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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft Beleuchtungsvorrichtungen,
die optische Materialien verwenden, 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 durchgelassenen Licht.
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Hintergrund
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Es sind in 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.
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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
Iodket ten ausgerichtet ist, und Licht durchzulassen, das senkrecht
zu den Stäben polarisiert
ist. Da 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 überwiegend
gerichtet, mit einer sehr kleinen diffusen Durchlässigkeit
durch den Film oder diffusen Reflexion von den Filmoberflächen. Wie
die meisten anderen kommerziell erhältlichen Polarisatoren, beruhen
diese Polarisationsfilme auf polarisationsselektiver Absorption.
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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 Anstriche 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.
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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.
Folg lich nehmen die optischen Eigenschaften des Films ab, wenn ein
Druck oder Zug quer zur Matrix ausgeübt wird, 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.
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Andere Filme, wie jener, der in
US 4,688,900 (Doane u.a.)
offenbart wird, besteht aus einer klaren lichtdurchlässigen 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.
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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.
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Bei noch anderen Filmen ist dafür gesorgt
worden, daß sie
durch die Anwendung elektrischer oder magnetischer Felder wünschenswerte
optische Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel beschreibt
US 5,008,807 (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.
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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.
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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.
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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 gerichteter 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 und wie sie in den unabhängigen
Ansprüchen
1, 20 und 23 definiert und ferner in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert wird.
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In WO 97/41484 als dem naheliegendsten
Dokument des Stands der Technik, das am 6.11.1997 veröffentlicht
wurde und das Prioritätsdatum
26.4.1996 beansprucht, wird eine Flachbildanzeige offenbart, die
ein Polarisationselement, ein Depolarisationselement, eine Lichtquelle
und einen Reflektor aufweist. Das Polarisationselement liegt in
der Form einer Schicht vor, die eine isotrope zusammenhängende Phase
und eine anisotrope dispergierte Phase aufweist, wobei das isotrope
Material einen Brechungsindex ni aufweist und das anisotrope Material
Brechungsindizes na,e und na,o aufweist. Der Brechungsindex ni ist
im wesentlichen gleich na,e oder na,o.
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In US-A-2 604 817 wird eine Lichtpolarisationsplatte
offenbart, die aus orientierten Fasern eines transparenten Polymermaterials
besteht, das eine Doppelbrechung von mindestens 0,05 aufweist, das
in einem transparenten isotropen Material eingebettet ist. Das isotrope
Material weist einen Brechungsindex auf, der im wesentlichen identisch
mit dem Brechungsindex für
den ordentlichen Strahl der doppelbrechenden Fasern ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung, die einen optischen Körper darstellt,
der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die dispergierte
Phase als eine Reihe von länglichen
Massen mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt angeordnet
ist;
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2 ist
eine schematische Zeichnung, die einen optischen Körper darstellt,
der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei, die dispergierte
Phase als eine Reihe von länglichen
Massen mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt angeordnet
ist;
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3a-e sind schematische Zeichnungen, die verschiedene
Formen der dispergierten Phase in einem optischen Körper darstellen,
der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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4a ist
eine graphische Darstellung der bidirektionalen Streuverteilung
als eine Funktion des Streuwinkels für einen für die Erfindung geeigneten
orientierten Film für Licht,
das senkrecht zur Orientierungsrichtung polarisiert ist;
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4b ist
eine graphische Darstellung der bidirektionalen Streuverteilung
als eine Funktion des Streuwinkels für einen für die Erfindung geeigneten
orientierten Film für
Licht, das parallel zur Orientierungsrichtung polarisiert ist; und
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Mehrschichtfilms, der in der
vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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6a und 6b sind Elektronenmikroskopbilder von optischen
Filmen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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7 ist
ein senkrechtes Durchlässigkeitsspektrum
für Filme,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
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8 ist
ein schematisches Diagramm, das die Verwendung der für die Erfindung
geeigneten Filme als hocheffiziente Lichtauskoppler für optische
Fasern veranschaulicht; und
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9A und 9B sind graphische Darstellungen,
die den relativen Gewinn als eine Funktion des Winkels für die Filme
für die
vorliegenden Erfindung bzw. für
einen kommerziell erhältlichen
optischen Film zeigen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einem Aspekt beschreibt 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 spektral durchgelassen. Diese Eigenschaften
können
verwendet werden, optische Filme für eine Vielfalt von Anwendungen
herzustellen, einschließlich
verlustarmer (im wesentlichen nicht absorbierender) reflektierender
Polarisatoren, für
die Polarisationen von Licht, die im wesentlichen nicht durchgelassen
werden, diffus reflektiert werden.
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In einem verwandten Aspekt beschreibt
die vorliegende Erfindung einen optischen Film oder anderen optischen
Körper,
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).
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In einem weiteren Aspekt verwendet
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.
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In noch einem weiteren Aspekt beschreibt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erhalten eines diffus
reflektierenden Polarisators, das die Schritte aufweist: Bereitstellen
eines ersten Harzes, dessen Grad der Doppelbrechung durch das Anlegen
eines Kraftfeldes 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 Harzen
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.
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In noch einem weiteren Aspekt verwendet
die vorliegende Erfindung einen optischen Körper, der als ein reflektierender
Polarisator 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 Anwendung variieren
kann.
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In einem weiteren Aspekt verwendet
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. Der dichroitische Farbstoff verbessert
den Extinktionskoeffizienten des optischen Körpers, indem er zusätzlich zur
Streuung Licht absorbiert, das parallel zur Orientierungsachse polarisiert
ist.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird ein optischer Körper
verwendet, der mindestens erste und zweite Phasen aufweist, die
längs mindestens
einer Achse cozusammenhängend
sind. Der Brechungsindex der ersten Phase unterscheidet sich von
jenem der zweiten Phase längs
einer ersten Achse um mehr als etwa 0,05 und längs einer zweiten Achse orthogonal
zur ersten Achse um weniger als etwa 0,05. In anderen Ausführungsformen
können
drei oder mehr co-zusammenhängende
Phasen verwendet werden, um dieselben oder ähnliche Anpassungen und Fehlanpassungen
längs gegenseitig
senkrechten Achsen zu erzielen.
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In noch einem weiterem Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein optischer Körper verwendet, der einen Film,
der eine zusammenhängende
und dispergierte Phase aufweist, mit einer darauf angeordneten reflexmindernden
Schicht aufweist. Solche Filme zeigen eine flache Durchlässigkeitskurve
als eine Funktion der Lichtwellenlänge, die dazu beiträgt, irgendwelche
Farbänderungen
an einer sich ergebenden Anzeigevorrichtung zu minimieren, in der
der reflektierende Polarisator eingebaut wird.
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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.
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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.
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Die Größe der dispergierten 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 interessierenden 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.
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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.
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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.
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Es wird auch gefunden, das die dimensionale
Ausrichtung einen Effekt auf das Streuungsverhalten der dispergierten
Phase hat. Insbesondere ist in optischen Körpern, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, 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.
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Der Volumenbruchteil der dispergierten
Phase beeinflußt
ebenfalls die Streuung des Lichtes in den optischen Körpern, die
für die
vorliegende Erfindung geeignet sind. Innerhalb bestimmter Grenzen
trägt eine
Erhöhung
des Volumenbruchteils der dispergierten Phase dazu bei, 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.
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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.
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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 ändert.
Jedoch treffen die Prinzipien der Indexanpassung und Fehlanpassung
immer noch bei jeder interessierenden Wellenlänge zu.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Einleitung
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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 „Ge samtreflexionsvermögen" 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.
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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.
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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.
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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.
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Die Brechungsindizes der zusammenhängenden
und dispergierten Phasen sind längs
einer ersten von drei gegenseitig orthogo nalen 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.
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Die Fehlanpassung der Brechungsindizes
längs einer
besonderen Achse hat den Effekt, 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 reflektierende
Polarisatoren und Spiegel.
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Die vorliegende Erfindung verwendet
einen praktischen und einfachen optischen Körper und ein Verfahren zur
Herstellung eines reflektierenden Polarisators, und verwendet auch
eine Einrichtung, um einen kontinuierlichen 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.
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Effekt der Indexanpassung/Fehlanpassung
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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.
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Die Größe der Indexanpassung oder
Fehlanpassung 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.
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Die 4a-b. demonstrieren diesen Effekt in orientierten
Filmen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. 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 (spektral durchgelassenem)
Licht. Für
Licht, das in die Indexanpassungsrichtung (das heißt senkrecht
zur Orientierungsrichtung) wie in 4a polarisiert
ist, gibt es eine wesentliche gerichtete durchgelassene Spitze mit
einer ziemlich großen
(engl. sizable) 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.
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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.
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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.
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Einige der in der vorliegenden Erfindung
verwendeten Polarisatoren sind elliptische Polarisatoren. Im allgemeinen
werden elliptische Polarisatoren sowohl für die Dehnungs- als auch für die quer
zur Dehnung verlaufenden Richtungen einen Unterschied im Brechungsindex
zwischen der dispergierten Pha se 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.
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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.
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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.
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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.
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Größe der dispergierten Phase
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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 Lichtwellenlänge
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.
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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 bei 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.
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Vorzugsweise werden in Anwendungen,
wo der optische Körper
als ein verlustarmer reflektierender Polarisator 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 vorzugsweise 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.
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Geometrie der dispergierten
Phase
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Während
die Indexfehlanpassung der vorherrschende Faktor ist, auf den man
sich verläßt, um die Streuung
in den für
die vorliegende Erfindung geeigneten Filmen zu unterstützen (d.
h. ein diffuser Spiegel oder Polarisator, der in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, 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.
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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 verhältnismäßig 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.
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Vorzugsweise besteht für einen
verlustarmen reflektierenden Polarisator 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 Dispergiertion (engl. 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.
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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.
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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.
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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.
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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, indem sie in eine zur Hauptachse der Stäbe orthogonale
Richtung im extrudierten Film orientiert werden.
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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.
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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 optischen Körpern, die
zur Verwendung in der vorligenden Erfindung hergestellt wurden,
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
Lichts um die gerichteten Reflexions- und gerichteten Durchlässigkeitsrichtungen
führen.
Zum Beispiel erscheint für
Licht, das auf einem solchen läng lichen
Stab in eine 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.
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Abmessungen der dispergierten
Phase
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In Anwendungen, wo der optische Körper als
ein verlustarmer Reflexionspolarisator verwendet werden soll, weisen
die Strukturen der dispergierten Phase 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.
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Volumenbruchteil der dispergierten
Phase
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Der Volumenbruchteil der dispergierten
Phase beeinflußt
ebenfalls die Streuung von Licht in den optischen Körpern, die
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. 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 einge treten
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.
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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.
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Co-zusammenhängende Phasen
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Wenn sich der Volumenbruchteil für binäre innige
Gemische hoher Polymere annähernd äquivalenter Viskosität 50% nähert, wird
die Unterscheidung zwischen den dispergierten und zusammenhängende Phasen schwierig,
da jede Phase räumlich
zusammenhängend
wird. Abhängig
von den zur Wahl stehenden Materialien kann es auch Bereiche geben,
wo die erste Phase in der zweiten dispergiert zu sein scheint und
umgekehrt. Für
eine Beschreibung einer Vielzahl von co-zusammenhängenden
Morphologien und für
Verfahren zur Bewertung, Analyse und zu deren Charakterisierung,
siehe Sperling und die darin zitierten Verweisquelle (L.H. Sperling, „Microphase
Structure", Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2.
Ausg., B. 9, 760–788, und
L.H. Sperling, Kapitel 1 „Interpenetrating
Polymer Networks: An Overview", Interpenetrating Polymer Networks,
herausgegeben von D. Klempner, L.H. Sperling und L.A. Utracki, Advances
in Chemistry Series #239, 3–38,
1994).
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Materialien mit co-zusammenhängenden
Phasen können
erfindungsgemäß durch
eine Anzahl unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. So kann
zum Beispiel das Polymermaterial der ersten Phase mechanisch mit
dem Polymermaterial der zweiten Phase innig gemischt werden, um
ein co-zusammenhängendes
System zu erzielen. Beispiele co-zusammenhängender Morphologien, die durch
innige Mischung erzielt werden, werden zum Beispiel in D. Bourry
und B.D. Favis, „Co-Continuity
and Phase Inversion in HDPE/PS Blends: The Role of Interfacial Modification",
1995 Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers
ANTEC, B. 53, Nr.2, 2001–2009
(innige Polystyrol/Polyethylen- Gemische), und in A. Leclair und
B.D. Favis, „The
role of interfacial contact in immiscible binary polymer blends
and its influence on mechanical properties" Polymer, B. 37, Nr.
21, 4723–4728,
1996 (innige Polycarbonat/Polyethylen-Gemische) beschrieben.
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Co-zusammenhängende Phasen können erfindungsgemäß auch gebildet
werden, indem sie zuerst aus superkritischen Flüssigextraktionen herausgelöst werden,
wie jenen, die für
innige Gemische aus Polystyrol und Poly(Methyl-Methacrylat) in
US 4,281,084 offenbart werden,
und es dann zugelassen wird, daß sie
eine Phasentrennung durchmachen, nachdem sie Wärme und/oder einer mechanischen
Scherung ausgesetzt wurden, wie in N. Mekhilef, B.D. Favis und P.J.
Carreau, „Morphological
Stability of Polystyrene Polyethylene Blends", 1995 Annual Technical
Conference of the Society of Plastics Engineers ANTEC, B. 53, Nr.
2, 1572–1579
beschrieben.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung
erfindungsgemäßer co-zusammenhängender
Phasen besteht aus der Erzeugung von interpenetrierenden Polymernetzwerken
(IPNs). Einige der wichtigeren IPNs umfassen simultane IPNs, sequentielle
IPNs, Gradienten-IPNs, Latex-IPNs, thermoplastische IPNs und Semi-IPNs. Diese und andere
Typen von IPNs, ihre physikalischen Eigenschaften (z. B. Phasendiagramme)
und Verfahren für
ihre Darstellung und Charakterisierung werden zum Beispiel in L.H.
