DE69923059T2 - Dichroitischer polarisationsfilm und diesen enthaltende optische vorrichtung - Google Patents

Dichroitischer polarisationsfilm und diesen enthaltende optische vorrichtung Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Polarisationsfilm und einen optischen Polarisator, der den Film enthält. Die Erfindung betrifft insbesondere einen dichroitischen Polarisationsfilm, der aus einer Dispersion von einem Polyvinylalkohol und einem zweiten Polymer hergestellt ist, und einen optischen Polarisator, der den Film enthält.
  • Optischer Polarisationsfilm wird weitverbreitet zur Verringerung der Blendung und für verbesserten optischen Kontrast in Produkten wie Sonnenbrillen und Flüssigkristallanzeigen (LCD) verwendet. Einer der am häufigsten verwendeten Polarisatortypen für diese Anwendungen ist ein dichroitischer Polarisator, der Licht einer Polarisation absorbiert und Licht der anderen Polarisation hindurchlässt. Ein Typ von dichroitischem Polarisator wird hergestellt, indem ein Farbstoff in eine Polymermatrix eingebracht wird, die in mindestens einer Richtung gestreckt wird. Dichroitische Polarisatoren können auch hergestellt werden, indem eine Polymermatrix uniaxial gestreckt und die Matrix mit einem dichroitischen Farbstoff angefärbt wird. Alternativ kann eine Polymermatrix mit einem orientierten dichroitischen Farbstoff angefärbt werden. Zu dichroitischen Farbstoffen gehören Anthrachinon und Azofarbstoffe sowie Iod. Viele handelsübliche dichroitische Polarisatoren verwenden Polyvinylalkohol als Polymermatrix für den Farbstoff.
  • Ein anderer Polarisatortyp ist ein reflektiver Polarisator, der Licht einer Polarisation reflektiert und Licht einer anderen orthogonalen Polarisation hindurchlässt. Ein Typ von reflektivem Polarisator wird hergestellt, indem ein Stapel aus alternierenden Sätzen von. Polymerschichten gebildet wird, wobei einer der Sätze doppelbrechend ist, um in dem Stapel reflektive Grenzflächen zu bilden. Die Brechungsindixe der Schichten in den beiden Sätzen sind in der Regel in einer Richtung ungefähr gleich, so dass Licht hindurchgelassen wird, das in einer Ebene parallel zu jener Richtung polarisiert ist. Die Brechungsindexe unterscheiden sich in der Regel in einer zweiten orthogonalen Richtung, so dass Licht reflektiert wird, das in einer Ebene parallel zu der orthogonalen Richtung polarisiert ist.
  • Ein Maß für die Leistung von Polarisatoren ist das Extinktionsverhältnis. Das Extinktionsverhältnis ist das Verhältnis von a) Licht, das von dem Polarisator in einem bevorzugten hindurchgelassenen Polarisationszustand hindurchgelassen wird, zu b) Licht, das in einem orthogonalen Polarisationszustand hindurchgelassen wird. Diese beiden orthogonalen Zustände sind oft mit den beiden linearen Polarisationen von Licht verknüpft. Es können jedoch auch andere Typen von orthogonalen Zuständen verwendet werden, wie links- und rechtsgerichtete Zirkularpolarisationen oder zwei orthogonale elliptische Polarisationen. Die Extinktionsverhältnisse von dichroitischen Polarisatoren variieren in Abhängigkeit von ihrem speziellen Aufbau und ihrer angestrebten Verwendung über einen weiten Bereich. Dichroitische Polarisatoren können beispielsweise Extinktionsverhältnisse zwischen 5:1 und 3000:1 aufweisen. Dichroitische Polarisatoren, die in Anzeigesystemen verwendet werden, haben in der Regel Extinktionsverhältnisse, die vorzugsweise größer als 100:1 und besonders bevorzugt größer als 500:1 sind.
  • Dichroitische Polarisatoren absorbieren in der Regel Licht in der Nicht-Transmissionspolarisation. Dichroitische Polarisatoren absorbieren jedoch auch einen Teil des Lichts mit der hohen Transmissionspolarisation. Die Menge dieser Absorption hängt von den Einzelheiten des Aufbaus des Polarisators und dem vorgesehenen Extinktionsverhältnis ab. Für Hochleistungs-Anzeigepolarisatoren wie jene, die in LCD-Anzeigen verwendet werden, liegt dieser Absorptionsver lust in der Regel zwischen etwa 5 % und 15 %. Das Reflexionsvermögen dieser Polarisatoren für Licht mit der Absorptions- (d. h. geringen Transmissions)-Polarisation ist eher gering. Selbst unter Berücksichtigung von Oberflächenreflexionen ist dieses Reflexionsvermögen in der Regel kleiner als 10 % und üblicherweise kleiner als 5 %.
  • Reflektive Polarisatoren reflektieren in der Regel Licht mit einer Polarisation und lassen Licht mit einer orthogonalen Polarisation hindurch. Reflektive Polarisatoren haben oft unvollständiges Reflexionsvermögen der Polarisation mit der hohen Extinktion über einen interessierenden Wellenlängenbereich. Das Reflexionsvermögen ist in der Regel höher als 50 % und ist oft höher als 90 % oder 95 %. Ein reflektiver Polarisator hat auch in der Regel eine gewisse Absorption von Licht mit der Polarisation mit hoher Transmission. Diese Absorption ist in der Regel geringer als etwa 5 bis 15 %.
  • Die beiden obigen Polarisatortypen können unter Bildung eines einzigen optischen Polarisators kombiniert werden, wodurch die nützlichen Charakteristika beider Polarisatortypen vereinigt werden. Diese Polarisatoren können miteinander gebildet und gegebenenfalls miteinander orientiert werden. Der in vielen dichroitischen Polarisatoren verwendete Polyvinylalkoholfilm neigt leider unter den Verarbeitungsbedingungen, die zur Herstellung einiger reflektiver Polarisatoren erforderlich sind, zu denen beispielsweise jene gehören, die optische Schichten aus Polyethylennaphthalat (PEN) oder coPEN verwenden, zur Rissbildung. Diese reflektiven Polarisatoren können durch Strecken eines Polymerfilms bei Verarbeitungstemperaturen, wie 135 bis 180°C, und einem Streckverhältnis zwischen 2:1 und 10:1 gebildet werden. Es besteht ein Bedarf an einer dichroitischen Filmschicht, die unter diesen Verarbeitungsbedingungen nicht reißt.
  • Dichroitische Polarisatoren können auch mit anderen optischen Vorrichtungen verwendet werden, wie anderen Typen von reflektiven Polarisatoren und Spiegeln. Die Kombination eines dichroitischen Polarisators mit einem IR-Spiegel kann zur Verringerung von Blendung nützlich sein. Die Bildung des dichroitischen Polarisators in Kombination mit dem Spiegel zeigt nach wie vor die oben genannten Verarbeitungsprobleme, insbesondere wenn der Spiegel unter Verwendung orientierter Polyesterschichten hergestellt ist.
  • EP-A-564 925 offenbart einen Polyvinylalkohol-Polarisationsfilm, der Polyacetylen und Iod als Lichtpolarisierungssubstanzen enthält. GB-A-1,084,820 offenbart ein Verfahren zur Bildung von Gegenständen, die Licht polarisieren können, unter Verwendung eines linearen organischen Polymers, wie Polyvinylalkohol, und eines anorganischen Polymers.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher dichroitische Polarisationsfilme und ihre Verwendung in optischen Polarisatoren. In einer Ausführungsform schließt ein Polarisationsfilm einen Polymerfilm ein, der Polyvinylalkohol und ein zweites Polymer enthält, wobei das zweite Polymer Polyvinylpyrrolidon oder ein Polyester ist. Der Polymerfilm wird orientiert und dichroitisches Farbstoffmaterial wird eingebracht. Das dichroitische Farbstoffmaterial kann vor oder nach dem Strecken des Films eingebracht werden.
  • Eine weitere Ausführungsform ist eine optische Vorrichtung, die ein Substrat und einen Polarisationsfilm einschließt. Der Polarisationsfilm ist auf dem Substrat angeordnet und enthält Polyvinylalkohol und ein zweites Polymer, wobei das zweite Polymer Polyvinylpyrrolidon oder ein Polyester ist. Der Polymerfilm wird orientiert, und dichroitisches Farbstoffmaterial wird eingebracht.
  • Eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst das Bilden einer Dispersion von Polyvinylalkohol und einem zweiten Polymer in einem Lösungsmittel, wobei das zweite Polymer Polyvinylpyrrolidon oder ein Polyester ist. Ein Substrat wird mit der Dispersion beschichtet und danach das Lösungsmittel aus der Dispersion entfernt, um einen Polymerfilm zu bilden. Der Polymerfilm wird dann durch Strecken in mindestens einer Richtung orientiert. In den Polymerfilm wird auch ein dichroitisches Farbstoffmaterial eingebracht.
  • Eine weitere Ausführungsform ist eine Anzeigevorrichtung, die aus einem Polarisationsfilm hergestellt ist. Der Polarisationsfilm schließt einen Polymerfilm ein, der Polyvinylalkohol und ein zweites Polymer enthält, wobei das zweite Polymer Polyvinylpyrrolidon oder ein Polyester ist. Der Polymerfilm wird orientiert, und dichroitisches Farbstoffmaterial wird eingebracht.
