KR20090057230A

KR20090057230A - 다층 편광 섬유 및 이를 사용하는 편광기

Info

Publication number: KR20090057230A
Application number: KR1020097004211A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 제이. 오우데르커크; 그레고리 엘. 블루엠; 로버트 엘. 브로트; 패트릭 알. 플레밍; 조안 엠. 프란켈; 섄던 디. 하트; 윌리엄 제이. 코페키; 후이웬 타이; 마가렛 엠. 보겔-마틴; 다니엘 제이. 질리그
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-06-04
Also published as: US20090251776A1; CN101523248B; EP2057488A1; TW200817737A; WO2008027804A1; EP2057488B1; CN101523248A; JP2010503023A; US7773834B2

Abstract

편광 필름은 매트릭스 내에 매립된 다층 편광 섬유로 제작된다. 섬유들은 적어도 제1 및 제2 중합체 재료의 층들을 갖도록 형성된다. 제1 중합체 재료의 층들은 제2 중합체 재료의 층들 사이에 배치된다. 제1 및 제2 중합체 재료들 중 적어도 하나는 복굴절성이다. 몇몇 실시 형태에서, 재료들 중 적어도 하나의 층들의 두께는 섬유를 가로질러 변하고, 700 ㎚ 초과의 파장을 갖는 광에 대해 1/4 파장 두께로 선택된 층들을 포함할 수 있다.

광학체, 중합체 재료, 다층 섬유, 복굴절성, 굴절률

Description

다층 편광 섬유 및 이를 사용하는 편광기{MULTILAYER POLARIZING FIBERS AND POLARIZERS USING SAME}

본 발명은 광학 디스플레이 시스템에 관한 것으로, 특히 횡방향으로 조명되는 복굴절성 중합체 섬유를 구비하는 광학 소자를 포함하는 광학 디스플레이 필름에 관한 것이다.

여러 상이한 종류의 편광 필름이 비편광 광(unpolarized light)을 편광시키기 위해 이용될 수 있다. 흡수 (다이크로익) 편광기는 중합체 매트릭스 내에 정렬된 편광 의존성 흡수 화학종, 흔히 요오드 함유 사슬을 혼입상(inclusion phase)으로서 갖는다. 그러한 필름은 전기장 벡터가 흡수 화학종에 대해 평행하게 정렬된 상태로 편광된 광을 흡수하고, 흡수 화학종에 대해 수직하게 편광된 광을 투과시킨다. 다른 유형의 편광 필름은 일 상태의 광을 투과시키고 다른 상태의 광을 반사시킴으로써 상이한 편광 상태의 광을 분리시키는 반사 편광기이다. 반사 편광기의 한 가지 유형은 교대하는 중합체 재료들의 많은 층들의 스택(stack)으로 형성된 다층 광학 필름(MOF)이다. 재료들 중 하나는 광학적으로 등방성이고 다른 하나는 복굴절성이며, 재료의 굴절률들 중 하나는 등방성 재료의 굴절률에 정합된다. 일 편광 상태로 입사하는 광은 정합된 굴절률을 겪고, 편광기를 통해 사실상 경면 투과 된다. 그러나, 다른 편광 상태에서 입사한 광은 상이한 층들 사이의 계면에서 다중 간섭성 또는 비간섭성 반사를 겪고, 편광기에 의해 반사된다.

다른 유형의 반사 편광 필름은 연속상 매트릭스 내에 분산된 혼입체로부터 구성된다. 혼입체는 필름의 폭 및 높이에 비해 작다. 이들 혼입체의 특징은 필름에 일정 범위의 반사 및 투과 특성을 제공하도록 조작될 수 있다. 혼입체는 연속상 매트릭스 내에서 분산 중합체 상을 구성한다. 혼입체 크기 및 정렬은 필름을 신장시킴으로써 변경될 수 있다. 연속상 또는 분산상 중 어느 하나는 복굴절성이고, 복굴절성 재료의 굴절률 중 하나가 광학적으로 등방성인 다른 상의 굴절률에 정합한다. 연속상 및 분산상에 대한 재료의 선택은 신장의 정도와 함께 분산상과 연속상 사이의 복굴절성 굴절률 부정합의 정도에 영향을 줄 수 있다. 광학 성능을 개선하도록 다른 특징들이 조정될 수 있다.

발명의 개요

본 발명의 일 실시 형태는 적어도 제1 및 제2 중합체 재료의 층들을 포함하는 제1 다층 섬유를 갖는 광학체에 관한 것이다. 제1 중합체 재료의 층들은 제2 중합체 재료의 층들 사이에 배치된다. 제1 및 제2 중합체 재료들 중 적어도 하나는 복굴절성이다. 제1 중합체 재료의 적어도 제1 층은 제1 중합체 재료의 제2 층과 다른 제1 두께를 갖는다.

본 발명의 다른 실시 형태는 적어도 제1 및 제2 중합체 재료의 층들을 포함하는 제1 다층 섬유를 갖는 광학체에 관한 것이다. 제1 중합체 재료의 층들은 제2 중합체 재료의 층들 사이에 배치된다. 제1 및 제2 중합체 재료들 중 적어도 하나 는 복굴절성이다. 제1 및 제2 중합체 재료의 층들 중 적어도 일부는 700 ㎚ 초과의 파장을 갖는 광에 대한 1/4 파장 두께(quarter-wavelength thickness)로 선택된 두께를 갖는다.

본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시 형태 또는 모든 구현 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 이어지는 도면 및 상세한 설명은 이러한 실시 형태를 더욱 구체적으로 예시한다.

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

도 1A 및 1B는 편광기 필름의 작동을 개략적으로 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 원리에 따른 중합체 층의 일 실시 형태의 개략적인 절결도.

도 3A 내지 도 3C는 본 발명의 원리에 따른 편광기 필름의 실시 형태의 개략적인 단면도.

도 4는 본 발명의 일부 실시 형태에서 사용될 수 있는 섬유 직물(fiber weave)을 개략적으로 도시하는 도면.

도 5A 내지 도 5H는 본 발명의 원리에 따른 다층 편광 섬유의 여러 실시 형태들의 개략적인 단면도.

도 6A 내지 도 6H는 다층 편광 섬유의 여러 실시 형태들의 예시적인 층 두께 프로파일을 도시하는 그래프.

도 7A 및 도 7B는 입사광의 다층 편광 섬유와의 상호 작용을 도시하는, 편광기의 일 실시 형태의 개략적인 단면도.

도 8은 본 발명의 원리에 따른 다층 편광 섬유를 둘러싸는 저굴절률 코팅을 갖는 편광기의 개략적인 단면도.

도 9는 다층 편광 섬유의 거동을 분석하기 위해 사용되는 모델의 파라미터를 개략적으로 도시하는 도면.

도 10A 및 도 10B는 반경이 증가함에 따라 층 두께가 감소하는 층 두께 구배를 갖는 다층 편광 섬유로부터의 투과율 및 반사율을 도시하는 그래프.

도 11A 및 도 11B는 반경이 증가함에 따라 층 두께가 증가하는 층 두께 구배를 갖는 다층 편광 섬유로부터의 투과율 및 반사율을 도시하는 그래프.

도 12A는 반경이 증가함에 따라 층 두께가 감소하는 층 두께 구배를 갖는 다층 편광 섬유의 편광 특성을 도시하는 그래프.

도 12B는 반경이 증가함에 따라 층 두께가 감소하는 층 두께 구배를 갖는 다층 편광 섬유의 편광 특성을 도시하는 그래프.

도 13은 더 큰 치수가 편광기의 표면에 대해 평행한 비원형 대칭 단면을 갖는 섬유에 대한 섬유 편광기의 개략적인 단면도.

도 14는 다층 편광 섬유의 부분 단면도 사진.

도 15 및 도 16은 상이한 층 두께의 다층 편광 섬유들에 대해 측정된 반사율 및 투과율을 각각 도시한 그래프.

본 발명이 다양한 변형과 대안적 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 변형, 등가물 및 대안을 포함하고자 하는 것이다.

본 발명은 광학 시스템에 적용될 수 있고, 특히 편광 광학 시스템에 적용될 수 있다. 새로운 유형의 반사 편광 필름은 내부 복굴절성 계면, 즉 복굴절성 재료와 다른 재료 사이의 계면을 갖는 다수의 섬유들을 포함하는 매트릭스 층인 섬유 편광 필름이다. 섬유 편광기 필름 내의 섬유들의 파라미터가 개선된 편광 특성을 제공하도록 선택되는 것이 중요하다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "경면 반사" 및 "경면 반사율"이라는 용어는 반사각이 입사각과 사실상 동일한 물체로부터의 광선의 반사율을 말하고, 여기서 상기 각도는 물체의 표면의 법선에 대해 측정된다. 환언하면, 광이 특정 각도 분포로 물체 상에 입사할 때, 반사광은 사실상 동일한 각도 분포를 갖는다. "확산 반사" 또는 "확산 반사율"이라는 용어는 일부 반사광의 각도가 입사각과 동일하지 않은 광선의 반사를 말한다. 결과적으로, 광이 특정 각도 분포로 물체 상에 입사할 때, 반사광의 각도 분포는 입사광의 각도 분포와 다르다. "총 반사율" 또는 "총 반사"라는 용어는 모든 광의 조합 반사율, 즉 경면 및 확산 반사율을 말한다.

유사하게는, "경면 투과" 및 "경면 투과율"이라는 용어는 본 명세서에서 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 임의의 변화에 대해 조정된 투과광의 각도 분포가 입사광의 각도 분포와 사실상 동일한 물체를 통한 광의 투과에 대해 사용된다. "확산 투과" 및 "확산 투과율"이라는 용어는 투과광이 입사광의 각도 분포와 다른 각도 분포를 갖는 물체를 통한 광의 투과를 설명하기 위해 사용된다. "총 투과" 또는 "총 투과율"이라는 용어는 모든 광의 조합 투과, 즉 경면 및 확산 투과를 말한다.

