KR20140084195A

KR20140084195A - 아포다이징된 광대역 부분 반사기

Info

Publication number: KR20140084195A
Application number: KR1020147013057A
Authority: KR
Inventors: 마이클 에프 웨버; 티모씨 제이 네비트; 존 에이 휘틀리
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2014-07-04
Also published as: CN103907035A; KR102024958B1; US9823396B2; EP2769247A1; CN103907035B; WO2013059231A1; US9322967B2; US20160238761A1; US20140240829A1; TWI574058B; TW201321806A; EP2769247B1

Abstract

광대역 부분 반사기는 다층 중합체 광학 필름을 포함하고, 다층 중합체 광학 필름은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면으로부터 제2 면으로 두께 값이 단조 증가하는 소정 총 개수의 광학 반복 유닛들을 구비한다. 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고 제1 평균 기울기를 가지며, 다층 중합체 광학 필름의 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제2 평균 기울기를 갖는 복수의 제2 광학 반복 유닛들에 의해 한정된다. 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛들을 결합시킨다. 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 3 내지 15%의 범위 내에 있다.

Description

아포다이징된 광대역 부분 반사기{APODIZED BROADBAND PARTIAL REFLECTORS}

본 발명은 무엇보다도, 광대역 부분 반사기의 대역내 투과된 광 및 반사된 광에 대해 매끄러운 스펙트럼을 제공하는 광학 필름 구성물에 관한 것이다.

다층 광학 필름이 알려져 있다. 그러한 필름은 상이한 광 투과성 재료들로 된 다수의 매우 얇은 층들을 포함할 수 있으며, 이 층들은 광학 필름의 반사 및 투과 특성이 층 계면들로부터 반사된 광의 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의해 주로 결정되도록 충분히 얇기 때문에 미세층이라 지칭된다. 개별 미세층들에 의해 보여지는 (복굴절이 있는 경우) 복굴절의 양, 및 인접 미세층들에 대한 상대적인 굴절률(refractive index) 차에 따라, 그리고 또한 다른 설계 특성들에 따라, 다층 광학 필름은 예를 들어, 몇몇 경우들에서는 반사 편광기(reflective polarizer)로서, 그리고 다른 경우들에서는 미러(mirror)로서 특징지어질 수 있는 반사 및 투과 특성을 갖도록 제조될 수 있다.

주 방향에 직교하는 방향(통과축으로 칭해짐)을 따라 편광된 법선방향 입사광에 대해 낮은 반사율과 높은 투과율을 유지하면서 하나의 주 방향(principal direction)(차단축으로 칭해짐)을 따라 편광된 법선방향 입사광에 대해 높은 반사율을 보장하도록 충분한 개수의 층들을 가지고, 그 평면내(in-plane) 굴절률이 평면내 차단축(in-plane block axis)을 따라 인접한 미세층들 사이에 실질적인 굴절률 부정합을 제공하고 평면내 통과축(pass axis)을 따라 인접한 미세층들 사이에 실질적인 굴절률 정합을 제공하도록 선택된 복수의 미세층들로 구성된 반사 편광기가 한동안 알려져 왔다. 예컨대, 미국 특허 제3,610,729호(로저스(Rogers)), 제4,446,305호(로저스 등) 및 제5,486,949호(슈렌크(Schrenk) 등)를 참조한다.

더욱 최근에, 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)의 연구원은 필름에 수직한 방향, 즉, z-축을 따르는 그러한 필름의 층-대-층 굴절률 특성의 중요성을 지적하고, 어떻게 이 특성이 경사진 입사각에서의 필름의 반사율 및 투과율에 중요한 역할을 하는지를 보여주었다. 예컨대, 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 적층물의 구성이 가능하도록 맞춤될 수 있는 방법을 교시한다. 이것은 또한 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, 넓은 대역폭에 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 달성될 수 있다.

몇몇 다층 광학 필름은 좁은 대역 동작, 즉 좁은 파장 범위에 걸친 동작을 위해 설계되는 반면, 다른 다층 광학 필름은 실질적으로 전체의 가시(visible) 또는 명소시(photopic) 스펙트럼과 같은 넓은 파장 범위, 또는 예를 들어, 근적외선 파장과 함께 가시 또는 명소시 파장 범위에 걸친 사용을 위해 설계된다. 수년에 걸쳐, 후자 유형의 필름, 즉 광대역 다층 광학 필름의 설계자들 및 제조자들은 색상 문제를 처리해야만 했다. 색상 문제는 필름이 가시 디스플레이 시스템에서 사용되도록 의도된 때, 예를 들어, 필름이 광대역 반사 편광기 또는 광대역 미러이고, 그리고 디스플레이 시스템이 액정 디스플레이, 조명기구, 또는 백라이트인 경우에 종종 발생한다. 광대역 반사기는 일반적으로 다층 중합체 광학 필름을 포함하고, 다층 중합체 광학 필름은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면으로부터 제2 면으로 두께 값이 단조 증가하는 소정 총 개수의 광학 반복 유닛들을 구비한다. 층 두께들의 이러한 배열은 차등(graded) 층 두께 프로파일로 지칭된다. 그러한 시스템에서, 법선 입사에서든지 또는 경사진 입사광에 대해서든지 간에, 필름이 디스플레이에 상당한 착색된(백색이 아닌) 외관을 부여하는 것은 통상적으로 바람직하지 않다. 착색된 외관은 필름이 스펙트럼의 가시 부분에 걸쳐 균일하지 않은 투과 또는 반사 특성을 가질 때 발생한다. 공압출된 중합체 다층 광학 필름의 경우, 그러한 불균일은 통상적으로 목표 프로파일에 대한 필름의 층 두께 프로파일의 불완전한 제어의 결과이다. 색상 문제를 피하기 위해, 중합체 다층 광학 필름은 종종 그 주 축을 따라 (예컨대, 투과시 관찰되는 반사 편광기의 통과축에 대해) 극도로 낮은 반사율 및 높은 투과율을 제공하거나 (예컨대, 반사 편광기의 차단축에 대해, 또는 반사된 광에서 관찰되는 반사 미러 필름의 임의의 평면내 축에 대해) 극도로 높은 반사율 및 낮은 투과율을 제공하도록 설계된다.

최근, 입사광의 일부 상당량이 반사되고, 그리고 입사광의 다른 상당량(통상적으로, 입사광의 나머지는 반사되지 않음)이 투과되도록 적어도 하나의 주 광학 축에 평행하게 편광된 광에 대해 중간 양의 반사율 및 투과율을 가지는 광대역 중합체 다층 광학 필름이 제안되었다. 그러한 필름은 본 명세서에서 부분적으로 반사하는 다층 광학 필름, 또는 부분적으로 투과하는 다층 광학 필름으로 지칭된다. 그러한 필름에서 색상 문제를 해소하기 위한 한 가지 접근법은, 필름에 신중하게 맞춤된 층 두께 프로파일을 갖는 단일 미세층 패킷만을 제공하고 어떠한 층 다중화기(layer multiplier) 장치도 사용하지 않고 필름을 제조하여, 층 두께 프로파일에 대한 최대의 제어 및 가시 파장 범위에 걸쳐 투과 또는 반사에 있어서 대응하는 최소 스펙트럼 변동을 제공하는 것이다. 그러나, 신중하게 맞춤된 층 두께 프로파일도 대역내 링잉(ringing)에 기인하는 색상 문제를 감소시키지 못한다.

본 발명은 무엇보다도, 감소된 대역내 스펙트럼 링잉을 나타내는 아포다이징된 광대역 반사기를 기술한다.

많은 실시 형태들에서, 광대역 부분 반사기가 기술된다. 광대역 부분 사기는 다층 중합체 광학 필름을 포함하고, 다층 중합체 광학 필름은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면으로부터 제2 면으로 두께 값이 단조 증가하는 소정 총 개수의 광학 반복 유닛들을 구비한다. 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일은 제1 평균 기울기를 갖는 복수의 제1 광학 반복 유닛들에 의해 한정된다. 다층 중합체 광학 필름의 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제2 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제2 평균 기울기를 갖는다. 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛들을 결합시킨다. 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 3 내지 15% 또는 5% 내지 10%의 범위 내에 있다.

몇몇 실시 형태들에서, 광대역 부분 반사기가 제2 아포다이징된 두께 프로파일을 포함하고, 본 명세서에서 기술된다. 이 광대역 부분 반사기는 전술된 실시예와 유사하며, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제3 평균 기울기를 갖는 복수의 제3 광학 반복 유닛들에 의해 한정되는 다층 중합체 광학 필름의 제2 아포다이징된 두께 프로파일을 추가로 포함한다. 복수의 제3 광학 반복 유닛들은 다층 중합체 광학 필름의 제2 면을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛들을 결합시킨다. 복수의 제3 광학 반복 유닛들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 5 내지 10% 또는 3 내지 15%의 범위 내에 있다.

본 명세서에 기술된 광학 필름(예컨대, 광대역 부분 반사기) 및 필름 용품은 종래의 광학 필름 또는 필름 용품에 비해 하나 이상의 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 종래의 광대역 부분 반사기는 대역내 링잉에 취약하였던 반면, 본 명세서에 기술된 광대역 부분 반사기는 대역내 링잉을 실질적으로 없앤다. 따라서, 본 명세서에 기술된 광대역 부분 반사기는 대역내 투과된 광 및 반사된 광에 대해 보다 매끄러운 스펙트럼을 제공한다. 본 명세서에 기술된 장치 및 방법의 다양한 실시 형태들의 상기 및 다른 이점들이 본 명세서에 제시된 개시 내용을 읽을 때 당업자에게 용이하게 명백해질 것이다.

본 발명은 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 첨부된 도면과 관련하여 고찰함으로써 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
<도 1>
도 1은 다층 광학 필름의 예시적인 광학 반복 유닛(optical repeat unit, ORU)의 개략 사시도.
<도 2>
도 2는 다층 광학 필름의 일부의 개략 사시도로서, 미세층들의 패킷 및 복수의 ORU들을 도시하는 도면.
<도 3>
도 3은 반사 편광 필름의 개략 사시도.
<도 4>
도 4는 광대역 부분 반사기의 개략 단면도.
<도 5>
도 5는 실시예 1의 광대역 반사기를 제조하는 데 사용될 수 있는 아포다이징된 두께 프로파일 및 기준 두께 프로파일의 그래프.
<도 6>
도 6은 기준 층 두께 프로파일을 갖는 실시예 1의 광대역 반사기에 대해 모델링된 스펙트럼의 그래프.
<도 7>
도 7은 아포다이징된 기준 층 두께 프로파일을 갖는 실시예 1의 광대역 반사기에 대해 모델링된 스펙트럼의 그래프.
<도 8>
도 8은 광학적으로 두꺼운 층들이 있는 그리고 이들이 없는 아포다이징된 기준 층 두께 프로파일을 갖는 실시예 1의 광대역 반사기에 대해 모델링된 스펙트럼의 그래프.
<도 9>
도 9는 고 스펙트럼 기울기를 갖는 광대역 반사기를 제조하는 데 사용될 수 있는 아포다이징된 두께 프로파일 및 기준 두께 프로파일의 그래프.
<도 10>
도 10은 도 9에 기술된 광대역 반사기에 대해 모델링된 스펙트럼의 그래프.
<도 11>
도 11은 도 5의 곡선 5b로 도시된 층 프로파일 그래프의 확대도.
<도 12>
도 12는 제1 중합체 필름을 위한 아포다이징된 두께 프로파일의 그래프.
<도 13>
도 13은 도 12에 기술된 광대역 반사기에 대해 측정된 스펙트럼의 그래프.
<도 14>
도 14는 제2 중합체 필름을 위한 아포다이징된 두께 프로파일의 그래프.
<도 15>
도 15는 도 14에 기술된 광대역 반사기에 대해 측정된 스펙트럼의 그래프.
<도 16>
도 16은 제3 중합체 필름을 위한 아포다이징된 두께 프로파일의 그래프.
<도 17>
도 17은 도 16에 기술된 광대역 반사기에 대해 측정된 스펙트럼의 그래프.
본 명세서에 제시된 개략적인 도면들은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다. 도면에 사용된 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소, 단계 등을 지칭한다. 그러나, 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위한 도면 부호의 사용은 다른 도면에서 동일한 도면 부호로 표시된 그 구성요소를 제한하려는 것이 아님이 이해될 것이다. 게다가, 구성요소들을 지칭하기 위한 상이한 도면 부호들의 사용은 상이한 도면 부호의 구성요소들이 동일하거나 유사할 수 없음을 나타내도록 의도되지 않는다.

