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JP6758782B2 - コリメート反射偏光子及び構造化層を含む光学フィルム - Google Patents

コリメート反射偏光子及び構造化層を含む光学フィルム Download PDF

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Description

反射偏光子は、或る偏光状態の光を実施的に透過し、一方でそれに直交する偏光状態の光を実質的に反射するもので、ディスプレイ装置のバックライトに使用される。反射偏光子は、別の反射面に結合されて、光再循環用凹部を形成する場合がある。光の角度分布を変更するため、複数の光導要素を有する微細複製フィルムを使用してもよい。
本明細書のいくつかの態様によれば、コリメート反射偏光子と、コリメート反射偏光子の主表面上に配設された構造化層とを含む光学フィルムが提供される。構造化層は、コリメート反射偏光子の反対に向いた構造化層の外側主表面上の複数の3次元構造を含む。3次元構造は、3次元構造の表面積の少なくとも50パーセントにわたって、光学フィルムの面に対して約35度〜約55度の範囲内である角度を有する面法線を有する。
明細書のいくつかの態様によれば、バックライトシステムと、光学フィルムを含むディスプレイとが提供される。
多層光学フィルムの光学繰り返し単位の概略斜視図である。 光学フィルムの断面図である。 光学フィルムの一部分の上面図である。 光学フィルムの一部分の上面図である。 光学フィルムを含むバックライトシステムを含む、ディスプレイの概略断面図である。 コリメート反射偏光子の層厚さプロファイルを示すグラフである。 3次元構造の断面プロファイルのグラフである。 図7Aの断面プロファイルの勾配のグラフである。
以下の説明では、本明細書の一部を形成し、例示を目的として示される添付図面を参照する。図面は、必ずしも一定の縮尺ではない。本開示の範囲又は趣旨から逸脱することなく、他の実施形態も検討され、行われ得ると理解すべきである。
反射偏光子は、液晶ディスプレイなどの視覚ディスプレイシステムにおいてしばしば使用される。これらのシステムは、今日、携帯電話、コンピューター(タブレット型、ノート型、サブノート型を含むコンピューター)、及び一部のフラットパネルTVなどの広範な種類の電子機器において見られるものであるが、こうしたシステムは、広い面積のバックライトにより後方から照明される液晶(LC)パネルを使用している。反射偏光子は、バックライトの上に載置されるか、又はバックライトの中に組み込まれて、LCパネルにより使用可能な偏光状態の光をバックライトからLCパネルへと透過する。LCパネルが使用できない直交偏光状態の光は、反射されてバックライトの中に戻され、そこでその光は反射されて最終的にLCパネルに向かって戻され、使用可能な偏光状態に少なくとも部分的に変換されて、通常ならば失われる光を「再循環」し、ディスプレイの得られる輝度及び全体の効率を増加させる。
コリメート反射偏光子は、高角光(即ち、高い入射角でコリメート反射偏光子に入射する光)を反射し、低角光(即ち、低い入射角でコリメート反射偏光子に入射する光)を透過することによって、部分的にコリメートすることができる。高角光は散乱して最終的にコリメート反射偏光子の透過錘となることできるように再循環される。
コリメート反射偏光子は、ディスプレイの軸方向輝度を増大させることができるが、通常の反射偏光子を、拡張型線形プリズムを含む輝度上昇フィルム(BEF)と組み合わせると、通常、屈折素子を含まないコリメート反射偏光子よりも軸上輝度が高くなる。典型的なバックライトでは、直交方向に延在する線形プリズムを有するBEFの2つの層は、反射偏光子と共に使用される。本明細書によれば、特定の3次元ジオメトリを有する屈折構造を有する単一の層をコリメート反射偏光子と組み合わせると、従来の反射偏光子及び2つのBEFフィルムを使用して生じる軸方向輝度と同様の軸方向輝度を生ずることができることが発見された。更に、コリメート反射偏光子の直ぐ上に構造化層を形成することができ、その結果、反射偏光子と2つの交差したBEFフィルムとの従来の3つのフィルム積層体と同等に又はそれよりも効果的な単一の光学フィルムが生じる。加えて、従来のBEFフィルムの欠点は、線形プリズムの縁部が、ディスプレイの他の構成要素を引っ掻くこと、又は場合によっては損傷させることがある。本明細書のいくつかの実施形態では、構造化層内の構造は、縁部又はピークの代わりに谷部を有する反転したジオメトリを有し、そのようなジオメトリは、ディスプレイに含まれる他の構成要素に対する損傷を最小限に抑えることができる。
コリメート反射偏光子は、多層光学フィルムで、即ち、異なる屈折率のミクロ層の配列により少なくとも部分的に望ましい透過特性及び/又は反射特性を提供するフィルムで作製することができる。一連の無機材料を真空槽内で基材上の光学的に薄い層(「ミクロ層」)に堆積させることによって、そのような多層光学フィルムを製作することが知られている。無機多層光学フィルムは、例えば、H.A.Macleodによる教科書、Thin−Film Optical Filters,2nd Ed.,Macmillan Publishing Co.(1986)、及びA.Thelanによる教科書、Design of Optical Interference Filters,McGraw−Hill,Inc.(1989)に記述されている。
多層光学フィルムは、交互ポリマー層を共押し出しすることによっても実証された。例えば、米国特許第3,610,729号(Rogers)、同第4,446,305号(Rogersら)、同第4,540,623号(Imら)、同第5,448,404号(Schrenkら)、及び同第5,882,774号(Jonzaら)を参照のこと。これらのポリマー多層光学フィルムでは、個々の層を作製する際にポリマー材料が主に又は排他的に使用される。そのようなフィルムは、大量生産工程と適合し、大きなシート及びロール品で作製することができる。
