專利名稱：含納米顆粒的光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光管理薄膜。在一個(gè)優(yōu)選形式中，本發(fā)明涉及一種適用于背光顯示器應(yīng)用的含細(xì)顆粒分散體的光管理薄膜。
背景技術(shù)：
光學(xué)材料和光學(xué)制品對(duì)控制光的流動(dòng)和強(qiáng)度非常有用。有用光學(xué)產(chǎn)品的實(shí)例包括光學(xué)透鏡如菲涅耳透鏡、光學(xué)纖維、光管、包括全內(nèi)反射膜在內(nèi)的光學(xué)膜、反光板，和微觀復(fù)制產(chǎn)品如增亮膜(BEF)和安全產(chǎn)品。增亮膜在當(dāng)今許多電子產(chǎn)品中，對(duì)提高背光平板顯示器如液晶顯示器(LCD)、電致發(fā)光板、膝上計(jì)算機(jī)顯示器、文字處理器、臺(tái)式監(jiān)控器、電視、錄象機(jī)和汽車、航空電子顯示器等的亮度非常有用。
具體地就增亮膜而論，組成表面特征的材料的折射率與增亮膜產(chǎn)生的亮度增益有關(guān)。增益是增亮膜使顯示器增亮程度的量度，是光學(xué)材料的一個(gè)性質(zhì)，也是增亮膜幾何形狀的性質(zhì)。對(duì)于增亮膜，最好具有高增益，因?yàn)樘岣叩脑鲆婺苡行У靥岣弑彻怙@示器的亮度。
亮度提高意味著電子產(chǎn)品可以用較低的功率點(diǎn)亮顯示器而效率更高。功耗的減小又會(huì)減少熱量的產(chǎn)生，因此意味著部件壽命延長(zhǎng)。所以，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，一直需要尋找在光學(xué)特征中具有更高折射率的光學(xué)產(chǎn)品。
光學(xué)產(chǎn)品可以用高折射率材料，包括單體如高折射率(甲基)丙烯酸酯單體、鹵代單體和本領(lǐng)域內(nèi)已知的折射率如此高的其它單體制造。
美國(guó)公開申請(qǐng)2002/0123589(Olson等)公開了一種用于光學(xué)薄膜的高折射率可聚合組合物。雖然該材料的確把高折射率傳遞給了光學(xué)元件，但是，UV固化在該材料所能生產(chǎn)的表面特征的尺寸和性質(zhì)上受到限制。UV固化在該材料所能生產(chǎn)的特征的深度或高度上受到限制，這樣就限制了它在某些光學(xué)應(yīng)用中的用途。而且，UV固化不能用其它工藝如熱塑性澆注和壓花所能用的聚合物從而聚合物的性能(如模量、耐刮性)的范圍。
聚合物可用于折射率比某些光學(xué)應(yīng)用所要求折射率低的光學(xué)薄膜中，如果通過部分原子的取代，如用溴或硫取代聚合物中的氫或氧進(jìn)行改性。這類取代聚合物一般都具有提高的折射率，但也常帶上不應(yīng)有的顏色且缺乏熱和光化學(xué)穩(wěn)定性。因此，這類取代聚合物不可能是某些光學(xué)應(yīng)用的最佳選擇。
提高聚合物折射率的另一種方法是將納米顆粒與聚合物進(jìn)行組合。聚合物/納米顆粒共混物的折射率部分地依賴于加進(jìn)聚合物基體的納米顆粒的折射率。聚合物/納米顆粒共混物的理論折射率是納米顆粒和聚合物折射率的體積加權(quán)平均值。因此，最好用折射率高的金屬氧化物顆粒來制備共混物。但是，在水中形成的金屬氧化物顆粒難以轉(zhuǎn)移進(jìn)有機(jī)液體而不發(fā)生顆粒團(tuán)聚和伴隨的水的轉(zhuǎn)移。
US專利6,329,058(Arney等)公開了納米尺度金屬氧化物顆粒在聚合物基體中形成透明共混物及其制造方法。盡管該專利宣稱金屬氧化物/聚合物共混物中的聚合物是任何可固化的材料，但實(shí)施例和專利教導(dǎo)使用UV可固化的聚合物而非熱塑性材料。UV可固化體系中的納米顆粒/聚合物共混物的制造不同于熱塑性體系。該專利中教導(dǎo)的分散劑很可能在熱塑性擠出所用的溫度下會(huì)降解，從而造成納米顆粒的團(tuán)聚和分散劑的分解。而且，專利中教導(dǎo)的納米顆粒要在溶劑體系中生產(chǎn)，然后分散進(jìn)UV化學(xué)并交聯(lián)成共混物。熱塑性擠出要求干聚合物，因此納米顆粒必須經(jīng)干燥然后再分散進(jìn)熔融聚合物，與專利058教導(dǎo)的工藝非常不同。雖然該專利公開了表面結(jié)構(gòu)中的金屬氧化物/聚合物共混物，但優(yōu)選的1/10～10mm范圍比本發(fā)明帶有表面特征的光學(xué)薄膜的理想范圍大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
本發(fā)明要解決的問題目前仍需要改進(jìn)的光管理薄膜以便為背光顯示器提供效率更高的光整形特性。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種光學(xué)元件，它包含基體，在該基體的表面上具有表面特征，表面特征的Ra為3～200μm，含顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明提供更有效地整形光的改進(jìn)的光管理介質(zhì)，從而提供更亮的背光顯示器。
發(fā)明詳述本發(fā)明具有許多超過本領(lǐng)域先有實(shí)踐的優(yōu)點(diǎn)。由于納米顆粒昂貴，因此在表面特征中而不是在光學(xué)元件整體中包含納米顆粒/聚合物共混物，就節(jié)約了資金，同時(shí)又賦予了同樣的光學(xué)結(jié)果。
熱塑性塑料作為納米顆粒/聚合物共混物的一部分能使光學(xué)元件具有諸多物理與光學(xué)性質(zhì)，且容易制備。例如，聚乙烯可作為一種透明的低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度樹脂用來成形光學(xué)特征，它們?nèi)彳洠蚨粫?huì)刮傷其它薄膜。熱塑性塑料比UV固化聚合物有更寬范圍的物理與光學(xué)性質(zhì)，這使它們能用于許多應(yīng)用中。
納米顆粒能改變聚合物共混物的折射率，從而使光學(xué)元件具有更多的功效。納米顆粒/熱塑性聚合物共混物也具有更高的力學(xué)特性，如更高的模量、耐刮性和硬度。納米顆粒也影響熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這能提高聚合物熔體加工條件。近來的研究已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米顆粒摻入基體中而顆粒與基體之間沒有良好界面時(shí)會(huì)使不同的性質(zhì)，即不同的力學(xué)性質(zhì)在Tg等下降。納米顆粒也能提高光學(xué)元件的可印刷性。光管理薄膜強(qiáng)度和剛度的提高對(duì)于通過印刷系統(tǒng)和處理都是重要的。少量加入時(shí)，加進(jìn)熱塑性樹脂的納米顆粒對(duì)透射或光整形特性的影響不明顯，因?yàn)轭w粒小于光的波長(zhǎng)，因此不散射光。從下文的詳述中，上述優(yōu)點(diǎn)與其它優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
術(shù)語“表面特征(surface feature)”是指當(dāng)光通過它或從它反射出來時(shí)決定光向的任何結(jié)構(gòu)。例如，使光準(zhǔn)直的棱鏡結(jié)構(gòu)或使光無序發(fā)射的漫射器都包含光整形元件。光的定向或偏轉(zhuǎn)可以是微觀或宏觀量級(jí)的?！捌骄植诙取被騌a是指光整形元件的峰至谷的平均量度?！靶∮?00nm的顆粒尺寸”是指至少有一維尺寸小于100nm的任何顆粒。滿足該描述的顆粒稱為“納米顆?！?。這意味著直徑為1-10nm而長(zhǎng)度為100nm～50μm的碳納米管都可看成是“納米顆?！?，因?yàn)樗鼈冎辽儆幸痪S尺寸小于100nm。
術(shù)語“LCD”是指用液晶形成圖象的任何背投顯示器。術(shù)語“漫射器”是指能把鏡面反射光(有一個(gè)主方向的光)彌散成漫射光(具有無序光向的光)的任何材料。術(shù)語“光漫射元件”是指能將鏡面反射光(有一個(gè)主方向的光)彌散為漫射光(具有無序光向的光)的任何元件。術(shù)語“光”是指可見光。術(shù)語“總透光率”是指透過樣品的波長(zhǎng)為500nm的光與光源發(fā)出的500nm光的總量之比。它同時(shí)包括光的光譜透射和漫射透射。術(shù)語“濁度”是指漫射透過的500nm光與500nm總透射光之比乘以一個(gè)因子100?！巴该鳌笔侵副∧?duì)500nm光的總透光率達(dá)80％或更高。術(shù)語“光整形效率”是指整形或定向光與入射到光整形元件表面的光量的百分比。
術(shù)語“聚合物薄膜”是指包含聚合物的薄膜。術(shù)語“聚合物”是指均聚物或共聚物。術(shù)語“平均”，對(duì)于透鏡尺寸和頻率，是指對(duì)整個(gè)薄膜表面積的代數(shù)平均。術(shù)語“花樣”是指任何預(yù)定的排列，不論有規(guī)或無規(guī)。術(shù)語“基本圓形”是指長(zhǎng)軸不超過短軸2倍的幾何形狀。光學(xué)梯度是光學(xué)性質(zhì)如透射率、反射率和濁度隨離開起點(diǎn)的距離的變化。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，漫射膜在至少一面有織構(gòu)表面，其形式是許多無規(guī)微透鏡或小透鏡。術(shù)語“小透鏡”是指小的透鏡，但為本討論的目的，可把術(shù)語透鏡與小透鏡看作同義詞。小透鏡重疊起來形成復(fù)合透鏡?！皬?fù)合透鏡”是指主透鏡表面上有多個(gè)次透鏡?！爸魍哥R”是指較大的小透鏡，次透鏡無序地形成在其上面?！按瓮哥R”是指在主透鏡上形成的比主透鏡更小的透鏡。術(shù)語“凹”是指象球面那樣彎曲且球的外表面靠薄膜表面最近。術(shù)語“凸”是指象球面那樣彎曲，且球的內(nèi)表面靠薄膜表面最近。