  • Die obige Zusammenfassung der Erfindung soll nicht jede illustrierte Ausführungsform oder jede Implementierung der vorliegenden Erfindung beschreiben. Die folgenden Figuren und die detaillierte Beschreibung zeigen diese Ausführungsformen eher beispielhaft.
  • Die Erfindung wird unter Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den angefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
  • 1 eine Seitenaufrissansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Polarisators ist;
  • 2 eine Seitenaufrissansicht einer Ausführungsform eines mehrschichtigen optischen Films zur Verwendung in dem optischen Polarisator von 1 ist; und
  • 3 eine Seitenaufrissansicht einer anderen Ausführungsform eines mehrschichtigen optischen Films zur Verwendung in dem optischen Polarisator von 1 ist.
  • Obwohl die Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich ist, sind spezifische Einzelheiten derselben in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und werden detailliert beschrieben.
  • Die Erfindung betrifft optische Polarisatoren und insbesondere dichroitische Polarisatoren. Die Erfindung betrifft auch die Bildung dieser Polarisatoren und ihre Verwendung mit anderen optischen Elementen, wie reflektiven Polarisatoren, Spiegeln und IR-Spiegeln.
  • Einige konventionelle dichroitische Polarisatoren 11 werden unter Verwendung von Polyvinylalkoholfilmen hergestellt. Diese Filme sind in der Technik wohl bekannt und sind nach Einbringung eines Farbstoffmaterials als dichroitische Polarisatoren verwendet worden. Der Polyvinylalkoholfilm wird in der Regel zur Orientierung des Films gestreckt, damit er als dichroitischer Polarisator wirkt. Die Orientierung des Films legt bei Anfärbung die optischen Eigenschaften des Films (z. B. die Extinktionsachse) fest. Eine Verwendung dieser Filme ist zusammen mit mehrschichtigen optischen Filmen, die auch zur Orientierung von einer oder mehreren Schichten des Films gestreckt sind, die Bildung von beispielsweise reflektiven Polarisatoren und Spiegeln. Beispiele für derartige mehrschichtige optische Filme finden sich in WO 96/19347 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 08/402,041) WO 99/36262 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/006,601) mit dem Titel "Modified Copolyesters and Improved Multilayer Reflective Films" sowie WO 99/36248 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/006,288) mit dem Titel "Process for Making Multilayer Optical Film." Es können auch andere mehrschichtige optische Filme, reflektive Polarisatoren, Spiegel und optische Vorrichtungen zusammen mit den dichroitischen Polarisatoren verwendet werden.
  • Leider neigen Polyvinylalkoholfilme unter den Streckbedingungen zur Rissbildung, die zur Bildung vieler reflektierender Polarisatoren verwendet werden, einschließlich beispielsweise jener, die aus mehrschichtigen Polyesterfilmen hergestellt sind, und insbesondere von Polyesterfilmen, die Naphthalatuntereinheiten enthalten, wie PEN. Obwohl die Erfindung nicht auf eine spezielle Theorie angewiesen ist, wird angenommen, dass Polyvinylalkohol ein Netzwerk von Wasserstoffbindungen bildet, das unter diesen Bedingungen unter Erhalt seiner strukturellen Integrität nicht gestreckt werden kann. Das Netzwerk von Wasserstoffbindungen wird verformt und gleitet schließlich an einem oder mehreren Punkten, wodurch Risse verursacht werden. Experimente zeigen, dass kleinmolekulare Weichmacher (Plastifizierungsmittel) dieses Problem nicht lösen.
  • Es hat sich herausgestellt, dass der Zusatz eines zweiten Polymers, das in einem Lösungsmittel dispergierbar ist, das zur Bildung des Polyvinylalkoholfilms verwendet wird, die Rissbildung erheblich verringert. Das zweite Polymer ist vorzugsweise wasserlöslich, da Wasser ein übliches Lösungsmittel für Polyvinylalkohol ist. Das zweite Polymer ist insbesondere ein polares Polymer. Geeignete zweite Polymere sind Polyvinylpyrrolidon und Polyester, die in dem Lösungsmittel des Polyvinylalkohols dispergierbar sind. Zu Beispielen für wasserlösliche Polyester gehören sulfonierte Polyester, wie jene, die in US-A-5,927,835 beschrieben sind. Geeignete Colösungsmittel schließen beispielsweise polare Lösungsmittel wie C1-C4-Alkohole ein.
  • Der Polyvinylalkohol und das zweite Polymer werden in der Regel in einem Verhältnis zwischen 5:1 und 100:1, bezogen auf das Gewicht, und vorzugsweise zwischen 8:1 und 20:1, bezogen auf das Gewicht, gemischt. Die Lösung enthält in der Regel 1 bis 50 Gew.-% Feststoffe und vorzugsweise 5 bis 25 Gew.-% Feststoffe. Obwohl die Erfindung nicht auf eine spezielle Theorie zurückgreifen muss, wird vermutet, dass die Zugabe des zweiten Polymers das Netzwerk von Wasserstoffbindungen in eine große Anzahl von Domänen trennt, die sich bei Verformung relativ zueinander bewegen können, was zur Entlastung der Verformung beiträgt und die Menge der Rissbildung vermindert.
  • Der Polyvinylalkoholfilm kann nach einer Vielfalt von Techniken hergestellt werden. Bei einem beispielhaften verfahren zur Herstellung des Films werden der Polyvinylalkohol und das zweite Polymer in einem Lösungsmittel in den bereits genannten Verhältnissen und Gewichtsprozentsätzen dispergiert. Diese Dispersion der beiden Polymere wird dann auf die Oberfläche eines Substrats aufgebracht. Das Substrat kann ein anderer Film, ein mehrschichtiger Stapel, ein Kunststoffobjekt oder jegliche andere Oberfläche sein, die das Strecken des Polyvinylalkoholfilms erlaubt. Das Auftragen der Lösung kann nach einer Vielfalt bekannter Verfahren bewirkt werden, zu denen beispielsweise das Beschichten des Substrats unter Verwendung von Techniken, wie Schuhbeschichten, Extrusionsbeschichten, Walzbeschichten, Lackgießbeschichten oder jedem anderen Beschichtungsverfahren gehört, das eine gleichförmige Beschichtung liefern kann. Das Substrat kann mit einer Grundierung (Primer) beschichtet oder mit einer Koronaentladung behandelt werden, um das Verankern des Polyvinylalkoholfilms an dem Substrat zu unterstützen. Die Dicke der Beschichtung beträgt in der Regel 25 bis 500 μm im feuchten Zustand und vorzugsweise 50 bis 125 μm. Nach dem Beschichten wird der Polyvinylalkoholfilm bei einer Temperatur getrocknet, die in der Regel zwischen 100°C und 150°C liegt. Der Film wird dann unter Verwendung von beispielsweise Längsorientierern oder Spannkluppen gestreckt, um den Film zu orientieren. Der Film wird in einigen Ausführungsformen von dem Substrat entfernt. Gewünschtenfalls kann der Film dann an eine andere Oberfläche geklebt werden. Der Polyvinylalkoholfilm kann dann als dichroitischer Polarisator verwendet werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Polyvinylalkoholfilm für viele andere Zwecke verwendet werden kann.
  • Zu einem fertigen Polyvinylalkoholfilm gehört in der Regel ein dichroitisches Farbstoffmaterial, um einen dichroitischen Polarisator zu bilden. Das dichroitische Farbstoffmaterial kann Farbstoffe, Pigmente und dergleichen einschließen. Zu geeigneten Farbstoffmaterialien zur Verwendung in dem dichroitischen Polarisatorfilm gehören beispielsweise Iod sowie Anthrachinon und Azofarbstoffe, wie Kongorot (Natrium-Diphenylbis-α-naphthylaminsulfonat), Methylenblau, Stilbenfarbstoff (Farbindex (CI) = 620) und 1,1'-Diethyl-2,2'-cyaninchlorid (CI = 374 (orange) oder CI = 518 (blau)). Die Eigenschaften dieser Farbstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in E. H. Land, Colloid Chemistry (1946) beschrieben. Weitere dichroitische Farbstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Band 8, Seiten 652–661 (4. Auflage 1993) sowie den dort zitierten Druckschriften erörtert.
  • Das dichroitische Farbstoffmaterial kann der Dispersion des Polyvinylalkohols und des zweiten Polymers vor dem Beschichten zugefügt werden. Alternativ kann ein Polyvinylalkoholfilm mit einer Anfärbezusammensetzung, wie beispielsweise einer iodhaltigen Lösung, angefärbt werden. Das Anfärben des Polyvinylalkoholfilms kann vor oder nach dem Ziehen der Folie stattfinden. In einigen Fällen hält das dichroitische Farbstoffmaterial die Ziehbedingungen möglicherweise nicht aus und sollte daher nach dem Ziehen auf den Polyvinylalkoholfilm aufgebracht werden.