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Sperling und V. Mishra, „Current
Status of Interpenetrating Polymer Networks", Polymers for Advanced Technologies,
B. 7, Nr. 4, 197–208,
April 1996, und in L.H. Sperling, „Interpenetrating Polymer
Networks: An Overview", Interpenetrating Polymer Networks, herausgegeben
von D. Klempner, L.H. Sperling und L.A. Utracki, Advances in Chemistry
Series #239, 3-38,
1994 beschrieben. Einige der Hauptverfahren zur Darstellung dieser
Systeme werden unten zusammengefaßt.
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Simultane IPNs können hergestellt werden, indem
die jeweiligen Monomere oder Vorpolymerisate plus die Vernetzungsmittel
und Aktivatoren von zwei oder mehreren Polymernetzwerken miteinander
gemischt werden. Die jeweiligen Monomere oder Vorpolymerisate werden
dann gleichzeitig, aber in einer nicht störenden Weise umgesetzt. So
kann zum Beispiel eine Reaktion durchgeführt werden, um durch eine Kettenpolimerisationskinetik
zu verfahren, und die andere Reaktion kann durchgeführt werden,
um durch eine Schrittpolimerisationskinetik zu verfahren.
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Sequentielle IPNs werden hergestellt,
indem zuerst ein Anfangspolymernetzwerk gebildet wird. Dann werden
die Monomere, Vernetzungsmittel und Aktivatoren eines odermehrerer
zusätzlicher
Netzwerke in das Anfangspolymernetzwerk getrieben, wo sie an Ort
und Stelle umgesetzt werden, um zusätzliche Polymernetzwerke zu
ergeben.
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Gradienten-IPNs werden in einer solchen
Weise synthetisiert, daß die
Gesamtzusammensetzung oder Vernetzungsdichte des IPN makroskopisch
im Material von einer Stelle zur anderen variiert. Solche Systeme können zum
Beispiel hergestellt werden, indem ein erstes Polymernetzwerk vorwiegend
auf einer Oberfläche eines
Films gebildet wird und ein zweites Polymernetzwerk vorwiegend auf
der anderen Oberfläche
des Films gebildet wird, mit einem Gradienten der Zusammensetzung
durch das Innere des gesamten Films hindurch.
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Latex-IPNs werden in der Form von
Latizes (z. B. mit einer Kern- und Mantelstruktur) hergestellt.
In einigen Variationen können
zwei oder mehr Latizes gemischt und zu einem Film geformt werden,
der die Polymere vernetzt.
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Thermoplastische IPNs sind Hybride
zwischen innigen Polymergemischen und IPNs, die physikalische Vernetzungen
anstelle chemischer Vernetzungen enthalten. Als Ergebnis kann dafür gesorgt
werden, daß diese
Materialein bei erhöhten
Temperaturen in einer Weise fließen, die ähnlich zu jener thermoplastischer Elastomere
ist, jedoch vernetzt sind und sich bei den Temperaturen des normalen
Gebrauchs als IPNs verhalten.
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Semi-IPNs sind Zusammensetzungen
von zwei oder mehr Polymeren, in denen eines oder mehrere der Polymere
vernetzt sind und eines oder mehrere, der Polymere linear oder verzweigt
sind.
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Wie oben angegeben, kann in Mehrkomponentensystemen
ebenso wie in binären
Systemen eine Co-Kontinuität
erzielt werden. Zum Beispiel können
drei oder mehr Materialein in Kombination verwendet werden, um die
gewünschten
optischen Eigenschaften (z. B. Durchlässigkeit und Reflexionsvermögen) und/oder verbesserte
physikalische Eigenschaften zu ergeben. Alle Komponenten können unvermischbar
sein, oder zwei oder mehr Komponenten können eine Mischbarkeit aufweisen.
Eine Anzahl von Dreistoffsystemen, die eine Co-Kontinuität aufweisen,
werden zum Beispiel in L.H. Sperling, Kapitel 1 „Interpenetrating Polymer
Networks: An Overview", Interpenetrating Polymer Networks, herausgegeben
von D. Klempner, L.H. Sperling und L.A. Utracki, Advances in Chemistry
Series #239, 3-38,
1994) beschrieben.
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Charakteristische Größen der
Phasenstrukturen, Volumenbruchteilbereiche, über die eine Co-Kontinuität beobachtet
werden kann, und die Stabilität
der Morphologie können
alle durch Zusatzstoffe beeinflußt werden, wie Kompatibilisatoren,
Graft- oder Blockcopolymere oder reaktive Komponenten, wie Maleinsäureanhydrid
oder Glycidylmethacrylat. Solche Effekte werden zum Beispiel für innige
Gemische von Polystyrol und Poly(Ethylenterephthalat) in H.Y. Tsai
und K. Min, „Reactive
Blends of Functionalized Polystyrene and Polyethylene Terephthalate",
1995 Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers
ANTEC, B. 53, Nr. 2, 1858–1865
beschrieben. Jedoch können
für besondere
Systeme Phasendiagramme durch laufendes Experimentieren konstruiert
und verwendet werden, um co-zusammenhängende Systeme zu erzeugen,
die für die
vorliegende Erfindung geeignet sind.
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Die mikroskopische Struktur co-zusammenhängender
Systeme, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, kann abhängig vom
Darstellungsverfahren, der Mischbarkeit der Phasen, dem Vorhandensein
von Zusatzstoffen und anderen Faktoren beträchtlich variieren, wie in der
Technik bekannt ist. So können
zum Beispiel eine oder mehrere Phasen im cozusammenhängenden
System feinfaserig sein, wobei die Fasern entweder regellos orientiert
oder längs
einer gemeinsamen Achse orientiert sind. Andere co-zusammenhängende Systeme
können
eine offenzellige Matrix einer ersten Phase mit einer zweiten Phase
aufweisen, die in einer co-zusammenhängenden Weise innerhalb der
Zellen der Matrix angeordnet ist. Die Phasen in. diesen Systemen
können
längs einer
einzelnen Achse, längs
zwei Achsen oder längs
drei Achsen co-zusammenhängend sein.
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Optische Körper, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, die co-zusammenhängende Phasen aufweisen (insbesondere
IPNs) werden in bestimmten Fällen
Eigenschaften aufweisen, die gegenüber den Eigenschaften von ähnlichen
optischen Körpern
vorteilhaft sind, die mit nur einer einzelnen zusammenhängenden
Phase hergestellt werden, natürlich
abhän gig
von den Eigenschaften der einzelnen Polymere und dem Verfahren,
durch das sie kombiniert werden. So erlauben zum Beispiel die co-zusammenhängenden
Systeme für
die vorliegende Erfindung die chemische und physikalische Kombination
von strukturell unähnlichen Polymeren,
wodurch ein bequemer Weg bereitgestellt wird, durch den die Eigenschaften
des optischen Körpers
modifiziert werden können,
um spezifischen Bedürfnissen
zu entsprechen. Ferner werden co-zusammenhängende Systeme häufig einfacher
zu verarbeiten sein, und werden solche Eigenschaften, wie Wetterbeständigkeit,
reduzierte Flammbarkeit, eine größere Stoßfestigkeit
und Zugfestigkeit, eine verbesserte Flexibilität und eine höhere chemische
Beständigkeit
vermitteln. IPNs sind in bestimmten Anwendungen besonders vorteilhaft,
da sie typischwerweise in Lösungsmitteln
quellen (sich jedoch nicht auflösen)
und verglichen mit analogen Nicht-IPN-Systemen ein unterdrücktes Kriechen
und Fließen
aufweisen (siehe z. B. D. Klempner und L. Berkowski, „Interpenetrating
Polymer Networks", Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,
2. Ausg., B. 9; 489–492.
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Ein Fachmann wird erkennen, daß die Prinzipien
von cozusammenhängenden
Systemen, wie sie der Technik bekannt sind, im Lichte der hierin
bekanntgegebenen Lehren angewendet werden können, um co-zusammenhängende Morphologien
herzustellen, die einzigartige optische Eigenschaften aufweisen.
So können zum
Beispiel die Brechungsindizes bekannter co-zusammenhängender
Morphologien wie hierin gelehrt manipuliert werden, um erfindungsgemäß neue optische
Filme herzustellen. Ebenso können
die hierin gelehrten Prinzipien auf bekannte optische Systeme angewendet
werden, um co-zusammenhängende
Morphologien herzustellen.
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Dicke des optischen Körpers
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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.
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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.
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Materialien für die zusammenhängenden/dispergierten
Phasen
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Viele unterschiedliche Materialien
können
als die zusammenhängenden
oder dispergierten Phasen in den optischen Körpern für die vorliegende Erfindung
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.
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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 Orientierung zu einem
Film gegossen werden, um eine optische Vorrichtung herzustellen.
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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 hoch zu 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.
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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.
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Wenn PEN als eine Phase im optischen
Material verwendet wird, das in der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, ist die andere Phase vorzugsweise Polymethylmethacrylat (PMMA)
oder ein syndiotaktisches aromatisches Vinylpolymer, wie Po lystyrol
(sPS). Andere bevorzugte Polymere zur Verwendung mit PEN beruhen
auf Terephthal-, Isophthal-, Sebacin-, Azelainoder 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.
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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.
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Ferner können als Comonomere syndiotaktischer
aroamtischer Vinylgruppen Copolymere neben Monomeren des oben erläuterten
Styrolgruppenpolymers, Olefinmonomere, wie Ethylen, Propylen, Buten,
Hexen oder Okten; Dienmonomere, wie Butadien, Isopren, polare Vinylmonomere
wie zyklisches Dienmonomer, Methylmethacrylat, Maleinsäureanhydrid
oder Acrylonitril erwähnt
werden.
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Die syndiotaktischen aromatischen
Vinylpolymere, die für
vorliegende Erfindung geeignet sind, können Blockcopolymere, unbeordnete
Copolymere oder abwechselnde Copolymere sein.
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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.
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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.
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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 Wärmebeständig keit
auftreten, und dies ist üblicherweise
nicht wünschenswert.
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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 Erhöhung des Brechungsindex besonders
nützlich.
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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.
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Spektralbereich
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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 Strah lung 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
dieser Komponenten, gemessen in Einheiten der Wellenlänge, annährend konstant
bleiben.
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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 Fehlanpassung
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 reelen und imaginären Teile)
erhalten werden. Nützliche
Produkte bei diesen längeren
Wellenlängenbändern können diffuse
Reflexionspolarisätoren.
und Partialpolarisatoren sein.
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In einigen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung variieren die optischen Eigenschaften des optischen Körpers über das
interessierende Wellenlängenband.
In diesen Ausfüh rungsformen
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.
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Hautschichten
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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.
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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.
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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 höheren
Zugmodul herzustellen. Andere funktionelle Komponenten wie antistatische
Zusätze,
UV-Absorber, Farbstoffe, Antioxidationsmittel und Pigmente können der
Hautschicht hinzugefügt
werden, vorausgesetzt, sie stören
die gewünschten
optischen Eigenschaften des sich ergebenden Produktes nicht wesentlich.
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Hautschichten oder Beschichtungen
können
auch hinzugefügt
werden, um dem sich ergebenden Film oder der Vorrichtung erwünschte Sperreigenschaften
zu verleihen. So können
zum Beispiel Sperrfilme oder Beschichtungen als Hautschichten oder
als eine Komponente in Hautschichten hinzugefügt werden, um die Durchlaßeigenschaften
des Films oder Vorrichtung gegenüber
Flüssigkeiten,
wie Wasser oder organischem Lösungsmittel,
oder Gasen, wie Sauerstoff oder Kohlendioxid zu verändern.
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Hautschichten oder Beschichtungen
können
auch hinzugefügt
werden, um den sich ergebenden Artikel eine Abriebfestigkeit zu
verleihen oder sie zu verbessern. So kann zum Beispiel eine Hautschicht,
die Teilchen aus Silika aufweist, die in eine Polymermatrix eingebettet
sind, einem optischen Film hinzugefügt werden, der erfindungsgemäß hergestellt
wird, um dem Film eine Abriebfestigkeit zu verleihen, vorausgesetzt
natürlich, daß eine solche
Schicht die optischen Eigenschaf ten nicht übermäßig beeinträchtigt, die für die Anwendung erforderlich
sind, auf die der Film gerichtet ist.
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Hautschichten oder Beschichtungen
können
auch hinzugefügt
werden, um eine Durchstoß-
und/oder Reißfestigkeit
in dem sich ergebenden Artikel zu verbessern. So kann zum Beispiel
in Ausführungsformen,
in der die äußere Schicht
des optischen Films coPEN als die Hauptphase enthält, eine
Hautschicht aus monolithischem coPEN zusammen mit optischen Schichten
extrudiert werden, um dem sich ergebenden Film eine gute Reißfestigkeit
zu verleihen. Bei der Auswahl eines Materials für eine reißfeste Schicht zu berücksichtigende
Faktoren umfassen die prozentuale Bruchdehnung, das Elastizitätsmodul,
die Reißkraft,
die Adhäsion
an innere Schichten, den prozentualen Durchlaßgrad und dekadische Extinktion
in einer interessierenden elektromagnetischen Bandbreite, optische
Klarheit oder Trübung,
Brechungsindizes als eine Funktion der Frequenz, Textur und Rauhigkeit,
Wärmebeständigkeit
gegen Schmelzen, Molekulargewichtsverteilung, Schmelz-Rheologie
und gemeinsame Extrudierbarkeit, Mischbarkeit und die Rate der Diffusion
untereinander zwischen Materialien in den Haut- und optischen Schichten,
viskoelastische Antwort, Relaxationsund Kristallisationsverhalten
unter Ziehbedingungen, Wärmebeständigkeit
bei Gebrauchstemperaturen, Wetterbeständigkeit, die Fähigkeit,
an Beschichtungen anzuhaften und Permeabilität gegenüber verschiedenen Gasen und
Lösungsmitteln.
