 형성할 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서, 유기 섬유는 유기 및 무기 섬유 모두를 포함하는 얀, 토우 및 위브 등의 일부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 얀 또는 위브는 무기 및 중합체 섬유 모두를 포함할 수 있다. 섬유 위브(300)의 일 실시 형태가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 위브는 경사 섬유(302) 및 위사 섬유(304)로 형성된다. 경사 섬유(302)는 무기 또는 유기 섬유일 수 있고, 위사 섬유(304)도 또한 유기 또는 무기 섬유일 수 있다. 더욱이, 경사 섬유(302) 및 위사 섬유(304)는 유기 및 무기 섬유 모두를 각각 포함할 수 있다. 위브(300)는 개별 섬유 및 토우의 위브이거나 아니면 얀 또는 이들의 임의의 조합의 위브일 수 있다.

얀은 서로 꼬인 다수의 섬유를 포함한다. 섬유는 얀의 전체 길이로 연장하거나 또는 단섬유(staple fiber)를 포함할 수 있는데, 이 경우 개별 섬유의 길이는 얀의 전체 길이보다 짧다. 예를 들어 도 4A에 도시된 바와 같이 서로에 대해 꼬인 섬유(402)로 제조된 종래의 연사(twisted yarn, 400)를 포함하는 임의의 적합한 유형의 얀이 사용될 수 있다. 섬유(402)는 무기 섬유, 유기 섬유 또는 둘 다 일 수 있다.

도 4B에 개략적으로 도시된 얀(410)의 다른 실시 형태는 중앙 섬유(412)를 감싼 다수의 중합체 섬유(414)에 그 특징이 있다. 중앙 섬유(412)는 무기 섬유이거나 유기 섬유일 수 있다. 무기 및 유기 섬유 모두를 포함하는 얀(410)과 같은 얀은 무기 중앙 섬유(412)의 강도를 제공하면서도 중합체 섬유(414)와 관련된 특정 광학적 특성을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 중합체 섬유는 등방성이거나 복굴절성일 수 있다. 중합체 섬유는 적절한 처리 조건 하에서 섬유를 신장시킴으로써 중합체 재료를 배향시키는 것을 포함하는 임의의 적합한 방법을 이용하여 복굴절성으로 제조될 수 있다. 복굴절성 중합체 섬유는 편광 의존 특성을 필름에 도입한다. 예를 들어, 필름은 하나의 편광 상태에 대해 사실상 확산 투과 또는 확산 반사 특성을 갖고, 직교 편광 상태에 대해 사실상 정투과(specular transmission) 특성을 가질 수 있다.

필름에 사용되는 중합체 섬유는 전형적으로 직경이 약 250 ㎛ 미만이고 약 5 ㎛ 이하에 이르는 직경을 가질 수도 있다. 작은 중합체 섬유의 개별적 취급은 어려울 수 있다. 그러나, 중합체 및 무기 섬유 모두를 함유하는 혼방사(mixed yarn)에 중합체 섬유를 이용함으로써 중합체 섬유의 용이한 취급을 가능하게 하는데, 그 이유는 이러한 혼방사가 취급에 의한 손상을 덜 받기 때문이다.

필름

무기 섬유로 보강된 광학 필름은 무기 섬유 이상의 두께를 가진다. 전형적으로, 광학 필름은 두께가 최대 약 5 ㎜일 수 있으나, 일부 실시 형태에서는 이 값을 초과할 수도 있다. 다른 실시 형태에서, 두께는 250 ㎛ 미만이고 심지어는 25 ㎛ 미만일 수 있다. 많은 적용예에서, 필름은 사실상 투명하여, 입사광의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만 그리고 더욱 바람직하게는 1% 미만이 필름에 흡수된다. 투명은 단지 흡수와 관련되지만 얼마나 많은 광이 반사되지 않고 투과되는 지에 대해서는 관계하지 않으므로, 투명은 투과와 같지 않다는 것에 유의하여야 한다.

일부 실시 형태에서, 매트릭스는 광학적으로 등방성이다. 다른 실시 형태에서, 매트릭스는 광학적으로 복굴절성일 수 있다. 복굴절성 매트릭스를 제조하는 하나의 공통적인 방법은 조절된 온도 조건하에서 예컨대 2회 내지 10회 또는 그 이상 매트릭스를 신장하는 것이다. 이러한 신장은 웨브를 따라 또는 웨브를 가로질러 일어날 수 있다. 무기 섬유를 함유하는 매트릭스는 예를 들어 섬유가 쵸핑될 때 신장될 수 있다. 다른 방법에 있어서, 매트릭스가 토우 형태의 섬유를 함유하는 경우, 매트릭스는 토우를 가로지르는 방향으로 신장될 수 있다.

전술한 방법은 생성된 제품의 기계적 특성을 향상시키기 위해 기존의 유리, 세라믹 또는 유리-세라믹 섬유 또는 입자를 중합체 매트릭스로 혼입하는 것을 포함한다. 다른 방법은 유리 및 중합체의 공동 처리를 통해 치수적으로 안정되고 강성이 크고 열적으로 처리가능한 복합 재료를 생성하는 것이다. 유리는 상대적으로 낮은 용융점을 가지며 상대적으로 높은 용융점을 갖는 중합체와의 공동 처리에 적합하다. 이러한 재료를 생성하는 방법은 문헌["Glass-Polymer Melt Blends" (Quinn C.J., Frayer P., and Beall G.) in the Polymeric Materials Encyclopedia (CRC Press, Inc., 1996) p. 2766]에 기재되어 있다. 포스페이트 (P₂O₅) 유리는 400℃보다 충분히 낮은 온도에서 점성 유동을 하며 충분히 낮은 점도를 가져 중합체와 함께 형성(co-form)된다. 공압출 방법의 이점은 중합체 용융물에 의해 유리가 양호한 습윤성을 갖는다는 것과 종래의 커플링제를 이용하지 않고서도 유리와 중합체 사이에 양호한 계면 접합성을 갖는다는 것을 포함한다. 작은 비드, 미세한 직경의 섬유, 리본 및 판을 포함하는 복합재 내의 다양한 유리 구조가 도시되어 있다.

공동 처리가능한 유리를 사용하면 중합체 매트릭스와의 굴절률 정합을 위한 기회와 또한 보강 유리 섬유를 복합재 내로 혼입한 후 매트릭스 중합체에 복굴절성을 유도할 수 있는 기회가 제공될 수 있다. 이러한 공동 처리가능한 유리 보강은 복합재가 형성된 후 (아마도 복굴절성의 유도를 포함하는) 추가적인 열적 및 기계적 처리를 수행하는 기회를 제공한다.

필름 내의 섬유의 위치는 예컨대 도 1B에 도시된 바와 같이 무작위적이거나 아니면 규칙적일 수 있다. 더욱이, 인접 섬유들 사이의 간격은 필름 내의 다양한 위치에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 5A에 단면도로 개략적으로 도시된 필름(500)은 직사각형 격자 패턴으로 매트릭스(504) 내에 규칙적으로 위치된 섬유(502)를 갖는다. y 및 z 방향으로의 섬유간 간격은 각각 h_y 및 h_z이다. h_y 및 h_z의 값은 동일하거나 아니면 서로 다를 수도 있다. 또한, h_y 및 h_z의 값은 필름의 폭 또는 두께 전체에 걸쳐 균일할 필요는 없다.

매트릭스(504) 내에서의 섬유(502)의 위치는 필름에 증가된 강성을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 도 5B에 개략적으로 도시된 예시적인 실시 형태에서, 섬유(502)는 필름(510)의 각 표면에 근접한 2개의 열로 위치된다. 재료의 임의의 단면에서, 최대 굽힘 응력은 외부 표면에서 발생한다. 그러므로, 일반적으로 매트릭스 재료보다 큰 인장 강도 및/또는 영 계수(Young s modulus)를 갖는 섬유를 표면에 인접하게 위치시킴으로써, 필름 또는 제품의 강성이 상당히 증가하게 된다. 이러한 구성은 2개 열의 섬유(502)가 필름(510)의 중앙에 근접하게 위치된 필름 구성에 비해 증가된 강성을 제공할 수 있다.

섬유(502)가 필름 내에 규칙적으로 위치된 경우에 다른 유형의 격자 패턴이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 섬유(502)는 필름(520)에 대하여 도 5C에 개략적으로 도시된 바와 같이 육각형 패턴으로 배열될 수 있다. 또한, y 방향으로의 평면내 간격(in-plane spacing)은 필름을 가로질러 일정하지 않으며, 한 영역에서의 섬유(502)의 밀도가 다른 영역보다 클 수 있다. 도 5C에 도시된 것과 같은 구성은 섬유(502)에 의한 조명 광의 확산이 필름(520)을 가로질러 공간적으로 불균일한 것이 바람직한 적용예에서 유용할 수 있다. 이는, 예컨대 개별 광원을 감추도록 디스플레이 내에서 불균일 확산을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.