  • Ein Beispiel für eine geeignete Anfärbezusammensetzung ist eine iodhaltige Lösung. Der mit Iod angefärbte Film kann unter Verwendung von beispielsweise einer borhaltigen Zusammensetzung, wie Borsäure/Boraxlösung, stabilisiert werden. Andere Anfärbungen erfordern möglicherweise andere Stabilisatoren. Die Konzentrationen der Anfärbe- oder Stabilisierungszusammensetzungen sowie die Temperatur, bei der das Anfärben oder Stabilisieren stattfindet, und die Kontaktzeit mit jeder Lösung können weit variieren, ohne die Anfärbung zu gefährden.
  • Der Lösung des Polyvinylalkohols und des zweiten Polymers können verschiedene andere Komponenten zugefügt werden. Es kann beispielsweise ein oberflächenaktives Mittel zugesetzt werden, um das Benetzen des Substrats zu erleichtern. Es kann eine weite Vielfalt von oberflächenaktiven Mitteln verwendet werden, zu denen beispielsweise jene gehören, die unter der Handelsbezeichnung Triton X-100 von Union Carbide Chemicals and Plastics Company, Inc., Danbury, CT, USA, erhältlich sind. Das oberflächenaktive Mittel ist in der Regel etwa 1 % oder weniger der Lösung und vorzugsweise etwa 0,5 % oder weniger. Das oberflächenaktive Mittel ist vorzugsweise nichtionisch, so dass es polare Gruppen an dem Polymer nicht stört.
  • Ein weiteres optionales Additiv ist ein Trocknungshilfsmittel, das die Filmbildung beim Trocknen erleichtert. Zu Beispielen für geeignete Trocknungshilfsmittel gehören N-Methylpyrrolidon und Butylcarbitol. Das Trocknungshilfsmittel ist in der Regel etwa 10 % oder weniger der Lösung und vorzugsweise etwa 5 % oder weniger.
  • Es kann zusätzlich ein Klebstoff auf den Polyvinyl alkoholfilm aufgebracht werden, um den Film an das Substrat zu kleben. Dies kann besonders nützlich sein, wenn der Polyvinylalkoholfilm von einem ersten Substrat entfernt und danach auf einem zweiten Substrat positioniert wird. Es kann eine Vielfalt von Klebstoffen verwendet werden, zu denen beispielsweise Harze und selbstklebende Klebstoffe (PSA) gehören. Bei der Auswahl eines geeigneten Klebstoffs werden üblicherweise die optischen Eigenschaften des Klebstoffs berücksichtigt. Es können auch andere Beschichtungen verwendet werden, einschließlich beispielsweise harter Beschichtungen, um den Film vor umweltbedingten Schäden zu schützen, Trennliner und Grundierungsbeschichtungen, um die Adhäsion an einem Substrat zu erhöhen.
  • Die Zugabe eines zweiten Polymers zu dem Polyvinylalkoholfilm liefert einen verbesserten dichroitischen Polarisator, der mit der simultanen Orientierung des Polyvinylalkoholfilms und eines mehrschichtigen optischen Films verträglich ist, wie eines reflektiven Polarisators oder Spiegelfilms. Der Vorteil der Verwendung des verbesserten dichroitischen Polarisators ist, dass der dichroitische und der mehrschichtige optische Film miteinander orientiert werden können, wodurch beispielsweise ein optischer Polarisator gebildet wird, der dichroitische und reflektive Elemente aufweisen kann, die besser ausgerichtet sind. Die Zugabe eines zweiten Polymers zu dem Polyvinylalkoholfilm verbessert oft die Adhäsion des Films an einem Substrat.
  • Ein beispielhaftes Verfahren zur Bildung optischer Vorrichtungen schließt zuerst das Bilden eines mehrschichtigen optischen Films wie nachfolgend beschrieben ein. Dieser mehrschichtige optische Film wird mit einem Polyvinylalkoholfilm beschichtet oder laminiert, in den das zweite Polymer eingebracht ist. Dies kann unter Verwendung wohl bekannter Vorrichtungen bewirkt werden, wie beispielsweise Schuhbeschichten, Extrusions beschichten, Walzbeschichten, Lackgießbeschichten oder mit jedem anderen Beschichtungsverfahren, das eine gleichförmige Beschichtung liefern kann.
  • Der mehrschichtige optische Film und der Polyvinylalkoholfilm werden dann simultan gezogen, um einen orientierten mehrschichtigen optischen Film und einen orientierten Polyvinylalkoholfilm zu bilden. In einigen Ausführungsformen wird der mehrschichtige optische Film mehrmals gezogen. In diesen Ausführungsformen wird der Polyvinylalkoholfilm oft vor dem letzten Ziehen auf den mehrschichtigen optischen Film geschichtet oder laminiert. In alternativen Ausführungsformen können die beiden Filme separat gezogen und orientiert werden. Zum Ziehen der beiden Folien können bekannte Vorrichtungen verwendet werden, zu denen beispielsweise Spannmaschinen oder Längsorientierer gehören. Das gemeinsame Ziehen des Polyvinylalkoholfilms und des mehrschichtigen optischen Films führt in der Regel dazu, dass die Orientierungsachse der Polyvinylalkoholschicht mit der Achse der letzten Orientierung des mehrschichtigen optischen Films zusammenfällt, der entweder ein Polarisatorfilm oder ein Spiegelfilm sein kann. Dichroitisches Farbstoffmaterial kann vor dem Ziehen der Filme zugefügt werden, oder kann später eingebracht werden, beispielsweise durch Anfärben des Polyvinylalkoholfilms wie oben beschrieben.
  • Es kann eine Reihe verschiedener Kombinationen von dichroitischem Polarisator und mehrschichtigen Polymerfilmen gebildet werden. Unter anderem können beispielsweise eine Kombination aus dichroitischem und reflektivem Polarisator in der sichtbaren Bande, eine Kombination aus Spiegel und dichroitischem Polarisator in der IR-Bande, eine Kombination aus Polarisator und dichroitischem Polarisator in der IR-Bande gebildet werden.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung, nämlich einen optischen Polarisator 10, der einen dichroitischen Polarisator 11 und einen reflektiven Polarisator 12 einschließt. Diese Kombination aus zwei verschiedenen Typen von Polarisatoren kann einen optischen Polarisator mit einer hohen Reflexion/Absorption von Licht einer Polarisation und einer hohen Transmission von Licht mit einer zweiten orthogonalen Polarisation erzeugen. Die beiden Polarisatoren sind in der Regel zueinander ausgerichtet, um maximale spezifische Durchlässigkeit von Licht mit einer speziellen Polarisation zu liefern.
  • Der dichroitische Polarisator 11 befindet sich in der Regel in enger Nähe zu dem reflektiven Polarisator 12, obwohl dies nicht notwendig ist. Die beiden Polarisatoren 11, 12 sind in der Regel aneinander gebunden, um jeglichen Luftspalt zu eliminieren.
  • Der reflektive Polarisator 12 reflektiert üblicherweise einen wesentlichen Anteil von Licht mit einer ersten Polarisation und lässt den größten Teil des Lichts mit einer zweiten orthogonalen Polarisation hindurch. Der dichroitische Polarisator 11 absorbiert üblicherweise den größten Teil des Lichts mit einer dritten Polarisation und lässt einen wesentlichen Teil des Lichts mit einer vierten orthogonalen Polarisation hindurch. Der optische Polarisator 10 wird oft gebildet, indem der reflektive Polarisator 12 und der dichroitische Polarisator 11 orientiert werden, so dass sie Licht einer speziellen Polarisation (d. h. die zweite und vierte Polarisation sind gleich) hindurchlassen und Licht einer orthogonalen Polarisation (d. h. die erste und dritte Polarisation sind gleich) reflektieren/absorbieren. Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf diese spezielle Konfiguration erörtert. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich und in die Erfindung eingeschlossen, in denen der reflektive Polarisator 12 und der dichroitische Polarisator 11 in einer anderen Weise zueinander orientiert sind.
  • Während des Gebrauchs werden die kombinierten Polarisatoren auf einer oder beiden der nach außen weisenden Oberflächen beleuchtet, wie in 1 zu sehen ist. Strahl 13 ist Licht mit einer Polarisation, die vorzugsweise durch den reflektiven Polarisator 12 reflektiert wird, um Strahl 14 zu bilden. Strahl 15 ist Licht aus Strahl 13, das von dem reflektiven Polarisator 12 hindurchgelassen wurde. Die Intensität von Strahl 15 ist in der Regel viel geringer als diejenige von Strahl 14. Außerdem wird Strahl 15 üblicherweise durch den dichroitischen Polarisator 11 abgeschwächt. Lichtstrahl 16, der orthogonal zu Strahl 13 polarisiert wird, wird von dem reflektiven Polarisator 12 vorzugsweise hindurchgelassen und wird in der Regel von dem dichroitischen Polarisator 11 nur etwas abgeschwächt.
  • Strahl 17 ist Licht mit einer Polarisation, die vorzugsweise von dem dichroitischen Polarisator 11 absorbiert wird und vorzugsweise dieselbe Polarisation wie Strahl 13 hat. Der Anteil des Strahls 17, der von dem dichroitischen Polarisator 11 hindurchgelassen wird, wird durch Reflektion von dem reflektiven Polarisator 12 weiter abgeschwächt, wodurch Strahl 18 gebildet wird. Lichtstrahl 19 ist orthogonal zu Strahl 17 polarisiert und hat vorzugsweise die selbe Polarisation wie Strahl 16. Strahl 19 wird vorzugsweise sowohl durch den dichroitischen Polarisator 11 als auch den reflektiven Polarisator 12 hindurchgelassen.
