DE69722386T2

DE69722386T2 - Optischer körper

Info

Publication number: DE69722386T2
Application number: DE69722386T
Authority: DE
Inventors: J. Andrew OUDERKIRK; W. Lockwood CARLSON; L. Arthur KOTZ; J. Timothy NEVITT; A. Carl STOVER; F. Michael WEBER; C. Richard ALLEN; Biswaroop Majumdar
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2017-01-18
Also published as: WO1997032224A1; EP0883826B1; JP2000506993A; KR100455987B1; JP2000506992A; CA2246545A1; CN1117995C; CN1212763A; AU714738B2; EP0883821A1; KR19990087312A; WO1997032230A1; AU1980497A; EP0883822B1; JP2000506994A; BR9707791A; EP0883823A1; CA2248237A1; KR19990087309A; JP4336840B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft optische Materialien, die Strukturen enthalten, die zur Steuerung optischer charakteristischer Eigenschaften geeignet sind, wie des Reflexionsvermögens und der Durchlässigkeit. In einem weiteren Aspekt betrifft sie die Steuerung spezifischer Polarisationen von reflektiertem oder durchgelassenem Licht.
Hintergrund
Es sind der Technik optische Filme bekannt, die aus Einschlüssen aufgebaut sind, die in einer zusammenhängenden Matrix dispergiert sind. Die Eigenschaften dieser Einschlüsse können manipuliert werden, um dem Film einen Bereich von Reflexions- und Durchlaßeigenschaften zu verschaffen. Diese Eigenschaften umfassen die Einschlußgröße bezüglich der Wellenlänge innerhalb des Films, die Einschlußform und -Ausrichtung, den Einschlußvolumenfüllfaktor und den Grad der Brechungsindex-Fehlanpassung mit der zusammenhängenden Matrix längs der drei orthogonale Achsen des Films.
Herkömmliche absorbierende (dichroitische) Polarisatoren weisen als ihre Einschlußphase anorganische stabförmige Ketten aus lichtabsorbierendem Iod auf, die innerhalb einer Polymermatrix ausgerichtet sind. Ein solcher Film wird dazu neigen, Licht zu absorbieren, das polarisiert ist, wobei sein elektrischer Feldvektor parallel zu den stabförmigen Iodketten ausgerichtet ist, und Licht durchzulassen, das senkrecht zu den Stäben polarisiert ist. Das die Iodketten zwei oder mehr Abmessungen aufweisen, die verglichen mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts klein sind, und da die Anzahl der Ketten pro Kubikwellenlänge des Lichts groß ist, sind die optischen Eigenschaften eines solchen Films über wiegend gerichtet, mit einer sehr kleinen Durchlässigkeit durch den Film oder diffusen Reflexion von den Filmoberflächen. Wie die meisten anderen kommerziell erhältlichen Polarisatoren, beruhen diese Polarisationsfilme auf polarisationsselektiver Absorption.
Filme, die mit anorganischen Einschlüssen mit anderen Eigenschaften gefüllt sind, können andere optische Durchlässigkeits- und Reflexionseigenschaften liefern. Zum Beispiel sind beschichtete Glimmerflocken mit zwei oder mehreren Abmessungen, die verglichen mit sichtbaren Wellenlängen groß sind, in Polymerfilme und in Anstrich eingebaut worden, um einen metallischen Funkeleffekt zu verleihen. Diese Flocken können so manipuliert werden, daß sie in der Ebene des Films liegen, wodurch sie der Reflexionserscheinung eine starke Richtungsabhängigkeit verleihen. Ein solcher Effekt kann verwendet werden, um Sicherheitsabschirmungen herzustellen, die für bestimmte Betrachtungswinkel hochreflektierend und für andere Betrachtungswinkel durchlässig sind. Große Flocken mit einer Färbung (gerichtete selektive Reflexion), die von der Ausrichtung bezüglich des einfallenden Lichts abhängt, können in einen Film eingebaut werden, um einen Fälschungsbeweis zu liefern. In dieser Anwendung ist es notwendig, daß alle Flocken im Film in bezug zueinander ähnlich ausgerichtet sind.
Jedoch leiden optische Filme, die aus mit anorganischen Einschlüssen gefüllten Polymeren bestehen, an einer Vielfalt von Schwächen. Typischerweise ist die Adhäsion zwischen den anorganischen Teilchen und der Polymermatrix schlecht. Folglich nehmen die optischen Eigenschaften des Films ab, wenn ein Druck oder Zug quer zur Matrix ausgeübt werden, sowohl weil die Bindung zwischen der Matrix und den Einschlüssen beeinträchtigt wird, als auch weil die steifen anorganischen Einschlüsse zerbrochen werden. Ferner erfordert die Ausrichtung der anorganischen Einschlüsse Verfahrensschritte und Überlegungen, die die Herstellung komplizieren.
Andere Filme, wie jener, der in US 4,688,900 (Doane u. a.) offenbart wird, besteht aus einer klaren lichtdurch lässigen zusammenhängenden Polymermatrix, mit darin dispergierten Tröpfchen von lichtmodulierenden Flüssigkristallen. Eine Dehnung des Materialien führt wie verlautet zu einer Verzerrung des Flüssigkristall-Tröpfchens von einer kugelförmigen zu einer ellipsoidischen Form, wobei die lange Achse des Ellipsoids parallel zur Dehnungsrichtung verläuft. US 5,301,041 (Konuma u. a.) machen eine ähnliche Offenbarung, erreichen jedoch die Verzerrung des Flüssigkristall-Tröpfchens durch das Anwenden von Druck. A. Aphonin, „Optical Properties of Stretched Polymer Dispersed Liquid Crystal Films: Angle-Dependent Polarized Light Scattering", Liquid Crystals, B. 19, Nr. 4, 469–480 (1995), erläutert die optischen Eigenschaften gedehnter Filme, die aus Flüssigkristall-Tröpfchen bestehen, die in einer Polymermatrix angeordnet sind. Er berichtet, daß die Längung der Tröpfchen in eine ellipsoidische Form, wobei ihre langen Achsen parallel zur Dehnungsrichtung verlaufen, den Tröpfchen eine orientierte Doppelbrechung (Brechungsindex-Unterschied zwischen den Dimensionsachsen der Tröpfchen) verleiht, die zu einer relativen Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen den dispergierten und zusammenhängenden Phasen längs bestimmter Filmachsen und einer relativen Indexanpassung längs der anderen Filmachsen führt. Solche Flüssigkristall-Tröpfchen sind verglichen mit sichtbaren Wellenlängen im Film nicht klein, und folglich weisen die optischen Eigenschaften solcher Filme eine wesentliche diffuse Komponente zu ihren Reflexions- und Durchlaßeigenschaften auf. Aphonin schlägt die Verwendung dieser Materialien als einen polarisierenden Diffusor für von hinten erleuchtete verdrillte nematische LCDs vor. Jedoch sind optische Filme, die Flüssigkristalle als die dispergierte Phase einsetzen, im Grad der Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen der Matrixphase und der dispergierten Phase im wesentlichen begrenzt. Ferner ist die Doppelbrechung der Flüssigkristall-Komponente solcher Filme typischerweise temperaturempfindlich.
US 5,268,225 (Isayev) offenbart ein Kompositlaminat, das aus innigen thermotropischen Flüssigkristallpolymer- Gemischen besteht. Das innige Gemisch besteht aus zwei Flüssigkristallpolymeren, die miteinander unvermischbar sind. Die innigen Gemische können zu einem Film gegossen werden, der aus einer dispergierten Einschlußphase und einer zusammenhängenden Phase besteht. Wenn der Film gedehnt wird, bildet die dispergierte Phase eine Reihe von Fasern, deren Achsen in die Dehnungsrichtung ausgerichtet sind. Während der Film so beschrieben wird, daß er verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist, werden die optischen Eigenschaften des Films nicht erwähnt. Jedoch würden infolge ihrer Flüssigkristallbeschaffenheit Filme dieser Art an den Schwächen der andern Flüssigkristall-Materialien leiden, die oben erläutert werden.
Bei noch anderen Filme ist dafür gesorgt worden, daß sie durch die Anwendung elektrischer oder magnetischer Felder wünschenswerte optische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel beschreibt US 5,088,807 (Waters u. a.) eine Flüssigkristall-Vorrichtung, die aus einer Schicht aus Fasern besteht, die mit einem Flüssigkristallmaterial durchzogen ist und zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Eine Spannung über die Elektroden erzeugt ein elektrisches Feld, das die doppelbrechenden Eigenschaften des Flüssigkristallmaterials ändert, was zu mehreren Fehlanpassungsgraden zwischen den Brechungsindizes der Fasern und des Flüssigkristalls führt. Jedoch ist die Notwendigkeit eines elektrischen oder magnetischen Feldes in vielen Anwendungen unbequem und unerwünscht, insbesonderen in denen, wo vorhandene Felder ein Störung erzeugen könnten.
Andere optische Filme sind durch Einbauen einer Dispersion von Einschlüssen eines ersten Polymers in ein zweites Polymer und darauffolgende Dehnung des sich ergebenden Komposits in eine oder zwei Richtungen hergestellt worden. US 4,871,784 (Otonari u. a.) ist für diese Technologie exemplarisch. Die Polymere werden so ausgewählt, daß es eine niedrige Adhäsion zwischen der dispergierten Phase und dem umgebenden Matrixpolymer gibt, so daß ein elliptischer Hohlraum um jeden Einschluß gebildet wird, wenn der Film gedehnt wird. Solche Hohlräume weisen Abmessungen in der Größenordnung sichtbarer Wellenlängen auf. Die Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen dem Hohlraum und dem Polymer in diesen „Mikrohohlraum"-Filmen ist typischerweise sehr groß (etwa 0,5), was eine wesentliche diffuse Reflexion bewirkt. Jedoch sind die optischen Eigenschaften von Mikrohohlraum-Materialien aufgrund von Variationen der Geometrie der Grenzflächen schwierig zu steuern, und es ist nicht möglich, eine Filmachse herzustellen, für die Brechungsindizes verhältnismäßig abgestimmt sind, wie es für polarisationsempfindliche optische Eigenschaften nützlich wäre. Ferner können die Hohlräume in einem solchen Material leicht zusammengedrückt werden, indem es Wärme und Druck ausgesetzt wird.
Es sind auch optische Filme hergestellt worden, wobei eine dispergierte Phase deterministisch in einem geordneten Muster innerhalb einer zusammenhängenden Matrix angeordnet wird. US 5,217,794 (Schrenk) ist für diese Technologie exemplarisch. Dort wird ein lamellenförmiger Polymerfilm offenbart, der aus verglichen mit der Wellenlänge auf zwei Achsen großen Polymereinschlüsse besteht, die in einer zusammenhängenden Matrix eines anderen Polymermaterial angeordnet sind. Der Brechungsindex der dispergierten Phase unterscheidet sich längs einer oder mehrerer der Achsen des Laminats bedeutend von jener der zusammenhängenden Phase und ist längs einer anderen verhältnismäßig gut angepaßt. Aufgrund der Anordnung der dispergierten Phase, zeigen Filme dieser Art für Fälle, in denen sie im wesentlichen reflektierend sind, ein starkes Schillern (d. h. eine auf Interferenz beruhende winkelabhängige Färbung). Als Ergebnis haben solche Filme eine eingeschränkte Verwendung für optische Anwendungen gefunden, wo eine optische Streuung wünschenswert ist.
Es bleibt folglich ein Bedarf in der Technik nach einem optischen Material, das aus einer zusammenhängenden und einer dispergierten Phase besteht, wobei die Brechungsindex-Fehlanpassung zwischen den beiden Phasen längs der drei Dimensionsachsen des Materials bequem und dauerhaft manipuliert werden kann, um wünschenswerte Grade diffuser und ge richteter Reflexion und Durchlässigkeit zu erzielen, wobei das optische Material bezüglich Druck, Zug, Temperaturunterschieden und elektrischen und magnetischen Feldern stabil ist, und wobei das optische Material ein unbedeutendes Niveau an Schillern aufweist. Diese und andere Bedürfnisse werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, wie sie im folgenden offenbart wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung, die einen erfindungsgemäß hergestellten optischen Körper darstellt, wobei die dispergierte Phase als eine Reihe von länglichen Massen mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt angeordnet ist;
2 ist eine schematische Zeichnung, die einen erfindungsgemäß hergestellten optischen Körper darstellt, wobei die dispergierte Phase als eine Reihe von länglichen Massen mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt angeordnet ist;
3a–e sind schematische Zeichnungen, die verschiedene Formen der dispergierten Phase in einem erfindungsgemäß hergestellten optischen Körper darstellen;
4a ist eine graphische Darstellung der bidirektionalen Streuverteilung als eine Funktion des Streuwinkels für einen erfindungsgemäß hergestellten orientierten Film für Licht, das senkrecht zur Orientierungsrichtung polarisiert ist;
4b ist eine graphische Darstellung der bidirektionalen Streuverteilung als eine Funktion des Streuwinkels für einen erfindungsgemäß hergestellten orientierten Film für Licht, das parallel zur Orientierungsrichtung polarisiert ist; und
5 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Mehrschichtfilms.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen diffus reflektierenden Film oder anderen optischen Körper, der eine doppelbrechende zusammenhängende Polymerphase und eine im wesentlichen nicht-doppelbrechende dispergierte Phase aufweist, die in der zusammenhängenden Phase angeordnet ist. Die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen sind längs einer ersten von drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen fehlangepaßt (d. h. unterscheiden sich voneinander um mehr als 0,05) und sind längs einer zweiten der drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen angepaßt (d. h. unterscheiden sich um weniger als etwa 0,05). In einigen Ausführungsformen können die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs oder parallel zu einer dritten der drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen angepaßt oder fehlangepaßt sein, um einen Spiegel oder einen Polarisator herzustellen. Einfallendes Licht, das längs oder parallel zu einer fehlangepaßten Achse polarisiert ist, wird gestreut, was zu einer im wesentlichen diffusen Reflexion führt. Einfallendes Licht, das längs einer angepaßten Achse polarisiert ist, wird in einem sehr viel kleineren Grad gestreut und wird im wesentlichen spiegelnd durchgelassen. Diese Eigenschaften können verwendet werden, optische Filme für eine Vielfalt von Anwendungen herzustellen, einschließlich verlustarmer (im wesentlichen nicht absorbierender) Reflexionspolarisatoren, für die Polarisationen von Licht, die im wesentlichen nicht durchgelassen werden, diffus reflektiert werden.
Vorzugsweise weist die zweite Phase eine Doppelbrechung von weniger als etwa 0,02, vorzugsweise von weniger als etwa 0, 01 auf.
Vorzugsweise weist die zweite Phase auch mindestens ein thermoplastisches Polymer auf.
Vorzugsweise ist der optische Körper zu einem Dehnungsverhältnis von mindestens etwa 2, bevorzugter mindestens etwa 4 und noch bevorzugter bis mindestens etwa 6 gedehnt.
Vorzugsweise weisen die ersten und zweite Phasen zusammengenommen längs der mindestens einen Achse für beide Polarisationen elektromagnetischer Strahlung ein diffuses Reflexionsvermögen von mindestens etwa 50% auf.
Vorzugsweise weist der optische Körper für eine erste Polarisation elektromagnetischer Strahlung ein Gesamtreflexionsvermögen von mehr als etwa 50%, vorzugsweise von mehr als etwa 60%, bevorzugter von mehr als etwa 70% und für eine zweite Polarisation elektromagnetischer Strahlung, die orthogonal zur ersten Polarisation ist, eine Gesamtdurchlässigkeit von mehr als etwa 50%, vorzugsweise mehr als etwa 60%, bevorzugter von mehr als etwa 70% auf.
