CN100355550C - 聚合物光学薄膜的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学薄膜的制造方法包括在第一个方向上拉伸聚烯烃薄膜并在不同于第一个方向的第二个方向上拉伸聚烯烃薄膜以形成双轴拉伸聚烯烃薄膜。第二个方向上的至少一部分聚烯烃薄膜的拉伸与第一个方向上的聚烯烃薄膜的拉伸同时进行。双轴拉伸聚烯烃薄膜具有一定的长度和宽度，且对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收和不散射的。双轴拉伸聚烯烃薄膜具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。

Description

聚合物光学薄膜的制造方法
背景技术
液晶显示器，例如，扭转向列(TN)相、单域垂直线列(VA)相、光学补偿双折射(OCB)相液晶显示器等，具有内在的狭窄且不均匀的视角特性。这种视角特性至少能部分地说明一种显示器的光学性能。比如对比度、色彩以及灰度强度这类的特性在非补偿型的显示器中对于不同的视角能充分地变化。人们希望能够把非补偿型显示器的那些特性加以修改调整，以便随着观看者水平地、垂直地或者既水平又垂直地改变位置，以及在处在不同的水平和垂直位置的观看者看来，它都能够提供一组理想的特性。例如，在某些应用中，可能希望视觉特性在跨越一定水平或垂直位置的范围内更加均匀。
重要的视角范围可根据液晶显示器的应用而定。例如，在某些应用中，可能希望水平方位的范围宽，但相对较窄的垂直方位范围也许就足够了。在另一些应用中，可能希望的是在窄的水平或垂直角度(或两者都窄)范围内观看。所以，对于不均匀视角特性的理想的光学补偿可根据想要的观看位置的范围而定。
一个视角特性是液晶显示器的明态与暗态之间的对比度。对比度可能受到各种因素的影响。
另一个视角特性是随着视角的变化而产生的显示器色移。色移是指来自显示器的光的颜色坐标(例如，基于CIE 1931标准的颜色坐标)随着视角的改变而发生改变。色移可通过获取垂直于包含屏幕的平面的方向上和任意非垂直视角或视角组方向上的色度颜色坐标之间的差(例如，Δx或Δy)来测量。可接受的色移由应用来界定，但也可以界定为当Δx或Δy的绝对值超过某定义值，例如超过0.05或0.10。例如，可以确定对于一组想要的视角而言色移是否可以接受。因为色移可能依赖于任何像素或像素组的电压，所以理想的情况是在一个或多个像素驱动电压下测量色移。
另一个能观察到的视角特性是灰度变化基本上不均匀的行为以及甚至会出现的灰度倒置。当液晶层的依赖于角度的透射率不单调地跟随于施加在该层上的电压时，不均匀行为就会出现。当任意两个相邻灰度等级的强度比例接近于值1时灰度倒置就会发生，此时灰度等级变得无法分辨或甚至发生颠倒。通常，仅在某些视角上出现灰度倒置。
为了解决这些问题，已经提出了补偿器。一个思路包括由盘状(discotic)的分子制成的补偿器薄膜。当前盘状补偿器的一个缺点是通常出现比较大的色移。另一个思路包括双折射层的特定组合。需要新型的补偿器结构以提供改善的或理想的视角特性。
发明内容
总的来说，本发明涉及用于各种应用的聚合物光学薄膜，这些应用包括例如显示器比如液晶显示器的光学补偿器以及包含光学补偿器的显示器和其他装置。
在一个实施例中，光学薄膜的制造方法包括在第一个方向上拉伸聚烯烃薄膜并在不同于第一个方向的第二个方向上拉伸聚烯烃薄膜以形成双轴拉伸聚烯烃薄膜。第二个方向上的至少一部分聚烯烃薄膜的拉伸与第一个方向上的聚烯烃薄膜的拉伸同时进行。所述双轴拉伸聚烯烃薄膜具有一定的长度和宽度，且对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收和不散射的。所述双轴拉伸聚烯烃薄膜具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。
在另一个实施例中，光学薄膜的制造方法包括在第一个方向上拉伸聚合物薄膜并在不同于第一个方向的第二个方向上拉伸聚合物薄膜以形成双轴拉伸聚合物薄膜。第二个方向上的至少一部分聚合物薄膜的拉伸与第一个方向上的聚合物薄膜的拉伸同时进行。所述双轴拉伸聚合物薄膜对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收和不散射的。双轴拉伸聚合物薄膜具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大，所述双轴拉伸聚合物薄膜具有至少0.65米的长度和宽度且跨长度和宽度的面内和面外延迟基本均匀一致。
在另一个实施例中，光学薄膜的制造方法包括在第一个方向上拉伸聚合物薄膜并在不同于第一个方向的第二个方向上拉伸聚合物薄膜以形成双轴拉伸聚合物薄膜。第二个方向上的至少一部分聚合物薄膜的拉伸与第一方向上的聚合物薄膜的拉伸同时进行。所述双轴拉伸聚合物薄膜具有一定的长度和宽度，且对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收和不散射的。所述双轴拉伸聚合物薄膜具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大，且所述双轴拉伸聚合物薄膜的厚度为5微米至200微米。
本发明的以上概述并不意味着阐述了本发明的每一个所披露的实施例或每一种实施方式。随后的附图、详细说明和例子更具体地举例说明了这些实施例。
附图说明
参考附图，结合以下对本发明的各种实施例的详细说明，人们可以更全面地理解本发明，其中：
图1是具有光学薄膜元件的坐标系统的示意图；
图2是用于形成光学薄膜元件的拉幅机设备的顶示意图；
图3是根据本发明的光学补偿器叠层的示意性截面图；