Durchstoßoder
reißfeste
Hautschichten können
während
des Herstellungsprozesses oder später auf den optischen Film
beschichtet oder laminiert werden. Diese Schichten an den optischen
Film während des
Herstellungsprozesses anzuheften, wie durch einen gemeinsamen Extrusionsprozeß, stellt
den Vorteil bereit, daß der
optische Film während
des Herstellungsprozesses geschützt
ist. In einigen Ausführungsformen können eine
oder mehrere durchstoß-
oder reißfeste
Schichten im optischen Film vorge sehen werden, entweder allein oder
in Kombination mit einer Durchstoß- oder reißfesten Hautschicht.
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Die Hautschichten können auf
eine oder zwei Seiten desextrudierten innigen Gemischs an einem
gewissen Punkt während
der Extrusionsprozesses aufgetragen werden, d. h. bevor das extrudierte
innige Gemisch und die 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.
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In einigen Anwendungen können während der
Herstellung des optischen Films zusätzliche Schichten an die Außenseite
der Hautschichten gemeinsam extrudiert oder angeheftet werden. Solche
zusätzlichen Schichten
können
auch an den optischen Film in einer getrennten Beschichtungsoperation
extrudiert oder beschichtet werden, oder können an den optischen Film
als ein getrennter Film, eine Folie oder starres oder halbstarres
Substrat wie ein Polyester (PET), Acryl- (PMMA), Polycarbonat, Metall
oder Glas laminiert werden,
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Ein weiter Bereich von Polymeren
ist für
Hautschichten geeignet. Von den vorwiegend amorphen Polymeren weisen
geeignete Beispiele Copolyester, die auf einem oder mehreren von
Terephthalsäure, 2,6-Naphthalen-Dicarbonsäure, Isophthalsäure Phthalsäure beruhen,
oder ihre Alkylester-Gegenstücke,
und Alkylendiole, wie Ethylen-Glykol auf. Beispiele teilkristalliner
Polymere, die zur Verwendung in Hautschichten geeignet sind, sind
2,6-Polyethylen-Naphthalat, Polyethylen-Terephthalat und Nylonmaterialien.
Hautschichten, die verwendet werden können, um die Zähigkeit
des optischen Films zu erhö hen,
umfassen Polyester mit hoher Dehnung, wie EcdelTM und
PCTG 5445 (die von Eastman Chemical Co., Rochester, N.Y. kommerziell erhältlich sind)
und Polycarbonate auf. Polyolefine, wie Polypropylen und Polyethylen,
können
ebenfalls für diesen
Zweck verwendet werden, insbesondere, wenn mit einem Kompatibilisierungsmittel
dafür gesorgt
wird, daß sie
am optischen Film haften.
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Funktionelle Schichten
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Verschiedene funktionelle Schichten
oder Beschichtungen können
den optischen Filmen und Vorrichtungen hinzugefügt werden, die für die vorliegende
Erfindung verwendet werden, um ihre physikalischen oder chemischen
Eigenschaften zu ändern
oder zu verbessern, insbesondere längs der Oberfläche des
Films oder der Vorrichtung. Solche Schichten oder Beschichtungen
können
zum Beispiel Gleitmittel, Rückseitenmaterialien
mit niedriger Adhäsion,
leitfähige
Schichten, Antistatikbeschichtungen oder -Filme, Sperrschichten,
entflammungsverzögernde
Mittel, UV-Stabilisatoren, abriebbeständige Materialien, optische
Beschichtungen oder Substrate aufweisen, die dazu bestimmt sind,
die mechanische Integrität
oder Festigkeit des Films oder der Vorrichtung zu verbessern.
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Dem Film und den optischen Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung können
gute Gleiteigenschaften erteilt werden, indem sie mit reibungsarmen
Beschichtungen oder Gleitmitteln behandelt werden, wie Polymerperlen,
die auf die Oberfläche
beschichtet werden. Alternativ kann die Morphologie der Oberflächen dieser
Materialien modifiziert werden, wie durch Manipulation der Extrusionsbedingungen,
um dem Film eine gleitende Oberfläche zu verleihen; Verfahren,
durch die die Oberflächenmorphologie
so modifiziert werden kann, werden im US-Patent Seriennummer 08/612,710
beschrieben.
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In einigen Anwendungen, wie dort,
wo die optischen Filme für
die vorliegende Erfindung als eine Komponente in Klebebändern verwendet
werden sollen, kann es wünschenswert
sein; die Filme mit Rückseitenschlichte
mit niedriger Adhäsion
(LAB) Beschichtungen oder Filmen, wie jenen, die auf Urethan, Silikon
oder Fluorcarbon-Chemie zu behandeln. Auf diese Weise behandelte
Filme weisen gegenüber
Haftklebern (PSAs) geeignete Ablöseeigenschaften
auf, wodurch es ermöglicht
wird, sie mit einem Klebemittel zu behandeln und zu Rollen zu wickeln.
Auf diese Weise hergestellte Klebebänder können für Dekorationszwecke oder in
irgendeiner Anwendung verwendet werden, wo eine diffus reflektierende
oder durchlässige
Oberfläche
des Bandes wünschenswert
ist.
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Die Filme und optischen Vorrichtungen,
die für
die vorliegende Erfindung verwendet werden, können mit einer oder mehreren
leitfähigen
Schichten versehen werden. Solche leitfähigen Schichten können Metalle, wie
Silber, Gold, Kupfer, Aluminium, Chrom, Nickel, Zinn und Titan,
Metallegierungen, wie Silberlegierungen, rostfreien Stahl und Inconel,
und Halbleitermetalloxide, wie dotierte und undortierte Zinnoxide,
Zinkoxid und Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweisen.
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Die Filme und optischen Vorrichtungen,
die für
die vorliegende Erfindung verwendet werden, können auch mit Antistatikbeschichtungen
oder Filmen versehen werden. Solche Beschichtungen oder Filme umfassen
zum Beispiel V2O5 und
Salze von Sulfonsäurepolymeren,
Kohlenstoff oder andere leitfähige
Metallschichten.
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Die optischen Filme und Vorrichtungen,
die für
die vorliegende Erfindung verwendet werden, können auch mit einem oder mehreren
Sperrfilmen oder Beschichtungen versehen werden, die die Durchlaßeigenschaften
des optischen Films zu bestimmten Flüssigkeiten oder Gasen hin verändern. So
können
zum Beispiel die Vorrichtungen und Filme für die vorliegende Erfindung
mit Filmen oder Beschichtungen versehen werden, die den Durchlaß von Wasserdampf,
organischen Lösungsmitteln,
O2 oder CO2 durch
den Film verhindern. Sperrbeschichtungen werden in Umgebungen mit
hoher Feuchtigkeit besonders wünschenswert
sein, wo Komponenten des Films oder der Vorrichtung einer Verzerrung
infolge einer Feuchtigkeitsdurchdringung unterworfen sein könnten.
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Die optischen Filme und Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung können
auch mit einem entflammungsverzögernden
Mittel behandelt werden, insbesondere wenn sie in Umgebungen, wie
an Flugzeugen verwendet werden, die strengen Feuerschutzbestimmungen
unterworfen sind. Geeignete entflammungsverzögernde Mittel umfassen Aluminiumtrihydrat,
Antimontrioxid, Antimonpentoxid und entflammungsverzögernde Organophosphat-Verbindungen.
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Die optischen Filme und Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung können
auch mit abriebbeständigen
oder harten Beschichtungen versehen werden, die häufig als
eine Hautschicht aufgetragen werden. Diese umfassen Acryl-Hartbeschichtungen,
wie Acryloid A-11 und Paraloid K-120N, die von Rohm & Haas, Philadelphia,
PA erhältlich
sind; Urethanacrylate, wie jene, die im US-Patent-Nr. 4,249,011
beschrieben werden, und jene, die von Sartomer Corp., Westchester,
PA erhältlich
sind; und Urethan-Hartbeschichtungen, die aus der Reaktion von aliphatischen
Polyisocyanat (z. B. Desmodur N-3300,
das von Miles, Inc., Pittsburgh, PA erhältlich ist) mit einem Polyester
(z. B. Tone Polyol 0305, das von Union Carbide, Houston, TX erhältlich ist) erhalten
werden.
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Die optischen Filme und Vorrichtungen
der vorliegenden Erfindung können
ferner auf starre oder halbstarre Substrate laminiert werden, wie
zum Beispiel, Glas, Metall, Acryl, Polyester und andere Polymerträger, um
eine strukturelle Steifigkeit, Wetterbeständigkeit oder einfachere Handhabung
be reitzustellen. Zum Beispiel können
die optischen Filme für
die vorliegende Erfindung auf einen dünnen Acryl- oder Metallträger laminiert
werden, der gestanzt oder anders geformt und in einer erwünschten
Form gehalten werden kann. Für
einige Anwendungen, z. B. wenn der optische Film auf andere zerbrechlich
Träger
aufgetragen wird, kann eine zusätzliche
Schicht, die PET-Film oder durchstoß-reißfester Film verwendet werden.
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Die optischen Filme und Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung können
auch mit splitterfesten Filmen und Beschichtungen versehen werden.
Filme und Beschichtungen, die für
diesen Zweck geeignet sind, werden zum Beispiel in den Veröffentlichungen
EP 592284 und
EP 591055 beschrieben, und sind von
3M Company, St. Paul, MN kommerziell erhältlich.
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Verschiedene optische Schichten,
Materialien und Vorrichtungen können
auch auf die Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung
für spezifische
Anwendungen oder in Verbindung mit ihnen angewendet werden. Diese
umfassen magnetische oder magnetooptische Beschichtungen oder Filme;
Flüssigkristallanzeigetafeln,
wie jene, die in Anzeigetafeln und Fenstern für den Privatbereich verwendet
werden; photographische Emulsionen; Stoffe; Prismenfilme, wie lineare
Fresnellinsen; Helligkeitsverstärkungsfilme;
holographische Filme oder Bilder; prägbare Filme; Verfälschungssicherungsfilme
oder -Beschichtungen; IR-transparenter Film für Anwendungen mit niedrigem
Emissionsvermögen;
Ablösungsfilme
oder ablösebeschichtetes
Papier; und Polarisatoren oder Spiegel, sind aber nicht auf sie
beschränkt.
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Es werden mehrere zusätzliche
Schichten auf einer oder beiden Oberflächen des optischen Films erwogen,
und sie können
aus jeder Kombination der obenerwähnten Beschichtungen oder Filme
bestehen. Wenn zum Beispiel ein Klebemittel auf den optischen Film
aufgetragen wird, kann das Klebemittel ein weißes Pigment wie Titandioxid
enthalten, um das Gesamtreflexionsvermögen zu erhöhen, oder es kann optisch transparent
sein, um es zuzulassen, daß das
Reflexionsvermögen
des Substrats zum Reflexionsvermögen des
optischen Films beiträgt.
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Um die Rollenbildung und Konvertibilität des Films
zu verbessern, können
die optischen Filme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, auch ein Gleitmittel aufweisen, das in den Film eingebaut
ist oder als eine getrennte Beschichtung hinzugefügt wird.
In den meisten Anwendungen werden Gleitmittel nur auf eine Seite
des Films hinzugefügt,
idealerweise die Seite, die zum starren Substrat weist, um die Trübung zu
minimieren.
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Mikrohohlraumbildung
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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 zusammenhängenden
Phasen verwendet werden, um im resultierenden Film wünschenswerte
optische Eigenschaften zu erzeugen.
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Mehr als zwei Phasen
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Die optischen Körper, die in der vorliegenden.
Erfindung verwendet werden, können
auch aus mehr als zwei Phasen bestehen. So kann zum Beispiel ein
optisches Material, das zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
hergestellt wird, 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.
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Optische Körper, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, 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.
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Mehrschicht-Kombinationen
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Falls gewünscht, können eine oder mehrere dünne Lagen
eines erfindungsgemäß hergestellten
Films einer zusammenhängenden/
dispergierten Phase in Kombination mit oder als eine Komponente
in 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 dünnen
Lagen laminiert oder anders aneinander geheftet werden oder voneinander
beabstandet sein. Wenn die optischen Dicken der Phasen innerhalb
der dünnen
Lagen im wesentlichen gleich sind (das heißt, wenn die beiden dünnen 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 dünnen
Lagen reflektieren. Wenn die optischen Dicken der Phasen innerhalb
der dünnen
Lagen nicht im wesentlichen gleich sind, wird das Komposit über eine
breitere Bandbreite als die einzelnen Phasen reflektieren. Ein Komposit,
das dünne
Spiegellagen mit dünnen
Polarisatorlagen kombiniert, ist zur Erhöhung des Gesamtreflexionsvermögens nützlich,
während
es noch durchgelassenes Licht polarisiert. Alternativ kann eine
einzelne dünne
Lage asymmetrisch und zweiachsig orientiert sein, um einen Film
mit selektiven reflektierenden und polarisierenden Eigenschaften
herzustellen.
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5 stellt
ein Beispiel dar, das in einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet wird. 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.
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Jedes der vorher erwähnten Materialien
kann als irgendeine der Schichten in dieser Ausführungsform oder als die zusammenhängende oder
dispergierte Phase innerhalb einer besonderen Schicht verwendet
werden. Jedoch sind PEN und co-PEN besonders als die Hauptkomponenten
benachbarter Schichten erwünscht, da
diese Materialien eine gute laminare Adhäsion unterstützen.
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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.
