TWI644791B - 多層光學薄膜 - Google Patents

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Abstract

描述熱塑性雙折射多層光學薄膜。更具體而言，描述具有交替的第一及第二層的熱塑性多層薄膜，該等交替的第一及第二層具有一線性層輪廓，其中熱塑性多層薄膜之兩個外層皆薄於350nm但厚於150nm。描述具有較薄外部保護邊界層之熱塑性雙折射多層光學薄膜。

Description

多層光學薄膜
通常藉由把受擠壓的聚合物在進料區塊(feedblock)堆積成層而形成熱塑性雙折射多層光學薄膜。在一些製造過程中，取決於進料區塊的尺寸、處理條件以及擠壓物的厚度，外層在通過進料區塊所受的剪力會是顯著的。如此可能會在外層造成層崩裂，常常會使最後層的薄膜無法使用於其所欲之目的。提供厚保護邊界層或厚皮層可在製程期間保護薄膜。
在一態樣中，本發明係關於一種多層薄膜。更具體而言，本發明之描述係關於一熱塑性雙折射多層薄膜，其包含具有一實質地線性層輪廓之交替的第一及第二層。熱塑性雙折射多層光學薄膜之兩個外層薄於350nm但厚於150nm。無一中間層厚於350nm。熱塑性雙折射多層光學薄膜之兩個外層包含不是與第一層相同就是與第二層相同的材料。熱塑性雙折射多層光學薄膜之最低平均脫層係大於100g/in。在一些實施例中，無中間層厚於150nm。在一些實施例中，交替的第一及第二層中之至少其中之一是定向的雙折射聚合物層。
在一些實施例中，熱塑性雙折射多層光學薄膜薄於50微米；在其他實施例中，熱塑性雙折射多層光學薄膜薄於20微米。在一些情況下，熱塑性雙折射多層光學薄膜少於200層。在一些實施例中，熱塑性雙折射多層光學薄膜為一反射式偏光鏡。熱塑性雙折射多層光學薄膜也可能為一鏡。熱塑性雙折射多層光學薄膜可以輥形式供應，或結合在一背光之內。
100‧‧‧光學薄膜
110‧‧‧交替光學層包
120‧‧‧保護邊界層
130‧‧‧表皮層
200‧‧‧光學薄膜
210‧‧‧交替光學層包
220‧‧‧保護邊界層
300‧‧‧光學薄膜
310‧‧‧交替光學層包
320‧‧‧保護邊界層
圖1為比較例C1的構造之示意剖面圖。
圖2為比較例C2、比較例C3a-C3c、實例1a-1f及實例2a-2d的構造之示意剖面圖。
圖3為比較例3的構造之示意剖面圖。
多層光學薄膜(即，藉由配置不同折射率之微層至少局部提供所期望的透射或/及反射特性之薄膜)為已知技術。可藉由在真空室內沈積一系列無機光學薄層(「微層」)於一基板上來製造多層光學薄膜為已知技術。舉例而言，於H.A.Macleod著作之《Thin-Film Optical Filters》第2版(Macmillan Publishing Co.(1986))及A.Thelan著作之《Design of Optical Interference Filters》(McGraw-Hill,Inc.(1989))兩本教科書中描述無機多層光學薄膜。
多層光學薄膜也可藉由交替的聚合物層之共擠壓方式展現。參考例如美國專利案第3,610,729號(Rogers)、第4,446,305 號(Rogers等人)、第4,540,623號(Im等人)、第5,448,404號(Schrenk等人)及第5,882,774號(Jonza等人)。在這些聚合多層光學膜中，聚合物材料係為主要或唯一用於個別膜層間的構造。這些可稱為熱塑性多層光學薄膜。這類薄膜適用於大量製程且可以大片及輥貨品製成。以下描述及實例係關於熱塑性多層光學薄膜。
一多層光學薄膜包括個別的微層具有不同的折射率特性，使得一些光在相鄰微層間的介面處被反射。為了給予該多層光學薄膜所欲反射或透射的特性，該微層係薄得足以讓在一複數個介面處被反射的光會經歷相長(constructive)或相消(destructive)干涉。對於設計用來反射紫外光、可見光或近紅外光波長的多層光學薄膜，每個微層一般來說都具有小於約1μm的光學厚度(實體厚度與折射率的乘積)。通常可以最薄到最厚配置層。在一些實施例中，交替的光學層的配置以層數的功能有實質地線性地變化。這些線性輪廓可稱為線性層輪廓。還可包括較厚層，例如多層光學薄膜的外表面上的皮層，或置於多層光學薄膜內部的保護邊界層(PBL)，其分離微層的一致性群組(於此稱為「層包」)。在一些案例中，保護邊界層的材料可相同於多層光學薄膜之交替層之至少一者。在其它案例中，保護邊界層的材料可為依其物理或流變屬性而選擇不同材料。保護邊界層可位於一光學層包之一側或兩側。在一單一層包的多層光學薄膜的案例中，該保護邊界層可位於該多層光學薄膜的一或兩外表面。
