TWI444670B - 高遮蔽反射膜與其製程 - Google Patents

Description

高遮蔽反射膜與其製程

本發明提供一種高遮蔽性反射膜與其製程，特別是針對由一光學反射膜和一偏光片結合而成的具防窺效果的光學反射膜。

一般的玻璃有很好的透光性，人站在玻璃任一面都可以看到另一面的事物。另有一種單向鏡則產生有不同的效果，當安裝至窗戶時，室內的人仍可以輕易看到戶外的人，就像一般透明的玻璃一樣，但由於室內戶外的光線反差頗大，戶外的人對單向玻璃卻像在照鏡子，很難看清室內的景物。

習知的單向鏡和普通玻璃不同之處，單向鏡在於基材的表面設置有一層或多層薄的金屬膜或金屬氧化物膜，這種是以金屬如鎳、鉻、銀或鋁等等或其相關金屬氧化物所製成的塗料，因為其厚度很薄，可以反射部份的光，但也同時讓部份的光穿透，而一部分光線也會被金屬或金屬氧化物所吸收。此類單向鏡可參考美國專利第3,661,686號(公告於May 1972)中所描述的單向鏡，其組成可參考第一圖。

構成中包括一個彈性基板15，其具有一個粗糙面，基板15上方則形成一金屬層16，外部則可貼附有被覆層17，此被覆層17可設計具有紋理的表面。在彈性基板15另一表面上則可貼附另一具有紋理的塑膠層18。第一圖所顯示的層狀結構形成一個可讓部份光線穿透與部份光線反射的單向鏡或是雙向鏡，視用途而定。

除了習知技術中以金屬或金屬氧化物薄膜製作的單向鏡之外，建築玻璃或車用玻璃常亦會以玻璃內添加染色色料的方式來降低陽光直射的亮度，但此種添加染料或色母的方式所製作的玻璃或膜片，其內部與外部的反射率幾乎一樣差異並不大，使得外面的人亦可以輕易看見室內，而幾乎無隱密性。以上方式所製作的單向鏡，皆無法達成高度單向遮蔽性的功能，且即使有遮蔽性時此時的穿透率數值普遍過於低，造成透光率過低，使室內的人亦不易辨識外面的景物。

不同於習知技術應用玻璃或軟性透明基板上鍍上一層或多層金屬製作單向鏡的技術，本發明屏除使用鍍金屬膜的製作方式，所提出的高遮蔽反射膜組成主要包括一光學反射膜和一偏光片，和將兩者固定結合的結合層。

根據實施例，此高遮蔽反射膜主要結構有由多層不同材質堆疊的介電質光學膜所組成的光學反射膜、可將射向偏光片的光線中部份的光線吸收並產生一偏振態的偏光片，以及將兩層結合固定的結合層。

特別的是，光學反射膜係由至少兩種以上相異之材料反覆堆疊而成，並且其中至少有一材料在不同方向軸上具有不同的折射率，為光學各向異性；而結合層內添加高分子光擴散顆粒或金屬顆粒或金屬氧化物顆粒，另外，偏光片中具有一抗反射層或一低反射層。

其中結合於光學反射膜的偏光片的製作方式包括有先備置富化學活性的透明塑膠板，再將透明塑膠板浸漬在一 碘的水溶液中，使其中碘離子擴散滲入透明塑膠板內層的材料，經加熱後，執行一拉伸程序，為的是使透明塑膠板內原本呈任意角度無規則分佈的分子受力拉伸後成一致偏轉於拉伸作用力的方向，並使得附著在透明塑膠板上的碘分子具有一方向性，形成一偏光片。

之後，根據光學反射膜之配向方向軸，再調整偏光片之配向方向軸，再以一結合層結合形成高遮蔽反射膜。

根據本發明提出的高遮蔽反射膜的實施例，可請參考第二圖所示之實施例示意圖。其中高遮蔽反射膜20主要結構有光學反射膜21與偏光片23，再透過結合層22將上下兩層結合。其中實施例之一的特徵在於光學反射膜21係由至少兩種以上相異之材料反覆堆疊而成，並且其中至少有一材料在不同光線射入方向軸上具有不同的折射率，故此光學反射膜21為光學各向異性。