하기의 상세한 설명에서, 그 일부를 형성하고 장치, 시스템 및 방법의 수 개의 특정 실시 형태들이 예시적으로 도시되는 첨부 도면이 참조된다. 본 개시의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 다른 실시 형태들이 고려되고 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 보아서는 안된다.

본 명세서에 사용된 모든 과학적 및 기술적 용어는 달리 특정되지 않는다면 당업계에서 일반적으로 사용되는 의미를 갖는다. 본 명세서에 제공된 정의는 본 명세서에 빈번하게 사용되는 소정 용어들의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상들을 갖는 실시 형태들을 포함한다.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"이라는 용어는 일반적으로 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 이용된다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "갖다", "갖는", "포함하다(include)", "포함하는(including)", "포함하다(comprise)", "포함하는(comprising)" 등은 그들의 개방적 의미로 사용되고, 일반적으로 "포함하지만 그로 한정되지 않는"을 의미한다. 용어 "~로 이루어지는" 및 "~로 본질적으로 이루어지는"이 용어 "포함하는" 등에 포괄된다는 것이 이해될 것이다.

"상단", "하단", "좌측", "우측", "상부", "하부", "위", "아래"와 다른 방향 및 배향과 같은, 본 명세서에 언급되는 임의의 방향은 도면에 관하여 명확성을 위해 본 명세서에서 기술되며, 실제 장치 또는 시스템, 또는 장치 또는 시스템의 사용을 제한하려는 것은 아니다. 본 명세서에 기술된 장치, 물품 또는 시스템 중 많은 것이 다수의 방향들 및 배향들로 사용될 수 있다.

본 발명은 무엇보다도, 광대역 부분 반사기의 대역내 투과된 광 및 반사된 광에 대해 매끄러운 스펙트럼을 제공하는, 상이한 광학 패킷들을 갖는 광학 필름 구성물을 기술한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 본 명세서에 기술된 광대역 부분 반사기는 대역내 링잉을 실질적으로 없앤다. 따라서, 본 명세서에 기술된 광대역 부분 반사기는 대역내 투과된 광 및 반사된 광에 대해 매끄러운 스펙트럼을 제공한다. 아포다이징된 차등 두께 프로파일을 갖는 광대역 부분 반사기 광학 필름이 대역내 스펙트럼 링잉을 감소시키거나 실질적으로 없애며, 결과적으로, 원하지 않는 색상을 감소시키거나 실질적으로 없애는 것으로 밝혀졌다. 때때로 "테이퍼링(tapering)"으로 지칭되는 용어 "아포다이제이션(apodization)"은 일반적으로 신호 처리, 전자기학 및 광학 분야에 적용되는 한 부류의 수학적 기법으로부터 유래된다. 물리적 구조체가 전자기장과 상호 작용할 때, 예를 들어 중합체 다층 광학 필름이 적외광, 가시광 및/또는 자외광과 상호 작용할 때, 일반적으로 차등 공진 층 프로파일의 종단과 관련되는 불연속의 결과인 스펙트럼 특징부가 발생할 것이다. 본 발명을 위해, 스펙트럼 링잉과 같은 바람직하지 않은 스펙트럼 특징부를 최소화하도록 차등 층 두께 프로파일을 종단시키기 위한 기법을 설명하기 위해 용어 "아포다이제이션"을 사용한다.

본 명세서에 기술된 광대역 부분 반사기는 광학 디스플레이, 광학 그래픽 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 임의의 적합한 목적을 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 그렇게 한정되지 않지만, 하기에 제공된 실시예들의 논의를 통해 본 발명의 다양한 태양에 대한 인식이 얻어질 것이다.

위에서 언급한 바와 같이, (1) 법선 및 경사 각도에서 주 축을 따라 부분적으로 반사하도록 되어 있으며 (2) 광대역인 것으로 의도된(즉, 넓은 파장 범위에 걸쳐 부분 반사율을 제공하도록 된) 중합체 다층 광학 필름의 설계자들 및 제조자들이 직면한 하나의 난제는 의도하지 않은 그리고 원치 않은 색상이다. 그러한 원치 않는 색상은 광학 투과 및 반사 스펙트럼에서 비교적 높은 주파수 변동성으로서 나타날 수 있다. 본 명세서에 예시되고 기술된 도면을 위해, 간결성을 위하여, 다층 광학 필름 본체는 필름 본체의 평면 내에서 공간 변동성을 갖지 않는 것으로 가정된다. 따라서, 주어진 필름 본체의 스펙트럼의 반사 및 투과 특성은 이들이 측정되는 필름 상의 위치 또는 장소(예를 들어, (x,y) 좌표)와는 무관한 것으로 가정된다.

이제 도 1을 참조하면, 다층 광학 필름의 예시적인 광학 반복 유닛(ORU)의 개략 사시도가 도시되어 있다. 도 1은 다층 광학 필름(100)의 2개의 층들만을 도시하는데, 다층 광학 필름은 하나 이상의 인접한 패킷들 또는 적층물들로 배열된 수십 또는 수백 개의 그러한 층들을 포함할 수 있다. 필름(100)은 개별 미세층(102, 104)들을 포함하는데, 여기서 "미세층들"은, 그러한 층들 사이의 복수의 계면들에서 반사되는 광이 보강 간섭 또는 상쇄 간섭을 겪도록 충분히 얇아서 다층 광학 필름에 요구되는 반사 또는 투과 특성을 제공하는 층들을 지칭한다. 미세층(102, 104)들은 함께 다층 적층물의 하나의 광학 반복 유닛(ORU)을 나타낼 수 있고, ORU는 적층물의 두께 전반에 걸쳐 반복 패턴으로 반복되는 층들의 최소 세트이다. 미세층들은 상이한 굴절률 특징을 가져서, 일부 광은 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사된다. 자외선, 가시선 또는 근적외선 파장에서 광을 반사하도록 설계된 광학 필름의 경우, 각각의 미세층은 전형적으로 약 1 마이크로미터 미만의 광학적 두께(즉, 물리적 두께에 굴절률을 곱함)를 갖는다. 그러나, 필름의 외측 표면에 있는 스킨층, 또는 미세층들의 패킷들을 분리하는 필름 내에 배치된 보호 경계층(protective boundary layer, PBL)과 같은 더 두꺼운 층이 또한 원하는 대로 포함될 수 있다.

주 x-축, y-축, 및 z-축을 따라 편광된 광에 대한 미세층들 중 하나(예컨대, 도 1의 층(102), 또는 하기의 도 2의 "A" 층들)의 굴절률을 각각 n1x, n1y, 및 n1z로 지칭한다. 상호 직교하는 x-, y-, 및 z-축은 예를 들어 재료의 유전체 텐서(tensor)의 주 방향에 대응할 수 있다. 많은 실시 형태들에서, 그리고 논의 목적상, 상이한 재료들의 주 방향들은 일치하지만, 일반적으로는 그럴 필요는 없다. 동일한 축을 따른 인접한 미세층(예컨대, 도 1의 층(104), 또는 도 2의 "B" 층들)의 굴절률들은 각각 n2x, n2y, n2z이다. 이들 층들 사이의 굴절률 차이는 x-방향을 따른 Δnx ( = n1x - n2x), y-방향을 따른 Δny ( = n1y - n2y), 및 z-방향을 따른 Δnz ( = n1z - n2z)이다. 이들 굴절률 차의 특성은 필름 내의(또는 필름의 주어진 적층물 내의) 미세층의 개수 및 그 두께 분포와 함께 필름의(또는 필름의 주어진 적층물의) 반사 및 투과 특성을 제어한다. 예컨대, 인접 미세층들이 일 평면내 방향을 따라 큰 굴절률 부정합(큰 Δnx)을 갖고 직교하는 평면내 방향을 따라 작은 굴절률 부정합(Δny ≒ 0)을 갖고 있다면, 이 필름 또는 패킷은 법선방향 입사광에 대해 반사 편광기로서 거동할 수 있다. 반사 편광기는, 파장이 패킷의 반사 대역 내에 있으면 "차단축"으로 지칭되는 일 평면내 축을 따라 편광된 법선방향으로 입사된 광을 강하게 반사하고, "통과축"으로 지칭되는 직교 평면내 축을 따라 편광된 그러한 광을 강하게 투과시키는 광학 바디인 것으로 고려될 수 있다.

필요하다면, z-축을 따라 편광된 광에 대한 인접 미세층들 사이의 굴절률 차이(Δnz)가 또한 경사 입사광의 p-편광 성분에 대해 요구되는 반사율 특성을 달성하기 위하여 맞춤될 수 있다. 경사 입사각에서 p-편광된 광의 근접 축상 반사율(near on-axis reflectivity)을 유지하기 위하여, 미세층들 사이의 z-굴절률 부정합(Δnz)이 최대 평면내 굴절률 차이(Δnx)보다 실질적으로 작도록 제어되어, Δnz ≤ 0.5 * Δnx가 되게 할 수 있다. 대안적으로, Δnz ≤ 0.25 * Δnx. 0 또는 거의 0인 크기의 z-굴절률 부정합은 p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각의 함수로서 일정하거나 거의 일정한 미세층들 사이의 계면을 생성한다. 게다가, z-굴절률 부정합(Δnz)은 평면내 굴절률 차이(Δnx)와 비교할 때 반대의 극성(즉, Δnz < 0)을 갖도록 제어될 수 있다. 이러한 조건은 s-편광된 광에 대한 경우에서와 같이, p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각의 증가에 따라 증가하는 계면을 생성한다. Δnz > 0이면, p-편광된 광의 반사율은 입사각에 따라 감소한다. 위의 관계는 또한 물론 Δnz와 Δny를 수반하는 관계, 예를 들어, 2개의 주 평면내 축들을 따라 상당한 반사율 및 투과율이 요구되는 경우(예컨대, 밸런싱된 또는 대칭적인 부분 반사성 미러 필름, 또는 그 통과축이 법선 입사에서 상당한 반사율을 갖는 부분 편광 필름 등)에도 적용된다.

도 2의 개략 측면도에서, 복수의 ORU들을 볼 수 있도록 다층 필름(110)의 더 많은 내부 층들이 도시되어 있다. 이 필름은 로컬 x-y-z 직교 좌표계에서 나타나 있는데, 이 좌표계에서 필름은 x-축 및 y-축에 평행하게 연장하고, z-축은 필름과 그 구성층들에 수직하고 필름의 두께축과 평행하다.