图4是根据本发明的光学补偿器叠层的示意性截面图；
图5是根据本发明的液晶显示器的示意性截面图；以及
图6是根据本发明的液晶显示器的示意性截面图。
尽管可对本发明进行各种各样的修改并有各种可选的形式，但其细节已经在附图中以示例的方式被示出并将被详细地阐述。不过，应该这样理解，本发明并不局限于所述的特定实施例。相反地，本发明覆盖落入在本发明的精神和范围内的所有的修改、等同物及替换。
具体实施方式
本发明的光学薄膜的制造方法被认为可用于需要聚合物光学薄膜的各种应用中。这些应用包括，例如，显示器比如液晶显示器的光学补偿器，以及包含光学补偿器的显示器和其他装置。尽管本发明并不局限于此，但通过讨论以下提供的例子，将可以获得对本发明各个方面的认识。
对于以下给出的定义术语，其目的在于以这些定义为准，除非在权利要求中或在本说明书中另外给出了不同的定义。
“c板”是指，例如具有基本上垂直于光学元件选定表面的主光轴(通常称为“非寻常轴”)的板或薄膜的这一类双折射光学元件。所述主光轴对应于这样的轴，沿该轴双折射光学元件的折射率不同于沿垂直于主光轴的方向上的基本均匀的折射率。作为一个c板的例子，利用如图1所示的轴系统，nx＝ny≠nz，其中，nx、ny和nz是分别沿x、y和z轴的折射率。光学各向异性定义为Δnzx＝nz-nx。
“o板”是指，例如其主光轴相对于光学元件的表面倾斜的板或薄膜的这一类双折射光学元件。
“a板”是指，例如其主光轴在光学元件的x-y平面内的板或薄膜的这一类双折射光学元件。正双折射a板可以用例如聚乙烯醇等聚合物的单轴拉伸薄膜，或向列相正光学各向异性LCP材料的单轴列式薄膜制成。负双折射a板可以用包括例如盘状化合物的向列相负光学各向异性LCP材料的单轴列式薄膜制成。
“双轴延迟器”是指，例如沿所有三个轴的折射率都不相同(即，nx≠ny≠nz)的这一类双折射光学元件。双轴延迟器可以用例如双轴取向塑料膜来制成。在美国专利第5245456号中讨论了双轴延迟器的例子，其公开以引用的方式合并于此。合适的薄膜的例子包括可从住友化学公司(日本大阪)和Nitto Denko公司(日本大阪)获得的薄膜。面内延迟和面外延迟是用于描述双轴延迟器的参数。随着面内延迟接近于零时，双轴延迟元件的行为更像c板。一般地，双轴延迟器，如这里所定义的那样，对于550nm的光具有至少3nm的面内延迟。具有较低的面内延迟的延迟器可视为c板。
术语“聚合物”将被理解为包括聚合物、共聚物(例如，用两种或更多不同单体形成的聚合物)、低聚物及其组合、以及可用例如共挤法或包括酯交换反应的化学反应能形成可掺混的掺合物的聚合物、低聚物或共聚物。除非另外说明，嵌段共聚物和随机共聚物都包括在内。
术语“偏振”是指面偏振、圆偏振、椭圆偏振或其他任何非随机的偏振态，这种非随机偏振态中光束的电矢量不会随机地改变方向，其电矢量保持恒定的取向或者按对称的方式发生变化。在面偏振态下，电矢量保持在单个平面内，而在圆偏振或椭圆偏振态下，光束的电矢量按对称的方式旋转。
术语“双轴拉伸”指在薄膜平面内的两个不同方向，即第一个方向和第二个方向上拉伸薄膜。
术语“同时双轴拉伸”指对薄膜在两个方向的任一个方向上的拉伸与另一个方向上的至少一部分拉伸同时进行。
术语“取向”、“拉拔”和“拉伸”在本说明书全文中是互换使用的，术语“取向的”、“已拉拔的”和“经过拉伸的”也是互换使用的，并且术语“正在取向”、“正在拉拔”和“正在拉伸”同样是互换使用的。
术语“延迟”或“迟滞”指两个正交的折射率之差与光学元件的厚度的乘积。
术语“面内延迟”指两个正交的面内折射率之差与光学元件厚度的乘积。
术语“面外延迟”指沿光学元件厚度方向(z方向)的折射率减去一个面内折射率得到的差值与光学元件厚度的乘积。或者，该术语也可以指沿光学元件厚度方向(z方向)的折射率减去面内平均折射率得到的差值与光学元件厚度的乘积。
术语“基本上不吸收”指光学元件的透射率水平为对于可见光的至少一个偏振态具有至少80％的透射率，其中，对于入射的随机偏振光的强度，其透射率是归一化的。
术语“基本上不散射”指准直或几乎准直的透过光学元件的入射光的透射水平为在小于30度的圆锥角内对于可见光的至少一个偏振态具有80％的透射率。
术语“J延迟器”指对于可见光的至少一个偏振态基本上不吸收并不散射的薄膜或薄板，其中三个正交折射率中的至少两个不相等，并且面内延迟不超过100nm而面外延迟至少为50nm。
这里假定所有数值均用“大约”这个词来修饰，无论是否明确表示。术语“大约”一般指本领域的技术人员可视为等效于所述值(即，具有相同的功能或效果)的数值范围。在许多情况下，术语“大约”可包括与有效数字最靠近的值。
重量百分数(依据重量的百分数或重量％)等是同义词，它们指的是物质的含量，即以该物质的重量除以混合物的重量并乘以100。
由端点表述的数值范围包括包含在该范围内的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
如本说明书以及附加的权利要求中所使用的那样，“一种”和“该”是针对一类物质而言的，不分单复数，除非其内容清楚地另有所指。因此，例如，包含“一种化合物”的组合物的这一表述包括含两种或多种化合物的混合物。如本说明书以及附加的权利要求中所使用的那样，术语“或”一般地以其原意使用，包括“和/或”，除非其内容清楚地另有所指。
图1示意了用于描述光学元件的轴系统。一般而言，对于显示装置，x轴和y轴对应显示器的宽度和长度而z轴通常沿着显示器的厚度方向。贯穿全文始终使用该规范，除非另有声明。在图1所示的轴系统中，x轴和y轴定义为平行于光学元件100的主表面102，并且它们可对应于正方形或矩形表面的长度和宽度方向。z轴垂直于该主表面并通常沿着光学元件的厚度方向。