光通過透鏡的發(fā)散可表達(dá)為“不對(duì)稱”，它表示在水平方向上的發(fā)散不同于垂直方向上的發(fā)散。發(fā)散曲線不對(duì)稱是指最大透光的方向不在θ＝0°的方向上，而是在一個(gè)與表面不垂直的方向上。“孔”在本文中用來指缺少加入的固體或液態(tài)物質(zhì)的位置，但很可能“孔”含有氣體。
表面特征可以與基體是整體的，也可以是涂布在基體上的分離層。當(dāng)表面特征與基體是整體時(shí)，則薄膜的光整形效率是高的，因?yàn)檎麄€(gè)薄膜的折射率沒有變化不會(huì)造成反射。當(dāng)表面特征是涂布在基體上的，如擠涂，則可以用較寬范圍的材料。例如，可以用一種取向聚酯基來賦予薄膜強(qiáng)度，然后再在該聚酯基上涂布納米顆粒填充的另一種聚合物成為表面特征。用作基體和表面特征的兩種聚合物可以是同一聚合物，也可以是折射率匹配的兩種不同聚合物(在這些層的一層或多層內(nèi)加入納米顆?？筛淖冋凵渎?。當(dāng)表面特征與基體是整體時(shí)，因脫層引起的變化比用兩層(基體和表面特征法)時(shí)少。
細(xì)顆粒的顆粒尺寸優(yōu)選小于55nm。顆粒尺寸小于50nm的那些顆粒不會(huì)明顯散射光，因此不會(huì)明顯影響光學(xué)元件的散射特性。更優(yōu)選細(xì)顆粒的顆粒尺寸小于15nm，因?yàn)檫@樣的顆粒遠(yuǎn)小于可見光的波長(zhǎng)，所以它們不會(huì)造成光的散射，因此能用來改變材料的折射率而不會(huì)明顯影響材料的散射、光透射和光反射特性。該尺寸范圍有利于顆粒分散進(jìn)聚合物基體。而且，由于顆粒非常小，所以即使顆粒聚結(jié)成2或3個(gè)顆粒的粒簇(起一個(gè)顆粒的作用)，也因團(tuán)聚顆粒的顆粒尺寸仍很小而不會(huì)明顯影響光學(xué)元件的透射性。為了使小初級(jí)顆粒尺寸適用于透明性要求，必須具有高質(zhì)量的分散，其中分散質(zhì)量是指初級(jí)顆粒團(tuán)聚的存在程度。高質(zhì)量的分散是指只有少數(shù)初級(jí)顆粒團(tuán)聚和小的團(tuán)聚體，因而在給出理想折射率特性的同時(shí)，對(duì)透射性只有較小的影響。
如果表面特征的平均粗糙度小于3μm，則表面特征不能有效地整形光。優(yōu)選表面結(jié)構(gòu)的平均粗糙度至少為5μm。已經(jīng)證明，當(dāng)表面特征平均為5μm或更高時(shí)，該表面特征能以多種幾何形狀非常有效地整形光。優(yōu)選表面特征的表面粗糙度小于225μm，因?yàn)閷?duì)于某些應(yīng)用(如光學(xué)薄膜)，這會(huì)使含基體和表面特征的光學(xué)元件變得非常厚，從而增加顯示器和光學(xué)元件的重量和材料成本。更優(yōu)選表面特征的Ra小于100μm，以減輕光學(xué)元件的重量并降低成本。已經(jīng)證明，最優(yōu)選Ra為25～75μm，因?yàn)橐炎C明該范圍允許各種各樣的表面特征幾何和光學(xué)功能。
優(yōu)選表面特征的平均高徑比(aspect ratio)為0.1～7.0。當(dāng)表面特征的高徑比小于0.07時(shí)，曲率或斜率太低，不足以整形透射或反射光。當(dāng)漫射元件的高徑比大于9.2時(shí)，又變得難以用擠出輥塑法或其它壓花技術(shù)來生產(chǎn)這些元件。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選表面特征是復(fù)合透鏡。復(fù)合透鏡是一些透鏡在另一些透鏡之上的透鏡。已經(jīng)證明它們能提供非常有效的光漫射和高的透明度，從而能成為一種還能使顯示器更亮的有效漫射器。漫射量很易通過改變復(fù)合透鏡的復(fù)雜性、幾何形狀、尺寸或頻率得以改變，以實(shí)現(xiàn)所需要的漫射。
所有不同尺寸與形狀的很多個(gè)透鏡互相重疊形成，以產(chǎn)生象菜花一樣的復(fù)合透鏡特征。小透鏡和由小透鏡形成的復(fù)合透鏡可以凹進(jìn)薄膜或凸出薄膜。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案可比喻為月亮上坑坑洼洼的表面。撞擊到月亮上的小行星在其它坑之外又形成坑，或與另一坑局部重疊，或在另一坑內(nèi)形成，或吞沒另一個(gè)坑。當(dāng)刻出的坑越來越多時(shí)，月亮表面就變成復(fù)雜的坑坑洼洼，猶如薄膜表面形成的復(fù)合透鏡。
復(fù)合透鏡在尺寸、形狀、與光軸的偏離和焦距上都可以不同。結(jié)構(gòu)的曲率、深度、尺寸、間距、材料(它決定聚合物薄膜和基體的基本折射率)和小透鏡的位置決定漫射程度，而這些參數(shù)是在按照本發(fā)明制造期間形成的。
每個(gè)小透鏡的表面都是球的局部，它起一個(gè)微型透鏡的作用，改變通過透鏡的能量的光徑。每個(gè)小透鏡的形狀是“半球狀”，這是指每個(gè)小透鏡的表面是球體的一部分，但未必是一個(gè)半球。其曲面有相對(duì)于與透明聚合物薄膜平行的第一軸(x)測(cè)量的曲率半徑和相對(duì)于與透明聚合物薄膜平行且與第一軸(x)正交的第二軸(y)的曲率半徑。陣列薄膜中的透鏡不必在x和y方向上有相等的尺寸。透鏡的尺寸，例如，在x或y方向上的長(zhǎng)度，一般都遠(yuǎn)小于薄膜的長(zhǎng)度或?qū)挾取?br> “高/徑比”是指復(fù)合透鏡的高度與復(fù)合透鏡的直徑之比?！爸睆健笔侵笍?fù)合透鏡在x和y平面內(nèi)的最大尺寸。高/徑比值是每個(gè)復(fù)合透鏡產(chǎn)生的光傳播或漫射量的主要原因之一。小高/徑比表示透鏡的直徑遠(yuǎn)大于高度，從而產(chǎn)生一種較平坦、較寬的復(fù)合透鏡。較大的高/徑值表示一種較高、較細(xì)的復(fù)合透鏡。
使用具有光軸偏離各透鏡中心的透鏡的漫射膜的結(jié)果導(dǎo)致以不對(duì)稱方式從薄膜漫射光。但應(yīng)該理解，透鏡表面可以成形到使光軸在x方向和y方向上都偏離透鏡中心。
優(yōu)選凹或凸透鏡在任何方向上的平均頻率都是5～250個(gè)復(fù)合透鏡/mm。當(dāng)薄膜含有平均285復(fù)合透鏡/mm時(shí)，透鏡寬度接近于光的波長(zhǎng)。透鏡將會(huì)使通過透鏡的光帶色并使透射光和反射光帶有不應(yīng)有的顏色。每毫米少于4個(gè)透鏡時(shí)，透鏡太大，因此以較低的效率漫射光。更優(yōu)選凹或凸透鏡在任何方向上的平均頻率為22～66個(gè)復(fù)合透鏡/mm。已經(jīng)證明，介于22～66個(gè)復(fù)合透鏡的平均頻率提供有效的光漫射并能用壓在無序刻花輥上的澆注涂布聚合物有效地制造。
表面特征優(yōu)選凹或凸透鏡在x和y方向上的平均寬度為3～60μm。當(dāng)透鏡尺寸小于1μm時(shí)，透鏡使通過的光發(fā)生色漂移，因?yàn)橥哥R尺寸與光波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)，并使透射與反射光帶上不應(yīng)有的顏色。當(dāng)透鏡在x或y方向上的平均寬度大于68μm時(shí)，透鏡就會(huì)因太大而不能有效地漫射光。更優(yōu)選凹或凸透鏡在x和y方向上的平均寬度在15～40μm之間。已經(jīng)證明該尺寸的透鏡能產(chǎn)生最有效的漫射和高的透射率。
凹或凸復(fù)合透鏡包含次透鏡，其中較小的透鏡在x和y方向上的寬度優(yōu)選在2～20μm之間。當(dāng)次透鏡的尺寸小于1μm時(shí)，透鏡使通過的光發(fā)生色漂移，因?yàn)檫@樣的透鏡尺寸與光的波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí)，并使光線帶不應(yīng)有的顏色。當(dāng)次透鏡的尺寸大于25μm時(shí)，漫射效率降低，因?yàn)橥哥R的復(fù)雜性降低了。更優(yōu)選次透鏡在x和y方向上的寬度在3～8μm之間。已經(jīng)證明該范圍產(chǎn)生最有效的漫射。
每個(gè)主透鏡上的次透鏡數(shù)目?jī)?yōu)選為2～60個(gè)。當(dāng)主透鏡含有一個(gè)或沒有次透鏡時(shí)，其復(fù)雜性降低并因此而不能有效地漫射。當(dāng)主透鏡上所含的次透鏡多于70個(gè)時(shí)，某些次透鏡的寬度接近于光的波長(zhǎng)，使透射光帶色。最優(yōu)選每個(gè)主透鏡有5～18個(gè)次透鏡。已經(jīng)證明該范圍產(chǎn)生最有效的漫射。
優(yōu)選凹或凸透鏡是半球形的，這是指每個(gè)小透鏡的表面是球的一部分，但未必是半球。這樣能在整個(gè)x-y平面內(nèi)提供很好的均勻漫射。半球狀透鏡均勻地散射入射光，這對(duì)于顯示區(qū)需要被均勻漫射的顯示器應(yīng)用是理想的。
每個(gè)小透鏡表面是一個(gè)局部球段，它起微型透鏡的作用，改變通過透鏡的能量的光徑。每個(gè)小透鏡的形狀是“半球狀”，意思是指每個(gè)小透鏡的表面是球體的一部分，但未必是半球。其曲面有一個(gè)相對(duì)于與透明聚合物薄膜平行的第一軸(x)測(cè)量的曲率半徑和一個(gè)相對(duì)于與透明聚合物薄膜平行且與第一軸(x)正交的第二軸(y)的曲率半徑。陣列薄膜中的透鏡不必在x和y方向上有相等的尺寸。透鏡的尺寸，例如在x或y方向上的長(zhǎng)度一般都遠(yuǎn)小于薄膜的長(zhǎng)度或?qū)挾取?br> 優(yōu)選表面特征呈微槽狀。微槽是槽的寬度、長(zhǎng)度或高度都在1～1000μm之間的任何槽或溝。納米顆粒和聚合物形成槽結(jié)構(gòu)(槽壁和槽底)，實(shí)際槽或溝未被填充。槽或溝可以在第二次操作中以不同的化學(xué)法填充而獲得多種用途。例如，被涂布材料可以是UV可固化材料或溶劑涂布材料，也可以是對(duì)導(dǎo)電材料的毒性傳感器。形成槽壁和槽底的納米顆粒的功效是增加槽形式的強(qiáng)度，改變槽結(jié)構(gòu)(用于光導(dǎo))的折射率或提高力學(xué)與加工性能。
優(yōu)選表面特征包含表面漫射器。表面漫射器利用其暴露于空氣的粗糙表面，使漫射器材料與周圍介質(zhì)之間具有盡可能大的折射率之差，因此，對(duì)入射光于最大的角傳播以及非常有效的漫射。