도 2에서, 미세층들은 "A" 또는 "B"로 부호가 표기되며, "A" 층은 하나의 재료로 구성되고, "B" 층은 상이한 재료로 구성되며, 이들 층은 교번하는 배열로 적층되어 도시된 바와 같이 광학 반복 유닛 또는 유닛 셀(ORU 1, ORU 2, … ORU 6)들을 형성하도록 된다. 많은 실시 형태들에서, 전적으로 중합 재료들로 구성된 다층 광학 필름은 높은 반사율이 요구되는 경우 6개 초과의 많은 광학 반복 유닛들을 포함할 것이다. 다층 광학 필름(110)은 실질적으로 더 두꺼운 층(112)을 갖는 것으로 도시되어 있으며, 이 층은 외측 스킨층, 또는 도면에 도시된 미세층의 적층물을 미세층의 다른 적층물 또는 패킷(도시되지 않음)으로부터 분리시키는 보호 경계층("PBL", 미국 특허 제6,783,349호(니빈(Neavin) 등) 참조)을 나타낼 수 있다. 원한다면, 2개 이상의 개별 다층 광학 필름들이 예컨대 하나 이상의 두꺼운 접착제 층들을 이용하거나 압력, 열 또는 다른 방법을 이용하여 함께 라미네이팅되어 라미네이트 또는 복합 필름을 형성할 수 있다.

어떤 경우에는, 미세층들은 ¼-파 적층물(¼-wave stack)에 대응하는 두께 및 굴절률 값을 가질 수 있는데, 즉 동일한 광학적 두께(f-비(f-ratio) = 50%, f-비는 구성층 "A"의 광학적 두께 대 완전한 광학 반복 유닛의 광학적 두께의 비임)의 2개의 인접한 미세층들을 각각 갖는 ORU로 배열될 수 있으며, 그러한 ORU는 그의 파장(λ)이 광학 반복 유닛의 전체 광학적 두께의 2배인 보강 간섭 광에 의해 반사하는 데 효과적인데, 여기서 본체의 "광학적 두께"는 그의 물리적 두께에 그의 굴절률을 곱한 것을 지칭한다. 다른 경우에는, 광학 반복 유닛에서 미세층의 광학적 두께가 서로 상이할 수 있으며, 이에 의해 f-비는 50%보다 크거나 작다. 본 발명의 목적을 위해, 그의 f-비가 임의의 적합한 값일 수 있는 다층 광학 필름을 고려하며, 그 f-비가 50%인 필름으로 제한하지 않기로 한다. 따라서, 도 2의 실시 형태에서, "A" 층은 일반화를 위해 "B" 층보다 더 얇은 것으로 도시된다. 각각의 도시된 광학 반복 유닛(ORU 1, ORU 2 등)은 그 구성요소인 "A" 및 "B" 층의 광학적 두께의 합과 동일한 광학적 두께(OT1, OT2 등)를 가지며, 각각의 광학 반복 유닛은 파장 λ가 그 전체 광학적 두께의 2배인 광을 반사한다.

예시적인 실시 형태들에서, ORU의 광학적 두께는 필름의 z-축 또는 두께 방향에 따른 두께 구배에 따라서 상이하며, 그에 의해서, 광학 반복 유닛의 광학적 두께는 증감하거나, 적층물의 일면(예컨대, 상면)으로부터 적층물의 다른 면(예컨대, 하면)으로 진행함에 따라 어떤 다른 기능적 관계에 따른다. 그와 같은 필름의 두께 경사는 관심대상의 연장된 파장 대역에 걸쳐 그리고 또한 관심대상의 모든 각도에 걸쳐 실질적으로 분광적으로 평평한 광의 투과 및 반사를 제공하는 넓은 반사 대역을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 개시된 미세층 패킷의 층 두께 경사가 관심대상의 파장 범위에 걸쳐 상당히 변화하는 반사 및 투과 스펙트럼을 제공하도록 의도적으로 맞춤될 수 있다. 예를 들어, 다층 광학 필름 본체가 적색 광보다 청색 광을 더 많이 투과(또는 반사)시키거나 또는 그 반대로 동작하는 것, 또는 청색 광 및 적색 광보다 녹색 광을 더 많이 투과(또는 반사)시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 요구되는 스펙트럼 불균일성은 다층 광학 필름 본체가 착색된(불투명 또는 비-중간색) 외관을 보이게 할 수 있지만, 이러한 요구되는 색상은 흔히 그 요구되는 색상이 스펙트럼 반사 또는 투과에서 비교적 느린 변화와 관련되는 반면, 원하지 않는 색상은 파장의 함수로서 이들 파라미터에서의 보다 빠른 변화와 관련된다는 점에서 본 명세서의 다른 곳에서 논의되는 원하지 않는 색상과 구별가능하다. 예를 들어, 원하는 색상과 관련되는 반사 또는 투과의 스펙트럼 불균일성은 약 100 nm 이상의 특성 주기를 갖고서 파장의 함수로서 변할 수 있는 반면, 원하지 않는 색상과 관련되는 반사 또는 투과의 스펙트럼 불균일성은 약 50 nm 미만의 특성 주기를 갖고서 파장의 함수로서 변할 수 있지만, 이러한 숫자는 층 두께 프로파일의 국소화된 붕괴의 크기에 어느 정도 의존한다.

적정한 개수의 층들로 반사율을 달성하기 위해, 인접 미세층들이 x-축을 따라 편광된 광에 대해 예를 들어 0.03 이상의 굴절률 차이(Δnx)를 보일 수 있다. 2개의 직교 편광에 대해 높은 반사율이 요구되는 경우, 인접 미세층들이 또한 y-축을 따라 편광된 광에 대해 예를 들어 0.03 이상의 굴절률 차이(Δny)를 보일 수 있다. 일부 경우에, 인접 미세층들은 크기가 비슷한 2개의 주 평면내 축들을 따라 굴절률 부정합(Δnx, Δny)을 가질 수 있고, 이 경우 필름 또는 패킷이 축상 미러 또는 부분 미러로서 동작할 수 있다. 대안적으로, 통과축 편광에 대해 부분적으로 반사하도록 설계된 반사 편광기들에 대해, 인접 미세층들은 x-축을 따라 편광된 광에 대해 굴절률에 있어서 큰 차이(Δnx)를 보일 것이고 y-축을 따라 편광된 광에 대해 굴절률에 있어서 더 작은, 그러나 여전히 상당한 차이(Δny)를 보일 것이다. 그러한 실시 형태들의 변형들에서, 인접 미세층들은 z-축을 따른 굴절률 정합 또는 부정합(Δnz=0 또는 큰 Δnz)을 보일 수 있고, 부정합은 평면내 굴절률 부정합(들)과 동일하거나 반대의 극성 또는 부호의 것일 수 있다. 그러한 Δnz 맞춤은 경사 입사광의 p-편광 성분의 반사율이 입사각의 증가에 따라 증가하는지, 감소하는지, 또는 그대로 유지되는지 여부에서 중요 역할을 한다.

본 명세서의 예들은 그 반사율이 입사각에 따라 증가하는 반사기를 기술하지만, 주어진 주 축을 따라 그 반사율이 입사각에 따라 감소하는, 감소된 색상을 갖는 부분 반사기가 본 명세서에 기술된 동일한 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 이는 반사율이 법선 입사에서 크고 법선 입사를 포함한 다양한 각도들에서 투과된 광에서 보여지는 필름들에 대해 특히 중요하다.

개시된 다층 광학 필름들의 적어도 하나의 패킷 내의 미세층들 중 적어도 일부는 필요하다면 복굴절성, 예컨대 1축 복굴절성 또는 2축 복굴절성)일 수 있지만, 일부 실시 형태들에서, 모두가 등방성인 미세층들이 또한 사용될 수 있다. 일부 경우에, 각각의 ORU는 하나의 복굴절성 미세층, 및 등방성이거나 다른 미세층에 비해 작은 양의 복굴절성을 갖는 제2 미세층을 포함할 수 있다. 대안적인 경우, 각각의 ORU가 2개의 복굴절성 미세층들을 포함할 수 있다.

예시적인 다층 광학 필름은 중합체 재료로 구성될 수 있으며, 공압출, 캐스팅(casting) 및 배향 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 미국 특허 제5,882,774호(존자 등) "광학 필름(Optical Film)", 미국 특허 제6,179,949호(머릴(Merrill) 등) "광학 필름 및 그의 제조 방법(Optical Film and Process for Manufacture Thereof)", 제6,783,349호(니빈 등) "다층 광학 필름의 제조 장치(Apparatus for Making Multilayer Optical Films)", 및 2010년 5월 7일자로 출원된, 발명의 명칭이 "다층 중합체 필름을 제조하기 위한 피드블록(Feedblock for Manufacturing Multilayer Polymeric Films)"인 미국 특허 출원 제61/332,401호(대리인 관리번호 64248US002)를 참조한다. 다층 광학 필름은 임의의 전술한 참고 문헌에 설명된 바와 같이 중합체들의 공압출로 형성시킬 수 있다. 다양한 층들의 중합체가 유사한 유동 특성, 예를 들어, 용융 점도를 가져서 상당한 유동 방해 없이 공압출될 수 있도록 선택된다. 압출 조건은 연속적이고 안정한 방식으로 공급 스트림 또는 용융 스트림으로서 각자의 중합체를 적절히 공급하고, 용융하고, 혼합하고 펌핑하도록 선택된다. 용융 스트림 각각을 형성하고 유지하는 데 이용되는 온도는 온도 범위의 하한에서 동결, 결정화 또는 과도한 고압 저하를 피하고, 온도 범위의 상한에서 재료 열화를 피하는 범위 내에 있도록 선택될 수 있다.

간단히 요약하면, 제조 방법은 하기를 포함할 수 있다: (a) 적어도 최종 필름에 이용될 제1 및 제2 중합체들에 대응하는 수지의 제1 및 제2 스트림들을 제공하는 단계; (b) (i) 제1 및 제2 유동 채널들을 포함하는 구배 플레이트(gradient plate) - 제1 유동 채널은 유동 채널을 따라 제1 위치로부터 제2 위치로 변하는 횡단면적을 가짐 - , (ii) 제1 유동 채널과 유체 연통하는 제1 복수의 도관들 및 제2 유동 채널과 유체 연통하는 제2 복수의 도관들을 구비한 피더 튜브 플레이트(feeder tube plate) - 각각의 도관은 그 자신의 각자의 슬롯 다이에 공급하며 제1 단부와 제2 단부를 갖고, 도관의 제1 단부는 유동 채널과 유체 연통하고, 도관의 제2 단부는 슬롯 다이와 유체 연통함 - , 및 (iii) 선택적으로, 도관에 근접 위치한 축방향 로드 히터(axial rod heater)를 포함하는 것과 같은 적합한 피드블록을 이용하여 제1 및 제2 스트림들을 복수의 층들로 분할하는 단계; (c) 각각의 층이 인접 층들의 주 면에 대체로 평행한 다층 웨브(web)를 형성하기 위하여 복합 스트림을 압출 다이에 통과시키는 단계; 및 (d) 다층 웨브를 때때로 캐스팅 휠 또는 캐스팅 드럼으로 지칭되는 냉각 롤 상으로 캐스팅하여 캐스트 다층 필름을 형성하는 단계. 이 캐스트 필름은 최종 필름과 동일한 개수의 층들을 가질 수 있지만, 캐스트 필름의 층들은 최종 필름의 층들보다 전형적으로 훨씬 더 두껍다. 더욱이, 캐스트 필름의 층들은 전형적으로 모두 등방성이다. 넓은 파장 범위에 걸친 반사율 및 투과율에 있어서 제어된 낮은 주파수 변동을 갖는 다층 광학 필름은 축방향 로드 히터의 열 구역 제어에 의해 달성될 수 있다(예컨대, 미국 특허 제6,783,349호(니빈 등) 참조).