Vorzugsweise wird mindestens etwa 40% des Lichts, das orthogonal zu einer ersten Polarisation des Lichts polarisiert ist, vorzugsweise mindestens etwa 60%, bevorzugter mindestens etwa 70% durch den optischen Körper mit einem Ablenkwinkel von weniger als etwa 8° durchgelassen.
Vorzugsweise weist die erste Phase ein thermoplastisches Harz auf.
Das thermoplastische Harz weist vorzugsweise copolymerisierte Einheiten aus syndiotaktisches Polystyrol auf.
Vorzugsweise ist der optischer Körper in mindestens eine Richtung gedehnt, wobei mindestens etwa 40% des Lichts, das orthogonal zu einer ersten Polarisation des Lichts polarisiert ist, diffus durch den optischen Körper durchgelassen wird, und wobei die diffus durchgelassenen Strahlen hauptsächlich längs oder nahe der Oberfläche eines Kegels verteilt werden, dessen Oberfläche die spektral durchgelassene Richtung enthält und dessen Achse in die Dehnungsrichtung zentriert ist.
Vorzugsweise beträgt das diffuse Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Phasen zusammengenommen längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation sichtbarer, ultravioletter oder infraroter elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30%.
Das Extinktionsverhältnis des optischen Körpers ist vorzugsweise größer als etwa 3, bevorzugter größer als etwa 5 und noch bevorzugter größer als etwa 10.
In einem verwandten Aspekt wird ein optischer Film oder anderer optischer Körper beschrieben, der eine doppelbrechende zusammenhängende Phase und eine dispergierte Phase aufweist, wobei die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs einer Achse senkrecht zu einer Oberfläche des optischen Körpers im wesentlichen angepaßt sind (d. h. wobei der Indexunterschied zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen kleiner als etwa 0,05 ist).
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen zusammengesetzten optischen Körper, der eine zusammenhängende doppelbrechende erste Polymerphase aufweist, in der die dispergierte zweite Phase doppelbrechend sein kann, in dem jedoch der Grad der Anpassung und Fehlanpassung in mindestens zwei orthogonale Richtungen primär auf die Doppelbrechung der ersten Phase zurückzuführen ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Körper. der aufweist:
eine erste Phase, die eine Doppelbrechung von mindestens etwa 0,05 aufweist; und
eine zweite Phase, die in der ersten Phase angeordnet ist;
wobei der Absolutwert des Unterschiedes des Brechungsindex der ersten und zweiten Phasen längs einer ersten Achse Δn₁ ist und längs einer zweiten Achse, die orthogonal zur ersten Achse ist, Δn₂ ist, wobei der Absolutwert des Unterschiedes zwischen Δn₁ und Δn₂ mindestens etwa 0,05 beträgt, und wobei das diffuse Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Phasen zusammengenommen längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.
Vorzugsweise beträgt der Absolutwert des Unterschiedes zwischen Δn₁ und Δn₂ mindestens etwa 0,1.
Vorzugsweise weist die erste Phase eine größere Doppelbrechung als die zweite Phase auf.
Vorzugsweise ist die Doppelbrechung der ersten Phase um mindestens 0,02, vorzugsweise um mindestens 0,05 größer als die Doppelbrechung der zweiten Phase.
Ein Verfahren zum Erhalten eines diffus reflektierenden Polarisators weist die Schritte auf: Bereitstellen eines ersten Harzes, dessen Grad der Doppelbrechung durch das Anlegen eines Kraftfeld geändert werden kann, wie durch eine dimensionale Orientierung oder ein angelegtes elektrisch Feld, so daß das sich ergebende Harzmaterial für mindestens zwei orthogonale Richtungen einen Brechungsindexunterschied von mehr als etwa 0,05 aufweist; Bereitstellen eines zweiten Harzes, das im ersten Harz dispergiert ist; und Anlegen des Kraftfeldes an das Komposit beider Harze, so daß die Indizes der beiden Harze annährend innerhalb weniger als etwa 0,05 in eine der beiden Richtungen angepaßt sind, und der Indexunterschied zwischen den ersten und zweiten Harze in die andere der beiden Richtungen größer als etwa 0,05 ist. In einer damit zusammenhängenden Ausführungsform wird das zweite Harz im ersten Harz nach der Auferlegung des Kraftfeldes und einer anschließenden Änderung der Doppelbrechung des ersten Harzes dispergiert.
In noch einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Körper, der als ein Reflexionspolarisator mit einem hohen Extinktionsverhältnis wirkt. In diesem Aspekt wird der Indexunterschied in die Anpassungsrichtung so klein wie möglich gewählt und der Unterschied in die Fehlanpassungsrichtung wird maximiert. Der Volumenbruchteil, die Dicke und Teilchengröße und -Form der dispergierten Phase kann gewählt werden, um das Extinktionsverhältnis zu maximieren, obwohl die relative Wichtigkeit der optischen Durchlässigkeit und Reflexion für die unterschiedlichen Polarisationen für unterschiedliche Anwendungen variieren kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen optischen Körper, der eine zusammenhängende Phase, eine dispergierte Phase, deren Brechungsindex sich von der zusammenhängenden Phase längs einer ersten Achse um mehr als etwa 0,05 und längs einer zweiten, zur ersten Achse orthogonalen Achse um weniger als etwa 0,05 unterscheidet, und einen dichroitischen Farbstoff aufweist. Der optische Körper ist vorzugsweise längs mindestens einer Achse orientiert. Die dichroitische Farbstoff verbessert den Extinktionskoeffizienten des optischen Körpers, indem er zusätzlich zur Streuung Licht absorbiert, das parallel zur Orientierungsachse polarisiert ist.
In den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung werden die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften für mindestens zwei orthogonale Polarisationen des einfallenden Lichts durch die Auswahl oder Manipulation von verschiedenen Parametern festgelegt, die die optischen Indizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen, die Größe und Form der Teilchen der dispergierten Phase, den Volumenbruchteil der dispergierten Phase, die Dicke des optischen Körpers, durch die ein gewisser Bruchteil des einfallenden Lichtes gehen soll, und die Wellenlänge oder das Wellenlängenband der interessierenden elektromagnetischen Strahlung umfassen.
Die Größe der Indexanpassung oder -Fehlanpassung längs einer besonderen Achse wird den Grad der Streuung des längs dieser Achse polarisierten Lichtes direkt beeinflussen. Im allgemeinen variiert das Streuungsvermögen wie das Quadrat der Indexfehlanpassung. Je größer die Indexfehlanpassung längs einer besonderen Achse, je stärker ist folglich die Streuung des Lichtes, das längs dieser Achse polarisiert ist. Wenn umgekehrt die Fehlanpassung längs einer besonderen Achse klein ist, wird Licht, das längs dieser Achse polarisiert ist, in einem geringeren Ausmaß gestreut und wird dadurch gerichtet durch das Volumen des Körpers durchgelassen.
Die Größe der dispergierte Phase kann ebenfalls eine wesentliche Auswirkung auf die Streuung haben. Wenn die Teilchen der dispergierten Phase zu klein sind (d. h. weniger als etwa 1/30 der Wellenlänge des Lichtes im interessieren den Medium) und wenn es viele Teilchen pro Kubikwellenlänge gibt, verhält sich der optische Körper als Medium mit einem effektiven Brechungsindex, der ein wenig zwischen den Indizes der beiden Phasen längs irgendeiner gegebenen Achse liegt. In einem solchen Fall wird sehr wenig Licht gestreut. Wenn die Teilchen zu groß sind, wird das Licht gerichtet von der Teilchenoberfläche mit einer sehr geringen Streuung in andere Richtungen reflektiert. Wenn die Teilchen in mindestens zwei orthogonale Richtungen zu groß sind, können auch unerwünschte Schillereffekte auftreten. Es können auch praktische Grenzen erreicht werden, wenn Teilchen dadurch groß werden, daß die Dicke des optischen Körpers größer wird und erwünschte mechanische Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Die Form der Teilchen der dispergierten Phase können auch einen Effekt auf die Streuung von Licht haben. Die Depolarisationsfaktoren der Teilchen für das elektrische Feld in die Brechungsindex-Anpassungs- und Fehlanpassungsrichtungen können den Betrag der Streuung in eine gegebene Richtung reduzieren oder vergrößern. Der Effekt kann sich entweder zum Betrag der Streuung von der Indexfehlanpassung addieren oder ihn schmälern, hat aber im allgemeinen einen kleinen Einfluß auf die Streuung im bevorzugten Bereich der Eigenschaften in der vorliegenden Erfindung.
Die Form der Teilchen kann ebenfalls den Grad der Streuung des Lichtes beeinflussen, das von den Teilchen gestreut wird. Dieser Formeffekt ist im allgemeinen klein, nimmt jedoch zu, wenn das Seitenverhältnis des geometrischen Querschnitts des Teilchens in der Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes zunimmt und wenn die Teilchen verhältnismäßig größer werden. Im allgemeinen sollten im Betrieb dieser Erfindung die Teilchen der dispergierten Phase kleiner als einige Wellenlängen des Lichtes in eine oder zwei gegenseitig orthogonale Dimensionen sein, wenn eher eine diffuse als eine gerichtete Reflexion bevorzugt wird.
Es wird auch gefunden, das die dimensionale Ausrichtung einen Effekt auf das Streuungsverhalten der dispergierten Phase hat. Insbesondere ist in erfindungsgemäß hergestellten optischen Körpern beobachtet worden, daß ausgerichtete Streuer Licht nicht symmetrisch um die Richtungen der gerichteten Durchlässigkeit oder Reflexion streuen werden, wie es zufällig ausgerichtete Streuer würden. Insbesondere streuen Einschlüsse, die durch Orientierung verlängert worden sind, um Stäben zu ähneln, Licht primär längs (oder nahe) einem Kegel, der an der Orientierungsrichtung zentriert ist und eine Kante längs der gerichteten Durchlaßrichtung aufweist. Zum Beispiel erscheint für Licht, das auf einem solchen länglichen Stab in einer Richtung senkrecht zur Orientierungsrichtung einfällt, das gestreute Licht als ein Lichtband in der Ebene senkrecht zur Orientierungsrichtung mit einer Intensität, die mit zunehmendem Winkel von den gerichteten Richtungen weg abnimmt. Indem die Geometrie der Einschlüsse zugeschnitten wird, kann eine gewissen Kontrolle über die Verteilung des gestreuten Lichts sowohl in der Durchlaßhalbkugel als auch in der Reflexionshalbkugel erzielt werden.
Der Volumenbruchteil der dispergierten Phase beeinflußt ebenfalls die Streuung des Lichtes in den erfindungsgemäßen optischen Körpern. Innerhalb bestimmter Grenzen tendiert eine Erhöhung des Volumenbruchteils der dispergierten Phase dazu, den Betrag der Streuung, den ein Lichtstrahl erfährt, nachdem er in den Körper eingetreten ist, sowohl für die Anpassungs- als auch Fehlanpassungsrichtungen des polarisierten Lichtes zu erhöhen. Dieser Faktor ist zur Steuerung der Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften für eine gegebene Anwendung wichtig. Wenn jedoch der Volumenbruchteil der dispergierten Phase zu groß wird, vermindert sich die Lichtstreuung. Ohne daß man sich wünscht, durch eine Theorie gebunden zu sein, scheint dies auf die Tatsache zurückzuführen zu sein, daß die Teilchen der dispergierten Phase bezüglich der Wellenlänge des Lichtes näher beieinander sind, so daß die Teilchen dazu tendieren, zusammen als eine kleinere Anzahl von großen wirksamen Teilchen zu wirken.
Die Dicke des optischen Körpers ist ebenfalls ein wichtiger Steuerparameter, der manipuliert werden kann, um die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften in der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen. Wenn die Dicke des optischen Körpers zunimmt, nimmt auch die diffuse Reflexion zu, und die Durchlässigkeit, sowohl die gerichtete als auch die diffuse, nimmt ab.
Während die vorliegende Erfindung hierin häufig unter Bezugnahme auf den sichtbaren Bereich des Spektrums beschrieben wird, können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um bei anderen Wellenlängen (und folglich Frequenzen) der elektromagnetischen Strahlung wirksam zu sein, indem die Komponenten des optischen Körpers geeignet skaliert werden. Wenn folglich die Wellenlänge zunimmt, wird auch die lineare Größe der Komponenten des optischen Körpers erhöht, so daß die Abmessungen, gemessen in Einheiten der Wellenlänge, annährend konstant bleiben. Ein weiterer größerer Effekt einer Änderung der Wellenlänge ist es, daß sich für die meisten interessierenden Materialien der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient ändern. Jedoch treffen die Prinzipien der Indexanpassung und Indexfehlanpassung immer noch bei jeder interessierenden Wellenlänge zu.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Einleitung
Wie sie hierin verwendet werden, beziehen sich die Ausdrücke „gerichtete Reflexion" und „gerichtetes Reflexionsvermögen" auf das Reflexionsvermögen von Lichtstrahlen in einem Austrittskegel mit einem Spitzenwinkel von 16 Grad, der um den gerichteten Winkel zentriert ist. Die Ausdrücke „diffuse Reflexion" oder „diffuses Reflexionsvermögen" beziehen sich auf die Reflexion von Strahlen, die sich außerhalb des oben definierten gerichteten Kegels befinden. Die Ausdrücke „Gesamtreflexionsvermögen" oder „Gesamtreflexion" beziehen sich auf das kombinierte Reflexionsvermögen des gesamten Lichts von einer Oberfläche. Folglich ist die Gesamtreflexion die Summe der gerichteten und diffusen Reflexion.
Entsprechend werden die Ausdrücke „gerichtete Durchlässigkeit" und „gerichteter Durchlaßgrad" hierin in bezug auf die Durchlässigkeit von Strahlen in einem Austrittskegel mit einem Spitzenwinkel von 16 Grad verwendet, der um die gerichtete Richtung zentriert ist. Die Ausdrücke „diffuse Durchlässigkeit" und „diffuser Durchlaßgrad" werden hierin in bezug auf die Durchlässigkeit aller Strahlen verwendet, die sich außerhalb des oben definierten gerichteten Kegels befinden. Die Ausdrücke „Gesamtdurchlässigkeit" oder „Gesamtdurchlaßgrad" beziehen sich auf die kombinierte Durchlässigkeit des gesamten Lichts durch einen optischen Körper. Folglich ist die Gesamtdurchlässigkeit die Summe der gerichteten und diffusen Durchlässigkeit.
Wie er hierin verwendet wird, ist der Ausdruck „Extinktionsverhältnis" so definiert, daß er das Verhältnis des gesamten Lichts, das in einer Polarisation durchgelassen wird, zum Licht, das in eine orthogonale Polarisation durchgelassen wird, bedeutet.
Die 1–2 stellen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Erfindungsgemäß wird ein diffus reflektierender optischer Film 10 oder anderer optischer Körper hergestellt, der aus einer doppelbrechenden Matrix oder zusammenhängenden Phase 12 und einer unterbrochenen oder dispergierten Phase 14 besteht. Die Doppelbrechung der zusammenhängenden Phase beträgt typischerweise mindestens etwa 0,05, vorzugsweise mindestens etwa 0,1, bevorzugter mindestens etwa 0,15 und am bevorzugtesten mindestens etwa 0,2.
Die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen sind längs einer ersten von drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen angepaßt (d. h. unterscheiden sich um weniger als etwa 0,05), und sind längs einer zweiten von drei gegenseitig orthogonalen Achsen im wesentlichen fehlangepaßt (d. h. unterscheiden sich um mehr als etwa 0,05). Vorzugsweise unterscheiden sich die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen in die Anpassungsrichtung um weniger als etwa 0,03, bevorzugter um weniger als etwa 0,02 und am bevorzugtesten um weniger als etwa 0,01. Die Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen unterscheiden sich vorzugsweise in die Fehlanpassungsrichtung um mindestens etwa 0,07, bevorzugter um mindestens etwa 0,1 und am bevorzugtesten um mindestens etwa 0,2.
