可變折射率光提取層及其制備方法
【專利說明】可變折射率光提取層及其制備方法
【背景技術】
[0001] 光提取層可用于多種光學疊堆中，例如用于顯示器、一般照明或其他照明應用中。 在這些應用中的許多中，光提取層可光學耦合到光導，其中光提取層進行操作以選擇性地 提取與光導成特定范圍角度的光。在傳統光導中，提取層具有光散射特征以便將正在光導 內傳輸的光從光導中導向出來。這些光散射特征有時包括設置在光導表面上或蝕刻到光導 表面中的漫反射型印刷提取點或結構。遺憾的是，這些層中的許多為光學不透明的或者為 顯著失真的，從而使得難以觀察。
【發明內容】
[0002] 在一個方面，本發明描述了可變折射率光提取層。可變折射率光提取層具有包括 第一物質的第一區域和包括第二物質的第二區域，其中第一物質是納米空隙聚合物材料并 且第二物質不是納米空隙聚合物材料。第一區域具有比第二區域低的有效折射率，并且該 層的第一區域和第二區域被設置成使得當光學耦合到光導時，該層基于第一區域和第二區 域的幾何構造選擇性地從光導中提取光。
[0003] 在另一個方面，本發明描述了形成可變折射率光提取層的方法。該方法包括將基 材上的第一物質選擇性地圖案化并且外覆第二物質以形成層，其中層的第一區域對應于選 擇性地印刷第一物質的區域并且層的第二區域至少對應于選擇性地印刷第一物質的區域 之間的區域。第一區域具有比第二區域低的有效折射率，第一區域是納米空隙聚合物材料， 并且第二物質不是納米空隙聚合物材料。層的第一區域和第二區域被設置成使得層基于第 一區域和第二區域的幾何構造從基材選擇性地提取導模光。
【附圖說明】
[0004] 圖la為可變折射率光提取層的正剖視圖。
[0005] 圖lb為低折射率層的正剖視圖。
[0006] 圖lc為另一個可變折射率光提取層的正剖視圖。
[0007] 圖Id為示出可變折射率光提取層的光學功能的圖。
[0008] 圖le為不出可變折射率光提取層的光學功能的另一個圖。
[0009] 圖2為不出關于圖la或圖lc的可變折射率光提取的位置與有效折射率之間關系 的圖。
[0010] 圖3為納米空隙聚合物材料的示意性剖視圖。
[0011] 圖4a為可變折射率光提取層的平面圖，該圖示出了第一區域和第二區域的示例 性幾何構造。
[0012] 圖4b為示出圖4a所示的可變折射率光提取層沿直線Wl的有效折射率分布的圖。
[0013] 圖4c為示出圖4a所示的可變折射率光提取層沿直線Wl的透射的圖。
[0014] 圖4d為示出圖4a所示的可變折射率光提取層沿直線&的清晰度的圖。
[0015] 圖5a為可變折射率光提取層的平面圖，該圖示出了第一區域和第二區域的另一 個示例性幾何構造。
[0016] 圖5b為可變折射率光提取層的平面圖，該圖示出了第一區域和第二區域的又一 個示例性幾何構造。
[0017] 圖6為光學疊堆的分解正剖視圖，該光學疊堆包括圖la或圖lc的可變折射率光 提取層。
[0018] 圖7為光學疊堆的另一個分解正剖視圖，該光學疊堆包括圖la或圖lc的可變折 射率光提取層。
[0019] 圖8為另一個光學疊堆的分解正剖視圖，該光學疊堆包括圖la或圖lc的可變折 射率光提取層。
[0020] 圖9a為具有多個微觀結構的可變折射率光提取層的正剖視圖。
[0021] 圖9b為包括可變折射率光提取層和反射性散射元件的光學疊堆的正剖視圖。
[0022] 圖9c為包括可變折射率光提取層和反射性散射元件的另一個光學疊堆的分解正 剖視圖。
[0023] 圖9d為包括可變折射率光提取層和反射性散射元件的另一個光學疊堆的正剖視 圖。
[0024] 圖10為由可變折射率光提取層對導模光進行的選擇性提取的圖像。
【具體實施方式】
[0025] 本發明的實施例包括可變折射率光提取層，該層通常可包括第一區域和第二區 域。第一區域包括第一物質并且第二區域包括第二物質。第一物質和第二物質可能具有 不同特性；例如，第一物質可為納米空隙聚合物材料，而第二物質可不是納米空隙聚合物材 料。同樣，第一區域可能具有與第二區域不同的特性；例如，第一區域的有效折射率可能低 于第二區域。由于具有較高折射率光學特性和較低折射率光學特性的區域在整個光學層上 可能有變化，因此光學層可稱為可變折射率光學層。由于第一區域和第二區域被設置成使 得當光學耦合到光導時，該層基于第一區域和第二區域的幾何構造從光導中選擇性地提取 光，因此可變折射率光學層可稱為可變折射率光提取層。