일부 경우에, 제조 장비는 완성된 필름 내의 층들의 개수를 다중화하는 하나 이상의 층 다중화기를 사용할 수 있다. 다른 실시 형태들에서, 필름은 임의의 층 다중화기의 사용 없이 제조될 수 있다. 층 다중화기가 많은 수의 광학층들의 생성을 매우 간단하게 하지만, 층 다중화기는 각각의 생성된 층 패킷에 각각의 패킷에 대해 동일하지 않은 왜곡을 부여할 수 있다. 이로 인해, 피드블록에서 생성된 층들의 층 두께 프로파일의 어떠한 조절도 각각의 패킷에 대해 동일하지 않은데, 즉 모든 패킷들이 스펙트럼 균열이 없는 균일하고 매끄러운 스펙트럼을 생성하기 위해 동시에 최적화될 수 없다. 따라서, 저 투과 및 반사 색상에 대한 최적의 프로파일은 다중화기를 사용하여 제조된 멀티패킷 필름으로 제조하기가 어려울 수 있다. 피드블록에서 직접 생성된 단일 패킷 내의 층들의 개수가 충분한 반사율을 제공하지 않는 경우, 반사율을 증가시키기 위해 2개 이상의 이러한 필름들이 부착될 수 있다. 저 색상 필름에 대해 매끄러운 스펙트럼 반사율 및 투과율을 제공하기 위한 층 두께 제어에 대한 추가의 논의는 PCT 공보 WO 2008/144656호 (웨버(Weber) 등)에 제공된다.

주어진 다층 필름 내의 모든 미세층들의 광학적 두께가 동일하도록 설계되었다면, 필름은 단지 파장의 협대역에 걸쳐 고 반사율을 제공할 것이다. 그러한 필름은 대역이 가시 스펙트럼 내의 어딘가에 위치되면 짙은 색상으로 보일 것이고, 이 색상은 각도의 함수로서 변할 것이다. 디스플레이 및 조명 응용의 맥락에서, 현저한 색상을 보이는 필름은 일반적으로 피하게 되지만, 일부 경우에는 시스템 내의 다른 곳의 색상 불균형을 보정하기 위해 소량의 색상을 도입시키는 것이 주어진 광학 필름에 대해 이로울 수 있다. 예시적인 다층 광학 필름 본체에는, 미세층들 - 또는 더 정확하게는, 많은(모두는 아님) 실시 형태들에서 인접 미세층들의 쌍들에 대응하는 광학 반복 유닛(ORU)들 - 을 소정의 광학적 두께 범위를 갖도록 맞춤으로써, 예컨대 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 광대역 반사율 및 투과율이 제공된다. 전형적으로, 미세층들은 필름 또는 패킷의 일 면 상의 가장 얇은 ORU로부터 다른 면 상의 가장 두꺼운 ORU까지 필름의 z-축 또는 두께 방향을 따라 배열되고, 가장 얇은 ORU가 반사 대역에서 가장 짧은 파장을 반사하고 가장 두꺼운 ORU가 가장 긴 파장을 반사한다.

다층 웨브가 냉각 롤에서 냉각된 후, 다층 웨브는 마무리된 또는 거의 마무리된 다층 광학 필름을 제조하기 위해 인발(draw) 또는 연신(stretch)될 수 있다. 이 인발 또는 연신은 2가지 목표, 즉 층을 원하는 최종 두께로 박화하는 것과 층들 중 적어도 일부가 복굴절성을 갖도록 층을 배향시키는 것을 달성한다. 배향 또는 연신은 (예컨대, 텐터(tenter)를 통해) 웨브-횡단 방향을 따라, (예컨대, 길이 배향기(length orienter)를 통해) 웨브 하류측 방향을 따라, 또는 동시적이든 순차적이든 간에 이들의 임의의 조합에 따라 달성될 수 있다. 일 방향만을 따라 연신된다면, 연신은 "비구속적(unconstrained)"(필름이 연신 방향에 수직인 평면내 방향에서 치수적으로 이완될 수 있는 것)이거나 "구속적"(필름이 구속되어 연신 방향에 수직인 평면내 방향에서 치수적으로 이완될 수 없는 것)일 수 있다. 모든 평면내 방향을 따라 연신된다면, 연신은 대칭적, 즉 직교 평면내 방향을 따라 동일하거나, 비대칭적일 수 있다. 대안적으로, 필름은 일괄 공정(batch process)으로 연신될 수 있다. 어쨌든, 후속되는 또는 동시에 실시되는 인발 감소(draw reduction), 응력 또는 변형률 평형, 열 경화, 및 다른 처리 작업이 또한 필름에 적용될 수 있다.

종래의 편광 필름을 참조하면, 광이 2개의 직교 평면들에서 편광된 것으로 생각될 수 있으며, 여기서 광의 전파와 교차하는 광의 전기 벡터가 특정의 편광 평면 내에 있다. 이어서, 주어진 광선의 편광 상태는 2가지 상이한 편광 상태들, 즉 p-편광된 광 및 s-편광된 광으로 분해될 수 있다. p-편광된 광은 광선의 입사 평면 및 주어진 표면에서 편광되며, 여기서 입사 평면은 국소 표면 법선 벡터 및 광선 전파 방향 또는 벡터 둘 모두를 포함하는 평면이다.

도 3은 반사 편광 필름의 개략 사시도이다. 도 3은 편광기(110)에 입사각(θ)으로 입사함으로써 입사 평면(132)을 형성하는 광선(130)을 도시한다. 편광기(110)는 y-축에 평행한 통과축(114) 및 x-축에 평행한 차단축(116)을 포함한다. 광선(130)의 입사 평면(132)은 차단축(116)에 평행하다. 광선(130)은 입사 평면(132) 내에 있는 p-편광된 성분 및 입사 평면(132)에 직교하는 s-편광된 성분을 갖는다. 광선(130)의 p-편광된 광은 편광기에 의해 실질적으로 반사될 것인 반면, 광선(130)의 s-편광된 광은 적어도 부분적으로 투과된다.

또한, 도 3은 편광기(110)의 통과축(114)에 평행한 입사 평면(122) 내에서 편광기(100)에 입사하는 광선(120)을 도시한다. 결과적으로, 편광기(110)가 차단축에서 편광된 광에 대해 모든 입사각에서 100%의 반사율을 갖고 통과축에서 편광된 광에 대해 모든 입사각에서 0%의 반사율을 갖는 완벽한 편광기인 것으로 가정하면, 편광기는 광선(130)의 s-편광된 광과 광선(120)의 p-편광된 광을 투과시키면서, 광선(130)의 p-편광된 광과 광선(120)의 s-편광된 광을 반사한다. 다시 말하면, 편광기(110)는 p-편광된 광과 s-편광된 광의 조합을 투과시킬 것이다. p-편광된 광 및 s-편광된 광의 투과량 및 반사량은, 본 명세서에서 추가로 설명되는 바와 같이, 편광기의 특성에 좌우될 것이다.

도 4는 광대역 부분 반사기(200)의 개략 단면도이다. 광대역 부분 반사기(200)는 다층 중합체 광학 필름(200)을 포함하고, 다층 중합체 광학 필름은 다층 중합체 광학 필름(200)의 제1 면(201)으로부터 제2 면(202)으로 두께 값이 단조 증가하는 소정 총 개수의 광학 반복 유닛들을 구비한다. 많은 실시 형태들에서, 광학 반복 유닛들의 총 개수는 50개 내지 1000개의 범위 내에 있다. 많은 실시 형태들에서, 광대역 부분 반사기(200)는 100 nm 이상의 폭의 대역에 걸쳐 또는 200 nm 이상의 폭의 대역에 걸쳐 또는 300 nm 이상의 폭의 대역에 걸쳐 가시광 또는 IR 광의 10 내지 90%를 반사한다.

기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고 제1 평균 기울기를 갖는다. 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들은 제1 층(211)과 최종 층(212) 사이에 한정된다.

다층 중합체 광학 필름의 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제2 광학 반복 유닛(220)들에 의해 한정되고, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제2 평균 기울기를 갖는다. 많은 실시 형태들에서, 제2 평균 기울기는 제1 평균 기울기보다 10배 이상 더 크다. 복수의 제2 광학 반복 유닛(220)들은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면(201)을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들을 결합시킨다. 복수의 제2 광학 반복 유닛(220)들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 5 내지 10% 또는 3 내지 15%의 범위 내에 있거나, 4 내지 20개의 광학 반복 유닛들을 포함할 수 있다. 복수의 제2 광학 반복 유닛(220)들은 제1 층(221)과 최종 층(222) 사이에 한정된다. 복수의 제2 광학 반복 유닛(220)들의 최종 층(222)은 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들의 제1 층(211)에 인접하여 이와 접촉한다.

많은 실시 형태들에서, 광대역 부분 반사기(200)는 제2 아포다이징된 두께 프로파일을 포함한다. 다층 중합체 광학 필름(200)의 제2 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제3 광학 반복 유닛(230)들에 의해 한정되고, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제3 평균 기울기를 갖는다. 많은 실시 형태들에서, 제3 평균 기울기는 제1 평균 기울기보다 10배 이상 더 크다. 복수의 제3 광학 반복 유닛(230)들은 다층 중합체 광학 필름(200)의 제2 면(202)을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들을 결합시킨다. 복수의 제3 광학 반복 유닛(230)들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 5 내지 10% 또는 3 내지 15%의 범위 내에 있거나, 4 내지 20개의 광학 반복 유닛들을 포함할 수 있다. 복수의 제3 광학 반복 유닛(230)들은 제1 층(231)과 최종 층(232) 사이에 한정된다. 복수의 제3 광학 반복 유닛(230)들의 제1 층(231)은 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들의 최종 층(212)에 인접하여 이와 접촉한다.

많은 실시 형태들에서, 복수의 제2 광학 반복 유닛(220)들(즉, 제1 아포다이징된 두께 프로파일)은, 제1 층(221)으로부터 최종 층(222)까지, 1.1x 내지 2x의 범위 내에서 두께가 증가한다. 많은 실시 형태들에서, 복수의 제3 광학 반복 유닛(230)들(즉, 제2 아포다이징된 두께 프로파일)은, 제1 층(231)으로부터 최종 층(232)까지, 1.2x 내지 2x의 범위 내에서 두께가 증가한다(도 5에서 빈 원들 참조). 많은 실시 형태들에서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일로부터 지수적으로 벗어난다. 많은 실시 형태들에서, 제2 아포다이징된 두께 프로파일은 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일로부터 지수적으로 벗어난다. 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들 중 임의의 것보다 15% 이상 더 얇은 또는 25% 이상 더 얇은 두께를 갖는 제1 층(221)을 구비할 수 있다. 제2 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들 중 임의의 것보다 15% 이상 더 두꺼운 또는 25% 이상 더 두꺼운 최종 층 두께(232)를 갖는다.

