DE69807754T2

DE69807754T2 - Infrarot reflektierender optischer mehrschicht-körper

Info

Publication number: DE69807754T2
Application number: DE69807754T
Authority: DE
Inventors: J Ouderkirk; A Wheatley
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: DE69807754D1; JP2002509279A; CN1132027C; US6049419A; JP5088988B2; CN1285922A; EP1055140A1; WO1999036808A1; EP1055140B1; US6451414B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Reduktion der Sonnenwärmebelastung, die in ein Gebäude oder Fahrzeug durch seine Fenster eindringt, ist wichtig, um die Belastung der Klimaanlage zu minimieren und den persönlichen Komfort zu fördern. Klare infrarotabweisende Folien werden unter Verwendung von metallisierten oder gefärbten Polymerfolien und mehrschichtigen Polymerstapeln, die unerwünschte Infrarotstrahlung reflektieren oder absorbieren, hergestellt. Idealerweise lassen solche Folien alles Licht in dem Wellenlängenbereich durch, für den das menschliche Auge empfindlich ist, typischerweise etwa 380 bis etwa 700 Nanometer (nm), und weisen Sonnenstrahlung außerhalb des sichtbaren Teils des Spektrums ab. Metallisierte und gefärbte Polymerfolien leiden unter einer reduzierten Leistungsfähigkeit, wenn sie längere Zeit in Fensterfolienanwendungen verwendet werden, da sie anfällig für UV-Zersetzung und chemischen Angriff aus verschiedenen Quellen sind. Ihr Versagensmechanismus ist typischerweise ungleichmäßig und erzeugt nach längerer Einwirkung ein schlechtes visuelles Erscheinungsbild. Außerdem stammt das Reflexionsvermögen von Metallschichten aus einer dünnen Beschichtung, und wenn diese Beschichtung beschädigt wird, nimmt die Leistungsfähigkeit der Folie ab. Eine klare infrarotabweisende Folie kann aus einem Lambda- Viertel-Spiegel hergestellt werden, der sein reflektierendes Band im nahen Infrarot hat. Infrarotabweisende Folien, die aus abwechselnden Schichten von Metalloxiden hergestellt werden, sind in US-Patent Nr. 5,179,468, US-Patent Nr. 4,705,356 und EP 0 080 182 beschrieben. Folien, die aus einer Kombination von Metall- und Metalloxidschichten hergestellt sind, sind in den US-Patenten Nr. 4,389,452, 4,799,745, 5,071,206 und 5,306,547 beschrieben. Infrarotabweisende Folien, die aus abwechselnden Schichten von Polymeren mit hohen und niedrigen Brechungsindices hergestellt sind, sind beschrieben in den US-Patenten Nr. RE 34,605, 5,233,465 und 5,360,659, den US-Anmeldungen Serial No. 08/402,041 mit dem Titel "Optical Film", jetzt als US 5,882,774 A veröffentlicht, und 08/672,691 mit dem Titel "Transparent Multilayer Device" und in der US- Anmeldung Serial No. 09/006,118 mit dem Titel "Multicomponent Optical Body", jetzt als WO 99/36810 A1 veröffentlicht, in denen ein verallgemeinertes Schema beschrieben wird, um Reflexionen höherer Ordnung einzudämmen, während die gewünschten Beziehungen zwischen den in-plane- und out-of-plane-Brechungsindices aufrechterhalten werden, so dass die prozentuale Reflexion der Harmonischen erster Ordnung als Funktion des Einfallswinkels im Wesentlichen konstant bleibt oder zunimmt. Diese Folien unterliegen nicht denselben Zersetzungsmechanismen wie dünne Metall- oder Metalloxidschichten oder gefärbte Folien, da es notwendig ist, die gesamte Folie zu zerstören, um die Leistungsfähigkeit zu reduzieren. Die Folien sind hochgradig korrosionsbeständig, haben eine neutrale Farbe und können verschiedene Eigenschaften haben, die in die Folie eingebaut sind, wie antistatische, abriebfeste und Gleitschichten, die in die Oberfläche der Folie eingebaut werden. Aufgrund ihrer Flexibilität und Herstellungskosten sind die Folien für die Verwendung als Laminat auf Glas vor dem Fensterbau sowie für nachträglich angepasste Anwendungen gut geeignet.
Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, dass die infrarotreflektierende Folie im infraroten Teil des Spektrums so viel Sonnenstrahlung wie möglich reflektiert, während im Wesentlichen die vollständige Transparenz im sichtbaren Bereich des Spektrums erhalten bleibt. Ein Problem mit den polymeren Lambda- Viertel-Folien besteht darin, dass ohne eine geeignete Kompensierung zur Beseitigung von Obertönen Reflexionen höherer Ordnung bei Bruchteilen der Reflexion erster Ordnung auftreten und Schillereffekte sowie sichtbare Farbe zeigen. Mathematisch erscheinen Reflexionen höherer Ordnung bei
λm = (2/M) · Dr,
wobei M die Ordnung der Reflexion ist (zum Beispiel 2, 3, 4 usw.) und Dr die optische Dicke einer optischen Repetiereinheit ist, von der mehrfache Einheiten verwendet werden, um den mehrschichtigen Stapel zu bilden. Dementsprechend ist Dr die Summe der optischen Dicken der einzelnen Polymerschichten, die die optische Wiederholung bilden, und die optische Dicke ist das Produkt von ni, dem in-plane-Brechungsindex des Materials i, und di, der tatsächlichen Dicke des Materials i. Wie man sieht, erscheinen Reflexionen höherer Ordnung bei Bruchteilen der Reflexion erster Ordnung. Zum Beispiel reflektiert eine Folie, die so gestaltet ist, dass sie Infrarotstrahlung zwischen etwa 700 und 2000 nm reflektiert, auch bei 1000 nm, 667 nm, 500 nm, wovon die beiden letzteren im sichtbaren Bereich liegen und eine starke schillernde Farbe ergeben würden. Es ist möglich, einige Reflexionen höherer Ordnung durch geeignete Wahl des Verhältnisses der optischen Dicken in zweikomponentigen mehrschichtigen Folien zu unterdrücken. Siehe Radford et al., "Reflectivity of Iridescent Coextruded Multilayered Plastic Films", Polymer Engineering and Science, Vol. 13, Nr. 3, Mai 1973. Dieses Verhältnis der optischen Dicken wird für eine zweikomponentige Folie "f-Verhältnis" genannt, wobei f = n1·d1/(n1·d1 + n2·d2). Solche zweikomponentigen Folien unterdrücken keine aufeinanderfolgenden sichtbaren Wellenlängen zweiter, dritter und vierter Ordnung. Es wurden optische Beschichtungen mit Schichten aus drei oder mehr Materialien gestaltet, die bestimmte Reflexionen höherer Ordnung unterdrücken können. Zum Beispiel beschreibt das US- Patent Nr. 3,247,392 eine optische Beschichtung, die als Bandpassfilter verwendet wird und im infraroten und ultravioletten Bereich des Spektrums reflektiert. Es wird gelehrt, dass die Beschichtung Reflexionsbanden zweiter und dritter Ordnung unterdrückt, aber die bei der Herstellung der Beschichtung verwendeten Materialien sind dielektrische Metalloxid- und Metallhalogenidmaterialien, die in getrennten Schritten unter Verwendung kostspieliger Vakuumabscheidungstechniken abgeschieden werden müssen. Andere Vakuumabscheidungstechniken, die verwendet werden, um Reflexionen höherer Ordnung zu reduzieren, werden in den US-Patenten Nr. 3,432,225 und 4,229,066 sowie in "Design of Three-Layer Equivalent Films", Journal of the Optical Society of America, Vol. 68 (I), 137 (Januar 1978), gelehrt. Das US-Patent Nr. RE 34,605 beschreibt eine rein polymere dreikomponentige optische Interferenzfolie, die durch Coextrusionstechniken gebildet wird und die Infrarotlicht reflektiert, während sie Reflexionen zweiter, dritter und vierter Ordnung im sichtbaren Bereich des Spektrums unterdrückt. Die Polymere in der Folie müssen eng definierte Brechungsindices haben, was die Wahl der Polymere, die verwendet werden können, einschränkt, und die Herstellung der Folie erfordert getrennte Extruder für jede der drei Polymerkomponenten. Das US-Patent Nr. 5,360,659 beschreibt eine rein polymere zweikomponentige Folie, die ebenfalls coextrudiert werden kann und infrarotes Licht reflektiert, während sie Wellenlängen zweiter, dritter und vierter Ordnung, die im sichtbaren Bereich des Spektrums auftraten, unterdrückt. Die Folie umfasst abwechselnde Schichten aus einem ersten (A) und zweiten (B) diversen polymeren Material mit einer sechsschichtig alternierenden Repetiereinheit mit relativen optischen Dicken von etwa 7 : 1 : 1 : 7 : 1 : 1 für die Schichten A : B : A : B : A : B. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die zweikomponentige Folie einen ersten Teil von alternierenden Schichten, der die sechsschichtige Repetiereinheit aus alternierenden Schichten mit relativen optischen Dicken von etwa 7 : 1 : 1 : 7 : 1 : 1 für die Schichten A : B : A : B : A : B umfasst, und einen zweiten Teil von alternierenden Schichten mit einer Repetiereinheit AB mit gleichen optischen Dicken.
Ein zweites Problem bei den polymeren Lambda-Viertel-Folien oder irgendwelchen dielektrischen Reflektoren besteht darin, dass sich die Wellenlänge des Reflexionsbands mit dem beobachteten Einfallswinkel verschiebt. Wenn dies geschieht, gibt es bei hohen Einfallswinkeln eine drastische Farbänderung, wobei in Reflexion eine Cyanfarbe und in Transmission ein tiefes Rot beobachtet werden. Die Verschiebung im Reflexionsband wird durch die Änderung des effektiven Brechungsindex mit dem Winkel verursacht. Sowohl die Bandmitte als auch die Breite des Reflexionsbandes ändern sich mit wechselndem Einfallswinkel, wobei sich das reflektierende Band stets zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt. Dies widerspricht der Intuition, da die Gesamtweglänge mit dem Winkel zunimmt. Die Bandposition hängt nicht von der Gesamtweglänge ab, sondern vom Unterschied in der Weglänge zwischen den Reflexionen an den Grenzflächen, und dieser Unterschied nimmt mit zunehmendem Winkel ab. Die langwellige Bandkante verschiebt sich außerdem anders als die kurzwellige Bandkante. Bei kurzwelligen Bandkanten heben sich die Änderungen der Mitte und der Breite mit dem Winkel häufig gegenseitig auf. Bei der langwelligen Bandkante summieren sich die Änderungen und verbreitern das Band. Bei den betrachteten Materialien verschiebt sich eine Bandkante typischerweise auf etwa 80% ihrer normalen Einfallswellenlänge bei Betrachtung unter streifendem Einfall. Um bei den vorliegenden Anwendungen keine sichtbare Farbe zu erhalten, wenn die Folie unter nichtnormalen Winkeln betrachtet wird, ist es notwendig, dass sich die kurzwellige Bandkante eines Infrarotreflektors ausreichend weit im Infraroten befindet, so dass sie bei einem gewünschten Verwendungswinkel nicht beobachtet wird. Typischerweise muss die Folie so gestaltet sein, dass die kurzwellige Kante für den Normalwinkel um 100-150 nm vom Rand des sichtbaren Spektrums weg verschoben wird. Bei einer mehrschichtigen infrarotreflektierenden Folie mit abwechselnden Schichten aus PEN und PMMA muss die kurzwellige Bandkante zum Beispiel auf etwa 850 nm verschoben werden, um jede mit dem Winkel wahrgenommene Farbe zu beseitigen. Dadurch entsteht eine Lücke zwischen dem Rand des sichtbaren Spektrums (etwa 700 nm) und der kurzwelligen Bandkante von etwa 150 nm.
Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, soviel wie möglich vom Sonnenspektrum, das zur Wärmebelastung beiträgt, zu reflektieren, während das gesamte sichtbare Spektrum durchgelassen wird. Die Verschiebung der Bandkante zu längeren Wellenlängen führt für die normalen Einfallsbedingungen zu einer Lücke zwischen dem Reflexionsband und dem Rand des sichtbaren Spektrums, was zu einer geringeren spektralen Abdeckung bei Wellenlängen führt, bei denen das solare Infrarotspektrum maximal ist. Dies korreliert insgesamt mit einer Erhöhung des Abschattungskoeffizienten der Folie, der ein Maß für die Menge der Sonnenenergie ist, die in ein Fenster eintritt, im Vergleich zu einer einfachen Glasscheibe. Dementsprechend besteht ein Bedürfnis nach einer Infrarotfolie, die auch dann eine maximale Menge des solaren Infrarot reflektiert, wenn das Reflexionsband verschoben ist, um sichtbare Farben zu kompensieren, wenn die Folie unter nichtnormalen Winkeln betrachtet wird. Weiterhin muss eine solche Folie in der Lage sein, Reflexionen höherer Ordnung zu beseitigen, die ebenfalls zu sichtbarer Farbe und Schillereffekten beitragen.
Das US-Patent Nr. 5,486,949 offenbart, dass es wünschenswert sein kann, Färbemittel, wie Farbstoffe oder Pigmente, in eine oder mehrere Schichten eines doppelbrechenden Polarisators einzubauen, um eine selektive Absorption bestimmter Lichtwellenlängen zu erlauben und die Bandbreite des reflektierten polarisierten Lichts und den Wellenlängenbereich des durchgelassenen Lichts zu steuern. Das US-Patent Nr. 4,705,356 offenbart einen aus einer dünnen Folie bestehenden optisch variablen Artikel mit einer erheblichen Farbverschiebung bei verschiedenen Lichteinfalls- und Betrachtungswinkeln; er umfasst ein optisch dickes, im Wesentlichen transparentes Strukturelement, das ein Färbemittel sowie eine mehrschichtige Interferenzbeschichtung trägt, wobei das Färbemittel dazu dient, die Farbe bei Normaleinfall und die Farbverschiebung mit dem Winkel bei der mehrschichtigen Interferenzbeschichtung, gesehen bei Transmission von Licht durch den Artikel, in einem im Wesentlichen subtraktiven Modus zu modifizieren. Weder das US-Patent Nr. 5,486,949 noch das US-Patent Nr. 4,705,356 offenbaren einen optischen Körper, der eine Folie umfasst, die ein reflektierendes Band aufweist, das so positioniert ist, dass es die Infrarotstrahlung wenigstens einer Polarisation bei einem Einfallswinkel normal zu der Folie reflektiert, kombiniert mit einer Komponente, die so gestaltet ist, dass sie Infrarotstrahlung bei Normaleinfall in dem Bereich, der sich aus der Position des reflektierenden Bandes ergibt, wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Körper, der folgendes umfasst: (a) eine doppelbrechende dielektrische mehrschichtige Folie, die ein Polarisator, Spiegel oder beides sein kann, mit einem reflektierenden Band, das so positioniert ist, dass es Infrarotstrahlung wenigstens einer Polarisation mit einem Einfallswinkel senkrecht zur Folie reflektiert, wobei das reflektierende Band bei einem senkrechten Einfallswinkel eine kurzwellige Bandkante λa0 und eine langwellige Bandkante λb0 aufweist und bei einem maximalen Gebrauchswinkel 9 eine kurzwellige Bandkante λaθ und eine langwellige Bandkante λbθ aufweist, wobei λaθ kleiner als λa0 ist und λa0 selektiv auf einer Wellenlänge "größer als etwa 700 nm positioniert ist, und (b) wenigstens eine Komponente, die bei einem senkrechten Einfallswinkel Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λaθ und λa0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf einen optischen Körper, der folgendes umfasst: (a) eine isotrope dielektrische mehrschichtige Folie mit einem reflektierenden Band, das so positioniert ist, dass es Infrarotstrahlung wenigstens einer Polarisation mit einem Einfallswinkel senkrecht zur Folie reflektiert, wobei das reflektierende Band bei einem senkrechten Einfallswinkel eine kurzwellige Bandkante λa0 und eine langwellige Bandkante λa0 aufweist und bei einem maximalen Gebrauchswinkel 9 eine kurzwellige Bandkante λaθ und eine langwellige Bandkante Abe aufweist, wobei λaθ kleiner als λa0 ist und λa0 selektiv auf einer Wellenlänge größer etwa 700 nm positioniert ist, und (b) wenigstens eine Komponente, die bei einem senkrechten Einfallswinkel Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λaθ und λa0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.
Der optische Körper der vorliegenden Erfindung ergibt ein gutes Reflexionsvermögen im infraroten Bereich des Spektrums und einen verbesserten Abschattungskoeffizienten bei Normalwinkeln, während er noch sichtbares Licht bei allen gewünschten Einfallswinkeln durchlässt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird weiterhin unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Zahlen überall in den verschiedenen Figuren gleiche Strukturen bezeichnen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Wirkung einer mehrschichtigen Folie der vorliegenden Erfindung bei Betrachtung durch einen Beobachter an zwei Punkten relativ zur Folie;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer mehrschichtigen Folie, die für den optischen Körper der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
die Fig. 3 bis 6 sind Transmissionsspektren, die mit verschiedenen tatsächlichen und modellierten Folienproben assoziiert sind;
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm eines Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer mehrschichtigen Folie, die für den optischen Körper der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 8 ist ein Reflexionsspektrum, das eine Verschiebung des reflektierenden Bandes mit dem Winkel zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Infrarotfolie der vorliegenden Erfindung kann so gestaltet sein, dass die kurzwellige Kante des Spektrums unter Normalwinkel bei einer bestimmten Wellenlänge, die von den Anforderungen der Endanwendung abhängt, weg vom Rand des Sichtbaren, zum Beispiel 100-150 nm entfernt, befindet. Dies erlaubt es, die Folie so zu gestalten, dass Farbänderungen bei anderen Winkeln vermieden werden; zum Beispiel kann die Folie so gestaltet werden, dass die Verschiebung bei anderen Winkeln es nicht erlaubt, dass die kurzwellige Bandkante ins Sichtbare übergreift und eine Farbe verursacht, oder wenn es bei Normalwinkeln bereits eine sichtbare Farbe gibt, kann die Folie so gestaltet werden, dass die Farbverschiebung bei anderen Winkeln keine wahrnehmbare Farbänderung in der Folie verursacht. Eine Verschiebung der Bandkante zu längeren Wellenlängen für den Zustand des Normaleinfalls führt zu einer geringeren spektralen Abdeckung bei Wellenlängen, wo das solare Infrarotspektrum maximal ist. In der vorliegenden Erfindung wird eine Wellenlängen-Lückenfüller-Komponente verwendet, um wenigstens einen Teil der Lücke zwischen zum Beispiel der kurzwelligen Kante des reflektierenden Bandes und dem Rand des sichtbaren Spektrums abzudecken.

