CN1192846A - 使用多层光学薄膜的场致发光灯 - Google Patents

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Abstract

本发明的场致发光灯包括一层或多层本发明的多层光学薄膜,以使光偏振和/或反射。该多层光学薄膜能反射大量法向和离轴入射光。

Description

使用多层光学薄膜的场致发光灯
发明领域
本发明涉及场致发光灯。具体来说，本发明涉及使用一层或多层本发明的多层光学薄膜作为回射体(back reflector)和/或反射偏振器的场致发光灯。
发明背景
场致发光灯是已知的，通常用于需要平的或平面光源的应用中。在交变电场的存在下，这些依赖于磷光物质的场致发光的场致发光灯被激发并放出大部分辐射能落入可见光谱内的光子。场致发光物质可包括金属活化的硫化锌或任何其它在电场存在下显示场致发光性能的物质。
这些场致发光灯存在一个问题，即与其它类型的光源(如白炽灯、日光灯等)相比效率相对较低。对于也依赖于常规回射体，包括涂有颜料的表面、镀银的反射镜、抛光的金属表面或镀金属的表面等等的场致发光灯，这一问题更为严重。
普通的反射体的缺点在于对入射在其表面上的光吸收相对较高，通常吸收约4-7％的入射光。结果，每次反射之后剩余光的量比初始提供的少。对于多次反射的装置，其总的输出量是很有限的。另外，许多普通的反射体对于许多应用(尤其是对于手提计算机显示器和其它便携式装置)来说过于笨重。
而且，当需要偏振光时，场致发光灯的效率问题也更严重。在许多应用中需要偏振光，包括用于便携式计算机和其它装置的背面照明(backlit)的LCD显示器。
偏振器通常可分为吸收型或反射型。通常的吸收型偏振器是取向的染色聚合物薄膜，通常的反射型偏振器是倾斜的薄膜偏振器，也称为MacNeille偏振器。当然，吸收型偏振器会使使用它们的光学装置产生吸收损耗，因此限制了这些装置的输出量。
如果场致发光灯与亮度增强薄膜(如微重复(micro-replicated)亮度增强薄膜)或其它类型的反射偏振器一起使用，这些装置通常使光线通过多次反射，从而每次反射都使吸收损耗增大，则已知的反射体和偏振器的吸收损耗也更令人关注。
为了克服普通的反射体的一些重量、体积和吸收问题，已有人将多层聚合物薄膜用于使光反射和/或偏振。然而，使用这些聚合物薄膜存在一些其它的不利因素，包括当离轴(off-axis)光线到达薄膜表面时出现晕色(iridescence)以及反射性差。离轴光线通常是透射通过薄膜，而不是反射，因此产生透射损耗，而不是吸收损耗。然而，无论光线是通过吸收还是透射而损耗，光学装置的输出量都受到限制。
已知的用于提供反射体和/或偏振器的多层聚合物薄膜的其它问题是用于制造薄膜的材料和方法由于材料的光透射性差、挤压成形性差及成本高而存在严重的问题。
发明综述
本发明的场致发光灯包括一层或多层本发明的多层光学薄膜，以将该灯发出的光反射和/或反射偏振。
含有本发明的多层光学薄膜的场致发光灯由于该薄膜的吸收性低，以及既能反射以小角度(shallow angles)到达薄膜的光也能反射法向到达薄膜的光的能力，因此具有很多优点。
当该多层光学薄膜用作反射性偏振器时，该场致发光灯可由透射大量的具有某一偏振平面的光线而反射大量偏振方向与其正交的光线的多层光学薄膜构成。另一个优点是透射/反射光的相对百分数可主要受控于本发明中所用的多层光学薄膜。
如果本发明的多层光学薄膜用作场致发光灯中的回射体(单独使用，或者与多层光学薄膜构成的反射偏振层一起使用)，则该场致发光灯可利用本发明的多层光学薄膜的高反射性的优点，可反射99％以上的到达薄膜表面的光线，包括大量离轴光线。
由于多层光学薄膜具有独特的性能，因而无论需要偏振光还是非偏振光，都可提高场致发光灯的性能。
根据本发明使用多层光学薄膜作为反射偏振器和/或回射体的场致发光灯还有一个优点是，与许多普通的反射体和/或偏振器相比，它们的重量相对较轻。
根据本发明使用多层光学薄膜的场致发光灯还有一个优点是由于与许多普通的反射体和/或偏振器相比该表面相对较薄，因此制得的该场致发光灯可在使用该灯的体系中占据较小的空间。
本发明的场致发光灯的其它特点和优点在阅读了下面对说明性实施方案的详细说明之后将是显而易见的。
附图的简单说明
图1a和1b是本发明的多层光学薄膜示意图。
图2显示了形成单一分界面的两层叠合薄膜。
图3至图7显示了实施例1-6中所述的多层光学薄膜的光学性能。
图8是含有本发明的多层光学薄膜的一种场致发光灯的说明性侧视图。
图9是含有本发明的多层光学薄膜的另一种场致发光灯的说明性侧视图。
图10是含有本发明的多层光学薄膜的另一种场致发光灯的说明性侧视图。
图11说明多层光学薄膜和标准反射体的反射表面的光线反射次数(x轴)与光线相对强度(y轴)之间关系的曲线。
图12是含有本发明的多层光学薄膜的另一种场致发光灯的说明性侧视图。
图13是与LCD平面组合的场致发光灯的说明性示意图。
本发明的说明性实施方案的详细叙述
本发明的场致发光灯取决于本发明的多层光学薄膜的独特的和优越的性能。这些优点、特性以及这些薄膜的制造在1995年3月10日递交的尚未授权且共同转让的题为“光学薄膜”的美国专利申请08/402,041的申请文本中作了很详细的说明。
该申请详细叙述了本发明的场致发光灯中所用的多层光学薄膜。下面相对简单地说明一下多层光学薄膜的性能和特点，然后叙述根据本发明使用多层光学薄膜的场致发光灯的说明性实施方案。
1.多层光学薄膜
本发明中使用的多层光学薄膜对入射光的吸收相对较低，且对于离轴光线及法向光线的反射性都高。无论这些薄膜是用于使光单纯反射，还是用于使光反射偏振，通常都具有这些性能。由于多层光学薄膜具有这些独特的性能和优点，因此可设计出基本上发射偏振光且与已知的场致发光灯相比，具有低的吸收损耗的高效场致发光灯。