多層光学フィルムは、一部の光が隣接ミクロ層の間の境界面で反射するように、異なる屈折率特性を有する、個別のミクロ層を含む。ミクロ層は、複数の境界面で反射された光が、建設的又は破壊的干渉を受けて多層光学フィルムに所望の反射又は透過特性を提供できるほど薄い。紫外線、可視、又は近赤外線波長光を反射するよう設計された多層光学フィルムでは、各ミクロ層は一般的に、光学厚さ(物理的厚さ×屈折率)が約1μm未満である。多層光学フィルムの外側表面の表皮層、又はミクロ層のコヒーレント群(本明細書では「パケット」と呼ばれる)を分離する、多層光学フィルムの間に配設された保護境界層(PBL)など、もっと厚い層を含み得る。
偏光用途、例えば、反射偏光子の場合には、光学層の少なくとも一部は、複屈折性ポリマーを用いて形成され、ポリマーの屈折率はポリマーの直交座標系の軸に沿って異なる値を有する。一般に、複屈折性ポリマーのミクロ層は、層面(z軸)の法線により規定され、x軸とy軸が層面内に存在する、直交カルテシアン軸を有する。複屈折性の高分子は、非偏光用途においても使用することができる。
図1は、多層光学フィルムの例示的光学繰り返し単位(ORU)の概略斜視図である。図1は、多層光学フィルム10の2層のみを表すが、フィルム10は、1つ以上の連続的なパケット又は積層体内に配列される数十又は数百のこのような層を含み得る。フィルム10は個別のミクロ層12、14を含み、「ミクロ層」とは、多層光学フィルムに所望の反射特性又は透過特性を付与するために強め合う又は弱め合う干渉を経験するこのような層の間の複数の境界面で光が反射するように十分に薄い層を指す。ミクロ層12、14は共に、多層積層体の1つの光学繰り返し単位(ORU)を表すことができ、ORUは、積層体の厚さを通じて繰り返しパターンで繰り返す、層の最小のセットである。隣接するミクロ層の境界面で一部の光が反射されるように、これらのミクロ層は異なる屈折率特性を有する。紫外線、可視、又は近赤外線波長光を反射するよう設計された光学フィルムでは、各ミクロ層は通常、光学厚さ(物理的厚さ×屈折率)が約1μm未満である。
いくつかの場合には、ミクロ層12、14は、等しい光学厚さ(f値=50%)の2つの隣接したミクロ層をそれぞれ有する光学繰り返し単位又は単位セルに配列された1/4波積層体に対応する厚さ値及び反射率値を有し、このような光学繰り返し単位は、当該光学繰り返し単位の総光学厚さの2倍の波長λを有する強め合う干渉光により反射するのに効果的である。f値が50%と異なる、2種のミクロ層光学繰り返し単位を有する多層光学フィルム、又は光学繰り返し単位が2種以上のミクロ層を含むフィルムなどの他の層構成も知られている。これらの光学繰り返し単位の設計物は、ある高次反射を減少又は増加させるように構成され得る。例えば、米国特許第5,360,659号(Arendsら)及び同第5,103,337号(Schrenkら)を参照のこと。フィルムの厚さ軸(例えば、z軸)に沿った厚さ勾配を使用して、拡張された反射帯、例えば、反射帯が斜めの入射角で短波長にシフトする際に、可視スペクトル全体にわたって反射し続けるように、ミクロ層積層体が人間の可視領域全体にわたる、及び近赤外の中に拡張された反射帯を提供することができる。バンド端を鋭くするように調整された厚さ勾配、すなわち高反射と高透過の間の波長転移は、米国特許第6,157,490号(Wheatleyら)に記述されている。
多層光学フィルムと、関連する設計及び構造の更なる詳細は、米国特許第5,882,774号(Jonzaら)及び同第6,531,230号(Weberら)、PCT公開国際公開第95/17303(Ouderkirkら)及び同第99/39224((Ouderkirkら)、並びに表題「Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors」、Science,Vol.287,March 2000(Weberら)という刊行物に記述されている。多層光学フィルムと関連する物品は、光学的、機械的、及び/又は化学的特性により選択される追加の層及びコーティングを含むことがある。例えば、UV吸収層をこのフィルムの入射側に追加して、成分をUV光により生じる劣化から保護する場合がある。UV硬化型アクリレート接着剤又は他の好適な材料を用いて、多層光学フィルムを機械的に補強された層に取り付けることができる。このような補強層は、PET又はポリカーボネートなどのポリマーを含むことがあり、例えばビーズ又はプリズムを使用することにより光拡散又はコリメーションなどの光学的機能を提供する、構造化された表面も含むことがある。追加の層及びコーティングは、引っ掻き抵抗性層、引き裂き抵抗性層、及び硬化剤も含むことができる。例えば、米国特許第6,368,699号(Gilbertら)を参照されたい。多層光学フィルムを製造するための方法及び装置は、米国特許第6,783,349号(Neavinら)に記述されている。
多層光学フィルムの反射特性及び透過特性は、それぞれのミクロ層の屈折率と、ミクロ層の厚さ及び厚さ分布の関数である。各ミクロ層は、少なくともフィルムの局所的位置で、面内屈折率n、nと、フィルムの厚さ方向軸と関連付けられる屈折率nとによって特徴付けることができる。これらの屈折率は、互いに直交するx軸、y軸、及びz軸に沿って偏光される光に対する対象材料の屈折率を、それぞれ表す。本明細書における説明を簡単にするために、別途記載のない限り、x軸、y軸、及びz軸は、多層光学フィルム上のいかなる対象点にも適用可能な局所カルテシアン座標系であり、ミクロ層はx−y面に対して平行に延び、x軸は、Δnの大きさを最大とするようにフィルムの面内で配向されているものとする。したがって、Δnの大きさは、Δnの大きさに等しいか又はそれ未満(すなわち、Δnの大きさを超過しない)とすることができる。更に、差Δn、Δn、Δnを計算する際にどの材料層から始めるかの選択は、Δnが負でないことが必要であるということによって決定される。言い換えれば、1つの界面を形成する2層間の屈折率差は、Δn=n1j−n2jであり、式中、j=x、y、又はzであり、層の指定1、2は、n1x≧n2x、すなわち、Δn≧0となるように選択される。
