KR20120089733A - 고 비축 반사율을 갖는 침지형 반사 편광기 - Google Patents

고 비축 반사율을 갖는 침지형 반사 편광기 Download PDF

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KR20120089733A
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Abstract

필름 구조체(320)는 초저 굴절률 매체(322, 324)에 침지될 수 있는 광대역 반사 편광 필름(312)을 포함한다. 반사 편광 필름은 통과축 및 차단축에 의해 특성화되고, 통과 상태 편광의 백색 광에 대한 그의 반사율은 입사각이 증가함에 따라 증가하여 하나 또는 2개의 평면에 압축되거나 좁아진 시야 원추를 제공한다.

Description

고 비축 반사율을 갖는 침지형 반사 편광기{IMMERSED REFLECTIVE POLARIZER WITH HIGH OFF-AXIS REFLECTIVITY}
본 발명은 일반적으로 반사 및 투과 특성이 필름 내 미세층(microlayer)들 사이의 계면으로부터 반사되는 광의 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의해 대부분 결정되는 광학 필름에 관한 것으로, 특정 응용으로는 그러한 필름과 다른 구성요소, 예를 들어 디스플레이 시스템에 사용하기에 적합한 구성요소의 조합에 관한 것이다. 본 발명은 또한 관련 물품, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
평면내 차단축(block axis)을 따른 인접한 미세층들 사이에 실질적인 굴절률 부정합을, 그리고 평면내 통과축(pass axis)을 따른 인접한 미세층들 사이에 실질적인 굴절률 정합을 제공하도록 평면내 굴절률이 선택되는 복수의 미세층으로 구성되며, 충분한 수의 층들이 차단축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 고 반사율을 보장하는 동시에 통과축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 저 반사율 및 고 투과율을 유지하는 반사 편광기가 오랫동안 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허 제3,610,729호(로저스(Rogers)), 제4,446,305호(로저스 등), 및 제5,486,949호(슈렝크(Schrenk) 등)를 참조한다.
보다 최근에, 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)의 연구원은 필름에 수직한 방향, 즉 z-축을 따르는 그러한 필름의 층간(layer-to-layer) 굴절률 특성의 중요성을 지적하고, 어떻게 이러한 특성이 경사진 입사각에서 필름의 반사율 및 투과율에 있어서 중요한 역할을 하는지를 보여주었다. 예를 들어, 미국 특허 제5,882,774호(존자(Jonza) 등)를 참조한다. 존자 등은, 특히, 인접한 미세층들 사이의 굴절률의 z-축 부정합, 더 간단히 말해 z-굴절률 부정합 또는 Δnz가 브루스터 각(Brewster angle) - 계면에서 p-편광된 광의 반사율이 0이 되는 각도 - 이 매우 크거나 존재하지 않는 다층 스택의 구성을 허용하도록 조정될 수 있는 방법을 교시한다. 이것은 다음에는 p-편광된 광에 대한 계면 반사율이 입사각이 증가함에 따라 천천히 감소하거나, 입사각과 독립적이거나, 입사각이 법선 방향으로부터 멀어짐에 따라 증가하는 다층 미러 및 편광기의 구성을 허용한다. 그 결과, 광대역폭에 걸쳐, 미러의 경우 임의의 입사 방향에 대해 그리고 편광기의 경우 선택된 방향에 대해 s-편광된 광과 p-편광된 광 둘 모두에 대해 고 반사율을 갖는 다층 필름이 성취될 수 있다.
수직 입사광에 대해 반사 편광기와 유사한 특성을, 그리고 경사 입사광에 대해 고 반사율 미러와 유사한 특성을 나타낼 수 있는 광학 필름을 개발하고 있다. 이들 특성은 광대역 광, 예를 들어 가시 스펙트럼에 걸치는 가시광에 대해 제공될 수 있다. 또한, 필름은 바람직하게는 필름이 공기 갭(air gap) 없이 다른 광학 구성요소 또는 구성요소들에 결합되는 라미네이팅된 구조체에 사용되는 경우에도 이들 특성을 나타내어서, 필름이 굴절률이 1 초과인 재료에 "침지"되고(immersed) 광이 초임계 각도, 즉 공기에 대한 임계 각도보다 더 경사진 각도에서 필름을 통해 전파될 수 있게 한다. 그러한 구조체의 하나의 구성요소는 바람직하게는 광학적으로 두꺼운 "초저 굴절률"(ultra low index, ULI) 층이다. ULI 층은 가시 파장에 걸쳐 예를 들어 1.1 내지 1.3, 또는 1.15 내지 1.25 범위 내의 굴절률을 가질 수 있다. 구조체는 다른 광학 구성요소, 예를 들어 확산기, 도광체(light guide), 및/또는 디스플레이 패널, 또는 이들의 요소를 포함할 수 있다.
그러한 광학 필름 및 라미네이팅된 구조체는, 원하는 경우, 넓은 영역에 걸쳐, 축방향 또는 근-축방향(near-axial direction)으로 진행하고 통과 상태(pass state) 편광을 갖는 광대역 광을 선택적으로 투과시키는 동시에, 크게 경사진 각도로 진행하는 통과 상태의 광대역 광을 실질적으로 반사하고, 임의의 각도로 진행하는 차단 상태(block state) 편광을 갖는 광대역 광을 반사하기 위해 디스플레이에 사용될 수 있다. 통과 상태의 투과된 광을 축방향 또는 근-축방향에 대응하는 전파 각도들의 비교적 좁은 또는 압축된 원추로 구속하는 것은 유리하게도, 특히 필름 또는 라미네이트가 재순환 공동(cavity) 또는 시스템에 사용되어서 통과 상태이든지 차단 상태이든지 간에 반사된 광의 적어도 일부가 다른 구성요소에 의해 반사되고 통과 상태의 축방향 또는 근-축방향 광으로 변환될 수 있게 하는 경우에, 디스플레이의 축방향 휘도 및 콘트라스트 비(contrast ratio)를 향상시키는 데 사용될 수 있다.
하나 이상의 광학 필름과 다른 디스플레이 구성요소를 라미네이팅된 구조체로 조합하는 것은 여러 면에서 디스플레이 제조업자 및 공급업자에게 유리할 수 있는데, 예를 들어 제조 공정을 가속화 및 단순화하고, 재고를 감소시키며, 가격을 감소시킨다. 그러나, 광학 필름의 주 표면(major surface)과 수직 접촉하는 공기 층을 제거하고, 이 공기 층을 광학 필름이 "침지"되는 다른 광학 매체로 교체하는 것은 설계상의 문제를 야기할 수 있다. 스넬의 법칙(Snell's law)은 더 이상 작용하지 않아 초임계 각도에서 필름을 통한 광의 전파를 방지한다. 초저 굴절률(ULI) 코팅 또는 다른 광학적으로 두꺼운 층이 공기 갭에 가까울 수 있지만, 그러한 층은 여전히 효과적으로 광이 초임계 각도의 범위에서 전파되게 한다.
따라서, 본 출원은, 특히, 복수의 미세층 및 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층을 포함하는 필름 구조체를 개시한다. 복수의 미세층은 가시 파장을 포함한 광범위한 파장 영역에 걸쳐 각도 및 편광의 함수로서 광을 선택적으로 투과시키고 반사하도록 구성될 수 있으며, 미세층들은 제1 편광의 수직 입사 가시광에 대한 통과축 및 제2 편광의 수직 입사 가시광에 대한 차단축을 형성한다. 미세층들은 또한 바람직하게는 제1 편광의 가시광을 압축된 시야 원추(viewing cone)로 투과시키기 위해 경사진 각도에서 증가된 반사율에 의해 특성화된다. 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층은 바람직하게는 초저 굴절률, 예를 들어 1.1 내지 1.3, 또는 1.15 내지 1.25를 가지며, (예를 들어, 저 굴절률 층이 미세층과 크게 경사진 광의 광원 사이에 배치되는 경우) 미세층에서의 크게 경사진 광의 전파를 제한하거나, (예를 들어, 미세층이 저 굴절률 층과 크게 경사진 광의 광원 사이에 배치되는 경우) 그러한 크게 경사진 전파 광을 다시 미세층을 향해 방향전환시키는 방식으로 미세층에 결합된다.
본 출원은 또한 다층 광학 필름, 및 다층 광학 필름에 부착된 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층을 포함하는 필름 구조체를 개시한다. 광학 필름은 바람직하게는 수직 입사의 가시광에 대해 실질적으로 반사 편광기로서 작동하고, 경사진 각도의 가시광에 대해 실질적으로 미러로서 작동하도록 구성된다. 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층은 바람직하게는, 예를 들어 가시 파장에 대한, 초저 굴절률, 예를 들어 1.1 내지 1.3, 또는 1.15 내지 1.25 범위 내의 굴절률에 의해 특성화된다.
관련 방법, 시스템, 및 물품이 또한 논의된다.
본 출원의 이들 태양 및 다른 태양이 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기 개요는 청구된 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 그 요지는 절차의 수행 동안에 보정될 수 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
<도 1>
도 1은 디스플레이 시스템의 개략 측면도.
<도 2>
도 2는 본 명세서에 개시된 바와 같은 라미네이트 및/또는 필름의 부가에 의해 변경된 도 1의 시스템의 개략 측면도.
<도 3a 내지 도 3c>
도 3a 내지 도 3c는 다른 층들이 적용되는 단순화된 층상(layered) 필름의 일련의 개략 측면도로서, 필름을 주어진 광학 매체에 침지하는 개념을 설명함.
<도 4>
도 4는 주어진 층에서의 광 전파의 각도 범위 또는 원추의 사시도로서, 층이 공기 이외의 매체에 침지된 경우의 원추의 확장을 도시함.
<도 5>
도 5는 다층 광학 필름의 일부분의 개략 사시도.
<도 6>
도 6은 반사 편광 필름의 개략 사시도.
<도 7a>
도 7a는 극각 θ 및 방위각 φ에 의해 특성화된 방향 반구(direction hemisphere)의 사시도로서, 여기서 반구 상의 임의의 지점은 필름 내에서의 광 전파의 방향을 나타냄.
<도 7b>
도 7b는 도 7a의 방향 반구의 사시도로서, 통과 상태 편광을 갖는 광에 대한, 본 명세서에 개시된 바와 같은 2-축 시준 다층 반사 편광 필름의 투과 특성을 단순화된 방식으로 도시함.
<도 7c>
도 7c는 도 7b의 도면과 유사한 사시도이지만, 통과 상태 편광을 갖는 광에 대한, 1-축 시준 다층 반사 편광 필름의 투과 특성을 단순화된 방식으로 도시함.
<도 8a>
도 8a는 초저 굴절률 매체에서의 입사각의 함수로서의, 초저 굴절률 매체에 침지된 다층 반사 편광 필름에 대한 계산된 내부 반사율의 그래프.
<도 8b>
도 8b는 차단 상태 편광된 광과 통과 상태 편광된 광 둘 모두에 대한, 그리고 각각의 경우에서 s-편광 성분과 p-편광 성분 둘 모두에 대한 초저 굴절률 매체에서의 입사각의 함수로서의, 도 8a의 필름에 대한 우측 밴드 에지의 계산된 파장의 그래프.
<도 9>
도 9는 소정의 다층 광학 필름에 대한 2개의 직교 방향을 따른 층간 굴절률 차이의 그래프.
<도 10 및 도 11>
도 10 및 도 11은 초저 굴절률 매체에서의 입사각의 함수로서의, 그러한 매체에 침지된 추가의 다층 반사 편광 필름에 대한 계산된 내부 반사율의 그래프.
<도 12 및 도 13>
도 12 및 도 13은 본 명세서에 개시된 바와 같은 다층 반사 편광 필름 및 적어도 하나의 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률 층을 포함하는 라미네이트 구조체의 개략 측면도.
<도 14>
도 14는 도 13의 라미네이트 구조체의 개략 정면도 또는 평면도.
<도 15>
도 15는 디스플레이 패널 및 다층 반사 편광 필름을 포함하는 라미네이트 구조체의 개략 측면도.
<도 16 내지 도 18>
도 16 내지 도 18은 디스플레이 패널, 다층 반사 편광 필름, 및 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률 층을 포함하는 라미네이트 구조체의 개략 측면도.
<도 19>
도 19는 도광체, 다층 반사 편광 필름, 및 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률 층을 포함하는 라미네이트 구조체의 개략 측면도.
<도 20a 및 도 20b>
도 20a 및 도 20b는 필름 실시예에 대한 투과율 대 파장 데이터의 그래프.
<도 21>
도 21은 다른 필름 실시예에 대한 투과율 대 파장의 그래프.
<도 22>
도 22는 조합된 디스플레이 패널/백라이트 라미네이트의 개략 측면도.
<도 23a 내지 도 23j>
도 23a 내지 도 23j는 다양한 라미네이트 실시 형태에 대한 콘트라스트 및 휘도의 선도.
<도 24>
도 24는 4개의 상이한 필름 샘플에 대한 요약 정보의 그래프.
이들 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.
디스플레이, 백라이트, 조명 기구 등에 사용하기에 적합한 대부분의 광학 필름은 광의 입사각에 따라 변화하는 광 투과 및 반사 특성을 갖는다. 예를 들어 일부 광이 복수의 미세층 계면으로부터 반사되어 보강 간섭 또는 상쇄 간섭을 겪어서 원하는 반사 또는 투과 특성을 제공할 정도로 충분히 얇은 복수의 미세층을 포함하는 다층 광학 필름이, 특정 매체 - 전형적으로 공기 - 에서의 입사각 및/또는 출사각의 특정 범위에 대해 특별히 설계된다. 유사하게, 표면 구조화된 필름, 예를 들어 휘도 향상 프리즘 필름이 또한 공기에서의 입사각 및/또는 출사각의 특정 범위에 대해 특별히 설계된다. 공기에서의 소정의 입사각에 대해, 그러한 광학 필름에 대한 전파 각도 및 출사각은 굴절에 대한 스넬의 법칙과 같은 잘 알려져 있는 공식 또는 회절 격자에 대한 것과 같은 다른 공식에 의해 결정된다.
액정 디스플레이(LCD) 응용에 사용되는 많은 광학 필름은 공기에서의 사용을 위해 설계되는데, 즉 광은 소정 범위의 입사각에 걸쳐 공기로부터 필름의 제1 주 표면에 충돌하고, 광은 소정 범위의 출사각에 걸쳐 필름의 제2 주 표면으로부터 공기 내로 나오며, 입사각 또는 출사각 중 어느 하나 또는 둘 모두는 공기에서 0° 내지 90° 범위에 걸친다. 그러한 필름은 공기에 "광학적으로 침지된" 것으로 말할 수 있다. 이는 육안으로 임의의 공기 층을 관찰하는 것이 어려울지라도 적용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 광학 필름이 다른 광학 필름 위에 놓인 경우, 육안으로는 2개의 필름이 그들의 전체 주 표면에 걸쳐 실질적인 접촉 상태에 있는 것으로 보일 수 있다. 그러나, 종종, 그러한 필름들은 한정된 수의 지점에서만 서로 접촉하며, 광학적으로 두꺼운 공기 갭 - 즉, 두께가 관심 대상의 광의 파장보다 실질적으로 큰 공기 갭 - 이 필름들의 주 표면들 사이에 실질적으로 유지된다.
LCD 디스플레이 및 다른 제품의 가격을 감소시키기 위한, 그리고/또는 감소된 제품 두께와 같은 디자인 향상을 위한 시장의 힘은 불필요한 구성요소를 찾아 제거하고, 개개의 구성요소들을 하나 이상의 패키징된 세트로 조합하고자 하는 요구로 이어질 것이다. 광학 필름의 경우, 그러한 요구는 광학 필름을 하나 이상의 다른 필름 또는 시스템 구성요소에 첨부하거나 부착하여 라미네이트 구조체 - 여기서, 라미네이트의 요소들 사이에 공기 갭이 실질적으로 존재하지 않음 - 를 형성하려는 시도로 이어질 수 있다.
도 1은 참조의 편의를 위해 x-y-z 직교 좌표계의 맥락 내에서, 디스플레이 조립체(112) 및 백라이트(114)를 포함하는 전형적인 디스플레이 시스템(110)의 개략 측면도를 도시하고 있다. 시스템(110)이 LCD인 경우, 디스플레이 조립체(112)는 전방 흡수 편광기와 후방 흡수 편광기 사이에 개재되는 액정(liquid crystal, LC) 디스플레이 패널을 포함할 수 있으며, LC 디스플레이 패널은 유리 패널 플레이트들을 추가로 포함하고, 이 유리 패널 플레이트들 사이에는 액정 물질이 전극 구조체들의 어레이 및 색상 필터 그리드와 함께 배치되어 개별적으로 어드레싱 가능한 화소(픽셀)를 형성한다. 제어기(116)는 접속부(116a)를 통해 디스플레이 조립체(112)에 결합되어 전극 구조체들을 적절하게 구동시켜서 관찰자(118)에 의해 인지될 수 있는 적합한 이미지를 생성한다. 백라이트(114)는 "에지형(edge lit)" 종류일 수 있으며, 이 경우에 하나 이상의 LED, 냉음극 형광 램프(cold cathode fluorescent lamp, CCFL), 또는 다른 적합한 광원(120a, 120b)들이 백라이트의 하나 이상의 에지 또는 가장자리를 따라, 백라이트의 관찰 영역 외측에 위치된다. 대안적으로, 백라이트는 "직하형(direct lit)" 종류일 수 있으며, 이 경우에 하나 이상의 그러한 광원(120c, 120d, 120e)들이 확산기 플레이트 또는 다른 적합한 요소 뒤의 관찰 영역에 위치될 수 있다. 어떠한 경우이든, 백라이트(114)는 디스플레이 조립체(112)의 관찰 영역에 대응하는 큰 출력 영역(114a)에 걸쳐 광을 제공한다. 백라이트에 의해 제공되는 광은 전형적으로 백색인데, 즉 이 광은 적색, 녹색, 및 청색 스펙트럼 성분들의 적절한 균형(또는 스펙트럼 성분들의 다른 적합한 혼합)을 포함하여서, 관찰자에게 적어도 명목상으로 백색으로 보이게 한다.
디스플레이 시스템(110)은 또한 전형적으로 디스플레이 조립체(112)와 백라이트(114) 사이에 또는 시스템 내의 다른 곳에 하나 이상의 광학 필름 또는 다른 구성요소를 포함한다. 디스플레이 시스템의 유형에 따라, 그러한 구성요소는 예를 들어 하나 이상의 편광기(예를 들어, 흡수 편광기 및/또는 반사 편광기를 포함함), 확산기(예를 들어, 확산기 플레이트, 이득 확산기(gain diffuser), 체적 확산기(volume diffuser), 및/또는 표면 확산기(surface diffuser)를 포함함), 및/또는 휘도 향상 프리즘 필름(예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니에 의해 제공되는 매우 다양한 비퀴티(Vikuiti)™ BEF 제품들 중 임의의 것을 포함함)을 포함할 수 있다. 그러한 필름은 종종 "사용불가능한 광"(즉, 디스플레이 조립체(112) 내의 후방 흡수 편광기에 의해 흡수될 편광이기 때문이든지, 부적합한 각도에서 전파되기 때문이든지 간에, 원하는 시스템 출력에 기여하지 않을 광)을 디스플레이 조립체로부터 멀어지도록 반사하고, 이어서 그 반사된 광의 일부를 다시, 예를 들어 확산 반사기, 경면 반사기, 또는 반경면 반사기를 통해 "사용가능한 광"(즉, 시스템 출력에 기여할 수 있는 광)으로서 디스플레이 조립체를 향해 방향전환시킴으로써 디스플레이 시스템의 효율 및/또는 휘도를 향상시키는데 사용된다. 광의 그러한 반사 및 방향전환은 디스플레이 시스템 내에서의 적어도 어느 정도의 광 재순환을 제공하며, 이 재순환은 화살표(122a, 122b)들로 개괄적으로 표시되어 있다.
통상적으로 디스플레이 조립체(112)와 백라이트(114) 사이에 위치되거나 다른 곳에 배치되는 필름 및 구성요소는 공기 갭이 없는 위에서 논의된 라미네이트 구조체에 사용하기 위한 후보들이다. 그러한 라미네이트 구조체는 도 2의 디스플레이 시스템(210)에 개괄적으로 도시되어 있다. 라미네이트 구조체를 제외하고, 시스템(210)은 위에서 논의된 다양한 편성을 포함해 도 1의 시스템(110)과 실질적으로 동일할 수 있으며, 간략함을 위해 추가의 설명이 제공됨이 없이 유사한 도면부호가 유사한 요소를 지시하는 데 사용된다. 그러나, 도 2의 디스플레이 시스템은 하나 이상의 광학 필름을 공기 갭 없이 다른 필름 또는 구성요소에 결합하여 도시된 바와 같은 하나 이상의 라미네이트(212a, 212b, 212c)들을 제공한다. 도면에서, 라미네이트(212a)는 공기 갭 없이 디스플레이 조립체(112)(또는 그의 구성요소)에 부착되고, 라미네이트(212c)는 공기 갭 없이 백라이트(114)(또는 그의 구성요소)에 부착된다. 일부 경우에, 하나 이상의 광학 필름을 다른 필름(들) 또는 구성요소(들)에 그들 사이에 공기 갭 없이 부착시키지만, 공기 갭을 통해 디스플레이 조립체와 백라이트 둘 모두로부터 이격될 수 있는 라미네이트(212b)가 제공될 수 있다.
