具体实施方式
本发明同本领域中的现有技术方案相比具有许多优点。本发明提供了单向光源的漫射,这些光源常用于背投显示装置比如液晶显示装置中。而且,本发明在提供光源的漫射的同时还具有高的光透射率。光漫射体具有高的透射率对于液晶显示装置而言尤其重要,因为高透射值会使得液晶显示器在更亮或者在保持亮度水平不变的同时实现背光功耗的降低,由此而延长笔记本电脑所常用的电池供电的液晶显示器的寿命。很容易就能改变本发明表面子透镜结构的聚合物层,以实现许多液晶显示器所需的漫射和光透射要求,由此使得本发明材料能够适应液晶显示器市场上快速变化的产品需求。
相对于现有技术浇铸涂布的聚合物漫射体,该漫射体的弹性模量和抗划伤性得到改进,从而在液晶显示装置组装操作过程中保持了更为坚固的漫射体。从如下具体说明中可明显地看到这些和其它优点。
术语“LCD”指的是任何利用液晶来成像的背投显示装置。术语“漫射体”指的是任何能够将单向光(有主方向的光)漫射成漫射光(光线方向无规的光)的材料。术语“光”指的是可见光。术语“漫射光透射”指的是500nm处按漫射方式透射的光占光源500nm处总光量的百分数。术语“总光透射”指的是500nm处透射通过样品的光占光源500nm处总光量的百分数。这包括光的光谱透射和漫透射。术语“漫射光透射效率”指的是500nm处漫透射光百分率与500nm处总体透射光的百分率之比乘以系数100。术语“聚合物膜”指的是包含聚合物的膜。术语“聚合物”指的是均和共聚物。就透镜尺寸和出现率而言,术语“平均”指的是整个膜表面积上的算术平均。
“透明”指的是膜在500nm处的总光透射为50%或更大。就膜上的子透镜排布形式而言,“在任何方向上”指的是膜平面内沿x和y方向上的任何方向。术语“图案”指的是透镜的任何预定排布形式,不管其是有规律的还是无规的。
更好地控制和操纵背光推动液晶显示器(LCD)。LCD屏幕和其它电子软显示介质主要利用单向(高度方向性)荧光管来实现背光照明。利用漫射膜在整个显示器区域内均匀分布光线并且将光线由单向光转变为漫射光。射出显示器叠层的液晶部分的光线以窄光柱的形式离开,必须使其再散射。在显示器该部分中使用漫射体是为了选择性地水平发散光线以增强视角。
漫射是通过光线在以变化的折射率穿过材料时发生散射来实现的。这种散射产生了光能量的漫射介质。光透射和漫射之间有着反比关系,必须针对每一用途找到这两个参数的理想组合。
背漫射体直接放置在光源的前面,它将单向光变成漫射光从而用来使整个显示器内的光线均匀。漫射膜由卷材上的多个子透镜构成,以此发散和漫射进入的光线。现有技术漫射LCD背光的方法包括层叠折射率不同的聚合物膜、具微孔的聚合物膜或者以无光树脂或珠粒涂布该膜。前漫射体的作用是按方向选择性方式发散射出液晶(LC)的光线。该光线被压缩成密实光束而进入LC中以获得最大效率并且在发射时以窄光柱的形式射出。该漫射体采用了光学结构来选择性地发散光线。大多数公司都制造椭球面微透镜,以沿着一个轴选择性地展开光线。聚合物基体中椭球形的聚合物和通过化学或物理法所形成的表面微透镜也能实现这种方向性效果。本发明的漫射膜可以采用常规的膜制造设施以高的产率进行制造。
聚合物漫射膜在至少一侧具有带花纹的表面,呈现为多个无规微透镜或子透镜的形式。术语“子透镜”指的是小的透镜,但是为了便于本发明进行说明,术语透镜和子透镜将不加以区分。子透镜重叠而形成复合透镜。“复合透镜”指的是其表面上具有多个小透镜的大透镜。“大透镜”指的是在其顶部无规地形成了小透镜的尺寸更大的子透镜。“小透镜”指的是大透镜上形成的比大透镜小的透镜。由于多个各种不同尺寸和形状的透镜交互重叠地生成,形成了类似花椰菜的复合透镜细部结构。子透镜和子透镜所形成的复合透镜可凹入透明聚合物膜或者凸出透明聚合物膜。术语“凹”指的是其弧形类似球表面,同时该球的外表面与膜表面最为接近。术语“凸”指的是其弧形类似球表面,同时该球的内表面最接近膜表面。术语“上表面”指的是膜较为远离光源的表面。术语“下表面”指的是膜较为接近光源的表面。
本发明的一个实施方案可以比做月球的多坑表面。撞击月球的小行星形成了与另一陨石坑隔开的陨石坑、与另一陨石坑部分重叠的陨石坑、在另一陨石坑内形成的陨石坑或者吞噬另一陨石坑的陨石坑。随着更多陨石坑的产生,月球表面出现凹坑交错的复杂状况,其复杂度就类似于透明聚合物膜中所形成的透镜的复杂度。
每个子透镜的表面是局部球形的区段,它起到微型透镜的作用以改变穿过透镜的能量的光程。每个子透镜的形状是“半球形的”,指的是每个子透镜的表面是球的一部分,而不一定非得是半球形的。其弧形表面具有相对于与透明聚合物膜平行的第一轴(x)测定的曲率半径和相对于与透明聚合物膜平行且与第一轴(x)垂直的第二轴(y)测定的曲率半径。膜阵列中的透镜在x和y方向上不一定具有相等的尺寸。透镜的尺寸,比如x或y方向上的长度,一般比膜的长度或宽度小得多。“高/径比”指的是复合透镜高度与复合透镜直径之比。“直径”指的是复合透镜在x和y平面内的最大尺寸。高/径的比值是光发散量的主要成因之一,或者是每个复合透镜所产生的漫射量的主要成因之一。高/径比较小表示透镜直径远远大于高度,于是形成了更平更宽的复合透镜。较大的高/径比值表示更高更表面化的复合透镜。复合透镜的尺寸、形状、光轴偏置和焦距可以不同。