Die Fehlanpassung der Brechungsindizes längs einer besonderen Achse hat den Einfluß, daß einfallendes Licht, das längs dieser Achse polarisiert ist, im wesentlichen gestreut werden wird, was zu einem wesentlichen Reflexionsbetrag führt. Im Gegensatz dazu, wird einfallendes Licht, das längs einer Achse polarisiert ist, in der die Brechungsindizes angepaßt sind, mit einem sehr viel kleineren Grad an Streuung spektral durchgelassen oder reflektiert werden. Dieser Effekt kann genutzt werden, um eine Vielfalt von optischen Vorrichtungen herzustellen, einschließlich Reflexionspolarisatoren und Spiegeln.
Die vorliegende Erfindung stellt einen praktischen und einfachen optischen Körper und ein Verfahren zur Herstellung eines Reflexionspolarisators bereit, und stellt auch eine Einrichtung bereit, einen zusammenhängenden Bereich von optischen Eigenschaften gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien zu erhalten. Es können auch sehr effiziente verlustarme Polarisatoren mit hohen Extinktionsverhältnissen erhalten werden. Andere Vorteile sind ein weiter Bereich von praktischen Materialien für die dispergierte Phase und die zusammenhängende Phase, und ein hoher Grad an Steuerung bei der Bereitstellung optischer Körpern mit einer beständigen und vorhersagbaren hohen Qualitätsleistung.
Effekt der Indexanpassung/Fehlanpassung
In der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Materialien mindestens einer der zusammenhängenden und dispergierten Phasen aus einem Typ, der eine Änderung des Brechungsindex bei der Orientierung durchmacht. Folglich werden, wenn der Film in eine oder mehrere Richtungen orientiert wird, Brechungsindex-Anpassungen oder -Fehlanpassungen längs einer oder mehrerer Achsen erzeugt. Durch sorgfältige Manipulation der Orientierungsparameter und anderer Verarbeitungsbedingungen, kann die positive oder negative Doppelbrechung der Matrix verwendet werden, eine diffuse Reflexion oder Durchlässigkeit einer oder beider Polarisationen des Lichts längs einer gegebenen Achse zu induzieren. Das relative Verhältnis zwischen Durchlässigkeit und diffuser Reflexion hängt von der Konzentration der Einschlüsse der dispergierten Phase, der Dicke des Films, dem Quadrat der Differenz des Brechungsindex zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen, der Größe und Geometrie der Einschlüsse der dispergierten Phase und der Wellenlänge oder dem Wellenlängenband der einfallenden Strahlung ab.
Die Größe der Indexanpassung oder Indexfehlanpassung längs einer besonderen Achse beeinflußt den Grad der Streuung des längs dieser Achse polarisierten Lichtes direkt. Im allgemeinen variiert das Streuungsvermögen wie das Quadrat der Indexfehlanpassung. Je größer die Indexfehlanpassung längs einer besonderen Achse, je stärker ist folglich die Streuung des Lichtes, das längs dieser Achse polarisiert ist. Wenn umgekehrt die Fehlanpassung längs einer besonderen Achse klein ist, wird Licht, das längs dieser Achse polarisiert ist, in einem geringeren Ausmaß gestreut und wird dadurch gerichtet durch das Volumen des Körpers durchgelassen.
Die 4a–b demonstrieren diesen Effekt in erfindungsgemäß hergestellten orientierten Filmen. Dort wird eine typische Messung einer bidirektionalen Streuverteilungsfunktion (BSDF) für normal einfallendes Licht bei 632,8 nm gezeigt. Die BSDF wird in J. Stover, „Optical Scattering Measurement and Analysis" (1990) beschrieben. Die BSDF wird als eine Funktion des Streuwinkels für Polarisationen von Licht sowohl senkrecht als auch parallel zur Achse der Orientierung gezeigt. Ein Streuwinkel von Null entspricht ungestreutem (spiegelnd durchgelassenem) Licht. Für Licht, das in die Indexanpassungsrichtung (das heißt senkrecht zur Orientierungsrichtung) wie in 4a polarisiert ist, gibt es eine wesentliche spiegelnd durchgelassene Spitze mit einer ziem lich großen Komponente diffus durchgelassen Lichts (Streuwinkel zwischen 8 und 80 Grad), und eine kleine Komponente diffus reflektierten Lichts (Streuwinkel größer als 100 Grad). Für Licht, das in die Indexfehlanpassungsrichtung polarisiert ist (das heißt parallel zur Orientierungsrichtung), wie in 4b, gibt es geringfügig gerichtet durchgelassenes Licht und eine beträchtlich reduzierte Komponente von diffus durchgelassenen Licht, und eine ziemlich große diffus reflektierte Komponente. Es sollte beachtet werden, daß die Ebene der Streuung, die durch diese graphischen Darstellungen gezeigt wird, die Ebene senkrecht zur Orientierungsrichtung ist, wo wegen der länglichen Einschlüsse der größte Teil des gestreuten Lichts vorhanden ist. Beiträge gestreuten Lichts außerhalb dieser Ebene werden beträchtlich reduziert.
Wenn der Brechungsindex der Einschlüsse (d. h. der dispergierten Phase) mit jenem des zusammenhängenden Wirtsmediums längs einer gewissen Achse übereinstimmt, dann wird einfallendes Licht, das mit elektrischen Feldern parallel zu dieser Achse polarisiert ist, ungestreut hindurch gehen, unabhängig von der Größe, Form und Dichte der Einschlüsse. Wenn die Indizes längs einer gewissen Achse nicht angepaßt sind, dann werden die Einschlüsse Licht streuen, das längs dieser Achse polarisiert ist. Für Streuer einer gegebenen Querschnittsfläche mit Abmessungen, die größer als annährend λ/30 sind (wobei λ die Wellenlänge des Lichts in den Medien ist), wird die Stärke der Streuung größtenteils durch die Indexfehlanpassung bestimmt. Die genaue Größe, Form und Ausrichtung eines fehlangepaßten Einschlusses spielt eine Rolle bei der Bestimmung, wie viel Licht in die verschiedenen Richtungen von jenem Einschluß gestreut werden wird. Wenn die Dichte und Dicke der streuenden Schicht gemäß einer Mehrfachstreutheorie ausreichend ist, wird einfallendes Licht entweder reflektiert oder absorbiert, jedoch nicht durchgelassen, unabhängig von den Details der Streuergröße und -Form.
Wenn das Material als ein Polarisator verwendet werden soll, wird es vorzugsweise bearbeitet, wie durch Dehnung und indem eine gewisse dimensionale Relaxation in die quer zur Dehnung in der gleichen Ebene verlaufenden Richtung zugelassen wird, so daß der Brechungsindexunterschied zwischen den zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs einer ersten Achse in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Materials groß ist und längs der anderen beiden orthogonalen Achsen klein ist. Dies führt zu einer großen optischen Anisotropie für elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Polarisationen.
Einige der im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegenden Polarisatoren sind elliptische Polarisatoren. Im allgemeinen werden elliptische Polarisatoren sowohl für die Dehnungs- und als auch quer zur Dehnung verlaufenden Richtungen einen Unterschied im Brechungsindex zwischen der dispergierten Phase und der zusammenhängenden Phase aufweisen. Das Verhältnis der Vorwärts- zur Rückwärtsstreuung hängt vom Unterschied des Brechungsindex zwischen den dispergierten und zusammenhängenden Phasen, der Konzentration der dispergierten Phase, der Größe und Form der dispergierten Phase und der Gesamtdicke des Films ab. Im allgemeinen weisen elliptische Diffusoren zwischen den Teilchen der dispergierten und zusammenhängenden Phasen einen verhältnismäßig kleinen Unterschied im Brechungsindex. Indem ein doppelbrechender auf Polymeren beruhender Diffusor verwendet wird, kann eine hohe elliptische Polarisationsempfindlichkeit (d. h. ein diffuses Reflexionsvermögen, das von der Polarisation des Lichts abhängt) erzielt werden. Im äußersten Fall, wo der Brechungsindex der Polymere auf einer Achse übereinstimmt, wird der elliptische Polarisator ein diffus reflektierender Polarisator sein.
Verfahren zum Erhalten einer Indexanpassung/Fehlanpassung
Die Materialien, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Polarisator ausgewählt werden, und der Grad der Orientierung dieser Materialien werden vorzugsweise so gewählt, daß die Phasen im fertiggestellten Polarisator mindestens eine Achse aufweisen, für die die zugehörigen Brechungsindizes im wesentlichen gleich sind. Die Anpassung der Brechungsindizes, die mit dieser Achse verbunden sind, die typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise eine Achse quer zur Richtung der Orientierung ist, führt zu im wesentlichen keiner Reflexion von Licht in dieser Ebene der Polarisation.
Die dispergierte Phase kann nach einer Dehnung auch eine Abnahme des Brechungsindex aufweisen, der mit der Richtung der Orientierung verbunden ist. Wenn die Doppelbrechung des Wirtes positiv ist, weist eine durch einen negativen Zug induzierte Doppelbrechung der dispergierten Phase den Vorteil auf, den Unterschied zwischen den Brechungsindizes der aneinanderstoßenden Phasen zu erhöhen, die mit der Orientierungsachse verbunden sind, während die Reflexion des Lichts, dessen Ebene der Polarisation senkrecht zur Orientierungsrichtung ist, noch geringfügig ist. Die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes aneinanderstoßender Phasen in die Richtung orthogonal zur Orientierungsrichtung sollten nach der Orientierung kleiner als etwa 0,05 sein, und vorzugsweise kleiner als etwa 0,02 sein.
Die dispergierte Phase kann auch eine positive zuginduzierte Doppelbrechung aufweisen. Jedoch kann dies mittels einer Wärmebehandlung geändert werden, um den Brechungsindex der Achse senkrecht zur Orientierungsrichtung der zusammenhängenden Phase anzupassen. Die Temperatur der Wärmebehandlung sollte nicht so hoch sein, daß die Doppelbrechung in der zusammenhängenden Phase relaxiert wird.
Größe der dispergierten Phase
Die Größe der dispergierte Phase kann ebenfalls einen wesentlichen Effekt auf die Streuung haben. Wenn die Teilchen der dispergierten Phase zu klein sind (d. h. weniger als etwa 1/30 der Wellenlänge des Lichtes im interessierenden Medium) und wenn es viele Teilchen pro Kubikwellenlänge gibt, verhält sich der optische Körper als ein Medium mit einem effektiven Brechungsindex, der ein wenig zwischen den Indizes der beiden Phasen längs irgendeiner gegebenen Achse liegt. In einem solchen Fall wird sehr wenig Licht gestreut. Wenn die Teilchen zu groß sind, wird das Licht gerichtet von der Teilchenoberfläche mit einer sehr geringen Streuung in andere Richtungen reflektiert. Wenn die Teilchen in mindestens zwei orthogonale Richtungen zu groß sind, können auch unerwünschte Schillereffekte auftreten. Es können auch praktische Grenzen erreicht werden, wenn Teilchen dadurch groß werden, daß die Dicke des optischen Körpers größer wird und erwünschte mechanische Eigenschaften beeinträchtigt werden.
Die Abmessungen der Teilchen der dispergierten Phase nach Ausrichtung können abhängig von der gewünschten Verwendung des optischen Materials variieren. So können zum Beispiel die Abmessungen der Teilchen abhängig von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung variieren, die einer besonderen Anwendung von Interesse ist, wobei unterschiedliche Abmessungen zur Reflexion oder Durchlassen von sichtbarer, ultravioletter, infraroter und Mikrowellenstrahlung erforderlich sind. Im allgemeinen sollte jedoch die Länge der Teilchen so beschaffen sein, daß sie annährend größer als die Wellenlänge der interessierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium geteilt durch 30 ist.
Vorzugsweise werden in Anwendungen, wo der optische Körper als ein verlustarmer Reflexionspolarisator verwendet werden soll, die Teilchen eine Länge aufweisen, die größer als etwa das Zweifache der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den interessierenden Wellenlängenbereich und vorzugsweise mehr als das Vierfache der Wellenlänge ist. Der mittlere Durchmesser der Teilchen ist vorzugs weise kleiner oder gleich der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den interessierenden Wellenlängenbereich, und vorzugsweise kleiner als 0,5 der gewünschten Wellenlänge. Während die Abmessungen der dispergierten Phase in den meisten Anwendungen eine zweitrangige Überlegung sind, werden sie bei Dünnfilmanwendungen von größerer Wichtigkeit, wo es eine vergleichsweise kleine diffuse Reflexion gibt.
Geometrie der dispergierten Phase
Während die Indexfehlanpassung der vorherrschende Faktor ist, auf den man sich verläßt, um die Streuung in den erfindungsgemäßen Filmen zu unterstützen (d. h. ein erfindungsgemäß hergestellter diffuser Spiegel oder Polarisator weist eine wesentliche Fehlanpassung der Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs mindestens einer Achse auf), kann die Geometrie der Teilchen der dispergierten Phase einen sekundären Effekt auf die Streuung aufweisen. So können die Depolarisationsfaktoren der Teilchen für das elektrische Feld in die Brechungsindex-Anpassungs- und Fehlanpassungsrichtungen den Betrag der Streuung in eine gegebene Richtung reduzieren oder vergrößern. Wenn zum Beispiel die dispergierte Phase in einem längs einer Ebene senkrecht zur Orientierungsachse vorgenommenen Querschnitt elliptisch ist, trägt die elliptische Querschnittsform der dispergierten Phase zu einer asymmetrischen Streuung sowohl des rückwärts gestreuten Lichtes als auch des vorwärts gestreuten Lichtes bei. Der Effekt kann sich entweder zum Betrag der Streuung von der Indexfehlanpassung addieren oder ihn schmälern, hat aber im allgemeinen einen kleinen Einfluß auf die Streuung im bevorzugten Bereich der Eigenschaften in der vorliegenden Erfindung.
Die Form der Teilchen der dispergierten Phase kann auch den Grad der Streuung des von den Teilchen gestreuten Lichts beeinflussen. Dieser Formeffekt ist im allgemeinen klein, nimmt jedoch zu, wenn das Seitenverhältnis des geometrischen Querschnitts des Teilchens in der Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes zunimmt und wenn die Teilchen ver hältnismäßig größer werden. Im allgemeinen sollten in der Wirkungsweise dieser Erfindung die Teilchen der dispergierten Phase kleiner als einige Wellenlängen des Lichtes in eine oder zwei gegenseitig orthogonale Dimensionen sein, wenn eher eine diffuse als eine gerichtete Reflexion bevorzugt wird.
Vorzugsweise besteht für einen verlustarmen Reflexionspolarisator die bevorzugte Ausführungsform aus einer dispergierten Phase, die in der zusammenhängenden Phase als eine Reihe von stabförmigen Strukturen angeordnet ist, die als Folge der Orientierung ein hohes Seitenverhältnis aufweisen, das die Reflexion für Polarisationen parallel zur Orientierungsrichtung erhöhen kann, indem die Streuungsstärke und Dispersion für diese Polarisation relativ zu Polarisationen senkrecht zur Orientierungsrichtung erhöht wird. Jedoch kann, wie in den 3a–e gezeigt, die dispergierte Phase mit vielen unterschiedlichen Geometrien versehen sein. So kann die dispergierte Phase scheibenförmig oder länglich scheibenförmig, wie in den 3a–c, stabförmig, wie in 3d–e oder kugelförmig sein. Es werden andere Ausführungsformen erwogen, wobei die dispergierte Phase Querschnitte aufweist, die annährend elliptisch (einschließlich kreisförmig), polygonal, unregelmäßig oder eine Kombination einer oder mehrerer dieser Formen sind. Die Querschnittsform und Größe der Teilchen der dispergierten Phase kann ebenfalls von einem Teilchen zu einem anderen oder von einem Bereich des Films zu einem anderen (d. h. von der Oberfläche zum Kern) variieren.
