具体实施方式
图1展示了依照本发明的光偏振薄膜10的侧面示意图。光偏振薄膜10包括线性偏振器12和光学延迟器14,所述线性偏振器12具有第一表面12a和第二表面12b,所述光学延迟器14包含与线性偏振器12的第一表面12a相邻地设置的同时双轴取向聚合物薄膜。线性偏振器12和光学延迟器14的组合即为起到椭圆或圆偏振器作用的光偏振薄膜。通常地,线性偏振器12非常紧密地靠近光学延迟器14,但是这种布置不是必需的。优选地,用粘合剂层16将这两个层12、14互相粘合在一起。
如图2所示,在光偏振薄膜10中线性偏振器12被配置或定向成使得线性偏振器12的偏振轴或偏振方向20相对于光学延迟器14的光轴22有绝对的角度偏移量θ,该角度偏移量为大约0度到大约90度,优选为大约45度。偏振方向20表示这样的一个平面,即线性偏振光沿该平面从线性偏振器12出射。在大多数情况下,偏振方向20将与偏振器的拉伸方向即聚合物和/或生色团的取向方向一致。
光偏振薄膜10可以用任何类型的线性偏振器12来制作,但是优选地用合成二向色型偏振器例如本征偏振器或聚乙烯醇-碘复合偏振器及其变体来制作。通常地,当加工本征偏振器或聚乙烯醇-碘复合偏振器时,可以用长度方向的导向对准器使薄膜在纵向上拉伸,用拉幅机使薄膜在宽度或与纵向横交的方向上拉伸,并且/或者在与纵向成一定角度的方向上拉伸。当聚合物薄片在多于一个方向上拉伸时,得到的偏振器的偏振方向通常被最大程度拉伸的方向所决定。
光学延迟器14通常由可定向的聚合物薄膜例如聚丙烯或聚酯薄膜制成。这种薄膜例如可通过在需要的一个方向或几个方向上拉伸使其具有双折射特性。术语“双折射”意思是在相互正交的x、y和z方向上的折射率不总是相同的。关于薄膜或薄膜中的薄层,在图2中示出了x、y和z轴的方便的选择,其中x、y轴分别对应薄膜或薄层的长度和宽度,而z轴对应薄膜或薄层的厚度。例如,如图2所示,纵向对应x轴。
当可定向的聚丙烯或聚酯薄膜沿x轴拉伸时,通常的结果是折射率nx和ny是不相等的,所述折射率nx和ny分别对应于在平行于“x”轴和“y”轴的平面内偏振的光。沿拉伸方向折射率改变的程度依赖于许多因素,例如拉伸量、拉伸速度、在拉伸过程中薄膜的温度、薄膜厚度、薄膜厚度的改变量以及薄膜的成分。
在制作光学延迟器14时,双轴拉伸过程优选地用于在薄膜的平面内使双折射材料取向,例如平面薄膜拉幅机拉伸过程。在这里用双轴拉伸来描述薄膜,表明了薄膜已在两个不同的方向上被拉伸。在两个不同方向上对薄膜的双轴拉伸可以引起在两个选定的方向上的净对称或非对称拉伸。通常地,但也不总是,这两个方向是正交的,并且一个沿薄膜的纵向,另一个沿薄膜的横向方向。优选地,光学延迟器14具有沿纵向的光轴。双轴拉伸薄膜可以在两个方向按顺序、同时、或按顺序和同时在一定程度上结合地被拉伸。这里用到的“同时双轴取向薄膜”表明了在两个方向中的每一个方向上拉伸的重要部分是同时进行的。同时双轴取向聚丙烯是制作光学延迟器14的特别首选的材料,这是因为它价格低廉,易于加工,并且提供了结合到线性偏振器12的机械强度。同时双轴取向薄膜的例子在美国专利第3,241,662号、第3,324,218号、第6,303,067号和第6,358,457号中有记述。
