二向色性偏振薄膜和含該薄膜的光學偏振器的制作方法

專利名稱：二向色性偏振薄膜和含該薄膜的光學偏振器的制作方法
發明的領域本發明涉及偏振薄膜和含該薄膜的光學偏振器。更具體地說，本發明涉及由聚乙烯醇和第二聚合物的分散液制成的二向色性偏振薄膜以及含該薄膜的光學偏振器。
發明的背景光學偏振薄膜廣泛地在例如太陽鏡和液晶顯示器(LCD)這類產品中用于減少眩光和提高光對比度。用于這些用途的一種最常見的偏振器是二向色性偏振器，它吸收一個偏振方向的光線而透射另一個偏振方向的光線。一種二向色性偏振器是將染色材料摻入在至少一個方向經拉伸的聚合物基質中而制得的。還可單軸拉伸聚合物基質并用二向色性染料對該基質染色而制得二向色性偏振器。或者，可用取向二向色性染料對聚合物基質進行染色。二向色性染料包括蒽醌和偶氮染料以及碘。許多市售的二向色性偏振器使用聚乙烯醇作為用于染色的聚合物基質。
另一類偏振器是反射偏振器，它反射一個偏振方向的光線而透射另一個正交偏振方向的光線。一種反射偏振器是數組聚合物層交替層疊而成的，多組聚合物中的一組是雙折射的，從而在層疊物中形成反射界面。通常，兩組聚合物層沿一個方向的折射率大致相同，從而能透射在與該方向平行的平面內偏振的光線。在正交的第二方向上兩者的折射率通常不同，從而使在與該正交方向平行的平面內偏振的光線發生反射。
偏振器性能的一個量值是消光比。消光比是a)被偏振器透射的處于優先透射偏振狀態的光線與b)以正交偏振狀態透射的光線之比。這兩種正交偏振狀態通常指光線的兩個線偏振方向。但是，也可使用其它類型的正交狀態，如左旋和右旋圓偏振方向或兩個正交的橢圓偏振方向。根據具體結構和用途，二向色性偏振器的消光比具有很大的差異。例如，二向色性偏振器的消光比可為5∶1-3000∶1。用于顯示器的二向色性偏振器的消光比較好大于100∶1，更好大于500∶1。
二向色性偏振器通常吸收非透射偏振方向的光線。但是，二向色性偏振器還吸收部分高度透射偏振方向的光線。這種吸收的程度取決于偏振器的精細結構和設計的消光比。對于高性能顯示器偏振器(如用于LCD顯示器的偏振器)，這種吸收損耗約為5-15％。這些偏振器對吸收(即低透射)偏振方向的光線的反射率較小。即使算上表面反射，其反射率通常小于10％，一般小于5％。
反射偏振器通常反射一個偏振方向的光線，并透射正交偏振方向的光線。在感興趣的波長區反射偏振器通常對高消光偏振的光線具有不完全(incomplete)反射。反射率通常大于50％，一般大于90％或95％。反射偏振器通常也會部分吸收高透射偏振的光線。通常，這種吸收小于約5-15％。
可將上述兩種偏振器組合在一起，制成單一的光學偏振器，從而兼有兩種偏振器有用的特性。可一起制造這些偏振器并任意地取向。然而，在制造某些反射偏振器(例如使用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或coPEN光學層的反射偏振器)所需的加工條件下，用于許多二向色性偏振器的聚乙烯醇薄膜會開裂。可在加工溫度(如135-180℃)和拉伸比為2∶1-10∶1下拉伸聚合物薄膜，制造這些反射偏振器。需要開發一種在這種加工條件下不會開裂的二向色性薄膜層。
二向色性偏振器還可與其它光學器件(如其它類型的反射偏振器和反射鏡)一起使用。將二向色性偏振器與IR反射鏡一起使用可減少眩光。將二向色性偏振器與反射鏡組合在一起也存在上述加工問題，尤其當反射鏡是用取向的聚酯層制成的時。
發明的概述因此，本發明涉及一種二向色性偏振薄膜及其在光學偏振器中的用途。在一個實例中，偏振薄膜包括含聚乙烯醇和第二聚合物的聚合物薄膜。上述聚合物薄膜是取向的并摻有二向色性染色材料。該二向色性染色材料可在薄膜拉伸前或拉伸后摻入。
另一個實例是一種光學器件，它包括基片和偏振薄膜。偏振薄膜放置在基片上并含有聚乙烯醇和第二聚合物。聚合物薄膜是取向的并摻有二向色性染色材料。
另一個實例是光學器件的制造方法。該方法包括制備聚乙烯醇和第二聚合物在溶劑中的分散液。將該分散液涂覆在基片上，隨后從分散液中除去溶劑形成聚合物薄膜。接著沿至少一個方向拉伸聚合物薄膜，對其進行取向，并將二向色性染色材料加入該聚合物薄膜中。
另一個實例是一種由偏振薄膜制成的顯示器件。所述偏振薄膜包括含聚乙烯醇和第二聚合物的聚合物薄膜。該聚合物薄膜是取向的并摻有二向色性染色材料。
上述本發明概述不用來描述本發明的每一個說明性的實例或每一種實施方式。下面的詳細描述和附圖更具體地舉例說明這些實例。
附圖簡述通過下面結合附圖對本發明各種實例的詳細描述，可更完整地理解本發明，附圖中

圖1是本發明光學偏振器的一個實例的側視圖；圖2是用于圖1光學偏振器的多層光學薄膜的一個實例的側視圖；圖3是用于圖1光學偏振器的多層光學薄膜的另一個實例的側視圖。