如图1a和1b所示，本发明的多层光学薄膜包括多层叠合膜10，它包括至少两种材料12和14的交替层。其中至少有一种材料具有应力诱导双折射(stressinduced birefringence)的性能，即材料的折射率(n)受拉伸的影响。图1a显示了拉伸之前的典型的多层叠合膜，其中两种材料具有相同的折射率。光线13没有感受到不同的折射率并通过该多层叠合膜。在图1b中，对同一多层叠合膜进行了拉伸，这样提高了材料12的折射率。在各层之间的界面处的折射率之差将导致光线15部分反射。通过在单轴取向至双轴取向范围拉伸该多层叠合膜，可产生对于不同取向的平面偏振入射光具有一定范围内的反射性的薄膜。因此这种多层叠合膜可用作反射偏振器和反射镜。
本发明的多层光学薄膜的布儒斯特角(即反射率趋近零的角度)很大或不存在。与此相反，已知的多层聚合物薄膜具有相对小的布儒斯特角，导致光的透射和/或产生晕色。而本发明的多层光学薄膜可构成其p偏振光反射率随偏离法线的入射角而缓慢地减小、与入射角无关或者随入射角而增大的多层反射镜和偏振器。结果可得到在阔的带宽下和在很宽的角度范围内对s和p偏振光都具有高反射率的多层叠合膜。
图2显示了多层叠合膜中的两层，并标明每层的三维折射率。102层的折射率为n1x、n1y和n1z，104层的折射率为n2x、n2y和n2z。两层薄膜相互之间以及与多层叠合膜中其它层之间折射率的关系决定了多层叠合膜对来自任何方位以任何角度入射的光的反射性能。在美国专利申请No.08/402,041中所述的原理和设计考虑可用于产生对于多种情况和用途具有所需的光学效应的多层叠合膜。可控制和调节多层叠合膜中各层的折射率以产生所需的光学性能。
再参见图1，多层叠合膜10可包括几十、几百或几千层，每层可由许多种材料中的任何材料构成。根据何种特征来选择用于一特定叠合膜的材料，取决于该叠合膜所需的光学性能。叠合膜所含材料的种类可与其层数相同。但为了便于制造，较佳的光学叠合薄膜只含有数目不多的不同材料。
材料之间的分界面，或者化学上相同而物理性质不同的材料之间的分界面，可以是突变的或是渐变的。除了某些具有分析解的简单情况以外，对后一种类型折射率连续变化的分层介质的分析，通常都作为具有非常多均匀薄层，各层间的界面是突变的，但相邻的层之间性质变化很小的情况来处理。
理想的多层叠合薄膜含有许多高/低折射率薄膜层组，每组高/低折射率层的总光学厚度是设计的反射频带中心波长的1/2。这类薄膜的叠合膜一般称为1/4波长叠合膜。
如果需要反射薄膜，所希望得到的对每种偏振和每种入射平面的光的平均透射率，一般取决于反射薄膜的计划用途。窄带宽反射薄膜在法向入射时沿每一拉伸方向在可见光谱100nm带宽上的平均透射率希望能在30％以下，较好是20％以下，更好是10％以下。部分反射薄膜在法向入射时沿每一拉伸方向的平均透射率较好是在10-50％范围，其带宽可在100-450nm，取决于具体的应用。
高效反射薄膜在法向入射时沿每一拉伸方向在可见光谱范围(400-700nm)的平均透射率要求在10％以下，较好是5％以下，更好是2％以下，最好是1％以下。高效反射薄膜在偏离法向60°入射时可见光谱范围(400-700nm)的平均透射率要求在50％以下，较好是30％以下，更好是20％以下，最好是90％以下。
此外，在某些应用中可能需要不对称的反射薄膜。例如，在可见光谱范围(400-700nm)或在可见至近红外范围(400-850nm)，沿一个拉伸方向的平均透射率小于50％，而沿另一个拉伸方向的平均透射率则小于20％。
多层光学薄膜也可设计成反射偏振器，在广阔的入射角范围内对偏振面平行于一个轴的光具有高反射率，而同时对偏振面平行于另一个轴的光具有低反射率和高透射率。控制每层薄膜的三个折射率nx、ny和nz，可以得到所需的偏振器性能。
对于许多应用，理想的反射偏振器在所有的入射角下沿一个轴上(所谓消光轴)具有高反射率而沿另一个轴上(所谓透射轴)的反射率为零。对于偏振器的透射轴，一般要求沿透射轴方向偏振的光在所考虑的带宽范围内以及在所考虑的角度范围内的透射率达到极大。狭带宽偏振器法向入射时在100nm带宽范围的平均透射率一般要求至少为50％，较好是至少为70％，更好为至少90％。狭带宽偏振器对偏离法线60°的p偏振光在100nm带宽范围的平均透射率(沿透射轴测量)一般要求至少为50％，较好为至少70％，更好为至少80％。
偏振器在可见光谱范围(400-700nm，带宽300nm)对法向入射的光在透射轴上的平均透射率一般要求至少为50％，较好为至少70％，更好为至少85％，最好为至少90％。偏振器在400-700nm范围对偏离法线60°的入射光的平均透射率(沿透射轴测量)一般要求至少为50％，较好为至少70％，更好为至少80％，最好为至少90％。
在某些应用中，要求在偏离法向的角度下在透射轴具有高反射率。对于沿透射轴偏振的光在偏离法线的角度至少为20°时的平均透射率应大于20％。
另外，虽然在此对反射偏振薄膜和不对称反射薄膜分别进行了讨论，但应该理解可将两种或多种这样的薄膜装置成基本上反射所有入射在其上的光线(条件是它们相互之间适当地取向)。
如果沿透射轴发生一定的反射，偏振器在偏离法线的角度下的效率就会降低。如果沿透射轴的反射率对各种波长是不同的，透射光中就会引入颜色。测定颜色的一种方法，是确定在某一选定角度下或某几个选定角度下，在所考虑的波长范围内的透射率的方均根值(RMS)。％方均根色彩CRMS可由以下公式确定： C RMS = ∫ λ 1 λ 2 [ ( T - T ‾ ) 2 ] 1 / 2 dλ T ‾
其中λ1至λ2是考虑的波长范围或带宽，T是沿透射轴的透射率，T是在考虑的波长范围内沿透射轴的平均透射率。