필름은 평탄한 표면, 예컨대 도 1A 및 도 1B에 도시된 바와 같이 x-y 평면에 평행한 평탄한 표면을 가질 수 있다. 필름은 또한 필름에의 입사광에 대해 원하는 광학 효과를 제공하도록 구조화된 하나 이상의 표면을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 6에 개략적으로 도시된 예시적인 일 실시 형태에서, 필름(600)은 섬유(602)가 매트릭스(604)에 매립되게 형성되고 곡선 형태인 출력 표면(606)을 갖는다. 곡선형 출력 표면(606)은 이 표면(606)을 통해 투과된 광에 대하여 초점을 맞추거나(focusing) 또는 초점을 흐리게 하는(defocusing) 광학능을 제공한다. 도시된 실시 형태에서, 광선(608)은 곡선형 굴절 표면(606)에 의해 초점이 맞춰진 광선의 예를 나타낸다. 예시적인 다른 실시 형태에서, 요소(600)의 입력 표면(610)이 곡선형일 수도 있으며, 또는 다른 표면 구조일 수도 있다. 또한, 투과된 광이 그를 통해 필름을 빠져나가는 출력 표면(612) 상에 표면 구조가 존재할 수도 있다. 표면 구조의 예는 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 구조 및 렌즈 어레이와 같은 구조를 포함한다. 이들 구조가 필름(600)을 통과한 광에 대하여 광학능을 제공하는 것으로 고려된다.

입력 및 출력 표면 중 어느 하나 또는 둘 다의 구조화된 표면은 곡선형 영역 외에 또는 그 대신에 직선형 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 7A에 개략적으로 도시된 예시적인 다른 실시 형태에서, 섬유(702)가 매트릭스(704)에 매립되어 형성된 필름(700)에 휘도 향상 표면으로 지칭되는 프리즘 구조의 출력 표면(706)이 제공될 수도 있다. 휘도 향상 표면은 디스플레이 패널을 조명하는 광의 원추각(cone angle)을 감소시켜서 관찰자를 위한 축상 휘도(on-axis brightness)를 증가시키기 위하여, 예컨대 백라이트형 LCD에 통상 사용된다. 본 도면은 필름(700)으로 입사하는 2개의 광선(708, 709)의 예를 도시한다. 광선(708)은 필름(700)으로 경사지게 입사하여 구조화된 표면(706)에 의해 z 축을 향하여 방향이 전환된다. 광선(709)은 필름(700)으로 수직하게 또는 수직에 가깝게 입사하여 휘도 향상 표면(706)에 의해 역반사된다. 휘도 향상 표면(706)은 프리즘 구조체(707)가 도시된 바와 같이 섬유(702)와 평행하고 x 축과도 평행하도록 배열될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 프리즘 구조체(707)는 섬유(702)의 방향에 대하여 다소 다른 각도로 놓일 수도 있다. 예를 들면, 프리즘 구조체(707)의 이랑(rib)은 y 축과 평행하게 섬유(702)와 수직하게, 또는 x 축과 y 축 사이의 다른 각도로 놓일 수도 있다. 프리즘 구조체(707)는 매트릭스(704)와 동일한 재료로 형성되거나 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다.

구조화된 표면은 임의의 적합한 방법을 사용하여 매트릭스 상에 형성될 수 있다. 예를 들면, 매트릭스는 그 표면이 미세복제(microreplication) 공구와 같은 공구의 표면과 접촉하는 상태에서 경화(cured or hardened)될 수 있으며, 이 공구의 표면은 중합체 매트릭스의 표면 상에 원하는 형상을 생성한다.

섬유(702)는 필름의 상이한 영역들에 걸쳐 존재할 수 있다. 도 7A에 개략적으로 도시된 예시적인 실시 형태에서, 섬유(702)는 구조화된 표면(706)에 의해 형성된 프리즘 구조체(707) 내에는 배치되지 않고, 필름(700)의 본체(701)에만 배치된다. 다른 실시 형태에서, 섬유(702)는 다르게 분포될 수도 있다. 예를 들면, 도 7B에 개략적으로 도시된 필름(720)에서, 섬유(702)는 필름(720)의 본체(701)와 또한 구조화된 표면(706)에 의해 형성된 구조체(707) 둘 다의 내부에 배치된다. 도 7C에 개략적으로 도시된 다른 예에서, 섬유(702)는 필름(730)의 구조체(707) 내에만 배치되고 필름(730)의 본체(701) 내에는 배치되지 않는다.

상기 논의된 것 외에 다른 유형의 구조화된 표면이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 구조화된 표면은 발산형(diffusing) 표면일 수도 있다.

본 발명의 예시적인 다른 실시 형태가 도 7D에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 필름(740)은 매트릭스(704)에 매립된 섬유(702)를 갖는다. 이러한 특정 실시 형태에서, 일부의 섬유(702a)는 매트릭스(704) 내로 완전하게 매립되지 않고, 매트릭스(704)의 표면(746)으로 침투한다. 섬유(702a)와 필름(740) 외측의 공기 또는 기타 매체 사이에 광학 계면이 존재하는 이러한 배열에 의해 섬유(702a)를 통과하는 광을 광학적으로 확산시키게 된다.

무기 섬유는 많은 중합체 재료에 비해 상대적으로 강성이며 더 큰 인장 강도 및 영 계수를 갖고, 따라서 무기 섬유로 보강된 중합체 필름은 섬유 보강되지 않은 중합체 필름보다 전형적으로 더 강성이다. 결과적으로, 섬유 보강된 필름은 더 큰 디스플레이에 사용하기에 더욱 적합하게 된다. 또한, 무기 섬유가 존재함으로써 더 큰 기계적 안정성이 제공되고 제품의 열팽창 계수가 낮아지므로, 디스플레이에서 작동될 경우에 광학 필름의 온도가 상승할 때 광학 필름이 뒤틀릴 가능성이 감소한다.

고 인장 강도 적용의 예는 섬유 보강 필름이 LCD 패널의 유리 시트의 대용으로 사용되는 경우이다. 종래에, LCD 패널은 액정의 (수십 미크론까지의) 얇은 층에 의해 분리된 2개의 유리 덮개 시트를 포함한다. 덮개 시트의 내부 표면에는 디스플레이의 다양한 화소를 위한 전극으로서 작용하는 패턴화된 전도성 코팅이 제공된다. 유리 상의 금속 트레이스(trace)가 패턴화된 전도성 층으로의 전기 접속을 제공한다. 디스플레이 패널의 크기가 커짐에 따라, 유리 덮개 시트의 중량과 비용은 점점 증가하며, 따라서 이들은 섬유 보강 덮개 시트로 대체될 수도 있다. 그러나, 이러한 덮개 시트는, 예컨대 150℃ - 180℃를 초과하는 높은 처리 온도를 견뎌야 한다. 패턴화된 전도성 코팅, 전도성 코팅에 연결되는 금속 트레이스 및 중합체 덮개 시트는 서로 다른 열팽창 계수(CTE)를 가지며, 이는 덮개 시트가 큰 온도 변화를 겪을 때 전도성 층의 탈층 또는 패턴화된 전도성 층에 연결된 금속 트레이스의 파단을 초래할 수 있다. 유리 섬유의 CTE는 중합체 재료의 것보다 작기 때문에, 중합체 시트의 팽창을 감소시키기 위한 접근법으로서 유리 섬유 보강이 제안되었다. 중합체 시트 내의 이러한 유리 섬유의 사용은 섬유의 인장 강도 및 섬유와 중합체 매트릭스 사이의 밀림(slippage)이 거의 없도록 하는 양호한 기계적 및 화학적 결합의 존재에 달려 있다. 따라서, 중합체 매트릭스를 섬유에 결합시키기 위하여 섬유의 표면 상에 화학 결합제, 예컨대 실란 커플링제를 사용하는 것이 일반적이다. 또한, 섬유 밀도(섬유들에 수직하게 필름을 가로질러 측정한 단위 길이당 존재하는 섬유의 수)는 원하는 인장 강도 및 낮은 CTE를 제공하기 위하여 상대적으로 크다.

대조적으로, 본 명세서에 기술된 섬유 보강 광학 필름의 몇몇 실시 형태에서의 섬유의 밀도는 이전 단락에서 논의된 LCD 적용예에서의 고 인장 강도에 대한 필요성이 없는 경우라면 특정 적용예에 대한 충분한 강성을 제공하기에 충분하게 상대적으로 작을 수 있다. 결과적으로, 더 적은 섬유가 사용될 필요가 있으며, 이는 중합체와 섬유 재료의 굴절률 간의 약간의 부정합이 존재하는 경우에 필름에 의해 생성되는 탁도(haze)(확산 투과되는 투과 광의 분율)를 감소시킨다. 또한, 예시적인 몇몇 실시 형태에서, 섬유를 매트릭스에 결합하는 결합제가 제외될 수 있는데, 이는 섬유와 매트릭스 사이의 강한 결합에 대한 요건은 강도가 아닌 강성이 주요 관심사인 경우에 감소하기 때문이다. 그러나, 무기 섬유를 함유하는 필름의 CTE는 커플링제가 제외된 경우에도 중합체 매트릭스 단독의 것보다 휠씬 작다. 또한, 커플링제를 제외함으로써 커플링제에 의해 야기될 수도 있는 굴절률 정합에 관계된 임의의 문제가 줄게 된다.