반사 편광기 필름(100)이 도 1A 및 도 1B에 개략적으로 도시되어 있다. 본 명세서에서 채택된 관례에서, 필름의 두께 방향은 z 축으로서 취해지고, x-y 평면은 필름의 평면에 대해 평행하다. 비편광 광(102)이 편광기 필름(100) 상에 입사할 때, 편광기 필름(100)의 투과 축에 대해 평행하게 편광된 광(104)은 사실상 투과되고 편광기 필름(100)의 반사 축에 대해 평행하게 편광된 광(106)은 사실상 반사된다. 반사광의 각도 분포는 편광기(100)의 다양한 특징에 좌우된다. 예를 들어, 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 광(106)은 도 1A에 개략적으로 도시된 바와 같이 확산 반사될 수 있다. 다른 실시 형태에서 반사광은 경면 성분 및 확산 성분 둘 모두를 포함할 수 있고, 몇몇 실시 형태에서는 반사는 사실상 모두 경면 반사일 수 있다. 도 1A에 도시된 실시 형태에서, 편광기의 투과 축은 x 축에 대해 평행하고, 편광기(100)의 반사 축은 y 축에 대해 평행하다. 다른 실시 형태에서, 이들은 뒤바뀔 수 있다. 투과광(104)은 예를 들어 도 1A에 개략적으로 도시된 바와 같이 경면 투과될 수 있거나, 도 1B에 개략적으로 도시된 바와 같이 확산 투과될 수 있거나, 또는 경면 성분 및 확산 성분들이 조합되어 투과될 수 있다. 편광기는 투과광의 절반 이상이 확산 투과될 때 광을 사실상 확산 투과시키고, 투과광의 절반 이상이 경면 투과될 때 광을 사실상 경면 투과시킨다.

본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 반사 편광기 본체의 절결도가 도 2에 개략적으로 제시되어 있다. 본체(200)는 중합체 매트릭스(202)를 포함하는데, 이 매트릭스는 또한 연속상으로도 불린다. 중합체 매트릭스는 광학적으로 등방성이거나 광학적으로 복굴절성일 수 있다. 예를 들어, 중합체 매트릭스는 단축 또는 2축 복굴절성일 수 있고, 이는 중합체의 굴절률이 하나의 방향을 따라 상이하고 2개의 직교하는 방향을 따라 유사하거나(단축) 또는 모든 3개의 직교하는 방향에서 상이할 수 있다(2축)는 것을 의미한다.

편광 섬유(204)는 매트릭스(202) 내에 배치된다. 편광 섬유(204)는 적어도 2개의 중합체 재료를 포함하는데, 그 중 적어도 하나는 복굴절성이다. 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 재료들 중 하나는 복굴절성이고, 다른 재료 또는 재료들은 등방성이다. 다른 실시 형태에서, 섬유를 형성하는 재료들 중 둘 이상이 복굴절성이다. 몇몇 실시 형태에서, 등방성 재료로 형성된 섬유들이 또한 매트릭스(202) 내에 존재할 수 있다.

제1 섬유 재료에 대한 x, y, 및 z 방향으로의 굴절률은 n_1x, n_1y 및 n_1z로 불릴 수 있고, 제2 섬유 재료에 대한 x, y, 및 z 방향으로의 굴절률은 n_2x, n_2y 및 n_2z로 불릴 수 있다. 재료가 등방성인 경우에, x, y 및 z 방향 굴절률들은 모두 사실상 정합된다. 제1 섬유 재료가 복굴절성인 경우, x, y 및 z 방향 굴절률 중 적어도 하나는 나머지와는 다르다.

각각의 섬유(204) 내에, 제1 섬유 재료와 제2 섬유 재료 사이에 형성된 복수의 계면이 있다. 예를 들어, 2개의 재료가 계면에서 x 및 y 방향 굴절률을 제공하고, n_1x ≠ n_1y, 즉 제1 재료가 복굴절성이면, 계면은 복굴절성이다. 편광 섬유들의 여러 예시적인 실시 형태들이 후술된다.

섬유(204)는 도면에서 x 축으로서 도시된 축에 대해 대체로 평행하게 배치된다. x 축에 대해 평행하게 편광된 광에 대한 섬유(204) 내의 복굴절성 계면에서의 굴절률 차이(n_1x - n_2x)는 y 축에 대해 평행하게 편광된 광에 대한 굴절률 차이(n_1y - n_2y)와 다를 수 있다. 계면에서의 굴절률의 차이가 상이한 방향에 대해 상이할 때 그 계면은 복굴절성으로 불린다. 따라서, 복굴절성 계면의 경우, Δn_x ≠ Δn_y이고, 여기서 Δn_x = |n_1x - n_2x|이고 Δn_y = |n_1y - n_2y|이다.

일 편광 상태의 경우, 섬유(204) 내의 복굴절성 계면에서의 굴절률 차이는 상대적으로 작을 수 있다. 몇몇 예시적인 경우에, 굴절률 차이는 0.05 미만일 수 있다. 이러한 조건은 사실상 굴절률 정합된 것으로 고려된다. 이러한 굴절률 차이는 0.03 미만, 0.02 미만, 또는 0.01 미만일 수 있다. 이러한 편광 방향이 x 축에 대해 평행하면, x 편광 광은 반사가 거의 또는 전혀 없이 본체(200)를 통과한다. 환언하면, x 편광 광은 본체(200)를 통해 고도로 투과된다.

섬유 내의 복굴절성 계면에서의 굴절률 차이는 직교 편광 상태의 광에 대해 상대적으로 높을 수 있다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 굴절률 차이는 적어도 0.05일 수 있고, 예를 들어 0.1 또는 0.15로 더 클 수 있거나, 0.2일 수도 있다. 이러한 편광 방향이 y 축에 대해 평행하면, y 편광 광은 복굴절성 계면에서 반사된다. 따라서, y 편광 광은 본체(200)에 의해 반사된다. 섬유(204) 내의 복굴절성 계면들이 서로에 대해 사실상 평행하면, 반사는 본질적으로 경면 반사일 수 있다. 다른 한편으로, 섬유(204) 내의 복굴절성 계면들이 서로에 대해 사실상 평행하지 않으면, 반사는 사실상 확산 반사일 수 있다. 복굴절성 계면들 중 일부는 평행할 수 있고 다른 계면들은 평행하지 않을 수 있으며, 이는 경면 성분 및 확산 성분 둘 모두를 포함하는 반사광으로 이어질 수 있다. 또한, 복굴절성 계면은 만곡되거나 또는 상대적으로 작고, 환언하면 입사광의 파장의 크기 정도 이내일 수 있는데, 이는 확산 산란으로 이어질 수 있다.

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

예를 들어 약 0.05 미만, 바람직하게는 0.01 미만의 복굴절률, n_3x - n_3y를 갖는 중합체 매트릭스(202)는 사실상 광학적으로 등방성일 수 있고, 여기서 x 및 y 방향에 대한 매트릭스 내의 굴절률은 각각 n_3x 및 n_3y이다. 다른 실시 형태에서, 중합체 매트릭스(202)는 복굴절성일 수 있다. 결과적으로, 몇몇 실시 형태에서, 중합체 매트릭스와 섬유 재료 사이의 굴절률 차이는 상이한 방향에서 상이할 수 있다. 예를 들어, x 방향 굴절률 차이(n_1x - n_3x)는 y 방향 굴절률 차이(n_1y - n_3y)와 상이할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 이들 굴절률 차이 중 하나는 다른 굴절률 차이보다 적어도 2배만큼 클 수 있다.

몇몇 실시 형태에서, 굴절률 차이, 복굴절성 계면의 넓이 및 형상, 및 복굴절성 계면들의 상대 위치가 입사 편광들 중 하나의 다른 편광보다 더 큰 확산 산란을 생성할 수 있다. 그러한 산란은 주로 후방 산란(확산 반사), 전방 산란(확산 투과), 또는 후방 및 전방 산란들의 조합일 수 있다.

중합체 매트릭스 및/또는 섬유에 사용하기에 적합한 재료는 원하는 광 파장 범위에 걸쳐 투과성을 갖는 열가소성 및 열경화성 중합체를 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 중합체가 물에서 불용성인 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 부타디엔 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; 불포화 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 화합물인 것으로서 정의된다. 신디오탁틱 PS를 제외하고는, 이들 중합체는 광학적 등방성 형태로 사용될 수도 있다.

이들 중합체 중 몇몇은 배향될 때 복굴절성으로 될 수 있다. 특히, PET, PEN 및 그의 공중합체와, 액정 중합체는 배향될 때 상대적으로 큰 값의 복굴절률을 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 신장 비에 의해 조절될 수도 있기 때문이다. 배향 및 비배향된 다수의 예시적인 중합체들에 대한 굴절률이 아래의 표 1에 제공되어 있다.

PCTG 및 PETG(글리콜-개질 폴리에틸렌 테레프탈레이트)는 예를 들어 미국 테네시주 킹스포트 소재의 이스트만 케미컬 컴퍼니(Eastman Chemical Co.)로부터 이스타(Eastar™)라는 상표명으로 입수 가능한 유형의 코폴리에스테르이다. THV는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 다이네온(Dyneon™)이라는 상표명으로 입수 가능한 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드의 중합체이다. PS/PMMA 공중합체는 원하는 굴절률 값을 달성하기 위해 공중합체 내의 구성 단량체의 비를 변화시킴으로써 굴절률이 "조절"될 수 있는 공중합체의 일 예이다. "S.R."로 표시된 칼럼(column)은 신장 비를 포함한다. 1의 신장 비는 재료가 신장되지 않고 배향되지 않은 것을 의미한다. 6의 신장 비는 샘플이 그 원래 길이의 6배로 신장된 것을 의미한다. 적당한 온도 조건 하에서 신장되면, 중합체 분자들이 배향되고 재료는 복굴절성이 된다. 그러나, 분자들을 배향시키지 않으면서 재료를 신장시키는 것이 가능하다. "T"로 표시된 칼럼은 샘플이 신장된 온도를 표시한다. 신장된 샘플은 시트로서 신장되었다. n_x, n_y 및 n_z로 표시된 칼럼은 재료의 굴절률을 말한다. 표에서 n_y 및 n_z에 대해 값이 열거되지 않은 경우에, n_y 및 n_z의 값은 n_x에 대한 값과 동일하다.