Folie

Die Folie der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens zwei Schichten und ist eine dielektrische optische Folie mit abwechselnden Schichten aus einem Material mit hohem Brechungsindex und einem Material mit niedrigem Brechungsindex. Die Folie kann isotrop oder doppelbrechend sein. Vorzugsweise ist die Folie eine doppelbrechende Polymerfolie, und besonders bevorzugt ist die Folie so gestaltet, dass sie den Aufbau mehrschichtiger Stapel erlaubt, für die der Brewster-Winkel (der Winkel, bei dem das Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht gegen Null geht) sehr groß ist oder für die Grenzflächen zwischen den Polymerschichten nichtexistent ist. Dieses Merkmal erlaubt den Bau mehrschichtiger Spiegel und Polarisatoren, deren Reflexionsvermögen für p-polarisiertes Licht mit zunehmendem Einfallswinkel langsam abnimmt, vom Einfallswinkel unabhängig ist oder mit dem von der Normalen abweichenden Einfallswinkel zunimmt. Als Ergebnis haben die mehrschichtigen Folien der vorliegenden Erfindung über eine große handbreite ein hohes Reflexionsvermögen (sowohl für s-polarisiertes als auch für p-polarisiertes Licht für jede Einfallsrichtung im Falle von Spiegeln und für die ausgewählte Richtung im Falle von Polarisatoren). Die Folie dieser Erfindung kann verwendet werden, um mehrschichtige Folien mit einem mittleren Reflexionsvermögen von wenigstens 50% über ein wenigstens 100 nm breites Band im infraroten Bereich des Spektrums herzustellen.
Zu den geeigneten Folien gehören diejenigen, die in der US-Anmeldung Serial No. 08/402,041, eingereicht am 10. März 1995, und US-Anmeldung Serial No. 09/006,601 mit dem Titel "Modified Copolyesters and Improved Multilayer Reflective Film", jetzt veröffentlicht als US 5,882,774 A und WO 99/36262 A2, beschrieben sind.
Zu den geeigneten Folien gehören auch diejenigen, die Harmonische höherer Ordnung verhindern, welche eine Farbe im sichtbaren Bereich des Spektrums verhindern. Beispiele für eine solche Folie sind die im US-Patent Nr. RE 3,034,605 beschriebenen, das eine mehrschichtige optische Interferenzfolie mit drei verschiedenen, im Wesentlichen transparenten polymeren Materialien A, B und C mit einer Repetiereinheit ABCB beschreibt. Die Schichten haben eine optische Dicke zwischen etwa 0,09 und 0,45 um, und jedes der polymeren Materialien hat einen anderen Brechungsindex ni. Die Folie umfasst polymere Schichten aus den Polymeren A, B und C. Jedes der polymeren Materialien hat seinen eigenen verschiedenen Brechungsindex, nA, nB bzw. nC. Eine bevorzugte Beziehung der Verhältnisse der optischen Dicken der Polymere erzeugt eine optische Interferenzfolie, bei der mehrere aufeinanderfolgende Reflexionen höherer Ordnung unterdrückt werden. In dieser Ausführungsform ist das Verhältnis der optischen Dicke des ersten Materials A, fA, gleich 1/5, das Verhältnis der optischen Dicke des zweiten Materials B, fB, beträgt 1/6, die optische Dicke des dritten Materials C, fC, beträgt 1/3, und nB = nAnC.
Bei dieser Ausführungsform gibt es eine intensive Reflexion bei der Wellenlänge der ersten Ordnung, während die Reflexionen bei den Wellenlängen zweiter, dritter und vierter Ordnung unterdrückt werden. Zur Herstellung einer Folie, die eine große Bandbreite von Wellenlängen im solaren Infrarotbereich reflektiert (z. B. eine Reflexion bei etwa 0,7 bis 2,0 um) kann ein Schichtdickengradient über die Dicke der Folie eingeführt werden. Die Schichtdicken können also über die Dicke der Folie monoton zunehmen. Vorzugsweise unterscheidet sich bei dem bevorzugten dreikomponentigen System der vorliegenden Erfindung das erste polymere Material (A) im Brechungsindex vom zweiten polymeren Material (B) um wenigstens etwa 0,03, das zweite polymere Material (B) unterscheidet sich im Brechungsindex vom dritten polymeren Material (C) um wenigstens etwa 0,03, und der Brechungsindex des zweiten polymeren Materials (B) liegt mitten zwischen den jeweiligen Brechungsindices des ersten (A) und des dritten (C) polymeren Materials. Jedes oder alle polymeren Materialien können so synthetisiert werden, dass sie den gewünschten Brechungsindex haben, indem man ein Copolymer oder ein mischbares Blend von Polymeren verwendet. Zum Beispiel kann das zweite polymere Material ein Copolymer oder ein mischbares Blend aus dem ersten und dem dritten polymeren Material sein. Indem man die relativen Mengen der Monomere im Copolymer oder den Polymeren des Gemischs variiert, können das erste, das zweite und das dritte Material alle so eingestellt werden, dass es eine Brechungsindexbeziehung gibt, bei der nB = nAnC.
Eine weitere geeignete Folie ist die Folie, die im US-Patent Nr. 5,360,659 beschrieben ist, welches eine zweikomponentige Folie mit einer sechsschichtigen alternierenden Repetiereinheit beschreibt, die die unerwünschten Reflexionen zweiter, dritter und vierter Ordnung im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen etwa 380 und 770 nm unterdrückt, während sie Licht im infraroten Wellenlängenbereich zwischen etwa 770 und 2000 nm reflektiert. Reflexionen höherer als vierter Ordnung sind im Allgemeinen im ultravioletten, nicht sichtbaren, Bereich des Spektrums oder sind von einer so geringen Intensität, dass sie nicht zu beanstanden sind. Die Folie umfasst alternierende Schichten aus dem ersten (A) und zweiten (B) diversen polymeren Material, wobei die sechsschichtige alternierende Repetiereinheit relative optische Dicken von etwa 778A.111B.111A.778B. 111A.111B hat. Die Verwendung von nur sechs Schichten in der Repetiereinheit führt zu einer effizienteren Verwendung von Material und einer einfacheren Herstellung als frühere Gestaltungen. Ein Repetiereinheitgradient kann über die Dicke der Folie eingeführt werden. So nehmen die Dicken der Repetiereinheit in einer Ausführungsform linear über die Dicke der Folie zu. "Linear" bedeutet, dass die Dicken der Repetiereinheit über die Dicke der Folie mit einer konstanten Rate zunehmen. In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, zu erzwingen, dass sich die optische Dicke der Repetiereinheit von einer Oberfläche der Folie zu einer anderen verdoppelt. Das Verhältnis der optischen Dicken der Repetiereinheit kann größer oder kleiner als zwei sein, solange der kurze Wellenlängenbereich des Reflexionsbandes oberhalb von 770 nm liegt und die langwellige Kante bei etwa 2000 nm liegt. Andere Repetiereinheitgradienten können durch Verwendung von logarithmischen und/oder Funktionen vierten Grades eingeführt werden. Eine logarithmische Verteilung der Dicken der Repetiereinheit ergibt ein fast konstantes Reflexionsvermögen über die Infrarotbande. In einer alternativen Ausführungsform kann die zweikomponentige Folie einen ersten Teil aus alternierenden Schichten mit der sechsschichtig alternierenden Repetiereinheit, die Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 1200 und 2000 nm reflektiert, und einen zweiten Teil mit alternierenden Schichten mit einer AB-Repetiereinheit und im Wesentlichen gleichen optischen Dicken, die Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 770 und 1200 nm reflektieren, umfassen. Eine solche Kombination von alternierenden Schichten führt zur Reflexion von Licht über den Infrarotwellenlängenbereich bis 2000 nm. Vorzugsweise hat der erste Teil der alternierenden Schichten einen Repetiereinheitgradienten von etwa 5/3 : 1, und der zweite Teil der alternierenden Schichten hat einen Schichtdickengradienten von etwa 1,5 : 1.
In einer alternativen Ausführungsform kann die infrarotreflektierende Folie der vorliegenden Erfindung folgendes umfassen: einen ersten Teil aus alternierenden Schichten mit einer sechsschichtig alternierenden Repetiereinheit oder einer mehrkomponentigen optischen Gestaltung, die Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 1200 und 2000 nm reflektiert, während Reflexionen höherer Ordnung, die zur sichtbaren Farbe beitragen, minimiert werden, sowie einen zweiten Teil mit alternierenden Schichten mit einer AB-Repetiereinheit und im Wesentlichen gleichen optischen Dicken, die Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 700 und 1200 nm reflektieren. Eine solche Kombination von alternierenden Schichten führt zur Reflexion von Licht über den Infrarotwellenlängenbereich bis etwa 2000 nm und ist üblicherweise als "Hybriddesign" bekannt. Dieses Hybriddesign kann so erhalten werden, wie es zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,360,659 beschrieben ist, hat jedoch insofern eine größere Anwendungsbreite, als es für jede der hier beschriebenen mehrkomponentigen optischen Gestaltungen geeignet ist. Die Schichtdicken beider Teile von alternierenden Schichten können dann so eingestellt werden, dass das reflektierende Band in das Infrarotspektrum platziert wird und damit jede wahrgenommene Farbänderung mit dem Winkel minimiert wird.
Eine weitere geeignete Foliengestaltung ist in der am 13. Januar 1998 eingereichten und jetzt als WO 99/36810 A1 veröffentlichten US-Anmeldung Serial No. 09/006,118 mit dem Titel "Multicomponent Optical Body" beschrieben. Es sind optische Folien und andere optische Körper beschrieben, die ein Reflexionsband erster Ordnung für wenigstens eine Polarisation von elektromagnetischer Strahlung in einem ersten Bereich des Spektrums zeigen, während sie wenigstens die zweite und vorzugsweise auch wenigstens die dritte Harmonische höherer Ordnung des ersten Reflexionsbandes unterdrücken, während die prozentuale Reflexion der Harmonischen erster Ordnung als Funktion des Einfallswinkels im Wesentlichen konstant bleibt oder zunimmt. Dies wird erreicht, indem man wenigstens einen Teil des optischen Körpers aus den polymeren Materialien A, B und C bildet, die in einer Wiederholungssequenz ABC angeordnet sind, wobei A die Brechungsindices nxA, nyA und nzA entlang der zueinander senkrechten Achsen x, y bzw. z hat, B die Brechungsindices nxB, nyB und nzB entlang der Achsen x, y bzw. z hat, und C die Brechungsindices nxC, nyC und nzC entlang der Achsen x, y bzw. z hat, wobei die Achse z orthogonal zur Ebene der Folie oder des optischen Körpers ist, wobei nxA > nxB > nxC oder nyA > nyB > nyC und wobei nzC ≥ nzB ≥ nzA. Vorzugsweise ist wenigstens eine der Differenzen nzA - nzB und nzB - nzc kleiner oder gleich etwa -0,05.
Indem man die Folie bzw. den optischen Körper innerhalb dieser Randbedingungen gestaltet, kann wenigstens irgendeine Kombination aus Reflexionen zweiter, dritter und vierter höherer Ordnung unterdrückt werden, ohne dass die Reflexion der ersten Harmonischen mit dem Einfallswinkel wesentlich abnimmt, insbesondere wenn das erste Reflexionsband im infraroten Bereich des Spektrums liegt. Solche Folien und optischen Körper eignen sich insbesondere als IR-Spiegel und können vorteilhafterweise als Fensterfolien und in ähnlichen Anwendungen verwendet werden, bei denen ein IR-Schutz erwünscht ist, aber eine gute Transparenz und geringe Farbe wichtig sind.

