KR20180100721A - 상호연결된 공극을 갖는 저굴절률 확산 요소 - Google Patents

상호연결된 공극을 갖는 저굴절률 확산 요소 Download PDF

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KR20180100721A
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윌리엄 디 코지오
마이클 엘 스타이너
타오 리우
란 에이치 리우
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광학 확산 층은 결합제, 결합제 중에 분산된 복수의 금속 산화물 입자, 및 복수의 상호연결된 공극을 포함한다. 복수의 헤이즈 발생 입자가 결합제 중에 분산된다. 광학 확산 층은 유효 굴절률이 1.3 이하이다.

Description

상호연결된 공극을 갖는 저굴절률 확산 요소{LOW REFRACTIVE INDEX DIFFUSER ELEMENT HAVING INTERCONNECTED VOIDS}
나노미터 크기의 기공(pore) 또는 공극(void)의 구조를 갖는 물품은 그의 나노공극형(nanovoided) 조성물에 의해 제공되는 광학적 특성, 물리적 특성 또는 기계적 특성을 기반으로 하여 몇몇 응용에 유용할 수 있다.
예를 들어, 나노공극형 물품은 기공 또는 공극을 적어도 부분적으로 둘러싸는 중합체성 고형 네트워크(network) 또는 매트릭스(matrix)를 포함한다. 기공 또는 공극은 흔히 가스, 예를 들어 공기로 충전된다. 나노공극형 물품 내의 기공 또는 공극의 치수는 일반적으로 평균 유효 직경이 약 1 나노미터 내지 약 1000 나노미터의 범위일 수 있는 것으로 기술될 수 있다. 국제순수응용화학연맹(IUPAC)은 나노다공성 재료의 3가지 크기의 카테고리를 정의하였다: 공극이 2 ㎚ 미만인 마이크로기공(micropore), 공극이 2 ㎚ 내지 50 ㎚인 메소기공(mesopore), 및 공극이 50 ㎚ 초과인 매크로기공(macropore). 상이한 크기의 카테고리들 각각은 특유의 특성을 나노공극형 물품에 제공할 수 있다.
예를 들어, 중합 유도 상 분리(polymerization-induced phase separation; PIPS), 열 유도 상 분리(thermally-induced phase separation; TIPS), 용매 유도 상 분리(solvent-induced phase separation; SIPS), 유화 중합, 및 기포제(foaming agent)/발포제(blowing agent)를 이용한 중합을 비롯한 몇몇 기술이 다공성 또는 공극형 물품의 제조에 사용되어 왔다. 흔히, 이들 방법에 의해 제조된 다공성 또는 공극형 물품은 그 구조의 형성에 사용된 계면활성제, 오일 또는 화학적 잔류물과 같은 물질을 제거하는 세척 단계를 필요로 한다. 세척 단계는 생성되는 기공 또는 공극의 크기 범위 및 균일성을 제한할 수 있다. 이들 기술은 사용될 수 있는 물질의 유형 면에서 또한 제한된다.
본 발명은 저굴절률 확산 층(diffuser layer)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 더 작은 다공성 입자 중에 분산된 헤이즈 발생 입자를 포함하는 저굴절률 확산 층에 관한 것이다.
하나의 예시적인 실시 형태에서, 광학 확산 층은 결합제, 결합제 중에 분산된 복수의 금속 산화물 입자, 복수의 상호연결된 공극을 포함한다. 복수의 헤이즈 발생 입자는 결합제 중에 분산된다. 광학 확산 층은 유효 굴절률이 1.3 이하이다.
다른 예시적인 실시 형태에서, 광학 물품은 광학 요소, 및 광학 요소 상에 배치된 광학 확산 층을 포함한다. 광학 확산 층은 결합제, 결합제 중에 분산된 복수의 금속 산화물 입자, 복수의 상호연결된 공극, 및 결합제 중에 분산된 복수의 헤이즈 발생 입자를 포함한다. 광학 확산 층은 유효 굴절률이 1.3 이하이다.
추가의 예시적인 실시 형태에서, 광학 물품은 광학 요소, 및 광학 요소 상에 배치된 저굴절률 층, 및 광학 요소 상에 또는 저굴절률 층 상에 배치된 제2 저굴절률 층을 포함한다. 저굴절률 층은 결합제, 결합제 중에 분산된, 제1 평균 측방향 치수를 갖는 복수의 제1 금속 산화물 입자, 및 복수의 상호연결된 공극, 및 결합제 중에 분산된 복수의 헤이즈 발생 입자를 포함한다. 저굴절률 층은 유효 굴절률이 1.3 이하이다. 제2 저굴절률 층은 결합제, 결합제 중에 분산된 복수의 제2 금속 산화물 입자, 및 복수의 상호연결된 공극을 포함한다. 제2 저굴절률 층은 유효 굴절률이 1.3 이하이다.
하기의 상세한 설명을 읽음으로써 이들 및 다양한 기타 특색 및 이점이 명백해질 것이다.
본 발명은 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 첨부 도면과 관련하여 고찰함으로써 더 완전하게 이해될 수 있다:
<도 1>
도 1은 예시적인 광학 물품의 개략 측면도이다.
<도 2>
도 2는 다른 예시적인 광학 물품의 개략 측면도이다.
도면은 반드시 축척대로 작성된 것은 아니다. 도면에 사용된 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 지칭한다. 그러나, 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위한 도면 부호의 사용은 다른 도면에서 동일한 도면 부호로 표시된 그 구성요소를 제한하려는 것이 아님이 이해될 것이다.
이하의 설명에서는, 본 설명의 일부를 이루며 몇몇 구체적인 실시 형태가 예시로서 도시되어 있는 첨부 도면 세트를 참조한다. 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 다른 실시 형태가 고려되고 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한적인 의미로 취해져서는 안 된다.
달리 나타내지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 특징부의 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수는 모든 경우 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 갖는 실시 형태를 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.
"하부", "상부", "바로 아래에", "아래에", "보다 위에" 및 "상부에"를 포함하지만 이로 한정되지 않는 공간적으로 관련된 용어는 본 명세서에 사용되는 경우, 요소(들)의 서로에 대한 공간적 관계를 기술하기 위한 용이한 설명을 위해 사용된다. 그러한 공간적으로 관련된 용어는 도면에 나타내고 본 명세서에 기재된 특정한 배향 이외에도, 사용 중이거나 작동 중의 장치의 상이한 배향을 포함한다. 예를 들어, 도면에 나타낸 셀이 턴오버되거나 뒤집어지면, 다른 요소의 아래 또는 바로 아래로서 이전에 기재된 부분은 다른 요소의 위에 있을 것이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 예를 들어 요소, 구성요소 또는 층이 다른 요소, 구성요소 또는 층과 "일치하는 계면"을 형성하는 것으로서, 또는 "그 상에" 있거나, "그에 연결"되거나, "그와 결합"되거나, "그와 접촉"하는 것으로서 기재될 때, 그것이, 예를 들어 그 특정 요소, 구성요소 또는 층 상에 직접 있거나, 그에 직접 연결되거나, 그와 직접 결합되거나, 그와 직접 접촉할 수 있거나, 또는 개재 요소, 구성요소 또는 층이 그 특정 요소, 구성요소 또는 층 상에 있거나, 그에 연결되거나, 그와 결합되거나, 그와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 요소, 구성요소 또는 층이 다른 요소 "상에 직접 있거나", "그에 직접 연결되거나", "그와 직접 결합되거나", 또는 "그와 직접 접촉되는" 것으로 지칭되는 경우, 예를 들어 개재 요소, 구성요소, 또는 층은 존재하지 않는다.
본 발명은 저굴절률 확산 층에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 더 작은 다공성 입자 중에 분산된 헤이즈 발생 입자를 포함하는 저굴절률 확산 층에 관한 것이다. 본 발명은 디스플레이 응용에 유용할 수 있는, 필름 형식의 집적 광학체를 기술한다. 특히, 본 발명은 흐릿하고(hazy), 확산 시트로서 기능할 수 있는 저굴절률 층을 기술한다. 본 발명은 디스플레이 응용에 필요한 개별 광학 요소 또는 필름의 개수를 감소시킨다. 본 발명은 그렇게 한정되지 않지만, 하기에 제공된 실시예들의 논의를 통해 본 발명의 다양한 태양에 대한 인식이 얻어질 것이다.
