KR101633133B1

KR101633133B1 - 최적화된 이득을 갖는 낮은 층 총수의 반사 편광기

Info

Publication number: KR101633133B1
Application number: KR1020107023918A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 제이 더크스; 마이클 에프 웨버; 샌든 디 하르트; 칼 에이 스토버
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2014219696A; US20150316697A1; EP2602647A1; KR20110002047A; JP2017004010A; CN102016659B; MY163688A; US9513420B2; US9110245B2; EP2263111B1; WO2009123928A1; EP2263111A1; JP6073837B2; US20110102891A1; JP2011516920A; TW200946996A; TWI570451B; JP6521922B2; CN102016659A

Abstract

통과축 및 차단축 둘 모두를 따라 인접 미세층들 사이에서 증가된 평면내 굴절률 차이를 갖고, 두께 또는 z-축을 따라 인접 미세층들 사이에서 음의 굴절률 차이를 갖는 다층 반사 편광 필름이 개시된다. 공기에 노출된 필름의 전방 및 후방 주 표면들은 통과축 반사율에 프레넬 반사율 성분을 제공하고, 미세층들은 통과축 반사율에 미세층 성분을 제공하며, 그러한 미세층 성분은 바람직하게는 p-편광된 광에 대한 축외 이득 피크를 실질적으로 피하기 위해 프레넬 반사율 성분이 감소하는 것보다 더 빨리 입사각에 따라 증가하는 p-편광된 광의 반사율을 갖는다. 필름은 바람직하게는 단조 광학적 반복 단위 두께 프로파일을 갖는 단일 밀착 스택으로 배열된, 비교적 작은 총 개수의 미세층들을 이용하고, 적어도 일부 미세층은 바람직하게는 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 그 공중합체를 포함한다.

Description

최적화된 이득을 갖는 낮은 층 총수의 반사 편광기{LOW LAYER COUNT REFLECTIVE POLARIZER WITH OPTIMIZED GAIN}

관련 출원

본 출원은 그 개시 내용이 전체적으로 참고로 포함된, 2008년 3월 31일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/040910호의 이익을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 다층 광학 필름에 관한 것으로, 특정 응용으로는 시각 디스플레이 시스템용 백라이트에 사용하기에 적합한 편광기로서 구성되는 그러한 필름에 관한 것이다.

다층 광학 필름, 즉 굴절률이 상이한 미세층(microlayer)의 배치에 의해 적어도 부분적으로 바람직한 투과 및/또는 반사 특성을 제공하는 필름이 공지되어 있다. 진공 챔버에서 기판(substrate) 상의 광학적으로 얇은 층("미세층")에 일련의 무기 물질을 침착시킴으로써 그러한 다층 광학 필름을 제조하는 것이 공지되어 있다. 무기 다층 광학 필름은 예를 들어 문헌[H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 2nd Ed., Macmillan Publishing Co. (1986)]과 문헌[A. Thelan, Design of Optical Interference Filters, McGraw-Hill, Inc. (1989)]에 기술되어 있다.

다층 광학 필름이 또한 교호하는 중합체층들의 공압출에 의해 보여졌다. 예를 들어, 미국 특허 제3,610,729호(로저스(Rogers)), 제4,446,305호(로저스 등), 제4,540,623호(아임(Im) 등), 제5,448,404호(슈렝크(Schrenk) 등), 및 제5,882,774호(존자(Jonza) 등)를 참조하라. 이들 중합체 다층 광학 필름에서, 개별 층의 제조에서 대부분 또는 오로지 중합체 물질이 사용된다. 그러한 필름은 대량 제조 공정에 적합하고 대형 시트 및 롤 제품으로 제조될 수 있다.

다층 광학 필름은 일부 광이 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사되도록 상이한 굴절률 특성을 갖는 개별 미세층들을 포함한다. 미세층들은 다층 광학 필름에 원하는 반사 또는 투과 특성을 제공하기 위하여 복수의 계면에서 반사된 광이 보강 또는 상쇄 간섭을 받도록 충분히 얇다. 자외선, 가시광선 또는 근적외선 파장의 광을 반사하도록 설계된 다층 광학 필름의 경우, 각각의 미세층은 대체로 약 1 ㎛ 미만의 광학적 두께(물리적 두께에 굴절률을 곱함)를 갖는다. 전형적으로, 다층 광학 필름의 외부 표면에 있는 스킨층(skin layer), 또는 미세층들의 상호 밀착 군(본 명세서에서 "패킷(packet)"으로 지칭됨)들을 분리하는 다층 광학 필름 내에 배치된 보호 경계층(protective boundary layer, PBL)과 같은 더 두꺼운 층이 또한 포함된다.

편광 응용, 예를 들어 반사 편광기의 경우, 광학층들 중 적어도 일부는 중합체의 굴절률이 중합체의 직교좌표축들을 따라 상이한 값을 갖는 복굴절 중합체를 사용하여 형성된다. 일반적으로, 복굴절 중합체 미세층은 층 평면에 대한 법선(z-축)에 의해 정의되는 직교좌표축을 가지며, x-축 및 y-축은 층 평면 내에 있다. 복굴절 중합체는 또한 비편광 장치에 사용될 수 있다.

일부 경우에서, 미세층들은 1/4 파장 스택(stack)에 대응하는 두께 및 굴절률 값을 가질 수 있는데, 즉 이들은 각각이 동일한 광학 두께(f-비 = 50%)를 갖는 2개의 인접한 미세층을 갖는 광학 반복 유닛 또는 유닛 셀 내에 배열되며, 그러한 광학적 반복 유닛은 파장 λ가 광학 반복 유닛의 전체 광학 두께의 2배인 보강 간섭광에 의한 반사에 효과적이다. f-비가 50%가 아닌 2-미세층 광학 반복 유닛을 갖는 다층 광학 필름, 또는 광학 반복 유닛이 2개 초과의 미세층을 포함하는 필름과 같은 다른 층 배열이 또한 공지되어 있다. 이들 광학 반복 유닛 설계는 소정의 고차 반사를 감소시키거나 증가시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,360,659호(아렌즈(Arends) 등) 및 제5,103,337호(슈렝크 등)를 참조하라. 사람의 가시 영역 전체에 걸쳐 그리고 근적외선 내로 연장되는 반사 대역과 같은 확장된 반사 대역을 제공하도록 필름의 두께 축(예를 들어, z-축)을 따른 두께 구배가 사용될 수 있어, 이 대역이 비스듬한 입사각에서 보다 짧은 파장으로 이동될 때 미세층 스택이 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 계속하여 반사하도록 한다. 대역 경계, 즉 고반사와 고투과 사이의 파장 전이를 예리하게 하도록 맞춤된 두께 구배가 미국 특허 제6,157,490호(휘틀리(Wheatley) 등)에서 논의된다.

다층 광학 필름 및 관련 설계와 구성의 추가적인 상세 사항이 미국 특허 제5,882,774호(존자 등) 와 제6,531,230호(웨버(Weber) 등), PCT 공개 WO 95/17303호(오더커크(Ouderkirk) 등)와 WO 99/39224호(오더커크 등), 및 문헌["Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors", Science, Vol. 287, March 2000 (Weber et al.)]에서 논의되어 있다. 다층 광학 필름 및 관련 물품은 그의 광학적, 기계적, 및/또는 화학적 특성을 위해 선택된 추가적인 층 및 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, UV 흡수층이 구성요소를 UV광에 의해 야기되는 열화로부터 보호하기 위해 필름의 입사면에 추가될 수 있다. 다층 광학 필름은 UV-경화성 아크릴레이트 접착제 또는 다른 적합한 재료를 사용하여 기계적 강화층에 부착될 수 있다. 그러한 강화층은 PET또는 폴리카르보네이트와 같은 중합체를 포함할 수 있고, 예를 들어 비드(bead) 또는 프리즘의 사용에 의해, 광 확산 또는 시준(collimation)과 같은 광학 기능을 제공하는 구조화된 표면을 또한 포함할 수 있다. 추가의 층 및 코팅은 또한 긁힘 방지층, 인열 방지층 및 경화제(stiffening agent)를 포함할 수 있다. 예를 들어 미국 특허 제6,368,699호(길버트(Gilbert) 등)를 참조하라. 다층 광학 필름을 제조하기 위한 방법 및 장치가 미국 특허 제6,783,349호(네빈(Neavin) 등)에서 논의되어 있다.

도 1은 다층 광학 필름(10)의 하나의 층 쌍을 도시한다. 필름(10)은 다수의 교호하는 미세층(12, 14)을 포함하는데, 간결성을 위해 그 중 2개만이 도시되어 있다. 미세층들은 상이한 굴절률 특징을 가져서, 일부 광은 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사된다. 미세층들은 복수의 계면에서 반사된 광이 보강 또는 상쇄 간섭을 받아서 필름에 원하는 반사 또는 투과 특성을 제공하도록 충분히 얇다. 자외선, 가시광선 또는 근적외선 파장에서의 광을 반사하도록 설계된 광학 필름의 경우, 각각의 미세층은 일반적으로 광학 두께(즉, 물리적 두께에 굴절률을 곱함)가 약 1 ㎛ 미만이다. 전형적으로, 필름의 외부 표면에 있는 스킨층, 또는 미세층들의 패킷들을 분리하는 필름 내에 배치된 보호 경계층과 같은 더 두꺼운 층이 또한 포함된다.

다층 광학 필름(10)의 반사 및 투과 특성은 각각의 미세층의 굴절률 및 미세층의 두께와 두께 분포의 함수이다. 각각의 미세층은, 적어도 필름 내의 국소 위치에서, 평면내(in-plane) 굴절률 n_x, n_y 및 필름의 두께축과 연관된 굴절률 n_z에 의해 특성화될 수 있다. 이들 굴절률은 상호 직교하는 x, y 및 z축을 따라 각각 편광된 광에 대한 당해 물질의 굴절률을 나타낸다. 도 1에서, 이들 굴절률은 층(12)에 대해 n1x, n1y, n1z로, 그리고 층(14)에 대해 n2x, n2y, n2z로 라벨 표기되며, 그들의 각각의 층간 차이는 Δn_x, Δn_y, Δn_z이다. 본 특허 출원에서의 설명의 용이성을 위해, 달리 특정되지 않는 한, x-축, y-축 및 z-축은 다층 광학 필름 상의 임의의 관심대상 지점에 적용가능한 국소 직교좌표로 가정되며, 여기에서 미세층은 x-y 평면에 평행하게 연장되고, x-축은 Δn_x의 크기를 최대화하도록 필름의 평면 내에 배향된다. 따라서, Δn_y의 크기는 Δn_x의 크기 이하일 수 있다 - 그러나, 초과하지는 않음 - . 게다가, 차이 Δn_x, Δn_y, Δn_z를 계산하는 데 어느 물질층부터 시작할지의 선택은 Δn_x가 음이 되지 않도록 함으로써 정해진다. 다시 말하면, 계면을 형성하는 2개의 층들 사이의 굴절률 차이는 Δn_j = n_1j - n_2j이고, 여기서 j = x, y, 또는 z이고, 층 표시 1, 2는 n_1x ≥ n_2x, 즉 Δn_x ≥ 0이도록 선택된다.