優(yōu)選包含表面微觀結(jié)構(gòu)的表面特征。表面微觀結(jié)構(gòu)在表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很容易改變，也可用熱和/或壓力改變，以使薄膜在取向前實(shí)現(xiàn)宏觀光整形效率的變化。對(duì)于不同的光整形和傳播效率以及它們要傳播多少光，可以調(diào)節(jié)微觀結(jié)構(gòu)。微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)例是簡(jiǎn)單或復(fù)合透鏡、棱鏡、棱錐和立方體。微觀結(jié)構(gòu)的形狀、幾何和尺寸都可以改變，以實(shí)現(xiàn)理想的光整形。光整形元件能形成特征如下的增亮制品一層柔軟而透明的基層和兩個(gè)分離的表面，每個(gè)表面都有一個(gè)被設(shè)計(jì)到能控制自背光顯示器發(fā)射光的出射角度的表面形貌。這種制品可以采取數(shù)種形式。增亮膜，或BEF，可以是帶尖頂、鈍頂或圓頂?shù)木€性陣列棱鏡。BEF的主要功能是增高來自LCD內(nèi)背光的光的同軸亮度。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法是把以非常淺的角度進(jìn)入薄膜的光循環(huán)回薄膜(否則這種光就會(huì)在它通過液晶時(shí)被浪費(fèi)掉)。BEF還能由可以是，例如，部分球體、棱鏡、棱錐和立方體的分離光學(xué)元件構(gòu)成。光學(xué)元件可以是無序或有序的，分離或重疊的。側(cè)面可以是斜的、彎曲的或直的，或以上三種的任意組合。光整形元件也可以是反光結(jié)構(gòu)，一般用于道路和結(jié)構(gòu)信號(hào)或?yàn)闇?zhǔn)直光所設(shè)計(jì)的菲涅耳透鏡。具有填充了納米顆粒的表面結(jié)構(gòu)能改變表面結(jié)構(gòu)的折射率，以提高它們的性能。例如，有較高折射率的的菲涅耳透鏡將有利于透鏡更有效地準(zhǔn)直光，從而使字幕投影儀更亮。表面特征可以在拉伸后形成以改變表面特征的形狀。拉伸時(shí)，納米顆粒一般不產(chǎn)生孔，因?yàn)轭w粒很小。優(yōu)選在澆注熱塑性塑料之后進(jìn)行拉伸，因?yàn)檫@樣可使聚合物取向，提高薄膜的強(qiáng)度與模量。而且，使表面特征取向能改變表面特征的幾何形狀，以增加功效。
拉伸澆注薄膜對(duì)于從表面特征所得到的拉伸獲得光學(xué)性能也是理想的。例如，當(dāng)將線性陣列沿線性陣列軸向拉伸時(shí)，該陣列就會(huì)變得更平坦且伸長(zhǎng)。如果陣列受拉時(shí)未拉伸方向上受限，則陣列的寬度不會(huì)有明顯的改變，但如果在不受限的條件下拉伸，則薄膜會(huì)出現(xiàn)細(xì)頸且陣列變窄。用逆向工程來決定澆注期間需要壓印在薄膜上的表面特征的幾何形狀，以在拉伸后獲得理想的表面特征形狀。薄膜可以相繼或同時(shí)在橫向和/或機(jī)器方向上拉伸。最好先產(chǎn)生表面特征然后拉伸薄膜，因?yàn)橐坏┍∧け焕?，許多聚合物(如PET、PEN)就會(huì)取向且對(duì)拉伸薄膜壓花所需的熱量和壓力會(huì)大大增加。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，表面特征包含粘結(jié)劑和分散在該粘結(jié)劑中的光整形劑。光整形元件優(yōu)選是聚合物珠。聚合物珠一般可見于聚合物粘結(jié)劑中，而且其尺寸、分布和密度控制光整形的量。珠可以是球狀或非球狀的。珠上涂布的聚合物有多厚能改變光整形的量。用這類光整形元件和粘結(jié)劑，很容易定制光整形的量和通過投射薄膜投射到視屏上的投影區(qū)(當(dāng)用漫射膜和投影系統(tǒng)時(shí))有多暗。粘結(jié)劑中的珠也能定制背光顯示器如LCD內(nèi)的光漫射特性。聚合物珠、粘結(jié)劑或二者都可以含納米顆粒。
關(guān)于粘結(jié)劑或聚合物珠的樹脂，可以包括熱固性樹脂，如由丙烯酸多元醇和異氰酸酯預(yù)聚體組成的熱固性聚氨酯樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等以及熱塑性樹脂如聚碳酸酯、熱塑性丙烯酸樹脂或乙烯-醋酸乙烯酯共聚物樹脂。
關(guān)于光整形層中所含的光整形元件，可以單獨(dú)或組合使用合成樹脂珠如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)珠，硅氧烷珠或苯乙烯珠。
珠的顆粒尺寸，根據(jù)相對(duì)于粘結(jié)劑的厚度適當(dāng)確定，可以是1～30μm的平均顆粒尺寸，優(yōu)選具有窄分布。聚合物珠，當(dāng)用來漫射時(shí)，光的可漫射性至少被凸出光整形元件表面的部分顆粒提高。平均顆粒尺寸的范圍應(yīng)使部分顆粒能凸出光學(xué)整形元件的表面。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，表面特征包含曲面，不論是單個(gè)或線性陣列。已知曲面能聚焦并改變透射光的方向。在曲面中加入納米顆粒會(huì)提高曲面的硬度并提供更高的光漫射或準(zhǔn)直作用。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是表面特征有凸出表面的凸起(post)花樣，在凸起和平板表面相交處的柱基周圍能留住液體。凹陷(pit)也是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兊墓鈱W(xué)特性以及它們能被其它物質(zhì)所填充。凹陷和凸起具有光學(xué)功效，對(duì)光學(xué)元件上的其它涂層也耐磨和耐擦。
優(yōu)選光學(xué)元件上的表面特征是形狀確定的離散分離光學(xué)元件，用來折射入射光分布，使從薄膜出來的光分布在一個(gè)更垂直于薄膜表面的方向上。這些分離的光學(xué)元件可以由薄膜出射表面上的凹陷或凸起形成，并包括一個(gè)或多個(gè)斜面，以便將入射光朝垂直于出射表面的方向折射。這些斜面可以包括，例如，平面與曲面的組合，使光線改向到所需要的視角內(nèi)。而且，這分離光學(xué)元件的表面曲率或曲面面積與平面面積之比以及曲面與平面的周邊形狀都可以改變，以定制薄膜的光輸出分布，定制與薄膜聯(lián)用的顯示設(shè)備的視角。此外，分離光學(xué)元件表面的曲率或曲面面積與平面面積之比都可以改變，以使在平行于棱鏡或雙凸槽薄膜的槽的平面內(nèi)傳播的光或多或少改向。分離光學(xué)元件的尺寸及數(shù)量以及分離光學(xué)元件的表面曲率都可以加以選擇，以產(chǎn)生或多或少的漫射輸出或使來自光源的輸入光分布無序化，由此形成較柔和的更彌散的光輸出分布，同時(shí)又把光輸出分布保持在約與薄膜垂直的方向上的特定角區(qū)內(nèi)。
薄膜出射表面上的表面特征(如分離的光學(xué)元件)優(yōu)選其無序化的方式會(huì)消除對(duì)液晶顯示器像素間距的任何干擾。這種無序化可包括光學(xué)元件的尺寸、形狀、位置、深度、取向、角度或密度。這樣就不需要漫射器層來消除莫阿效應(yīng)和類似效應(yīng)了。同時(shí)，至少部分分離光學(xué)元件可以在薄膜的整個(gè)出射表面上成組排列，每一組中至少部分光學(xué)元件具有不同的尺寸或形狀特征，它們集合起來使每組產(chǎn)生平均尺寸或形狀特性，它們?cè)谡麄€(gè)薄膜上變化，從而獲得超過任何單個(gè)光學(xué)元件機(jī)加公差的平均特征值并消除莫阿效應(yīng)以及對(duì)液晶顯示器像素間距的干擾作用。此外，至少部分分離光學(xué)元件可以按彼此相對(duì)的不同角度取向，以定制薄膜重新定向/改向兩個(gè)不同軸上光線的能力。
分離光學(xué)元件的光改向表面與薄膜光出射表面之間形成的夾角也可以在液晶顯示器的整個(gè)顯示區(qū)內(nèi)變化，以定制薄膜對(duì)光源表面上不均勻光輸入分布的改向功能。
光改向薄膜的分離光學(xué)元件最好也彼此以鋸齒、互鎖和/或交錯(cuò)構(gòu)型重疊，以產(chǎn)生具有優(yōu)良表面覆蓋率的光學(xué)結(jié)構(gòu)。此外，分離光學(xué)元件可以成組排列，使某些分離光學(xué)元件沿一個(gè)軸取向，而其它分離光學(xué)元件沿另一個(gè)軸取向。而且各組內(nèi)分離光學(xué)元件的取向也可以改變。更進(jìn)一步，光線再定向薄膜的分離光學(xué)元件的尺寸、形狀、位置和/或取向都可以改變以適應(yīng)光源發(fā)射光分布的變化。
光改向薄膜上光學(xué)元件的性能和花樣也可以定制到使光改向薄膜對(duì)發(fā)射不同光分布的不同類型的光源最優(yōu)化，例如，一種花樣用于單波殼膝上計(jì)算機(jī)顯示器，另一種花樣用于雙波殼平板顯示器等等。
進(jìn)一步，要提供光改向薄膜系統(tǒng)，其中光改向薄膜上分離光學(xué)元件的取向、尺寸、位置和/或形狀要針對(duì)背光或其它光源的光輸出分布進(jìn)行定制，從而把來自背光的入射光更多地再取向或改向到所希望的視角內(nèi)。同時(shí)背光也可以包括使光線準(zhǔn)直地沿一個(gè)軸的分離光學(xué)變形以及光改向薄膜可包括使光線準(zhǔn)直地沿垂直于該軸的另一個(gè)軸的分離光學(xué)元件。
對(duì)于所有的分離光學(xué)元件，納米顆粒會(huì)增加分離光學(xué)元件的折射率并提高元件的性能，同時(shí)又不會(huì)明顯影響光學(xué)元件的透射或折射。聚合物/納米顆粒共混物的透明性部分取決于其中所含納米顆粒的尺寸和折射率。如果納米顆粒的平均直徑大，則聚合物/納米顆粒共混物的透明性可能會(huì)消失。定向到含大顆粒共混物上的光會(huì)被反射回光源或偏向一旁，從而降低共混物的表觀透明度。而且，共混物的透明度也會(huì)在加入非常小的納米顆粒時(shí)消失，如果顆粒在聚合物內(nèi)團(tuán)聚。這類顆粒團(tuán)聚體起較大顆粒散射或反射光的作用。對(duì)于一種透明共混物，初級(jí)納米顆粒必須被高度分散(非團(tuán)聚的)在聚合物中才能避免光散射。