본 발명의 확산 코팅, 물품 또는 구조물의 일부 실시 형태는 결합제 중에 분산된 복수의 공극을 포함하는 하나 이상의 저굴절률 층을 포함한다. 공극은 굴절률 nv 및 유전율 εv를 가지며, 여기서 nv 2=εv이고, 결합제는 굴절률 nb 및 유전율 εb를 가지며, 여기서 nb 2=εb이다. 일반적으로, 저굴절률 층과 광, 예를 들어 저굴절률 층에 입사하거나 저굴절률 층 내에서 전파되는 광의 상호작용은, 예를 들어 필름 또는 층 두께와 같은 필름 또는 층의 다수의 특성, 결합제 굴절률, 공극 또는 기공 굴절률, 기공 형상 및 크기, 기공들의 공간적 분포, 및 광의 파장에 좌우된다. 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층에 입사하거나 저굴절률 층 내에서 전파되는 광은 유효 유전율 εeff 및 유효 굴절률 neff를 "겪거나" 또는 "경험하며", 여기서 neff는 공극 굴절률 nv, 결합제 굴절률 nb, 및 공극 다공도 또는 부피 분율 "f"에 관하여 표현될 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 저굴절률 층은 충분히 두껍고 공극은 충분히 작아서, 광이 단일 또는 격리된 공극의 형상 및 특징부를 분해할 수 없게 한다. 그러한 실시 형태에서, 공극의 과반수 이상, 예를 들어 공극의 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 이상의 크기가 약 λ/5 이하, 또는 약 λ/6 이하, 또는 약 λ/8 이하, 또는 약 λ/10 이하, 또는 약 λ/20 이하이며, 여기서 λ는 광의 파장이다. 일부 실시 형태에서, 공극들 중 일부는 그들의 주요 광학 효과가 유효 굴절률을 감소시키는 것이 되게 할 정도로 충분히 작을 수 있는 반면, 일부 다른 공극은 유효 굴절률을 감소시키고 광을 산란시킬 수 있으며, 반면 일부 또 다른 공극은 그들의 주요 광학 효과가 광을 산란시키는 것이 되게 할 정도로 충분히 클 수 있다.
일부 실시 형태에서, 저굴절률 층에 입사하는 광은 가시광이며, 이는 광의 파장이 전자기 스펙트럼의 가시 범위에 있음을 의미한다. 이들 실시 형태에서, 가시광은 파장이 약 380 ㎚ 내지 약 750 ㎚, 또는 약 400 ㎚ 내지 약 700 ㎚, 또는 약 420 ㎚ 내지 약 680 ㎚의 범위이다. 이들 실시 형태에서, 저굴절률 층은 유효 굴절률을 가지며, 공극의 과반수 이상, 예를 들어 공극의 60% 또는 70% 또는 80% 또는 90% 이상의 크기가 약 70 ㎚ 이하, 또는 약 60 ㎚ 이하, 또는 약 50 ㎚ 이하, 또는 약 40 ㎚ 이하, 또는 약 30 ㎚ 이하, 또는 약 20 ㎚ 이하, 또는 약 10 ㎚ 이하인 경우, 복수의 공극을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 저굴절률 층은 충분히 두꺼워서, 저굴절률 층이 공극 및 결합제의 굴절률, 및 공극 또는 기공 부피 분율 또는 다공도에 관하여 표현될 수 있는 유효 굴절률을 갖게 한다. 그러한 실시 형태에서, 저굴절률 층의 두께는 약 1 마이크로미터 이상, 또는 약 2 마이크로미터 이상, 또는 1 내지 20 마이크로미터의 범위이다.
개시된 저굴절률 층 내의 공극이 충분히 작고 저굴절률 층이 충분히 두꺼운 경우, 저굴절률 층은 하기로 표현될 수 있는 유효 유전율 εeff를 갖는다:
[수학식 1]
εeff = f εv + (1-f) εb
이들 실시 형태에서, 저굴절률 층의 유효 굴절률 neff는 하기로 표현될 수 있다:
[수학식 2]
neff 2= f nv 2 + (1-f) nb 2
기공 굴절률과 결합제 굴절률 사이의 차이가 충분히 작은 경우와 같은 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층의 유효 굴절률은 하기 수학식에 의해 근사화될 수 있다:
[수학식 3]
neff = f nv + (1-f) nb
이들 실시 형태에서, 저굴절률 층의 유효 굴절률은 공극 굴절률 및 결합제 굴절률의 부피 가중 평균이다. 주위 조건 하에서, 공극은 공기를 함유하며, 따라서 공극에 대한 굴절률 nv는 대략 1.00이다. 예를 들어, 약 1.5의 굴절률을 갖는 결합제 및 약 50%의 공극 부피 분율을 갖는 광학 필름 또는 저굴절률 층은 약 1.25의 유효 굴절률을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 저굴절률 층의 유효 굴절률은 약 1.3 이하(또는 미만), 또는 약 1.25 미만, 또는 약 1.2 미만, 또는 약 1.15 미만, 또는 약 1.1 미만이다. 일부 실시 형태에서, 굴절률은 약 1.14 내지 약 1.30이다. 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층은 결합제, 복수의 입자, 및 복수의 상호연결된 공극 또는 상호연결된 공극들의 네트워크를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 저굴절률 층은 결합제 및 복수의 상호연결된 공극 또는 상호연결된 공극들의 네트워크를 포함한다.
복수의 상호연결된 공극 또는 상호연결된 공극들의 네트워크는 다수의 방법으로 발생할 수 있다. 한 가지 공정에서, 고도로 구조화된 고표면적 건식 금속 산화물, 예를 들어 건식 실리카 산화물의 고유 다공성이 결합제의 혼합물 내에서 활용되어 결합제, 입자, 공극 및 선택적으로 가교결합제 또는 다른 보조 물질을 조합시키는 복합 구조를 형성한다. 바람직한 결합제 대 입자 비(ratio)는 상호연결된 공극형 구조를 형성하는 데 사용된 공정의 유형에 좌우된다.
결합제 수지가, 형성할 다공성 건식 실리카 구조에 전제요건은 아니지만, 최종 구조물의 가공, 코팅 품질, 점착성 및 내구성을 개선하기 위해 소정 유형의 중합체성 수지 또는 결합제를 금속 산화물 네트워크에 포함시키는 것이 전형적으로 바람직하다. 유용한 결합제 수지의 예는 열경화성, 열가소성 및 UV 경화성 중합체로부터 유도된 것들이다. 예에는 폴리비닐알코올 (PVA), 폴리비닐부티랄 (PVB), 폴리비닐 피롤리돈 (PVP), 폴리에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 (EVA), 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 (CAB), 폴리우레탄 (PUR), 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA), 폴리아크릴레이트, 에폭시, 실리콘 및 플루오로중합체가 포함된다. 이들 결합제는 적절한 용매, 예를 들어 물, 에틸 아세테이트, 아세톤, 2-부톤 등 중에 가용성일 수 있거나, 또는 이들은 분산물 또는 에멀젼으로서 사용될 수 있다. 이러한 혼합물에 유용한 일부 구매가능한 결합제의 예는 쿠라레이-유에스에이(Kuraray-USA), 바커 케미칼(Wacker Chemical), 다이네온 엘엘씨(Dyneon LLC), 및 롬 앤드 하스(Rhom and Haas)로부터 입수가능한 것들이다. 결합제가 중합체성 시스템일 수 있을지라도, 이는 또한 중합가능한 단량체성 시스템, 예를 들어 UV, 또는 열경화성 또는 가교결합성 시스템으로서 첨가될 수도 있다. 그러한 시스템의 예는 UV 중합가능한 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 다작용성 아크릴레이트, 우레탄-아크릴레이트, 및 이들의 혼합물일 것이다. 일부 전형적인 예는 1,6 헥산 다이올 다이아크릴레이트, 트라이메틸올 프로판 트라이아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트라이아크릴레이트일 것이다. 그러한 시스템은 네오 레스(Neo Res; 미국 델라웨어주 뉴워크 소재), 아르케마(Arkema; 미국 펜실베이니아주 필라델피아 소재), 또는 사토머(Sartomer; 미국 펜실베이니아주 엑스턴 소재)와 같은 공급업체로부터 용이하게 입수가능하다. 화학 방사선, 예를 들어 전자 빔(E-빔), 감마 및 UV 방사선이 이들 시스템의 중합을 개시하기에 유용한 방법이며, 이때 많은 실시 형태는 UV 활성 시스템을 이용한다. 다른 유용한 결합제 시스템이 또한 양이온 중합될 수 있으며, 그러한 시스템은 비닐 에테르 및 에폭사이드로서 입수가능하다.