섬유를 신장시킬 때의 굴절률의 거동은 시트를 신장시키는 것에 대한 결과와 유사한 결과를 제공할 것으로 예상되지만, 반드시 동일할 필요는 없다. 중합체 섬유는 원하는 굴절률 값을 생성하는 임의의 원하는 값으로 신장될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 중합체 섬유는 적어도 3, 및 아마 적어도 6의 신장 비를 생성하도록 신장될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 중합체 섬유는 훨씬 더, 예컨대 최대 20 또는 그 초과의 신장 비로 신장될 수 있다.

복굴절성을 달성하기 위해 신장하기에 적합한 온도는 켈빈으로 표현되는 중합체 융점의 대략 80％이다. 복굴절성은 또한 압출 및 필름 성형 공정 중에 겪는 중합체 용융물의 유동에 의해 유도되는 응력에 의해 유도될 수 있다. 복굴절성은 또한 필름 물품 내의 섬유와 같은 인접 표면과의 정렬에 의해 형성될 수도 있다. 복굴절성은 양 또는 음일 수 있다. 양의 복굴절성은 선편광된 광에 대한 전기장 축의 방향이 중합체의 배향 또는 정렬 표면에 대해 평행할 때 최고 굴절률을 겪는 때로서 정의된다. 음의 복굴절성은 선편광된 광에 대한 전기장 축의 방향이 중합체의 배향 또는 정렬 표면에 대해 평행할 때 최저 굴절률을 겪는 때로서 정의된다. 양의 복굴절성 중합체의 예로는 PEN 및 PET가 포함된다. 음의 복굴절성 중합체의 예로는 신디오탁틱 폴리스티렌이 포함된다.

매트릭스(202) 및/또는 중합체 섬유(204)는 본체(200)에 원하는 특성을 제공하기 위해 다양한 첨가제를 구비할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 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) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 첨가제는 중합체의 굴절률을 변경하거나 재료의 강도를 증가시키기 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 그러한 첨가제는 유기 첨가제, 예컨대 중합체 비드 또는 입자 및 중합체 나노 입자, 또는 무기 첨가제, 예컨대 유리, 세라믹 또는 금속 산화물 나노 입자, 또는 파쇄되거나 분말화된 비드, 플레이크 또는 미립자 유리, 세라믹 또는 유리-세라믹을 포함할 수 있다. 이들 첨가제의 표면은 중합체에 대한 결합을 위한 결합제를 구비할 수 있다. 예를 들어, 실란 결합제를 유리 첨가제에 사용하여 중합체에 유리 첨가제를 결합시킬 수 있다.

몇몇 실시 형태에서, 매트릭스(202) 또는 섬유(204)의 성분이 용제에 대해 불용성이거나 적어도 내용제성인 것이 바람직할 수 있다. 내용제성인 적합한 재료의 예로는 폴리프로필렌, PET 및 PEN이 포함된다. 다른 실시 형태에서, 매트릭스(202) 또는 중합체 섬유(204)의 성분이 유기 용제 내에서 용해성인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 폴리스티렌으로 형성된 매트릭스(202) 또는 섬유 성분이 아세톤과 같은 유기 용제 내에서 용해될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 매트릭스가 수용성인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 폴리비닐 아세테이트로 형성된 매트릭스(202) 또는 섬유 성분이 물 속에서 용해될 수 있다.

광학 소자의 몇몇 실시 형태에서의 재료의 굴절률은 섬유의 길이를 따라, 즉 x 방향으로 변할 수 있다. 예를 들어, 소자는 균일한 신장을 받지 않을 수 있지만, 몇몇 영역 내에서는 다른 영역보다 더 큰 정도로 신장될 수 있다. 결과적으로, 배향 가능한 재료의 배향 정도는 소자를 따라 균일하지 않고, 따라서 복굴절성은 소자를 따라 공간적으로 변할 수 있다.

더욱이, 매트릭스 내로 섬유를 포함시킴으로써 광학 소자의 기계적 특성을 개선할 수 있다. 특히, 폴리에스테르와 같은 몇몇 중합체 재료는 필름 형태에서보다 섬유 형태에서 더 강하고, 따라서 섬유를 포함하는 광학 소자가 섬유를 포함하지 않는 유사한 치수의 공학 소자보다 더 강할 수 있다. 섬유(204)는 직선형일 수 있지만, 직선형일 필요는 없으며, 예를 들어 섬유(204)는 꼬이거나(kinked), 나선형이거나(spiraled) 주름질(crimped) 수 있다.

몇몇 실시 형태에서, 편광기 층 내에 존재하는 섬유들 중 일부 또는 전부가 중합체 편광 섬유일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 편광기는 또한 등방성 중합체와 같은 등방성 재료 또는 유리, 세라믹 또는 유리-세라믹과 같은 무기 재료로 형성된 섬유를 포함할 수 있다. 따라서, 필름 내에서의 무기 섬유의 사용은 미국 특허 출원 공개 제2006/0257678호에 더 상세하게 설명되어 있다. 무기 섬유는 편광기 층에 대한 추가의 강성, 및 습도 및/또는 온도의 차등 조건 하에서의 컬링(curling) 및 형상 변화에 대한 저항성을 제공한다.

몇몇 실시 형태에서 무기 섬유 재료는 매트릭스의 굴절률과 정합하는 굴절률을 갖고, 다른 실시 형태에서 무기 섬유는 매트릭스의 굴절률과 다른 굴절률을 갖는다. E 유리, S 유리, BK7, SK10 등과 같은 고품질 유리를 포함하는 임의의 투명한 유형의 유리가 사용될 수 있다. 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 컴퍼니로부터 입수할 수 있는 상표명 넥스텔(Nextel™) 세라믹 섬유가 이러한 유형의 재료의 예이고, 이미 실, 얀(yarn) 및 직물 매트로서 입수할 수 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.

편광기 층은 많은 상이한 방식으로 매트릭스 내에 배열된 편광 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유는 매트릭스의 단면 영역을 가로질러 랜덤하게 위치될 수 있다. 다른 더 규칙적인 단면 배열이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 개략적으로 도시된 예시적인 실시 형태에서, 섬유(204)들은 인접 섬유(204)들 사이의 규칙적인 간격을 갖도록 매트릭스(202) 내에 1차원 어레이로 배열된다. 이러한 실시 형태의 몇몇 변형에서, 인접 섬유(204)들 사이의 간격은 모든 섬유(204)들에 대해 동일할 필요는 없다. 도시된 실시 형태에서, 섬유(204)의 단일 층이 소자(200)의 2개의 면(206, 208)들 사이의 중간에 위치된다. 이는 필수적이지는 않고, 섬유(204)의 층은 면(206, 208) 중 하나에 더 가까이 위치될 수 있다.

도 3A에서 단면도로 개략적으로 도시된 다른 예시적인 실시 형태에서, 편광기 필름(300)은 매트릭스(302) 내에 위치된 섬유(304a, 304b)들의 2개의 층을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 상부 층 내의 섬유(304a)는 하부 층 내의 섬유(304b)와 동일한 중심간 간격으로 서로 이격되어 있다. 또한, 상부 층 내의 섬유(304a)는 하부 층의 섬유(304b)와 정합되어 (y 방향으로 정렬되어) 위치된다. 이는 필수적이지는 않고, 중심간 간격이 다를 수 있고/있거나 y 방향 정렬이 다를 수 있다. 예를 들어, 도 3B에 개략적으로 도시된 편광기(310)의 실시 형태에서, 상부 층 내의 섬유(314a)들 사이의 중심간 간격은 하부 층의 섬유(314b)들에 대한 것과 동일하다. 그러나, 섬유(304a)는 섬유(304b)로부터 y 방향으로 오프셋되어 있다. 이러한 실시 형태의 하나의 가능한 이점은 섬유(314a)의 상부 층이 하부 층 내의 섬유(314b)들 사이의 공간을 "채울" 수 있고, 따라서 수직 전파 광선(316)이 섬유(304a 또는 304b)와 교차하여 편광될 기회가 증가되는 것이다.

섬유의 추가 층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3C에 개략적으로 도시된 편광기 필름(320)의 실시 형태에서, 매트릭스(322)는 섬유(324a, 324b, 324c)의 3개의 층을 포함한다. 이러한 특정 실시 형태에서, 섬유(324b)의 중간 층은 섬유(324a, 324c)의 상부 및 하부 층들로부터 y 방향으로 오프셋되어 있다. 또한, 이러한 실시 형태는 y 방향으로의 섬유들 사이의 간격이 z 방향으로의 섬유들 사이의 간격과 다를 수 있다는 것을 보여준다.

편광 섬유들은 단일 섬유로 또는 많은 다른 배열로 매트릭스 내에서 구성될 수 있다. 몇몇 예시적인 배열에서, 섬유들은 얀, 중합체 매트릭스 내에서 일 방향으로 배열된 (섬유 또는 얀의) 토우(tow), 직물, 부직물, 쵸핑된(chopped) 섬유, (랜덤한 또는 규칙적인 포맷의) 쵸핑된 섬유 매트, 또는 이들 포맷의 조합의 형태로 편광기 내에 포함될 수 있다. 쵸핑된 섬유 매트 또는 부직물은 섬유가 무작위로 배열되기보다는 신장되거나, 압력을 받거나 또는 부직물 또는 쵸핑된 섬유 매트 내의 섬유의 약간의 정렬을 제공하도록 배향될 수 있다. 매트릭스 내의 편광 섬유들의 배열을 갖는 편광기의 형성은 미국 특허 출원 공개 제2006/0193577호에 더 상세하게 설명되어 있다.