필름 내에서의 섬유들의 정렬 및 단면 배열은 이방성의 기계적 및 광학적 특성으로 이어질 수 있다. 예를 들면, 무기 섬유가 한 방향만을 따라서 정렬되고 이를 x 방향이라 한다면, 필름은 x-z 평면과 평행한 곡률을 갖게 되는 굽힘, 즉 섬유들이 x 축과 더 이상 평행하지 않도록 하는 섬유의 굽힘에 대해 더 큰 저항력을 갖는다. 그러나, y-z 평면과 평행한 곡률을 갖게 하는 필름의 굽힘에 대한 저항력은 작게 되어, 필름은 한 방향으로 다른 방향보다 경직성이 더 작게 될 수 있다. 무기 섬유가 x 및 y 축 둘 다와 모두 평행하게 배치되는 경우, 비록 특정 방향을 따른 경직성은 그 방향으로 놓인 섬유의 수에 따라 좌우되기는 하지만, 필름은 등방성으로 더욱 경직성이 크게 될 수 있다. x 방향과 평행하게 놓인 섬유의 수가 y 방향과 평행하게 놓인 섬유의 수와 동일하지 않은 경우, x 방향으로의 경직성은 y 방향으로의 경직성과 다를 수 있다. x 방향 및 y 방향으로의 경직성이 동일한 경우라면, 이러한 경직성은 "의사 등방성(pseudo-isotropic)"으로 불릴 수 있다. 또한, x 및 y 축과 평행하지 않은 방향에 대한 경직성은 이들 축 중 하나와 평행한 경직성과는 동일하지 않을 수도 있다. 물론 무기 섬유는 필름 내에서 임의의 원하는 배향으로 배치될 수 있으며, x 및 y 축 중 어느 하나 또는 둘 다를 따라서만 정렬될 필요는 없다. 예컨대, 일부 섬유는 x 및 y 축 모두와 평행하지 않은 방향으로 정렬될 수도 있다.

강성 이외에, 등방성이 되게 하는 필름의 다른 기계적 특성은 인장 강도, 열팽창 계수 및 인열 강도를 포함한다. 또한, 광을 산란시키며 무기 섬유나 중합체 섬유 또는 이둘 모두의 섬유가 한 방향만을 따라 배열된 경우, 산란과 같은 광학적 특성은 이방성이 될 수도 있다. 물론, 이들 필름 특성은 또한 이들 특성에 기여하는 섬유가 교차하는 경우 의사 등방성일 수도 있으며, 또는 섬유가 다수의 상이한 방향으로 배열되는 경우 더욱 등방성이 될 수도 있다.

필름에 제공된 매트릭스, 섬유 및 임의의 첨가제를 비롯한 필름의 구성요소는 선택된 방식으로 필름의 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들면, 필름의 다양한 구성요소 부분이 모두 입사광에 투명하게 되도록 선택될 수 있다. 또한, 염료 및 안료와 같은 첨가제가 광을 흡수하도록 제공될 수 있으며, 또는 중합체는 광을 흡수하는 분자 성분을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 염료, 안료 또는 분자 성분은 예컨대 염료, 안료 또는 분자 성분을 포함하는 기부 필름 층을 신장시킴으로써 정렬될 수 있으며, 이로써 직교 편광 상태에 비해 양호한 하나의 편광 상태에서의 광의 흡수를 나타낸다. 광학 필름은 섬유의 하나 이상의 층을 기부 필름 층 위에 적용함으로써 만들어질 수 있다. 염료, 안료 또는 분자 성분은 존재하는 경우 특정 파장 범위의 광을 흡수하도록 선택된다. 다른 실시 형태에서, 첨가제가 매트릭스 자체에 배치될 수도 있다.

염료와 같은 몇몇 첨가제는 예컨대 형광 발광(fluorescence)을 통해 입사광의 주파수를 변환할 수 있다. 일례에서, UV 광을 흡수하고 가시광을 방출하는 염료가 매트릭스에 함침되게 할 수도 있다.

필름은 색상 선별(color-selective) 산란 성능을 가질 수 있다. 이러한 성능은, 예컨대 섬유 굴절률과 매트릭스 굴절률이 정합되는 파장(λ₀)의 선택에 기인할 수 있다. 섬유와 매트릭스 재료의 분산이 상이한 경우, 굴절률 차이는 λ₀으로부터 더욱 먼 파장에 대하여 증가한다. 산란이 거의 없거나 중성 산란이 요구되는 경우, λ₀는 전형적으로 필름을 통과한 광의 파장 범위의 중앙에 가깝게 설정된다. 그러므로, 약 400 ㎚ - 700 ㎚ 의 범위를 갖는 가시광이 필름을 통과한다면, λ₀는 500 ㎚ - 600 ㎚ 범위 중 소정의 위치로 설정될 수 있다. 그러나, 필름이 다른 파장보다는 한 파장에서 광을 산란시키는 것이 바람직하다면, λ₀는 그에 따라 이동될 수 있다. 예를 들면, 청색광이 적색광 또는 녹색광보다 더 산란되는 것이 바람직하다면, λ₀는 예컨대 600 ㎚ - 700 ㎚ 범위의 더 긴 파장에 설정될 수 있어서, 400 ㎚ - 500 ㎚ 범위 내의 청색광에 대한 굴절률 부정합이 더 커지고 산란이 증가한다.

광학 필름 내의 상이한 재료의 굴절률은 온도에 따라 변화한다. 섬유 보강 필름의 광학적 특성은 매트릭스와 섬유 재료 사이의 굴절률 부정합의 크기에 적어도 부분적으로 의존하기 때문에, 재료들 간의 굴절률 부정합이 온도가 변화하는 동안 원하는 범위 내에서 유지되지 않는다면 필름의 광학적 특성이 온도에 따라 변화할 수 있다. 매트릭스 재료와 무기 섬유가 실온(20℃)에서 정합된 굴절률을 갖는 경우의 예를 고려한다. 그러나, 온도(T)에 따른 굴절률(n)의 변화율인 dn/dT 값이 두 재료에 대하여 상이하다면, 굴절률은 상승한 작동 온도, 예컨대 50℃에서 정합되지 않을 수 있다. 그러므로, 일부 예시적인 실시 형태에서, 매트릭스와 유리 섬유의 재료는 특정 작동 온도 범위에서 중합체와 무기 재료에 대한 dn/dT 값들 간의 차이를 줄이도록 선택될 수 있다.

다른 몇몇 실시 형태에서, 두 재료에 대한 dn/dT 값의 차이를 크게 하여, 필름이 더욱 더 온도에 민감하게 되는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 예시적인 몇몇의 건축 관련 적용예에서, 필름이 감온 투과성(temperature sensitive transmission)을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예시로서, 빌딩 또는 온실의 창(window)은 온도가 소정 온도를 초과하여 상승하는 경우 창을 통과하는 광량을 감소시키는 온도 의존성을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

중합체 매트릭스와 무기 섬유 재료의 분산에 의해 굴절률이 상이한 파장에 대하여 각각의 재료에서 달라지게 되는데, 즉 굴절률은 더 짧은 파장에 대하여 더 크다. 그러므로, 한 파장에 대한 매트릭스와 무기 섬유 재료 간의 정확한 굴절률 정합이 이루어지지만, 두 재료의 분산 (dn/dλ, λ는 진공 파장임)이 동일하지 않은 경우 2개의 굴절률 간의 차이는 정합된 파장으로부터 더욱 먼 파장에 대하여 증가할 것이다. 그러므로, 일부 실시 형태에서, 굴절률이 정합하는 파장(λ_m)을 관심있는 파장 범위의 중앙에 가깝게 설정하는 것이 바람직할 수 있다. 그러므로, 400 ㎚ - 700 ㎚의 파장 범위를 포함하는 디스플레이에 사용되는 광학 필름의 경우, λ_m값은 500 ㎚ - 600 ㎚의 범위일 수 있다. 또한, 중합체와 무기 재료의 몇몇 조합이 다른 조합보다 더 근접한 dn/dλ 값들을 갖는다.