盡管可對本發明進行各種改進和變化，但是其詳細內容已在附圖中用實例的形式進行了表示并將詳細說明。應該理解本發明不限于所述的具體實例。相反，本發明包括所附權利要求所限定的本發明精神和范圍內的所有改進、等同替換和變化。
詳細描述本發明涉及光學偏振器，具體涉及二向色性偏振器。本發明還涉及這些偏振器的制造方法及其與其它光學器件(如反射偏振器、反射鏡和IR反射鏡)一起使用的用途。
一些常規的二向色性偏振器11是用聚乙烯醇薄膜制成的。這些薄膜是本領域眾所周知的并且通過摻入染色材料而被用作二向色性偏振器。為了起二向色性偏振器的作用，通常對聚乙烯醇薄膜進行拉伸以取向之。染色后，薄膜的取向方向決定該薄膜的光學性能(如消光軸)。這些薄膜的一種用途是與多層光學薄膜(其中的一層或多層薄膜也經拉伸取向)一起形成例如反射偏振器和反射鏡。這種多層光學薄膜的例子可參見美國專利申請08/402,041、題為“改性共聚聚酯和改進的多層反射薄膜”的美國專利申請09/006,601、以及題為“多層光學薄膜的制造方法”的美國專利申請09/006,288。也可將其它多層光學薄膜、反射偏振器、反射鏡和光學器件與二向色性偏振器組合在一起。
然而，在用于制造許多反射偏振器(包括，例如多層聚酯薄膜，尤其是含萘二甲酸酯亞單元(如PEN)的聚酯薄膜，制成的反射偏振器)的拉伸條件下，聚乙烯醇薄膜會開裂。盡管本發明不需要具體的理論，但是認為在這些條件下聚乙烯醇形成的氫鍵網絡在受到拉伸的同時不能保持其結構完整性。氫鍵網絡發生應變，結果在一個或多個點發生移動，從而產生裂縫。實驗表明小分子增塑劑不能解決這個問題。
業已發現加入可分散在用于形成聚乙烯醇薄膜的溶劑中的第二聚合物可明顯地減少開裂。所述第二聚合物較好是水溶性的，因為水是最普通的聚乙烯醇溶劑。較好的是，所述第二聚合物是極性聚合物。合適的第二聚合物包括，例如聚乙烯基吡咯烷酮和可分散在聚乙烯醇溶劑中的聚酯。水溶性聚酯的例子包括磺化聚酯，如美國專利5,427,835所述的磺化聚酯。合適的助溶劑包括，例如極性溶劑(如C1-C4醇)。
通常，聚乙烯醇和第二聚合物以5∶1-100∶1的重量比相混合，較好以8∶1-20∶1的重量比相混合。溶液通常含1-50重量％固體，較好含5-25重量％固體。盡管本發明不需要具體的理論，但是認為加入第二聚合物后將氫鍵網絡分散成大量的區域，這些區域在發生應變時會相互移動，從而降低應力并減少裂縫的量。
可使用各種技術制造聚乙烯醇薄膜。制造薄膜的一種例舉的方法包括以上述比例和重量百分數將聚乙烯醇和第二聚合物分散在溶劑中。隨后將兩種聚合物的這種分散液施涂在基片表面上。所述基片可以是另一種薄膜、多層層疊物、塑料物體或者是聚乙烯醇薄膜能拉伸的任何其它表面。可使用各種已知方法施涂該溶液，包括例如使用如滑板(shoe)涂覆、擠出涂覆、輥涂、簾流涂覆或者能形成均勻涂層的其它涂覆方法。可對基片進行底涂或進行電暈放電處理，以幫助聚乙烯醇薄膜錨固在基片上。濕涂層的厚度通常為25-500微米，較好為50-125微米。涂覆后，通常在100-150℃的溫度下干燥聚乙烯醇薄膜。隨后使用例如長度取向機或拉幅機夾具拉伸該薄膜對其進行取向。在某些實例中，將薄膜從基片上取下。如有必要隨后將其粘附在另一個表面上。此時聚乙烯醇薄膜可作為二向色性偏振器。但是，應理解聚乙烯醇薄膜還可用于其它用途。
制成的聚乙烯醇薄膜通常包括二向色性染色材料以形成二向色性偏振器。二向色性染色材料包括染料、顏料等。用于二向色性偏振薄膜的合適的染色材料包括，例如碘以及蒽醌和偶氮染料，如剛果紅(二苯基二-α-萘胺磺酸鈉)、亞甲藍、芪染料(色指數(CI)=620)和氯化1,1’-二乙基-2,2’-花青(CI=374(橙)或CI=518(藍))。這些染料的性能及其制備方法描述在E.H.Land,ColloidChemistry(1946)中。其它二向色性染料及其制造方法描述在Kirk Othmer化學技術百科全書Vol.8,pp652-661(4thEd.1993)中，該文獻在此引為參考。
可在涂覆前將二向色性染色材料加入聚乙烯醇和第二聚合物的分散液中。或者，可使用染色組分(例如含碘溶液)對聚乙烯醇薄膜進行染色。可在薄膜拉制前或拉制后對聚乙烯醇薄膜進行染色。在某些情況下，二向色性染色材料不能承受拉伸條件，因此可在拉制后將其施加在聚乙烯醇薄膜中。
合適的染色組分的一個例子是含碘溶液。可例如使用含硼組分(如硼酸/硼砂溶液)穩定該碘染色的薄膜。其它染色膜需要不同的穩定劑。染色或穩定組分的濃度、進行染色和穩定的溫度以及與各種溶液接觸的時間可有很大的不同，而不會影響染色。
可向聚乙烯醇和第二聚合物的溶液中加入各種其它組分。例如，可加入表面活性劑以幫助濕潤基片。可使用各種表面活性劑，包括例如購自Union CarbideChemicals and Plastics Company,Inc.,Danbury,CT的Triton X-100。表面活性劑通常約占溶液的1％或更少，較好約占0.5％或更少。表面活性劑較好是非離子型的，從而不會影響聚合物的極性基團。