In einigen Ausführungsformen kann die dispergierte Phase einen Aufbau aus Kern und Mantel aufweisen, wobei der Kern und der Mantel aus denselben oder unterschiedlichen Materialien bestehen, oder der Kern hohl ist. So kann zum Beispiel die dispergierte Phase aus Hohlfasern gleicher oder beliebiger Längen und einheitlichem oder nicht einheitlichem Querschnitt bestehen. Der Innenraum der Fasern kann leer sein oder kann durch ein geeignetes Medium gefüllt sein, das ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, und kann organisch oder anorganisch sein. Der Brechungsindex des Medium kann unter Berücksichtigung der Brechungsindizes der dispergierten Phase und der zusammenhängenden Phase so gewählt werden, daß ein gewünschter optischer Effekt (d. h. Reflexion oder Polarisation längs einer gegebenen Achse) erzielt wird.
Die Geometrie der dispergierten Phase kann durch geeignete Orientierung oder Bearbeitung des optischen Materials, durch die Verwendung von Teilchen mit einer besonderen Geometrie oder durch eine Kombination der beiden erreicht werden. So kann zum Beispiel eine dispergierte Phase mit einer im wesentlichen stabförmigen Struktur erzeugt werden, indem ein Film, der aus annährend kugelförmigen Teilchen der dispergierten Phase besteht, längs einer einzigen Achse orientiert wird. Den stabförmigen Strukturen kann ein elliptischer Querschnitt gegeben werden, indem der Film in eine zweite Richtung senkrecht zur ersten orientiert wird. Als ein weiteres Beispiel kann eine dispergierte Phase mit einer im wesentlichen stabförmigen Struktur erzeugt werden, in der die Stäbe im Querschnitt rechteckig sind, indem eine einzige Richtung eines Films mit einer dispergierten Phase orientiert wird, die aus einer Reihe von im wesentlichen rechteckigen Flocken besteht.
Eine Dehnung ist eine bequeme Weise, eine gewünschte Geometrie zu erreichen, da Dehnung auch dazu verwendet werden kann, einen Unterschied der Brechungsindizes innerhalb des Materials zu induzieren. Wie oben angegeben, kann die Orientierung der erfindungsgemäßen Filme in mehr als eine Richtung liegen und kann sequentiell oder parallel sein.
In einem weiteren Beispiel können die Komponenten der zusammenhängenden und dispergierten Phasen extrudiert werden, so daß die dispergierte Phase in einer Achse im unorientierten Film stabförmig ist. Stäbe mit einem hohen Seitenverhältnis können erzeugt werden, indem sie in die Richtung der Hauptachse der Stäbe im extrudierten Film orientiert werden. Plattenförmige Strukturen können erzeugt werden, in dem sie in eine zur Hauptachse der Stäbe orthogonale Richtung im extrudierten Film orientiert werden.
Die Struktur in 2 kann durch eine asymmetrisch zweiachsige Orientierung eines innigen Gemisches aus im wesentlichen kugelförmigen Teilchen innerhalb einer zusammenhängenden Matrix erzeugt werden. Alternativ kann die Struktur erhalten werden, indem mehrere faserige Strukturen in das Matrixmaterial eingebaut werden, die Strukturen längs einer einzigen Achse ausgerichtet werden, und die Mischung in eine Richtung transversal zu dieser Achse orientiert wird. Ein noch anderes Verfahren zum Erhalten dieser Struktur besteht aus der Steuerung der relativen Viskositäten, Scherung oder Oberflächenspannung der Komponenten eines innigen Polymergemisches, um eine faserige dispergierte Phase zu bewirken, wenn das innige Gemisch zu einem Film extrudiert wird. Im allgemeinen wird herausgefunden, daß die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Scherung in die Extrusionsrichtung ausgeübt wird.
Dimensionale Ausrichtung der dispergierten Phase
Es wird auch gefunden, daß die dimensionale Ausrichtung einen Effekt auf das Streuungsverhalten der dispergierten Phase hat. Insbesondere ist in erfindungsgemäßen optischen Körpern beobachtet worden, daß ausgerichtete Streuer Licht nicht symmetrisch um die Richtungen der gerichteten Durchlässigkeit oder Reflexion streuen werden, wie es zufällig ausgerichtete Streuer würden. Insbesondere streuen Einschlüsse, die durch Orientierung verlängert worden sind, um Stäben zu ähneln, Licht primär längs (oder nahe) der Oberfläche eines Kegels, der an der Orientierungsrichtung und längs der gerichteten Durchlaßrichtung zentriert ist. Dies kann zu einer anisotropen Verteilung des gestreuten Licht um die gerichteten Reflexions- und gerichteten Durchlässigkeitsrichtungen führen. Zum Beispiel erscheint für Licht, das auf einem solchen länglichen Stab in eine Richtung senkrecht zur Orientierungsrichtung einfällt, das gestreute Licht als ein Lichtband in der Ebene senkrecht zur Orientie rungsrichtung mit einer Intensität, die mit zunehmendem Winkel von den gerichteten Richtungen weg abnimmt. Indem die Geometrie der Einschlüsse zugeschnitten wird, kann eine gewissen Kontrolle über die Verteilung des gestreuten Lichts sowohl in der Durchlaßhalbkugel als auch in der Reflexionshalbkugel erzielt werden.
Abmessungen der dispergierten Phase
In Anwendungen, wo der optische Körper als ein verlustarmer Reflexionspolarisator verwendet werden soll, weisen die Strukturen vorzugsweise ein hohes Seitenverhältnis auf, d. h. die Strukturen sind im wesentlichen in eine Dimension größer als in irgendeine andere Dimension. Das Seitenverhältnis beträgt vorzugsweise mindestens 2 und bevorzugter mindestens 5. Die größte Dimension (d. h. die Länge) beträgt vorzugsweise mindestens das Zweifache der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung über den interessierenden Wellenlängenbereich und bevorzugter mehr als das Vierfache der gewünschen Wellenlänge. Andererseits sind die kleineren (d. h. Querschnitts)-Abmessungen der Strukturen der dispergierten Phase vorzugsweise kleiner oder gleich der interessierenden Wellenlänge und bevorzugter kleiner als das 0,5-fache der interessierenden Wellenlänge.
Volumenbruchteil der dispergierten Phase
Der Volumenbruchteil der dispergierten Phase beeinflußt ebenfalls die Streuung von Licht in den erfindungsgemäßen optischen Körpern. Innerhalb bestimmter Grenzen tendiert eine Erhöhung des Volumenbruchteils der dispergierten Phase dazu, den Betrag der Streuung, den ein Lichtstrahl erfährt, nachdem er in den Körper eingetreten ist, sowohl für die Anpassungs- als auch Fehlanpassungsrichtungen des polarisierten Lichtes zu erhöhen. Dieser Faktor ist zur Steuerung der Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften für eine gegebene Anwendung wichtig. Wenn jedoch der Volumenbruchteil der dispergierten Phase zu groß wird, kann sich die Lichtstreuung vermindern. Ohne daß man sich wünscht, durch eine Theo rie gebunden zu sein, scheint dies auf die Tatsache zurückzuführen zu sein, daß die Teilchen der dispergierten Phase bezüglich der Wellenlänge des Lichtes näher beieinander sind, so daß die Teilchen dazu tendieren, zusammen als eine kleinere Anzahl von großen wirksamen Teilchen zu wirken.
Der gewünschte Volumenbruchteil der dispergierten Phase wird von vielen Faktoren abhängen, einschließlich der spezifischen Wahl der Materialien für die zusammenhängende und dispergierte Phase. Jedoch wird der Volumenbruchteil der dispergierten Phase typischerweise mindestens etwa 1 Vol.% relativ zur zusammenhängenden Phase betragen, bevorzugter innerhalb des Bereichs von etwa 5 bis etwa 15% und am bevorzugtesten innerhalb des Bereichs von etwa 15 bis etwa 30% liegen.
Dicke des optischen Körpers
Die Dicke des optischen Körpers ist ebenfalls ein wichtiger Steuerparameter, der manipuliert werden kann, um die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften in der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen. Wenn die Dicke des optischen Körpers zunimmt, nimmt auch die diffuse Reflexion zu, und die Durchlässigkeit, sowohl die gerichtete als auch die diffuse, nimmt ab. Während folglich die Dicke des optischen Körpers typischerweise gewählt wird, um einen gewünschten Grad einer mechanischen Festigkeit im fertiggestellten Produkt zu erzielen, kann sie auch dazu verwendet werden, die Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften direkt zu steuern.
Die Dicke kann auch genutzt werden, um letzte Einstellungen der Reflexions- und Durchlässigkeitseigenschaften des optischen Körpers vorzunehmen. So kann zum Beispiel bei Filmanwendungen die Vorrichtung, die verwendet wird, um den Film zu extrudieren, durch eine stromabwärts gelegene optische Vorrichtung gesteuert werden, die die Durchlässigkeits- und Reflexionswerte im extrudierten Film mißt, und die die Dicke des Films variiert (d. h. durch Einstellung der Extrusionsraten oder Änderung der Gießradgeschwindigkeiten), um die Reflexions- und Durchlässigkeitswerte innerhalb eines vorbestimmten Bereiches zu halten.
Materialien für die zusammenhängenden/dispergierten Phasen
Viele unterschiedliche Materialien können als die zusammenhängenden oder dispergierten Phasen in den erfindungsgemäßen optischen Körpern abhängig von der spezifischen Anwendung verwendet werden, auf die der optische Körper ausgerichtet ist. Solche Materialien umfassen anorganische Materialien, wie auf Silika beruhende Polymere, organische Materialien, wie Flüssigkristalle, und polymere Materialien, einschließlich Monomeren, Copolymeren, Graftpolymeren und Mischungen oder innigen Gemischen derselben. Die genaue Wahl der Materialien für eine gegebene Anwendung wird durch die gewünschte Anpassung und Fehlanpassung, die in den Brechungsindizes der zusammenhängenden und dispergierten Phasen längs einer besonderen Achse erhältlich ist, als auch durch die gewünschten physikalischen Eigenschaften in dem resultierenden Produkt gesteuert. Jedoch werden die Materialien der zusammenhängenden Phase allgemein durdurch gekennzeichnet sein, daß sie in dem gewünschten Spektralbereich im wesentlichen transparent sind.
Eine weitere Überlegung bei der Wahl der Materialien ist es, daß das resultierende Produkt mindestens zwei unterschiedliche Phasen enthalten muß. Dies kann erreicht werden, indem das optische Material aus zwei oder mehreren Materialien gegossen wird, die miteinander unvermischbar sind. Wenn alternativ gewünscht wird, ein optisches Material mit einem ersten und zweiten Material herzustellen, die miteinander nicht unvermischbar sind, und wenn das erste Material einen höheren Schmelzpunkt als das zweite Material aufweist, kann es in einigen Fälle möglich sein, Teilchen mit geeigneten Abmessungen des ersten Materials in eine geschmolzene Matrix des zweiten Materials bei eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des ersten Materials einzubetten. Die resultierende Mischung kann dann mit oder ohne eine anschließende Orien tierung zu einem Film gegossen werden, um eine optische Vorrichtung herzustellen.
Geeignete polymere Materialien zur Verwendung als die zusammenhängende oder dispergierte Phase in der vorliegenden Erfindung können amorphe, teilkristalline oder kristalline polymere Materialien sein, einschließlich Materialien, die aus Monomeren bestehen, die auf Carbonsäuren, wie Isophthal-, Azelain-, Adipin-, Sebacin-, Dibenzoe-, Terephthal-, 2,7-Naphthalen-Dicarbon-, 2,6-Naphthalen-Dicarbon-, Cyclohexan-Dicarbon- und Diphensäuren (einschließlich 4,4'-Diphensäure) beruhen, oder Materialien, die aus den entsprechenden Estern der vorher erwähnten Säuren (d. h. Dimethylterephthalat) bestehen. Von diesen wird 2,6-Polyethylen-Naphthalat (PEN) aufgrund seiner zuginduzierten Doppelbrechung und aufgrund seiner Fähigkeit, nach einer Dehnung dauerhaft doppelbrechend zu bleiben, besonders bevorzugt. PEN weist einen Brechungsindex für polarisiert einfallendes Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm, der nach einer Dehnung zunimmt, wenn die Polarisationsebene parallel zur Dehnungsachse ist, von etwa 1,64 bis so hoch wie 1,9 auf, während der Brechungsindex für Licht, das senkrecht zur Dehnungsachse polarisiert ist, abnimmt. PEN weist eine Doppelbrechung (in diesem Fall der Unterschied zwischen dem Brechungsindex längs der Dehnungsrichtung und dem Index senkrecht zur Dehnungsrichtung) von 0,25 bis 0,40 im sichtbaren Spektrum auf. Die Doppelbrechung kann erhöht werden, indem die molekulare Orientierung erhöht wird. PEN kann von etwa 155°C bis zu etwa 230°C abhängig von den Verarbeitungsbedingungen, die während der Herstellung des Films genutzt werden, im wesentlichen wärmestabil sein.
Polybutylen-Naphthalat ist ebenfalls ein geeignetes Material, wie auch andere kristalline Naphthalen-Dicarbonpolyester. Die kristallinen Naphthalen-Dicarbonpolyester weisen einen Unterschied der Brechungsindizes, die mit unterschiedlichen, in der gleichen Ebene liegenden Achsen verbunden sind, von mindestens 0,05 und vorzugsweise über 0,20 auf.
Wenn PEN als eine Phase im optischen Material der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist die andere Phase vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder ein syndiotaktisches aromatisches Vinylpolymer, wie Polystyrol (sPS). Andere bevorzugte Polymere zur Verwendung mit PEN beruhen auf Terephthal-, Isophthal-, Sebacin-, Azelain- oder Cyclohexan-Dicarbonsäure oder den verwandten Alkylestern dieser Materialien. Naphthalen-Dicarbonsäure kann ebenfalls in geringfügigen Mengen eingesetzt werden, um die Adhäsion zwischen den Phasen zu verbessern. Die Diolkomponente kann Ethylen-Glykol oder ein verwandtes Diol sein. Vorzugsweise beträgt der Brechungsindex des ausgewählen Polymers weniger als etwa 1,65, und bevorzugter weniger als etwa 1,55, obwohl ein entsprechendes Ergebnis zu erhalten ist, indem ein Polymer verwendet wird, das einen höheren Brechungsindex aufweist, wenn derselbe Indexunterschied erzielt wird.
Syndiotaktische aromatische Vinylpolymere, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen Poly(Styrol), Poly(Alkylstyrol), Poly(Styrolhalogenid), Poly(Alkylstyrol), Poly(Vinylesterbenzoat) und diese hydrierten Polymere und Mischungen oder Copolymere, die diese strukturellen Einheiten enthalten. Beispiele von Poly(Alkylstyrolen) umfassen: Poly(Methylstyrol), Poly(Ethylstyrol), Poly(Propylstyrol), Poly(Butylstyrol), Poly(Phenylstyrol), Poly(Vinylnaphthalen), Poly(Vinylstyrol) und Poly(Acenaphthalen) kann erwähnt werden. Was die Poly(Styrolhalogenide) betrifft, umfassen Beispiele Poly(Chlorstyrol), Poly(Bromstyrol), und Poly(Fluorstyrol). Beispiele von Poly(Alkoxystyrol) umfassen: Poly(Methoxystyrol) und Poly(Ethoxystyrol). Unter diesen Beispielen befinden sich als besonders bevorzugte Styrolgruppen-Polymere: Polystyrol, Poly(p-Methylstyrol), Poly(m-Methylstyrol), Poly(p-Tertiärbutylstyrol), Poly(p-Chlorstyrol), Poly(m-Chlorstyrol), Poly(p-Fluorstyrol), und Copolymere aus Styrol und p-Methylstyrol können erwähnt werden.