실제로, 굴절률은 적절한 물질 선택과 처리 조건에 의해 제어된다. 필름(10)은 2개의 교호하는 중합체(A, B)를 많은, 예를 들어 수십 또는 수백개의 층들로 공압출하고, 전형적으로 이어서 다층 압출물을 하나 이상의 다중화 다이로 통과시키며, 그리고 나서 최종 필름을 형성하도록 압출물을 연신 또는 달리 배향시킴으로써 제조된다. 생성된 필름은 전형적으로, 가시광선 또는 근적외선과 같은 원하는 스펙트럼 영역(들) 내에서 하나 이상의 반사 대역을 제공하도록 그 두께 및 굴절률이 맞춰진 수백개의 개별 미세층들로 구성된다. 적합한 개수의 층으로 높은 반사율을 달성하기 위해, 인접한 미세층들은 전형적으로 x-축을 따라 편광된 광에 대해 적어도 0.05의 굴절률 차이 Δn_x를 나타낸다. 2개의 직교 편광에 대해 높은 반사율이 요구되는 경우, 인접한 미세층들은 또한 y-축을 따라 편광된 광에 대해 적어도 0.05의 굴절률 차이 Δn_y를 나타내도록 제조될 수 있다.

위에 참조된 '774(존자 등) 특허는 특히, z-축을 따라 편광된 광에 대한 인접한 미세층들 사이의 굴절률 차이 Δn_z가 비스듬한 입사광의 p-편광 성분에 대한 바람직한 반사율 특성을 달성하도록 어떻게 맞추어질 수 있는지를 기술한다. 경사 입사각에서 p-편광된 광의 높은 반사율을 유지하기 위해, 미세층들 사이의 z-굴절률의 부정합 Δn_z는, Δn_z ≤ 0.5*Δn_x, 또는 Δn_z ≤ 0.25 * Δn_x이도록, 최대 평면내 굴절률 차이 Δn_x보다 실질적으로 작도록 제어될 수 있다. 0 또는 거의 0인 크기의 z-굴절률 부정합은 p-편광된 광에 대한 반사율이 입사 각도의 함수로서 일정하거나 거의 일정한 미세층들 사이의 계면을 생성한다. 게다가, z-굴절률 부정합 Δn_z는 평면내 굴절률 차이 Δn_x와 비교하여 반대 극성을 갖도록, 즉 Δn_z < 0이도록 제어될 수 있다. 이 조건에 의해, s-편광된 광의 경우에서와 같이, p-편광된 광의 반사율이 입사각의 증가에 따라 증가하는 계면이 생성된다.

'774(존자 등) 특허는 또한 다층 반사 편광기로 지칭되는 편광기로서 구성되는 다층 광학 필름에 관한 소정의 설계 고려사항들을 논의한다. 많은 응용에서, 이상적인 반사 편광기는 하나의 축(x-방향에 대응하는 "소광" 또는 "차단" 축)을 따라 높은 반사율을, 그리고 다른 축(y-방향에 대응하는 "투과" 또는 "통과" 축)을 따라 0의 반사율을 갖는다. 일부 반사가 투과축을 따라 일어나면, 비-수직(off-normal) 각도에서의 편광기의 효율이 감소될 수 있고, 반사율이 다양한 파장에 대해 상이하면, 투과된 광 내에 색상이 도입될 수 있다. 게다가, 2개의 y 굴절률 및 2개의 z 굴절률의 정확한 정합은 일부 다층 시스템에서 가능하지 않을 수 있으며, z-축 굴절률이 정합되지 않으면, 평면내 굴절률 n1y, n2y들에 대해 약간의 부정합의 도입이 요구될 수 있다. 특히, y-굴절률 부정합을 z-굴절률 부정합과 동일한 부호를 갖도록 조정함으로써, 브루스터(Brewster) 효과가 미세층들의 계면에서 생성되어, 다층 반사 편광기의 투과축을 따라 축외(off-axis) 반사율 및 따라서 축외 색상을 최소화시킨다.

'774(존자 등)에서 논의된 다른 설계 고려사항은 다층 반사 편광기의 공기 계면에서의 표면 반사에 관련된다. 편광기가 기존의 유리 구성요소 또는 다른 기존의 필름에 투명한 광학 접착제를 사용하여 양면에서 라미네이팅되지 않는 한, 그러한 표면 반사는 광학 시스템에서 원하는 편광의 광의 투과를 감소시킬 것이다. 따라서, 일부 경우들에서, 반사방지(antireflection, AR) 코팅을 반사 편광기에 부가하는 것이 유용할 수 있다.

반사 편광기는 흔히 액정 디스플레이와 같은 시각 디스플레이 시스템에 사용된다. 이들 시스템 - 현재 이동 전화, 컴퓨터, 및 몇몇 평판 TV와 같은 매우 다양한 전자 장치에서 발견됨 - 은 연장된 면적의 백라이트에 의해 후방으로부터 조명되는 액정(liquid crystal, LC) 패널을 사용한다. 반사 편광기는 LC 패널에 의해 사용가능한 편광 상태의 광을 백라이트로부터 LC 패널로 투과시키도록 백라이트 위에 배치되거나 또는 그렇지 않다면 백라이트 내에 통합된다. LC 패널에 의해 사용가능하지 않은 직교 편광 상태의 광은 다시 백라이트 내로 반사되고, 여기서 그 광은 궁극적으로 다시 LC 패널을 향해 반사되어 가용 편광 상태로 적어도 부분적으로 변환될 수 있어서, 보통은 소실되곤 했던 광을 "재순환"시키고, 디스플레이의 생성된 휘도 및 전체 효율을 증가시킨다.

대표적인 시각 디스플레이 시스템(20)이 도 2에 개략 측면도로 도시되어 있다. 시스템(20)은 LC 패널(22) 및 광을 LC 패널(22)에 제공하도록 위치되는 조명 조립체 또는 백라이트(24)를 포함한다. LC 패널(22)은 유리 패널 판들 사이에 배치되는 액정층을 포함한다. LC 패널(22)은 상부 흡수 편광기(26)와 하부 흡수 편광기(28) 사이에 위치된다. 흡수 편광기(26, 28) 및 LC 패널(22)은 함께 광이 백라이트(24)로부터 디스플레이 시스템(20)을 통해 관찰자로 투과하는 것을 제어한다. 전자 디스플레이 제어기에 의한 액정층의 상이한 픽셀들의 선택적 활성화는 광이 선택된 픽셀에서 디스플레이 시스템(20) 외부로 통과하게 하여서, 관찰자가 보는 이미지를 형성한다.

백라이트(24)는 에지형(edge-lit) 구성(광원(30a))으로 배치되든지 직하형(direct-lit) 구성(광원(30b))으로 배치되든지 간에 광원을 포함하고, 광원으로부터 광을 LC 패널(22)의 가시 영역과 일치하는 출력 영역에 걸쳐 분포시킨다. 광원은 예를 들어 냉음극 형광 램프(CCFL) 또는 발광 다이오드(LED)일 수 있고, 이들은 개별적으로 또는 조합되어 백색광을 생성한다. 백라이트(24)는 또한 확산판, 프리즘형 휘도 향상 필름(brightness enhancement film, BEF) 및 위에서 논의된 다층 반사 편광기와 같은 다양한 광학 구성요소를 포함할 수 있는, 전반적으로 도면 부호 32로 도시된 필름 스택을 포함한다. 백라이트는 수납체(enclosure)를 포함하며, 수납체의 내부 기저 표면(34a) 및 내부 측부 표면(34b)은 광 재순환을 촉진시키고 시스템 효율을 향상시키도록 반사성일 수 있다. 일부 경우들에서, 백라이트는 또한 에지 장착형 광원(광원(30a))으로부터의 광을 출력 영역에 걸쳐 균일하게 보내기 위해 고체 도광체(light guide)를 포함할 수 있다.

어느 경우든, 백라이트는 LC 패널(22)이 이미지를 생성하는 데 사용하는 연장된 광원을 제공하는데, 이 이미지는 축상(on-axis)(수직 또는 거의 수직) 관찰 방향으로부터 관찰할 수 있는 관찰자(다층 반사 편광기에 그리고 시스템(20)의 다른 연장된 광학 구성요소에 수직인 z-축을 따라 위치된 관찰자(36a)), 또는 축외 또는 비스듬한 관찰 방향으로부터 관찰할 수 있는 관찰자(관찰자(36b))에 의해 인지될 수 있다.

시스템(20)과 같은 디스플레이 시스템과 관련하여 반사 편광기의 성능의 한가지 척도는 "이득(gain)"으로 지칭된다. 반사 편광기 또는 다른 광학 필름의 이득은 광학 필름이 없는 디스플레이에 비해 광학 필름을 갖는 디스플레이가 관찰자에게 얼마나 더 밝게 보이는지에 대한 척도이다. 보다 구체적으로, 광학 필름의 이득은 광학 필름이 없는 디스플레이 시스템의 휘도에 대한 광학 필름을 갖는 디스플레이 시스템(또는 백라이트와 같은 그의 일부분)의 휘도의 비이다. 휘도는 일반적으로 관찰 배향의 함수이기 때문에(예를 들어 도 2의 관찰자(36a, 36b) 참조), 이득도 또한 관찰 배향의 함수이다. 이득이 어떠한 배향의 표시도 없이 지칭되면, 통상적으로 축상 성능이 추정된다. 높은 이득은 보통 수직 및 비스듬한 입사광 둘 모두에 대해, 차단축에 대해서는 매우 높은 반사율을 그리고 통과축에 대해서는 매우 높은 투과율(매우 낮은 반사율)을 갖는 반사 편광기와 관련된다. 이는, 매우 높은 차단축 반사율이 비-가용 편광의 광선이 다시 백라이트로 반사되어 가용 편광으로 변환될 수 있는 가능성을 최대화시키고, 매우 낮은 통과축 반사율이 가용 편광의 광선이 최소한의 손실을 갖고서 LC 패널을 향해 백라이트 외부로 통과할 가능성을 최대화시키기 때문이다.