对于要求一个低色度偏振器的应用，在偏离法线的角度至少为30°(较好至少为45°，最好至少为60°)时，其％RMS色彩应低于10％(较好为低于8％，更好为低于3.5％，最好为低于2.1％)。
较好的是，反射偏振器将特别应用中所需的沿透射轴的％RMS色彩与在考虑的带宽范围内所需的沿消光轴的反射率结合起来。例如，对于带宽约为100nm的窄带宽偏振器，法向入射时沿消光轴的平均透射率一般要求小于50％，较好为小于30％，更好为小于10％，最好为小于3％。对于带宽在可见光谱范围(400-700nm，或带宽为300nm)的偏振器，法向入射时沿消光轴的平均透射率一般要求小于40％，较好为小于25％，更好为小于15％，最好为小于5％，尤其好是小于3％。
材料选择与处理
根据上面提到的美国专利申请No.08/402,041中所述的设计考虑，本领域普通技术人员会容易地理解，当在选定的条件下进行处理以产生所需折射率关系，有非常多材料可用来构成本发明的多层反射薄膜或偏振器。所需的折射率关系可用各种方法得到，包括在薄膜形成过程中或形成以后拉伸(例如在有机聚合物的情况)，挤塑(例如在液态结晶材料)，或涂敷。此外，最好两种材料具有相似的流变性质(如熔体粘度)，以便可进行共挤塑。
一般可选择结晶或半结晶的材料(较好是聚合物)作为第一种材料以获得适当的组合。第二种材料本身可以是结晶的、半结晶的或非晶形的。第二种材料可以具有与第一种材料相反或相同的双折射。或者第二种材料可以不具有双折射。
适合的材料的具体例子包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)及其异构体(如2，6-、1，4-、1，5-、2，7-和2，3-PEN)；聚对苯二甲酸烷二醇酯(如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、和聚-1，4-环己烷二亚甲基对苯二甲酸酯)；聚酰亚胺(如聚丙烯酰亚胺)；聚醚酰亚胺(polyetherimide)；无规立构的聚苯乙烯；聚碳酸酯；聚甲基丙烯酸酯(如聚甲基丙烯酸异丁酯、聚甲基丙烯酸丙酯、聚甲基丙烯酸乙酯、和聚甲基丙烯酸甲酯)；聚丙烯酸酯(如聚丙烯酸甲酯和聚丙烯酸丁酯)；间同立构的聚苯乙烯(sPS)；间同立构的聚-α-甲基苯乙烯；间同立构的聚二氯苯乙烯；任何这些聚苯乙烯的共聚物和掺合物；纤维素衍生物(如乙基纤维素、乙酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸-丁酸纤维素、和硝酸纤维素)；聚烯烃聚合物(如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯、和聚(4-甲基)戊烯)；氟化的聚合物(如全氟烷氧基树脂、聚四氟乙烯、氟化的乙烯-丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、和聚氯三氟乙烯)；氯化的聚合物(聚偏二氯乙烯、和聚氯乙烯)；聚砜；聚醚砜；聚丙烯腈；聚酰胺；硅氧烷树脂；环氧树脂；聚乙酸乙烯酯；聚醚-酰胺；离子键树脂；弹性体(如聚丁二烯、聚异戊二烯、和氯丁橡胶)；和聚氨酯。也可使用共聚物，例如PEN的共聚物[如2，6-、1，4-、1，5-、2，7-、和/或2，3-萘二甲酸或其酯与以下物质的共聚物：(a)对苯二甲酸或其酯；(b)间苯二甲酸或其酯；(c)邻苯二甲酸或其酯；(d)烷烃二醇；(e)环烷烃二醇(例如环己烷二甲醇)；(f)烷烃二羧酸；和/或(g)环烷烃二羧酸(例如环己烷二甲酸)]，聚对苯二甲酸烷二醇酯的共聚物[如对苯二甲酸或其酯与以下物质的共聚物：(a)萘二甲酸或其酯；(b)间苯二甲酸或其酯；(c)邻苯二甲酸或其酯；(d)烷烃二醇；(e)环烷烃二醇(例如环己烷二甲醇)；(f)烷烃二羧酸；和/或(g)环烷烃二羧酸(例如环己烷二甲酸)]，苯乙烯共聚物(例如苯乙烯-丁二烯共聚物和苯乙烯-丙烯腈共聚物)，以及4，4’-二苯甲酸与1，2-乙二醇的共聚物。此外，每一单独的层可包括两种或多种上述聚合物或共聚物的掺合物(如sPS与无规立构聚苯乙烯的掺合物)。所述的coPEN也可以是颗粒的掺合物，其中至少一个组分是以萘二甲酸为基的聚合物，而其它的组分是其它聚酯或聚碳酸酯，如PET、PEN或co-PEN。
在偏振器的情况，特别好的层的组合包括PEN/coPEN，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/coPEN，PEN/sPS，PET/sPS，PEN/Eastar，和PET/Eastar，其中“co-PEN”是(如上所述的)以萘二甲酸为基的共聚物或掺合物，而Eastar是可购自Eastman Chemical Co的聚环己烷二亚甲基对苯二甲酸酯。
在反射薄膜的情况，特别好的层的组合包括PET/Ecdel，PEN/Ecdel，PEN/sPS，PEN/THV，PEN/co-PET，和PEN/sPS，其中“co-PET”是以(如上所述的)对苯二甲酸为基的共聚物或掺合物，Ecdel是可从Eastman Chemical Co购得的热塑性聚酯材料，而THV是可从美国明尼苏达州的美国3M公司购得的氟聚合物。
薄膜的层数，考虑到膜的厚度、柔软性和经济原因，是选择得用最少的层数达到所需的光学性能。在偏振器和反射薄膜的情况，层数都较好在10,000以下，更好在5,000以下，最好在2,000以下。
如上所述，获得各折射率之间所需关系(因而获得多层膜的光学性能)的能力，受到制备该多层膜所用处理条件的影响。在可通过拉伸而取向的有机聚合物的情况，通常是将各聚合物共挤塑形成多层膜，然后在选定温度下拉伸使其取向，再(可任选地)在预定的温度下热固化，以制得该薄膜。另外一种方法，是同时进行挤塑和取向步骤。在偏振器的情况，薄膜在一个方向上被显著地拉伸(单轴取向)，而在反射薄膜的情况。薄膜在两个方向上被显著地拉伸(双轴取向)。