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Antireflexschichten
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Die Filme und andere optischen Vorrichtungen,
die in der Erfindung verwendet werden, können auch eine oder mehrere
reflexmindernde Schichten oder Beschichtungen aufweisen, wie zum
Beispiel, herkömmliche
optische vakuumbeschichtete dielektrische Metalloxid oder Metall/Metalloxid-Filme,
Silika-Solgel- Beschichtungen,
und beschichtete oder gemeinsam extrudierte reflexmindernde Schichten,
wie jene die von Fluorpolymeren mit niedrigem Index, wie THV, einem
extrudierbaren Fluorpolymer, das von 3M Company (St. Paul, MN) erhältlich ist,
abgeleitet werden. Solche Schichten oder Beschichtungen, welche
polarisationsempfindlich sein können
oder nicht, dienen dazu, die Durchlässigkeit zu erhöhen und
Refle xionsblendlicht zu reduzieren, und können den Filmen und optischen
Vorrichtungen für
die vorliegende Erfindung durch eine. geeignete Oberflächenbehandlung
verliehen werden, wie durch Beschichten oder Sputterätzen. Ein
besonderes Beispiel einer reflexmindernden Beschichtung wird in
den Beispielen 132-133 detaillierter beschrieben.
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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 Antireflexsystem in engem Kontakt mit einer Schicht aufweist,
die die zusammenhängenden und
dispergierten Phasen bereitstellen. Ein solches Antireflexsystem
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 Antireflexstapel mit zwei oder mehreren Schichten, Schichten
mit abgestuften Index und Schichten mit abgestufter Dichte. Solche
Antireflexfunktionen können
auch auf der Seite des durchgelassen Lichts des Körpers verwendet
werden, um das durchgelasse Lieht zu vermehren, falls gewünscht.
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Schleiermindernde Schichten
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Die Filme und andere optische Vorrichtungen,
die in der Erfindung verwendet werden, können mit einem Film oder einer
Beschichtung versehen werden, die schleiermindernde Eigenschaften
verleiht. In einigen Fällen
wird eine Antireflexschicht, wie sie oben beschrieben wird, einem
doppelten Zweck dienen, dem Film oder der Vorrichtung sowohl reflexmindernde
als auch schleiermindernde Eigenschaften zu verleihen. Es sind verschiedene
schleiermindernde Mittel in der Technik bekannt, die zur Verwendung
mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Typischerweise werden
diese Materialien jedoch Substanzen, wie Fettsäureester sein, die der Filmoberfläche hydrophobe
Eigenschaften verleihen und die die Bildung eines zusammenhängenden,
weniger trüben
Films aus Wasser unterstützen.
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Beschichtungen, die die Neigung von
Oberflächen
reduzieren, zu „beschlagen",
sind durch mehrere Erfinder berichtet worden. Zum Beispiel offenbart
das US-Patent Nr. 3,212,909 von Leigh die Verwendung von Ammoniumseife,
wie Alkylammoniumcarboxylaten in Mischung mit einem oberflächenaktiven
Mittel, das ein sulfatiertes oder sulfoniertes Fettmaterial ist,
um eine schleiermindernde Zusammensetzung zu bilden. US-Patent Nr. 3,075,228
von Elias offenbart die Verwendung von Salzen von sulfatiertem Alkyl-aryloxypolyalkoxy-Alkohol,
ebenso wie Alkylbenzen-Sulfonate, um einen schleiermindernden Artikel
zu erzeugen, der nützlich
ist, verschiedenen Oberflächen
zu reinigen und ihnen schleiermindernden Eigenschaften zu verleihen.
US-Patent Nr. 3,819,522 von Zmoda offenbart die Verwendung von Tensidkombinationen,
die Derivate von Decindiol ebenso wie Tensidmischungen, ethoxylierte
Alkylsulfate, in einer schleiermindernden Fensterreinigertensidmischung
aufweisen. Das japanische Patent Kokai Nr. Hei 6[1994]41,335 offenbart
eine trübungs-
und tropfverhindernde Zusammensetzung, die kolloidales Aluminiumoxid,
kolloidales Silika und ein anionisches Tensid enthält. US-Patent
Nr. 4,478,909 (Taniguchi u.a) offenbart einen ausgehärteten schleiermindernden
Beschichtungsfilm, der Polyvinylalkohol, fein verteiltes Silika
und eine organische Siliciumverbindung aufweist, wobei das Kohlenstoff/Silicium-
Gewichtsverhältnis
offensichtlich wich tig für
die berichteten schleiermindernden Eigenschaften des Films ist.
Es können
verschiedene Tenside, einschließlich
fluorenthaltende Tenside, verwendet werden, um die Oberflächenglattheit
der Beschichtung zu verbesseren. Andere schleiermindernde Beschichtungen,
die Tenside enthalten, werden in den US-Patenten 2,803,552, 3,022,178
und 3,897,356 beschrieben. Das Weltpatent Nr. PCT 96/ 18,691 (Scholtz
u.a.) offenbart ein Mittel, durch das Beschichtungen sowohl schleiermindernde
als auch reflexmindernde Eigenschaften verliehen werden können.
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UV-Schutzschichten
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Die Filme und optischen Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung können
vor UV-Strahlung durch die Verwendung von UV- stabilisierten Filmen
oder Beschichtungen geschützt
werden. Geeignete UV-stabilisierte Filme und Beschichtungen weisen
jene auf, die Benzotriazole oder gehinderte Amin-Lichtstabilisatoren, (HALS) wie TinuvinTM 292 enthalten, die beide kommerziell von
Ciba Geigy Corp., Hawthorne, NY erhältlich sind. Andere geeignete
UV-stabilisierte Filme und Beschichtungen weisen jene auf, die Benzophenone
oder Diphenylacrylate enthalten, die kommerziell von BASF Corp.,
Parsippany, NJ erhältlich
sind. Solche Filme oder Beschichtungen werden besonders wichtig
sein, wenn die optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende
Erfindung in Außenanwendungen
oder in Leuchten verwendet werden, wo die Quelle bedeutend Licht
im UV-Bereich des Spektrums emittiert.
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Oberflächenbehandlungen
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Die Filme und anderen optischen Vorrichtungen,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können verschiedenen
Behandlungen unterzogen werden, die die Oberflächen dieser Materialien oder
irgendeinen Teil derselben modifizie ren, wie indem sie für anschließende Behandlungen,
wie Beschichten, Färben,
Metallisieren oder Laminieren leitfähiger gemacht werden. Dies
kann durch eine Behandlung mit Grundierungen, wie PVDC, PMMA, Epoxide
und Aziridine, oder durch physikalische Grundierungsbehandlungen, wie
Korona, Flamme, Plasma, Blitzlampe, Sputterätzen, Elektronenstrahl-Behandlungen,
oder Amorphisieren der Oberflächenschicht,
um Kristallinität
zu entfernen, wie mit einer Wärmedose
erreicht werden.
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Schmiermittel
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Es können verschiedene Schmiermittel
während
der Verarbeitung (z. B. Extrusion) der Filme für die vorliegende Erfindung
verwendet werden. Geeignete Schmiermittel zur Verwendung in der
vorliegenden Erfindung umfassen Calciumstearat, Zinkstearat, Kupferstearat,
Cobaltstearat, Molybdänneodocanoat
und Ruthenium-(III)-Acetylacetonat.
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Antioxidationsmittel
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Antioxidationsmittel, 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, IrganoxTM 1093 (1979)(((3,5-bis(1,1-Dimethylethyl)-4-Hydroxyphenyl)Methyl)-Dioctadecylester-Phosphonsäure), IrganoxTM 1098 (N,N'-1,6-Hexandiylbis(3,5-bis(1,1-Dimethyl)-4-Hydroxy-Benzenpropanamid),
NaugaardTM 445 (Arylamin), IrganoxTM L 57 (alkyliertes Diphenylamin), IrganoxTM L 115 (schwefelenthaltendes Bisphenol),
IrganoxTM LO 6 (alkyliertes Phenyl-Delta-Napthylamin),
Ethanox 398 (Flourphosphonit), und 2,2'-Ethylidenebis(4,6-dit-Butylphenyl)-fluorphosnit.
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Eine Gruppe von Antioxidationsmitteln,
die besonders bevorzugt sind, sind sterisch gehinderte Phenole,
einschließlich
butyliertes Hydroxytoluen (BHT), Vitamin E (Di-alpha-Tocopherol), IrganoxTM 1425WL(Calcium-bis-(0-ethyl(3,5-di-t-Butyl-4- Hydroxybenzyl))Phosphonat),
IrganoxTM 1010 (Tetrakis(Methylen- (3,5,di-t-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnainat))Methan),
IrganoxTM 1076 (Octadecyl-3,5-di-tert-Butyl-4-Hydroxyhydrocinnamat),
EthanoxTM 702 (gehindertes Bis-Phenol),
Etanox, 330 (gehindertes Phenol mit hohem Molekulargewicht) und
EthanoxTM 703 (gehindertes Phenoliamin).
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Farbstoffe, Pigmente, Tinten,
und Abbildungsschichten
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Die Filme und optischen Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung können
mit Tinten, Farbstoffen oder Pigmenten behandelt werden, um ihr
Aussehen zu ändern
oder sie für
spezifische Anwendungen an Kundenwünsche anzupassen. So können zum
Beispiel die Filme mit Tinten oder anderen gedruckten Freistempeln (engl.
indicia) behandelt werden, wie jene, die verwendet werden, um eine
Produktidentifikation, Werbung, Warnungen, Dekoration oder eine
andere Information anzuzeigen. Es können verschiedene Techniken
verwendet werden, um auf den Film zu drucken, wie Siebdruck, Hochdruck,
Offset, Flexographiedruck, Tüpfeldruck,
Laserdruck und so weiter, und es können verschiedene Tintenarten
verwendet werden, einschließliche
Tinten mit ein und zwei Komponenten, oxidativ trocknende und UV-trocknende
Tinten, gelöste
Tinten, dispergierte Tinten, und 100%-Tintensysteme.
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Das Aussehen des optischen Films
kann auch durch Färben
des Films geändert
werden, wie durch Laminieren eines gefärbten Films an den optischen
Film, Auftragen einer pigmentierten Beschichtung auf die Oberfläche des
optischen Films, oder Einbauen eines Pigments in eine oder mehrere
der Materialien (z. B. die zusammenhängende oder dispergierte Phase),
die verwendet werden, um den optischen Film herzustellen.
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Sowohl sichtbare als auch nahe IR-Farbstoffe
und Pigmente werden in der vorliegenden Erfindung erwogen, und weisen
zum Beispiel optische Aufheller, wie Farbstoffe auf, die im UV absorbieren
und im sichtbaren Bereich des Farbspektrums fluoreszieren. Andere
zusätzliche
Schichten, die hinzugefügt
werden können, um
das Aussehen des optischen Films zu ändern, weisen zum Beispiel
trübende
(schwarze) Schichten, streuende Schichten, holographische Bilder
oder holographische Diffusoren und Metallschichten auf. Alle von
diesen können
direkt auf eine oder beide Oberflächen des optischen Films aufgetragen
werden, oder können
eine Komponente eines zweiten Films oder einer Folienkonstruktion
sein, die auf den optischen Film laminiert ist. Wechselweise können einige
Komponenten, wie trübende
oder streuende Mittel, oder gefärbte
Pigmente in eine Klebeschicht eingebaut werden, die verwendet wird,
um den optischen Film auf eine andere Oberfläche zu laminieren.
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Die Filme und Vorrichtungen für die vorliegende
Erfindung können
auch mit Metallbeschichtungen versehen werden. So kann zum Beispiel
eine Metallschicht durch Pyrolyse, Pulverbeschichtung, Dampfabscheidung,
Kathodensputtern, Ionenplattierung und dergleichen direkt auf den
optischen Film aufgetragen werden. Metallfolien oder starre Metallplatten
können
ebenfalls auf den optischen Film laminiert werden, oder es können getrennte
Polymerfilme oder Glas oder Kunststoffplatten zuerst unter Verwendung
der obenwerwähnten Techniken
metallisiert werden und dann auf die optischen Filme und Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung laminiert werden.
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Dichroitische Farbstoffe sind für viele
der Anwendungen, auf die die Filme und optischen Vorrichtungen für die 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 anderem 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-α-Naphthylamin-Sulfonat),
Methylenblau, 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.
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Andere geeignete Farbstoffe umfassen
die folgenden Materialien:
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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.
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Wenn ein dichroitischer Farbstoff
in den optischen Kör-
pern verwendet wird, die in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, 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.
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Dichroitische Farbstoffe weisen in
Kombination mit bestimmten Polymersystemen 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 einem anderen Film aufweist,
der Polymersysteme bildet. Ein höheres
Dichroismusverhältnis
zeigt eine höhere Fähigkeit
an, Licht zu polarisieren.
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Eine molekulare Ausrichtung eines
dichroitischen Farbstoffes innerhalb eines optischen Körpers, der in
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, 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 o der
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.
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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, dass dasselbe wie das umgebende Material des optischen Körpers ist
oder sich davon unterscheidet.
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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 in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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Klebemittel
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Klebemittel können verwendet werden, um die
optischen Filme und Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung
an einen anderen Film, eine Oberfläche oder ein Substrat zu laminieren.
Solche Klebemittel umfassen sowohl optisch klare und diffuse Klebemittel,
ebenso wie haftende und nicht haftende Klebemittel. Haftklebemittel
sind normalerweise bei Raumtemperatur klebrig und können an
eine Oberfläche
durch die An wendung von höchstens
einem leichten Fingerdruck angeheftet werden, während nichthaftende Klebemittel
Klebesysteme aufweisen, die durch Lösungsmittel, Wärme oder
Strahlung aktiviert werden. Beispiele von Klebemitteln, die in der
vorliegenden Erfindung nützlich
sind, umfassen jene, die auf allgemeine Zusammensetzungen von Polyacrylat;
Polyvinylether, Dien-enthaltenden Gummis, wie Naturkautschuk, Polyisopren
und Polyisobutylen; Polychloropren; Butylgummi; Butadien-acrylonitril-Polymere;
thermoplastische Elastomere; Blockcopolymere, wie Styrolisopren
und Styrolisopren-Styrol-Blockcopolymere, Ethylen-propylen-dien-Polymere und
Styrol-Butadienpolymere; Polyalphaolefine; amorphe Polyolefine;
Silicon; Ethylen-enthaltende Copolymere, wie Ethylenvinylacetat,
Ethylacrylat und Ethylmethacrylat; Polyurethane; Polyamide; Polyester;
Epoxide; Polyvinylpyrrolidon und Vinylpyrrolidon-Copolymere und Mischungen der obigen
beruhen.