풀 RGB 컬러 디스플레이 시스템과 관련하여 반사 편광기의 다른 성능 척도는, 반사율 또는 투과율의 스펙트럼 불균일성의 결과로서, 구성요소가 축상 및 축외 둘 모두에서 시스템 내로 도입하는 색상의 양이다. 이상적으로, 편광기는 어떠한 상당한 인지되는 색상도 축상 또는 축외에서 디스플레이 내로 도입하지 않도록 약 400 내지 700 ㎚의 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 균일하게 반사 및 투과시킨다. 이는, 다시 차단축 반사율이 가능한 한 높고 통과축 반사율이 가능한 한 작은 경우에, 또는 보다 정확하게는 미세층으로부터의 간섭 효과에 기인하는 통과축 반사율의 부분이 가능한 한 작은 경우에, 가장 쉽게 달성된다. (공기에 노출된 중합체 반사 편광기의 전방 및 후방 주 표면에서의 프레넬(Fresnel) 표면 반사에 기인하는, 통과축 반사율의 나머지 부분은 사실상 색상에 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 그러한 공기 대 중합체 표면 반사가 실질적으로 스펙트럼적으로 균일하기 때문이다). 매우 작지도 매우 크지도 않은 반사율을 갖는 미세층 스택은 가시 스펙트럼에 걸쳐 색상을 제어하기에 더 어렵다. 이는, 중간 반사율에서는, 이상적 또는 목표 두께 프로파일에 대한 스택의 층 두께 프로파일의 심지어 매우 작은 변동도, 투과되거나 반사된 광에서 사람의 눈에 의해 용이하게 인지될 수 있는, 목표 평탄 반사 스펙트럼으로부터의 스펙트럼 편차를 쉽게 생성할 수 있기 때문이다.

상기 고려사항들에 따라서, 이하에서 더욱 상세히 기술되는 2개의 구매가능한 다층 반사 편광기 제품들은, 몇 가지 점에서는 상이하지만 둘 모두가 Δn_y를 매우 작게 유지시킴으로써 매우 낮은 축상 통과축 반사율을 갖는 필름 설계들을 사용하여, 양호한 이득 및 낮은 색상 특성을 달성할 수 있다.

그러나, 본 발명자들은 이들 상업용 반사 편광기 둘 모두가 p-편광된 광에 대해 축외 이득 피크를 나타내는 것을 관찰하였다. 이들 축외 이득 피크는 비교적 작지만, 일부 응용에서는 상당할 수 있는 정도로 축상 이득 또는 휘도를 손상시킬 수 있다. 본 발명자들은 이득 피크가, 편광기의 외부 표면과 관련된 프레넬 표면 반사율 및 입사각에 대한 그 프레넬 반사율의 의존성과 조합되어, 미세층들과 관련된 매우 작은 통과축 반사율 성분에 관계되는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명자들은 본 명세서에서 특히, 전형적인 이득 및 색 성능을 제공하면서 실질적으로 축외 이득 피크를 피하도록 설계 특징들의 새로운 조합을 이용하는 다층 반사 편광기를 기술한다. 예를 들어, 본 발명자들은 미세층들과 관련된 통과축 반사율 성분이, 여전히 차단축 반사율보다 훨씬 더 작긴 하지만, 축외 이득 피크를 피하도록 외부 표면의 프레넬 표면 반사율의 각도 의존성을 극복하기에 충분히 큰 정도로 평면내 굴절률 차이 Δn_x, Δn_y를 증가시키는 (이와 동시에 적합한 평면외 굴절률 차이 Δn_z를 제공하는), 반사 편광기에 사용되는 중합체 재료들에 대한 새로운 선택 기준을 기술한다. 이 선택 기준은 뜻밖에도 낮은 층 총수(count)의 필름에도 또한 적합하다.

예시적인 실시예에서, 반사 편광기는 차단(x)축 및 통과(y)축과, 공기에 노출되고 따라서 브루스터 각도 반사 최소값을 나타내는 제1 및 제2 대향 주 표면들을 구비하며, 주 표면들은 z-축에 수직하게 배치된다. N개 미세층들의 스택이 주 표면들 사이에 배치되며, x-축, y-축 및 z-축을 따라 각각 Δn_x, Δn_y, 및 Δn_z의 굴절률 차이를 나타내는 인접 미세층들의 쌍으로 배열되는데, 여기서 Δn_x > Δn_y > 0 > Δn_z이다.

예시적인 실시예에서, 조합되는 개수 N 및 굴절률 차이 Δn_x는 x-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 Rblocknormal의 높은 반사율을 편광기에 제공하기에 충분히 크며, Rblocknormal은 적어도 80%이다. 조합되는 개수 N 및 굴절률 차이 Δn_y는 y-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 Rpassnormal의 낮은 반사율을 편광기에 제공하기에 충분히 작으며, Rpassnormal은 25% 이하이다. 조합되는 개수 N 및 굴절률 차이 Δn_y는 반사 편광기가 제1 주 표면의 브루스터 각도에서 y-z 평면 내에 입사하는 p-편광된 광에 대해 Rpassnormal보다 큰 반사율을 나타내도록 하기에 충분히 크다. 바람직하게는, Δn_y는 Rpassnormal의 증분 부분 Rpassinc를 초래하고, Δn_y와 동일한 Δn_x의 대응하는 부분은 Rblocknormal의 증분 부분 Rblockinc를 초래하며, 개수 N은 Rblockinc가 Rpassinc와 동등하도록 하기에 충분히 작다. 예를 들어, Rblockinc는 Rpassinc의 적어도 절반이거나, 또는 Rpassinc와 적어도 동일하다.

예시적인 실시예들에서, 미세층들은 광학 두께를 각각 갖는 광학적 반복 단위들로 배열되고, 광학적 반복 단위는 실질적으로 단조적으로 또는 매끄럽게 증가하는 광학 두께 프로파일을 제공하도록 배열된다. N개 미세층들 중 적어도 일부는 폴리에틸렌 나프탈레이트 또는 그 공중합체를 포함하고, N은 350 이하, 또는 300 이하, 또는 250 내지 350의 범위, 또는 275 내지 375의 범위이다. 대안적으로, N개 미세층들 중 적어도 일부는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 그 공중합체를 포함하고, N은 800 이하, 또는 650 이하, 또는 300 내지 650의 범위, 또는 500 내지 650의 범위이다. 반사 편광기는 x-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 높은 반사율 Rblocknormal을 갖고 y-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 낮은 반사율 Rpassnormal을 가지며, Rblocknormal은 적어도 80%이다. Rpassnormal은 바람직하게는 30% 또는 25% 미만이지만, 바람직하게는 주 표면들의 조합된 수직 입사 반사율보다 적어도 2% 더 크다. 반사 편광기는 바람직하게는 제1 주 표면의 브루스터 각도에서 y-z 평면 내에 입사하는 p-편광된 광에 대해 Rpassnormal보다 큰 반사율을 나타낸다.

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 동안 보정될 수 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

<도 1>
도 1은 다층 광학 필름의 층 쌍의 사시도.
<도 2>
도 2는 디스플레이 시스템의 개략 측면도.
<도 3>
도 3은 직교좌표계와 관련한 광학 필름의 사시도.
<도 4>
도 4는 다양한 반사 편광기들과 조합된 백라이트에 대한 측정 휘도 대 관측 극각(polar angle of observation)의 그래프로서, 이득의 각도 의존성을 알 수 있는 그래프.
<도 5>
도 5는 다층 광학 필름의 교호하는 층들에 대한 굴절률의 상이한 조합들의 그래픽 도면.
<도 6>
도 6은 다양한 다층 필름 설계들에 대한 입사각의 함수로서의 모델링된 p-편광 반사율의 그래프.
<도 7>
도 7은 다양한 다층 필름 설계들에 대한 정규화된 평면내 굴절률 차이의 함수로서의 모델링된 축상 반사율의 그래프.
<도 8>
도 8은 도 7의 결과를 요약한 그래프.
<도 9a>
도 9a는 다양한 다층 필름 설계의 y-굴절률 부정합의 함수로서의 모델링된 축상 이득의 그래프.
<도 9b>
도 9b는 다양한 다층 필름 설계의 y-굴절률 부정합의 함수로서의 모델링된 반구(hemispheric) 이득의 그래프.
이들 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.

구매가능한 반사 편광기에서 관찰된 축외 이득 거동을 더욱 명확하게 기술하기 위해, 본 발명자들은 전체적인 x-y-z 직교 좌표계에 관한 광학 필름(40)의 사시도를 도 3에 제공한다. 필름(40)은 다층 반사 편광기일 수 있으며, 이 경우에, x-축, y-축 및 z-축은 위에서 논의된 국소 x-축, y-축 및 z-축과 동일할 수 있다. 대안적으로, 필름(40)은 다른 광학 필름 또는 표면, 예를 들어 디스플레이 시스템의 전방 표면일 수 있다. 도시된 바와 같이, 필름(40)은 x-y 평면에 평행하게 평탄하게 놓인다.

종래의 편광 필름을 참조하면, 광이 2개의 직교 평면에서 편광된 것으로 생각될 수 있으며, 여기서 광의 전파 방향과 교차하는 광의 전기 벡터가 특정의 편광 평면 내에 있다. 이어서, 주어진 광선의 편광 상태는 2개의 직교하는 편광 상태, 즉 p-편광된 광 및 s-편광된 광으로 분해될 수 있다. p-편광된 광은 입사 평면에서 편광된 광이며, 입사 평면은 국소 표면 법선 벡터 및 광선 전파 방향 또는 벡터 둘 모두를 포함하는 평면이다. 도 3은 표면 법선(z-축)에 대해 경사각 θ로 광학 필름(40)에 입사하거나 그로부터 출사함으로써 "입사 평면(44)"을 형성하는 광선(42)을 도시한다. (대체 용어가 없기 때문에, "입사 평면"은 광이 필름에 입사하는 경우 및 광이 필름에 입사하는 것이 아니라 대신에 필름으로부터 출사하는 경우 둘 모두에서, 표면 법선 방향 및 광 전파 방향을 포함하는 평면을 지칭하도록 본 명세서에 사용될 것이다. 마찬가지로, "입사각"은 필름에 입사하는 광 및 필름으로부터 출사하는 광 둘 모두에 대해, 표면 법선 방향과 광 전파 방향 사이의 각도를 지칭하도록 사용될 수 있다.) 필름(40)이 편광기라면, 이는 y-축에 평행한 통과축(46) 및 x-축에 평행한 차단축(48)을 포함한다. 광선(42)의 입사 평면(44)은 차단축(48)에 평행하다. 광선(42)은 입사 평면(44) 내에 있는 p-편광된 성분 및 입사 평면(44)에 직교하는 s-편광된 성분을 갖는다. 광선(42)의 p-편광된 성분은 통과축(46)에 수직하고 차단축(48)과 부분적으로 정렬되는 반면에, 광선(42)의 s-편광된 성분은 통과축(46)에 평행하다. 도 3은 또한 동일한 경사각 θ이긴 하지만 통과축(46)에 평행한 입사 평면(52)에서 광학 필름(40)에 입사하거나 또는 그로부터 출사하는 다른 광선(50)을 도시한다. 이 경우에, 광선(50)의 p-편광된 성분은 차단축(48)에 수직하고 통과축(46)과 부분적으로 정렬되는 반면에, 광선(50)의 s-편광된 성분은 차단축(48)에 평행하다.