라미네이트에 포함될 광학 필름의 유형에 따라, 공기 계면 또는 공기 갭의 제거는 광학 필름의 작동에 대한 문제를 야기할 수 있거나 야기하지 않을 수 있다. 결합될 각각의 필름 또는 구성요소가 광을 입사하는 과정에서 또는 광이 하나의 주 표면에 입사한 후 필름의 다른 주 표면으로부터 출사하기 전에 실질적으로 산란시키거나 달리 방향전환시키지 않는 경우, 필름은 라미네이션 전에, 즉 공기 갭의 제거 전에 했던 것과 같이 계속해서 기능을 할 수 있다. 그러나, 광이 비-평면형 표면을 통해, 또는 필름에 평행하지 않은 표면을 통해 필름에 입사하는 경우, 필름은 적절하게 기능을 하지 않을 수 있다. 이것의 하나의 예는 비퀴티™ DBEF 다층 반사 편광 필름 상에 코팅된 BEF 프리즘이다. BEF 프리즘 필름과 DBEF 필름 둘 모두는 공기에서의 사용을 위해 설계되지만, 두 필름의 평면형 표면들을 예를 들어 광학 접착제로 광학적으로 결합함으로써 공기 갭이 제거되는 경우 기능의 손실은 발생하지 않는다. 다른 예는 흡수 편광기 필름에 라미네이팅된 비퀴티™ DBEF 필름이다. 이들 예의 둘 모두에서, 공기 갭의 제거는 영향을 받은 필름을 통해 전파되는 광의 각방향 분포에 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 달리 말하면, 라미네이트 구조체 내의 각각의 광학 필름은 그의 주 표면이 공기와 접촉하지 않을 수 있을지라도 공기에 광학적으로 침지된 것으로 말할 수 있다. 이는 도 3a 내지 도 3c와 관련하여 이하에서 추가로 설명된다.
다른 경우에, 크게 경사진 광을 발생시키는 적어도 하나의 필름 또는 구성요소가 라미네이트 내에 제공되고, 그러한 크게 경사진 광과 조합된 공기 갭의 제거는 "초임계" 광이 관심 대상의 광학 필름을 통해 전파되고 시스템 성능을 저하시키는 방식으로 라미네이트로부터 출사하게 하는 효과를 갖는다. "초임계" 광이라는 것은 평평하고 매끄러운 공기/필름 계면을 사용해 공기로부터의 조명에 의해 성취될 수 있는 것보다 더 경사진 각도로 필름을 통해 진행하는 광을 의미한다. 따라서, 필름이 공기에 광학적으로 침지된 경우, 공기로부터 필름의 주 표면에 충돌하는 광에 대한 최대 입사각은 90도이다. 그러한 그레이징 입사(grazing incidence) 광은 필름의 굴절률의 함수인 임계각 θc에서 필름 내로 굴절된다. 임계각은 전형적으로 광이 필름 내에서 전파될 가장 경사진 각도이다. 초임계 광이 광학 필름을 통해 전파되고 결국에는 라미네이트 구조체로부터 나오는 것을 허용하는 라미네이트 구조체의 경우, 광학 필름은 공기보다 더 높은 굴절률의 매체에 광학적으로 침지된 것으로 말할 수 있다. 이는 도 3c와 관련하여 이하에서 추가로 설명된다. 본 출원의 문맥에서, "광학적으로 침지"되는 것으로 기재되는 필름 또는 구성요소는, 달리 지시되지 않는 한, 굴절률이 공기의 굴절률보다 큰 매체에 광학적으로 침지된 것으로 상정된다.
그러한 상황은, 예를 들어 굴절률이 1.5에 가까운 종래의 광학 접착제를 사용해, BEF 프리즘 필름을 백라이트의 확산기 플레이트에 또는 LCD 패널에 라미네이팅하는 경우에 발생할 수 있다. 둘 모두의 경우에, BEF 필름에 대한 입사각 및 출사각은 공기의 굴절률과는 크게 상이한 라미네이팅 접착제의 굴절률에 의해 현저하게 영향을 받는다. 이러한 상황은 또한 확산기가 종래의 광학 접착제로 반사 편광기의 일 면(side)에 라미네이팅되고, 이어서 반사 편광기의 다른 면이 LCD 패널에 라미네이팅되는 경우에 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 광학 접착제는 확산기 내에서 생성된 크게 경사진 광을 초임계 광 - 이는 LCD 패널 내로 추가로 투과될 수 있음 - 으로서 반사 편광기 내로 투과시킨다. 반사 편광기나 LCD 패널 어느 것도 전형적으로 그러한 크게 경사진 광을 수용하도록 설계되지 않기 때문에, 이는 LCD 패널 내에서 내부 산란되는 대량의 광 및 편광기에 의한 성능 저하를 야기할 수 있으며, 이는 이어서 훨씬 더 낮은 디스플레이 콘트라스트 및 휘도를 야기할 수 있다. 반사 편광 필름이 예를 들어 다층 스택 반사 편광기의 이미 넓은 반사 밴드(reflection band)를 실질적으로 확장시킴으로써(예를 들어, 미세층의 수를 증가시키고 미세층을 특성화하는 두께 구배의 상한을 확장함으로써) 더 큰 범위의 입사각을 취급하도록 재설계될지라도, 그러한 재설계된 필름은 더 큰 범위의 각도를 통해 통과축 편광의 광을 계속하여 투과시킬 것이며 언급된 문제는 해결되지 않은 채로 남아 있을 것이다.
라미네이트 구조체에서의 초임계 광 전파와 관련된 문제를 최소화하기 위해, 광학적 설계 관점에서, 공기 갭과 가능한 한 많이 흡사한 재료 층, 예를 들어 광학적으로 두꺼운 광 경로에 대해 광 투과성이 높고 또한 굴절률이 1.0에 가까운 재료 층을 이용하는 것이 바람직할 것이다. 달리 말하면, 투과성 광학 구성요소들을 표면-대-표면 방식으로 물리적으로 부착하는 동시에 여전히 입사각 및 출사각을 공기에 필적하는 입사각 및 출사각으로 제한하는 수단에 대한 필요성이 존재한다. 기계적 완전성이 양호하고 헤이즈(haze)가 낮은 초저 굴절률 필름이 최근에 개발되었다. 그러한 필름은 공기 갭에 근사하도록 대부분의 임의의 광학 필름 상에 코팅될 수 있으며, 이어서 코팅된 필름을 시스템 내의 다른 구성요소와 결합하기 위해 임의의 종래의 광학 접착제가 적용될 수 있다. 적합한 초저 굴절률 재료가 예를 들어 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함되는 하기의 미국 특허 출원에 기재되어 있다: 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169466호인 "광학 필름(Optical Film)"(대리인 문서 번호 65062US002); 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169521호인 "광학 구조체 및 이를 포함하는 디스플레이 시스템(Optical Construction and Display System Incorporating Same)"(대리인 문서 번호 65354US002); 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169532호인 "재귀반사 광학 구조체(Retroreflecting Optical Construction)"(대리인 문서 번호 65355US002); 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169549호인 "광학적 커플링을 방지하기 위한 광학 필름(Optical Film for Preventing Optical Coupling)"(대리인 문서 번호 65356US002); 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169555호인 "백라이트 및 이를 포함하는 디스플레이 시스템(Backlight and Display System Incorporating Same)"(대리인 문서 번호 65357US002); 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169427호인 "결함이 감소된 코팅을 위한 방법 및 장치(Process and Apparatus for Coating with Reduced Defects)"(대리인 문서 번호 65185US002); 2009년 4월 15일자로 출원되고 출원 번호가 제61/169429호인 "나노보이드 형성된 물품을 위한 방법 및 장치(Process and Apparatus for A Nanovoided Article)"(대리인 문서 번호 65046US002); 및 2009년 10월 22일자로 출원되고 출원 번호가 제61/254,243호인 "광학 구조체 및 이를 제조하는 방법(Optical Construction and Method of Making the Same)"(대리인 문서 번호 65619US002). 초저 굴절률 재료는 또한 겔 유형의 건식 실리카를 사용해 제조될 수 있다. 초저 굴절률 재료는 가시 파장에 걸쳐 예를 들어 1.1 내지 1.3, 또는 1.15 내지 1.25 범위 내의 굴절률을 가질 수 있다. 하기에서 추가로 논의되는 바와 같이, 초저 굴절률 재료는 또한 굴절률의 구배를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 재료는 바인더(binder) 및 복수의 입자를 포함하는 구배 필름 또는 층의 형태일 수 있으며, 여기서 바인더 대 복수의 입자의 중량비는 약 1:2 이상이다. 구배 광학 필름은 국소 체적 분율(local volume fraction)을 갖는 복수의 상호연결된 보이드(void)를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 복수의 상호연결된 보이드의 국소 체적 분율은 필름의 두께 방향을 따라 변화하여 그러한 두께 방향을 따라 변화하는 필름 내의 국소 굴절률을 제공한다. 둘 모두가 본 출원과 동일자로 출원되고 참고로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제XX/XXX,XXX호, "구배 저 굴절률 물품 및 방법(GRADIENT LOW INDEX ARTICLE AND METHOD)"(대리인 문서 번호 65716US002), 및 미국 특허 출원 제XX/XXX,XXX호, "구배 나노보이드 형성된 물품을 위한 방법(PROCESS FOR GRADIENT NANOVOIDED ARTICLE)"(대리인 문서 번호 65766US002)을 참조한다.
그러한 초저 굴절률 재료는 각도-의존성(angle-sensitive) 광학 필름을 포함하는 라미네이트에 사용될 수 있어서, 그러한 필름이 초임계 광 전파의 악영향을 최소화하면서 다른 필름 또는 구성요소에 기계적 및 광학적으로 결합될 수 있게 한다. 그러나, 라미네이트 구조체에 하나 이상의 그러한 초저 굴절률 재료 층을 사용하는 경우에도, 초임계 광 전파의 효과는 여전히 시스템 성능에 있어서 중요한 역할을 할 수 있으며, 좀 더 확실히 말하면 다층 광학 필름(들) 및/또는 다른 각도-의존성 광학 필름의 설계적 측면이 적절하게 다루어지지 않는다면 시스템 성능을 실질적으로 저하시킬 수 있다.
초임계 광 전파를 지원하는 라미네이트에 사용되는 다층 반사 편광 필름에 대한 구체적인 설계상의 고려사항을 논의하기 전에, 필름을 공기 이외의 매체에 광학적으로 침지하는 개념을 도시하고 있는 도 3a 내지 도 3c를 참조한다.
도 3a 내지 도 3c는 다른 층들이 적용되는 단순화된 층상 필름의 일련의 개략 측면도로서, 필름을 광학 매체에 침지하는 개념을 설명하고 있다. 도 3a에서, 기본적인 필름 구조체(310)는 양 면에서 공기(n0 = 1.0)인 것으로 상정되는 굴절률 n0 의 매체에 노출되는 층상 필름(312)으로 본질적으로 이루어진다. 논의의 편의를 위해, 이들 도 3a 내지 도 3c에 도시된 n0 및 다른 굴절률은 등방성인 것으로 상정된다. 또한, 필름(312)은 다음의 2개의 층만을 갖는 것으로 도시되어 있다; 종래의 저 굴절률 광학 재료의 제1 층, 예를 들어 굴절률 n1이 대략 1.5 이상인 중합체; 및 종래의 더 높은 굴절률 광학 재료의 제2 층, 예를 들어 굴절률 n2가 또한 대략 1.5 이상이지만 n2는 n1보다 실질적으로 큰 상이한 중합체. 필름(312)은 제1 주 표면(312a), 제1 층과 제2 층을 분리시키는 표면 또는 계면(312b), 및 제2 주 표면(312c)을 갖는다. 표면(312a)은 공기의 두꺼운 층(314)에 노출되고, 표면(312c)은 공기의 다른 두꺼운 층(316)에 노출된다.
여전히 도 3a를 참조하면, 광은 아래로부터, 즉 공기의 층(314)으로부터 필름(312)에 입사한다. 입사광은 필름(312)의 두께 차원에 수직일 수 있는 도시된 z-축을 대략적으로 따라 진행하지만, 입사광은 z축에 평행하게 지향된 광선, z-축에 대해 중간 정도의 경사 각도로 지향된 광선, 및 글랜싱 입사(glancing incidence)로 표면(312a)과 충돌하도록 z-축에 실질적으로 직교하는 극도의 경사 각도로 지향된 광선을 포함한, 광선 전파 방향들의 가장 넓은 가능한 범위를 포함한다. 입사각들의 이러한 가장 넓은 가능한 범위는 5개 머리의 화살표 기호(305)로 표시되어 있다. 일부 경우에 기호(305)와 관련된 광 분포는 의사-램버시안(quasi-Lambertian)일 수 있는 한편, 다른 경우에 그 광 분포는 매우 상이한 분포를 가질 수 있다. 임의의 경우에, 기호(305)의 광 분포는 가능한 경로들의 반구(또는 2π 입체각)에 걸쳐 모든 방향으로 진행하는 소정량의 광을 포함한다. 이제 이러한 입사광이 공기 층(314)으로부터 필름(312)을 통해 반대편의 공기 층(316)으로 이동하는 것처럼 이러한 입사광을 따라간다. 그렇게 함에 있어서, 다양한 계면에서의 굴절에 집중하며, 간략함을 위해 반사는 무시한다.
표면(312a, 312b, 312c)들은 모두 평평하고 매끄러우며, z-축에 수직인 것으로 상정된다. 따라서, 공기 층(314)으로부터의 입사광이 주 표면(312a)에 충돌할 때, 입사광은 스넬의 법칙, 즉 n0 sinθ0 = n1 sinθ1에 따라 필름(312)의 제1 층 내로 굴절된다. 입사광은 입사각이 θ0 = 0도 내지 θ0
Figure pct00001
90도의 범위인 광선을 포함하기 때문에, 굴절된 광은 굴절된 각도 또는 전파 각도가 θ1 = 0도 내지 θ1 = θc1의 범위인 굴절된 광선을 포함할 것이며, 여기서 θc1은 제1 층의 재료에 대한 임계각이며, 즉 sin(90) = 1이고 n0 = 1이기 때문에 θc1 = arcsin(1/n1)이다. 제1 층에서의 모든 굴절된 광선의 집광은 반각이 θc1인 원추로 표현된다.
굴절된 광은 z-축을 대체로 따라 전진하여 표면 또는 계면(312b)을 만나며, 여기서 굴절률이 n2인 제2 층에 광이 입사할 때 제2 굴절이 발생한다. 제2 굴절은 다시 스넬의 법칙을 따라서, 전파 방향 또는 각도 θ2의 범위에 걸쳐 제2 층 내에 굴절된 광을 생성하며, 여기서 θ2는 θ2 = 0도 내지 θ2 = θc2의 범위이다. 각도 θc2는 제2 층의 재료에 대한 임계각이며, 즉 θc2 = arcsin(1/n2)이다. 제2 층에서의 모든 굴절된 광선의 집광은 반각이 θc2인 원추로 표현된다. 굴절률 n2는 굴절률 n1보다 큰 것으로 상정되었기 때문에, 각도 θc2는 θc1보다 작은 것으로 도시되어 있다.
제2 층의 굴절된 광은 주 표면(312c)과 만날 때까지 추가로 전진한다. 여기서, 광이 제2 층으로부터 공기 층(316) 내로 이동할 때 다른 굴절이 발생한다. 다시 스넬의 법칙에 따라, 제2 층에서의 광에 대한 전파 각도 θ2의 범위는 굴절에 의해, 다시 기호(305)로 표시되는, 0도 내지 실질적으로 90도의 범위인 공기 층(316)에 대한 전파 각도의 범위로 변형된다. 따라서, 필름(312)을 횡단하는 과정에서, 공기로부터의 반구형으로 입사하는 광은 필름의 여러 재료 층에서 광의 원추형 분포로 변환되고, 이어서 다른 공기 층에서 반구형으로 전파되는 광으로 다시 되돌아간다. 재료 층들에서의 원추형 분포의 반각은 각각의 재료의 임계각과 같다.
이제 도 3b를 참조하면, 다른 필름 구조체(320)의 개략 측면도가 도시되어 있다. 필름 구조체(320)는 도 3a로부터의 2층 필름(312)을 포함하지만, 여기에 필름(312)의 각각의 면에서 굴절률 no'을 갖는 초저 굴절률 재료의 층을 부가하여 구조체(320)를 생성한다. 굴절률 no'은 공기보다 크지만, 저 굴절률 n1보다 실질적으로 작다. 굴절률 no' 재료의 제1 층(322)이 필름(312)의 표면(312a)에 적용되고, 굴절률 no' 재료의 제2 층(324)이 필름(312)의 표면(312c)에 적용된다. 층(322, 324)들과 조합된 원래의 필름(312)은 이제 공기에 노출되는 평평하고 매끄러운 주 표면(322a, 324a)들을 갖는 새로운 필름을 형성하며, 표면(322a, 324a)들은 표면(312a 내지 312c)들에 평행하다.
여전히 도 3b를 참조하면, 광은 아래로부터, 즉 공기의 층(314)으로부터 구조체(320)에 입사한다. 도 3a에서와 같이, 입사광은 z-축을 대략적으로 따라 진행하지만, 이때 광선은 다시 5개 머리의 화살표 기호(305)로 표시되는, 입사각들의 가장 넓은 가능한 범위에 걸쳐 있다. 이러한 입사광이 공기 층(314)으로부터 구조체(320)의 여러 층을 통해 반대편의 공기 층(316)으로 이동하는 것처럼 이러한 입사광을 따라간다.
공기 층(314)으로부터의 입사광이 주 표면(322a)에 충돌할 때, 입사광은 스넬의 법칙, 즉 n0 sinθ0 = n0' sinθ0'에 따라 초저 굴절률 재료의 층(322) 내로 굴절된다. 입사광은 입사각이 θ0 = 0도 내지 θ0
Figure pct00002
90도의 범위인 광선을 포함하기 때문에, 굴절된 광은 굴절된 각도 또는 전파 각도가 θ0' = 0도 내지 θ0' = θc0의 범위인 굴절된 광선을 포함하며, 여기서 θc0는 초저 굴절률 재료에 대한 임계각이며, 즉 θc0 = arcsin(1/n0')이다. 층(322)에서의 모든 굴절된 광선의 집광은 반각이 θc0인 원추로 표현된다.
이러한 굴절된 광은 이어서 구조체(320)의 나머지 부분을 통해 전진한다. 굴절된 광이 전진할 때, 각각의 별개의 층들에서의 전파 방향의 범위를 나타내는 각도들의 원추는 스넬의 법칙에 의해 결정된다. 간단한 방식으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 전파 방향들의 원추의 반각은 광이 층(322)으로부터 층(324)으로 전진함에 따라 θc0로부터 θc1으로 θc2로 θc0로 변화함을 용이하게 추론할 수 있다. 층(324)으로부터 공기 층(316) 내로 굴절되는 광은 다시 전파 각도들의 가장 넓은 가능한 범위(305) 내로 굴절된다.
도 3a와 도 3b를 비교하면, 필름(312)에 층(322, 324)들을 부가하는 것은 필름(312) 내부에서의 전파 방향들의 범위를 전혀 변화시키지 않음을 알 수 있다. 필름(312)의 2개의 층의 각각의 경우, 전파 원추의 반각은 동일하게 유지된다. 이러한 결과는 층(322, 324)들에 대해 사용된 굴절률에 무관하게 동일할 것임에 유의한다. 따라서, 필름(312)과 공기 사이의 층(322, 324)들의 존재에도 불구하고, 필름(312)을 여전히 공기에 광학적으로 침지된 것으로 특성화한다.
이제 도 3c를 참조하면, 여기에, 층(322, 324)들이 층(332, 334)들로 교체된 것을 제외하고, 구조체(330)와 실질적으로 동일한 필름 구조체(330)가 도시되어 있다. 층(332, 334)들은 층(322, 324)들과 동일한 초저 굴절률을 갖는다. 그러나, 도 3b의 평평하고 매끄러운 주 표면(322a, 324a)들은 거칠어진(roughened) 주 표면(332a, 334a)들로 교체되며, 이는 상당한 확산 효과를 제공한다. 그 결과, 공기 층(314)으로부터 주 표면(332a) 상에 충돌하는 반구형으로 분포된 입사 광선은 도 3b에서 그랬던 것처럼 반각 θc0의 원추로 구속되기보다는, 층(332)에서 모든 전파 각도(기호(305) 참조)로 굴절되고 확산된다. 층(332)에서의 전파 각도들의 이러한 확장된 범위는, 계면(312a)에서의 스넬의 법칙에 따라, 반각 θc1'이 도 3b로부터의 대응 반각 θc1보다 실질적으로 큰 전파 방향들의 원추를 필름(312)의 제1 층에 생성한다. 특히, θc1' = arcsin(n0'/n1)이다. 이러한 광이 필름(312)의 제2 층 내로 이동할 때, 광은 표면(312b)에서 굴절되어 도 3b의 대응 원추에 비해 또한 확장된 전파 방향들의 원추를 제2 층에 생성한다. 반각 θc2'은 θc2' = arcsin(n0'/n2)에 따라 계산된다. 이러한 광은 스넬의 법칙에 의해 모든 각도에서 표면(312c)에서 초저 굴절률 층(334) 내로 굴절되며, 이러한 광은 이어서 거칠어진 주 표면(334a)에 의해 모든 각도에서 공기 층(316) 내로 굴절되고 확산된다.
도 3c를 도 3a 및 도 3b와 비교하면, 광은 구조체(320, 310)들에 비해 구조체(330)의 필름(312)의 층들에서 더 경사진 각도에서 전파될 수 있음을 알 수 있다. 광이 초저 굴절률 층(332)으로부터 모든 각도에서 필름(312) 상에 충돌할 수 있기 때문에, 그리고 임의의 그러한 각도로 필름(312)에 입사하는 광이 층(334, 316)들을 통해 필름으로부터 출사할 수 있기 때문에, 도 3c의 필름(312)은 굴절률 n0'의 초저 굴절률 재료에 광학적으로 침지된 것으로 말할 수 있다.
도 4는 주어진 층에서의 광 전파의 각도 범위 또는 원추의 사시도로서, 층이 공기 이외의 매체에 침지된 경우의 원추의 확장을 도시하고 있다. 따라서, 원추(410)의 반각은 층 재료에 대한 임계각 θc이다. 이는 층이 공기에 광학적으로 침지된 경우의 가능한 광 전파 방향들의 범위이다. 광 전파 방향들의 범위는, 층이 공기보다 큰 굴절률의 매체에 광학적으로 침지되는 경우, 반각 θc'의 더 넓은 원추(412)로 확장된다. 이들 2개의 원추 또는 입체각 사이의 차이는 도 4에 차이각 θ갭으로 표시되어 있다. 전파 방향이 이러한 갭 내에 위치하는 광은 층, 또는 층이 일부를 이루는 필름이 다루도록 설계될 수 없는 광을 나타낸다.