Ferner können als Comonomere syndiotaktischer aromatischer Vinylgruppen Copolymere neben Monomeren des oben er läuterten Styrolgruppenpolymers, Olefinmonomere, wie Ethylen, Propylen, Buten, Hexen oder Oktett; Dienmonomere, wie Butadien, Isopren, polare Vinylmonomere wie zyklisches Dienmonomer, Methylmethacrylat, Maleinsäureanhydrid oder Acrylonitril erwähnt werden.
Die syndiotaktischen aromatischen Vinylpolymere, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können Blockcopolymere, unbeordnete Copolymere oder abwechselnde Copolymere sein.
Das aromatische Vinylpolymer mit einer syndiotaktischen Struktur auf hohem Niveau, auf das in dieser Erfindung bezug genommen wird, umfaßt im allgemeinen Polystyrol mit einer Syndiotaktizität von mehr als 75% oder mehr, wie durch magnetische Kernresonanz mit Kohlenstoff-13 bestimmt wird. Vorzugsweise ist der Grad der Syndiotaktizität höher als 85% einer racemischen zweiwertigen Atomgruppe oder höher als 30%, oder bevorzugter höher als 50% einer racemischen fünfwertigen Atomgruppe.
Zusätzlich ist, obwohl es keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Molekulargewichts dieser syndiotaktischen aromatischen Vinylgruppenpolymers gibt, vorzugsweise das mittlere Molekulargewicht größer als 10000 und kleiner als 1000000, und bevorzugter größer als 50000 und kleiner als 800000.
Was die anderen Harze betrifft, können verschiedene Typen erwähnt werden, einschließlich zum Beispiel, aromatische Vinylgruppenpolymere mit ataktischen Strukturen, aromatische Vinylgruppenpolymere mit isotaktischen Strukturen und allen Polymeren, die mischbar sind. Zum Beispiel zeigen Polyphenylenether eine gute Mischbarkeit mit den vorher erläuterten aromatischen Vinylgruppenpolymeren. Ferner liegt die Zusammensetzung dieser mischbaren Harzkomponenten vorzugsweise zwischen 70 bis 1 Gew.% oder bevorzugter 50 bis 2 Gew.%. Wenn die Zusammensetzung einer mischbaren Harzkomponente 70 Gew.% überschreitet, kann eine Verschlechterung der Wärmebeständigkeit auftreten, und dies ist üblicherweise nicht wünschenswert.
Es ist nicht erforderlich, daß das ausgewählte Polymer für eine besondere Phase ein Copolyester oder Copolycarbonat ist. Vinylpolymere und Copolymere die aus Monomeren bestehen, wie Vinylnaphthalene, Styrole, Ethylen, Maleinanhydrid, Acrylate und Methacrylate können ebenfalls eingesetzt werden. Es können auch andere Kondensationspolymere als Polyester und Polycarbonate genutzt werden. Geeignete Kondensationspolymere umfassen Polysulfone, Polyamide, Polyurethane, Polycarbamoylcarbonsäuren und Polyimide. Naphthalengruppen und Halogene wie Chlor, Brom und Iod sind bei der Erhöhung des Brechungsindex des ausgewählten Polymers auf das gewünschte Niveau (1,59 bis 1,69) nützlich, falls nötig, um den Brechungsindex im wesentlichen anzupassen, wenn PEN der Wirt ist. Acrylatgruppen und Fluor sind bei der Verminderung des Brechungsindex besonders nützlich.
Geringfügige Mengen von Comonomeren können in den Naphthalen-Dicarbonsäure-Polyester substitutiert werden, so lange der große Brechungsindexunterschied in die Orientierungsrichtung(en) nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Ein kleinerer Indexunterschied (und daher vermindertes Reflexionsvermögen) kann durch die Vorteile in irgendeinem des Folgenden aufgewogen werden: verbesserte Adhäsion zwischen der zusammenhängenden und dispergierten Phase, verminderte Extrusionstemperatur und eine bessere Anpassung der Schmelzviskositäten.
Spektralbereich
Während die vorliegende Erfindung hierin häufig unter Bezugnahme auf den sichtbaren Bereich des Spektrums beschrieben wird, können verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um bei anderen Wellenlängen (und folglich Frequenzen) der elektromagnetischen Strahlung zu arbeiten, indem die Komponenten des optischen Körpers geeignet skaliert werden. Wenn folglich die Wellenlänge zunimmt, kann die lineare Größe der Komponenten des optischen Körpers erhöht werden, so daß die Abmessungen die ser Komponenten, gemessen in Einheiten der Wellenlänge, annährend konstant bleiben.
Natürlich ist es ein Haupteffekt der Änderung der Wellenlänge, daß sich für die meisten interessierenden Materialien der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient ändern. Jedoch treffen die Prinzipien der Indexanpassung und Indexfehlanpassung immer noch bei jeder interessierenden Wellenlänge zu und können bei der Auswahl der Materialien für eine optische Vorrichtung genutzt werden, die über einen spezifischen Bereich des Spektrum wirksam sein wird. So wird zum Beispiel eine geeignete Skalierung der Abmessungen einen Betrieb in den infrarot, nahen ultravioletten und ultravioletten Bereichen des Spektrums zulassen. In diesen Fällen beziehen sich die Brechungsindizes auf die Werte bei diesen Arbeitswellenlängen, und die Körperdicke und Größe der Streuungskomponenten der dispergierten Phase sollten ebenfalls annährend mit der Wellenlänge skaliert werden. Noch mehr des elektromagnetischen Spektrums kann verwendet werden, einschließlich hohen, ultrahohen, Mikrowellen- und Millimeterwellenfrequenzen. Es werden Polarisations- und Streueffekte mit einer geeigneten Skalierung auf die Wellenlänge vorhanden sein, und die Brechungsindizes können aus der Quadratwurzel der dielektrischen Funktion (einschließlich der reellen und imaginären Teile) erhalten werden. Nützliche Produkte bei diesen längeren Wellenlängenbändern können diffuse Reflexionspolarisatoren und Partialpolarisatoren sein.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung variieren die optischen Eigenschaften des optischen Körpers über das interessierende Wellenlängenband. In diesen Ausführungsformen können Materialien für die zusammenhängenden und/oder dispergierten Phasen genutzt werden, deren Brechungsindizes längs einer oder mehrerer Achsen von einem Wellenlängenbereich zu einem anderen variiert. Die Wahl der Materialien der zusammenhängenden und dispergierten Phase und die optischen Eigenschaften (d. h. diffuse und dispergierte Reflexion oder gerichtete Durchlässigkeit), die aus einer spezifischen Wahl der Materialien resultieren, werden vom interessierenden Wellenlängenband abhängen.
Hautschichten
Eine Materialschicht, die im wesentlichen frei von einer dispergierten Phase ist, kann koextensiv auf einer oder beiden Hauptoberflächen des Films, d. h. das extrudierte innige Gemisch der dispergierten Phase und der zusammenhängenden Phase aufgetragen werden. Die Zusammensetzung der Schicht, die auch als Hautschicht bezeichnet wird, kann zum Beispiel ausgewählt werden, um die Integrität der dispergierten Phase innerhalb des extrudierten innigen Gemisches zu schützen, um dem fertigen Film mechanische oder physikalische Eigenschaften hinzuzufügen oder dem fertigen Film eine optische Funktionalität hinzuzufügen. Geeignete Materialien der Wahl können das Material der zusammenhängenden Phase oder das Material der dispergierten Phase umfassen. Andere Materialien mit einer Schmelzviskosität, die zum extrudierten innigen Gemisch ähnlich ist, können ebenfalls nützlich sein.
Eine Hautschicht oder Schichten können den weiten Bereich von Scherungsintensitäten reduzieren, die das extrudierte innige Gemisch innerhalb des Extrusionsprozesses erfahren könnte, insbesondere an der Düse. Eine Umgebung mit hoher Scherung kann eine unerwünschte Hohlraumbildung an der Oberfläche verursachen und kann zu einer texturierten Oberfläche führen. Ein breiter Bereich von Scherungswerten durch die Dicke des Films kann auch verhindern, daß die dispergierte Phase die gewünschte Teilchengröße im innigen Gemisch bildet.
Eine Hautschicht oder -Schichten können dem resultierenden Komposit physikalische Festigkeit hinzufügen oder Probleme während der Verarbeitung reduzieren, wie zum Beispiel die Tendenz des Filmes zu reduzieren, sich während des Orientierungsprozesses zu spalten. Hautschicht-Materialien, die amorph bleiben, können dazu neigen, Filme mit einer höheren Zähigkeit herzustellen, während Hautschicht- Materialien, die teilkristallin sind, dazu neigen können, Filme mit einem Zugmodul herzustellen. Andere funktionelle Komponenten wie antistatische Zusätze, UV-Absorber, Farbstoffe, Antioxydantien und Pigmente können der Hautschicht hinzugefügt werden, vorausgesetzt, sie stören die gewünschten optischen Eigenschaften des sich ergebenden Produktes nicht wesentlich.
Die Hautschichten können auf eine oder beiden Seiten des extrudierten innigen Gemisches an einem gewissen Punkt während des Extrusionsprozesses aufgetragen werden, d. h. bevor das extrudierte innige Gemisch und Hautschicht en) die Extrusionsdüse verlassen. Dies kann unter Verwendung einer herkömmlichen Koextrusionstechnologie erreicht werden, die die Verwendung einer Dreischicht-Koextrusionsdüse beinhaltet. Eine Laminierung von Hautschicht en) auf einen vorhergehend gebildeten Film eines extrudierten innigen Gemisches ist ebenfalls möglich. Die gesamten Hautschichtdicken können von etwa 2% bis etwa 50% der gesamten innige Gemisch/Hautschichtdicke reichen.
Ein weiter Bereich von Polymeren ist für Hautschichten geeignet. Vorwiegend umfassen amorphe Polymere Copolyester, die auf einem oder mehreren von Terephthalsäure, 2,6-Naphthalen-Dicarbonsäure, Isophthalsäure Phthalsäure beruhen, oder ihre Alkylester-Gegenstücke, und Alkylendiole, wie Ethylen-Glykol. Beispiele teilkristalliner Polymere sind 2,6-Polyethylen-Naphthalat, Polyethylen-Terephthalat und Nylonmaterialien.
Antireflexschichten
Die Filme und anderen optischen Vorrichtungen, die erfindungsgemäß hergestellt werden, können auch eine oder mehrere Antireflexschichten aufweisen. Solche Schichten, die polarisationsempfindlich sein können oder nicht, dienen dazu, die Durchlässigkeit zu erhöhen und Reflexionsblendung zu reduzieren. Eine Antireflexschicht kann den Filmen und optischen Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung durch eine geeignete Oberflächenbehandlung, wie Beschichtung oder Sputter-Ätzung verliehen werden.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es erwünscht, für bestimmten Polarisationen von Licht die Durchlässigkeit zu maximieren und/oder die gerichtete Reflexion zu minimieren. In diesen Ausführungsformen kann der optische Körper zwei oder mehr Schichten aufweisen, bei denen mindestens eine Schicht ein Anti-Reflexionssystem in engem Kontakt mit einer Schicht aufweist, die die zusammenhängenden und dispergierten Phasen bereitstellen. Ein solches Anti-Reflexionssystem dient dazu, die gerichtete Reflexion des einfallenden Lichts zu reduzieren und die Menge des einfallenden Lichts zu erhöhen, das in den Anteil des Körpers eintritt, der die zusammenhängenden und dispergierten Schichten aufweist. Eine solche Funktion kann durch eine Vielfalt von Einrichtungen erreicht werden, die in der Technik wohlbekannt sind. Beispiele sind Viertelwellen-Antireflexschichten, ein Anti-Reflexionsstapel mit zwei oder mehreren Schichten, Schichten mit abgestuften Index und Schichten mit abgestufter Dichte. Solche Anti-Reflexionsfunktionen können auch auf der Seite des durchgelassen Lichts des Körpers verwendet werden, um das durchgelasse Licht zu vermehren, falls gewünscht.
Mikrohohlraumbildung
In einigen Ausführungsformen können die Materialien der zusammenhängenden und dispergierten Phasen so gewählt werden, daß die Grenzschicht zwischen den beiden Phasen ausreichend schwach ist, um zu einer Hohlraumbildung zu führen, wenn der Film orientiert wird. Die mittleren Abmessungen der Hohlräume können durch eine sorgfältige Manipulation der Verarbeitungsparameter und Dehnungsverhältnisse oder durch selektive Verwendung von Kompatibilisatoren gesteuert werden. Die Hohlräume können im fertiggestellten Produkt mit einer Flüssigkeit, einem Gas oder Feststoff hinterfüllt werden. Hohlraumbildung kann in Verbindung mit den Seitenverhältnissen und Brechungsindizes der dispergierten und zusam menhängenden Phasen verwendet werden, um im resultierenden Film wünschenswerte optische Eigenschaften zu erzeugen.
Mehr als zwei Phasen
Die erfindungsgemäß hergestellten optischen Körper können auch aus mehr als zwei Phasen bestehen. So kann zum Beispiel ein erfindungsgemäß hergestelltes optisches Material aus zwei unterschiedlichen dispergierten Phasen innerhalb der zusammenhängenden Phase bestehen. Die zweite dispergierte Phase könnte ungeordnet oder nicht ungeordnet dispergiert in der zusammenhängenden Phase verteilt sein, und kann ungeordnet ausgerichtet oder längs einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sein.
Erfindungsgemäß hergestellte optische Körper können auch aus mehr als einer zusammenhängenden Phase bestehen. So kann in einigen Ausführungsformen der optische Körper zusätzlich zu einer ersten zusammenhängenden Phase und einer dispergierten Phase eine zweite Phase aufweisen, die in mindestens eine Dimension mit der ersten zusammenhängenden Phase kozusammenhängend ist. In einer besonderen Ausführungsform ist die zweite zusammenhängende Phase ein poröses, schwammförmiges Material, das koextensiv mit der ersten zusammenhängenden Phase ist (d. h. die erste zusammenhängende Phase erstreckt sich durch ein Netz von Kanälen oder Räumen, die sich durch die zweite zusammenhängende Phase erstrecken, ungefähr so, wie sich Wasser durch ein Netz von Kanälen in einem nassen Schwamm ausbereitet). In einer verwandten Ausführungsform liegt die zweite zusammenhängende Phase in der Form einer dendritischen Struktur vor, die in mindestens eine Dimension mit der ersten zusammenhängenden Phase koextensiv ist.
Mehrschicht-Kombinationen
Falls gewünscht, können eine oder mehrere dünne Lagen eines erfindungsgemäß hergestellten Films einer zusammenhängenden/dispergierten Phase in Kombination mit oder als eine Komponente einem Mehrschichtfilm verwendet werden (d. h. um das Reflexionsvermögen zu erhöhen). Geeignete Mehrschichtfilme umfassen die des Typs, der in WO 95/17303 (Ouderkirk u. a.) beschrieben wird. In einem solchen Aufbau können die einzelnen Lagen laminiert oder anders aneinander geheftet werden oder voneinander beabstandet sein. Wenn die optischen Dicken der Phasen innerhalb der Lagen im wesentlichen gleich sind (das heißt, wenn die beiden Lagen eine im wesentlichen gleiche und große Anzahl von Streuern gegenüber einfallendem Licht längs einer gegebenen Achse repräsentieren), wird das Komposit mit einer etwas größeren Effizienz im wesentlichen dieselbe Bandbreite und denselben Spektralbereich des Reflexionsvermögens (d. h. „Band"), wie die einzelnen Lagen reflektieren. Wenn die optischen Dicken der Phasen innerhalb der Lagen nicht im wesentlichen gleich sind, wird das Komposit über eine breitere Bandbreite als die einzelnen Phasen reflektieren. Ein Komposit, das Spiegellagen mit Polarisatorlagen kombiniert, ist zur Erhöhung des Gesamtreflexionsvermögens nützlich, während es noch durchgelassenes Licht polarisiert. Alternativ kann eine einzelne Lage asymmetrisch und zweiachsig orientiert sein, um einen Film mit selektiven reflektierenden und polarisierenden Eigenschaften herzustellen.