중합체성 결합제는 또한, 중합체성 결합제와 화학 결합하여 가교결합된 네트워크를 형성할 수 있는 가교결합제와 함께 제형화될 수 있다. 가교결합의 형성이 다공성 구조 또는 저굴절률 광학 특성의 형성에 전제조건은 아닐지라도, 이는 코팅의 응집 강도, 기재 또는 수분에 대한 점착성, 또는 내열성 및 내용매성을 개선하기 위한 것과 같은 다른 기능상의 이유로 흔히 바람직하다. 가교결합제의 구체적인 유형은 사용되는 결합제에 좌우된다. 중합체성 결합제, 예를 들어 PVA를 위한 전형적인 가교결합제는 다이아이소시아네이트, 티타네이트, 예를 들어 타이조르-엘에이(TYZOR-LA)™ (미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 듀폰(DuPont)으로부터 입수가능함), 폴리(에피클로르하이드린)아미드 부가물, 예를 들어 폴리컵(PolyCup) 172, (미국 델라웨어주 윌밍턴 소재의 허큘레스(Hercules)로부터 입수가능함), 다작용성 아지리딘, 예를 들어 CX100 (미국 델라웨어주 뉴워크 소재의 네오-레스로부터 입수가능함) 및 붕산, 다이에폭사이드, 이산(diacid) 등일 것이다.
중합체성 결합제는 입자 응집체와 별개의 상을 형성할 수 있거나, 또는 응집체들을 함께 "결합시켜" 구조물이 되게 하는 방식으로 입자 응집체들 사이에 상호-분산될 수 있는데, 이때 그 구조물은 직접적인 공유 결합의 형성 또는 금속 산화물과의 분자 상호작용, 예를 들어 이온 결합, 쌍극자 결합, 반데르 발스 힘 결합, 수소 결합 및 물리적 얽힘(entanglement)을 통해 금속 산화물 입자와 연결된다.
예시적인 입자에는 예를 들어 건식 실리카 또는 알루미나와 같은, 건식 금속 산화물 또는 발열성 금속 산화물이 포함된다. 일부 실시 형태에서, 고도로 분지화되거나 구조화된 입자가 사용될 수 있다. 그러한 입자는 결합제 매트릭스 내의 효율적인 충전을 방지하고, 틈새 공극 또는 기공이 형성될 수 있게 한다. 고도로 분지화되거나 구조화된 입자를 포함하는 예시적인 재료에는, 예를 들어 상표명 EH5, TS 520으로 판매되는 것들과 같은 캡오-실(CabO-Sil)™ 건식 실리카 또는 실리카 분산물, 또는 캡오-스퍼스(CabO-Sperse)™ PG 001, PG 002, PG 022, 1020K, 4012K, 1015A로서 입수가능한 것들(미국 매사추세츠주 빌레리카 소재의 캐보트 코포레이션(Cabot Corporation)으로부터 입수가능함), 및 에어로디스프(Aerodisp)(등록상표)W7622, 에어로디스프(등록상표)W7612S, 에어로디스프(등록상표)W7615S, 및 에어로디스프(등록상표)W 630과 같은 에보닉-유에스에이(Evonik-USA; 미국 뉴저지주 파르시패니 소재)로부터 입수가능한 것들과 같은 사전분산된 건식 실리카 입자가 포함된다. 건식 알루미나 산화물이 또한 저굴절률 시스템을 형성하기에 유용한 구조화된 입자이지만, 실리카가 바람직할 수 있는데, 그 이유는 실리카가 알루미나보다 본래 더 낮은 골격(skeletal) 굴절률을 갖기 때문이다. 알루미나 산화물의 예는, 예를 들어 상표명 캡오-스퍼스™ PG003 또는 캐보트 스펙-Al (Cabot Spec-Al)™로 판매되는 것들과 같이, 상표명 캡오-스퍼스로 입수가능하다. 일부 실시 형태에서, 이들 예시적인 건식 금속 산화물의 응집체는 약 8 ㎚ 내지 약 20 ㎚ 범위의 복수의 1차 입자를 포함하며, 약 80 ㎚ 내지 300 ㎚ 초과 범위의 넓은 분포의 크기를 갖는 고도로 분지화된 구조를 형성한다. 일부 실시 형태에서, 이들 응집체는 코팅의 단위 부피 내에 랜덤하게 충전되어, 채널, 터널, 및 기공 - 이들은 네트워크 내에 공기를 봉입하고, 이에 따라 코팅의 밀도 및 굴절률을 낮춤 - 의 복잡한 이중-연속(bi-continuous) 네트워크를 갖는 메소다공성 구조를 형성한다. 다른 유용한 다공성 재료는 천연 발생 무기 재료, 예를 들어 점토, 황산바륨, 알루미나 실리케이트 등으로부터 유도된다. 저굴절률 층은, 유효 굴절률이, 금속 산화물이 실리카 산화물일 경우 1.23 이하이고, 금속 산화물이 알루미나 산화물일 경우 1.33 이하이다.
건식 실리카 입자는 또한 표면 처리제에 의해 처리될 수 있다. 금속 산화물 입자의 표면 처리는, 예를 들어 중합체성 결합제 중의 개선된 분산, 변경된 표면 특성, 향상된 입자-결합제 상호작용, 및/또는 반응성을 제공할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 표면 처리는 입자를 안정화하여 입자가 결합제 중에 잘 분산되게 하고, 그 결과 실질적으로 더 균질한 조성물이 생성된다. 표면 개질된 무기 입자의 포함은, 예를 들어 결합제에 대한 입자의 공유 결합을 향상시키고, 이에 의해 더 내구성이 있고 더 균질한 중합체/입자 네트워크를 제공하도록 조정될 수 있다.
처리제의 바람직한 유형은, 부분적으로, 금속 산화물 표면의 화학적 성질에 의해 결정된다. 실란이 실리카 및 다른 실리카질 충전제에 바람직하다. 실란의 경우에, 결합제에 포함시키기 전에 실란을 입자 표면과 반응시키는 것이 바람직할 수 있다. 표면 개질제의 필요량은, 예를 들어 입자 크기, 입자 유형, 개질제 분자량, 및/또는 개질제 유형과 같은 몇몇 인자에 좌우된다. 실란 개질제는 예를 들어 카르복시, 알코올, 아이소시아네이트, 아크릴옥시, 에폭시, 티올 또는 아민과 같은, 입자와 결합제 사이에 공유 결합을 형성하는 반응성 기를 가질 수 있다. 역으로, 실란 개질제는 예를 들어 알킬, 알콕시, 페닐, 페닐옥시, 폴리에테르, 또는 이들의 조합과 같은 비반응성 기를 가질 수 있다. 그러한 비반응성 기는 코팅의 표면을 개질시켜, 예를 들어 내오손성 및 내오염성을 개선하거나 정전기 방산을 개선할 수 있다. 표면 개질된 실리카 입자의 구매가능한 예에는, 예를 들어 캡오-실™ TS 720 및 TS 530이 포함된다. 이러한 바람직한 특징들의 조합을 얻기 위해 작용성 기 및 비작용성 기의 조합을 입자의 표면 상에 포함시키는 것이 때때로 바람직할 수 있다.
본 발명의 조성물에 사용하기에 적합한 표면 처리제의 대표적인 실시 형태에는, 예를 들어 N-(3-트라이에톡시실릴프로필) 메톡시에톡시에톡시에틸 카르바메이트, N-(3-트라이에톡시실릴프로필) 메톡시에톡시에톡시에틸 카르바메이트, 3- (메타크릴로일옥시)프로필트라이메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트라이메톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시)프로필트라이에톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시) 프로필메틸다이메톡시실란, 3-(아크릴로일옥시프로필) 메틸다이메톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시)프로필다이메틸에톡시실란, 3-(메타크릴로일옥시) 프로필다이메틸에톡시실란, 비닐다이메틸에톡시실란, 페닐트라이메톡시실란, n-옥틸트라이메톡시실란, 도데실트라이메톡시실란, 옥타데실트라이메톡시실란, 프로필트라이메톡시실란, 헥실트라이메톡시실란, 비닐메틸다이아세톡시실란, 비닐메틸다이에톡시실란, 비닐트라이아세톡시실란, 비닐트라이에톡시실란, 비닐트라이아이소프로폭시실란, 비닐트라이메톡시실란, 비닐트라이페녹시실란, 비닐트라이-t-부톡시실란, 비닐트리스-아이소부톡시실란, 비닐트라이아이소프로페녹시실란, 비닐트리스(2-메톡시에톡시)실란, 스티릴에틸트라이메톡시실란, 메르캅토프로필트라이메톡시실란, 3-글리시독시프로필트라이메톡시실란, 아크릴산, 메타크릴산, 올레산, 스테아르산, 도데칸산, 2-[2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산 (MEEAA), 베타-카르복시에틸아크릴레이트 (BCEA), 2-(2-메톡시에톡시)아세트산, 메톡시페닐 아세트산, 및 이들의 혼합물이 포함된다.