此高遮蔽反射膜20中各層結構能夠偏折入射光線，透過光路的設計產生高遮蔽的效果。請參考第三圖根據上述高遮蔽反射膜20形成的光路示意圖，本實施例中的光線光路討論主要以400nm~700nm光譜範圍，且具無偏振態的可見光為主，而文中描述的光線能量比值，亦主要以400nm~700nm的可見光為討論範圍。但實際上本發明可以根據需求將波段延展到紅外線或紫外光的區域來做設計，亦可因需求使用具偏振態光源。

根據第三圖所示，光線射入光學反射膜21的入射光線2a，遇到光學反射膜21後的部份反射光線2b，與部分的穿透光線2c，而各穿透反射光線的能量的比重是由調整光學反射膜21、結合層22與偏光片23的材質和厚度而改變。入射光2a射向光學反射膜21後會有部分反射光2b、2d、2f、2h與部分穿透光2c、2e、2g、2i產生。反射光2b和穿透光2i能量總和加上一些光線在穿透此高遮蔽反射膜20中各材質所被吸收損耗的能量將等於入射光2a的能量。在此實施例中穿透光2i的能量約占入射光2a能量的20%~70%，反射光2b能量約佔入射光2a的1~10%。

從另一方向打入高遮蔽反射膜20的入射光2j首先射向偏光片23，其中光路會產生部份反射光2k、2m、2o、2q與部分穿透光2l、2n、2p、2r。其中穿透光2r和反射光2k的能量總和加上一些光線在穿透此高遮蔽反射膜20中各材質的光路中被材料所吸收損耗的能量將等於入射光2j的能量。

在本實施例中，穿透光2r的能量約占入射光2j能量的20%~70%，但反射光2k能量約佔入射光2j的1%~15%。反射光2k的能量比重佔入射光2j的比重可以藉由偏光片23的材質組成改變。一般偏光片23會有抗反射層(Anti Reflection Coating)或低反射層(Low Reflection Coating)來降低反射率，若偏光片23上有再設置抗反射層或低反射層將會使反射光2k的能量變小。此種利用光線打入高遮蔽反射膜20的不同兩面方向會產生相當大的反射率差異，將可製造出有單向鏡的遮蔽效果，而相較一般傳統蒸鍍或濺鍍金屬方式製造的產生的單向鏡而言，本發明的高遮蔽反射膜20便能在高穿透率下達成高反射率差異。

一般而言，入射光2j經過偏光片13會被吸收掉約30%~80%的能量，這是由於偏光片23並非全波段都有一致的吸收、反射、和穿透光譜，一般偏光片的設計大部分在400nm~700nm可見光區有30%~80%的吸收比例，在非可見光如紅外線波段或紫外光波段的吸收特性則較不一定。

入射光2j經偏光片23後在其內部被吸收30%~80%的光線能量，其餘未吸收的光線進入偏光片23將會形成穿透光2l與反射光2k，而穿透光2l遇到偏光片23與結合層22的介面203會產生反射光2m和穿透光2n，而穿透偏光片23的穿透光2n此時則具有一特定偏振態(polarization)，一般經過偏光片23後產生特定偏振態屬於線偏振光(linear polarization)，偏振度(Degree of Polarization)則介於80%~100%之間。而穿透光2n再繼續經過結合層22，本實施例中的結合層22主要是將偏光片23和光學反射膜21結合。結合層22一般可為感壓膠(Pressure Sensitive Adhesives)，可行的接合方式可藉由壓力或加熱固化或以紫外光固化等方式將偏光片23和光學反射膜21藉由結合層22將偏光片23和光學反射膜21兩者結合固定並仍保持一定的透光性，亦可在結合層22內部添加一些化學添加劑如光擴散顆粒可幫助光擴散、功能型助劑或金屬或金屬氧化物顆粒能使高遮蔽反射膜20反射紅外線或吸收紫外線。