Auswahl der Materialien und Verarbeitung

Die optische Folie der vorliegenden Erfindung kann zwar auch mit dielektrischen anorganischen Dünnschichtstapeln aus Materialien wie Indiumzinnoxid (ITO), Siliciumdioxid (SiO&sub2;), Zirconiumdioxid (ZrO&sub2;) oder Titandioxid (TiO&sub2;) hergestellt werden, wie es zum Beispiel in EP 0 080 182 und in den US-Patenten Nr. 4,705,356 und 5,179,468 beschrieben ist, doch ist die bevorzugte optische Folie eine polymere mehrschichtige Folie mit alternierenden Schichten aus polymeren Materialien mit hohen und niedrigen Brechungsindices. Der Aufbau, die Materialien und die optischen Eigenschaften von herkömmlichen mehrschichtigen Polymerfolien sind allgemein bekannt und wurden zuerst beschrieben in Alfrey et al., Polymer Engineering and Science, Vol. 9, Nr. 6, S. 400-404, November 1969, Radford et al., Polymer Engineering and Science, Vol. 13, Nr. 3, S. 216-221, Mai 1973, und US-Patent Nr. 3,610,729 (Rogers). In jüngerer Zeit werden in Patenten und Veröffentlichungen einschließlich Internationale PCT-Veröffentlichung Nr. WO 95/17303 (Ouderkirk et al.), Internationale PCT-Veröffentlichung Nr. WO 96/19347 (Jonza et al.), US-Patent Nr. 5,095,210 (Wheatley et al.) und US- Patent Nr. 5,149,578 (Wheatley et al.) nützliche optische Effekte diskutiert, die mit großen Zahlen alternierender dünner Schichten aus verschiedenen polymeren Materialien erreicht werden können, die unterschiedliche optische Eigenschaften, insbesondere unterschiedliche Brechungsindices in verschiedenen Richtungen, zeigen.
Mehrschichtige Polymerfolien können Hunderte oder Tausende von dünnen Schichten umfassen und können so viele Materialien enthalten, wie es Schichten im Stapel gibt. Zur leichteren Herstellung weisen bevorzugte mehrschichtige Folien nur wenige verschiedene Materialien auf, und aus Gründen der Einfachheit umfassen die hier diskutierten typischerweise nur zwei. Die mehrschichtige Folie umfasst alternierende Schichten aus einem ersten polymeren Material mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten polymeren Material mit einem zweiten Brechungsindex, der von dem des ersten Materials verschieden ist. Die einzelnen Schichten haben typischerweise eine Dicke in der Größenordnung von 0,05 um bis 0,45 um. Als Beispiel offenbart die PCT-Veröffentlichung von Ouderkirk et al. eine mehrschichtige polymere Folie mit alternierenden Schichten aus kristallinem Naphthalindicarbonsäure-Polyester und einem anderen ausgewählten Polymer, wie Copolyester oder Copolycarbonat, wobei die Schichten eine Dicke von weniger als 0,5 um haben und wobei die Brechungsindices eines der Polymere in einer Richtung 1,9 und in der anderen Richtung 1,64 betragen kann, was eine Doppelbrechungswirkung ergibt, die für die Polarisation von Licht nützlich ist.
Benachbarte Paare von Schichten (eine mit einem hohen Brechungsindex und die andere mit einem niedrigen Index) haben vorzugsweise eine optische Gesamtdicke, die 1/2 der Wellenlänge des Lichts beträgt, das reflektiert werden soll, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Für ein maximales Reflexionsvermögen haben die einzelnen Schichten einer mehrschichtigen polymeren Folie eine optische Dicke, die 1/4 der Wellenlänge des Lichts beträgt, das reflektiert werden soll, obwohl aus anderen Gründen auch andere Verhältnisse der optischen Dicken innerhalb der Schichtenpaare gewählt werden können. Diese bevorzugten Bedingungen sind in den Gleichungen 1 bzw. 2 ausgedrückt. Man beachte, dass die optische Dicke definiert ist als Brechungsindex eines Materials, multipliziert mit der tatsächlichen Dicke des Materials, und dass, wenn nichts anderes angegeben ist, alle hier diskutierten tatsächlichen Dicken nach gegebenenfalls erfolgter Orientierung oder anderer Verarbeitung gemessen werden. Für biaxial orientierte mehrschichtige optische Stapel gilt bei senkrechtem Einfall die folgende Gleichung:
Gleichung 1: λ/2 = t&sub1; + t&sub2; = n&sub1;d&sub1; + n&sub2;d&sub2;
Gleichung 2: λ/4 = t&sub1; = t&sub2; = n&sub1;d&sub1; = n&sub2;d&sub2;
wobei λ = Wellenlänge der maximalen Lichtreflexion;
t&sub1; = optische Dicke der ersten Materialschicht;
t&sub2; = optische Dicke der zweiten Materialschicht; und
n&sub1; = in-plane-Brechungsindex des ersten Materials;
n&sub2; = in-plane-Brechungsindex des zweiten Materials;
d&sub1; = tatsächliche Dicke des ersten Materials;
d&sub2; = tatsächliche Dicke des zweiten Materials.
Indem man eine mehrschichtige Folie mit Schichten mit unterschiedlichen optischen Dicken herstellt (zum Beispiel bei einer Folie mit einem Schichtdickengradienten) reflektiert die Folie Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Auswahl von Schichten mit gewünschten optischen Dicken (durch Auswählen der tatsächlichen Schichtdicken und Materialien), die ausreichen, um Licht im nahen Infrarotteil des Spektrums zu reflektieren. Da Paare von Schichten außerdem eine vorhersagbare Bandbreite von Licht reflektieren, wie unten beschrieben ist, können einzelne Schichtpaare so gestaltet und hergestellt werden, dass sie eine gegebene Bandbreite von Licht reflektieren. Wenn also eine große Zahl von in geeigneter Weise ausgewählten Schichtpaaren miteinander kombiniert werden, kann ein überlegenes Reflexionsvermögen eines gewünschten Teils des nahen infraroten Spektrums erreicht werden.
Die Bandbreite des Lichts, das man gemäß einem optischen Körper der vorliegenden Erfindung bei einem Beobachtungswinkel von null Grad blockieren, d. h. nicht durchlassen, möchte, beträgt ungefähr 700 bis 1200 nm. Die Schichtpaare haben also vorzugsweise optische Dicken im Bereich von 350 bis 600 nm (1/2 der Wellenlänge des Licht, das reflektiert werden soll), um das Licht im nahen Infrarot zu reflektieren. Insbesondere würde die mehrschichtige Folie einzelne Schichten aufweisen, die jeweils eine optische Dicke im Bereich von 175 bis 300 nm (1/4 der Wellenlänge des Licht, das reflektiert werden soll) hätten, um das Licht im nahen Infrarot zu reflektieren. Wenn man zur Veranschaulichung annimmt, dass das Material der ersten Schicht einen Brechungsindex von 1,66 hat (wie biaxial orientiertes RET) und das Material der zweiten Schicht einen Brechungsindex von 1,52 hat (wie der biaxial orientierte thermoplastische Polyester, der von Eastman Chemical Co., Knoxville, TN, unter der Handelsbezeichnung "Ecdel" kommerziell erhältlich ist), und wenn man annimmt, dass beide Schichten dieselbe optische Dicke haben (1/4 Wellenlänge), dann lägen die tatsächlichen Dicken der Schichten aus dem ersten Material im Bereich von ungefähr 105 bis 180 nm, und die tatsächlichen Dicken der zweiten Schichten lägen im Bereich von ungefähr 115 bis 197 nm. Die optischen Eigenschaften von mehrschichtigen Folien wie diesen werden unten im Einzelnen diskutiert.
Die verschiedenen Schichten in der Folie haben vorzugsweise verschiedene Dicken. Dies wird gewöhnlich als Schichtdickengradient bezeichnet. Ein Schichtdickengradient wird so ausgewählt, dass man die gewünschte Bandbreite der Reflexion erreicht. Ein häufiger Schichtdickengradient ist der lineare, wobei die Dicke der dicksten Schichtpaare um einen bestimmten Prozentsatz dicker ist als die Dicke der dünnsten Paare. Zum Beispiel bedeutet ein Schichtdickengradient von 1,055 : 1, dass das dickste Schichtpaar (das an eine Hauptfläche angrenzt) um 5,5% dicker ist als das dünnste Schichtpaar (das an die entgegengesetzte Oberfläche der Folie angrenzt). In einer anderen Ausführungsform könnte die Schichtdicke von einer Hauptfläche der Folie zur anderen abnehmen, dann wieder zunehmen und dann wieder abnehmen. Dadurch erhält man vermutlich schärfere Bandkanten und damit einen schärferen oder abrupteren Übergang von klar nach farbig im Falle der vorliegenden Erfindung. Dieses bevorzugte Verfahren zum Erreichen geschärfter Bandkanten ist ausführlicher in der am 13. Januar 1998 eingereichten und jetzt als WO 99/36809 A1 veröffentlichten US- Anmeldung Serial No. 09/006,085 mit dem Titel "Optical Film with Sharpened Bandedge" beschrieben.
In den dielektrischen farbverschiebenden Schichten der vorliegenden Erfindung können je nach der speziellen Anwendung, für die die Folie vorgesehen ist, viele verschiedene Materialien verwendet werden. Zu diesen Materialien gehören anorganische Materialien, wie SiO&sub2;, TiO&sub2;, ZrO&sub2; oder ITO, oder organische Materialien, wie Flüssigkristalle, und polymere Materialien einschließlich Monomeren, Copolymeren, gepfropften Polymeren und Gemischen oder Blends davon. Die genaue Wahl der Materialien für eine gegebene Anwendung hängt von der gewünschten Übereinstimmung und Nichtübereinstimmung der Brechungsindices, die entlang einer bestimmten Achse zwischen den verschiedenen optischen Schichten erreichbar ist, sowie von den gewünschten physikalischen Eigenschaften im resultierenden Produkt ab.
Geeignete polymere Materialien zur Verwendung in den optischen Folien der vorliegenden Erfindung können amorphe, halbkristalline oder kristalline polymere Materialien sein. Die Folien bestehen aus wenigstens zwei unterscheidbaren Polymeren mit unterschiedlichen Brechungsindices. Die Zahl ist nicht beschränkt, und bei Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, Harmonische höherer Ordnung zu beseitigen, die ansonsten Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums reflektieren und eine Folie mit einem farbigen Erscheinungsbild ergeben würden, können mit Vorteil drei oder mehr Materialien verwendet werden. Aus Gründen der Einfachheit werden die Folien weiter beschrieben, indem man einen optischen Stapel betrachtet, der aus nur zwei Materialien besteht.
Zur Verwendung für die Herstellung von coextrudierten mehrschichtigen optischen Folien wurde eine Vielzahl von Polymermaterialien gelehrt, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,937,134, 5,103,337, 5,122 5,448,404, 5,540,978 und 5,568,316 (Schrenk et al.) und 5,122,905, 5,122,906 und 5,126,880 (Wheatley und Schrenk). Von speziellem Interesse sind doppelbrechende Polymere, wie diejenigen, die beschrieben sind in 5,486,949 und 5,612,820 (Schrenk et al.), in der US-Anmeldung Nr. 08/402,041 (Jonza et al.), jetzt US 5,882,774 A, und der am 13.01.98 eingereichten US-Anmeldung Serial No. 09/006,601 mit dem Titel "Modified Copolyesters and Improved Multilayer Reflective Film", jetzt WO 99/36262 A2. Im Hinblick auf die bevorzugten Materialien, aus denen die Folien herzustellen sind, gibt es mehrere Bedingungen, die für die Herstellung der mehrschichtigen optischen Folien dieser Erfindung erfüllt sein sollten. Erstens sollten diese Folien aus wenigstens zwei unterscheidbaren Polymeren bestehen; die Anzahl ist nicht beschränkt, und in besonderen Folien können mit Vorteil drei oder mehr Polymere verwendet werden. Zweitens sollte wenigstens eines der beiden erforderlichen Polymere, das als "erstes Polymer" bezeichnet wird, einen spannungsoptischen Koeffizienten mit einem großen Absolutbetrag haben. Mit anderen Worten, es muss in der Lage sein, eine große Doppelbrechung zu entwickeln, wenn es gestreckt wird. Je nach der Anwendung kann die Doppelbrechung zwischen zwei zueinander senkrechten Richtungen in der Ebene der Folie, zwischen einer oder mehreren in-plane-Richtungen und der Richtung senkrecht zur Folienebene oder einer Kombination davon entwickelt werden. Drittens sollte das erste Polymer in der Lage sein, die Doppelbrechung nach dem Strecken beizubehalten, so dass die fertige Folie die gewünschten optischen Eigenschaften erhält. Viertens sollte das andere erforderliche Polymer, das als "zweites Polymer" bezeichnet wird, so gewählt werden, dass sich sein Brechungsindex in der fertigen Folie in wenigstens einer Richtung wesentlich von dem Brechungsindex des ersten Polymers in derselben Richtung unterscheidet. Da polymere Materialien typischerweise dispersiv sind, d. h. die Brechungsindices mit der Wellenlänge variieren, müssen diese Bedingungen im Hinblick auf eine besondere interessierende spektrale Bandbreite berücksichtigt werden.
Weitere Aspekte der Polymerauswahl hängen von speziellen Anwendungen ab. Für polarisierende Folien ist es vorteilhaft, dass sich der Brechungsindex des ersten und des zweiten Polymers in einer Richtung der Folienebene in der fertigen Folie erheblich voneinander unterscheiden, während der Unterschied im Index der dazu senkrechten Richtung der Folienebene minimiert ist. Wenn das erste Polymer einen großen Brechungsindex hat, wenn es isotrop ist, und positiv doppelbrechend ist (d. h., sein Brechungsindex nimmt in der Streckrichtung zu), wird das zweite Polymer so gewählt, dass es nach der Verarbeitung in der planeren Richtung senkrecht zur Streckrichtung einen übereinstimmenden Brechungsindex und in der Streckrichtung einen möglichst kleinen Brechungsindex hat. Wenn umgekehrt das erste Polymer einen kleinen Brechungsindex hat, wenn es isotrop ist, und negativ doppelbrechend ist, wird das zweite Polymer so gewählt, dass es nach der Verarbeitung in der planaren Richtung senkrecht zur Streckrichtung einen übereinstimmenden Brechungsindex und in der Streckrichtung einen möglichst großen Brechungsindex hat.
Alternativ dazu ist es auch möglich, ein erstes Polymer, das positiv doppelbrechend ist und einen mittleren oder kleinen Brechungsindex hat, wenn es isotrop ist, oder eines, das negativ doppelbrechend ist und einen mittleren oder hohen Brechungsindex hat, wenn es isotrop ist, auszuwählen. In diesen Fällen kann das zweite Polymer so gewählt werden, dass sein Brechungsindex nach der Verarbeitung entweder in der Streckrichtung oder der planaren Richtung senkrecht zur Streckung mit dem des ersten Polymers übereinstimmt. Weiterhin wird das zweite Polymer so gewählt, dass der Unterschied im Brechungsindex in der verbleibenden planaren Richtung maximiert wird, unabhängig davon, ob dies am besten durch einen sehr kleinen oder sehr großen Brechungsindex in dieser Richtung erreicht wird.
Ein Mittel, um diese Kombination einer Übereinstimmung des planaren Index in einer Richtung und Nichtübereinstimmung in der dazu senkrechten Richtung zu erreichen, besteht darin, ein erstes Polymer, das eine erhebliche Doppelbrechung entwickelt, wenn es gestreckt wird, und ein zweites Polymer, das wenig oder keine Doppelbrechung entwickelt, wenn es gestreckt wird, auszuwählen und die resultierende Folie in nur einer planaren Richtung zu strecken. Alternativ dazu kann das zweite Polymer auch aus solchen ausgewählt werden, die Doppelbrechung im entgegengesetzten Sinn wie das erste Polymer entwickeln (negativ/positiv oder positiv/negativ). Ein weiteres alternatives Verfahren besteht darin, sowohl das erste als auch das zweite Polymer so zu wählen, dass sie beim Strecken Doppelbrechung entwickeln können, aber in zwei zueinander senkrechten planaren Richtungen zu strecken, wobei man Verfahrensbedingungen, wie Temperaturen, Streckverhältnisse, Entspannung nach der Streckung und dergleichen, wählt, die zur Entwicklung von ungleichen Graden der Orientierung in den beiden Streckrichtungen für das erste Polymer und solchen Graden der Orientierung für das zweite Polymer führen, dass ein in-plane-Index ungefähr mit dem des ersten Polymers übereinstimmt und der dazu senkrechte in- plane-Index erheblich von dem des ersten Polymers abweicht. Zum Beispiel können die Bedingungen so gewählt werden, dass das erste Polymer in der fertigen Folie einen biaxial orientierten Charakter hat, während das zweite Polymer in der fertigen Folie einen überwiegend uniaxial orientierten Charakter hat.
Was oben gesagt wurde, ist beispielhaft gemeint, und man muss sich darüber im Klaren sein, dass auch Kombinationen aus diesen und anderen Techniken eingesetzt werden können, um bei der polarisierenden Folie das Ziel der Indexabweichung in einer in-plane-Richtung und eine relative Indexübereinstimmung in der dazu senkrechten planaren Richtung zu erreichen.
Andere Überlegungen gelten für eine reflektierende Folie oder Spiegelfolie. Vorausgesetzt, dass die Folie nicht auch polarisierende Eigenschaften haben soll, gelten Brechungsindexkriterien gleichermaßen für jede Richtung in der Folienebene, so dass es typisch ist, dass die Indices für eine gegebene Schicht in zueinander senkrechten in-plane-Richtungen gleich oder fast gleich sind. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn sich die Indices in der Folienebene des ersten Polymers soweit wie möglich von den Indices in der Folienebene des zweiten Polymers unterscheiden. Aus diesem Grund gilt: Wenn das erste Polymer einen hohen Brechungsindex hat, wenn es isotrop ist, ist es vorteilhaft, wenn es außerdem positiv doppelbrechend ist. Wenn das erste Polymer einen kleinen Brechungsindex hat, wenn es isotrop ist, ist es gleichermaßen vorteilhaft, wenn es außerdem negativ doppelbrechend ist. Das zweite Polymer entwickelt vorteilhafterweise wenig oder keine Doppelbrechung beim Strecken, oder es entwickelt Doppelbrechung im entgegengesetzten Sinn (negativ/positiv oder positiv/negativ), so dass sich seine Brechungsindices in der Folienebene in der fertigen Folie soweit wie möglich von denen des ersten Polymers unterscheiden. Diese Kriterien können in geeigneter Weise mit den oben für polarisierende Folien genannten kombiniert werden, wenn eine Spiegelfolie außerdem einen bestimmten Grad an polarisierenden Eigenschaften haben soll.
Farbige Folien können als Spezialfälle von Spiegel- und polarisierenden Folien angesehen werden. Es gelten also dieselben Kriterien, die oben skizziert wurden. Die wahrgenommene Farbe ist ein Ergebnis einer Reflexion oder Polarisierung über eine oder mehrere spezifische Bandbreiten des Spektrums. Die Bandbreiten, über die eine mehrschichtige Folie der vorliegenden Erfindung effektiv ist, wird in erster Linie von der Verteilung von Schichtdicken bestimmt, die in den optischen Stapeln verwendet werden, aber es muss auch die Wellenlängenabhängigkeit oder Dispersion der Brechungsindices des ersten und des zweiten Polymers in Betracht gezogen werden. Man wird sich darüber im Klaren sein, dass für die infraroten und ultravioletten Wellenlängen dieselben Regeln gelten wie für die sichtbaren Farben.
Die Extinktion ist ein weiteres Kriterium. Für die meisten Anwendungen ist es vorteilhaft, dass weder das erste Polymer noch das zweite Polymer Absorptionsbanden innerhalb der interessierenden Bandbreite der betreffenden Folie hat. Das gesamte einfallende Licht innerhalb der Bandbreite wird also entweder reflektiert oder durchgelassen. Für einige Anwendungen kann es jedoch nützlich sein, wenn das erste oder das zweite Polymer oder beide spezielle Wellenlängen entweder vollständig oder zum Teil absorbieren.
Polyethylen-2,6-naphthalat (PEN) wird für Folien der vorliegenden Erfindung häufig als erstes Polymer gewählt. Es hat einen großen positiven spannungsoptischen Koeffizienten, behält nach der Streckung effektiv die Doppelbrechung bei und zeigt wenig oder keine Absorption innerhalb des sichtbaren Bereichs. Es hat außerdem einen großen Brechungsindex im isotropen Zustand. Sein Brechungsindex für polarisiertes einfallendes Licht von 550 nm Wellenlänge nimmt zu, wenn die Polarisationsebene parallel zur Streckrichtung etwa 1,64 bis zu etwa 1,9 beträgt. Seine Doppelbrechung kann erhöht werden, indem man seine molekulare Orientierung erhöht, die wiederum erhöht werden kann, indem man mit größeren Streckverhältnissen streckt, wobei die anderen Streckbedingungen festgehalten werden.
Andere halbkristalline Naphthalindicarbonsäurepolyester sind ebenfalls als erste Polymere geeignet. Ein Beispiel dafür ist Polybutylen-2,6-naphthalat (PBN). Diese Polymere können Homopolymere oder Copolymere sein, vorausgesetzt, dass die Verwendung von Comonomeren den spannungsoptischen Koeffizienten oder die Retention der Doppelbrechung nach dem Strecken nicht wesentlich beeinträchtigt. Der Ausdruck "PEN" soll hier Copolymere von PEN mit einschließen, die diesen Einschränkungen genügen. In der Praxis erzwingen diese Einschränkungen eine Obergrenze für den Comonomergehalt, dessen genauer Wert mit der Wahl des oder der eingesetzten Comonomere variiert. Ein gewisser Kompromiss in diesen Eigenschaften ist jedoch akzeptabel, wenn der Einbau von Comonomeren zur Verbesserung anderer Eigenschaften führt. Zu diesen Eigenschaften gehören unter anderem eine verbesserte Haftung zwischen den Schichten, ein niedrigerer Schmelzpunkt (der zu einer niedrigeren Extrusionstemperatur führt), eine bessere Theologische Übereinstimmung mit anderen Polymeren in der Folie sowie vorteilhafte Verschiebungen im Verarbeitungsfenster für die Streckung aufgrund einer Änderung der Glasübergangstemperatur.
Geeignete Comonomere zur Verwendung bei PEN, PBN oder dergleichen können solche des Diol- oder des Dicarbonsäure- oder des Estertyps sein. Zu den Dicarbonsäure-Comonomeren gehören unter anderem Terephthalsäure, Isophthalsäure, Phthalsäure, alle isomeren Naphthalindicarbonsäuren (2,6-, 1,2-, 1,3-, 1,4-, 1,5-, 1,6-, 1,7-, 1,8-, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 2,7-, und 2,8-), Bibenzoesäuren, wie 4,4'-Biphenyldicarbonsäure und ihre Isomeren, trans-4,4'-Stilbendicarbonsäure und ihre Isomeren, 4,4'-Diphenyletherdicarbonsäure und ihre Isomeren, 4,4'-Diphenylsulfondicarbonsäure und ihre Isomeren, 4,4'-Benzophenondicarbonsäure und ihre Isomeren, halogenierte aromatische Dicarbonsäuren, wie 2- Chlorterephthalsäure und 2,5-Dichlorterephthalsäure, andere substituierte aromatische Dicarbonsäuren, wie tertiär-Butylisophthalsäure und Natriumsulfonatoisophthalsäure, Cycloalkandicarbonsäuren, wie 1,4-Cyclohexandicarbonsäure und ihre Isomere sowie 2,6-Decahydronaphthalindicarbonsäure und ihre Isomere, bi- oder multicyclische Dicarbonsäuren (wie die verschiedenen isomeren Norbornan- und Norbornendicarbonsäuren, Adamantandicarbonsäuren und Bicyclooctandicarbonsäuren), Alkandicarbonsäuren (wie Sebacinsäure, Adipinsäure, Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Azelainsäure und Dodecandicarbonsäure) sowie alle isomeren Dicarbonsäuren der kondensierten aromatischen Kohlenwasserstoffe (wie Inden, Anthracen, Phenanthren, Benzonaphthen, Fluoren und dergleichen). Alternativ dazu können auch Alkylester dieser Monomere, wie Dimethylterephthalat, verwendet werden.
Zu den geeigneten Diol-Comonomeren gehören unter anderem lineare oder verzweigte Alkandiole oder Glycole (wie Ethylenglycol, Propandiole, wie Trimethylenglycol, Butandiole, wie Tetramethylenglycol, Pentandiole, wie Neopentylglycol, Hexandiole, 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol und höhere Diole), Etherglycole (wie Diethylenglycol, Triethylenglycol und Polyethylenglycol), Kettenesterdiole, wie 3-Hydroxy-2,2-dimethylpropyl-3-hydroxy-2,2-dimethylpropanoat, Cycloalkanglycole, wie 1,4-Cyclohexandimethanol und seine Isomere sowie 1,4- Cyclohexandiol und seine Isomere, bi- oder multicyclische Diole (wie die verschiedenen isomeren Tricyclodecandimethanole, Norbornandimethanole, Norbornendimethanole und Bicyclooctandimethanole), aromatische Glycole (wie 1,4- Benzoldimethanol und seine Isomere, 1,4-Benzoldiol und seine Isomere, Bisphenole, wie Bisphenol A, 2,2'-Dihydroxybiphenyl und seine Isomere, 4,4'- Dihydroxymethylbiphenyl und seine Isomere sowie 1,3-Bis(2-hydroxyethoxy)¬ benzol und seine Isomere) sowie Niederalkylether oder -diether dieser Diole, wie Dimethyl- oder Diethyldiole.
Tri- oder polyfunktionelle Comonomere, die dazu dienen können, den Polyestermolekülen eine verzweigte Struktur zu verleihen, können ebenfalls verwendet werden. Es können entweder solche des Carbonsäure-, des Ester-, des Hydroxy- oder des Ethertyps sein. Beispiele dafür sind unter anderem Trimellithsäure und ihre Ester, Trimethylolpropan und Pentaerythrit.
Ebenfalls geeignet als Comonomere sind Monomere gemischter Funktionalität einschließlich Hydroxycarbonsäuren, wie para-Hydroxybenzoesäure und 6- Hydroxy-2-naphthalincarbonsäure und ihre Isomere, sowie tri- oder polyfunktionelle Comonomere gemischter Funktionalität, wie 5-Hydroxyisophthalsäure und dergleichen.
Polyethylenterephthalat (PET) ist ein weiteres Material, das einen erheblichen positiven spannungsoptischen Koeffizienten aufweist, die Doppelbrechung nach der Streckung effektiv beibehält und wenig oder keine Absorption innerhalb des sichtbaren Bereichs aufweist. Dieses und seine Copolymere mit hohem PET- Gehalt unter Verwendung der oben aufgeführten Comonomere können bei manchen Anwendungen der vorliegenden Erfindung also ebenfalls als erste Polymere verwendet werden.
Wenn ein Naphthalindicarbonsäurepolyester, wie PEN oder PBN, als erstes Polymer gewählt wird, gibt es mehrere mögliche Ansätze für die Auswahl eines zweiten Polymers. Ein bevorzugter Ansatz für einige Anwendungen besteht darin, einen Naphthalindicarbonsäurepolyester (coPEN) zu wählen, der so formuliert ist, dass er beim Strecken erheblich weniger oder keine Doppelbrechung entwickelt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass man Comonomere und ihre Konzentrationen in dem Copolymer so wählt, dass die Kristallisierbarkeit des coPEN beseitigt oder stark reduziert wird. In einer typischen Formulierung werden Dimethylnaphthalat in einer Menge von etwa 20 Molprozent bis etwa 80 Molprozent sowie Dimethylterephthalat oder Dimethylisophthalat in einer Menge von etwa 20 Molprozent bis etwa 80 Molprozent als Dicarbonsäure- oder Esterkomponenten und Ethylenglycol als Diolkomponente eingesetzt. Selbstverständlich können auch die entsprechenden Dicarbonsäuren anstelle der Ester verwendet werden. Die Zahl der Comonomere, die in der Formulierung eines coPEN als zweites Polymer eingesetzt werden können, ist nicht beschränkt. Zu den geeigneten Comonomeren für ein coPEN als zweites Polymer gehören unter anderem alle Comonomere, die oben als geeignete PEN-Comonomere aufgeführt sind, einschließlich derjenigen des Säure-, Ester-, Hydroxy-, Ethertyps, tri- oder polyfunktionellen Typs und des Typs mit gemischter Funktionalität.
Häufig ist es nützlich, den isotropen Brechungsindex eines zweiten Polymers in Form von coPEN vorherzusagen. Das Volumenmittel der Brechungsindices der einzusetzenden Monomere hat sich als geeigneter Richtwert erwiesen. Ähnliche Techniken, die in der Technik wohlbekannt sind, können verwendet werden, um die Glasübergangstemperaturen für zweite Polymere in Form von coPEN anhand der Glasübergangstemperaturen der Homopolymere der einzusetzenden Monomere abzuschätzen.
Außerdem eignen sich Polycarbonate mit einer Glasübergangstemperatur, die mit der von PEN verträglich ist, und mit einem Brechungsindex, der dem isotropen Brechungsindex von PEN ähnlich ist, ebenfalls als zweite Polymere. Polyester, Copolyester, Polycarbonate und Copolycarbonate können auch zusammen einem Extruder zugeführt und zu neuen geeigneten copolymeren zweiten Polymeren umgeestert werden.
Es ist nicht erforderlich, dass das zweite Polymer ein Copolyester oder Copolycarbonat ist. Vinylpolymere und -copolymere, die aus Monomeren wie Vinylnaphthalinen, Styrolen, Ethylen, Maleinsäureanhydrid, Acrylaten, Acetaten und Methacrylaten hergestellt werden, können eingesetzt werden. Andere Kondensationspolymere als Polyester und Polycarbonate können ebenfalls verwendet werden. Beispiele dafür sind Polysulfone, Polyamide, Polyurethane, Polyamsäuren und Polyimide. Naphthalingruppen und halogene, wie Chlor, Brom und Iod, sind geeignet, um den Brechungsindex des zweiten Polymers auf ein gewünschtes Maß zu erhöhen. Acrylatgruppen und Fluor sind besonders gut geeignet, um den Brechungsindex zu senken, wenn dies gewünscht wird.
Nach der obigen Diskussion wird man sich darüber im Klaren sein, dass die Wahl eines zweiten Polymers nicht nur von dem Verwendungszweck der betreffenden optischen Folie, sondern auch von der für das erste Polymer getroffenen Wahl und den beim Strecken eingesetzten Verarbeitungsbedingungen abhängt. Zu den geeigneten zweiten Polymermaterialien gehören unter anderem Polyethylennaphthalat (PEN) und Isomere davon (wie 2,6-, 1,4-, 1,5-, 2,7- und 2,3-PEN), Polyalkylenterephthalate (wie Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat und Poly-1,4-cyclohexandimethylenterephthalat), andere Polyester, Polycarbonate, Polyarylate, Polyamide (wie Nylon 6, Nylon 11, Nylon 12, Nylon 4/6, Nylon 6/6, Nylon 6/9, Nylon 6/10, Nylon 6/12 und Nylon 6/T), Polyimide (einschließlich thermoplastischer Polyimide und Polyacrylimide), Polyamidimide, Polyetheramide, Polyetherimide, Polyarylether (wie Polyphenylenether und die ringsubstituierten Polyphenylenoxide), Polyaryletherketone, wie Polyetheretherketon ("PEEK"), aliphatische Polyketone (wie Copolymere und Terpolymere von Ethylen und/oder Propylen mit Kohlendioxid), Polyphenylensulfid, Polysulfone (einschließlich Polyethersulfone und Polyarylsulfone), ataktisches Polystyrol, syndiotaktisches Polystyrol ("sPS") und seine Derivate (wie syndiotaktisches Poly-α-methylstyrol und syndiotaktisches Polydichlorstyrol), Gemische von irgendwelchen dieser Polystyrole (miteinander oder mit anderen Polymeren, wie Polyphenylenoxiden), Copolymere von irgendwelchen dieser Polystyrole (wie Styrol-Butadien-Copolymere, Styrol-Acrylnitril-Copolymere und Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymere), Polyacrylate (wie Polymethylacrylat, Polyethylacrylat und Polybutylacrylat), Polymethacrylate (wie Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polypropylmethacrylat und Polyisobutylmethacrylat), Cellulosederivate (wie Ethylcellulose, Celluloseacetat, Cellulosepropionat, Celluloseacetatbutyrat und Cellulosenitrat), Polyalkylenpolymere (wie Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Polyisobutylen und Poly(4-methyl)penten), fluorierte Polymere und Copolymere (wie Polytetrafluorethylen, Polytrifluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid, fluorierte Ethylen-Propylen-Copolymere, Perfluoralkoxyharze, Polychlortrifluorethylen, Polyethylen-co-Trifluorethylen, Polyethylen-co-Chlortrifluorethylen), chlorierte Polymere (wie Polyvinylidenchlorid und Polyvinylchlorid), Polyacrylnitril, Polyvinylacetat, Polyether (wie Polyoxymethylen und Polyethylenoxid), isomere Harze, Elastomere (wie Polybutadien, Polyisopren und Neopren), Silikonharze, Epoxyharze und Polyurethane.
Ebenfalls geeignet sind Copolymere, wie die oben diskutierten Copolymere von PEN, sowie irgendwelche anderen nichtnaphthalingruppenhaltigen Copolyester, die aus den obigen Listen der für PEN geeigneten Polyestercomonomere formuliert werden können. Bei manchen Anwendungen, insbesondere wenn PET als erstes Polymer dient, sind Copolyester auf der Basis von PET und Comonomeren aus den obigen Listen (coPETs) besonders gut geeignet. Außerdem können sowohl das erste als auch das zweite Polymer aus mischbaren oder unmischbaren Blends von zwei oder mehr der oben beschriebenen Polymere oder Copolymere bestehen (wie Gemische von sPS und ataktischem Polystyrol oder von PEN und sPS). Die beschriebenen coPENs und coPETs können direkt synthetisiert werden, oder sie können als Blend von Granulaten formuliert werden, wobei wenigstens eine Komponente ein Polymer auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure oder Terephthalsäure ist und andere Komponenten Polycarbonate oder andere Polyester sind, wie ein PET, ein PEN, ein coPET oder ein coPEN.
Eine weitere bevorzugte Familie von Materialien für das zweite Polymer für einige Anwendungen sind die syndiotaktischen vinylaromatischen Polymere, wie syndiotaktisches Polystyrol. Zu den syndiotaktischen vinylaromatischen Polymeren, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, gehören Polystyrol, Polyalkylstyrole, Polyarylstyrole, Polystyrolhalogenide, Polyalkoxystyrole, Polyvinylesterbenzoat, Polyvinylnaphthalin, Polyvinylstyrol und Polyacenaphthalin sowie die hydrierten Polymere und Gemische oder Copolymere, die diese Struktureinheiten enthalten. Beispiele für Polyalkylstyrole sind die Isomere der folgenden: Polymethylstyrol, Polyethylstyrol, Polypropylstyrol und Polybutylstyrol. Beispiele für Polyarylstyrole sind die Isomere von Polyphenylstyrol. Beispiele für die Polystyrolhalogenide sind die Isomere der folgenden: Polychlorstyrol, Polybromstyrol und Polyfluorstyrol. Beispiele für Polyalkoxystyrole sind die Isomere der folgenden: Polymethoxystyrol und Polyethoxystyrol. Besonders bevorzugte Polymere der Styrolgruppe unter diesen Beispielen sind Polystyrol, Poly-p- methylstyrol, Poly-m-methylstyrol, Poly-p-tertiär-butylstyrol, Poly-p-chlorstyrol, Poly-m-chlorstyrol, Poly-p-fluorstyrol und Copolymere von Styrol und p-Methylstyrol.
Weiterhin können Comonomere verwendet werden, um syndiotaktische Copolymere der Vinylaromatengruppe herzustellen. Geeignete Comonomere außer den Monomeren für die Homopolymere, die oben aufgeführt sind, um die Gruppe der syndiotaktischen vinylaromatischen Polymere zu definieren, sind Olefinmonomere (wie Ethylen, Propylen, Butene, Pentene, Hexene, Octene oder Decene), Dienmonomere (wie Butadien und Isopren) sowie polare Vinylmonomere (wie cyclische Dienmonomere, Methylmethacrylat, Maleinsäureanhydrid oder Acrylnitril).
Die syndiotaktischen vinylaromatischen Copolymere der vorliegenden Erfindung können Blockcopolymere, statistische Copolymere oder alternierende Copolymere sein.
Die syndiotaktischen vinylaromatischen Polymere und Copolymere, auf die in dieser Erfindung Bezug genommen wird, haben im Allgemeinen eine durch ¹³C- NMR bestimmte Syndiotaktizität von über 75% oder mehr. Vorzugsweise ist der Grad der Syndiotaktizität größer als 85% racemische Diade oder höher als 30% oder besonders bevorzugt höher als 50% racemische Pentade.
Außerdem gibt es zwar keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Molekulargewichts dieser syndiotaktischen vinylaromatischen Polymere und Copolymere, doch ist ihr Gewichtsmittel des Molekulargewichts vorzugsweise größer als 10 000 und kleiner als 1 000 000 und besonders bevorzugt größer als 50 000 und kleiner als 800000.
Die syndiotaktischen vinylaromatischen Polymere und Copolymere können auch in Form von Polymerblends verwendet werden, zum Beispiel mit Polymeren der Vinylaromatengruppe mit ataktischen Strukturen, Polymeren der Vinylaromatengruppe mit isotaktischen Strukturen und anderen Polymeren, die mit den vinylaromatischen Polymeren mischbar sind. Zum Beispiel zeigen Polyphenylenether eine gute Mischbarkeit mit vielen der zuvor beschriebenen Polymeren der Vinylaromatengruppe.
Wenn eine polarisierende Folie unter Verwendung eines Verfahrens mit vorwiegend uniaxialer Streckung hergestellt wird, sind besonders bevorzugte Kombinationen von Polymeren für die optischen Schichten PEN/coPEN, PET/coPET, PEN/sPS, PET/sPS, PEN/Eastar und PET/Eastar , wobei "coPEN" ein Copolymer oder Blend auf der Basis von Naphthalindicarbonsäure (wie oben beschrieben) bedeutet und Eastar ein Polyester oder Copolyester ist (das vermutlich Cyclohexandimethylendiol-Einheiten und Terephthalat-Einheiten umfasst), der von der Eastman Chemical Co. kommerziell erhältlich ist. Wenn eine polarisierende Folie hergestellt werden soll, indem man die Verfahrensbedingungen eines biaxialen Streckverfahrens manipuliert, sind besonders bevorzugte Kombinationen von Polymeren für optische Schichten PEN/coPEN, PEN/PET, PEN/PBT, PEN/PETG und PEN/PETcoPBT, wobei "PBT" Polybutylenterephthalat bedeutet, "PETG" ein Copolymer von PET unter Verwendung eines zweiten Glycols (gewöhnlich Cyclohexandimethanol) bedeutet und "PETcoPBT" ein Copolyester von Terephthalsäure oder eines Esters davon mit einem Gemisch von Ethylenglycol und 1,4-Butandiol bedeutet.
Besonders bevorzugte Kombinationen von Polymeren für optische Schichten im Falle von Spiegeln oder farbigen Folien sind PEN/PMMA, PET/PMMA, PEN/"Ecdel", PET/"Ecdel", PEN/sPS, PET/sPS, PEN/coPET, PEN/PETG und PEN/ein Fluorpolymer, das von der Minnesota Mining and Manufacturing Company (3M), St. Paul, MN, unter der Handelsbezeichnung "THV" kommerziell erhältlich ist, wobei "PMMA" Polymethylmethacrylat bedeutet, "coPET" ein Copolymer oder Blend auf der Basis von Terephthalsäure (wie es oben beschrieben ist) bedeutet und "PETG" ein Copolymer von PET unter Verwendung eines zweiten Glycols (gewöhnlich Cyclohexandimethanol) bedeutet.
Für Spiegelfolien ist eine Übereinstimmung der Brechungsindices des ersten Polymers und des zweiten Polymers in der Richtung senkrecht zur Folienebene bevorzugt, da dies ein konstantes Reflexionsvermögen in bezug auf den Lichteinfallswinkel ergibt (d. h., es gibt keinen Brewster-Winkel). Bei einer speziellen Wellenlänge könnten die in-plane-Brechungsindices zum Beispiel 1,76 für biaxial orientiertes PEN betragen, während der Brechungsindex senkrecht zur Folienebene auf 1,49 fallen könnte. Wenn PMMA als zweites Polymer in der Mehrschichtstruktur verwendet wird, könnte sein Brechungsindex bei derselben Wellenlänge in allen drei Richtungen 1,495 betragen. Ein weiteres Beispiel ist das PET/"Ecdel"-System, bei dem die analogen Indices 1,66 und 1,51 für PET betragen könnten, während der isotrope Index von "Ecdel" 1,52 betragen könnte. Die entscheidende Eigenschaft besteht darin, dass der Index senkrecht zur Ebene für ein Material näher bei den in-plane-Indices des anderen Materials liegen muss als bei seinen eigenen in-plane-Indices.
Wie zuvor beschrieben, bestehen die mehrschichtigen optischen Folien der vorliegenden Erfindung zuweilen vorzugsweise aus mehr als zwei unterscheidbaren Polymeren. Ein drittes oder nachfolgendes Polymer könnte zweckmäßigerweise als haftvermittelnde Schicht zwischen dem ersten Polymer und dem zweiten Polymer innerhalb eines optischen Stapels, als zusätzliche Komponente in einem Stapel für optische Zwecke, als schützende Grenzschicht zwischen optischen Stapeln, als Hautschicht, als funktionelle Beschichtung oder für irgendeinen anderen Zweck eingesetzt werden. Als solche unterliegt die Zusammensetzung eines dritten oder nachfolgenden Polymers, falls eines verwendet wird, keiner Einschränkung. Zu den bevorzugten mehrkomponentigen Folien gehören diejenigen, die in der am 13.1.98 eingereichten und jetzt als WO 99/36810 A1 veröffentlichten US-Anmeldung Serial No. 09/006,118 mit dem Titel "Multicomponent Optical Body" beschrieben sind.