  • Das Kombinieren des dichroitischen Polarisators 11 mit dem reflektiven Polarisator 12 führt zu einem optischen Polarisator 10, der ein höheres Extinktionsverhältnis des durchgelassenen Lichts hat, als es bei einem dichroitischen Polarisator allein der Fall wäre. Dies ermöglicht die Verwendung eines dichroitischen Polarisators mit einem niedrigeren Extinktions verhältnis. Dies kann nützlich sein, da dichroitische Polarisatoren in der Regel einen Teil des Lichts absorbieren, das hindurchgelassen werden soll. Die Verwendung eines dichroitischen Polarisators mit einem niedrigeren Extinktionsverhältnis kann die Menge des Lichts der gewünschten Polarisation erhöhen, die hindurchgelassen wird. Bei Licht, das entlang der Extinktionsachse polarisiert ist, beträgt der bevorzugte Prozentsatz der Extinktion des dichroitischen Polarisators 10 % oder mehr, insbesondere 55 % oder mehr und am meisten bevorzugt 70 % oder mehr. Die beste Auswahl dichroitischer und reflektiver Polarisatoren hängt von den Designvorstellungen ab, einschließlich dem zulässigen Reflektionsvermögen von der dichroitischen Polarisatorseite des Films, dem Extinktionsverhältnis des reflektiven Polarisators und dem am Ende gewünschten Polarisatorkontrast.
  • Die Kombination des reflektiven Polarisators mit dem dichroitischen Polarisator hat andere Vorteile. Diese Kombination hat beispielsweise ein hohes Reflexionsvermögen von einer Seite des Films für eine Polarisation und ein niedriges Reflexionsvermögen von der anderen Seite des Films. Die Kombination dieser beiden Charakteristika kann in einer Reihe von Systemen einschließlich LCD-Direktsichtanzeigen nützlich sein. Eine LCD-Direktsichtanzeige kann beispielsweise ein Reflexionsvermögen der Rückseite von 1 % haben und ein am Ende vorhandenes Extinktionsverhältnis von mehr als 1000:1 erfordern. Um 1 % Reflexionsvermögen in Kombination mit einem reflektiven Polarisator mit einem Reflexionsvermögen von ungefähr 100 % zu erreichen, müsste der dichroitische Polarisator 10 % oder weniger Licht hindurchlassen, das in der Extinktionsrichtung polarisiert ist. Wenn der reflektive Polarisator ein Extinktionsverhältnis von 50:1 hat, würde der dichroitische Polarisator in der Regel ein Extinktionsverhältnis von mindestens 20:1 brauchen, um das am Ende vorhandene Extinktionsverhältnis von 1000:1 zu erreichen.
  • Der reflektive Polarisator 12 kann innere Strukturen enthalten, wie Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien, wo der Index in den entsprechenden Richtungen nicht genau passt, oder andere Streuzentren. Beide dieser Typen von inneren Strukturen können mit Licht interferieren, das normalerweise von dem Polarisator hindurchgelassen würde. Es ist im Allgemeinen bevorzugt, dass die Reflexion von Licht mit der Transmissionspolarisation durch den reflektiven Polarisator 12 etwa 30 % oder weniger, insbesondere etwa 20 % oder weniger und am meisten bevorzugt etwa 15 % oder weniger ist. Das Reflexionsvermögen des reflektiven Polarisators hängt zudem von dem Wellenlängenbereich und dem Einfallwinkel des Lichts ab. Die bevorzugte prozentuale Reflexion des reflektiven Polarisators 12 für Licht mit der Reflektionspolarisation und innerhalb eines interessierenden Wellenlängenbereichs ist 20 % oder mehr, insbesondere 50 % oder mehr und am meisten bevorzugt 90 % oder mehr.
  • Es können ähnliche Designmerkmale und Parameter verwendet werden, wenn der mehrschichtige optische Film ein Spiegel oder IR-Spiegel ist. Die bevorzugte prozentuale Reflexion eines Spiegels für Licht mit einem interessierenden Wellenlängenbereich, ob sichtbar oder Infrarot, beträgt 20 % oder mehr, insbesondere etwa 50 % oder mehr und am meisten bevorzugt etwa 90 % oder mehr.
  • Ein Beispiel für einen brauchbaren mehrschichtigen Film 20 ist in 2 gezeigt. Dieser mehrschichtige optische Film 20 kann zur Herstellung von reflektiven Polarisatoren, Spiegeln und anderen optischen Vorrichtungen verwendet werden. Der mehrschichtige optische Film 20 schließt eine oder mehrere erste optische Schichten 22, eine oder mehrere zweite optische Schichten 24 und eine oder mehrere nicht- optische Schichten 28 ein. Die ersten optischen Schichten 22 sind oft doppelbrechende Polymerschichten, die uniaxial oder biaxial orientiert sind. In einigen Ausführungsformen sind die ersten optischen Schichten 22 nicht doppelbrechend. Die zweiten optischen Schichten 24 können Polymerschichten sein, die doppelbrechend und uniaxial oder biaxial orientiert sind. Die zweiten optischen Schichten 24 haben typischerweise jedoch einen isotropen Brechungsindex, der sich von mindestens einem der Brechungsindexe der ersten optischen Schichten 22 nach der Orientierung unterscheidet. Die Herstellungsverfahren und Verwendung sowie Designüberlegungen für die mehrschichtigen optischen Filme 20 sind detailliert in WO 96/19347 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 08/402,041) mit dem Titel "Multilayered Optical Film", WO 99/36262 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/006,601) mit dem Titel "Modified Copolyesters and Improved Multilayer Reflective Films" sowie WO 99/36248 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/006,288) mit dem Titel "Process for Making Multilayer Optical Film" beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich durch mehrschichtige optische Filme 20 mit zweiten optischen Schichten 24 beispielhaft dargestellt wird, die einen isotropen Brechungsindex haben, können die hier beschriebenen Prinzipien und Beispiele auf mehrschichtige optische Filme 20 mit zweiten optischen Schichten 24 angewendet werden, die doppelbrechend sind. Es können auch zusätzliche Sätze von optischen Schichten in dem mehrschichtigen optischen Film 20 verwendet werden, die den ersten und zweiten optischen Schichten 22, 24 ähnlich sind. Die hier für die Sätze der ersten und zweiten optischen Schichten offenbarten Designprinzipien können auf jegliche weiteren Sätze optischer Schichten angewendet werden. Es ist beispielsweise zu erkennen, dass, obwohl in 2 nur ein einziger Stapel 26 dargestellt ist, die mehrschichtige optische Folie 20 aus mehreren Stapeln hergestellt werden kann, die nach folgend unter Bildung des Films 20 kombiniert werden.
  • Die optischen Schichten 22, 24 und gegebenenfalls eine oder mehrere der nicht-optischen Schichten 28 werden in der Regel eine über der anderen angeordnet, um einen Stapel 26 von Schichten zu bilden. Die optischen Schichten 22, 24 sind üblicherweise wie in 2 gezeigt als alternierende Paare angeordnet, um eine Reihe von Grenzflächen zwischen Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften zu bilden. Die optischen Schichten 22, 24 sind in der Regel weniger als 1 μm dick, obwohl dickere Schichten verwendet werden können. Obwohl 2 nur sechs optische Schichten 22, 24 zeigt, haben außerdem viele mehrschichtige optische Filme 20 eine große Anzahl optischer Schichten. Typische mehrschichtige optische Filme 20 haben etwa 2 bis 5000 optische Schichten, vorzugsweise etwa 25 bis 2000 optische Schichten, insbesondere etwa 50 bis 1500 optische Schichten und am meisten bevorzugt etwa 75 bis 1000 optische Schichten.
  • Die nicht-optischen Schichten 28 sind Polymerfilme, die innerhalb des Stapel 26 (siehe 3) und/oder über diesem (siehe 2) angeordnet sind, um die optischen Schichten 22, 24 vor Schäden zu bewahren, um die Coextrusionsverarbeitung zu erleichtern und/oder um mechanische Eigenschaften nach der Verarbeitung zu verbessern. Die nicht-optischen Schichten 28 sind oft dicker als die optischen Schichten 22, 24. Die Dicke der nicht-optischen Schichten 28 ist üblicherweise mindestens das 2-fache, vorzugsweise mindestens das 4-fache und insbesondere mindestens das 10-fache der Dicke der individuellen optischen Schichten 22, 24. Die Dicke der nicht-optischen Schichten 28 kann verändert werden, um eine spezielle Dicke des optischen Films 20 zu erhalten. In der Regel werden eine oder mehrere der nicht-optischen Schichten 28 so angeordnet, dass mindestens ein Teil des Lichtes, das durch die optischen Schichten 22, 24 hindurchgelassen, polarisiert und/oder reflektiert werden soll, sich auch durch die nicht-optischen Schichten bewegt (d. h. die nicht-optischen Schichten werden in dem Weg des Lichts angeordnet, das sich durch die optischen Schichten 22, 24 hindurchbewegt oder durch diese reflektiert wird).