多种材料和方法都可以用来制造本发明的光学薄膜元件。例如，光学薄膜可包括同时双轴拉伸的聚合物薄膜的层，该聚合物薄膜对于可见光的至少一个偏振态基本上不吸收且不散射；并具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，且面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。
任何能够被双轴拉伸，并拥有这里所述的光学特性的聚合物材料都可以采用。这些聚合物的部分名单包括(例如)聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚酯、聚碳酸酯、含氟聚合物等。一种或多种聚合物可以化合形成聚合物光学薄膜。
聚烯烃包括(例如)：环烯烃聚合物如聚苯乙烯、降冰片烯等；聚丙烯；聚乙烯；聚丁烯；聚戊烯等。一种具体的聚丁烯是聚(1-丁烯)。一种具体的聚戊烯是聚(4-甲基-1-戊烯)。
聚丙烯酸酯包括(例如)丙烯酸酯、异丁烯酸酯等。特别的聚丙烯酸酯的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)和聚(甲基丙烯酸丁酯)。
含氟聚合物具体包括(但不限于)聚(偏二氟乙烯)。
聚合物光学薄膜的面内延迟可以是100nm或更小，或者说0nm至100nm。聚合物光学薄膜的面内延迟可以是20nm或更小，或者说0nm至20nm。聚合物光学薄膜的面内延迟可以是20nm至50nm。聚合物光学薄膜的面内延迟可以是50nm至100nm。
聚合物光学薄膜的面外延迟可以是50nm或更大，最高可达1000nm。聚合物光学薄膜的面外延迟可以是75nm或更大，或者说75nm至1000nm。聚合物光学薄膜的面外延迟可以是100nm或更大，或者说100nm至1000nm。聚合物光学薄膜的面外延迟可以是150nm或更大，或者说150nm至1000nm。
聚合物光学薄膜的厚度(z方向)可以是5微米或更大。聚合物光学薄膜的厚度(z方向)可以是5微米至200微米，或者说5微米至100微米。聚合物光学薄膜的厚度(z方向)可以是7微米至75微米。聚合物光学薄膜的厚度(z方向)可以是10微米至50微米。
聚合物光学薄膜的长度和宽度可以至少是0.65米。聚合物光学薄膜的长度和宽度可以至少是1.3米。聚合物光学薄膜的长度和宽度可以至少是1.5米。跨聚合物薄膜的长度和宽度范围的面内和面外延迟基本均匀一致。词组“跨聚合物薄膜的长度和宽度范围的延迟基本均匀一致”是指延迟(既包括面内也包括面外)沿双轴拉伸聚合物薄膜层的宽度和/或长度的变化小于4nm/cm或2nm/cm或1nm/cm。一种均匀性的定量测量定义为：
(Δin max-Δin min)/w
其中在薄膜宽度w内，Δin max是面内延迟的最大值而Δin min是面内延迟的最小值。可任选地将任何数量的附加添加剂添加到形成光学薄膜的聚合物中。添加剂的部分名单包括(例如)稳定剂、加工助剂、结晶改性剂、增粘剂、硬化剂、纳米粒子等。
稳定剂包括(例如)抗氧化剂、抗臭氧剂、抗静电剂、UV吸收剂以及光稳定剂。加工助剂包括(例如)润滑剂、挤压助剂、阻滞剂以及静电纺助剂(electrostatic pinning aids)。
结晶改性剂包括(例如)澄清剂和成核剂。结晶改性剂有助于减少双轴拉伸聚合物光学薄膜中的“混浊”。结晶改性剂可以以任何有效减少“混浊”的剂量存在，比如10ppm至500000ppm、或100ppm至400000ppm、或100ppm至350000ppm、或250ppm至300000ppm。
理想视角的范围或立体圆锥区域可以根据应用的具体性质来决定。例如，在一些实施例中，需要大立体角的可接受的观看范围。在另一些实施例中，需要把可接受的观看范围(例如，出于保密的目的)严格控制在比非补偿型显示器的正常视角范围窄的角度范围内。
本发明的聚合物光学薄膜可代替目前存在于许多光学设备中的三醋酸纤维素(TAC)层。TAC可以从富士胶片株式会社(日本)购买得到。从大约40微米至超过120微米的厚度范围内的TAC膜都是可以得到的。TAC是通过溶剂铸造方法而制成的，且表现出近似各向同性的面内延迟。TAC表现出从30nm至120nm的面外延迟。
本发明的同时双轴拉伸聚合物光学薄膜可以在许多方面提供不同于TAC的特性，比如：较低色散的折射率；任何给定厚度的本发明的聚合物光学薄膜与TAC相比均具有较高等级的面外延迟；改进的防潮能力；较低的加工成本；其加工制造不损害环境；易于把基本为c板的光学特性定制成双轴延迟器的光学特性的能力。本发明的聚合物光学薄膜可以比具有近似或甚至更小的负c板延迟的TAC膜更薄，如下所述，新型的集成薄膜叠层结构的总厚度可以改进得更薄。
制造聚合物光学薄膜的新技术已经发展出来了。这些技术包括在第一个方向上拉伸聚合物薄膜并在不同于第一个方向的第二个方向上拉伸聚合物薄膜以形成双轴拉伸聚合物薄膜。在第二个方向上的至少一部分拉伸与第一个方向上的拉伸同时进行。该技术形成具有上述特性和属性的聚合物光学薄膜。
以顺次方式双轴拉伸的聚合物薄膜的尝试表明顺次方式不能生产出理想的具有上述特性和属性的聚合物光学薄膜。以顺次方式双轴拉伸(即，在第一个纵向(MD)上拉伸薄膜，继而在第二个横向(TD)上拉伸薄膜)的聚合物光学薄膜可能经常会生产出具有“斑纹”光学特性和属性的聚合物光学薄膜。已经观察到最后的拉伸方向对于双轴拉伸聚合物光学薄膜的光学特性和属性具有更大的影响。然而，优化该工艺的尝试表明该方法不能生产出具有本发明的特性和属性的聚合物光学薄膜。
除了同时双轴拉伸聚合物光学薄膜本身特有的问题以外，同时双轴拉伸聚合物光学薄膜也存在一些与顺次双轴拉伸聚合物光学薄膜有关的问题。同时双轴拉伸聚合物光学薄膜不会生产出具有“斑纹”光学特性和属性的聚合物光学薄膜。此外，通过使用同时双轴拉伸方法，比使用顺次双轴拉伸工艺提高了薄膜尺寸稳定性并减小了厚度变化性。这里所述的方法生产出具有本发明的特性和属性的聚合物光学薄膜。