穿透光2n經過結合層22與光學反射膜21之間的介面102仍會有部分反射光2o反射與穿透光2p穿過光學反射膜21，此時穿透光2n本身與穿透光2l仍具有相近的偏振態，在本實施例中皆是具有線性偏振光，當然穿透光2n與穿透光2l的偏振光偏振度也會受偏光片23與結合層22等各不同材質的影響而改變，如果選用的材質本身具有相位延遲(Retardation)的功能，入射光線的偏振態與偏振度將會有所改變。入射光2j一般是無偏振態的光線，但是從打入偏光片23的表面003起，每經過不同的材質和介面時，其相位延遲都會有所改變，所以偏振態也會有所改變，一直到穿透光2n、穿透光2p、穿透光2r等穿透光其偏振態都會所改變，但實際上這些穿透光與反射光的偏振態的改變可以藉調整偏光片23與光學反射膜21的配向軸方向、內部材質、材料厚度等等來做調整。

請參考第四圖為上述實施例的立體示意圖，光學反射膜21的配向方向軸111是表示光學反射膜本身在製作時經過一特定的機械延伸(Stretch)的過程而產生的配向方向軸，由於機械性的強迫延伸會造成光學膜內的分子的配向(Align)。一般對稱且無偏振態的自然光線遇到經過配向的光學材質，將會因此產生特定的偏振態或使光線產生非對稱的光線折射或光線散射行為。偏光片23本身在製作過程也經過延伸機的配向延伸製程來造成偏振光功能。第四圖之中偏光片23經過配向延伸處理後，其配向方向軸131顯示出其經過機械延伸的軸向方向。

可配合第五圖描述的本發明高遮蔽反射膜之製程，其中主要描述偏光片23之製程，並透過結合層22與光學反射膜21結合。

偏光片23的製作原理是先備置一張柔軟富化學活性的透明塑膠板(較佳為聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)所製)(步驟S501)，並浸漬在碘的水溶液中(步驟S503)，使碘離子擴散滲入內層的PVA材料，加熱(微熱)(步驟S505)後經人工或機械執行一拉伸程序(步驟S507)，此PVA板變長後，原本呈任意角度無規則分佈的分子受力拉伸後逐漸一致偏轉於拉伸作用力的方向，附著在PVA上的碘分子也隨之有方向性。

特別的是，PVA上的碘分子可吸收平行於其排列方向的光束電場分量，只讓垂直方向的光束電場分量通過，利用上述原理就可以製造偏光片23。然而，在一實施例中，上述形成的PVA膜在延伸後，通常機械性會降低，變得易碎裂，所以在此實施例，PVA膜經拉伸程序後，通常會在此PVA膜兩側貼上醋酸三纖維素薄膜(TAC)所組成的透明基板，一方面可作為保護層，一方面則可防止PVA膜的回縮。故製程可先備置醋酸三纖維素薄膜(步驟S509)，再將此保護PVA膜的TAC經過蝕刻、水洗及乾燥等表面處理(步驟S511)後，再與偏光片23本身的PVA膜作貼合(步驟S513)。偏光片23會視其需要在表面處理來加強抗刮的硬度或降低其表面光線反射。

而偏光片23與光學反射膜21兩者的配向方向設置和相對設置方向都會影響光線的偏光態，故製程接著分別調整偏光片23和光學反射膜21兩者的配向方向軸111和131(步驟S515)，最後透過結合層22結合偏光片23與光學反射膜21(步驟S517)，結合層22之實施例之一特別添加高分子光擴散顆粒來增加霧化效果，亦可添加金屬顆粒或金屬氧化物顆粒吸收和反射紅外線，亦可添加紫外光吸收劑來吸收紫外光線。根據上述製程產生的反射膜，其設置正確的配向方向軸111和131將可以獲得高遮蔽反射膜20。