  • Als nicht-einschränkendes Beispiel können die optischen Schichten 22, 24 und die nicht-optischen Schichten 28 des mehrschichtigen optischen Films 20 unter Verwendung von Polymeren, wie Polyestern, hergestellt werden. Der Begriff "Polymer" schließt Polymere und Copolymere sowie Polymere und/oder Copolymere ein, die zu einem mischbaren Gemisch verarbeitet werden können, beispielsweise durch Coextrusion oder durch Reaktionen, zu denen beispielsweise Umesterung gehört. Polyester haben Carboxylat- und Glykoluntereinheiten, die durch Reaktionen von Carboxylatmonomermolekülen mit Glykolmonomermolekülen erzeugt werden. Jedes Carboxylatmonomermolekül hat zwei oder mehr funktionale Carbonsäure- oder Estergruppen, und jedes Glykolmonomermolekül hat zwei oder mehr funktionale Hydroxygruppen. Die Carboxylatmonomermoleküle können alle gleich sein, oder es können zwei oder mehr verschiedene Typen von Molekülen sein. Das gilt auch für die Glykolmonomermoleküle.
  • Die Eigenschaften einer Polymerschicht oder eines Polymerfilms variieren mit der speziellen Auswahl der Monomermoleküle. Ein Beispiel für einen Polyester, der in mehrschichtigen optischen Filmen brauchbar ist, ist Polyethylennaphthalat (PEN), das beispielsweise durch Umsetzung von Naphthalindicarbonsäure mit Ethylenglykol hergestellt werden kann.
  • Geeignete Carboxylatmonomermoleküle zur Verwendung zur Bildung der Carboxylatuntereinheiten der Polyesterschichten schließen beispielsweise 2,6-Naphthalindicarbonsäure und Isomere davon, Terephthalsäure; Isophthalsäure; Phthalsäure; Azelainsäure; Adipinsäure; Sebacinsäure; Norbornendicarbonsäure; Bicyclooctandicarbonsäure; 1,b-Cyclohexandicarbonsäure und Isomere davon; t-Butylisophthalsäure, Trimellitsäure, Natriumsulfonierte Isophthalsäure; 2,2'-Biphenyldicarbonsäure und Isomere davon sowie niedere Alkylester dieser Säuren ein, wie Methyl- oder Ethylester. Der Begriff "niederes Alkyl" bezieht sich in diesem Kontext auf geradkettige oder verzweigte C1-C10-Alkylgruppen. Zu dem Begriff "Polyester" gehören auch Polycarbonate, die von der Umsetzung von Glykolmonomermolekülen mit Estern von Carbonsäure abgeleitet sind.
  • Zu geeigneten Glykolmonomereinheiten zur Verwendung zur Bildung von Glykoluntereinheiten der Polyesterschichten gehören Ethylenglykol; Propylenglykol; 1,4-Butandiol und Isomere davon; 1,6-Hexandiol; Neopentylglykol; Polyethylenglykol; Diethylenglykol; Tricyclodekandiol; 1,4-Cyclohexandimethanol und Isomere davon; Norbornandiol; Bicyclooktandiol; Trimethylolpropan; Pentaerythritol; 1,4-Benzoldimethanol und Isomere davon; Bisphenol A; 1,8-Dihydroxybiphenyl und Isomere davon sowie 1,3-Bis(2-hydroxyethoxy)benzol.
  • Nicht-Polyesterpolymere sind auch zur Herstellung von Polarisator- oder Spiegelfilmen brauchbar. Schichten, die aus einem Polyester wie Polyethylennaphthalat hergestellt sind, können beispielsweise mit Schichten, die aus einem Acrylpolymer hergestellt sind, unter Bildung eines hochreflektierenden Spiegelfilms kombiniert werden. Polyetherimide können außerdem auch mit Polyestern, wie PEN und coPEN, verwendet werden, um einen mehrschichtigen optischen Film 20 zu erzeugen. Es können auch andere Polyester/Nicht-Polyester-Kombinationen verwendet werden, wie Polybutylenterephthalat und Polyvinylchlorid.
  • Mehrschichtige optische Filme können auch unter Verwen dung von ausschließlich Nicht-Polyestern hergestellt werden. Beispielsweise können Poly(methylmethacrylat) und Polyvinylidenfluorid zur Herstellung von Schichten für einen mehrschichtigen optischen Film 20 verwendet werden. Eine andere Nicht-Polyesterkombination ist ataktisches oder syndiotaktisches Polystyrol und Polyphenylenoxid. Es können auch andere Kombinationen verwendet werden.
  • Die ersten optischen Schichten 22 sind in der Regel orientierbare Polymerfilme, wie Polyesterfilme, die doppelbrechend gemacht werden können, indem beispielsweise die ersten optischen Schichten 22 in eine gewünschte Richtung oder gewünschte Richtungen gestreckt werden. Der Begriff "doppelbrechend" bedeutet, dass die Brechungsindexe in den orthogonalen x-, y- und z-Richtungen nicht alle gleich sind. Eine zweckmäßige Auswahl der x-, y- und z-Achsen für Filme oder Schichten in einem Film ist in 2 gezeigt, wo die x- und y-Achsen der Länge und Breite des Films oder der Schicht entsprechen und die z-Achse der Dicke der Schicht oder des Films entspricht. In der in 2 illustrierten Ausführungsform hat der mehrschichtige optische Film 20 mehrere optische Schichten 22, 24, die eine über der anderen in z-Richtung gestapelt sind.
  • Die erste optische Schicht 22 kann uniaxial orientiert sein, beispielsweise durch Strecken in einer einzigen Richtung. Eine zweite orthogonale Richtung kann sich zu irgendeinem Wert einziehen, der unter ihrer ursprünglichen Länge liegt. In einer Ausführungsform entspricht die Streckrichtung im Wesentlichen entweder der x- oder der y-Achse, wie sie in 2 gezeigt sind. Es können jedoch andere Richtungen gewählt werden. Eine doppelbrechende, uniaxial orientierte Schicht zeigt in der Regel einen Unterschied zwischen der Transmission und/oder Reflexion einfallender Lichtstrahlen mit einer Polarisationsebene parallel zu der orientierten Richtung (d. h. Streckrichtung) und Licht strahlen mit einer Polarisationsebene parallel zu einer Querrichtung (d. h. einer Richtung orthogonal zu der Streckrichtung). Wenn beispielsweise ein orientierbarer Polyesterfilm entlang der x-Achse gestreckt wird, ist das typische Ergebnis, dass nx ≠ ny ist, wobei nx und ny die Brechungsindexe für Licht sind, das in einer Ebene parallel zu der "x"- beziehungsweise "y"-Achse polarisiert ist. Der Änderungsgrad des Brechungsindex entlang der Streckrichtung hängt von Faktoren wie dem Streckungsgrad, der Streckgeschwindigkeit, der Temperatur des Films während des Streckens, der Dicke des Films, der Variation der Filmdicke und der Zusammensetzung des Films ab. Die erste optische Schicht 22 hat in der Regel eine Doppelbrechung in der Ebene (der absolute Wert von nx – ny) nach der Orientierung von 0,04 oder höher bei 632,8 nm, vorzugsweise etwa 0,1 oder mehr und insbesondere etwa 0,2 oder mehr. Alle Werte für Doppelbrechung und Brechungsindex beziehen sich auf 632,8 nm Licht, wenn nicht anders angegeben.
  • Polyethylennaphthalat (PEN) ist ein Beispiel für ein brauchbares Material zur Bildung der ersten optischen Schichten 22, weil es nach dem Strecken in hohem Maße doppelbrechend ist. Der Brechungsindex von PEN für 632,8 nm Licht, das in einer Ebene parallel zu der Streckrichtung polarisiert ist, steigt von etwa 1,62 bis auf etwa 1,87. PEN zeigt innerhalb des sichtbaren Spektrums eine Doppelbrechung von 0,20 bis 0,40 über einen Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm für ein typisches Hochorientierungsstrecken (z. B. ein Material, das bei einer Temperatur von 130°C und einer Anfangsverformungsgeschwindigkeit von 20 %/Minute auf das 5- oder mehrfache seiner ursprünglichen Abmessung gestreckt worden ist).
  • Die Doppelbrechung eines Materials kann erhöht werden, indem die molekulare Orientierung erhöht wird. Viele doppelbrechende Materialien sind kristallin oder semikristallin. Der Begriff "kristallin" wird hier zur Bezeichnung sowohl kristalliner als auch semikristalliner Materialien verwendet. PEN und andere kristalline Polyester, wie Polybutylennaphthalat (PBN), Polyethylenterephthalat (PET) und Polybutylenterephthalat (PBT), sind Beispiele für kristalline Materialien, die zum Aufbau doppelbrechender Folienschichten brauchbar sind, wie es oft bei den ersten optischen Schichten 22 der Fall ist. Einige Copolymere von PEN, PBN, PET und PBT sind zusätzlich auch kristallin oder semikristallin. Die Zugabe eines Comonomers zu PEN, PBN, PET oder PBT kann andere Eigenschaften des Materials auch verbessern, wozu beispielsweise Adhäsion an den zweiten optischen Schichten 24 oder den nicht-optischen Schichten 28 und/oder Herabsetzung der Bearbeitungstemperatur (d. h. der Extrusion- und/oder Strecktemperatur des Films) gehört.