5 stellt ein Beispiel dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Dort besteht ein optischer Körper aus einem Mehrschichtfilm 20, in dem sich die Schichten zwischen Schichten aus PEN 22 und Schichten aus co-PEN 24 abwechseln. Jede PEN-Schicht weist eine dispergierte Phase von syndiotaktischen Polystyrol (sPS) innerhalb einer Matrix aus PEN auf. Dieser Typ Aufbau ist darin wünschenswert, daß er eine niedrigere Nebenwinkelfarbe unterstützt. Da ferner die Schichtung oder der Einschluß der Streuer einen Lichtverlust ausmittelt, ist die Kontrolle über die Schichtdicke weniger kritisch, was es zuläßt, daß der Film toleranter gegenüber Variationen der Verarbeitungsparameter ist.
Jedes der vorher erwähnten Materialien kann als irgendeine der Schichten in dieser Ausführungsform oder als die zusammenhängende oder dispergierte Phase innerhalb einer be sonderen Schicht verwendet werden. Jedoch sind PEN und co-PEN besonders als die Hauptkomponenten benachbarter Schichten erwünscht, da diese Materialien eine gute laminare Adhäsion unterstützen.
Auch sind eine Anzahl von Variationen in der Anordnung der Schichten möglich. So kann zum Beispiel dafür gesorgt werden, daß die Schichten durch einen Teil oder die Gesamtheit der Struktur einer wiederholten Abfolge folgen. Ein Beispiel davon ist ein Aufbau mit dem Schichtmuster ... ABCABC ..., wobei A, B und C unterschiedliche Materialien oder unterschiedliche innige Gemische oder Mischungen derselben oder unterschiedlicher Materialien sind, und wobei eines oder mehrere von A, B oder C mindestens eine dispergierte Phase und mindestens eine zusammenhängende Phase aufweisen. Die Hautschichten sind vorzugsweise dieselben oder chemisch ähnliche Materialien.
Zusatzstoffe
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Materialien können auch andere Materialien oder Zusatzstoffe aufweisen, wie sie in der Technik bekannt sind. Solche Materialien umfassen Pigmente, Farbstoffe, Bindemittel, Beschichtungen, Füller, Kompatibilisatoren, Antioxydantien (einschließlich sterisch gehinderte Phenole), Tenside, antimikrobieller Wirkstoffe, Antistatikmittel, entflammungsverzögernde Mittel, Schaummittel, Schmiermittel, Verstärkungsmittel, Lichtstabilisatoren (einschließlich UV-Stabilisatoren oder -Blocker), Wärmestabilisatoren, Stoßmodifikationsmittel, Weichmacher, Viskositätsmodifikationsmittel und andere solche Materialien. Ferner können die erfindungsgemäß hergestellten Filme und anderen optischen Vorrichtungen eine oder mehrere Außenschichten aufweisen, die dazu dienen, die Vorrichtung vor Abrieb, Stößen oder anderen Beschädigungen zu schützen, oder die die Verarbeitbarkeit oder Haltbarkeit der Vorrichtung verbessern.
Geeignete Schmiermittel zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Calciumstearat, Zinkstearat, Kupferstearat, Cobaltstearat, Molybdänneodocanoat und Ruthenium-(III)-Acetylacetonat.
Antioxydantien, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen 4,4'-Thiobis-(6-t-Butyl-m-Cresol), 2,2-Methylenbis-(4-Methyl-6-t-Butyl-Butylphenol), Octadecyl-3,5-di-t-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnamat, Bis-(2,4-di-t-Butylphenyl) Pentaerythritol-Diphosphit, Irganox^TM 1093 (1979) (((3,5-bis(1,1-Dimethylethyl)-4-Hydroxyphenyl)Methyl)-Dioctadecylester-Phosphonsäure), Irganox^TM 1098 (N,N'-1,6-Hexandiylbis(3,5-bis(1,1-Dimethyl)-4-Hydroxy-Benzenpropanamid), Naugaard^TM 445 (Arylamin), Irganox^TM L 57 (alkyliertes Diphenylamin), Irganox^TM L 115 (schwefelenthaltendes Bisphenol), Irganox^TM LO 6 (alkyliertes Phenyl-Delta-Napthylamin), Ethanox 398 (Flourphosphonit), und 2,2'-Ethylidenebis(4,6-di-t-Butylphenyl)-fluorphosnit.
Eine Gruppe von Antioxydantien, die besonders bevorzugt sind, sind sterisch gehinderte Phenole, einschließlich butyliertes Hydroxytoluen (BHT), Vitamin E (Di-alpha-Tocopherol), Irganox^TM 1425WL(Calcium-bis-(O-ethyl(3,5-di-t-Butyl-4-Hydroxybenzyl))Phosphonat), Irganox^TM 1010 (Tetrakis(Methylen-(3,5,di-t-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnainat))Methan), Irganox^TM 1076 (Octadecyl-3,5-di-tert-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnamat), Ethanox^TM 702 (gehindertes Bis-Phenol), Etanox 330 (gehindertes Phenol mit hohem Molekulargewicht) und Ethanox^TM 703 (gehindertes Phenoliamin).
Dichroitische Farbstoffe sind in einigen Anwendungen, auf die die optischen Materialien der vorliegenden Erfindung gerichtet sein können, infolge ihrer Fähigkeit, Licht einer besonderen Polarisation zu absorbieren, wenn sie molekular innerhalb des Materials ausgerichtet sind, ein besonders nützlicher Zusatzstoff. Wenn sie in einem Film oder anderen Material verwendet werden, das vorwiegend nur eine Polarisation von Licht streut, veranlaßt der dichroitische Farbstoff das Material, nur eine Polarisation von Licht mehr als eine andere zu absorbieren. Geeignete dichroitische Farbstoffe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen Congo Red (Natrium-Diphenyl-bis-p-Naphthylamin-Sulfonat), Methy lenblau, Stilbenfarbstoff (Farbenindex (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 werden in E. H. Land, Colloid Chemistry (1946) beschrieben. Diese Farbstoffe weisen einen bemerkenswerten Dichroismus in Polyvinylalkohol und einen kleineren Dichroismus in Zellulose auf. Ein geringfügiger Dichroismus wird bei Congo Red in PEN beobachtet.
Andere geeignete Farbstoffe umfassen die folgenden Materialien:
Die Eigenschaften dieser Farbstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung werden in der Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, B. 8, S. 652–661 (4. Ausg. 1993), und in den darin zitierten Verweisquellen erläutert.
Wenn ein dichroitischer Farbstoff in den erfindungsgemäßen optischen Körpern verwendet wird, kann er entweder in die zusammenhängende oder dispergierte Phase eingebaut werden. Jedoch wird es bevorzugt, daß der dichroitische Farbstoff in die dispergierte Phase eingebaut wird.
Ein dichroitischer Farbstoffe in Kombination mit bestimmten Polymersystemen weist die Fähigkeit auf, Licht in variierenden Maßen zu polarisieren. Polyvinylalkohol und bestimmte dichroitische Farbstoffe können verwendet werden, Filme mit der Fähigkeit herzustellen, Licht zu polarisieren. Andere Polymere, wie Polyethylen-Terephthalat oder Polyamide, wie Nylon-6, zeigen eine nicht so starke Fähigkeit, Licht zu polarisieren, wenn sie mit einem dichroitischen Farbstoff kombiniert werden. Es heißt, daß die Kombination aus Polyvinylalkohol und dichroitischem Farbstoff ein höheres Dichroismusverhältnis als zum Beispiel derselbe Farbstoff in anderen Polymersystemen aufweist, die Filme bilden. Ein höheres Dichroismusverhältnis zeigt eine höhere Fähigkeit an, Licht zu polarisieren.
Eine molekulare Ausrichtung eines dichroitischen Farbstoffes innerhalb eines erfindungsgemäß hergestellten optischen Körpers wird vorzugsweise durch Dehnung des optischen Körpers erzielt, nachdem der Farbstoff darin eingebaut worden ist. Jedoch können auch andere Verfahren verwendet werden, um eine molekulare Ausrichtung zu erzielen. So wird in einem Verfahren der dichroitische Farbstoff, wie durch Sublimation oder durch Kristallisation aus einer Lösung, in eine Reihe von länglichen Kerben kristallisiert, die in die Oberfläche eines Films oder anderen optischen Körpers geschnitten, geätzt oder anders geformt werden, entweder bevor oder nachdem der optische Körper orientiert worden ist. Die behandelte Oberfläche kann dann mit einer oder mehreren Oberflächeschichten beschichtet werden, kann in eine Polymermatrix eingebaut werden oder in einer Mehrschichtstruktur verwendet werden, oder kann als eine Komponente eines anderen optischen Körpers genutzt werden. Die Kerben können gemäß einem vorbestimmten Muster oder Diagramm und mit einem vorbestimmten Abstandbetrag zwischen den Kerben erzeugt werden, um wünschenswerte optische Eigenschaften zu erzielen.
In einer verwandten Ausführungsform kann der dichroitische Farbstoff innerhalb einer oder mehrerer Hohlfasern oder anderer Röhren angeordnet werden, entweder vor oder nachdem die Hohlfasern oder Röhren innerhalb des optischen Körpers angeordnet werden. Die Hohlfasern oder Röhren können aus einem Material aufgebaut sein, das dasselbe wie das umgebende Material des optischen Körpers ist oder sich davon unterscheidet.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird der dichroitische Farbstoff längs der Schichtgrenzfläche eines Mehrschichtaufbaus angeordnet, wie durch Sublimation auf die Oberfläche einer Schicht, bevor sie in den Mehrschichtaufbau eingebaut wird. In noch weiteren Ausführungsformen wird der dichroitische Farbstoff verwendet, um mindestens teilweise die Hohlräume in einem Mikrohohlraumfilm zu hinterfüllen, der erfindungsgemäß hergestellt ist.
Anwendungen der vorliegenden Erfindung
Die erfindungsgemäßen optischen Körper sind besonders als diffuse Polarisatoren nützlich. Jedoch können erfindungsgemäß auch optische Körper hergestellt werden, die als Reflexionspolarisatoren oder diffuse Spiegel arbeiten. In diesen Anwendungen ist der Aufbau des optischen Materials ähnlich zu jenem in den oben beschriebenen Diffusoranwendungen. Jedoch werden diese Reflektoren im allgemeinen längs mindestens einer Achse einen sehr viel größeren Unterschied im Brechungsindex aufweisen. Dieser Indexunterschied beträgt typischerweise mindestens etwa 0,1, bevorzugter etwa 0,15 und am bevorzugtesten etwa 0,2.
Reflexionspolarisatoren weisen längs einer Achse einen Brechungsindexunterschied und längs einer anderen im wesentlichen angepaßte Indizes auf. Andererseits differieren Reflexionsfilme im Brechungsindex längs mindestens zwei in der Filmebene liegenden orthogonalen Achsen. Jedoch müssen die Reflexionseigenschaften dieser Ausführungsformen nicht nur unter Verlaß auf Brechungsindexfehlanpassungen erhalten wer den. So könnte zum Beispiel die Dicke der Filme eingestellt werden, um einen gewünschten Reflexionsgrad zu erhalten. In einigen Fällen kann die Einstellung der Dicke des Films bewirken, daß der Film von einem Durchlaßdiffusor zu einem diffusen Reflektor übergeht.
Der erfindungsgemäße Reflexionspolarisator weist viele unterschiedliche Anwendungen auf, und ist besonders in Flüssigkristallanzeigetafeln nützlich. Zusätzlich kann der Polarisator aus PEN oder ähnlichen Materialien aufgebaut werden, die gute Ultraviolettfilter sind und die effizient ultraviolettes Licht bis zur Kante des sichtbaren Spektrums absorbieren. Der Reflexionspolarisator kann auch als ein Dünnschicht-Infrarotpolarisator verwendet werden.
Übersicht über die Beispiele
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Herstellung von verschiedenen, in der vorliegenden Erfindung verwendeten optischen Materialien als auch die spektralen Eigenschaften dieser Materialien. Wenn nicht anders angegeben, bezieht sich die prozentuale Zusammensetzung auf die prozentuale Gewichtszusammensetzung. Das verwendete Polyethylen-Naphthalat-Harz wurde für diese Proben unter Verwendung von Ethylen-Glykol und Dimethyl-2,6-Naphthalendicarboxylat hergestellt, das von Amoco Corp., Chicago, Illinois erhältlich ist. Diese Reagenzien wurden zu verschiedenen Strukturviskositäten (IV) unter Verwendung herkömmlicher Polyesterharz-Polymerisationstechniken polymerisiert. Syndiotaktisches Polystyrol (sPS) kann gemäß dem Verfahren hergestellt werden, das im US-Patent 4,680,353 (Ishihara u. a.) offenbart wird. Die Beispiele umfassen verschiedene Polymerpaare, verschiedene Fraktionen zusammenhängender und dispergierter Phasen und anderer Zusatzstoffe oder Prozeßänderungen, wie unten erläutert.
Die Dehnung oder Orientierung der Proben wurde durchgeführt, indem entweder eine herkömmliche Orientierungseinrichtung, die zur Herstellung eines Polyesterfilms verwendet wird, oder ein Laborchargen-Orientierungsvorrichtung verwendet wurde. Die verwendete Laborchargen-Orientierungsvorrichtung war dazu bestimmt, ein kleines Stück Gießmaterial (7,5 cm mal 7,5 cm) zu verwenden, das von einer extrudierten Gießbahn abgeschnitten und durch ein quadratische Feld von 24 Greifern (6 auf jeder Seite) gehalten wurde. Die Orientierungstemperatur der Probe wurde durch einen Heißluftgebläse gesteuert, und die Filmprobe wurde durch ein mechanisches System orientiert, das den Abstand zwischen den Greifern in eine oder beide Richtungen mit einer gesteuerten Rate erhöhte. In beide Richtungen gedehnte Proben konnten aufeinanderfolgend oder gleichzeitig orientiert werden. Für Proben, die im eingespannten Modus (C) orientiert wurden, halten alle Greifer die Bahn und die Greifer bewegen sich nur in eine Dimension. Wohingegen im Nichteingespannten Modus (U) die Greifer, die den Film in einer festen Dimension senkrecht zur Dehnungsrichtung halten, nicht in Eingriff stehen und es zugelassen wird, daß der Film in diese Dimension relaxiert oder sich einschnürt.
Die polarisierte diffuse Durchlässigkeit und Reflexion wurden unter verwendung eines Perkin Elmer Lambda 19 Spektrophotometers für Ultraviolett/Sichtbar/nahes Infrarot gemessen, das mit einem Perkin Elmer Labsphere S900–1000 150 Millimeter integrierenden Sphärenzusatz und einem Glan-Thompson Kubus-Polarisator ausgestattet ist. Parallel- und Kreuz-Durchlässigkeits- und -Reflexionswerte wurden mit dem E-Vektor des polarisierten Lichts jeweils parallel oder senkrecht zur Dehnungsrichtung des Films gemessen. Alle Abtastungen waren zusammenhängend und wurden mit einer Abtastrate von 480 Nanometern pro Minute und einer Schlitzbreite von 2 Nanometern durchgeführt. Die Reflexion wurde im „V-Reflexions"-Modus durchgeführt. Durchlässigkeits- und Reflexionsvermögenswerte sind Mittelwerte aller Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometer.