Optische Eigenschaften

Die Reflexionseigenschaften von mehrschichtigen Folien werden durch mehrere Faktoren bestimmt; die wichtigsten davon für die Zwecke dieser Diskussion sind die Brechungsindices für jede Schicht des Folienstapels. Insbesondere hängt das Reflexionsvermögen von der Beziehung zwischen den Brechungsindices jedes Materials in x, y- und z-Richtung (nx, ny, nz) ab. Verschiedene Beziehungen zwischen den drei Indices führen zu drei allgemeinen Kategorien von Materialien: isotrope, uniaxial doppelbrechende und biaxial doppelbrechende. Die letzteren beiden sind für das optische Verhalten der vorliegenden Erfindung wichtig.

Uniaxial doppelbrechende Materialien (Spiegel)

Bei einem uniaxial doppelbrechenden Material sind zwei Indices (typischerweise entlang der x- und y-Achse bzw. nx und ny) gleich und unterscheiden sich von dem dritten Index (typischerweise entlang der z-Achse bzw. nz). Die x- und y- Achse sind insofern als in der Ebene liegende Achsen definiert, als sie die Ebene einer gegebenen Schicht innerhalb der mehrschichtigen Folie repräsentieren, und die entsprechenden Indices nx und ny werden als in-plane-Indices bezeichnet.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines uniaxial doppelbrechenden Systems besteht darin, eine mehrschichtige polymere Folie biaxial zu orientieren (entlang von zwei Achsen zu strecken). Die biaxiale Orientierung der mehrschichtigen Folie führt zu Unterschieden zwischen den Brechungsindices aneinandergrenzender Schichten für Ebenen parallel zu beiden Achsen, was zur Reflexion von Licht in beiden Polarisationsebenen führt. Ein uniaxial doppelbrechendes Material kann entweder eine positive oder eine negative uniaxiale Doppelbrechung aufweisen. Eine positive uniaxiale Doppelbrechung tritt auf, wenn der Brechungsindex in der z-Richtung (nz) größer als die in-plane-Indices (nx und ny) ist. Eine negative uniaxiale Doppelbrechung tritt auf, wenn der Brechungsindex in der z-Richtung (nz) kleiner als die in-plane-Indices (nx und ny) ist. Es kann folgendes gezeigt werden: Wenn n1z so gewählt wird, dass es mit n2x = n2y = n2z übereinstimmt und die mehrschichtige Folie biaxial orientiert wird, gibt es keinen Brewster- Winkel für p-polarisiertes Licht, und damit gibt es für alle Einfallswinkel ein konstantes Reflexionsvermögen. Mit anderen Worten, in geeigneter Weise gestaltete mehrschichtige Folien, die in zwei aufeinander senkrechten in-plane- Achsen orientiert sind, reflektieren einen außergewöhnlich hohen Prozentsatz des einfallenden Lichts und sind hocheffiziente Spiegel. Indem man die Schichten, wie es oben beschrieben ist, so auswählt, dass sie Licht im nahen Infrarot reflektieren und die Kante des reflektierenden Bandes innerhalb des infraroten Bereichs positioniert, so dass sich das reflektierende Band selbst bei streifenden Einfallswinkeln nicht in den sichtbaren Bereich des Spektrums verschiebt, kann ein Infrarotspiegel hergestellt werden, der selbst bei hohen Einfallswinkeln im sichtbaren Bereich des Spektrums transparent ist. Wenn ein gewisses Maß an Farbe annehmbar oder wünschenswert ist, kann alternativ dazu die Kante des reflektierenden Bandes auch so positioniert werden, dass sich das reflektierende Band selbst bei streifenden Einfallswinkeln nicht über den farbigen Teil des sichtbaren Spektrums hinaus verschiebt, so dass dieselbe sichtbare Farbe bei streifenden Winkeln wie bei senkrechtem Einfallswinkel beibehalten wird. Dieselbe Wirkung kann auch erreicht werden, indem man zwei uniaxial orientierte Folien (unten diskutiert) mit ihren jeweiligen Orientierungsachsen in einem Winkel von 90º zueinander anordnet.