이제, 하나 이상의 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률 층을 갖는 개시된 라미네이트 구조체에 사용될 수 있어서, 초저 굴절률 재료에 광학적으로 침지된 것으로 고려될 수 있게 하는 다층 광학 필름으로 관심을 돌려본다. 개괄적으로 다층 광학 필름의 능력의 대략적인 설명으로 시작하여, 후에 다층 광학 필름이 경사진 각도 반사 또는 시준 특성을 갖는 광학적으로 침지된 반사 편광기로서 사용되는 것을 허용하는 구체적인 설계 특성을 설명한다.
도 5는 다층 광학 필름(500)의 2개의 층만을 도시하고 있으며, 다층 광학 필름은 전형적으로 하나 이상의 연속된 패킷(packet)으로 배열되는 수십 또는 수백 개의 그러한 층을 포함할 것이다. 필름(500)은 개개의 미세층(502, 504)들을 포함한다. 미세층들은 상이한 굴절률 특성을 가져서, 일부 광이 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사되게 한다. 미세층들은 복수의 계면에서 반사된 광이 보강 간섭 또는 상쇄 간섭을 겪어 필름에 원하는 반사 또는 투과 특성을 제공할 정도로 충분히 얇다. 자외선, 가시광선, 또는 근적외선 파장에서 광을 반사하도록 설계된 광학 필름의 경우, 각각의 미세층은 일반적으로 약 1 ㎛ 미만의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 굴절률을 곱한 것)를 갖는다. 그러나 더 두꺼운 층, 예를 들어 필름의 외측 표면의 스킨 층, 또는 미세층들의 패킷들을 분리시키는, 필름 내에 배치되는 보호 경계 층이 또한 포함될 수 있다.
다층 광학 필름(500)의 반사 및 투과 특성은 각각의 미세층들의 굴절률, 미세층들의 총 수, 및 미세층들의 두께의 함수이다. 각각의 미세층은, 적어도 필름 내의 국소 위치에서, 평면내 굴절률 nx, ny, 및 필름의 두께 축과 연관된 굴절률 nz에 의해 특성화될 수 있다. 이들 굴절률은 각각 상호 직교하는 x-축, y-축, 및 z-축을 따라 편광된 광에 대한 대상 재료의 굴절률을 나타낸다(도 5 참조).
실제로, 굴절률은 적절한 재료 선택 및 처리 조건에 의해 제어된다. 필름(500)은 2개의 교번하는 중합체(A, B)들의 전형적으로 수십 또는 수백 개의 층을 공압출하고, 이어서 선택적으로 다층 압출물을 하나 이상의 다중화 다이(multiplication die)를 통해 통과시키고, 그 다음에 압출물을 신장시키거나 달리 배향시켜 최종 필름을 형성함으로써 제조될 수 있다. 생성된 필름은 가시광선 또는 근적외선과 같은 스펙트럼의 원하는 영역(들)에서 하나 이상의 반사 밴드를 제공하도록 두께 및 굴절률이 조정된 전형적으로 수십 또는 수백 개의 개개의 미세층들로 구성된다. 적정한 수의 층으로 고 반사율을 성취하기 위해, 인접 미세층들은 예를 들어 x-축을 따라 편광된 광에 대해 0.05 이상의 굴절률 차이(Δnx)를 나타낼 수 있다. 고 반사율이 2개의 직교 편광에 대해 요구되는 경우, 인접 미세층들은 또한 예를 들어 y-축을 따라 편광된 광에 대해 0.05 이상의 굴절률 차이(Δny)를 나타낼 수 있다.
원하는 경우, z-축을 따라 편광된 광에 대한 인접 미세층들 사이의 굴절률 차이(Δnz)는 또한 경사져서 입사한 광의 p-편광 성분에 대한 바람직한 반사율 특성을 성취하도록 조정될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 다층 광학 필름 상의 관심 대상의 임의의 지점에서, x-축은 평면내 Δn의 크기가 최대가 되도록 필름의 평면 내에 배향되는 것으로 간주될 수 있다. 따라서, Δny의 크기는 Δnx의 크기와 같거나 이보다 작을 수 있다(그러나 이보다 크지는 않음). 또한, 차이 Δnx, Δny, Δnz를 계산함에 있어서 어떤 재료 층을 선택하여 시작할지는, Δnx가 음이 아닌 것을 요구함으로써 좌우된다. 다시 말하면, 계면을 형성하는 2개의 층 사이의 굴절률 차이는 Δnj = n1j - n2j이며, 여기서 j= x, y, 또는 z이고 층 번호 1, 층 번호 2는 n1x ≥ n2x, 즉 Δnx ≥ 0이 되도록 선택된다.
경사진 입사각에서 p-편광된 광의 근축상(near on-axis) 반사율을 유지하기 위해, 미세층들 사이의 z-굴절률 부정합 Δnz는 최대 평면내 굴절률 차이 Δnx보다 실질적으로 작아서 Δnz ≤ 0.5 * Δnx가 되게 하도록 제어될 수 있다. 대안적으로, Δnz ≤ 0.25 * Δnx이다. 0 또는 거의 0 크기의 z-굴절률 부정합은 p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각의 함수로서 일정하거나 거의 일정한, 미세층들 사이의 계면을 생성한다. 또한, z-굴절률 부정합 Δnz는 평면내 굴절률 차이 Δnx와 비교할 때 반대의 극성을 갖도록, 즉 Δnz < 0이도록 제어될 수 있다. 이러한 조건은 s-편광된 광에 대해 그러한 것처럼, p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각이 증가함에 따라 증가하는 계면을 생성한다.
Tblock(0)이 Tpass(0)보다 실질적으로 작은 편광 필름을 제공하기 위해, 그리고 적정한 수의 층으로 s-편광된 광 통과축 광과 p-편광된 광 통과축 광 둘 모두에 대한 고 반사율을 제공하기 위해, 필름 재료 및 굴절률은 Δnx가 약 0.1보다 크고, Δny가 약 0.05보다 크며, Δnz가 약 -0.05보다 작도록 조정될 수 있다.
주어진 다층 필름 내의 모든 미세층들의 두께가 동일하도록 설계되는 경우, 필름은 좁은 대역의 파장에 걸쳐서만 고 반사율을 제공할 것이다. 그러한 필름은 이 대역이 가시 스펙트럼 내의 어딘가에 위치되는 경우 고도로 착색된 것으로 보일 것이며, 색상은 각도의 함수로 변화할 것이다. 디스플레이 응용의 상황에서, 일부 경우에 시스템 내의 다른 곳의 색상 불균형을 보정하기 위해 주어진 광학 필름이 소량의 색상을 도입하는 것이 유익할 수 있을지라도, 눈에 띄는 색상을 나타내는 필름은 일반적으로 회피된다. 다층 필름에는 미세층들 - 또는 더 정확하게는 전형적으로 인접 미세층들의 쌍에 대응하는 광학 반복 단위 - 을 소정 범위의 광학적 두께를 갖도록 조정함으로써, 예를 들어 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐, 광대역 반사율 및 투과율이 제공될 수 있다. 전형적으로, 미세층들은 필름 또는 패킷의 일 면 상의 가장 얇은 광학 반복 단위로부터 다른 면 상의 가장 두꺼운 광학 반복 단위로 필름의 z-축 또는 두께 방향을 따라 배열되며, 이때 가장 얇은 것은 반사 밴드 내의 가장 짧은 파장을 반사하고 가장 긴 것은 가장 긴 파장을 반사한다. 예리해진 밴드 에지를 제공하도록 두께 구배를 조정하는 것을 포함해, 다층 광학 필름에서의 두께 구배의 추가적인 논의가 미국 특허 제6,157,490호(휘틀리(Wheatley) 등)에 제공되어 있다.
개시된 다층 필름은 바람직하게는 이들이 초저 굴절률(ULI) 매체에서 대부분의 각도에서 가시 스펙트럼의 대부분에 걸친 파장의 광을 반사할 수 있을 정도로 충분한 대역폭의 반사 밴드를 갖는다. 많은 디스플레이 및 조명 기구에 적절한 가시 스펙트럼은 일부 시스템에 대해서 약 630 ㎚까지, 다른 시스템에 대해서 650 ㎚까지, 그리고 가장 높은 색역(color gamut) 시스템들 중 일부에 대해서 670 ㎚만큼 높게 확장된다. 임의의 ULI/중합체 계면에서 거의 90도에서의 높은 프레넬 반사율로 인해, 많은 광이 이들 최고 각도에서 투과되지 않을 것이다. 이러한 이유로, p-편광된 광에 대한 필름의 통과축의 우측 밴드 에지(right band edge, RBE)는 바람직하게는 ULI에서 θ = 75도에서 약 650 ㎚ 초과이다. 그렇다면 굴절률 1.2의 ULI의 경우, 필름의 통과축에 대한 최소 RBE는 바람직하게는 수직 입사에서 950 ㎚ 이상이다. LCD 디스플레이에서의 개선된 콘트라스트 및 색상 균형을 위해, p-편광된 광에 대한 이들 필름의 통과축의 RBE는 바람직하게는 수직 입사에서 1000 ㎚ 초과 또는 1050 ㎚ 초과 또는 1100 ㎚만큼 높다. ULI가 1.15의 굴절률을 갖는 경우, p-편광된 광에 대한 통과축의 RBE는 바람직하게는 수직 입사에서 약 900 ㎚ 이상보다 크고, 더 바람직하게는 950 ㎚ 또는 심지어 1000 ㎚보다 크다. 1.15 또는 1.2 중 어느 하나보다 높은 ULI의 굴절률의 경우, 필름의 우측 밴드 에지는 바람직하게는 비례하여 더 높게 된다.
다층 광학 필름은 임의의 적합한 기술을 사용해 제조될 수 있다. 전형적으로, 제조는 중합체 재료를 그의 용융 또는 유리 전이 온도를 초과해 가열하는 단계, 용융된 중합체를 다층 피드블록 내로 공급하는 단계, 선택적으로 하나 이상의 층 다중화기를 사용해 층을 다중화하는 단계, 용융된 재료를 필름 압출 다이를 통해 보내는 단계, 다이를 떠나는 압출물을 캐스팅 휠(casting wheel) 상으로 캐스팅하는 단계, 및 캐스트 필름을 하나 또는 두 개의 필름 방향을 따라 신장시키거나 달리 배향시키는 단계를 포함한다. 예를 들어, 미국 특허 제5,882,774호(존자 등) 및 제6,783,349호(니빈(Neavin) 등)를 참조한다. 일부 실시 형태에서, 필름은 층 다중화기를 사용함이 없이 제조될 수 있다. 층 다중화기들이 다수의 광학 층의 생성을 크게 단순화시킬지라도, 이들은 각각의 패킷에 대해 동일하지 않은 왜곡을 층들의 각각의 생성된 패킷에 부여할 수 있다. 이러한 이유로, 피드블록에서 생성된 층들의 층 두께 프로파일에 있어서의 임의의 조정은 각각의 패킷에 대해 동일하지 않은데, 즉 모든 패킷이 스펙트럼 중단(spectral disruption) 없는 균일하고 매끄러운 스펙트럼을 생성하도록 동시에 최적화될 수 없다. 따라서, 저 투과되고 반사된 색상에 대한 최적의 프로파일은 다중화기를 사용해 제조된 멀티패킷 필름을 사용하여 제조하기가 어려울 수 있다. 피드블록에서 직접 생성된 단일 패킷 내의 층들의 수가 충분한 반사율을 제공하지 않는 경우, 반사율을 증가시키기 위해 2개 이상의 그러한 필름이 부착될 수 있다. 담색(low color) 필름에 매끄러운 스펙트럼 반사율 및 투과율을 제공하기 위한, 층 두께 제어의 추가적인 논의가 PCT 공개 WO 2008/144656호(웨버(Weber) 등)에 제공되어 있다.
다층 광학 필름의 제조에 사용되는 재료는 전형적으로 적어도 가시 파장 및 근가시 파장에 걸쳐 그리고 필름 내의 전형적인 광학 경로 거리에 대해 매우 낮은 흡수율을 갖는 중합체 재료이다. 따라서, 주어진 광선에 대한 다층 필름의 %반사율 R 및 %투과율 T는 전형적으로, 보통 약 1%의 정확도 내에서, 실질적으로 상호보완적인데, 즉 R + T
Figure pct00003
100%이다. 따라서, 달리 기재되지 않는 한, 고 반사율을 갖는 것으로 본 명세서에 개시된 다층 광학 필름은 저 투과율을 갖는 것으로 상정될 수 있고 역으로도 성립하며, 저 반사율을 갖는 것으로 개시된 다층 광학 필름은 고 투과율을 갖는 것으로 상정될 수 있고 역으로도 성립하며, 반사율 또는 투과율의 보고된 값은 관계 R + T
Figure pct00004
100%에 의해 각각 투과율 또는 반사율에 대해 또한 보고하는 것으로 상정될 수 있다.
광학 필름의 투과 및 반사 특성을 고려할 때 명심해야 하는 다른 문제점은 필름의 최외측 전방 주 표면 및 후방 주 표면에서의 표면 반사의 기여도를 고려할지의 문제이다. 그러한 표면 반사는 수직 입사에서 비교적 미미 - 예를 들어, 총 약 10% 반사율 - 할 수 있지만, 크게 경사진 각도에서는 훨씬 더 커질 수 있고 s-편광 성분과 p- 편광 성분 사이에서 크게 상이할 수 있다. 본 출원의 경우에, 개시된 광학 필름은 반드시는 아니지만 바람직하게는 라미네이트 구조체에 포함시키는 것으로 의도되며, 이 경우에 필름의 외측 주 표면들 중 적어도 하나 그리고 가능하게는 둘 모두가 공기가 아닌 광학 재료와 접촉할 것이다. 따라서, 달리 기재되지 않는 한, 본 명세서에 보고된 반사 및 투과 특성은 필름의 최외측 전방 주 표면 및 후방 주 표면에서의 표면 반사의 기여도는 포함하지 않는다. 그러한 값들은 이들을, 전방 표면 반사율 및 후방 표면 반사율의 기여를 포함하지 않는 "외부 반사" 및 "외부 투과"와 구별하기 위해 "내부 반사" 및 "내부 투과"로 때때로 지칭된다. 그러나, 용어 "내부"가 본 명세서에 사용되지 않을지라도, 본 명세서에서 논의되는 반사 및 투과 특성은 달리 기재되지 않는 한 내부 반사값 및 내부 투과값인 것으로 상정되어야 한다.
내부 반사 및 투과 특성은 실험실에서 특성이 측정되는 실제 필름을 다루든지 컴퓨터-모델링된 광학 필름을 다루든지 간에 용이하게 결정될 수 있다. 모델링된 필름에 대한 반사율 및 투과율의 계산된 값의 경우에, 이는 컴퓨터로 계산된 값으로부터 이들 표면 반사율의 계산값을 뺌으로써 용이하게 성취된다. 반사 스펙트럼 및 임의의 각도에서의 반사율과 같은 그의 특징들 전부와 복굴절 다층 필름에 대한 밴드 에지가 문헌[Berremen and Scheffer, Phys. Rev. Lett. 25, 577 (1970)]의 4x4 스택 코드를 사용해 계산될 수 있다. 이러한 방법의 설명이 서적["Ellipsometry and Polarized Light" written by Azzam and Bashara, published by Elsevier Science, Holland]에 제공되어 있다.
반사율 또는 투과율의 측정된 값의 경우에, 내부 반사 및 투과 특성은 공기에서 필름의 측정값을 취하고 표면 반사율만을 나타내는 계산되거나 측정된 값을 감산함으로써 성취될 수 있다. 예를 들어, 다층 필름이 미세층보다 훨씬 더 두꺼운 매끄럽고 투명한 표면 층을 갖는다고 가정하면, 이러한 표면 층의 굴절률은 측정될 수 있다. 일단 표면 층의 굴절률이 알려지면, 표면 반사율은 당업계에 잘 알려져 있는 수학 공식을 사용함으로써 측정된 총 반사율로부터 감산될 수 있다. 이러한 절차는 공기에서 수직 입사(0도)뿐만 아니라 60도와 같은 더 높은 각도 둘 모두에서 잘 적용된다. 공기에서 또는 실시예들의 굴절률 1.2와 같은 더 높은 굴절률 매체에서 90도에서의 동일한 필름의 반사율은 필름의 양 면에 공지된 굴절률의 유리 프리즘을 광학적으로 결합시키고, 스넬의 법칙에 의해 용이하게 결정되는 적절한 각도에서 반사율을 측정함으로써 직접 측정될 수 있다. 굴절률이 약 1.5 내지 1.7인 유리 프리즘이 이러한 측정에 적합하다. 그러한 유리 프리즘과 이들 중합체 필름 사이의 계면 반사는 거의 45도의 각도에서 작지만, 계면 반사는 다층 광학 필름의 내부 반사율의 보다 정확한 측정을 위해 필요한 경우 용이하게 계산될 수 있다.
특히 0도가 아닌 각도에서, 필름의 반사율 대신에 투과율을 정확하게 측정하는 것이 종종 더 용이하다. 광의 흡수율은 관심 대상의 필름에서 비교적 작기 때문에(일반적으로 수직 입사광에 대해 1% 미만), 투과율 값 T를 간단히 측정할 수 있고 R = 1 - T임을 상정할 수 있다. 흡수율이 약 수%보다 큰 경우, 흡수율은 R 및 T의 개별적인 측정에 의해 수직 입사에서 측정될 수 있다. 이어서 더 높은 각도에서의 흡수율이 용이하게 추정될 수 있고, 그 결과 반사율이 R = 1 - A - T로서 계산될 수 있으며, 여기서 R, A, 및 T는 전형적으로 백분율로 표시되며 1 = 100%이다.
본 명세서에 개시된 다층 광학 필름은 수직 입사광에 대해 편광 특성을, 그리고 크게 경사진 광에 대해 다양한 반사 및 투과 특성을 나타낸다. 이들 특성의 논의는 "통과" 편광(및 "통과" 축, "통과" 평면 등), "차단" 편광(및 "차단" 축, "차단" 평면 등), s-편광, 및 p-편광으로 다양하게 지칭되는 파라미터들을 참조할 것을 필요로 한다. 명료함의 목적을 위해 그리고 본 명세서를 읽는 사람이 이들 용어를 혼동하는 것을 방지하는 데 도움을 주기 위해, 이제 이들 용어의 상세한 논의가 제공된다.
전통적인 편광 필름을 참조하면, 광은 2개의 직교 평면에서 편광되는 것으로 간주될 수 있으며, 여기서 광의 전파에 대해 횡방향에 있는 광의 전기 벡터(electric vector)는 특정의 편광 평면 내에 있다. 또한, 주어진 광선의 편광 상태는 2개의 상이한 편광 성분, 즉 p-편광된 광 및 s-편광된 광으로 분해될 수 있다. p-편광된 광은 광선의 입사 평면 및 주어진 표면에서 편광된 광이며, 여기서 입사 평면은 국소 표면 법선 벡터와 광선 전파 방향 또는 벡터 둘 모두를 포함하는 평면이다.
예를 들어, 도 6은 입사각 θ로 표준 편광기(602)에 입사하여서, 입사 평면(612)을 형성하는 광선(610)을 도시하고 있다. 편광기(602)는 y-축에 평행한 통과축(604) 및 x-축에 평행한 차단축(606)을 포함한다. 광선(610)의 입사 평면(612)은 차단축(606)에 평행하다. 광선(610)은 입사 평면(612)에 있는 p-편광된 성분, 및 입사 평면(612)에 직교하는 s-편광된 성분을 갖는다. 광선(610)의 p-편광된 광은 편광기(602)의 차단축(606)에 평행한 벡터 성분을 가지며 그에 따라서 편광기에 의해 실질적으로 반사될 것이며, 한편 광선(610)의 s-편광된 광은 편광기(602)의 통과축(604)에 평행하고 그에 따라서 적어도 부분적으로 투과될 것이다.
또한, 도 6은 편광기(602)의 통과축(604)에 평행한 벡터 성분을 갖는, 입사 평면(622)에서 편광기(602)에 입사하는 광선(620)을 도시하고 있다. 따라서, 광선(620)의 p-편광된 광은 편광기(602)의 통과축(604)에 평행한 한편, 광선(620)의 s-편광된 광은 편광기(602)의 차단축(606)에 평행하다. 그 결과, 편광기(602)가 차단축에서 편광된 광에 대해 입사광의 모든 각도에서 100%의 반사율을, 그리고 통과축에서 편광된 광에 대해 입사광의 모든 각도에서 0%의 반사율을 갖는 "이상적인" 편광기임을 상정하면, 편광기는 광선(610)의 s-편광된 광 및 광선(620)의 p-편광된 광을 투과시키는 동시에, 광선(610)의 p-편광된 광 및 광선(620)의 s-편광된 광을 반사한다. 다시 말하면, 편광기(602)는 p-편광된 광 및 s-편광된 광의 조합을 투과시킬 것이다. p-편광된 광 및 s-편광된 광의 투과량 및 반사량은 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이 편광기의 특성에 좌우될 것이다.