图2描绘了执行本发明的方法的拉幅机设备的顶示意图。拉幅机可以是美国专利第5051225号中披露的类型。拉幅机设备10包括第一侧轨12和第二侧轨14，从动夹22和惰性夹24骑跨在它们上面。从动夹22以标有“X”的框示意性地示出而惰性夹24以空框示意性地示出。给定轨道上的成对的从动夹22之间有一个或多个惰性夹24。如图所示，给定轨道上的每一对夹22之间可有两个惰性夹24。一组夹22、24在绕第一轨道12的封闭环线内按在轨道末端的箭头所示的方向移动。类似地，另一组夹22、24在绕第二轨道14的封闭环线内按在轨道末端的箭头所示的方向移动。夹22、24夹持着薄膜边缘并在薄膜中央的箭头所示的方向上推动薄膜26。在轨道12、14的端部，夹22、24松开薄膜26。然后夹子沿着外轨道返回到拉幅机的入口从而抓住铸件薄片然后推动其通过拉幅机。(为描述清楚起见，在图2中省略了在外轨道上返回入口的夹子。)离开拉幅机后的经过拉伸的薄膜26可以卷起来以便于后面的加工或使用，或可以进一步被加工。
聚合物可以铸造成薄板形以便将其制备成适于拉伸的薄片从而制成上述的光学薄膜。通过把聚合物树脂送入到单螺杆、双螺杆、级联式或具有挤压筒的其他共挤压系统的送料仓内，调节温度以产生稳定的、均匀的熔融体来铸造聚合物。聚合物可通过板形铸模挤压到旋转冷却金属铸轮上。然后对薄片根据这里所述的方法进行双轴拉伸。经过挤压的薄片可以被淬火、再加热，并送入到第一和第二轨道12、14上的夹22、24以便被推动通过拉幅机设备10。这种可选择的加热和夹22、24的夹持可根据任何顺序进行或同时进行。
轨道12、14经过了三部分：预热部分16；拉伸部分18；以及拉伸后处理部分20。在预热部分16中，薄膜加热到合适的温度范围内以便进行不断裂的有效拉伸。三个功能部分16、18和20可以进一步被分成小区域。例如，在拉幅机的一个实施例中，预热部分16包括区域Z1、Z2和Z3，拉伸部分18包括区域Z4、Z5和Z6，而拉伸后处理部分20可包括区域Z7、Z8和Z9。应该明白的是预热、拉伸和后处理部分中的每一个都可包括比上述更少或更多的区域。此外，在拉伸部分18中，TD(横向)分量的拉伸或MD(纵向)分量的拉伸可以在相同或不同的区域中进行。例如，纵向和横向拉伸中的每一个都可以在区域Z4、Z5和Z6中的任何一个、两个或三个中进行。此外，一个分量的拉伸可以在另一个分量的拉伸之前进行，或者在另一个分量的拉伸之前开始并和另一个分量的拉伸重叠。另外，任何一个分量的拉伸都可以在一个以上的独立步骤中进行。例如，纵向拉伸可以在Z4和Z6中进行，而在Z5中却不进行任何纵向拉伸。
一些纵向和/或横向的拉伸也可以在预热部分或拉伸后处理部分中进行。例如，在所述的实施例中，拉伸可以在区域Z3中开始。拉伸可以持续到区域Z7中或超出区域Z7的范围。拉伸可以在区域Z3、Z5或Z6后面的任何区域中重新开始。
纵向拉伸量可以不同于横向拉伸量。纵向拉伸量可比横向拉伸量至多大10％或25％或50％。横向拉伸量可比纵向拉伸量至多大10％或25％或50％。令人吃惊的是，这种“不平衡”拉伸有助于形成具有基本上均匀一致的面内延迟的光学薄膜。
薄膜可以被推动通过拉伸后处理部分20。在该部分中，薄膜26可以保持在理想的温度而不进行明显的拉伸。这一处理可称为热定形或退火，并可以用来改善最终薄膜的特性，比如尺寸稳定性。同样地，在拉伸后处理部分20中可出现横向和纵向中的任一个或两者的少量松弛。这里的松弛是指横向轨道的收敛和/或每一纵向轨道上的从动夹的收敛，或仅仅是横向和/或纵向的薄膜应力减小。
薄膜的双轴拉伸对于许多工艺条件都很敏感，包括但不限于聚合物或树脂的成分、薄膜铸造和淬火的参数、在拉伸前预热薄膜的时间-温度变化历史、所使用的拉伸温度、所使用的拉伸形状以及拉伸速度。通过本文给出的教导，本领域的技术人员从中受益并因而可以调整任何或所有这些参数来获得具有理想的光学特性和特征的薄膜。
对双轴拉伸光学薄膜的冷却可以在拉伸区域18的拉伸起始之前或之后开始进行。冷却可以是“区域”冷却，区域冷却是指基本上冷却薄片的整个宽度或横向，从薄膜的边缘部分28开始穿过薄膜的中央部分30。令人吃惊的是，已发现在拉伸区域后面立即施加适当且有效的区域冷却可以提高聚合物光学薄膜面内延迟的均匀性。冷却可以通过强制的空气对流来提供。
此外，施加有效的区域冷却改善了面内延迟的横向(TD)变化。如下面的例子所述，通过在拉伸区域后面立即使用区域冷却，如前面所示的面内延迟的横向(TD)变化就会减少，即：(Δin max-Δin min)/w减小了。当考虑制造具有相当宽度(即，0.65米或1.3米或1.5米)的聚合物光学薄膜的实际情况，并考虑所获得的规模和产量方面的经济效益时，主动控制面内延迟的横向(TD)变化的能力很有用。下面的例子描述了获得本发明的聚合物光学薄膜的各种工艺参数。
光学补偿器可以用各种不同的光学元件构成。在这些光学元件中有o板、c板、a板、双轴延迟器、扭转o板、扭转a板以及其他延迟器。关于o板、c板和a板的信息可以在下面的书籍和专利文献中找到：例如Yeh等编写的《Optics of Liquid Crystal Displays》，该书于1999年在纽约由John Wiley & Sons出版社出版；美国专利第5504603、5557434、5612801、5619352、5638197、5986733和5986734号以及PCT专利申请公开第WO01/20393和WO01/20394号，所有这些文献以引用的方式合并于此。
光学元件可以按下面所述的组合形式来构成光学体或光学补偿器叠层结构。光学体或光学补偿器叠层结构可以通过把偏振器层或胆甾醇型液晶材料布置在上述新型光学薄膜上而形成。