섬유는 하나 이상의 섬유 직물 형태로 매트릭스 내에 포함될 수 있다. 직물(400)은 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 편광 섬유는 경사(402)의 일부 및/또는 위사(404)의 일부를 형성할 수 있다. 무기 섬유가 직물 내에 포함될 수 있으며, 또한 경사(402) 및/또는 위사(404)의 일부를 형성할 수 있다. 추가적으로, 경사(402) 또는 위사(404)의 섬유들 중 일부는 등방성 중합체 섬유일 수 있다. 도 4에 도시된 직물(400)의 실시 형태는 5-하니스 새틴 직물(five-harness satin weave)이지만, 다른 유형의 직물, 예를 들어 다른 유형의 새틴 직물, 평직물 등이 사용될 수 있다.

몇몇 실시 형태에서, 하나 초과의 직물이 매트릭스 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 편광기 필름은 편광 섬유를 포함하는 하나 이상의 직물 및 무기 섬유만을 포함하는 하나 이상의 직물을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 상이한 직물들은 편광 섬유 및 무기 섬유 둘 모두를 포함할 수 있다. 섬유들의 3개의 층을 갖는 편광기(320)는 예를 들어 섬유들의 3개의 직조 층을 갖도록 형성될 수 있다.

편광기는 또한 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2006/0193577호에 더 상세하게 설명되어 있는 바와 같이 일 표면 또는 양 표면에 소정 구조를 구비할 수도 있다. 그러한 표면은 예를 들어 휘도 향상 표면, 렌즈형 표면, 확산 표면 등을 포함할 수 있다. 또한, 편광 섬유 및/또는 다른 섬유의 밀도는 편광기의 체적 전체에 걸쳐 균일할 필요가 없고 변할 수 있다. 조명시, 몇몇 섬유는 예를 들어 편광기를 가로지르는 조도의 불균일성을 감소시키기 위해 반사 또는 투과 중에 확산을 제공하도록 사용될 수 있다. 이는 편광기 후방에 위치된 광원을 숨기기 위해 행해질 수 있고, 섬유들의 밀도는 광원 위에서 더 크고 광원으로부터 멀어질수록 감소된다.

하나의 예시적인 실시 형태에서, 섬유 내에서 사용되는 복굴절성 재료는 배향시 굴절률의 변화를 겪는 유형의 것이다. 결과적으로, 섬유가 배향될 때, 굴절률 정합 또는 부정합이 배향의 방향을 따라 생성될 수 있고, 또한 비배향 방향을 따라 생성될 수 있다. 배향 파라미터 및 다른 처리 조건의 신중한 조작에 의해, 복굴절성 재료의 양 또는 음의 복굴절성은 주어진 축을 따른 광의 일 편광 또는 양 편광의 반사 또는 투과를 유도하도록 사용될 수 있다. 투과와 확산 반사 사이의 상대적인 비는 섬유 내의 복굴절성 계면의 밀집도(concentration), 섬유의 치수, 복굴절성 계면에서의 굴절률 차이의 제곱, 복굴절성 계면의 크기 및 기하학적 특성, 및 입사 방사선의 파장 또는 파장 범위와 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 다수의 인자에 좌우된다.

특정 축을 따른 굴절률 정합 또는 부정합의 크기는 그 축을 따라 편광되는 광의 산란도에 영향을 준다. 일반적으로, 산란능은 굴절률 부정합의 제곱에 따라 변한다. 따라서, 특정 축을 따른 굴절률의 부정합이 클수록, 그 축을 따라 편광되는 광의 산란은 더 강하게 된다. 역으로, 특정 축을 따른 부정합이 작을 때, 그 축을 따라 편광되는 광은 덜 산란되고, 본체의 체적을 통한 투과는 점점 더 경면 투과가 된다.

비복굴절성 재료의 굴절률이 일부 축을 따라 복굴절성 재료의 굴절률과 정합하면, 이러한 축에 평행한 전기장으로 편광된 입사광은 복굴절성 재료의 부분의 크기, 형상 및 밀도에 관계없이 산란되지 않으면서 섬유를 통과할 것이다. 추가적으로, 그 축을 따른 굴절률이 또한 편광기 본체의 중합체 매트릭스의 굴절률과 사실상 정합되면, 광은 사실상 산란되지 않으면서 본체를 통과한다. 두 굴절률들 사이의 실질적인 정합은 굴절률들 사이의 차이가 최대 0.05 미만, 바람직하게는 0.03, 0.02 또는 0.01 미만일 때 발생한다.

전방 및 후방으로의 산란의 강도는 치수가 대략 λ/30을 초과하는 주어진 단면 영역을 갖는 산란체(scatterer)에 대한 굴절률 부정합의 크기에 의해 적어도 부분적으로 결정되고, 여기서 λ는 편광기 내의 입사광의 파장이다. 부정합된 계면의 정확한 크기, 형상 및 정렬은 얼마나 많은 광이 그 계면으로부터 다양한 방향으로 산란 또는 반사되는지를 결정하는 데 역할을 한다.

편광기에서의 사용 이전에, 섬유는 횡단 신장 평면내 방향으로 신장시키고 다소의 치수 이완을 허용함으로써 처리될 수 있고, 그 결과 복굴절성 재료와 비복굴절성 재료 사이의 굴절률 차이는 제1 축을 따라 상대적으로 크고 다른 2개의 직교하는 축들을 따라서는 작다. 이는 상이한 편광의 전자기 방사선에 대해 큰 광학적 비등방성을 생성한다.

후방 산란에 대한 전방 산란의 비는 복굴절성 재료와 비복굴절성 재료 사이의 굴절률의 차이, 복굴절성 계면들의 밀집도, 복굴절성 계면의 크기 및 형상, 및 섬유의 전체 두께에 좌우된다. 일반적으로, 타원형 확산기가 복굴절성 재료와 비복굴절성 재료 사이에서 상대적으로 작은 굴절률 차이를 갖는다.

본 발명에 따른 섬유에 사용하기 위해 선택된 재료와 이들 재료의 배향 정도는 바람직하게는 완성된 섬유 내의 복굴절성 재료와 비복굴절성 재료가 관련 굴절률이 사실상 동일한 적어도 하나의 축을 갖도록 선택된다. 전형적이지만 필수적이지는 않게 배향 방향에 대해 횡방향인 축이 되는 축과 관련된 굴절률의 정합은 그 편광 평면 내에서의 광의 반사를 사실상 일으키지 않는다.

내부 복굴절성 계면을 가지고 본 발명의 몇몇 실시 형태에 사용하기에 적합한 편광 섬유에 대한 하나의 예시적인 실시 형태는 다층 편광 섬유이다. 다층 섬유는 적어도 하나가 복굴절성인 상이한 중합체 재료들의 다수의 층을 포함하는 섬유이다. 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 다층 섬유는 적어도 하나가 복굴절성인 제1 재료와 제2 재료의 일련의 교대하는 층들을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 제1 재료는 하나의 축을 따라 제2 재료와 대체로 동일한 굴절률과, 직교하는 축을 따라 제2 재료와 다른 굴절률을 갖는다. 추가 재료의 층들이 또한 다층 섬유에 사용될 수 있다.

다층 섬유의 한 가지 유형은 동심형 다층 섬유로 불린다. 동심형 다층 섬유에서, 층들은 섬유의 중심 코어를 완전히 둘러싸도록 형성될 수 있다. 동심형 다층 편광 섬유(500)의 하나의 예시적인 실시 형태의 단면이 도 5A에서 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 섬유(500)는 제1 재료(502)와 제2 재료(504)의 교대하는 층들을 포함한다. 제1 재료는 복굴절성이고 제2 재료는 복굴절성 또는 등방성일 수 있어서, 인접 층들 사이의 계면(506)은 복굴절성이다.

섬유(500)는 클래딩 층(508)에 의해 둘러싸일 수 있다. 클래딩 층(508)은 제1 재료, 제2 재료, 섬유가 매립된 중합체 매트릭스의 재료, 또는 몇몇 다른 재료로 제작될 수 있다. 클래딩은 전체 장치의 성능에 기능적으로 기여할 수 있거나, 이 클래딩은 어떠한 기능도 수행하지 않을 수 있다. 클래딩은 섬유와 매트릭스의 계면에서 광의 편광 소멸(depolarization)을 최소화하는 것과 같이 반사 편광기의 광학 특성을 기능적으로 개선할 수 있다. 선택적으로, 클래딩은 섬유와 연속상 재료 사이의 원하는 접착 수준을 제공하는 것과 같이 편광기를 기계적으로 향상시킬 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 클래딩(508)은 예를 들어 섬유(500)와 주위 중합체 매트릭스 사이에 약간의 굴절률 정합을 제공함으로써 반사 방지 기능을 제공하도록 사용될 수 있다.

섬유(500)는 섬유(500)의 원하는 광학적 특성에 따라 상이한 개수의 층 및 상이한 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유(500)는 관련 두께 범위에서 약 10개의 층 내지 수백 개의 층으로 형성될 수 있다. 섬유 폭의 값은 5 ㎛ 내지 약 5000 ㎛의 범위 내에 들 수 있지만, 섬유 폭은 또한 이러한 범위 밖에 있을 수도 있다. 몇몇 실시 형태에서, 층(502, 504)은 특정 파장 또는 파장 범위에 대해 1/4 파장 두께인 두께를 가질 수 있지만, 이는 본 발명에 있어서 필수 조건은 아니다. 1/4 파장 층들의 배열은 간섭성 산란 및/또는 반사를 제공하고, 따라서 큰 반사/산란 효과가 산란/반사가 비간섭인 경우보다 더 적은 층으로 얻어질 수 있다. 이는 편광기의 효율을 증가시키고, 원하는 편광 수준을 얻는 데 필요한 재료의 양을 감소시킨다. 층은 두께(t)가 파장의 1/4을 굴절률로 나눈 것과 동일한, 즉 t = λ/(4n)일 때, 1/4 파장 두께를 갖는다고 하고, 여기서 n은 굴절률이고 λ는 파장이다.

