KR20180086507A

KR20180086507A - 광대역 가시 반사기

Info

Publication number: KR20180086507A
Application number: KR1020187020144A
Authority: KR
Inventors: 에드워드 제이 키벨; 라이언 티 파빅; 티모시 제이 네빗
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-07-31
Also published as: US11947138B2; JP2023169289A; CN111856635A; TW201734509A; EP3391111A1; CN108474910B; CN111856635B; US11029455B2; JP7566107B2; JP2018537723A; EP3391111A4; JP7519170B2; US20210239887A1; CN108474910A; CN111856634A; WO2017106096A1; US20180372932A1; CN111856634B

Abstract

광대역 가시 반사기가 개시된다. 특히, 감소된 축상 청색 반사율을 가진 광대역 가시 반사기가 기술된다. 반사 시에 황색으로 보이는 광대역 가시 반사기가 기술된다. 그러한 광대역 가시 반사기는 백라이트 및 디스플레이에 사용될 수 있다.

Description

광대역 가시 반사기

중합체 다층 광학 필름은 수십 내지 수백 개의 용융된 중합체 층을 공압출하고 후속하여 생성된 필름을 배향 또는 연신시킴으로써 형성된다. 이들 미세층(microlayer)은 광이 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사되도록 상이한 굴절률 특성 및 충분한 얇기(thinness)를 갖는다. 광대역 가시 반사기(broadband visible reflector)는 가시 스펙트럼(visible spectrum)의 전부 또는 실질적으로 전부에 걸쳐 반사하고, 디스플레이 및 조명 응용에 유용할 수 있다.

일 태양에서, 본 설명은 광대역 가시 반사기에 관한 것이다. 특히, 광대역 가시 반사기는 복수의 광학 반복 유닛(optical repeat unit)을 포함하고, 각각의 광학 반복 유닛은 제1 복굴절 중합체 층(birefringent polymer layer) 및 제2 중합체 층을 포함한다. 광학 반복 유닛은 각각 광학 두께를 갖고, 임의의 광학 반복 유닛의 광학 두께는 220 nm 이상이다.

다른 태양에서, 본 설명은 광대역 가시 반사기에 관한 것이다. 광대역 가시 반사기는 복수의 광학 반복 유닛을 포함하고, 각각의 광학 반복 유닛은 제1 복굴절 중합체 층 및 제2 중합체 층을 포함한다. 광대역 가시 반사기는 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광(unpolarized light)의 30% 이상을 투과시킨다.

또 다른 태양에서, 본 개시 내용은 광대역 가시 반사기에 관한 것이다. 광대역 가시 반사기는 반사 시에 황색으로 보인다. 광대역 가시 반사기는 또한 CIE 1931 명소시 응답 함수(photopic response function)를 사용하여 결정되는, 가시 스펙트럼에 걸친 95% 이상의 명소시-가중 평균(photopically-weighted average) R_hemi(λ)를 제공한다.

도 1은 반사 필름의 개략적인 사시도.
도 2는 다층 중합체 반사 필름에 대한 계산된 반구 반사율(hemispheric reflectivity) 대 측정된 반구 반사율을 도시한 그래프.
도 3은 비교예 C1의 다층 필름의 층 프로파일(layer profile)을 도시한 그래프.
도 4는 비교예 C1의 다층 필름의 축상 투과율(on-axis transmission)을 도시한 그래프.
도 5는 예 1의 다층 필름의 층 프로파일을 도시한 그래프.
도 6은 예 1의 다층 필름의 축상 투과율을 도시한 그래프.
도 7은 비교예 C1에 대해 정규화된, 명소시 가중 반구 반사 대 층 두께 사이의 관계를 도시한 그래프.

다층 광학 필름, 즉 상이한 굴절률의 미세층의 배열에 의해 적어도 부분적으로 바람직한 투과 및/또는 반사 특성을 제공하는 필름이 알려져 있다. 진공 챔버 내에서 기재 상에 광학적으로 얇은 층("미세층")으로 일련의 무기 재료를 침착시킴으로써 그러한 다층 광학 필름을 제조하는 것이 알려져 있다. 무기 다층 광학 필름은, 예를 들어 문헌[H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, 2nd Ed., Macmillan Publishing Co. (1986) and by A. Thelan, Design of Optical Interference Filters, McGraw-Hill, Inc. (1989)]의 교재에 기술되어 있다.

다층 광학 필름은 또한 교번하는 중합체 층의 공압출에 의해 입증되었다. 예컨대, 미국 특허 제3,610,729호(로저스(Rogers)), 제4,446,305호(로저스 등), 제4,540,623호(임(Im) 등), 제5,448,404호(슈렝크(Schrenk) 등), 및 제5,882,774호(존자(Jonza) 등)를 참조한다. 이들 중합체 다층 광학 필름에서, 중합체 재료가 개별 층의 구성에 주로 또는 전적으로 사용된다. 이들은 열가소성 다층 광학 필름으로 지칭될 수 있다. 그러한 필름은 대량 제조 공정에 적합하고 대형 시트(sheet) 및 롤(roll) 제품으로 제조될 수 있다. 아래의 설명 및 예는 열가소성 다층 광학 필름에 관한 것이다.