優(yōu)選表面特征包含聚合物。聚合物容易加工，一般價(jià)廉且能用成卷制造，耐撕裂且具有優(yōu)良的貼合性、良好的耐化學(xué)性和高強(qiáng)度。優(yōu)選聚合物是因?yàn)樗鼈儚?qiáng)而柔。優(yōu)選熱塑性聚合物是因?yàn)樗鼈兊某杀疽话愣急炔ＡП砻嫣卣鞯?，具有?yōu)良的光學(xué)性能且能用已知的方法如熔體擠出、真空成型和注塑成型有效地形成透鏡。為形成復(fù)合透鏡優(yōu)選的聚合物包括聚烯烴、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、纖維素酯、聚苯乙烯、聚乙烯基樹脂、聚磺酰胺、聚醚、聚酰亞胺、聚偏二氟乙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚縮醛、聚磺酸酯、聚酯離聚物、以及聚烯烴離聚物?？梢杂蒙鲜鼍酆衔锏墓簿畚锖?或混合物來提高力學(xué)與光學(xué)性能。用作透明復(fù)合透鏡的優(yōu)選聚酰胺包括尼龍6、尼龍66和它們的混合物。聚酰胺的共聚物也是適用的連續(xù)相聚合物。適用聚碳酸酯的一個(gè)實(shí)例是雙酚-A聚碳酸酯。宜作復(fù)合透鏡連續(xù)相聚合物的纖維素酯包括硝酸纖維素、三乙酸纖維素、二乙酸纖維素、乙酸丙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素以及它們的混合物或共聚物。優(yōu)選聚乙烯基樹脂包括聚氯乙烯、聚乙烯醇縮醛和它們的混合物。也能用乙烯基樹脂的共聚物。本發(fā)明的優(yōu)選聚酯包括由含4～20個(gè)碳原子的芳族、脂族或脂環(huán)族二羧酸與含2～24個(gè)碳原子的脂族或脂環(huán)族二元醇制造的那些。適用二元羧酸的實(shí)例包括對(duì)苯二甲酸、間苯二甲酸、鄰苯二甲酸、萘二羧酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、富馬酸、馬來酸、衣康酸、1，4-環(huán)己二羧酸、鈉代磺基間苯二甲酸和它們的混合物。適用二元醇的實(shí)施包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、1，4-環(huán)己二甲醇、二甘醇、其它聚乙二醇以及它們的混合物。
優(yōu)選細(xì)顆粒包含無機(jī)氧化物，更優(yōu)選金屬氧化物。本發(fā)明的無機(jī)氧化物顆粒最好基本上是球狀、尺寸較均勻(尺寸分布基本上為單分散)或由共混兩種或多種基本上單分散分布所獲得的多峰分布。更優(yōu)選無機(jī)氧化物顆粒是且基本保持是非團(tuán)聚的(基本離散的)，因?yàn)閳F(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致散射光的大顆粒，降低光學(xué)透明度。
很多膠體無機(jī)氧化物顆粒都可用于在本發(fā)明的光學(xué)元件中。代表性實(shí)例包括二氧化硅、氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯、氧化釩、氧化鉻、氧化鐵、氧化鎂、氧化銻、氧化鋅、氧化錫、鈦酸鹽(鈣或鋇)和它們的混合物。無機(jī)氧化物可主要包含單一氧化物，如二氧化硅；氧化物組合，如二氧化硅與氧化鋁；或一種氧化物芯(或一種不是金屬氧化物的材料的芯)上沉積另一種氧化物。
優(yōu)選金屬氧化物是因?yàn)榧{米尺寸的金屬氧化物容易購(gòu)得商品且它們一般都具有高折射率。此外，許多金屬氧化物都是白色粉末，能在較高重量％填充量時(shí)對(duì)可見光有高的透明性。
優(yōu)選細(xì)顆粒是金屬硫化物。優(yōu)選金屬硫化物是因?yàn)樗鼈兙哂懈哒凵渎是胰菀准庸?。PbS、ZnS、CdS是感興趣的代表性金屬硫化物。金屬硫化物之所以感興趣，是因?yàn)樗鼈兙哂须S直徑變化的電子帶隙。正確選擇這些直徑/帶隙可用來通過從來自背光的紫外波長(zhǎng)的吸收收集光并重新發(fā)射有用的可見波長(zhǎng)光，從而提高光強(qiáng)度等。而且，這類材料是穩(wěn)定的，不象有些有機(jī)熒光性材料那樣容易光褪色。此外，可以選擇某些金屬氧化物來吸收UV波長(zhǎng)的光，獲得象金屬硫化物一樣的優(yōu)點(diǎn)。納米顆粒可選來有效地吸收感興趣的染料。因超細(xì)顆粒的平均尺寸所產(chǎn)生的超高表面積，用充當(dāng)染料接收層的納米顆粒能有效地進(jìn)行吸收。
納米顆?？梢愿魃鳂拥慕M合加入，以在光學(xué)元件表面實(shí)現(xiàn)不同的顏色。金屬氧化物或硫化物納米顆粒在尺寸足夠小和顆粒尺寸分布窄時(shí)能給出強(qiáng)著色作用。此外，改變一種納米顆粒的尺寸在尺寸足夠小時(shí)可以產(chǎn)生不同的著色效果。
這類納米顆?？删哂胁煌男蚊?，包括球狀、棒狀、立方狀、板狀、不規(guī)則狀或其它基本的幾何形狀。適當(dāng)選擇形貌可有助于在光學(xué)元件表面內(nèi)的分散和光管理。顆粒尺寸分布優(yōu)選是窄的，即顆粒直徑在平均值的下面和上面的極限值在+/-25％，更優(yōu)選+/-10％以內(nèi)。窄顆粒尺寸分布有利于加工，而且有利于光管理性能，特別有利于非球狀形貌的材料在結(jié)構(gòu)中按有利于窄顆粒尺寸分布排列的方式排列。
納米顆粒在聚合物基體中的優(yōu)化填充量取決于所選擇的納米顆粒/聚合物體系。取決于所選的納米顆粒及其本身的折射率以及聚合物基體及其折射率，為了達(dá)到理想效果可接受的折射率之差，填充量可能要高達(dá)75重量％。優(yōu)選地，少于50重量％的填充量最理想，因?yàn)槿菀准庸で揖酆衔?納米顆粒復(fù)合材料所獲得的光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)更好。
優(yōu)選細(xì)顆粒包含表面官能度。表面官能度有助于顆粒與聚合物之間的相容性，使顆粒沒有明顯的團(tuán)聚傾向。為官能度進(jìn)行的一種表面處理包含含有至少一個(gè)可水解硅烷部分和至少一個(gè)可固化的非硅烷部分的部分的可固化硅烷組分。使顆粒表面帶電或涂布顆粒的表面也可產(chǎn)生表面官能度。
優(yōu)選光學(xué)元件還可包含表面活性劑或分散劑。表面活性劑/分散劑能有利于納米顆粒的處理，從而使團(tuán)聚最小化。正確選擇，例如，陰離子、陽離子、中性或兩性穩(wěn)定劑也會(huì)有利于增加聚合物-顆粒的相互作用，從而改善在聚合物基體內(nèi)的分散性和分散的容易程度。優(yōu)選表面活性劑/分散劑的重量％填充量是納米顆粒重量的0.1～100重量％，更優(yōu)選0.1～10重量％。
雖然膠體無機(jī)氧化物納米顆粒和納米粘土都是以上定義的納米顆粒，但它們具有不同性質(zhì)。膠體無機(jī)氧化物納米顆粒一般都有很高的折射率并因此用來提高聚合物表面特征的折射率。由此提高某些表面特征如為準(zhǔn)直光所設(shè)計(jì)的表面特征的效率。另一方面，納米粘土在使用時(shí)，一般都有低于大多數(shù)聚合物的折射率，且被用來降低表面特征的折射率。這可用來減少表面特征的反射。納米粘土必須分散和插層或剝層才能得到納米粘土，且一般都有某一維的尺寸小于100nm的范圍，因而形成板狀結(jié)構(gòu)。膠體無機(jī)氧化物納米顆粒必須要分散，且一般在三維上都有類似的尺寸。某些這樣的顆粒能歸類為具有不規(guī)則球狀，且通常在所有三維方向上都小于100nm。膠體無機(jī)氧化物納米顆粒和納米粘土都能改變它們分散在其中的聚合物的力學(xué)與加工性能。膠體無機(jī)氧化物納米顆粒和納米粘土能一起使用在表面特征中，以增加功效。已經(jīng)證明，膠體無機(jī)氧化物納米顆粒實(shí)際上能進(jìn)入插層的粘土層之間。
“納米復(fù)合材料”是指一種復(fù)合材料，其中至少一種組分包含一個(gè)無機(jī)相如綠土，該無機(jī)相至少有一維的尺寸在0.1～100nm范圍內(nèi)?！鞍鍫睢笔侵冈诙S上具有相同尺寸等級(jí)且遠(yuǎn)大于第三維尺寸的顆粒。這時(shí)，顆粒的長(zhǎng)度與寬度尺寸相當(dāng)，但比顆粒的厚度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
“層狀材料”是指一種無機(jī)材料，如綠土，其形式是很多層相鄰結(jié)合層?！靶∑笔侵笇訝畈牧现械囊粚訉臃蛛x層?！安鍖印笔侵敢环N或多種外來分子或外來分子的局部插在層狀材料的小片之間，通常用X-射線衍射技術(shù)檢測(cè)，如US專利5,891,611(5列10行～7列23行)所述。
“插層劑”是指插在前述層狀材料小片之間的前述外來分子?！皠儗印被颉懊搶印笔侵敢黄∑蛛x成無序結(jié)構(gòu)而無任何疊序?！安鍖拥摹笔侵敢阎辽俨糠纸?jīng)歷插層和/或剝層的層狀材料。“有機(jī)粘土”是指用有機(jī)分子改性的粘土材料。
表面特征優(yōu)選含納米粘土。適用于本發(fā)明的層狀細(xì)顆粒材料，也稱為納米粘土，其層厚尺寸在0.1～100nm范圍內(nèi)，且一般都是0.5～10nm。平均基面間距最好在0.5～10nm范圍內(nèi)，優(yōu)選為1～9nm，一般為2～5nm。納米粘土能改變表面特征的物理性質(zhì)及光學(xué)特性。納米粘土是非常有效的漫射器且可以通過改變濃度與化學(xué)定制到有寬闊范圍的透射率和濁度。