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Zusätzlich kann das Klebemittel
Zusatzstoffe, wie Klebrigmacher, Weichmacher, Füller, Antioxidationsmittel,
Stabilisatoren, Pigmente, zerstreuende Teilchen, Aushärtungsmittel
und Lösungsmittel
enthalten. Wenn ein laminierendes Klebemittel verwendet wird, um
einen optischen Film für
die vorliegende Erfindung an eine andere Oberfläche zu heften, werden die Klebemittezusammensetzung
und Dicke vorzugsweise so gewählt, daß sie die
optischen Eigenschaften des optischen Films nicht beeinträchtigen.
Wenn zum Beispiel zusätzliche Schichten
an einen optischen Polarisator oder Spiegel laminiert werden, wobei
ein hoher Durchlaßgrad
erwünscht
ist, sollte das Laminierungsklebemittel in dem Wellenlängenbereich
optisch klar sein, in dem der Polarisator oder Spiegel dazu bestimmt
ist, transparent zu sein.
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Andere Zusatzstoffe
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Zusätzlich zu den obenerwähnten Filmen,
Beschichtungen und Zusatzstoffen können die optischen Materialien
für die
vorliegende Erfindung andere Materialien oder Zusatzstoffe aufweisen,
die in der Technik bekannt sind. Solche Materialien umfassen Bindemittel,
Beschichtungen, Füller,
Kompatibilisierungsmittel, Tenside, antimikrobielle Mittel, Schaummittel,
Verstärkungsmittel,
Wärmestabilisatoren,
Schlagmodifizierer, Weichmacher, Viskositätsmodifizierer und andere solche
Materialien.
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Anwendungen der vorliegenden
Erfindung
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Die optischen Körper, die für die vorliegende Erfindung
geeignet sind, 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
0,2.
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Reflektierende Polarisatoren weisen
längs einer
Achse einen Brechungsindexunterschisd 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 werden. 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.
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Der reflektierende Polarisator, der
für die
vorliegende Erfindung geeignet ist, 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 Gremze des sichtbaren Spektrums absorbieren. Der Reflexionspolarisator
kann auch als ein Dünnschicht-Infrarotpolarisator
verwendet werden.
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Fensteranordnungen
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Die optischen Filme und Vorrichtungen
für die
vorliegende Erfindung sind zur Verwendung bei Fensteranordnungen
geeignet, wie Dachfenster oder Fenster für den Privatbereich, wo eine
diffuse Durchlassung von Licht erwünscht ist und Transparenz oder
Klarheit der Fensteranordnung entweder überflüssig oder unerwünscht ist.
In solchen Anwendungen können
die optischen Filme für
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit herkömmlichen Verglasungsmaterialien
wie Plastik oder Glas oder als Komponenten davon verwendet werden.
Es kann dafür
gesorgt werden, daß auf
diese Weise hergestellte Verglasungsmaterialien polarisationsspezifisch
sind, so daß die
Fensteranordnung für
eine erste Polarisation- des Lichts im wesentlichen transparent
ist, jedoch eine zweite Polarisation des Lichts im wesentlichen
reflektiert, wodurch Blendlicht beseitigt oder reduziert wird. Die
physikalischen Eigenschaften der optischen Filme können ebenfalls
modifiziert werden, wie hierin gelehrt wird, so daß die Verglasungsmaterialien
Licht einer oder beider Polarisationen innerhalb eines bestimmten
Bereichs des Spektrums (z. B. den UV-Bereich) reflektieren werden,
während
Licht einer oder beider Polarisationen in einem anderen Bereich
(z. B. dem sichtbaren Bereich) durchgelassen wird.
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Die optischen Filme, die für die vorliegende
Erfindung geeignet sind, können
auch verwendet werden, um dekorative Fensteranordnungen bereitzustellen,
die Licht spezifischer Wellenlängen
durchlassen. Solche Fensteranordnungen können zum Beispiel verwendet
werden, um einem Raum eine spezifische Farbe oder Farben (z. B.
Blau oder Gold) zu verleihen, oder sie können verwendet werden, um deren
Dekor zu betonen, wie durch die Verwendung der Wellenlänge spezifischer
Leuchttafeln.
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Die optischen Filme für die vorliegende
Erfindung können
in Verglasungsmaterialien auf verschiedenen Arten eingebaut werden,
wie sie in der Technik bekannt sind, wie durch Beschichtung oder
Extrusion. So sind in einer Ausführungsform
die optischen Filme an die Gesamtheit oder einen Abschnitt der Außenfläche eines
Verglasungsmaterials entweder durch Laminierung oder die Verwendung
eines optischen Klebemittels angeheftet. In einer anderen Ausführungsform
sind die optischen Filme für
die vorliegende Erfindung zwischen zwei Platten aus Glas oder Kunststoff
angeordnet, und das sich ergebende Komposit wird in eine Fensteranordnung,
eingebaut. Natürlich
können
dem optischen Film irgendwelche zusätzlichen Schichten oder Beschichtungen
(z. B. UV-absorbierende Schickten, schleiermindernde Schichten oder
reflexmindernde Schichten) gegeben werden, wie sie hierin beschrieben
werden, um ihn für
die spezifische Anwendung geeigneter zu machen, auf die er ausgerichtet
ist.
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Beleuchtungsvorrichtungen
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Die optischen Filme für die vorliegende
Erfindung werden in verschiedenen Beleuchtungsvorrichtungsanwendungen
verwendet, insbesondere jenen, in denen polarisiert emittiertes Licht
bevorzugt wird. Eine typische Beleuchtungsvorrichtung enthält eine
Lichtquelle und verschiedene andere Elemente, die ein reflektierendes
Element (das typischerweise hinter der Lichtquelle angeordnet ist),
ein Polarisationselement (das typischerweise am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung
angeordnet ist), und ein Streuelement aufweisen können, das
die Lichtquelle vor einer direkten Betrachtung verbirgt. Diese Elemente
können
in verschiedenen Konfigurationen innerhalb eines Gehäuses angeordnet
werden, die durch ästhetische
und/oder funktionell Überlegungen
diktiert werden.
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Die Lichtquellen, die am besten zur
Verwendung mit den optischen Filmen in der vorliegenden Erfindung
geeignet sind, sind diffuse Lichtquellen, die Licht emittieren,
das einen hohen Streugrad oder Zufälligkeit bezüglich sowohl
der Polarisation als auch der Richtung aufweist. Solche diffusen
Quellen weisen vorzugsweise einen lichtemittierenden Bereich und
einen lichtereflektierenden, zerstreuenden und/oder Depolarisationsbereich
auf. Abhängig
von der besonderen Anwendung, auf die die Beleuchtungsvorrichtung
ausgerichtet ist, kann die diffuse Quelle eine Fluoreszenzlampe,
eine Glühlampe,
eine Feststoffquelle oder eine Elektrolumineszenz- (EL) Lichtquelle
oder eine Metall-Halogen-Lampe sein. Die Quelle kann auch eine zufällig verteilende Depolarisationsoberfläche sein,
die in Kombination mit einer Punktlichtquelle, einer entfernten
Lichtquelle oder sogar eine Sonnenbeleuchtung verwendet wird, wobei
die letztgenannte zum diffusen Polarisator durch eine freie Ausbreitung
im Raum, ein Linsensystem, einen Lichtleiter, einer polärisationserhaltenden
Lichtführung oder
durch andere Mittel übertragen
wird, wie sie in der Technik bekannt sind.
-
In einer Fluoreszenzlampe, wie einer
Warm- oder Kaltkathodenlampe des Typs, der in einer typischen hintergrundbeleuchteten
LCD verwendet wird, sind der lichtemittierende Be reich und die lichtereflektierenden, zerstreuenden
und Depolarisationsbereiche in den Leuchtstoffen kombiniert, die
all diesen Funktionen dienen. In dem Fall, wo ein stark gebündelter
Lichtstrahl erwünscht
ist, kann das reflektierende Polarisationselement optisch so konfiguriert
werden, daß es
die zurückgeworfene
Polarisation auf den lichtemittierenden Bereich zurück abbildet,
der typischerweise ein Glühfaden
oder ein Lichtbogen sein wird. Der lichtemittierende Bereich kann
sowohl als die Lichtquelle als auch der Depolarisationsbereich dienen.
Alternativ kann die Lichtquelle einen lichtemittierenden Bereich
und einen getrennten zufällig
verteilenden Reflektor aufweisen.
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Wie vorhergehend beschrieben, können die
optischen Filme, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, entweder einen diffus reflektierenden
Polarisationsfilm (DRPF) aufweisen, in dem Licht einer Polarisationsebene
durchgelassen wird und Licht der anderen Polarisationsebene diffus
reflektiert wird, oder es kann ein diffus reflektierender Spiegelfilm
(DRMF) sein, in dem beide Polarisationsebenen diffus vom Film reflektiert werden.
Als solcher kann der optische Film für die vorliegende Erfindung
in einer Beleuchtungsvorrichtung als das reflektierende Element
und/oder das Polarisationselement verwendet werden. Da der Film
diffus reflektierend und optisch durchscheinend ist, ist kein getrenntes
Streuelement, notwendig und der vorliegende optische Film kann sowohl
als das Streuelement als auch als das Polarisationselement dienen.
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Optische Filme, die für die vorliegende
Erfindung geeignet sind, können
in herkömmlichen
Leuchtkörpern
verwendet werden, die Jalousien verwenden, um sowohl das Licht zu
richten, als auch um die Lichtquelle vor einem direkten Anblick
zu verbergen. Wenn Filme für
die vorliegende Erfindung laminiert oder anders neben herkömmlich verspiegelten
Jalousien angeordnet werden, dann könnte eine Polarisation des
Lichts diffus reflektiert werden, wohingegen die zweite Polarisation
des Lichts gerichtet werden könnte
(z. B. nahezu vertikal) um das Blendlicht über dem gesamten beleuchteten
Bereich zu minimieren.
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Man könnte sich die Verwendung von
mindestens zwei Stücken
des optischen Films für
die vorliegende Erfindung vorstellen, wobei einer bezüglich des
anderen drehbar ist, die in Beleuchtungsvorrichtungen verwendet
werden, so daß die
Intensität
und/oder das Maß des
polarisierten Lichts für
die spezifischen Bedürfnisse
der unmittelbaren Umgebung kontrolliert oder abgestimmt werden können.
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Für
jene Anwendungen, wo kein polarisiertes Licht erforderlich ist,
wie in typischen Leuchten, die zur Bürobeleuchtung verwendet werden,
besteht die Beleuchtungsvorrichtung im allgemeinen aus einem Gehäuse, das
eine Lichtquelle enthält,
wie einem Fluoreszenzkolben, einem reflektierenden Element hinter
der Lichtquelle und einem Streuelement. Die Quelle kann irgendeine
der oben angegebenen Lichtquellen sein (z. B. eine Fluoreszenzlampe).
Das reflektierende Element kann irgendeine reflektierende Oberfläche sein,
einschließlich
zum Beispiel eines angemalten weißen Reflektors, eines metallisierten
Films, wie reflektierenden Film der Marke Silverlux
TM (der kommerziell von 3M Company, St. Paul,
NN erhältlich
ist), einer reflektierenden Metalloberfläche, wie poliertem Aluminium,
oder eines reflektierenden mehrschichtigen, doppelbrechenden Spiegelfilms,
wie jenen, der in WO 95/17303 und WO 96/19374 beschrieben wird und.
hierin als Verweis aufgenommen wird. In einer Ausführungsform
kann der DRMF des vorliegenden Films, wie, hierin beschrieben, als
das reflektierende Element in einer nichtpolarisierten Beleuchtungsvorrichtung
verwendet werden. Der DRMF kann zusätzlich entweder durch Dampfbeschichtung
oder Laminieren eines reflektierenden Me talls auf die Rückseite
des DRMF metallisiert werden, um das Gesamtreflexionsvermögen zu verbessern.
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Viele Anwendungen erfordern polarisiertes
Licht, um richtig zu funktionieren. Beispiele solcher Anwendungen
umfassen optische Anzeigen, wie Flüssigkristallanzeigen (LCDs),
die verbreitet für
Laptop-Computer, Taschenrechner, digitale Uhren, Automobil-Instrumententafelanzeigen
und dergleichen, und polarisierte Leuchten und Arbeitsbeleuchtung
verwendet werden, die von polarisiertem Licht gebrauch machen, um
den Kontrast zu erhöhen
und Blendlicht zu reduzieren. Für
Anwendungen, wo polarisiertes Licht erwünscht ist, besteht die Beleuchtungsvorrichtung
im allgemeinen aus einem Gehäuse,
das eine Lichtquelle enthält,
und einem Polarisationselement, und kann zusätzlich ein reflektierendes
Element und/oder ein Streuelement aufweisen. Die Lichtquelle kann
irgendeine der oben beschriebenen Lichtquellen sein (z. B. eine
Fluoreszenzlampe), jedoch ist sie vorzugsweise eine diffuse Lichtquelle,
die Licht emittiert, das ein hohes Maß an Streuung oder Zufälligkeit
bezüglich
sowohl der Polarisation als auch der Richtung aufweist. Das reflektierende
Element, falls vorhanden, kann irgendeines der oben beschriebenen
reflektierenden Materialien sein, oder kann auch der BRMF für die vorliegende
Erfindung sein. Das Polarisationselement kann irgendeinen Polarisator
aufweisen, einschließlich
absorbierender dichroitischer, dielektrischer oder cholesterischer
Dünnschichtpolarisatoren,
besteht jedoch vorzugsweise aus dem doppelbrechenden reflektierenden
Mehrschichtpolarisator, der in WO 95/17303, und W0 96/19347 beschrieben
wird.