입자 부피 농도(particle volume concentration, PVC) 및 임계 입자 부피 농도(critical particle volume concentration, CPVC)가, 코팅을 제조하는 데 사용되는 입자 결합제 시스템의 다공도를 특성화하는 데 사용될 수 있다. 용어 PVC 및 CPVC는 페인트 및 안료 문헌에서 잘 정의된 용어이며, 예를 들어 문헌[Paint Flow and Pigment Dispersion, Patton, T.C., 2nd Edition, J. Wiley Intersceince, 1978, Chapter 5, p. 126] 및 문헌[Modeling Cluster Voids and Pigment Distribution to Predict Properties and CPVC in Coatings . Part 1: Dry Coating Analysis and Sudduth, R.D; Pigment and Resin Technology , 2008, 37(6). p.375]과 같은 자주 인용되는 논문 및 기술 서적에 추가로 정의되어 있다.
입자의 부피 농도가 CPVC보다 더 클 때, 코팅의 입자와 틈새 영역 사이의 모든 갭을 채우기에 결합제가 충분하지 않기 때문에 코팅은 다공성이다. 그러면, 코팅은 결합제, 입자, 및 공극의 혼합물이 된다. 이것이 발생하는 부피 농도는 입자 크기 및 입자 구조 습윤, 및/또는 형상에 관련된다. 부피 농도가 CPVC 초과인 제형은 혼합물 내의 수지의 부피 결핍 - 이는 공기에 의해 대체됨 - 을 갖는다. CPVC, PVC 및 다공도 사이의 관계는 하기와 같다:
Figure pat00001
원하는 저굴절률 특성을 제공하는 재료는 그의 CPVC 초과로 제형화되고 고도로 구조화된 입자-결합제 혼합물로부터 유도된 서브마이크로미터 기공을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 광학 물품은 CPVC 값이 약 60% 이하(또는 미만), 또는 약 50% 미만, 또는 약 40% 미만이다.
전술된 바와 같이, 고도로 분지화되거나 구조화된 입자는 결합제 매트릭스 내의 효율적인 충전을 방지하고, 틈새 공극 또는 기공이 형성될 수 있게 한다. 대조적으로, 원하는 CPVC 미만에 속하는 재료 조합은 충분히 다공성이지 않을 것이다. BET 방법은 CPVC 및 따라서 저굴절률 재료의 다공도를 결정하는 데 도움이 될 수 있는데, 그 이유는 BET 방법은 직경이 200 ㎚ 미만, 직경이 100 ㎚ 미만, 또는 심지어는 직경이 10 ㎚ 미만인 기공을 분석하기 때문이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "BET 방법"은 브라우나우어, 에메트, 및 텔러(Braunauer, Emmett, and Teller) 표면적 분석을 말한다 (문헌[S. Brunauer, P. H. Emmett and E. Teller, J. Am . Chem . Soc ., 1938, 60, 309] 참조). BET 방법은 고체 물질의 기공 크기, 표면적, 및 %다공도를 결정하는 데 사용되는 잘 알려진 과학적으로 유효한 방법이다. BET 이론은 고체 표면 상에의 기체 분자의 물리적 흡착에 관한 것이며, 고체 표면의 표면적 및 다공도에 대한 물리적 정보를 얻기 위한 기초로서의 역할을 한다. BET 데이터는 다공성 구조를 형성하기 위한 최소한의 요건을 충족시키는 재료의 특성화에 도움이 될 수 있다.
PVC/CPVC 관계에 의해 기술된 입자의 부피 농도는 또한 입자의 중량 농도에 관련된다. 따라서, CPVC 초과인 입자 중량 범위를 확립하는 것이 가능하다. 중량비 또는 중량 퍼센트의 사용은 바람직한 CPVC 값을 갖는 혼합물을 제형화하는 한 가지 방법이다. 본 발명의 광학 구조물의 경우, 1:1 내지 1:8의 결합제 대 입자의 중량비가 바람직하다. 1:1의 중량비는 약 50 중량%의 입자와 등가인 반면, 1:8은 약 89 중량% 입자와 등가이다. 예시적인 결합제 대 금속 산화물 입자 비는 1:2 미만 (33% 미만의 결합제), 1:3 미만, 1:4 미만, 1:5 미만, 1:6 미만, 1:7 미만, 1:8 미만, 1:9 미만, 및 1:10 미만 (약 8 내지 10%의 결합제)이다. 결합제의 하한은 원하는 굴절률에 의해 좌우될 수 있다. 결합제의 하한은 원하는 물리적 특성, 예를 들어 가공 특성 또는 최종 내구성 특성에 의해 좌우될 수 있다. 따라서, 결합제 대 입자 비는 원하는 최종 용도 및 원하는 광학 물품 특성에 따라 달라질 것이다.
일반적으로, 저굴절률 층은 응용에 바람직할 수 있는 임의의 다공도, 기공-크기 분포, 또는 공극 부피 분율을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층 내의 복수의 공극의 부피 분율은 약 20% 이상, 또는 약 30% 이상, 또는 약 40% 이상, 또는 약 50% 이상, 또는 약 60% 이상, 또는 약 70% 이상, 또는 약 80% 이상이다.
일부 실시 형태에서, 저굴절률 층이 높은 광학 헤이즈 및/또는 확산 반사율을 갖더라도, 저굴절률 층의 일부분들은 일부 저굴절률 특성들을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 그러한 실시 형태에서, 저굴절률 층의 일부분들은 결합제의 굴절률 nb보다 작은 굴절률에 상응하는 각도에서의 광학 이득을 지지할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 입자들 중 일부는 반응성 기를 갖고, 다른 것들은 반응성 기를 갖지 않는다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 약 10%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 90%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 15%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 85%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 20%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 80%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 25%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 75%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 30%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 70%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 35%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 65%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 40%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 60%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 45%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 55%의 입자는 반응성 기를 갖지 않거나, 또는 약 50%의 입자는 반응성 기를 갖고 약 50%의 입자는 반응성 기를 갖지 않는다. 일부 실시 형태에서, 입자들 중 일부는 동일한 입자 상에서 반응성 기 및 비반응성 기 둘 모두에 의해 작용기화될 수 있다.
입자들의 앙상블(ensemble)에는 여러 크기의 반응성 및 비반응성 입자와 상이한 유형의 입자 - 예를 들어 아크릴, 폴리카르보네이트, 폴리스티렌, 실리콘 등과 같은 중합체성 입자를 포함한 유기 입자; 또는, 예를 들어 실리카 및 지르코늄 산화물 등을 포함한 유리 또는 세라믹과 같은 무기 입자 - 의 혼합물이 포함될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 저굴절률 층 또는 재료는 BET 다공도가 약 30% 초과(이는 BET 방법에 의해 결정할 때 약 50 ㎡/g의 표면적에 상응함), 다공도가 약 50% 초과(이는 BET 방법에 의해 결정할 때 약 65 내지 70 ㎡/g의 표면적에 상응함), 약 60% 초과(이는 BET 방법에 의해 결정할 때 약 80 내지 90 ㎡/g의 표면적에 상응함), 그리고 가장 바람직하게는 약 65% 내지 약 80%(이는 BET 방법에 의해 결정할 때 약 100 ㎡/g 초과의 값의 다소 더 높은 표면적에 상응함)이다. 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층 내의 복수의 상호연결된 공극의 부피 분율은 약 20% 이상(또는 초과), 또는 약 30% 초과, 또는 약 40% 초과, 또는 약 50% 초과, 또는 약 60% 초과, 또는 약 70% 초과, 또는 약 90% 초과이다. 일반적으로, 더 높은 표면적이 더 높은 %다공도 및 따라서 더 낮은 굴절률을 나타내는 것으로 보여질 수 있지만, 이들 파라미터 사이의 관계는 복잡하다. 본 명세서에서 보여준 값은 단지 안내를 목적으로 하며, 이러한 특성들 사이의 제한적인 상관 관계를 예시하는 것으로 의미되지 않는다. BET 표면적 및 %다공도 값은 저굴절률과 다른 임계 성능 특성들, 예를 들어 코팅의 응집 강도의 균형에 대한 필요성에 의해 좌우될 것이다.
본 발명의 광학 구조물은 임의의 원하는 광학 헤이즈를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층은 광학 헤이즈가 약 20% 이상(또는 초과), 또는 약 30% 초과, 또는 약 40% 초과, 또는 약 50% 초과, 또는 약 60% 초과, 또는 약 70% 초과, 또는 약 80% 초과, 또는 약 90% 초과, 또는 약 95% 초과이다.