適用于本發(fā)明的層狀材料可包含任何無機(jī)相，無機(jī)相最好包含高徑比很大的板形層狀材料。但是按照本發(fā)明，高徑比大的其它形狀也是有利的。適用于本發(fā)明的層狀材料包括頁(yè)硅酸鹽，如蒙脫土，特別是鈉蒙脫土、鎂蒙脫土、和/或鈣蒙脫土、綠脫石、貝得石、鉻鈴石、鋰蒙脫石、皂石、鋅蒙脫石、sobockite、斯皂石、svinfordite、蛭石、天然水玻璃、水羥硅鈉石、滑石、云母、高嶺土以及它們的混合物。適用的其它層狀材料包括伊利石、混合層狀伊利石/綠土材料，如三八面體伊利石以及伊利石與上述名稱的粘土礦的混合物。適用的其它層狀材料，特別適用于陰離子聚合物的是層狀雙氫氧化物或水滑石，如Mg6Al3.4(OH)18.8(CO3)1.7H2O，它含有正電荷層以及層間空間內(nèi)的可交換陰離子。層上帶很少的或不帶電荷的其它層狀材料也適用，只要它們能用擴(kuò)張它們層間間距的膨脹劑被插層即可。這類材料包括氯化物如FeCl3、FeOCl；硫?qū)僭鼗衔?，如TiS2、MoS2和MoS3；氰化物如Ni(CN)2；和氧化物如H2Si2O5、V6O13、HTiNbO5、Cr0.5V0.5S2、V2O5、Ag摻雜V2O5、W0.2V2.8O7、Cr3O8、MoO3(OH)2、VOPO4-2H2O、CaPO4CH3-H2O、MnHAsO4-H2O和Ag6Mo10O33。優(yōu)選的層狀材料是可膨脹的，這樣，其它試劑，通常是有機(jī)離子或分子，就能插層和/或剝層該層狀材料，導(dǎo)致無機(jī)相的理想分散。這類可膨脹層狀材料包括21型頁(yè)硅酸鹽，如粘土文獻(xiàn)中所定義(參考，例如，H.van Olphen，“Anintroduction to clay colloid chemistry”，John Wiley & SonsPublishers)。優(yōu)選每100g具有50～300毫當(dāng)量離子交換能力的典型頁(yè)硅酸鹽。適用于本發(fā)明的優(yōu)選層狀材料包括綠土(smectite clay)，如蒙脫土、綠脫石、貝得石、鉻鈴石、鋰蒙脫石、皂石、鋅蒙脫石、sobockite、斯皂石、svinfordite、埃洛石、天然水玻璃、水羥硅鈉石、蛭石以及層狀雙氫氧化物或水滑石，最優(yōu)選的綠土包括蒙脫土、鋰蒙脫石和水滑石，因?yàn)檫@些材料在市場(chǎng)上可購(gòu)得。
顆粒在本發(fā)明光學(xué)元件中的濃度可按需而變；但優(yōu)選低于粘結(jié)劑的10重量％。過量太多的粘土?xí)蚴构鈱W(xué)部件變脆而降低光學(xué)部件的物理性質(zhì)且難以加工。另一方面，過低的粘土濃度無法實(shí)現(xiàn)所需要的光學(xué)效應(yīng)。優(yōu)選粘土濃度維持在1～10％之間，為獲得最佳結(jié)果，更優(yōu)選1.5～5％。
優(yōu)選光學(xué)元件的濁度大于70％。大于70％的濁度值提供有效的光漫射并已證明大大降低由有序表面特征如線性棱鏡所造成的不應(yīng)有的光學(xué)花樣。濁度值為70％的光學(xué)元件能漫射背光源，同時(shí)仍具有高的透光率。
優(yōu)選光學(xué)元件在被LCD顯示器內(nèi)的背光照明時(shí)，增益(gain)至少為1.2。增益定義為垂直于有光定向聚合物薄膜的顯示器的光輸出與垂直于沒有光定向聚合物薄膜的顯示器的光輸出之比。具有至少1.2的增益產(chǎn)生更亮的顯示器或能用較少電池能的顯示器。更優(yōu)選增益為1.5。棱錐體結(jié)構(gòu)，即線性陣列棱錐和許多其它表面特征幾何都能通過準(zhǔn)直進(jìn)入光學(xué)元件的光在顯示器內(nèi)產(chǎn)生增益。
優(yōu)選表面特征的百分透射率與反射率大于105。這一點(diǎn)是通過下述方式導(dǎo)向光而實(shí)現(xiàn)的將來自一個(gè)方向的入射光以所述光的最小損耗和最小改向傳播，同時(shí)以最低損耗反射來自相反方向的光。一個(gè)實(shí)施方案看上去象一個(gè)線性陣列棱錐體，其中棱錐體具有大的高徑比且棱錐體之間的空間內(nèi)填充有折射率不同的反射材料。這種光學(xué)元件起轉(zhuǎn)射器的作用，是一種能用于顯示設(shè)備中的元件，它既能用于透射模式又能用于反射模式。
優(yōu)選細(xì)顆粒的折射率大于2.0。當(dāng)在聚合物基體中加入折射率大于2.0(一般折射率為1.4～1.6)的細(xì)顆粒時(shí)，良好分散的聚合物基體的折射率增大。許多光學(xué)特征如漫射器和準(zhǔn)直薄膜依靠聚合物表面特征與空氣的折射率之差起作用，因此當(dāng)聚合物基體的折射率增大時(shí)，工作效率更高。納米顆粒在提高折射率方面有優(yōu)越性，因?yàn)樗鼈兡苡绊懻凵渎识粫?huì)明顯改變光學(xué)元件的散射性。優(yōu)選光學(xué)元件的折射率由基體聚合物改變至少0.02。折射率的增大會(huì)提高光學(xué)元件的性能，甚至折射率增大0.02也會(huì)產(chǎn)生光學(xué)效益。更優(yōu)選光學(xué)元件由基體聚合物改變至少0.1。已經(jīng)證明在某些準(zhǔn)直薄膜中折射率增加0.1就能使增益提高4％，因此能延長(zhǎng)顯示器內(nèi)電池的壽命。
優(yōu)選基體是透光率至少85％的聚合物。85％的透光率可以使背光設(shè)備延長(zhǎng)電池壽命并增加視屏亮度。最優(yōu)選的基體透光率是大于92％。92％的透光率允許背光透射并最大化液晶設(shè)備的亮度，從而大大改進(jìn)顯示器亮度必須和自然陽光競(jìng)爭(zhēng)的室外背光設(shè)備的圖象質(zhì)量。
優(yōu)選基體是含孔聚合物。優(yōu)選微孔基體是因?yàn)榭啄芴峁┎煌该餍远槐赜肨iO2。它們?cè)诖蛴∑陂g也起緩沖作用。微孔復(fù)合材料取向板的傳統(tǒng)制造方法是共擠出芯和表面層，接著進(jìn)行雙軸取向，這時(shí)在芯層內(nèi)所含孔引發(fā)材料的周圍形成許多孔。含孔聚合物基體能在透射或反射中漫射光。這類復(fù)合材料板已公開在，例如，US專利4,377,616；4,758,462和4,632,869中。含孔聚合物基體能用孔引發(fā)顆粒成孔，也能發(fā)泡成孔。
優(yōu)選光學(xué)元件兩面都有表面特征。通過在不止一面帶有表面特征，可以實(shí)現(xiàn)更多的光整形，因?yàn)楣鈱⑼ㄟ^兩個(gè)具有表面特征的界面。例如，面朝光源的表面上可以有一種散射織構(gòu)如復(fù)合透鏡結(jié)構(gòu)以漫射光線，而遠(yuǎn)離光源的那一面可以有起準(zhǔn)直光線作用的表面特征，如棱鏡陣列或棱錐形。在一個(gè)實(shí)施方案中，兩面的表面特征要對(duì)準(zhǔn)。每一面的表面特征如曲率、深度、尺寸、間距和幾何形狀以及高徑比都可以改變。
優(yōu)選基體含顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。納米顆粒能改變基體的折射率而不會(huì)明顯影響基體的散射作用。而且，在基體中加入納米顆粒能增加基體的可印刷性并提高基體的力學(xué)特性，如硬度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。此外，在基體中加入納米顆粒時(shí)，可以對(duì)基體定制表面特征的折射率，使基體與表面特征之間的界面上沒有菲涅耳損耗。
優(yōu)選基體能衍射光。基體可以是全息的或含許多薄層。這樣可把全息圖象加進(jìn)光學(xué)元件，以獲得更有趣的視覺效果。也可以通過衍射大部分可見光而造成鏡面效應(yīng)。含全息基體的光學(xué)元件可用在表或鐘內(nèi)的LC顯示器中，還能定制?；w也可以含不混溶聚合物的共混物。
優(yōu)選用熱使表面特征的尺寸至少改變5％。表面特征也可以用熱與壓力的組合或僅用壓力來改變。方法是用熱和/或壓力以梯度或花樣方式來改變表面特征的形狀。當(dāng)在特征上施熱和/或壓力時(shí)，特征將部分或全部熔化、流動(dòng)并冷卻成一種局部或全部特征已平坦化的新結(jié)構(gòu)。熱和/或壓力是選擇性地關(guān)閉薄膜上光學(xué)性能的一種方法，并能以非常精確的方式施加，由此在光定向薄膜內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)、線、花樣和織構(gòu)。該方法可用來定制漫射和鏡面透射量以滿足液晶設(shè)備背光輸出的需求。
優(yōu)選用電阻加熱頭或激光加熱系統(tǒng)來施加熱和/或壓力。電阻加熱頭如熱印機(jī)中可見的印刷頭，用熱和壓力來熔化表面特征。優(yōu)選該方法是因?yàn)樗哂芯_的分辨率，能在表面特征熔化的同時(shí)上色，而且用熱和壓力能熔化一系列聚合物。優(yōu)選顏色要加在改性區(qū)。加入的色料優(yōu)選是染料，因?yàn)槿玖鲜峭该鞯模灾珔^(qū)顯得光亮而帶色。而且，用升華的染料和熱印機(jī)，容易在產(chǎn)生鏡面區(qū)的同時(shí)加進(jìn)染料。這一點(diǎn)具有優(yōu)越性，因?yàn)樵谥珔^(qū)(有染料)與改性表面特征區(qū)之間不存在定位問題，因?yàn)樗鼈兪怯脙r(jià)廉且已受印刷工業(yè)支持的印刷技術(shù)同時(shí)生成的。
光整形元件優(yōu)選包含直徑小于100nm的納米顏料。納米尺寸顏料的優(yōu)點(diǎn)在于，為實(shí)現(xiàn)相同的色飽和度所需要的顏料比微米量級(jí)或較大顏料顆粒時(shí)少，因?yàn)轭伭项w粒非常小，對(duì)著色更有效。而且，由于所有的顏料都集中在表面特征內(nèi)，要達(dá)到相同著色效果所需的顏料量比光學(xué)元件整體內(nèi)都有納米顏料時(shí)的少，因?yàn)轭伭霞性诒?表面特征)內(nèi)更有效。由于納米顏料比光的波長(zhǎng)小，所以納米顏料對(duì)光的散射不如較大顆粒顏料的那么嚴(yán)重。優(yōu)選基體含小于100nm的納米顏料，因?yàn)檫@類顏料能更均勻地分布在薄膜的整個(gè)幅寬內(nèi)，而如果表面特征是大的且包含納米顏料，則可能會(huì)出現(xiàn)色差。任何其它著色劑如染料也可以用在基體或表面特征內(nèi)。