可以让薄膜在拉伸的横向上，从自然的拉伸横向收缩(等于拉伸比的平方根)发生尺寸松弛，可简单地使拉伸横向的尺寸无任何明显变化，或者可以在拉伸横向主动拉伸。薄膜可以在机器方向拉伸(用长度取向器)或用拉幅机沿宽度方向拉伸。
拉伸前温度、拉伸温度、拉伸速率、拉伸比、热固化温度、热固化时间、热固化松弛以及拉伸横向松弛等条件是选择得可产生具有所需折射率关系的多层膜。这些变量是互相依赖的；于是，如果与较低的拉伸温度相结合，可使用较低的拉伸速率。本领域普通技术人员会容易地选取这些变量的适当组合，以得到所需的多层器件。但是，一般较佳的拉伸比在拉伸方向为1∶2至1∶10(更好为1∶3至1∶7)而在与拉伸方向垂直的方向为1∶0.5至1∶10(更好为1∶0.5-1∶7)。
也可以采用以下技术来制备合适的多层膜：旋转涂覆(参看Boese等，J.Polym.Sci.；Part B，30：1321(1992))用以制备双折射聚酰亚胺膜，以及真空沉积(参看Zang等人，Appl.Phys.Letters，59：823(1991))用以制备结晶有机化合物膜；后一种技术对某些结晶的有机化合物和无机材料的组合特别适用。
以下通过实施例来说明多层反射薄膜和偏振器。
实施例1(PEN：THV，500，449，反射镜)
在一次操作中挤塑流延的片料，然后在实验室用薄膜拉伸器中使薄膜取向，制得包含449层的共挤塑膜。用一个挤塑机以56lb/hr的速率输送特性粘度为0.53dl/g(60重量％苯酚/40重量％二氯苯)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，而用另一个挤塑机以11lb/hr的速率输送THV 500(购自美国3M公司的含氟聚合物)。PEN在表皮层中，50％的PEN存在于两层表皮层中。用供料头方法产生57层，再将其通过三个倍增器，得到449层的挤塑制品。流延片料是20密耳厚，12英寸宽。然后用实验室拉伸薄膜装置使片料双轴取向，该装置用一个缩放架夹住一个方块的薄膜，并以均匀的速率同时在两个方向拉伸它。将7.46平方厘米的片料在约100℃下装入拉伸器，在60秒内加热至140℃。然后以每秒10％的速率(基于原来的尺寸)开始拉伸，直至将样品拉伸至3.5×3.5。紧接在拉伸后，用室温的空气吹在样品上面使其冷却。
图3显示了该多层膜的透射率。曲线(a)显示了法向入射时的响应，而曲线(b)显示了60°时的响应。
实施例2(PEN：PMMA，601，反射镜)
在连续展平-制膜生产线上通过共挤塑过程制得包含601层的共挤塑薄膜。用挤塑机A以114lb/hr的速率输送特性粘度为0.57dl/g(60重量％苯酚/40重量％二氯苯)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，其中64lb/hr进入供料头(feedblock)，其余的进入下述的表皮层。用挤塑机B以61lb/hr的速率输送PMMA(购自ICI ofAmericas的CP-82)，均进入供料头。PEN是在供料头的表皮层。用供料头方法(使用美国专利3,801,429中所述的供料头)产生151层，然后用挤塑机C以30lb/hr的数量输送挤塑机A所输送的相同类型的PEN，共挤塑两层对称的表皮层。使该挤出物通过两个倍增器，得到601层的挤塑制品。美国专利3,565,985说明了类似的共挤塑倍增器。挤出物通过另一种薄膜，使来自挤塑机A的PEN以50lb/hr的总速率共挤塑表皮层。片料在片温约280°F下进行长度取向至拉伸比约为3.2。随后将薄膜在约38秒内预热至约310°F，以约每秒11％的速率在横向拉伸至拉伸比约为4.5。然后让薄膜在440°F热固化而不让它松弛。最终的薄膜厚度约为3密耳。
如图4中的曲线(a)所示，法向入射的带宽约为350nm，平均带内消光率(in-band extinction)大于99％。当入射角偏离法向50°时，s-偏振光(曲线(b))和p-偏振光(曲线(c))显示出类似的消光率，消光带如预期的向较短波长方向偏移。s-偏振光消光带的红色边缘向蓝色方向的偏移没有p-偏振光那么多，这是由于s-偏振光预期的较大的带宽所致。
实施例3(PEN：PCTG，449，偏振器)
在一次操作中挤塑流延片料，然后在实验室薄膜拉伸装置中使薄膜取向，制得包含481层的共挤塑膜。用供料头方法使用61层供料头和三个倍增器(2×)。在最后一个倍增器和模头之间加入厚的表皮层。用一个挤塑机以25.0lb/hr的速率输送特性粘度为0.47dl/g(60重量％苯酚/40重量％二氯苯)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)至供料头。用另一个挤塑机以25.0lb/hr的速率输送二元醇改性的聚对苯二甲酸亚乙基环己酯(polyethylene cyclohexane terephthalate)(购自Eastman的PCTG 5445)。PEN是在表皮层。将来自上述挤塑机的另一PEN流以25.0lb/hr的速率加入作为表皮层。流延片料的厚度为0.007英寸，宽度为12英寸。然后用实验室拉伸装置使片料单轴取向，该装置用一个缩放架夹住一块薄膜，以均匀速率沿一个方向拉伸，而在另一个方向自由松弛。该片料样品的宽度为5.40cm(松弛方向)，缩放架夹子之间长为7.45cm。在约100℃下将片料装入拉伸器，并在135℃加热45秒。然后以每秒20％的速率开始拉伸(基于原来的尺寸)，直至样品被拉伸至约6∶1(基于夹子至夹子的测定值)。紧接在拉伸之后，用室温空气吹向样品使其冷却。在中部，样品的松弛系数为2.0。