実際には、屈折率は、慎重な材料選択及び加工条件によって制御される。多層フィルムは、多数、例えば数十、数百の2つの交互に配置されたポリマーA、Bの層を共押し出しし、時にはその後、多層押出物を1つ以上の増倍デバイスに、次いでフィルムダイに通し、その後、その押出物を延伸又は場合によっては配向して、最終的なフィルムを形成することによって作製される。得られるフィルムは、通常、厚さと屈折率を調整して、可視又は近赤外中などのスペクトルの所望の領域において1つ以上の反射帯を提供する、数100もの個別のミクロ層から構成される。妥当な層数により高反射率を得るためには、隣接ミクロ層は、通常、x軸に沿って偏光した光に対して少なくとも0.05の屈折率差(Δn)を呈する。いくつかの実施形態においては、x軸に沿って偏向した光に対する屈折率差が、配向後に可能な限り高くなるように材料を選択する。2つの直交する偏光に対して高反射率が所望される場合には、隣接ミクロ層を、y軸に沿って偏光した光に対して少なくとも0.05の屈折率差(Δn)を呈するようにすることもできる。
上記に参照した‘774号(Jonzaら)特許は、なかんずく、z軸に沿って偏光した光に対する隣接ミクロ層間の屈折率差(Δn)を調整して、斜めに入射する光のp偏光成分に対して所望の反射率特性を得る方法を述べている。斜め入射角におけるp偏光の高い反射率を維持するために、ミクロ層間のz屈折率の不一致Δnは、最も大きい面内屈折率の差Δnより実質的に小さく制御して、Δn≦0.5×Δn又はΔn≦0.25×Δnのようにすることができる。ゼロ又は略ゼロの大きさのz屈折率の不一致によって、p偏光に対する反射率が入射角の関数として一定又は略一定である界面がミクロ層の間に生じる。更に、z屈折率の不一致Δnは、面内屈折率の差Δnと比較して反対の極性を有するように、すなわち、Δn<0であるように、制御することができる。この条件は、s偏光の場合と同様に、p偏光に対する反射率が、入射角の増加と共に増加する境界面をもたらす。
‘774(Jonzaら)号は、多層反射又は反射偏光子と呼ばれる偏光子として構成される多層光学フィルムに関するしかるべき設計考慮事項も述べている。多数の出願書においては、理想的な反射偏光子は、一方の軸(「消光」又は「ブロック」軸)に沿った高反射率と、他方の軸(「透過」又は「通過」軸)に沿ったゼロ反射率とを有する。本明細書のためには、偏光状態が通過軸又は透過軸に実質的に整列している光を通過光と呼び、偏光状態がブロック軸又は消光軸に実質的に整列している光をブロック光と呼ぶ。特にことわらない限り、60°で入射する通過光は、p偏光通過光を使用して測定される。なにがしかの反射率が透過軸に沿って起こる場合には、オフノーマル角度での偏光子の効率は低下し、いろいろな波長に対する反射率が異なる場合には、透過光の中に色が導入されることがあり得る。更には、ある多層系においては2つのy屈折率及び2つのz屈折率の厳密な一致は可能でなく、z軸屈折率が不一致である場合には、面内屈折率n1y及びn2yに対して若干の不一致の導入が望まれることがある。特に、y屈折率の不一致がz屈折率の不一致と同一の符号を有するように配列することによって、ミクロ層の境界面でブリュースター効果が生じて、多層反射偏光子の透過軸に沿った軸外れ(off-axis)の反射率、それゆえ軸外れの色が最小となる。
‘774号(Jonzaら)で述べられている別の設計考慮事項は、多層反射偏光子の空気境界面での表面反射に関する。偏光子を存在するガラス部品又は別の存在するフィルムに、透明な光学接着剤により両面積層しない限り、このような表面反射は、光学システム中の所望の偏光の透過を低下させる。このように、ある場合には反射偏光子に反射防止(AR)コーティングを追加することが有用であることもある。
多層コリメート反射偏光子の場合、斜めに入射する光よりも、軸上入射光のほうがより透過されるよう、層厚さや屈折率を選択し得る。バックリフレクタと組み合わせれば、多層コリメート反射偏光子は斜めに入射する光を再循環し得る。再循環した光は、次の透過の際には軸上に透過する可能性が高くなり、コリメート効果が得られる。例えばPCT出願WO2013/059225(A1)(Weberら)に記載されているように、当該フィルムを使用した再循環型バックライトからの光の潜在的なコリメート度の指標としては、所定のフィルムに対するp偏光された光の垂直入射(Tpassnormal)の場合と60度入射(Tpass60)の場合の透過率の比が有効である。有効なコリメート反射偏光子のTpassnormalに対するTpass60の比は、高くとも0.75,0.6,又は0.5未満であり得る。いくつかの実施形態では、Tpassnormalに対するTpass60の比は、例えば、0.1〜0.75の範囲内である。