图3表示光学补偿器叠层结构300，它包括置于第一液晶层320上的J延迟器310。该J延迟器310包含一层同时双轴拉伸聚合物薄膜，该薄膜对于可见光的至少一个偏振态基本上不吸收且不散射。该J延迟器310具有x，y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。
第一液晶层320包括液晶材料。第一液晶层320可以是o板或a板等。
图3表示光学补偿器叠层结构300可以包括置于J延迟器310上的第二液晶层325，或者说J延迟器310可以置于第一液晶层320与第二液晶层325之间。第二液晶层325可以是o板或a板等。光学补偿器叠层结构300还可包括置于第一液晶层320上的偏振器层330，或者说第一液晶层320可以置于偏振器层330和J延迟器310之间。偏振器层330可以是吸收偏振器或反射偏振器。反射偏振器层340可设置在吸收偏振层330上，或者说吸收偏振层330可设置在反射偏振层340与第一液晶层320之间。
图4表示光学补偿器叠层结构400，它包括置于偏振器层430上的J延迟器410。该J延迟器410包含同时双轴拉伸聚合物薄膜层，该薄膜对于可见光的至少一个偏振态基本上不吸收且不散射。该J延迟器410具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。
光学补偿器叠层结构400还可包括置于第一偏振器层430上的第二偏振器层440，或者说第一偏振层430可置于第二偏振器层440与J延迟器410之间。偏振器层430可以是吸收偏振器或反射偏振器。如果第一偏振层430是吸收偏振器，那么第二偏振层440可以是反射偏振器层。
附加层可以添加到上述光学补偿器叠层结构上或添加在这些层之间。可选的附加层包括(例如)对准层、o板、a板和/或c板等。
一个或多个光学补偿叠层结构可以被层叠到LCD面板的第一主表面和第二主表面上，其层叠方式与传统二向色偏振器的层叠方式类似。上述光学补偿叠层结构可提供性能范围更宽的延迟器，例如，双轴延迟器或c板，以及无需显著增大偏振器厚度就可制成具有双折射特性的光学补偿叠层结构。按照本发明的教导，就可能制造出具有偏振器的光学补偿叠层结构，该偏振器比传统的不包含附加补偿薄膜的偏振器更薄。
上述光学体或光学补偿器可用于各种光学显示器或其他应用中，包括透射式(例如背光)、反射式和半透射半反射式显示器。例如，图5描绘了一个说明性的显示器系统500的示意性截面图，该系统包括置于光学补偿器叠层结构501上的光调制器550，该叠层结构包括置于第一液晶层520上的J延迟器510。该J延迟器510包括同时双轴拉伸聚合物薄膜层，该薄膜对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收且不散射的。该J延迟器510具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。第一液晶层520包括液晶材料。第一液晶层520可以是o板或a板等。
光学补偿器叠层结构501可包括置于J延迟器510上的第二液晶层525，或者说J延迟器510可置于第二液晶层525与第一液晶层520之间。第二液晶层525可以是o板或a板等。光学补偿器叠层结构501还可包括置于第一液晶层520上的偏振器层530，或者说第一液晶层520可置于偏振器层530与J延迟器510之间。偏振器层530可以是吸收偏振器或反射偏振器。反射偏振器540可置于偏振层530上，或者说偏振层530可置于反射偏振器540与第一液晶层520之间。
图6描绘了一个说明性的显示器系统600的示意性截面图，该系统包括置于光学补偿器叠层结构601上的光调制器650，该叠层结构包括置于偏振层630上的J延迟器610。该J延迟器610包含同时双轴拉伸聚合物薄膜层，该薄膜对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收且不散射的。该J延迟器610具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大。
光学补偿器叠层结构601还可包括置于第一偏振层630上的第二偏振器层640，或者说第一偏振层630可置于第二偏振器层640与J延迟器610之间。反射偏振器层640可以设置在偏振层630上，或者说第一偏振层630可以设置在第二偏振层640和J延迟器610之间。偏振器层630可以是吸收偏振器或反射偏振器。如果第一偏振层630是吸收偏振器，那么第二偏振层640可以是反射偏振器层。
光调制器550、650提供用于观看显示器系统500、600的光，它包括(例如)光源和光波导，尽管其他发光系统也可以用。尽管图5和图6所示的光调制器550、650具有常用的矩形的截面，但光调制器550、650也可使用具有任何合适形状的光波导。例如，光波导可以是楔形、槽形、准楔形等波导。主要的考虑是光波导能接受来自光源的光并发射该光。因此，光源可包括背反射器(例如，选择性反射器)、选取装置以及其他元件以获得想要的功能。
为了使表面反射最小化、使前表面洁净、防止擦伤以及有助于许多其他特性，可将不同的层或材料组合设置在光学补偿叠层结构501、601上。附加薄膜也可以包括接触元件。
为提高所得到的显示器的亮度，可以把许多不同类型的薄膜附加到显示器的背面或背光空腔中。这些薄膜可包括漫射器、保护屏、EMI屏蔽物、抗反射膜、棱形结构膜如3M出售的BEF、或反射偏振器如3M出售的DBEF或Nitto Denko出售的Nipocs。当反射偏振器通过透射和反射圆偏振光而进行工作时，比如Nipocs，需要其他延迟器薄膜，比如四分之一波片等。