優(yōu)選光學(xué)元件內(nèi)存在壓敏粘合劑。壓敏粘合劑可以是永久性或可重新定位的。壓敏粘合劑用來把薄膜粘結(jié)到物體，如ID牌上，顯示部分，或粘結(jié)在其它薄膜上。優(yōu)選粘合劑涂布或施加在基體上。優(yōu)選的壓敏粘合劑是丙烯酸-基粘合劑。已經(jīng)證明丙烯酸粘合劑能在塑料之間產(chǎn)生優(yōu)良的粘結(jié)性。優(yōu)選粘合劑材料可以用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的許多方法涂布，以產(chǎn)生薄而一致的粘合劑涂層。實(shí)例包括凹版涂、棒涂、逆向輥涂和漏斗涂。在顯示器介質(zhì)內(nèi)，壓敏粘合劑用來把光學(xué)薄膜粘結(jié)到波導(dǎo)、偏振器或其它薄膜上。由此就減少了光學(xué)薄膜因在設(shè)備周圍的滑動(dòng)或弓曲而導(dǎo)致光學(xué)缺陷的機(jī)會(huì)。也使顯示器制造廠的裝配變得更簡(jiǎn)便。
優(yōu)選的襯里材料或可剝離背料是聚合物的取向板。優(yōu)選襯里是取向聚合物是因?yàn)樵谌∠蜻^程中提高了強(qiáng)度和韌性，而且粉塵與起毛量較少，而如果用紙襯里則會(huì)引進(jìn)粉塵和起毛。用作襯里基體的優(yōu)選聚合物包括聚烯烴、聚酯和尼龍。優(yōu)選的聚烯烴聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、聚苯乙烯、聚丁烯、和它們的混合物。包括丙烯與乙烯的共聚物，如己烯、丁烯和辛烯在內(nèi)的聚烯烴共聚物也有用。最優(yōu)選聚酯，因?yàn)樗哂性诟咚儋N標(biāo)簽設(shè)備內(nèi)有效輸運(yùn)標(biāo)簽或光學(xué)薄膜襯里所需要的理想強(qiáng)度和韌性。
優(yōu)選在光學(xué)元件上附加表皮層以實(shí)現(xiàn)附加功效。優(yōu)選表皮層含有顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。納米顆粒能改變表皮層的折射率而不會(huì)明顯影響基體的散射。而且，在基體中加入納米顆粒能提高可印刷性并提高整個(gè)光學(xué)元件的力學(xué)特性如硬度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和可加工性。為獲得相同的物理或光學(xué)性質(zhì)，在表皮層內(nèi)加入細(xì)顆粒，相對(duì)于在基體中加入，所需用量較少，因?yàn)榧?xì)顆粒在高濃度表皮層內(nèi)能更有效地發(fā)揮作用。
優(yōu)選光學(xué)元件包含附加層，附加層與表面特征之間的折射率之差至少為0.05。如果元件平面內(nèi)的折射率之一與附加層相同，而垂直于第一軸的折射率相差0.05以上，則可產(chǎn)生反射偏振器。附加層也可以形成消反射元件或提高光學(xué)元件的光學(xué)性能。
表皮層還可含有淺色抗靜電材料或不同的成孔材料以產(chǎn)生具有獨(dú)特性能的板材?？梢园压鈱W(xué)元件制成帶有能提供更好粘結(jié)性的表面層。本發(fā)明的附加物可以是一個(gè)光學(xué)增亮器。光學(xué)增亮器基本上是無色的熒光性有機(jī)化合物，它吸收紫外光并把它以可見藍(lán)光發(fā)射出來。實(shí)例包括，但不限于，4，4′-二氨基芪-2，2′-二磺酸的衍生物；香豆素衍生物，如4-甲基-7-二乙基氨基香豆素、1，4-雙(鄰-氰基苯乙烯基)苯和2-氨基-4-甲基苯酚。光學(xué)增亮器可用于表皮層，導(dǎo)致更有效地利用光學(xué)增亮器。
光學(xué)元件可在共擠出和取向工藝之后或在澆注和完全取向之間用任意層數(shù)可用來改進(jìn)板材性能包括可印刷性在內(nèi)的涂層進(jìn)行涂布或處理，以提供蒸氣阻隔性、使它們可熱封或改進(jìn)粘結(jié)性。其實(shí)例是為獲得可印刷性的丙烯酸涂層、為獲得熱封性的聚偏二氯乙烯涂層。其它實(shí)例包括為提高可印刷性或粘結(jié)性的火焰、等離子體或電暈放電處理。
本發(fā)明的光學(xué)元件可與由透明聚合物制成的薄膜或板材組合使用。這類聚合物的實(shí)例是聚酯，如聚碳酸酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯；丙烯酸聚合物如聚甲基丙烯酸甲酯；以及聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚醚砜、聚砜、聚丙烯酸酯和三乙酰基纖維素。投影介質(zhì)可安裝在一塊玻璃板支座上。在另一方面，本發(fā)明的光學(xué)元件也可以包括一層或多層光學(xué)涂層，以改進(jìn)通過薄膜的透光率。為了提高光管理薄膜的效率，涂布一層消反射(AR)涂層也常是理想的。
本發(fā)明的光學(xué)元件可以在不降低光學(xué)特性的范圍內(nèi)加進(jìn)添加劑或潤(rùn)滑劑等，例如，為改進(jìn)薄膜可拉伸性和表面滑溜性的二氧化硅，目的是改變一定入射角的光散射或整形性。這類添加劑的實(shí)例是有機(jī)溶劑，如二甲苯、醇或酮，細(xì)顆粒丙烯酸樹脂、硅樹脂或Δ金屬氧化物或填料。
本發(fā)明的光學(xué)元件也可與光漫射器，例如，體漫射器、雙凸層、含珠層、表面漫射器、全息漫射器、微觀結(jié)構(gòu)漫射器、另一個(gè)透鏡陣列或它們的各種組合聯(lián)用。光學(xué)元件也可以與堆疊的不止一塊光學(xué)管理薄膜板或任何其它光學(xué)薄膜，包括增亮膜、反光膜、波導(dǎo)和漫射器等一起用于某種應(yīng)用。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，表面特征是有序的。通過提供一種有序表面特征，可以由本發(fā)明的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光定向和光導(dǎo)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，表面特征是無規(guī)的。通過提供一種無規(guī)表面特征，可以由本發(fā)明的光元件實(shí)現(xiàn)光漫射。更進(jìn)一步，已經(jīng)證明，無規(guī)表面特征會(huì)減少不應(yīng)有的光學(xué)花樣，例如由有序表面特征可能產(chǎn)生的莫阿花樣。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的表面特征包含棱鏡。棱鏡結(jié)構(gòu)是周知的且能通過排斥斜入射到表面的光能而有效地增加透射光的亮度。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，本發(fā)明的表面特征包含一個(gè)角立方體。角立方體表面特征是周知的且能減輕不應(yīng)有的環(huán)境光的閃光。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，光學(xué)元件含有光學(xué)墊片，以提供空氣間隙、規(guī)范的焦距和耐刮性和耐沖擊性。優(yōu)選含平均粗糙度等于至少5μm的粗糙表面的光學(xué)元件，其中粗糙表面含至少兩組粗糙度，其中，優(yōu)選所述至少兩組的粗糙度之差至少為8μm。含兩組粗糙度的光學(xué)元件提供至少一個(gè)功能光學(xué)表面，如光漫射器或光導(dǎo)，而另一組在由不止一個(gè)光學(xué)部件組成的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)提供間距。通過提供至少一組比其它更高的粗糙度，較高粗糙度的那一組提供與其它光學(xué)部件的光學(xué)接觸，而另一組粗糙度提供光學(xué)功效，如光定向或光漫射。而且，優(yōu)選這兩組粗糙度之差至少為8μm，因?yàn)樾∮?μm的間距會(huì)導(dǎo)致不應(yīng)有的光干涉花樣。
精確控制本發(fā)明的光學(xué)元件與其它光學(xué)部件之間的空氣間隙能大大提高光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)元件的效率和可變性。一個(gè)實(shí)例是含整體光學(xué)墊片的可見光漫射薄膜。通過在表面漫射器與其它光學(xué)部件之間提供一個(gè)光學(xué)墊片，漫射光進(jìn)入其它光學(xué)部件的傳播可以通過光學(xué)墊片與光漫射元件的相對(duì)高度來規(guī)范和控制。鏡面光源如激光，在不用墊片時(shí)，可以被表面漫射進(jìn)一個(gè)窄錐體，而在用了比漫射元件大5～20倍的墊片時(shí)，可以被漫射進(jìn)一個(gè)寬錐體。窄的光漫射錐體傾向于在LC設(shè)備內(nèi)提供窄視角，而寬錐體將提供較大的視角。窄錐與寬錐漫射器都有用，取決于光漫射的應(yīng)用。
優(yōu)選本發(fā)明的光學(xué)元件包含一個(gè)幾何形狀的墊片。高度大于功能光學(xué)元件的幾何墊片，在與其它光學(xué)部件如增亮薄膜和偏振薄膜組合使用時(shí)，提供精確的空氣間隙。幾何形狀同時(shí)為反射和透射光能量提供力學(xué)和光學(xué)功效。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，適用于本發(fā)明的幾何墊片包含圓柱。圓柱提供鏡面光透射且耐沖擊。而且，當(dāng)本發(fā)明的光學(xué)元件要與其它光學(xué)部件組合使用時(shí)，圓柱的端面提供優(yōu)良的接觸點(diǎn)。
優(yōu)選彈性模量大于500MPa的表面特征。大于500MPa的彈性模量允許表面特征與壓敏粘合劑層合以便與其它光學(xué)網(wǎng)狀材料組合。進(jìn)一步，因?yàn)楸砻嫣卣魇橇W(xué)韌性的，所以，與現(xiàn)有技術(shù)中易損和難以裝配的澆注漫射薄膜相比，本光漫射器更能承受裝配工藝中的嚴(yán)格要求。
優(yōu)選光整形元件包含UV熒光劑。該熒光劑吸收UV光并發(fā)射可見光。這是提高背光顯示器亮度的一種方法，該方法不是從背光源吸收UV光，而是靠熒光劑把UV光轉(zhuǎn)化為可見光。通過有層在UV光照射下會(huì)發(fā)光，或有一定的延遲因而使熒光劑在暴露于UV光后不斷發(fā)出熒光，所以在黑暗中發(fā)光的薄膜，也使光學(xué)管理薄膜的視覺效果更好。