Biaxial doppelbrechende Materialien (Polarisatoren)

Bei einem biaxial doppelbrechenden Material sind alle drei Indices verschieden. Biaxial doppelbrechende Materialien sind für die Folie der vorliegenden Erfindung wichtig. Ein biaxial doppelbrechendes System kann hergestellt werden, indem man die mehrschichtige polymere Folie uniaxial orientiert (entlang einer Achse streckt), wie entlang der x-Richtung in Fig. 2. Eine biaxial doppelbrechende mehrschichtige Folie kann so gestaltet werden, dass sie ein hohes Reflexionsvermögen für Licht aufweist, dessen Polarisationsebene für alle Einfallswinkel parallel zu einer Achse liegt, und gleichzeitig ein geringes Reflexionsvermögen (hohe Durchlässigkeit) für Licht aufweist, dessen Polarisationsebene für alle Einfallswinkel parallel zu der anderen Achse liegt. Als Ergebnis wirkt das biaxial doppelbrechende System als Polarisator, der Licht der einen Polarisation reflektiert und Licht der anderen Polarisation durchlässt. Anders ausgedrückt, eine polarisierende Folie ist eine Folie, die einfallendes Licht mit statistischer Polarität empfängt (Licht, das in Ebenen mit zufälligen Winkeln schwingt) und einfallende Lichtstrahlen mit der einen Polarität (das in einer einzigen Ebene schwingt) durch die Folie treten lässt, während sie einfallende Lichtstrahlen der anderen Polarität (das in einer Ebene senkrecht zu der ersten Ebene schwingt) reflektiert. Durch Steuerung der drei Brechungsindices nx, ny und nz können die gewünschten Polarisationswirkungen erhalten werden. Wenn die Schichten in geeigneter Weise gestaltet sind, so dass sie Licht im nahen Infrarot reflektieren, und das reflektierende Band innerhalb des infraroten Bereichs positioniert ist, so dass sich das reflektierende Band selbst bei streifenden Einfallswinkeln nicht in den sichtbaren Bereich des Spektrums verschiebt, kann ein Infrarotpolarisator hergestellt werden, der selbst bei hohen Einfallswinkeln im sichtbaren Bereich des Spektrums transparent ist. Wenn ein gewisses Maß an Farbe annehmbar oder wünschenswert ist, kann alternativ dazu die Kante des reflektierenden Bandes auch so positioniert werden, dass sich das reflektierende Band selbst bei streifenden Einfallswinkeln nicht über den farbigen Teil des sichtbaren Spektrums hinaus verschiebt, so dass dieselbe sichtbare Farbe bei streifenden Winkeln wie bei senkrechtem Einfallswinkel beibehalten wird. Zwei gekreuzte Blätter von biaxial doppelbrechender Folie würden einen hocheffizienten Spiegel ergeben, und die Folien würden sich ähnlich wie eine einzige uniaxial doppelbrechende Folie verhalten.
Eine neue Methode zur Herstellung von mehrschichtigen polymeren Polarisatoren unter Verwendung von biaxialer Orientierung ist in der am 13.01.98 eingereichten und jetzt als US 6,179,948 B1 veröffentlichten US-Anmeldung Serial No. 09/006,455 mit dem Titel "An Optical Film and Process for Manufacture Thereof" beschrieben. Bei diesem Ansatz werden zwei Polymere, die zur permanenten Doppelbrechung befähigt sind, nacheinander in einer solchen Weise gestreckt, dass die Bedingungen beim ersten Strecken so gewählt werden, dass bei einem der Materialien nur wenig Doppelbrechung und bei dem anderen eine erhebliche Doppelbrechung entsteht. Beim zweiten Strecken entwickelt das zweite Material eine erhebliche Doppelbrechung, die ausreicht, um mit dem endgültigen Brechungsindex des ersten Materials in dieser Richtung übereinzustimmen. Häufig nimmt das erste material nach dem zweiten Strecken einen biaxialen Charakter in der Ebene an. Ein Beispiel für ein System, das bei biaxialer Orientierung einen guten Polarisator ergibt, ist PEN/PET. In diesem Fall können die Brechungsindices über einen Bereich von Werten eingestellt werden. Die folgende Menge von Werten demonstriert das Prinzip für PEN, n1x = 1,68, n1y = 1,82, n1z = 1,49; für PET, n1x = 1,67, n1y = 1,56, n1z = 1,56, alles bei 632,8 nm. Copolymere von PEN und PET können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Copolymer mit ungefähr 10 Gew.-% PEN-Untereinheiten und 90 Gew.-% PET-Untereinheiten das PET-Homopolymer in der Struktur ersetzen. Indices für das Copolymer bei ähnlicher Verarbeitung sind etwa n1x = 1,67, n1y = 1,62, n1z = 1,52 bei 632,8 nm. Es gibt eine gute Übereinstimmung der Brechungsindices in x-Richtung, einen großen Unterschied (für starke Reflexion) in der y-Richtung und einen geringen Unterschied in der z-Richtung. Dieser kleine Unterschied im z-Index minimiert unerwünschte Farbdurchbrüche bei flachen Beobachtungswinkeln. Die durch biaxiale Orientierung gebildete Folie ist in allen planaren Richtungen stark, während sich ein uniaxial orientierter Polarisator aufspalten kann. Je nach der Anwendung hat der eine oder der andere Ansatz seine Vorzüge.
Zur Herstellung einer infrarotreflektierenden Folie mit minimaler oder keiner sichtbaren wahrgenommenen Farbe kann die infrarotreflektierende mehrschichtige Folie der vorliegenden Erfindung so gestaltet werden, dass das reflektierende Band innerhalb des infraroten Bereichs bei einer solchen Wellenlänge positioniert ist, dass es bei Winkeln, die kleiner sind als der Gebrauchswinkel, kein rotes Licht reflektiert. Wenn das reflektierende Band nicht ausreichend weit im Infraroten positioniert ist, reflektiert die Folie Rot bei Winkeln, die größer sind als der Gebrauchswinkel. Da Cyan definitionsgemäß einer Subtraktion roten Lichts von weißem Licht entspricht, erscheint die Folie in der Durchsicht in Cyan. Die Menge des reflektierten roten Lichts und damit der Grad, mit dem die Folie in Cyan erscheint, hängt vom Beobachtungswinkel und der reflektierten Bandbreite ab. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird der Beobachtungswinkel alpha zwischen dem Photorezeptor (typischerweise ein menschliches Auge) und der Beobachtungsachse senkrecht zur Ebene der Folie gemessen. Wenn der Beobachtungswinkel ungefähr null Grad beträgt, wird sehr von jeder Farbe nur wenig sichtbares Licht von der mehrschichtigen Folie reflektiert, und die Folie erscheint gegen einen diffusen weißen Hintergrund klar (oder schwarz gegen einen schwarzen Hintergrund). Wenn der Beobachtungswinkel einen vorbestimmten Verschiebungswinkel überschreitet und die kurzwellige Bandenkante nicht richtig innerhalb des Infraroten positioniert wurde, wird ein erheblicher Teil des roten Lichts von der mehrschichtigen Folie reflektiert, und die Folie erscheint gegen einen diffusen weißen Hintergrund Cyan (oder rot gegen einen schwarzen Hintergrund). Wenn der Beobachtungswinkel in Richtung auf 90 Grad zunimmt, wird mehr rotes Licht von der mehrschichtigen Folie reflektiert, und das Cyan erscheint noch kräftiger. Bei manchen Anwendungen kann die Verschiebung in den roten Bereich des Spektrums annehmbar sein, zum Beispiel wenn die Folie unter senkrechten Winkeln bereits in Cyan erscheint, zum Beispiel wegen des Einbaus eines absorbierenden Farbstoffs, kann sich die kurzwellige Bandekante über den sichtbaren Bereich hinaus in den roten Bereich verschieben, solange sie sich nicht über die Absorptionsbandkante des Farbstoffs hinaus verschiebt und so eine Änderung der wahrgenommenen Farbe mit dem Winkel verursacht. Eine häufige Beschreibung der Breite des reflektierenden Bandes hängt von der Beziehung zwischen den in-Plane-Brechungsindices der Materialien im Stapel ab, die durch die folgende Gleichung gezeigt wird:

Gleichung 3: Bandbreite = (4λ/π)sin&supmin;¹[(1 - (n&sub2;/n&sub1;))/(1 + (n&sub2;/n&sub1;))]

Wenn n&sub1; also nahe bei n&sub2; liegt, ist der Reflexionspeak sehr schmal. Zum Beispiel im Falle einer mehrschichtigen Folie mit alternierenden Schichten aus RET (n&sub1; = 1,66) und Ecdel (n&sub2; = 1,52) mit derselben optischen Dicke, die für eine minimale Transmission bei λ = 750 nm ausgewählt sind, beträgt die Breite oder Bandbreite des Transmissionsminimums etwa 42 nm. Im Falle einer mehrschichtigen Folie mit alternierenden Schichten aus PEN (n&sub1; = 1,75) und PMMA (n&sub2; = 1,49) beträgt die Bandbreite unter denselben Bedingungen 77 nm. Um soviel wie möglich des Sonnenspektrums zu reflektieren, ohne dass Harmonische höherer Ordnung zu einer wahrnehmbaren Farbe führen, sollte das reflektierende Band der Folie der vorliegenden Erfindung so gestaltet sein, dass es etwa 850 nm bis etwa 1200 nm abdeckt. Die Bandbreite für ein gegebenes Paar von Materialien kann anhand von Gleichung 3 abgeschätzt werden, indem man mit dem Schichtdickenverhältnis multipliziert. Die Mitte des reflektierenden Bandes wird anhand der Gleichungen 1 oder 2 berechnet, so dass sie ungefähr eine halbe Bandbreite von der gewünschten Stelle der kurzwelligen Bandkante entfernt positioniert ist.
Der Wert der Blauverschiebung mit dem Einfallswinkel in irgendeinem dünnen Folienstapel kann aus der grundlegenden Wellenlängenabstimmungsformel für eine einzelne Schicht abgeleitet werden, die unten als Gleichung 4 gezeigt ist:

Gleichung 4: λ/4 = ΣndCosθ

wobei
λ = gewünschte Wellenlänge (die Bandkante erstreckt sich tatsächlich über λ hinaus)
θ = Einfallswinkel, gemessen gegenüber der Senkrechten, in dieser Schicht
n = Brechungsindex für die Materialschicht für die gegebene Richtung und Polarisation des Licht, das durch die Schicht tritt; und
d = tatsächliche Dicke der Schicht
In einem isotropen dünnen Folienstapel nimmt nur der Wert von (Cosθ) ab, wenn θ zunimmt. Bei einer doppelbrechenden Folie jedoch nehmen für p-polarisiertes Licht sowohl n als auch (Cosθ) ab, wenn θ zunimmt. Wenn die Elementarzelle eine oder mehrere Schichten aus einem negativ doppelbrechenden Material, wie PEN, enthält, spürt das p-polarisierte Licht den niedrigen z-Indexwert anstatt nur den in-plane-Wert des Index, was zu einem reduzierten effektiven Brechungsindex für die negativ doppelbrechenden Schichten führt. Entsprechend erzeugt der effektive niedrige z-Index, der durch die Anwesenheit von negativ doppelbrechenden Schichten in der Elementarzelle verursacht wird, eine sekundäre Blauverschiebung zusätzlich zu der Blauverschiebung in einem isotropen dünnen Stapel. Die zusammengesetzten Wirkungen führen zu einer größeren Blauverschiebung des Spektrums im Vergleich zu Folienstapeln, die ganz aus isotropen Materialien bestehen. Die tatsächliche Blauverschiebung wird durch die dickengewichtete mittlere Änderung von λ mit dem Einfallswinkel für alle Materialschichten in der Elementarzelle bestimmt. Die Blauverschiebung kann also verstärkt oder verringert werden, indem man die relative Dicke der doppelbrechenden Schichten im Verhältnis zu den isotropen Schichten in der Elementarzelle einstellt. Dies führt zu Änderungen des f-Verhältnisses, die bei der Gestaltung des Produkts zuerst berücksichtigt werden müssen. Die maximale Blauverschiebung in Spiegeln wird erreicht, indem man in allen Schichten des Stapels negativ uniaxial doppelbrechende Materialien verwendet. Die minimale Blauverschiebung wird erreicht, indem man im optischen Stapel nur uniaxial positive doppelbrechende Materialien verwendet. Für Polarisatoren werden biaxial doppelbrechende Materialien verwendet, aber für den einfachen Fall, dass Licht entlang einer der Hauptachsen eines doppelbrechenden Dünnfolienpolarisators einfällt, ist die Analyse für uniaxiale und biaxiale Folien dieselbe. Für Richtungen zwischen den Hauptachsen eines Polarisators ist der Effekt noch zu beobachten, aber die Analyse ist komplexer.
Für Spiegelfolien, die mit PEN mit gleichen Streckverhältnissen entlang der beiden Hauptachsen der Folie hergestellt wurden, beträgt das in-plane/z-Achsen- Indexdifferential der PEN-Schichten etwa 1,75 bis 1,50. Dieses Indexdifferential ist bei Folien auf PET-Basis geringer (d. h. etwa 1,66 bis 1,50). Für Polarisatoren, bei denen das Licht mit einer Polarisationsebene entlang der Extinktionsachse einfällt, ist der Effekt noch ausgeprägter, da der Unterschied im PEN-in-plane- Index im vergleich zum PEN-z-Achsen-Index viel größer ist (etwa 1,85 bis 1,50), was zu einer noch stärkeren Blauverschiebung für p-polarisiertes Licht führt, als sie bei isotropen mehrschichtigen Folienstapeln beobachtet wird. Wenn im Stapel nur uniaxial positiv doppelbrechende Materialien verwendet würden, wäre die Blauverschiebung im Vergleich zu isotropen optischen Folien verringert.
Für den uniaxial doppelbrechenden Fall von PEN/PMMA ist die Winkelabhängigkeit der Rotlichtreflexion in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Bei diesen Kurven ist der Prozentsatz des durchgelassenen Lichts auf der vertikalen Achse aufgetragen, und die Wellenlängen des Lichts sind auf der horizontalen Achse aufgetragen. Man beachte, dass deshalb, weil der Anteil des durchgelassenen Lichts einfach 1 minus der Anteil des reflektierten Lichts ist (die Absorption ist vernachlässigbar), Informationen über die Lichttransmission auch Informationen über die Lichtreflexion liefern. Die in den Fig. 3 und 4 angegebenen Spektren sind aus einem computerisierten optischen Modelliersystem entnommen, und das tatsächliche Verhalten entspricht typischerweise relativ genau dem vorhergesagten Verhalten. Oberflächenreflexionen tragen sowohl im computermodellierten als auch im gemessenen Spektrum zu einer verringerten Transmission bei. In Beispielen, bei denen tatsächliche Proben getestet wurden, wurde ein Spektrometer, das von der Perkin Eimer Corporation in Norwalk, Connecticut, unter der Bezeichnung Lambda 19 erhältlich ist, verwendet, um die optische Transmission von Licht unter den angegebenen Winkeln zu messen.
Eine uniaxial doppelbrechende Folie mit insgesamt 224 alternierenden Schichten von PEN (nx,y = 1,75; nz = 1,5) und PMMA (nx,y,z = 1,5) mit einem linearen Verhältnis der dicksten Schichtpaare zu den dünnsten von 1,13 : 1 wurde modelliert. Die Spektren für diese ideale Folie bei einem Beobachtungswinkel von null Grad und einem Beobachtungswinkel von 60 Grad sind in Fig. 3 bzw. 4 aufgetragen. Die kurzwellige Bandkante sowohl für das s- als auch für das p- polarisierte Licht verschieben sich zusammen um etwa 750 nm bis etwa 600 nm, und die Transmission ist in dem gewünschten Bereich des Spektrums minimiert, so dass für das Auge eine sehr scharfe Farbverschiebung erreicht wird. Tatsächlich ist die gleichläufige Verschiebung des s- und des p-polarisierten Lichts ein wünschenswerter Aspekt der vorliegenden Erfindung. In den Fig. 3 und 4 kann dieser Effekt beobachtet werden, indem man bestimmt, ob die kurzwelligen Bandkanten der Spektren des s- und p-polarisierten Lichts auseinander liegen oder nicht.
Zum Vergleich wurde eine Struktur aus 24 Schichten aus Zirkoniumoxid und Siliciumoxid modelliert, um die Verschiebung zu demonstrieren, die man bei mehrschichtigen Folien beobachtet, die aus isotropen Materialien hergestellt sind. Der Brechungsindex von Zirconiumoxid betrug nx,y,z = 1,93, der Brechungsindex von Siliciumoxid betrug nx,y,z = 1,45, und das Modell nahm einen linearen Schichtdickengradienten an, bei dem das dickste Schichtpaar 1,12mal dicker war als das dünnste Schichtpaar. Bei einem Beobachtungswinkel von null Grad sehen die beiden Folienspektren ähnlich aus (vergleiche Fig. 5 mit Fig. 3), und dem bloßen Auge würden beide klar erscheinen. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, verschiebt sich jedoch die kurzwellige Bandkante für p-polarisiertes Licht, unter einem Beobachtungswinkel von 60 Grad betrachtet, um etwa 100 nm, während sich die für s-polarisiertes Licht um etwa 150 nm verschiebt. Diese Struktur zeigt keine abrupte Änderung von klar nach Cyan, da sich das s- und das p-polarisierte Licht bei Änderung des Winkels nicht zusammen verschieben.
Typischerweise läge der Wert für die Verschiebung für p-polarisiertes Licht für eine Struktur mit einer isotropen Folie wahrscheinlich zwischen der Verschiebung, die unter Verwendung einer doppelbrechenden Folie erreicht wird, und der Verschiebung, die unter Verwendung einer anorganischen isotropen Schicht erreicht wird, je nach dem Brechungsindex der speziellen verwendeten Materialien.
Vermutlich besteht eine Methode, um eine mehrschichtige Folie zu gestalten, bei der diese Bandkanten zusammenfallen, darin, Materialien mit einem F-Verhältnis von ungefähr 0,25 zu wählen. Das F-Verhältnis, das gewöhnlich verwendet wird, um das F-Verhältnis der doppelbrechenden Schicht zu beschrieben, wird so berechnet, wie es in Gleichung 5 gezeigt ist:

Gleichung 5: F-Verhältnis = n&sub1;d&sub1;/(n&sub1;d&sub1; + n&sub2;d&sub2;)

wobei n und d der Brechungsindex bzw. die tatsächliche Dicke der Schichten sind. Wenn das F-Verhältnis der doppelbrechenden Schicht ungefähr 0,75 beträgt, gibt es eine signifikante Trennung zwischen den kurzwelligen Bandkanten der Spektren des s- und des p-polarisierten Lichts, und wenn das F-Verhältnis ungefähr 0,5 beträgt, bleibt eine merkliche Trennung. Bei einem F-Verhältnis von 0,25 jedoch fallen die kurzwelligen Bandkanten der Spektren des s- und des p-polarisierten Lichts praktisch zusammen, was zu einer Folie mit einem scharfen Farbübergang führt. Anders ausgedrückt, es ist höchst wünschenswert, dass die kurzwelligen Bandkanten der Spektren des s- und des p-polarisierten Lichts innerhalb einer Entfernung von ungefähr 20 nm voneinander liegen, und noch wünschenswerter, dass sie innerhalb einer Entfernung von ungefähr 10 nm voneinander liegen, um die gewünschte Wirkung zu erhalten. Für die modellierten Fälle der Fig. 3 bis 6 wurde ein F-Verhältnis von 0,5 verwendet.
Die optische Theorie, die den oben beschriebenen modellierten Daten zugrunde liegt, wird nun etwas ausführlicher beschrieben. Ein dielektrischer Reflektor besteht aus Schichtgruppen, die zwei oder mehr Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufweisen. Jede Gruppe hat eine als halbe Wellenlänge ausgedrückte optische Dicke, die die Wellenlänge der Reflexionsbande bestimmt. Typischerweise werden viele Gruppen von Halbwellen verwendet, um einen Stapel aufzubauen, der Reflexionsvermögen über einen Bereich von Wellenlängen aufweist. Die meisten Stapelgestaltungen haben scharfe Abnahmen des Reflexionsvermögens bei größeren und kleineren Wellenlängen, die als Bandkanten bekannt sind. Die Kante oberhalb der Halbwellenposition ist die langwellige Bandkante IBEhi, und die unterhalb ist die kurzwellige Bandkante IBEIo. Diese sind in Fig. 8 gezeigt. Das Zentrum, die Ränder und die Breite eines Reflexionsbandes ändern sich mit dem Einfallswinkel.
Das Reflexionsband kann genau berechnet werden, indem man das Verfahren der charakteristischen Matrix verwendet. Die charakteristische Matrix drückt eine Beziehung aus zwischen dem elektrischen Feld an einer Grenzfläche und dem elektrischen Feld an der nächsten. Sie hat Terme für jede Grenzfläche und jede Schichtdicke. Unter Verwendung von effektiven Indices für Grenzflächen- und Phasenterme können sowohl anisotrope als auch isotrope Materialien bewertet werden. Die charakteristische Matrix für die Halbwelle ist das Produkt der Matrizen für jede Schicht der Halbwelle. Die charakteristische Matrix für jede Schicht ist durch Gleichung 6 gegeben: Gleichung 6:
wobei n und t, die Fresnel-Koeffizienten für die Grenzflächenreflexion der i-ten Grenzfläche sind und b, die Phasendicke der i-ten Schicht ist.
Die charakteristische Matrix des gesamten Stapels ist das Produkt der Matrizen für jede Schicht. Weitere nützliche Ergebnisse, wie die Gesamttransmission und -reflexion des Stapels, können aus der charakteristischen Matrix abgeleitet werden. Die Fresnel-Koeffizienten für die i-te Grenzfläche sind durch die Gleichungen 7(a) und 7(b) gegeben: Gleichungen 7(a), 7(b):
Die für die Fresnel-Koeffizienten verwendeten effektiven Indices sind durch die Gleichungen 8(a) und 8(b) gegeben: Gleichung 8(a):
(für s-polarisiertes Licht) Gleichung 8(b):
(für p-polarisiertes Licht)
Wenn diese Indices verwendet werden, werden die Fresnel-Koeffizienten bei senkrechtem Einfall bewertet. Das Einfallsmaterial hat einen Index von n&sub0; und einen Winkel von θ&sub0;.
Die gesamte Phasenänderung eines Halbwellenpaars, eines oder beide können anisotrope Indices haben. Analytische Ausdrücke für den effektiven Brechungsindex wurden verwendet. Die Phasenänderung ist für s- und p-Polarisation verschieden. Für jede Polarisation ist die Phasenänderung β für eine doppelte Durchquerung der Schicht i in den Gleichungen 9(a) und 9(b) gezeigt: Gleichung 9(a):
(für s-polarisiertes Licht) Gleichung 9(b):
(für p-polarisiertes Licht)
wobei θ&sub0; und n&sub0; der Winkel bzw. der Index des Einfallsmediums sind.
Born & Wolf zeigten in Principles of Optics, Pergamon Press, 6. Aufl., 1980, S. 66, dass die Wellenlängenkante des Bereichs mit dem hohen Reflexionsvermögen bestimmt werden kann, indem man die Elemente M&sub1;&sub1; und M&sub2;&sub2; der charakteristischen Matrix des Stapels bei verschiedenen Wellenlängen bewertet. Bei Wellenlängen, bei denen Gleichung 10 erfüllt ist, nimmt die Transmission exponentiell ab, wenn weitere Halbwellen zu dem Stapel gegeben werden. Gleichung 10:
Die Wellenlänge, bei der dieser Ausdruck gleich 1 ist, ist die Bandkante. Für eine Halbwelle, die aus zwei Schichten besteht, führt eine Multiplikation der Matrizen zu dem in Gleichung 11 angegebenen analytischen Ausdruck. Gleichung 11:
Die Kante eines Reflexionsbandes kann für jede Halbwelle aus der charakteristischen Matrix bestimmt werden. Für eine Halbwelle mit mehr als zwei Schichten kann die charakteristische Matrix für den Stapel durch Matrizenmultiplikation der Komponentenschichten abgeleitet werden, um die Gesamtmatrix bei einer beliebigen Wellenlänge zu erzeugen. Eine Bandkante ist durch Wellenlängen definiert, bei denen Gleichung 11 erfüllt ist. Dabei kann es sich entweder um das Reflexionsband erster Ordnung oder um Reflexionen höherer Ordnung handeln. Für jedes Band gibt es zwei Lösungen. Es gibt zusätzliche Lösungen bei kürzeren Wellenlängen, bei denen Reflexionen höherer Ordnung zu finden sind.

Herstellung

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der mehrschichtigen Folie der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 7 gezeigt und noch ausführlicher in der am 13.01.98 eingereichten und als WO 99/36248 A2 veröffentlichten US- Anmeldung Serial No. 09/006,288 mit dem Titel "Process for Making Multilayer Optical Films" beschrieben. Zur Herstellung mehrschichtiger optischer Folien werden die Materialien 100 und 102, die so gewählt werden, dass sie in geeigneter Weise unterschiedliche optische Eigenschaften haben, über ihre Schmelz- und/oder Glasübergangstemperaturen hinaus erhitzt und einem Mehrschicht- Zuführungsblock 104 mit oder ohne Schichtvervielfacher 106 zugeführt. Der Schichtvervielfacher 106 spaltet den mehrschichtigen Strom auf und leitet dann einen Strom um über den zweiten und "stapelt" sie, so dass die Zahl der extrudierten Schichten vervielfacht wird. Wenn ein asymmetrischer Vervielfacher mit Extrusionsgeräten, die Schichtdickenabweichungen im gesamten Stapel einführen, verwendet wird, kann die Verteilung der Schichtdicken verbreitert werden, so dass die mehrschichtige Folie Schichtpaare aufweisen kann, die einem gewünschten Teil des sichtbaren Spektrums des Lichts entsprechen, und einen gewünschten Schichtdickengradienten ergeben kann. Es können auch Hautschichten eingeführt werden, indem man einem Hautschicht-Zuführungsblock 110 Material 108 für die Hautschichten zuführt.
Der Mehrschicht-Zuführungsblock 104 versorgt eine Folienextrusionsdüse 112. Zuführungsblöcke, die für die Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 3,773,882 und 3,884,606 und in der am 13.01.98 eingereichten US-Anmeldung Serial No. 09/006,288, jetzt WO 99/36248 A2, mit dem Titel "Process for Making Multilayer Optical Films" beschrieben. Als Beispiel können die Extrusionstemperatur ungefähr 295ºC und die Zuführungsgeschwindigkeit ungefähr 10 bis 150 kg/Stunde für jedes Material betragen. In den meisten Fällen ist es wünschenswert, wenn Hautschichten 111 auf der oberen und der unteren Oberfläche der Folie fließen, während sie durch den Zuführungsblock 110 tritt und bevor sie durch die Düse 112 tritt. Diese Schichten 111 dienen dazu, den großen Spannungsgradienten abzufangen, der in der Nähe der Wand auftritt, was zu einer glatteren Extrusion der optischen Schichten führt. Typische Extrusionsgeschwindigkeiten für jede Hautschicht 111 wären 2-50 kg/h (1-40% des Gesamtdurchsatzes). Das Hautmaterial kann dasselbe wie in einer der optischen Schichten oder ein drittes Polymer sein.
Nach dem Austritt aus der Düse 112 wird die Schmelze auf einem Gießrad 116 abgekühlt, das sich an dem Befestigungsdraht 114 vorbei dreht. Der Befestigungsdraht 114 befestigt das Extrudat an dem Gießrad 116. Dann gelangt die Folie durch Zugrollen 118 für die Längsorientierung, den Spannrahmenofen 120, den Wärmefixierungsteil 122 des Spannrahmenofens 120 und dann auf die Aufwickelrolle 124. Um eine klare Folie über einen breiteren Bereich von Winkeln zu erhalten muss man nur die Folie dicker machen, indem man das Gießrad langsamer laufen lässt. Dadurch wird die kurzwellige Bandkante weiter vom Rand des sichtbaren Spektrums (700 nm) weg bewegt. Auf diese Weise kann die Farbverschiebung der Folien dieser Erfindung für die gewünschte Farbverschiebung eingestellt werden. Die Folie wird orientiert, indem man sie mit Verhältnissen streckt, die im Einklang mit den gewünschten optischen und mechanischen Eigenschaften bestimmt werden. Streckverhältnisse von ungefähr 3-4 zu 1 sind bevorzugt, obwohl für eine gegebene Folie auch Verhältnisse von nur 2 zu 1 und von durchaus 6 zu 1 geeignet sein können. Die Dehnungstemperaturen hängen von der Art des verwendeten doppelbrechenden Polymers ab, aber 2 bis 33ºC (5 bis 60ºF) oberhalb seiner Glasübergangstemperatur wären im Allgemeinen ein geeigneter Bereich. Die Folie wird typischerweise in den letzten beiden Zonen des Spannrahmenofens 120 thermisch fixiert, um der Folie eine maximale Kristallinität zu verleihen und ihre Schrumpfung zu reduzieren. Durch Einsatz einer möglichst hohen Temperatur der thermischen Fixierung, ohne ein Reißen der Folie im Spannrahmenofen 120 zu verursachen, wird die Schrumpfung während eines Heißprägeschrittes reduziert. Eine Reduktion der Breite der Spannrahmenschienen um etwa 1-4% dient ebenfalls zur Reduktion der Folienschrumpfung. Wenn die Folie nicht thermisch fixiert wird, werden die Heißschrumpfeigenschaften maximiert, was bei einigen Sicherheitsverpackungsanwendungen wünschenswert sein kann.
Ein geeigneter mehrschichtiger optischer Körper kann auch unter Verwendung von Techniken wie Spinnbeschichtung, wie sie zum Beispiel in Boese et al., J. Polym. Bei.: Part B, 30: 1321 (1992) für doppelbrechende Polyimide beschrieben ist, und Vakuumabscheidung, wie sie zum Beispiel in Zang et al., Appl. Phys. Letters, 59: 823 (1991), für kristalline organische Verbindungen beschrieben ist, hergestellt werden; letztere Technik ist besonders gut für bestimmte Kombinationen von kristallinen organischen Verbindungen und anorganischen Materialien geeignet.
Die Orientierung der extrudierten Folie kann erfolgen, indem man einzelne Bahnen des Materials in erhitzter Luft verstreckt. Für die ökonomische Herstellung kann das Strecken kontinuierlich in einem Standardlängsorientierer, d. h. Zugrollen 118 für die Längsorientierung, Spannrahmenofen 120 oder beides, erfolgen. Die Wirtschaftlichkeit des Maßstabs und der Fertigungsgeschwindigkeiten der Standardpolymerfolienproduktion können erreicht werden, wodurch Herstellungskosten erreicht werden, die wesentlich geringer sind als die Kosten, die mit kommerziell erhältlichen absorbierenden Polarisatoren verbunden sind.

Zusätzliche Schichten und Merkmale

Außer den oben beschriebenen Hautschichten, die zu der physikalischen Festigkeit der Folie beitragen und Probleme während der Verarbeitung reduzieren, können weitere Schichten und Merkmale der erfindungsgemäßen Folie folgendes umfassen: Gleitmittel, Trennmaterialien, leitfähige Beschichtungen, antistatische, antireflektive oder schleierreduzierende Beschichtungen oder Folien, Sperrschichten, Flammhemmer, UV-Stabilisatoren oder Schutzschichten, abriebfeste Materialien, optische Beschichtungen oder Substrate zur Verbesserung der mechanischen Integrität oder Festigkeit der Folie. Nichtkontinuierliche Schichten können ebenfalls in die Folie eingebaut werden, um eine unsachgemäße Handhabung zu verhindern.
Es kann wünschenswert sein, eine oder mehrere der Schichten, eine oder mehrere anorganische oder organische Hilfsstoffe, wie ein Antioxidans, ein Extrusionshilfsmittel, einen Wärmestabilisator, einen UV-Absorber, einen Keimbildner, ein Oberflächenerhebungen bildendes Mittel und dergleichen in normalen Mengen hinzuzufügen, solange die Zugabe die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich stört.
Es kann vorteilhaft sein, zwei oder mehr Bahnen aufeinander zu laminieren, um das Reflexionsvermögen zu verbessern oder die Bandbreite zu verbreitern oder um aus zwei Polarisatoren einen Spiegel zu bilden. Amorphe Copolyester sind als Laminierungsmaterialien geeignet. Beispielhafte amorphe Copolyester sind diejenigen, die von der Goodyear Tire and Rubber Co. in Akron, Ohio, unter den Handelsbezeichnungen "VITEL Brand 3000" und "VITEL Brand 3300" kommerziell erhältlich sind. Für das Laminierungsmaterial gibt es eine große Auswahl, wobei die Haftung an den Folien 10, die optische Klarheit und der Ausschluss von Luft die primären Leitprinzipien sind.
Ein Merkmal von dielektrischen mehrschichtigen dünnen Interferenzfolien besteht darin, dass sich die reflektierte Wellenlänge bei höheren Blickwinkeln zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt. Um zu gewährleisten, dass der Übergriff des reflektierenden Bandes auf den sichtbaren Wellenlängenbereich annehmbar ist, werden die Dicken der einzelnen Schichtpaare erhöht, so dass ihre resonanten Wellenlängen erster Ordnung bei einer höheren Wellenlänge auftreten, als normalerweise wünschenswert wäre. Diese Erhöhung folgt der Gleichung 11.
Da Sonnenenergie und einige andere Lichtquellen eine erhebliche Emission im nahen Infrarot aufweisen, kann es zu einem erheblichen Verlust der Effizienz der Folie kommen, wenn die Lücke, die entstanden ist, nicht ausgefüllt wird. Weiterhin wird die Lücke zwar im Allgemeinen bei nichtsenkrechten Winkeln durch die Wellenlängenverschiebung ausgefüllt, doch beinhalten viele Industriestandardtests auf Energieeffizienz von Fenstern nur Messungen bei senkrechtem Einfall.