일부 실시 형태에서, 광학 구조물 내의 2개의 이웃하는 층들 각각의 이웃하는 주 표면(major surface)들의 일부분들은 서로 물리적으로 접촉한다. 예를 들어, 광학 구조물 내의 각자의 이웃하는 층들의 이웃하는 주 표면들의 일부분들은 서로 물리적으로 접촉한다. 예를 들어, 2개의 이웃하는 주 표면들의 30% 이상, 또는 40% 이상, 또는 50% 이상, 또는 60% 이상, 또는 70% 이상, 또는 80% 이상, 또는 90% 이상, 또는 95% 이상이 서로 물리적으로 접촉한다.
일부 실시 형태에서, 광학 구조물 내의 2개의 이웃하는 층들 각각의 이웃하는 주 표면(서로 마주하거나 서로 인접한 주 표면)들의 일부분들은 서로 물리적으로 접촉한다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 저굴절률 층과 광학 요소 사이에 배치된 하나 이상의 추가 층 - 도면에는 명시적으로 도시되지 않음 - 이 존재할 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 광학 구조물 내의 2개의 이웃하는 층들 각각의 이웃하는 주 표면들의 상당한 부분들이 서로 물리적으로 접촉한다. 그러한 실시 형태에서, 광학 구조물 내의 2개의 이웃하는 층들 각각의 이웃하는 주 표면들의 30% 이상, 또는 40% 이상, 또는 50% 이상, 또는 60% 이상, 또는 70% 이상, 또는 80% 이상, 또는 90% 이상, 또는 95% 이상이 서로 물리적으로 접촉한다.
본 명세서에 기술된 실시 형태를 제조하기에 유용한 다수의 코팅 기술이 당업계에 알려져 있다. 더 일반적인 기술은 나이프 바아(knife bar), 슬롯 다이(slot die), 슬라이드(slide), 커튼(curtain), 롤(roll) 및 그라비어(Grauvre) 코팅 기술과 같은 잘 알려진 롤-투-롤(roll-to-roll) 자동화 공정이지만 이로 한정되지는 않는다. 비연속 방법, 예를 들어 잉크젯, 스크린, 오프셋 인쇄, 딥(dip) 및 분무 코팅 기술을 사용하여 이들 용액을 코팅하는 것이 또한 가능하다. 정확한 코팅 기술이 저굴절률 특성을 얻는 데 중요하지는 않지만, 일부 기술은 다수의 층들이 기재 상에 동시에 코팅될 수 있게 하며, 이는 코팅 공정의 경제성을 개선한다. 원하는 최종 응용이 어느 기술이 바람직한지를 좌우할 것이다.
도 1은 예시적인 광학 물품(10)의 개략 측면도이다. 광학 물품(10)은 결합제, 결합제 중에 분산된 복수의 금속 산화물 입자, 및 복수의 상호연결된 공극을 포함하는 광학 확산 층(30)을 포함한다. 복수의 헤이즈 발생 입자(60)는 결합제 중에 분산된다. 광학 확산 층(30)은 유효 굴절률이 1.3 이하 또는 1.23 이하 또는 1.2 이하이다. 광학 확산 층(30)은 광학 요소(20) 상에 배치되어 광학 물품(10)을 형성할 수 있다.
헤이즈 발생 입자(60)는, 예를 들어 폴리스티렌 입자와 같은 임의의 유용한 입자일 수 있다. 헤이즈 발생 입자(60)는, 예를 들어, 0.5 내지 5 마이크로미터 또는 1 내지 10 마이크로미터 또는 1 마이크로미터 이상과 같은 임의의 유용한 직경 또는 평균 측방향 치수를 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 헤이즈 발생 입자(60)는 평균 측방향 치수가 1 내지 10 마이크로미터의 범위이고, 복수의 금속 산화물 입자는 평균 측방향 치수가 500 나노미터 이하의 범위이다.
광학 확산 층(30)은 임의의 유용한 헤이즈 및 투명도 값을 가질 수 있다. 많은 실시 형태에서, 광학 확산 층(30)은 헤이즈 값이 40% 이상, 또는 60% 이상, 또는 80% 이상이다. 많은 실시 형태에서, 광학 확산 층(30)은 투명도 값이 50% 미만, 또는 25% 미만, 또는 15% 미만이다. 광학 확산 층(30)은 임의의 유용한 두께를 가질 수 있다. 많은 실시 형태에서, 광학 확산 층(30)은 두께가 1 내지 20 마이크로미터의 범위이다.
광학 요소(20)는 임의의 유용한 광학 요소일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(20)는 편광 필름, 확산 필름, 반사 필름, 지연기, 도광체 또는 액정 디스플레이 패널이다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(20)는 가시광 투명성 또는 투과성 기재이다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(20)는 흡수 편광기 또는 반사 편광기일 수 있다. 반사 편광기에는, 예를 들어 섬유 반사 편광기, 다층 반사 편광기, 콜레스테릭 반사 편광기, 및 와이어 그리드 반사 편광기가 포함된다. 다층 반사 편광기에는 휘도 향상 필름(Brightness Enhancement Film, BEF) 및 이중 휘도 향상 필름(Dual Brightness Enhancement Film, DBEF) - 이들 둘 모두는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구매가능함 - 이 포함된다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(20)는 광 방향전환 필름일 수 있으며, 회절성 및/또는 굴절성일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 요소(20)는 그래픽 필름, 트라이아세테이트 셀룰로오스, 또는 광학 접착제일 수 있다.
도 2는 다른 예시적인 광학 물품(50)의 개략 측면도이다. 광학 물품(50)은 광학 요소(20), 및 광학 요소(20) 상에 배치된 저굴절률 층(30), 및 광학 요소(20) 상에 또는 저굴절률 층(30) 상에 배치된 제2 저굴절률 층(40)을 포함한다. 도 2는 저굴절률 층(30) 상에 배치된 제2 저굴절률 층(40)을 도시하지만, 제2 저굴절률 층(40)이 광학 요소(20)와 저굴절률 층(30) 사이에 존재할 수 있거나, 광학 요소(20)가 2개의 저굴절률 층(30, 40) 사이에 존재할 수 있음이 이해된다.
저굴절률 층(30)은 전술되어 있으며, 결합제, 결합제 중에 분산된, 제1 평균 측방향 치수를 갖는 복수의 제1 금속 산화물 입자, 및 복수의 상호연결된 공극, 및 결합제 중에 분산된 복수의 헤이즈 발생 입자(60)를 포함한다. 저굴절률 층(30)은 유효 굴절률이 1.3 이하이다. 제2 저굴절률 층(40)은 결합제, 결합제 중에 분산된, 제1 평균 측방향 치수와는 상이한 제2 평균 측방향 치수를 갖는 복수의 제2 금속 산화물 입자, 및 복수의 상호연결된 공극을 포함한다. 제2 저굴절률 층(40)은 유효 굴절률이 1.3 이하이다. 광학 물품(50)은 유효 굴절률이 1.3 이하 또는 1.23 이하 또는 1.2 이하일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 저굴절률 층(30)은 고 헤이즈 값 (예를 들어, 50% 이상 또는 60% 이상 또는 75% 이상 또는 90% 이상)을 갖고, 제2 저굴절률 층(40) - 저굴절률 층(30)은 광학 요소(20) 및 제2 저굴절률 층(40) 상에 배치됨 - 은 저 헤이즈 (예를 들어, 20% 미만 또는 10% 미만)를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 광학 접착제가 광학 물품(10, 50)을 제2 광학 물품(도시되지 않음)에 점착시킨다. 제2 광학 요소는 임의의 유용한 광학 요소일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 제2 광학 요소는 편광 필름, 확산 필름, 반사 필름, 지연기, 도광체 또는 액정 디스플레이 패널이다. 일부 실시 형태에서, 제2 광학 요소는 가시광 투명성 기재이다.