많은 실시 형태들에서, 광대역 부분 반사기(200)는 제1 면(201) 또는 제2 면(202)에 광학적으로 결합되는 광학적으로 두꺼운 층(도 2의 요소(112) 참조)을 포함한다. 광학적으로 두꺼운 층은 복수의 제1 광학 반복 유닛(210)들 중 적어도 하나보다 10x 이상 더 두껍다. 몇몇 실시 형태들에서, 광대역 부분 반사기(200)는 제1 면(201) 및/또는 제2 면(202) 상에 배치된 반사 방지 층을 포함한다.

진공 증착된 적층물 설계와 공압출된 중합체 다층 적층물 설계 사이의 적어도 하나의 차이는 층 프로파일 분포의 형상이다. 진공 증착된 필름의 경우에, 원하는 스펙트럼은 적층물 내의 모든 층의 두께를 컴퓨터-최적화된 적층물 설계에 따르도록 개별적으로 조절함으로써 달성된다. 이러한 방식으로, 스펙트럼 리플(ripple)과 같은 문제가 항상 최소화된다. 인접한 층들은 때때로 두께가 10배만큼 상이한데, 이때 두께 값들은 흔히 약 0.05 λ 내지 1.0 λ의 범위이다. 공압출된 중합체 필름 적층물의 경우에, 이러한 방식으로의 개별 층들의 온라인 모니터링 및 제어는 이 기술에 의해서는 아직 실행가능한 옵션이 아니다. 결과적으로, 스펙트럼 형상이 도 5의 프로파일(5a)과 같은 연속적이고 매끄럽게 변화하는 층 두께 프로파일의 형상에 의해 주로 제어된다. 그러한 프로파일이 중합체 필름 적층물로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 아포다이징 프로파일은 얇은 층으로부터 두꺼운 층까지 실질적으로 단조적인 방식으로 차등화되는 층 두께 프로파일을 사용하는 임의의 적층물에 적용될 수 있다.

아포다이징된 적층물의 전형적인 예가 광대역 반사기가 아니라, 하나의(즉, 단일) 파장에 대해 중심설정되는, 즉 조정되는 적층물인 것에 또한 주목하여야 한다. 그러한 적층물에서, 모든 광학 반복 유닛들은 실질적으로 동일한 두께 값을 갖는다. 그들 적층물에 대해, "대역내" 리플이 없으며, 단지 측대역 리플만이 있다. 또한, 그들 적층물에 대한 아포다이제이션 프로파일은 대체로 적층물의 층들 중 많은 층들 또는 때때로 모든 층들을 통해 연장되고, 전형적으로 두께 변화의 프로파일이 아닌 굴절률 변화의 프로파일을 사용한다. 흔한 예를, "적층물"이 섬유의 길이를 따른 변조된 굴절률 프로파일인 광섬유 산업에서 찾아볼 수 있다. 몇몇 아포다이제이션 프로파일은 예를 들어 코사인, 가우시안, 5차, 셉틱(Septic) 또는 싱크(Sinc) 함수 굴절률 프로파일이다.

광대역 반사기란 반사 대역 내의 최장 및 최단 파장이 약 2:1 이상의 파장 비를 갖게 하는 반사기를 의미하지만, 일반적으로 이들은 중합체 반사기에 대해 1.5:1만큼 낮고 최대 5:1만큼 클 수 있다. 하기에서는, 위에서 논의된 물품 및 방법의 다양한 실시 형태들을 기술하는 비-제한적인 실시예들이 제시된다.

실시예

실시예 1: 컴퓨터 모델링된 층 프로파일 및 스펙트럼

도 5는 광대역 반사기를 제조하는 데 사용될 수 있는 2개의 뚜렷하게 상이한 층 두께 프로파일들, 즉 광대역 반사기를 위한 기준 설계 및 아포다이징된 버전을 제시한다. 아포다이징된 버전은 큰 양의 기울기로 종단된 아포다이징 프로파일(곡선 5b)로 대체된 기준 프로파일의 단부 섹션들을 보여준다. 기준 프로파일(곡선 5a)은 각각의 층(n)(n = 1 내지 N)에 대해 단순 멱법칙(power law) 프로파일에 기초하였는데, 여기서 각각의 층의 두께(t)는 t = T₀*(1.005)^n에 의해 주어지며, 여기서 T₀은 상수 스케일링 계수(constant scaling factor)이고, n은 층 번호이다. 여기에 도시된 기준 프로파일은 굴절률 분산을 위한 조절을 돕도록 곡률을 약간 증가시키는 작은 조절에 의해 수정된다. 이들과 같은 프로파일에 대한 스펙트럼을 당업자에게 알려진 광학 컴퓨터 모델을 사용하여 생성하였다. 모델링 결과에 따르면, 기준 층 두께 프로파일(곡선 5a)은 도 6에 도시된 바와 같이 통과 스펙트럼(6a) 및 차단 스펙트럼(6b)을 초래하였다. 아포다이징된 기준 층 두께 프로파일(곡선 5b)은 도 7에 도시된 바와 같이 통과 스펙트럼(7a) 및 차단 스펙트럼(7b)을 초래하였다. 도 6의 대역내 스펙트럼 링잉이 아포다이징 프로파일(곡선 5b)로 인해 도 7에서 감소됨에 주목한다.

도 5에 도시된 층 두께 값들은 광학 반복 유닛들의 물리적 두께의 1/2과 동일하다. 각각의 층에 대해 1/4 파 광학적 두께를 사용하여 모델링을 수행하였으며, 이는 고 굴절률 재료 및 저 굴절률 재료의 상이한 굴절률 값들에 대해 물리적 두께 값들이 조절되었음을 의미한다.

도 6의 모델링된 스펙트럼들 둘 모두는 하기의 굴절률들, 즉 고 굴절률 층 nx1 = 1.791, ny = 1.675, nz = 1.490, 및 저 굴절률 층 nx2 = ny2 = nz2 = 1.564를 갖는 복굴절성 필름 적층물에 대해 모델링되었다. 이러한 적층물은 또한 저 굴절률 재료의 20 마이크로미터 두께의 스킨층을 포함하였다. 이러한 복굴절성 층 굴절률 세트는 coPEN 공중합체(90% PEN, 10% PET)의 비대칭 배향으로 달성될 수 있다. 저 굴절률 층은 미국 테네시주 킹즈포트 소재의 이스트만 케미칼스(Eastman Chemicals)로부터 입수가능한 PETg GN071로부터 형성된다. 특히 통과축 스펙트럼(곡선 6a)에 대한 스펙트럼의 대역내 링잉에 주목한다. 차단축(곡선 6b)에 대해 반사율이 100%에 접근함에 따라, 이러한 플로팅된 스케일에서의 진동이 훨씬 더 작게 보이지만, 로그 스케일에서는 여전히 상당히 크다. 그래도 99% 부근의 반사율 크기를 갖는 대부분의 반사기들은 투과에서 드물게 사용되며, 아포다이제이션에 대한 필요성을 거의 갖지 않을 수 있지만, 이 기술은 임의의 반사율 값을 갖는 반사기에 사용될 수 있다.

스펙트럼 진동을 감소시키기 위하여, 도 5의 프로파일을 탐구하였고, 예상외의 상당한 성공을 얻었다. "아포다이징된" 프로파일(곡선 5b)은 스펙트럼 링잉에서 상당한 감소를 나타내는 도 7의 스펙트럼을 초래하였다. 이러한 아포다이징된 프로파일은 기준 프로파일의 각각의 단부에 지수 말단을 부가함으로써 얻어졌다. 지수 두께 프로파일은 t = A* Exp(-n/d)에 의해 주어졌는데, 여기서 n은 (주어진 단부로부터의) 층 번호이고, A는 분획 진폭(fractional amplitude)이며, d는 아포다이제이션 프로파일이 얼마나 멀리 적층물 내로 연장되는지의 척도인 스칼라(1/e 값)이다. 이들 값을 기준 층 값들에 더하였다. 얇은 층 단부에서의 아포다이징된 프로파일에 대한 A₁은 - 0.3이었고, 두꺼운 층 단부에 대한 A₂₇₅는 + 0.25였다. 다시 말하면, 아포다이징된 프로파일의 층 1은 층 1에 대한 원래 기준 프로파일의 층 1보다 30% 더 얇았고, 층 275는 원래 프로파일의 층 275보다 25% 더 두껍다. 도 5에 도시된 아포다이제이션에서의 일부 변형들(도시되지 않음)을 탐구하였다. 적층물의 어느 단부에서의 유사한 아포다이제이션 진폭들이 스펙트럼의 각자의 단부들에서 링잉의 유사한 감소를 제공하는 것으로 보였다. 층들의 개수들 관점에서, 동일한 것이 아포다이제이션 깊이에도 그러하다는 것을 알았다.

d = 1/e에 대한 값을 각각의 단부에 대해 5로 설정하였다. 층들에 쌍으로 번호를 부여하였는데, 즉 제1 ORU의 각각의 층에 대해 층 번호 n = 0을, 제2 ORU의 각각의 층에 대해 n = 1을, 제3 ORU의 각각의 층에 대해 n = 2를 사용하는 등이었다. 이러한 방식으로, 각각의 광학 반복 유닛이 약 0.5의 f-비를 가졌다. 각각의 층이 지수 식에서 고유의 수 n을 부여받는 대안적인 카운팅 기법이 계산된 스펙트럼에서 매우 작은 차이를 만드는 것으로 밝혀졌다.

이 실시예가 표준 층 분포의 단부들에서 지수 말단 분포를 사용하였지만, 1개, 2개 또는 그 이상의 직선 또는 약간 만곡된 선분 또는 다른 형상의 아포다이제이션 프로파일이 또한 스펙트럼 링잉을 매끄럽게 하는 데 효과적일 것이다. 예를 들어, 가우시안 분포(1/e^2)가 또한 스펙트럼 링잉을 억제할 것이다. 아포다이징 프로파일의 층들의 상당한 부분이 기준 프로파일에 비해 상당히 더 큰 기울기를 갖고 도 5에 도시된 방향들로 차등화되는 것이 주요 필요조건이라고 여겨진다. 도 5의 얇은 단부 아포다이징 프로파일(5b)에서 첫번째 10개 층들의 평균 기울기는 약 2.5인 반면, 기준 프로파일의 기울기는 약 0.2이다. 이들은 10배 초과만큼 상이하다. 첫번째 6개 층들의 평균 기울기는 기준 기울기의 16배이다. 평균 기준 기울기(도시되지 않음)의 5배인 첫번째 10개 층들의 평균 기울기는 또한 스펙트럼 링잉을 상당히 감소시키는 것으로 밝혀졌다.

(기준 반사의 90%에서의) 대역폭이 아포다이제이션에 의해 약간 감소되었음에 주목한다. 이는 원한다면 최종 대역을 확장시키는 기준 프로파일의 기울기의 약간의 증가에 의해 용이하게 보상될 수 있다.