이로부터, 입사 방향에 따라, p-편광된 광이 일부 경우들에서는 통과축에 수직할 수 있고 그 밖의 경우들에서는 차단축에 수직할 수 있으며, s-편광된 광이 일부 경우들에서는 통과축에 평행할 수 있고 그 밖의 경우들에서는 차단축에 평행할 수 있음을 알 수 있다. (어떠한 임의의 입사 평면도 성분 입사 평면(44, 52)들로 분해될 수 있다.) 따라서, 이방성 시스템에 대한 s-편광된 광 또는 p-편광된 광의 거동의 완전한 논의는 광의 입사각(또는 예를 들어, 출사각 또는 관찰각)뿐만 아니라, 광의 입사 평면(또는 예를 들어, 출사 평면 또는 관찰 평면)을 또한 포함하여야 한다.

p-편광된 광에 대한 2개의 공지된 다층 반사 편광기 제품의 이득이 측정되었고, 다른 특성들이 관찰되었다.

본 명세서에서 RP1로 지칭되는 제1 제품은 중합체들 중 하나를 위해 폴리에틸렌 나프탈레이트("PEN")를 이용하고, 다른 중합체를 위해 나프탈렌 다이카르복실산을 기재로 하는 공중합체 또는 블렌드("coPEN"), 특히 결정화를 피하기 위해 헥산 다이올을 포함하는 55/45 공중합체 블렌드를 이용한다. 이들 중합체가 총 275개의 층들을 갖는 교호하는 층 배열로 공압출되고, 이 압출물은 압출물을 분할하여 3개의 압출물 구성요소들을 서로의 상부에 적층시키는 1x3 다층화기(layer multiplier)를 통해 보내지며, 이 결과물은 추가로 처리 및 연신되어, 광학적으로 두꺼운 보호 경계층(protective boundary layer, PBL)을 사이에 구비하고 광학적으로 두꺼운 스킨층을 외부 주 표면에서 구비하는 3개의 별개의 미세층 패킷(각각 275개의 층)으로 분리된 총 825개의 미세층들을 구비한 최종 반사 편광 필름을 생성한다. 최종 필름에서, PEN으로 구성된 미세층은 복굴절성인 반면에, coPEN으로 구성된 미세층은 실질적으로 등방성이다.

본 명세서에서 RP2로 지칭되는 제2 제품은 중합체들 중 하나를 위해 나프탈렌 다이카르복실산을 기재로 하는 90/10 공중합체 블렌드("coPEN")를 이용하고, 다른 중합체를 위해 코폴리에스테르(SA115, 이스트만 케미칼 컴퍼니(Eastman Chemical Co.)로부터 입수가능함)를 사용한다. 이들 중합체가 총 275개의 층들을 구비한 교호하는 층 배열로 공압출되고, 이 압출물은 포물선형 텐터(parabolic tenter)를 이용해 추가로 처리 및 연신되어, 광학적으로 두꺼운 스킨층을 외부 주 표면에서 구비하는 단일 미세층 패킷으로 배열된 총 275개의 미세층들을 구비한 최종 반사 편광 필름을 생성한다. 최종 필름에서, coPEN으로 구성된 미세층은 복굴절성인 반면에, 코폴리에스테르로 구성된 미세층은 실질적으로 등방성이다.

이들 제품의 광학 특성은 대략적으로 다음과 같다:

이 표에서, n1x, n1y, n1z, n2x, n2y, n2z, Δn_x, Δn_y, 및 Δn_z는 전술된 바와 같다. 값 "N"은 편광기 내의 미세층의 총 개수이다. Rpassnormal은 편광기에 수직으로 입사하고 통과(y)축을 따라 편광되는 광에 대한, 가시 파장, 예를 들어 400 내지 700 ㎚에 걸친 필름의 평균 반사율(전방 및 후방 공기/중합체 계면들으로부터의 반사율과 미세층들로부터의 반사율 둘 모두를 포함함)이다. RpassnormalFresnel은 공기에 노출된 전방 및 후방 주 표면들의 프레넬 반사율에 기인하는 Rpassnormal의 부분이다. Rblocknormal은 편광기에 수직으로 입사하고 차단(x)축을 따라 편광되는 광에 대한, 가시 파장, 예를 들어 400 내지 700 ㎚에 걸친 평균 반사율이다.

RP2가 보다 높은 복굴절성 굴절률 n1x 및 보다 낮은 등방성 굴절률 n2x의 조합을 통해 RP1보다 큰 차단축 굴절률 차이 Δn_x를 달성하는 것에 주목한다. 보다 높은 Δn_x는 다른 인자가 동일한 상태에서, 동일한 차단축 반사율에 대해 더 적은 층들이 사용되게 하는데, 그 이유는 수직 입사 반사력이 각각의 평면내 굴절률 차이에 따라 2차식으로 증가하기 때문이다. 또한, RP1 및 RP2 둘 모두가 매우 낮은 통과축 굴절률 차이 Δn_y 및 낮은 수직 입사 통과축 반사율을 갖는 것에 주목한다. 그러나, Rpassnormal - RpassnormalFresnel과 동일한, 미세층에 기인하는 수직 입사 통과축 반사율의 성분은 여전히 더 낮거나, 또는 RP1에 대해 약 1% 및 RP2에 대해 0%이다.

본 발명자들은 이들 반사 편광 제품의 이득 특성을 조사하였다. 구체적으로, 본 발명자들은 y-z 평면에서, 즉 통과축 및 표면 법선을 포함하는 평면(도 3의 평면(52) 참조)에서 p-편광된 광에 대한 각도의 함수로서 이득을 조사하였다. 필름이 확산 투과성 중공 라이트 박스(백라이트)의 상부에 배치되었다. 라이트 박스의 확산 투과 및 반사는 램버시안(Lambertian)으로서 설명될 수 있다. 중공 라이트 박스는 약 83%의 확산 반사율을 가졌다. 박스는 안정화된 광대역 광원을 사용하여 내부로부터 조명되었다. 표준 선형 흡수 편광기(즉, 분석기)가 샘플 박스와 카메라 검출기 사이에 배치되었다. 카메라 검출기 시스템은 아우트로닉-멜케르스 게엠베하(Autronic-Melchers GmbH)(독일 카를스루에에 소재)에 의해 제조된 코노스코프(conoscope)였다. 초기에, 백라이트 출력이 안정되게 한 후에, 백라이트의 휘도가 단독으로 수평면에서 소정 범위의 관찰각에 걸쳐 측정되었다. 이는 도 3의 평면(52)과 같이, 표면 법선 및 출력 편광기의 p-편광된 통과축 광을 포함하는 평면이다. 그 결과가 도 4에 휘도 곡선(60)으로서 플로팅(plotting)되어 있는데, 여기서 그래프의 수평축은 도 단위의, 표면 법선으로부터의 극각(도 3의 θ)이고, 수직축은 니트(nt) 단위의 측정된 휘도이다. 알 수 있는 바와 같이, 휘도는 표면 법선에 대해 비교적 대칭이었고, θ가 약 ±50도에 도달할 때까지 각도에 따라 비교적 일정하였으며, 이를 넘어서는 휘도의 저하가 관측되었다.

이어서, RP1의 평탄 시트가 RP1의 통과축이 분석기의 통과축과 정렬되는 상태로 백라이트와 분석기 사이에 배치되었고, 측정이 반복되었다. 그 결과가 휘도 곡선(62)으로서 플로팅되어 있다. 명확히, RP1 편광기는 광범위의 관찰각에 걸쳐 시스템의 휘도를 크게 증가시켜서 상당한 이득을 제공한다. 주목할 2차적인 특징은, 휘도가 약 ±50도까지의 각도 증가에 따라 점진적으로 상승한 다음에 더욱 큰 경사각에 대해 휘도가 저하되는 것이다. 필름이 없는 시스템의 휘도(곡선(60))에 대한 필름을 구비한 시스템의 휘도(곡선(62))의 비에 의해 이득이 주어짐을 상기해 볼 때, 독자는 이 특징이 약 ±50도의 극각에서의 이득 피크에 해당함을 쉽게 인식할 것이다.

이어서, RP1의 시트가 제거되었고 RP1과 동일한 방식으로 배향된 RP2의 평탄 시트로 교체되었으며, 측정이 반복되었다. 그 결과가 휘도 곡선(64)으로서 플로팅되어 있다. 역시, 전체 휘도가 백라이트 단독의 경우에 비해 증가하는 것에 주목한다. 또한, 휘도가 약 ±50 내지 60도까지의 각도 증가에 따라 점진적으로 상승하고 보다 큰 경사각에 대해 휘도가 저하되는 것에 주목한다. RP1과 유사하게, 편광기 RP2는 곡선(64)을 곡선(60)과 비교함으로써 약 ±50 내지 60도의 극각에서 이득 피크를 나타내는 것으로 또한 알 수 있다.

RP1 및 RP2 편광기의 축외 이득 피크는 편광기의 전방 및 후방 주 표면의 외부 공기/중합체 계면들에서의 브루스터 각도 효과에 기인한다. 외부 표면 상에 반사 방지 코팅이 없는 경우, 2개의 공기/중합체 계면들 각각은 대략 하기의 수직 입사(θ = 0) 반사율에 기여하며,

,

여기서 n_p는 최외부 중합체 층(보통 미세층에 사용되는 재료들 중 하나)의 굴절률이고, 공기의 굴절률은 1이다. 비-수직 입사의 경우, p-편광된 광에 대한 반사율은 작은 각도 θ에서 R₀에 근접하지만 그보다는 작으며, 브루스터 각도 θ_B에서 p-편광 반사율이 0일 때까지 각도 θ의 증가에 따라 지속적으로 감소한다. 입사각 θ가 θ_B를 넘어 계속해서 증가할 때, p-편광 반사율은 θ의 증가에 따라 급격히 증가한다.

따라서, RP1 및 RP2의 축외 이득 피크는 이들 편광기의 통과축이 외부 공기/중합체 계면의 브루스터 각도 효과로 인해 θ = 0으로부터 θ_B까지의 입사각 증가에 따라 p-편광된 광에서 더 투과성(덜 반사성)이 된다는 사실의 결과인 것으로 보여진다. 이는 2개의 외부 공기/중합체 계면들이 이들 입사각에서의 통과축 반사율에 대한 주 기여체이기 때문에 일어난다. 이들 각도에 걸친 통과축 반사율에 대한 다른 기여체는 다층 필름 내의 복수의 미세층이며, 반사율에 대한 이들의 기여는 Δn_y가 매우 작기 때문에 부차적이다. 물론, Δn_y는 매우 정당한 이유 - 통과축 반사율을 최소화시키고 이에 의해 통과축 처리량을 최대화시킴 - 때문에 작다.