粘合剂层16通常由压敏粘合剂制成。压敏粘合剂可以由例如主要组分为一种或多种热塑性聚合物的组合物来制备,并且该组合物可选地包含其它想要的成分诸如紫外吸收剂、抗静电成分、光学增白剂、惰性填充剂以及增塑剂。压敏粘合剂应当与光偏振器的材料和光学延迟器的材料能够充分地相容,从而基本上防止这两层薄膜的老化。压敏粘合剂也应该有一定程度的光学透明性和清晰度,以便足以基本上防止消偏振和其它类似的光学失真。用剥离测试仪在90英寸每分钟的剥离速度及180度的剥离条件下来测量粘合剂层16的黏附性和粘合强度,其通常大于大约25克每英寸。具有附属粘合剂层例如压敏粘合剂层的同时双轴取向聚丙烯薄膜的一个合适的例子是可从3M(St.Paul,MN)公司购买到的型号为3701Tape和3750Tape的产品。3701Tape的厚度为大约0.002英寸(0.051毫米),而3750Tape的厚度为大约0.0035英寸(0.089毫米)。
为了有利于光偏振薄膜10的批量生产,本发明也提供了这样一种加工方法,其中,线性偏振器12的偏振方向20是相对于线性偏振器12的纵向的预定的角度,例如正负45度,线性偏振器用卷轴式方法层压(或者沉积)到光学延迟器14,该光学延迟器的光轴22具有预定的角度,例如与光学延迟器14的纵向平行。因为随后的线性偏振器12与光学延迟器14的对准步骤不是必要的,所以本发明的光偏振薄膜10的加工更加容易和低廉。因为线性偏振器12的偏振方向20相对于光学延迟器14的光轴22的取向优选地为45度,所以线性偏振器12优选地沿与纵向成45度角拉伸或在此角度具有最大拉伸度。一种沿着对角线拉伸聚合物薄片的方法在美国专利第2,505,146号中被记述,该项专利通过引用的方式合并于此。
光偏振薄膜10的一种用途包括用如图2所示的偏振光18照射光学延迟器14。入射的偏振光18优选地沿平行或垂直于线性偏振器12的偏振方向20取向。
虽然本发明是参考这个结构被讨论的,但是其中所包含的线性偏振器12、光学延迟器14及入射的偏振光18以其它形式定向的其它结构也是可能的。
入射的偏振光18在通过光学延迟器14后变为椭圆或圆偏振光。光学延迟器14的延迟决定了在偏振光两个正交成分之间的相移量,从而决定光变为椭圆偏振光还是圆偏振光。如果光为椭圆偏振光,那么椭圆的偏心率随相移量而改变。优选地,相位改变200纳米或其倍数,从而产生整个可见光谱区的各种椭圆或圆偏振形式。通常地,光学延迟器14的延迟范围为大约200纳米到大约3000纳米。
当椭圆或圆偏振光通过线性偏振器12时,偏振器12吸收从光学延迟器14出射的分量光的一部分。而且,因为光学延迟器14对不同波长光的相位改变的程度不同,偏振器12将选择性地吸收不同波长,从而出射光将基本上变为有色光。例如,如果光学延迟器14有大约300纳米的延迟量,则出射的光将为蓝色或黄色光,这取决于偏振光18的初始取向。出射光的颜色或波长也可以随着观察角度的方向而发生改变。
图3展示了光偏振薄膜10的另一个实施例的侧面示意图。光偏振薄膜10包括如前面图1所展示和描述的线性偏振器12、光学延迟器14,还包括第二个光学延迟器24,所述第二个光学延迟器24包含与线性偏振器12的第二表面12b相邻地设置的同时双轴取向聚合物薄膜。通常地,线性偏振器12紧密靠近第二个光学延迟器24,但是这种安排不是必需的。
优选地,用粘合剂层16将这两个层12、24互相粘结在一起。第二个光学延迟器24进一步提供了对光偏振薄膜10的结构支撑,但是相对于前面描述的如图2所示的光学系统,没有改变出射光的强度。另外,第二个光学延迟器24允许偏振光18照射光偏振薄膜10的任一侧,并且仍然产生相似的光学效应。