동심형 다층 섬유(500)는 다층 섬유 내로 재료의 다수의 층들을 공압출하며 이어서 복굴절성 재료를 배향시키고 복굴절성 계면을 생성하기 위해 후속 신장 단계를 수행함으로써 제조될 수 있다. 복굴절성 재료로서 사용될 수 있는 적합한 중합체 재료의 몇몇 예는 전술한 바와 같이 PET, PEN 및 이들의 다양한 공중합체를 포함한다. 비복굴절성 재료로서 사용될 수 있는 적합한 중합체 재료의 몇몇 예는 전술한 광학적으로 등방성인 재료를 포함한다. 일반적으로, 다층 섬유는 섬유 내에서 사용되는 중합체 재료들이 서로 습윤되고 양립 가능한 처리 온도를 가질 때 더 쉽게 제조된다는 것이 밝혀졌다.

상이한 유형의 단면을 갖는 다층 섬유들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 동심형 섬유들은 형상이 원형일 필요는 없고, 타원형 또는 직사각형 등과 같은 몇몇 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5B에서 단면도로 개략적으로 도시된 다층 섬유(510)의 다른 예시적인 실시 형태는 교대하는 제1 재료(512)와 제2 재료(514)의 동심형 층들로 형성될 수 있고, 여기서 제1 재료(512)는 복굴절성이고 제2 재료(514)는 등방성이거나 또는 복굴절성일 수 있다. 이러한 예시적인 실시 형태에서, 섬유(510)는 교대하는 층(512, 514)들 사이에서 섬유(520)의 길이를 따라 연장하는 동심형 복굴절성 계면(516)을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 섬유(510)는 비원형 대칭이고, 일 방향을 따라 연장된다. 도면의 좌표계를 사용하면, 섬유 단면은 y 방향으로 연장되고, 그러므로 y 방향으로의 치수(d_y)가 z 방향으로의 치수(d_z)보다 크다.

동심형 다층 섬유의 몇몇 실시 형태에서, 다수의 층들이 중심 섬유 코어 둘레에 제공될 수 있다. 이는 코어(526) 둘레에 교대하는 재료 층(522, 524)을 갖는 섬유(520)를 도시하는 도 5C에 개략적으로 도시되어 있다. 코어(526)는 층(522, 524) 중 어느 하나와 동일한 재료로 형성될 수 있거나, 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 코어(526)는 상이한 중합체 재료로 또는 유리와 같은 무기 재료로 형성될 수 있다.

다층 편광 섬유의 다른 예시적인 실시 형태는 2006년 3월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/278,348호에 더 상세하게 설명되어 있는 나선형 권취 섬유이다. 나선형 권취 섬유의 예시적인 실시 형태가 도 5D에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 섬유(530)는 자신 둘레에 권취되어 나선형을 형성하는 2층 시트(532)처럼 형성된다. 2층 시트는 복굴절성인 제1 중합체 재료의 층 및 등방성 또는 복굴절성일 수 있는 제2 재료의 제2 층을 포함한다. 복굴절성 중합체 재료(들)는 섬유가 형성되기 전 또는 후에 배향될 수 있다. 인접한 층들 사이의 계면(534)은 복굴절성 재료와 다른 재료 사이의 계면이므로 복굴절성 계면으로 간주된다. 나선형 권취 섬유는 여기서 동심형 다층 섬유로 간주된다. 나선형 권취 섬유는 여러 상이한 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 나선형 권취 섬유는 압출에 의해 또는 2개 이상의 층을 포함하는 시트를 말아서(rolling) 형성될 수 있다. 이들 방법은 미국 특허 출원 제11/278,348호에 더 상세하게 설명되어 있다.

다른 유형의 다층 섬유는 층들이 스택으로 형성되어 있는 스택형 다층 섬유이다. 스택형 다층 섬유(540)의 하나의 예시적인 실시 형태의 단면이 도 5E에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 제1 중합체 재료의 층(542)들이 제2 중합체 재료의 층(544)들 사이에 배치된다. 섬유(540)는 선택적인 커버 층(546)을 포함할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 층(542, 544)들은 평면형이다. 섬유 층(542, 544)은 평면형일 필요는 없으며 몇몇 다른 형상을 취할 수 있다.

몇몇 실시 형태에서, 다층 섬유 내의 층은 모두 동일한 두께를 가질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 다층 섬유 내의 층은 모두 동일한 두께는 아니다. 예를 들어, 편광기가 대략 400 ㎚ - 700 ㎚인 전체 가시 파장 범위에 걸쳐 광을 편광시키는 데 효과적인 것이 바람직할 수 있다. 그러므로, 편광기는 상이한 섬유들을 구비할 수 있는데, 여기서 각각의 섬유는 균일한 두께의 층들을 갖지만 몇몇 섬유들은 다른 섬유보다 더 두꺼운 층을 가지며, 그 결과 상이한 섬유들이 일부 파장을 편광시키는 데 다른 것보다 더 효과적이다. 넓은 대역폭 효과를 제공하기 위한 다른 접근법은 두께가 일정 범위에 걸쳐 변하는 층을 갖는 섬유를 제공하는 것이다. 예를 들어, 다층 섬유는 많은 층들을 구비할 수 있고, 여기서 층 두께는 섬유 내의 위치에 따라 변화한다. 그러한 섬유(550)의 하나의 예시적인 실시 형태가 도 5F에 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 층 두께(t)는 섬유의 바닥으로부터의 거리(s)에 따라 감소한다. 따라서, 섬유(550)의 바닥 쪽으로부터 층(554)보다 먼 층(552)이 층(554)보다 얇다.

상이한 두께의 층들을 갖는 섬유(560)의 다른 예시적인 실시 형태가 도 5G에서 단면도로 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 섬유(560)의 중심에 더 가까운 층(562)은 중심으로부터 더 먼 층(544)의 두께보다 큰 두께(t)를 갖는다. 환언하면, 이러한 특정 실시 형태에서, 층 두께(t)는 층의 반경(r)에 따라 감소한다.

다층 섬유(570)의 다른 실시 형태의 단면이 도 5H에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 섬유(570)의 코어(576)에 더 가까운 층(572)은 섬유(570)의 중심으로부터 더 먼 층(574)의 두께보다 작은 두께(t)를 갖는다. 환언하면, 이러한 특정 실시 형태에서, 층 두께(t)는 층의 반경(r)에 따라 증가한다.

섬유의 층 두께는 여러 방식으로 변할 수 있다. 예를 들어, 층 두께는 섬유의 내부로부터 외부로 일정한 구배로 점진적으로 증가 또는 감소할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 섬유는 층들의 그룹을 구비할 수 있고, 예를 들어 제1 그룹 내의 층들은 제1 두께를 갖고 제2 그룹 내의 층들은 제1 두께와 다른 제2 두께를 갖는 식이다. 다수의 상이한 층 두께 프로파일을 이제 도 6A 내지 도 6H를 참조하여 설명한다. 이들 도면은 섬유 원점으로부터의 거리(d)의 함수인 광학 두께(ot)의 함수로서 예시적인 층 두께 프로파일을 도시한다. 섬유 원점은 층까지의 거리가 측정되는 위치이다. 스택형 다층 필름의 경우에, 원점은 스택의 일 면으로 취해져서 거리(d)는 단순히 스택을 관통하는 거리가 된다. 동심형 섬유의 경우에, 원점은 섬유의 중심으로 취해진다. 동심형 섬유가 그 단면이 원형일 때, 거리(d)는 반경과 같다. 층의 물리적 두께와 굴절률의 곱인 광학 두께는 이러한 여러 실시 형태들 중 일부를 설명하는 데 유용한데, 이는 다층 섬유가 일 편광 상태에 대한 반사 효율을 최대화하기 위해 1/4 파장 층을 구비할 수 있기 때문이다. 따라서, 층의 광학 두께는 섬유의 반사 특징을 이해하는 데 유용한 파라미터이다. 여기에 도시된 층 두께 프로파일은 전체 섬유 또는 일부 섬유의 층 프로파일을 나타낼 수 있다.

도 6A 및 도 6B에서, 층들의 광학 두께는 섬유 원점으로부터의 거리에 따라 각각 선형적으로 증가 및 감소한다. 도 6C 및 도 6D에서, 층들의 광학 두께는 섬유 원점으로부터의 거리에 따라 각각 비선형적으로 증가 및 감소한다. 비선형 형상은 섬유에 대한 원하는 설계 파라미터에 따라 도시된 형상과 다를 수 있다.

도 6E에서, 층의 광학 두께는 섬유의 원점과 섬유 에지 사이의 중간 영역 어딘가에서 최소가 된다. 따라서, 이러한 실시 형태에서, 섬유 원점으로부터의 제1 거리와 관련된 예컨대 제1 중합체 재료의 층은 i) 제1 거리보다 작은 섬유 원점으로부터의 제2 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제2 층의 광학 두께보다 작은 광학 두께를 갖고, ii) 제1 거리보다 큰 섬유 원점으로부터의 제3 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제3 층의 광학 두께보다 작은 광학 두께를 갖는다.