실시예
폴리비닐 알코올, 쿠라레이(Kuraray) PVA-235 및 건식 실리카 산화물 분산물 캡-오-스퍼스™ 1020K의 혼합물로부터 비교예 CE-1을 제조하였다. PVA는 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 쿠라레이 유에스에이로부터 입수가능한 88% 가수분해된 중간 분자량의 폴리비닐 알코올이다. 캡-오-스퍼스™ 1020K는 미국 매사추세츠주 빌레리카 소재의 캐보트 코포레이션으로부터 입수가능한 L90 건식 실리카의 비-표면 개질된 알칼리성 안정화된 분산물이다. 전형적인 공정에서, 138.8 g의 7.2 중량% PVA 235의 물 중 용액을 800 ㎖ 플라스틱 비커에 충전한 후(건조 중량 기준으로 10.0 g의 PVA 235), 2.0 g의 10 중량% 테르기톨(Tergitol)™ 민-폼(Min-Foam) 1X 및 1 ㎖의 진한 NH4OH 용액을 첨가하였다. 테르기톨™ 민-폼 1X는 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼(Dow Chemical)로부터 입수가능한 비이온성 계면활성제이다. 이들 성분을 교반 막대를 사용하여 완전히 혼합한 후, 물 중 20 중량% 건식 실리카인 200 g의 캡-오-스퍼스™ 1020K 및 추가 162 g의 탈이온수(DI water)를 첨가하였다. 이들 성분을 거품형성을 감소시키기 위해 저전단에서 공기-구동식 혼합기를 사용하여 완전히 혼합하였다. 약 5분 동안 혼합한 후, 내용물을 1 L 1구 둥근바닥 플라스크로 옮기고, 40℃ 및 80.0 ㎪ (600 mmHg) 진공에서 회전 증발기 시스템(스위스 플라빌 소재의 부치 게엠베하(Buchi GmbH)로부터 로토바프(Rotovap)TM로서 입수가능함) 상에 놓고서 혼합물을 탈기하였다. CE-1에 대한 최종 혼합물은 건조 중량 기준으로 1 부의 PVA 수지 대 4 부의 실리카(1:4 PVA-Si 비, 20 중량%의 PVA)를 포함하였다. 최종 용액의 pH는 전형적으로 9.2 내지 10.2였다. 최종 고형물을 9.5 내지 10.5 중량%로 조정하였다.
폴리스티렌 비드를 사용한 저굴절률 확산 코팅 용액(EX-1)의 제조. 9.6 g의 소켄(Soken) KSR 3 가교결합된 폴리스티렌 비드를 CE-1에 기술된 바와 같이 제조된 504 g의 10% 고형물의 저굴절률 혼합물(1-4 PVA-Si 1020K)에 첨가함으로써 코팅 용액 EX-1을 제조하였다. KSR 3A는 일본 사이타마켄 사야마시 소재의 소켄 케미칼 앤드 엔지니어링 컴퍼니 리미티드(Soken Chemical and Engineering Co. Ltd.)로부터 입수가능하다. 거품형성 및 공기 봉입을 감소시키기 위해 저전단 속도에서 공기 구동식 혼합기를 사용하여 KSR 3A 비드를 저굴절률 코팅 용액에 포함시켰다. 최종 혼합물을 1 L 1구 둥근바닥 플라스크로 옮기고, 40℃ 및 80.0 ㎪ (600 mmHg) 진공에서 로토바프 상에 놓고서 혼합물을 탈기하였다. ULI-확산 코팅 혼합물의 최종 고형물은 11.7%였으며, 건조 중량 기준으로 16.8 중량%의 PVA, 67.2 중량%의 1020K 실리카 및 16 중량%의 KSR 3 폴리스티렌 비드로 이루어졌다.
코팅 용액 CE-2와 EX-2 및 EX-3에 사용되는, 50%의 A174 및 50%의 아이소옥틸트라이메톡시 실란으로 표면 개질된 실리카 입자의 제조. 교반 바아, 교반 플레이트, 응축기, 가열 맨틀 및 온도 제어기를 구비한 1000 ㎖ 3구 플라스크를 400 g의 캡-오-스퍼스™ PG002 (미국 매사추세츠주 보스턴 소재의 캐보트 코포레이션) 20 중량% 고형물의 건식 실리카 분산물로 충전하였다. 이 분산물에, 50 g의 아이소프로판올을 혼합하면서 첨가하였다. 다음에, 6.15 g의 3-메타크릴옥시프로필트라이메톡시실란 A174 (미국 매사추세츠주 워드 힐 소재의 알파 에이서(Alfa Aesar)로부터 스톡(Stock) # A17714로서 입수가능함), 5.80 g의 아이소옥틸트라이메톡시실란 (스톡 # SII6458.0, 미국 펜실베이니아주 모리스빌 소재의 겔레스트, 인크.(Gelest, Inc.)) 및 50 g의 아이소프로판올의 프리믹스를 혼합하면서 첨가하였다. 프리믹스 비커를 아이소프로판올의 총 50 g의 분취액들로 헹구었다. 헹굼액을 배치(batch)에 첨가하였다. 생성된 혼합물은 흐린 반투명 분산물이었다. 배치를 50℃로 가열하고, 대략 30분 동안 유지하였다. 50℃에서 30분 후, 혼합물은 균질한 불투명 백색 분산물이었다. 이 시점에서, 250 g의 아이소프로판올을 배치에 첨가하였다. 배치를 가열 환류하고(약 80℃), 혼합하면서 유지하였다. 대략 30분 후, 배치는 매우 점성인 상태로 되었다. 추가 200 g의 아이소프로판올을 첨가하였다. 배치는 훨씬 덜 점성인 상태로 되었다. 배치를 총 6시간 동안 환류에서 유지하였다. 환류에서 6시간 후, 배치를 혼합하면서 실온으로 냉각되게 하였다. 이 시점에서, 배치는 걸쭉한 황백색(off-white) 슬러리였으며, 이때 약간의 건조된 고형물이 반응 플라스크의 벽에 있었다. 생성된 반응 혼합물을, 진공 증류와 1200 g의 1-메톡시-2-프로판올의 첨가를 교대로 행함으로써 1-메톡시-2-프로판올로 용매 교환하였다. 배치를 진공 증류에 의해 추가로 농축시켰다. 최종 혼합물은 15.4 중량% 고형물을 갖는 고점성의 반투명 분산물이었다.
전술된 표면 개질된 PG 002 실리카, 및 미국 펜실베이니아주 엑스턴 소재의 사토머 유에스에이(Sartomer USA)로부터 입수가능한 UV 경화성 우레탄 아크릴레이트 올리고머 CN 9013을 사용하여, 1-4 수지 대 실리카 중량비로 코팅 용액 CE-2를 제조하였다. 적절한 크기의 믹스 용기 내에서, 50 g의 개질된 PG 002 (15.4% 고형물, 7.7 g 고형물)를 1.28 g의 CN 9013과 혼합하였다. 0.18 g의 광개시제 이르가큐어(Irgacure) 184 (미국 뉴저지주 더블유. 패터슨 소재의 시바 유에스에이(Ciba USA)로부터 입수가능함)를 첨가하였으며, 최종 혼합물을 추가 12.5 g의 2-부타논으로 희석하여 14.4% 고형물의 코팅 용액을 생성하였다.
100 g의 코팅 용액 CE-3을 실리카 분말 소광제(matting agent) EXP-3600 (미국 버지니아주 호프웰 소재의 에보닉스 유에스에이(Evoniks USA)로부터 입수가능함)과 혼합함으로써 코팅 용액 EX-2 및 EX-3을 제조하였다. 분말을 코팅 용액 CE-3에 첨가한 후, 2-부타논을 첨가하여 최종 고형물을 14%로 조정함으로써 소광제를 분산시켰다. 이들 혼합물은, EX-2 및 EX-3에 대해, 건조 중량 기준으로 각각 30 중량%의 실리카 또는 50 중량%의 실리카 소광제 EXP 3600을 함유하였다.
CE-3, EX-4 및 EX-5를 제조하는 데 사용된, 폴리스티렌 비드를 갖는 저굴절률 확산 코팅 용액의 제조. PVA 대 PG003 (건식 알루미나, 캐보트 코포레이션으로부터 입수가능함)의 중량 기준으로의 1-6 혼합물을 사용하여 코팅 용액 CE-3, EX-4 및 EX-5를 제조하였다. 확산 비드를 각각 0%, 50% 및 70 중량%로 첨가하여 저굴절률 확산 코팅 CE-3, EX-4 및 EX-5를 형성하였다. 이들 코팅에서, 사용된 비드는 소켄 SX 350H였는데, 이는 KSR-3A에 대해 명시된 것보다 더 좁은 크기 분포를 갖는 3 ㎛의 가교결합된 폴리스티렌 비드이다. 5분 동안 4000 rpm으로 작동하는 프리맥스(PreMax)™ 1단 로토-스테이터(roto-stator) 혼합기와 같은 표준 실험실용 로스 믹서(Ross Mixer)를 사용함으로써 비드 분산을 개선하였다. 미국 뉴욕주 하우포지 소재의 찰스 로스 앤드 손 컴퍼니(Charles Ross & Son Company)로부터 입수가능함.
PVA-Al2O3 프리믹스 A의 제조: 전형적인 공정에서, 공기 구동식 혼합기를 구비한 4 L 플라스틱 비커를 538 g의 PG003 (215 g의 Al2O3), 25 g의 10% 테르기톨™ 민-폼 1X 계면활성제 및 542 g의 PVA 235 (6.6% 고형물, 35.8 g)로 충전하였다. 이 혼합물을 저속으로 교반하여 모든 성분들을 균질화하였다. 수 분 후, 1405 g의 탈이온수를 첨가하고 서서히 혼합하여, 10% 고형물로 1-6 PVA-Al2O3를 포함하는 프리믹스 A를 생성하였다. 이 코팅 용액을 사용하여 비교예 CE-3을 제조하였다.