构造物(它决定了聚合物膜和基质的基本折射率)的曲率、深度、尺寸、间距和材料,以及子透镜的位置决定了漫射的大小,而且这些参数可在按照本发明的制造过程中建立。
光穿过透镜的发散度可以说成“不对称的”,这指的是水平方向上的发散度与垂直方向上的发散度是不同的。发散度曲线是不对称的,或者说最大光透射方向并不是沿着θ=0°方向的,而是处于与表面非正交的方向。至少有三种途径可供利用,以使光线从子透镜漫射膜中不对称地散射,即在相应于垂直方向的一个方向上改变透镜的尺寸、使透镜的光轴偏离透镜中心以及采用像散透镜。
采用带有其光轴偏离各自透镜中心的透镜的漫射膜的结果是,会使光以不对称的方式经膜散射。但是,希望所形成的透镜表面要使得光轴在x和y方向上均偏离透镜中心。
可以在基质相反一侧形成子透镜结构。支持体各侧上的子透镜结构可以在子透镜曲率、深度、尺寸、间距和位置方面有所不同。
优选有上和下表面的透明聚合物膜在该透明聚合物膜的表面上包含多个凸或凹的复合透镜。已发现弧形的凹和凸聚合物透镜能够提供非常有效的光漫射效果。而且,本发明的聚合物透镜是透明的,可实现光的高度透射,使LC显示器具有亮度,从而发出更多的光。
聚合物膜表面上的凹透镜或复合透镜优选无规排布。透镜的无规排布提高了本发明材料的漫射效率。而且,因为透镜避免了有序的凹或凸排布形式,避免了所不希望的光干涉图案。
在本发明的实施方案中,凹或凸透镜位于透明聚合物片材的双侧。通过将透镜设置在透明片材的两侧,同处于一侧的本发明透镜相比,可观察到更为有效的光漫射效果。而且,在透明片材的两侧设置透镜增大了离LC显示装置亮度增强膜最远的透镜的焦距。
在本发明一个实施方案中,凸透镜存在于透明聚合物膜的上表面和凸透镜存在于下表面。将凸透镜设置在聚合物膜的两侧可与其它相邻膜产生间隔,提供了透镜进行有效漫射所需的必要空气隙。
在本发明另一个实施方案中,凸透镜存在于透明聚合物膜的上表面而凹透镜则存在于下表面。将凸透镜设置在聚合物膜的上侧可与其它相邻膜产生间隔,提供了透镜进行有效漫射所需的必要空气隙。将凹透镜设置在聚合物膜的下侧可产生与相邻膜光学接触并且仍旧有效漫射光线的表面。
在本发明另一个实施方案中,凹透镜存在于透明聚合物膜的上表面和凹透镜存在于下表面。将凹透镜设置在聚合物膜的两侧可产生能与任一侧上的相邻膜光学接触并且仍旧有效漫射光的表面。
在本发明另一个实施方案中,凹透镜存在于透明聚合物膜的上表面而凸透镜存在于下表面。将凹透镜设置在聚合物膜的上侧可产生能与相邻膜光学接触并且仍旧有效漫射光的表面。将凸透镜设置在聚合物膜的下侧可与其它相邻膜产生间隔,提供了透镜进行有效漫射所需的必要空气隙。
凹或凸透镜在任何方向上的平均出现率优选4~250个复合透镜/mm。如果膜的平均值为285个复合透镜/mm,所产生的透镜宽度接近光波长。透镜会给穿过透镜的光赋予色彩并且改变显示器的色温。如果低于4个透镜/mm,所产生的透镜就太过大,因此漫射光就不太有效了。最优选任何方向上的平均出现率为22~66个复合透镜/mm的凹或凸透镜。已表明平均出现率为22~6个复合透镜可提供有效的光漫射效果并且可以利用对着无规图案化的辊浇铸涂布聚合物有效地制造。
优选的透明聚合物膜其凹或凸透镜在x和y方向上的平均宽度为3~60μm。如果透镜的尺寸低于1μm,透镜会在所经过的光线中产生色位移,因为透镜尺寸与光波长处于同一数量级。如果透镜在x或y方向上的平均宽度大于68μm,那么透镜就会因为太大而无法有效漫射光。更优选的是,凹或凸透镜在x和y方向上的平均宽度界于15~40μm。该尺寸的透镜已发现会获得最为有效的漫射效果。
在包含小透镜的凹或凸复合透镜中,小透镜直径优选平均低于大透镜直径的80%。如果小透镜的直径超过大透镜的80%,那么漫射效率就会因为透镜复杂度下降而降低。
在包含小透镜的凹或凸复合透镜中,小透镜在x和y方向上的宽度优选界于2~20μm。如果小透镜的尺寸低于1μm,透镜就会在所经过的光线中产生色位移,因为透镜尺寸与光线波长处于同一数量级。如果小透镜的尺寸大于25μm,漫射效率就会因为透镜复杂度的下降而降低。最优选的是x和y方向上宽度为3~8μm的小透镜。该范围已发现可获得最为有效的漫射效果。
凹或凸复合透镜优选包含烯烃重复单元。聚烯烃成本低廉并且光透射高。而且,聚烯烃聚合物可有效地熔体挤出并因此可用以制造卷片形式的光漫射体。
在本发明另一个实施方案中,凹或凸复合透镜包含碳酸酯重复单元。聚碳酸酯的光透射值很高,可实现高的光透射和漫射。高的光透射可提供比光透射值低的漫射材料更为明亮的LC装置。
在本发明另一个实施方案中,凹或凸复合透镜包含酯重复单元。聚酯的成本低廉并且具有良好的强度和表面性能。而且,聚酯聚合物在温度80~200℃下尺寸稳定并且因此可以承受显示器光源所产生的热。