皮層有時會添加薄膜模係發生在進料區塊之後但在熔化物之前。對於聚酯薄膜以傳統的方式，然後多層熔化物用一薄膜模被投擲到一冷卻滾筒，在前述方式後該多層熔化物立即冷卻。接著，鑄網以不同方式被拉伸以使光學層之至少一者達到雙折射，在許多案例中，製造反射式偏光鏡(reflective polarizer)或鏡薄膜(mirror film)，如同於美國專利公開案第2007/047080 A1號、第2011/0102891 A1號及第7,104,776號(Merrill等人)中所描述。該具有雙折射性之薄膜可稱為熱塑性雙折射多層光學薄膜。
該些薄膜有各種用途，用在該些薄膜被層合於其它薄膜構造(例如，吸收型偏光鏡、聚碳酸酯或聚酯片)及/或物品的地方(例如，液晶顯示器顯示)。在各製程的一點，通常有一轉換步驟係MOF或層合MOF可藉由各種程序予以切割，例如剪具、旋轉模、模壓製、雷射等。在這些轉換與接下來的處置步驟之一特殊失敗模式(例如，封裝、預製膜移除、顯示器組裝等)為多層構造的潛在脫層。脫層通常發生於在最外層(例如，在某些實施例中係一皮層或保護邊界層)與光學層之間的多層光學薄膜。接下來，脫層可傳導至多層而留下不期望之可視瑕疵。
在一些應用中，期望建罝一較薄的多層光學薄膜。在一些實施例中，也期望在這些較薄的薄膜中保持光學性能(例如，增益)及機械特性(例如，脫層阻力)。注意，在本文中所用「較薄」可指加入額外光學主動層(例如，改善光學性能)或非主動層(例如，改善物理特性)的能力仍保有相同或類似之厚度。因為反射式偏光鏡之 微層的光學功能與每個微層的特定光學厚度相關連，所以常常是不可能單純地藉由讓每個微層更薄而達到相同的光學屬性。再者，減少微層的層數可達到一較薄的薄膜，但會降低光學性能(例如，增益)。程序的改變可增加光學性能，但這些程序改變通常會降低脫層阻力。先前，要達成一較薄之多層光學薄膜又同時要維持光學性能及脫層阻力兩者是有困難的。進一步，可以想到的是，當減少整體厚度以減少保護邊界層的厚度時，會因為進料區塊的剪力而造成薄膜在製造過程當中損壞或有重大瑕疵。令人出乎意料的是，不只較薄的保護邊界層可以讓整體多層光學薄膜較薄，其也可為整體薄膜提供改善的脫層阻力，而不會因為進料區塊的箭力而產生重大瑕疵。關於最厚光學層的厚度，保護邊界層在一些案例中可薄於350nm、在一些案例中可薄於300nm、在一些案例中可薄於200nm以及在一些案例中甚至薄於150nm。在某些實施例中，多層薄膜不具有厚於350nm的中間層，甚至沒有任何一層厚於150nm。本文所描述之多層光學薄膜整體上係薄於50μm、薄於30μm、薄於20μm或薄於17μm。
在一顯示系統之應用中，多層光學薄膜之性能的一種測量被稱為「增益」。光學薄膜的增益係用於，對於觀看者而言，具有光學薄膜之顯示器與不具有光學薄膜相比，有多少更高程度的測量。更具體來說，一光學薄膜的增益為具有光學薄膜之顯示器(或者其一部份，例如背光)的亮度與不具有光學薄膜之顯示器的亮度之間的比率。由於亮度大體上係觀看定向的函數，增益亦為觀看定向的 函數。若增益係無任何定向指示，則可預定軸向性能。對於反射式偏光鏡，對於穿越軸，其增益通常與閉塞軸的非常高反射率及通過軸的非常高透射率(非常低反射率)相關聯，無論是正常入射光或斜入射光。這是因為非常高的閉塞軸反射率極大化非可用偏光之光線能被反射回背光的機會，因而可被轉換成可用偏光；以及非常低的通過軸反射率以最低損耗極大化可用偏光之光線能通過背光朝向LC面板的機會。
實例 脫層測試方法