本發明主要將偏光片23的機械延伸軸方向和光學反射膜21的方向調整到接近平行可以獲得最大的效益，即光學反射膜21的配向方向軸111和偏光片23配向方向軸131接近平行時，高遮蔽反射膜20的穿透率會越高而反射率差異也會越大。若配向方向軸111和配向方向軸131兩者之間的夾角越大時則高遮蔽反射膜20的穿透率和反射率差異皆會降低。本發明可以針對所需的反射率差異和穿透率差異我們可以調整配向方向軸111和配向方向軸131的相對角度，當配向方向軸111和配向方向軸131互相垂直時此時的反射率差異將會最小，而穿透率也會降到最低。我們藉此調整兩者配向軸角度的方法便可以改變高遮蔽反射膜20的穿透率和相對的反射率差異。

可繼續參考上述第三圖所示的各層光路示意圖，其中入射光2a打入光學反射膜的表面001將會產生反射光2b和穿透光2c，依序再打入光學反射膜21和結合層22的介面102和結合層22和偏光片23的介面203分別也產生穿透光2e、2g和反射光2d、2f。最後再射向偏光片23的表面003產生穿透光2i和反射光2h。第三圖中的光學反射膜21主要是將自然無偏振態的光轉化成具偏振態，此外光學反射膜21並具高度反射光線的功能，光線2a打入光學反射膜21後穿過的穿透光2e具有高度的偏振態，而穿透光2e能量約佔入射光2a的30%~70%，較佳比例約佔入射光2a的40%~60%，最佳約占入射光2a的45%~55%。而實際上穿透光線2c經過光學反射膜21內部時上經過數十到數百次多次內部反射，圖中僅為示意。因為在光學反射膜21內部由於多層膜的光學干涉原理會造成光線在內部產生相干性(coherent)反射，因為光學反射膜21本身是由多層膜(multilayer film)組成，實際組成光學反射膜21的光學膜堆數目乃由數十層到數百層之多，此種多層光學膜乃利用光學干涉原理改變光學特性又稱為光學干涉薄膜。一般的光學干涉薄膜係由數層折射率不同的膜片或膜堆組成，每層膜堆的厚度皆在50奈米到1000奈米左右。光學干涉薄膜其功用是一種能使特定波長區段的光通過，或使其他波長區段的光反射的光學元件，目前常使用於如光譜帶通、帶止、長波通或短波通的濾光片、光通量調變裝置、光開關、光資訊的記存裝置、防偽標籤等。

本發明的光學反射(或干涉)膜設計原理請參考美國第5,103,337號(公告於Apr 7,1992)專利。其係利用光學干涉的原理：當兩個以上光波相疊時，兩者的光程差為波長的整數倍時，則稱為「同相」，因而形成強度相加的「建設性干涉」，此時反射率提高；若兩者的光程差為半波長的整數倍時，則稱為「反相」，因而形成強度相消的「破壞性干涉」，此時反射率降低。

因此，藉由不同的材質、厚度的膜堆反覆堆疊，則能夠設計出特定波長光線反射，其他波長通過的光學干涉膜，光線的波段範圍便可依需求來調整設計。

實際光學反射膜21的設置與製作方式可參照美國專利號第3,610,729號(公告於Oct 1971)和第3,711,176號(公告於Jan 1973)和第5,976,424號(公告於Nov 2,1999)等專利，其中所述之利用至少兩種高低不同折射率的高分子材質經押出(extrusion)後再經過延伸機延伸改變其分子配向與折射率而造成偏光反射的特性，利用此機制即可以控制光線打入光學反射膜21後的波段反射率、穿透率和偏振態和偏振度等光學特性，此種高分子所製作的光學反射膜21為各向異性(anisotropic)，即至少一種材料在不同的方向軸上具有不同方向的折射率，而且光學反射膜21至少有一材質具有等向性(isotropic)，光線打入此光學反射膜21會因偏振態不同而有不同的反射與穿透特性。所以第三圖所示的入射光2a打入光學反射膜21後，約30%~70的光線會穿透形成穿透光2c，較佳的穿透光比例是穿透光2c約佔穿透光2a的45%~55%。穿透光2c會在光學反射膜21內部與內部數十數百層之多的多層光學膜產生干涉反射而產生更多反射或穿透光線(第三圖中未畫出多層膜干涉反射和穿透光線的光線，關於等向性多層膜光學膜與異向性多層光學膜的詳細光學干涉理論說明可以參考H.A.Macleod的Thin-film optical filters與R.M.A.Azzam的Ellipsometry and polarized light書籍)。