図2は、コリメート反射偏光子を含む光学フィルムの断面図である。光学フィルム200は、対向する第1の主表面214及び第2の主表面216を有するコリメート反射偏光子210と、第1の主表面214上に配設され、かつ、谷部224及びリッジ部226を有する3次元構造222を含む外側主表面221を有する構造化層220と、を含む。リッジ部226は、コリメート反射偏光子210から谷部224の反対側にある。構造化層220の外側主表面221は、コリメート反射偏光子210の反対を向き、3次元構造222がコリメート反射偏光子210の反対を向くような構造になっている。3次元構造222は、光学フィルムの面に対して角θを形成する面法線228を有する。3次元構造は、平坦な又は実質的に平坦な側面を有し得、あるいは、当該側面は、曲率を有し得る。3次元構造の表面積の有意部分にわたってほぼ45度の角θを有する3次元ジオメトリは、他のジオメトリに勝る向上した軸上輝度を提供することが分かった。いくつかの実施形態では、角度θは、3次元構造の表面積の少なくとも50パーセント、又は少なくとも60パーセント、少なくとも70パーセント、又は少なくとも80パーセントにわたって、約35度又は約40度〜約50度又は約55度の範囲内である。図示の実施形態では、3次元構造222は、反転角錐形である。いくつかの実施形態では、リッジ部226は、隣接するフィルム又は構成要素を引っ掻く可能性を低減するために丸みを付けても、あるいは場合によっては変形させてもよい。いくつかの実施形態では、反転角錐形の側面に丸みを付けてもよい。いくつかの実施形態では、3次元構造222は、3次元微細構造である。
コリメート反射偏光子210は、任意の好適な厚さを有し得る。いくつかの実施形態では、コリメート反射偏光子210は、コリメート多層光学フィルム(CMOF)としても説明され得る、ポリマー多層光学フィルムのコリメート反射偏光子であり得る。
構造化層220は、鋳造及び硬化などのマイクロレプリケーションプロセスを含む任意の好適なプロセスを通じて形成され得る。例えば、3次元構造は、望ましいパターン又は構造を含んでいるマイクロレプリケーションツールを使用して、コリメート反射偏光子の外側表面上に重合性樹脂組成物を鋳造し、ツール面と接触した時に当該樹脂組成物を硬化させることによって形成され得る。そのような鋳造及び硬化プロセスは、例えば、米国特許第5,175,030号(Luら)及び米国特許第5,183,597号(Lu)で説明されている。構造化層220を形成するために使用される樹脂は、プロセス能力、耐久性、耐溶融性及び耐歪み性などの物理的特性、並びに屈折率、透明度及び拡散品質などの光学特性について選択され得る。例えば、樹脂は、コリメート反射偏光子の外側層における屈折率に一致する又はそれに近い屈折率を有するように選択され得る。本明細書の構造化層は、例えば、約1.45又は約1.50〜約1.8又は約1.9の範囲内の屈折率を有し得る。本明細書で使用される場合、異なる記載がない限り、「屈折率」とは、25℃で589nmの波長を有する光(ナトリウムD線)の屈折率を指す。樹脂は、例えばアクリレートなどの紫外(UV)硬化可能樹脂であり得る。
いくつかの実施形態では、構造化層220は、例えば鋳造及び硬化プロセスで、コリメート反射偏光子210の直ぐ上に形成され得る。他の実施形態では、構造化層220を別個の基材上に形成し、次いで、コリメート反射偏光子210に接着剤で取り付けてもよい。基材は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)、又はポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)などのポリマー材料を含む、任意の好適な材料であり得る。接着剤は、光学的に透明な接着剤(OCA)、感圧性接着剤(PSA)、又は熱硬化性若しくはUV−硬化性の接着剤を含む、任意の適当な接着剤であり得る。
図3は、頂部324及びリッジ部326を有する3次元構造322を含む外側主表面321を有する、構造化層320を含む光学フィルム300の一部分の上面図である。3次元構造322は、(4つの側面及び底面を有する)角錐形であり得、頂部324は、角錐形の頂部であり得る、あるいは、3次元構造322は、(4つの側面を有する)反転角錐形であり得、頂部324は、反転角錐形の谷部であり得る。角錐形又は反転角錐形の各側面は、光学フィルム300の面に対して約45度の(又は、角度40〜50度の範囲内の、若しくは他の箇所で説明した範囲のいずれか内の)角度をなす面法線を有し得る。いくつかの実施形態では、プリズム又は反転プリズムのリッジ部326及び/又は頂部324及び/又は縁部は、丸みを付けても、あるいは場合によっては変形してもよい。リッジ部326は、頂部324を取り囲んでいる。3次元構造322は、光学フィルム300の面内の第1の方向332及び光学フィルム300面内の第2の方向334に沿って繰り返す繰り返しパターンで配列される。第2の方向334は、第1の方向332に直交している。3次元構造322は、最近接間隔Sを有する。3次元構造の配列が2つの方向において周期的である場合、最近接間隔は、2つの方向のピッチ(例えば、谷部間距離)のうち、より小さいほうである。3次元構造の配列が周期的でない場合、平均最近接間隔は、構造化層上の3次元構造全体で平均化される、3次元構造の頂部か最も近接する3次元構造の頂部まで距離として定義することができる。いくつかの実施形態では、3次元構造は、1マイクロメートル〜1ミリメートルの範囲内の、又は5マイクロメートル〜500マイクロメートルの範囲内の平均最近接間隔を有する。
本明細書で使用される場合、「3次元構造」は、3次元で構造化された構造である。構造化層内の3次元構造は、構造化層の面内のそれぞれの方向に沿って変動し、構造化層の面に垂直な方向に変動する。ある方向に直交する面における3次元構造の断面は、当該方向に沿って任意の方向について変動する。例示的な3次元構造は、底面と、頂点に向かって傾斜する4つの側面のうちの3つとを有する角錐形を含む。他の例は、谷部に向かって傾斜する4つの側面のうちの3つを有する反転角錐形を含む。例えば反転角錐形の形状を有する表面構造は、2つの面内方向及び構造化層の面に垂直な方向に表面が変動するので、3次元構造である。更に他の例は、「弾丸」ジオメトリ又は反転弾丸ジオメトリを含み、弾丸形状は、構造化層の面に対して垂直な軸を中心とする回転面として説明することができる。面内方向に沿って延在する線形プリズムは、2つの方向(1つの面内方向及び垂直方向)でのみ構造化されており、したがって、3次元構造ではない。本明細書では、線形プリズムなど、ある方向に延在し、その方向に沿って均一の断面を有する構造を「2次元構造」と呼ぶこともある。