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Absorbierende Polarisatoren verwenden
typischerweise dichroitische Farbstoffe, die Licht einer Polarisationsorientierung
stärker
als die orthogonale Polarisationsorientierung durchlassen. Wenn
ein absorbierender Polarisator zum Beispiel in
einer Anzeige oder polarisierten Beleuchtungsvorrichtung verwendet
wird, trägt das
absorbierte Licht nicht zur Beleuchtung und folglich zur Gesamthelligkeit
der LCD oder Leuchte bei. Die Verwendung solcher Polarisatoren in
Beleuchtungsanwendungen wird in den in US-Patenten Nr. 3,124,639 (Kahn),
3,772,128 (Kahn) und 4,796,160 (Kahn), und in den US-Patenten Nr. 5,184,881
(Karpen) und 5,359,498 (Karpen) beschrieben. Vakuumabgeschiedene,
dielektrische Dünnfilmpolarisatoren
absorbieren nicht, wie es dichroitische Polarisatoren tun, leiden
jedoch unter anderen Nachteilen, wie unter einer mangelhaften Winkelantwort
und einer schlechten spektralen Durchlassung für nicht vorgesehene Wellenlängen. Zusätzlich werden
sie herkömmlich
auf stabile Substrate beschichtet, wie massives optisches Glas oder
Polymersubstrate, und dies kann sie zur Verwendung in Beleuchtungsanwendungen
zu massig und schwer machen, die ein geringes Gewicht und kleines
Profil erfordern. Für
einige Beleuchtungsanwendungen können
diese Polarisatoren mit einer geeigneten Lichtquelle und dem DRMF
für die
vorliegende Erfindung kombiniert werden, um eine polarisierte Beleuchtungsvorrichtung
bereitzustellen.
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Die bevorzugten reflektierenden Polarisatoren
lassen spiegelnd Licht einer gewünschten
Polarisation durch und reflektieren Licht einer anderen Polarisation.
Licht, das durch eine diffuse Quelle erzeugt wird, ist zufällig polarisiert
und weist daher Polarisationskomponenten (a) und (b) auf. Dieses
Licht fällt
auf das reflektierende Polarisationselement. Das reflektierende
Polarisationselement ist angepaßt,
Licht mit einer ersten Polarisationskomponente durchzulassen (in
diesem Beispiel die Polarisationskomponente (a)), und Licht mit
der orthogonalen Polarisationskomponente zu reflektieren (in diesem
Beispiel (b)). Folglich wird Licht der Polarisationskomponente (a)
durch das reflektierende Polarisationselement durchgelassen, während Licht
der Polarisationskomponente (b) zurück in die Beleuchtungsvorrichtung
reflek tiert wird, wo es zufällig
verteilt wird. Etwas des anfänglich
zurückgeworfenen
Lichts wird folglich in die gewünschte
Polarisation umgewandelt und wird spiegelnd durch das reflektierende
Polarisationselement durchgelassen. Dieser Prozeß geht weiter, und die wiederholten
Reflexionen und anschließende
zufällige
Verteilung des Lichts der unerwünschten
Polarisation erhöht
die Menge des Lichts der erwünschten
Polarisation, die aus der diffusen polarisierten Beleuchtungsvorrichtung
emittiert wird. Das Ergebnis ist ein sehr effizientes System zur
Erzeugung von Licht einer gewünschten
Polarisation. Die wiederholten Reflexionen und zufälligen Verteilungen,
die durch die Kombination der diffusen Quelle und des reflektierenden
Polarisationselements bewirkt werden, bilden einen effizienten Mechanismus
zur Umwandlung von Licht vom Zustand (b) in den Zustand (a). Das
System ist, in dem Sinne effizient, daß Licht, das andernfalls absorbiert
worden und daher nicht verfügbar
wäre, stattdessen
in die gewünschte
Polarisation umgewandelt wird. Eine Beleuchtungsvorrichtung, die
ein solches Polarisationselement verwendet, macht folglich einen
sehr viel effizienteren Gebrauch von dem Licht, das aus der Quelle
emittiert wird, da Licht der zurückgeworfenen
Polarisation zurück
in die Quelle reflektiert und zufällig verteilt wird. Als Ergebnis
wird die Gesamtmenge des Lichts, das aus der Vorrichtung in der
erwünschten
Polarisation emittiert wird, erhöht.
Die Verwendung eines doppelbrechenden reflektierenden Mehrschichtpolarisationsfilms
(RPF) in Beleuchtungsanwendungen wird in dem dem Anmelder gemeinsam übertragenen
US-Patent 6 101 032 beschrieben. Diese Anmeldungen beschreiben die
Verwendung der Mehrschicht-RPF in Beleuchtungsanwendungen, insbesondere
in LCD-Anzeigen und polarisierten Leuchten. Das reflektierende Polarisationselement dieser
Anwendungen läßt Licht
einer gewünschten
Polarisation durch und reflektiert spiegelndes Licht einer anderen
Polari sation in die diffuse Quelle zurück, wo es zufällig verteilt
wird. Wenn eine Mehrschicht-RPF auf diese Weise verwendet wird,
wird in Leuchten oder Arbeitsbeleuchtungsanwendungen typischerweise
ein getrennter Diffusorfilm verwendet, so daß die Lichtquelle nicht direkt
sichtbar ist. Es ist vorzugsweise auch ein reflektierendes Element
in diesen polarisierten Beleuchtungsvorrichtungen enthalten, und
das reflektierende Element kann den BRMF für die vorliegende Erfindung
oder irgendeine andere geeignete reflektierende Oberfläche aufweisen,
die entweder das aus der RPF reflektierte Licht zufällig verteilt
oder das reflektierte Licht in eine Diffuserquelle zurück reflektiert,
wo es zufällig
verteilt und teilweise in die korrekte Polarisation umgewandelt
werden kann, um durch das Polarisationselement durchgelassen zu
werden.
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Der DRPF, der für die vorliegende Erfindung
geeignet ist, funktioniert ähnlich
zum Mehrschicht-RPF, um die Menge des Lichts der gewünschten
Polarisation zu erhöhen,
die durch die polarisierte Beleuchtungsvorrichtung emittiert wird,
jedoch wird das anfänglich
zurückgeworfene
Licht der falschen Polarisation diffus in die Beleuchtungsvorrichtung
zurück
reflektiert, wo es zufällig
verteilt, teilweise in Licht der korrekten Polarisation umgewandelt,
und spiegelnd durch das Polarisationselement durchgelassen werden,
kann. Der diffuse reflektierende Polarisationsfilm (DRPF) für die vorliegende
Erfindung ist durchscheinend, so daß kein getrennter Diffusor
benötigt
wird. Wenn er mit der Lichtquelle kombiniert wird, um eine diffus
reflektierende polarisierte Beleuchtungsvorrichtung herzustellen,
wird vorzugsweise auch ein reflektierendes Element eingeschlossen, um
das reflektierte Licht zurück
zur Quelle zu reflektieren und/oder bei der zufälligen Verteilung und teilweisen Umwandlung
des reflektierten Lichts in Licht der korrekten Polarisation zu
helfen, die durch das Polarisationselement durchgelassen werden
soll. Das reflek tierende Element kann irgendein geeignetes reflektierendes Material
sein, wie oben beschrieben, und kann insbesondere der DRMF für die vorliegende
Erfindung sein. Als solcher kann der DRMF, der für die vorliegende Erfindung
geeignet ist, in einer Ausführungsform
als das reflektierende Element verwendet werden, und der DRPF für die vorliegende
Erfindung kann als das Polarisationselement und/ oder das Streuelement
verwendet werden.
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In den hierin beschriebenen Beleuchtungsvorrichtungen
kann die Lichtquelle mit dem Polarisationselement und dem reflektierenden
Element in einer Vielzahl von Konfigurationen gekoppelt sein. Einige
der Konfigurationen werden bezüglich
der Verwendung des diffus reflektierenden Polarisationsfilms (DRPF)
für die vorliegende
Erfindung als das Polarisationselement und des diffus reflektierenden
Spiegelfilms (DRMF) für
die vorliegende Erfindung als das reflektierende Element beschrieben,
jedoch sollte erkannt werden, daß man sich verschiedene Kombinationen
des DRPF mit anderen Materialien als dem reflektierenden Element
und des DRMF mit anderen Materialien als dem Polarisationselement
vorstellen kann. In einer Konfiguration kann der DRPF um die diffuse
Quelle gewickelt werden, so daß er
sie vollständig
einschließt.
Es kann zusätzlich
zur Lichtquelle und dem DRPF ein getrennter Reflektor verwendet
werden. Der Reflektor kann ein diffus reflektierender Film (DRMF)
sein, der das Licht der Polarisation (b) zufällig verteilt, das vom DRPF
reflektiert wird, oder er kann ein spiegelnder Reflektor sein, der
das Licht zum lichtemittierenden Bereich einer diffus zufällig verteilenden
Lichtquelle umleitet. Der DRMF kann um eine Seite der Lichtquelle
orientiert sein und kann laminiert oder anderweitig an der Lichtquelle
befestigt sein. In der Konfiguration kann auch der DRPF laminiert
oder anderweitig befestigt sein, so daß er die andere Seite der Lichtquelle
einschließt.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden
polarisierten Lichtquelle, die den DRPF verwendet, weisen mehrere
Vorteile auf. Der Reflexions- und zufällige Verteilungsprozeß, der mit
der Lichtquelle und dem DRPF erzielt wird, ergibt eine polarisierte
Beleuchtungsvorrichtung, die sehr effizient ist. Das Breitband-Reflexionsvermögen, das
durch den DRPF bereitgestellt wird, bedeutet, daß die Effizienz über einen
breiten Spektralbereich erzielt wird. Zusätzlich stellt der DRPF ein
hohes winkelfernes Reflexionsvermögen der zurückgeworfenen Polarisation bereit.
Diese Merkmale machen die Kombination DRPF/ diffuse Quelle über einen
breiteren Bereich des optischen Spektrums und, über einen breiteren Bereich
von Winkeln als die Ausführungsformen nützlich,
die massive optische Komponenten aufweisen. Zusätzlich ist der DRPF leicht,
dünn und
flexibel, was ihn für
Anwendungen geeignet macht, die eine niedrige Größe und geringes Gewicht erfordern.
Der DRPF paßt
sich auch gut an die Lampenoberfläche an und er könnte in
die Lampenherstellung eingegliedert werden. Da ferner der DRPF ein
diffuser Reflektor ist, erübrigt
seine undurchsichtige Erscheinung den Bedarf nach einem getrennten
Diffusorfilm, der typischerweise in polarisierten Leuchten und Arbeitsbeleuchtungsvorrichtungen
verwendet wird, um die Lichtquelle vor einer direkten Betrachtung
zu verbergen.
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In noch einer weiteren Anwendung
können
optische Filme, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, verwendet werden, um polarisiertes
Licht zu erzeugen, das in Rauchnachweisanlagen oder in der Analyse
der Polarisation des Lichts, das von Rauchteilchen gestreut wird,
einschließlich
jenen Rauchnachweisanlagen verwendet wird, die versuchen, die Beschaffenheit
oder den Ursprung der Verbrennung zu definieren, wie durch US- 5,576,697
(Nagashima u.a.) gelehrt wird.
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Lichtauskoppler
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Die oben beschriebenen optischen
Filme können
in verschiedenen optischen Vorrichtungen als Lichtauskoppler verwendet
werden, einschließlich
Lichtleitern, wie der Lichtleitfaser (LCOF) mit großem Kern, die
in 8 dargestellt wird.
Die LCOF 50 nutzt sehr effizient eine innere Totalreflexion (TIR),
um Nicht von einem Illuminator oder einer Lichtquelle 52 über wesentliche
Entfernungen zu leiten. Wenn jedoch die optischen Filme als eine äußere Hülle 54 aufgebracht
werden, stören
sie die Lichtleitung an der Faser-Luft-Grenzfläche, wodurch sie Licht in die
Umgebung entlassen. Dieses Merkmal kann vorteilhaft in verschiedenen
Beleuchtungsanwendungen mit einer entfernten Quelle verwendet werden,
wie architektonische Hervorhebungen, Dekorationsbeleuchtung, medizinische
Beleuchtung, Zeichengebung, visuelle Führungen (z. B. auf Landestreifen
oder in Schneisen für
Flugzeuge oder Gängen
für Theater),
Anzeige (z. B. Instrumentenanzeigen, insbesondere jenen, in denen
eine übermäßige Erwärmung ein
Problem ist) und Ausstellungsbeleuchtung, Straßenbeleuchtung, Autobeleuchtung,
Abwärtsbeleuchtung,
Arbeitsbeleuchtung, Hervorhebungsbeleuchtung und Umgebungsbeleuchtung.
In einigen Anwendungen können
die Filme für
die vorliegende Erfindung als eine Hülle an mehreren Stellen längs der
Länge der
Faser aufgebracht werden, wodurch sie mehrere Stellen aus einer
einzigen Lichtquelle beleuchten. Ferner wird, da diese Systeme üblicherweise
mit UV- und. IR-Filtern ausgestattet sind, die Beleuchtung, die
durch solche Systeme erzeugt wird, weder UV-empfindliche Materialien
beeinträchtigen
noch werden sich die Lichtleiter beim Gebrauch erwärmen.