图5显示了该多层膜的透射率，其中的曲线a显示了在非拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率，曲线b显示了在非拉伸方向偏振的p-偏振光在60°入射时的透射率，曲线c是在拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率。
实施例4(PEN：coPEN，601，偏振器)
通过共挤塑方法在连续展平-制膜生产线上制得包含601层的共挤塑膜。用一个挤塑机以75lb/hr的速率输送特性粘度为0.54dl/g(60重量％苯酚/40重量％二氯苯)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，而用另一个挤塑机以65lb/hr的速率输送coPEN。coPEN为70摩尔％2，6-萘二羧酸甲酯、15摩尔％间苯二甲酸二甲酯和15摩尔％对苯二甲酸二甲酯与乙二醇的共聚物。用供料头方法产生151层膜。将供料头设计成能产生多层梯度分布，光学层(optical layers)的厚度比例为PEN1.22，coPEN 1.22。将PEN表皮层共挤塑在光学叠合膜的外侧，总厚度为共挤塑层的8％。光学叠合膜用两个串连的倍增器使其层数倍增。倍增器的标称倍增比分别为1.2与1.27。然后在约40秒内将薄膜预热至310°F，并以约每秒6％的速率在横向拉伸，直至拉伸率约为5.0。最终的薄膜厚度约为2密耳。
该多层膜的透射率如图6如示。曲线a显示了在非拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率，曲线b显示了p-偏振光60°入射时的透射率，曲线c显示了在拉伸方向偏振的光法向入射时透射率。注意p-偏振光法向入射时和60°入射时的透射率都非常高(80％-100％)。如曲线c所示，在可见光范围内(400-700nm)在拉伸方向偏振的光的消光率非常高。在500至650nm消光率接近100％。
实施例5(PEN：sPS，481，偏振器)
用购自Eastman Chemicals的特性粘度为0.56dl/g(在60重量％苯酚和40重量％二氯苯中测得)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和间同立构的聚苯乙烯(sPS)均聚物(重均分子量＝200,000道尔顿，由Dow Corporation供样)制得包含481层的多层膜。PEN是在外部的层中，是以26lb/hr的速率挤塑，而sPS是以23lb/hr的速率挤塑。所用的供料头产生61层，每层的厚度近似相等。在供料头后面，使用了三个(2x)倍增器。在最后的倍增器以后，以22lb/hr的总速率加入相同厚度的表皮层(它们含有与输入至供料头相同的PEN)。片料是通过12”宽的模头，挤塑至厚度约为0.011英寸(0.276mm)。挤塑温度为290℃。
将这片料在环境条件下储放9天，然后在拉幅机上使其单轴取向。在约25秒内将膜预热至约320°F(160℃)，并以每秒约28％的速率在横向拉伸至拉伸比约为6∶1。没有让片料在拉伸方向松弛。最终薄膜厚度约为0.0018英寸(0.046mm)。
图7A显示了包含481层的这一PEN：sPS反射偏振器的光学性能。曲线a显示了在非拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率，曲线b显示了p偏振光在60°入射时的透射率，曲线c是在拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率。注意p偏振光法向入射时和60°入射时都具有很高的透射率。曲线a在400-700nm范围的平均透射率是86.2％，而曲线b在400-700nm范围的平均透射率是79.7％。曲线c上可看到在拉伸方向偏振的光在可见光谱范围(400-700nm)具有很高的消光率。曲线c上膜在400-700nm范围内的平均透射率为1.6％。曲线a的％RMS色彩是3.2％，曲线b的％RMS色彩是18.2％。
实施例6(PEN：coPEN，603，偏振器)
在连续展平-制膜生产线上通过共挤塑过程制得包含603层的反射偏振器。用一个挤塑机以83lb(38kg)/hr的速率输送特性粘度为0.47dl/g(在60重量％苯酚/40重量％二氯苯中)的聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，而用另一个挤塑机以75lb(34kg)/hr的速率输送co PEN。所用的coPEN是70摩尔％2，6-萘二甲酸甲酯，15摩尔％对苯二甲酸二甲酯和15摩尔％间苯二甲酸二甲酯与1，2-乙二醇的共聚物。用供料头方法产生151层。供料头设计成可对光学叠合膜从底部到顶部的层厚产生一梯度，从最薄层到最厚层的厚度比为1.22。光学叠合膜用两个串连的倍增器使其层数倍增。倍增器的标称倍增比分别为1.2与1.4。在最后的倍增器和模头之间加入由上述同样的coPEN制成的由第三台挤塑机以106lb(48kg)/hr的总速率输送的表皮层。然后在约30秒内将膜预热至300°F(150℃)，以每秒20％的初始速率在横向拉伸至拉伸比约为6。最终薄膜的厚度为约0.0035英寸(0.089mm)。
图7B显示了实施例6的偏振器的光学性能。曲线a显示了在非拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率，曲线b显示了在非拉伸方向的p偏振光50°(偏离法向)入射时的透射率，曲线c是在拉伸方向偏振的光法向入射时的透射率。注意在非拉伸方向偏振光具有很高的透射率。曲线a在400-700nm范围的平均透射率是87％。曲线c上可看到在拉伸方向偏振的光在可见光谱范围(400-700nm)具有很高的反射。曲线c上膜在400-700nm范围内的平均透射率为2.5％。曲线b的％RMS色彩是5％。