图5和图6表示置于光调制器上的一个光学补偿叠层结构，不过如上所述，两个光学补偿叠层结构可以层叠到LCD面板的第一主表面和第二主表面上，其方式与传统二向色偏振器的层叠方式类似。从而，LCD面板可置于相似的或不同的如上所述的光学补偿叠层结构之间。
已经发现光学薄膜的表面处理提高了这些薄膜与LCD中通常使用的其他光学薄膜附着的附着力。表面处理包括(例如)电晕、火焰或等离子体处理。这些表面处理中所使用的气体包括氧气、氮气、稀有气体(比如氩和氦)、氯气、氨气、甲烷、丙烷和丁烷。涂覆(例如，含氯聚烯烃，即PVDC)、化学蚀刻以及水解处理也可用于提高光学薄膜的附着力。
液晶显示器利用各种以叠层形式存在的光学薄膜，从而构成了显示器。将提供两个例子以帮助解释显示器中所使用的光学薄膜的性质，以及这些薄膜的表面处理如何改善性能和操作。
在第一个例子中，偏振器包括取向的PVA膜，至少在一些实施例中该膜被用碘染色从而产生使光发生有效偏振所需的二向色性。通过把取向且染色的PVA封装在两个屏蔽膜之间可使其不受环境的污染。这些屏蔽膜通常是三醋酸纤维素(TAC)，把TAC膜粘附到取向且染色的PVA膜的两个主表面上的材料是包含水和PVA的溶液，该溶液可任选地包含甲醇。因为TAC膜不会被水溶液弄湿，通常TAC膜以腐蚀液处理以便在层叠工艺之前使表面水解。
在另一例子中，在改善液晶显示器的视角特性方面很有用的补偿膜(比如可从日本的富士胶片株式会社得到的WVF)包括许多不同的层，比如基底、对准层、LCP层、偏振器(可任选地具有封装层)、可选的底涂层和粘合剂。TAC膜通常既可用作取向且染色的PVA的封装层又可用作对准层的基底。通常以类似上面的方式水解TAC膜以便提供足够强的附着力。需要一定强度的附着力以便保证，如果发生粘合剂失效，它将在粘合剂与玻璃界面之间起作用，从而在可能的重做过程中避免昂贵且冗长的除去薄膜的步骤。
本发明提高了这里所述的光学薄膜的附着力而无需复杂和潜在昂贵的底涂层或水解处理。已经发现对一系列光学薄膜的多种表面处理改善了所述薄膜的附着力。新型的表面处理包括(例如)电晕、火焰或等离子体处理。这些表面处理中所使用的气体包括氧气、氮气、稀有气体(比如氩和氦)、氯气、氨气、甲烷、丙烷和丁烷。
这里所述的聚合物光学薄膜可以和各种为液晶显示器增强或提供其他性能的其他元件和薄膜一起使用。这样的元件和薄膜包括(例如)增亮薄膜、包括四分之一波片和薄膜的延迟板、多层或连续/分散相位反射偏振器、镀金属的背反射器、棱形背反射器、漫反射背反射器、多层介电背反射器以及全息背反射器。
例子
例A
该例说明了具有相同的双轴取向的同时双轴取向聚丙烯薄膜的制造方法。
利用传统的熔融挤压和铸造设备熔融挤压并铸造均质聚合物聚丙烯(Fina 3376，可从Atofina公司(Deer Park，TX)购得)。该膜的铸成厚度为2250微米。在178摄氏度预热薄膜，此时设置的风扇速度为80％。在160摄氏度的温度下在纵向取向7.0倍并同时在横向取向7.0倍。取向后，将薄膜冷却至135摄氏度的温度。最后的薄膜厚度为25微米。
交叉偏振器之间的透射率利用Perkin Elmer Lambda 900分光光度仪来测量，透射率读数为0.015％。然后将一片薄膜与检偏器并置，旋转这片薄膜直到透射率最小。当样品在适当的位置时最小透射率为0.15％。从此以后，交叉偏振器之间的样品薄膜的最小透射率将被称为去偏振。然后将偏振器旋转90度，使其透射轴平行于分析仪的透射轴。平行偏振器的亮度与交叉偏振器的亮度的比值，即所谓的对比度(CR)，为500∶1。
纵向的和横向的收缩值都通过使薄膜在85摄氏度的烤箱中下悬挂1000小时来测量。例A的结果是纵向收缩率为3％而横向收缩率为1％。
横向和纵向的蠕变阻力都可以通过在100摄氏度及1磅/英寸长(180gm/cm长)的负荷下持续1分钟来测量。纵向和横向的蠕变均为3.6％。
面内延迟利用仪器National Instruments RPA2000来测量。面内延迟(Δin)为20nm。面内和面外折射率利用仪器Metricon Model2010 Prisim Coupler来测量。面外延迟(Δout)是厚度乘以薄膜厚度方向(z方向)的平均折射率与薄膜的面内平均折射率之间的差值所得到的乘积。例A的|Δout|为265nm。
例1
例1说明了不平衡同时双轴取向聚丙烯膜的制造方法，该膜具有不相同双轴取向，且示出了改善的热稳定性和更低的Δin。
除了铸造薄片为1000微米厚以外，以类似于例A中所述的方法制成了薄膜。最后的薄膜厚度为15微米。拉幅机的各个部分的温度连同沿纵向和横向的拉拔比一起列在下面的表1中。
表1
  例   预热区(℃)   拉伸区(℃)   区域冷却(℃)     退火区(℃)     MD拉拔比   TD拉拔比
  例A   178   160   135     135     7   7
  例1   159   152   169     169     7.5   8
  例2   159   152   140     169     7.5   8
  例3   159   152   135     169     7.5   8
  例4   159   152   135     169     7.5   8
  例5   159   152   135     169     7.5   8
  例6   178   160   130     135     7.35   7
其他特性示出于表2所示。
表2：
例 (Δin max-Δin min)/w(nm/m)   去偏振(％) CR ％收缩MD TD ％蠕变阻力MD TD |Δin|(nm) |Δout|(nm)
例A     -   0.15   500∶1   3   1   3.6   3.6     20   265