いくつかの実施形態では、3次元構造は、0.5マイクロメートル〜5ミリメートルの範囲の、又は1マイクロメートル〜2ミリメートルの範囲、又は1マイクロメートル〜1ミリメートルの範囲の、又は5マイクロメートル〜500マイクロメートルの範囲の最大寸法(即ち、3次元構造上の2つの点の間の最大長)を有する。いくつかの実施形態では、3次元構造は、第1の面内方向に、1マイクロメートル〜1ミリメートルの範囲の、又5マイクロメートル〜500マイクロメートルの範囲の第1の長さを有し、第1の面内方向に直交する第2の面内方向に、1マイクロメートル〜1ミリメートルの範囲の、又は5マイクロメートル〜500マイクロメートルの範囲の第2の長さを有する。繰り返しパターンで3次元構造が配列される実施形態では、第1の面内方向及び第2の面内方向のうちの少なくとも1つは、繰り返し方向(例えば、ブラベ格子ベクトルに沿った方向)であり得る。いくつかの実施形態では、第2の長さに対する第1の長さの比は、0.01又は0.1〜10又は100の範囲内である。いくつかの実施形態では、3次元構造は、リッジ部の面の最大直径(例えば、3次元構造322の最大寸法でもあり得る、3次元構造322の正方形のリッジ部326の対角線に沿った長さ)、及びリッジ部の平面の最小直径(例えば、3次元構造322の正方形のリッジ部326の側面に沿った長さ)を有する。最大直径及び最小直径のそれぞれは、1マイクロメートル〜1ミリメートルの範囲内に、又は5マイクロメートル〜500マイクロメートルの範囲内にあり得る。最小直径に対する最大直径の比は、1〜100、又は1〜10、又は1〜5の範囲内にあり得る。
例えば、3次元構造322は、光学フィルム320の面内の第1の方向332に第1の長さLを有し、光学フィルムの参内の第2の方向334に第2の長さLを有する。第2の方向334は、第1の方向332に直交しており、方向332及び334のそれぞれは、繰り返し方向である。いくつかの実施形態では、第2の長さLに対する第1の長さLの比(即ち、L/L)は、0.01又は0.1〜10又は100の範囲内である。3次元構造322は、平均最近接間隔Sを有する。Sは、正方格子についての、第2の方向334のピッチにも等しい第1の方向332のピッチとして説明することができる。
いくつかの実施形態では、頂部に急峻な点がないように、3次元構造には、頂部の近くに丸みが付けられている。丸みを付けた頂点又は丸みを付けた谷部を有する角錐形又は反転角錐形を、依然として、角錐形又は反転角錐形とそれぞれ呼んでもよい。いくつかの実施形態では、頂部は、3次元構造の平均最近接間隔の約0.01又は約0.02又は約0.03〜約0.07又は約0.08又は約0.1倍の範囲内の曲率半径を有する。例えば、いくつかの実施形態では、3次元構造は、谷部と、コリメート反射偏光子から谷部の反対側のリッジ部とを有し、それぞれの谷部は、3次元構造の平均最近接間隔の約0.02〜約0.08倍の範囲の曲率半径を有する。曲率半径は、平均曲率の絶対値の逆数として理解してもよく、平均曲率は、主曲率の算術平均である。
図3に示した実施形態では、3次元構造322は、正方格子上に配列されている。他の実施形態では、3次元構造は、六角格子(正三角格子と呼ばれることもある)又は他の2次元繰り返し格子などの上に他の繰り返しパターンで配列され得る。更に他の実施形態では、3次元構造は、ランダムに又は擬似ランダムに配列され得る(例えば、ランダムにみえる配列を生成するために決定性アルゴリズムを使用して配列され得る)。
図4は、頂部424とリッジ部426とを有する3次元構造422を含む外側主表面421を有する、構造化層420を含む光学フィルム400の一部分の上面図である。3次元構造422は、(3つの側面及び底面を有する)角錐形であり得、頂部424は、角錐形の頂部であり得る、あるいは、3次元構造422は、(3つの側面を有する)反転角錐形であり得、頂部424は、反転角錐形の谷部であり得る。角錐形又は反転角錐形の各側面は、光学フィルム400の面に対して約45度の(又は、角度40〜50度の範囲内の、若しくは他の箇所で説明した範囲のいずれか内の)角度をなす面法線を有し得る。いくつかの実施形態では、リッジ部426及び/又は頂部424は、丸みを付けても、あるいは場合によっては変形してもよい。リッジ部426は、頂部424を取り囲んでいる。3次元構造422は、六角格子上に配列されている。
図5は、バックライトシステム502と、液晶ディスプレイパネルであり得るディスプレイパネル550とを含むディスプレイ504の概略断面図である。バックライトシステム502は、コリメート反射偏光子510及び構造化層520を含む光学フィルム500、光ガイド540、照明構成要素542、並びに反射体544を含む。光学フィルム500は、本明細書で説明する光学フィルムのうちのいずれかであり得、例えば、光学フィルム200に対応し得る。光学フィルム500は、構造化層520が光ガイドの反対に向いた状態で光ガイド540に近接して配設される。このようにして配設すると、光学フィルム500は、ディスプレイ504の軸上輝度を増大させる点で効果的であることが分かった。反射体544は、光学フィルム500の反対側に光ガイド540に近接して配設される。例えば液晶ディスプレイ(LCD)パネルであり得るディスプレイパネル550は、光ガイド540の反対側に光学フィルム500に近接して配設される。光ガイド540の端部に光を入射させるために、照明構成要素542が配設される。照明構成要素542は、CCFL、LED、白熱電球、又はそれらの任意の組み合わせを含む、1つの光源でも、あるいは任意の数の光源でもよい。光ガイド540は、任意の好適な材料から構築され得、任意の好適な形状又はサイズであり得る。例えば、光ガイドは、アクリルで形成され得、平坦でも、テーパー状でも、あるいは湾曲していてもよい。光ガイド540は、例えば、反射体544に隣接して光ガイドの主表面にプリントされたドット又はバーなど、任意の好適な抽出特徴部を含み得る。反射体544は、任意の好適な反射体であり得る。いくつかの実施形態では、反射体544は、ミネソタ州セントポールのスリーエム社製ESR(Enhanced Specular Reflector)のような多層反射フィルムであり得る。