다층 광학 필름 내의 인접 미세층들 사이의 굴절률 관계가, 광학적으로 침지된 반사 편광기로서 사용하기에 적합하고 또한 유리하게는 "통과" 편광 상태의 경사져서 입사하는 광에 대해 반사율의 상당한 증가를 나타내는 광학 필름을 생성하도록 조정될 수 있는 방법을 이하에서 더 완전하게 설명한다. 경사져서 입사하는 광에 대한 상당한 반사율 증가는 하나의 입사 평면에서만 또는 2개의 직교하는 입사 평면에서 발생하도록 설계될 수 있으며, 각각의 경우에, 디스플레이 시스템에서 증가된 휘도 및/또는 콘트라스트를 제공하도록 광을 더 좁은 시야 원추(고 반사율 및 저 투과율 비축(off-axis)의 결과로서, 적어도 하나의 입사 평면에서, 그리고 일부 실시 형태에서 2개의 직교하는 입사 평면에서)로 구속하거나 "시준"하는 것을 돕기 위해, 또는 조명 기구로부터의 광을 시준하기 위해 재순환 시스템에 사용될 수 있다. 본 명세서를 읽는 사람은, 개시된 반사 편광 필름과 관련하여 사용될 때 용어 "시준하다"는 필름이 예시적인 실시 형태에서 다른 반사 필름 또는 확산 필름, 또는 편광 필름에 의해 반사되는 일부 광을 적어도 부분적으로 재순환시키는 요소와 조합된다라고 하는 이해 하에서 광범위하게 사용됨을 이해하여야 한다. 따라서, 편광 필름이 수직 입사광에 대해 고 투과율을 그리고 크게 경사진 광에 대해 훨씬 더 낮은 투과율(더 높은 반사율)을 갖는 경우, 반사되는 경사진 광의 적어도 일부는 다시 시스템 내의 다른 광학 요소에 의해 덜 경사진 방향으로 편광 필름을 향해 다시 반사될 수 있어서, 이제 그것이 편광 필름에 의해 투과되기가 더 쉽게 한다. 이러한 의미에서, 초기에 크게 경사진 광은 편광 필름에 의해 투과될 때까지 덜 경사진 광으로 "변환"되고, 편광 필름은 이에 충돌하는 광을 "시준"한다고 말할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 개시된 라미네이트에 사용되는 바와 같은 침지형 다층 반사 편광기의 일부 바람직한 투과 및 반사 특성을 도시하기 위해 제공된다.
도 7a에, 방향 반구의 사시도가 도시되어 있다. 반구 상의 임의의 지점은 극각 θ 및 방위각 φ에 의해 특성화되는 광 전파의 방향을 나타낸다. z-축은 필름의 평면에 수직이다. 도 7a 내지 도 7c의 목적을 위해, 각도 θ, 각도 φ는, 반사 및 투과 특성이 관심 대상이 되는 다층 광학 필름에 대해 ULI 재료 층이 어디에 위치될 수 있느냐에 무관하게, 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률(ULI) 재료에서 측정되는 것으로 상정된다(그리고 이에 따라 때때로 θlow index 및 φlow index로 지칭됨). 예를 들어, ULI 층은 다층 광학 필름에 인접하며 다층 광학 필름과 광원 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, ULI 층은 다층 광학 필름에 인접하지만 그의 반대편에 배치될 수 있다. 대안적으로, ULI 층은 하나 이상의 다른 필름 또는 구성요소에 의해 라미네이트 구조체 내의 다층 광학 필름으로부터 분리될 수 있지만, 이때 이들 사이에 상당한 공기 갭이 존재하지 않는다.
개시된 다층 광학 필름은 바람직하게는 적어도 저 입사각(즉, 수직 또는 근수직 입사, θ
Figure pct00005
0)의 광에 대해 상당한 편광 특성을 나타낸다. 따라서, 수직 입사광에 대해, 필름은 바람직하게는 가시 파장에 걸쳐 저 반사율 및 고 투과율의 통과축(예를 들어, 평면내 y-축을 따름)을, 그리고 가시 파장에 걸쳐 매우 높은 반사율 및 매우 낮은 투과율의 차단축(예를 들어, 평면내 x-축을 따름)을 형성한다. 바람직하게는, "차단" 편광의 광은 θ 및 φ의 실질적으로 모든 조합에 걸쳐, 즉 반구에 의해 표현되는 모든 방향에 걸쳐 "차단"되는데, 즉 매우 높은 반사율 및 매우 낮은 투과율에 의해 특성화된다. 따라서, 도면부호 606이 차단축인 도 6의 기하학적 형상을 참조하면, 개시된 반사 편광 필름은 바람직하게는 평면(622)에 입사하는 s-편광된 광에 대해, 그리고 평면(612)에 입사하는 p-편광된 광에 대해, ULI 재료에서 측정된 최대 약 90도의 각도 θ에 대해 그리고 실질적으로 모든 가시 파장에 대해 고 반사율을 유지한다.
개시된 편광 필름은 바람직하게는, 도 7a의 방향 반구를 재현하고 이것에 "통과" 편광에 대한 여러 개시된 필름의 투과 및 반사 특성을 겹쳐 놓은 도 7b 및 도 7c에 이상화된 정성적 방식으로 도시된 바와 같이, "통과" 편광의 광에 대해 더 복잡하고 흥미로운 거동을 나타낸다. 각각의 경우에, 필름은 수직 및 근수직 입사에 대해 비교적 높은 광의 투과율을 제공한다. 이러한 투과율은 수직/근수직 입사에서 차단 상태 광의 투과율과 관련하여 "높은" 것이라고 말하며, 보통 50% 이상 그리고 일부 경우에 그보다 훨씬 더 크며, 심지어 100%에 근접하지만, 일부 경우에 또한 50%보다 실질적으로 작지만 그럼에도 차단 상태의 투과율보다 훨씬 더 높을 수 있다. 마지막의 특성을 갖는 필름이 예를 들어 최소 손실을 갖는 매우 높은 효율의 재활용 시스템에 유용할 수 있다.
통과 상태의 수직 입사광에 대해 "높은" 투과율을 갖는 것 외에, 필름은 바람직하게는 적어도 방위각 φ의 일부 범위에 대해, 크게 경사진 각도 θ로 입사하는 통과 상태의 광에 대해 훨씬 더 낮은 투과율(및 더 높은 반사율)을 갖는다. 각도가 증가함에 따라 증가하는 반사율은 필름을 가로지르는 광의 전파 또는 시야 원추를 효과적으로 압축한다. "높은" 투과율로부터 "낮은" 투과율로의 천이는 보통 점진적이고, 이에 따라 중간 반사율의 영역은 높은 투과율 영역과 낮은 투과율 영역을 분리시키는 것으로 도시되어 있다. 경사진 각도에서의 "낮은" 투과율은 수직 입사에서 통과 상태 광의 투과율과 관련하여 "낮은" 것이라고 말한다. 극도의 입사각(예를 들어, 초임계 입사각)에서 진행하는 통과 상태 광에 대해 감소된 투과율 및 증가된 반사율을 제공함으로써, 설계되었던 것보다 큰 각도에서 필름을 통해 전파되는 광과 관련된 문제, 예를 들어 도 4에 도시된 갭과 관련된 문제가 회피될 수 있다. 특히 디스플레이 및 조명 응용에서, 현저한 색상을 시스템 내로 도입하는 것을 회피하기 위해, 증가된 반사율이 바람직하게는 실질적으로 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 비교적 균일하게 유지된다. 이것은 다음에는 입사각에 따른 다층 필름 반사 밴드의 특징적인 파장 이동으로 인해 필름의 반사 밴드의 우측 밴드 에지의 위치에 대한 소정의 요건을 도입시킨다.
이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 다층 편광 필름은 통과 편광 상태 광에 대한 고 투과율 영역 및 저 투과율 영역이 도 7b에 도시된 바와 같이 방위각 φ에 비교적 무의존성이도록, 또는 도 7c에 도시된 바와 같이 φ에 의존성이 강할 수 있도록 조정될 수 있다. 명백할 것인 이유 때문에, 도 7b의 방위각-무의존성 특성은 "2-축 시준" 다층 반사 편광 필름을 특성화하는 것으로 말할 수 있는 반면, 도 7c의 크게 변화하는 방위각 특성은 "1-축 시준" 다층 반사 편광 필름을 특성화하는 것으로 말할 수 있다. 이들 카테고리 사이의 구별은 필름이 의도되는 응용, 및 여러 방위각 방향들 사이의 어느 정도의 차이가 주어진 응용에서 상당한 것이라고 간주되는지에 좌우될 수 있다. 이하의 논의에서의 편의를 위해, 간단하게 2-축 시준 편광 필름을 x-z 평면 및 y-z 평면과 같은 2개의 직교하는 입사 평면에 대해 극각 θ의 함수로서 유사한 투과율 감소를 나타내는 것으로서 특성화하는 한편, 1-축 시준 편광 필름을 하나의 입사 평면에 대해 상당한 투과율 감소를 나타내고 직교하는 입사 평면에서 투과율 감소를 거의 나타내지 않거나 전혀 나타내지 않는 것으로서 특성화할 수 있다. 1-축 시준 편광 필름의 경우에, 상당한 투과율 감소를 나타내는 입사 평면이 필름의 통과축 또는 차단축 중 어느 하나와 정렬될 수 있음에 유의한다. 감소된 투과율의 평면이 통과축과 정렬되는 경우, 통과 상태 광의 p-편광 성분이 입사각이 증가함에 따라 더욱 더 반사되기 때문에, 필름은 p-편광 시준 필름으로 지칭될 수 있으며, 평면이 차단축과 정렬되는 경우, 통과 상태 광의 s-편광 성분이 입사각이 증가함에 따라 더욱 더 반사되기 때문에, 필름은 s-편광 시준 필름으로 지칭될 수 있다.
시스템 특징 및 요건과 설계상의 제약에 따라, 일부 시스템은 1-축 시준 필름보다는 2-축 시준 편광 필름을 이용함으로써 더 유익할 수 있으며, 다른 시스템의 경우 그 반대가 맞을 수 있다. 그러한 설계상의 고려 사항에 대한 추가 논의가 본 명세서의 다른 부분에 제공되어 있다. 본 출원이 2-축 시준 편광 필름뿐만 아니라 1-축 시준 편광 필름에 적절한 교시를 제공할지라도, 1-축 시준 필름에 관한 추가 정보 및 예를, 본 출원과 동일자로 출원되고 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제XX/XXX,XXX호, "선택된 입사 평면에서 각방향 구속을 갖는 침지형 반사 편광기(Immersed Reflective Polarizer With Angular Confinement in Selected Planes of Incidence)"(대리인 문서 번호 65900US002)에서 찾아볼 수 있다.
도 4의 "갭"에 대응하는 초임계 각도에서 전파되는 광이 시스템 성능을 부당하게 저하시키지 않음을 보장하기 위해 충분한 비축 반사율을 제공하는 것 외에, 이차적인 설계상의 문제는 공기에서 훨씬 더 낮은 각도, 예를 들어 약 45도 내지 90도에서 광선들 중 상당한 부분을 반사하고 재순환시키는 것에 대한 필요성이다. 일부 LCD 텔레비전에서, 이러한 각도 범위는 마이크로렌즈 어레이 필름에 의해 법선을 향해 방향전환된다. 본 명세서에 개시된 반사 편광기들 중 적어도 일부는 적어도 하나의 입사 평면에서 이러한 중간 내지 높은 각도 경사 광의 상당한 반사율을 제공할 수 있으며, 하나 내지 두 개의 마이크로렌즈 필름의 성능에 근사할 수 있다.
전술된 투과 및 반사 특성이 예를 들어 적정한 수의 미세층을 갖고 기존의 중합체 재료 및 처리 기술을 사용해 성취될 수 있는 굴절률 관계를 갖는 적정한 설계의 실용적인 다층 필름에서 성취될 수 있음을 확인하였다. 일부 개시된 실시 형태는 예를 들어 약 500개의 층을 갖는 다층 반사 편광기가 도 4에 표시된 갭 내의 광의 최대 약 90%를 반사할 수 있는 동시에 여전히 수직 입사에서 고 투과율 값을 제공하도록 구성될 수 있음을 확인한다.
다층 광학 필름의 광학적 특성은 예를 들어 필름 내 미세층들의 수 및 필름 내 하나 이상의 상관성(coherent) 패킷으로의 미세층들의 분포, 다양한 미세층들의 두께 및 층 두께 프로파일, 및 층들의 굴절률과 같은 "일차적인" 것으로 간주될 수 있는 한정된 수의 파라미터를 포함한다. 본 출원에서, 라미네이트 구조체에 침지형 필름으로서 사용하기에 적합한 다층 반사 편광 필름을 생성하도록 이들 일차적인 파라미터가 선택될 수 있는 방법의 예를 제공할 뿐만 아니라, 소정의 이차적인 필름 파라미터, 및 그러한 구조체에서의 다층 필름의 적합성을 평가하는 데 중요할 수 있는, 그러한 파라미터를 포함하는 관계를 확인한다. 이들 이차적인 필름 파라미터는 하기의 것들 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
필름의 내부 반사율은 주어진 입사각 θ에서 네 가지의 편광 경우 중 임의의 것에 대해 정의되는데, 즉 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 반사율("RPpass(θ)"); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 반사율("RSblock(θ)"); 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 반사율("RPblock(θ)"); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 반사율("RSpass(θ)")이며, 여기서 통과 평면은 필름의 통과축 및 법선축을 포함하는 평면이고, 차단 평면은 필름의 차단축 및 법선축을 포함하는 평면이며, 각도 θ는 공기에서 측정된 각도(θair) 또는 초저 굴절률 재료에서 측정된 각도(θlow index)일 수 있다.
필름의 내부 투과율은 주어진 입사각 θ에서 네 가지의 편광 경우 중 임의의 것에 대해 정의되는데, 즉 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 투과율("TPpass(θ)"); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 투과율("TSblock(θ)"); 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 투과율("TPblock(θ)"); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 투과율("TSpass(θ)")이다.
상기의 파라미터들 중 임의의 것들의 평균값을 정의하고자 한다. 예를 들어,
Rpass(θ)는 RPpass(θ)와 RSpass(θ)의 평균값임; 및
Tpass(θ)는 TPpass(θ)와 TSpass(θ)의 평균값임.
구체적인 조건 하에서 상기의 파라미터들 중 임의의 것을 정의하고자 한다. 예를 들어,
%T00는 통과 편광의 광에 대한 수직 입사에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 Tpass(0), TSpass(0), 및 TPpass(0)와 같음;
%Tbolck은 차단 편광의 광에 대한 수직 입사에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 Tblock(0), TSblock(0), 및 TPblock(0)와 같음;
%TA60S는 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한, 공기에서 측정된 60도의 입사각에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 TSpass(θair=60)과 같음;
%TA60P는 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한, 공기에서 측정된 60도의 입사각에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 TPpass(θair=60)과 같음;
%TA60은 %TA60S와 %TA60P의 평균값임;
%TA90S는 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한, 공기에서 측정된 90도의 입사각에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 TSpass(θair=90)과 같음;
%TA90P는 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한, 공기에서 측정된 90도의 입사각에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 TPpass(θair=90)과 같음;
%TA90은 %TA90S와 %TA90P의 평균값임;
%TU90S는 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한, 초저 굴절률 재료에서 측정된 90도의 입사각에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 TSpass(θlow index=90)과 같음;
%TU90P는 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한, 초저 굴절률 재료에서 측정된 90도의 입사각에서의 필름의 내부 투과율이며, 이는 또한 TPpass(θlow index=90)과 같음; 및
%TU90은 %TU90S와 %TU90P의 평균값임.
반사 밴드의 장파장 밴드 에지의 위치는 또한 때때로 특정 입사각에서의 반사 밴드의 적색 밴드 에지(red band edge. RBE) 또는 우측 밴드 에지로 지칭된다. 수직 입사에서 통과 편광의 상당한 반사율을 갖는 편광기의 경우, 통과 편광된 광에 대한 수직 입사에서의 반사 밴드는 차단 상태 광에 대한 수직 입사에서의 반사 밴드와는 상이하다. 그러한 경우에, 달리 기재되지 않는 한, RBE는 차단-편광된 광에 대한, 반사 밴드의 장파장 경계, 예를 들어 내부 반사율이 밴드 내에서 그의 평균값의 90%까지 감소하는 파장을 말한다.
전술된 바와 같이, 경사진 각도에서 통과축에 대해 또한 실질적으로 반사성인 반사 편광기가 제조될 수 있다. 높은 각도에서의 통과축 반사율은 s-편광된 광, p-편광된 광 중 어느 하나에 대해, 또는 둘 모두에 대해 크도록 조정될 수 있다. 이들 2개의 성분은 직교하는 방향들로부터 입사하지만, 둘 모두는 필름의 통과축을 포함하는 평면에 평행한 전계 벡터를 갖는다. 고 반사율이 p-편광된 통과축 광에 대해 요구되지만 s-편광된 통과축 광에 대해서는 그렇지 않은 경우, 큰 z-굴절률 차이 및 작은 y 굴절률 차이를 갖는 필름이 사용될 수 있다. 고 반사율이 s-편광된 통과축 광에 대해 요구되지만 p-편광된 통과축 광에 대해서는 그렇지 않은 경우, 큰 y-굴절률 차이 및 작은 z 굴절률 차이를 갖는 필름이 사용될 수 있다. 차단 편광 상태의 광에 대해 고 반사율을 제공하기 위해, x-굴절률 차이가 y-굴절률 차이보다 실질적으로 커야 함에 유의한다.
다시 도 5를 참조하면, 제1 재료(미세층(502))가 복굴절성이고 제2 재료(미세층(504))가 굴절률 n2를 갖는 등방성이도록 필름이 신장되거나 배향되고, 또한 Δnx > Δny > 0 > Δnz, 즉 Δnz는 음인 경우를 고려한다. 이러한 경우에, 제1 재료는 스택 내에서 가장 높은 굴절률(n1x)과 가장 낮은 굴절률(n1z) 둘 모두를 나타내지만, 그럼에도 불구하고 편의상 제1 재료를 고 굴절률 재료로, 그리고 제2 재료를 (초저 굴절률 재료와 혼동되지 않도록) 저 굴절률 재료로 때때로 지칭할 것이다. 통과축 s-편광된 광에 대해 고 비축 반사율을 나타내기 위해, 저 굴절률 층은 고 굴절률 재료의 n1y보다 실질적으로 낮은 굴절률 n2를 가져야 한다. p-편광된 광에 대해 고 반사율을 제공하기 위해, 동일한 저 굴절률 재료는 고 굴절률 재료의 n1z보다 실질적으로 높은 굴절률 n2를 가져야 한다. n2를 변경함으로써 이들 값들 중 하나를 최대화하는 것은 다른 것을 최소화할 것이며, 따라서 s-편광된 광과 p-편광된 광 둘 모두가 경사진 각도에서 최대로 그리고 거의 동등하게 반사되기 위해서, 복굴절 층의 y-z 굴절률 차이(n1y - n1z)가 최대화되어야 함이 명백하다. 차단축이 통과축보다 훨씬 더 많은 양의 광을 반사하기 위해 n1x는 n1y보다 실질적으로 커야하는 추가적인 제약이 있다.
통과축에 대해서 p-편광된 광과 s-편광된 광 둘 모두에 대해 고 반사성인 필름은 큰 -y 굴절률 차이 및 -z 굴절률 차이를 필요로 한다. 대부분의 다층 복굴절 반사 편광기는 텐터(tenter)에 의해서만 배향되는데, 즉 x 방향으로만 배향된다. 그러나, 이는 y 굴절률에 대해 제한된 범위의 값을 생성한다. y-굴절률은 필름을 y 방향으로 또한 배향시킴으로써 증가될 수 있다. 이는 동시 2축 신장 절차에서, 또는 순차적 신장으로 행해질 수 있다. 둘 모두의 예가 하기에 제공된다.
도 9와 관련하여, 비대칭 필름 처리 고려사항들 및 이들이 어떻게 미세층의 굴절률에 영향을 미치는지에 관해 추가의 설명을 제공하기 전에, 2-축 시준을 제공할 수 있는 구체적인 다층 편광 필름 실시예를 설명한다.
광학 필름 1.1 : 2-축 시준 필름, 550개의 미세층( 모델링됨 )
경사진 각도 반사율은 고 복굴절, 다수의 미세층, 또는 이들 둘 모두를 사용함으로써 향상될 수 있다. 이는 둘 모두의 접근법을 사용하는 실시예이다. 재료 1에 대해 적합하게 단축 배향된(uniaxially oriented) 90/10 coPEN을 그리고 재료 2에 대해 coPET를 나타내는 하기의 표에 열거된 굴절률을 사용하고, 또한 coPET 재료(1.555의 등방성 굴절률)의 스킨 층들이 550개의 미세층의 단일 스택의 양 면에 있다고 상정하면 - 미세층에는 평평한 스펙트럼에 대해 최적화된 연속적인 층 두께 프로파일이 제공되며, 미세층은 400 ㎚의 수직 입사에서 좌측 밴드 에지(left band edge, LBE)를 그리고 1150 ㎚의 수직 입사에서 우측 밴드 에지(RBE)를 제공함 -, 단축 배향된 필름의 각방향 반사율은 크게 증가될 수 있다.
Figure pct00006
계산된 (내부) 반사율 대 입사각 곡선이 도 8a에 플로팅되어 있으며, 여기서 입사각은 굴절률 1.2의 ULI 매체에 있는 것으로 상정된다. 이 도면에서, 곡선(810)은 RSblock(θ)와 RPblock(θ) 둘 모두를 나타내고, 곡선(812)은 RSpass(θ)를 나타내며, 곡선(814)은 RPpass(θ)를 나타낸다. s-편광된 광과 p-편광된 광 둘 모두에 대한 통과 상태 반사율이 가장 높은 각도에서 거의 0.9까지 증가함에 유의한다. 대부분의 각도의 경우에, 이들 반사율 값이 심지어 s-편광된 광에 대해 시스템 구조체에서의 표면 반사 및 계면 반사를 좌우할 것이다. 도 8b는 통과 편광과 차단 편광 둘 모두에 대한 우측 밴드 에지(RBE)의 위치를 굴절률 1.2 ULI 재료에서의 입사각의 함수로서 플로팅하고 있으며, 여기서 곡선(820)은 차단 상태 및 s-편광된 광에 대한 RBE 위치를 나타내고, 곡선(822)은 차단 상태 및 p-편광된 광에 대한 RBE 위치를 나타내며, 곡선(824)은 통과 상태 및 s-편광된 광에 대한 RBE 위치를 나타내고, 곡선(826)은 통과 상태 및 p-편광된 광에 대한 RBE 위치를 나타낸다.