另一種任選的添加劑是干燥助劑，它有助于干燥成膜。合適的干燥助劑的例子包括N-甲基吡咯烷酮和丁基卡必醇。干燥助劑通常約占溶液的10％或更少，較好約占5％或更少。
另外，可在聚乙烯醇薄膜上施涂粘合劑以便將該薄膜粘附在基片上。當將聚乙烯醇薄膜從第一基片上取下隨后放置在第二基片上時，這種方法特別有用。可使用各種粘合劑，包括樹脂和壓敏粘合劑(PSA)。當選擇合適的粘合劑時，通常需考慮粘合劑的光學性能。還可使用其它涂層，包括例如硬涂層以保護薄膜免受環境損害的影響、剝離襯里和底涂層以增加與基片的粘合性。
在聚乙烯醇薄膜中加入第二聚合物形成一種改進的二向色性偏振器，它使聚乙烯醇薄膜與多層光學薄膜(如反射偏振器或反射鏡薄膜)能同時取向。使用改進的二向色性偏振器的優點在于二向色性薄膜和多層光學薄膜能一起取向，從而形成例如具有很好定位的二向色性元件和反射元件的光學偏振器。此外，在聚乙烯醇薄膜中加入第二聚合物通常改進薄膜與基片的粘合性。
形成光學元件的一種說明性方法包括，首先如下所述形成多層光學薄膜。在這種光學薄膜上涂覆或層壓含有第二聚合物的聚乙烯醇薄膜。這可使用熟知的方法，如滑板涂覆、擠出涂覆、輥涂、簾流涂覆或能形成均勻涂層的其它涂覆方法來實現。
隨后同時拉制多層光學薄膜和聚乙烯醇薄膜，形成取向的多層光學薄膜和取向的聚乙烯醇薄膜。在某些實例中，多次拉制該多層光學薄膜。在這些實例中，通常在最后一次拉制前將聚乙烯醇薄膜涂覆或層壓在該多層光學薄膜上。在另一些實例中，兩種薄膜可分開拉制和取向。可使用已知的設備拉制這兩種薄膜，包括例如拉幅機和長度取向機。一起拉制聚乙烯醇薄膜和多層光學薄膜通常會導致聚乙烯醇層的取向軸與多層光學薄膜(作為偏振器薄膜或反射鏡薄膜)的最終取向軸相一致。如上所述，可例如通過對聚乙烯醇薄膜進行染色而在薄膜拉制前，或者拉制后摻入二向色性染色材料。
可形成一系列各種組合的二向色性偏振器和多層聚合物薄膜。例如可形成可見光區的二向色性偏振器和反射偏振器的組合、IR區反射鏡和二向色性偏振器組合、以及IR區偏振器和二向色性偏振器的組合等。
圖1是一種例舉的器件，即光學偏振器10，它包括二向色性偏振器11和反射偏振器12。這兩種不同類型的偏振器的組合形成的光學偏振器對一個偏振方向的光線具有高的反射/吸收性，對第二個正交偏振方向的光線具有高的透射性。通常，兩種偏振器相互定位以便對特定偏振方向的光線產生最大的透射性。
二向色性偏振器11通常非常靠近反射偏振器12，盡管這不是必需的。較好的是，將兩種偏振器11和12粘合在一起以消除空氣間隙。
反射偏振器12通常反射大部分沿第一偏振方向的光線并透射大部分沿第二正交偏振方向的光線。二向色性偏振器11通常吸收大部分沿第三偏振方向的光線并透射大部分沿第四正交偏振方向的光線。通常，通過對反射偏振器12和二向色性偏振器11進行取向形成光學偏振器10，使之透射沿特定偏振方向的光線(即第二方向和第四偏振方向相同)，并反射/吸收沿正交偏振方向的光線(即第一和第三偏振方向相同)。本發明將參照這種具體的結構進行描述。但是，其中的反射偏振器12和二向色性偏振器11用不同方式相互取向的其它結構也是可能的并包括在本發明范圍內。
使用時，如圖1所示對組合的偏振器的一個或兩個外表面進行照射。光線13的偏振方向是反射偏振器12優先反射的方向，反射形成光線14。光線15是光線13透過反射偏振器12的光線。通常光線15的強度遠小于光線14的強度。另外，光線15通常被二向色性偏振器11衰減。偏振方向與光線13的偏振方向正交的光線16優先透射反射偏振器12，而二向色性偏振器11僅對其稍有衰減。
光線17的偏振方向是二向色性偏振器11優先吸收的方向，其方向較好與光線13的偏振方向相同。透過二向色性偏振器11的部分光線17進一步受反射偏振器12的反射衰減，形成光線18。光線19的偏振方向與光線17的偏振方向正交，其偏振方向較好與光線16的偏振方向相同。光線19優先透過二向色性偏振器11和反射偏振器12。
將二向色性偏振器11與反射偏振器12組合在一起形成光學偏振器10，其透射光消光比高于單獨用二向色性偏振器的消光比。從而可利用較低消光比的二向色性偏振器。這是有用的，因為二向色性偏振器通常會吸收一些要透射的光線。使用具有低消光比的二向色性偏振器可提高沿所需偏振方向偏振的光線的透射量。對于沿消光軸偏振的光線，二向色性偏振器較好的消光百分數為10％或更高，更好為55％或更高，最好為70％或更高。二向色性偏振器和反射偏振器的最佳選擇取決于其設計目標，包括薄膜二向色性偏振器一側的反射率、反射偏振器的消光比以及最終偏振器所需的對比度。