いくつかの実施形態では、光学フィルム500と光ガイド540とを、エアーギャップが離隔する。他の実施形態では、光学フィルム500は、反射体544の反対側の光ガイド540の主表面に取り付けられる。例えば光学的に透明な接着剤を使用して、光学フィルム500を光ガイド540に取り付けることができる。
コリメート反射偏光子の作製
米国特許出願公開第2014/0254125号(Nevittら)の実施例3に記載のとおりに、コリメート多層光学フィルム(CMOF)を作製した。特に、「Feedblock for Manufacturing Multilayer Polymeric Films」という名称の、2011年5月6日に出願された米国特許出願公開第2011/0272849号に記載のフィードブロック法を利用して、屈折率が低いポリマー層と高いポリマー層を交互に配置した275層の2つのパケットをキャストウェブとして共押し出し、次いで連続フィルム製造ライン上のテンタで延伸した。高屈折率素材は、90/10coPEN(90%ナフタレート部、10%テレフタレート部)であった。ミクロ層のパケット1とパケット2とで、別々の低屈折率素材が使用された。パケット1用の低屈折率素材は、PETg(テネシー州キングスポートのEastman ChemicalのEASTAR GN071コポリエステル)と、非結晶質55/45coPEN(55%ナフタレート部、45%テレフタレート部)との混合物とした。混合比は、屈折率を1.589とするよう調整された。パケット2用の低屈折率素材は、テネシー州キングスポートのEastman ChemicalのTRITAN FX150コポリエステルとし、測定された屈折率は1.554であった。屈折率は全て、633nmで測定された。
CMOFフィルムの層厚さ値は、原子間力顕微鏡法(AFM)により測定され、図6に示す層厚さプロファイル13a及び13bはそれぞれパケット1及び2に対応する。
0度での軸に沿った光の透過に対する60度での透過値の比は、再循環バックライトで使用した際のフィルムのコリメート能力をよく示唆するものである。p偏光された入射光と、s偏光の透過スペクトルを、入射角0度及び60度について測定した。各測定における平均透過値(%T)は、420nmと680nmとの間の各スペクトルの透過値の平均をとることで推定された。明所重みづけは行わなかったが、必要に応じて適用可能である。CMOFフィルムの平均T%値は、以下のとおりである。p偏光について、0度では75%で60度では46%まで低下。s偏光について、0度では75%で、60度では36%まで低下。Tpass60/Tpassnormal比の値は、p偏光とs偏光についてそれぞれ0.62、0.48であった。
軸方向輝度の判定
バックライト上に配設された種々の光学フィルムの有無にかかわらず、標準的な光線追跡技術を使用して、バックライトをモデル化した。バックライト上に配設された光学フィルムの有無にかかわらず、軸上輝度を判定した。光学フィルムが屈折構造を含む場合、屈折構造がバックライトの反対に向いた状態で光学フィルムを配設した。定位置に光学フィルムを有する軸上輝度を定位置に光学フィルムがない軸上輝度で除算したものを100パーセントとして、光学フィルムと関連付けられた正規化軸方向輝度(即ち、光学フィルムの利得)を判定した。
実施例1〜3及び比較例C−1〜C−8
「コリメート反射偏光子の作製」において説明したものと同様のCMOF上に配設された図2〜図3に示したものと同様の構造化層を有する光学フィルムを、「軸方向輝度の判定」で説明したように、バックライトシステムにおいてモデル化した。構造化層は、約50マイクロメートルのピッチを有する正方格子上に配列された3次元微細構造を含んだ。3次元構造は、略反転角錐形状又は略角錐形状のいずれかを有した。図7Aは、略反転角錐形状を有する3次元構造の断面プロファイル762のグラフを示し、図7Bは、図7Aの断面プロファイル762の勾配764のグラフを示す。3次元構造は、3次元構造の表面積の約77パーセントにわたって、40度〜50度の範囲の光学フィルムの面に対する角度を有する面法線(即ち、40〜50度の、又は−40〜−50の勾配)を有した。
CMOFフィルムを、90/10coPEN(90%ナフタレート部及び10%テレフタレート部)の高屈折率素材をそれぞれが有し、55/45coPEN(55%ナフタレート部及び45%テレフタレート部)の低屈折率素材をそれぞれが有する、2つのパケットとしてモデル化した。633nmにおける90/10coPENの屈折率は、n=1.820、n=1.617、及びn=1.523であり、633nmにおける55/45coPENの屈折率は、n=1.625、n=1.625、及びn=1.625であった。層プロファイルは、図6に示したものと同様であった。光学モデル化は、CMOFフィルムのp偏光についてのTpass60/Tpassnormalが0.655であることを示した。
CMOFフィルムのみについて、構造化層のみについて、及び構造がCMOFの反対に向いた状態でCMOF上に配設された構造化層を有するCMOFについて、シミュレーションを実行した。構造化層について、種々の屈折率をモデル化した。比較のために、1つ又は2つの直交方向に交差したBEFフィルム(線形(2D)プリズムフィルム)を有する従来の反射偏光子もモデル化した。APFの透過特性及び反射特性を付与するために、従来の反射偏光子(ミネソタ州セントポールのスリーエム社から市販されている反射偏光子)をモデル化し、90度のプリズム角度を有し、かつ、50マイクロメートルのピッチを有する線形三角プリズムとしてBEFフィルムをモデル化した。プリズムがバックライトに対して水平方向に、垂直方向に、又は(2つの交差したフィルムの場合には)双方に延在するようにBEFフィルムを配置し、「水平方向」とは、概矩形のバックライトのより長い側を意味する。