중합체 및 공정의 선택이 또한 필름 제품의 가격 및 제조 수율에 영향을 미친다. 이러한 이유로, 상이한 저 굴절률 재료를 사용하거나, 편광기를 상이하게 처리하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 광학 필름 1.1의 550개 층 편광기를 제조하는 데 필요한 압출 장비는 다소 고가일 수 있고 설계가 어려울 수 있다. 하기에 설명되는 대안적인 접근법으로 제조된 275개 층 필름 2개를 라미네이팅하거나 공압출하는 것이 바람직할 수 있다.
임의의 주어진 입사각에 대한 반사율에 영향을 미치는 다층 광학 필름의 미세층에 대한 몇몇 굴절률 파라미터가 존재하며, 이러한 정보를 도 9에 요약한다. s-편광된 광에 대한 반사율은, 가로 좌표를 따라 우측으로 증가하는 Δny = n1y - n2y의 값에 따라 증가한다. p-편광된 광의 반사율은 Δny에 의존하지만, 또한 도 9의 수직축을 따라 증가하는 - Δnz = n2z - n1z에 크게 의존한다. 구속된 단축 배향된 필름의 경우, 고 굴절률 층의 최대 y-z 복굴절은 교번하는 층들 사이에서 달성될 수 있는 최대값 Δny 및 Δnz를 결정한다. coPEN 고 굴절률 층의 경우, 구속된 단축 배향된 PEN에 대해 가장 높은 y-굴절률이 약 n = 1.62이고, 가장 낮은 z-굴절률이 약 n = 1.50이기 때문에, 이러한 제한은 약 Δn = 0.12이다. 이러한 복굴절은, 폴리에스테르 필름 제조 분야에 공지된 바와 같이, PEN 함량을 최대화하고, 비교적 낮은 온도 또는 높은 연신비(draw ratio), 또는 이들 둘 모두에서 캐스트 웨브를 배향시킴으로써 성취될 수 있다.
쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능한 일부 다층 광학 필름 반사 편광기 제품, 즉 비퀴티™ DBEF-q 필름 및 비퀴티™ APF 필름의 굴절률 차이의 값 Δny 및 Δnz가 도 9의 선도에 도면부호(910, 912)들로 각각 표시되어 있다. 단축 배향된 다층의 경우, 경사져서 입사하는 s-편광된 광 및 p-편광된 광에 대한 반사율의 최대값은 이 선도의 대각선 방향의 점선(920)을 따른 굴절률 차이 값을 갖는 필름의 경우에 발생한다. s-편광된 광 및 p-편광된 광에 대해 동등한 반사율을 갖는 필름 1.1은 지점(Δny = 0.065, Δnz = 0.05)에서 이러한 선 상에 떨어진다. 그래프의 아래쪽 우측 코너에서, Δny가 크기 때문에 s-편광된 광에 대한 시준 포텐셜(collimating potential)이 최대이지만, Δnz가 0이고 p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각에 따라 변화하지 않을 것이기 때문에 p-편광된 광에 대한 시준 포텐셜은 0이다. 그래프의 위쪽 좌측 코너에서, 반사율은 p-편광된 광에 대해 크고 s-편광된 광에 대해 0이다. 지점(Δny, Δnz) = (0.04, 0.8) 부근에서, 반사율은 p-편광된 광에 대해 최대이다. 최대 복굴절을 갖는 coPEN 필름을 편광기 구조체에 사용할 때, 저 굴절률 층의 굴절률 값의 변화는 점선(920)의 설계 공간을 따라 이를 이동시킨다. 점선(920)의 좌측으로 점선 아래에 있는 모든 굴절률 세트는 주어진 입사각에서 광에 대해 더 낮은 반사율을 갖는다. 점선의 우측으로 점선 위에 있는 모든 굴절률 세트는 동일한 입사각에서 더 큰 반사율을 제공할 것이다. 지점(916)은 광학 필름 3.4를 나타낸다.
굴절률 차이 Δny 및 Δnz, 그리고 그에 따라 경사진 광에 대한 반사율을 증가시키는 것은, 필름을 기계 방향(machine direction, MD) 또는 y-방향으로 부가적으로 배향시킴으로써 위에서 논의된 것과 동일한 재료 세트로 성취될 수 있다. 이러한 공정은 자연적으로 x-방향의 굴절률을 낮출 것이며, 따라서 이는 이러한 접근법에 제한을 둔다. 그러나, 이는 필름이 도 9의 점선(920)의 우측으로 점선 위에 있는 공간에서 작동하는 것을 허용한다. 예를 들어, 지점(918)은 필름을 MD 방향으로 배향시키고 이어서 열경화시킴으로써 제조될 수 있는 반사 편광 필름을 나타낸다. 그러한 필름은 본 명세서에서 광학 필름 1.2로 언급되며 아래에서 추가로 설명된다. 지점(914)은 광학 필름 1.2의 설명에 따라, 그러나 필름을 MD 또는 y-방향으로 배향시킴이 없이 제조된 필름을 나타낸다.
일반적으로, 상기의 공정은 비대칭 2축 배향으로 지칭된다. 이러한 공정에 의해, coPEN의 y-굴절률이 증가될 수 있다. z-굴절률이 1.5인 상태에서 약 1.75까지 증가하는 ny의 제한에서, nx는 약 1.75까지 감소하며, 이 지점에서 필름은 대칭 미러가 된다. 굴절률 n1y의 일부 중간값에서, 필름은 여전히 효과적인 편광기일 것이며 통과축 광에 대한 반사율은, 심지어 275개의 층과 같은 낮은 층 총수에 대해서 클 것이다. 이어서 2개 이상의 그러한 필름이 원하는 경우 하기의 실시예에 의해 예시되는 바와 같이 라미네이팅될 수 있다.
광학 필름 1.2 : 2-축 시준 필름, 275개의 미세층( 모델링됨 )
교번하는 미세층들에 대해 하기의 표에 기재된 굴절률 특성을 획득하기 위해, 90/10 coPEN 및 PETg의 교번하는 층들의 다층 재료 스택이 공압출되고 대략 y-방향으로 3:1 그리고 x-방향으로 5:1로 배향될 수 있으며, 그 후에 고온 열경화가 행해진다.
Figure pct00007
생성된 비대칭 배향된 다층 광학 필름이 275개의 미세층의 단일 패킷을 갖는 것으로 상정되는 경우 - 이때 등방성 PETg의 스킨 층들이 패킷의 양 면에 있고, 미세층에는 평평한 스펙트럼에 대해 최적화된 연속적인 층 두께 프로파일이 제공되고 미세층은 400 ㎚의 수직 입사에서 좌측 밴드 에지(LBE)를, 그리고 1150 ㎚의 수직 입사에서 우측 밴드 에지(RBE)를 제공함 -, 계산된 반사율 특성이 도 10에 도시되어 있는 반사 편광 필름이 생성된다. 그 도면에서, 곡선(1010)은 RSblock(θ)을 나타내고, 곡선(1012)은 RPblock(θ)을 나타내며, 곡선(1014)은 RPpass(θ)를 나타내고, 곡선(1016)은 RSpass(θ)를 나타낸다. 선(1018)은 90도의 공기에서의 입사각에 대응하는 ULI 굴절률 1.2 매체에서의 입사각을 나타낸다.
광학 필름 1.3 : 2-축 시준 필름, 275개의 미세층 x 2 패킷
광학 필름 1.2의 2개가 함께 라미네이팅되어 총 550개의 층(그러나 저 굴절률 미세층에 사용되는 재료의 광학적으로 두꺼운 층에 의해 서로 분리되는 2개의 상관성 패킷으로 배열됨)을 갖는 광학 필름 1.3을 생성하는 경우, 도 11에 도시된 계산된 반사율이 생성된다. 그 도면에서, 곡선(1110)은 RSblock(θ)을 나타내고, 곡선(1112)은 RPblock(θ)을 나타내며, 곡선(1114)은 RPpass(θ)를 나타내고, 곡선(1116)은 RSpass(θ)를 나타낸다. 선(1118)은 90도의 공기에서의 입사각에 대응하는 ULI 굴절률 1.2 매체에서의 입사각을 나타낸다.
몇몇 2-축 시준 다층 반사 편광 필름을 설명하였으며, 추가의 1-축 및 2-축 시준 반사 편광 필름들을 설명하기 전에, 이제 필름이 사용될 수 있는 라미네이트 구조체들 중 일부로 관심을 돌려본다. 백라이트 및 LC 패널과 같은 광학 디스플레이에 대한 응용이 약간 강조되었을지라도, 본 명세서를 읽는 사람은 개시된 필름 및 라미네이트에 대한 다른 응용이 또한 고려됨을 이해하여야 한다. 많은 경우에, 라미네이트 구조체는 적어도 4개의 요소, 즉 개시된 1-축 또는 2-축 시준 다층 반사 편광 필름, ULI 재료의 광학적으로 두꺼운 층, 다층 필름 내로 초임계 광을 주입하기 위한 층 또는 다른 메커니즘, 및 시스템의 밖으로 초임계 광의 일부를 추출하기 위한 층 또는 메커니즘을 포함한다. 마지막의 것은 표면 구조체를 갖는 임의의 층, 또는 LCD TV 패널과 같은 내부 확산 및 흡수 요소들을 갖는 두꺼운 층일 수 있다.
도 12는 LC 패널(1212)을 포함하는 라미네이트 구조체(1210)의 개략 측면도를 도시하고 있다. 구조체(1210)는 또한 본 명세서에 개시된 바와 같은 반사 편광 다층 광학 필름(1214)들 중 임의의 것, ULI 재료의 광학적으로 두꺼운 필름 또는 층(1216), 및 확산기 층(1218)을 포함한다. 아래로부터 구조체(1210)에 입사하는 백라이트로부터의 광은 다양한 층을 통해 진행하여 관찰자용 디스플레이를 조명한다.
침지형 반사 편광기(1214)의 재순환된 경사진 통과축 광은 조명 시스템의 축상 발광 이득을 증가시키는 동시에 조명 시스템의 경사진 각도 출력을 감소시킨다. 확산기 층(1218)은 예를 들어 50% T, 60% T, 또는 70% T 확산기 플레이트에 대한 대체물과 같은 상당한 반사를 갖는 중형 확산기일 수 있거나, 프리즘형, 비드형, 또는 렌즈릿(lenslet) 어레이와 같은 미세구조화된 표면일 수 있다. 추가 확산기 층이 또한 반사 편광기(1214)와 LCD 유리 패널(1212) 사이에 부가될 수 있다. 그러한 추가 확산기는 예를 들어 반사 편광기가 일부 바람직하지 않은 색상을 갖는 경우 바람직할 수 있다. 대안적으로, 추가 확산기는 반사 편광기에 의해 투과되는 광을 추가로 시준하는 데 도움을 주는 미세구조체의 형태일 수 있다. 확산기가 미세구조화된 표면의 형태를 취하는 경우, ULI는 LCD 패널(1212)과 미세구조화된 표면 사이에 배치되어야 한다. 대안적으로 더 높은 효율을 위해, 제1 ULI 층을 도 12에 도시된 위치에 유지하면서 제2 ULI 층이 그 계면에 삽입될 수 있다.
도 13은 에지형 또는 직하형 백라이트 또는 그의 일부분을 형성하기 위해, 본 명세서에 개시된 바와 같은 적어도 하나의 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률 층(1316) 및 다층 반사 편광 필름(1314)을 포함하는 다른 라미네이트 구조체(1310)의 개략 측면도이다. 층(1312)은 반사 편광기 내에 존재할 수 있는 색상을 은폐하는 데 도움을 주는 반-경면일 수 있는 확산기 층이거나, 광을 확산시키고 또한 반사 편광기에 의해 투과되는 광을 시준하는 데 도움을 주는 구조화된 표면, 예를 들어 선형 프리즘 표면일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 층(1318)은 직하형 백라이트 구성에서 LED들 또는 다른 적합한 광원(도시되지 않음)들의 어레이 위에 위치되는 확산기 플레이트일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 대안적으로, 층(1318)은 중실형(solid) 도광체일 수 있거나 이를 포함할 수 있으며, 이 경우에 LED(1320) 또는 다른 적합한 광원이 하나 이상의 측면 또는 단부 표면을 통해 초임계각 광을 시스템 내로 주입할 수 있다. 이는 도 14의 정면도 또는 평면도에 더 명확하게 도시되어 있으며, 여기서 요소(1410)는 라미네이트(1310) 또는 그의 층(1318)을 나타내고, 영역(1412a 내지 1412d)들은 광원이 광을 도광체 내로 주입하기 위해 배치될 수 있는 가능한 위치를 나타낸다. 광원(들)이 영역(1412b, 1412d)들 중 하나 또는 둘 모두에 배치되는 경우, 초임계 광 전파와 관련된 문제들은 y-축보다는 x-축에 평행한 축들을 따라 더 심각할 수 있다(참조 목적을 위해 도면의 x-y-z 축을 주목). 유사하게, 광원(들)이 영역(1412a, 1412c)들 중 하나 또는 둘 모두에 배치되는 경우, 초임계 광 전파와 관련된 문제들은 x-축보다는 y-축에 평행한 축들을 따라 더 심각할 수 있다.
도 15 내지 도 18은 디스플레이 패널 및 개시된 반사 편광 필름을 포함하는 다양한 여러 라미네이트 구조체를 도시하고 있다.
도 15에서, 라미네이트 구조체(1510)는 LC 디스플레이 패널과 같은 디스플레이 패널(1512), 광학적으로 두꺼운 광학 접착제 층(1514), 본 명세서에 개시된 바와 같은 다층 반사 편광 필름(1516), 및 편광 필름(1516)에 적용되는 비드형 이득 확산기 등과 같은 확산 층(1518)을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 접착제 층(1514)은 ULI 재료보다는 대략 1.5의 굴절률을 가질 수 있는 종래의 접착제 재료로 구성될 수 있다. 따라서, 구조체(1510)는 도시된 요소들 사이에 공기갭을 포함하지 않을 뿐만 아니라, 내부에 ULI 층을 포함하지 않을 수 있다. 그러한 비-ULI 실시 형태가 하기에서 추가로 논의된다. 구조체(1510)는 아래로부터 구조체(1510) 및 패널(1512)을 조명하도록 위치될 수 있는 적합한 백라이트와 조합될 수 있다.
도 16에, 도 15의 구조체(1510)와 유사한 라미네이트 구조체(1610)가 도시되어 있으며, 여기서 유사한 구성요소에는 유사한 도면 부호가 부여된다. 도 16의 실시 형태에서, 광학적으로 두꺼운 ULI 층(1612)이 다층 반사 편광 필름(1616)과 종래의 광학 접착제 층(1514) 사이에 제공된다. ULI 층(1612)이 라미네이트 내에 배치(예를 들어, 반사 편광기(1616)와 확산 층(1618) 사이에 있도록 재배치될 수 있음)되는지 여부에 따라, 그것은 층(1514)의 종래의 접착제 재료보다 훨씬 더 큰 정도까지, 반사 편광기에서의 크게 경사진 광의 전파를 제한하거나, 그러한 크게 경사진 전파 광을 다시 반사 편광기를 향해 방향전환시키는 역할을 할 수 있다. 그 결과, 반사 편광 필름(1616)에 대한 반사 밴드의 대역폭은 도 15의 편광 필름(1516)의 대역폭보다 상당히 작도록 될 수 있다.
도 17에서, 라미네이트 구조체(1710)에는 몇몇의 추가 확산 또는 시준 요소가 제공된다. 이러한 경우에, 선형 프리즘 BEF 필름과 같은 구조화된 프리즘 표면 필름을 포함하는 층(1709)이 제공된다. 층(1709)에서, 프리즘들이 필름 기재 상에 배치되어 있으며, 이때 프리즘 첨단부(point)는 접착제 층(1514)에 근접해 있거나 이와 접촉한다. 프리즘과 접착제 층 사이의 공간은 ULI 재료에 의해 충전된다. 따라서 층(1709)의 ULI 재료는 프리즘을 평면화시킨다. 층(1711)은 다른 종래의 광학 접착제 층이다. 층(1712)은 광학적으로 두꺼운 ULI 층이다. 층(1716)은 본 명세서에 개시된 바와 같은 다층 반사 편광 필름이다. 층(1718)은 비드형 이득 확산기와 같은 확산 층이다.
도 18에서, 라미네이트 구조체(1810)는, 이미 논의된 다른 요소 외에, 도시된 바와 같이 배열되어 있는, 광학적으로 두꺼운 ULI 층(1812), 본 명세서에 개시된 바와 같은 다층 반사 편광 필름(1816), 및 체적 확산기 층(1818)을 포함한다.
도 16 내지 도 18은 디스플레이 패널, 다층 반사 편광 필름, 및 광학적으로 두꺼운 초저 굴절률 층을 포함하는 라미네이트 구조체의 개략 측면도이다.
몇몇의 상이한 라미네이트-온-디스플레이 패널(laminate-on-display panel) 구조체들을 설명하였으며, 예시적으로 라미네이트-온-도광체(laminate-on-light guide) 구조체(1910)에 대한 도 19를 참조한다. 이러한 실시 형태에서, BEF 프리즘 필름에 사용되는 것과 같은 프리즘 구조체(1912)가 본 명세서에 개시된 바와 같은 다층 반사 편광 필름(1914)에 적용된다. 이러한 경우에, 프리즘은 공기에 노출되고, 편광 필름(1914)을 통과한 광을 디스플레이 패널 또는 관찰자를 향해 대체로 상향으로 투과시킨다. 그러한 광은 중실형 도광체(1924)의 에지에서 에지형 구성으로 도시되어 있는 광원(1930a, 1930b)들로부터 유래한다. 도광체(1924)에는 종래의 추출기(1926)들의 패턴이 제공된다. 도광체(1924)의 바닥으로부터 빠져나온 광은 백색 후방 반사기(1928)에 의해 반사된다. 감압 접착제 층(1922)이 단계적으로 변하는(graded) 굴절률 ULI 층(1920), 고 헤이즈 ULI 층(1918)(이는 또한 체적 확산기일 수 있음), 및 저 헤이즈 ULI 층(1916)을 포함한, 위에 있는 다른 구성요소에 도광체(1924)를 접착시킨다.
추가 논의
전술된 바와 같이, 반사 편광기 성능의 몇몇 파라미터들은 LCD 백라이트, 또는 높은 각도에서의 세기(intensity)의 감소 및/또는 향상된 축상 세기를 요구하는 임의의 다른 편광된 조명 시스템에서의 유용성에 관하여 중요할 수 있다. 이들 파라미터는 위에서 논의된 %T block 및 %T00를 포함한다. 통과 상태의 s-편광 성분 및 p-편광 성분에 대한 투과율 값이 경사진 각도에서 서로 유사할 수 있는 2-축 시준 침지형 반사 편광기의 경우에, 파라미터는 또한 %TA60, %TA90, 및 %TU90을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 s-편광 성분과 p-편광 성분의 평균값이다.
이들 투과율 값은 이들이 적용될 수 있는 시스템의 요건으로 인해 소정 범위의 바람직한 값을 갖는다. 또한, 필름에 대한 이들 파라미터 중 하나를 변화시키는 것은 다른 파라미터들 중 하나 이상을 변화시킬 것이기 때문에 상반관계(trade-off)가 존재한다. 이에 대한 하나의 이유는 임의의 재료로부터 이용가능한 복굴절의 한계이다. PEN 및 PET와 같은 중합체는 반-결정질 중합체 필름에서 중합체 미결정들 및 분자 사슬들 중 일부의 배향으로 인해 복굴절을 나타낸다. 결정 및 분자 질서를 발생시키는 이러한 공정은 일반적으로 필름의 배향으로 지칭된다. 중합체 필름은 x 방향 또는 y 방향 중 어느 하나, 또는 둘 모두의 방향으로 배향될 수 있다. 임의의 방향으로의 필름의 배향은 그 방향에서뿐만 아니라, 다른 2개의 방향에서 반사율에 영향을 미칠 것이다. z 굴절률은 필름이 x 방향과 y 방향 둘 모두로 고도로 배향되는 경우 최소화될 것이다. x-굴절률은 최대값까지 증가될 수 있지만, 이는 y-굴절률을 최소값까지 감소시키는 희생이 있어야만 한다. 이들 특성은 공지되어 있지만, 전술된 5개의 파라미터를 최적화하는 것과 관련된 상반관계를 논의하기 위해 본 명세서에 재언급된다. 예를 들어, 고 굴절률 층의 y 굴절률을 증가시키기 위해 필름을 처리하는 것은 %T00를 감소시킬 것이지만, 이는 또한 x-굴절률을 감소시켜서, %T block을 증가시킬 것이다. 1차 근사에 대해, x 굴절률, y 굴절률, 및 z 굴절률의 합계는 일정하다. x 방향 또는 y 방향 중 어느 하나, 또는 둘 모두의 방향으로의 최대 배향에 의해, z 굴절률은 폴리에스테르 기반의 시스템에 대해, 그리고 마찬가지로 다른 이른바 "양의 복굴절 시스템"에 대해 최소화된다. y 방향으로의 배향의 증가를 수반하는 x-방향으로의 감소와 같은 배향의 비대칭은 z 굴절률을 대략 일정한 상태가 되게 할 수 있다.
LCD 패널의 흡수 편광기에서의 흡수를 통해 차단축 편광을 갖는 광의 손실을 감소시키기 위해, LCD 백라이트에 대한 %T block의 값을 최소화하는 것을 원할 수 있다. 그러나, %T block이 고 굴절률 층에 대해 큰 값의 nx를 요구하기 때문에, y 굴절률은 nx가 Tblock이 너무 크게 되는 지점까지 감소할 정도로 큰 값까지 증가되어서는 안된다. 일반적으로, %T block은 바람직하게는 수직 입사에서 가시 스펙트럼에 걸쳐 15% 또는 20%의 평균값보다 작다. 10% 미만 또는 5% 미만의 %T block의 값이 더 바람직하다.