  • Wenn das Polyestermaterial der ersten optischen Schichten 22 mehr als einen Typ von Carboxylatuntereinheit enthält, kann der Polyester ein Blockcopolyester sein, um die Adhäsion an anderen Schichten zu erhöhen (z. B. den zweiten optischen Schichten 24 oder nicht-optischen Schichten 28), die aus Blockcopolymeren mit ähnlichen Blöcken hergestellt sind. Es können auch statistische Copolyester verwendet werden.
  • In 2 und 3 können eine oder mehrere der nicht-optischen Schichten 28 als Hautschicht über mindestens einer Oberfläche von Stapel 26 gebildet werden, wie in 2 dargestellt ist, um die optischen Schichten 22, 24 während der Verarbeitung und/oder danach vor physikalischen Schäden zu schützen. Zusätzlich können innerhalb des Stapels 26 von Schichten eine oder mehrere nicht-optische Schichten 28 gebildet werden, wie in 3 illustriert ist, um dem Stapel beispielsweise größere mechanische Festigkeit zu verleihen oder den Stapel während der Verarbeitung zu schützen.
  • Die nicht-optischen Schichten 28 bestimmen die optischen Eigenschaften des mehrschichtigen optischen Films 20 mindestens über den interessierenden Wellenlängenbereich nicht erheblich. Die nicht-optischen Schichten 28 sind in der Regel nicht doppelbrechend oder orientierbar, in einigen Fällen gilt dies möglicherweise jedoch nicht. Wenn die nicht-optischen Schichten 28 als Hautschichten verwendet werden, gibt es in der Regel mindestens etwas Oberflächenreflexion. Wenn ein mehrschichtiger optischer Film 20 ein reflektiver Polarisator sein soll, haben die nicht-optischen Schichten vorzugsweise einen Brechungsindex, der vergleichsweise niedrig ist. Dies verringert den Grad der Oberflächenreflexion. Falls der mehrschichtige optische Film 20 ein Spiegel sein soll, haben die nicht-optischen Schichten 28 vorzugsweise einen Brechungsindex, der hoch ist, um die Reflexion des Lichts zu erhöhen.
  • Wenn sich die nicht-optischen Schichten 28 innerhalb des Stapels 26 befinden, gibt es in der Regel mindestens etwas Polarisation oder Reflexion von Licht durch die nicht-optischen Schichten 28 in Kombination mit den optischen Schichten 22, 24 neben den nicht-optischen Schichten 28. Die nicht-optischen Schichten 28 haben in der Regel jedoch eine Dicke, die dafür sorgt, dass von den nicht-optischen Schichten 28 innerhalb des Stapels 26 reflektiertes Licht eine Wellenlänge außerhalb des interessierenden Bereichs hat, beispielsweise bei Polarisatoren oder Spiegeln für sichtbares Licht im Infrarotbereich.
  • Die nicht-optischen Schichten 28 können auch aus Copolyestern hergestellt sein, die den zweiten optischen Schichten 24 ähnlich sind, wobei ähnliche Materialien und ähnliche Mengen von jedem Material verwendet werden. Es können auch andere Polymere verwendet werden, wie oben in Bezug auf die zweiten optischen Schichten 24 beschrieben sind. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von coPEN (d. h. einem Copolymer von PEN) und anderem Copolymermaterial für Hautschichten (wie in 2 zu sehen ist) die Rissigkeit (d. h. das Auseinanderreißen eines Films infolge von verformungsinduzierter Kristallinität und Ausrichtung einer Mehrzahl der Polymermoleküle in Orientierungsrichtung) des mehrschichtigen optischen Films 20 verringert, weil das coPEN der Hautschichten sehr wenig orientiert, wenn es unter den zur Orientierung der ersten optischen Schichten 22 verwendeten Bedingungen gestreckt wird.
  • Die Polyester der ersten optischen Schichten 22, der zweiten optischen Schichten 24 und der nicht-optischen Schichten 28 werden vorzugsweise so gewählt, dass sie ähnliche rheologische Eigenschaften (z. B. Schmelzviskositäten) haben, so dass sie coextrudiert werden können. Die zweiten optischen Schichten 24 und die nicht-optischen Schichten 28 haben eine Glasübergangstemperatur, Tg, die entweder unter oder nicht mehr als etwa 40°C über der Glasübergangstemperatur der ersten optischen Schichten 22 liegt. Die Glasübergangstemperatur der zweiten optischen Schichten 24 und der nicht-optischen Schichten 28 liegt vorzugsweise unter der Glasübergangstemperatur der ersten optischen Schichten 22.
  • Ein reflektiver Polarisator kann hergestellt werden, indem eine uniaxial orientierte erste optische Schicht 22 mit einer zweiten optischen Schicht 24 mit einem isotropen Brechungsindex kombiniert wird, der ungefähr gleich einem der Indexe in der Ebene der orientierten Schicht ist. Alternativ werden beide optischen Schichten 12, 14 aus doppelbrechenden Polymeren gebildet und werden in einem Mehrfachziehverfahren orientiert, so dass die Brechungsindexe in einer Einzelrichtung in der Ebene ungefähr gleich sind. Die Grenzfläche zwischen den beiden optischen Schichten 12, 14 bildet in jedem Fall eine Lichtreflexionsebene. Licht, das in einer Ebene parallel zu der Richtung polarisiert ist, in der die Brechungsindexe der beiden Schichten ungefähr gleich sind, wird im Wesentlichen hindurchgelassen. Licht, das in einer Ebene parallel zu der Richtung polarisiert ist, in der die beiden Schichten unterschiedliche Indexe haben, wird mindestens teilweise reflektiert. Das Reflexionsvermögen kann erhöht werden, indem die Anzahl der Schichten erhöht wird, oder indem der Unterschied der Brechungsindexe zwischen den ersten und zweiten Schichten 22, 24 erhöht wird.
  • Das höchste Reflexionsvermögen für eine spezielle Grenzfläche liegt in der Regel bei einer Wellenlänge, die dem Doppelten der kombinierten optischen Dicke des Paars von optischen Schichten 22, 24 entspricht, die die Grenzfläche bilden. Die optische Dicke der beiden Schichten ist n1d1 + n2d2, wobei n1, n2 die Brechungsindexe der beiden Schichten sind und d1, d2 die Dicken der Schichten sind. Die Schichten 22, 24 können jeweils eine Viertelwellenlänge dick sein, oder die Schichten 22, 24 können unterschiedliche optische Dicken haben, solange die Summe der optischen Dicken der Hälfte einer Wellenlänge (oder eines Vielfachen davon) entspricht. Ein Film mit einer Mehrzahl von Schichten kann Schichten mit verschiedenen optischen Dicken einschließen, um das Reflexionsvermögen des Films über einen Bereich von Wellenlängen zu erhöhen. Zu einem Film können beispielsweise Paare von Schichten gehören, die individuell abgestimmt werden, um optimale Reflexion von Licht mit speziellen Wellenlängen zu erreichen.
  • Alternativ können die ersten optischen Schichten 22 biaxial orientiert sein, indem in zwei verschiedene Richtungen gestreckt wird. Das Strecken von optischen Schichten 22 in den beiden Richtungen kann zu einem netto symmetrischen oder asymmetrischen Strecken in den beiden gewählten orthogonalen Achsen führen.
  • Ein Beispiel für die Bildung eines Spiegels unter Verwendung eines mehrschichtigen optischen Films 20 ist die Kombination einer biaxial orientierten optischen Schicht 22 mit einer zweiten optischen Schicht 24 mit einem Brechungsindex, der sich von beiden Indexen in der Ebene der biaxial orientierten Schicht unterscheidet. Der Spiegel funktioniert, indem Licht mit jedweder Polarisation reflektiert wird, weil der Brechungsindex zwischen den beiden optischen Schichten 22, 24 nicht zusammenpasst. Spiegel können auch unter Verwendung einer Kombination von uniaxial orientierten Schichten mit Brechungsindexen in der Ebene hergestellt werden, welche sich signifikant unterscheiden. In einer anderen Ausführungsform sind die ersten optischen Schichten 22 nicht doppelbrechend, und ein Spiegel wird durch Kombinieren von ersten und zweiten optischen Schichten 22, 24 gebildet, die signifikant verschiedene Brechungsindexe haben. Reflexion erfolgt ohne Orientierung der Schichten. Es gibt andere Verfahren und Kombinationen von Schichten, die bekanntermaßen sowohl Spiegel als auch Polarisatoren produzieren und sich verwenden lassen. Diese oben erörterten speziellen Kombinationen sind lediglich beispielhaft.