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Es kann auch dafür gesorgt werden, daß die Filme
für die
vorliegende Erfindung nur eine einzige Polarisation des Lichts auskoppeln,
wodurch eine polarisationsspezifische Quelle geschaffen wird. Mit
einer geeigneten Konfiguration des Lichtfasersystems wird im wesentlichen
das gesamte Licht, das in die Faser eingespeist wird, schließlich in
der gewünschten
Polarisation seinen Weg durch den Auskoppler nehmen. Polarisationsspezifische
Quellen können
zum Beispiel durch die Verwendung eines optischen Films für die vorliegende
Erfindung hergestellt werden, der für Licht einer ersten Polarisation
ein starker diffuser Streuer ist, jedoch für Licht einer zweiten Polarisation
ein nicht zerstreuendes, spiegelndes Material ist, das eine Hüllen-Oberflächen-Grenzfläche mit
innerer Totalreflexion (TIR) beibehält. Ein solches System wird
in Beispiel 139 beschrieben.
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Geeignete Lichtleiter zur, Verwendung
in der vorliegenden Erfindung weisen auf der Seite emittierende und
am Ende emittierende Fasern auf. Die Lichtleiter selbst können aus
Glas oder Kunststoff bestehen, und können variierende Durchmesser
aufweisen, die von solchen Faktoren, wie der erforderlichen Effizienz
beim Sammeln von Licht, der erforderlichen Flexibilität und davon
abhängen,
ob die Lichtleiter alleine oder in Bündeln verwendet werden sollen.
Die Lichtleiter können
auch Lichtleitfaser-Lichtleiter oder Prismenlichtleiter sein, wobei
die letztgenannten für
Anwendungen in großen
Maßstab
besser geeignet sind, und die erstgenannten für Anwendungen im kleinen Maßstab besser
geeignet sind, wo die Kosten pro Lumen weniger wichtig sind.
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Kommerziell verfügbare Lichtleiter, die zur
Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen
jene, die aus Filmen aus Acrylpolymeren mit niedrigem Transformationspunkt
Tg bestehen, wie dem optischen Beleuchtungsfilm,
der kommerziell von 3M unter dem Handelsnamen Scotch Optical Lightning
Film (SOLF) erhältlich
ist. Ein solcher Film, der gegenüber
Licht, das unter bestimmten Winkeln einfällt, wie ein Spiegel wirkt,
ist ein transparenter Kunstoffilm, der eine (typischerweise mikrounterteilte)
prismatische Oberfläche auf
einer Seite und eine glatte Oberfläche auf der anderen aufweist.
Der Film wird üblicherweise
in Verbindung mit einem Rohr oder einem Träger eines transparenten oder
undurchsichtigen Kunststoffs oder Metalls verwendet. Andere geeignete
Lichtleiter umfassen die linearen Beleuchtungsfaseroptiken, die
kommerziell von Lumenyte unter dem Handelsnamen FiberescentTM erhältlich
sind, und die am Ende emittierenden Fasern, die kommerziell von
Fiberstars unter dem Handelsnamen Fiber-SpotsTM erhältlich sind.
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Es können verschiedene Lichtquellen
in Verbindung mit den Lichtleitern zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, abhängig
von der Anwendung, auf die der Lichtleiter ausgerichtet ist. Solche
Quellen werden zum Beispiel in Lightning Futures, B. 1, Nr. 3 (1995),
einer Veröffentlichung
des Lightning Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute,
Troy, N.Y beschrieben. Typischerweise wird eine Niederspannungs-MRI
6 Lampe mit 20–75
Watt, die in Verbindung mit einem Faseroptiksystem verwendet wird, für Anwendungen,
wie bei einem Museum, einer Anzeige und Hervorhebungsbeleuchtung
geeignet sein, während
eine 70–250
Watt Metall-Halogen-Lampe, die in Verbindung mit einem Faseroptikoder
Prismenlichtleitersystem verwendet wird, für Anwendungen wie architektonische
oder Außen-Beleuchtungsanwendungen
geeignet sein. Für
Anwendungen, die 250 Watt oder mehr benötigen, können Metall-Halogen- oder Natrium-Hochdrucklampen
in Verbindung mit Prismenlichtleitersystemen verwendet werden. Andere
geeignete Lichtquellen umfassen 60 Watt Xenon-Metall-Halogen-Lampen, die
von General Electric Company, Danbury, Connecticut kommerziell erhältlich sind,
die für
Automobilanwendungen besonders nützlich
sind, und Schwefellampen, die von Fusion Lightning, Rockville, MD
kommerziell erhältlich
sind, die erfolgreich auf einer experimentellen Grundlage in Prismenlichtleitersystemen
verwendet worden sind. Kompakte und röhrenförmige Fluoreszenzlampen können ebenfalls
verwendet werden, wo eine größere diffuse
Lichtquelle benötigt
wird. Sonnenlicht kann ebenfalls mit Faseroptik- oder Prismenlichtleitersystemen
und in Verbindung mit Spiegeln oder Linsen, als Teil einer Solarenenrgieanlage
verwendet werden.
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In einigen hintergrundbeleuchteten
Anzeigevorrichtungen, wie jenen, die in Avionikanwendungen verwendet
werden, wo hohe Pegel Umgebungslicht auf die Vorderseite der Vorrichtung
auftreffen, sind hohe Intensitäten,
die von der Anzeige abstrahlen, erforderlich, um der Anzeige einen
ausreichenden Kontrast zu geben. Folglich kann eine übermäßige Erwärmung des
Hintergrundbeleuchtungsaufbaus in solchen Systemen auftreten, wenn
keine Einrichtungen bereitgestellt werden, die unerwünschte Wärme abzuleiten.
Es werden eine Vielfalt von Einrichtungen in der Technik verwendet,
um die Wärme
zu beseitigen, wie die Verwendung von kalten Spiegeln und Filtern
und andere Einrichtungen.
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In den meisten neuen Flugzeugen reduziert
Umgebungssonnenlicht potentiell den Kontrast in den verwendeten
Flachbildschirmanzeigen, und räumliche
Anforderungen für
das Ensemble der Anzeigen sind kritische Designparameter. Daher
wird in einer Form der vorliegenden Erfindung Licht zur der oder
den Anzeige(n) über
Faseroptiken von einer entfernt angeordneten, jedoch intensiven
Quelle transportiert, wo die letztgenannte effizient gekühlt werden
kann, und die unerwünschte
Wärme die
Arbeit der Anzeigevorrichtung nicht beeinflußt. Da diese Anzeigen typischerweise
auf der Grundlage von polarisiertem Licht arbeiten, das sich durch eine
Flüssigkristallanzeige
ausbreitet, können
die optischen Filme, die für
die vorliegende Erfindung geeignet sind, in solchen Systemen als
Lichtauskoppler mit im wesentlichen einer Polarisation verwendet
werden. Die zweite Polarisation würde weiter innerhalb der Lichtleitfaser
reflektiert werden, bis ihre Polarisation in die erste Polarisation
umgewandelt ist, und aus dem Lichtauskoppler an Stellen emittiert
werden kann, wo das Licht benötigt
wird.
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Übersicht über die Beispiele
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen
die Herstellung von verschiedenen, für die vorliegende Erfindung
geeigneten 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.
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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.
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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.
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Es wurden Transmissions-Elektronenmikroskop-Mikrophotographien
vom fertiggestellten Film im Querschnitt in einer Ebene senkrecht
zur Maschinenrichtung aufgenommen, um die Beschaffenheit der dispergierten
Phase zu bestimmen. Die Außenschichten
der Dreischicht-Aufbauten wurden vom orientierten Film entfernt,
wobei nur die innige Gemischschicht zum Einbetten übrig gelassen
wurde. Proben wurden in 3M ScotchcastTM 5
Elektroharz eingebettet, das bei Raumtemperatur gehärtet wurde.
Die eingebetteten Proben wurden unter Verwendung eines Diamantmessers
auf einem Reichert UltracutTM S Mikrotom
bei Raumtemperatur in dünnen
Abschnitte von annährend
90 nm Dicke mikrotomiert, wobei eine Schneiderate von 0,2 Millimeter
pro Sekunde verwendet wurde. Die dünnen Abschnitte wurden auf
destillierten, entionisierten Wasser schwimmen gelassen und zur
transmissions-elektronenmikroskopischen Auswertung auf einem mit
einem. Kohlstoff/ Formvor-Substrat verstärkten 200-Mesh-Kupfergitter gesammelt. Es wurden
Mikrophotographien unter Verwendung eines JEOL 200CX Transmissions-Elektronenmikroskops
gemacht.
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Es wurden Rasterelektronenmikroskop-Auswertungen
an Gießbahnen
vor einer Filmorientierung vorgenommen, um die Beschaffenheit der
dispergierten Phase zu bestimmen. Während sie in flüssigem Stickstoff eingetaucht
waren, wurden Bahnstücke
gebrochen, um eine Ebene senkrecht zur Maschinenrichtung freizulegen.
Die Proben wurden dann zugerichtet und vor einer Sputter-Beschichtung
mit Gold-Palladium auf Aluminiumstummeln angebracht. Es wurden Mikrophotographien
unter Verwendung eines Hitachi S530-Rasterelektronenmikroskops aufgenommen.
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Beispiel 1
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Im Beispiel 1 wurde ein optischer
Film, der für
die Erfindung geeignet ist, durch Extrudieren eines innigen Gemisches
von 75% Polyethylen-Naphthalat (PEN) als die zusammenhängende oder
Hauptphase 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 UltraflexTM 40.
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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 integrierenden 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).
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Beispiel 2
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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
IrganoxTM 1010 und UltranoxTM 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.
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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 mit 73,3% bestimmt, und das gekreuzte
Reflexionsvermögen
wurde mit 35% bestimmt.
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Beispiel 3
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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 .
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Beispiel 4
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Im Beispiel 4 wurde ein optischer
Film mit drei Schichten hergestellt, der für die Erfindung geeignet ist, 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.
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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.
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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.
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Beispiele 5–29
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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.
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Eine Wärmefixierung wurde durchgeführt, wie
für die
Beispiele 24–27
angegeben, indem die beiden Kanten der gedehnten 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.
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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.
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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 Materialien der zusammenhängenden und dispergierten Phase,
die ihre relativen Schmelzviskositäten ändern würden, variiert werden. Bestimmte
Anwendungen oder Verwendungen können von
dem 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.
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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.
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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.
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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.
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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 optischen Körpern
beobachtet worden sind, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
hergestellt wurden. Es wird erwartet, daß sogar noch höhere Extinktionsverhältnisse
erzielt werden können
(z. B. größer als
100), indem die Filmdicke, der Einschluß-Volumenbruchteil, die Teilchengröße und der
Grad der Indexanpassung und Fehlanpassung eingestellt werden, oder
durch die Verwendung von Iod oder anderen Farbstoffen.
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Beispiele 30–100
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In den Beispielen 30–100 wurden
Proben, die für
die Erfindung geeignet sind, 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. EcdelTM 9967
und EastarTM sind Copolyester, die von Eastman
Chemical Co., Rochester, New York kommerziell erhältlich sind.
SurlynTM 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.
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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.
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Es wurde herausgefunden, daß das Vorhandensein
von verschiedenen Kompatibilisatoren die Größe der enthaltenen oder dispergierten
Phase reduziert.
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Beispiel 101
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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%.
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Beispiele 102–121
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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.
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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.
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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.
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Beispiele 122–124
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Im Beispiel 122 wurde ein optischer
Mehrschichtfilm zur Verwendung in der Erfindung 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.
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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
beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, um das innige Co-PEN/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 jede 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.
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Das resultierende hautschichtumhüllte Mehrschichtkomposit
wurde durch einen Vervielfacher 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.
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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 dünnen
Lage gegossen wurden, indem er durch eine Düse extrudiert und zu einer
dünne Lage
von etwa 30 Milli-Inch Dicke abgeschreckt wurde. Die resultierende
dünne Gießlage wurde
dann in die Breitenrichtung unter Verwendung einer herkömmlichen
Filmherstellungs-Spannvorrichtung
orientiert. Die dünne
Lage 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.
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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.
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Im Beispiel 124 wurde ein optischer
Mehrschichtfilm wie im Beispiel 122 hergestellt, außer daß kein sPS
zum Film hinzugefügt
wurde.
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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 stattdessen 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 Lichts einer Wellenlänge zwischen
400 und 700 nm gemessen.
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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 Erfindung können
niedriger sein als erwartet, da Licht, das durch die dispergierte
sPS-Phase gestreut wird, nicht durch den Detektor empfangen werden
kann.
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Beispiel 125
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Es wurde ein Dreischicht-Film gemäß Beispiel
4 hergestellt. Die Kernschicht bestand aus 70% CoPEN, dessen in
60% Phenol, 40% Dichlorbenzen, gemessene Strukturviskosität 0,55 betrug,
70% sPS 200–7, plus
zusätzliches
2% Dylark 332–80
(erhältlich
von NOVA Chemical). Jede Haut bestand aus 100% CoPET mit einer in
Methylenchlorid gemessenen Strukturviskosität von 0,65.
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Das CoPEN war ein Copolymer, das
auf 62 Mol% Naphthalendicarboxylat und 38 Mol% Dimethylterephthalat
beruhte. Das CoPET war ein Copolymer, das auf 80 Mol% Dimethylcarboxylat
und 20 Mol% Dimethylisophthalat beruhte.
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Der Gießfilm wurde in einer Weise
orientiert, die mit dem Beispiel 1 übereinstimmte. Die Dehnung
wurde mit 5,8 Me tern pro Minute (19 Fuß pro Minute) mit einer Ausgabebreite
von 147 cm (58 Inch) durchgeführt. Die
Dehnungstemperatur betrug 124°C.
Die Wärmefixierungstemperatur
betrug 163°C.
Die senkrechte Durchlässigkeit
betrug 85,3%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 21,7%.
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Beispiele 126–130
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen
die Herstellung einer co-zusammenhängenden Morphologie in einem
optischen System der vorliegenden Erfindung.