透明聚合物膜优选其聚合物膜包含酯重复单元。聚酯的成本低廉并且具有良好的强度和表面性能。而且,聚酯聚合物膜片在密闭式显示装置所遇到的现行温度范围内尺寸稳定。聚酯聚合物容易破裂,能够通过冲切漫射体片材而将其插入显示装置中。
在本发明另一个实施方案中,透明聚合物膜的聚合物膜包含碳酸酯重复单元。聚碳酸酯同聚烯烃聚合物相比具有高的光学透射值并且因此可以改进显示装置的亮度。
在本发明另一个实施方案中,透明聚合物膜的聚合物膜包含烯烃重复单元。聚烯烃的成本低廉并且具有良好的强度和表面性能。
在本发明另一个实施方案中,透明聚合物膜的聚合物膜包含三乙酰基纤维素。三乙酰基纤维素具有高的光学透射和低的光学双折射,使本发明漫射体既能漫射光又能降低不希望的光学图案。
本发明漫射体材料的漫射光透射优选大于50%。漫射体光透射低于45%将无法使足够量的光通过漫射体,因此会使漫射体失效。子透镜膜更为优选的漫射光透射大于80~95%。80%的漫透射可以使LC装置能够改善电池寿命并且提高屏幕亮度。透明聚合物膜最为优选的漫透射大于92%。92%的漫透射可实现背光光源的漫射并且最大限度地增大LC的亮度,显著地改善室外用LC装置的图象质量,LC屏幕在室外应用时必须与自然阳光相竞争。
凹或凸透镜优选是半球形的,指的是每个子透镜的表面是球体的一部分,而不一定非得是半球形的。这在x y平面内提供了优异的均匀漫射效果。半球形状的透镜均匀地散射入射光,这是背光显示器应用所期盼的,因为该应用中显示器区域需要得到均匀的照明。
在本发明另一个实施方案中,凹或凸透镜是非球形的,指的是透镜在x和y方向上的宽度是不同的。这可在x y平面内选择性地散射光。比如,特定的x y纵横比可能会产生椭圆状散射图案。这可用于LC显示器的前面,使光在水平方向上比在垂直方向上发散得更强以扩大视角。
凹或凸透镜优选其高/径比为0.03~1.0。高/径比低于0.01(非常宽且薄的透镜)限制了漫射性能,因为透镜的曲率不足以有效地发散光线。高/径比大于2.5时所获得的透镜,其透镜侧与基质间夹角会很大。这会造成内反射,限制了透镜的漫射能力。凹或凸透镜最优选的高/径比为0.25~0.48。已经证明,在该范围内可产生最为有效的漫射效果。
每个大透镜所拥有的小透镜的数目优选2~60个。如果大透镜有一个或没有小透镜,其复杂度会降低,因此其漫射就不那么有效了。如果大透镜在其上含有多于70个小透镜,某些小透镜的宽度就会接近光的波长,从而为所透射的光赋予色彩。最优选的是每个大透镜有5~18个小透镜。该范围已表明可产生最为有效的漫射效果。
透明聚合物膜的厚度优选低于250μm或者更优选12.5~50μm。LC装置的当今设计潮流朝着更轻和更薄装置的方向发展。通过将光漫射体的厚度降低到低于250μm,LC装置可以制造得更轻和更薄。而且,通过降低光漫射体的厚度,可以通过降低光透射而改进LC装置的亮度。更优选的光漫射体厚度是12.5~50μm,这会进一步使得光漫射体能够方便地与LC装置中的其它光学材料比如亮度增强膜结合。而且,通过降低光漫射体的厚度,减少了漫射体的材料用量。
因为本发明的热塑性光漫射体典型地与其它光学卷材组合使用,优选弹性模量大于500MPa的光漫射体。弹性模量大于500MPa使得光漫射体能够用压敏粘合剂层合从而与其它光学卷材结合。而且,因为光漫射体在机械性能上很坚韧,所以同现有技术的易损的且很难组装的浇铸漫射膜相比,该光漫射体更能承受得住组装过程中的严酷条件。
图1表示的是适用于液晶显示装置的透明基材上所形成的复合透镜的横截面。光漫射膜12包含透明聚合物基底20,在该聚合物基底之上,大凸透镜22存在于透明聚合物基底26的表面上。小透镜24存在于大透镜22的表面上。本发明在大透镜22的表面上包含多个小透镜24,因此形成复合透镜。本发明的光透射膜含有许多来自大透镜22和小透镜24的漫射表面。
图2表示的是带有光漫射体的液晶显示装置。开启可见光源18并且将光导入光导管2中。利用灯光反射器4将光能导入以聚丙烯箱子表示的光导管2中。反射带6、反射带10和反射膜8用来防止光能以所不希望的方向射出光导管2。透明聚合物膜形式的光漫射膜12用来漫射以垂直光漫射体的方向射出光导管的光能。利用亮度增强膜14来将光能聚焦入偏振片16中。光漫射膜12与亮度增强膜14接触。
透明聚合物膜在其表面上包含多个凹和/或凸复合透镜,它所用的聚合物片材一般是尺寸稳定、光学透明的并且含有光滑表面。优选双轴向取向的聚合物片材,因为它们很薄并且同浇铸涂布的聚合物片材相比其弹性模量更高。双轴向取向片材很容易通过片材共挤出然后双轴向取向而进行制造,其中片材可以含有多个层。这类双轴向取向片材比如参见美国专利4,764,425。