Beispiel 1
Im Beispiel 1 wurde ein optischer Film erfindungsgemäß durch Extrudieren eines innigen Gemisches von 75% Polyethylen-Naphthalat (PEN) als die zusammenhängend oder Hauptpha se und 25% Polymethylmethacrylat (PMMA) als die dispergierte oder Nebenphase zu einem Gießfilm oder dünnen Lage von etwa 380 Mikrometer Dicke unter Verwendung herkömmlicher Extrusions- und Gießtechniken hergestellt. Das PEN hatte eine intrinsische Viskosität (IV) von 0,52 (gemessen in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen). Das PMMA wurde von ICI Americas, Inc., Wilmington, Delaware, unter der Produktbezeichnung CP82 erhalten. Der verwendete Extruder war ein 3,15 cm (1,24'') Brabender mit einem 1-Röhren 60 μm Tegra-Filter. Die Düse war eine 30,4 cm (12'') EDI Ultraflex^TM 40.
Etwa 24 Stunden, nachdem der Film extrudiert wurde, wurde der Gießfilm in die Breiten- oder Querrichtung (TD) auf einer Polyesterfilm-Spannvorrichtung orientiert. Die Dehnung wurde bei etwa 9,1 Metern pro Minute (30 ft/min) mit einer Ausgangsbreite von etwa 140 cm (55 Inch) und einer Dehnungstemperatur von etwa 160°C (320°F) durchgeführt. Das Gesamtreflexionsvermögen der gedehnten Probe wurde mit einem integrerenden Sphärenzusatzgerät auf einem Lambda 19 Spektrophotometer gemessen, wobei der Abtaststrahl mit einem Glan-Thompson Kubus-Polarisator polarisiert wurde. Die Probe wies ein paralleles Reflexionsvermögen von 75% (d. h. das Reflexionsvermögen wurde gemessen, wobei die Dehnungsrichtung des Film parallel zum E-Vektor des polarisierten Lichts war) und ein gekreuztes Reflexionsvermögen von 52% auf (d. h. das Reflexionsvermögen wurde gemessen, wobei der E-Vektor des polarisierten Lichts senkrecht zur Dehnungsrichtung war).
Beispiel 2
Im Beispiel 2 wurde ein optischer Film in einer zum Beispiel 1 entsprechenden Weise hergestellt und bewertet, außer daß ein inniges Gemisch aus 75% PEN, 25% syndiotaktischen Polystyrol (sPS), 0,2% eines Polystyrol-Glycidyl-Methacrylat-Kompatibilisators und 0,25% von jeweils Irganox^TM 1010 und Ultranox^TM 626 verwendet wurde. Die Synthese von Polystyrol-Glycidyl-Methacrylat wird in Polymer Processes, „Chemical Technology of Plastics, Resins, Rubbers, Adhesives and Fibers", B. 10, Kap. 3, S. 69–109 (1956) (Herausgeg. von Calvin E. Schildknecht) beschrieben.
Das PEN wies eine intrinsische Viskosität von 0,52 auf, die in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen gemessen wurde. Das sPS wurde von Dow Chemical Co. erhalten und wies ein mittleres Molekulargewicht von etwa 200000 auf und wird nachfolgend als sPS-200-0 bezeichnet. Das parallele Reflexionsvermögen der gedehnten Filmprobe wurde zu 73,3 bestimmt, und das gekreuzte Reflexionsvermögen wurde zu 35% bestimmt.
Beispiel 3
Im Beispiel 3 wurde ein optischer Film in einer zum Beispiel 2 entsprechenden Weise hergestellt und bewertet, außer daß der Kompatibilisatorpegel auf 0,6% angehoben wurde. Das resultierende parallele Reflexionsvermögen wurde zu 81% bestimmt und das gekreuzte Reflexionsvermögen wurde zu 35,6% bestimmt.
Beispiel 4
Im Beispiel 4 wurde ein optischer Film mit drei Schichten erfindungsgemäß hergestellt, wobei herkömmliche Koextrusionstechniken für drei Schichten genutzt wurden. Der Film wies eine Kernschicht und eine Hautschicht auf jeder Seite der Kernschicht auf. Die Kernschicht bestand aus einem innigen Gemisch aus 75% PEN und 25% sPS 200-4 (die Bezeichnung sPS-200-4 bezieht sich auf ein Copolymer aus syndiotaktischen Polystyrol, das 4 Mol% Paramethyl-Styrol enthält), und jede Hautschicht bestand aus 100 PEN mit einer in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen gemessenen intrinsischen Viskosität von 0,56.
Der resultierende Gießfilm mit drei Schichten wies eine Kernschichtdicke von etwa 415 Mikrometern auf, und jede Hautschicht war für eine Gesamtdicke von etwa 635 Mikrometer etwa 110 Mikrometer dick. Eine Laborchargen-Dehnungsvorrichtung wurde verwendet, um den resultierenden Gießfilm mit drei Schichten bei einer Temperatur von etwa 129°C in die Maschinenrichtung (MD) auf etwa 6 zu 1 zu dehnen. Da die Kanten der Filmprobe parallel zur Dehnungsrichtung nicht durch die Labordehnungsvorrichtung ergriffen wurden, war die Probe in die Querrichtung (TD) nicht eingespannt und die Probe schnürte sich als ein Ergebnis der Dehnungsprozedur in die TD um etwa 50% ein.
Die optische Leistung wurde in einer zum Beispiel 1 entsprechenden Weise bewertet. Das parallele Reflexionsvermögen wurde zu 80,1% bestimmt, und das gekreuzte Reflexionsvermögen wurde zu 15% bestimmt. Diese Ergebnisse zeigen, daß sich der Film als ein niedrig absorbierendes, energieerhaltendes System verhält.
Beispiele 5–29
In den Beispielen 5–29 wurde eine Reihe von optischen Filmen in einer zum Beispiel 4 entsprechenden Weise hergestellt und bewertet, außer daß die sPS-Fraktion in der Kernschicht und die IV des verwendeten PEN-Harzes variiert wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die IV des PEN-Harzes in der Kernschicht und jene in den Hautschichten war für eine gegebene Probe dieselbe. Die Gesamtdicke der dünnen Gießlage betrug etwa 625 Mikrometer, wobei sich etwa zweidrittel dieser Gesamtheit in der Kernschicht und der Rest in den Hautschichten befand, die annährend gleich dick waren. Es wurden verschiedene innige Gemische von PEN und sPS in der Kernschicht hergestellt, wie in Tabelle 1 angegeben. Die Filme wurden in entweder die Maschinenrichtung (MD) oder in die Querrichtung (TD) bei verschiedenen Temperaturen auf ein Dehnungsverhältnis von etwa 6 : 1 gedehnt, wie in Tabelle 1 angegeben. Einige der Proben waren in die Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung eingespannt (C), um die Probe daran zu hindern, sich während der Dehnung einzuschnüren. Die mit „U" in der Tabelle 1 gekennzeichneten Proben waren nicht eingespannt, und es wurde zugelassen, daß sie sich in die nicht eingespannte Dimension einschnürten. Bestimmte optische Eigenschaften der gedehnten Proben, einschließlich der prozentualen Durchlässigkeit, Reflexion und Absorption wurden längs von Achsen gemessen, die sowohl parallel als auch gekreuzt oder senkrecht zur Dehnungsrichtung verliefen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.
Eine Wärmefixierung wurde durchgeführt, wie für die Beispiele 24–27 angegeben, indem die beiden Kanten der ge dehnten Probe, die senkrecht zur Dehnungsrichtung waren, manuell an einen geeignet bemessenen steifen Rahmen aufgespannt wurden und die aufgespannte Probe bei der angegebenen Temperatur für 1 Minute in einem Ofen angeordnet wurde. Die beiden Seiten der Probe parallel zur Dehnungsrichtung waren nicht eingespannt (U) oder aufgespannt, und es wurde zugelassen, daß sie sich einschnürten. Die Wärmefixierung des Beispiels 29 verlief entsprechend, außer daß alle vier Kanten der gedehnten Probe eingespannt (C) oder aufgespannt wurden. Das Beispiel 28 wurde nicht wärmefixiert.
Bei allen der obigen Proben wurde beobachtet, daß sie abhängig von der Stelle der dispergierten Phase innerhalb des Körpers der Filmprobe variierende Formen der dispergierten Phase enthielten. Es wurde beobachtet, daß die Einschlüsse der dispergierten Phase, die näher zu den Oberflächen der Proben angeordnet sind, eher eine längliche Form als eine nahezu kugelförmige aufweisen. Die Einschlüsse, die eher nahezu zwischen den Oberflächen der Proben zentriert sind, können nahezu kugelförmig sein. Dies gilt selbst für die Proben mit den Hautschichten, jedoch wird die Größe des Effekts durch die Hautschichten reduziert. Das Hinzufügen der Hautschichten verbessert die Verarbeitung der Filme, indem es die Neigung zur Spaltung während der Dehnungsoperation reduziert.
Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, glaubt man, daß die Längung der Einschlüsse (dispergierten Phase) in der Kernschicht des Gießfilms das Resultat einer Scherung des innigen Gemisches ist, wenn es durch die Düse transportiert wird. Dieses Längungsmerkmal kann geändert werden, indem die physikalischen Abmessungen der Düse, die Extrusionstemperaturen, die Durchflußrate des Extrudats, als auch chemische Aspekte der zusammenhängenden und dispergierten Phase, die ihre relativen Schmelzviskositäten ändern würden, variiert werden. Bestimmte Anwendungen oder Verwendungen können von der Bereitstellen einer gewissen Längung der dispergierten Phase während der Extrusion profitieren. Für jene Anwendungen, die anschließend in die Maschinenrichtung gedehnt werden, kann das Beginnen mit einer dispergierten Phase, die während der Extrusion verlängert worden ist, es erlauben, daß ein höheres Seitenverhältnis in der resultierenden dispergierte Phase erreicht wird.
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist die Tatsache, daß eine merkliche Verbesserung der Leistung beobachtet wird, wenn dieselbe Probe nicht eingespannt gedehnt wird. So betrug im Beispiel 13 die prozentuale Durchlässigkeit 79,5% und 20,3% in die parallele bzw. senkrechte Richtung. Im Gegensatz dazu betrug die Durchlässigkeit im Beispiel 20 nur 75,8% und 28,7% in die parallele bzw. senkrechte Richtung. Es gibt eine Dickenzunahme relativ zur eingespannten Dehnung, wenn die Proben nicht eingespannt gedehnt werden, da sich jedoch sowohl die Durchlässigkeit als auch die Extinktion verbessern, wird die Indexanpassung wahrscheinlich verbessert.
Eine alternative Art, eine Brechungsindexsteuerung bereitzustellen, ist es, die chemischen Eigenschaften der Materialien zu modifizieren. Zum Beispiel weist ein Copolymer aus 30 Gew.% von Terephthalsäure abgeleiteten copolymerisierten Einheiten und 70 Gew.% von 2,6-Naphthalsäure abgeleiteten Einheiten einen Brechungsindex auf, der 0,02 Einheiten niedriger als ein 100% PEN-Polymer ist. Andere Monomere oder Verhältnisse können geringfügig andere Ergebnisse aufweisen. Diese Art Änderung kann dazu verwendet werden, die Brechungsindizes in eine Achse enger anzupassen, indem nur eine geringfügige Reduzierung in der Achse bewirkt wird, die einen großen Unterschied erfordert. Mit anderen Worten gleichen die Vorteile, die erhalten werden, indem die Indexwerte in einer Achse enger angepaßt werden, die Verminderung in einer orthogonalen Achse, in der ein großer Unterschied gewünscht wird, mehr als aus. Zweitens kann eine chemische Veränderung wünschenswert sein, um den Temperaturbereich zu ändern, in dem die Dehnung stattfindet. Ein Copolymer aus sPS und variierenden Verhältnissen von Paramethylstyrol-Monomer werden den optimalen Dehnungstemperaturbereich ändern. Eine Kombination dieser Techniken kann notwendig sein, um das Gesamtsystem am effizientesten zur Verarbeitung und den sich ergebenden Brechungsindex-Anpassungen und Unterschieden zu optimieren. So kann eine verbesserte Steuerung der endgültigen Leistung erhalten werden, indem der Prozeß und die chemischen Eigenschaften hinsichtlich den Dehnungsbedingungen optimiert werden und ferner die chemischen Eigenschaften der Materialien eingestellt werden, um den Unterschied des Brechungsindex in mindestens eine Achse zu maximieren und den Unterschied in mindestens eine orthogonale Achse zu minimieren.
Diese Proben zeigten eine bessere optische Leistung, wenn sie eher in die MD- als in die TD-Richtung orientiert waren (vergleiche Beispiele 18–19). Ohne durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, daß Einschlüsse mit unterschiedlicher Geometrie eher mit einer MD-Orientierung als mit einer TD-Orientierung entwickelt werden und daß diese Einschlüsse höhere Seitenverhältnisse aufweisen, was nicht-ideale Endeffekte weniger wichtig macht. Die nicht-idealen Endeffekte beziehen sich auf die komplexe Geometrie-/Brechungsindexbeziehung an der Spitze jedes Endes der länglichen Teilchen. Es wird angenommen, daß das Innere oder Nicht-Ende der Teilchen eine einheitliche Geometrie und einen einheitlichen Brechungsindex aufweist, der als wünschenswert betrachtet wird. Je höher der Prozentsatz der länglichen Teilchen ist, der einheitlich ist, je besser ist folglich die optische Leistung.
Das Extinktionsverhältnis dieser Materialien ist das Verhältnis der Durchlässigkeit für Polarisationen senkrecht zur Dehnungsrichtung zu jenem parallel zur Dehnungsrichtung. Für die in Tabelle 1 aufgeführten Beispiele, liegt das Extinktionsverhältnis zwischen etwa 2 und etwa 5, obwohl ohne irgendeinen Versuch, das Extinktionsverhältnis zu optimieren, Extinktionsverhältnisse bis zu 7 in erfindungsgemäß hergestellten optischen Körpern beobachtet worden sind. Es wird erwartet, daß sogar noch höhere Extinktionsverhältnisse erzielt werden können, indem die Filmdicke, der Einschluß-Volumenbruchteil, die Teilchengröße und der Grad der Indexanpassung und Indexfehlanpassung eingestellt werden.
Beispiele 30–100
In den Beispielen 30–100 wurden Proben der Erfindung unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt, wie in Tabelle 2 aufgelistet. PEN 42, PEN 47, PEN 53, PEN 56 und PEN 60 bezeichnen Polyethylen-Naphthalat mit einer Strukturviskosität (IV) von jeweils 0,42, 0,47, 0,53, 0,56 und 0,60, gemessen in 60% Phenol, 40% Dichlorbenzen. Das besondere verwendete sPS-200-4 wurde von Dow Chemical Co. erhalten. Ecdel^TM 9967 und Eastar^TM sind Copolyester, die von Eastman Chemical Co., Rochester, New York kommerziell erhältlich sind. Surlyn^TM 1706 ist ein Ionomer-Harz, das von E. I. du Pont de Nemours & Co., Wilmington, Delaware erhältlich ist. Die als Zusatzstoff 1 oder 2 aufgelisteten Materialien enthalten Polystyrol-Glycidyl-Methacrylat. Die Bezeichnungen GMAPS2, GMAPS5 und GMAPS8 bezeichnen Glycidyl-Methacrylat mit jeweils 2, 5 und 8 Gew.% Glycidyl-Methacrylat im Gesamtcopolymer. ETPB bezeichnet das Vernetzungsmittel Ethyltriphenylphosphonium-Bromid. PMMA V044 bezeichnet Polymethylmethacrylat, das von Atohaas North America, Inc. kommerziell erhältlich ist.