  • Die zweiten optischen Schichten 24 können mit einer Vielfalt optischer Eigenschaften hergestellt werden, die mindestens teilweise von dem gewünschten Betrieb des mehrschichtigen optischen Films 20 abhängen. In einer Ausführungsform sind die zweiten optischen Schichten 24 aus einem Polymermaterial gefertigt, das nicht nennenswert optisch orientiert, wenn es unter Bedingungen gestreckt wird, die zum Orientieren der ersten optischen Schichten 22 verwendet werden. Derartige Schichten sind zur Bildung reflektiver polarisierender Filme besonders brauchbar, weil sie die Bildung eines Stapels 26 von Schichten durch beispielsweise Coextrusion ermöglichen, der dann gestreckt werden kann, um die ersten optischen Schichten 22 zu orientieren, während die zweiten optischen Schichten 24 relativ isotrop bleiben. Der Brechungsindex der zweiten optischen Schichten 24 ist in der Regel gleich einem der Indexe der orientierten ersten optischen Schichten 22, damit die Transmission von Licht mit einer Polarisation in einer Ebene parallel zu der Richtung der passenden Indexe möglich ist. Vorzugsweise unterscheiden sich die beiden ungefähr gleichen Brechungsindexe um etwa 0,05 oder weniger und insbesondere um etwa 0,02 oder weniger bei 632,8 nm. In einer Ausführungsform ist der Brechungsindex der zweiten optischen Schichten 24 ungefähr gleich dem Brechungsindex der ersten optischen Schichten 22 vor dem Strecken.
  • In anderen Ausführungsformen sind die zweiten optischen Schichten 24 orientierbar. In einigen Fällen haben die zweiten optischen Schichten 24 einen Brechungsindex in der Ebene, der im Wesentlichen derselbe wie der entsprechende Brechungsindex der ersten optischen Schichten 22 nach Orientierung der beiden Sätze von Schichten 22, 24 ist, während der andere Brechungsindex in der Ebene sich von demjenigen der ersten optischen Schichten 22 wesentlich unterscheidet. In anderen Fällen, insbesondere für Spiegelanwendungen, sind beide Brechungsindexe in der Ebene der optischen Schichten 22, 24 nach der Orientierung im Wesentlichen verschieden.
  • Es wird eine kurze Beschreibung eines Verfahrens zur Bildung mehrschichtiger Polymerfilme gegeben Eine umfassendere Beschreibung der Verfahrensbedingungen und Überlegungen findet sich in WO 99/36248 (US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 09/006,288) mit dem Titel "Process for Making Multilayer Optical Film". Die mehrschichtigen Polymerfilme werden durch Extrusion von Polymeren gebildet, die in den ersten und zweiten optischen Schichten sowie den nicht-optischen Schichten verwendet werden sollen. Die Extrusionsbedingungen werden so gewählt, dass die Polymerharzzufuhr ströme in kontinuierlicher und stabiler Weise angemessen zugeführt, geschmolzen, gemischt und gepumpt werden. Die am Ende vorhandenen Schmelzstromtemperaturen werden so gewählt, dass sie in einem Bereich liegen, der Erstarren, Kristallisation oder unangemessen hohe Druckabfälle am unteren Ende des Bereichs vermindert und Abbau an dem oberen Ende des Bereichs vermindert. Die gesamte Schmelzstromverarbeitung von mehr als einem Polymer bis zu und einschließlich Filmgießen auf einer Kühlwalze wird oft als Coextrusion bezeichnet.
  • Nach der Extrusion wird jeder Schmelzstrom durch ein Halsrohr in eine Zahnradpumpe gefördert, die zur Regulierung der kontinuierlichen und gleichförmigen Geschwindigkeit des Polymerflusses verwendet wird. Am Ende des Halsrohrs kann eine statische Mischeinheit angeordnet sein, um den Polymerschmelzstrom mit einheitlicher Schmelzstromtemperatur aus der Zahnradpumpe zu einem Mehrschichtverteilerblock zu transportieren. Der gesamte Schmelzstrom wird in der Regel so gleichförmig wie möglich erwärmt, um sowohl das gleichförmige Fließen des Schmelzstroms zu erhöhen als auch den Abbau während der Schmelzverarbeitung zu vermindern.
  • Mehrschichtverteilerblöcke teilen jeden der zwei oder mehr Polymerschmelzströme in viele Schichten, verzahnen diese Schichten und kombinieren die vielen Schichten zu einem einzigen Mehrschichtenstrom. Die Schichten von jedem gegebenen Schmelzstrom werden erzeugt, indem ein Teil des Stroms von einem Hauptdurchflusskanal sequentiell in Seitenkanalrohre abgezweigt wird, die zu Schichtschlitzen in dem Verteilerblocksammler führen. Der Schichtfluss wird oft durch an der Maschine erfolgende Einstellungen sowie die Form und physikalischen Abmessungen der individuellen Seitenkanalrohre und Schichtschlitze kontrolliert.
  • Die Seitenkanalrohre und Schichtschlitze der zwei oder mehr Schmelzströme sind oft verzahnt, um beispielsweise alternierende Schichten zu bilden. Der Sammler auf der stromabwärts liegenden Seite des Verteilerblocks ist oft so geformt, dass die Schichten des kombinierten Mehrschichtstapels in Querrichtung komprimiert und gleichförmig ausgebreitet werden. Dicke nicht-optische Schichten, die als schützende Grenzschichten (PBLs) bekannt sind, können in der Nähe der Sammlerwände unter Verwendung der Schmelzströme des optischen Mehrschichtstapels oder durch einen separaten Schmelzstrom eingespeist werden. Diese nicht-optischen Schichten können, wie bereits beschrieben, verwendet werden, um die dünneren optischen Schichten vor Auswirkungen der Beanspruchung durch die Wand und möglichen daraus resultierenden Flussinstabilitäten zu schützen.
  • Der Mehrschichtstapel, der aus dem Verteilerblocksammler austritt, kann dann in eine Endformungseinheit eintreten, wie eine Düse. Alternativ kann der Strom aufgeteilt werden, vorzugsweise senkrecht zu den Schichten in dem Stapel, um zwei oder mehr Mehrschichtströme zu bilden, die durch Stapeln wieder kombiniert werden können. Der Strom kann auch in einem anderen Winkel aufgeteilt werden, als senkrecht zu den Schichten. Ein Flusskanalisierungssystem, das Ströme aufteilt und stapelt, wird als Multiplikator bezeichnet. Die Breite der aufgeteilten Ströme (d. h. die Summe der Dicke der individuellen Schichten) kann gleich oder unterschiedlich sein.
  • Das Multiplikatorverhältnis ist definiert als das Verhältnis der breiteren zu engeren Strombreiten. Ungleiche Strombreiten (d. h. Multiplikatorverhältnisse größer als eins) können zur Erzeugung von Schichtdickegradienten nützlich sein. Im Fall ungleicher Strombreiten kann der Multiplikator den engeren Strom ausbreiten und/oder den breiteren Strom in Querrichtung auf die Dicke und Flussrichtungen komprimieren, um zu gewährleisten, dass die Schichtbreiten beim Stapeln passen.
  • Vor der Multiplikation können dem Mehrschichtstapel weitere nicht-optische Schichten zugefügt werden. Diese nicht-optischen Schichten können sich innerhalb des Multiplikators wie PBLs verhalten. Nach der Multiplikation und Stapelbildung können einige dieser Schichten innere Grenzflächenschichten zwischen optischen Schichten bilden, während andere Hautschichten bilden.
  • Nach der Multiplikation wird die Bahn zu der Endformungseinheit geführt. Die Bahn wird dann auf eine Kühlwalze gegossen, die mitunter auch als Gießrad oder Gießtrommel bezeichnet wird. Dieses Gießen wird oft durch elektrostatisches Pinning unterstützt, Details hierzu sind auf dem Sektor der Polymerfilmfertigung wohl bekannt. Die Bahn kann auf eine gleichförmige Dicke über die Bahn gegossen werden, oder es kann unter Verwendung der Düsenausgusskontrollen eine vorsätzliche Profilbildung der Bahndicke induziert werden. Die Mehrschichtbahn wird dann gezogen, um den fertigen mehrschichtigen optischen Film zu produzieren.
  • In einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen optischen Polarisators wird eine einzige Ziehstufe verwendet. Dieses Verfahren kann in einer Spannmaschine oder einem Längsorientierer erfolgen. Typische Spannmaschinen ziehen in Querrichtung (TD) zu dem Bahnweg, obwohl bestimmte Spannmaschinen mit Mechanismen zum dimensionalen Ziehen oder Relaxieren (Schrumpfen) der Folien in dem Bahnweg oder der Maschinenrichtung (MD) ausgestattet sind. Bei diesem beispielhaften Verfahren wird ein Film somit in eine Richtung in der Ebene gezogen. Die zweite Dimension in der Ebene wird entweder konstant gehalten, wie in einer konventionellen Spannmaschine, oder wird zu einer geringeren Breite einziehen gelassen, wie in einem Längsorientierer. Dieses Einziehen kann wesent lich sein und nimmt mit dem Ziehverhältnis zu.
  • In einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Spiegels wird ein zweistufiges Ziehverfahren verwendet, um das doppelbrechende Material in beiden Richtungen in der Ebene zu orientieren. Die Ziehverfahren können jegliche Kombinationen der beschriebenen Einstufenverfahren sein, die das Ziehen in zwei Richtungen in der Ebene zulassen. Es kann zudem eine Spannmaschine verwendet werden, die das Ziehen in MD erlaubt, z. B. eine biaxiale Spannmaschine, die sequentiell oder simultan in zwei Richtungen ziehen kann. Im letzteren Fall kann ein einziges biaxiales Ziehverfahren verwendet werden.