适宜类别的用于透明聚合物膜的热塑性聚合物包括聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、纤维素酯、聚苯乙烯、聚乙烯基树脂、聚磺酰胺、聚醚、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚苯硫、聚四氟乙烯、聚缩醛、聚磺酸酯、聚酯离聚物和聚烯烃离聚物。可以采用这些聚合物的共聚物和/或混合物。
优选聚烯烃,尤其是聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯和其混合物。聚烯烃共聚物,包括丙烯和乙烯与比如己烯、丁烯和辛烯的共聚物也是优选的。最优选聚丙烯,因为它们成本很低并且具有良好的强度和表面性能。
本发明透明聚合物膜的优选聚酯包括从4-20个碳原子的芳香族、脂肪族或脂环族二羧酸与2-24个碳原子的脂肪族或脂环族二醇制造的那些。适宜的二羧酸的实例包括对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、萘二甲酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、富马酸、马来酸、衣康酸、1,4-环己烷二甲酸、钠磺基间苯二甲酸和其混合物。适宜的二醇的实例包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、1,4-环己烷二甲醇、二甘醇、其它聚乙二醇和其混合物。这类聚酯在现有技术中是已知的并且可以通过已知的技术进行制造,比如参见美国专利2,465,319和美国专利2,901,466。优选的连续基体聚酯是其重复单元来自对苯二甲酸或萘二甲酸和至少一种选自乙二醇、1,4-丁二醇和1,4-环己烷二甲醇的二醇的那些。特别优选聚(对苯二甲酸乙二醇酯),它可以用少量的其它单体来改性。其它适宜的聚酯包括通过引入适宜量的共酸组分比如茋二甲酸而形成的液晶共聚酯。这类液晶共聚酯的实例参见美国专利4,420,607、4,459,402和4,468,510。
对透明聚合物膜有用的聚酰胺包括尼龙6、尼龙66和其混合物。聚酰胺的共聚物也是适宜的连续相聚合物。有用的聚碳酸酯的实例是双酚A聚碳酸酯。适宜用作复合片材的连续相聚合物的纤维素酯包括纤维素硝酸酯、纤维素三乙酸酯、纤维素二乙酸酯、纤维素乙酸丙酸酯、纤维素乙酸丁酸酯、以及其混合物或共聚物。有用的聚乙烯基树脂包括聚氯乙烯、聚(乙烯醇缩乙醛)和其混合物。乙烯基树脂的共聚物也可以采用。
本发明的复合透镜优选包含聚合物。之所以优选聚合物是因为它们同现有技术的玻璃透镜相比一般成本较低、具有优异的光学性能并且可采用已知方法比如熔体挤出、真空成型和注射模塑法而有效率地成型为透镜。复合透镜成型所优选的聚合物包括聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、纤维素酯、聚苯乙烯、聚乙烯基树脂、聚磺酰胺、聚醚、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚苯硫、聚四氟乙烯、聚缩醛、聚磺酸酯、聚酯离聚物和聚烯烃离聚物。可以采用改进机械或光学性能的这些聚合物的共聚物和/或混合物。透明复合透镜优选的聚酰胺包括尼龙6、尼龙66和其混合物。聚酰胺的共聚物也是适宜的连续相聚合物。有用的聚碳酸酯的实例是双酚A聚碳酸酯。适宜用作复合透镜的连续相聚合物的纤维素酯包括纤维素硝酸酯、纤维素三乙酸酯、纤维素二乙酸酯、纤维素乙酸丙酸酯、纤维素乙酸丁酸酯以及其混合物或共聚物。优选的聚乙烯基树脂包括聚氯乙烯、聚(乙烯醇缩乙醛)和其混合物。乙烯基树脂的共聚物也可以采用。本发明复合透镜所优选的聚酯包括从4-20个碳原子的芳香族、脂肪族或脂环族二羧酸与2-24个碳原子的脂肪族或脂环族二醇制造的那些。适宜的二羧酸的实例包括对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、萘二甲酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、富马酸、马来酸、衣康酸、1,4-环己烷二甲酸、钠磺基间苯二甲酸和其混合物。适宜的二醇的实例包括乙二醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇、己二醇、1,4-环己烷二甲醇、二甘醇、其它聚乙二醇和其混合物。
优选向聚酯面层中添加附加物以改变成像元件的色彩。本发明中可添加的附加物是光学增白剂。光学增白剂是基本无色的荧光有机化合物,它吸收紫外光并以可见蓝光的形式发射。实例包括但不限于4,4′-二氨基茋-2,2′-二磺酸衍生物、香豆素衍生物比如4-甲基-7-二乙基氨基香豆素、1,4-双(邻氰基苯乙烯基)苯和2-氨基-4-甲基苯酚。通过有效利用光学增白剂可获得超乎意料的所需特性。因为透射显示材料的紫外光源处于图象的相反一侧,紫外光强度就不会因成像层所常见的紫外滤光片而降低。其结果是只需较少的光学增白剂就可获得所需的背景色。