공기/중합체 표면 반사에 의한 간섭 효과로 인해, 라미네이트 및 보호 경계층(PBL) 또는 스킨층은 또한 스펙트럼 링잉에 기여하는 광학 효과에 있어서 예상외로 중요한 역할을 할 수 있다. 스펙트럼 링잉은 미세층 적층물의 외측 표면들 상에 임의의 광학적으로 두꺼운 층 또는 PBL이 없을 때 더 크다. 예를 들어, 부분 반사기 적층물의 외측 표면들 상의 광학적으로 두꺼운 층 또는 PBL이 없이 모델링되었던 도 8의 곡선 8b로 도시된 통과축 스펙트럼에 특히 주목한다. 그래도, 몇몇 반사 방지 기술 또는 코팅에 의해 공기 계면이 제거된다면 예외가 일어난다. 예를 들어, 이때 p-편광된 광에 대한 공기 중 60도에서의 링잉(도시되지 않음)은 없을 것이다. 60도는 브루스터 각 부근이고, 공기/중합체 계면으로부터의 반사는 그 각도 부근에서 최소이다.

이들 스펙트럼의 파장들의 경우, 모델링은 스킨, PBL, 또는 임의의 다른 라미네이트가 도 8의 곡선 8a로 도시된 바와 같이 대략 수 마이크로미터 이상의 두께였을 때 아포다이제이션이 가장 효과적이었음을 보여주었다. 부가적으로, 모델링은 필름 적층물의 일면이 PBL/스킨 층을 가졌고 일면이 가지지 않았던 경우에 PBL/스킨 또는 다른 라미네이트를 갖는 면만이 감소된 스펙트럼 링잉을 가졌음을 보여주었다.

모델링은 아포다이제이션 프로파일의 진폭 및 깊이 둘 모두가 실질적으로 변하여 링잉의 상당한 감소를 여전히 제공할 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 본 실시예에서의 아포다이제이션 진폭은 적층물의 대향 단부들에서 기준 층 두께의 30% 및 25%였다. 이 진폭은 어느 단부에서도 5% 내지 50%로 변하였고, 7.5의 1/e 깊이에 대해 대략 동일한 링잉 감소를 여전히 제공하였다. 예를 들어, 5% 또는 10%와 같은 더 작은 진폭은 덜 효과적이었지만, 여전히 유용하였다. 분획 진폭(A)은, 아포다이징 프로파일의 단부(외측 표면)에서의 두께와 비교할 때, 기준 프로파일에 맞춤된 직선의 단부에서의 층 두께의 분획 차이가 되도록 취해졌다.

모델링은 프로파일의 1/e 깊이가 3 내지 10의 범위이고 꽤 효과적일 수 있지만 다른 값들이 여전히 유용함을 보여주었다. 이용가능한 개수의 층들을 최대한 이용하기 위하여, 깊이는 최소의 유용한 값으로 유지되어야 한다. 모델링은 링잉에서의 유익한 감소를 제공하기 위하여 275개 층 적층물의 각각의 단부에서 단지 약 10 내지 30개 층(5 내지 15개 ORU)들이 필요함을 보여주었다. 일반적으로, 대략 동일한 반사율을 갖는 필름 적층물들을 비교할 때, 광학 반복 유닛에서의 굴절률 차이가 더 작은 경우에 기준 프로파일 및 아포다이제이션 프로파일 둘 모두에 대해 보다 많은 층들이 필요함이 밝혀졌다. 도 5에 도시된 프로파일이 약 0.1의 굴절률 차이에 대해 거의 최적임이 밝혀졌다.

실시예 2: 고 스펙트럼 기울기

실시예 1은 반사 대역 전반에 걸쳐 실질적으로 일정한 반사율을 갖는 모델링된 부분 반사기에 대한 것이었다. 아포다이제이션은 또한 큰 기울기의 스펙트럼을 생성하는 적층물들에 대해 유용하다. 도 5의 프로파일보다 실질적으로 더 큰 2차 도함수를 갖는 기준 층 프로파일(곡선 9a)이, 얇은 단부에서의 아포다이징 프로파일(곡선 9b)과 함께, 도 9에 도시되어 있다.

전체 기준 프로파일에 대한 스펙트럼 및 아포다이징 프로파일을 갖는 기준에 대한 스펙트럼이 도 10에서 곡선 10a 및 곡선 10b로 도시되어 있다. 스펙트럼의 단파장 단부에서의 큰 스펙트럼 진동은 아포다이징 프로파일 곡선(9b)에 의해 상당히 감소되었다. 또한, 아포다이징 프로파일에 의해, 전체 스펙트럼은 삼각형 형상에 더 가까웠는데, 이때 고 스펙트럼 기울기가 보다 짧은 파장들까지 지속된다.

기준 프로파일(곡선 9a)이 실질적으로 만곡될지라도, 아포다이징 부분(곡선 9b)의 기울기는 기준 프로파일의 기울기보다 여전히 훨씬 더 크다. 아포다이징 프로파일이 기준과 만나는 곳에서의 기준의 기울기는 약 0.47이고, 아포다이징 프로파일의 첫번째 10개 층들의 평균 기울기는 대략 7배 더 큰 약 3.37이었다. 아포다이징 프로파일의 첫번째 20개 층들의 평균 기울기는 대략 5배 더 큰 약 2.0이었다. 기준 프로파일의 평균 기울기는 약 0.3이다.

고유 대역폭 고려사항

기준 층 프로파일로부터의 아포다이징 층 두께 프로파일의 편차는 또한 고유 대역폭(intrinsic bandwidth, IBW)으로 알려져 있는 광학 가간섭 길이(optical coherence length)로 표현될 수 있다. 고유 대역폭은 반사율로 이어지는 보강 간섭에 관하여 인접 층들의 가간섭 강도(strength of coherence)의 척도이다.

도 5의 층 프로파일의 확대도가 도 11에 도시되어 있다. 적층물의 고유 IBW는 적층물 내의 재료들의 굴절률들에 의해 오로지 결정되며, IBW는 박막 반사기의 기술 분야에서 잘 알려진 하기에 의해 주어진다:

IBW = 4/π* Sin^-1[(n1-n2)/(n1+n2)].

작은 굴절률 차이의 경우, IBW에 대한 이러한 수학식은 하기와 같이 1차로 단순화될 수 있다:

IBW = 4/π*[(n1-n2)/(n1+n2)].

임의의 편광 또는 입사각에 대해 보다 일반적으로:

IBW = 4/π*r,

여기서, r은 재료 층 쌍들 사이의 계면에 대한 프레넬 반사 계수(Fresnel reflection coefficient)이다. 식 [(n1-n2)/(n1+n2)]는 굴절률 n1 및 n2의 교번 층들의 적층물에 대한 법선 입사의 광에 대한 r의 값으로서 인식가능하다(여기서, n1 > n2).

IBW는 비대역폭(fractional bandwidth)(Δλ/λo)이며, 여기서

IBW = Δλ/λ₀ = 4/π*r.

법선 입사에서의 층 두께(d)와 파장(λ) 사이의 잘 알려진 관계, 즉

1/4 λ = nd를 통해 층 두께가 반사의 중심 파장에 정비례하기 때문에, 또한 하기와 같이 기재할 수 있다:

Δd/d₀ = IBW 또는 Δd/ d₀ = 4/π*r

이러한 방식으로, 두께 d₀의 층과 관련되는 주어진 파장 λ₀을 반사하도록 실질적으로 가간섭성 방식으로 작동하는 차등 적층물 내의 인접 층들의 대략적인 범위를 결정할 수 있다. 단조 증가하거나 감소하는 층 프로파일을 갖는 필름 적층물의 경우, 임의의 주어진 층에 강하게 결합되는 층들은 +/- Δd의 두께 범위 내에서 그 층의 양면 상의 층들인데, 여기서 Δd는 위의 수학식에 의해 주어진다.

따라서, 층 프로파일이 알려진 때, 상당한 반사율을 위한 가간섭성 방식으로 작동하는 인접 층들의 개수인 ΔN을 결정하기 위해, 2*Δd의 범위가 사용될 수 있다. ΔN은 층 두께 프로파일의 범위에 의존하기 때문에 층 프로파일이 주어지기만 한다면 ΔN이 결정될 수 있다.

소정의 파장(λ = 4n*d₀, 여기서 d₀은 적층물 내의 층의 두께임)에서의 적층물의 반사율은 층 프로파일의 국소 기울기에 비례하는 것으로 보일 수 있으며, 대략적으로 하기의 수학식에 의해 주어지는데, 여기서 r, ΔN, 및 IBW는 전술된 바와 같이 결정된다. 더 정확하게는, d₀은 1/4파 적층물의 광학 반복 유닛의 절반이다.

계수 "a"의 값은 조절가능한 파라미터이다. a = 2의 값은 반사율을 위한 적절한 값들을 제공한다. 간단한 경우에서, 비 ΔN/Δd는 층 두께 프로파일의 1/기울기이다. 그러나, 기울기가 0이거나, 층 프로파일이 기울기에서의 단기간 부호 반전을 갖거나, 층이 적층물의 시작부 또는 단부 부근에 있다면, 비 ΔN/Δd는 도 11과 관련하여 이하에서 개괄되는 그래픽 기법에 의해 결정되어야 한다. 이때, Δd는 수학식 Δd = 2*IBW*d₀에 의해 주어지고, ΔN은 두께 d₀의 선택된 층의 양면에서 이러한 Δd의 거리 내에 있는 모든 인접 층들이다. 이 수학식은 매끄럽고 연속적인 층 프로파일을 갖는 적층물의 대략적인 반사율을 결정하기 위한 지침으로서 의도된다. 이는 인접한 층들 또는 층 쌍들 사이에서의 층 두께의 양 및 음의 큰 변동을 갖는 적층물과 같은 모든 경우에 잘 작용하지는 않을 것이다. 또한, 적층물과 공기, 또는 적층물에 라미네이팅된 다른 층들 사이에서 반사 계면을 포함하지 않는다는 것에 주목한다.

도 11의 예시적인 프로파일의 경우, 저 굴절률 층 및 고 굴절률 층이 1.564 (PETg) 및 1.675(실시예 1의 부분적으로 배향된 coPEN)라고 가정하면, IBW는 0.0436 또는 4.36%이다. 그 값의 2배는 0.0872이다. 두께 d₀의 주어진 층의 어느 하나의 면에서의 가간섭성 반사의 범위는 d₀보다 +/- 4.36% 더 두껍거나 더 얇은 층들을 위한 것이다. 적층물의 기준 섹션에서, 이는 약 34개 층들이 된다는 것에 주목한다. 아포다이제이션 섹션의 큰 기울기의 구역에서, 2 내지 4개 층들만이 실질적으로 가간섭성인 방식으로 보강 간섭을 제공한다.

기준 프로파일로부터의 아포다이징 프로파일의 편차 크기가 IBW에 의해 표현될 수 있다. 이는 유용한데, 그 이유는 IBW가 적층물의 광학 반복 유닛에서의 굴절률 차이에 관련되기 때문이다. 일반적으로, 아포다이징 프로파일의 분획 진폭(A)은 3 내지 10 IBW 또는 심지어 그 이상의 범위일 수 있다. 도 11에서의 아포다이징 프로파일의 진폭은 약 7 IBW이다.

제어되는 색상을 갖는 광대역 반사기를 생성하기 위하여, 층 프로파일은 최소 붕괴를 가지고서 두께가 단조 증가 또는 감소할 수 있다. 단조 제약은 관심대상의 광대역 파장 범위에 적용되는 두께의 모든 층들에 적용된다. 층 두께 변형들은 매끄럽게 변화하는 스펙트럼을 생성하기 위하여 +/- 1 IBW 정도이어야 한다.