II.使用多层光学薄膜的场致发光灯
本发明场致发光灯装有一种或多种本发明多层光学薄膜以使光偏振和/或反射。
现在参照图8，图8以剖面的方式示意性地描述本发明一个说明性实例-场致发光灯110，多层光学薄膜112被用作场致发光灯的“前”表面，即光线由其射出场致发光灯110的表面。
如同任何其它场致发光灯那样，场致发光灯110包括一层场致发光磷光材料层116，在交变电场的存在下，该材料层受激发并发出大多数辐射能量位于可见光谱区的光子。所述场致发光材料116可包括金属活化的硫化锌或在电场的存在下能表现出场致发光性能的任何其它材料。
为了使必要的电场穿过场致发光材料116，将两层导电层114和118置于场致发光材料116的两侧。一层绝缘材料层115被置于第一导电层114和场致发光材料116之间，使场致发光材料与导体114绝缘。同样，将另一层绝缘材料117置于场致发光材料116相反的一侧使之与第二导电层118绝缘。
导电层114和绝缘层115最好都能透过大部分入射光以便使场致发光灯110的效率最大。适合于作为导电层114的一种材料是氧化铟锡(ITO)，尽管任何透光性导电材料都能被用作导体114。在场致发光灯110的说明性实例中，使用已知的将薄层沉积在聚合物薄膜上的方法将ITO层涂覆在多层光学薄膜112上。
绝缘层可以是介电常数高得足以作为导电层114和场致发光材料之间的绝缘体的任何材料。在场致发光灯110的一个说明性实例中，115和117层都包括美国3M公司制造的VHB粘合剂(#F9460PC)。粘合剂层115层压在位于多层光学薄膜112上的导电层114上，粘合剂层117层压在作为第二导体118的铝箔背衬上。但是应该理解可使用许多形成粘合剂层115和117的方法。
将粘合剂层117置于导电层118上以后，用过量的场致发光材料116涂覆露出的粘合剂层117，部分场致发光材料粘合在粘合剂层117上。用于图8所述的说明性实例中的具体磷光材料是购自General Electric Sylvania商品名为“723”的铜掺杂的硫化锌磷光体。但是场致发光灯领域中的熟练技术人员应理解可使用许多其它场致发光材料代替上面使用的具体材料。
在场致发光灯110中铝导电层118有两种作用。第一，它作为产生穿过场致发光材料116的电场所必需的第二导体。第二，它作为场致发光灯110的背反射器，反射入射于其上的入射光，理想地使光线穿过多层光学薄膜层射向观察者。
另外，在场致发光灯110中的粘合剂层115和117也起两种作用。第一，如上所述使场致发光材料116和导电层114及118绝缘，以便场致发光灯110正常运行。第二，它们将各种层结构地粘结在一起，形成相对便宜、无需粘合剂或支承场致发光材料并用作介电体的其它材料的场致发光灯110。
在场致发光灯110的说明性实例中，多层光学薄膜层112被用作反射偏振器，它透过大部分发射自场致发光材料116的一个偏振取向的光线，同时反射大部分具有第二偏振取向的光线。结果，由场致发光灯110发射的光线基本具有一种偏振取向。
使用本发明多层光学薄膜作为层112的一个重要的优点是它能反射以偏离法向的角度入射的光线。在已知的反射聚合物薄膜中都没有这个特点。
使用多层光学薄膜作为层112的另一个优点是它不会像吸收偏振器那样吸收明显量的具有不正确(wrong)偏振取向的光线。相反，具有不正确偏振取向的光线被多层光学薄膜层112反射回场致发光灯110。光线被反射回场致发光灯110以后，该场致发光灯中的场致发光颗粒或其它物质会使该光线的偏振取向无规化，结果当该光线被再次反射回多层光学薄膜层112上时，它可具有合适的使之透过多层光学薄膜层112的偏振取向。
另一种说明性的场致发光灯210的结构示于图9，图9以剖面的形式说明本发明另一种场致发光灯210的说明性实例。与场致发光灯110相似，起反射偏振器作用的多层光学薄膜212被作为灯的“前”表面，即光线射出灯210的表面。
在场致发光灯210中，场致发光材料层216包括分散在环氧树脂粘合剂中的磷光材料。所述环氧树脂起两个作用：第一，使磷光材料分别与前导电层114和后导电层118绝缘。第二，当用下列方法进行制造时，它将各层粘合在一起，尽管应理解也可使用其它方法将各层粘合在一起。
在可用于制造图9所示结构的场致发光灯210的一种方法中，将场致发光磷光体混合成“723”荧光材料(如上所述)和环氧树脂(如Devcon 5 Minute Epoxy(#14250))的淤浆。磷光材料与环氧树脂的混合质量比为1∶1。
将场致发光磷光体/环氧树脂的淤浆涂覆在用作导电层218的铝箔上。在使环氧树脂固化前，将涂覆淤浆的铝箔层压在包括置于多层光学薄膜212上的导电层214的第二复合物上，随后固化环氧树脂，形成如图9所示的结构。
由于场致发光灯212使用本发明多层光学薄膜作为层212，因此它可获得如上在描述灯110时所述的多层光学薄膜的许多好处。
同样，任何场致发光灯结构都可通过在起反射偏振器作用的层中使用本发明多层光学薄膜而获得多层光学薄膜优良性能的好处，无论场致发光灯在制造时使用的是环氧树脂或其它树脂来粘合场致发光材料、使用在表面上粘合有场致发光粉末的粘合剂、还是在包括本发明多层光学薄膜的基材上制造薄膜场致发光灯。对本领域中的熟练技术人员而言，这各种制造场致发光灯的技术是众所周知的。
另一个说明性的实例-场致发光灯310以剖面的形式示于图10。在该实例中，场致发光灯310在两处使用使用本发明多层光学薄膜。前表面层312较好包括多层光学薄膜反射偏振器(如上面场致发光灯110和210所述)，还将本发明全反射多层光学薄膜作为背反射器320用于将光线反射至场致发光灯310的前表面。