Wellenlängen-Lückenfüller-Komponente

Der optische Körper der vorliegenden Erfindung beinhaltet weiterhin eine Wellenlängen-Lückenfüller-Komponente in Verbindung mit der oben beschriebenen Folie. Die Lückenfüller-Komponente funktioniert so, dass sie die infraroten Wellenlängen, die von der Folie bei senkrechten Winkeln nicht reflektiert werden, weil das reflektierende Band der Folie zu höheren Wellenlängen verschoben werden musste, um Änderungen der wahrgenommenen Farbe bei nichtsenkrechtem Einfall zu minimieren, entweder absorbiert oder reflektiert. Je nach der Platzierung der Lückenfüller-Komponente relativ zu der Folie ist es möglich, dass die Komponente bei nichtsenkrechten Winkeln nicht funktioniert, da sich das reflektierende Band zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt und vorzugsweise mit dem Wellenlängenbereich der Absorption oder Reflexion der Lückenfüller- Komponente zusammenfällt. Zu den geeigneten Lückenfüller-Komponenten gehören ein infrarotabsorbierender Farbstoff oder ein infrarotabsorbierendes Pigment, ein infrarotabsorbierendes Glas, ein nachlaufendes Segment, mehrere isotrope Schichten oder Kombinationen davon. Die Lückenfüller-Komponente kann ein Teil der Folie sein, zum Beispiel als nachlaufendes Segment oder mehrere isotrope Schichten, die mit den Folienschichten coextrudiert werden, oder als Farbstoff oder Pigment, das in eine oder mehrere der Folienschichten eingebaut wird. Alternativ dazu kann die Lückenfüller-Komponente auch ein diskreter Bestandteil des optischen Körpers der vorliegenden Erfindung sein, d. h. von der Folie getrennt sein und auf dieser befestigt, zum Beispiele laminiert, werden. Beispiele für diese Ausführungsform sind ein Farbstoff oder Pigment als getrennte Schicht, die auf die Folie geheftet wird. Die Beschreibung des Lückenfüllers als Teil der Folie und getrennt von der Folie ist lediglich beispielhaft. Die hier offenbarte Lückenfüller-Komponente kann je nach den Merkmalen der Komponente selbst und der Folie, mit der sie kombiniert wird, entweder ein Teil der Folie oder von der Folie getrennt sein.
Die Folie und die Lückenfüller-Komponenten werden vorzugsweise so miteinander kombiniert, dass die Folie auf eine Oberfläche möglichst nahe zur Sonne platziert wird, da es effizienter ist, Sonnenenergie zu reflektieren, als sie zu absorbieren. Mit anderen Worten, wenn möglich, ist es zu bevorzugen, dass die Sonnenstrahlen zuerst auf die Folie treffen und dann erst sekundär auf die Lückenfüller-Komponente treffen. In einer Mehrfachscheibe oder einer zweilagigen Windschutzscheibe ist die am meisten zu bevorzugende Platzierung der Folie die Außenseite, die der Sonne am nächsten liegt, und die nächstbevorzugte Position ist zwischen den Scheiben oder Lagen. Die Folie kann auch auf die innere Oberfläche platziert werden, aber dies ermöglicht eine Absorption des Sonnenlichts durch das Glas, bevor das Licht die Folie erreicht, und eine Absorption eines Teils des von der Folie reflektierten Lichts. Diese Ausführungsform kann bevorzugt sein, wenn man sie unter dem Aspekt des UV-Schutzes betrachtet, da es bevorzugt sein kann, die Folie von der Sonne weg zu positionieren, so dass Komponenten, die weniger empfindlich gegenüber UV sind, diesen Bestandteil des Lichts absorbieren können.
Beispiele für geeignete infrarotabsorbierende Farbstoffe sind Cyaninfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,973,572 beschrieben sind, sowie verbrückte Cyaninfarbstoffe und tricyclische Cyaninfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,034,303 beschrieben sind, Merocyaninfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,950,640 beschrieben sind, Carbocyaninfarbstoffe (zum Beispiel 3,3'-Diethyloxatricarbocyaniniodid, 1'1',3,3,3',3'-Hexamethylindotricarbocyaninperchlorat, 1,1',3,3,3',3'-Hexamethylindotricarbocyaniniodid, 3,3'- Diethylthiatricarbocyaniniodid, 3,3'-Diethylthiatricarbocyaninperchlorat, 1,1',3,3, 3',3'-Hexamethyl-4,4',5,5'-dibenzo-2,2'-indotricarbocyaninperchlorat, die alle von Kodak, Rochester, NY, kommerziell erhältlich sind) und Phthalocyaninfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,788,128 beschrieben sind, Naphthalinfarbstoffe, Metallkomplexfarbstoffe, zum Beispiel Metalldithiolatfarbstoffe (zum Beispiel Nickeldithiolatfarbstoffe und zum Beispiel Bis[4-dimethylaminodithiobenzil]nickel, Bis[dithiobenzil]nickel, Bis[1,2-bis(n-butylthio)ethen- 1,2-dithiol]nickel, Bis[4,4'-dimethoxydithiobenzil]nickel, Bis[dithiobenzil]platin, Bis[dithioacetyl]nickel) und Metalldithiolenfarbstoffe (zum Beispiel Nickeldithiolenfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,036,040 beschrieben sind), Polymethinfarbstoffe, wie Bis(chalcogenopyrylo)polymethin-Farbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,948,777 beschrieben sind, Bis(aminoaryl)¬ polymethinfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,950,639 beschrieben sind, indenverbrückte Polymethinfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US- Patent Nr. 5,019,480 beschrieben sind, und Tetraarylpolymethinfarbstoffe, Diphenylmethanfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe, Chinonfarbstoffe, Azofarbstoffe, Eisen(II)-Komplexe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,912,083 beschrieben sind, Squaryliumfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,942,141 beschrieben sind, Chalgogenopyryloarylidenfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,948,776 beschrieben sind, Oxoindolizinfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,948,778 beschrieben sind, Anthrachinon- und Naphthochinonfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,952,552 beschrieben sind, Pyrrocolinfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US- Patent Nr. 5,196,393 beschrieben sind, Oxonolfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,035,977 beschrieben sind, Squarainfarbstoffe, wie Chromyliumsquarainfarbstoffe, Thiopyryliumsquarainfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,019,549 beschrieben sind, und Thiochromyliumsquarainfarbstoffe, Polyisothianaphthenfarbstoffe, Indoanilin- und Azomethinfarbstoffe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,193,737 beschrieben sind, Indoanilinmethidfarbstoffe, Tetraarylaminiumradikalkationfarbstoffe und metallisierte Chinolinindoanilinfarbstoffe. Squaryliumfarbstoffe oder Squaraine sind zum Beispiel auch in US-Patent Nr. 4,942,141 und US-Patent Nr. 5,019,549 beschrieben.
Zu den kommerziell erhältlichen Phthalocyaninfarbstoffen gehören zum Beispiel diejenigen, die von der Zeneca Corporation, Blackley, Manchester, England, unter der Handelsbezeichnung "Projet Series" erhältlich sind, zum Beispiel "Projet 830NP", "Projet 860 NP" und "Projet 900NP".
Zu den kommerziell erhältlichen Metallkomplexfarbstoffen gehören diejenigen, die von C. C. Scientific Products, Ft. Worth, TX 76120, erhältlich sind, zum Beispiel Bis[4-dimethylaminodithiobenzil]nickel.
Weitere geeignete Farbstoffe sind diejenigen, die in Jürgen Fabians Artikel mit dem Titel "Near Infrared Absorbing Dyes", Chem. Rev., 1992, 1197-1226, und "The Sigma Aldrich Handbook of Stains, Dyes and Indicators" von Floyd J. Green, Aldrich Chemical Company, Inc., Milwaukee, Wisconsin, ISBN 0-941633- 22-5, 1991, beschrieben sind. Zu den geeigneten Farbstoffen, die im nahen Infrarot absorbieren, gehören diejenigen von Epolin, Inc., Newark, NJ, zum Beispiel mit folgenden Handelsbezeichnungen: Epolight III-57, Epolight III-117, Epolight V-79, Epolight V-138, Epolight V-129, Epolight V-99, Epolight V-130, Epolight V-149, Epolight IV-66, Epolight IV-62A und Epolight HI-189.
Zu den geeigneten infrarotabsorbierenden Pigmenten gehören Cyanine, Metalloxide und Squaraine. Zu den geeigneten Pigmenten gehören diejenigen, die im US-patent Nr. 5,215,838 beschrieben sind, wie Metallphthalocyanine, zum Beispiel Vanadylphthalocyanin, Chloroindiumphthalocyanin, Titanylphthalocyanin, Chloroaluminiumphthalocyanin, Kupferphthalocyanin, Magnesiumphthalocyanin und dergleichen, Squaraine, wie Hydroxysquarain und dergleichen, sowie Gemische davon. Ein beispielhaftes Kupferphthalocyaninpigment ist das Pigment, das von der BASF unter der Handelsbezeichnung "6912" kommerziell erhältlich ist. Ein weiteres beispielhaftes Infrarotpigment ist das Metalloxidpigment, das von der Heubach Langelsheim unter der Handelsbezeichnung "Heucodor" kommerziell erhältlich ist.
Farbstoffe oder Pigmente, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, können in einem schmalen Band absorbieren, d. h. in dem Bereich des Spektrums absorbieren, der wegen der Position der kurzwelligen Bandkante des optischen Körpers nicht abgedeckt ist, zum Beispiel 700 bis 850 nm, oder sie können in einem breiten Band absorbieren, d. h. im Wesentlichen über den gesamten oder über den gesamten infraroten Bereich absorbieren.
Der Farbstoff bzw. das Pigment können in einer Schicht aus Glas oder Polymer, wie Polycarbonat oder Acryl, auf eine der beiden Oberflächen der Folie aufgetragen, auf die Folie laminiert werden oder in wenigstens einer der Polymerschichten der Folie vorliegen. Unter dem Aspekt der Sonnenenergie befindet sich der Farbstoff vorzugsweise auf der innersten Oberfläche der Folie (d. h. zum Rauminneren hin und von der Sonne weg), so dass sich dann, wenn die Sonne unter einem hohen Winkel steht, das reflektierende Band der Folie zu kürzeren Wellenlängen hin verschiebt, die im Wesentlichen mit dem Wellenlängenbereich des Farbstoffs zusammenfallen. Dies ist bevorzugt, da eine Reflexion der Sonnenenergie von dem Gebäude weg gegenüber einer Absorption derselben bevorzugt ist.
Die Menge des Farbstoffs oder Pigments, die im optischen Körper der vorliegenden Erfindung verwendet wird, variiert je nach der Art des Farbstoffs oder Pigments und/oder dem Verwendungszweck der Folie. Wenn der Farbstoff oder das Pigment auf die Oberfläche der Folie aufgetragen wird, liegen diese auf der Oberfläche typischerweise in einer Konzentration und Beschichtungsdicke vor, die geeignet ist, um die gewünschte Infrarotabsorption und das gewünschte sichtbare Erscheinungsbild zu erreichen. Wenn sich der Farbstoff oder das Pigment innerhalb einer zusätzlichen Schicht oder innerhalb des mehrschichtigen optischen Körpers befindet, liegt die Konzentration typischerweise in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des optischen Körpers. Wenn ein Pigment verwendet wird, wird außerdem typischerweise eine kleine Teilchengröße benötigt, zum Beispiel kleiner als die Wellenlänge von Licht. Wenn die Farbstoffe in unpolaren Lösungsmitteln löslich sind, können die Farbstoffe auf festes Kunststoffgranulat aufgetragen oder in dieses eingemischt und extrudiert werden, wenn die Farbstoffe die Wärme des Mischens und Extrudierens aushalten können.
Beispiele für geeignete infrarotabsorbierende Gläser sind klares Glas mit einer Dicke, die im Allgemeinen im Bereich von etwa 3 bis etwa 6 mm liegt, wie gebäude- oder Kraftfahrzeugglas, blaues Glas oder grünes Glas, die selektiv im nahen Infrarot, d. h. etwa 700 bis 1800 nm, absorbieren.
In den Ausführungsformen, bei denen blaues oder grünes Glas verwendet wird, befindet sich die Folie der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auf der Oberfläche des Glases, die der Sonne am nächsten liegt, so dass die Folie die Wellenlängen von 850-1250 nm wegreflektieren kann, was es ermöglicht, dass ein Teil des Infrarots, das nicht reflektiert wird, vom Glas absorbiert wird. Wenn es in der Praxis nicht möglich ist, die Folie auf die Außenfläche einer Glasschicht zu platzieren, zum Beispiel auf die Außenseite eines Fensters eines Gebäudes, kann es im Falle von Fenstern mit mehreren Scheiben nützlich sein, die Folie zwischen den Glasscheiben anstatt auf die der Innenseite nächste Oberfläche zu platzieren, um die Absorption zu minimieren. Vorzugsweise hat die äußere Schicht (der Sonne am nächsten) minimale infrarotabsorbierende Eigenschaften, so dass die Folie Licht im infraroten Bereich reflektieren kann, bevor dieses Licht das innere infrarotabsorbierende Glas erreicht. In dieser Ausführungsform wäre aufgrund der Rückstrahlung des absorbierten Lichts die Glastemperatur niedriger, und weniger Wärme würde in den Raum eintreten. Außerdem wären das Glas und/oder die Folie kühler, was die Rissbildung des Glases aufgrund von thermischen Spannungen, ein häufiges Problem bei stark absorbierenden Materialien, reduzieren würde.
Infrarotabsorbierendes Glas ist von Firmen kommerziell erhältlich, zu denen die Pittsburgh Plate Glass (PPG), Guardian, Pilkington-Libbey Owens Ford, Toledo, OH, gehört.
Bei optischen Interferenzfolien, wie den hier beschriebenen infrarotreflektierenden Folien, ist im Allgemeinen eine scharfe Bandkante wünschenswert. Scharfe Bandkanten können durch eine richtige Gestaltung des Schichtdickengradienten im gesamten mehrschichtigen optischen Stapel erhalten werden, wie es in der am 13.01.98 eingereichten US-Anmeldung Serial No. 09/006,085, jetzt WO 99/36809 A1, mit dem Titel "Optical Film with Sharpened Bandedge" beschrieben ist. Stattdessen kann eine reflektierende Folie der vorliegenden Erfindung auch so gestaltet werden, dass sie ein nachlaufendes Segment enthält, um Infrarotwellenlängen im Lückenbereich teilweise zu reflektieren, ohne eine starke Farbe im sichtbaren Spektrum bei nichtsenkrechten Winkeln zu erzeugen. Ein nachlaufendes Segment kann als mehrschichtige Interferenzfolie bereitgestellt werden, die solche Schichtdicken und Brechungsindices hat, dass das Reflexionsvermögen im Lückenbereich relativ schwach ist, zum Beispiel 50%, und abnehmen kann, so dass der Übergang von hohem Reflexionsvermögen zu niedrigem Reflexionsvermögen bei der mehrschichtigen Folie allmählich verläuft. Zum Beispiel kann ein Schichtgradient eine scharfe Bandkante oberhalb von zum Beispiel dem 50%-Reflexionspunkt ergeben, und ein nachlaufendes Segment könnte durch zusätzliche Schichten bereitgestellt werden. Anstatt eine scharfe Kante zu erzeugen, könnten die letzten 30 Schichten eines Stapels aus 200 Schichten zum Beispiel eine geeignete optische Dicke haben, so dass ihre Reflexion erster Ordnung im Bereich von etwa 800-850 nm auftritt, deren Intensität von etwa 90% Reflexion bei 850 nm bis etwa 25% bei 800 nm zunimmt. Die anderen 170 Schichten könnten zum Beispiel 90% Reflexion bei etwa 850-1150 nm ergeben. Das nachlaufende Segment zu erreichen, kann mit mehreren Methoden erfolgen, zum Beispiel zur Steuerung der volumetrischen Zuführung für die einzelnen Schichten. Das nachlaufende Segment kann zusammen mit der mehrschichtigen Folie der vorliegenden Erfindung extrudiert oder auf diese laminiert werden.
Mögliche Vorteile eines nachlaufenden Segments bestehen darin, dass anstelle eines abrupten Übergangs von keiner Farbe zu maximaler Farbe das nachlaufende Segment für einen "weicheren" Übergang sorgt, der ästhetisch annehmbarer und unter einem Verfahrensstandpunkt leichter zu steuern sein kann.
Eine isotrope mehrschichtige Folie, wie sie oben beschrieben ist, könnte ebenfalls verwendet werden, um wenigstens einen Teil der Wellenlängenlücke zu schließen. Der optische Körper der vorliegenden Erfindung kann die Kombination aus einer beliebigen hier beschriebenen Folie und einer beliebigen hier beschriebenen Lückenfüller-Komponente umfassen, mit der folgenden Maßgabe: Wenn ein polymeres isotropes Material als Folie ausgewählt wird, ist die Lückenfüller- Komponente kein polymeres isotropes Material, und wenn ein polymeres isotropes Material als Lückenfüller-Komponente ausgewählt wird, wird als Folie kein polymeres isotropes Material gewählt.
Isotrope Schichten verlieren unter schiefen Winkeln an Intensität der p-polarisierten Reflexion. Wenn eine doppelbrechende Folie als mehrschichtige Folie verwendet wird, zum Beispiel PEN/PMMA, können isotrope Schichten verwendet werden, um wenigstens einen Teil der Lücke abzudecken. Entsprechend würde sich bei schiefen Winkeln das mit dem z-Index übereinstimmende Reflexionsband in die Lücke verschieben, und die von den isotropen Schichten ausgehende Reflexion würde sich ins Sichtbare verschieben, aber auch an p-polarisierter Intensität abnehmen. Die s-Polarisation wäre durch die Grenzfläche Luft/optischer Körper maskiert oder teilweise maskiert, was ihr Reflexionsvermögen bei schiefen Winkeln erhöhen würde. Beispielhafte isotrope Polymere sind unter anderem isotropes coPEN, PMMA, Polycarbonate, Styrol-Acrylnitrile, PETG, PCTG, Styrolpolymere, Polyurethane, Polyolefine und Fluorpolymere. Die isotrope Folie könnte mit der Folie der vorliegenden Erfindung coextrudiert oder auf diese Folie laminiert werden.
Lückenfüller-Komponenten können in Kombination mit der mehrschichtigen Folie der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zum Beispiel wenn jede Lückenfüller-Komponente nur in einem Teil der zu füllenden Lücke absorbiert oder reflektiert. Außerdem hat die Verschiebung der Bandkante und damit die Erzeugung der Lücke auch die Wirkung, eine weitere oder zweite Lücke im infraroten Bereich bei längeren Wellenlängen und nichtsenkrechten Winkeln zu erzeugen. Daher kann es bevorzugt sein, auch eine Komponente mitzuverwenden, die diesen zweiten Lückenbereich bei nichtsenkrechten Winkeln füllt. Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen optischen Körper mit einer doppelbrechenden oder isotropen dielektrischen mehrschichtigen Folie, wie sie oben beschrieben ist, in Kombination mit einer Lückenfüller-Komponente, die nur die zweite Lücke im infraroten Bereich bei längeren Wellenlängen und nichtsenkrechten Winkeln füllt. Zu den geeigneten Lückenfüller-Komponenten, um diese zweite Lücke zu schließen, gehören Farbstoffe, Pigmente, Gläser, Metalle und mehrschichtige Folien, die in den längeren Wellenlängen des infraroten Bereichs absorbieren oder reflektieren, wie es oben beschrieben ist.
Vorzugsweise ist die Lückenfüller-Komponente (a) so positioniert, dass Licht auf die mehrschichtige Folie der vorliegenden Erfindung trifft, bevor es auf die Lückenfüller-Komponente trifft, so dass dann, wenn die Sonne senkrecht einfällt, der Lückenfüller Licht im Bereich der Lücke absorbiert. Wenn die Sonne jedoch unter hohen Winkeln steht, verschiebt sich die Folie zu einigen derselben Wellenlängen wie die Lückenfüller-Komponente und bewirkt eine Reflexion wenigstens eines Teils des Lichts im Bereich der Lücke.