다층 필름을 따른 광학 반복 유닛의 단조적으로 변화하는 층 두께

광학 반복 유닛의 두께는 다층 필름의 두께를 따라 증가하는 일관된 경향을 보여준다(예컨대, 광학 반복 유닛의 두께는 다층 필름의 두께의 일부를 따른 증가 경향 및 다층 필름 두께의 다른 부분을 따른 감소 경향을 보이지 않는다). 이들 경향은 2% 이상만큼 큰 1-시그마 값을 갖는 통계적 분산을 가질 수 있는 층간 두께 오차와는 무관하다. 게다가, 도 12, 도 14 및 도 16에서 볼 수 있는 것들과 같은 광학 반복 유닛 두께에서의 국소 붕괴는 수학적 정의에 의해 엄격하게 단조적이지 않을 수 있지만, 단조적이고 매끄럽게 변화하는 층 프로파일로부터의 층 두께의 국소 편차의 크기는 최소로 유지되어야 한다.

고유 대역폭 관계는 층 프로파일의 국소 붕괴의 필요한 한계에 대한 그리고 아포다이제이션 프로파일의 요구되는 크기에 대한 통찰력을 제공한다. 약 +/- 1 IBWA 초과인 프로파일의 내부에서의 국소화된 층 프로파일 붕괴는 적층물의 스펙트럼에서 오히려 상당한 진동을 야기할 수 있다. 그러한 국소 두께 편차는 바람직하게는 +/- 0.5*IBW 미만, 또는 +/- 0.25*IBW 미만이다.

대안적인 아포다이징 프로파일

기준 프로파일로부터의 지수 편차는 광대역 적층물을 위한 양호한 아포다이제이션을 제공한다. 지수 프로파일은 연속적으로 변화하는 기울기를 가지며, 기울기의 도함수는 또한 지수 함수이다. 다른 프로파일이 또한 효과적이다. 일반적으로, 기준 프로파일의 단부 부근에서의 임의의 연속적이고 빠르게 변화하는 기울기는 스펙트럼 링잉에서의 요구되는 감소를 제공한다. 단부 층에서의 아포다이제이션 층 프로파일의 1차 도함수 또는 기울기는 바람직하게는, 아포다이제이션 프로파일이 기준 프로파일과 만나는 곳에서의 기준 프로파일의 기울기보다 5, 7 또는 10배 이상 정도로 훨씬 더 크다. 하나의 아포다이제이션 프로파일에서의 층들의 개수는 적층물 내의 층들의 총 개수의 약 3%, 5%, 10% 또는 15%일 수 있는데, 여기서 적층물은 광학 반복 유닛들의 연속적인 프로파일로 구성되고 일반적으로 하나의 단부로부터 다른 단부까지 두께가 증가한다. 이러한 이상적인 프로파일로부터의 몇몇 층들의 작은 편차들은 용인될 수 있지만, 양 및 음의 기울기들 둘 모두를 갖는 하나 초과의 고유 대역폭의 국소 편차는 국소화된 파장에서 스펙트럼 응답의 상당한 균열을 야기할 수 있다.

단부 층으로부터 층들의 총 개수의 5%인 번호를 갖는 층까지 측정된 아포다이제이션 층 프로파일의 평균 기울기는 기준 프로파일의 평균 기울기보다 약 4 또는 5배 더 클 수 있고 효과적인 스펙트럼 평활화(spectral smoothing)를 제공할 수 있다.

실시예 3: 적색 스펙트럼측에서 아포다이징된 중합체

미국 특허 제6,783,349호에서 기술된 피드블록 방법을 사용하여, 교번하는 저 굴절률 및 고 굴절률 중합체 층들로 된 275-미세층 패킷을 캐스트 웨브(cast web)로서 공압출하고 나서, 표준 필름 텐터(tenter)에서 약 6:1의 구속 일축 연신(constrained uniaxial stretch)으로 배향시켰다. 고 굴절률 복굴절성 재료는 90/10 coPEN(90% 나프탈레이트 단위 대 10% 테레프탈레이트 단위)이었다.

복굴절성 고 굴절률 90/10 coPEN 중합체에 대해 하기의 굴절률 세트를 얻기 위해 연신 온도와 속도를 조절하였다: nx ≒ 1.82, ny ≒ 1.62, nz ≒ 1.50 (여기서, x는 횡방향 텐터-연신 방향임). 저 굴절률 재료는 이스트만 케미칼(미국 테네시주 킹포트 소재)로부터의 네오스타(NEOSTAR) FN007 코폴리에스테르 에테르 탄성중합체였고, 약 1.505의 굴절률을 갖는다. 모든 굴절률을 633 nm에서 측정하였다.

배향된 필름의 275개 미세층들의 층 두께 프로파일이 원자력 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)을 사용하여 측정되었고, 도 12에 도시되어 있다. 배향 후에, 투명 PET의 100 마이크로미터 두께의 필름을 투명 감압 접착제의 50 마이크로미터 두께의 층을 사용하여 필름 적층물의 두꺼운 층측에 라미네이팅하였다. 필름의 전방 및 후방 공기/중합체 계면들로부터 반사된 광의 간섭에 의해 야기될 수 있는 외래 스펙트럼 링잉을 억제하도록 필름을 그렇게 라미네이팅하였다. 필름의 y-축에 평행하게 편광된 광에 의한 법선 입사에서 측정된, 필름의 y-축에 대해 얻어진 스펙트럼이 도 13에 도시되어 있다.

도 12의 층 프로파일은 적층물의 두꺼운 단부에서 아포다이징 프로파일을 포함하였다. 기준 프로파일의 평균 기울기는 약 0.37이었다. 아포다이징 프로파일의 외측 10개 층들에 대한 평균 기울기는 약 4.3이었고, 마지막 14개 층들에 대한 평균 기울기는 약 3.3이었으며, 마지막 20개 층들에 대한 평균 기울기는 약 2.3이었다. 기준 프로파일의 기울기로 나눌 때, 이들은 약 12, 9 및 6의 비들을 각각 초래한다. 기준 프로파일의 직선 맞춤을 위한 수학식은 t = 0.3728*n + 62.41이었다. n = 275의 최대 값에서, 기준 두께 값은 165 nm였다. 층 번호 275는 214 nm 두께인 것으로 측정되었다. 분획 진폭 차이(A)는 A = (214 - 165)/165 ≒ 0.3에 의해 주어졌다. 아포다이징 프로파일은 층 번호 240 부근에서 기준 프로파일과 만났다. 따라서, 층들 중 약 13%가 아포다이제이션 프로파일을 위해 이용되었다.

스펙트럼의 청색 및 적색 단부들에서의 차이가 도 13에서 용이하게 명백해진다. 청색에서의 투과 스펙트럼의 큰 진동이, 아포다이징 층 프로파일의 사용으로 인해, 스펙트럼의 장파장 단부에서는 없었다. 스펙트럼의 전체 형상은 원한다면, 실시예 2에 의해 도시된 바와 같이 기준 층 프로파일의 형상을 조절함으로써 변경될 수 있다.

실시예 4: 청색 스펙트럼측에서 아포다이징된 중합체

2010년 5월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/332,401호(쓰리엠 관리 번호 64248US002)에 기술된 피드블록 방법을 사용하여, 교번하는 저 굴절률 및 고 굴절률 중합체 층들로 된 2개의 275-층 패킷들을 하나의 캐스트 웨브로서 공압출하고 나서, 순차 이축 배향 필름 라인에서 연신시켰다. 다층 캐스트 웨브를 먼저 길이 배향기(length orienter)에서 약 3.5:1의 연신비로 연신시키고 나서 약 6.5:1의 연신비로 텐터에서 횡방향으로 연신시켰다. 필름을 위한 하기의 굴절률 세트를 얻기 위해 연신 온도를 조절하였다: 고 굴절률 층들은 nx ≒ 1.80, ny ≒ 1.70, nz ≒ 1.48 (여기서, x는 더 고도로 연신되는 횡방향임)을 갖는 PEN 단일중합체였고, 저 굴절률 재료는 27% 90/10 coPEN과 73% PETg의 블렌드였는데, 블렌드는 x, y, 및 z 방향들에 대해 굴절률 n ≒ 1.584를 가지고 PEN 층과 비교할 때 최소 복굴절성을 나타냈다.

연신 후에, 층들의 2개의 패킷들을 각각의 적층물의 내부 PBL을 따라 박리시켰다. 2개의 PBL들은 동일한 재료였고, 따라서 이 경우에서는 박리 공정 동안에 패킷 #1의 두꺼운 층측에 부착된 하나의 층으로 병합되었다. 패킷 #1은 본 실시예를 위해 사용되었고, 얇은 층측에서 약 15 마이크로미터의 스킨층 및 두꺼운 층측에서 약 5 마이크로미터 두께의 PBL을 가졌다.

배향된 필름 패킷의 275개 미세층들의 층 프로파일이 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 측정되었고, 층 두께 프로파일이 도 14에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 아포다이징 층 프로파일을 필름 적층물의 얇은 층 단부에 적용시켰다.

기준 프로파일의 평균 기울기는 약 0.43이었다. 적층물의 첫번째 10개 층들에 대한 평균 기울기는 약 3.4였고, 첫번째 14개 층들에 대해서는 약 2.5였으며, 첫번째 20개 층들에 대한 평균 기울기는 약 1.75였다. 이들은 평균 기준 기울기와 비교할 때 약 8, 6, 및 4의 비들을 각각 초래하였다. 기준 프로파일의 직선 맞춤을 위한 수학식은 t = 0.427*n + 64.623이었다. 아포다이징 프로파일의 가장 얇은 층(적층물의 층 #1)은 35 nm였다. 아포다이징 층 프로파일의 분획 진폭(A)은 ≒ (65 - 35)/65 = 0.46이었다.

2개의 필름 패킷들을 박리시킨 후에, 투명 PET의 100 마이크로미터 두께의 필름을 투명 감압 접착제의 50 마이크로미터 두께의 층을 사용하여 패킷 #1의 두꺼운 층측에 라미네이팅시켰다. 이러한 적층물의 얇은 층측에서는, 투명 감압 접착제의 50 마이크로미터 두께의 층을 도포하였다. 필름의 y-축에 평행하게 편광된 광에 의한 법선 입사에서 측정된, 이러한 편광 필름의 통과축에 대해 얻어진 스펙트럼이 도 15에 도시되어 있다.

모델링 노력으로부터 예상된 바와 같이, 이러한 스펙트럼의 청색 단부에서 링잉이 실질적으로 없어졌지만, 적색 단부에서 상당한 스펙트럼 진동이 존재하였다. 두꺼운 층측에서의 라미네이트의 효과는 주로, 필름 상의 2개의 공기 계면들로부터의 간섭에 의해 야기되는 보다 미세한 리플들의 평활화만이었다. AFM 층 프로파일은 적색 단부에서 수 개의 층들에 대해 기울기 증가를 보여주었지만, 프로파일은 적색 단부에서 스펙트럼 진동을 효과적으로 감소시키기에는 충분히 깊지도 않았고 충분히 큰 진폭의 것도 아니었다. 그에 반해, 스펙트럼 링잉은 얇은 층측에서 효과적으로 없어졌다.