场致发光灯310包括场致发光磷光材料层316，所述材料可以粘合在绝缘粘合剂上、用环氧树脂或其它绝缘粘合剂进行粘合、或沉积在薄膜结构中。在316层的两侧未显示单独的绝缘层，尽管应理解在某些结构中需要单独的绝缘层使场致发光材料与导电体绝缘。
为产生必需的穿过场致发光材料316的电场，将两层导电层314和318分别置于场致发光材料316的两侧。背导电层318最好由不明显吸收光线的导电材料制成，以便使背反射层320能将光线尽可能多地反射出场致发光灯310。一种合适的用作导电层318的材料是在许多场致发光灯中常用作前导电层314的ITO材料。
除了导电层318以外，还最好使位于反射偏振多层光学薄膜312和纯反射多层光学薄膜320之间的所有材料都具有最小的入射光吸收量，以增加场致发光灯310的效率。
与前面所述的场致发光灯110和210相同，多层光学薄膜层312作为反射偏振器，透过大多数从场致发光材料316发出的具有一个偏振取向的光线，同时反射大多数具有第二个偏振取向的光线。结果，由场致发光灯310发出的光线基本具有一个偏振取向。
除了使用本发明多层光学薄膜作为反射偏振层312的优点以外，同时使用本发明多层光学薄膜作为前表面层312和背反射器320的其它重要优点图示于图11中。已知的反射表面(如铝)对入射光的最佳反射率约为96％。使用本发明多层光学薄膜作为前表面层312可使具有不正确偏振取向的光线循环反射。
与多层光学薄膜反射偏振器一起使用常规背反射器会产生不可接受的吸收损耗，因为单束光线在射出场致发光灯前会经历多次反射。如图11所示，当反射光线的表面仅吸收约6％的光线时，经过较少次数的反射后，反射后的光强度明显下降。
相反，由本发明多层光学薄膜(反射率约99.4％)反射的光线经相同次数的反射后光强度下降较小。通过将反射多层光学薄膜用作背反射器并与反射偏振多层光学薄膜层318一起用于场致发光灯320中，可明显降低吸收损耗的量，从而改进场致发光灯320的效率。
因为入射至多层光学薄膜反射器(如320)上而损耗的光线主要通过透射而逃逸。因此最好在多层光学薄膜反射器320的背面(即远离场致发光材料316的表面)施加一层薄金属层或其它反射涂层以反射会通过透射而损耗的光线，从而改进多层光学薄膜的反射性。显然应理解金属或其它反射涂层会具有一些吸收损耗，但是透过薄膜的光线比例一般小于入射至薄膜上的光线总量的5％(最好小于1％)。如果在多层光学薄膜中发生窄带宽泄漏，则金属或其它反射涂层还可用于减少可见晕色。
应理解场致发光灯320中前表面层312可使用非多层光学薄膜制成，特别在不需要偏振光的情况下。在使用多层光学薄膜作为背反射器320制得的任何场致发光灯中，都可由于膜的低吸收率/高反射性而使效率提高。
还应理解可组合使用许多其它膜和材料以进一步提高本发明场致发光灯的性能。一个例子是单独使用结构的部分反射膜(无需偏振光的情况)，或与反射偏振多层光学薄膜前表面层一起组合使用。一种微重复结构的部分反射膜是美国3M公司制的名为SCOTCH OPTICAL LIGHTING FILM的商品。
结构的部分反射膜通常在某些角度范围具有优良的反射性，但在其它角度具有高透光性。微重复结构的部分反射膜描述在1994年9月27日提交的申请号为08/312,720，名称为LUMINANCE CONTROL FILM的专利申请中。用作部分反射器的其它结构膜通常被称为“透光反射器(transflectors)”。
一般来说，结构的部分反射膜透过以相对较窄的角度入射的光线而反射在该较窄的角度范围以外的角度入射的光线。另外，透过的光线通过膜折射并以已知的角度范围在相反一侧射出。结果，结构的膜透过光线并通过循环光线而增强光学器件中的亮度，否则在已知角度范围以外射出光学器件的很可能不朝向观察者。尽管通常需要以这种方式循环的光线，但是，当与常规的反射器一起组合使用时它会变成缺点，因为部分反射回场致发光灯的光线会被常规的反射器所吸收。
但是，当背反射器由不会明显吸收入射于其上的光线的多层光学薄膜所组成时，本发明场致发光灯不会产生这种缺点。
另外，用于提供偏振光的本发明其它场致发光灯可包括双面场致发光灯，其中的光线是从单层场致发光材料向大体相反的两个方向发出的。这种灯的简单的剖面示意图可参见图12。该灯包括单层场致发光材料层416，以及围绕其两侧的导电层414和418。在层416的两侧未显示单独的绝缘层，尽管应理解在某些结构中需要单独的绝缘层以使场致发光材料与导电体绝缘。
外层412和422最好包括本发明的反射偏振光学薄膜。结果，从场致发光材料416发出的具有适当偏振取向的光线能从层412或422射出灯410。
双面场致发光灯410的各种变化可包括排列多层光学膜层412和422，使得偏振平面成90°夹角，防止光线完全穿越该灯，从而形成不透明的灯。这种结构的其它优点是从场致发光层416发出的光线中的大部分光线不经反射就射出灯410，从而增强了灯的效率。
或者，可将两个多层光学薄膜层的偏振平面以任何要求的夹角排列或交叉，以使灯410具有要求的不透明程度。
使用反射偏振多层光学薄膜层的本发明场致发光灯与依靠偏振光向观察者显示信息的液晶显示器(LCD)相结合特别有用。这种结合的一个说明性的例子示于图13，所述结构包括本发明场致发光灯510(使用一层反射偏振多层光学薄膜使得仅有偏振光能射出该灯)。LCD530位于贴近灯510发出光线的那一侧512，观察者540位于可观察到LCD所显示信息的相反的那一侧。尽管在此描述了说明性的本发明场致发光灯的一个具体的用途，但是应该理解本发明场致发光灯可用于可使用场致发光灯的任何其它用途中。
尽管上面参照说明性的实例对本发明进行了描述，但是在不偏离本发明所附的权利要求范围的情况下可对这些实例进行各种改进。

Claims (22)

1.一种场致发光灯，它包含：