처리(processing)

몇몇 다양한 접근 방법이 섬유 보강 광학 필름을 제조하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 접근 방법은 배치 처리(batch processing)를 포함하는 반면에, 다른 접근 방법은 연속 처리(continuous processing)를 포함한다. 전술한 하나의 예시적인 실시 형태에서, 무기 재료는 중합체 매트릭스보다 낮은 용융 온도를 가지며, 이들 2개의 재료는 공압출된다. 이러한 접근 방법에서, 매트릭스 내의 무기 섬유, 소적(droplet) 및 리본(ribbon)의 위치는 중합체/무기 용융물 내에서 발생하는 상 분리(phase separation)에 의해 결정된다.

연속 처리에 적합한 시스템(800)의 다른 예시적인 실시 형태는 도 8A에 개략적으로 도시되어 있다. 무기 섬유 층(802), 예컨대 토우, 위브 또는 부직포 등은 롤(804)로부터 풀려 나와, 다른 롤(808)로부터 풀려 나온 배킹 층(806) 상에 위치된다. 수지(810)는 저장소(812)로부터 무기 섬유 층(802)에 도포되며, 코팅기(814)는 수지의 층(816)을 형성한다. 일부 실시 형태에 있어서, 수지(810)는 무기 섬유 층(802)이 적용되기 전에 배킹 층(806)에 또한 도포될 수 있다. 수지(810)는 섬유 층(802) 내로 함침되게 된다. 수지(810)는 열가소성 중합체 또는 열경화성 중합체일 수 있다. 코팅기(814)는 임의의 적합한 유형의 코팅기, 예를 들어 나이프 에지 코터, 콤마 코터(도시됨), 바 코터, 다이 코터, 스프레이 코터, 커튼 코터 또는 고압 분사 등일 수 있다. 다른 고려 사항 중에서, 도포 조건에서의 수지의 점도는 적절한 코팅 방법 또는 방법들을 결정한다. 또한, 코팅 방법 및 수지 점도는 매트릭스 수지가 보강재로 함침되는 단계 중에 공기 기포가 보강재로부터 제거되는 속도 및 양에 영향을 미친다.

완성된 필름이 낮은 산란 특성을 갖는 것이 바람직한 경우, 이러한 단계에서 수지가 섬유들 사이의 공간을 완전히 채우는 것을 보장하는 것이 중요하다. 즉, 수지 내에 남겨진 임의의 공극 또는 기포가 산란 중심(scattering center)으로 작용할 수 있다. 여러 가지 접근 방법이 기포 발생을 감소시키기 위해 개별적으로 또는 공동으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 섬유 층(802)의 전체에 걸친 수지(810)의 살포를 촉진하기 위해 필름은 기계적으로 진동될 수 있다. 이러한 기계적 진동은 예컨대 초음파원을 이용하여 적용될 수 있다. 또한, 필름은 수지(810)로부터 기포를 추출하는 진공을 받을 수 있다. 이는 코팅과 동시에 수행될 수 있거나, 아니면 이 후에, 예컨대 선택적인 탈기 유닛(818) 내에서 수행될 수 있다.

이어서, 필름 내의 수지(810)는 고형화 스테이션(820)에서 고형화될 수 있다. 고형화는 경화, 냉각, 가교 결합, 및 중합체 매트릭스가 고체 상태에 도달하게 하는 임의의 다른 공정을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 수지(810)를 경화시키기 위해, 열 및 압력, UV 방사 및 전자 빔 등을 포함하지만 이로 한정되지는 않는 여러 가지 형태의 에너지가 수지(810)에 가해질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 수지(810)는 냉각이나 가교 결합에 의해 고형화될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 고형화된 필름(822)은 권취(take-up) 롤(824)에 수집되어 보관되기에 충분하게 유연하다. 다른 실시 형태에서, 고형화된 필름(822)은 롤처럼 감기기(rolling)에는 너무 경직성일 수 있는데, 이 경우 이 필름은 다른 방식으로 보관되며, 예를 들어 필름(822)은 보관을 위해 시트로 절단될 수 있다.

배킹 층(806)은 담체 또는 필름용 프리마스크(premask)형 기재로서 작용하거나, 또는 일부 원하는 광학 특성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 배킹 층(806)은 광학적으로 등방성 또는 복굴절성거나, 흡수성 염료 또는 안료로 로딩되거나, 또는 흡수성 화학종을 본질적으로 함유할 수 있다. 배킹 층은 물리적인 지지력을 제공하고 고형화 전의 가스 및/또는 수증기의 유입을 제한할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 배킹 층(806)은 보관 및 이송되는 중에 필름을 보호하는 데에 사용되는 벗겨낼 수 있는 보호 층(peelable protective layer)일 수 있다.

다른 층이 필름에 추가될 수 있다. 예를 들어, 상부 보호 층(826)이 필름에 추가될 수 있다. 더욱이, 추가의 섬유 층 및 수지 층이 다층의 섬유 보강 필름을 형성하도록 추가될 수 있다. 제1 수지 층(816)이 고형화되기 전에 또는 그 후에 추가의 섬유 및 수지 층이 추가될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제1 수지 층(816)은 다른 섬유 층 및 수지 층의 적용 전에 부분적으로 고형화될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 필름에 적용되는 하나 이상의 시트는 웨브에 평행하지 않은 방향으로 적용될 수 있다. 이러한 필름의 일 예는 섬유가 웨브를 가로질러 놓일 수 있도록 적용되는 섬유 토우이다. 이러한 경우, 도 8B에 도시된 시스템(830)에 대해 개략적으로 도시된 바와 같이 크로스-웨브 시트(832, cross-web sheet)가 시트 급송기(834)를 이용하여 필름(822) 위로 적용될 수 있다. 절단 공구(836)가 필름(822)을 시트(838)로 절단하는 데에 사용될 수 있다. 시트(838)는 보관을 위해 적층되기 전에 고형화 스테이지(820)에서 고형화될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 섬유 층(802)은 배킹 층(806)에 적용되기 전에 수지(810)로 함침되게 된다. 사전 함침된 섬유를 "프리-프레그"(pre-preg)라고 한다. 프리-프레그를 제조하기 위해 사용될 수 있는 시스템(900)의 하나의 예시적인 실시 형태가 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 섬유 층(802)은 롤(804)로부터 나와 수지(810)를 담고 있는 욕(906)을 통과한다. 섬유 층(802)은 다수의 롤러(908)를 통과하여 수지(810)가 층(802)의 수지들 사이의 공간으로 함침되는 것을 촉진한다. 이어서, 생성된 프리-프레그(910)는 욕으로부터 나와 전술한 바와 같이 배킹 층(806)으로 적용될 수 있다. 진공 및/또는 초음파 에너지가 수지(810)로부터 기포를 추가적으로 제거하기 위해 사용될 수 있다.

섬유 보강 필름은 고형화 전에 또는 고형화되는 동안에 성형되거나 형상화될 수 있다. 예를 들어, 필름은 예시적인 실시 형태가 도 6 및 도 7A 내지 도 7D에 도시된 구조화된 표면을 제공하기 위해 성형될 수 있다. 필름을 성형하는 데에 사용되는 시스템(1000)의 일 실시 형태가 도 10에 개략적으로 도시되어 있다. 필름(1002)은 안내 롤(1006)에 의해 성형 롤(1004)로 안내되고, 선택적인 가압 롤(1008)에 의해 성형 롤(1004)에 대해 가압될 수 있다. 성형 롤(1004)은 필름(1002) 내로 새겨지는 형상화된 표면(1005)을 갖는다. 성형 롤(1004)과 가압 롤(1008) 사이의 간격은 형상화된 표면(1005)의 필름(1002) 내로의 침투 깊이를 제어하는 설정된 거리로 조절될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 필름(1002)이 성형 롤(1004)과 여전히 접촉하고 있는 동안에 고형화되거나 아니면 적어도 부분적으로 고형화될 수 있다. 경화성 중합체의 경우, 매트릭스가 예컨대 에너지 공급원(1010)으로부터 열 또는 자외선 조사에 의해 경화될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 성형 롤(1004)은 상승된 온도에서 작동된다. 즉, 필름(1002)은 가열된 롤(1004)과 근접 접촉하고 있으므로 전도식으로 가열되고 가열에 의해 경화된다. 다른 예시적인 실시 형태에서, 매트릭스는 예컨대 열가소성 중합체에서와 같이 냉각을 통해 고형화될 수 있다. 이러한 경우, 롤(1004)은 필름 또는 수지(1002)가 롤(1004)과 접촉하고 있을 때 냉각되도록 상대적으로 저온으로 유지될 수 있다.

성형된 필름(1012)은 다른 롤 상에 보관되거나 보관을 위해 시트로 절단될 수 있다. 선택적으로, 성형된 필름(1012)은 예컨대 하나 이상의 층의 추가를 통해 추가로 처리될 수 있다.