漫射体片材可以在浇铸热塑性子透镜之前或之后以任何数目的涂层进行涂布或处理,这些涂层可用以改进包括可印刷性的片材性能、提供蒸汽屏蔽层、使其可热封或者改善粘接力。其实例可以是针对可印刷性的丙烯酸涂层、针对热封性能的涂布聚偏氯乙烯。其它实例包括火焰、等离子体或电晕放电处理,以改善可印刷性或粘接力。
本发明的漫射体片材可以与选自光学补偿膜、偏振膜和基质构造、液晶层的一种或多种层组合使用。本发明的漫射膜优选按漫射膜/偏振膜/光学补偿膜的次序组合使用。如果在液晶显示装置中组合使用前述膜,膜彼此之间比如可以通过粘性粘合剂进行粘接以最大限度降低反射损失等。粘性粘合剂优选折射率接近取向膜的那些,以抑制光的界面反射损失。
子透镜漫射体膜也可以与其它光漫射体一起使用,比如整体漫射体、柱镜层、珠粒层、表面漫射体、全息漫射体、微结构漫射体、其它透镜阵列或者其各种组合。子透镜漫射体膜可散射或漫射光线,由此消除了任何因引入有序的周期性透镜阵列而可能产生的衍射图案。子透镜漫射体膜可以位于任何漫射体或透镜阵列之前或之后。
本发明的漫射片材可以与由透明聚合物制造的膜或片材组合使用。这类聚合物的实例是聚酯比如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯、丙烯酸类聚合物比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纤维素。整体漫射体可以固定到玻璃片材上实现承载。
本发明的透明聚合物膜在另一方面也可以包括一种或多种光学涂层,以穿过一种或多种子透镜通路来改善光学透射。一般希望以增透(AR)涂层来涂布漫射体,以提高漫射体的效率。
本发明的漫射体片材可以引入比如添加剂或润滑剂,比如二氧化硅,以在不损害光学特性的范围内改进膜的表面平滑性,从而改变光散射性能,包括入射角。这类添加剂的实例是有机溶剂,比如二甲苯、醇或酮、细丙烯酸树脂颗粒、硅氧烷树脂或Δ金属氧化物或填料。
本发明的子透镜漫射体膜一般有光学各向异性。卷材和浇铸热塑性树脂一般都是显示出光学各向异性的光学各向异性材料,其光轴在牵伸方向上。光学各向异性表示为膜厚度d与双折射Δn之积,双折射是膜平面内慢光轴方向上折射率与快光轴方向上折射率之差,即,Δn*d(阻滞作用)。取向方向与本发明膜中的牵伸轴一致。对于具有正的特性双折射的热塑性聚合物而言,牵伸轴是慢光轴的方向,而对于具有负的特性双折射的热塑性聚合物而言,它就是快光轴的方向。对Δn*d值的必需水平没有固定要求,因为该水平取决于膜的用途。
在本发明的制造方法中,将优选的透镜聚合物经缝模进行熔体挤出。一般优选采用T型模或衣架模口型。该方法涉及经缝模挤出聚合物或聚合物共混物,然后在带有优选的透镜几何结构的冷却的浇铸转鼓上快速骤冷该挤出的网材,从而使该透明片材的透镜聚合物组分骤冷至低于其玻璃化凝固温度之下并且保持漫射透镜的形状。
开发出了制造漫射膜组合件的方法。优选的方法包括提供带有许多复合透镜的正性主骤冷辊的步骤。通过向骤冷辊表面浇铸熔融聚合物材料而由主骤冷辊复制出漫射膜并且将带有子透镜结构的聚合物材料转移到透明聚合物膜上。
骤冷辊的制造方法包括这些步骤:向辊表面上电镀一层铜,然后以珠粒比如玻璃或二氧化硅磨蚀性喷砂铜层表面,以形成具半球形细部结构的表面花纹。将所得到的喷砂表面电镀上光亮的镍或镀铬,其深度要使得表面花纹的细部结构凹入辊或凸出辊。因为骤冷辊表面的脱模特性,树脂将不会粘附在辊表面上。
珠粒喷砂操作采用自动化操纵压力系统进行,其中精确控制喷嘴加料速率、喷嘴与辊表面的距离、喷砂操作过程中的辊转速和颗粒速度,以获得所需的子透镜结构。
骤冷辊单位面积上细部结构的数目由珠粒尺寸和图案深度决定。更大的珠粒直径和更深的图案将在给定区域内获得较少数目的细部结构。因此,细部结构的数目在本质上决定于珠粒尺寸和图案深度。
本发明的复合透镜也可以通过围绕图案进行真空成型、注射模塑透镜以及在聚合物卷材中压出透镜的方法制造。虽然这些制造方法的确可以生产出能够有效漫射光线的可接受的透镜,但是向带图案辊上熔体浇铸涂布聚合物,然后将其转移到透明聚合物卷材上的方法可以使本发明的透镜能够进入辊中成型,从而降低漫射透镜的制造成本。而且,与压纹和真空成型法相比,已发现浇铸涂布聚合物的方法更能有效地复制所需的复合透镜几何结构。
本发明可以与任何液晶显示装置一起使用,以下描述这类装置的典型结构。液晶(LC)广泛用于电子显示。在这些显示系统中,LC层处于偏振体层和检偏振体层之间,还有导向体,该导向体指示出方位角通过该层相对于法向轴的扭转情况。检偏振体的取向要确保其吸收轴与偏振体的吸收轴垂直。经过偏振体偏振化的入射光穿过液晶单元,它受到液晶中分子取向的影响,此影响可通过沿液晶单元施加电压而改变。利用该原理,可以控制来自外部光源的光线的透射情况,包括环境光线。实现这一控制所需的能量一般远比其它显示类型比如阴极射线管中所用的发光材料所需要的低。因此,LC技术可用于许多应用领域,包括但不限于电子表、计算器、手提电脑、电子游戏机,对于这些应用而言,重量轻、低能耗和操作寿命长是重要的特性。