Wahlfreie Elemente

Ein mehrschichtiger infraroter optischer Körper gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit einem transparenten Leiter kombiniert werden, so dass man einen transparenten mehrschichtigen optischen Körper mit einem breiteren Reflexionsvermögen erhält. Insbesondere ergibt der transparente Leiter eine gute Reflexion im entfernten Infrarot (oberhalb etwa 2500 nm), obwohl sein Reflexionsvermögen im nahen infraroten Bereich des Spektrums im gesamten Bereich von etwa 700 nm bis etwa 2500 nm im Allgemeinen nicht so gut ist. Der optische Körper der vorliegenden Erfindung kann so gestaltet oder "abgestimmt" werden, dass er die gewünschte Infrarotreflexion liefert, während er immer noch ausreichend Licht durchlässt, um transparent zu sein.
Die transparenten Leiter, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind solche, die Licht im entfernten infraroten Bereich des Spektrums reflektieren, und insbesondere solche, die eine effiziente Trennung des infraroten Lichts (oberhalb etwa 700 nm) vom sichtbaren Licht (zwischen etwa 380 nm und etwa 700 nm) bewirken. Mit anderen Worten, der transparente Leiter lässt Licht im Wellenlängenbereich, für den das menschliche Auge empfindlich ist, durch, während er Licht im infraroten Bereich zurückweist. Da man sowohl eine hohe Durchlässigkeit im Sichtbaren als auch eine geringe Durchlässigkeit im nahen Infrarot wünscht, muss die Reflexionskante notwendigerweise oberhalb von etwa 700 nm liegen, gerade außerhalb der Empfindlichkeit des menschlichen Auges. Geeignete transparente Leiter sind elektrisch leitende Materialien, die im entfernten infraroten Spektrum gut reflektieren, und umfassen Metalle, Metalllegierungen und halbleitende Metalloxidmaterialien. Zu den bevorzugten Metallen gehören Silber, Gold, Kupfer und Aluminium. Andere Metalle, wie Nickel, Natrium, Chrom, Zinn und Titan, können ebenfalls verwendet werden, aber sie trennen im Allgemeinen infrarotes Licht nicht so wirkungsvoll von sichtbarem Licht. Silber ist besonders bevorzugt, da es in Form eines sehr dünnen Films aufgetragen werden kann und optisch eine relativ hohe Durchlässigkeit über den gesamten sichtbaren Lichtbereich hat, während es auch die Fähigkeit besitzt, Licht mit längeren Wellenlängen als sichtbares Licht zu reflektieren. Zu den bevorzugten halbleitenden Metalloxiden gehören dotiertes und undotiertes Zinndioxid (SnO&sub2;), Zinkoxid (ZnO) und Indiumzinnoxid (ITO), wobei letzteres besonders bevorzugt ist. Zu den bevorzugten Metalllegierungen gehören Silberlegierungen, Edelstahl und Inconel. Silberlegierungen, insbesondere solche, die wenigstens 30 Gew.-% Silber enthalten, sind besonders bevorzugt, und zwar aus denselben Gründen, aus denen Silber bevorzugt ist, haben jedoch den zusätzlichen Vorteil einer verbesserten Haltbarkeit, wie eine Silberlegierung, die neben Silber weniger als 50 Gew.-% Gold und/oder weniger als 20 Gew.-% Kupfer enthält. Der transparente Leiter kann eine einzige Metallschicht oder mehrere Schichten umfassen, von denen jede ein oder mehrere Metalle, Metalllegierungen und Metalloxide enthalten kann.
Metalle und Metalllegierungen, die als transparente Leiter in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, haben elektrische Leitfähigkeiten im Bereich zwischen etwa 0,02 Siemens/" bis etwa 1,0 Siemens/", vorzugsweise zwischen etwa 0,05 Siemens/" bis etwa 1,0 Siemens/", und sie können in einer Dicke von etwa 10 nm bis etwa 40 nm, vorzugsweise zwischen etwa 12 nm und etwa 30 nm, aufgetragen werden. Bevorzugte halbleitende Metalloxidschichten haben eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich zwischen etwa 0,0001 Siemens/" bis etwa 0,1 Siemens/", vorzugsweise zwischen etwa 0,001 Siemens/" bis etwa 0,1 Siemens/", und sie können in einer Dicke von etwa 20 nm bis etwa 200 nm, vorzugsweise etwa 80 nm bis etwa 120 nm, aufgetragen werden. Wenn der transparente Leiter eine metallisierte Polymer- oder Glasplatte ist, die auf die mehrschichtige polymere Folie laminiert ist, haben die Metall- oder Metalllegierungsbeschichtungen auf der Platte vorzugsweise eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 40 nm, während Metalloxidbeschichtungen auf der Platte vorzugsweise eine Dicke von etwa 20 nm bis etwa 200 nm haben.
Obwohl transparente Leiter in Form eines dünnen Metalls, wie Silber, ausreichend dünn sein können, um hohe Transmissionen im Sichtbaren aufzuweisen, ist ihr Reflexionsvermögen im nahen infraroten Bereich zwischen etwa 700 nm und etwa 1200 nm nicht so gut wie das Reflexionsvermögen, das durch die in der vorliegenden Erfindung verwendeten mehrschichtigen polymeren Folien in diesem Bereich erreicht werden kann. Dagegen haben die oben beschriebenen mehrschichtigen Polymerfolien eine hohe Transmission an sichtbarem Licht und eine vergleichsweise gute Reflexion im nahen infraroten Bereich mit relativ geringem bis schlechtem Reflexionsvermögen im entfernten infraroten Bereich. Die mehrschichtigen Polymerfolien sind außerdem im Allgemeinen in der Lage, einen schärferen Übergang zwischen sichtbarem und infrarotem Licht zu liefern als sie transparenten Leiter. Die Kombination der mehrschichtigen Polymerfolie mit dem transparenten Leiter unter Bildung des transparenten mehrschichtigen optischen Körpers der vorliegenden Erfindung ergibt also im gesamten infraroten Bereich ein besseres Reflexionsvermögen, während sie sichtbares Licht noch durchlässt. Außerdem können antireflektive Beschichtungen, die dem Fachmann wohlbekannt sind, über den transparenten Leiter aufgetragen werden, um die Transmission von sichtbarem Licht zu erhöhen. Dazu gehören zum Beispiel eine antireflektive Beschichtung, die aus einem Stapel aus Metall/Dielektrikum/Metall besteht, wobei die einzelnen Schichtdicken so gesteuert werden, dass man die gewünschte Transmission im Sichtbaren erhält. Solche antireflektiven Beschichtungen sind jedoch in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, um die gewünschte Lichttransmission im sichtbaren Spektrum zu erhalten.
In einer zweikomponentigen Folie hängt die Bandbreite dieses Reflexionsvermögens im infraroten Bereich jedoch zum Beispiel auch von der Farbe und/oder dem Niveau der Transmission ab, die im sichtbaren Bereich gewünscht werden, da Oberwellen und Effekte dritter Ordnung, die für erste Ordnungen oberhalb von etwa 1150 nm auftreten, in unerwünschter Weise die Reflexion im sichtbaren Spektrum erhöhen, wie dem Fachmann wohlbekannt ist. Eine Methode, um eine erhebliche Beeinträchtigung der Transmission von sichtbarem Licht zu vermeiden, besteht darin, die Dicken der einzelnen Schichten in der mehrschichtigen Polymerfolie zu steuern, wie es oben diskutiert ist, um das Reflexionsband im nahen infraroten Spektrum auf einen vorgewählten Bereich, wie zwischen 700 nm und etwa 1150 nm, wo das Sonnenspektrum intensiver ist als weiter draußen in den infraroten Spektren, zu beschränken. In einer solchen Ausführungsform wird die gewünschte Transmission im sichtbaren Spektrum aufrechterhalten, und die Kombination aus transparentem Leiter und mehrschichtiger Polymerfolie reflektiert die gewünschte Lichtmenge, wobei die mehrschichtige Folie die Reflexion im nahen Infrarot von etwa 700 nm bis etwa 1150 nm dominiert und der transparente Leiter die Reflexion im Infrarotspektrum oberhalb von etwa 1150 nm dominiert. Weitere Methoden, um dieses Ergebnis zu erzielen, sind in der Technik ebenfalls bekannt. Siehe zum. Beispiel Alfred Thelen, "Multilayer Filters with Wide Transmittance Bands", J. Opt. Soc. Am. 53 (11), 1963, S. 1266, und Philip Baumeister, "Multilayer Reflections with Suppressed Higher Order Reflection Peaks", Applied Optics 31 (10), 1992, S. 1568, und US- Patente Nr. RE 34,605 und 5,360,659 und die am 13.01.98 eingereichte US- Anmeldung Serial No. 09/006,118, jetzt WO 99/36810 A1, mit dem Titel "Multicomponent Optical Body". Bei diesen anderen Gestaltungen, die zusätzliche Ordnungen unterdrücken, kann man die maximale Erstreckung der Bandbreite erster Ordnung ins Infrarot ohne Übergriff in den sichtbaren blauen Bereich durch eine nicht unterdrückte Oberwelle bestimmen.
Der transparente Leiter kann mit herkömmlichen Beschichtungstechniken, die dem Fachmann wohlbekannt sind, auf die mehrschichtigen Polymerfolien aufgetragen werden, wobei vorausgeschickt wird, dass der resultierende mehrschichtige optische Körper transparent ist. Zu diesen bekannten Verfahren gehören Pyrolyse, Pulverbeschichtung, Aufdampfung, Kathodenzerstäubung, Ionenplattierung und dergleichen. Kathodenzerstäubung und Aufdampfung sind im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Struktur und die Dicke, die erhalten werden kann, häufig bevorzugt. Alternativ dazu kann der transparente Leiter auch eine getrennte metallisierte Polymer- oder Glasplatte sein, die mittels eines geeigneten Klebers auf die mehrschichtige Polymerfolie laminiert wird, vorzugsweise mit einem Heißschmelzkleber, wie dem VITEL-3300-Kleber von Shell Chemical Company, Akron, Ohio, oder einem Haftkleber, wie den Acrylhaftklebern 90/10 IOA/AA und 95/5 IOA/Acrylamid von der Minnesota Mining and Manufacturing Company (3M), St. Paul, MN.
Die Dicke des transparenten Leiters, der unter Bildung des transparenten mehrschichtigen optischen Körpers der vorliegenden Erfindung auf die mehrschichtigen Polymerfolien aufgetragen wird, kann so gewählt werden, dass man das gewünschte Reflexionsvermögen erhält. Im Allgemeinen gilt: Je dünner die Metallschicht, desto mehr Licht im sichtbaren Spektrum wird durchgelassen. Da jedoch die elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht abnimmt, während ihre Dicke abnimmt, nimmt die Menge des im entfernten infraroten Spektrum reflektierten Lichts ebenfalls ab, während die Dicke der Metallschicht abnimmt. Durch Anpassung der Dicke der Metallschicht für ein bestimmtes Metall, eine Metalllegierung oder ein halbleitendes Metalloxid kann der transparente Leiter dementsprechend die gewünschte Ausgewogenheit zwischen der Transmission von Licht im sichtbaren Spektrum und Reflexion von Licht im entfernten infraroten Spektrum liefern. Überdies kann die Dicke der Metallschicht, die auf die mehrschichtige Polymerfolie abgeschieden wird, überwacht werden, indem man die elektrische Leitfähigkeit der Metallschicht misst.

Abschattungskoeffizient

Bei dem optischen Körper der vorliegenden Erfindung wechselt die wahrgenommene Farbe im Allgemeinen nicht, wenn sich der Blickwinkel oder der Einfallswinkel des auftreffenden Lichts ändert, und er ist vorzugsweise farblos und hat einen mäßigen Abschattungskoeffizienten. Der Abschattungskoeffizient ist die Menge an Sonnenenergie, die in ein Fenster eintritt, im Vergleich zu der einer einfachen Scheibe aus klarem Glas und kann wie folgt gemessen werden.
Die gemessenen Probentransmissionsspektren werden mit der über das sichtbare Spektrum integrierten Empfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges multipliziert und als Tlum bezeichnet. Die gemessenen Probenreflexions- (RAM2) und Transmissionsspektren (TAM2) werden über das Sonnenspektrum bei 2 Luftmassen gemäß ASTM E903, "Standard Test for Solar Absorbance, Reflectance and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres" integriert. Die dominante Wellenlänge ist die scheinbare Farbe der Probe, die mit CIE- Techniken unter Verwendung des Beleuchtungsmittels C und des 10º-Beobachters gemäß ASTM E308, "Standard Test Method for Computing the Colors of Objects Using the CIE System" berechnet wird. Die Farbreinheit ist die Sättigung der Farbe, wobei 0% weiß ist und 100% eine reine Farbe ist. Der Abschattungskoeffizient wird nach der folgenden Formel aus den für 2 Luftmassen integrierten R- und T-Spektren der silberbeschichteten mehrschichtigen Polymerfolie berechnet:
SC = TgAM2 + f · (100 - TgAM2 - RgAM2)
wobei f der nach innen strömende Anteil der absorbierten Sonnenenergie ist.
Je kleiner der Wert des Abschattungskoeffizienten, desto kleiner die Menge an Sonnenwärme, die in einen Raum eintritt. Die Lückenfüller-Komponente erzeugt einen niedrigeren Abschattungskoeffizienten bei senkrechten Winkeln. Der optische Körper der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise einen Abschattungskoeffizienten von weniger als 0,6.

Verwendung des optischen Körpers

Die optischen Körper der vorliegenden Erfindung haben insofern wünschenswerte optische Eigenschaften, als sie die gewünschte Lichtmenge im infraroten Bereich des Spektrums reflektieren und/oder absorbieren und vorzugsweise im sichtbaren Bereich des Spektrums ausreichend Licht durchlassen, um transparent zu sein. Der optische Körper der vorliegenden Erfindung steuert also die Menge der Sonnenenergie, die durch ihn tritt, vorzugsweise ohne bei irgendeinem Winkel die Intensität des Lichts, das vom menschlichen Auge wahrgenommen wird, zu senken oder dessen Farbe zu ändern.
Indem er Licht im infraroten Bereich ausschließt, hilft der optische Körper der vorliegenden Erfindung dabei, die im Sommer erforderliche Kühlung zu reduzieren. Folglich kann der optische Körper verwendet werden, indem man ihn direkt auf die Oberfläche eines Glas- oder Kunststoffsubstrats aufbringt, wie ein Außenfenster in einem Gebäude oder die Windschutzscheibe oder ein Fenster eines Autos, Lastwagens oder Flugzeugs. Er ist auch für laminierte Glas- und Kunststoffartikel geeignet, bei denen wenigstens ein transparenter mehrschichtiger optischer Körper zwischen Paaren von Glas- oder Kunststoffscheiben eingeschlossen ist. Weitere Verwendungen werden dem Fachmann dort einfallen, wo Schutz vor infraroter Strahlung gewünscht wird, während man noch eine erhebliche Transparenz für Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums erhalten möchte, wie zum Beispiel die Auftragung des transparenten mehrschichtigen optischen Körpers der vorliegenden Erfindung auf das Fenster in einer Tür eines gekühlten Auslageschranks.
Wenn die transparenten mehrschichtigen optischen Körper der vorliegenden Erfindung auf ein Fenster in einem Haus oder Auto aufgetragen werden, um Sonnenwärme zu reflektieren, wie während des Sommers, befindet sich der Lückenfüller vorzugsweise direkt an der Innenfläche des Fensters, und die mehrschichtige Polymerfolie ist dem Innern des Hauses oder Autos zugewandt. Die Außenfläche der mehrschichtigen Polymerfolie kann mit einer abriebfesten Beschichtung bedeckt sein, wie in der Technik wohlbekannt ist. Wenn gewünscht wird, bei kaltem Wetter Strahlungswärme aus dem Raum zurück in den Raum zu reflektieren, wird der transparente Leiter vorzugsweise so positioniert, dass er dem Innern des Raumes oder Autos zugewandt ist. Außerdem kann eine schützende Polyolefinfolie, wie zum Beispiel eine Polypropylenfolie, verwendet werden, um den optischen Körper abzudecken, wenn man eine geringe Emission wünscht, um das Reflexionsvermögen im entfernten infraroten Bereich aufrechtzuerhalten. Solche Konstruktionen sind dem Fachmann wohlbekannt. Wenn der mehrschichtige optische Körper der vorliegenden Erfindung auf der Außenseite solcher Fenster verwendet wird, die die Haltbarkeit des optischen Körpers ein Aspekt. Dementsprechend kann eine schützende UV-stabilisierte Polyester- oder Acrylfolienschicht direkt auf den optischen Körper laminiert werden.
Um die vorliegende Erfindung ausführlicher und klarer zu beschreiben, so dass der Fachmann die vorliegende Erfindung besser in die Praxis umsetzen kann, wird die Erfindung nun anhand der folgenden Beispiele beschrieben. Die Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen und die hier offenbarte und beanspruchte Erfindung in keiner Weise einschränken.

Beispiele

Beispiel 1

99.87 Gew.-% PEN mit einer Grenzviskositätszahl (IV) von 0,56, das von der Eastman Chemical Co., Knoxville, Tennessee, unter der Handelsbezeichnung "PEN 19109" kommerziell erhältlich ist, und 0,13 Gew.-% eines Phthalocyaninfarbstoffs, der von der Zeneca Corp., Manchester, United Kingdom, unter der Handelsbezeichnung "Pro-Jet 830NP" kommerziell erhältlich ist/ wurden miteinander gemischt und bei einer Temperatur von 555ºF (291ºC) in einem 1¹/&sub4;-Zoll- Extruder, der von Killion Inc., Cedar Groove, NJ, kommerziell erhältlich ist, zu einer dreischichtigen Konstruktion extrudiert, wobei die äußeren Schichten aus dem PEN : Farbstoff-Gemisch bestanden und die innere Schicht aus 100 Gew.-% PEN bestand. Alle drei Schichten hatten eine Dicke von ungefähr 0,004 inch (0,001 mm).

Beispiel 2

Eine Infrarotfolie aus 210 Schichten PEIN : PMMA, die im sichtbaren Wellenlängenbereich zu ungefähr 85% durchlässig war, wurde mit PMMA in Toluol beschichtet, das von Rohm & Haas unter der Handelsbezeichnung "B48S" kommerziell erhältlich ist und mit zusätzlichem Toluol bis zu einem Feststoffgehalt von 27% weiter verdünnt wurde. Die Beschichtung wurde mit einem 12er Meyer-Stab, der von R.D.S. Co., Webster, NY, kommerziell erhältlich ist, aufgetragen und 10 Minuten lang in einem Ofen bei 210ºF (99ºC) getrocknet, so dass auf beiden Seiten der Folie eine 7 um dicke Beschichtung entstand. Die Transmission und das Gibbs-Phänomen wurden gemessen, und es wurde gefunden, dass die Transmission auf etwa 89% zugenommen hatte und dass das Gibbs-Phänomen in der Nähe der Bandkante im Vergleich zu der Folie ohne Beschichtung reduziert war.

Beispiel 3

Vier Proben einer aus 224 Schichten bestehenden mehrschichtigen infrarotreflektierenden Folie, die aus PEIM : PMMA-Schichten bestand, wurden hergestellt. Die erste Probe hatte keine Beschichtung, und die zweite, dritte und vierte Probe wurden in einer Dicke von 2 um, 3,5 um bzw. 7,3 um auf der Oberfläche der äußeren PEN-Hautschicht unter Verwendung der Meier-Stab-Technik mit einem Farbstoff beschichtet. Der Farbstoff war ein Phthalocyanin, das von der Zeneca Corp., Manchester, United Kingdom, unter der Handelsbezeichnung "Pro-Jet 830NP" kommerziell erhältlich ist, in einer Konzentration von 3 Gew.-%.
Die solaren Eigenschaften für jede Probe sind unten angegeben.
Der Abschattungskoeffizient beträgt 1,15 (TSI - 0,27(SA)), wobei TST die gesamte solare Transmission von 300 bis 2500 nm ist und SA die solare Absorption von 300 bis 2500 nm ist.
Da ein geringerer Wert des Abschattungskoeffizienten bedeutet, dass weniger Sonnenwärme in einen Raum eintritt, zeigen diese Daten eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei Verwendung eines Farbstoffs im Einklang mit der vorliegenden Erfindung.
Weitere Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind im Lichte der obigen Lehren möglich. Man sollte sich jedoch darüber im Klaren sein, dass Änderungen in den besonderen, oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, die innerhalb des vollen beabsichtigten Umfangs der Erfindung fallen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Optischer Körper, umfassend:

(a) eine doppelbrechende dielektrische mehrschichtige Folie mit einem reflektierenden Band, das so positioniert ist, dass es Infrarotstrahlung wenigstens einer Polarisation mit einem Einfallswinkel senkrecht zur Folie reflektiert, wobei das reflektierende Band bei einem senkrechten Einfallswinkel eine kurzwellige Bandkante λa0 und eine langwellige Bandkante λb0 aufweist und bei einem maximalen Gebrauchswinkel θ eine kurzwellige Bandkante λaθ und eine langwellige Bandkante Abe aufweist, wobei λaθ kleiner als λa0 ist und λa0 selektiv auf einer Wellenlänge größer etwa 700 nm positioniert ist, und

(b) wenigstens eine Komponente, die bei einem senkrechten Einfallswinkel Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λaθ und λa0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.

2. Optischer Körper nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Komponente bei einem maximalen Gebrauchswinkel θ auch Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λbθ und λb0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.

3. Optischer Körper nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine weitere Komponente, die bei einem maximalen Gebrauchswinkel θ Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λbθ und λa0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.

4. Optischer Körper nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Komponente bei λaθ oder größer teilweise absorbiert oder reflektiert, wobei λaθ beim maximalen Gebrauchswinkel θ 700 nm beträgt oder größer ist.

5. Optischer Körper nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Komponente Teil der Folie ist und ein nachlaufendes Segment umfasst.

6. Optischer Körper nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Komponente von der Folie getrennt ist und einen Farbstoff oder ein Pigment umfasst.

7. Optischer Körper nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Komponente Teil der Folie ist und einen Farbstoff oder ein Pigment umfasst.

8. Optischer Körper nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Komponente ein Kupferphthalocyanin umfassendes Pigment ist.

9. Optischer Körper, umfassend:

(a) eine isotrope dielektrische mehrschichtige Folie mit einem reflektierenden Band, das so positioniert ist, dass es Infrarotstrahlung wenigstens einer Polarisation mit einem Einfallswinkel senkrecht zur Folie reflektiert, wobei das reflektierende Band bei einem senkrechten Einfallswinkel eine kurzwellige Bandkante λa0 und eine langwellige Bandkante λa0 aufweist und bei einem maximalen Gebrauchswinkel θ eine kurzwellige Bandkante λaθ und eine langwellige Bandkante λbθ aufweist, wobei λaθ kleiner als λa0 ist und λa0 selektiv auf einer Wellenlänge größer etwa 700 nm positioniert ist, und

10. Optischer Körper nach Anspruch 9, wobei die wenigstens eine Komponente bei einem maximalen Gebrauchswinkel θ auch Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λbθ und λa0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.

11. Optischer Körper nach Anspruch 9, weiterhin umfassend eine weitere Komponente, die bei einem maximalen Gebrauchswinkel 9 Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen λbθ und λa0 wenigstens teilweise absorbiert oder reflektiert.

12. Optischer Körper nach Anspruch 9, wobei die wenigstens eine Komponente bei λaθ oder größer teilweise absorbiert oder reflektiert, wobei λaθ beim maximalen Gebrauchswinkel θ 700 nm beträgt oder größer ist.

13. Optischer Körper nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine Komponente Teil der Folie ist und ein hinteres Segment umfasst.

14. Optischer Körper nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine Komponente von der Folie getrennt ist und einen Farbstoff oder ein Pigment umfasst.

15. Optischer Körper nach Anspruch 9, wobei die wenigstens eine Komponente Teil der Folie ist und einen Farbstoff oder ein Pigment umfasst.

16. Optischer Körper nach Anspruch 9, wobei die wenigstens eine Komponente ein Kupferphthalocyanin umfassendes Pigment ist.