도 6F에서, 층의 광학 두께는 섬유의 원점과 섬유 에지 사이의 중간 영역 어딘가에서 최대가 된다. 따라서, 이러한 실시 형태에서, 섬유 원점으로부터의 제1 거리와 관련된 제1 중합체 재료의 층은 i) 제1 거리보다 작은 섬유 원점으로부터의 제2 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제2 층의 광학 두께보다 큰 광학 두께를 갖고, ii) 제1 거리보다 큰 섬유 원점으로부터의 제3 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제3 층의 광학 두께보다 큰 광학 두께를 갖는다.

몇몇 실시 형태에서, 층들은 동일한 광학 두께의 다수의 층들이 함께 그룹화된 묶음(packet)으로 형성될 수 있다. 상이한 묶음들이 상이한 광학 두께와 관련될 수 있다. 다수의 층 묶음을 갖는 섬유의 일 예가 도 6G의 프로파일로 도시되어 있고, 여기서 이 묶음들은 묶음 위치가 섬유의 원점으로부터 외측으로 이동함에 따라 증가하는 광학 두께의 층들과 관련된다. 다른 예가 도 6H에 도시되어 있고, 여기서 섬유 원점으로부터 분리되어 증가하는 묶음의 경우 이 묶음들은 더 크고 더 작은 광학 두께의 층들과 번갈아가며 관련된다. 여기서 설명된 상이한 층 두께 프로파일들은 대표적인 것이며, 전체를 망라한 것으로 간주되지 않는다. 많은 다른 상이한 층 두께 프로파일들이 가능하다.

다층 편광 섬유의 에지에서의 광의 입사를 이제 편광기 필름(700)의 매트릭스(702) 내에 매립된 단일 동심형 다층 편광 섬유(704)를 개략적으로 도시하는 도 7A를 참조하여 설명한다. 본 설명은 단지 편광기(700)에 수직 입사하는 광을 고려한다. 여기서 설명되는 개념은 다른 각도로 편광기에 입사하는 광으로 확장될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 광선(706)이 섬유(704)의 층에 수직으로 입사하도록 섬유(704)의 중심을 향하게 된다. 따라서, 일 편광 상태의 광(708)은 제1 반사 스펙트럼으로 섬유(704)로부터 반사되고, 그 편광 상태의 광의 나머지는 투과된다. 그러나, 섬유(704)의 층에 대해 비수직 입사각으로 섬유(704)에 입사하는 광선(710)은 반사광(708)에 대한 제1 반사 스펙트럼과 다른 스펙트럼으로 섬유(704)로부터 반사되는 광(712)을 생성한다. 다층 구조의 반사 스펙트럼은 전형적으로 다층 구조로의 입사각이 증가됨에 따라 청색으로 편이(shift)된다. 따라서, 반사된 광(712)의 스펙트럼은 반사광(708)의 스펙트럼에 대해 청색 편이된다. 이는 편광기에 의해 투과 및 반사되는 광의 스펙트럼의 불균일성으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 다층 섬유가 수직 입사광에 대해 가시 영역, 즉 400 ㎚ - 700 ㎚에 걸친 반사를 위한 층을 갖는 경우에, 큰 각도로 입사하는 적색 광은 반사 스펙트럼의 청색 편이로 인해 청색 광보다 덜 영향을 받을 수 있다.

청색 편이의 효과를 감소시키기 위해 다양한 접근법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 접근법에서, 다층 섬유는 편광기에 입사하는 광의 범위보다 더 긴 파장을 갖는 광에 대한 1/4 파장 층인 층을 구비할 수 있다. 편광기가 디스플레이 시스템 내에 사용되고 있는 경우에, 관심있는 광의 파장 범위는 전형적으로 대략 400 ㎚ 내지 700 ㎚이다. 따라서, 다층 섬유(704)는 근적외선 범위 내의 일정 파장에서 700 ㎚보다 더 긴 파장, 예를 들어 최대 900 ㎚ 또는 그 초과의 파장에 대한 1/4 파장 층인 층들을 구비할 수 있다. 광이 예를 들어 200 ㎚ 미만으로 스펙트럼을 편이시키는 각도로 입사하면, 섬유는 큰 입사각에서도 적색 광을 편광시키는 데 여전히 효과적일 수 있다.

청색 편이의 효과를 감소시키기 위한 다른 접근법은 섬유 상으로의 입사각을 감소시키는 것이다. 이는 도 7B에서 편광기(720)에 대해 개략적으로 도시된 바와 같이 예를 들어 매트릭스(722)의 굴절률(n1)을 상이한 섬유 층(724)의 재료의 굴절률 미만의 값으로 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 매트릭스(722)의 상대적으로 낮은 굴절률 재료로부터 섬유(724)의 상대적으로 높은 굴절률의 재료 내로의 통과시, 입사광(726)은 섬유 층에 대한 법선을 향해 굴절되고, 따라서 광이 섬유의 다층 구조 내에서 진행하는 각도가 감소된다. 광선(728)은 섬유(724)를 통해 투과되는 광의 방향을 도시하고, 광선(730)은 섬유(724)에 의해 반사되는 광을 도시한다. 매트릭스(722)용으로 사용될 수 있는 저굴절률 중합체의 예는 PMMA(대체로 1.49의 굴절률); 굴절률이 대략 1.34인 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수 가능한 플루오르화 중합체인 THV; 약 1.47 내지 1.5의 범위 내의 굴절률을 전형적으로 갖는 저분자량 2작용성 우레탄 아크릴레이트; 및 대략 1.41의 굴절률을 가질 수 있는 몇몇 실리콘을 포함한다.

청색 편이의 효과를 감소시키기 위한 다른 접근법은 섬유에 저굴절률 코팅을 제공하는 것이다. 이러한 접근법은 매트릭스(802) 내에 매립된 다층 섬유(804)를 갖는 편광기(800)를 도시하는 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 섬유(804)는 섬유(804)에 사용되는 재료와 매트릭스(802)의 굴절률보다 낮은 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 코팅(806)을 구비한다. 코팅(806)은 이전 문단에서 열거된 저굴절률 재료 중 하나로부터 형성될 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 광(808)은 섬유(804)의 에지 영역을 향해 진행하는 방향으로 편광기(800)에 입사한다. 저굴절률 코팅(806)이 없으면, 광(808)은 수직하지 않은 입사각으로 에지에 가까운 섬유(804)를 가로지르게 될 것이다. 그러나, 광(808)은 저굴절률 코팅(806)과 매트릭스(802) 사이의 계면에 입사한다. i) 매트릭스(802)와 코팅(806) 사이의 굴절률 차이와 ii) 입사각이 충분히 큰 경우에, 광(808)은 내부 전반사될 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 내부 전반사된 광은 인접 섬유(804)를 향하게 되고, 여기서 광은 두 번째로 내부 전반사된다. 내부 전반사의 각도 및 다른 섬유들의 위치에 따라, 내부 전반사된 광은 다른 섬유에서 반사되거나 다른 섬유를 통해 투과될 수 있다.

청색 편이 효과를 감소시키기 위한 다른 접근법은 층 두께의 구배에 대한 적절한 방향을 설정하는 것이다. 도 9 내지 도 11에 관련하여, 이러한 접근법을 추가로 설명한다. 동심형 다층 편광 섬유에 의한 광의 산란(반사)을 조사하기 위해 전파 수치 모델(full-wave numerical model)이 개발되었다. 이 모델은 도 9에 도시되어 있다. 섬유(900)는 10 ㎛의 코어를 갖는 것으로 가정되었고, 일 재료의 50개의 1/4 파장 층들이 다른 하나의 재료의 50개의 1/4 파장 층들과 합쳐 섞이도록(interlaced) 형성되었다. 재료 층들의 광학 두께는 500 ㎚ 내지 600 ㎚ 범위의 파장에 대한 1/4 파장 층으로서 선형적으로 분포하였다. 광은 도시된 방향으로 입사하였고, 반사 및 투과에 대한 산란 단면은 300 ㎚ 내지 800 ㎚의 파장 범위에 걸쳐 전체 섬유 폭에 대해 계산되었다. 산란 단면은 통과 및 차단 편광 상태인 양 편광 상태의 광에 대해 계산되었다. 도 10A 및 도 10B는 더 두꺼운 층들이 코어에 더 가까이 그리고 더 얇은 층들이 섬유의 외측에 더 가까이 배열된 층들을 갖는 섬유에 대해 계산된 결과를 제시한다. 곡선(1002)은 섬유에 대한 통과 상태에서 편광된 광에 대한 투과를 나타낸다. 섬유를 통한 투과는 전체 스펙트럼에 걸쳐 비교적 편평하다. 곡선(1004)은 섬유의 차단 상태에서 편광된 광에 대한 섬유를 통한 투과를 나타낸다. 이 곡선은 섬유를 통한 투과가 약 400 ㎚ 미만 및 약 650 ㎚ 초과의 파장에 대해서는 상대적으로 높고, 약 400 ㎚ 내지 650 ㎚의 파장에 대해서는 상당히 감소된다는 것을 나타낸다. 이러한 거동은 예상되는데, 그 이유는 다층 스택이 500 내지 600 ㎚ 범위의 파장에 대한 1/4 파장 스택이고 섬유의 효과가 이러한 범위 밖에서는 상대적으로 나쁘기 때문이다.

도 10B의 곡선(1012)은 섬유에 대한 통과 상태에서 편광된 광에 대한 반사를 나타낸다. 반사는 도 10A에 도시된 높은 투과율을 고려하면 예상되는 바와 같이 전체 스펙트럼에 걸쳐 낮다. 곡선(1014)은 섬유의 차단 상태에서 편광된 광에 대한 섬유에 의한 반사를 나타낸다. 이 곡선은 사실상 곡선(1004)의 반대(complement)이다. 이들 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 층 두께가 500 ㎚ 내지 600 ㎚에서 1/4 파장으로부터 균일하게 변화하더라도, 반사율은 500 ㎚ 약간 아래의 파장에서 최대이고, 반사율은 500 ㎚ 내지 600 ㎚에서 단조 감소한다. 이는 수직하지 않은 각도로 섬유에 입사하는 광에 대한 반사율 스펙트럼의 청색 편이의 결과이다.