例1     23   0.15   500∶1   1   0.5   _   -     30   165
例2     15   0.05   1540∶1   1   0.5   _   _     10   180
例3     12   0.05   1540∶1   1   0.5   _   _     8   180
例4     12   0.02   3600∶1   1   0.5   -   _     8   180
例5     _   0.03   2600∶1   _   -   _   _     _   -
例6     _   _   _   4   2   1.8   _     _   -
|Δin|和|Δout|是在沿横向的至少150cm的薄片范围内取平均值而得到的。
例2和例3
除了表1中所列的那些工艺条件以外，例2和例3中的制备方式和例1相似。这两个例子的最后薄膜厚度均为16微米。
例2和例3表明拉幅机的温度会影响(Δin max-Δin min)/w和去偏振。例2和例3也表现出了较高的面外延迟和明显较低的面内延迟。
例4
例4说明了添加澄清剂的效果。除了树脂包含了澄清剂或成核剂，Atofina 3289MZ以25％的浓度添加以外，该例是以类似于例3的方式进行的。例4的澄清剂或成核剂的最终浓度为1000ppm。
澄清剂的添加使去偏振从例3的0.05％减小至0.03％。
例5
例5说明了在拉幅机的预热部分降低温度的效果。除了通过使风扇速度减至55％来降低预热温度以外，该例是以类似于例3的方式进行的。例5表明去偏振从例3中的0.05％减小至0.03％。
例6
例6说明了一种改善蠕变阻力的方法。除了冷却和退火温度稍微降低而且取向不平衡以外，该例是以类似于例1的方式进行的。向例6增加附加的工艺步骤从而在拉伸后处理区使薄膜在纵向的取向增加5％。相对于例A，例6表现出纵向蠕变阻力减小50％。
例7
例7至例16说明利用光学薄膜表面处理来改善光学薄膜的附着力。表面处理包括(例如)电晕、火焰或等离子体处理。这些表面处理中所使用的气体包括氧气、氮气、稀有气体(比如氩和氦)、氯气、氨气、甲烷、丙烷和丁烷。涂覆(例如含氯聚烯烃，即PVDC)、化学蚀刻以及水解处理也可以用于提高光学薄膜的附着力。
例7是以类似于例3的方式制得并利用各种气相表面化学方法处理的16微米的聚丙烯膜：
(a)以0.15J/cm2的能量密度在大约25％的相对湿度下进行空气电晕；
(b)进行火焰处理，利用支撑在条形燃烧器上的层状预混合天然气体：空气火焰，其等效比为0.95(空气：燃料比为10.1∶1)，火焰功率为5300Btu/小时-英寸(611W/cm)，且燃烧器至薄膜的间隙为10mm；
(c)以1.0J/cm2的能量密度进行氮气电晕，其中全部例子的所有氮气电晕处理中氧气在电晕中的浓度小于10ppm；
(d)对照(不进行处理)。
例8
例8说明了使用交替的表面处理化学方法的薄膜。以类似于例7的方式用不同的化学方法处理16微米厚的薄膜。例8(a)和例8(b)中利用由Enercon Industries of Milwaukee开发的Plasma3-brand硬件进行大气压等离子体进行处理。例8(c)中使用具有不同的化学条件的标准电晕型进行处理。
(a)88％/12％  He/N2在0.5J/cm2条件下；
(b)88％/12％  He/N2在1.0J/cm2条件下；
(c)99％/1％   N2/NH3在2.6J/cm2条件下。
例9
例9说明了具有LCP涂层的表面处理过的薄膜。例7a、例7b、例7c和例7d中的薄膜利用MEK作为溶剂涂覆上Staralign 2110(可从Vantico AG公司(位于瑞士巴塞尔)获得)以形成例9a、例9b、例9c和例9d。干燥的Staralign层的厚度为50nm。然后利用OptoAign(可从Elsicon，Inc.(位于美国特拉华州的Newark)获得)提供15mJ/cm2的剂量并以45度的入射角使Staralign材料暴露在偏振UV光下。
用刀片刻划涂有Staralign的薄膜，然后将胶带层压在其上，随后再将该胶带除去。根据ASTM 3359测试标准进行胶带测试(Adhesion Tape Test)。在Staralign涂层可能没有牢固地粘在聚丙烯膜上的地方，胶带将带走该处对应的材料。随后的具有涂层的液晶聚合物层将表现出随意的队列。
然后对样品涂覆上丁酮中的Paliocolor LC242的重量百分比为18％的固体混合物(以下简称LCP并可从BASF AG公司(位于德国的Ludwigshafen)得到)，然后涂覆上重量百分比为1.26％的Darocur1173(可从Ciba公司(位于瑞士巴塞尔)得到)。接下来，在80摄氏度干燥涂层并在厌氧气氛中用100％功率的UV灯固化该涂层。
对具有涂层的样品在交叉偏振器下进行观察，并对胶带测试可除去对准材料之处所在的区域进行具体评估。表面处理的相对绩效按照质量降低的顺序为：9c、9b和9a。对照薄膜(例9d)表现出对于任何基底都最差的性能。
通过把涂有LCP的聚丙烯膜层叠到玻璃上且随后把玻璃分别放在两个烤箱中，并把温度分别设置在80摄氏度和60摄氏度/90％RH，对环境稳定性也进行了评估。在暴露于温度和湿度之后如果薄膜出现分层，即发生了失败。按照降低的顺序，相对的绩效顺序为：9c、9b、9a和9d。
例10
例10描述进行过电晕处理具有LCP涂层的聚丙烯膜。对例8a，8b和8c的薄膜涂覆上Staralign 2110涂层并经光学对准，且随后以类似于例9的方式涂覆上LCP从而分别形成例10a、10b和10c。依据ASTM D3330标准对例10a、10b和10c中的每一个进行测试，聚丙烯膜与LCP之间的剥离力大约都为50盎司/英寸(560g/cm)。
例11