將反射偏振器與二向色性偏振器組合在一起具有其它優點。例如，對于一種偏振方向的光線，這種組合薄膜的一側具有高的反射率，而薄膜的另一側具有低的反射率。這兩種特性的結合使之適用于各種體系，包括直接觀看的LCD顯示屏。例如，直接觀看的LCD顯示屏其背面反射率應小于1％，并要求最終消光比大于1000∶1。為了獲得1％反射率，當與約100％反射率的反射偏振器相結合時，二向色性偏振器必須透射10％或更少的沿消光方向偏振的光線。如果反射偏振器的消光比為50∶1，要求二向色性偏振器的消光比至少為20∶1，才能獲得最終1000∶1的消光比。
反射偏振器12可具有內部結構，如不同材料之間的界面(在該界面上適當方向的折射率不能完全匹配)或其它散射中心。這兩種類型的內部結構均會影響通常會透射偏振器的光線。一般來說，反射偏振器12對沿透射偏振方向的光線的反射率較好約為30％或更低，更好約20％或更低，最好約15％或更低。另外，反射偏振器的反射率取決于入射光的波長范圍和入射角。反射偏振器12對于感興趣的波長范圍內沿反射偏振方向的光線的反射百分數較好約20％或更高，更好約50％或更高，最好約90％或更高。
當多層光學薄膜是反射鏡或IR反射鏡時，可采用相似的設計原則和參數。反射鏡對感興趣波長范圍內的光線(無論是可見光還是紅外光)的反射百分數宜為20％或更高，較好約為50％或更高，最好約90％或更高。
適用的多層光學薄膜20的一個例子如圖2所示。這種多層光學薄膜可用于制造反射偏振器、反射鏡或其它光學器件。多層光學薄膜20包括一層或多層第一光學層22、一層或多層第二光學層24和一層或多層非光學層28。第一光學層22通常是單軸或雙軸取向的雙折射聚合物層。在某些實例中，第一光學層22是非雙折射的。第二光學層24是單軸取向或雙軸取向的雙折射聚合物層。但是，取向后第二光學層24通常具有各向同性折射率，該折射率與第一光學層22的至少一個折射率不同。多層光學薄膜20的制造和使用方法以及設計上的考慮詳細描述在題為“多層光學薄膜”的美國專利申請08/402,041、題為“改性的共聚聚酯和改進的多層反射薄膜”的美國專利申請09/006,601、以及題為“多層光學薄膜的制造方法”的美國專利申請09/006,288。盡管本發明主要采用第二光學層24具有各向同性折射率的多層光學薄膜作為例子進行說明，但是本文所述的原理和例子可應用于第二光學層24具有雙折射性的多層光學薄膜20。多層光學薄膜20中還可使用與第一光學層22和第二光學層24相似的其它光學層組。本文公開的第一組光學層和第二組光學層的設計原理可應用于其它光學層組中。另外，盡管圖2顯示單一的層疊物26，但是顯然多層光學薄膜20可通過多個層疊物依次層疊而制成。
通常，將光學層22、24和任選的一層或多層非光學層28相互層疊，形成層疊物26。如圖2所示光學層22和24通常交替成對排列，在具有不同光學性能的兩層之間形成一系列界面。光學層22、24的厚度通常小于1Tm，盡管可使用較厚的層。另外，盡管圖2所示的層疊物僅有六層光學層22、24，但是許多多層光學薄膜20具有很多光學層。典型的多層光學薄膜20具有約2-5000層光學層，較好具有約25-2000層光學層，更好具有約50-1500層光學層，最好具有約75-1000層光學層。
非光學層28是聚合物薄膜，它放置在層疊物26中(參見圖3)和/或層疊物26上(參見圖2)，用于保護光學層22、24免遭損傷、幫助共擠出加工和/或提高后處理的機械性能。非光學層28的厚度通常比光學層22、24厚。非光學層28的厚度通常是單層光學層22、24厚度的至少兩倍，較好至少4倍更好至少10倍。可改變非光學層28的厚度使多層光學薄膜20具有特定的厚度。通常放置一層或多層非光學層28，從而使光學層22、24透射、偏振和/或反射的至少一部分光線也能透過這些非光學層(即將非光學層放置在光學層22、24透射或反射光線的光路中)。
作為一個非限定性例子，多層光學薄膜20的光學層22、24和非光學層28可由聚合物(如聚酯)制成。術語“聚酯”包括聚合物和共聚物以及例如通過共擠出或通過反應(包括例如酯交換反應)形成可混溶的摻混物的聚合物和/或共聚物。聚酯包括羧酸酯和二元醇亞單元，它是羧酸酯單體分子與二元醇單體分子反應而成的。每個羧酸酯單體分子具有兩個或多個羧酸或羧酸酯官能團，每個二元醇單體分子具有兩個或多個羥基官能團。羧酸酯單體分子可全部相同，或者可以是兩種或多種不同類型的分子。二元醇單體分子的情況也是如此。
聚合物層或薄膜的性能隨所選用的單體分子的不同而不同。適合作為多層光學薄膜的聚酯的一個例子是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，它可例如通過萘二甲酸與乙二醇反應制得。