以下の表で報告する結果は、適切に構造化された層を有するCMOFが、従来のフィルム積層体に匹敵する、又はそれよりも優れた正規化軸方向輝度を与えるが、CMOFのみではそうならないことを示した。実施例2及び3と比較例C−4とを比較すると、本明細書の単一の光学フィルム(構造化層がその主表面上に配設されたCMOF)は、従来の反射偏光子と2つの交差したBEFフィルムとの3層積層体よりも優れた正規化軸方向輝度(ゲイン)を付与することができることが分かる。実施例1と比較例C−4及びC−5とを比較し、実施例2及び3と比較例C−6及びC−7とを比較すると、2次元構造を有する構造化層を使用することは、3次元構造を有する構造化層を使用することほど効果的でないことが分かる。
Figure 0006758782
以下は、本明細書の例示的な実施形態のリストである。
実施形態1は、光学フィルムであって、
コリメート反射偏光子と、
コリメート反射偏光子の主表面上に配設された構造化層と、を備え、
構造化層は、コリメート反射偏光子の反対を向いた構造化層の外側主表面上に複数の3次元構造を備え、3次元構造は、光学フィルムの面に対して一定の角度を有する面法線を有し、当該角度は、3次元構造の表面積の少なくとも50パーセントにわたって約35度〜約55度の範囲内である、光学フィルムである。
実施形態2は、3次元構造の最大寸法が、約1マイクロメートル〜約2ミリメートルの範囲内である、実施形態1の光学フィルムである。
実施形態3は、3次元構造が、繰り返しパターンで配列される、実施形態1の光学フィルムである。
実施形態4は、3次元構造が、六角格子又は正方格子上に配列される、実施形態3の光学フィルムである。
実施形態5は、3次元構造が、ランダム又は擬似ランダムに配列される、実施形態1の光学フィルムである。
実施形態6は、3次元構造のそれぞれが、谷部と、コリメート反射偏光子から谷部の反対側のリッジ部とを有し、リッジ部が、谷部を取り囲んでいる、実施形態1の光学フィルムである。
実施形態7は、それぞれの谷部が、3次元構造の平均最近接間隔の約0.02〜約0.08倍の範囲内の曲率半径を有する、実施形態6の光学フィルムである。
実施形態8は、角度が、3次元構造の表面積の少なくとも60パーセントにわたって約40度〜約50度の範囲内である、実施形態1の光学フィルムである。
実施形態9は、コリメート反射偏光子が、p偏光についてのTpassnormalの垂直入射における通過軸に沿って透過、及びp偏光についてのTpass60の60度入射における通過軸に沿った透過を有し、Tpassnormalに対するTpass60の比が、0.75未満である、実施形態1に記載の光学フィルムである。
実施形態10は、
光ガイドと、
光ガイドに近接して配設された実施形態1の光学フィルムであって、構造化層が、光ガイドの反対を向いている、光学フィルムと、を備える、バックライトシステムである。
実施形態11は、光学フィルムの反対側に、光ガイドに近接して配設された反射体を更に備える、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態12は、光学フィルムが、光ガイドの主表面に取り付けられる、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態13は、エアーギャップが、光学フィルムと光ガイドとを離隔する、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態14は、3次元構造の最大寸法が、約1マイクロメートル〜約2ミリメートルの範囲内である、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態15は、3次元構造が、繰り返しパターンで配列される、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態16は、3次元構造が、六角格子又は正方格子上に配列される、実施形態15のバックライトシステムである。
実施形態17は、3次元構造が、ランダム又は擬似ランダムに配列される、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態18は、3次元構造のそれぞれが、谷部と、コリメート反射偏光子から谷部の反対側のリッジ部とを有し、リッジ部が、谷部を取り囲んでいる、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態19は、それぞれの谷部が、3次元構造の平均最近接間隔の約0.02〜約0.08倍の範囲内の曲率半径を有する、実施形態18のバックライトシステムである。
実施形態20は、角度が、3次元構造の表面積の少なくとも60パーセントにわたって約40度〜約50度の範囲内である、実施形態10のバックライトシステムである。
実施形態21は、コリメート反射偏光子が、p偏光についてのTpassnormalの垂直入射における通過軸に沿って透過、及びp偏光についてのTpass60の60度入射における通過軸に沿った透過を有し、Tpassnormalに対するTpass60の比が、0.75未満である、実施形態10に記載のバックライトシステムである。
実施形態22は、実施形態10〜21のうちのいずれかのバックライトシステムを備える、ディスプレイである。
以上、本明細書において具体的な実施形態を図示し説明したが、本開示の範囲を逸脱することなく、図示及び説明された具体的な実施形態を、さまざまな代替的かつ/又は均等な実現形態で置き換えることができることは、当業者であれば認識されるであろう。本出願は、本明細書において説明した具体的な実施形態のいかなる適合例又は変形例をも包含することを意図している。したがって、本開示は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されるものとする。本開示の実施態様の一部を以下の[項目1]−[項目15]に記載する。