[0026] 可變折射率光提取層可用于在另外的超臨界角度下提取在相鄰層中傳播的導模 光，而同時針對入射在提取層上的亞臨界光散射很少光乃至不散射任何光。可變折射率光 提取層可通過從相鄰層中提取光來照明制品或其他顯示元件。在一些實施例中，可變折射 率光提取層不具有顯著或功能性散射光的特征，從而對相對側上的圖像和對象提供很少失 真。可變光提取層可為透明的，即在具有和沒有照明的情況下均顯示出很小至無的霧度和 高清晰度。這允許在分辨率或對比度沒有顯著降低、并且沒有由不同區域散射或衍射的光 生成的可見光學偽影的情況下觀察反射性顯示器上的圖像或圖形。
[0027] 在一些實施例中，可變折射率光提取層可光學耦合到一個或多個光導。在其他示 例性實施例中，可變折射率光提取層還可光學耦合到反射性散射元件，例如膜或反射性顯 示器。在反射性顯示器實施例中，本發明實施例的優點在于透過可變折射率光提取層觀看 的觀察者將能夠觀察顯示器（或圖像）的像素，而沒有顯著的霧度或失真。除了光學有益 效果之外，還可通過經得起高速和低成本制造的相對簡單涂布和印刷技術制備本發明的可 變折射率光提取層。
[0028] 圖la為可變折射率光提取層的正剖視圖。可變折射率光提取層100包括具有第一 材料132的第一區域130a和130b以及具有第二材料142的第二區域140a、140b和140c。
[0029] 位于第一區域130a和130b內的第一材料132可為任何合適的材料并且可由任何 合適的方法形成。在一些實施例中，第一材料132可包括低折射率材料。示例性低折射率 材料可包括納米多孔材料，包括例如在本【具體實施方式】中其他地方以及在以下美國專利申 請中所述的納米空隙聚合物材料，該專利申請的序列號為61/446740,名稱為"前光式反射 性顯示裝置以及對反射性顯示器前照明的方法"（Front-Lit Reflective Display Device and Method of Front-Lighting Reflective Display)，并且提交于 2011 年 2月 25 日。 在其他實施例中，低折射率材料可為熱解法二氧化硅基低折射率涂層，例如在以下美國專 利申請中描述的那些，該專利申請的序列號為61/617, 842,名稱為"用于低折射率材料的保 護性涂層"（Protective Coating for Low Index Material)，并且提交于 2012年3 月 30 日。針對第一區域選擇材料可考慮任何數目的合適因素，例如重量、耐久性、對于處理的需 求（例如，材料是否需要固化步驟）、孔隙度、折射率或透明性（包括光學霧度、清晰度和透 射率）。在其中低折射率層為納米空隙的并且圖案化低折射率區域被設計為較小的一些實 施例中，圖案化低折射率區域可能小至500nm、小至1 ym、小至10 ym或小至50 ym。
[0030] 第二區域140a、140b和140c內的第二材料142可為任何合適的材料。在一些實 施例中，第二材料142不是納米空隙聚合物材料。第二區域140a、140b和140c可具有與第 一區域130a和130b不同的特性；例如，第二區域140a、140b和140c可具有高于第一區域 130a和130b的折射率。在一些實施例中，這可能是由于第一材料132與第二材料142具有 不同特性。
[0031] 圖lb為低折射率層的正剖視圖。低折射率層101包括基材120以及具有第一材 料132的第一區域130a和130b。基材120可為任何合適的材料并且可為任何合適形狀或 尺寸。雖然基材120在圖lb中示為基本上平坦的，但在一些實施例中基材120在一個或 兩個維度中可為彎曲的。在一些實施例中，基材可為環形的，從而形成管狀結構。基材120 也可為透明的。在一些實施例中，基材120可為光導，意指其通過全內反射（TIR)傳輸導模 光。作為光導，基材120可為丙烯酸類光導，或其可由聚碳酸酯、聚氨酯或任何其他合適的 材料形成。在其他實施例中，基材120可為聚合物膜，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET)。 基材120可為粘彈性光導，包括壓敏粘合劑，其可允許便利地制造或粘附至光學疊堆中的 相鄰層。在一些實施例中，基材120也可為反射性散射元件，例如微空穴化聚對苯二甲酸乙 二醇酯。基材120可根據其光學特性、其物理特性（例如抗翹曲性或柔韌性）或任何其他 合適原因進行選擇。