예시적인 실시 형태에서, %T00는, 특히 재순환 시스템이 반사된 통과축 광선을 다시 필름으로 복귀시키는 데에 있어서 효율적이지 않은 경우, 통과축 광의 상당량이 최종 사용까지 투과될 정도로 충분히 높게 된다. 시스템 요건이 s-편광된 통과축 광에 대한 고 반사율을 포함하는 경우, 중간 정도의 내부 반사율이 수직 입사에서 요구될 것이다. s-편광된 광은 교번하는 미세층들의 y 굴절률에 있어서 부정합이 있는 경우에만 반사된다. 층들의 수뿐만 아니라 이러한 부정합이 또한 %T00의 값을 결정한다. s-편광된 광의 상당량을 반사하는 임의의 필름은 또한 수직 입사에서 광의 상당량을 반사할 것이다. 따라서, s-편광된 광의 강한 반사를 위해 의도되는 필름은 20% 이상 그리고 더 전형적으로는 30% 또는 심지어 50% 또는 60%의 수직 입사에서의 내부 반사를 요구할 수 있다. 백라이트 시스템이 더 효율적일수록, %T00의 허용가능한 값은 낮아질 수 있다. 따라서, 내부 투과율 %T00는 값이 40% 내지 80%만큼 높은 범위일 수 있다.
%TA60의 값은 %T00의 값에 크게 의존할 것이다. 전술된 바와 같이, %T00는 s-편광된 광에 대한 상당한 반사율을 획득하기 위해 100%보다 실질적으로 작을 필요가 있을 수 있다. %T00가 감소되는 경우, 필름에 브루스터 각이 존재하지 않는다면 %TA60이 또한 감소될 것이다. 따라서, 더 유용한 파라미터는 %TA60/%T00의 비이다. 광각 또는 램버시안 광원의 것으로부터 디스플레이의 시야 원추의 폭 또는 조명기구의 각방향 출력을 감소시키기 위해, 비 %TA60/%T00는 감소되어야 한다. 많은 디스플레이 및 광원의 경우, 60도에서의 휘도는 바람직하게는 축 또는 0도 휘도보다 훨씬 작다. 본 명세서에 기재된 필름에 대한 %TA60/%T00의 유용한 값은 0.85 내지 임의의 더 낮은 값의 범위이다.
%TA90 및 %TU90은 둘 모두가 바람직하게는 이들 구조체에서 최소화되는데, 그 이유는 이러한 값이 얼마나 많은 양의 높은 각도 광이 도 4의 갭 영역에서 차단되지 않는지를 나타내기 때문이다. 따라서 %TA90/%T00의 비 및 %TU90/%T00의 비가 또한 최소화된다. 1.2 굴절률 ULI에서 56.4 내지 90도에서 전파하는 광선들은 공기로부터 주입될 수 있는 각도보다 큰 각도에서 전파된다. 이들은 ULI 계면에서 TIR에 의해 차단되지 않으며, 따라서 이들은 바람직하게는 통과 편광과 차단 편광 둘 모두에 대해 반사 편광기로부터의 반사에 의해 차단된다. %TA90이나 %TU90 어느 것도 공기에서 측정될 수 없을지라도, 이들은 그럼에도 불구하고 더 낮은 각도 측정값으로부터 외삽법에 의해 추정될 수 있거나, 공지된 굴절률의 광학적으로 결합된 프리즘을 통해 직접 측정될 수 있음에 유의한다.
60도의 공기에서의 전파 각도는 도 8a, 도 10, 및 도 11에 도시된 모델링된 곡선에 대한 매체였던 굴절률 1.20의 매체에서의 46.2도에 대응한다. 위에서 정의된 5개의 파라미터는 이들 도면의 곡선으로부터 직접 획득될 수 있다. 굴절률 1.2의 ULI에서의 90도의 전파 각도는 굴절률 1.52의 재료에서의 52도의 각도와 동등하다. 공기에서의 90도의 전파 각도는 굴절률 1.52의 재료에서의 41.1도의 전파 각도와 동등하다. 따라서, T90A 및 T90U는 45도 유형 및 적절한 각도로 회전 중 어느 하나로 필름을 유리 프리즘들 사이에 라미네이팅함으로써, 또는 수직 입사가 프리즘 면에서 사용될 수 있게 하는 특수 절단 각도를 갖는 프리즘을 사용함으로써 측정될 수 있다.
복굴절 층들에 대한 배향 공정에 의해, 또는 중합체 층들의 재료 조성을 변화시키는 것에 의해, 다양한 굴절률을 변화시킴으로써 많은 필름 구조체들이 가능하다. 또한, 층들의 수 또는 광학적 스택 설계가 변화될 수 있다. 전술된 광학 필름 1.1, 광학 필름 1.2, 및 광학 필름 1.3과, 후술될 광학 필름 2.1, 광학 필름 2.2, 및 광학 필름 2.3을 포함한 다양한 실시 형태에 대한 결과가 표 A 및 표 B에 열거되어 있다.
[표 A]
Figure pct00008
[표 B]
Figure pct00009
최소 수의 층으로 광대역 반사기에 대한 가장 높은 반사율을 생성하기에 가장 효율적인 스택 설계는 스택의 하나의 표면으로부터 다른 표면까지 1/4 파장 두께 값에서 연속적인 단계적 변화를 갖는 것이다. 광학 필름 1.1은 550개의 연속적으로 단계적으로 변하는 층으로 이러한 방식으로 설계된다. 그러나, 성공적인 제품을 위한 광학적 설계의 선택은 종종 재료 및 장비 비용과 같은 제조 비용에 의해 제한된다. 반사율이 도 11에 도시되어 있는 광학 필름 1.3은 각각 275개의 층으로 된, 별개로 제조된 2개의 단계적으로 변하는 스택을 라미네이팅하거나 공압출함으로써 제조되도록 설계된다. 2개의 개별적인 반사기는 서로에 대해 광을 상관적으로 반사하지 않으며, 평균적으로 2개의 반사기의 비-상관형 조합에 대한 "파일 오브 플레이트(pile of plate)" 공식을 사용해 반사율의 증가를 제공한다:
R = {R1+R2*(1-2*R1)}/(1-R1*R2).
필름들의 그러한 조합은, 도 10 및 도 11과 비교함으로써 알 수 있는 바와 같이, %TA90 또는 %TU90 또는 %T block에 대해서보다 %T00에 대해서 반사율을 증가시킴에 있어서 더 효과적이다.
추가 실시 형태
광학 필름 2.1 : 2-축 시준 필름, 550개의 미세층( II )
광학 필름 1.1은 텐터링(tentering)만 행해진 필름으로부터 비대칭의 2축 배향된 필름으로 배향을 변화시킴으로써 그리고 재료 층에서의 작은 변화에 의해 변경될 수 있다. 이는 고 굴절률 층의 굴절률을 (1.83, 1.62, 1.505)로부터 약 (1.80, 1.66, 1.505)로 변화시키는 방식으로 행해질 수 있다. 이러한 공정을 용이하게 하기 위해 고 굴절률 층의 조성에 있어서 미미한 변화가 이루어질 수 있다. 저 굴절률 층은 1.555로부터 1.58로 변화될 수 있다. 위의 표 A 및 표 B로부터, 이는 %T00을 약간 감소시키지만, %T90 값과 비 %TA60/%T00 및 비 %T90/%T00 모두를 현저하게 감소시킴에 유의한다.
광학 필름 2.2 : 2-축 시준 필름, 1000개의 미세층
광학 필름 1.1의 고 굴절률 층은 coPEN으로부터 PET로 변화될 수 있으며, 이는 큰 재료 비용 이점을 가질 수 있다. 그러나, 이제는 1000개의 연속적으로 단계적으로 변하는 층이 필요하기 때문에, 장비 및 처리 비용이 영향을 받을 수 있다. nx = 1.71, ny = 1.59 및 nz = 1.50의 굴절률은 구속된 단축 방식(표준 필름 텐터)으로 배향되는 PET 필름으로 용이하게 획득되며, 이때 저 굴절률 재료는 n = 1.55이다. 광학적 성능은 위의 표 A 및 표 B에 열거되어 있는 값들에 의해 아는 바와 같이 PEN계의 필름과 유사하다.
광학 필름 2.3 : 1-축 시준 필름, 275개의 미세층 x 1 패킷
강한 s-편광 반사 필름이 275개의 층만으로 제조될 수 있다. nx = 1.82, ny = 1.62, 및 nz = 1.505의 굴절률을 갖는 고 굴절률 층 및 1.505의 굴절률을 갖는 저 굴절률 층, 275개의 층 및 구속된 단축 신장을 사용해, 표 A 및 표 B에 열거된 성능 값이 얻어질 수 있다. T60P/T00에 대한 모든 비는 대략 1.0과 동일한데, 즉 p-편광된 광에 대한 반사율은 각도에 따라 증가하지 않음에 유의한다. T60S/T00에 대한 비는 표 B의 임의의 실시예 중 가장 낮다. 이러한 모델링된 실시예는 광학 필름 3.4와 유사하다.
광학 필름 3.1 : 2-축 시준 필름, 275개의 미세층 x 2 패킷( III )
광학 필름 3.1의 제조 과정에서, 교번하는 저 굴절률 중합체 및 고 굴절률 중합체의 다층 구조체의 캐스트 웨브를 오프라인 배치 필름 신장 장치(offline batch film stretching apparatus)에서의 나중의 2축 배향을 위해 냉각된 캐스팅 휠 상으로 압출하였다. 광학 필름이 오프 라인 장비에서의 배향 후에 원하는 광학적 특성을 갖는 것을 보장하기 위해, 이러한 캐스트 웨브의 정확한 층 두께 값을 제공하는 데 필요한 압출 공정 조건을 하기의 방법에 의해 검토하였다.
피드블록 방법(예를 들어, 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등) 참조)을 사용해, 교번하는 저 굴절률 중합체 재료 및 고 굴절률 중합체 재료의 275개 층의 2개의 유사한 패킷을 공압출하고 후속적으로 층들의 2개의 패킷을 결합함으로써, 교번하는 저 굴절률 중합체 층 및 고 굴절률 중합체 층의 반사 편광기를 제공하기 위한 캐스트 웨브를 제조하였다. 각각의 275개 층 패킷에 대해, 고 굴절률 층을 90/10 coPEN(90% 에틸렌 나프탈레이트 반복 단위 및 10% 에틸렌 테레프탈레이트 반복 단위를 포함하는 코폴리에스테르)으로 제조하였다. 저 굴절률 층을 55 중량%의 PETg GN071(이스트만 케미칼즈(Eastman Chemicals)로부터 입수가능함)과 45 중량%의 90/10 coPEN의 혼합물을 압출기에서 블렌딩함으로써 제조하였다. 저 굴절률 재료 중 15%를 용융물 트레인(melt train)으로부터 유용하여 공압출 공정 동안에 보호 경계 층을 형성하였다(275개 층 압출물의 각각의 면에 7.5%). 100% PETG GN071의 스킨 층을, 압출 다이 직전에서, 필름의 각각의 면에 12%씩, 총 용융물 유동의 24%의 비율로 용융물 유동에 적용하였다.
이러한 예비 캐스트 웨브를 이어서 표준 필름 제조 텐터에서 배향시켰다. 캐스트 웨브를 텐터에서 약 157℃에서 18초 동안 예열하였다. 그 다음에 필름을 154℃에서 4.5초 동안 약 60%/초의 초기 속도로 그리고 이어서 18초 동안 약 15%/초의 속도로 x-축을 따라 신장시켰다. x 방향의 총 전체 신장비(stretch ratio)는 약 5.5:1이었다. 이어서 필름을 폭의 약 1% 내에서 잡아당기면서 227℃에서 18초 동안 열경화시켰다.
층들의 각각의 패킷 내의 저 굴절률 재료 및 고 굴절률 재료의 상대 압출 속도를, 완성된 필름 내의 인접 재료 층들이 각각 대략 동일한 광학적 두께를 갖도록 조정하였다. 열거된 재료, 캐스팅 속도, 및 배향 조건은 약 n1x = 1.82, n1y = 1.62, n1z = 1.505 및 n2 = 1.595의 굴절률 세트를 생성하도록 의도하였으며, 이때 저 굴절률 층과 고 굴절률 층 둘 모두는 가장 얇은 층에 대해 약 425 ㎚로부터 반사되도록 조정되고 각각의 패킷의 가장 두꺼운 층에 대해 약 1150 ㎚ 광을 반사하도록 두께가 멱법칙 프로파일(power law profile)로 단조 증가하는, 차단축에 대한 1/4 파장 광학적 두께를 가졌다. 압출 캐스팅 휠 속도를 생성된 반사 밴드가 이러한 파장 범위에 걸치도록 조정하였다. 멱법칙 프로파일의 형상을 생성된 스펙트럼이 각각의 패킷에 대해 스펙트럼의 대부분에 걸쳐 비교적 평평하도록 선택하였다. 스펙트럼 형상을 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등)에 개설된 축방향 로드 기술(axial rod technique)을 사용해 미세 조정하였다. 최종 배향된 필름에서, 스킨 층들은 각각 두께가 약 11 마이크로미터였다. 완성된 필름 총 두께는 두께가 약 90 마이크로미터였다.
2축 배향된 필름은 방금 설명된 필름과 대략 동일한 스펙트럼 범위에 걸쳐 반사하여야 한다. 그러나, 전술된 x-방향의 신장을 사용하면서 y 방향으로 2:1 또는 3:1만큼 배향되어야 하는 경우, 캐스트 웨브는 2:1 또는 3:1의 동일한 양만큼 더 두껍게 될 필요가 있다. 이러한 실시예의 경우, 이어서 캐스팅 휠을 2.5:1만큼 감속하여 전술된 예비 캐스트 웨브와 비교해 그 비율만큼 캐스트 웨브를 두껍게 하였다.
2.5배 더 두꺼운 캐스트 웨브를 인접 측면들에서 127 ㎜ × 254 ㎜의 직사각형 조각들로 절단하였다. 이어서 이들 조각을 독일 시그스도프 소재의 브루크너(Brueckner)로부터 구입한 카로(Karo) IV 필름 신장기에서 신장시켰다. 캐스트 웨브를 먼저 135℃에서 90초 동안 예열하고 이어서 단축에서 50%/초의 속도를 사용해 단축과 장축 둘 모두를 따라 동시에 신장시켰다. 신장 공정은 양 축에서 동시에 개시되고 종료되며, 따라서 장축 신장은 단축보다 2.5/5.5배 느린 속도로 행해진다. 이어서 필름을 230℃에서 30초 동안 열경화시켰다. 프로그래밍된 신장비들은 각각 12.7 ㎜ 방향 및 25.4 ㎜ 방향에서 5.5 × 2.5여서 형상이 대략적으로 정사각형이고 치수가 620 ㎜ × 600 ㎜인 완성된 필름 샘플을 제공하였다. 기계는 샘플의 각각의 변에 대해 5개의 클립만을 가지며, 필름의 실질적인 넥-인(neck-in)이 각각의 조각의 긴 에지 상의 각각의 클립에서 발생하였고 일부의 넥-인이 짧은 변을 따라 발생하였다. 이는 4.8 × 2.7의 실제 신장비의 결과를 가져왔다. 실제 신장비는 영구적인 마커로 캐스트 웨브 상에 격자 눈금을 마킹하고 이어서 그 격자 눈금의 확장을 측정함으로써 측정하였다. LCD TV 패널에 대한 나중의 측정을 위해 325 ㎜ × 425 ㎜의 부분 크기를 획득하였다. 필름 두께는 이러한 샘플 영역에 걸쳐 약 +/-10%까지 균일하였다. 가장 극심한 캘리퍼스 편차(caliper variation)를 나타내는 영역을 절단해 제거하였으며, 약 +/-5% 캘리퍼스 편차를 갖는 더 작은 부분을 나중의 측정을 위해 사용하였다.
글랜-톰슨(Glan-Thompson) 편광 프리즘이 장착된 다이오드 어레이 분광 광도계를 사용해 수직 입사에서 그리고 60도 입사각에서 차단축과 통과축 둘 모두에 대해 필름의 가장 두꺼운 부분들 중 하나로부터 편광된 투과 스펙트럼을 획득하였다. 수직 입사에서의 차단축 스펙트럼(곡선(2012)) 및 통과축 스펙트럼(곡선(2010))이 도 20a에 플로팅되어 있다. 수직 입사에서의 차단축 및 통과축에 대한 적색 밴드에지는 대략 1160 ㎚ 및 1100 ㎚이다. 차단축의 좌측 밴드에지는 도면에서 약 445 ㎚에 있는 것으로 명확히 알 수 있다. 이러한 필름은 수직 입사에서 일부 청색 광을 투과시킬 것이며, 이들 부분은 나중의 측정을 위해 적어도 425 ㎚ 아래에 있는 좌측 밴드에지를 갖는 약간 더 얇은 필름 부분을 위하여 폐기하였다.
이러한 필름의 s-편광 스펙트럼에 대한 공기에서 60도에서의 투과율 측정값(곡선(2022)) 및 p-편광 스펙트럼에 대한 공기에서 60도에서의 투과율 측정값(곡선(2020))이 도 20b에 도시되어 있다. 그 뒤에, 필름의 동일한 조각을, 대각선을 따라 필름과 함께 큐브(cube)를 형성하는 굴절률 정합 유체를 갖는 BK-7 유리(633 ㎚에서 nd = 1.517 및 n
Figure pct00010
1.515)의 90도 프리즘들 사이에 라미네이팅하였다. p-편광된 통과축 스펙트럼이 45도에서 1.517의 침지 굴절률을 갖도록 측정될 수 있도록 필름을 회전 배향시켰다. 이러한 스펙트럼이 또한 도 20b에 곡선(2024)으로서 플로팅되어 있다. 프리즘 내의 필름에 대한 45도 각도는 공기로부터의 90도보다 크며, 굴절률 1.2의 필름에서 약 63도와 동등하다.
공기에서의 통과축 60도 s-편광 스펙트럼 및 p-편광 스펙트럼에 대한 적색 밴드에지는 각각 대략 970 ㎚ 및 920 ㎚이며, BK7 유리 큐브에서 45도에서 p-편광 스펙트럼에 대해 790 ㎚이다. 400 ㎚ 내지 적색 밴드 에지(차단축 스펙트럼에 대해 450 내지 BRE)의 각각의 스펙트럼에 대한 평균 투과율은 다음과 같다: 차단 = 12%, 통과 = 62%, T s-편광 60 = 33%, T p-편광 60 = 37%, T p-편광 45-프리즘 = 12.3%. 공기 계면으로부터의 반사율이 감산될 수 있어서, 스킨 층이 1.564의 굴절률을 가짐을 알 수 있다. 공식은 T 내부 = 1-(1-R-(1+R)*T)/(1-R-2*R*T)이며, 여기서 R은 2개의 필름 표면 각각에서의 반사율이고 T는 필름의 측정된 총 투과율이다. 계산된 값은 Tblock = 12%, T00 = 66%, 및 T60Air s-pol = 39% 및 T60Air p-pol = 37%이다. 유리 프리즘의 경우, 표면 반사율은 각각의 면에서 4.2%여서, 17.5%와 동일한 필름의 계산된 내부 투과율, 또는 R 내부 = 82.5%를 제공한다. 광학 필름 3.1의 이들 특성이 하기의 표에 요약되어 있다.
[표 : 광학 필름 3.1 특성]
Figure pct00011
배치 공정에서의 비-균일성으로 인해 더 얇게 신장된 이러한 필름의 부분은 모든 측정에 대해 약간 더 높은 반사율 및 당연히 더 낮은 적색 밴드 에지를 나타냈다. 예를 들어, 필름의 대부분은 차단축에 대해 1100 ㎚의 적색 밴드 에지를 나타냈으며, 평균 %T는 단지 10%였고 32%만큼 낮은 T60 p-편광의 값이 측정되었다. 이들은 1060 ㎚ RBE를 갖는 전술된 필름의 12% 및 38%와 비교된다. 배향 조건 및 그에 따라 캘리퍼스 및 반사 값에 있어서의 개선된 균일성이 상업적 필름 라인에서 필름을 연속적인 방식으로 배향시킴으로써 성취될 수 있다.
광학 필름 3.2 : 2-축 시준 필름, 275개의 미세층 x 2 패킷( IV )
캐스팅 휠 속도를 25%만큼 감소시켜서 20% 더 얇은 필름의 결과를 가져온 것을 제외하고, 이러한 필름 실시예를 광학 필름 3.1과 동일한 방식으로 제조하였다. 그 결과, 적색 밴드 에지들 모두는 약 20%만큼 감소되었다. 이들의 더 얇은 필름을 또한 카로 IV 기계에서 더 두꺼운 캐스트 웨브보다 더 균일하게 신장시켜서, 필름 영역의 대부분에 걸쳐 약 875 ㎚ 내지 925 ㎚의 차단축에 대한 RBE의 결과를 가져왔다. 이들 필름은 저 굴절률 층에서 매우 높은 각도에서 전파되는 적색 및 황색 광선을 투과시키기 시작할 것이다. 이러한 필름에 대한 스펙트럼들 모두는 광학 필름 3.1의 평균 투과율 수준과 유사한 평균 투과율 수준을 갖는다.
층 두께 프로파일을 자외선을 향해 조금 이동시키는 대신에 층 두께 프로파일을 변화시킴으로써 반사 밴드가 압축된 경우, 투과율 값은 광학 필름 3.1의 투과율 값과 비교해 감소될 수 있다.