다층 광학 필름은 일부 광이 인접한 미세층들 사이의 계면에서 반사되도록 상이한 굴절률 특성을 갖는 개별 미세층을 포함한다. 미세층은 다층 광학 필름에 원하는 반사 또는 투과 특성을 제공하기 위해 복수의 계면에서 반사된 광이 보강 또는 상쇄 간섭을 겪도록 충분히 얇다. 자외선, 가시, 또는 근적외선 파장에서 광을 반사하도록 설계된 다층 광학 필름에 대해, 각각의 미세층은 일반적으로 약 1 μm 미만의 광학 두께(물리적 두께에 굴절률을 곱한 것)를 갖는다. 층은 일반적으로 가장 얇은 것으로부터 가장 두꺼운 것으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 교번하는 광학 층의 배열은 층 총수(layer count)의 함수로서 실질적으로 선형으로 변화할 수 있다. 이들 층 프로파일은 선형 층 프로파일로 지칭될 수 있다. 다층 광학 필름의 외측 표면에 있는 스킨 층(skin layer), 또는 미세층의 간섭성 그룹(coherent grouping)(본 명세서에서 "패킷"(packet)으로 지칭됨)을 분리하는, 다층 광학 필름 내에 배치되는 보호 경계 층(protective boundary layer, PBL)과 같은 보다 두꺼운 층이 포함될 수 있다. 일부 경우에, 보호 경계 층은 다층 광학 필름의 교번하는 층들 중 적어도 하나와 동일한 재료일 수 있다. 다른 경우에, 보호 경계 층은 그의 물리적 또는 유동학적 특성을 위해 선택되는 상이한 재료일 수 있다. 보호 경계 층은 광학 패킷의 일 면 상에 또는 양 면 상에 있을 수 있다. 단일-패킷 다층 광학 필름의 경우에, 보호 경계 층은 다층 광학 필름의 하나의 또는 둘 모두의 외부 표면 상에 있을 수 있다.

패킷은, 이러한 설명의 목적을 위해, 일반적으로 단조적으로 변화하는 두께의 광학 반복 유닛이다. 예를 들어, 패킷은 단조적으로 증가하거나, 단조적으로 감소하거나, 증가하고 또한 일정하거나, 감소하고 또한 일정하지만, 증가하고 또한 감소하지는 않을 수 있다. 이러한 패턴을 따르지 않는 하나 또는 수개의 층은 패킷으로서의 소정의 광학 반복 층 그룹의 전반적인 정의 또는 식별에 중요하지는 않은 것으로 이해되어야 한다. 일부 실시예에서, 관심대상의 소정의 하위범위의 스펙트럼(예컨대 가시 스펙트럼)에 걸쳐 집합적으로 반사를 제공하는 연속하는, 비-중복 층 쌍의 가장 큰 개별 그룹으로서 패킷을 정의하는 것이 도움이 될 수 있다.

일부 경우에, 미세층은 ¼-파장 스택(wave stack)을 제공하는 두께 및 굴절률 값을 갖는데, 즉 동일한 광학 두께(f-비 = 50%)의 2개의 인접한 미세층을 각각 갖는 광학 반복 유닛 또는 유닛 셀(unit cell)로 배열되며, 그러한 광학 반복 유닛은 그의 파장(λ)이 광학 반복 유닛의 전체 광학 두께의 약 2배인 보강 간섭 광에 의한 반사에 효과적이다. 다른 층 배열, 예컨대 그의 f-비가 50%와 상이한 2-미세층 광학 반복 유닛을 갖는 다층 광학 필름, 또는 그의 광학 반복 유닛이 2개 초과의 미세층을 포함하는 필름이 또한 알려져 있다. 이들 광학 반복 유닛 설계는 소정의 고차 반사(higher-order reflection)를 감소시키거나 증가시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 미국 특허 제5,360,659호(아렌즈(Arends) 등) 및 제5,103,337호(슈렝크 등)를 참조한다. 필름의 두께 축(예컨대, z-축)을 따른 광학 반복 유닛의 두께 구배가 사람의 가시 영역 전체에 걸쳐 그리고 근적외선 내로 연장되는 반사 대역과 같은 확장된 반사 대역을 제공하도록 사용될 수 있고, 따라서 이러한 대역이 경사 입사각에서 보다 짧은 파장으로 이동함에 따라 미세층 스택이 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 계속하여 반사하게 된다. 대역 에지, 즉 고 반사와 고 투과 사이의 파장 전이를 선명하게 하도록 맞춰진 두께 구배가 미국 특허 제6,157,490호(휘틀리(Wheatley) 등)에 논의되어 있다.