有源矩阵液晶显示器(LCD)采用了薄的膜晶体管(TFT)作为驱动每个液晶像素的切换装置。这些LCD可以显示更高清晰度的图像而不会出现干扰,因为每个液晶像素可以选择性地驱动。光学模式干涉(OMI)显示器是液晶显示器,该类显示器“通常是白色的”,就是说光透射以关闭态通过该显示器层。利用了扭转向列型液晶的LCD其操作模式大致可分为双折射模式和光学旋转模式。“膜补偿超扭转向列型”(FSTN)LCD通常是黑色的,就是说,在没有施加电压时光透射以关闭态被阻滞。OMI显示器据报道响应时间更快并且操作温度范围更宽。
来自白炽灯或太阳的普通光线是无规偏振的,就是说,它包括按所有可能方向取向的光波。偏振体是二色性材料,其作用是通过从入射光光束中选择性地除去两个垂直平面偏振分量之一而将无规偏振(“非偏振”)光束转化成偏振光束。线性偏振体是液晶显示器(LCD)装置的关键部件。
有几种类型的高二色性比的偏振体,它们拥有LCD装置应用所需的足够的光学性能。这些偏振体由透射一个偏振分量而吸收另一个与此垂直的分量(该效应被称为二色性)的材料的薄片制造而成。最常用的塑料片偏振体由薄的、单轴拉伸的聚乙烯醇(PVA)膜构成,该膜以或多或少平行的方式使PVA聚合物链排布成行。然后以被PVA吸收并且经PVA单轴取向的碘分子或者有色的二色性染料的结合物(参见比如EP 0182632A2,Sumitomo Chemical Company,Limited)掺杂该排布成行的PVA,从而制造出中性灰色调的高度各向异性基体。为了机械支撑脆弱的PVA膜,然后在其双侧层合上三乙酰基纤维素(TAC)刚性层,或者类似的支持体。
对比度、色彩再现和稳定的灰谱强度是利用液晶技术的电子显示器的重要质量属性。限制液晶显示器对比度的主要因素是光线在通过处于暗或“黑”像素状态的液晶元件或单元时其“漏跑”的倾向。而且,漏光现象以及最终液晶显示器对比度也取决于显示器屏幕的视角。理想的对比度一般只在以垂直显示器入射为中心的狭窄视角范围内才能观察得到,并且随着视角的增大而迅速下降。在彩色显示器中,漏光问题不仅会使对比度变次,还会造成色彩或色调迁移,色彩再现也随之变坏。除了黑态漏光之外,典型的扭转向列型液晶显示器中狭窄的视角问题会因作为视角函数的亮度-电压曲线的位移而加重,因为液晶材料有光学各向异性。
当本发明的透明聚合物膜在背光系统中用作光散射膜时,该膜可以使亮度均匀。背光照明的LCD显示器屏幕,比如手提电脑所用的显示器屏幕,它具有位置很靠近LCD屏幕的较局部光源(除了荧光)或者较局部光源的阵列,从而可能会察觉到相应于这些光源的单个“亮斑”。漫射体膜的作用是在整个显示器内使照度均匀。液晶显示装置包括组合了选自比如有源矩阵驱动和简单矩阵驱动的驱动方法与选自扭转向列型、超扭转向列型、铁电液晶和反铁电液晶模式的液晶模式的显示装置,但是本发明并不限于前述组合。在液晶显示装置中,本发明的取向膜必须位于背光之前。本发明的子透镜漫射体膜可以在整个显示器内使液晶显示装置的亮度均匀,因为该膜具有优异的光散射性能,使光膨胀而在所有方向上获得优异的可视度。虽然即使是单独使用这类子透镜漫射体膜也可以达到前述效果,但是多个膜可以组合使用。均匀化子透镜漫射体膜可以放置在LCD材料之前以透射模式透过光线并且使其更为均匀。本发明的一个明显用途是用作光源除结构装置。在许多应用中,希望从光源本身的输出中消除灯丝结构,这在某些应用中会产生问题,因为沿着样品分布的光线会有所不同,并且这也是所不希望的。还有,更换光源之后光源灯丝或弧光取向情况的改变可能会产生错误和使人误解的读数。将本发明的均匀化子透镜漫射体膜放置在光源和检测器之间,可以从光源输出中消除任何灯丝结构的痕迹,由此产生不因光源而异的均匀输出。
通过提供照射方向随意可调的令人满意的均匀光线,子透镜漫射体膜可用来控制舞台照明。在舞台和电视演出中,必须采用各种各样的舞台灯光以达到合适照明所需的所有不同效果。这就要求使用许多不同的麻烦且昂贵的灯具。将本发明的膜放在灯具之上,无论在任何需要它的地方都能获得灵活性几乎无穷无尽的散射光了。因此,几乎任何物体,无论是运动的还是静止的,以及任何形状,都可以被恰如其分地照明。
通过向本发明的子透镜漫射体膜上施用由金属膜等构成的反射层而形成的反射膜可以比如用作交通标志的反光元件。其使用形式可以是应用于汽车、自行车、人身等。
本发明的子透镜漫射体膜也可以用于执法场所和保安系统,以使激光二极管(LD)或发光二极管(LED)的输出在整个保安区域内均匀,从而提供了比红外(IR)检测器更高的对比度。本发明的膜也可以用来从使用LED或LD源的装置比如支票读取机或皮肤处理装置上提取构造。这能提高精确度。
固定在外科医生帽上的光导纤维灯组合件如果有一个光导纤维元件在手术过程中发生故障,就会在外科手术部位上映照出恼人的光强度变化。放在纤维束末端的本发明子透镜漫射体膜使来自剩余纤维的光线均匀并且从照在病人身上的光线中消除了故障纤维的任何痕迹。标准毛玻璃漫射体在该应用中就不那么有效了,因为显著的反向散射会造成通过量损失。