適用于形成聚酯層羧酸酯亞單元的合適的羧酸酯單體分子包括，例如2,6-萘二甲酸及其異構體；對苯二甲酸；間苯二甲酸；鄰苯二甲酸；壬二酸；己二酸；癸二酸；降冰片烯二甲酸；二環辛烷二甲酸；1,6-環己烷二甲酸及其異構體；叔丁基間苯二甲酸、偏苯三酸、磺化間苯二甲酸鈉；2,2’-聯苯二甲酸及其異構體；以及這些酸的低級烷酯，如甲酯或乙酯。本文中，術語“低級烷基”是指C1-C10直鏈或支鏈烷基。術語“聚酯”還包括聚碳酸酯，它是由二元醇單體分子與碳酸的酯反應而成的。
適合于形成聚酯層二元醇亞單元的合適的二元醇單體分子包括乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇及其異構體、1,6-己二醇、新戊二醇、聚乙二醇、二甘醇、三環癸烷二醇、1,4-環己烷二甲醇及其異構體、降冰片烷二醇、二環辛烷二醇、三羥甲基丙烷、季戊四醇、1,4-苯二甲醇及其異構體、雙酚A、1,8-二羥基聯苯及其異構體和1,3-二(2-羥基乙氧基)苯。
也可使用非聚酯聚合物制造偏振器或反射鏡薄膜。例如，可將由聚酯(如聚萘二甲酸乙二醇酯)制得的層與丙烯酸類聚合物制得的層組合在一起形成高反射鏡薄膜。另外，也可使用聚醚酰亞胺與聚酯(如PEN和coPEN)一起制造多層光學薄膜20。也可使用其它聚酯/非聚酯組合(如聚對苯二甲酸丁二醇酯和聚氯乙烯)。
也可僅使用非聚酯制造多層光學薄膜。例如，可使用聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏二氟乙烯來制造多層光學薄膜20的各層。另一種非聚酯的組合是無規立構的或間同立構的聚苯乙烯和聚苯醚。還可使用其它組合。
第一光學層22通常是可取向的聚合物薄膜(如聚酯薄膜)，可例如在一個或多個所需的方向對第一光學層22進行拉伸，使之具有雙折射。術語“雙折射”是指在正交的x、y和z方向折射率不全是相同的。對于薄膜或薄膜中的層，x、y和z軸的常規擇選如圖2所示，其中x和y軸相當于薄膜或層的長度和寬度，z軸相當于層或薄膜的厚度。在圖2所述實例中，多層光學薄膜20具有多層光學層22、24，它們沿z方向相互層疊在一起。
第一光學層22可以例如沿一個方向進行拉伸而是單軸取向的。與該拉伸方向正交的第二方向會產生某種程度的頸縮，使之長度小于原始長度。在一個實例中，拉伸方向基本相當于圖2所示的x軸或y軸方向。但是也可選擇其它方向。雙折射的單軸取向層對偏振面平行于取向方向(即拉伸方向)的入射光線和偏振面平行于橫向(即與拉伸方向正交的方向)的入射光線具有不同的透射和/或反射性能。例如，當可取向的聚酯薄膜沿x軸拉伸時，一般的結果是nx≠ny，其中nx和ny是在分別與x和y軸平行的平面中偏振的光線的折射率。沿拉伸方向折射率的變化程度取決于各種因素，例如拉伸量、拉伸速度、拉伸過程中薄膜的溫度、薄膜的厚度、薄膜的厚度變化以及薄膜的組成。通常，第一光學層12取向后在632.8nm的面內雙折射(nx-ny的絕對值)為0.04或更大，較好約0.1或更大，更好約0.2或更大。除非另有說明，否則所有雙折射和折射率均是632.8nm光線的數據。
聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)是制造第一光學層22的適用材料的一個例子，因為它拉伸后具有高的雙折射。對于在與拉伸方向平行的平面內偏振的632.8nm光線，PEN的折射率由約1.62增加至高達約1.87。在可見光譜中，對于典型的高取向拉伸(例如在130℃的溫度和初始應變速率為20％/min下將材料拉伸至其原來尺寸的5倍或更多倍，)，在400-700nm的波長范圍內PEN的雙折射為0.20-0.40。
提高分子取向可增加材料的雙折射。大多數雙折射材料是結晶或半結晶的。本文中術語“結晶”泛指結晶和半結晶材料。PEN和其它結晶聚酯(如聚萘二甲酸丁二醇酯(PBN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT))是適合制造雙折射薄膜層(例如通常是第一光學層22)的結晶材料的例子。另外，某些PEN、PBN、PET和PBT的共聚物也是結晶和半結晶的。向PEN、PBN、PET或PBT中加入共聚單體可提高材料的其它性能，例如與第二光學層24或非光學層28的粘合性，和/或降低工作溫度(即擠出和/或拉伸薄膜的溫度)。
如果第一光學層22的聚酯材料含有多于一種羧酸酯亞單元，則該聚酯可以是嵌段共聚物，以增強與由具有相同嵌段的嵌段共聚物制成的其它層(如第二光學層24或非光學層28)的粘合性。也可使用無規共聚物。
再來看圖2和圖3，如圖2所示，在層疊物26的至少一個表面上可形成一層或多層非光學層28作為表層，用于例如在加工或隨后的過程中保護光學層22,24免遭物理損壞。另外，如圖3所示，可在層疊物26的層中形成一層或多層非光學層28，用于例如使該層疊物具有更大的機械強度，或者在加工過程中保護該層疊物。