图4展示了包含如前面图1所展示和描述的线性偏振器12和光学延迟器14的光偏振薄膜10及包含线性偏振器12和光学延迟器14的第二个光偏振薄膜10的侧面示意图。第二个光学延迟器24可以用在任一光偏振薄膜10上。虽然图4展示了两个光偏振薄膜的叠层结构30,但是有不同厚度和不同层数的任何数目的光偏振薄膜都可以被利用。多层光偏振薄膜可以被用来产生变化的光学效应。
用来制作线性偏振器的聚合物薄片的厚度一般为0.0005英寸(0.013毫米)到0.004英寸(0.102毫米)的数量级。聚合物薄片通常被拉伸到薄片原来长度的大约3.5倍到大约6.0倍。拉伸步骤在温度高于聚合物材料的玻璃化转变温度时进行。拉伸可能受发热元件、快辊及慢辊的设置的影响。例如,辊筒间转动速度的不同可用来在辊筒之间传输的薄片的区域上产生相应的张力。当用发热元件加热薄片时,这有利于拉伸并给拉伸带来更多有利的影响。温度控制可以通过以下方法来获得,控制加热辊的温度或者控制辐射能量的增加,例如通过控制红外灯,这在本领域是众所周知的。温度控制的联合方法可以被利用。
由于已取向的乙烯醇聚合物具有相对较弱的横向强度,所以这可能会有利于将乙烯醇薄膜在取向后浇铸、层压或附着于诸如支撑薄膜层、加热的辊筒或承载薄片等之类的基底上。当支撑层粘合或附着于聚合物薄膜上时,支撑层会给所得制品提供机械强度并且支撑它,以致于它可以更容易地被处理和进一步被加工。
为制备聚乙烯醇-碘复合偏振器,在拉伸之前或者在拉伸之后用碘溶液处理或浸泡聚合物薄片。为制备本征偏振器,使取向聚合物薄片经历脱水步骤,于是将取向薄片处理成使其一部分“转变”为由聚乙烯撑/乙烯醇嵌段共聚物组成的偏振分子。生产聚乙烯醇-碘复合偏振器及本征偏振器的方法在美国专利第4,166,871(Schuler)号、第4,591,512(Racich等人)号和第5,666,223(Bennett等人)号中有所记述。
为制备本征偏振器,聚合物薄片可以经受第二次定向步骤或延伸步骤,其中取向偏振器被第二次拉伸,其第二次拉伸程度为在第一次拉伸所获得的程度的大约0%到大约70%。对于任何一种偏振薄膜,聚合物薄片也可以经受硼化步骤,其中取向薄片用硼酸或硼砂水溶液进行处理以实现松弛和交联。聚合物薄片可在硼化处理之前、之中或之后进行延伸步骤。例如,聚合物薄片可在硼化溶液中浸没并使得其软化和/或膨胀(即松弛),接着移除该聚合物薄片,然后延伸它。或者,当聚合物薄片仍浸入硼酸溶液中时,可对聚合物薄片进行延伸。
硼化步骤可以采用两次或多次浸泡。例如,在两次浸泡硼化处理中,第一次浸泡可以包含水,第二次浸泡可以包含硼离子供体的物质。或者,顺序可以反转或者两种浸泡可以包含不同浓度的硼离子供体物质和/或硼离子供体的混合物。在这些浸泡的任何一个中都可以进行延伸。
当这些聚合物薄片被硼化处理时,通常所述硼酸溶液包含硼酸和氢氧化钠或氢氧化钾,或者包含硼酸钠或者硼酸钾这类物质,优选地为硼砂。在用于使偏振薄片取向的一种或者多种溶液中,硼酸、硼砂或者其它硼酸盐的浓度不是严格的。优选地,硼酸比硼砂或者其它硼酸盐呈现的浓度更高,并且优选的浓度范围包含9%-12%(重量百分比)的硼酸和3%(重量百分比)的硼砂。优选地,溶液应当包含重量百分比为大约1%至大约7%的硼砂和重量百分比为大约5%到大约20%的硼酸。