Die optischen Filmproben wurden in einer zum Beispiel 4 entsprechenden Weise hergestellt, mit der Ausnahme der Unterschiede, die in Tabelle 2 angegeben sind und unten erläutert werden. Die zusammenhängende Phase und ihr Quotient am Gesamtbetrag wird als Hauptphase bezeichnet. Die dispergierte Phase und ihr Quotient am Gesamtbetrag wird als Nebenphase bezeichnet. Der Wert, mit dem die Dicke des innigen Gemisches bezeichnet wird, repräsentiert die annährende Dicke der Kernschicht in Mikrometern. Die Dicke der Hautschichten variierte, wenn die Kernschichtdicke variierte, wurde jedoch auf einem konstanten Verhältnis gehalten, d. h. die Hautschichten waren annährend gleich und die Gesamtheit der beiden Hautschichten betrug etwa ein Drittel der Gesamtdicke. Die Größe der dispergierten Phase wurde für einige Proben entweder durch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) oder ein Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) bestimmt. Jene Beispiele, die anschließend unter Verwendung der Laborchargen-Orientierungsvorrichtung gedehnt wurden, werden durch „X" in der mit Chargen-gedehnt bezeichneten Spalte gezeigt.
Es wurde herausgefunden, daß das Vorhandensein von verschiedenen Kompatibilisatoren die Größe der enthaltenen oder dispergierten Phase reduziert.
Beispiel 101
Im Beispiel 101 wurde ein optischer Film in einer zum Beispiel 4 entsprechenden Weise hergestellt, außer daß die resultierende Kerndicke etwa 420 Mikrometer dick war und jede Hautschicht etwa 105 Mikrometer dick war. Das PEN wies eine IV von 0,56 auf. Der Gießfilm war wie im Beispiel 1 orientiert, außer daß die Dehnungstemperatur 165°C betrug und daß es eine Verzögerung von 15 Tagen zwischen dem Gießen und der Dehnung gab. Die Durchlässigkeit betrug für parallel bzw. senkrecht polarisiertes Licht 87,1% und 39,7%.
Beispiele 102–121
In den Beispielen 102–121 wurden optische Filme wie im Beispiel 101 hergestellt, außer daß die Orientierungsbedingungen variiert wurden und/oder das sPS-200-0 entweder durch Copolymere von sPS, die entweder 4 oder 8 Mol% Paramethyl-Styrol enthielten, oder durch eine ataktische Form von Styrol, Styron 663, ersetzt wurde (das Dow Chemical Company, Midland, Michigan erhältlich ist), wie in Tabelle 3 aufgelistet. Es werden auch Auswertungen der Durchlässigkeitseigenschaften aufgeführt. Die Durchlässigkeitswerte sind über alle Wellenlängen zwischen 450–700 nm gemittelt.
Tabelle 3
Diese Beispiele zeigen an, daß die Teilchen der enthaltenen Phase in PEN mit einer hohen IV mehr in die Maschinenrichtung verlängert sind als in PEN mit einer niedrigen IV. Dies stimmt mit der Beobachtung überein, daß in PEN mit einer niedrigen IV eine Längung nahe der Oberfläche des Films in einem größeren Ausmaß stattfindet, als an Stellen innerhalb des Films, mit dem Ergebnis, daß nahe der Oberfläche faserige Strukturen gebildet werden und zur Mitte hin kugelförmige Strukturen gebildet werden.
Einige dieser Beispiele lassen darauf schließen, daß die Orientierungstemperaturen und der Grad der Orientierung wichtige Variable beim Erreichen des gewünschten Effektes sind. Die Beispiele 109 bis 114 lassen darauf schließen, daß eine bewegungslose Kristallisation nicht der einzige Grund für den Mangel an Durchlässigkeit einer bevorzugten Polarisation von Licht sein muß.
Beispiele 122–124
Im Beispiel 122 wurde ein optischer Mehrschichtfilm erfindungsgemäß mittels eines Zufuhrblocks für 209 Schichten hergestellt. Der Zufuhrblock wurde mit zwei Materialien beschickt: (1) PEN mit 38,6 kg pro Stunde (mit einer Strukturviskosität von 0,48); und (2) einem innigen Gemisch aus 95 Gew.% CoPEN und 5 Gew.% sPS Homopolymer (mit einem Molekulargewicht von 200000). Das CoPEN war ein Copolymer, das auf 70 Mol% Naphthalen-Dicarboxylat und 30 Mol% Dimethyl-Isophthalat beruhte, das mit Ethylen-Glykol zu einer Strukturviskosität von 0,59 polymerisiert wurde. Das innige Gemisch aus CoPEN/sPS wurde in den Zufuhrblock mit einer Rate von 34,1 kg pro Stunde zugeführt.
Das innige CoPEN-Gemischmaterial befand sich auf der Außenseite des Extrudats, und die Schichtzusammensetzung des resultierenden Schichtstapels wechselte zwischen den beiden Materialien ab. Die Dicken der Schichten war dazu bestimmt, zu einem Viertel-Wellenlängen-Stapel mit einem linearen Gradienten der Dicken zu führen, und ein Verhältnis von 1,3 von der dünnsten zu dickesten Schicht aufzuweisen. Dann wurde eine dickere Hautschicht von CoPEN (die gemäß dem oben be schriebenen Verfahren hergestellt wurde, um das innige CoPEN/sPS-Gemisch herzustellen, außer daß die molaren Verhältnisse von Naphthalen-Dicarboxylat/Dimethyl-Terephthalat/Dimethyl-Isophthalat 70/15/15 betrugen), das frei von sPS war, auf jedes Seite des Komposits aus 209 Schichten hinzugefügt. Die gesamte Hautschicht wurde mit einer Rate von 29,5 kg pro Stunde mit etwa der Hälfte dieser Menge auf jede Seite der Oberfläche des Stapels hinzugefügt.
Das resultierende hautschichtumhüllte Mehrschichtkomposit wurde durch einen asymetrischen Vervielfacher mit einem Verhältnis von 1,2 extrudiert, um ein Mehrschicht-Komposit aus 421 Schichten zu erzielen. Das resultierende Mehrschichtkomposit wurde dann mit einer weiteren Hautschicht des 70/15/15-CoPEN auf jeder Oberfläche mit einer Gesamtrate von 29,5 kg pro Stunde mit etwa der Hälfte dieser Menge auf jede Seite eingehüllt. Da diese zweite Hautschicht nicht getrennt von der vorhandenen Hautschicht wahrnehmbar sein kann (da das Material desselbe ist) wird die resultierende zusätzliche dicke Hautschicht für die Zwecke dieser Erläuterung als nur eine Schicht gezählt.
Das resultierende Komposit aus 421 Schichten wurde erneut durch einen asymmetrischen Vervielfacher mit einem Verhältnis von 1,40 extrudiert, um einen Film aus 841 Schichten zu erzielen, der dann zu einer Folie gegossen wurden, indem er durch eine Düse extrudiert und zu einer Folie von etwa 30 Milli-Inch Dicke abgeschreckt wurde. Die resultierende Gießfolie wurde dann in die Breitenrichtung unter Verwendung einer herkömmlichen Filmherstellungs-Spannvorrichtung orientiert. Die Folie wurde bei einer Temperatur von etwa 300°F (149°C) auf ein Dehnungsverhältnis von etwa 6 : 1 und bei einer Dehnungsrate von etwa 20% pro Sekunde gedehnt. Der resultierende gedehnte Film war etwa 5 Milli-Inch dick.
Im Beispiel 123, wurde ein optischer Mehrschichtfilm wie im Beispiel 122 hergestellt, außer daß die Menge an sPS im innigen CoPEN/sPS-Gemisch anstelle von 5% 20% betrug.
Im Beispiel 124 wurde ein optischer Mehrschichtfilm wie im Beispiel 122 hergestellt, außer daß kein sPS zum Film hinzugefügt wurde.
Die in Tabelle 4 aufgeführten Ergebnisse enthalten eine Messung des optischen Gewinns des Films. Der optische Gewinn eines Films ist das Verhältnis des Lichts, das durch eine LCD-Tafel von einem von hinten einfallenden Licht mit dem zwischen den beiden eingefügten Film durchgelassen wird, zum Licht, das statt dessen ohne den Film durchgelassen wird. Die Bedeutung des optischen Gewinns im Zusammenhang mit optischen Filmen wird in WO 95/17692 in Beziehung zur 2 dieser Verweisquelle beschrieben. Im allgemeinen ist ein höherer Gewinnwert wünschenswert. Die Durchlässigkeitswerte umfassen Werte, die erhalten werden, wenn die Lichtquelle parallel zur Dehnungsrichtung (T_∥) polarisiert war und Licht senkrecht zur Dehnungsrichtung (T_⊥) polarisiert war. Die Nebenwinkelfarbe (OAC) wurde unter Verwendung eines Oriel-Spektrophotometers als eine mittlere quadratische Abweichung der p-polarisierten Durchlässigkeit bei unter 50 Grad einfallenden Licht einer Wellenlänge zwischen 400 und 700 nm gemessen.
Tabelle 4
Der Wert der Nebenwinkelfarbe (OAC) demonstriert den Vorteil der Verwendung eines Mehrschicht-Aufbaus innerhalb des Kontextes der vorliegenden Erfindung. Insbesondere kann eine solcher Aufbau verwendet werden, um die OAC mit einer nur maßvollen Reduzierung des Gewinns wesentlich zu reduzieren. Dieser Kompromiß kann in einigen Anwendungen Vorteile haben. Die Werte von T_∥ für die Beispiele der Vorteile haben. Die Werte von T_∥ für die Beispiele der Erfindung können niedriger sein als erwartet, da Licht, das durch die dispergierte sPS-Phase gestreut wird, nicht durch den Detektor empfangen werden kann.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich veranschaulichend, und sie ist nicht dazu bestimmt, begrenzend zu sein. Daher sollte der Rahmen der vorliegenden Erfindung nur unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche ausgelegt werden.

Claims

Diffus reflektierender optischer Körper (10), der aufweist: eine erste Phase (12), die eine Doppelbrechung von mindestens etwa 0,05 aufweist; und eine zweite Phase (14), die in der ersten Phase angeordnet ist, deren Brechnungsindex sich längs einer ersten Achse von der ersten Phase um mehr als etwa 0,05 und sich längs einer zweiten Achse, die orthogonal zur ersten Achse ist, um weniger als etwa 0,05 unterscheidet; wobei das diffuse Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Phasen zusammengenommen längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Phase (12) eine Doppelbrechung von mindestens etwa 0,1, vorzugsweise von mindestens etwa 0,15, bevorzugter von mindestens etwa 0,2 aufweist.
Optischer Körper (10) nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die zweite Phase (14) eine Doppelbrechung von weniger als etwa 0,02, vorzugsweise von weniger als etwa 0,01 aufweist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Phase (14) einen Brechnungsindex aufweist, der sich längs der ersten Achse von der ersten Phase um mehr als etwa 0,1, bevorzugter um mehr als etwa 0,15, am bevorzugtesten um mehr als etwa 0,2 unterscheidet.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Phase (14) einen Brechnungsindex aufweist, der sich längs der zweiten Achse von der ersten Phase (12) um weniger als etwa 0,03, vorzugsweise um weniger als etwa 0,01 unterscheidet.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste (12) und die zweite (14) Phase zusammengenommen längs der mindestens einen Achse für beide Polarisationen elektromagnetischer Strahlung ein diffuses Reflexionsvermögen von mindestens etwa 50% aufweisen.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 1, wobei der optische Körper (10) für eine erste Polarisation elektromagnetischer Strahlung ein Gesamtreflexionsvermögen von mehr als etwa 50%, vorzugsweise von mehr als etwa 60%, bevorzugter von mehr als etwa 70% und für eine zweite Polarisation elektromagnetischer Strahlung, die orthogonal zur ersten Polarisation ist, eine Gesamtdurchlässigkeit von mehr als etwa 50%, vorzugsweise von mehr als etwa 60%, bevorzugter von mehr als etwa 70% aufweist.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 7, wobei mindestens etwa 40%, vorzugsweise mindestens etwa 60%, bevorzugter mindestens etwa 70% des Lichts, das orthogonal zu einer ersten Polarisation des Lichts polarisiert ist, durch den optischen Körper mit einem Ablenkwinkel von weniger als etwa 8° durchgelassen wird.
Optischer Körper (10) nach den Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Phase (12) ein thermoplastisches Harz aufweist.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 9, wobei das thermoplastische Harz ein syndiotaktisches aromatisches Vinylpolymer ist, das von einem aromatischen Vinylmonomer abgeleitet ist.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das thermoplastische Harz copolymerisierte Einheiten aus syndiotaktischen Polystyrol aufweist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das thermoplastische Harz Polyethylennaphthalat aufweist.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 12, wobei die zweite Phase (14) syndiotaktisches Polystyrol aufweist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei auch die zweite Phase (14) mindestens ein thermoplastisches Polymer aufweist.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 1, wobei der optische Körper (10) zu einem Dehnungsverhältnis von mindestens etwa 2 bis mindestens etwa 6 gedehnt ist.
Optischer Körper (10) nach den Ansprüche 1 bis 15, wobei der optische Körper (10) in mindestens zwei Richtungen orientiert ist.
Optischer Körper (10) nach den Ansprüche 1 bis 16, wobei die zweite Phase (14) relativ zur ersten Phase in einer Menge von mindestens etwa 1 Vol%, vorzugsweise von etwa 5 Vol% bis etwa 50 Vol%, bevorzugter von etwa 15 Vol% bis etwa 30 Vol% vorhanden ist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das diffuse Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Phasen zusammengenommen längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation sichtbarer, ultravioletter oder infraroter elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der optische Körper (10) ein Film ist, und wobei der Indexunterschied zwischen den ersten und zweiten Phasen längs einer dritten Achse, die senkrecht zur Oberfläche des Films ist und die wechselseitig orthogonal zur ersten und zweiten Achse ist, weniger als etwa 0,05 beträgt.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der optische Körper (10) in mindestens eine Richtung gedehnt ist, wobei mindestens etwa 40% des Lichts, das orthogonal zu einer ersten Polarisation des Lichts polarisiert ist, durch den optischen Körper (10) diffus durchgelassen wird und die diffus durchgelassenen Strahlen hauptsächlich längs oder nahe der Oberfläche eines Kegels verteilt werden, dessen Oberfläche die spektral durchgelassene Richtung enthält und dessen Achse an der Dehnungsrichtung zentriert ist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der optische Körper (10) ein Polarisationsfilm ist.
Diffus reflektierender optischer Körper (10), der aufweist: eine erste Phase (12), die eine Doppelbrechung von mindestens etwa 0,05 aufweist; und eine zweite Phase (14), die in der ersten Phase angeordnet ist, index der ersten und zweiten Phasen längs einer ersten Achse Δn₁ ist und längs einer zweiten Achse, die orthogonal zur ersten Achse ist, Δn₂ ist, wobei der Absolutwert des Unterschiedes zwischen Δn₁ und Δn₂ mindestens etwa 0,05 beträgt, und wobei das diffuse Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Phasen zusammengenommen längs mindestens einer Achse für mindestens eine Polarisation elektromagnetischer Strahlung mindestens etwa 30% beträgt.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 22, wobei der Absolutwert des Unterschiedes zwischen Δn₁ und Δn₂ mindestens etwa 0,1 beträgt.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 22 oder 23, wobei die erste Phase (12) eine stärkere Doppelbrechung als die zweite Phase aufweist.
Optischer Körper (10) nach Anspruch 24, wobei die Doppelbrechung der ersten Phase (12) um mindestens 0,02, vorzugsweise um mindestens 0,05 größer als die Doppelbrechung der zweiten Phase ist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei die zweite Phase (14) längs mindestens zwei irgendwelcher drei gegenseitig orthogonaler Achsen unterbrochen ist.
Optischer Körper (10) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, der ferner einen dichroitischen Farbstoff aufweist.