非光學層28理想的是對多層光學薄膜20的光學性能不產生明顯影響，至少在有用的波長區不產生明顯的影響。非光學層28通常是非雙折射的或者是不可取向的，但是在一些情況下則非如此。通常，當將非光學層28用作表層時，則至少會存在一些表面反射。如果多層光學薄膜20要作為反射偏振器，則非光學層的折射率較好相對較低。這會降低表面反射的量。如果多層光學薄膜20要作為反射鏡，則非光學層28較好具有較高的折射率，以加強光的反射。
如果非光學層28存在于層疊物26之中，則非光學層28與和其相鄰的光學層22,24組合在一起至少會對光線產生一些偏振或反射。但是，非光學層28的厚度通常決定層疊物26內非光學層28反射的光線的波長在要求范圍以外，例如對于可見光偏振器或反射鏡，該波長在紅外區。
非光學層28可使用與第二光學層24相似的材料和相似的各材料含量，用與第二光學層24相似的共聚聚酯制得。另外，也可使用其它聚合物(如上面第二光學層24時所述的材料)。已發現使用coPEN(即PEN的共聚物)或其它共聚物作為表層(參見圖2)可降低多層聚合物薄膜20的破裂(即由于應變誘導的結晶和大部分聚合物分子沿取向方向的排列導致的薄膜破裂)，因為當在用于取向第一光學層22的條件下拉伸時，coPEN表層很少發生取向。
較好的是，選擇第一光學層22、第二光學層24和非光學層28的聚酯，使之具有相似的流變特性(例如熔體粘度)，使之能共擠出。第二光學層24和非光學層28的玻璃化溫度Tg通常低于第一光學層22的玻璃化溫度或不高于第一光學層22的玻璃化溫度約40℃。第二光學層24和非光學層28的玻璃化溫度最好低于第一光學層22的玻璃化溫度。
反射偏振器可由單軸取向的第一光學層22和各向同性折射率(與取向層中一種面內折射率大致相等)的第二光學層24組合而成。或者，兩種光學層22,24均由雙折射聚合物制成，并在一個多步拉伸步驟中取向，從而在同一面內方向的折射率大致相等。在這兩種情況下，在兩層光學層22,24之間的界面形成一個光反射平面。在與兩層折射率大致相等的方向平行的平面內偏振的光線將基本透過該兩層，在與兩層具有不同折射率的方向平行的平面內偏振的光線將至少部分被反射。通過增加層數或者通過提高第一層和第二層22,24之間的折射率之差，可增加反射度。
當波長是構成界面的一對光學層22,24的組合的光學厚度的兩倍時，則在該界面上該波長的光線可產生最大的光反射。兩層的光學厚度為n1d1+n2d2，其中n1、n2是兩層的折射率，d1、d2是這兩層的厚度。層22,24各自可具有1/4波長厚度，或者層22,24可具有不同的光學厚度，只要其光學厚度之和等于波長的一半(或波長的倍數)即可。具有多層的薄膜可包括具有不同光學厚度的各層，以便在一定的波長范圍內提高薄膜的反射度。例如，薄膜可包括多對層，該多對層每一對對特定波長的光線具有最佳的反射。
或者，通過在兩個不同方向上的拉伸而對第一光學層22進行雙軸取向。在兩個方向上拉伸光學層22會導致在兩個選定的垂直軸向形成對稱的或不對稱的凈伸長。
使用多層光學薄膜20形成反射鏡的一個例子是將雙軸取向的光學層22與第二光學層24組合在一起，所述光學層24的折射率與所述雙軸取向層的兩種面內折射率均不相同。由于兩層光學層22,24之間的折射率失配，導致該反射鏡能反射具有任一偏振方向的光線。還可將面內折射率明顯不同的單軸取向層組合在一起形成反射鏡。在另一個實例中，第一光學層22是非雙折射的，將第一光學層22與折射率明顯不同的第二光學層24組合在一起形成反射鏡。無需對這些層進行取向就可發生反射。已知還存在制造反射鏡和偏振器的其它方法和層的組合，它們也可用于本發明中。上面所述具體的組合僅是例舉性的。
根據(至少部分根據)多層光學薄膜20所需的操作，可制得具有不同光學性能的第二光學層24。在一個實例中，由在用于取向第一光學層22的條件下拉伸時無明顯光學取向的聚合物材料來制得第二光學層24。這種層尤其適合制造反射偏振膜，因為可通過例如共擠出形成層疊物26，隨后拉伸取向第一光學層22，而第二光學層24保持相對各向同性。通常，第二光學層24的折射率大致等于取向的第一光學層22的一種折射率，從而能透過在與折射率匹配方向平行的平面內偏振的光線。較好的是，在632.8nm，所述大致相等的折射率相差約0.05或更小，更好相差約0.02或更小。在一個實例中，拉伸前第二光學層24的折射率大致等于第一光學層22的折射率。
在其它實例中，第二光學層24是可取向的。在一些情況下，對層22,24這兩組層進行取向后，第二光學層24的一個面內折射率與第一光學層22的相應的折射率基本相等，而另一個面內折射率與第一光學層22的相應的折射率明顯不同。在其它情況下，尤其對于反射鏡用途中，取向后光學層22,24的兩個面內折射率明顯不同。