另外,为了消除某些二向色型偏振器的所谓的“蓝漏”(blue-leak)和/或“红漏”(red-leak),可将一种或多种二向色性染料添加到聚合物薄片中。多种二向色性染料的任何一种可以被使用。合适的染料包括重氮基、三氮基或多氮基染料、或者其它的直接染料或酸染料的任何一种,例如可从Sensient Technical Colors(Elmwood Park,NJ)获得的“Intrajet Yellow DG”和可从Sigma-Aldrich获得的“Evans Blue”。二向色性染料可以在加工的任何阶段加到聚合物薄片中。例如,染料可以在初始拉伸前被浇铸进聚合物薄片中或者涂敷到聚合物薄片上,或者它可以在脱水、碘着色、硼化或者延伸步骤中加入。可使用的时间、温度和浓度取决于所需的着色量。较高的温度和/或较高的浓度对聚合物薄片来说需要较短的停留时间。
在硼化步骤和/或延伸步骤之后,拉伸的聚合物薄膜可以经受温度范围从大约50摄氏度到大约90摄氏度的烘焙。得到的偏振器能再被粘合或者层压到支撑层,该支撑层与偏振器在延伸前的经剥离、烘制、碘着色和/或定向的层相同或者不同。
多种材料的任何一种能被用作承载板或者支撑层。合适的材料中包括已知的聚合物薄片材料诸如纤维素酯(例如,硝酸纤维素、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素)、聚酯、聚碳酸酯、如丙烯酸树脂等之类的乙烯基聚合物,以及可按薄片状、透光的形式设置的其它支撑材料。聚酯尤其有用,这取决于其具体的应用和要求。虽然优选的聚酯是可市购的商品名为Mylar和Estar的聚对苯二甲酸乙二醇酯,但是其它的聚对苯二甲酸乙二醇酯材料也能被使用。支撑层的厚度随特定应用而改变。一般地,从加工角度来考虑,可适合采用的支撑的厚度为大约0.0005英寸(0.013毫米)到大约0.020英寸(0.508毫米)。
在聚合物薄膜的处理过程中,对于聚乙烯醇-碘复合偏振器,光学延迟器14可以在碘着色之前或者之后被粘合到拉伸的聚合物薄膜上,对于本征偏振器,光学延迟器14可以在脱水步骤之前或者之后被粘合到拉伸的聚合物薄膜上。光学延迟器14接着可以经受硼化、延伸和/或热处理步骤。或者,光学延迟器14可以在制作偏振器的所有步骤完成后被粘合或者层压到二向色型偏振器之上。
对本领域的普通技术人员来说显而易见的是,本发明的光偏振薄膜可以被层压进支撑薄片或者薄膜诸如玻璃薄片或者其它有机塑料材料薄片之间,或者层压到这些支撑薄片或者薄膜之上,以层叠或者非层叠形式存在的本发明的光偏振薄膜可以被使用在其它光偏振塑料材料形式可使用的地方,例如与液晶显示面板或者其它显示设备相关的情况。
各种粘合剂中的任何一种能够被用作把光偏振薄膜层压到其它层或者基底上,所述粘合剂包括聚乙烯醇粘合剂和聚氨酯粘合剂材料。因为光偏振薄膜通常应用于光学领域,所以对光偏振薄膜的透光特性没有不可接受影响的粘合材料一般都可使用。粘合材料的厚度将随着特定的应用而改变。一般地,大约0.0002英寸(0.005mm)到大约0.002英寸(0.051mm)的厚度是合适的。
各种不同功能的层或者涂层可以添加到本发明的光偏振薄膜中来改变或者改善它的物理或者化学性质,尤其沿薄膜的表面的性质。例如,这样的层或者涂层可以包括增滑剂、低背向粘合材料、导电层、抗静电涂层或薄膜、阻挡层、阻燃剂、紫外稳定剂、耐磨材料、光学涂层、补偿薄膜、扩散层、扩散粘合剂和/或设计用来改善薄膜机械完整度或强度的基底。