섬유의 거동은 층 두께의 구배가 역전될 때 상이하고, 더 얇은 층들이 섬유 코어에 더 가깝고 더 두꺼운 층들이 섬유의 외측에 더 가깝다. 도 11A의 곡선(1102)은 섬유에 대한 통과 상태에서 편광된 광에 대한 투과를 나타내고, 곡선(1104)은 섬유의 차단 상태에서 편광된 광에 대한 섬유를 통한 투과를 나타낸다. 도 11B의 곡선(1112)은 섬유에 대한 통과 상태에서 편광된 광에 대한 반사를 나타낸다. 곡선(1114)은 섬유의 차단 상태에서 편광된 광에 대한 섬유에 의한 반사를 나타낸다. 곡선(1114)은 사실상 곡선(1104)의 반대이다. 섬유 코어를 향할수록 더 얇은 층들을 갖는 섬유의 반사율은 더 두꺼운 층들이 섬유 코어를 향할 때보다 500 내지 600 ㎚ 범위에 걸쳐 상당히 더 균일하고, 이는 편광기 내의 편광 특징을 개선한다. 이러한 개선은 반사 스펙트럼에 대한 입사각의 더 적절한 정합으로부터 발생한다고 믿어진다. 섬유 에지에서의 층들은 반사 대역에 대한 의도된 설계 파장에 대해 더 적절히 중심이 맞춰진 높은 각도의 반사 스펙트럼을 갖고, 섬유 코어에서의 층들은 의도된 설계 파장에 대해 유사하게 더 적절히 중심이 맞춰진 수직 반사 스펙트럼을 갖는다.

섬유에 대해 평행하게 편광된 전방 산란 광에 대한 섬유에 대해 수직하게 편광된 전방 산란 광의 비는 투과 편광 함수(TPF)로 불린다. 섬유에 대해 수직하게 편광된 후방 산란 광에 대한 섬유에 대해 평행하게 편광된 후방 산란 광의 비는 반사 편광 함수(RPF)로 불린다. 도 12A는 섬유 층의 두께가 반경이 증가함에 따라 감소하는 경우에 대해 파장의 함수로서 TPF(곡선 1202) 및 RPF(곡선 1204)의 값을 도시한다. 도 12B는 섬유 층의 두께가 반경이 증가함에 따라 증가하는 경우에 대해 파장의 함수로서 TPF(곡선 1212) 및 RPF(곡선 1214)의 값을 도시한다. RPF 곡선(1202)은 500 ㎚ 내지 600 ㎚에서 도 10B의 반사 스펙트럼과 동일한 경사 거동을 도시하고, RPF 곡선(1212)은 동일한 범위에 걸친 도 11B의 반사 스펙트럼과 동일한 사실상 균일한 거동을 도시한다. 따라서, 단계적인 층 두께를 갖는 다층 섬유의 편광 특성은 층 두께가 반경에 따라 증가할 때 더 균일하다.

편광기의 특성에 대한 청색 편이의 효과를 감소시키기 위한 다른 접근법은 섬유가 큰 입사각에 있는 입사광에 대해 더 적은 단면적을 제공하고, 섬유가 낮은 입사각에 있는 경우 더 많은 단면적을 제공하는 섬유를 사용하는 것이다. 이를 달성하기 위한 한 가지 방법은 예를 들어 도 5B 및 도 5C에 도시된 바와 같이, 단면이 다른 방향에 대해 일 방향에서 연장된 섬유를 사용하는 것이다. 그러한 편광기(1300)의 일 예가 도 13에 개략적으로 도시되어 있다. 섬유(1304)는 매트릭스(1302) 내에 매립된다. 섬유(1304)는 편광기(1300)의 표면에 대해 평행한 방향으로 연장된다. 이러한 구성은 예를 들어 원형 단면을 갖는 섬유보다, 낮은 입사각에 있는 입사광에 대해 더 많은 섬유 표면적을 제공한다.

실시예 - 단일 섬유

다층 동심형 편광 섬유를 다음의 공정을 사용하여 제조하였다. X 중합체 및 Y 중합체의 다수의 교대하는 동심형 링으로 구성된 필라멘트를 각각이 두께가 125 ㎛ (0.005")인 952개의 심(shim)으로 구성된 다이를 사용함으로써 제조하였다. 2개의 심을 사용하여 링을 제조하였고, 따라서 이러한 952개 심 다이는 476개의 링으로 구성된 필라멘트를 제조하도록 설계되었다. 이들 링 중 절반을 X 중합체로부터 만들었고, 절반을 Y 중합체로부터 만들었다. 이 다이는 2개의 입구 포트를 가졌는데, 즉 하나는 용융된 X 중합체를 위한 것이고 다른 하나는 용융된 Y 중합체를 위한 것이다.

X 중합체는 쓰리엠 컴퍼니로부터 입수 가능한 LMPEN, 즉 90％ PEN/10％ PET로부터 만들어진 공중합체이었다. Y 중합체는 하기의 사실상 등방성인 재료 중 하나였다.

i) 미국 테네시주 킹스포트 소재의 이스트만 케미컬 컴퍼니로부터의 이스타 6763 PETG;

ii) 이스트만 케미컬 컴퍼니로부터의 SA115 PC/PCT-G 블렌드;

iii) 미국 매사추세츠주 피츠필드 소재의 지.이. 플라스틱스(G.E. Plastics)로부터의 자일렉스(Xylex) 7200 PC/PCCT-G 블렌드; 및

iv) 캐나다 앨버타주 캘거리 소재의 노바 케미컬즈 코포레이션(Nova Chemicals Corporation)으로부터의 NAS 30 PS/PMMA 블렌드.

형성된 층의 개수는 다이 내의 심의 개수를 변경함으로써 그리고 유량 및 온도와 같은 공정 조건을 변경함으로써 제어될 수 있다. 스택 내의 심의 설계는 섬유 링의 두께 프로파일을 조정하기 위해 변경될 수 있다. 방사구 팩 내의 심은 레이저 절삭을 사용하여 형성하였다. 섬유 다이는 특정 성형 및 신장 공정 후에 광대역 가시광 브래그(Bragg) 간섭 반사로 이어질 수 있는 층 두께 구배 및 층 두께 비를 제공하도록 특별히 설계하였다.

2가지 중합체의 고화된 펠릿(pellet)을 2개의 2축 압출기 중 하나로 분리 공급하였다. 이들 압출기는 260℃ 내지 300℃ 범위의 온도 및 40 내지 70 rpm 범위의 스크루 속도로 작동하였다. 전형적인 압출 압력은 약 2.1 × 10⁶ ㎩ 내지 약 2.1 × 10⁷ ㎩의 범위였다. 각각의 압출기는 용융된 중합체의 정확한 양을 필라멘트 방사 다이로 공급하는 계량 기어 펌프(metering gear pump)를 구비하였다. 각각의 계량 기어 펌프의 크기는 회전당 0.16 cc이었고, 이러한 기어 펌프는 대체로 10 내지 80 rpm 범위의 동일한 속도로 작동하였다. 용융된 중합체를 가열된 스테인리스 강 네크 튜브(neck tube)를 사용하여 계량 펌프로부터 다이로 전달하였다.

용융된 중합체 스트림은 다이로 진입하여 심을 통해 유동하였다. 제1 심 쌍은 필라멘트의 코어를 생성하였고, 제2 심 쌍은 코어 둘레의 제1 링을 형성하였고, 제3 심 쌍은 제1 링의 외측에 제2 링을 형성하였고, 이는 최대 476개의 링이 형성될 때까지 계속되었다. 이어서, 용융된 다중 링 필라멘트는 다이를 빠져 나와 물 탱크 내에서 급랭되었다. 필라멘트는 당김 롤(pull roll)을 사용하여 물 속으로 연신되었다. 필라멘트는 당김 롤을 빠져 나가, 레벨 와인더(level winder)를 사용하여 코어 상으로 권취되었다. 계량 펌프 속도 및 권취 속도의 조합이 필라멘트의 직경을 제어한다. 이러한 공정에 대한 전형적인 속도는 약 0.5 ms^-1 내지 4 ms^-1범위였다.

압출 후에, 다층 섬유를 신장 및 배향시켜 복굴절성 및 반사 편광 특성을 나타내도록 하였고 층 두께를 적절한 크기(대략 가시광에 대한 1/4 파장 광학 두께)로 감소시켰다.

이러한 단계에서, 필라멘트를 풀어서 당김 롤 스테이션으로, 이어서 가열된 외팔보형 플래튼(platen) 상으로, 그리고 이어서 다른 당김 롤 스테이션으로, 마지막으로 와인더로 공급하였다. 플래튼 온도는 대체로 120℃ 내지 182℃의 범위였다. 제2 당김 롤 스테이션은 대체로 제1 당김 롤 스테이션의 속도의 약 6 내지 8배로 작동하였고, 필라멘트가 플래튼 상에서 가열될 때 이를 신장시켰다. 제1 당김 롤 스테이션의 전형적인 속도는 약 0.2 ms^-1였고, 제2 당김 롤 스테이션은 1.2 ms^-1 내지 1.6 ms^-1의 범위였다. 와인더는 제2 당김 롤 스테이션과 동일한 속도로 작동하였다.

방금 설명된 기술을 사용하여 제작된 섬유의 부분 단면도가 도 14에 도시되어 있다. 섬유는 광대역 편광 간섭성 반사를 생성하는 설계된 층 두께 프로파일 및 구배를 갖는 약 400개의 교대하는 재료의 층을 가졌다. 이 섬유는 자일렉스를 중합체 Y로 사용하였다. 매우 우수한 단범위 규칙(short-range order) 및 균일성이 간섭성 반사를 실현하는 데 있어서 중요하고, 이는 광의 섬유 재료와의 상호 작용 길이를 감소시켜서 광 흡수에 대한 기회를 최소화하고 그 결과 효율을 최대화한다.