接著，第三圖中射向偏光片13的入射光2j，除穿透光2l之外，經過偏光片13內部後的光線幾乎都被完全吸收了，幾乎沒有反射光在偏光片內部形成，這也是本發明為什麼能拉大兩方向入射光反射率的最主要原因。根據本發明實施例，比較由兩不同方向分別打入光學反射膜21和偏光片23的反射光能量差異，若以相同能量的穿透光2a與穿透光2j分別由不同方向打入高遮蔽反射膜20內，此時由光學反射膜21方向打入之主要反射光應包含2b和在光學反射膜21內部經多層光學干涉反射的光線(第三圖中未繪出內部多層膜干涉之光線光路)，而由偏光片23打入的光線其反射光部分主要包含反射光2k，而在偏光片23內部幾乎無額外反射光產生，因大部分除了穿透、反射外都被吸 收了，而眾所皆知的一般偏光片23能部份吸收非偏振光，其能量的比重約佔了一半以上。所以由光學反射膜21打入的反射光總能量明顯會多於由偏光片23打入的反射光總能量，其兩者反射光能量比約為3~50倍之多，最佳約在7~15倍。其倍率變化較大乃是因為偏光片23可以設置抗反射或低反射層降低反射，使反射率降低到1%~15%左右，而光學反射膜21亦能提高反射率到大於50%，而藉此拉大兩者反射率差異便能得到更佳的遮蔽性和單向鏡的特性。反射率的差異大致由以上方式調整之外可再由光學反射膜21和偏光片23的配向方向軸111和配向方向軸131和兩者相對設置的角度和方向而改變，光線不論由偏光片23打入或者由光學反射膜21的方向打入最後的穿透光都具有一定的偏振態。

再接著參考第六圖所示本發明實施例中的樣品實際測量其穿透率與雙面反射率曲線實驗圖。其中將穿透率和兩個不同方向量測的的反射率變化同時顯示在同一張圖中，橫座標為波長，縱座標則為相對強度數值(可為穿透率或反射率)。

圖中曲線tt1為本發明實施例之實驗樣品一的穿透率光譜曲線，曲線tr1為測量光線從偏光片23(可參考第二圖)方向射向實驗樣品一的反射率光譜曲線一。曲線tr2為測量光線從第二圖中的光學反射膜21方向射向實驗樣品一的得出的反射率光譜曲線二。

由曲線tt1、tr1、tr2可以發現其實驗樣品一的兩面平均反射率的數值差異數值多大於30%以上，或兩面平均反射率之比值(即tr2和tr1先於特定波段內取平均值之後再將數值大者除以數值小者獲得此平均反射率比值)約介於3~50之間，較佳比值約落在3~17倍左右。而除了高差異的雙面反射率，其穿透率亦維持45~55%左右的高穿透率，此現象明顯和利用蒸鍍或濺鍍方式所製作金屬膜的光學膜片不同，亦不像蒸鍍或濺鍍等方式製作的金屬薄膜會因薄膜干涉產生頻譜不均勻而間接造成顏色的不均勻。

根據第六圖數據所示，本發明的高遮蔽反射膜其穿透率和反射率幾乎能維持一定數值，便能明顯降低色差，降低顏色不均的現象。本發明之高遮蔽反射膜本身由於偏光膜23與光學反射膜21具有一定的支撐力可做為基材單獨使用，亦可以將此高遮蔽反射膜額外上背膠後可將其貼附於固定的基板上使用，如將其貼附於車用或建築玻璃或塑膠板材上。

惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明之範圍內，合予陳明。

15．．．彈性基板

16．．．金屬層

17．．．被覆層

18．．．塑膠層

20．．．高遮蔽反射膜

21．．．光學反射膜

22．．．結合層

23．．．偏光片

111,131．．．配向方向軸

001,003．．．表面

102,203．．．介面

tt1,tr1,tr2．．．曲線

步驟S501~S517　高遮蔽反射膜製程

第一圖所示為習知技術之單向鏡結構示意圖；

第二圖顯示本發明高遮蔽反射膜實施例結構示意圖；

第三圖顯示本發明高遮蔽反射膜各層間光路示意圖；

第四圖顯示本發明高遮蔽反射膜各層中配向軸方向示意圖；

第五圖描述本發明高遮蔽反射膜之製程；

第六圖係為本發明實施例中的樣品實際測量其穿透率與雙面反射率曲線實驗圖。

20．．．高遮蔽反射膜

21．．．光學反射膜

22．．．結合層

23．．．偏光片

Claims (14)

1. 一種高遮蔽反射膜，包括：一光學反射膜，由多層至少兩種以上不同材質堆疊的介電質光學膜所組成，並且其中至少有一材料在不同方向軸上具有不同的折射率，為光學各向異性，同時該光學反射膜中至少有一材質具有光學等向性；一偏光片，可將射向該偏光片的光線中部份的光線吸收並產生一偏振態；以及一結合層，將該光學反射膜和該偏光片結合並固定，其中該結合層內添加高分子光擴散顆粒或金屬顆粒或金屬氧化物顆粒或紫外光吸收劑；其中，當光線進入該光學反射膜與該偏光片結合的結構中，將因偏振態不同而有不同的反射與穿透特性；而各穿透與反射光線的能量比重是由調整該光學反射膜、該偏光片與該結合層的材質和厚度而改變；其中，透過調整該光學反射膜與該偏光片的反射率差異以調整該高遮蔽反射膜的遮蔽性。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其中該偏光片中具有一抗反射層或一低反射層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其組成之偏光片對於400nm~700nm的無偏振光之平均反射率較佳約1%~15%。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其組成之偏光片對於400nm~700nm的無偏振光之平均穿透率較佳約在30%~60%。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其組成之 光學反射膜對於400nm~700nm的無偏振光之平均反射率較佳約在30%~70%。
6. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其組成之光學反射膜對於400nm~700nm的無偏振光之平均穿透率較佳約在30%~70%。
7. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其整體對於400nm~700nm的無偏振光之平均穿透率較佳約在30%~70%。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其整體對於400nm~700nm的無偏振光之兩面平均反射率比值之數值較佳約落在3~50之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜，其整體對於400nm~700nm的無偏振光之兩面平均反射率比值之數值最佳約落在3~17之間。
10. 一種如申請專利範圍第1項所述之高遮蔽反射膜的製程，包括：備置一光學反射膜，該光學反射膜由多層不同材質堆疊的介電質光學膜所組成；備置一富化學活性的透明塑膠板；將該透明塑膠板浸漬在一碘的水溶液中，使其中碘離子擴散滲入該透明塑膠板內層的材料；加熱；執行一拉伸程序，使該透明塑膠板內原本呈任意角度無規則分佈的分子受力拉伸後成一致偏轉於拉伸作用力的方向，並使得附著在該透明塑膠板上的碘 分子具有一方向性，形成一偏光片；根據該光學反射膜之配向方向軸，再調整該偏光片之配向方向軸；以及透過一結合層結合該偏光片與該光學反射膜，形成該高遮蔽反射膜。
11. 如申請專利範圍第10項所述之高遮蔽反射膜的製程，其中該透明塑膠板為一聚乙烯醇所製。
12. 如申請專利範圍第11項所述之高遮蔽反射膜的製程，其中於該透明塑膠板經該拉伸程序後，於該透明塑膠板兩側貼上一醋酸三纖維素薄膜所組成的透明基板。
13. 如申請專利範圍第12項所述之高遮蔽反射膜的製程，其中該醋酸三纖維素薄膜經過一表面處理後，與該透明塑膠板貼合。
14. 如申請專利範圍第10項所述之高遮蔽反射膜的製程，其中透過該結合層結合該偏光片與該光學反射膜之結合方式為一壓力結合、加熱固化或紫外光固化。