也可增加表层或者表面涂层,以使得到的薄膜或装置具有所需的阻挡特性。例如,可添加阻挡薄膜或者涂层作为表层或者表面涂层,或者作为表层的一部分,从而改变薄膜到诸如水或有机溶剂等液体或者诸如氧气及或二氧化碳等气体的透射特性。
也可以增加表层或者表面涂层,以提供或者改善所得制品的抗磨性。因此,例如,如果包含嵌入在聚合物基质中的二氧化硅粒子的表层不会过度地损害薄膜的应用场合所需的光举特性,则当然可将这种层添加到按照本发明生产的光学薄膜上,以便为这种薄膜提供抗磨性。
也可以增加表层或者表面涂层,以提供或者改善所得到的薄膜的抗击和/或抗扯性。对抗扯层材料进行选择可考虑的因素包括到断裂的伸长率、杨氏模量、撕裂强度、对内层的粘合性、在目的电磁波段的透过率和吸收率、光学透明度或混浊度、作为频率函数的折射率、纹理和粗糙度、熔化热稳定性、分子量分布、熔化流变性和共挤压性、在表层与偏振薄膜层中的材料之间的可混性和内扩散率、粘弹性响应、在拉延条件下的松弛和结晶行为、在使用温度下的热稳定性、耐候性、附着到涂层的粘附能力以及对不同气体和溶剂的渗透性。
在对偏振薄膜的加工过程或者其后的涂敷或层压过程中,可以施加抗击表层或者抗扯表层。在加工过程中例如通过共挤压工艺把这些层粘附到薄膜上,提供了这样的优势,即在加工过程中薄膜得到了保护。在一些实施例中,在薄膜中可以设置一层或多层抗击层或者抗扯层,它们单独地设置,或者与抗击表层或者抗扯表层结合一起设置。
本发明的光偏振薄膜通过用低磨擦的涂层或者增滑剂处理,例如把聚合物小珠涂敷到表面,可以得到好的滑动性质。或者,可以改变这些材料的表面几何形状,如通过控制挤压条件,以使薄膜具有光滑的表面。
在一些应用中,可能需要用诸如基于聚氨酯、聚硅酮或者碳氟化合物的背向低粘合(LAB)涂层或者薄膜来处理光偏振薄膜、学延迟器或者线性偏振器。以这种方法处理的薄膜将对压敏粘合剂展示出适当的防粘特性,从而使它们能够用粘合剂处理并且能缠绕成卷状。
本发明的光偏振薄膜也可以设有一个或多个导电层。这样的导电层可以包括诸如银、金、铜、铝、铬、镍、锡和钛等金属,诸如银合金、不锈钢和铬镍铁合金等金属合金以及诸如掺杂和不掺杂的氧化锡、氧化锌和氧化铟锡等半导体金属氧化物。
本发明的光偏振薄膜也可以设有抗静电涂层或者薄膜。这样的涂层或者薄膜包括例如五氧化二钒,以及磺酸聚合物的盐、碳或者其它导电性金属层。
本发明的光偏振薄膜也可以设有抗磨损或者硬质涂层,它可以用作表层。这些包括:诸如从位于美国宾西法尼亚州的Rohm & Haas公司获得的Acryloid A-11和Paraloid K-120N等丙烯酸类硬罩;诸如在美国专利第4,249,011号中描述并且可从Sartomer Corp。(位于美国宾西法尼亚州的Westchester)获得的丙烯酸氨基甲酸乙酯等丙烯酸氨基甲酸乙酯类;以及由脂肪族聚异氰酸酯(例如,可从Miles,Inc。(位于美国宾西法尼亚州的Pittsburgh)获得的Desmodur N-3300)与聚酯(例如,可从位于美国德克萨斯州休斯顿的Union Carbide获得的TonePolyol 0305)的反应所得到的聚氨酯硬罩。
前面所述的一个或多个非光学层可以在光偏振薄膜10或者光偏振叠层结构30的至少一个表面上形成为表层,例如,这样可以在加工过程中和/或加工过程后,保护线性偏振器12不受物理损伤。另外,一个或多个非光学层可以在光偏振薄膜10或者光偏振叠层结构30中形成,例如,这样可以提供较大的机械强度或者在加工过程中保护薄膜或叠层结构。