例11说明了经过表面处理的聚丙烯薄膜和取向PVA的层叠。将表面处理过的薄膜例7a、例7b、例7c和例7d分别层叠到取向的并以碘染色的PVA膜上从而形成例11a、例11b、例11c和例11d。
在所有情况下，取向且染色的PVA实际上包括两个膜，即用包含66.5％的甲醇、27.9％的水、5.6％的AI RVOL PVA Grade 205(可从Air Products and Chemicals Inc.(位于美国宾夕法尼亚州的Allentown)得到)的水溶液粘合起来的PVA和水解TAC层。所用短语“取向且染色的PVA”有助于说明清楚主表面，附加的层叠都是在该主表面上进行的。
用于将例7a、例7b、例7c和例7d层叠到取向的并染色的PVA的粘合剂包括包含66.5％的甲醇、27.9％的水、5.6％的AIRVOL PVAGrade 205的水溶液。层叠后，所有的样品在空气气氛中1大气压的气压、60摄氏度下高压加热1个小时。
然后层叠膜在65摄氏度、相对湿度为90％的环境下老化，且依据ASTM D3330标准测试其剥离力。对于例11d的薄膜剥离力小于0.4盎司/英寸(2.9g/cm)，对于例11a的薄膜为15盎司/英寸(170g/cm)，对于例11b的薄膜为20盎司/英寸(225g/cm)，对于例11c的薄膜为22盎司/英寸(250g/cm)。
例12
例12说明了经过表面处理的聚丙烯和取向PVA的层叠。表面处理过的薄膜例8a、例8b、例8c和例8d以类似于例11的方式层叠到取向的并以碘染色的PVA膜上。对于所有的例12薄膜，发现其剥离力近似于例11c。
例13
例13说明了层叠到玻璃上的经过表面处理的聚丙烯和取向PVA。对包括薄膜例11c的聚丙烯膜的相反主表面进行氮气电晕处理(1.0J/cm2)。结果得到的表面处理过的薄膜为例13a，然后将它层叠到一种转移光学粘合剂(可从Soken Chemical & Engineering Co.Ltd，Japan获得)Soken 2263上，从而形成例13b的薄膜，然后将该薄膜粘附到一片玻璃上以形成薄膜例13c。
例13c薄膜的Soken 2263粘合剂与玻璃界面的剥离力经测量为22盎司/英寸(250g/cm)。
例14
例14描述了涂有LCP的聚丙烯的电晕处理。对包含LCP的例9c薄膜的主表面进行表面处理以形成例14a、14b和14c的薄膜。各种表面处理是：
a.在0.5J/cm2能量密度条件下的氮气电晕；
b.在1.0J/cm2能量密度条件下的氮气电晕；
c.在2.0J/cm2能量密度条件下的氮气电晕；
d.对照(与例11c薄膜相同)。
例15
例15描述了层叠到PVA的经过电晕处理的“涂有LCP的聚丙烯”。薄膜例14以类似于例11中所述的方式层叠到取向且以碘染色的PVA上以形成薄膜例15a、15b、15c和15d。测量剥离力。结果是：对于薄膜例15d，在宽度方向其小于0.9盎司/英寸(9.8g/cm)，而对于薄膜例15a、15b和15c，在宽度方向其为19盎司/英寸(220g/cm)。
例16
例16说明了层叠粘附到玻璃上的“经过电晕处理的覆有LCP的聚丙烯”和PVA。然后用Soken 2263粘合剂以类似于例13中所述的方式把薄膜例15a、15b和15c层叠到玻璃上。粘合剂/玻璃界面的剥离力在所有情况下大于聚丙烯/PVA界面的剥离力。
可以想象的是其他光学薄膜，比如DBEF(可从3M公司(位于美国明尼苏达州的St.Paul)获得)和Nipocs(可从日本的Nitto Denko公司获得)也能进行类似的表面处理并粘附到取向且染色的PVA上。
不应认为本发明局限于上述特定的例子，而应认为它覆盖了如附加的权利要求中所清楚地列出的本发明的所有方面。对于本领域的技术人员而言，在仔细阅读本说明书之后，对本发明的各种修改、等同方法、以及本发明可适用的各种结构都是显而易见的。

Claims (12)

1.一种光学薄膜的制造方法，包括：
a)在第一个方向上拉伸聚合物薄膜；和
b)在不同于第一个方向的第二个方向上拉伸聚合物薄膜以形成双轴拉伸聚合物薄膜，其中第二个方向上的至少一部分聚合物薄膜的拉伸与第一个方向上的聚合物薄膜的拉伸同时进行；
其中，双轴拉伸聚合物薄膜具有一定的长度和宽度且对于可见光的至少一个偏振态是基本上不吸收和不散射的；并具有x、y和z正交的折射率，其中至少两个正交的折射率不相等，面内延迟为100nm或更小而面外延迟为50nm或更大；
其中，所述的聚合物薄膜含有结晶改性剂。
2.根据权利要求1的方法，其中所述结晶改性剂包括澄清剂或成核剂。
3.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物薄膜还含有增粘剂。
4.根据权利要求1的方法，还包括使双轴拉伸聚合物薄膜在整个宽度范围内有效地冷却，以便使跨双轴拉伸聚合物薄膜的长度和宽度的面内延迟基本上均匀一致。
5.根据权利要求4的方法，其中面内延迟沿双轴拉伸聚合物薄膜层的长度和宽度的变化小于4nm/cm。
6.根据权利要求1的方法，其中所述双轴拉伸聚合物薄膜的长度和宽度至少为0.65米。
7.根据权利要求1的方法，其中所述第一个方向上的拉伸与所述第二个方向上的拉伸不相等。
8.根据权利要求1的方法，其中所述第一个方向上的拉伸最多比所述第二个方向上的拉伸大50％。
9.根据权利要求1的方法，其中所述第二个方向上的拉伸最多比所述第一个方向上的拉伸大50％。
10.根据权利要求1的方法，其中跨长度和宽度的面内延迟基本上均匀一致，并且跨长度和宽度的面外延迟基本上均匀一致。
11.根据权利要求1的方法，其中所述聚合物包括聚烯烃。
12.根据权利要求1的方法，其中所述薄膜的厚度为5微米至200微米。
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