많은 응용에서, 필름의 반사 특성은 "반구 반사율" R_hemi(λ)에 관하여 특징지어질 수 있고, 이는 (소정의 파장 또는 관심대상의 파장 범위의) 광이 모든 가능한 방향으로부터 구성요소(표면이든, 필름이든, 또는 필름의 집합체이든 간에)에 입사할 때 그러한 구성요소의 총 반사율을 의미한다. 따라서, 구성요소는 수직 방향에 중심을 둔 반구 내로 모든 방향으로부터 입사하는 광으로(그리고 달리 특정되지 않는 한, 모든 편광 상태로) 조명되고, 그 동일한 반구 내로 반사되는 모든 광이 수집된다. 반사된 광의 총 플럭스(flux) 대 관심대상의 파장 범위에 대한 입사 광의 총 플럭스의 비가 반구 반사율 R_hemi(λ)를 생성한다. 반사기를 그의 R_hemi(λ)에 관하여 특징지우는 것은 특히 백라이트 재순환 공동(backlight recycling cavity)에 대해 편리한데, 이는 광이 흔히 - 전방 반사기이든, 후방 반사기이든, 또는 측면 반사기이든 간에 - 공동의 내부 표면에 모든 각도에서 입사하기 때문이다. 또한, 수직 입사 광에 대한 반사율과 달리, R_hemi(λ)는 재순환 백라이트 내의 일부 구성요소(예컨대, 프리즘형 필름)에 대해 매우 상당할 수 있는, 입사각에 따른 반사율의 변동에 민감하지 않고 이미 그 변동을 고려하고 있다.

백라이트를 사용하는 다수의 전자 디스플레이 응용에 대해, 그리고 일반 및 특수 조명 응용을 위한 백라이트에 대해, 백라이트의 백플레인(backplane)을 형성하는 반사기 필름이 고 반사율 특성을 갖는 것이 바람직할 수 있음이 이해된다. 실제로, 반구 반사율 스펙트럼 R_hemi(λ)가 백라이트의 광 출력 효율과 강하게 상관되며; 가시 광 스펙트럼에 걸친 R_hemi(λ) 값이 높을수록, 백라이트의 출력 효율이 높아지는 것이 또한 이해된다. 이는 특히 재순환 백라이트에 대해 그러하며, 이 경우 다른 광학 필름이 백라이트로부터 시준된 또는 편광된 광 출력을 제공하도록 백라이트 출사 개구(exit aperture) 위에 구성될 수 있다.

다층 광학 필름 및 관련된 설계와 구조의 추가의 상세 사항이 미국 특허 제5,882,774호(존자 등) 및 제6,531,230호(웨버(Weber) 등), PCT 공개 WO 95/17303호(오더커크(Ouderkirk) 등) 및 WO 99/39224호(오더커크 등), 및 문헌["Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors", Science, Vol. 287, March 2000 (Weber et al.)]에 논의되어 있다. 다층 광학 필름 및 관련된 물품은 그들의 광학적, 기계적, 및/또는 화학적 특성을 위해 선택되는 추가의 층 및 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, UV 흡수 층이 구성요소를 UV 광에 의해 유발되는 열화로부터 보호하기 위해 필름의 입사 면에 추가될 수 있다. 다층 광학 필름은 UV-경화성 아크릴레이트 접착제 또는 다른 적합한 재료를 사용하여 기계적 강화 층에 부착될 수 있다. 그러한 강화 층은 PET 또는 폴리카르보네이트와 같은 중합체를 포함할 수 있고, 또한 예컨대 비드(bead) 또는 프리즘의 사용에 의해, 광 확산 또는 시준과 같은 광학 기능을 제공하는 구조화된 표면을 포함할 수 있다. 추가의 층 및 코팅은 또한 내스크래치성 층(scratch resistant layer), 내인열성 층(tear resistant layer), 및 경화제(stiffening agent)를 포함할 수 있다. 예컨대, 미국 특허 제6,368,699호(길버트(Gilbert) 등)를 참조한다. 다층 광학 필름을 제조하기 위한 방법 및 장치가 미국 특허 제6,783,349호(네빈(Neavin) 등)에 논의되어 있다.