備製薄膜樣品並藉由12吋(30公分)之條帶切成寬1吋(2.54公分)。將雙面膠帶(3M 665雙面膠帶，得自位於明尼蘇達州聖保羅之3M公司)黏附於一金屬板以及一樣品條黏附於雙面膠帶。從板的一端切除剩餘的薄膜以使薄膜與板的邊緣齊平，而另一端則藉由剃刀刀片以一銳角切削以留下記號。黏合帶(3M 396雙面膠帶，購自於明尼蘇達州聖保羅之3M公司)之大約1.5吋(4公分)條帶的一端向自身方向折入並形成一0.5吋(1.3公分)無黏性標籤。黏合帶的另一端施用於薄膜樣品之記號端。接著，使用IMASS SP-2000脫層測試機(IMASS Inc.,Accord,MA)執行90度脫層測試並將脫層速度設定為每分鐘60吋(每分鐘1.5公尺)以及平均時間為5秒。針對每個薄膜樣品測試5個條帶。對於實例所得結果，報告最小值，以便比較使層彼此脫層所需之最弱力或最低力。假使所需的高脫層 力而無法測量任何值，則數值報告為10,000+g/in。所有比較實例和實例(比較實例C1除外)之交替層的光學層包皆實質上為線性層輪廓。
比較實例C1
如以下方式備製一雙折射反射式偏光鏡。一單一多層光學層包被共擠壓，如美國專利申請案公開案第2011/0102891號題為「Low Layer Count Reflective Polarizer with Optimized Gain(最佳化增益之低層數量反射式偏光鏡)」所描述。美國專利第6,352,761號(Hebrink等人)所描述之聚合物被用於光學層。經共擠壓光學層包包含275個90/10 coPEN(含有90%聚萘二甲酸(PEN)及10%聚對苯二甲酸乙二酯(PET)之聚合物)及一低折射率非等向性層之交替層。低折射率非等向性層由聚碳酸酯及共聚酯(PC：coPET)所製成，其PC：coPET莫耳比為約42.5莫耳百分比聚碳酸酯及57.5莫耳百分比coPET。該低折射率層具有大約1.57之折射率並在單軸定向上維持實質上非等向性。PC：coPET之轉變溫度(Tg)為105℃。
如美國專利申請案公開案第2011/0272849號題為「Feedblock for Manufacturing Multilayer Polymeric Films(製造多層聚合薄膜之進料區塊)」所述之進料區塊方式製造反射式偏光鏡。90/10 PEN及PC：coPET聚合物自分開之擠壓機饋入至一多層共擠壓進料區塊，並在該進料區塊內組合成275個交替光學層之一層包，加上在每側上的PC：coPET之較厚保護邊界層，總計277層。在進 料區塊之後加入皮層，用於皮層之聚合物之第二PC：coPET比例為50莫耳百分比PC及50莫耳百分比coPET且轉變溫度(Tg)為110℃。接著，使用傳統聚酯薄膜方式，多層熔化物通過一模具澆鑄在冷卻滾筒上驟冷。接著，鑄網於拋物線拉幅機內拉伸，如於美國專利第7,104,776號(Merrill等人)所描述，表1提供溫度與拉伸比。藉由一電容測量儀測量薄膜之所得厚度為約26.5μm。光學顯微術及原子力顯微鏡所測量之相對應保護邊界層加上皮層的厚度為約6μm(3μm/側)。圖1為比較實例C1之示意圖。圖1展示光學薄膜100，其包含交替光學層包110、保護邊界層120以及皮層130。
比較實例C1所測量之最低脫層力為約80g/in(0.785N/25.4mm)。使用自Photo Research,Inc(Chatsworth,California)所取得之SpectraScanTM PR-650光譜色度計以一MS-75鏡片測量增益，如於美國專利第US 2008/0002256號(Sasagawa等人)中所描述。
比較實例C2
如類似比較實例C1之方式備製一雙折射反射式偏光鏡。一單一多層光學層包被共擠壓，該共擠壓光學層包包含275個90/10 coPEN及PC：coPET之交替層。90/10 PEN及PC：coPET聚合物自分開之擠壓機饋入至一多層共擠壓進料區塊，並在該進料區塊內組合成275個交替光學層之層包，加上在每側的PC：coPET比例之厚保護邊界層，總計277層。如類似比較實例C1所述之方式處理多層熔化物，表1列出不同的部份。光學顯微術及原子力顯微鏡 所測量之相對應保護邊界層的厚度(並未與皮層共擠壓)為約2μm(1μm/側)。圖2為比較實例C2之示意圖。圖2展示光學薄膜200，其具有交替光學層包210以及保護邊界層220。比較實例C2所測量之最低脫層值為約120g/in(1.18N/25.4mm)。類似的處理環境以及完成之薄膜厚度下，藉由移除皮層，相較於比較實例C1，改良脫層強度。