광학 필름 3.3 : 2-축 시준 필름, 275개의 미세층 x 2 패킷(V)
광학 필름 3.3을 제조하는 과정에서, 교번하는 저 굴절률 중합체 및 고 굴절률 중합체의 다층 구조체의 캐스트 웨브를 순차적인 필름 배향 라인에서의 인-라인 2축 배향을 위해 냉각된 캐스팅 휠 상으로 압출하였다. 피드블록 방법(예를 들어, 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등) 참조)을 사용해, 교번하는 저 굴절률 중합체 재료 및 고 굴절률 중합체 재료의 275개 층의 캐스트 웨브를 공압출하고 그 후에 캐스트 웨브를 먼저 길이 배향기(length orienter, LO)에서 그리고 이어서 텐터에서 배향시킴으로써 교번하는 저 굴절률 중합체 층 및 고 굴절률 중합체 층의 반사 편광기를 제조하였다. 고 굴절률 층을 90/10 coPEN(90% 에틸렌 나프탈레이트 반복 단위 및 10% 에틸렌 테레프탈레이트 반복 단위를 포함하는 코폴리에스테르)으로 제조하였다. 저 굴절률 층을 55 중량%의 PETg GN071(이스트만 케미칼즈로부터 입수가능함)과 45 중량%의 90/10 coPEN의 혼합물을 압출기에서 블렌딩함으로써 제조하였다. 저 굴절률 재료 중 15%를 용융물 트레인으로부터 유용하여 공압출 공정 동안에 보호 경계 층을 형성하였다(275개 층 압출물의 각각의 면에 7.5%). 90/10 coPEN의 스킨 층을, 압출 다이 직전에서, 필름의 각각의 면에 10%씩, 총 용융물 유동의 20%의 비율로 용융물 유동에 적용하였다. 필름의 고 굴절률 층에 대한 목표 굴절률은 nx = 1.79, ny = 1.675, 및 nz = 1.505였다. 이들 굴절률의 발생은 필름의 비대칭 배향을 필요로 한다.
길이 배향을 위해, LO 예열 롤러를 102℃까지 가열하였다. 석영 수은등을 사용해 신장 갭 직전에 최종 가열을 적용하였다. 실제 신장 온도는 공정에 의해 성취되는 coPEN에서의 굴절률의 관점에서를 제외하고는 측정할 수 없다. nx = 1.793, ny = 1.671, nz = 1.502의 굴절률이 스킨 층에서 측정될 때까지 텐터 조건을 동시에 조정하면서 IR 램프를 조정하였다. LO 전체 신장비는 2.7:1이었고, 전체 텐터 신장비는 4.5:1이었다.
LO 처리된 필름을 약 140℃에서 약 13초 동안 텐터에서 예열하였다. 이어서 필름을 약 50%/초의 초기 속도로 132℃에서 신장시켰다. 이어서 필름을 폭의 약 2% 내에서 잡아당기면서 232℃에서 13초 동안 열경화시켰다.
층들의 각각의 패킷 내의 저 굴절률 재료 및 고 굴절률 재료의 상대 압출 속도를, 완성된 필름 내의 인접 재료 층들이 각각 대략 동일한 광학적 두께를 갖도록 조정하였다. 저 굴절률 재료와 고 굴절률 재료 둘 모두에 대한 압출 속도를, 층들의 두 세트가 가장 얇은 층에 대해 약 425 ㎚로부터 반사되도록 조정되고 필름의 가장 두꺼운 층에 대해 약 1200 ㎚ 광을 반사하도록 두께가 멱법칙 프로파일로 단조 증가하는, 차단축에 대한 대략 1/4 파장 광학적 두께를 각각 갖도록 조정하였다. 압출 캐스팅 휠 속도를 생성된 반사 밴드가 이러한 파장 범위에 걸치도록 조정하였다. 멱법칙 프로파일의 형상을 생성된 스펙트럼이 각각의 패킷에 대해 스펙트럼의 대부분에 걸쳐 비교적 평평하도록 선택하였다. 스펙트럼 형상을 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등)에 개설된 축방향 로드 기술을 사용해 미세 조정하였다. 최종 배향된 필름에서, 스킨 층들은 각각 두께가 약 6 마이크로미터였다. 완성된 필름 총 두께는 두께가 약 45 마이크로미터였다. 이어서 이러한 방법에 의해 제조된 생성된 필름들 중 2개를 투명 광학 접착제를 사용해 라미네이팅하였다. 라미네이트 내 2개의 필름의 통과축은 평행하였다. 수직 및 60도에서 다이오드 어레이 분광 광도계를 사용해 투과율 스펙트럼을 측정하였다. 적색 밴드 에지 및 %투과율 값을 이들 스펙트럼으로부터 결정하였으며, 하기의 표에 열거되어 있다. T(θ =60air p-pol)/Tpass(0)의 비는 광학 필름 3.1의 경우보다 낮다.
[표 : 광학 필름 3.3 특성]
Figure pct00012
광학 필름 3.4 : 1-축 시준 필름(s-편광), 275개의 미세층
교번하는 저 굴절률 중합체 및 고 굴절률 중합체의 다층 구조체의 캐스트 웨브를 필름 라인에서의 인-라인 텐터 배향을 위해 냉각된 캐스팅 휠 상으로 압출하였다. 피드블록 방법(예를 들어, 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등) 참조)을 사용해, 교번하는 저 굴절률 중합체 재료 및 고 굴절률 중합체 재료의 275개 층의 캐스트 웨브를 공압출하고 그 후에 캐스트 웨브를 먼저 길이 배향기에서 그리고 이어서 텐터에서 배향시킴으로써 교번하는 저 굴절률 중합체 층 및 고 굴절률 중합체 층의 반사 편광기를 제조하였다. 고 굴절률 층을 90/10 coPEN(10%PET)으로 제조하였다. 저 굴절률 층을 엑델(Ecdel) 중합체 FN007(이스트만 케미칼즈로부터 입수가능함)로 제조하였다. 고 굴절률 재료 중 15%를 용융물 트레인으로부터 유용하여 공압출 공정 동안에 보호 경계 층을 형성하였다(275개 층 압출물의 각각의 면에 7.5%). PETg 14285(이스트만 케미칼즈로부터 입수가능함)의 스킨 층을, 압출 다이 직전에서, 필름의 각각의 면에 약 8 마이크로미터 두께의 완성된 스킨 층을 제공하는 속도로 용융물 유동에 적용하였다. 필름의 고 굴절률 층에 대한 목표 굴절률은 nx = 1.82, ny = 1.62, 및 nz = 1.51이었다. 633 ㎚에서 엑델은 약 1.505의 굴절률을 갖고 PETg는 1.564의 굴절률을 갖는다.
층들의 각각의 패킷 내의 저 굴절률 재료 및 고 굴절률 재료의 상대 압출 속도를, 완성된 필름 내의 인접 재료 층들이 각각 대략 동일한 광학적 두께를 갖도록 조정하였다. 저 굴절률 재료와 고 굴절률 재료 둘 모두에 대한 압출 속도를, 층들의 두 세트가 가장 얇은 층에 대해 약 400 ㎚로부터 반사되도록 조정되고 필름의 가장 두꺼운 층에 대해 약 950 ㎚ 광을 반사하도록 두께가 멱법칙 프로파일로 단조 증가하는, 차단축에 대한 대략 1/4 파장 광학적 두께를 각각 갖도록 조정하였다. 압출 캐스팅 휠 속도를 생성된 반사 밴드가 이러한 파장 범위에 걸치도록 조정하였다. 멱법칙 프로파일의 형상을 생성된 스펙트럼이 스펙트럼의 대부분에 걸쳐 비교적 평평하도록 선택하였다. 스펙트럼 형상을 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등)에 개설된 축방향 로드 기술을 사용해 미세 조정하였다. 최종 배향된 필름에서, 스킨 층들은 각각 두께가 약 6 마이크로미터였다. 완성된 필름 총 두께는 두께가 약 45 마이크로미터였다.
캐스트 웨브를 표준 필름 제조 텐터에서 배향시켰다. 캐스트 웨브를 텐터에서 약 144℃에서 20초 동안 예열하였다. 이어서 필름을 약 50%/초의 초기 속도로 144℃에서 신장시켰다. x 방향의 총 전체 신장비는 약 5.5:1이었다. 이어서 필름을 폭의 약 1% 내에서 잡아당기면서 227℃에서 약 20초 동안 열경화시켰다.
생성된 필름에 대한 차단 스펙트럼(곡선(2116)), 통과 스펙트럼(곡선(2112)), s-편광 60 스펙트럼(곡선(2114)), 및 p-편광 60 스펙트럼(곡선(2110))이 도 21에 플로팅되어 있다. 장파장 밴드에지(적색 밴드에지 또는 RBE) 및 각각의 플로팅된 반사 밴드 내의 평균 투과율이 하기의 표에 열거되어 있다. 이러한 광학 필름 3.4에 대한 T s-pol(θ = 60 degAir)/Tpass(0)의 비는 0.29이다.
[표 : 광학 필름 3.4 특성]
Figure pct00013
구조체 1.1 : 라미네이팅된 LCD 패널/공기-가이드( air - guide )
광학 필름 3.1 내지 3.4를 각각 삼성(Samsung) LCD TV 패널에 라미네이팅하였다. 패널은 대각선방향 크기가 81.3 ㎝(32")인 삼성의 시판용 TV 세트(모델# : LN32B360C5D)로부터의 것이다. 실험에서, 81.3 ㎝(32") 패널의 일부만을 패널 뒤에서 200 ㎜ × 400 ㎜ 백라이트에 의해 조명하였다.
이러한 백라이트(2210)의 개략 측면도가 도 22에 도시되어 있다. 도면에서, 치수(밀리미터의 단위)가 괄호 안에 제공된다. 백색 LED 및 포물선형 반사기를 갖는 광 엔진(아이템 2234 참조)이 중공형 공동의 좌측에 부착된다. 광 엔진 및 공동의 내측은 달리 명시되지 않는 경우 ESR(쓰리엠 컴퍼니로부터 입수가능함)로 라이닝된다. 중공형 공동(2232)은 깊이가 17 ㎜이고, 폭이 200 ㎜이며 길이가 400 ㎜이다. 20개의 쿨 화이트(cool white) 레벨(Rebel) LED(미국 캘리포니아주 새너제이 소재의 필립스 루미레즈 라이팅 컴퍼니(Philips Lumileds Lighting Company)로부터 입수가능함)를 금속 코어 인쇄 회로 기판(metal core printed circuit board, MCPCB) 상에 9.8 ㎜의 피치로 좌측 에지(200 ㎜ 에지)를 따라 선형 어레이로 배열하였으며, 이어서 이것을 열 관리를 위한 압출된 알루미늄 열 싱크(heat sink)에 부착하였다.
시야각의 함수로서의 백라이트 중심의 휘도, 축방향 휘도(니트(nit)의 단위), 휘도 반치각(half-luminance angle), 및 콘트라스트 비를 아우트로닉 코노스코프 코노스테이지 3(Autronic Conoscope Conostage 3)(독일 칼스루에 소재의 아우트로닉-멜처스 게엠베하(Autronic-Melchers GmbH)로부터 입수가능함)를 사용해 측정하였다.
모든 실험 예에서, 반사 편광기를 그의 차단축이 백라이트의 400 ㎜ 에지에 평행하도록 배열하였다. 필름을 도 22의 개략 다이어그램에 따라 TV 패널에 라미네이팅하였다. 도면에서, 아이템 2212는 LC 패널이고, 아이템 2214는 광학 접착제이며, 아이템 2216은 시험 중인 다층 광학 필름이고, 아이템 2218은 광학 접착제이며, 아이템 2220은 PET의 층이고, 아이템 2222는 ULI 재료의 층이며, 아이템 2224는 광학 접착제이고, 아이템 2226은 폴리카르보네이트 필름이고, 아이템 2228은 비드형 이득 확산기 필름과 유사한 비드 코팅이다.
비-침지형 필름 시스템을 사용해 TV 성능을 비교하기 위한 대조군 샘플로서, 이러한 백라이트를 사용하지만 패널과 필름 스택 사이에 공기 갭이 존재하는 이러한 삼성 TV 패널에 대해서 TV 휘도 및 콘트라스트를 먼저 측정하였다. 강성을 위해, 필름 스택을 도 22에서 패널(2212)이 도시되어 있는 위치에서 투명 폴리카르보네이트 시트에 라미네이팅하였다. 이어서 TV 패널을 투명 폴리카르보네이트 시트의 대략 1 ㎜ 위에 위치시켰다. TV의 휘도 및 콘트라스트를 0도 내지 360도의 모든 방위각에서 80도까지의 모든 극각에 대해 아우트로닉스 기기(Autronics instrument)에 의해 획득하였다. 이러한 데이터는 편광 필름의 2개의 주축 - 차단축 및 통과축 - 을 따라 TV를 빠져나오는 광에 대해 휘도 및 콘트라스트를 플로팅함으로써 요약될 수 있다. 물론 반사 편광기의 통과축은 TV 패널의 인접 흡수 편광기 상의 통과축과 정렬된다.
실질적으로 통과축 p-편광된 광만이 통과축 및 법선축의 입사 평면에서 TV에 입사하고, 따라서 이러한 데이터는 p-편광된 광에 대한 휘도 및 콘트라스트로서 플로팅된다. 유사하게, 통과축 s-편광된 광만이 차단축 및 법선축의 입사 평면에서 TV에 입사하고, 따라서 이러한 데이터는 s-편광된 광에 대한 휘도 및 콘트라스트로서 플로팅될 것이다. 하기에 제공된 데이터에 의해 나타난 바와 같이, TV 휘도 및 콘트라스트는 각도의 함수로서의 s-편광된 광 및 p-편광된 광에 대한 반사 편광기의 투과율 특성, 및 편광기 대역폭의 값에 의해 크게 영향을 받는다. 대역폭은 장파장 밴드 에지 또는 적색 밴드에지(RBE)에 대해 열거된 값에 의해 나타내어진다.
대조군 샘플에 대해 사용된 반사 편광 필름은 s-편광 시준 필름으로 지칭되는 광학 필름 3.4였다. s-편광된 광(곡선(2310, 2316)) 및 p-편광된 광(곡선(2312, 2318))을 나타내는, 2개의 주축에 대한 TV의 휘도 및 콘트라스트가 도 23a 및 도 23b에 각각 도시되어 있다. 휘도 단위는 단지 상대적인 것이며, 본 명세서에 기재된 다양한 샘플을 비교하기 위해 사용될 것이다. 휘도 반치 시야각(half luminance viewing angle)은 축상(0도)에서 측정된 휘도 값의 절반까지 휘도가 감소하는 극각으로서 정의될 수 있다. 이러한 시야각은 전형적으로는 차단축 및 통과축에 대해 상이하다.
콘트라스트 데이터는 "온(on)" 또는 "화이트(white)" 상태의 TV 휘도를 "오프(off)" 또는 "다크(dark)" 상태의 패널 휘도로 나눈 비이다. TV 패널에 입사하는 높은 각도의 광은 LCD 패널 내의 다양한 픽셀 요소에 의한 이러한 광의 산란으로 인해 TV 패널의 콘트라스트를 저하시킬 수 있음이 알려져 있다. 광 산란은 전형적으로는 수직 입사로 입사하는 광에 대해 가장 낮다. 이러한 이유로, 높은 각도에서 LCD 패널에 입사하는 광의 양을 제한하는 것이 바람직하다. 공기 갭이 확산기와 TV 패널 사이에서 제거된 경우, 광은 공기로부터 입사할 수 있는 것보다 큰 각도에서 패널 내로 주입될 수 있어서, 패널 콘트라스트를 심각하게 저하시킨다. 초저 굴절률 필름 층과 조합된 본 명세서에 기재된 필름은 이들 극도의 각도에서 패널에 입사하는 광의 양을 감소시키도록 설계된다.
공기에서의 사용을 위해 설계된 광학 필름 3.4가 도 22에 도시된 바와 같은 TV 패널에 필름 스택을 라미네이팅함으로써 침지되는 경우, 휘도와 콘트라스트 둘 모두가 실질적으로 감소된다. 이는 도 23c(휘도) 및 도 23d(콘트라스트)에 플로팅된 측정값으로부터 명백하다. 이들 도면에서, 곡선(2320)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내고, 곡선(2322)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내며, 곡선(2324)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2326)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2330)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2332)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2334)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2336)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타낸다. 필름이 저 굴절률 층이 없이 적용되는 경우의 휘도 및 콘트라스트의 추가의 실질적인 감소에 또한 유의한다. 그러나, 저 굴절률 층은 TIR 메커니즘에 의해 높은 각도의 광 모두를 차단할 수 없다. 56.4도 내지 90도의 각도에서 굴절률 1.2 층에서 전파되는 광은 공기로부터 입사할 수 없지만, 저 굴절률 층에 의해 TIR되지 않는다. 이러한 각도 범위, 즉 앞서 언급된 "갭" 범위의 광은, 이들 각도에서 통과축 광에 대해 고 반사율을 갖도록 설계되는 경우, 반사 편광기에 의해 실질적으로 반사될 수 있다.
광학 필름 3.3은 4개의 필름 3.1 내지 3.4 중에서 가장 넓은 대역폭을 가지며, 또한 높은 각도에서 s-편광 반사율과 p-편광 반사율의 가장 높은 평균값을 갖는다. 광학 필름 3.3이 상기와 동일한 방식으로 LCD 패널에 라미네이팅되는 경우, TV 휘도 및 콘트라스트는 공기 갭을 갖는 구조체로부터 약간만 감소된다. 이는 도 23e(휘도) 및 도 23f(콘트라스트)에 플로팅된 데이터로부터 명백하다. 이들 도면에서, 곡선(2340)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2342)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2344)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2346)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2350)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2352)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2354)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내고, 곡선(2356)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타낸다.
음의 각도 대 양의 각도에 대한 휘도 데이터의 비대칭은 이들 측정을 위해 사용된 백라이트의 성질로 인한 것으로 생각된다. LED 모두는 하나의 에지를 따라 배치되고, 높은 각도에서 광을 주입하도록 지향된다. 필름의 바닥에 있는 비드 코팅은 이러한 광의 방향성을 랜덤화하고자 하는 것이지만, 완전히 충분하지는 않다. 그러나, 콘트라스트는 본질적으로 방향과는 독립적임에 유의한다. 비대칭은 저 굴절률 층이 없이 라미네이팅된 실시예에 대해 전적으로 진술되어서, 이들 필름과 저 굴절률 층을 조합하는 큰 이점을 나타낸다.
광학 필름 3.1은 광학 필름 3.3보다 약간 낮은 RBE를 갖는다. 광학 필름 3.1의 평균 밴드에지는 광학 필름 3.3에 대한 1200 ㎚와 비교하여 단지 약 1130 ㎚였다. 광학 필름 3.1이 LCD 패널에 라미네이팅되는 경우, 콘트라스트는 광학 필름 3.3과 비교하여 약간 더 낮다. 그러나, 휘도는 개선된다. 이는 필름 3.3과 비교해 필름 3.1의 더 낮은 차단 상태 투과율로 인한 것일 수 있다. 전술된 바와 같이, 평균 RBE 및 Tblock 둘 모두는 필름 상의 단일 지점에서 취해진 한 세트의 스펙트럼으로부터 간단히 보고된 숫자보다 필름 영역의 대부분에 대해 더 낮았다. Tblock의 더 낮은 값은, 특히 Tpass가 또한 낮은 경우에, 휘도에 중요하다. 이들 시스템과 함께 광 재순환의 큰 정도는 일-패스(one-pass) 투과율 측정과 비교해 손실을 몇 배 확대시킬 수 있다. 콘트라스트 및 휘도 결과가 도 23g(휘도) 및 도 23h(콘트라스트)에 도시되어 있다. 이들 도면에서, 곡선(2360)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2362)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2364)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2366)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2370)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내고, 곡선(2372)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내며, 곡선(2374)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내고, 곡선(2376)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타낸다.
광학 필름 3.2는 광학 필름 3.1과 동일한 공정 및 재료로 제조되지만, 반사 밴드가 의도적으로 이동된다. RBE는 청색을 향해 이동되며, 이는 높은 각도에서 입사하는 광을 반사함에 있어서 필름을 덜 효과적으로 만든다. 그 결과, TV 패널의 휘도와 콘트라스트 둘 모두는 광학 필름 3.1이 TV 패널 상의 광학 필름 3.2와 교체될 때 감소되고, 저 굴절률 층이 생략되는 경우에 가장 현저하다. 이들 데이터가 도 23i(휘도) 및 도 23j(콘트라스트)에 플로팅되어 있다. 이들 도면에서, 곡선(2380)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2382)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2384)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타내고, 곡선(2386)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내며, 곡선(2390)은 ULI를 갖는 경우의 s-편광을 나타내고, 곡선(2392)은 ULI를 갖는 경우의 p-편광을 나타내며, 곡선(2394)은 ULI를 갖지 않는 경우의 s-편광을 나타내고, 곡선(2396)은 ULI를 갖지 않는 경우의 p-편광을 나타낸다.
필름 3.1 내지 필름 3.4의 각각에 대한 필름 파라미터들 중 몇 개가 각각의 구성에 대한 대응 휘도 및 콘트라스트와 함께 하기의 표 C에 열거되어 있다. T60s/T(0) 및 T60p/T(0) 값은 60도 및 0도에서 공기에서의 측정값을 지칭하며, 내부 투과율 값을 보고하도록 보정된다. 이들 값은 각각의 실시예와 관련된 표로부터 취해진다. 결과는 측정된 TV 콘트라스트에 따라 순서대로 열거되어 있다.
[표 C]
Figure pct00014
단지 900 ㎚의 RBE를 갖는 광학 필름 3.2가 970 ㎚의 RBE를 갖는 광학 필름 3.3보다 높은 휘도와 높은 콘트라스트 둘 모두를 제공한다는 사실은, 높은 각도에서 RBE와 반사율 둘 모두가 중요한 파라미터임을 나타낸다.
RBE 값 및 T60/T(0) 비의 조합된 효과를 더 잘 이해하기 위해, 콘트라스트 값(곡선(2410)), RBE*T(0)/T60의 곱(곡선(2412)), 및 상대적 휘도*T(0)/T60(곡선(2414))이 모두 도 24에 증가하는 콘트라스트의 순서대로 필름 샘플(A는 광학 필름 3.1을 나타냄, B는 광학 필름 3.2를 나타냄, C는 광학 필름 3.3을 나타냄, 그리고 D는 광학 필름 3.4를 나타냄)에 비교하여 플로팅되어 있다. 휘도는 단지 정보를 플로팅함에 있어서 편의를 위해 10배만큼 확대되어 있다. 이들 파라미터의 거의 평행한 경향은, 높은 각도의 광에 대한 증가된 RBE와 더 높은 반사율 둘 모두가 LCD 패널에서 높은 콘트라스트 및 휘도를 유지하기 위해 중요함을 나타낸다.