通过消除光源灯丝或弧光结构,本发明的子透镜漫射体膜也可以用于均匀地照亮显微镜下面的样品,产生均匀照明的视场。该膜也可以用于使通过纤维传播的各种模式均匀,比如来自螺旋模式纤维的光输出。
本发明的子透镜漫射体膜在建筑上也有很大用处,比如为工程或住所提供适当的光线。在典型的工业应用中,可使用廉价的透明聚合物漫射体膜,以有助于在室内漫射光线。本发明的匀光体可代替这些常规漫射体之一,能够提供更为均一的光输出,从而使光线均匀地漫射至室内的每个角落而不会留下亮斑。
本发明的子透镜漫射体膜也可以用来漫射照射艺术品的光线。透明聚合物膜漫射体提供了大小和方向合适的恰当光环,从而以最适合需要的方式显现该艺术品。
而且,本发明的子透镜漫射体膜可以广泛用作光学设备比如显示装置的部件。除了液晶显示装置背光系统的前述光散射板之外,它比如可以在反射式液晶显示装置中用作与反射膜比如金属膜层合的光反射板或者在将金属膜朝向装置后侧(与观察者相反的一侧)放置时使膜导向前侧(观察者一侧)的前散射膜。通过与被称为ITO膜的由氧化铟构成的透明导电层进行层合,本发明的子透镜漫射体膜可以用作电极。如果使用该材料来形成反射屏幕,比如正投屏幕,那么就在透明聚合物膜漫射体上施用光反射层。
透明聚合物漫射体膜的另一个用途是背投屏幕,该应用一般希望在很大的区域内将图象从光源投影到屏幕上。电视机的视角在垂直方向上一般小于水平方向上。漫射体的作用就是发散光线以增大视角。
漫射膜样品采用配备了累计球的Hitachi U4001 UV/Vis/NIR分光光度计进行测试。将样品放置在光束口处,使带复合透镜的正面朝着累计球,以此来测定总透射光谱。将校准过的99%漫反射标准样(可检测到NIST)放置在标准样品口处。按照类似方式测试漫透射光谱,但拿掉那块99%标片。将样品放置在样品口处,使涂布一侧朝着累计球,以此来测试漫反射光谱。为了排除样品的背衬反射,样品后面不放任何物体。所获得的全部光谱均处于350-800nm之间。因为漫反射结果要相对于99%标片进行评价,因此这些值不是绝对的,还必须利用99%标片的校准报告进行校正。
总透射光百分率指的是按所有角度透射通过样品的光的百分率。漫透射定义为除了与入射光角呈2.5°度角的光以外,通过样品的光的百分率。漫射光透射是按漫透射方式通过样品的光的百分率。漫反射定义为样品所反射的光的百分率。实施例中所用的百分率是在500nm处测定的。这些值的总和可能达不到100%,这是因为受测样品中的样品吸收或些许波动所致。
本发明的实施方案不仅能够提供改进的光漫射和透射效果,而且还能够提供减少厚度的漫射膜片和降低光散射倾向的漫射膜。
实施例
在该实施例中,将挤出级聚烯烃聚合物贴抵含有复合透镜几何结构的带图案骤冷辊进行挤出浇铸,而制造出本发明的复合光漫射透镜。然后将复合透镜形式的带图案的聚烯烃聚合物转移到聚酯卷材上,由此形成带复合表面透镜的光漫射体。从该实施例可知,与在聚合物卷材表面上形成的无规单聚合物透镜以及现有技术采用在丙烯酸基质中分散球装珠粒的光漫射体相比,在透明聚合物卷材上形成的复合表面透镜可提供优异的光漫射效果。而且很明显的是,该光漫射体的成本很低并且其机械性能可满足插入LC装置的要求。
按照包括以下步骤的方法制造了两个带图案的骤冷辊(复合透镜和单透镜几何结构):在辊表面上电镀一层铜,然后以玻璃珠磨蚀性喷砂铜层表面以形成具半球形细部结构的表面花纹。在所得到的喷砂表面电镀上光亮的镍,其深度要使得表面花纹的细部结构凹入辊或凸出辊。珠粒喷砂操作采用自动化操纵压力系统进行,其中精确控制喷嘴加料速率、喷嘴与辊表面的距离、喷砂操作过程中的辊转速以及颗粒的速度,以获得所需的复合透镜结构。单位面积骤冷辊中细部结构的数目取决于珠粒大小以及图案深度。较大的珠粒直径和较深的图案会在给定面积内得到较少数目的细部结构。
从空白钢辊开始,然后在447MPa压力下以14号钢砂进行喷钢砂处理,以此制造出带复合透镜图案的辊。然后为辊镀铬。辊表面上所得到的复合透镜是凸形的。从空白铜辊开始,然后在310MPa压力下以14号球形钢砂进行喷钢砂处理,以此制造出带单透镜图案的辊(对照)。辊表面上所得到的单透镜是凹形的。
利用这两个带图案的骤冷辊衣架型缝模中将主要包含96.5%LDPE(Eastman Chemical grade D4002P)、3%氧化锌和0.5%硬脂酸钙的聚烯烃聚合物挤出涂布到光透射百分率为97.2%的100μm透明取向聚酯卷材上,从而制造出光漫射片材。聚烯烃浇铸涂层的涂布量为25.88g/m2。
含有复合透镜的本发明材料带有无规分布的透镜,它所包含的大透镜的平均直径为27.1μm,而大透镜表面上小透镜的平均直径为6.7μm。小大透镜的平均比值为17.2~1。对照漫射片材所包含的无规分布的单透镜的平均直径为25.4μm。浇铸涂布漫射片材的结构如下,