열가소성계 복합재가 사출 성형에 의해 제조될 수 있다. 이러한 공정의 하나의 특정 실시 형태에서, 1 - 3 ㎜ 길이의 섬유를 함유하고 있는 펠렛은 공급 원료 수지 내에서 균일하게 분산되고 사출 성형기로 공급된다. 용융된 중합체/섬유 혼합물은 분리된 주형의 공동 내로 주입되어 고형화되거나 경화될 수 있으며, 완성된 복합재는 주형으로부터 제거된다. 복합재 제조를 위한 3개의 공통적인 열가소성 수지 매트릭스 중합체는 폴리프로필렌, 나일론 및 폴리카르보네이트이다. 복합재를 제조하기 위한 열가소성/섬유 혼합물의 사출 성형은 문헌["An introduction to Composite Materials" by D. Hull, Cambridge University Press, 1990]에 기재되어 있다.

풀트루전(Pultrusion)은 복합재, 특히 열경화성 매트릭스 수지에 기초한 복합재를 생성하기 위한 다른 공정이다. 풀트루전 공정에서, 섬유 보강재는 액체 매트릭스 수지로 함침되고, 이어서 여분의 수지를 줄이고 완성된 복합재의 단면 형상을 결정하고 수지 매트릭스의 경화를 유도하는 가열된 다이(die)을 통해 인발된다. 가열된 다이 이전에 함침을 위한 수지욕을 이용하는 대신에 풀트루전 다이에서 직접 보강재로의 수지 주입과 같은 다른 공정의 변형예가 또한 실행된다. 풀트루전 공정은 문헌["FRP Technology Fiber Reinforced Resin Systems", by R.G. Weatherhead, Applied Science Publishers, 1980]에 추가로 기재되어 있다.

본 발명의 선택된 실시 형태를 이하에서 설명한다. 이들 실시예는 제한적인 것으로 의미되는 것이 아니라 단지 본 발명의 일부 태양을 설명하는 것이다. 표 1은 실시예 1 내지 15에 사용되는 여러 가지 무기 섬유 샘플의 관련 정보의 요약을 포함하고 있다.

재료 A 내지 E는 직조 유리 섬유이고 재료 F는 직조 세라믹 섬유이다. 얀 설명 및 중량은 제조 업체의 문헌으로부터 얻은 것이다. 비지에프 인더스트리즈, 인크.(BGF Industries, Inc.)는 미국 노스캐롤라이나주 그린스보로에 위치하고 있고, 헥셀 리인포스먼츠 코포레이션(Hexcel Reinforcements Corp.)은 사우스캐롤라이나주 앤더슨에 위치하고 있고, 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)는 미네소타주 세인트 폴에 위치하고 있다. 각각의 섬유 재료는 사이징(sizing)으로 섬유를 덮은 상태로 판매자로부터 얻었다. 사이징은 섬유의 처리 또는 위빙(weaving)을 용이하게 하기 위해 사용되는 전분, 윤활제 또는 수용성 중합체, 예를 들어 폴리비닐 알코올로부터 흔히 얻어지는 섬유 상의 층이다. 후술하는 실시예에서, 사이징은 섬유가 중합체 매트릭스 내로 매립되기 전에 섬유 상에 남아 있다. 결과적으로, 섬유는 섬유와 중합체 매트릭스 사이에 커플링되는 커플링제 없이 복합재 샘플 내에 포함된다.

표 I에 열거된 섬유 샘플의 굴절률(RI)은 20x/0.50 대물 렌즈를 갖는 트랜스미티드 싱글 폴러라이즈드 라이트(Transmitted Single Polarized Light (TSP))와 20x/0.50 대물 렌즈를 갖는 트랜스미티드 페이즈 콘트라스트 제르니크(Transmitted Phase Contrast Zernike (PCZ))로 측정되었다. 섬유 샘플은 면도날을 이용하여 섬유의 부분들을 절단함으로써 굴절률 측정을 위한 준비를 하였다. 섬유는 유리 슬라이드 상의 다양한 RI 오일 내에 장착되고 유리 커버슬립(coverslip)으로 덮는다. 샘플은 독일 칼 자이스의 자이스 악시오플란(Zeiss Axioplan)을 이용하여 분석하였다. RI 오일의 보정(calibration)은 미국 뉴욕주 로체스터 소재의 밀튼 로이 인크.(Milton Roy Inc.)에 의해 제조된 ABBE-3L 굴절계 상에서 수행되었고, 그에 따라 값들이 조절되었다. 상 대비(phase contrast)에 수반되는 베크 라인 방법(Becke Line Method)은 샘플의 RI를 측정하는 데에 사용한다. 이 값들에 대한 공칭 RI 결과치 n_D, 즉 소듐 D-라인(sodium D-line)의 파장, 589 ㎚에서의 굴절률은 각 샘플에 대해 ± 0.002의 정밀도를 갖는다.

실시예들에 사용된 다양한 수지에 대한 개략적인 정보가 표 II에 제공된다.

Darocur 1173(광개시제)을 제외한 표 II 내의 모든 성분은 경화시 가교 결합되는 광중합성 수지이다. CN963A80은 트라이프로필렌 글리콜 다이아크릴레이트와 혼합된 우레탄 아크릴레이트 올리고머이다. CN120은 에폭시 아크릴레이트 올리고머이다. Ebecryl 600은 비스페놀-A 에폭시 다이아크릴레이트 올리고머이다. SR601 및 SR349는 에톡실화 비스페놀-A 다이아크릴레이트이다. SR351은 트라이메틸올 프로판 트라이아크릴레이트이고, SR306은 트라이프로필렌 글리콜 다이아크릴레이트이다. RDX 51027은 올리고머형 브롬화 에폭시 아크릴레이트이다.

사이텍 서피스 스페셜티이즈는 벨기에 브뤼셀에 위치하고, 사르토머 컴퍼니, 인크.는 미국 펜실베이니아주 엑스톤에 위치하고, 시바 스페셜티 케미컬즈 코포레이션은 뉴욕주 태리타운에 위치한다. 사르토머 재료의 굴절률은 제조 업체의 문헌으로부터 얻었다. 다른 재료들의 굴절률은 20℃에서 ABBE Mark II 디지털 굴절계(589.3 ㎚ 파장)를 이용하여 측정하였다. RDX 51027은 20℃에서 고체이어서, 그 굴절률은 다른 공지된 성분 굴절률을 갖는 기측정된 수지 성분으로부터 역산하여 추정한다.

실시예 1

수지 조성물 1을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 74.20 중량%의 성분 H, 24.82 중량%의 성분 M 및 0.986 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 ABBE Mark II 디지털 굴절계 상에서 측정한 (경화되기 전의) 수지 조성물 1의 굴절률은 1.4824이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 메트리콘 모델(Metricon Model) 2010 프리즘 커플러(Prism Coupler) 상에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 수지 조성물 1의 굴절률은 1.5019이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0461이었다.

일 편의 재료 A를 대략 75 ㎜ x 75 ㎜ 크기로 취하고, 이를 4.7 ㎜ (3/16") 두께의 플로트 유리 시트(float glass sheet) 상에 있는 100 ㎛ (4 밀(mil)) 두께의 폴리에스테르 시트 상으로 배치하여 실시예 1의 복합재를 제조하였다. 조성물 1의 수지를 전자레인지 내에서 대략 70℃까지 가열하였다. 대략 1.8 그램의 가열된 수지를 유리섬유 시트의 중앙에 배치하였고, 100 ㎛ 두께의 제2 폴리에스테르 시트를 그 상에 배치하였으며, 4.7 ㎜ 두께의 제2 플로트 유리 편을 제2 폴리에스테르 시트 상에 배치하였다. 유리, 폴리에스테르, 수지 및 섬유의 조합을 수지 샌드위치(resin sandwich)라 칭한다.

복합재를 경화시키기 전에 기포량을 감소시키도록 수지와 유리섬유에서 가스를 제거하기 위하여 수지 샌드위치를 8분 동안 89℃ 및 93.2 kPa (699 ㎜Hg) 압력의 진공 오븐 내에 배치하였다.

수지 샌드위치를 진공 오븐으로부터 제거한 후, 수지 샌드위치를 함께 클램핑(clamp)하고 수지 샌드위치 두께가 정해지도록 2개의 200 ㎛ (0.008") 필러 게이지(feeler gage)를 수지 샌드위치의 2개의 대향 단부 상에서 2개의 폴리에스테르 필름 시트 사이에 배치하였고 2개의 바인더 클립(binder clip)을 이들 2개의 단부 각각에 사용하였다. 그 후, 이색성 반사기(dichroic reflector)를 구비한 퓨전(Fusion) F600 D 램프 아래에서 분당 약 9.1 미터 (30 피트)로 주행하는 이동 벨트 상에 수지 샌드위치를 배치하고 출력을 100%로 설정하여 수지 샌드위치를 경화시켰다. 최종적으로 측정할 에너지 밀도를 EIT (미국 버지니아주 스터링 소재)로부터의 PowerMAP을 사용하여 측정하였으며, 이를 표 III에 나타낸다. 동일한 조건에서 3개의 개별 측정치를 취하였으며, 평균 에너지 밀도를 나타낸다.