다층 광학 필름의 반사 및 투과 특성은 각각의 미세층의 굴절률 및 미세층의 두께와 두께 분포의 함수이다. 각각의 미세층은 적어도 필름 내의 국소화된 위치에서, 평면내(in-plane) 굴절률 n_x, n_y, 및 필름의 두께 축과 연관된 굴절률 n_z에 의해 특징지어질 수 있다. 이들 굴절률은 각각 상호 직교하는 x-축, y-축, 및 z-축을 따라 편광되는 광에 대한 당해 재료의 굴절률을 나타낸다. 본 특허 출원에서 설명의 용이함을 위해, 달리 특정되지 않는 한, x-축, y-축, 및 z-축은 다층 광학 필름 상의 관심대상의 임의의 지점에 적용가능한 국소 직교 좌표(local Cartesian coordinate)인 것으로 가정되며, 여기서 미세층은 x-y 평면에 평행하게 연장되고, x-축은 Δn_x의 크기를 최대화하도록 필름의 평면 내에 배향된다. 따라서, Δn_y의 크기는 Δn_x의 크기 이하 - 그러나, 초과하지는 않음 - 일 수 있다. 또한, 차이 ΔΔn_x, Δn_y, Δn_z를 계산함에 있어서 어떤 재료 층으로 시작할지의 선택은 Δn_x가 음이 되지 않을 것을 요구함으로써 정해진다. 다시 말하면, 계면을 형성하는 2개의 층들 사이의 굴절률 차이가 Δn_j = n_1j ― n_2j이고, 여기서 j = x, y, 또는 z이고, 층의 번호 1, 2는 n_1x ≥ n_2x, 즉 Δn_x ≥ 0이 되도록 선택된다.

실제로, 굴절률은 적절한 재료 선택 및 처리 조건에 의해 제어된다. 다층 필름은 2개의 교번하는 중합체 A, B를 다수의, 예컨대 수십 또는 수백 개의 층으로 공압출하고, 선택적으로 이어서 다층 압출물을 하나 이상의 층 다중화(layer multiplication) 장치로 통과시키고, 이어서 필름 다이(film die)를 통해 캐스팅(casting)하고, 그리고 나서 최종 필름을 형성하도록 압출물을 연신 또는 달리 배향시킴으로써 제조된다. 생성된 필름은 전형적으로 원하는 스펙트럼의 영역(들)에서, 예컨대 가시 또는 근적외선에서 하나 이상의 반사 대역을 제공하도록 그의 두께 및 굴절률이 맞춰진 수백 개의 개별 미세층으로 구성된다. 적당한 수의 층에 의한 고 반사율을 달성하기 위해, 인접한 미세층은 전형적으로 x-축을 따라 편광되는 광에 대해 0.05 이상의 굴절률 차이(Δn_x)를 나타낸다. 일부 실시예에서, 재료는 x-축을 따라 편광되는 광에 대한 굴절률 차이가 배향 후에 가능한 한 크도록 선택된다. 2개의 직교하는 편광에 대해 고 반사율이 요구되는 경우, 인접한 미세층은 또한 y-축을 따라 편광되는 광에 대해 0.05 이상의 굴절률 차이(Δn_y)를 나타내도록 제조될 수 있다.

위에서 참조된 '774호(존자 등) 특허는 특히 z-축을 따라 편광되는 광에 대한 인접한 미세층들 사이의 굴절률 차이(Δn_z)가 경사 입사 광의 p-편광 성분에 대한 바람직한 반사율 특성을 달성하도록 맞춰질 수 있는 방법을 기술한다. 경사 입사각에서의 p-편광된 광의 고 반사율을 유지하기 위해, 미세층들 사이의 z-굴절률 부정합 Δn_z는 최대 평면내 굴절률 차이 Δn_x보다 실질적으로 작도록 제어될 수 있고, 따라서 Δn_z ≤ 0.5*Δn_x, 또는 Δn_z ≤ 0.25*Δn_x가 된다. 0 또는 거의 0인 크기의 z-굴절률 부정합은 p-편광된 광에 대한 그의 반사율이 입사각의 함수로서 일정하거나 거의 일정한 미세층들 사이의 계면을 생성한다. 또한, z-굴절률 부정합 Δn_z는 평면내 굴절률 차이 Δn_x와 비교해 반대 극성을 갖도록, 즉 Δn_z < 0이 되도록 제어될 수 있다. 이러한 조건은, s-편광된 광에 대한 경우에서와 같이, p-편광된 광에 대한 그의 반사율이 입사각이 증가함에 따라 증가하는 계면을 생성한다.

'774호(존자 등)에서 논의된 다른 설계 고려사항은 다층 반사 편광기(polarizer)의 공기 계면에서의 표면 반사에 관한 것이다. 편광기가 투명한 광학 접착제에 의해 기존의 유리 구성요소에 또는 다른 기존의 필름에 양 면 상에서 라미네이팅되지(laminated) 않는 한, 그러한 표면 반사는 광학 시스템에서 원하는 편광의 광의 투과를 감소시킬 것이다. 따라서, 일부 경우에, 반사방지(antireflection, AR) 코팅을 반사 편광기에 추가하는 것이 유용할 수 있다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 중합체 다층 광학 필름은 고도로 반사성일 수 있으며; 예를 들어 그들은 수직 입사에서 측정될 때 가시 광의 95% 또는 99% 또는 심지어 99.5%를 초과하여 반사할 수 있다. 가시 광은 400 nm 내지 700 nm, 또는 일부 경우에 420 nm 내지 700 nm의 파장으로 특징지어질 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 바와 같은 중합체 다층 광학 필름은 얇을 - 일부 경우에, 100 μm, 85 μm, 또는 65 μm보다 얇을 - 수 있다. 중합체 다층 광학 필름이 제3 광학 패킷을 포함하는 실시예에서, 필름은 165 μm보다 얇을 수 있다.