논의:
침지형 반사 편광 필름을 갖고 초저 굴절률 층을 갖지 않는 라미네이트
전파 각도가 증가함에 따라 더 낮은 파장으로의 반사 밴드의 이동은 필름이 더 높은 굴절률 매체에 침지되는 경우에 매우 크게 된다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2008/0037127호(웨버), "광각 미러 시스템(Wide Angle Mirror System)"에는, 미러의 모든 층의 z-굴절률이 침지 매체의 굴절률에 근접하는 경우, 수직 입사에서의 밴드에지가 어떤 것이든지 간에, RBE가 p-편광된 광에 대해 높은 각도에서 약 0 ㎚로 이동할 것이라고 기재되어 있다. 따라서 이러한 잠재적으로 무한한 밴드이동은 높은 각도의 광선을 차단하기 위해 매우 낮은 굴절률의 TIR 층의 사용을 필요로 한다. s-편광 반사 광학 필름 3.4는 둘 모두의 층의 z-굴절률이 1.505의 굴절률을 갖는 실시예이다. 이러한 필름이 n
Figure pct00015
1.49인 표준 접착제를 사용해 표준 확산기와 TV 패널 사이에 침지되는 경우, 반사 밴드의 현저한 이동은 대량의 광이 높은 각도에서 투과되는 것을 허용할 것이다. 그러나, 저 굴절률 층만이 예를 들어 1.58의 굴절률을 갖는 층으로 변화되는 경우, 입사각에 따른 RBE의 이동은 크게 감소된다. 고 굴절률 층이 변화될 필요는 없으며, 좀 더 확실히 말하면, 필름이 광각 편광기로서 작동해야 하는 경우 그리고 p-편광된 광이 높은 각도에서 반사되어야 하는 경우 저 굴절률 층보다 훨씬 더 낮은 z-굴절률이 필요하다.
따라서, 높은 각도에서 대부분의 차단축 광 및 p-편광된 통과축 광을 반사하도록 설계된 반사 편광기는 입사각의 변화에 따라 엄청나게 큰 밴드이동을 나타내지 않음을 발견하였다. 밴드이동은 본 명세서에 논의된 필름 및 침지 굴절률에 대해 한정되며, 좀 더 확실히 말하면 초저 굴절률 층이 가장 높은 각도에서 광을 반사할 필요가 없는 정도까지 편광기의 대역폭을 확장시키는 적정한 수의 층들의 부가에 의해 보상될 수 있는 것이다. 반면에, p-편광된 통과축 광을 투과시키고 s-편광된 통과축 광을 실질적으로 반사하도록 설계된 다층 복굴절 반사 편광기는 일반적으로 고 굴절률 매체에 침지될 때 초저 굴절률 층이 작동하는 것을 필요로 할 것이다.
실시예 NU -1 : 초저 굴절률 층을 갖지 않는 침지형 필름
반사 편광기의 굴절률 세트가 "고" 굴절률 층에 대해 (nx = 1.80, ny = 1.67, nz = 1.505)이고, "저" 굴절률 층에 대해 n = 1.585인 경우, p-편광 광에 대한 우측 밴드 에지는 필름이 1.49의 굴절률에 침지되는 경우 약 600 ㎚ 이하로 감소되지 않는다. 이들 필름 굴절률은 매우 높은 PEN 함량, 예를 들어 95% PEN 또는 그 초과를 갖는 coPEN 필름 또는 PEN 필름의 비대칭 2축 배향 및 열경화에 의해 획득될 수 있다. 차단축 방향 대 통과축 방향에 대한 배향의 비는 약 2:1일 수 있지만, nx 굴절률 대 ny 굴절률을 최적화하기 위해 이러한 비를 용이하게 변경할 수 있다. 저 굴절률 재료는 예를 들어 PETg 및 coPEN의 블렌드를 사용해 제조될 수 있다. 모든 s-편광된 가시광은 반사되고 650 ㎚ 미만의 p-편광된 광은 최대 약 77도의 각도에서 반사된다.
이러한 실시예에 대해 전술된 재료 및 제안된 굴절률을 사용하여, 저 굴절률 재료 및 고 굴절률 재료의 550개의 교번하는 층들의 연속적으로 단계적으로 변하는 스택이 400 ㎚ 내지 1800 ㎚ 이상의 파장에 대해 고 반사율 편광기를 제공하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 400 내지 900 ㎚ 및 850 내지 1800 ㎚를 반사하도록 설계된 2개의 필름이 보통의 접착제 접합 필름에 침지될 수 있는 초광(ultra wide) 반사 편광기를 형성하도록 라미네이팅되거나 공압출될 수 있다. 전형적인 LCD 패널 및 백라이트 구성요소에서 가장 낮은 굴절률은 일반적으로 접착제 층에 있다. 다수의 접착제는 1.48 또는 1.49에 근접한 굴절률을 갖는다. 실리콘계 접착제와 같은 일부 접착제는 더 낮을 수 있다. 확산기 플레이트, 도광체 및 확산기 코팅 및 이러한 필름이 침지될 수 있는 다른 매체는 1.49 이상의 굴절률을 갖는다. 침지 스택 내의 가장 낮은 굴절률 층은 유효 침지 상수를 결정한다. 이러한 이유로, 필름 라미네이트 내의 적어도 하나의 층은 1.49 이하의 굴절률을 가져야 한다.
수직 입사에서 통과축에 대한 적색 밴드에지로서 1800 ㎚가 선택될 수 있는데, 그 이유는 400 ㎚ 내지 1800 ㎚의 그러한 대역폭이 실용적인 수의 층들, 예를 들어 PEN계 중합체 필름에 대해 약 500개의 층 그리고 PET계 필름에 대해 약 1000개 내지 2000개의 층으로 성취가능하기 때문이다. 대부분의 조명 및 디스플레이 백라이트들은 거의 650 ㎚ 미만의 파장을 갖는 가시광을 이용한다. 일부 적색 광이 가장 높은 각도에서 누출될지라도, 80도를 초과해 입사하는 광의 백분율은 일반적으로 작다. 1600 내지 2000 ㎚의 밴드에지는 광범위한 응용에 대해 잘 작동할 것이다.
실시예 NU -2 : PETg / coPEN 90-10 초 광대역 편광기
광학 필름이 실시예 NU-1에 기재된 초 광대역폭을 갖도록 그리고 그러한 광대역에 걸쳐 투과율 대 파장의 허용가능한 수준의 균일성을 갖도록 제조될 수 있음을 증명하기 위해, 하기의 2개의 필름을 제조하고 이어서 광학 접착제로 라미네이팅하였다. 제1 필름은 약 400 ㎚ 내지 900 ㎚를 반사하고 제2 필름은 약 800 ㎚ 내지 1800 ㎚를 반사한다. 라미네이트 내의 하나의 필름으로부터 다른 필름으로 스펙트럼에서의 천이 중첩이 비교적 매끄럽도록 밴드에지를 점진적이도록 설계하였다. 둘 모두의 필름을 90/10 coPEN(90% PEN/10% PET) 및 PETg(미국 테네시주 소재의 이스트만 케미칼즈로부터 입수가능함)의 275개의 교번하는 층들로 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등)에 기재된 것과 같은 피드블록 방법을 사용해 제조하였다. 제1 필름을 투과율의 균일성 및 밴드에지 경사에 대해 최적화하였으며, 이때 밴드에지는 약 400 및 900 ㎚였다. 이어서 압출 캐스팅 휠을 2배만큼 감속시켜, 400 ㎚ 밴드에지가 800 ㎚로 이동되고 900 ㎚ 밴드에지가 1800 ㎚로 이동되게 하였다.
통과축에 대해 약 800 내지 900 ㎚ 사이의, 2개의 필름의 파장 중첩 범위는 2개의 필름 사이의 간섭 효과로 인해 약간의 스펙트럼 링잉(spectral ringing)을 나타냈지만, 스펙트럼은 허용가능하게 매끄러웠다. 이러한 링잉 및 스펙트럼에서 명백한 다른 스펙트럼 비-균일성은 투과된 광이 약간 착색되게 할 것이다. 이러한 색상은 필름의 출사측에 적절한 확산기를 사용함으로써 감추어질 수 있다. 이러한 확산기는 투과된 광을 추가로 시준하기 위한 프리즘 어레이 또는 다른 표면 구조체의 일부일 수 있다.
라미네이팅된 필름은 2개의 별개의 필름의 반사 밴드들의 약간의 중첩을 필요로 하며, 따라서 550개 층의 연속적으로 단계적으로 변하는 하나의 스택으로부터 제조된 단일 필름만큼 완전히 효율적이지는 않다. 그러나, 이러한 접근법은 공정 관점에서 더 간단한데, 그 이유는 연속적인 구배를 갖고 두꺼운 층이 개재되지 않는 550개의 교번하는 1/4 파장의 두꺼운 층을 생성할 수 있는 피드블록을 제조하는 것이 어렵고 고가이기 때문이다. 가장 덜 효과적인 광학적 설계는 전체 파장 범위에 걸쳐 부분적으로 반사성인 2개 이상의 필름의 스택이다. 별개의 반사기들 사이의 비-상관성 간섭 효과(non-coherent interference effect)는 전술된 상관성 스택들과 비교하여 통과축 반사율을 증가시키고 차단축 반사율을 감소시킬 것이다.
s-편광된 광 및 p-편광된 광에 대한 이러한 편광기의 높은 각도 반사는 상기의 실시예 NU-1의 경우만큼 완전히 양호하지는 않을 것이다. (633 ㎚에서) 이러한 필름에 대한 굴절률 세트는 고 굴절률 층 (nx = 1.82, ny = 1.62, nz = 1.51)이었고, 저 굴절률 층은 n = 1.564를 갖는 PETg이다. 그러나, Δny 및 Δnz는 둘 모두가 0.05보다 큼에 유의한다. 통과축은 수직 입사에서 400 ㎚ 내지 1000 ㎚에 대해 약 75%, 그리고 1000 ㎚ 내지 1800 ㎚에 대해 약 80%의 외부 투과율을 가졌다. 차단축은 수직 입사에서 400 ㎚ 내지 1000 ㎚의 광에 대해 약 5%, 그리고 1000 ㎚ 내지 1800 ㎚의 광에 대해 약 8%의 투과율을 나타냈다. 이들 투과율 측정의 둘 모두는, 모든 실시예에 대해 그러한 것처럼, 측정 중인 축에 평행하도록 배열된 편광된 광으로 행하였다.
아이템 1은 필름 구조체로서, 가시 파장을 포함한 광범위한 파장 영역에 걸쳐 각도 및 편광의 함수로서 광을 선택적으로 투과시키고 반사하도록 구성된 복수의 미세층 - 미세층은 제1 편광의 수직 입사 가시광에 대한 통과축 및 제2 편광의 수직 입사 가시광에 대한 차단축을 형성하고, 미세층은 또한 제1 편광의 가시광을 압축된 시야 원추로 투과시키기 위해 경사진 각도에서 증가된 반사율에 의해 특성화됨 -; 및 미세층에서의 크게 경사진 광의 전파를 제한하거나 그러한 크게 경사진 전파 광을 다시 미세층을 향해 방향전환시키는 방식으로 미세층에 결합된, 초저 굴절률을 갖는 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층을 포함하는 구조체이다.
아이템 2는, 아이템 1에 있어서, 가시 파장에 걸쳐 평균된 초저 굴절률이 1.1 이상이지만 1.3 이하인 구조체이다.
아이템 3은, 아이템 2에 있어서, 가시 파장에 걸쳐 평균된 초저 굴절률이 1.15 이상이지만 1.25 이하인 구조체이다.
아이템 4는, 아이템 1에 있어서, 복수의 미세층은 통과축, 차단축, 및 법선축을 갖고, 복수의 미세층은 통과축 및 법선축을 포함하는 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 RPpass(θ); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 RSblock(θ); 차단축 및 법선축을 포함하는 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 RPblock(θ); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 RSpass(θ)의, 전파 각도 θ의 함수로서의, 가시 파장에 걸친 평균 내부 반사율을 가지며, Rblock(θ)은 RSblock(θ)와 RPblock(θ)의 평균값이고, Rpass(θ)는 RSpass(θ)와 RPpass(θ)의 평균값이며, 복수의 미세층은 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 TPpass(θ); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 TSblock(θ); 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 TPblock(θ); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 TSpass(θ)의, 전파 각도 θ의 함수로서의, 가시 파장에 걸친 평균 내부 투과율을 갖고, Tblock(θ)은 TSblock(θ)와 TPblock(θ)의 평균값이며, Tpass(θ)는 TSpass(θ)와 TPpass(θ)의 평균값인 구조체이다.
아이템 5는, 아이템 4에 있어서, Tblock(0)은 20% 미만이고, Tpass(0)는 40% 내지 80%의 범위 내인 구조체이다.
아이템 6은, 아이템 5에 있어서, Tblock(0)은 10% 미만이고, Tpass(0)는 55% 내지 75%의 범위 내인 구조체이다.
아이템 7은, 아이템 5에 있어서, 전파 각도 θ는 공기에서 측정된 각도 θair이고, Tpass(θair = 60°) < 0.85 * Tpass(0)인 구조체이다.
아이템 8은, 아이템 7에 있어서, Tpass(θair = 60°) < 0.75 * Tpass(0)인 구조체이다.
아이템 9는, 아이템 5에 있어서, 전파 각도 θ는 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층에서 측정된 각도 θlow index이고, Tpass(θlow index = 90°) < 0.6 * Tpass(0)인 구조체이다.
아이템 10은, 아이템 9에 있어서, Tpass(θlow index = 90°) < 0.3 * Tpass(0)인 구조체이다.
아이템 11은, 아이템 1에 있어서, 복수의 미세층은 1000개 미만의 미세층을 포함하는 구조체이다.
아이템 12는, 아이템 1에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층 및 제2 광학적으로 두꺼운 층 - 제1 광학적으로 두꺼운 층 및 제2 광학적으로 두꺼운 층은 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층 및 복수의 미세층이 둘 모두가 제1 광학적으로 두꺼운 층과 제2 광학적으로 두꺼운 층 사이에 배치되도록 배열됨 - 을 추가로 포함하고, 제1 광학적으로 두꺼운 층 및 제2 광학적으로 두꺼운 층은 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 구조체이다.
아이템 13은, 아이템 12에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층은 도광체를 포함하는 구조체이다.
아이템 14는, 아이템 12에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층은 확산 층을 포함하는 구조체이다.
아이템 15는, 아이템 12에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층은 디스플레이 패널을 포함하는 구조체이다.
아이템 16은 필름 구조체로서, 수직 입사에서 가시광에 대해 실질적으로 반사 편광기로서 작동하고 경사진 각도에서 가시광에 대해 실질적으로 미러로서 작동하도록 구성된 다층 광학 필름; 및 다층 광학 필름에 부착된 초저 굴절률을 갖는 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층을 포함하는 구조체이다.
아이템 17은, 아이템 16에 있어서, 가시 파장에 걸쳐 평균된 초저 굴절률이 1.1 이상이지만 1.3 이하인 구조체이다.
아이템 18은, 아이템 17에 있어서, 가시 파장에 걸쳐 평균된 초저 굴절률이 1.15 이상이지만 1.25 이하인 구조체이다.
아이템 19는, 아이템 16에 있어서, 다층 광학 필름은 통과축, 차단축, 및 법선축을 갖고, 다층 광학 필름은 통과축 및 법선축을 포함하는 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 RPpass(θ); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 RSpass(θ); 차단축 및 법선축을 포함하는 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 RPblock(θ); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 RSblock(θ)의, 전파 각도 θ의 함수로서의, 가시 파장에 걸친 평균 내부 반사율을 가지며, Rblock(θ)은 RSblock(θ)와 RPblock(θ)의 평균값이고, Rpass(θ)는 RSpass(θ)와 RPpass(θ)의 평균값이며, 다층 광학 필름은 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 TPpass(θ); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 TSpass(θ); 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 TPblock(θ); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 TSblock(θ)의, 전파 각도 θ의 함수로서의, 가시 파장에 걸친 평균 내부 투과율을 갖고, Tblock(θ)은 TSblock(θ)와 TPblock(θ)의 평균값이며, Tpass(θ)는 TSpass(θ)와 TPpass(θ)의 평균값인 구조체이다.
아이템 20은, 아이템 19에 있어서, Tblock(0)은 20% 미만이고, Tpass(0)는 40% 내지 80%의 범위 내인 구조체이다.
아이템 21은 필름 구조체로서, 수직 입사에서 가시광에 대해 실질적으로 반사 편광기로서 작동하고 경사진 각도에서 가시광에 대해 실질적으로 미러로서 작동하도록 구성된 다층 광학 필름을 포함하고, RBE*Tpass(0)/Tpass(60)의 값 > 1500인 구조체이다.
아이템 22는 필름 구조체로서, 수직 입사에서 가시광에 대해 실질적으로 반사 편광기로서 작동하고 경사진 각도에서 가시광에 대해 실질적으로 미러로서 작동하도록 구성된 다층 광학 필름 - 다층 광학 필름은 층간 굴절률 차이 Δnx, Δny, 및 Δnz에 의해 특성화됨 - 을 포함하고, Δnx ≥ 0.10이고, Δny ≥ 0.05이며, Δnz ≤ -.05인 구조체이다.
아이템 23은, 아이템 22에 있어서, 필름은 적색 밴드 에지(RBE)를 갖는 반사 밴드를 나타내고, RBE는 1000 ㎚ 이상의 파장에 배치되는 구조체이다.
달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 사용된 양, 특성의 측정값 등을 표현하는 모든 숫자는 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 출원의 교시를 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 특허청구범위의 범주에 대한 균등론의 적용을 제한하려고 시도함이 없이, 각각의 수치 파라미터는 최소한 보고된 유효 숫자의 수를 고려하여 그리고 통상의 반올림 기법을 적용함으로써 해석되어야 한다. 본 발명의 넓은 범주를 기술하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 임의의 수치 값들이 본 명세서에 기재된 구체적인 실시예에 기술되는 경우, 이들은 합리적으로 가능한 한 정확히 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 시험 또는 측정 한계와 관련된 오차를 당연히 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태로 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 명세서를 읽는 사람은, 달리 지시되지 않는 한, 하나의 개시된 실시 형태의 특징이 또한 다른 모든 개시된 실시 형태에 적용될 수 있음을 생각해야 한다. 본 명세서에 언급된 모든 미국 특허, 특허 출원 공보, 및 다른 특허 문헌 및 비특허 문헌은, 그들이 전술한 개시 내용과 상반되지 않는 한, 참고로 포함됨을 또한 이해하여야 한다.

Claims (10)

  1. 필름 구조체로서,
    가시 파장을 포함한 광범위한 파장 영역에 걸쳐 각도 및 편광의 함수로서 광을 선택적으로 투과시키고 반사하도록 구성된 복수의 미세층(microlayer) - 미세층은 제1 편광의 수직 입사 가시광에 대한 통과축(pass axis) 및 제2 편광의 수직 입사 가시광에 대한 차단축(block axis)을 형성하고, 미세층은 또한 제1 편광의 가시광을 압축된 시야 원추(compressed viewing cone)로 투과시키기 위해 경사진 각도에서 증가된 반사율에 의해 특성화됨 -; 및
    미세층에서의 크게 경사진 광의 전파를 제한하거나 그러한 크게 경사진 전파 광을 다시 미세층을 향해 방향전환시키는 방식으로 미세층에 결합된, 초저 굴절률을 갖는 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층을 포함하는 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 가시 파장에 걸쳐 평균된 초저 굴절률이 1.1 이상이지만 1.3 이하인 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 복수의 미세층은 통과축, 차단축, 및 법선축(normal axis)을 갖고,
    복수의 미세층은 통과축 및 법선축을 포함하는 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 RPpass(θ); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 RSblock(θ); 차단축 및 법선축을 포함하는 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 RPblock(θ); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 RSpass(θ)의, 전파 각도 θ의 함수로서의, 가시 파장에 걸친 평균 내부 반사율을 가지며,
    Rblock(θ)은 RSblock(θ)와 RPblock(θ)의 평균값이고, Rpass(θ)는 RSpass(θ)와 RPpass(θ)의 평균값이며,
    복수의 미세층은 통과 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 TPpass(θ); 통과 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 TSblock(θ); 차단 평면에 입사하는 p-편광된 광에 대한 TPblock(θ); 및 차단 평면에 입사하는 s-편광된 광에 대한 TSpass(θ)의, 전파 각도 θ의 함수로서의, 가시 파장에 걸친 평균 내부 투과율을 갖고,
    Tblock(θ)은 TSblock(θ)와 TPblock(θ)의 평균값이며, Tpass(θ)는 TSpass(θ)와 TPpass(θ)의 평균값인 구조체.
  4. 제3항에 있어서, Tblock(0)은 10% 미만이고, Tpass(0)는 55% 내지 75%의 범위 내인 구조체.
  5. 제4항에 있어서, 전파 각도 θ는 공기에서 측정된 각도 θair이고, Tpass(θair = 60°) < 0.85 * Tpass(0)인 구조체.
  6. 제4항에 있어서, 전파 각도 θ는 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층에서 측정된 각도 θlow index이고, Tpass(θlow index = 90°) < 0.6 * Tpass(0)인 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 광학적으로 두꺼운 층 및 제2 광학적으로 두꺼운 층 - 제1 광학적으로 두꺼운 층 및 제2 광학적으로 두꺼운 층은 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층과 복수의 미세층이 둘 모두가 제1 광학적으로 두꺼운 층과 제2 광학적으로 두꺼운 층 사이에 배치되도록 배열됨 - 을 추가로 포함하고,
    제1 광학적으로 두꺼운 층 및 제2 광학적으로 두꺼운 층은 광학적으로 두꺼운 저 굴절률 층의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 구조체.
  8. 제7항에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층은 도광체(light guide)를 포함하는 구조체.
  9. 제7항에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층은 확산 층을 포함하는 구조체.
  10. 제7항에 있어서, 제1 광학적으로 두꺼운 층은 디스플레이 패널을 포함하는 구조체.
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