최종의 경화된 복합재를 유리 및 폴리에스테르 필름으로부터 제거하였다. 복합재 1에 대해 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 2

수지 조성물 2를 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 30.01 중량%의 성분 H, 54.92 중량%의 성분 G, 14.06 중량%의 성분 L, 1.01 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 ABBE Mark II 디지털 굴절계 상에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 2의 굴절률은 1.5336이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 메트리콘 모델 2010 프리즘 커플러 상에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 조성물 2의 굴절률은 1.5451이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0029이었다.

실시예 1에서와 동일한 유리섬유 (재료 A) 및 수지 조성물 2를 사용하여 실시예 2의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 2에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 3

수지 조성물 3을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 29.79 중량%의 성분 H, 48.85 중량%의 성분 G, 5.07 중량%의 성분 K, 15.25 중량%의 성분 L, 1.04 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 3의 굴절률은 1.5315이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5451이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0029이었다.

실시예 1에서와 동일한 유리섬유 (재료 A) 및 조성물 3을 사용하여 실시예 3의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 진공 오븐 내에서의 시간이 8분 대신 19분이었다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 3에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 4

수지 조성물 4를 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 74.17 중량%의 성분 H, 24.83 중량%의 성분 L, 1.00 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 4의 굴절률은 1.4998이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5140이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.054이었다.

일 편의 넥스텔(Nextel) 312 세라믹 5.08 ㎝ (2-인치) 테이프 (재료 F)를 대략 50 ㎜ x 63 ㎜ 크기로 취하고, 이를 4.7 ㎜ 두께의 플로트 유리로 받친 100 ㎛ 두께의 폴리에스테르 시트 상으로 배치하여 실시예 4의 복합재를 제조하였다. 조성물 4의 수지를 전자레인지 내에서 대략 70℃까지 가열하였다. 대략 2.9 그램의 가열된 수지를 세라믹 섬유 시트의 중앙에 배치하였고, 100 ㎛ 두께의 제2 폴리에스테르 시트를 그 상에 배치하였으며, 4.7 ㎜ 두께의 제2 플로트 유리 편을 제2 폴리에스테르 시트 상에 배치하였다. 유리, 폴리에스테르, 수지 및 넥스텔 테이프의 조합을 수지 샌드위치라 칭한다.

복합재를 경화시키기 전에 기포량을 감소시키고 수지와 섬유에서 가스를 제거하기 위하여 수지 샌드위치를 10분 동안 60℃ 및 93.2 kPa (699 ㎜Hg)의 진공 오븐 내에 배치하였다. 수지 샌드위치를 함께 클램핑하기 위한 필러 게이지 또는 바인더 클립은 사용하지 않았다. 그 후, 실시예 1에 설명한 바와 같이 수지 샌드위치를 경화시켰다. 유리와 폴리에스테르 필름으로부터 최종 경화된 복합재를 제거하였다. 복합재 4에 대해 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 5

수지 조성물 5를 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 74.25 중량%의 성분, 24.74 중량%의 성분 I, 1.02 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 5의 굴절률은 1.5420이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5597이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0083이었다.

넥스텔 312 세라믹 5.08 ㎝ (2-인치) 테이프 (재료 F) 및 수지 조성물 5를 사용하여 실시예 5의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 사용한 수지량이 3.0 그램이었고 진공 오븐 내에서의 시간이 8분이었다는 점을 제외하고는 실시예 4에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 5에 대해 최종적으로 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

실시예 6

수지 조성물 6을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 49.46 중량%의 성분 J, 49.56 중량%의 성분 L, 0.99 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 6의 굴절률은 1.5682이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5821이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0141이었다.

넥스텔 312 세라믹 5.08 ㎝ (2-인치) 테이프 (재료 F) 및 수지 조성물 6을 사용하여 실시예 6의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 사용한 수지량이 3.0 그램이었고 진공 오븐의 온도가 89℃였으며 진공 오븐 내에서의 시간이 8분이었다는 점을 제외하고는 실시예 4에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 6에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 7

수지 조성물 7을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 39.59 중량%의 성분 J, 59.41 중량%의 성분 L, 0.99 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 7의 굴절률은 1.5574이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5766이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.086이었다.

넥스텔 312 세라믹 5.08 ㎝ (2-인치) 테이프 (재료 ID F) 및 수지 조성물 7을 사용하여 실시예 7의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 사용한 수지량이 2.96 그램이었고 진공 오븐의 온도가 70℃였다는 점을 제외하고는 실시예 4에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 7에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 8

실시예 8에 사용된 수지 조성물은 실시예 1에서 열거한 바와 동일하였다. 재료 B 및 수지 조성물 1을 사용하여 복합재를 제조하였다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0471이었다.

이러한 복합재의 제조는 사용한 수지량이 1.7 그램이었고 수지 샌드위치를 꺼내기 전에 냉각하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 8에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 9

실시예 9에 사용된 수지 조성물은 실시예 3에서 열거한 바와 동일하였다. 재료 B 섬유 및 수지 조성물 3을 사용하여 복합재를 제조하였다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0039이었다. 이러한 복합재의 제조는 사용한 수지량이 1.9 그램이었다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 9에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 10

수지 조성물 10을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 31.07 중량%의 성분 H, 50.66 중량%의 성분 G, 2.63 중량%의 성분 K, 14.64 중량%의 성분 L 및 1.00 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 10의 굴절률은 1.5299이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5444이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0046이었다.

실시예 8에서와 동일한 섬유 (재료 B) 및 수지 조성물 10을 사용하여 실시예 10의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 10에 대해 최종적으로 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

실시예 11

수지 조성물 11을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 18.05 중량%의 성분 H, 35.93 중량%의 성분 G, 22.06 중량%의 성분 K, 22.96 중량%의 성분 L 및 1.00 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 11의 굴절률은 1.5371이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5519이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0001이었다.

재료 D 및 수지 조성물 11을 사용하여 실시예 11의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 11에 대해 최종적으로 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

실시예 12

실시예 12에 사용된 수지 조성물은 실시예 11에서 열거한 바와 동일하였다. 재료 E 및 수지 조성물 11을 사용하여 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 사용한 수지량이 1.9 그램이었다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0021이었다. 복합재 12에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 13

실시예 13을 위해 사용한 수지 조성물은 실시예 11에서 열거한 바와 동일하였다. 재료 C 및 수지 조성물 11을 사용하여 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0001이었다. 복합재 13에 대해 최종적으로 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

실시예 14

수지 조성물 14를 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 17.03 중량%의 성분 H, 41.98 중량%의 성분 G, 39.99 중량%의 성분 K 및 1.00 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 10의 굴절률은 1.5359이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0004이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5516이었다.

재료 C 및 수지 조성물 14를 사용하여 실시예 14의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 수지 샌드위치를 꺼내기 전에 냉각하였다는 점을 제외하고는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 14에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 15

수지 조성물 15를 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 21.48 중량%의 성분 H, 44.67 중량%의 성분 G, 22.26 중량%의 성분 K, 10.57 중량%의 성분 L 및 1.00 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 (경화되기 전의) 조성물 10의 굴절률은 1.5356이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5505이었다. 경화된 중합체와 매립된 섬유의 굴절률 간의 차이의 크기(Δn)는 0.0015이었다.

재료 C 및 수지 조성물 15를 사용하여 실시예 15의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 복합재 15에 대해 최종적으로 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 16-21은 섬유 보강재를 포함하지 않은 경화된 중합체의 샘플에 관한 것이다.

실시예 16

실시예 14에서 설명한 복합재 14에는, 경화되기 전에 섬유 보강재의 에지 너머로 연장하는 초과의 수지 영역이 존재한다. 경화된 후, 이 영역은 자립 필름(free-standing film)으로서 고형화되었다. 섬유 보강재가 없는 복합재 14의 이러한 부분을 실시예 16으로서 분석하였다. 실시예 16에 대한 모든 관련 샘플 제조 정보는 실시예 14에서 설명한 바와 같다. 실시예 16의 수지에 대해 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 17

실시예 17을 위한 수지 조성물을 다음의 성분을 사용하여 형성하였다: 30.08 중량%의 성분 H, 54.83 중량%의 성분 G, 14.08 중량%의 성분 K, 및 1.00 중량%의 성분 N. 20℃ 및 589.3 ㎚ 파장에서 측정한 경화되기 전의 수지의 굴절률은 1.5323이었다. 632.8 ㎚ 파장에서 측정한 (섬유 없이) 경화된 후의 굴절률은 1.5452이었다.