실시예 5: 청색 스펙트럼측에서 아포다이징된 중합체 필름

2010년 5월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/332,401호(쓰리엠 관리 번호 64248US002)에 기술된 피드블록 방법을 사용하여, 교번하는 저 굴절률 및 고 굴절률 중합체 층들로 된 2개의 275-층 패킷들을 캐스트 웨브로서 공압출하고 나서, 순차 이축 배향 필름 라인에서 연신시켰다. 다층 캐스트 웨브를 먼저 길이 배향기에서 약 3.5:1의 연신비로 연신시키고 나서 약 6.5:1의 연신비로 텐터에서 횡방향으로 연신시켰다. 필름을 위한 하기의 굴절률 세트를 얻기 위해 연신 온도를 조절하였다: 고 굴절률 층들은 nx ≒ 1.80, ny ≒ 1.70, nz ≒ 1.48 (여기서, x는 더 고도로 연신되는 횡방향임)을 갖는 PEN 단일중합체였고, 저 굴절률 재료는 27% 90/10 coPEN과 73% PETg의 블렌드였는데, 블렌드는 x, y, 및 z 방향들에 대해 굴절률 n ≒ 1.584를 가지고 PEN 층과 비교할 때 최소 복굴절성을 나타냈다.

배향 후에, 층들의 2개의 패킷들을 각각의 적층물의 내부 PBL을 따라 박리시켰다. 2개의 PBL들은 동일한 재료였고, 따라서 이 경우에서는 박리 공정 동안에 패킷 #1의 두꺼운 층측에 부착된 하나의 층으로 병합되었다. 패킷 #2가 본 실시예를 위해 사용되었고, 따라서 얇은 층측에서 PBL 또는 스킨층을 갖지 않았다. 광학적으로 투명한 테이프의 층을 패킷 #2의 얇은 층측에 도포하였고, y 축에 평행한 편광된 광에 대한 법선 입사에서 이러한 라미네이트에서 스펙트럼을 측정하였고, 스펙트럼이 도 17에 플로팅되었다. 이 패킷의 두꺼운 층측은 약 10 마이크로미터 두께였던 공압출된 스킨/PBL과 접촉하였다.

배향된 필름 패킷의 275개 미세층들의 층 프로파일이 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 측정되었고, 층 두께 프로파일이 도 16에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 아포다이징 층 프로파일을 필름 적층물의 얇은 층 단부에 적용시켰다.

기준 프로파일의 평균 기울기는 약 0.37이었다. 적층물의 첫번째 10개 층들에 대한 평균 기울기는 약 4.1이었고, 첫번째 14개 층들에 대한 평균 기울기는 약 3.0이었으며, 첫번째 20개 층들에 대해서는 약 2.1이었다. 이들 층 번호는 적층물 내의 총 층들의 3.6%, 5.1% 및 7.3%를 각각 나타내었다. 이들 번호는 또한 평균 기준 기울기와 비교할 때 약 11, 8, 및 6의 비들을 각각 초래한다. 기준 프로파일의 직선 맞춤을 위한 수학식은 t = 0.3747*n + 75.598이었다. 아포다이징 프로파일의 가장 얇은 층(적층물의 층 #1)은 ≒ 40 nm였다. 아포다이징 층 프로파일의 분획 진폭(A)은 ≒ (76 - 40)/76 ≒ 0.47이었다.

두꺼운 층측에서의 마지막 10개 층들에 대한 평균 기울기는 약 0.86이었고, 마지막 14개 층들에 대한 평균 기울기는 약 0.80이었으며, 마지막 20개 층들에 대한 평균 기울기는 약 0.68이었다. 이들 값은 평균 기준 기울기와 비교할 때 2.32, 2.16 및 1.84의 낮은 비 값들을 초래하였다.

층 번호 275는 187 nm 두께인 것으로 측정되었다. n = 275를 갖고서 직선 맞춤을 위한 수학식(t = 0.3747*n + 75.598)을 사용하여, 층 275에서 기준 두께는 약 179 nm였다. 분획 진폭 차이(A)는 A = (187 - 179)/179 ≒ 0.045에 의한 것이었다.

일반적으로, 전술된 아포다이제이션 기법은 대역내 스펙트럼 링잉(투과 스펙트럼의 진동)의 현상을 없애는 데 있어서 매우 효과적이다. 압출 장비의 개선은 도 12, 도 14 및 도 16에서 명백한 층 프로파일들에서의 단기간 변동을 감소시킴으로써 스펙트럼 투과 곡선의 형상에서의 전체적인 개선을 제공할 수 있다.

다른 실시 형태들에서, 아포다이징된 적층물들은 조합된 적층물의 스펙트럼에서 상당한 균열을 도입함이 없이 적층물들 중 하나의 적층물의 파장 범위의 일부 또는 전부에서 반사율을 증가시키도록 2개 이상의 부분 반사성 적층물들이 조합되는 경우들에서 유용하다. 아포다이제이션 없는 그러한 조합된 필름 적층물이, 발명의 명칭이 "감소된 색상을 갖는 부분 반사 다층 광학 필름(Partially Reflecting Multilayer Optical Films With Reduced Color)"인 PCT 출원 제US2011/035967호에 기술되어 있다. 여기에 기재된 필름 적층물은 아포다이징 프로파일을 각각의 패킷의 얇은 단부 또는 두꺼운 단부 또는 양단부에 사용하는 것으로부터 이익을 얻을 수 있다.

본 명세서에 기술된 아포다이징 프로파일은 차등화된 층 두께 기준 프로파일로 구성되고 대역내 리플을 나타내는 광대역 반사기를 위해 의도된다. 차등화된 두께 아포다이징 프로파일 대신에, 아포다이징 함수는 또한 기준 층 두께 프로파일의 단부들에서 차등화된 굴절률 프로파일에 의해 달성될 수 있다. 차등화된 굴절률 프로파일의 경우에, ORU 두께 값이 반드시 기준 프로파일로부터 벗어나는 것은 아닌데, 굴절률 차이(Δn)는 단순히 적층물의 단부에서 0에 접근한다. Δn의 차등화는 지수 프로파일, 또는 두께 차등화된 아포다이징 프로파일에 대해 전술된 것과 유사한 다른 프로파일을 따를 수 있다. 차등화된 굴절률 프로파일은 실제적이거나 가상적일 수 있다. 가상적인 차등화된 굴절률의 일례는 아포다이징 프로파일의 ORU 전반에 걸친 적층물의 f-비의 차등화이다. 차등화된 굴절률 및 차등화된 층 두께 프로파일의 조합이 또한 아포다이징 프로파일로서 사용될 수 있다.

따라서, 아포다이징된 광대역 부분 반사기의 실시 형태들이 개시되었다. 당업자는 본 명세서에 기술된 광학 필름 및 필름 용품이 개시된 것과는 다른 실시 형태들로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 개시된 실시 형태들은 제한이 아니라 예시를 위하여 제공된다.

Claims

광대역 부분 반사기(broadband partial reflector)로서,
다층 중합체 광학 필름 - 상기 다층 중합체 광학 필름은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면으로부터 제2 면까지 두께 값이 단조 증가(monotonically increase) 하는 소정 총 개수의 광학 반복 유닛들을 구비함 - ;
복수의 제1 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고 제1 평균 기울기를 갖는 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일; 및
복수의 제2 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제2 평균 기울기를 갖는, 다층 중합체 광학 필름의 제1 아포다이징된(apodized) 두께 프로파일 - 상기 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛들을 결합시키며, 상기 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 3 내지 15%의 범위 내에 있음 - 을 포함하는, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 두께가 1.1x 내지 2x의 범위 내에서 증가하는, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 광학 반복 유닛들의 총 개수는 50 내지 1000의 범위 내에 있는, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 제2 평균 기울기는 제1 평균 기울기보다 10배 이상 더 큰, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일로부터 지수적으로(exponentially) 벗어나는, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 임의의 제1 광학 반복 유닛보다 15% 이상 더 얇은 제1 층 두께를 갖는, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 임의의 제1 광학 반복 유닛보다 25% 이상 더 얇은 제1 층 두께를 갖는, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 하나의 광축에 평행하게 편광된 광에 대해 100 nm 이상의 범위에 걸쳐 가시광 또는 IR 광의 10 내지 90%를 반사시키는 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 광대역 부분 반사기는 제1 면에 광학적으로 결합된 광학적으로 두꺼운 층을 추가로 포함하며, 광학적으로 두꺼운 층은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 적어도 하나의 제1 광학 반복 유닛보다 10x 이상 더 두꺼운, 광대역 부분 반사기.
제1항에 있어서, 제1 면 상에 배치된 반사 방지 층을 추가로 포함하는, 광대역 부분 반사기.
광대역 부분 반사기로서,
다층 중합체 광학 필름 - 상기 다층 중합체 광학 필름은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면으로부터 제2 면까지 두께 값이 단조 증가하는 소정 총 개수의 광학 반복 유닛들을 구비함 - ;
복수의 제1 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고 제1 평균 기울기를 갖는 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일;
복수의 제2 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제2 평균 기울기를 갖는, 다층 중합체 광학 필름의 제1 아포다이징된 두께 프로파일 - 상기 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 다층 중합체 광학 필름의 제1 면을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛들을 결합시키며, 상기 복수의 제2 광학 반복 유닛들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 5 내지 10%의 범위 내에 있음 - ; 및
복수의 제3 광학 반복 유닛들에 의해 한정되고, 제1 평균 기울기보다 5배 이상 더 큰 제3 평균 기울기를 갖는, 다층 중합체 광학 필름의 제2 아포다이징된 두께 프로파일 - 상기 복수의 제3 광학 반복 유닛들은 다층 중합체 광학 필름의 제2 면을 한정하고 복수의 제1 광학 반복 유닛들을 결합시키며, 상기 복수의 제3 광학 반복 유닛들은 광학 반복 유닛들의 총 개수의 5 내지 10%의 범위 내에 있음 - 을 포함하는, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 복수의 제2 광학 반복 유닛들 및 복수의 제3 광학 반복 유닛들은 두께가 1.1x 내지 2x의 범위 내에서 증가하는, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 광학 반복 유닛들의 총 개수는 50 내지 1000의 범위 내에 있는, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 제2 평균 기울기는 제1 평균 기울기보다 10배 이상 더 크고, 제3 평균 기울기는 제1 평균 기울기보다 10배 이상 더 큰, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일 및 제2 아포다이징된 두께 프로파일은 기준 광학 반복 유닛 두께 프로파일로부터 지수적으로 벗어나는, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 임의의 제1 광학 반복 유닛보다 15% 이상 더 얇은 제1 층 두께를 갖고, 제2 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 임의의 제1 광학 반복 유닛보다 15% 이상 더 두꺼운 최종 층 두께를 갖는, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 제1 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 임의의 제1 광학 반복 유닛보다 25% 이상 더 얇은 제1 층 두께를 갖고, 제2 아포다이징된 두께 프로파일은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 임의의 제1 광학 반복 유닛보다 25% 이상 더 두꺼운 최종 층 두께를 갖는, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 하나의 광축에 평행하게 편광된 광에 대해 100 nm 이상에 걸쳐 가시광 또는 IR 광의 10 내지 90%를 반사시키는 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 광대역 부분 반사기는 제1 면 또는 제2 면에 광학적으로 결합된 광학적으로 두꺼운 층을 추가로 포함하며, 광학적으로 두꺼운 층은 복수의 제1 광학 반복 유닛들 중 적어도 하나의 제1 광학 반복 유닛보다 10x 이상 더 두꺼운, 광대역 부분 반사기.
제11항에 있어서, 제1 면 또는 제2 면 상에 배치된 반사 방지부를 추가로 포함하는 광대역 부분 반사기.