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In den Beispielen 126 bis 130 wurde
eine Reihe von optischen Filmen hergestellt und in einer zum Beispiel
125 entsprechenden Weise bewertet, außer daß die sPS-Fraktion in der Kernschicht
und die Dehnungstemperatur variiert wurden, wie in Tabelle 5 gezeigt.
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Die parallelen und senkrechten Durchlässigkeitswerte
für die
Beispiele 125 bis 130 zeigen eine gute optische Leistung. Der hohe
Wert für
die senkrechte Durchlässigkeit
für die
Durchlässigkeit
des Beispiels 130 läßt auf eine
effektive Anpassung der Brechungsindizes in beiden Phasen für polarisiertes
Licht schließen,
das in die Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung ausgerichtet
ist.
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Es wurden Rasterelektronenmikroskop-Mikrophotographien
von Bruchflächen
der Gießbahn
für die Beispiele
126 und 127 aufgenommen. Wie im Beispiel 125 gab es einen klaren
Beweis von sphärischen
oder elliptischen Teilchen, die in einer ansonsten zusammenhängenden
Matrix dispergiert waren. Für
die Beispiele 129 und 130 wurden Transmissionselektronenmikroskop-Mikrophotographien
aufgenommen; diese werden jeweils in den 6a und 6b gezeigt. 6a veranschaulicht
die Morphologie co- zusammenhängender
Phasen. Eine Untersuchung der Mikrophotographie zeigt Einschlüsse von
sowohl den co-PEN-
als auch den sPS- Phasen, als auch Bereiche, wo jede die zusammenhängende Phase
zu sein scheint. Im Gegensatz dazu zeigt 6b in
einer sPS- Matrix dispergiertes coPEN.
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Beispiel 131
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Es wurde ein Dreischicht-Film gemäß Beispiel
4 hergestellt. Die Kernschicht bestand aus 85% CoPEN, dessen in
einer Lösung
aus 60% Phenol und 40% Dichlorbenzen gemessene Strukturviskosität 0,51 betrug,
und 15% 50k-7, plus zusätzliche
2% DylarkTM 332–80. Jede Haut bestand aus
100% CoPEN.
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Das als Teil des Kerns verwendete
CoPEN war ein Copolymer, das auf 70 Mol% Naphthalendicarboxylat
und 30 Mol% Dimethylterephthalat beruhte. Das in den Hautschichten
verwendete CoPEN war ein Copolymer, das auf 70 Mol% Dimethylcarboxylat
und 30 Mol% Dimethylisophthalat beruhte.
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Der Gießfilm wurde in einer Weise
orientiert, die mit dem Beispiel 1 übereinstimmte. Die Dehnung
wurde mit 5,3 Metern pro Minute (17,4 Fuß pro Minute) mit einer Ausgabebreite
von 124,5 cm (49 Inch) durchgeführt.
Die Dehnungstemperatur betrug 118°C.
Die Wärmefixierungstemperatur
betrug 141°C.
Die senkrechte Durchlässigkeit
betrug 81,9%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 32,7. Das senkrechte
Durchlässigkeitsspektrum
wird in 7 dargestellt.
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Beispiel 132
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Es wurde ein Film mit einer Antireflexschicht
hergestellt, indem zuerst 10 Gramm RemetTM SP-30
(Remet Coporation, Chadwicks, NY) mit 1 Gramm TritoxTM X-100
(Rohm und Haas, Philadelphia, PA) zu 89 Gramm entionisiertem Wasser
hinzugegeben wurden. Die Lösung
wurde auf ein Stück
Film aus dem Beispiel 131 beschichtet, wobei ein #3 drahtumwickelter
Stab genutzt wurde, um eine Trockenbeschichtungsdicke von annähernd 200
Nanometern zu erhalten. Die senkrechte Durchlässigkeit betrug 83,8%, und
die parallele Durchlässigkeit
betrug 33,3%.
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Beispiel 133
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Beispiel 131 wurde wiederholt, mit
der Ausnahme, daß beide
Seiten des Films mit einer Antireflexschicht beschichtet wurden.
Die senkrechte Durchlässigkeit
betrug 86,2%, und die parallele Durchlässigkeit betrug 33,8%.
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Die. senkrechte Durchlässigkeitsspektren
für die
Beispiele 131–133
werden in 7 dargestellt.
Man kann aus 7 entnehmen,
daß die
Gesamtsteigung der senkrechten Durchlässigkeit als eine Funktion
der Wellenlänge
für die
Beispiele 132-133 relativ zum Beispiel 131 niedriger ist,
insbesondere für
den Wellenlängenbereich
von. Ein Fachmann wird erkennen, daß ein Film, der eine flache
Durchlässigkeitskurve
als eine Funktion der Lichtwellenlänge aufweist, alle Änderungen
der Farbe einer sich ergebenden Anzeigevorrichtung minimieren wird,
in die der reflektierende Polarisator eingebaut werden könnte.
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Beispiele 134 – 135
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Die Beispiele stellen die Verwendung
solcher Filme als hocheffiziente Lichtauskoppler für Lichtleiterstrukturen
dar.
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In Beispiel 134 wurde ein optischer
Film hergestellt, indem eine Zusammensetzung extrudiert wurde, die
aus 30% sPS in einer Matrix von 70/30/0-CoPEN bestand. Der extrudierte
Film wurde in die Maschinenrichtung mit einem Dehnungsverhältnis von
2,5 : 1 orientiert.
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In Beispiel 135 wurde ein zweiter
Film aus derselben Zusammensetzung wie Beispiel 134 und unter Verwendung
einer ähnlichen
Prozedur hergestellt. Anstatt jedoch den Film in die Maschinenrichtung
zu orientieren, wurde der Film einachsig in die Richtung quer zur
Maschinenrichtung orientiert, wobei eine Spanndehnung von 4,8 :
1 verwendet wurde.
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Die Filme der Beispiele 134 und 135
wurden mechanisch als Hülle
befestigt, um optische Fasern zu trennen, wobei ein Silika-Schmiermittel
verwendet wurde, um die Faser-Luft-Grenzfläche zu beseitigen. Der experimentelle
Aufbau wird schematisch in 8 dargestellt.
Die Fasern wurden dann mit einer 60 Watt Xenon-Metall-Halogen-Kurzbogenlampe
verbunden, die von General Electric Company, Danbury, CT erhalten wurde.
Die optischen Fasern wiesen eine Dicke von 1,2 cm auf und bestanden
aus einem Acrylpolymer mit niedrigem Transformationspunkt.
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Wenn die Lampe eingeschaltet wurde,
wurden die beiden Proben erleuchtet und erzeugten diffus gestreutes
Licht. Als die beiden Filmproben durch einen Polarisationsfilm unter
einer Orientierung senkrecht zu einer Polarisationsebene betrachtet
wurden, erschienen beide Proben im wesentlichen verdunkelt. Wenn.
jedoch der Polarisationsfilm 90° in
derselben Ebene gedreht wurde, erschienen beide Proben diffus hell,
was anzeigte, daß die
Durchlassung des Lichts durch die Filme polarisationsspezifisch
war.
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Die Wirkung, die Enden der Fasern
zu kappen, wurde ebenfalls untersucht. Wenn die Enden reflektierend
gekappt wurden, so daß ein
Teil des Lichts, das aus den Enden der Fasern austrat, zurück in die
Fasern reflektiert wurden, nahm die Intensität des durch die Filme erzeugten
Lichts zu. Dies steht mit der Erzeugung eines Lichthohlraums in Übereinstimmung,
in dem Licht der nicht ausgekoppelten Polarisation weiteren Reflexionen
innerhalb der Lichtleitfaser unterzogen wird, bis es in Maßen in die
ausgekoppelte Polarisation umgewandelt ist. Weil das Licht innerhalb
der Faser nicht in der Lage ist, die Faser zu verlassen, außer durch
den Auskoppler, nimmt die Auskopplungseffizienz zu. Zusätzlich bewirkte
die Polarisationsumwandlung des Lichts, das mit der Faser/Luft-Grenzfläche wechselwirkte,
daß ein
größerer Anteil
des Lichts aus der Faser in der gewünschten Polarisation ausgekoppelt
wurde.
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Beispiel 136
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Das folgende Beispiel veranschaulicht
die Zunahme des Gewinns, die mit nicht normalen Einfallswinkeln
mit den optischen Filmen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
erzielbar ist.
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Es wurde ein Dreischicht-Film gemäß Beispiel
4 hergestellt. Die Kernschicht bestand aus 70% PEN, dessen (in 60%
Phenol und 40% Dichlorbenzen gemessene) Strukturviskosität 0,48 betrug,
und 30% sPS 200–8.
Jede Haut bestand aus 100 CoPEN und wies etwa 17% der Gesamtdicke
des Gießfilms
auf.
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Das CoPEN war ein Copolymer aus 70
Mol% Naphthalendicarboxylat und 30 Mol% Dimethylterephthalat. Die
Viskosität
des CoPEN wurde nicht gemessen.
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Der Gießfilm wurde in einer Weise
orientiert, die mit dem Beispiel 1 übereinstimmte. Die Dehnung
wurde mit 5,5 Metern pro Minute (18 Fuß pro Minute) mit einer Ausgabebreite
von 141 cm (55,5 Inch) durchgeführt. Die
Dehnungstemperatur betrug 154°C.
Die Wärmefixierungstemperatur
betrug 164°C.
Der sich ergebende Film war 128 Mikrometer dick.
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Eine Sharp C12P Hintergrundbeleuchtung
wurde an einer Fläche
eines dichroitischen Standard-Polarisators angeordnet. Die Intensität des Lichts,
das von dem Hintergrundbeleuchtung/Polarisator-Aufbau abgestrahlt
wurde, wurde unter Verwendung eines Photo research PR650 Spektren-Kolorimeters
gemessen. Der Hintergrundbeleuchtung/Polarisator-Aufbau wurde vor
dem Beginn der Messung relativ zum Detektor des PR650 so orientiert,
daß die
Ebene, die den Bogen enthält,
der durch den Detektorarm überstrichen
wird, auch die Achse hoher Durchlässigkeit für den Polarisator enthält. Der
Detektorarm wird plus und minus 60 Grad um eine Richtung senkrecht
zum Hintergrundbeleuchtung/Polarisator-Aufbau geschwenkt. Eine zweite
Intensitätsmessung
wurde mit einem Stück
Film von 23 cm2 gemacht, der zwischen der
Hintergrundbeleuchtung und dem Polarisator so angeordnet wurde,
daß die
senkrechte Durchlassungsachse des Films mit der Richtung hoher Durchlässigkeit
des Polarisators übereinstimmte.
Das Verhältnis
der beiden Intensitäten
für jede
Winkelposition mit dem angeordneten optischen Film zu jener ohne
ihn wird als der relative Gewinn berichtet.
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Die Daten zum Beispiel 136 werden 9A gezeigt. Der mittlere
relative Gewinn bei den Winkeln plus und minus 60 Grad von der Normalen
betrug 1,45. Diese Daten demonstrieren, daß der relative Gewinn für den Film
des Beispiels 136 bei nicht normalen Einfallswinkeln zunimmt, insbesondere
für Winkel
von 30° bis 60° weg vom
normalen Einfall.
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Vergleichsbeispiel 1
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Das folgende Beispiel veranschaulicht
die Abnahme des Gewinns bei nicht normalen Einfallswinkeln für einen
typischen kommerziell erhältlichen
optischen Film.
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Ein Stück eines mikrounterteilten
Helligkeitsverstärkungsfilms
von Sekisui W518 (Osaka, Japan) wurde unter Ver wendung des Eldim
120D gemessen, wie in Beispiel 136 beschrieben. Das Verhältnis der
Intensitäten
für jede
Winkelposition mit dem angeordneten Sekisui W518 Film zu jener ohne
den Sekisui-Film wird als 9B gezeigt.
Der mittlere relative Gewinn bei den Winkeln plus und minus 60 Grad
von der Normalen betrug 0,65, was anzeigt, daß der Gewinn für den Film
bei normalem Einfall eine Spitze aufweist und für alle Winkel weg vom normalen
Einfall abnimmt.
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Wie durch Beispiel 136 und das Vergleichsbeispiel
1 demonstriert, können
Filme zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden,
in der der relative Gewinn bei nicht normalen Einfallswinkeln zunimmt,
insbesondere für
Winkel von 30° bis
60° weg
vom normalen Einfall. Im Gegensatz dazu weist der relative Gewinn
für kommerziell
erhältliche
optische Filme typischerweise bei normalem Einfall eine Spitze auf und
nimmt für
alle Winkel weg vom normalen Einfall ab. Dieses Merkmal der Filme
für die
vorliegende Erfindung macht sie zur Verwendung in Anwendungen, wie
Helligkeitsverstärkungsfilmen
für großen Anzeigen
besonders vorteilhaft, wo man wahrscheinlich die Anzeige über einen
weiten Bereich von Winkeln betrachten wird.
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Beispiele 137–150
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen
die Zunahme des Gewinns bei nicht normalen Einfallswinkeln weiter,
die mit den Filmen erzielt wird, die für die vorliegende Erfindung
geeignet sind.
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Eine Reihe von Beispielen wurden
in einer Weise hergestellt, die ähnlich
zu Beispiel 136 ist, außer
daß Materialund
Verfahrensänderungen
vorgenommen wurden, wie angegeben. In einigen der Beispiele wurde
Irganox
TM 1425 Oxydationsinhibitor (erhältlich von
Ciba Geigy) und/oder Dylark
TM 332–80 (erhältlich von
NOVA Chemicals) hinzugefügt.
Der mittlere relative Gewinn bei den Winkeln plus und minus 60 Grad
von der Normalen als auch der relative Gewinn bei normalem Einfall
(0 Grad) wird in Tabelle 6 dargestellt
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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.