優(yōu)選表面特征可接收至少0.5的染料密度。這能使表面特征被直接印刷上以產(chǎn)生帶表面織構(gòu)和顏色的光管理薄膜。光整形元件可接收染料密度而不改變形狀，或者能部分或全部塌陷而產(chǎn)生鏡面反射或透射區(qū)。優(yōu)選能接收染料的這一層能接收至少1.5的染料密度。已經(jīng)證明，能接收至少1.5染料密度的DRL能復(fù)制大部分Pantone色空間并產(chǎn)生真實(shí)和飽和的顏色。優(yōu)選DRL使著色有效地被轉(zhuǎn)移并媒染進(jìn)光學(xué)元件。DRL必須與擬成象的著色劑相容才能產(chǎn)生理想的色域和密度。DRL可以是，例如，熱染料接收層、油墨接收層、調(diào)色劑接收層等。
已建議將聚碳酸酯(本文所用的術(shù)語“聚碳酸酯”是指碳酸與二元醇或二酚的產(chǎn)物)和聚酯用于熱印的圖象接收層。已發(fā)現(xiàn)聚碳酸酯(如US專利4,740,497和4,927,803公開)在用于熱染料轉(zhuǎn)印時(shí)，具有良好的吸染性和理想的低褪色性。正如美國(guó)專利4,695,286所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)均分子量至少約25,000的雙酚-A聚碳酸酯是特別理想的，因?yàn)樗鼈円彩篃嵊∑陂g可能會(huì)出現(xiàn)的表面變形最小化。
另一方面，聚酯很容易用相對(duì)無毒的化學(xué)起始材料以不用溶劑的熔體縮聚進(jìn)行合成和加工。由芳族二酯形成的聚酯(如US專利4,897,377所公開)在用于熱染料轉(zhuǎn)印時(shí)，一般都有良好的染料吸收性。由脂環(huán)族二酯形成的聚酯公開在US專利5,387,571(Daly)中，以及聚酯和聚碳酸酯的共混物公開在US專利5,302,574(Lawrence等)中，這些專利的公開包括于此供參考。
聚合物可以經(jīng)共混用于染料接收層內(nèi)，以獲得各聚合物的優(yōu)點(diǎn)并最優(yōu)化組合效應(yīng)。例如，US專利4,695,286中所述的那種較價(jià)廉的未改性雙酚-A型聚碳酸酯可以與US專利4,927,803中所述的那種改性聚碳酸酯共混，以獲得更耐熱印期間可能出現(xiàn)的表面形變以及印刷后可能出現(xiàn)的光褪色且成本介于兩者之間的接收層。但是，如果聚合物不能彼此完全混溶，則用這類聚合物共混物會(huì)帶來問題，因?yàn)檫@類共混物會(huì)表現(xiàn)出一定的濁度。雖然濁度一般是不希望的，尤其有損于透明接收器。不完全相容的共混物也會(huì)導(dǎo)致可變的染料接收，不良的圖像穩(wěn)定性和與染料給體可變的粘結(jié)性。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，二元羧酸衍生單元與二元醇衍生單元的脂環(huán)族環(huán)含4～10個(gè)環(huán)碳原子。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，脂環(huán)族環(huán)含6個(gè)環(huán)碳原子。
優(yōu)選用于熱染料轉(zhuǎn)印的染料-接收元件包含一種未改性雙酚-A聚碳酸酯和一種聚酯的混溶性共混物，所述聚碳酸酯的數(shù)均分子量至少約25,000，所述聚酯包含重復(fù)的二元酸衍生單元與二元醇衍生單元，優(yōu)選至少50mol％二元酸衍生單元包含在相應(yīng)二元羧酸中各羧基的2個(gè)碳原子之間有一個(gè)脂環(huán)族環(huán)的二元羧酸衍生單元，以及至少30mol％二元醇衍生單元包含一個(gè)與相應(yīng)二元醇中每個(gè)羥基不直接鄰接的芳環(huán)或一個(gè)脂環(huán)族環(huán)。該聚合物共混物具有優(yōu)良的染料吸收性和圖像染料穩(wěn)定性，而且它基本上沒有濁度。它提供一種具有更高抗指紋性和耐轉(zhuǎn)寫性的接收器，而且能在熱印機(jī)內(nèi)以大大減少的熱頭壓力和印行時(shí)間被有效地印刷。意外的是，已發(fā)現(xiàn)這些脂環(huán)族聚酯與高分子量聚碳酸酯是相容的。
數(shù)均分子量至少約25,000的未改性雙酚-A聚碳酸酯的實(shí)例包括US專利4,695,286所公開的那些。具體實(shí)例包括Makrolon 5700(BayerAG)和LEXAN 141(通用電氣公司)聚碳酸酯。
在本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，未改性雙酚-A聚碳酸酯與聚酯聚合物要按某重量比共混，以使最終共混物具有理想的Tg并成本最低。傳統(tǒng)上，聚碳酸酯與聚酯聚合物可以按約75∶25～25∶75，更優(yōu)選約60∶40～約40∶60的重量比進(jìn)行共混。
對(duì)于本發(fā)明的共混物，聚酯所必要特性如下它們不含芳族二酯如對(duì)苯二甲酸酯；以及它們與聚碳酸酯在感興趣的組成混合下是相容的。優(yōu)選聚酯的Tg為約40℃～約100℃，聚碳酸酯的Tg為約100℃～約200℃。優(yōu)選聚酯的Tg比聚碳酸酯的低，并對(duì)聚碳酸酯起增塑劑的作用。優(yōu)選最終聚酯/聚碳酸酯共混物的Tg在40℃～100℃之間。Tg較高的聚酯和聚碳酸酯可以添加增塑劑后使用。
由于本發(fā)明的光學(xué)元件一般都用于投影或顯示系統(tǒng)，所以優(yōu)選彈性模量高于500MPa的光學(xué)元件。優(yōu)選抗沖擊性高于0.6GPa的光學(xué)元件。高于0.6GPa的抗沖擊性可以使光學(xué)元件耐刮和耐機(jī)械變形。
優(yōu)選采用聚合物擠涂工藝來產(chǎn)生表面特征。產(chǎn)生表面上有一涂層樹脂且樹脂具有表面織構(gòu)的聚合物薄膜的方法是已知的。讓表面上有熔體樹脂的聚合物薄膜與帶有表面花樣(與薄膜上所需花樣相反)的花樣輥接觸。在該工藝期間，花樣輥表面上的表面織構(gòu)被壓印進(jìn)涂有樹脂的聚合物薄膜中。因此花樣輥上的表面花樣對(duì)于在所得光學(xué)元件的樹脂內(nèi)產(chǎn)生的表面是非常重要的。花樣輥的表面也能用任何方法在輥上產(chǎn)生所需要的花樣，如金剛鉆切割、激光蝕刻或光刻，以產(chǎn)生所需表面特征花樣的反轉(zhuǎn)花樣。
類似地，光學(xué)元件也可以用共擠出法形成。擠出和共擠出技術(shù)是本領(lǐng)域內(nèi)周知的，且在，例如，Encyclopedia of Polymer Science andEngineering，Vol.3，John Wiley，New York，1985，p.563和Encyclopediaof Polymer Science and Engineering，Vol.6，John Wiley，New York，1986，p.608中已有所述，其中的公開內(nèi)容包括于此供參考。
優(yōu)選用溶劑涂布法形成表面特征。涂料可以用傳統(tǒng)的預(yù)計(jì)量或后計(jì)量溶劑涂布法，如刮涂、空氣刀涂、棒涂、輥涂等方法，施加在基體的一面或兩面。涂布方法的選擇取決于操作成本，涂布方法又確定了配方規(guī)范，如涂料固體、粘度和速度。涂布工藝能在連續(xù)操作機(jī)上進(jìn)行，在其中，在底基上涂布一層或多層。溶劑涂布是優(yōu)選的，因?yàn)檫@種方法成卷進(jìn)行，且一次能在聚合物上涂布多達(dá)15層的不同涂層。
本發(fā)明的光學(xué)元件還可以用圍繞花樣的真空成型法、注塑法或在聚合物網(wǎng)上壓花等方法制造。
光學(xué)元件能轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷浔∧せ蜣D(zhuǎn)射薄膜，方法是在本發(fā)明擬用作交通信號(hào)反光膜的薄膜上涂布一層由金屬膜等組成的反射膜。它可以適用于汽車、自行車、人等的狀態(tài)使用。光學(xué)元件的表面還能部分金屬化，由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)射器，即LCD中的光學(xué)膜，這樣LCD就既能用于反射模式又能用于透射模式。本發(fā)明的光學(xué)元件可通過層合一層由氧化銦組成的以ITO膜為代表的透明導(dǎo)電層作電極用。
光學(xué)元件的另一項(xiàng)應(yīng)用是背投視屏，這時(shí)一般都希望把圖象從光源投射到大面積視屏上。電視機(jī)的視角一般在垂直方向上比水平方向上小，因此在整個(gè)顯示器上可變的漫射能控制整個(gè)顯示器的視角和亮度。
本說明書中所提及的專利和其它出版物的全部?jī)?nèi)容都包括在此供參考。
實(shí)施例在本實(shí)施例中，模擬化將說明在聚合物表面特征中加入細(xì)顆粒時(shí)，準(zhǔn)直來自背光光的光學(xué)元件的光學(xué)性能得到了提高。
模擬薄膜是一個(gè)帶表面特征的基體，表面特征的形式是線性陣列三角棱鏡。整個(gè)薄膜厚155μm，其中，基體厚為105μm，棱鏡高為50μm。模擬的基體是折射率為1.50的取向聚酯。每個(gè)棱鏡的棱角為90°，節(jié)距(pitch)為50μm。該薄膜一般用來準(zhǔn)直液晶顯示器的背光。其性能用增益來量度(薄膜與同軸背光的亮度除以只有同軸背光的亮度)。棱鏡起準(zhǔn)直來自背光的光線并以高角度反射回(用全內(nèi)反射)入射到薄膜上的光線。當(dāng)線性陣列棱鏡具有較高折射率時(shí)，增益提高，從而顯示器更亮。
為提高表面特征內(nèi)聚合物的折射率，要在聚合物基體中加入高折射率的納米顆粒。將分散良好的金紅石TiO2、ZnS和Fe2O3納米顆粒與聚碳酸酯的共混物進(jìn)行模塑，以決定細(xì)顆粒對(duì)共混物的作用。模塑的顆粒是全都良好分散在聚碳酸酯中的10納米顆粒尺寸(顆粒尺寸分布約22％)的金紅石TiO2、ZnS和Fe2O3的混合物。
顆?？梢杂脝温輻U或雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行分散。顆?？梢跃哂斜砻婀倌芏?例如處理到帶有表面電荷)或分散劑，以保持顆粒免于團(tuán)聚。分散劑必須能起作用并在擠出溫度(例如，315℃)下不降解。