比較實例C3a-C3c
如類似比較實例C2之方式備製一雙折射反射式偏光鏡，惟將該第一及第二光學層組合成220個交替光學層除外，加上在每側的PC：coPET之保護邊界層，總計222層。如類似比較實例C2所述之方式處理多層熔化物，惟表1列出之某些參數除外。並未施用皮層。光學顯微術及原子力顯微鏡所測量之所得總厚度為20μm以及外部保護邊界層厚度為約2μm(1μm/側)。比較實例C3a至C3c之剖面圖類似於比較實例C2之剖面圖，惟較低層計數除外。比較實例C3a所測量之最低脫層為約88g/in(086N/25.4mm)，拉伸比、保護邊界層厚度及處理環境類似於比較實例C2。與比較實例C2相比，比較實例C3a之層抗脫層程度減少約27%。拉伸比進一步從6x(比較實例C3a)增加至6.3x(比較實例C3b)且接著增加至6.7x(比較實例C3c)，因而使1脫層強度減少52%。測試結果顯示相較於實例C2之僅減少總厚度並不足以達成改良脫層性能。
實例1a-1f
如類似比較實例C2之方式備製一雙折射反射式偏光鏡，惟將第一及第二光學層組合成183個交替光學層之層包除外，加上在每側上的PC：coPET之保護邊界層，總共185層。如類似比較實例C2所述之方式處理多層熔化物，惟表1列出之項目除外。所得總厚度為約16.5μm。光學顯微術及原子力顯微鏡所測量之對應保護邊界層厚度(並未與皮層共擠壓)為約0.7μm(0.35μm/側)。實例1a至1f之剖面圖類似於比較實例C2之剖面圖，惟較低的層計量及保護邊界層厚度除外。實例1a至1f展示改良之抗脫層力性能。
實例2a-2d
如類似比較實例C2之方式備製一雙折射反射式偏光鏡，惟將第一及第二光學層組合成173個交替光學層之層包除外，加上在每側上的PC：coPET之保護邊界層，總計175層。如類似比較實例C2所述之方式處理多層熔化物，惟表1列出之項目除外，所得總厚度為約15.5μm。光學顯微術及原子力顯微鏡所測量之對應保護邊界層厚度(並未與皮層共擠壓)為約0.5μm(0.25μm/側)。比較實例2a至2d之剖面圖類似於比較實例C2之剖面圖，惟較低的層計量及較小的保護邊界層厚度除外。實例2a至2d亦展示改良之抗脫層力性能。
實例3
如類似比較實例C2之方式備製一雙折射反射式偏光鏡，惟將第一及第二光學層組合成186個交替光學層之層包除外，加上只在鑄造輪側的PC：coPET之保護邊界層，總計187層。在鑄造輪側的外部光學層由PC：coPET混合所形成，此PC：coPET混合係用於在對置側形成較厚的保護邊界層。如類似實例1e所述之方式處理多層熔化物，並取得約16.3μm之總厚度。對應單一保護邊界層厚度(並未與皮層共擠壓)為約0.25μm。圖3為實例3之示意剖面圖。圖3描述光學薄膜300，其具有交替光學層包310以及保護邊界層320。處理完成後，所量測之薄膜所之脫層值為約370g/in(3.6N/25.4mm)。
顯示器之亮度及對比率
可藉由以下方式測量含有實例1至3及比較實例C1至C3所描述之薄膜的液晶顯示器之亮度及對比率。取得市面上所販售之具有液晶螢幕的平板電腦。該平板電腦的液晶面板背部之薄膜包含一吸收式偏光鏡並使用一黏接片附著一反射式偏光鏡。將附著於吸收式偏光鏡之反射式偏光鏡移除並使用一光學清透之黏接片附著比較實例及實例的各種薄膜於吸收式偏光鏡。接著，將顯示器重新與所收到之裝置的相同背光總成重新組合。使用一EZContrast XL88W錐光鏡(Model XL88W-R-111124，自Eldim Optics取得，Herouville,Saint-Clair France)依據極角量測顯示器亮度及對比率。結果顯示比較實例及實例的各種薄膜之亮度和對比率非常類似。
以下為根據本發明之例示性實施例：
項目1.一種熱塑性雙折射多層光學薄膜，其包括：具有一線性層輪廓之交替的第一及第二層；其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜之兩個外層薄於350nm但厚於150nm；其中無中間層厚於350nm； 其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜之兩個外層包含與該第一或第二層相同之材料；及其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜之一最小平均脫層為大於100g/in。