하나의 연신된 섬유의 편광 선택성을 측정하기 위한 기술이 개발되었다. (광학 축으로부터 7°원추 미만의) 레이저로부터의 전방 및 후방 산란 광을 섬유에 대해 평행하게 편광된 광 및 섬유에 대해 수직하게 편광된 광에 대해 측정하였다. 다층 편광 섬유에 대한 TPF 및 RPF의 값은 543.5 ㎚에서 각각 2.3 및 5.6으로 측정되었다. 등방성 섬유의 RPF 및 TPF는 1 내지 2이다. 이는 단일 섬유로부터의 확실한 편광 선택적 반사 및 산란을 설명한다.

실시예 - 나섬유 어레이

상기 방법을 사용하여 만들어진 나섬유의 어레이를 넓은 파장 대역에 걸쳐 분석하여 연신된 섬유의 광학 특성을 기술하였다. 투과 또는 반사된 광의 사실상 전부를 포획하기 위해 적분구(integrating sphere)를 사용하여, 공기 중에 있는 섬유 어레이를 퍼킨엘머(PerkinElmer) UV-Vis 분광광도계에서 광대역 편광 투과 및 반사에 대해 분석하였다. 일련의 섬유로부터의 결과를 도 15 및 도 16에 도시하였다. 이들 도면은 연신된 섬유의 편광 선택적 반사를 설명할 뿐만 아니라, 섬유 층 두께를 변화시킴으로써 차단 상태 편광의 반사 대역을 편이시키는 능력도 설명한다. 증가하는 섬유 층 두께와 (통과축 편광의 상대적으로 불변인 반사와 조합된) 증가하는 반사 파장 사이의 대응 관계(correspondence)는 다층 섬유 구조로부터의 코히어런트 간섭 기반 반사(coherent interference-based reflection)를 명확하게 나타내는 것이다.

또한, 이러한 결과는 섬유가 봉지되지 않은 상태에서도 사용되어 반사 편광기를 생성할 수 있다는 것을 보여 준다. 따라서, 섬유들의 어레이 또는 천(fabric)은 봉지 수지 매트릭스를 사용하지 않고도 반사 편광 용품으로 제조될 수 있다. 이러한 섬유 천 또는 어레이는 몇몇 경우에 섬유 표면에서의 브루스터각 효과(Brewster's angle effect)로 인해 통과 상태에 대한 높은 투과와 함께 통과 상태 편광 시에 광에 대한 약간의 확산을 제공하는 점에서 몇몇 이점을 가질 수 있다. 섬유가 봉지되는지의 여부에 관계없이, 섬유는 바스켓(basket), 사직물(leno), 능직물(twill) 등과 같은 다양한 직물 내에서 폭방향(cross direction)으로 직조된 등방성 섬유와 조합될 수 있다.

모든 섬유에 대해 아주 유사한 공정 조건을 사용하지만 섬유 층 두께를 변화시키기 위해 압출 성형 단계 중에 와인더 속도를 다르게 하여, LMPEN 및 PETG 재료로부터 연신된 섬유들의 어레이에 대한 반사율과 투과율을 도 15와 도 16에 각각 도시한다. 각각의 섬유는 균일한 광학 두께의 다수의 층을 가졌다. 더 두꺼운 섬유는 더 두꺼운 층과 더 긴 파장으로의 반사 및 투과 대역의 대응하는 편이를 가졌고, 이는 편광 선택성 뿐만 아니라 코히어런트 간섭 기반 반사를 명확하게 보여 준다. 통과 상태 스펙트럼은 모두 사실상 불변이었고 그래프로부터 생략되었다.

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 변형, 동등한 공정뿐만 아니라, 다수의 구조는 본 발명과 관계된 분야의 숙련자에게 쉽게 명확해질 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims

적어도 제1 및 제2 중합체 재료의 층들을 포함하는 제1 다층 섬유를 포함하고, 제1 중합체 재료의 층들은 제2 중합체 재료의 층들 사이에 배치되고, 제1 및 제2 중합체 재료들 중 적어도 하나는 복굴절성이고,

제1 중합체 재료의 적어도 제1 층은 제1 중합체 재료의 제2 층과 다른 제1 두께를 갖는 광학체.
제1항에 있어서, 층들은 스택 및 동심형 배열 중 하나인 광학체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들은 각각의 광학 층 두께의 구배로 배열되고, 층 두께는 섬유의 원점으로부터 더 이격되는 층에 대해 증가하는 광학체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들은 각각의 광학 층 두께의 구배로 배열되고, 층 두께는 섬유의 원점으로부터 더 이격되는 층에 대해 감소하는 광학체.
제4항에 있어서, 상기 구배는 선형인 광학체.
제4항에 있어서, 상기 구배는 비선형인 광학체.
제1항에 있어서, 섬유 원점으로부터의 제1 거리와 관련된 제1 중합체 재료의 적어도 제1 층은 i) 제1 거리 반경보다 작은 섬유 원점으로부터의 제2 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제2 층의 광학 두께보다 큰 광학 두께를 갖고, ii) 제1 거리보다 큰 섬유 원점으로부터의 제3 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제3 층의 광학 두께보다 큰 광학 두께를 갖는 광학체.
제1항에 있어서, 섬유 원점으로부터의 제1 거리와 관련된 제1 중합체 재료의 적어도 제1 층은 i) 제1 거리보다 작은 섬유 원점으로부터의 제2 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제2 층의 광학 두께보다 작은 광학 두께를 갖고, ii) 제1 거리보다 큰 섬유 원점으로부터의 제3 거리를 갖는 제1 중합체 재료의 제3 층의 광학 두께보다 작은 광학 두께를 갖는 광학체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들은 사실상 동일한 광학 두께의 묶음으로 배열되고, 각각의 묶음은 섬유 원점으로부터의 각각의 거리 범위와 관련되는 광학체.
제9항에 있어서, 층들의 각각의 묶음과 관련된 광학 두께는 섬유 원점으로부터의 거리에 따라 대체로 선형적으로 변화하는 광학체.
제9항에 있어서, 층들의 각각의 묶음과 관련된 광학 두께는 섬유 원점으로부터의 거리가 증가함에 따라 번갈아가며 증가 및 감소하는 광학체.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 층들 중 적어도 일부는 대략 400 ㎚ 내지 700 ㎚의 파장 범위의 광에 대해 1/4 파장 두께에 대응하는 두께를 갖는 광학체.
제12항에 있어서, 중합체 층들 중 적어도 일부는 700 ㎚보다 더 긴 파장을 갖는 광에 대해 1/4 파장 두께에 대응하는 두께를 갖는 광학체.
제1항에 있어서, 제1 다층 섬유를 둘러싸는 코팅 층을 추가로 포함하는 광학체.
제14항에 있어서, 코팅 층은 제1 및 제2 중합체 재료들 중 하나의 재료의 층을 포함하는 광학체.
제14항에 있어서, 코팅 층은 제1 및 제2 중합체 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제3 중합체 재료의 층을 포함하는 광학체.
제1항에 있어서, 제1 다층 섬유가 내부에 매립되는 중합체 매트릭스를 추가로 포함하고, 상기 중합체 매트릭스 내에 매립된 적어도 제2 및 제3 다층 섬유를 추가로 포함하는 광학체.
적어도 제1 및 제2 중합체 재료의 층들을 포함하는 제1 다층 섬유를 포함하고, 제1 중합체 재료의 층들은 제2 중합체 재료의 층들 사이에 배치되고, 제1 및 제2 중합체 재료들 중 적어도 하나는 복굴절성이고, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들 중 적어도 일부는 700 ㎚ 초과의 파장을 갖는 광에 대해 1/4 파장 두께로 선택된 두께를 갖는 광학체.
제18항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 제2 세트의 층은 약 400 ㎚ 내지 700 ㎚의 파장 범위의 광의 1/4 파장 두께로 선택된 두께를 갖고, 제2 세트의 층은 제1 세트의 층보다 제1 다층 섬유의 중심에 가까이 위치된 광학체.
제18항에 있어서, 층들은 스택 및 동심형 배열 중 하나인 광학체.
제18항에 있어서, 제1 다층 섬유를 둘러싸는 코팅 층을 추가로 포함하는 광학체.
제21항에 있어서, 코팅 층은 제1 및 제2 중합체 재료들 중 하나의 재료의 층 을 포함하는 광학체.
제21항에 있어서, 코팅 층은 제1 및 제2 중합체 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 제3 중합체 재료의 층을 포함하는 광학체.
제18항에 있어서, 제1 다층 섬유가 내부에 매립되는 중합체 매트릭스를 추가로 포함하고, 상기 중합체 매트릭스 내에 매립된 적어도 제2 및 제3 다층 섬유를 추가로 포함하는 광학체.
제18항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들은 각각의 광학 층 두께의 구배로 배열되고, 층 두께는 섬유의 원점으로부터 더 이격되는 층에 대해 증가하는 광학체.
제18항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들은 각각의 광학 층 두께의 구배로 배열되고, 층 두께는 섬유의 원점으로부터 더 이격되는 층에 대해 감소하는 광학체.
제18항에 있어서, 제1 및 제2 중합체 재료의 층들은 사실상 동일한 광학 두께의 묶음으로 배열되고, 각각의 묶음은 섬유 원점으로부터의 각각의 거리 범위와 관련되는 광학체.
제27항에 있어서, 층들의 각각의 묶음과 관련된 광학 두께는 섬유 원점으로부터의 거리에 따라 대체로 선형적으로 변화하는 광학체.
제27항에 있어서, 층들의 각각의 묶음과 관련된 광학 두께는 섬유 원점으로부터의 거리가 증가함에 따라 번갈아가며 증가 및 감소하는 광학체.