확산 비드 프리믹스 B의 제조: 앞서와 같이 구비한 별도의 2 L 플라스틱 비커 내에서, 1440 g의 물, 16 g의 10% 테르기톨™ 민-폼 1X 계면활성제, 및 160 g의 SX-350H 폴리스티렌 비드를 혼합하여 프리믹스 B의 균질한 10 중량% 분산물을 형성하였다.
250 g의 프리믹스 A와 250 g의 프리믹스 B를 혼합한 후, 고전단 분산 공정을 행하여 비드 분산을 향상시킴으로써 코팅 용액 EX-4를 제조하였다. 이는 50 중량%의 SX-350H 확산 비드를 함유한 혼합물을 생성한다.
150 g의 프리믹스 A와 350 g의 프리믹스 B를 혼합한 후, 고전단 분산 공정을 행하여 비드 분산을 향상시킴으로써 코팅 용액 EX-5를 제조하였다. 이는 70 중량%의 SX-350H 확산 비드를 함유한 혼합물을 생성하였다.
코팅 공정: 모든 코팅은 50 마이크로미터 프라이밍된 PET 필름 (듀폰-테이진(DuPont-Teijin) 689)을 사용하여 제조하였다. 저굴절률 코팅 용액을 프라이밍된 폴리에스테르 필름 상에 코팅함으로써, 우수한 광학 품질의 소형 실험실 규모 핸드 스프레드 코팅을 제조하였다. 미국 미시간주 로체스터 힐스 소재의 엘코미터 인크.(Elcometer Inc.)로부터 입수가능한 레벨 35.6 ㎝ x 27.9 ㎝ (14 x 11 in) 진공 테이블 모델 4900을 사용하여 필름을 편평하게 유지하였다. 미국 뉴욕주 웹스터 소재의 알디 스페셜티즈(RD Specialties)로부터 입수가능한 와이어 라운드 코팅 로드(메이어(Meyer) 로드)를 사용하거나 엘코미터 인크(미국 미시간주 로체스터 힐스 소재)로부터 입수가능한 나이프 바아를 사용하여 코팅 용액을 PET 상에 골고루 펴 발랐다. 전형적인 절차에서, 백지의 표준 시트(21.6 x 27.9 ㎝ (8.5 x 11 in))를 진공 테이블과 광학 필름 사이에 놓아서 진공 테이블과 관련된 코팅 결함을 방지하였다. 기포 및 표면 균열과 같은 광학 결함을 피하기 위해 모든 코팅을 탈기된 용액을 사용해 제조하였다. 코팅 용액의 5 내지 8 ㎖의 샘플을 필름의 상부 부근에 놓고, 번호 45 또는 30 메이어 로드를 사용하여 코팅을 제조하였는데, 이들 메이어 로드는 공칭 습윤 두께가 각각 114 내지 76.2 um (4.5 또는 3.0 밀(mil))인 코팅을 제공하였다. 나이프 바아 코터를 사용했을 때에는, 50.8 내지 101.6 마이크로미터 (2 내지 4 밀) 나이프 바아 갭이, 공칭 습윤 두께가 각각 25.4 및 50.8 마이크로미터 (1 내지 2 밀)인 코팅을 제공하였다. 습윤 코팅을 약 2 내지 3분 동안 실온에서 공기 건조되게 하고, 이어서 편평한 유리 플레이트로 주의깊게 옮기고, 50℃에서 강제 대류식 오븐 내에 넣어두어서 완전히 건조시켰다. 코팅을 적절한 크기의 알루미늄 팬(pan)으로 덮어서, 오븐 내에서의 공기 이동으로 인한 필름 상의 건조 패턴을 감소시켰다.
UV 경화성 우레탄 아크릴레이트 수지를 기재로 한 CE-2, EX-2 및 EX-3을 기재로 한 코팅을 #30 메이어 로드를 사용하여 코팅하여 대략 76 마이크로미터 (3 밀)의 습윤 코팅 두께를 생성하였다. 습윤 코팅을 실온에서 잠시 건조시킨 후, 2분 동안 100℃에서 완전히 건조시켰다. 20 fpm의 라인 속도로 건조 N2로 플러싱된 500 W 퓨전 시스템즈 라이트 해머(Fusion Systems Light Hammer) UV 챔버를 사용하여 코팅을 경화시켰다. 이 코팅을 H-전구 고강도 방사선에 노출시켰다.
코팅 제형 CE -4 및 EX -6을 위한 표면 개질된 "건식" 실리카의 제조
(1) A-174 개질된 캡오 -스퍼스™ 1020K의 제조
교반 바아, 교반 플레이트, 응축기, 가열 맨틀 및 열전쌍/온도 제어기를 구비한 3000 ㎖ 3구 플라스크를 1000 g의 캡-오-스퍼스 1020K (20 중량 고형물의 건식 실리카 분산물, 캐보트 코포레이션)로 충전하였다. 이 분산물에, 1400 g의 1-메톡시-2-프로판올을 교반하면서 첨가하였다. 다음에, 30.75 g의 97% 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란 (A-174, 알파(Alfa)로부터 입수가능함)을 100 g 폴리 비커에 첨가하였다. 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란을 교반하면서 배치에 첨가하였다. 3-(메타크릴옥시프로필)트라이메톡시실란이 들어 있는 비커를 1-메톡시-2-프로판올의 총 100 g의 분취액들로 헹구었다. 헹굼액을 배치에 첨가하였다. 이 시점에서, 배치는 불투명한 백색의 점성 분산물이었다. 배치를 80℃로 가열하고, 대략 16시간 동안 유지하였다. 생성된 혼합물은 점성의 불투명 백색 슬러리였다. 배치를 실온으로 냉각시켰다. 진공 증류와 900 g의 1-메톡시-2-프로판올의 첨가를 교대로 행함으로써 배치로부터 물을 제거하였다. 배치를 진공 증류에 의해 농축시켜 31.1 중량% 고형물을 갖는 매우 점성의 불투명 분산물을 생성하였다.
CE-4 및 EX-6을 제조하는 데 사용된 저굴절률 코팅 용액의 제조: 먼저, 초음파 처리 하에서 7 g의 에틸 아세테이트 중에 3.0 g의 CN9893 (미국 펜실베이니아주 엑스턴 소재의 사토머)을 용해시키고, 이어서 상기에서 제조된 38.6 g (31.1% 고형물, 12 g 고형물)의 A-174 개질된 캡오-스퍼스™ 1020K 및 0.23 g의 이르가큐어 184를 함께 혼합하여, 1-4 수지 대 입자 중량비를 갖는 균질한 코팅 용액을 형성함으로써 코팅 용액 CE-4를 제조하였다.
먼저, 초음파 처리 하에서 17.4 g의 에틸 아세테이트 중에 7.4 g의 UV 경화성 우레탄 아크릴레이트 CN9893 (미국 펜실베이니아주 엑스턴 소재의 사토머)을 용해시키고, 이어서 상기에서 제조된 95.8 g의 A-174 개질된 캡오-스퍼스™ 1020K (31.1% 고형물, 29.8 g), 7.4 g의 사일로이드(Syloid)(등록상표) RAD 2105 (미국 메릴랜드주 콜럼비아 소재의 더블유알 그레이스 인크.(WR Grace Inc.)), 2.46 g의 테고(Tego)(등록상표) RAD 2250 (실리콘 아크릴레이트, 미국 버지니아주 호프웰 소재의 에보닉스 유에스에이) 및 0.65 g의 이르카큐어 184를 4시간의 일정 교반 하에서 함께 혼합하여 1-4 CN9893-입자 비 및 약 17 중량%의 확산 입자 함량을 갖는 균질한 용액을 형성함으로써 코팅 용액 EX-6을 제조하였다.
용액 CE-4 및 EX-6으로부터 제조되는 코팅을 UV 경화성 수지 혼합물을 사용하여 제조하였다. 이들 필름을 2분 동안 85℃에서 오븐 내에서 건조시키고, 이어서 9.1 m/min (30 ft/min)의 라인 속도로(1회 통과) 100% 램프 출력에서 질소 분위기 하에서 작동하는 H-전구를 구비한 퓨전 유브이-시스템즈 인크.(Fusion UV-Systems Inc.)의 라이트-해머 6 UV (미국 메릴랜드주 게이더스버그 소재) 프로세서를 사용하여 경화시켰다.