理想的情况,诸如粘合剂层16的非光学层不会明显地影响光学偏振薄膜10的光学性质,至少在可见光谱区所关注的波长范围内不会明显地影响光学偏振薄膜10的光学性质。虽然非光学层通常不是双折射或可取向的,但是这不是必需的。一般地,当非光学层用作表层时,可能会存在一些表面反射。当非光学层被制作在光偏振薄膜10中时,通常非光学层与其相邻的光学层12、14和24一起产生至少一些光的偏振或者反射。
本发明的光偏振薄膜可以进一步层压到刚性或者半刚性的基底上,例如,这些基底包括玻璃、金属、丙烯酸、聚酯,以及其它的聚合物衬垫来提供结构刚性、耐候性或者易加工性。例如,光偏振薄膜10可以被层压到薄的丙烯酸或者金属衬垫上,以便于它能够被冲压或者成形并保持所需的形状。对于一些应用,例如当薄膜被应用到其它易碎的衬垫上,可使用包含同时双轴取向聚合物薄膜或者抗击-抗扯薄膜的附加层。
对于具体的应用,各种不同的光学层、材料以及装置也可以应用于本发明的光偏振薄膜中,或者也可与本发明的光偏振薄膜结合一起使用。它们包括(但不限于)磁性或磁光涂层或者薄膜;诸如用在显示面板或者保密窗口的液晶面板;摄影用的感光乳剂;织物;诸如线性菲涅尔镜头的棱镜薄膜;强亮薄膜;全息薄膜或图像;可浮雕薄膜;抗干扰薄膜或涂层;用于低发射率应用场合的红外透明薄膜;防粘膜或者防粘涂布纸;补偿膜;扩散粘合剂层;以及偏振器或者反射镜。
根据本发明制成的光偏振薄膜也可以包括一个或者多个抗反射层或者抗反射涂层,例如,传统的真空涂敷的介电金属氧化物或者金属/金属氧化物光学薄膜、硅溶胶凝胶涂层、以及涂履或者共挤压制得的抗反射层诸如从THV等低折射率的含氟聚合物得到的抗反射层,可挤压的含氟聚合物可从3M Company(St.Paul,Minn.)获得。这些层或者涂层可以是也可以不是偏振敏感的,它们起到增加透射并减少反射闪光的作用,并且可以通过如涂敷或者溅射蚀刻等适当的表面处理而施加到薄膜和光学装置。
在光偏振薄膜10、线性偏振器12及光学延迟器14的一个或者两个表面上可以考虑多个附加层,并且这些附加层可以与前面所述的涂层或者薄膜结合使用。
本发明的光偏振薄膜可以用油墨、染料或者色素来改变它的外观或者根据特定应用进行定制。各种不同的油墨能够被使用,包括一种或者两种成分的油墨、氧化干燥或者紫外干燥油墨、溶解油墨、分散油墨、以及100%油墨系统。此外,染料或者色素可以在加工过程的任何时候混合进聚合物。
光偏振薄膜的外观也可以通过使薄膜着色而得到改变,例如使含颜料薄膜层压到偏振薄膜上,使着色的涂层涂敷到薄膜的表面上,或者将色素包含在用来制作薄膜的一种或者多种材料中。
在本发明中,可见与近红外染料以及色素均被考虑到,其包含(例如)在色谱的可见光区域吸收紫外和荧光的染料等之类的光学增亮剂。其它可增加的用来改变光偏振薄膜的外观的附加层包括,例如乳浊(黑)层、扩散层、全息图像或者全息散射器以及金属层。这些层中的每一层都可直接应用到薄膜的一个或者两个表面,或者可以成为层压到薄膜上的第二个薄膜或者薄片结构的一部分。或者,诸如扩散剂或者着色色素的一些成分可以被包括在用以将所述薄膜层压到另一个表面的粘合剂层中。
对本领域的技术人员来说,显而易见的是,在不脱离本发明的范围和主旨的情况下,可对本发明进行各种修改和变更。