测定含有按前述(本发明和对照)成型的聚合物透镜的两个漫射片材以及在涂布在聚酯卷材上的丙烯酸粘合剂层中含有8μm聚合物珠粒的现有技术聚合物光漫射体的光透射百分率、漫射光透射百分率、单向光透射百分率和漫反射百分率。
漫射膜样品采用配备了累计球的Hitachi U4001 UV/Vis/NIR分光光度计进行测试。将样品放置在光束口处,使带复合透镜的正面朝着累计球,以此来测定总透射光谱。将校准过的99%漫反射标准样(可检测到NIST)放置在标准样品口处。按照类似方式测试漫透射光谱,但拿掉那块99%标片。将样品放置在样品口处,使涂布一侧朝着累计球,以此来测试漫反射光谱。为了排除样品的背衬反射,样品后面不放任何物体。所获得的全部光谱均处于350-800nm之间。因为漫反射结果要相对于99%标片进行评价,因此这些值不是绝对的,还必须利用99%标片的校准报告进行校正。
总透射光百分率指的是按所有角度透射通过样品的光的百分率。漫透射定义为除了与入射光角呈2.5°度角的光以外,通过样品的光的百分率。漫射光透射是按漫透射方式通过样品的光的百分率。漫反射定义为样品所反射的光的百分率。实施例中所用的百分率是在500nm处测定的。这些值的总和可能达不到100%,这是因为受测样品中的样品吸收或些许波动所致。
下表1给出的是本发明、对照以及现有技术材料的测试值。
表1
样品 |
1 |
2 |
3 |
|
本发明(复合透镜) |
对照(单透镜) |
对照(现有技术) |
500nm处测得的总透射 |
91.7 |
87.4 |
66.7 |
500nm处测得的漫透射 |
85.2 |
59.0 |
65.7 |
500nm处测得的光谱透射 |
6.5 |
28.4 |
1.0 |
500nm处测得的漫反射 |
7.6 |
5.7 |
33.3 |
前述数据清楚地表明,透明聚合物表面上所形成的复合聚合物透镜提供了优异的光漫射效果和透射百分率,可使液晶显示装置更为明亮。本发明材料的漫射光透射为85.2%,显著优于单透镜(59.0%)和现有技术材料(65.7%)。同单透镜(一个弧形表面)和现有技术材料(一个弧形表面)相比,本发明的复合透镜针对透射光漫射提供了多得多的弧形表面区域。漫射光透射对于LC装置的质量而言是一个重要因素,因为漫射片材必须掩蔽LC装置所常见的光导管图案。本发明的总光透射为91.7%,比起单透镜(59.0)和现有技术材料有了显著的改进。通过提供降低内散射和对光源的回归反射的透镜,本发明材料能使91.7%的光能通过漫射体,从而获得更为明亮的液晶显示器。
综合考虑表1的全部测试值,发现样品1兼具高的总透射和高的漫射光透射。由此得到的膜会掩蔽掉光导管的图案,同时会使大部分光能够通过膜,从而使更明亮的LC显示器成为可能。样品2的透射值很高,可获得明亮的LC显示器,但是其漫透射值很低,以至于透过显示器可以看到光导管图案。对于样品3,绝大部分射出膜的光都是漫射光,从而掩蔽了光导管的图案。虽然射出的光几乎完全都是漫射光,但是其总透射测量值很低,光线被遮挡而得到暗得令人无法接受的显示器。通过样品3的光线也浪费在大的反射百分率上。
而且,因为本发明材料是构筑在取向聚酯基上的,所以该材料同浇铸漫射体片材相比其弹性模量很高。本实施例的取向聚合物基底使光漫射体变得很薄,并且因此而节省成本和重量轻,因为本实施例材料的材料用量比现有技术要低。
虽然本实施例主要涉及热塑性光漫射材料在LC装置上的用途,本发明的材料在其它漫射应用领域比如背光显示器、含漫射层的成像元件、单向家居照明用漫射体和私用屏(privacy screen)、图象捕捉漫射透镜和温室光漫射中也适用。
本发明的实施方案包括以下,其中:
凸复合透镜存在于透明聚合物膜的上表面和凸复合透镜存在于透明聚合物膜的下表面;复合透镜存在于透明聚合物膜的上表面而凹复合透镜存在于透明聚合物膜的下表面;凹复合透镜存在于透明聚合物膜的上表面和凹复合透镜存在于透明聚合物膜的下表面;凹复合透镜存在于透明聚合物膜的上表面而凸复合透镜存在于透明聚合物膜的下表面;
复合透镜在任何方向上的平均出现率为22~66个复合透镜/mm;
复合透镜在x和y方向上的平均宽度为15-40μm;
复合透镜包含多个小透镜,其中小透镜在x和y方向上的平均宽度为2~20μm,甚至为3~8μm;
透明膜和/或复合透镜由包含一个或多个烯烃重复单元、碳酸酯重复单元或酯重复单元的材料构成;
透明膜由包含三乙酰基纤维素的材料构成;
膜的漫射光透射大于92%;
复合透镜是半球形或非球形的;
复合透镜的高/径比为0.03~1.0或0.25~0.48;
每个大透镜的小透镜数目平均为2~60个或者甚至为5~18个;
透明聚合物膜的厚度为12.5~50μm;
膜由至少两个整体层构成,第一层包含复合透镜而第二层用作第一层的基质;
膜可用于包含光源和透明聚合物膜的背光照明装置中,该透明聚合物膜在其表面上包含多个复合透镜并且其漫射光透射至少为65%。