項目2.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中無中間層厚於150nm。
項目3.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該等交替的第一及第二層之至少一者為定向的雙折射聚合物層。
項目4.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜薄於50微米。
項目5.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜薄於20微米。
項目6.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜具有少於200層。
項目7.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜為一反射式偏光鏡。
項目8.如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜為一鏡。
項目9.一種包括如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜之薄膜輥。
項目10.一種包括如第1項之熱塑性雙折射多層光學薄膜之背光。
所有本申請案所引用的美國專利以及專利申請案以引用方式全文併入本文中。本發明並不侷限於上文描述之實例及實 施例的具體描述，因為詳細描述這些實施例是為了促進解說本發明的各項態樣。而是，應明白本發明涵蓋本發明的所有態樣，包含屬於如隨附申請專利範圍定義的本發明的範疇內的所有修改、同等處理和替代裝置。

Claims (10)

  1. 一種熱塑性雙折射多層光學薄膜，其包括：具有一線性層輪廓之交替的第一與第二層；其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜之兩個外層的厚度薄於350nm但厚於150nm；其中中間層之厚度不厚於350nm；其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜之兩個外層包括與該第一或第二層相同之材料；且其中該熱塑性雙折射多層光學薄膜之一最小平均脫層為大於100g/in。
  2. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中中間層之厚度不厚於150nm。
  3. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該等交替的第一及第二層之至少一者為定向的雙折射聚合物層。
  4. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性多層光學薄膜薄於50微米。
  5. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性多層光學薄膜薄於20微米。
  6. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性多層光學薄膜具有少於200層。
  7. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性多層光學薄膜為一反射式偏光鏡。
  8. 如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜，其中該熱塑性多層光學薄膜為一鏡。
  9. 一種包括如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜之薄膜輥。
  10. 一種包括如請求項1之熱塑性雙折射多層光學薄膜之背光。
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