실시예 8에서와 동일한 유리섬유 (재료 B) 및 비교 실시예 2에서 열거한 조성물을 갖는 수지를 사용하여 실시예 17의 복합재를 제조하였다. 이러한 복합재의 제조는 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 절차 및 조건을 따랐다. 샘플이 경화된 후, 유리섬유 보강재 외측에 초과의 수지 영역이 존재하였다. 유리섬유 보강재 너머로 연장한 고형화된 수지를 분석하여 실시예 17에 대한 데이터를 생성하였다. 실시예 17의 수지에 대해 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 18

샘플이 생성된 때 초과의 수지가 존재하는 실시예 2의 복합재의 일부분을 분석하여 실시예 18의 데이터를 생성하였다. 실시예 2에서 수지가 경화되기 전에, 초과의 수지가 유리섬유 보강재의 에지 너머로 연장하여 섬유 보강재가 없는 수지만의 영역이 형성된다. 경화된 후, 이 영역은 자립 필름으로서 고형화되었다. 유리 섬유 보강재를 포함하지 않은 이러한 고형화된 수지 부분을 분석하여 실시예 18에 대한 데이터를 생성하였다. 그러므로, 실시예 18에 대한 모든 샘플 제조 정보는 실시예 2에서 설명한 바와 같다. 실시예 18의 수지에 대해 측정한 광학적 특성을 표 IV에 열거한다.

실시예 19

(실시예 10에서 열거한 바와 동일한 조성물의) 수지를 전자레인지 내에서 대략 60℃까지 가열하고 6 ㎜ (1/4") 금속 판 상에 배치된 100 ㎛ 두께의 폴리에스테르 시트의 중앙에 대략 1-2 그램을 부어서 실시예 19를 위한 경화된 수지 샘플을 제조하였다. 각각 두께가 약 0.43 ㎜인 2개의 스페이서(spacer)를 수지의 각각의 측면에 대하여 약 50 - 75 ㎜ (2" - 3") 이격되게 배치하여, 수지가 평탄해진 뒤 스페이서와 접촉하지 않도록 하였다. 100 ㎛ 두께의 제2 폴리에스테르 시트를 수지와 스페이서 상부에 배치하였다. 2개의 폴리에스테르 필름 시트 사이에 수지와 스페이서가 배치된 금속 판을 수동으로 작동되는 라미네이터(laminator)로 통과시켜 수지를 평탄해지도록 가압하였다. 금속 판, 폴리에스테르 및 수지의 조합을 변형 수지 샌드위치(modified resin sandwich)라 칭한다. 그 후, 변형 수지 샌드위치를 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 방법으로 경화시켰다. 실시예 19의 수지에 대해 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

실시예 20

수지가 실시예 11에서 열거한 바와 동일한 조성물을 갖는다는 점을 제외하고는 실시예 19의 경화된 수지 샘플과 동일한 방식으로 실시예 20을 위한 경화된 수지 샘플을 제조하였다. 실시예 20의 수지에 대해 최종적으로 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

실시예 21

실시예 5의 수지 조성물을 전자레인지 내에서 대략 50℃까지 가열하고 4.7 ㎜ (3/16") 두께의 플로트 유리 시트 상에 있는 100 ㎛ 두께의 폴리에스테르 시트의 중앙에 대략 1-2 그램을 부어서 실시예 21을 위한 경화된 수지 샘플을 제조하였다. 각각 두께가 약 0.43 ㎜인 2개의 스페이서를 수지의 각각의 측면에 대하여 약 50 ㎜ - 75 ㎜ (2" - 3") 이격되게 배치하여, 수지가 평탄해진 뒤 스페이서와 접촉하지 않도록 하였다. 100 ㎛ 두께의 제2 폴리에스테르 시트를 그 상에 배치하였고, 4.7 ㎜ (3/16") 두께의 제2 플로트 유리 편을 제2 폴리에스테르 시트 상에 배치하였다. 2개의 스페이서를 배치한 상태에서 2개의 유리 편을 함께 서서히 압착하여, 원하는 수지 두께로 형성하였다. 유리, 폴리에스테르 및 수지의 조합을 수지 샌드위치라 칭한다. 그 후, 수지 샌드위치를 실시예 1에서 설명한 바와 동일한 방법으로 경화시켰다. 실시예 21의 수지에 대해 최종적으로 측정한 광학적 및 기계적 특성을 표 IV 및 표 V에 열거한다.

다양한 실시예의 복합재를 광학적 투과도, 반사도, 탁도 및 색상에 대해 시험하였다. 미국 메릴랜드주 실버 스프링 소재의 BYK 가드너(BYK Gardner)에 의해 공급되는 BYK 가드너 헤이즈-가드 플러스(BYK Gardner Haze-Gard Plus) 장비(카탈로그 번호 4723)를 사용하여 탁도(H) 및 투명도(clarity)(C) 측정을 수행하였다. 명칭이 "투명 플라스틱에 대한 탁도 및 시감 투과율의 표준 시험 방법"(Standard Test Method for Haze and Luminous Transmittance for Transparent Plastics)인 ASTM-D1003-00에 따라 투과도 및 탁도 수준을 수집하였다. 장비는 측정 동안 공기를 기준으로 하였다. 광 투과도(T) 측정치는 투과도의 백분율로 제공된다. 탁도는 시편을 통해 보이는 물체의 대비(contrast)가 감소되게 하는 시편에 의한 광의 산란이다. 탁도(H)는 그 방향이 입사 빔의 방향으로부터 특정 각도를 초과하여 벗어나도록 산란되는 투과 광의 백분율로서 제공된다. 이러한 시험 방법에서, 특정 각도는 2.5°이다. 투명도(C)는 그 방향이 2.5°미만으로 벗어나도록 산란되는 투과 광의 백분율로서 제공된다.

1976 CIE L* a* b* 색상 공간에 따른 색상을 BYK 가드너 컬러스피어(BYK Gardner Colorsphere, 카탈로그 번호 6465)를 사용하여 측정하였다. 시험 절차는 ASTM E1164: 물체 색상 평가를 위한 분광 데이터 획득(Obtaining Spectrometric Data for Object-Color Evaluation)에 설명된 바와 유사하게 하였다. 공기로부터의 샘플의 색상 변이(color shift)를 계산하기 위하여 장비를 보정하였다.

400-700 ㎚ 범위에 걸친 스피어 액세서리(sphere accessory)를 통합한 PELA-1000이 장착된 퍼킨-엘르머 람다(Perkin-Elmer Lambda) 900 분광광도계(Spectrophotometer) (모델: BV900ND0)를 사용하여 광 투과도(% T) 및 반사도(% R) 측정을 수행하였다. 이 스피어는 직경이 150 ㎜ (6 인치)이고, 문헌["ASTM Standards on Color and Appearance Measurement", Third Edition, ASTM, 1991]에 개시된 바와 같이 ASTM 방법 E903, D1003, E308 등을 따른다. 장비는 측정 동안 공기를 기준으로 하였다. 분광광도계의 주사 속도(scan speed)는 120 ms/pt의 UV-가시광 적분 하에서 약 1250 ㎚/분이었다. 데이터 간격(interval) 및 분해능(resolution)은 5 ㎚였다. 투과도 및 반사도 데이터는 550 ㎚에서 측정한 백분율로서 제공된다.

각각의 샘플의 두께는 4개의 상이한 지점에서 측정하였다. t로 표시한 열 아래의 데이터는 측정한 두께 범위를 미크론 단위로 나타낸다.

많은 실시예에서 양호한 굴절률 정합을 얻었는데, 굴절률 차이는 실시예 2, 3 및 9 내지 15에서 0.005 미만이고 실시예 11 및 13에서는 약 0.0002 미만이다. 실시예 2, 3, 9 및 10에서 탁도 값은 3% 미만이었고 투과도가 높았다. 이들 필름은 육안으로 볼 때 매우 투명하였다.

세라믹 섬유를 사용한 실시예 4-7에서 매트릭스와 섬유 간의 최소 굴절률 차이는 0.008 이상이었고, 섬유는 촘촘한 위브(tight weave)의 형태로 제공되었다. 위브의 촘촘함은 경화되기 전에 모든 기포를 중합체/섬유 계면으로부터 제거하였음을 보장하는 것을 어렵게 하였다. 결과적으로, 이들 샘플의 탁도 값은 상대적으로 높았다. 고형화 전의 섬유와 수지로부터의 더욱 양호한 기포 제거를 달성하고 더욱 양호한 굴절률 정합 매트릭스를 획득함으로써 더 낮은 탁도 값을 얻을 수 있다.