下面簡述一種多層聚合物薄膜的制造方法。該方法條件和考慮因素的詳細描述可參見題為“多層光學薄膜的制造方法”的美國專利申請09/006,288。多層聚合物薄膜是通過擠出用于第一和第二光學層以及非光學層的聚合物而制得的。選擇擠出條件以便用連續和穩定的方式適當地進行加料、熔融、混合和泵送聚合物樹脂料流。選擇最終熔體料流的溫度范圍，在該范圍的下限能減少凍結、結晶或過分的高壓力降。在該范圍的上限能減少降解。通常將多于一種聚合物的全部熔體料流的加工、一直到并包括在冷輥上流延薄膜的全過程稱為共擠出。
擠出后，通過一根頸管將各種熔體料流傳輸至一個用于將聚合物料流調節成具有連續的和均勻的速率的齒輪泵。在頸管的端部可放置一靜態(static)混合單元，將來自齒輪泵的聚合物熔體料流輸送至多層供料頭中，并使熔體料流具有均勻的溫度。通常盡可能均勻地加熱全部熔體料流，以便在熔融加工過程中增強熔體料流的均勻流動并減少降解。
多層供料頭將兩種或多種聚合物熔體料流各自分成許多層、交替放置這些層并將這許多層組合成單一的多層料流。隨后將部分料流從主流道排入與供料頭集料管中層狹縫相接的側流道管中，制得給定熔體料流的膜層。通常通過選擇機械以及單個側流道管的形狀和物理尺寸，和層狹縫來控制層流。
兩種或多種熔體料流的側流道管和層狹縫通常例如交替放置以形成交替排列的層。通常使供料頭的下游集料管成形成使合并的多層層疊物的各層壓縮并均勻地橫向展幅。可使用光學多層層壓物的熔體料流，或者通過單獨的熔體料流在靠近集料管壁附近加入較厚的非光學層(稱為保護邊界層(PBL))。如上所述，這些非光學層用于保護較薄的光學層免遭壁應力以及可能形成的流體不穩定的影響。
隨后使從供料頭集料管中擠出的多層層疊物進入最終成形單元(如模頭)。或者，可使料流分流(最好與層疊物中各層垂直)，形成兩種或多種多層料流，這些料流通過層疊而重新合并。料流還可以以與各層不垂直的角度分流。將使料流分流并層疊的料流流道系統稱為倍增器。分流料流的寬度(即各層厚度之和)可以相等或不相等。倍增比定義為較寬的料流與較窄的料流的寬度之比。不相等的料流寬度(即倍增比大于1)適合于形成層厚度梯度。在不相等的料流寬度的情況下，倍增器在與厚度和流動方向成橫向的方向上使較窄的料流展幅和/或壓縮較寬的料流，以確保層疊時層的寬度相匹配。
倍增前，可向多層層疊物上加入非光學層。這些非光學層可在倍增器中作為PBL。倍增和層疊后，這些層中的一部分在兩層光學層之間構成內邊界層，而其余的則構成表層。
倍增后，將卷材導向最終成形單元。接著將卷材流延在冷輥(有時也稱為流延滾筒或流延鼓)上。這種流延通常在靜電銷子的輔助下進行，其詳細情況是聚合物薄膜制造領域眾所周知的。通過控制模唇，可使卷材沿其橫向流延成具有均勻的厚度，或者可使卷材厚度具有精密的形狀。
隨后拉制多層卷材，制得多層光學薄膜產品。在制造多層光學偏振器的一種說明性的方法中，使用單獨的拉伸步驟。可在拉幅機或長度取向機上實施該方法。通常拉幅機的拉伸方向與卷材路徑垂直(橫向(TD))，盡管某些拉幅機裝有沿卷材路徑或縱向(MD)拉伸或松弛(收縮)薄膜的裝置。因此，在本說明性的方法中，沿一個面內方向拉伸薄膜。在常規拉幅機的情況下第二個面內方向上的尺寸保持不變，或者在長度取向機的情況下第二面內方向的尺寸將頸縮至較小的寬度。這種頸縮是明顯的并且會隨拉伸比的增加而提高。
在一個多層反射鏡制造方法的例子中，使用兩步拉伸方法在兩個面內方向取向雙折射材料。所述拉伸方法可以是在兩個面內方向進行拉伸的所述單步步驟的任意組合。另外，可使用能沿縱向拉伸的拉幅機，例如能依次或同時沿兩個方向拉伸的雙軸拉幅機。在同時拉伸的情況下，可使用單步雙軸拉伸法。
在制造多層偏振器的另一種方法中，使用多步拉伸方法，各拉伸步驟中利用各種材料的不同性能，制得的單一共擠出多層薄膜中的不同層包含不同的材料，不同層相互具有不同的取向程度和類型。反射鏡也可用這種方法制得。
下列實施例說明本發明的制造和使用。應理解這些實施例僅是說明性的，不對本發明范圍構成任何限制。
實施例比較例制造帶有聚乙烯醇二向色性偏振薄膜的光學偏振器使用滑板涂覆機將含有10重量％聚乙烯醇(Airvol 107，購自Air Products,Allentown,PA)和0.1重量％表面活性劑(Triton X-100，購自Union Carbide,Danbury,CT)的溶液涂覆在帶有每疊209層光學層的四疊層疊物的未取向的聚酯流延卷材上，濕的溶液涂層厚度為64微米(2.5mil)。在105℃將涂層干燥1分鐘。在156℃的拉幅機烘箱中，沿反射偏振器擠出方向的橫向同時對多層聚酯流延卷材和聚乙烯醇薄膜進行取向。反射偏振器和聚乙烯醇薄膜被拉伸至其原來寬度的6倍。
將聚乙烯醇薄膜在碘/碘化鉀水溶液中在35℃染色20秒。所述染色溶液含有0.4重量％碘和21重量％碘化鉀。在硼酸/硼砂浴中在65℃使染色物固色(fix)25秒。該固色溶液含有4.5重量％硼砂和14.5重量％硼酸。