축외 이득 피크들의 원인과 관계 없이, 이들은 최대 축상 이득을 필요로 하는 응용에 바람직하지 않을 수 있는데, 그 이유는 이들이 휘도 및 이득을 법선으로부터 벗어나게 편향시키기 때문이다.

본 발명자들은, 적절한 재료 선택, 처리, 및 필름 설계에 의해, 모두 간단한 단일-패킷 필름 구성으로, 축외 이득 피크를 실질적으로 없애고 축상 이득을 증가시키면서 또한 낮은 색상을 유지시킬 수 있음을 확인하였다. 예시적인 실시예들에서, 본 발명자들은 (1) 예를 들어 보다 낮은 굴절률의 등방성 재료를 선택하여, 통과축 굴절률 차이 Δn_y 및 차단축 굴절률 차이 Δn_x를 증가시키면서 음의 Δn_z를 유지함으로써, 그리고 (2) 바람직하게는 필름을 단일 패킷 구성의 비교적 적은 개수의 미세층들로 제한함으로써 이를 달성한다. 이들 설계 특징은 아래에서 추가로 논의된다. 도 4의 곡선(66)은 아래에서 더욱 상세히 논의되는, 이들 특징을 실시하는 반사 편광 필름에 대한 측정된 휘도이다.

본 발명자들은, 입사각 증가에 따른 (p-편광된 광에 대한) 미세층의 반사율 증가가 입사각 증가에 따른 (p-편광된 광에 대한) 공기/중합체 계면의 반사율 감소를 보상하도록 하기에 충분히, (p-편광된 광에 대한) 편광기의 전체 반사율이 입사각 증가에 따라 단조 증가하도록 하기에 충분히, 또는 미세층의 (p-편광된 광에 대한) 반사율이 공기/중합체 계면들 중 하나 또는 둘 모두의 브루스터 각도 θ_B에서 입사하는 광에 대해 적어도 Rpassnormal이도록 하기에 충분히, 또는 미세층의 (p-편광된 광에 대한) 반사율이 주 표면의 조합된 프레넬 반사율이 감소하는 것보다 더 빨리 증가하도록 하기에 충분히, 미세층에 기인하는 통과축 반사율을 증가시키려고 한다. 일부 경우들에서, 이들 조건은 Rpassnormal이 주 표면들의 조합된 수직 입사 반사율보다 적어도 2% 더 큰 것, 또는 미세층에 기인하는 Rpassnormal의 부분이 적어도 2%인 것을 규정하는 경험칙(rule-of-thumb)으로 대체될 수 있다. 미세층의 p-편광 통과축 반사율이 입사각 증가에 따라 증가하기 위해, 평면외 굴절률 차이 Δn_z는 음이어야 하고, 평면내 굴절률 차이 Δn_y는 양이어야 하지만 차단축 굴절률 차이 Δn_x보다 작아야 한다. 이들 관계는 하기에 의해 요약될 수 있다:

Δn_x > Δn_y > 0 > Δn_z

본 발명자들은 통과축 반사율을 증가시키지만, 본 발명자들은 바람직하게는 이를 무분별하게 증가시키지는 않는다. 본 발명자들은 합리적으로 높은 통과축 처리량을 유지하기에 충분히 낮게 통과축 반사율을 유지하기를 원한다. 일부 경우들에서, 위에서 논의된 바와 같이, 본 발명자들은 통과축 반사율을 미세층의 p-편광 반사율 증가가 공기/중합체 표면의 p-편광 반사율 감소를 보상하도록 하는 데 필요한 정도로만 증가시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 본 발명자들은 Rpassnormal이 30%, 또는 25%, 또는 20%, 또는 15% 이하라는 경험칙을 확립할 수 있다. 따라서, 외부 표면의 브루스터 각도 효과를 보상하기에 충분히 반사율을 증가시키는 것과 합리적으로 높은 통과축 처리량 및 높은 축상 이득을 유지하기에 충분히 낮게 반사율을 유지하는 것 사이에 균형이 확립될 수 있다.

도 5는 평면내 굴절률 차이 Δn_x, Δn_y를 증가시키기 위한 한가지 접근법을 보여주기 위해 제공된다. 도면에서, 굴절률 n_x, n_y, n_z들에 대해 축들이 도시되어 있다. 이 축들은 명료함을 위해 수직으로 분리되어 있지만 그 밖에는 동일한 스케일을 가지며, 또한 일반적 기준을 위해 1.0 (공기)에서 시작하는 굴절률 스케일이 제공된다. 점(70, 72, 74)은 제1 중합체 재료로 구성된 미세층의 굴절률, 즉 n1x, n1y, n1z를 각각 나타낸다. 제1 중합체 재료는 명백히 복굴절성이다. n2로 라벨표기된 점선 수직선은 제2 중합체 재료로 구성된 미세층의 굴절률을 나타낸다. 그 선과 n_x, n_y, 및 n_z 축의 교차는 모두 서로 동일한 n2x, n2y, n2z를 각각 나타내는 교점(라벨표기되지 않음)을 생성한다. 제2 중합체 재료는 등방성이다. 점(70, 72, 74)과 선 n2의 조합은 교호하는 복굴절성 및 등방성 미세층들을 포함하는 다층 반사 필름을 나타낸다. 등방성 재료의 굴절률이 복굴절성 재료의 y-굴절률과 정합되도록, 그리고 Δn_x > Δn_y = 0 > Δn_z이도록, 제1 및 제2 중합체 재료들이 선택되었고 필름이 처리되었다.

이 조합은 통과축을 따라 편광된 광에 대해 수직 입사시 미세층들에 의해 제공되는 반사율이 없는 반사 편광기를 나타낸다. 그러한 필름은 미세층에 의해 제공되는 통과축 반사율이 공기에 노출된 편광기의 전방 및 후방 주 표면의 브루스터 각도 효과를 상쇄시키지 않을 가능성이 있을 것이므로 축외 이득 피크를 나타낼 가능성이 있을 것이다.

본 발명자들은 원래의 등방성 재료를 다른 등방성 재료로 대체함으로써 통과축 반사율을 증가시킬 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 본 발명자들은 새로운 등방성 재료가 원래 것보다 더 낮은 굴절률을 갖게 해야 하고, 바람직하게는 또한 새로운 등방성 재료의 굴절률 n2'가 음의 Δn_z를 유지하도록 n1z (점(74))보다 커서, 새로운 굴절률 차이 Δn_x' = n1x - n2', Δn_y' = n1y - n2', 및 Δn_z' = n1z - n2'가 하기 관계:

Δn_x' > Δ n_y' > 0 > Δ n_z',

를 충족시키게 해야 하는데, 여기서 파라미터 상의 프라임 부호는 새로운 등방성 재료를 나타낸다. 새로운 등방성 재료는 바람직하게는 배향 후 복굴절성이 될 중합체 재료와 공압출되게 할 수 있는 재료 특성을 물론 갖는다.

y-방향으로의 굴절률 차이를 증가시키기 위한 이 기술이 또한 다른 방향으로의 굴절률 차이를 동일한 양만큼 증가시키는 효과를 갖는 것에 주목한다. 따라서, 원래의 y-굴절률 차이 Δn_y (0이며 따라서 도 5에 도시되지 않음)가 Δn_y'만큼 증가되어 이제 Δn_y'와 동일한 새로운 y-굴절률 차이를 생성할 뿐만 아니라; 원래의 x-굴절률 차이 Δn_x가 동일한 양 Δn_y'만큼 증가되어 Δn_x'를 생성하고, 원래의 z-굴절률 차이 Δn_z가 동일한 양 Δn_y'만큼 증가되어 보다 작은 음의 값 Δn_z'를 생성한다. 새로운 구성에서의 최종 y-굴절률 차이 Δn_y'는 모든 3개의 축을 따른 동일한 굴절률 조절과 이러한 방식으로 관련될 수 있다. y-굴절률 차이와 동일한 양만큼 x-굴절률 차이를 증가시키는 추가 이점은 차단축에 대한 미세층의 굴절력을 증가시키는 것이며, 이는 주어진 차단축 목표 반사율을 위해 미세층 스택 내에 요구되는 층의 개수를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 따라서, 통과축 반사율을 증가시킴으로써 축외 이득 피크를 없애는 본 발명자들의 접근법은 또한 보다 낮은 전체 층 총수 및 보다 간단한 설계를 갖는 필름을 달성하는 데 도움을 줄 수 있다.

대안적인 등방성 재료가 선택되는 복굴절성/등방성 재료 조합에 대해 도 5가 설명되지만, 이는 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 평면내 굴절률은, 동일한 등방성 재료를 유지하지만 상이한 복굴절성 재료를 대용함으로써, 또는 동일한 복굴절성 재료를 유지하지만 처리 조건(연신량, 연신 프로파일, 온도, 체류 시간 등)을 변화시킴으로써 증가될 수 있다. 더욱더 추가로, 제1 및 제2 중합체 재료에 2가지 상이한 복굴절성 재료를 사용하는 구성이 또한 가능하다.

이제 도 6을 보면, y-축을 따라 미세층의 반사율을 증가시킴으로써 통과축 반사율을 증가시키는 기술을 보여주는 모델링된 반사 곡선을 여기에서 보게 된다. 각각의 곡선은 공기 중 입사각(도 3의 θ 참조)의 함수로서, y-z 평면(도 3의 평면(52) 참조) 내에 입사하는 p-편광된 광에 대해 특정 다층 반사 편광기 구성에 대한 계산된 반사율이다. 각각의 모델링된 편광기 구성은 단일 스택으로 배열되고 첫번째 및 마지막 미세층의 외부 표면에서 공기에 노출된 총 N개의 미세층들을 가정하였다. N개의 미세층들은 제1 및 제2 중합체의 교호하는 배열로 배치되었으며, 이때 제1 및 제2 중합체의 인접 쌍은 50%의 f-비를 갖는 광학적 반복 단위를 형성하였다. 광학적 반복 단위는 첫번째 층 쌍에 대한 200 ㎚(400 ㎚에서의 수직 입사 반사 피크에 대응함)로부터 마지막 층 쌍에 대한 462 ㎚(925 ㎚에서의 수직 입사 반사 피크에 대응함)까지의 범위인 선형 광학 두께 프로파일을 가정하였다. 본 명세서에서 RP6.1, RP6.2, RP6.3, 및 RP6.4로 지칭되는 모델링된 반사 편광기 구성은 하기의 추가적인 특성을 가졌다:

x-방향으로의 굴절률은 모델링에 영향을 미치지 않아 열거되지 않는다. 사용된 복굴절성 굴절률 n1y, n1z는 약 145℃에서 약 5 m/분의 변형율로 약 5:1의 연신비로 배향된 90/10 coPEN을 나타낸다. 사용된 등방성 굴절률 n2는 (RP6.1에 대해) coPEN 55/45, (RP6.2에 대해) 46% 90/10 coPEN 및 54% PETG의 블렌드, 및 (RP6.3 및 6.4에 대해) PETG를 나타낸다.