(a)含有多层光学薄膜的光透射层，其中多层光学薄膜反射至少约80％的法向入射的具有第一偏振取向的可见光，和至少约80％的以偏离法向60度的角度入射在多层光学薄膜上的具有第一偏振取向的可见光，而且所述多层光学薄膜透射至少约50％的法向入射的具有第二偏振取向的可见光，其中第二偏振取向基本上与第一偏振取向垂直；
(b)可让可见光透射的具有第一和第二表面的第一导电层，所述第一导电层的第一表面贴近多层光学薄膜的第一表面；
(c)含有场致发光材料的可见光发射层，所述光发射层具有第一和第二表面，光发射层的第一表面贴近第一导电层的第二表面；
(d)具有第一和第二表面的第二导电层，第二导电层的第一表面贴近光发射层的第二表面。
2.如权利要求1所述的灯，其特征在于所述多层光学薄膜反射至少约90％的法向入射的具有第一偏振取向的可见光。
3.如权利要求1所述的灯，其特征在于所述多层光学薄膜反射至少约95％的法向入射的具有第一偏振取向的可见光。
4.如权利要求1所述的灯，其特征在于所述多层光学薄膜反射至少约98％的法向入射的具有第一偏振取向的可见光。
5.如权利要求1所述的灯，其特征在于所述多层光学薄膜反射至少约99％的法向入射的具有第一偏振取向的可见光。
6.如权利要求1所述的场致发光灯，其特征在于还包括具有第一和第二表面的回射体，所述回射体的第一表面贴近第二导电层的第二表面，其中所述回射体包括多层光学薄膜，所述回射体反射至少约80％的法向入射可见光，和至少约80％以偏离法向60度的角度入射在所述回射体上的可见光。
7.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少90％的法向入射可见光。
8.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少95％的法向入射可见光。
9.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少98％的法向入射可见光。
10.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少99％的法向入射可见光。
11.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少约90％以偏离法向60度的角度入射的可见光。
12.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少约95％以偏离法向60度的角度入射的可见光。
13.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少约98％以偏离法向60度的角度入射的可见光。。
14.如权利要求6所述的场致发光灯，其特征在于所述回射体反射至少约99％以偏离法向60度的角度入射的可见光。。
15.一种场致发光灯，它包含：
(a)含有多层光学薄膜的可见光透射层，其中多层光学薄膜反射至少约90％的法向入射的具有第一偏振取向的可见光，和至少约80％的以偏离法向60度的角度入射在多层光学薄膜上的具有第一偏振取向的可见光，而且所述多层光学薄膜透射至少约50％的法向入射的具有第二偏振取向的可见光，其中第二偏振取向基本上与第一偏振取向垂直；
(b)可让可见光透射的具有第一和第二表面的第一导电层，所述第一导电层的第一表面贴近多层光学薄膜的第一表面；
(c)含有场致发光材料的可见光发射层，所述光发射层具有第一和第二表面，可见光发射层的第一表面贴近第一导电层的第二表面；
(d)具有第一和第二表面的第二导电层，第二导电层的第一表面贴近光发射层的第二表面；
(e)具有第一和第二表面的回射体，所述回射体的第一表面贴近第二导电层的第二表面，其中所述回射体包括多层光学薄膜，所述回射体反射至少约90％的法向入射可见光，和至少约80％以偏离法向60度的角度入射在所述回射体上的可见光。
16.一种场致发光灯，它包含：
(a)含有多层光学薄膜的可见光透射层，所述多层光学薄膜含有：
(1)具有取向双折射的第一类薄层，所述第一类薄层的平均厚度不大于约0.5微米；
(2)由选定的聚合物构成的第二类薄层，各第二类薄层的平均厚度不大于0.5微米；
(b)可让可见光透射的具有第一和第二表面的第一导电层，所述第一导电层的第一表面贴近多层光学薄膜的第一表面；
(c)含有场致发光材料的可见光发射层，所述光发射层具有第一和第二表面，光发射层的第一表面贴近第一导电层的第二表面；
(d)具有第一和第二表面的第二导电层，第二导电层的第一表面贴近光发射层的第二表面。
17.如权利要求16所述的场致发光灯，其特征在于所述多层光学薄膜的第一类薄层含有结晶萘二甲酸聚酯。
18.如权利要求16所述的场致发光灯，其特征在于所述取向双折射的第一类薄层的双折射性能比第二聚合物更强。
19.如权利要求16所述的场致发光灯，其特征在于所述多层光学薄膜还含许有多第一类薄层和第二类薄层，其中第二类薄层中的一层位于相邻的两层第一类薄层之间。
20.如权利要求16所述的场致发光灯，其特征在于所述多层光学薄膜含有至少五十层第一类薄层和五十层第二类薄层。
21.如权利要求16所述的场致发光灯，其特征在于还包含具有第一和第二表面的回射体，所述回射体的第一表面贴近第二导电层的第二表面，其中所述回射体包括反射性多层光学薄膜，所述回射体含有：
(1)具有双轴向取向双折射的第一类薄层，所述第一类薄层的平均厚度不大于约0.5微米；
(2)由选定的聚合物构成的第二类薄层，各第二类薄层的平均厚度不大于0.5微米。
22.如权利要求21所述的场致发光灯，其特征在于所述双轴向取向双折射的第一类薄层的双折射更强于反射性多层光学薄膜中由选定的聚合物构成的第二类薄层。
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