일부 샘플의 기계적 특성을 측정하였다. 측정치는 열팽창 계수(CTE)와 저장 탄성률(storage modulus)을 포함한다. 이들 측정 결과를 표 V에 열거한다. 필름 인장 구조(film tension geometry)를 구비한 퍼킨 엘르머(Perkin Elmer)의 열기계 분석기(Thermomechanical Analyzer)인 TMA-7을 사용하여 CTE를 측정하였다. 20℃에서 150℃까지의 범위에 걸쳐 10℃/분의 팽창 모드로 온도 스위프(temperature sweep) 실험을 수행하였다. 표 V에 열거한 CTE는 70℃ - 120℃ 범위에 걸친 CTE이며, 이는 모든 경우에서 이 온도 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 것으로 밝혀졌다. CTE를 ppm/℃ (parts per million per degree Celcius)로 표에 열거하며, 샘플의 두번째 가열 주기 동안 측정하였다. CTE는 섬유를 포함한 이들 샘플에 대하여 x/y 형태로 제공된다. 섬유는, 섬유가 (임의로 할당된) x 및 y 방향으로 놓인 상태로, 샘플 내에서 위브 형태로 존재하였다. x 및 y 방향으로의 팽창에 대한 CTE를 열거한다. x 및 y 방향으로의 섬유의 밀도는 실시예 10와 동등하지 않았으며, 그 결과 x 및 y 방향의 CTE 값은 현저하게 달라졌다. 실시예 10, 11 및 13에서, 섬유는 x 및 y 방향으로의 섬유 밀도가 대체로 유사한 상태에서 위브 형태로 존재하였다. 실시예 19-21에서 섬유는 제공되지 않았으며, 따라서 이들 샘플에 대해서는 하나의 CTE만을 열거한다.

필름 인장 구조를 구비한 TA 인스트루먼츠(TA Instruments) Q800 시리즈의 동적 기계적 특성 분석기(Dynamic Mechanical Analyzer, DMA)를 사용하여 필름의 저장 탄성률(storage (elastic) modulus)을 측정하였다. -40℃에서 200℃까지의 범위에 걸쳐 2℃/분의 동적 변형률(dynamic strain) 모드로 온도 스위프 실험을 수행하였다. 온도의 함수로서 저장 탄성률 및 탄젠트 델타(tan delta, 손실 계수)를 보고하였다. 3가지의 상이한 온도, 즉 24℃, 66℃ 및 100℃에 대한 저장 탄성률을 표 V에 열거한다. 필름에 대한 유리 전이 온도(Tg)를 식별하기 위하여 탄젠트 델타 곡선의 최고점을 사용하였다. 실시예 10 및 21의 경우, 각각의 샘플의 두번째 가열 주기에서 Tg 값을 측정하였다.

섬유 보강 실시예의 CTE는 섬유가 유리이든지 유리-세라믹이든지와 무관하게 보강되지 않은 실시예의 CTE보다 상당히 낮았다. 또한, 섬유 보강 실시예의 저장 탄성률은, 특히 수개의 상이한 유형의 디스플레이 적용예에 대해 예상되는 작동 범위 내에 있는 66℃의 상승된 온도에서 보강되지 않은 실시예의 경우보다 상당히 높았다. 섬유 보강 복합재 필름 샘플의 더 높은 저장 탄성률은 상승된 작동 온도에서의 필름의 뒤틀림 또는 처짐의 양을 감소시키고 필름의 강성을 증가시키며 그 결과 더욱 안정한 장기간의 효용성을 제공할 것으로 생각된다.

일부 실시 형태에서, Tg 값은 135℃ 미만, 아마도 100℃ 미만인 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 범위의 Tg 값을 갖는 중합체 재료를 사용함으로써, 가용 재료의 선택의 폭이 넓어지고 더 높은 Tg 값을 갖는 재료가 사용되는 경우보다 비용이 덜 들며 처리가능성이 더 큰 재료를 제공하게 된다. 주목할 점은 실시예 5 및 10에 대한 Tg 값이 각각 92℃ 및 82℃이라는 것이다.

본 발명은 상기에 설명된 특정 실시예에 한정되는 것으로 간주되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 적절히 기재된 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서의 개관시 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 변형예, 동등한 공정뿐만 아니라, 다수의 구조는 본 발명과 관계된 분야의 숙련자에게 쉽게 명확해질 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims

제1 굴절률을 갖는 중합체 매트릭스; 및

커플링제 없이 중합체 매트릭스에 매립되고 제1 굴절률과 사실상 정합되는 제2 굴절률을 갖는 무기 재료로 형성되는 복수의 무기 섬유

를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스는 복굴절성이고 제1 굴절률과는 다른 제3 굴절률을 갖는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스는 사실상 등방성인 광학체.
제1항에 있어서, 무기 섬유는 중합체 매트릭스에 매립된 토우(tow) 형태로 배열되는 광학체.
제1항에 있어서, 무기 섬유는 중합체 매트릭스에 매립된 부직포, 쵸핑된(chopped) 섬유 또는 쵸핑된 섬유 매트 중 적어도 하나로서 배열된 광학체.
제1항에 있어서, 무기 섬유는 중합체 매트릭스에 매립된 적어도 하나의 섬유 위브(weave)로서 배열된 광학체.
제6항에 있어서, 무기 섬유는 섬유 위브의 경사 및 위사 중의 적어도 하나 내에 포함되고, 섬유 위브의 경사 및 위사 중의 적어도 하나는 중합체 섬유 및 천연 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 광학체.
제7항에 있어서, 중합체 섬유는 복굴절성 중합체 재료를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 무기 섬유는 적어도 유리 섬유를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 무기 섬유는 적어도 세라믹 섬유를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 무기 섬유는 적어도 유리-세라믹 섬유를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 무기 섬유는 하나 이상의 중합체 섬유로 얀 내에 형성되는 광학체.
제12항에 있어서, 얀은 중앙에 위치된 무기 섬유 및 중앙에 위치된 무기 섬유 주위에 꼬여 있는 둘 이상의 중합체 섬유로 형성되는 광학체.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 구조화된 표면을 포함하는 광학체.
제14항에 있어서, 구조화된 표면은 광학체를 통과하는 광에 대한 광학능을 제공하는 광학체.
제15항에 있어서, 구조화된 표면은 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 광학체.
제14항에 있어서, 적어도 하나의 구조화된 표면은 프리즘 구조의 어레이를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스의 굴절률을 효과적으로 조정하는 첨가제를 중합체 매트릭스 내에 추가로 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스의 강도를 효과적으로 증가시키는 첨가제를 중합체 매트릭스 내에 추가로 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스는 UV 경화 아크릴레이트를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스는 가교 결합성 재료를 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 중합체 매트릭스에 매립된 광 확산 입자를 추가로 포함하는 광학체.
제1 굴절률을 갖는 투명 중합체 매트릭스; 및

중합체 매트릭스에 매립되고 무기 섬유 재료로 형성되는 복수의 투명 섬유

를 포함하며,

적어도 하나의 구조화된 표면을 갖는 광학체.
제23항에 있어서, 섬유 재료는 제1 굴절률과 사실상 동일한 제2 굴절률을 갖는 광학체.
제23항에 있어서, 적어도 하나의 구조화된 표면은 광학체를 통과하는 광에 대한 광학능을 제공하는 광학체.
제25항에 있어서, 적어도 하나의 구조화된 표면은 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 적어도 하나의 구조화된 표면은 프리즘 구조의 어레이를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 무기 섬유는 적어도 유리 섬유를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 무기 섬유는 적어도 세라믹 섬유를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 무기 섬유는 적어도 유리-세라믹 섬유를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스는 복굴절성이고 제1 굴절률과는 다른 제3 굴절률을 갖는 광학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스는 사실상 등방성인 광학체.
제23항에 있어서, 무기 섬유는 중합체 매트릭스 내에서 토우 형태로 배열되는 광학체.
제23항에 있어서, 무기 섬유는 중합체 매트릭스 내에서 적어도 하나의 섬유 위브로서 배열된 광학체.
제34항에 있어서, 무기 섬유는 섬유 위브의 경사 및 위사 중의 적어도 하나 내에 포함되고, 섬유 위브의 경사 및 위사 중의 적어도 하나는 중합체 섬유 및 천연 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 광학체.
제35항에 있어서, 무기 중합체 섬유는 복굴절성 중합체 재료를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 무기 섬유는 중합체 매트릭스에 무기 섬유를 결합시키는 결합제 없이 중합체 매트릭스에 매립되는 광학체.
제23항에 있어서, 적어도 하나의 무기 섬유는 하나 이상의 중합체 섬유로 얀 내에 형성되는 광학체.
제38항에 있어서, 얀은 중앙에 위치된 무기 섬유 및 중앙에 위치된 무기 섬유 주위에 꼬여 있는 둘 이상의 중합체 섬유로 형성되는 광학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스의 굴절률을 효과적으로 조정하는 첨가제를 중합체 매트릭스 내에 추가로 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스의 강도를 효과적으로 증가시키는 첨가제를 중합체 매트릭스 내에 추가로 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스 내에 광 확산 입자를 추가로 포함하는 광 학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스는 UV 경화 아크릴레이트를 포함하는 광학체.
제23항에 있어서, 중합체 매트릭스는 가교 결합성 재료를 포함하는 광학체.