광학 시험:
실시예의 요약이 표 1에 나타나 있다. T-H-C는 투과율(T), 헤이즈(H) 및 투명도(C)를 말한다. RI는 굴절률이다. 미국 뉴저지주 페닝턴 소재의 메트리콘 코포레이션(Metricon Corp.)으로부터 입수가능한 메트리콘(Metricon) 2010M 프리즘 커플러를 사용하여 프리즘 커플링 방법을 이용하여 굴절률(RI) 값을 결정하였다. RI (n)를 633 ㎚에서 결정하였다. 더 높은 헤이즈 코팅의 굴절률의 정확한 결정은 코팅된 필름의 PET 면을 통해 TM 편광 상태에서 굴절률을 측정함으로써 최상으로 결정되었다. 이 과정에서, 코팅의 PET 면과 프리즘을 커플링하고, RI 측정을 n = 1.55 내지 1.05에서 스캐닝하였다. 이 방법은 2개의 임계각 전이의 검출을 가져오는데; 하나는 n = 약 1.495에서의 PET-프리즘 계면과 관련된 것이고, 다른 하나는 PET-저굴절률 코팅 계면과 관련된 것이다. 이 제2 임계각의 변곡점 위 및 아래에 있는 영역에 대한 200 포인트 평활화 분석 프로그램의 사용에 의해 메트리콘 원시 데이터(raw data)를 분석하여 이 제2 전이의 임계각을 결정하였다. 2개의 선형 영역을 평활화된 데이터로부터 결정하였으며, 이들 2개의 선의 교차점은 곡선의 변곡점 및 따라서 저굴절률 코팅의 RI에 상응하였다.
코팅된 물품 광학: 비와이케이-가드너 헤이즈 가드 플러스(BYK-Gardner Haze Gard Plus; 미국 메릴랜드주 콜럼비아 소재의 비와이케이-가드너 유에스에이(BYK-Gardner USA)로부터 입수가능함)를 사용하여 투과율, 헤이즈 및 투명도 값을 결정하였다. 기록된 값들은 코팅된 필름의 상이한 영역으로부터 취해진 적어도 3개의 측정값의 평균을 나타낸다. 투명도 값 계산은 비 (T2 -T1)/(T1+T2)를 사용하며, 여기서 T1은 수직 방향으로부터 1.6 내지 2도 벗어난 투과된 광이고, T2는 수직 방향으로부터 0 내지 0.7도에 놓인 투과된 광이다.
이 표의 데이터는 저굴절률 확산 코팅이 고 헤이즈 및 저굴절률 특성 둘 모두를 갖는 광학 구조물을 형성할 수 있음을 보여준다.
Figure pat00002
이중층 확산 저굴절률 구조물의 제조.
순차적인 코팅 공정을 사용하여 이중층 확산 저굴절률 구조물을 제조하였다. 저 헤이즈의 저굴절률 층으로 이루어진 제1 층을 PET 상에 코팅하여 제2 저굴절률 확산 층에 의한 오버코팅을 위한 투입 기재 S1을 형성하였다. PET 필름 상에 저 헤이즈의 저굴절률 코팅 용액을 코팅함으로써 기재 S1을 제조하였다. 이 용액은 폴리비닐 알코올 (PVA) 및 건식 실리카 산화물 캡-오-스퍼스™ PG022의 혼합물로부터 제조하였다. 전형적인 절차에서, 5000.0 g의 캡-오-스퍼스™ PG 022 분산물 (20 중량% 고형물)을 공기 구동식 실험실용 혼합기 및 가열 맨틀을 구비한 20 L 플라스틱 용기에 첨가하였다. 실리카 분산물을 천천히 교반하고 45 내지 50℃로 가온하였다. 분산물이 이 온도 범위에서 평형을 이루었을 때, 90 g의 예비가온된 5 중량%의 붕산 수용액 (미국 위스콘신주 밀워키 소재의 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)로부터 입수가능함, 35 g 붕산 또는 0.035 g 붕산/g 실리카에 상응함)을 실리카 분산물에 첨가하고, 약 30분 동안 혼합하였다. 이 시간 후, 100 g의 저기포성 계면활성제(물 중 10 중량% 테르기톨™ 민-폼 1X, 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼(Dow Chemical)로부터 입수가능함)를 실리카-붕산 혼합물에 첨가한 후, 168 g의 폴리비닐 알코올을 첨가하였다. PVA는 2315 g의 7.2 중량% 수용액으로서 첨가하였다. PVA의 첨가시, 혼합물은 매우 점성인 상태로 되었으며, 추가 4350 g의 탈이온수를 첨가하여 점도를 감소시키고 충분한 혼합을 확보하였다. 혼합물을 추가 20분 동안 온화한 조건 하에서 교반하였다. 이 시간 후, 코팅 용액을 공기 구동식 교반기 및 진공 시스템을 구비한 30 L 압력 포트 용기로 옮기고, 30 내지 45분 동안 대략 80.0 내지 93.3 ㎪ (600 내지 700 mmHg)에서 탈기하였다. 혼합물을 탈기한 후, 고형물을 확인하였으며, 혼합물은 10.2% 고형물을 함유하는 것으로 밝혀졌다. 최종 혼합물은 건조 중량 기준으로 1 부의 PVA 수지 대 6 부의 실리카(1:6 PVA-Si 비, 14.3 중량%의 PVA)를 포함하였다.
코팅 공정: 전술된 저굴절률 코팅 용액을 자동화된 나이프 오버 롤 코팅(knife over roll coating) 공정을 사용하여 50 마이크로미터 (2 밀) 듀폰-테이진 689 프라이밍된 PET 필름 상에 코팅하여 저굴절률 코팅된 PET 기재 S1을 제조하였다. 나이프는 25.4 ㎝ (10 in) 폭이었으며, 코팅 용액을 연동 펌프를 통해 코팅 저장소에 공급하였다. 코팅 용액을 탈기하고, 미국 캘리포니아주 카마릴로 소재의 메이스너 필트레이션 프로덕츠(Meisner Filtration Products)로부터 입수가능한 친수성 여과 매체를 갖는 20 마이크로미터의 노미널(nominal) 필터로 통과시켰다. 코팅 용액을 가온된 채로 용액 뱅크에 전달하였으며, 이 동안에 나이프 및 백업 롤을 또한 38 내지 42℃ (100.4 내지 107.6℉)로 가열하여 용액 겔화를 방지하였다. 나이프 코팅 갭은 101.2 마이크로미터 (4 밀)로부터의 범위였다. 라인 속도는 4.57 m/min (15 fpm)이었다. 필름을 2 구역 대류식 오븐 내에서 건조시켰는데, 이때 제1 구역은 46.1℃ (115℉)로 설정하였고, 제2 구역은 79.4℃ (175℉)로 설정하였다. 건조된 코팅은 디지털 마이크로미터에 의해 결정했을 때 대략 7 내지 8 마이크로미터 두께였다. 굴절률은 1.164인 것으로 측정되었으며, 필름은 투과율-헤이즈-투명도(T-H-C) 값이 각각 92%, 4% 및 100%였다.
코팅 용액의 최종 %고형물이 14.4%인 것을 제외하고는 EX-1 (1-4 PVA-Si + KSR 3A 비드)과 본질적으로 동일한 코팅 용액을 사용하여, 코팅된 PET 필름 S1을 오버코팅하였다. 앞서 기술된 핸드 스프레드 코팅 기술을 사용하여 제2 오버코트를 적용하였다. 이들 코팅이 표 #2에 추가로 설명되어 있다.
[표 #2]
Figure pat00003
표 #2의 데이터는 저굴절률 확산 용액이 상이한 저굴절률 층 상에 코팅되어 고 헤이즈, 더 낮은 투명도 및 저굴절률을 갖는 이중층 구조물을 생성할 수 있음을 나타낸다.
이렇게 하여, 저굴절률 확산 요소의 실시 형태가 개시되었다. 전술된 구현예 및 기타 구현예는 하기의 특허청구범위의 범주 내에 속한다. 당업자는 본 발명이 개시된 것 이외의 실시 형태로 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시 형태는 한정이 아니라 예시를 목적으로 제공되며, 본 발명은 하기의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (1)

  1. 광학 확산 층으로서,
    결합제;
    결합제 중에 분산된 복수의 금속 산화물 입자;
    복수의 상호연결된 공극(void); 및
    결합제 중에 분산된 복수의 헤이즈 발생 입자를 포함하며,
    유효 굴절률이 1.3 이하인 광학 확산 층.
KR1020187025327A 2010-10-20 2011-10-14 상호연결된 공극을 갖는 저굴절률 확산 요소 KR20180100721A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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