스킨 층이 때때로 추가된다. 흔히 이는 층 형성 후에, 그러나 용융물이 필름 다이로부터 배출되기 전에 행해진다. 이어서, 다층 용융물이 폴리에스테르 필름에 대한 통상적인 방식으로 필름 다이를 통해 냉각 롤(chill roll) 상으로 캐스팅되고, 그 상에서 용융물이 급랭된다(quenched). 이어서, 캐스팅된 웨브(web)가, 예를 들어 미국 특허 공개 제2007/047080 A1호, 미국 특허 공개 제2011/0102891 A1호, 및 미국 특허 제7,104,776호(메릴(Merrill) 등)에 기술된 바와 같이, 광학 층들 중 적어도 하나에서 복굴절성을 달성하도록 다양한 방식으로 연신되어, 많은 경우에 반사 편광기 또는 미러 필름(mirror film) 중 어느 하나를 생성한다.

광대역 가시 반사기는 축상 및 소정 각도 둘 모두로 광을 반사하기 위해, 가시 스펙트럼의 넓은 적용범위(coverage)를 제공하도록 설계되었다. 예를 들어, 광대역 가시 반사기는 CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정되는, 가시 스펙트럼에 걸친 95% 이상의 명소시-가중 평균 R_hemi(λ)를 제공할 수 있다. 이는 축상으로 청색 광을 반사하기 위해, 200 nm만큼 작은 또는 훨씬 더 작은 광학 두께를 가진 층 쌍이 존재하도록 층 프로파일을 설계하는 것을 의미한다. 이들 얇은 층은 균일한 외양 및 반사기에 대한 고성능(즉, 그것이 광대역 반사기로 유지되는 것을 보장하기 위함)을 제공하는 데 필요한 것으로 고려되었다. 그러나, 광대역 가시 반사기에 사용되는 전형적인 복굴절 재료에 대해, 흡수율이 이들 얇은 층에 대해 가장 높다. 또한, 필름으로부터의 소정 각도에서, 이들 가장 얇은 층은 자외선(비-가시) 광만을 반사하거나 입사 광에 대해 투과성으로 되고, 시스템에 대한 임의의 반사율에 기여하지 않는다. 놀랍게도, (보다 적은 층을 사용함으로써 또는 보다 급격한 층 프로파일 기울기(slope)를 제공함으로써) 이들 가장 청색의 층을 제거하거나 최소화하는 것의 이점이 축상으로 청색 광의 일부분을 투과시키는 것으로부터의 임의의 불이익보다 더욱 중요하다. 중간 두께의 층, 예를 들어 녹색 반사 층은 보다 청색의 파장을 포함하도록 소정 각도에서의 그들의 반사 파장을 이동시킨다. 따라서, 가시 파장에 걸쳐 명소시 가중될 때 R_hemi(λ)의 증가가 관찰된다. 이는 특히 검사될 때 그러한 필름이 청색 누설(blue leak)로서 기술될 수 있는 특성을 가질 것이기 때문에 놀라운 것이다. 청색 누설은 청색 광이 필름을 통해 투과된다는 사실과 관련된다. 투과 시에, 반사기는 청색으로 보인다. 반사 시에, 그러한 필름은 황색인 것으로 보일 것이다. 외양의 이들 결함에도 불구하고, 본 명세서에 제공된 예는 그러한 필름이 디스플레이에서 우수한 반사 성능을 제공할 수 있고, 이 경우 축상 반사율은 소정 각도로의 반사와 비교해 상대적인 중요성이 적다는 것을 보여준다. 이러한 성능 개선은 가시 스펙트럼에 걸쳐 명소시 평균된 R_hemi(λ)의 증가에 의해 포착된다. 일부 실시예에서, 임의의 광학 반복 유닛의 광학 두께는 220 nm 이상이다(이는 대략 440 nm의 반사된 축상 파장에 대응함). 일부 실시예에서, 임의의 광학 반복 유닛의 광학 두께는 225 nm 이상이다. 일부 실시예에서, 광대역 가시 반사기는 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 20 퍼센트 이상을 투과시킨다. 일부 실시예에서, 광대역 가시 반사기는 380 nm 내지 450 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 20 퍼센트 이상을 투과시킨다. 일부 실시예에서, 광대역 가시 반사기는 380 nm 내지 410 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 30, 40, 또는 50 퍼센트 이상을 투과시킨다. 이들 기술적 설계 기준, 즉 가장 청색의 층을 최소화하거나 제거하는 것은 또한 광대역 가시 반사기의 필요한 전체 두께를 감소시키면서 다른 고성능 다층 반사기와 유사한 또는 그보다 우수한 성능을 제공할 수 있다.