[項目1]
コリメート反射偏光子と、
前記コリメート反射偏光子の主表面上に配設された構造化層と、を備える光学フィルムであって、
前記構造化層は、前記コリメート反射偏光子の反対を向いた前記構造化層の外側主表面上に複数の3次元構造を備え、前記3次元構造は、前記光学フィルムの面に対して一定の角度を有する面法線を有し、前記角度は、前記3次元構造の表面積の少なくとも50パーセントにわたって約35度〜約55度の範囲内である、光学フィルム。
[項目2]
前記3次元構造の最大寸法は、約1マイクロメートル〜約2ミリメートルの範囲内である、項目1に記載の光学フィルム。
[項目3]
前記3次元構造は、繰り返しパターンで配列されている、項目1に記載の光学フィルム。
[項目4]
前記3次元構造は、六角格子又は正方格子上に配列される、項目3に記載の光学フィルム。
[項目5]
前記3次元構造は、ランダム又は擬似ランダムに配列される、項目1に記載の光学フィルム。
[項目6]
前記3次元構造のそれぞれは、谷部と、前記コリメート反射偏光子から前記谷部の反対側のリッジ部とを有し、前記リッジ部は、前記谷部を取り囲んでいる、項目1に記載の光学フィルム。
[項目7]
それぞれの谷部は、前記3次元構造の平均最近接間隔の約0.02〜約0.08倍の範囲内の曲率半径を有する、項目6に記載の光学フィルム。
[項目8]
前記角度は、前記3次元構造の前記表面積の少なくとも60パーセントにわたって約40度〜約50度の範囲内である、項目1に記載の光学フィルム。
[項目9]
前記コリメート反射偏光子は、p偏光についてのTpassnormalの垂直入射における通過軸に沿った透過、及びp偏光についてのTpass60の60度入射における前記通過軸に沿った透過を有し、Tpassnormalに対するTpass60の比は、0.75未満である、項目1に記載の光学フィルム。
[項目10]
光ガイドと、
前記光ガイドに近接して配設された項目1に記載の光学フィルムであって、前記構造化層は、前記光ガイドの反対を向いている、光学フィルムと、を備えているバックライトシステム。
[項目11]
前記光学フィルムの反対側に、前記光ガイドに近接して配設された反射体を更に備えている、項目10に記載のバックライトシステム。
[項目12]
前記光学フィルムは、前記光ガイドの主表面に取り付けられる、項目10に記載のバックライトシステム。
[項目13]
エアーギャップは、前記光学フィルムと前記光ガイドとを離隔する、項目10に記載のバックライトシステム。
[項目14]
前記3次元構造のそれぞれは、谷部と、前記コリメート反射偏光子から前記谷部の反対側のリッジ部とを有し、前記リッジ部は、前記谷部を取り囲み、それぞれの谷部は、前記3次元構造の平均最近接間隔の約0.02〜約0.08倍の範囲内の曲率半径を有する、項目10に記載のバックライトシステム。
[項目15]
項目10〜14のいずれか一項に記載のバックライトシステムを備えている、ディスプレイ。

Claims (10)

  1. 交互ポリマー層を含むコリメート反射偏光子と、
    前記コリメート反射偏光子の主表面上に配設された構造化層と、を備える光学フィルムであって、
    前記構造化層は、前記コリメート反射偏光子の反対を向いた前記構造化層の外側主表面上に複数の3次元構造を備え、前記3次元構造の表面における法線が前記光学フィルムの面となす角度、前記3次元構造の表面積の少なくとも50パーセントにわたって35度〜55度の範囲内であり、前記3次元構造はその頂部が前記3次元構造の平均最近接間隔の0.01〜0.1倍の範囲内の曲率半径を有する反転角錐形の谷部を含む、光学フィルム。
  2. 前記3次元構造の最大寸法は、1マイクロメートル〜2ミリメートルの範囲内である、請求項1に記載の光学フィルム。
  3. 前記3次元構造は、繰り返しパターンで配列されている、請求項1に記載の光学フィルム。
  4. 前記3次元構造は、ランダム又は擬似ランダムに配列される、請求項1に記載の光学フィルム。
  5. 前記3次元構造のそれぞれは、前記コリメート反射偏光子から前記谷部の反対側の丸みの付いたリッジ部を有し、前記リッジ部は、前記谷部を取り囲んでいる、請求項1に記載の光学フィルム。
  6. それぞれの谷部がなす反転角錐形の頂部は、前記3次元構造の平均最近接間隔の0.02〜0.08倍の範囲内の曲率半径を有する、請求項5に記載の光学フィルム。
  7. 前記コリメート反射偏光子は、p偏光についてのTpassnormalの垂直入射における通過軸に沿った透過、及びp偏光についてのTpass60の60度入射における前記通過軸に沿った透過を有し、Tpassnormalに対するTpass60の比は、0.75未満である、請求項1に記載の光学フィルム。
  8. 光ガイドと、
    前記光ガイドに近接して配設された請求項1に記載の光学フィルムであって、前記構造化層は、前記光ガイドの反対を向いている、光学フィルムと、を備えているバックライトシステム。
  9. 前記3次元構造のそれぞれは、前記コリメート反射偏光子から前記谷部の反対側のリッジ部を有し、前記リッジ部は、前記谷部を取り囲み、それぞれの谷部がなす反転角錐形の頂部は、前記3次元構造の平均最近接間隔の0.02〜0.08倍の範囲内の曲率半径を有する、請求項8に記載のバックライトシステム。
  10. 請求項8又は9に記載のバックライトシステムを備えている、ディスプレイ。
JP2017545366A 2015-02-27 2016-02-16 コリメート反射偏光子及び構造化層を含む光学フィルム Active JP6758782B2 (ja)

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