[0032] 如結合圖la所述，第一材料132可包括低折射率材料；在一些情況下，第一區域 可包括納米空隙聚合物材料。可通過任何合適的方法在基材120上施加第一區域130a和 130b或使該區域圖案化。在一些實施例中，通過將第一材料132選擇性地印刷到基材上形 成第一區域130a和130b。印刷可包括無壓或有壓印刷，或者數字或模擬印刷。第一區域 130a和130b可通過經由柔性版印刷使第一材料132選擇性地圖案化而形成，其中具有用 低折射率材料填充的凹點的凹版輥將材料轉移到具有壓模的柔性版輥，該壓模具有所需的 形狀或圖案構造。基材120的層將在壓模上方穿過并且與壓模產生接觸，該壓模用第一材 料132有效地壓印或印刷幅材，從而將材料從柔性版輥的圖案轉移到基材120的表面。印 刷也可包括其他工藝，包括卷筒紙凹版印刷、絲網印刷、噴墨印刷和平版印刷。選擇性圖案 化的其他方法包括但不限于熱轉移、凹版或者噴涂或針模涂布，可用于在基材120上形成 第一區域130a和130b。
[0033] 在一些實施例中，通過沉積第一材料132的連續區域，隨后選擇性地移除第一材 料的部分，留下圖案化的第一區域130a和130b，而形成第一區域130a和130b。第一材料 132的選擇性移除可通過任何合適的方法進行，包括光刻法結合濕法或干法蝕刻、反應性離 子蝕刻、壓印和納米壓印平版印刷。
[0034] 圖lc為基于圖lb的低折射率層的另一個可變折射率光提取層的正剖視圖。可變 折射率光提取層102包括具有第一材料132的第一區域130a和130b以及具有第二材料 142的第二區域140a、140b和140c。可變折射率區域100被加亮以示出第二材料142的外 覆層可形成交替的第一區域和第二區域，如圖la所示。出于該描述的目的，術語"可變折射 率光提取層"用于指代交替或圖案化的第一區域和第二區域的區域，而不論該區域是否在 基材上圖案化。
[0035] 第二材料142用作外覆層時可為任何合適的材料并且可根據其物理特性和光學 特性進行選擇。在一些實施例中，第二材料142可能具有高于第一材料132的折射率。第 二材料142也可根據其物理特性進行選擇，例如熔融或玻璃化轉變溫度、分子質量、粘度或 粘彈性。第二材料142也可因其特性而被選擇為密封或保護層；例如，可考慮其濕氣透氣特 性、耐水特性或抗刮涂特性。在一些實施例中，第二材料142可為粘彈性材料，包括光學透 明的或壓敏粘合劑、高折射率油墨、硬涂層、聚合物材料或可固化樹脂。可對第二材料142 的折射率進行選擇或修改以在耦合到光導時實現所需提取效果。在一些實施例中，可能有 利的是第二材料142為粘合劑，尤其是在可變折射率光提取層102附接到光學疊堆中的附 加膜的情況下。
[0036] 第二材料142可通過任何合適的方法施加于低折射率層上，包括其他地方所述的 印刷、圖案化或涂布工藝中的任何一者。第二材料142也可層合到低折射率層上。根據第 二材料142的粘性，可允許材料流動并填充基材120上尚未使第一區域130a和130b圖案 化的區域，即大致對應于第二區域140a、140b和140c的第一材料132的區域之間。
[0037] 在一些實施例中，第二材料142在與基材相對的可變折射率光提取層的主表面上 可具有多個微觀結構。多個微觀結構可包括小透鏡、棱鏡、溝槽或者任何其他規則或不規則 的表面結構。在一些實施例中，可形成或選擇這些多個微觀結構以通過折射使光重新導向、 循環或轉向。在其他實施例中，多個微觀結構具有合適尺寸以通過衍射提取光。多個微觀 結構可通過任何合適的方法形成，包括通過蝕刻、雕刻、壓印、微復制或澆注和固化工藝。在 一些實施例中，衍射或折射微觀結構可在施加第二材料142的同時形成，這樣可簡化可變 折射率光提取層的制造，從而提供復雜度更小并且成本更低的工藝。
[0038] 參見圖ld，其為圖lc的簡化圖，由光線150和160表示的光正在相鄰層120內通 過TIR進行傳輸。在該實施例中，第一材料132的折射率遠小于相鄰層的折射率，由此限定 如圖所示的臨界角0。。由光線150表示的以超臨界角傳播的光入射到在相鄰層120和第 一材料132之間的界面，并且光線150的這種入射角大于0。，由此導致所述光中的基本上 全部在界面處被反射。
[0039] 另外在該實施例中，第二材料142的折射率大約等于或大于相鄰層120的折射率。 在這種情況下，在界面