편광기 구성 RP6.1-RP6.4에 대한 광학 모델링 소프트웨어의 적용은 도 6에 도시된 각각의 p-편광 반사율 곡선(80, 82, 84, 86)을 생성하였다. 곡선의 검토는 축외 이득 피크를 생성하는, 40 내지 50도의 입사각에서 곡선(80)에서의 유의한 브루스터 각도 최소값을 보여준다. 곡선(82, 86)들은 매우 미미하지만 거의 존재하지 않는 브루스터 각도 최소값을 나타낸다. 곡선(84)은 브루스터 각도 최소값을 나타내지 않는다. 적어도 그 구성에서, 입사각에 따른 미세층의 증가하는 반사율은 두 공기/중합체 표면 반사의 감소하는 반사율을 극복하여, 입사각 증가에 따라 단조 증가하는 순 편광기 반사율을 생성한다. 따라서, 그러한 필름은 축외 이득 피크를 나타내지 않을 것이다. 곡선(84, 86)들의 비교는 미세층들의 층 개수 N을 변경시키는 효과를 보여준다.

RP6.3 구성에 대해 전술된 특성을 실질적으로 갖는 필름을 제조함으로써 곡선(84)의 모델링 결과가 확인되었다. 다층화기가 사용되지 않은 것을 제외하고는, 미국 특허 제6,783,349호(네빈 등)에 기술된 것과 유사한 필름-제조 장비 및 275개 층 피드블록(feedblock)을 사용하여, 90/10 coPEN(최종 필름 내의 복굴절성 재료) 및 PETG(최종 필름 내의 등방성 재료)가 공압출되었다. 피드블록 내에 배치된 축방향 로드 히터(rod heater)를 사용하여 목표 단조 광학 두께 프로파일과 실질적으로 정합하도록 275개 층의 층 두께 프로파일이 제어되었으며, 로드 히터의 온도 프로파일은 목표 층 두께 프로파일을 거의 편차 없이 유지하도록 공압출 동안에 그의 길이를 따라 동적으로 조절되었다. 본 명세서에서 RP6.3A로 지칭되는 최종 편광 필름은 PETG로 구성되는 광학적으로 두꺼운 스킨층을 미세층 패킷의 전방 및 후방 둘 모두에서 포함하였고, 스킨층들은 공기에 노출되는 필름의 최외부 층들을 형성하였다.

필름 RP1 및 RP2와 동일한 방식으로, 도 4와 관련하여 언급되는 백라이트 위에 RP6.3A 필름의 시트가 배치되었고, 얻어진 휘도가 동일한 방식으로 측정되었다. 측정된 휘도가 도 4의 곡선(66)으로 도시되어 있다. 곡선(62, 64)과 달리, 곡선(66)은 축외 이득 피크를 갖지 않고, 실질적으로 수직 입사시 최대 이득을 갖는다. 또한, 증가된 수직 입사 통과축 반사율에도 불구하고, 수직 입사 이득은 상업용 제품 RP1 및 RP2에 대해서보다 RP6.3A에 대해 더 크다. RP6.3A 필름은 또한 축상 및 축외 색상에 대해 검사되었으며, 이는 제조 동안의 주의 깊은 층 두께 제어로 인해 허용 한계 내에 있는 것으로 밝혀졌다.

전술된 바와 같이, 편광기 필름 RP6.3A가 다층화기의 사용없이 제조되었다. 다층화기가 많은 광학 층들의 생성을 단순화하지만, 다층화기는 각각의 결과적인 층 패킷에 작은 왜곡을 부여할 수 있는데, 이 왜곡은 각각의 패킷에 대해 동일하지 않다. 이러한 이유로, 피드블록에서 생성된 층들의 층 두께 프로파일의 어떠한 조절도 각각의 패킷에 대해 동일하지 않은데, 즉 다층화기에 의해 생성된 모든 패킷이 스펙트럼 균열이 없는 균일하고 매끄러운 스펙트럼을 생성하기 위해 동시에 최적화될 수 없다. 따라서, 최적의 프로파일 및 낮은 투과율 컬러 편광기가 다층화기를 사용하여 제조된 다중 패킷 필름을 사용하여 제조하기 어려울 수 있다. 피드블록에서 직접 생성된 단일 패킷 내의 층들의 개수가 충분한 반사율을 제공하지 않는 경우, 반사율을 증가시키기 위해 2개 이상의 그러한 필름(어떠한 다층화기도 없이 제조됨)이 부착될 수 있다. 그러나, 광학적으로 두꺼운 접착제 또는 다른 재료로 2개의 다층 패킷들(패킷들 내의 미세층들의 총 개수는 N개임)을 함께 부착시킴으로써 얻어지는 반사율은 아래의 도 7에서 보여지는 바와 같이, N개 미세층들의 단일 패킷에 의해 얻어지는 반사율보다 덜 바람직한 것에 주목한다. 전자의 설계에서 두 패킷의 물리적 분리는 각각의 패킷이 개별적으로 밀착성일지라도, 패킷들의 개별 반사율들의 비-밀착성(incoherent) 총합을 초래한다. 단일 패킷 설계는 두 패킷 설계에 비해서, 주어진 통과축 반사율에 대해 보다 높은 차단축 반사율을 제공할 수 있거나, 또는 주어진 차단축 반사율에 대해 보다 낮은 통과축 반사율을 제공할 수 있다. 축방향 로드 히터 제어를 비롯한 필름 제조 기술의 관련 논의는 2007년 5월 20일자로 출원되고 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 제60/939,079호(대리인 관리번호 제63274US002호)에서 찾아볼 수 있다.

Δn_y를 증가시킴으로써 통과축 반사율을 증가시키는 것은 통과축의 처리량을 최대화시키는 통상의 편광기 설계 규칙에 반한다. 이는 또한 축상 및 축외 색상에 대한 도전을 나타낸다. 이전에 언급된 바와 같이, 중간 반사율에서는, 이상적 또는 목표 두께 프로파일에 대한 스택의 층 두께 프로파일의 심지어 매우 작은 변동도, 투과되거나 반사된 광에서 사람의 눈에 의해 색상으로서 용이하게 인지될 수 있는, 목표 평탄 반사 스펙트럼으로부터의 스펙트럼 편차를 쉽게 생성할 수 있다. 층 두께 제어의 증가된 중요성은 위에 주어진 이유로 인해, 다층화기의 사용을 피하는 제조 방법에 적합한 바람직한 필름 설계에 이르게 한다. 다층화기가 없으면, 최종 제품 내의 미세층들의 개수는 피드블록으로부터 공압출된 층들의 개수와 실질적으로 동일하다. 피드블록 설계에 실제적인 제한이 주어진다면, 이는 이어서 비교적 적은 총 개수(N)의 미세층들로 기능할 수 있는 필름 구성을 찾게 한다. 이는 또한 소정 응용에서 유익할 수 있는, 물리적으로 얇은 필름의 이점을 갖는다.

따라서, 본 발명자들은 이제 반사 편광기 설계에 사용되는 미세층들의 개수(N)와, 필름 내에서의 이들 미세층의 분포(예를 들어, 단일 밀착 패킷 대 광학적으로 두꺼운 보호 경계층에 의해 분리된 다중 패킷)에 주의를 돌린다. 본 발명자들은 이미 도 6에서 곡선(84, 86)들의 비교에 의해, 축외 이득 피크가 관찰되는지의 여부에 있어서 y-굴절률 차이와 함께 N이 중요 인자일 수 있음을 알았다.

도 7은 다양한 모델링된 다층 필름 설계에 대한 수직 입사시의 계산된 반사율을 교호하는 미세층들 사이의 굴절률 차이의 함수로서 플로팅한다. 모델은 2차원 필름 특성에 관계되지 않으며, 따라서 모델에 사용되는 굴절률 n1, n2는 x-축 굴절률이건 y-축 굴절률이건 간에, 교호하는 층들의 임의의 평면내 굴절률을 나타낼 수 있다. z-축 굴절률은 수직 입사 거동에 어떠한 영향도 미치지 않기 때문에 중요하지 않다. 축상 반사율이 수직축에 플로팅되고, 정규화된 굴절률 차이 (n1 - n2)/(n1 + n2)가 수평축에 플로팅된다.

몇 가지 스택 설계가 모델링되었다. 모든 설계들은 400 ㎚로부터 925 ㎚까지 연장되는 파장 대역에서 반사하도록 구속되었다. 제1 스택 설계("SD1")는 광학적으로 두꺼운 굴절률 정합 매질에 의해 분리된 275개 미세층들의 2개의 동일한 패킷으로 배열되는 총 550개의 층(N = 550)들을 사용하였다. 제2 스택 설계("SD2")는 단일 밀착 다층 스택으로 배열되는 총 375개의 층(N = 375)들을 사용하였다. 제3 스택 설계("SD3")는 단일 밀착 다층 스택으로 배열되는 총 275개의 층(N = 275)들을 사용하였다. 제4 스택 설계("SD4")는 단일 밀착 다층 스택으로 배열되는 총 175개의 층(N = 175)들을 사용하였다. 제5 스택 설계("SD5")는 광학적으로 두꺼운 굴절률 정합 매질에 의해 분리되는 각각 138개 미세층들의 2개의 패킷(N = 276)을 사용하였다. (실질적으로 동일한 개수의 미세층들을 단일 밀착 패킷으로 배열하는 구성 대 개별적으로는 밀착성이지만 상호적으로는 비-밀착성인 2개의 패킷으로 배열하는 구성의 효과를 확인하기 위해 SD5 설계에 대한 결과가 SD3 설계에 대한 결과와 비교될 수 있다.) 각각의 설계는 공기에 노출된 전체 구성의 전방 표면 및 후방 표면을 통합하여, 프레넬 반사율을 생성하였다. 각각의 설계는 또한 400 내지 925 ㎚의 수직 입사 반사 대역을 생성하도록 맞추어진 단조 층 두께 구배를 가정한다. 분산 및 흡수는 무시되었으며, 계산된 반사율들은 400 내지 700 ㎚에서의 평균을 나타내고, 이들은 또한 400 내지 925 ㎚에서의 평균을 나타낸다.