예

R _hemi (λ)의 측정 및 계산

R_hemi(λ)를 미국 특허 출원 공개 제2013/0215512호(코지오(Coggio) 등)에 기술된 장치를 사용하여 측정하였다. 랩스피어(Labsphere)(미국 뉴햄프셔주 노스 서턴 소재의 랩스피어, 인크.(Labsphere, Inc.))에 의해 제조되고 스펙트랄론(Spectralon)(등록상표) 반사 코팅을 갖는, 3개의 상호 직교하는 포트(port)를 가진 상업용 6 인치 적분구(integrating sphere)를 사용하여 샘플을 조명하고 반구 반사율 스펙트럼 R_hemi(λ)를 결정하였다. 안정화된 광원으로 하나의 포트를 통해 구를 조명하였다. 포토 리서치(Photo Research)(등록상표) PR650 분광광도계(spectrophotometer)(미국 캘리포니아주 챗스워스 소재의 포토 리서치, 인크.(Photo Research Inc.)로부터 입수가능함)를 사용하여 제2 포트를 통해 구 내부 벽 방사 휘도(radiance)를 측정하였다. 샘플을 제3 포트 상에 배치하였다. 적분구 벽 방사 휘도의 교정을, 제3 포트 상에 배치한 알려진 반사율 표준(미국 뉴햄프셔주 노스 서턴 소재의 랩스피어, 인크.로부터 입수가능한 스펙트랄론(등록상표) 레퍼런스 타겟(Reference Target) SRT-99-050)을 사용함으로써 행하였고, 교정 표준이 있는 상태와 없는 상태에서 구-벽 방사 휘도를 측정하였다. 샘플을 제3 포트 상에 배치함으로써 R_hemi(λ)를 측정하였고; 샘플이 있는 상태와 없는 상태의 구 벽 방사 휘도의 비를 취하고 간단한 적분구 강도-이득 알고리즘(intensity-gain algorithm)을 채용함으로써 샘플 반구 반사율 R_hemi(λ)를 얻었다.

적분구 내에서의 평형 강도 분포가 램버시안 분포(Lambertian distribution)와 근사할 것으로 예상되며, 이는 샘플에의 입사각에 관한 강도의 확률 분포가 코사인(θ)가 될 것임을 의미하며, 여기서 θ=0이 샘플에 수직이다.

도 1은 반사 필름의 개략적인 사시도이다. 도 1은 입사각(θ)으로 반사 필름(110)에 입사하고 그럼으로써 입사 평면(132)을 형성하는 광선(130)을 예시한다. 반사 필름(110)은 x-축에 평행한 제1 반사 축(116) 및 y-축에 평행한 제2 반사 축(114)을 포함한다. 광선(130)의 입사 평면(132)은 제1 반사 축(116)에 평행하다. 광선(130)은 입사 평면(132) 내에 있는 p-편광된 성분, 및 입사 평면(132)에 직교하는 s-편광된 성분을 갖는다. 광선(130)의 p-편광된 광은 R_pp-x의 반사율을 갖고서 반사 필름에 의해 반사될 것이고(반사 필름(110)의 평면 상으로의 광선(130)의 p-편광된 광의 전계(electric field)의 투영은 x-방향에 평행함), 한편 광선(130)의 s-편광된 광은 R_ss-y의 반사율을 갖고서 반사 필름에 의해 반사된다(광선(130)의 s-편광된 광의 전계는 y-방향에 평행함).

또한, 도 1은 필름(110)의 제2 반사 축(114)에 평행한 입사 평면(122) 내에서 반사 필름에 입사하는 광선(120)을 예시한다. 광선(120)은 입사 평면(122) 내에 있는 p-편광된 성분, 및 입사 평면(122)에 직교하는 s-편광된 성분을 갖는다. 광선(120)의 p-편광된 광은 R_pp-y의 반사율을 갖고서 반사 필름에 의해 반사될 것이고, 한편 광선(120)의 s-편광된 광은 R_ss-x의 반사율을 갖고서 반사 필름에 의해 반사된다. 임의의 입사 평면에 대해, p-편광된 광 및 s-편광된 광의 투과 및 반사의 양은 본 명세서에 추가로 기술되는 바와 같이, 반사 필름의 특성에 의존할 것이다.

R_hemi(λ)는 미세층 및 광학 필름의 다른 층 요소의 층 두께 프로파일에 대한 정보로부터 그리고 미세층 및 필름 내의 다른 층 각각과 연관된 굴절률 값으로부터 계산될 수 있다. 다층 필름의 광학 응답에 대해 4x4 행렬-해석 소프트웨어 어플리케이션(matrix-solving software application)을 사용함으로써, 반사 및 투과 스펙트럼 둘 모두가 x-축 입사 평면에 대해 그리고 y-축 입사 평면에 대해 그리고 p-편광된 입사 광 및 s-편광된 입사 광 각각에 대해 알려진 층 두께 프로파일(들) 및 굴절률 특성으로부터 계산될 수 있다. 이로부터, R_hemi(λ)가 아래에 열거된 수학식의 사용에 의해 계산될 수 있다:

여기서

및

여기서 E(θ)는 강도 분포이다.