該光學偏振器透過83.5％在所需方向偏振的光線，Q值為17。參數Q有時指二色性比。該比例Q用高透射偏振方向和消光偏振方向的透射能力來表示Q=ln(T消光)/ln(T透射)其中T透射表示高透射方向的透射率，T消光表示消光方向的透射率。
聚乙烯醇薄膜發生嚴重開裂，不能通過劃格法粘合帶剝離粘合性試驗。所述劃格法粘合帶剝離粘合性試驗是如下進行的先將試樣放置在一個干凈的硬表面上。使用每隔1/4英寸(0.64cm)具有一條1/8英寸(0.32cm)狹縫的模板，用刻劃用具對試樣劃線，形成方格圖案。劃痕穿透涂層，但是不深入基片。將一條4英寸長(10.2cm),1英寸(2.5cm)寬的購自美國3M公司的Scotch #610粘合帶放置在方格圖案的對角上。使用所述模板將該粘合帶牢固地壓粘在試樣上。接著以與試樣表面成小的夾角以及遠離操縱者的方向快速剝離粘合帶。檢查涂層剝落情況。如果涂層未剝落，則試樣通過該試驗。如果涂層從試樣上剝落，則試樣未通過該試驗。在本例情況下，該試樣未能通過該試驗。
實施例1制造帶有含磺化聚酯的聚乙烯醇二向色性偏振薄膜的光學偏振器使用滑板涂覆機將含有9重量％Airvol 107聚乙烯醇(購自Air Products,Allentown,PA)、1重量％WB54(一種磺化聚酯，購自美國3M公司)、3重量％N-甲基吡咯烷酮(購自Aldrich,Milwaukee,WI)和0.1重量％Triton X-100(購自Union Carbide,Danbury,CT)的水溶液涂覆在帶有四疊各自具有209層光學層的未取向的多層聚酯流延卷材上，濕的聚乙烯醇溶液涂層厚度為64微米(2.50mil)。在105℃將涂層干燥1分鐘。在熱空氣加熱至160℃的拉幅機烘箱區中，對聚乙烯醇涂層和多層流延卷材進行預熱，隨后在熱空氣加熱至150℃的拉幅機烘箱區中在35秒鐘內將其拉制成其原來寬度的6倍。接著將該膜再加熱85秒鐘，并冷卻。可能是由于雜質或氣泡的緣故，該結構僅有很少隔開的不明顯的缺陷。
將聚乙烯醇薄膜在碘/碘化鉀水溶液中在35℃染色20秒。所述染色溶液含有0.4重量％碘和21重量％碘化鉀。在硼酸/硼砂浴中在65℃使染色物固色(fix)25秒。該固色溶液含有4.5重量％硼砂和14.5重量％硼酸。
該光學偏振器透過87.0％在所需方向偏振的光線，二色性比Q值為17。該基片通過劃格法粘合帶剝離粘合性試驗。
本發明不受上述具體實施例的限制，應理解本發明包括所附權利要求所述的全部范圍。在閱讀了本發明說明書公開的內容后，各種改進、等同替換方法以及采用本發明的各種結構對本領域的普通技術人員是顯而易見的。權利要求書包括這些改進和器件。
權利要求
1．一種偏振薄膜，它包括含聚乙烯醇和第二聚合物的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜是取向的；和摻入該聚合物薄膜中的二向色性染色材料。
2．如權利要求1所述的偏振薄膜，其特征在于所述聚合物薄膜是從聚乙烯醇和第二聚合物在溶劑中的分散液中除去所述溶劑而制得的。
3．一種光學器件，它包括基片；放置在該基片上的取向的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜含有聚乙烯醇和第二聚合物；和摻在該聚合物薄膜中的二向色性染色材料。
4．如權利要求3所述的光學器件，其特征在于所述基片是偏振器。
5．如權利要求3所述的光學器件，其特征在于所述基片是反射鏡。
6．一種光學器件的制造方法，該方法包括形成聚乙烯醇和第二聚合物在溶劑中的分散液；將該分散液涂覆在基片上；從分散液中除去溶劑形成聚合物薄膜；取向該聚合物薄膜；和將二向色性染色材料加入該聚合物薄膜中。
7．如權利要求6所述的方法，其特征在于所述取向聚合物薄膜包括沿至少一個方向拉伸該聚合物薄膜。
8．一種顯示器件，它包括含聚乙烯醇和第二聚合物的聚合物薄膜，該聚合物薄膜是取向的；和摻入該聚合物薄膜中的二向色性染色材料。
全文摘要
一種二向色性偏振薄膜,它是例如如下制得的:先將聚乙烯醇和第二聚合物(如聚乙烯基吡咯烷酮或磺化的聚酯)溶解在溶劑中。聚乙烯醇與第二聚合物的重量比約為5∶1—100∶1。將薄膜涂覆在基片上、干燥、隨后對至少部分薄膜進行拉伸取向。在薄膜中摻入二向色性染色材料(如碘)制成二向色性偏振器。這種偏振器可與多層光學薄膜(反射偏振器)一起用于形成光學偏振器。所述多層光學薄膜可含有兩組或多組聚酯薄膜,其中至少一組是雙折射的并可拉伸取向。聚乙烯醇/第二聚合物薄膜與多層光學薄膜可同時拉伸以同時取向兩種聚合物薄膜。
文檔編號C08L67/00GK1288522SQ99802083
公開日2001年3月21日 申請日期1999年1月8日 優先權日1998年1月13日
發明者W·L·考什, B·H·威廉姆斯, W·W·梅里爾 申請人:美國3M公司