이어서, 이들 스택 설계의 굴절률이 변하게 하였다. 초기에, n1 및 n2 둘 모두가 1.610과 동일하게 설정되었다. 이어서, 값 n1이 1.82 이상까지 증가되었고, 각각의 층 설계/굴절률 조합에 대해 반사율이 계산되었다. 곡선(90, 92, 94, 96, 98)들은 필름 설계(SD1, SD2, SD3, SD4, SD5)들 각각에 대한 계산된 반사율이다. 작은 굴절률 차이는, 통과축 거동을 나타내고 도면에 "통과" 영역으로 라벨표기되는 정규화된 굴절률 차이의 작은 값을 생성한다. 보다 큰 굴절률 차이는, 차단축 거동을 나타내고 "차단" 영역으로 라벨표기되는 정규화된 굴절률 차이의 보다 큰 값을 생성한다. 다수의 특정 재료 조합들이 또한 개별 점으로서 그래프 상에 나타나 있다. 하기의 표는 고굴절률 복굴절성 90/10 coPEN 재료(n1x = 1.82, n1y = 1.61, n1z = 1.505를 가짐)와 조합될 때 굴절률 n2를 갖는 다양한 저굴절률 등방성 재료들에 대한 굴절률 차이 및 정규화된 굴절률 값(통과축 및 차단축)을 보여준다:

이들 각각의 정규화된 굴절률 차이는, 이들 재료 조합을 나타내는 각각의 곡선 상의 개별 점의 식별을 가능하게 하기 위해, 도 7에 라벨표기되어 있다. 예를 들어, 곡선(90-96)들의 각각은 재료 조합 90/10 coPEN 및 coPET-f에 대해 통과축을 따른 굴절률 차이에 대응하는, 0.022의 정규화된 굴절률 차이 값((n1-n2)/(n1+n2))에서 개별 데이터 점(datapoint)을 가지며, 곡선(90-98)들의 각각은 또한 동일한 90/10 coPEN - coPET-f 재료 조합에 대해 차단축을 따른 굴절률 차이에 대응하는, 0.083의 정규화된 굴절률 차이 값에서 개별 데이터 점을 갖는다.

따라서, 도 7은 통과(y)축 및 차단(x)축 둘 모두에 대해, 그리고 상이한 미세층 스택 설계들에 대해, 수직 입사 반사율이 평면내 굴절률 차이의 변화에 따라 어떻게 증가하는지를 도시한다. 반사율의 통과축 증가에 대한 최대 기울기는, 비-보강 간섭 배열로 라미네이팅되고 반사하는 275개 층들의 개별 밀착 패킷들을 구비한 2-패킷 시스템인 SD1에 대해 일어난다. 이 2-패킷 구성은 또한 SD2의 375개 층의 밀착 스택 설계와 유사하게, 주어진 평면내 굴절률 차이에 대해 차단축 반사율의 최소 증가를 갖는다. 반사율의 통과축 증가에 대한 최소 기울기는 SD4에 대해 일어나며, 이 스택 설계는 또한 차단축에 대한 경사의 최대 증가, 즉 주어진 평면내 굴절률 차이에 대한 최대 개선을 갖는다.

곡선(94, 96, 98)들의 비교는 이용가능한 미세층들을 다수의 패킷으로 분할하기보다는 단일 밀착 패킷으로 분포시키는 것의 바람직함에 관해 유익하다. 곡선(98)(2개의 패킷, 총 N = 276)에 대한 통과축 반사율은 곡선(94)(단일 패킷, N = 275)에 대한 것과 실질적으로 동일하지만, 곡선(98)에 대한 차단축 반사율은 곡선(94)보다 곡선(96)(단일 패킷, N = 175)에 대한 것에 더 가깝다. 따라서, 동일한 총 개수의 미세층이 주어진다면, 단일 패킷 설계는 두 패킷 설계에 비해서, 주어진 통과축 반사율에 대해 보다 높은 차단축 반사율을 제공할 수 있거나, 또는 주어진 차단축 반사율에 대해 보다 낮은 통과축 반사율을 제공할 수 있다.

저굴절률 등방성 재료로서 PETG의 선택은 통과축을 따라 완전한 굴절률 정합을 갖는 구성(저굴절률 등방성 재료로서 55/45 coPEN을 사용함)에 비해 0.046만큼 평면내 굴절률 차이(통과축 및 차단축 둘 모두)를 증가시키는 효과를 갖는다. 이들 증가된 평면내 굴절률 차이들은 스택 설계 SD3(275개 층, 단일 스택 - 곡선(94))에 대해 통과축 반사율의 10% 증가 및 차단축 반사율의 6.6% 증가를 생성하지만, 이들은 스택 설계 SD4(175개 층, 단일 스택 - 곡선(96))에 대해 통과축 반사율의 보다 작은 6.5% 증가 및 차단축 반사율의 보다 큰 11.7% 증가를 생성한다. 통과축 반사율의 보다 작은 증가는 보다 높은 통과축 처리량을 유지함에 있어 편광 필름에 유익하고, 차단축 반사율의 보다 큰 증가는 가용 편광의 손실/누출을 낮게 유지함에 있어 유익하다.

도 8은, 도 7의 교시를 유사하지만 단순화된 포맷으로 요약하며, 파라미터 Rpassnormal, Rblocknormal, Rpassinc, 및 Rblockinc를 그래픽으로 도시하는 그래프이다. 수직 입사 반사율이 평면내 굴절률 차이 n1-n2에 대해 플로팅되어 있으며, 여기서 굴절률 차이의 작은 값은 통과축을 나타내고, 보다 큰 값은 차단축을 나타낸다. 하부 곡선(100) 및 상부 곡선(102)인 두 곡선이 도시되어 있으며, 이들의 특징은 전반적인 경향을 보여주도록 의도된다. 하부 곡선(100)은 곡선(102)에 대한 대안적인 스택 설계보다 상대적으로 더 적은 미세층 N개를 구비한 미세층 스택 설계를 나타낼 수 있으며, 이 스택 설계들의 각각은 동일한 파장 대역에 걸쳐 반사하는 단일 패킷 설계이다. 대안적으로, 하부 곡선(100)은 곡선(102)의 것과 동일한 개수의 미세층 N개를 구비한 미세층 스택 설계를 나타낼 수 있지만, 곡선(100)에 대한 스택은 단일 밀착 패킷으로서 구성된 미세층을 구비하는 반면에, 곡선(102)에 대한 스택은 광학적으로 두꺼운 굴절률 정합 재료에 의해 분리된 2개의 패킷으로 분할된 미세층들을 구비한다(그리고 역시 이 스택 설계들의 각각은 이들이 동일한 파장 대역에 걸쳐 반사하게 하는 두께 구배를 갖는다).

본 발명자들은 Δn_y'의 통과축 굴절률 차이 및 Δn_x'의 차단축 굴절률 차이를 생성하는 중합체 재료 조합 및 처리 조건을 선택한다. 이들 값은 (반사 편광기의 전방 표면 및 후방 표면의 프레넬 반사율과 함께) Rpassnormal의 수직 입사시 통과축 반사율 및 Rblocknormal의 수직 입사시 차단축 반사율에 기여하는 데 도움을 준다. 도면에서, 혼동을 피하기 위해 Rpassnormal 및 Rblocknormal이 하부 곡선(100)에 대해서만 라벨표기되어 있지만, 대응하는 데이터 점들이 또한 상부 곡선(102)에 대해 도시되어 있다. 이들 반사율은, 상이한 저굴절률 등방성 재료가 사용되는 경우에 동일한 스택 설계에 대해 얻어지는 대응하는 반사율, 즉 통과축 굴절률 차이가 0으로 저하되게 하는 (그리고 차단축 굴절률 차이가 동일한 양만큼 저하되게 하는) 반사율과 비교될 수 있다. 따라서, Δn_y' 및 Δn_x' 둘 모두가 Δn_y' 양만큼 감소되어, 0의 새로운 Δn_y 및 도시된 바와 같은 보다 작은 Δn_x 를 생성한다. 통과축에 대한 생성된 새로운 반사율은 Rpassnormal보다 Rpassinc 양만큼 작으며, 차단축에 대한 생성된 새로운 반사율은 Rblocknormal보다 Rblockinc 양만큼 작다. 바람직한 스택 설계(곡선(100))의 경우, Rblockinc는 Rpassinc와 동등하다. 예를 들어, Rblockinc는 Rpassinc의 적어도 절반일 수 있거나, Rblockinc는 Rpassinc와 적어도 동일할 수 있다.

도 7 및 도 8은, 통과축 및 차단축 반사율 증가의 물리적 특성을 설명하는 데 도움을 주고, 밀착 다층 스택이 유리함을 보여주지만, 전형적인 고효율 상업용 백라이트에서 다양한 경우들에 대해 예상 이득을 계산하는 것이 또한 유용하다. 이러한 것이 수행되었고 그 결과가 도 9a 및 도 9b에 플로팅되었다. 모든 반사된 광이 편광 및 전파 각도 둘 모두에 있어서 백라이트에서 랜덤화되는 것으로 가정된 재순환 모델이 사용되었다. 이는 기존의 상업용 백라이트에 일반적으로 사용되는 공극형성된 폴리에스테르 반사기로 구성되는 백라이트에 대한 양호한 근사이다.

적절하게 배향된 때 n1x = 1.82, n1y = 1.61, 및 n1z = 1.505를 갖는, 전술된 동일한 고굴절률 복굴절성 90/10 coPEN 재료를 각각 사용하는 많은 필름 스택들이 모델링되었다. 비교 목적을 위한 기준 설계는 y-굴절률 부정합 Δn_y를 0으로 유도하기 위해 1.61인 굴절률의 저굴절률 등방성 중합체 재료를 사용하였다. 모델에서, 본 발명자들은 이 실시예를 포함하지만, 이때 본 발명자들은 또한 등방성 굴절률이 1.61 내지1.51의 범위인 소정 범위의 대안적인 실시예들을 모델링하며, 본 발명자들은 LCD 패널에 전달되는 편광된 광에 대해 축상 이득 및 총(반구 적분된) 이득 둘 모두를 계산한다. 모델은 모든 필름에 대해 1%의 흡수 손실을 가정하였고 90%의 백라이트 공동(cavity) 효율(백라이트 공동에 진입하는 광선에 대해 10% 평균 총 손실)을 가정하였다.

모델링된 필름 스택은 스택 설계 SD1(각각 275개 층의 두 패킷), SD2(375개 층의 하나의 패킷), SD3(275개 층의 하나의 패킷), SD4(175개 층의 하나의 패킷), 및 광학적으로 두꺼운 굴절률 정합 매질에 의해 분리된 각각 138개 미세층의 두 패킷을 구비한 패킷 설계("SD5")였다. SD5 패킷 설계는 그 밖의 것들처럼, 400 내지 925 ㎚의 파장 대역에 걸쳐 반사하게 하는 층 두께 프로파일을 포함하였다. 따라서, 실질적으로 동일한 개수의 미세층들을 단일 밀착 패킷으로 배열하는 구성 대 개별적으로는 밀착성이지만 상호적으로는 비-밀착성인 2개의 패킷으로 배열하는 구성의 효과를 확인하기 위해 SD5에 대한 결과가 SD3에 대한 결과와 비교될 수 있다.