  • In einem anderen Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Polarisators wird ein Mehrfachziehverfahren verwendet, welches das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Materialien gegenüber den individuellen Ziehstufen ausnutzt, um die verschiedenen Schichten herzustellen, die die unterschiedlichen Materialien innerhalb eines einzigen coextrudierten Mehrschichtfilms umfassen, die unterschiedliche Orientierungsgrade und -typen relativ zueinander besitzen. Auf diese Weise können auch Spiegel gebildet werden.
  • Die folgenden Beispiele zeigen die Herstellung und Anwendungen der Erfindung. Es wird davon ausgegangen, dass diese Beispiele lediglich veranschaulichend sind und in keinerlei Weise als den Schutzumfang der Erfindung begrenzend aufgefasst werden sollen.
  • BEISPIELE Vergleichsbeispiel
  • Herstellung eines optischen Polarisators mit einem dichroitischen Polyvinylalkohol-Polarisationsfilm Eine Lösung, die 10 Gew.-% Polyvinylalkohol, der unter der Handelsbezeichnung Airvol 107 (Air Products, Allentown, PA, USA) erhältlich ist, und 0,1 Gew.-% eines oberflächenaktiven Mittels enthielt, das von Union Carbide, Danbury, CT, USA unter der Handelsbezeichnung Triton X-100 erhältlich ist, wurde als Beschichtung auf eine nicht-orientierte Polyestergießbahn mit vier Stapeln von 209 optischen Schichten jeweils mit einem Schuhbeschichter aufgebracht, der eine Nassbeschichtungsdicke von 64 μm (2,50 mil) der Lösung abgab. Die Beschichtung wurde eine Minute bei 105°C getrocknet. Die mehrschichtige Polyestergießbahn und der Polyvinylalkoholfilm wurden simultan bei 156°C in einem Spannofen in der Richtung quer zu der Extrusionsrichtung des reflektiven Polarisators orientiert. Der reflektive Polarisator und Polyvinylalkoholfilm wurden auf das 6-fache ihrer ursprünglichen Breite gestreckt.
  • Der Polyvinylalkoholfilm wurde in einer wässrigen Iod/Kaliumiodidlösung bei 35°C 20 Sekunden angefärbt. Die Anfärbelösung enthielt 0,4 Gew.-% Iod und 21 Gew.-% Kaliumiodid. Die Anfärbung wurde in einem Borsäure/Boraxbad bei 65°C 25 Sekunden fixiert. Die Fixierlösung enthielt 4,5 Gew.-% Borax und 14,5 Gew.-% Borsäure.
  • Der optische Polarisator ließ 83,5 % Licht mit der gewünschten Polarisation hindurch und hat einen Q-Wert von 17. Der Parameter Q wird mitunter als das dichroitische Verhältnis bezeichnet. Dieses Verhältnis Q wird in Form der Energietransmissionen des Polarisationszustands mit hoher Transmission und des Extinktionspolarisationszustands wie folgt ausgedrückt: Q = ln(Text)/ln(Ttrans)wobei Ttrans die Transmission des hohen Transmissionszustands und Text die Transmission des Extinktionszustands ist.
  • Der Polyvinylalkoholfilm zeigte schwere Rissbildung und versagte im Gitterschnitt-Bandzugadhäsionversuch. Der Gitterschnitt-Bandzugadhäsionsversuch wurde wie folgt durchgeführt. Zuerst wurde eine Probe auf einer sauberen harten Oberfläche angeordnet. Dann wurde die Probe unter Verwendung einer Schablone mit einem alle 1/4'' (0,64 cm) beabstandeten 1/8'' (0,32 cm) Schlitz mit einem Anritzwerkzeug angeritzt, um ein Gitterschnittmuster zu erzeugen. Das Anritzen ging durch die Beschichtung hindurch auf das Substrat, ohne durch das Substrat hindurchzugehen. Ein 4'' (10,2 cm) Streifen von 1'' (2, 5 cm) breitem Band, das von 3M Co., St. Paul, MN, USA, unter der Handelsbezeichnung Scotch Nr. 610 erhältlich ist, wurde auf der Diagonalen zu dem Gitterschnittmuster angeordnet. Das Band wurde mithilfe der Schablone fest auf die Probe gedrückt. Als nächstes wurde mittels einer raschen Bewegung das Band mit einem flachen Winkel zu der Probenoberfläche und in einer Richtung von dem Körper der Bedienperson weg von der Probe abgezogen. Es wurde untersucht, ob Beschichtung von der Probe entfernt worden war. Wenn keine Beschichtung entfernt worden war, hatte die Probe den Test bestanden. Wenn irgendwelche Beschichtung von der Probe entfernt worden war, hatte die Probe im Test versagt. In diesem speziellen Fall hatte die Probe im Test versagt.
  • BEISPIEL 1
  • Herstellung eines optischen Polarisators mit einem dichroitischen Polyvinylalkohol-Polarisationsfilm, der einen sulfonierten Polyester enthielt
  • Eine wässrige Lösung, die 9 Gew.-% Airvol 107 Polyvinylalkohol (Air Products, Allentown, PA, USA), 1 Gew.-% WB54 (einen sulfonierten Polyester von 3M Co., St. Paul, MN, USA), 3 Gew.-% N-Methylpyrrolidon (erhältlich von Aldrich, Milwaukee, WI, USA) und 0,1 Gew.-% Triton X-100 (Union Carbide, Danbury, CT, USA) ent hielt, wurde unter Verwendung eines Schuhbeschichters, der eine Nassbeschichtungsdicke von 64 μm (2,50 mil) der Polyvinylakohollösung lieferte, auf eine nicht orientierte mehrschichtige Polyestergießbahn mit vier Stapeln aus jeweils 209 optischen Schichten geschichtet. Die Beschichtung wurde eine Minute bei 105°C getrocknet. Die Polyvinylalkoholbeschichtung und die mehrschichtige Gießbahn wurden in einer Spannofenzone vorgeheizt, die mit eingebrachter Heißluft auf 160 °C erwärmt worden war, und dann über 35 Sekunden in einer Spannzone, die mit eingebrachter Heißluft auf 150°C erwärmt worden war, auf das 6-fache ihrer ursprünglichen Breite gezogen. Die Filme wurden dann vor dem Abkühlen weitere 85 Sekunden erwärmt. Die Konstruktion zeigte nur wenige isolierte unspezifische Defekte, möglicherweise infolge von Verunreinigungen oder Luftbläschen.
  • Der Polyvinylalkoholfilm wurde in einer wässrigen Iod/Kaliumiodidlösung bei 35°C 20 Sekunden angefärbt. Die Anfärbelösung enthielt 0,4 Gew.-% Iod und 21 Gew.-% Kaliumiodid. Die Anfärbung wurde in einem Borsäure/Boraxbad bei 65°C 25 Sekunden fixiert. Die Fixierlösung enthielt 4,5 Gew.-% Borax und 14,5 Gew.-% Borsäure.
  • Der optische Polarisator ließ 87,0 % Licht mit der gewünschten Polarisation hindurch und hatte ein dichroitisches Verhältnis, Q, von 17. Das Substrat bestand den Gitterschnitt-Bandzugadhäsionstest.
  • Die vorliegende Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen speziellen Beispiele beschränkt angesehen werden, sondern es ist stattdessen so gemeint, dass alle Aspekte der Erfindung wie in den angefügten Ansprüchen beschrieben abgedeckt sind.

Claims (8)

  1. Polarisationsfilm, umfassend einen Polymerfilm, der ein Gemisch aus Polyvinylalkohol und einem zweiten Polymer umfasst, wobei der Polymerfilm orientiert ist, das zweite Polymer Polyvinylpyrrolidon oder ein Polyester ist, und dichroitisches Farbstoffmaterial in den Polymerfilm eingebracht ist.
  2. Polarisationsfilm nach Anspruch 1, wobei der Polymerfilm durch Entfernung eines Lösungsmittels aus einer Dispersion von Polyvinylalkohol und dem zweiten Polymer in dem Lösungsmittel gebildet ist.
  3. Optische Vorrichtung, umfassend ein Substrat und einen Polarisationsfilm nach Anspruch 1, der auf dem Substrat angeordnet ist.
  4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat ein Polarisator ist.
  5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Substrat ein Spiegel ist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer optischen Vorrichtung, umfassend Herstellen einer Dispersion von Polyvinylalkohol und einem zweiten Polymer in einem Lösungsmittel; Beschichten eines Substrats mit der Dispersion; Entfernen des Lösungsmittels aus der Dispersion, um einen Polymerfilm zu bilden; Orientieren des Polymerfilms; und Einbringen eines dichroitischen Farbstoffmaterials in den Polymerfilm, wobei das zweite Polymer Polyvinylpyrrolidon oder ein Polyester ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Orientieren des Polymerfilms das Strecken des Polymerfilms in mindestens einer Richtung umfasst.
  8. Anzeigevorrichtung, die einen Polarisationsfilm nach Anspruch 1 umfasst.
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