미국 특허 제6,531,230호(웨버 등)에 전반적으로 기술된 바와 같이 고차 고조파(higher order harmonic) 가시 반사 대역의 어레이로 구성된 다층 중합체 반사기 필름을 얻었다. 다층 중합체 반사기 필름에 대한 R_hemi(λ)를 전술된 바와 같은 랩스피어 적분구를 사용하여 측정하였고, 생성된 스펙트럼(208)이 도 2에 도시되어 있다. 이러한 다층 중합체 반사기 필름에 대한 투과 스펙트럼을 퍼킨엘머(PerkinElmer) L1050 분광광도계(미국 펜실베이니아주 월섬 소재의 퍼킨엘머 인크.(PerkinElmer Inc.))로 측정하였고, R_hemi를 위에 열거된 수학식(및 측정된 스펙트럼 입력)을 사용하여 계산하였다. 이러한 계산에서, 그리고 모든 추가의 R_hemi(λ) 계산에 대해, E(θ)를 코사인(θ) 의존성을 가진, 램버시안 강도 분포로서 취하였다. 도 2는 계산된 R_hemi(λ) 스펙트럼(204)이 다층 중합체 반사기 필름에 대한 측정된 R_hemi(λ) 스펙트럼(208)과 양호하게 일치하는 것을 입증한다. 이는 계산 기술이 세부적인 반사 스펙트럼에 대한 흡수 손실의 영향을 포함하여, 광대역 가시 반사기로부터의 반사의 관련 물리학을 포착하였음을 나타내었다.

비교예 C1

PEN 및 PMMA의 광학 반복 유닛을 가진 단일 패킷 반사기를 도 3에 도시된 바와 같은 층 프로파일로 모델링하였다. 층 프로파일은 각각의 광학 반복 유닛의 총 물리적 두께 대 광학 반복 유닛 수이다. 이러한 층 프로파일은 축상 및 소정 각도 둘 모두로의, 가시 범위에 걸친 통상적인 넓은 적용범위를 나타낸다. 모델링된 필름은 62.1 마이크로미터의 총 두께를 가졌다.

다층 필름의 광학 응답에 대해 4×4 행렬-해석 소프트웨어 어플리케이션을 사용하여 필름에 대한 반사 스펙트럼을 계산하였다. 시뮬레이션에 사용된 PEN 및 PMMA에 대한 파장 의존성 굴절률의 실수 부분(n_x, n_y, n_z) 및 허수 부분(k_x, k_y, k_z)이 표 1에 제공되어 있다. 계산에서, 굴절률 값을 표 1의 값들 사이에서 그리고 그 값들을 넘어서 매끄럽게 변화하도록 취하였다.

[표 1]

수직 각도 반사 및 투과 스펙트럼을 보다 얇은 광학 반복 유닛 면에 입사하는 광에 대해 계산하였다. 수직 입사에서 비편광 광에 대한 투과 스펙트럼이 도 4에 도시되어 있다. 필름에 대한 반구 반사율을 또한 계산하였다. CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정된, R_hemi(λ)의 명소시-가중 평균은 99.55%인 것으로 계산되어, 0.45%의 손실(100% - R_hemi)을 제공하였다.

예 1

단일 패킷 반사기를, 모든 광학 반복 유닛을 10% 더 두껍게 제조한 것을 제외하고는, 비교예 C1에서와 같이 표 1의 값을 사용하여 설계하고 모델링하였다. 총 광학 반복 유닛 물리적 두께 대 광학 반복 유닛 수를 도시하는 층 프로파일이 도 5에 도시되어 있다. 모델링된 필름은 67.8 마이크로미터의 총 두께를 가졌다.

수직 각도 반사 및 투과 스펙트럼을 보다 얇은 광학 반복 유닛 면에 입사하는 광에 대해 계산하였다. 수직 입사에서 비편광 광에 대한 투과 스펙트럼이 도 6에 도시되어 있다. 필름에 대한 반구 반사율을 또한 계산하였다. CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정된, R_hemi(λ)의 명소시-가중 평균은 99.61%인 것으로 계산되어, 0.39%의 손실(100% - R_hemi)을 제공하였다.

추가의 필름을, 광학 반복 유닛의 두께를 상이하게 조절한 것을 제외하고는, 예 1과 동일한 방식으로 설계하고 모델링하였다. CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정된, R_hemi(λ)의 명소시-가중 평균을 각각의 필름에 대해 계산하였다. 도 7은 100% 두께(비교예 C1에 대응함 - 99.55% R_hemi), 105% 두께(99.59% R_hemi), 110% 두께(예 1에 대응함 - 99.61% R_hemi), 115% 두께(99.59% R_hemi), 및 120% 두께(99.48% R_hemi)로서 제공된, 비교예 C1의 기준 층 프로파일에 대해 정규화된, 명소시 평균 반구 반사를 도시한다.