金紅石TiO2的折射率＝2.62聚碳酸酯的折射率＝1.586
ZnS的折射率＝2.37聚碳酸酯的折射率＝1.586
Fe2O3的折射率＝2.63聚碳酸酯的折射率＝1.586
用Light Tool，即購(gòu)自O(shè)ptical Research協(xié)會(huì)的一個(gè)商用序列線蹤軟件包、上述線性陣列，并用上表的折射率作為表面特征的折射率建立一個(gè)模型。發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面結(jié)構(gòu)的折射率從1.59到1.69增加0.1時(shí)，導(dǎo)致光學(xué)薄膜的增益提高4.8％。
為了使聚碳酸酯的折射率提高0.1，必須在表面特征(折射率約1.59)中加入約28重量％TiO2或Fe2O3或35重量％ZnS。即使在表面特征聚合物內(nèi)加進(jìn)少得多的納米顆粒量，也仍會(huì)提高光學(xué)薄膜的增益并為顯示器的設(shè)計(jì)者和用戶提供效益。
由于所用的納米顆粒很昂貴，在表面特征中而不是在光學(xué)元件整個(gè)體積內(nèi)含納米顆粒聚合物共混物，就節(jié)約了資金，同時(shí)也給出了同樣的光學(xué)結(jié)果。
納米顆粒/熱塑性聚合物共混物也具有更高了力學(xué)特性，如更高的模量和耐刮性。納米顆粒也影響熔點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這會(huì)提高聚合物熔體加工條件。納米顆粒也提高光學(xué)元件的可印刷性。
雖然本實(shí)施例用來提高準(zhǔn)直薄膜的增益，且因此用了高折射率的納米顆粒，但也能用本實(shí)施例重點(diǎn)介紹以外的其它納米顆粒，且可以用同樣的原理來產(chǎn)生折射率較低的聚合物/納米顆粒共混物，以作消反射涂層之類的應(yīng)用。
本說明書中提到的專利和其它出版物的全部?jī)?nèi)容都包括于此供參考。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，包含其表面上具有熱塑性表面特征的基體，表面特征的Ra為3～200μm，含顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中細(xì)顆粒的顆粒尺寸小于15nm。
3.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中細(xì)顆粒的顆粒尺寸分布小于25％。
4.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征的Ra為5～100μm。
5.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征的Ra為25～75μm。
6.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含聚合物珠。
7.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含曲面。
8.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含復(fù)合透鏡。
9.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含凹陷或凸起。
10.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含線性陣列棱鏡。
11.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含棱錐體。
12.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含菲涅耳透鏡。
13.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含微槽。
14.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中細(xì)顆粒包含無機(jī)氧化物。
15.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中細(xì)顆粒包含金屬硫化物。
16.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中細(xì)顆粒的折射率至少為2.0。
17.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中細(xì)顆粒包含表面官能度。
18.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含納米粘土。
19.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征的濁度至少為70％。
20.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征的增益至少為1.2。
21.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中來自背光的透射率和來自環(huán)境光的反射率之和大于105％。
22.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該光學(xué)元件還包含表面活性劑或分散劑。
23.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中該光學(xué)元件與基礎(chǔ)聚合物的折射率之差至少為0.02。
24.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征含有直徑小于100nm的納米顏料。
25.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中表面特征包含聚酯和聚碳酸酯的混合物。
26.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中基體是一種透光率至少85％的聚合物。
27.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中基體的非特征部分含顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
28.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中基體衍射光。
29.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中基體含尺寸小于100nm的納米顏料。
30.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其包含含有顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒分散體的表皮層。
31.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其包含帶表面特征的附加層，其中，所述附加層和表面特征與相鄰層的折射率之差至少為0.05。
32.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其還包含壓敏粘合劑層。
33.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中光學(xué)特征作為基體整體的一部分存在。
34.權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中光學(xué)特征作為與基體分離的層存在。
35.一種光改向薄膜，包括具有形狀確定的分離光學(xué)元件的薄光學(xué)透明基體，所述光學(xué)元件把通過該基體的光再分配到垂直于基體的方向上，至少某些光學(xué)元件有至少一個(gè)曲面和至少一個(gè)平面，以把光再分配到兩個(gè)不同的軸向上，至少某些光學(xué)元件彼此重疊，其含有顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
36.一種光改向薄膜，包括具有形狀確定的分離光學(xué)元件的薄光學(xué)透明基體，所述光學(xué)元件把通過基體的光再分配到垂直于基體的方向上，至少某些光學(xué)元件包含具有至少一個(gè)曲面和至少一個(gè)平面的非棱鏡元件，以把光再分配到兩個(gè)不同的軸向上，所述光學(xué)元件含有顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
37.一種光改向薄膜，包括具有形狀確定的分離光學(xué)元件的薄光學(xué)透明基體，所述光學(xué)元件把通過該基體的光再分配到垂直于基體的方向上，至少某些光學(xué)元件在至少下列特征之一上有所變化傾角、密度、位置、取向、高度、深度、形狀或尺寸，以使薄膜適合于不同背光的光線輸出分布，所述光學(xué)元件含有顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光學(xué)元件，它包含表面上有表面特征的基體，該表面特征的Ra為3～200μm，含顆粒尺寸小于100nm的細(xì)顆粒的分散體。
文檔編號(hào)G02B1/04GK1795399SQ200480014057
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2004年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月22日
發(fā)明者C·J·卡明斯基, R·P·布爾德萊斯, G·C·小歐文 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司