그 결과가 (모델링된 축상 이득에 대한) 도 9a 및 (모델링된 반구 이득에 대한) 도 9b에 도시되어 있다. 각각의 그래프에 대한 수평축은 통과축 굴절률 차이 Δn_y이지만, Δn_y가 0으로부터 0.1까지 변함에 따라, 차단축 차이가 대응하는 방식으로 0.21로부터 0.31까지 변하고, 평면외(z-축) 차이가 대응하여 -0.105로부터 -0.005까지 변하는 것이 이해될 것이다. 이와 관련하여, 편리함을 위해, 동등하게 특정 기준 실시예의 x, y, 및 z 굴절률 차이 각각에 가산되거나 그로부터 감산되는 독립 파라미터 ΔΔn에 의해 결과를 표현할 수 있는데, 여기서 이 경우에, 각각의 스택 설계에 대한 기준 실시예는 복굴절성 중합체로서의 90/10 coPEN 재료 및 등방성 중합체로서의 1.61 굴절률 재료를 사용하는 그러한 실시예일 수 있다. 곡선(110a, 110b)들은 스택 설계 SD1에 대한 것이고, 곡선(112a, 112b)들은 스택 설계 SD2에 대한 것이며, 곡선(114a, 114b)들은 스택 설계 SD3에 대한 것이고, 곡선(116a, 116b)들은 스택 설계 SD4에 대한 것이며, 곡선(118a, 118b)들은 스택 설계 SD5에 대한 것이다. 층당 이득이 개별 밀착 스택의 2-패킷 라미네이트에 비해서 단일 패킷 밀착 스택에 대해 더 큰 것에 주목한다. 전체 최대 이득은 일반적으로 최대 층 총수로 달성되지만, 이는 최대량의 PEN 수지 함량, 및 인지되는 색상을 피하도록 층 프로파일을 제어하는 데 필요한 피드블록의 복잡성을 요구한다. 각각의 특정 스택 설계에 대해, 이득은 Δn_y의 (또는 ΔΔn의) 소정 값에서 최대값에 도달하고 나서 감소하는 것으로 보여진다. 바람직하게는, Δn_y (또는 ΔΔn)는 적당한 재료 선택 및 처리 조건을 통해, 선택된 스택 설계에 대한 이득을 최대화하거나 실질적으로 최대화하도록 선택된다. 예를 들어, 특정 값의 Δn_y 또는 ΔΔn으로 최대 이득이 달성되면, Δn_y 또는 ΔΔn은 바람직하게는 그러한 최대 이득의 적어도 90% 또는 95%인 이득을 달성하기 위해 그 특정 값에 충분히 근접하게 선택된다. 많은 스택 설계에서, 반구 또는 축상 이득은 0.01 내지 0.06, 또는 0.01 내지 0.05 범위의 Δn_y에 대해 최대화된다.

따라서, 층의 최적 개수는 예를 들어 비용에 대해 이득을 최대화시키도록 선택될 수 있다. nx = 1.82를 갖는 고굴절률 층을 구비한 필름에 대한 최적 층 총수는 비용 및 성능에 대한 소비자 기대에 따라, 150 내지 400개 층의 범위, 바람직하게는 200 내지 300개, 250 내지 350개, 또는 275 내지 325개 등의 범위이다. 최적화 절차는 또한 PEN에 대한 것보다 더 낮은 복굴절성 굴절률을 갖는 필름, 예를 들어 순수 PET계 복굴절성 재료에 적용될 수 있다. PET는 일반적으로 PEN보다 비용이 더 낮지만, 전형적으로 달성가능한 보다 작은 굴절률 차이로 인해 더 많은 층을 필요로 하여서, 또한 보다 느린 라인 속도를 필요로 한다. 따라서, 미세층들 중 일부가 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 그 공중합체를 포함하면, N은 바람직하게는 800 이하, 또는 650 이하, 또는 300 내지 650 범위, 또는 500 내지 650 범위이다.

상기 필름의 반사율은 일반적으로 가시 스펙트럼, 즉 400 내지 700 ㎚에 걸친 반사율 평균이지만, 다른 범위가 또한 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 Rpassnormal, Rblocknormal, Rpassinc, 및 Rblockinc은 반사율 평균을 나타낼 수 있지만, 이들은 또한 적당한 축외 성능을 보장하기 위해 적외선 영역(예를 들어, 400 내지 925 ㎚)으로 연장되는 반사율 평균을 나타낼 수 있다.

다층 필름의 반사율은 특히 필름이 그에 부가된 어떤 표면 구조체 또는 확산기를 구비하는 경우에, 브루스터 각도와 같은 경사각에서 측정하기 어려울 수 있다. 그러한 경우에, R = 1 - T - A (여기서, A는 흡수율이고, R 및 T는 적분구로 측정됨)인 잘 알려진 관계를 이용하여 하기의 절차를 사용하는 것이 더 간단하다. 이 측정에는 퍼킨 엘머(Perkin Elmer) 람다(Lambda) 900 또는 람다 950과 같은 장비가 적합하다. 우선, 거의 수직 입사에서 R_norm 및 T_norm을 측정함으로써 A를 결정한다. 이어서, 공기/중합체 표면 브루스터 각도에서와 같은 원하는 경사각에서 T_oblique를 측정한다. 이때, 반사율은 R_oblique = 1 - T_oblique - A에 의해 주어진다. A의 값은 경사각들에서 약간 상이할 수 있으며, 원한다면 보정이 이루어질 수 있다. 그러나, 55도 부근에서 보정은 중요하지 않다. T_oblique의 측정은 필름 내에 상당한 확산이 있는 경우 적분구로 측정하기 어렵다. 게다가, 확산기는 필름의 흡수를 증가시킬 수 있다. 확산기의 존재로 인한 측정 오차를 제거하기 위해, 확산층은 확산층이 표면 확산기인 경우 코팅에 의해 또는 라미네이트에 의해 매끄럽게 될 수 있거나, 또는 확산층은 확산층이 스킨층 또는 보호 경계층과 같은 필름의 외부층 내에 통합된 벌크 확산기인 경우 폴리싱에 의해 또는 레이저 융제에 의해 벗겨내어질 수 있다.

달리 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 양, 특성의 측정치 등을 표현하는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 명세서 및 특허청구범위에 기술된 수치적 파라미터는 본 출원의 교시를 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 특허청구범위의 범주에 대한 등가물의 원칙의 적용을 제한하려고 시도함이 없이, 각각의 수치적 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 본 발명의 넓은 범주를 기술하는 수치 범위 및 파라미터가 근사치임에도 불구하고, 임의의 수치 값이 본 명세서에 설명된 특정 예에 기술되는 한, 이들은 가능한 한 합리적으로 정확히 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 시험 또는 측정 한계와 관련된 오차를 분명히 포함할 수 있다.

전술한 설명은 예시적인 것이며, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 개시된 실시예들의 변형 및 수정이 가능하며, 실시예들의 다양한 요소들의 실용적인 대안 및 그 등가물이 본 특허 문서를 살펴볼 때 당업자라면 이해할 것이다. 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 개시된 실시예의 이들 및 다른 변형 및 수정이 이루어질 수 있다.

Claims

차단(x)축 및 통과(y)축을 갖는 반사 편광기로서,
공기에 노출되고 따라서 브루스터 각도(Brewster angle) 반사 최소값을 나타내며, x-축 및 y-축에 그 자체가 수직한 z-축에 수직하게 배치되는, 제1 및 제2 대향 주 표면(major surface)들; 및
주 표면들 사이에 배치되고, x-축, y-축, 및 z-축을 따라 각각 Δnx, Δny, 및 Δnz (여기서, Δnx > Δny > 0 > Δnz)의 굴절률 차이를 나타내는 인접 미세층들의 쌍으로 배열된 N개 미세층들의 스택(stack)을 포함하며;
조합되는 개수 N 및 굴절률 차이 Δnx는 x-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 Rblocknormal의 높은 반사율을 편광기에 제공하기에 충분히 크고, Rblocknormal은 80%이상 100%이하이며;
조합되는 개수 N 및 굴절률 차이 Δny는 y-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대해 Rpassnormal의 낮은 반사율을 편광기에 제공하기에 충분히 작고, Rpassnormal은 0%이상 25% 이하이며;
조합되는 개수 N 및 굴절률 차이 Δny는 반사 편광기가 제1 주 표면의 브루스터 각도에서 y-z 평면 내에 입사하는 p-편광된 광에 대해 Rpassnormal보다 큰 반사율을 나타내도록 하기에 충분히 크며;
Δny는 Rpassnormal의 증분 부분 Rpassinc를 초래하고, Δny와 동일한 Δnx의 대응하는 부분은 Rblocknormal의 증분 부분 Rblockinc를 초래하며, 개수 N은 Rblockinc가 Rpassinc와 동등하도록 하기에 충분히 작은 반사 편광기.
삭제
차단(x)축 및 통과(y)축을 갖는 반사 편광기를 제조하는 방법으로서,
제1 및 제2 중합체 재료들을 선택하는 단계;
x-축 및 y-축에 그 자체가 수직한 z-축에 수직하게 배치되고 공기에 노출되는 대향 주 표면들을 구비하는 중합체 필름 - 중합체 필름은 주 표면들 사이에 배치된 N개 층들의 스택을 포함하며, N개 층들은 제2 중합체 재료의 층들이 사이에 삽입된 제1 중합체 재료의 층들을 포함함 - 을 제공하도록 중합체 재료들을 공압출하는 단계; 및
중합체 필름을 배향시켜 N개 층들을 x-축, y-축, 및 z-축을 따라 Δnx > Δny > 0 > Δnz이도록 각각 Δnx, Δny, 및 Δnz의 굴절률 차이를 나타내는 인접 미세층들의 쌍으로 배열된 N개 미세층들로 변환시키는 단계;
x-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대한 높은 반사율 Rblocknormal - Rblocknormal은 80%이상이고 100%이하임 - 을 편광기에 제공하기에 충분히 크게 개수 N 및 굴절률 차이 Δnx를 조합하여 선택하는 단계;
y-축을 따라 편광된 수직 입사광에 대한 낮은 반사율 Rpassnormal - Rpassnormal은 0%이상 25% 이하임 - 을 편광기에 제공하기에 충분히 작게 개수 N 및 굴절률 차이 Δny를 조합하여 선택하는 단계;
반사 편광기가 제1 주 표면의 브루스터 각도에서 y-z 평면 내에 입사하는 p-편광된 광에 대해 Rpassnormal보다 큰 반사율을 나타내도록 하기에 충분히 크게 개수 N 및 굴절률 차이 Δny를 조합하여 선택하는 단계; 및
Rblocknormal의 증분 부분 Rblockinc가 Rpassnormal의 증분 부분 Rpassinc와 동등하도록 하기에 충분히 작게 개수 N을 선택하는 단계 - Δny는 증분 부분 Rpassinc를 초래하고, Δny와 동일한 Δnx의 대응하는 부분은 Rblocknormal의 증분 부분 Rblockinc를 초래함 - 를 포함하는 방법.
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