하기는 본 개시 내용에 따른 예시적인 실시예이다.

항목 1. 광대역 가시 반사기로서,

복수의 광학 반복 유닛 - 각각의 광학 반복 유닛은 제1 복굴절 중합체 층 및 제2 중합체 층을 포함함 - 을 포함하고,

광학 반복 유닛은 각각 광학 두께를 갖고,

임의의 광학 반복 유닛의 광학 두께는 220 nm 이상인, 광대역 가시 반사기.

항목 2. 광대역 가시 반사기로서,

광대역 가시 반사기는 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 10% 이상을 투과시키는, 광대역 가시 반사기.

항목 3. 항목 2에 있어서, 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 20% 이상을 투과시키는, 광대역 가시 반사기.

항목 4. 항목 2에 있어서, 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 30% 이상을 투과시키는, 광대역 가시 반사기.

항목 5. 광대역 가시 반사기로서,

광대역 가시 반사기는 반사 시에 황색으로 보이고,

광대역 가시 반사기는 CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정되는, 가시 스펙트럼에 걸친 95% 이상의 명소시-가중 평균 R_hemi(λ)를 제공하는, 광대역 가시 반사기.

항목 6. 항목 5에 있어서, 투과 시에 청색으로 보이는, 광대역 가시 반사기.

항목 7. 방법으로서,

항목 1, 항목 2, 또는 항목 5의 광대역 가시 반사기를 제공하는 단계;

광대역 가시 반사기를 백라이트 내로 통합하는 단계를 포함하는, 방법.

항목 8. 항목 1, 항목 2, 또는 항목 5의 광대역 가시 반사기를 포함하는, 백라이트.

항목 9. 항목 1, 항목 2, 또는 항목 5의 광대역 가시 반사기를 포함하는, 디스플레이.

항목 10. 항목 1, 항목 2, 또는 항목 5에 있어서, 복수의 광학 반복 유닛은 제1 패킷 및 제2 패킷으로 배열되는, 광대역 가시 반사기.

항목 11. 항목 1, 항목 2, 또는 항목 5에 있어서, 복수의 광학 반복 유닛은 제1 패킷, 제2 패킷, 및 제3 패킷으로 배열되는, 광대역 가시 반사기.

항목 12. 항목 1, 항목 2, 또는 항목 5에 있어서, 복수의 광학 반복 유닛은 단일 패킷으로 배열되는, 광대역 가시 반사기.

Claims

광대역 가시 반사기(broadband visible reflector)로서,
복수의 광학 반복 유닛(optical repeat unit) - 각각의 광학 반복 유닛은 제1 복굴절 중합체 층(birefringent polymer layer) 및 제2 중합체 층을 포함함 - 을 포함하고,
광학 반복 유닛은 각각 광학 두께를 갖고,
임의의 광학 반복 유닛의 광학 두께는 220 nm 이상이고,
광대역 가시 반사기는 CIE 1931 명소시 응답 함수(photopic response function)를 사용하여 결정되는, 가시 스펙트럼에 걸친 95% 이상의 명소시-가중 평균(photopically-weighted average) R_hemi(λ)를 제공하는, 광대역 가시 반사기.
광대역 가시 반사기로서,
복수의 광학 반복 유닛 - 각각의 광학 반복 유닛은 제1 복굴절 중합체 층 및 제2 중합체 층을 포함함 - 을 포함하고,
광대역 가시 반사기는 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광(unpolarized light)의 10% 이상을 투과시키고,
광대역 가시 반사기는 CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정되는, 가시 스펙트럼에 걸친 95% 이상의 명소시-가중 평균 R_hemi(λ)를 제공하는, 광대역 가시 반사기.
제2항에 있어서, 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 20% 이상을 투과시키는, 광대역 가시 반사기.
제2항에 있어서, 380 nm 내지 430 nm의 수직 입사에서 비편광 광의 30% 이상을 투과시키는, 광대역 가시 반사기.
광대역 가시 반사기로서,
복수의 광학 반복 유닛 - 각각의 광학 반복 유닛은 제1 복굴절 중합체 층 및 제2 중합체 층을 포함함 - 을 포함하고,
광대역 가시 반사기는 반사 시에 황색으로 보이고,
광대역 가시 반사기는 CIE 1931 명소시 응답 함수를 사용하여 결정되는, 가시 스펙트럼에 걸친 95% 이상의 명소시-가중 평균 R_hemi(λ)를 제공하는, 광대역 가시 반사기.
제5항에 있어서, 투과 시에 청색으로 보이는, 광대역 가시 반사기.