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TW201936404A - 包括聚碳酸酯之層的光學膜 - Google Patents

包括聚碳酸酯之層的光學膜 Download PDF

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TW201936404A
TW201936404A TW108106242A TW108106242A TW201936404A TW 201936404 A TW201936404 A TW 201936404A TW 108106242 A TW108106242 A TW 108106242A TW 108106242 A TW108106242 A TW 108106242A TW 201936404 A TW201936404 A TW 201936404A
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polycarbonate
optical
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TW108106242A
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德瑞克 威廉 帕茲曼
克里斯多夫 詹姆士 迪爾克斯
史蒂芬 艾倫 強生
蓋瑞 艾德華 蓋茲
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美商3M新設資產公司
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Abstract

所揭示者係光學膜。具體地而言，所述者係包括聚碳酸酯之層的光學膜，該聚碳酸酯之層具有第一主表面及第二主表面。光學膜具有優異的彎曲壽命性質，並且亦具有低霧度、薄度、及低面內及面外延遲。

Description

包括聚碳酸酯之層的光學膜
一般而言，光學膜係適合或不損害光學裝置性能的薄層或多層結構。例如，用於顯示裝置中的光學膜應是大致上透明，及或不顯著地減損顯示裝置的整體效率或亮度。
在一態樣中，本揭露係關於一光學膜。具體而言，本揭露係關於包括一聚碳酸酯之層的一光學膜，該聚碳酸酯之層具有第一主表面及第二主表面。該層係介於10與50微米厚之間，並且該聚碳酸酯具有大於20,000的一分子量。經移除任何剝離層之該光學膜具有小於0.5%的一平均霧度、小於25nm的一平均面內延遲、及小於75nm的一平均面外延遲。
100‧‧‧光學膜
110‧‧‧聚碳酸酯層
130‧‧‧剝離層
200‧‧‧光學膜/光學堆疊
210‧‧‧聚碳酸酯層
220‧‧‧附加層
300‧‧‧三層光學膜
310‧‧‧聚碳酸酯層
320‧‧‧附加層
330‧‧‧剝離層
400‧‧‧三層光學膜
410‧‧‧聚碳酸酯層
430‧‧‧剝離層
500‧‧‧三層光學膜
510‧‧‧聚碳酸酯層
530‧‧‧剝離層
600‧‧‧五層光學膜
610‧‧‧聚碳酸酯層
620‧‧‧附加層
630‧‧‧剝離層
700‧‧‧五層光學膜
710‧‧‧聚碳酸酯層
720‧‧‧附加層
730‧‧‧剝離層
800‧‧‧七層光學膜
810‧‧‧聚碳酸酯層
820‧‧‧附加層
830‧‧‧剝離層
900‧‧‧七層光學膜
910‧‧‧聚碳酸酯層
920‧‧‧附加層
930‧‧‧剝離層
圖1係包括聚碳酸酯層之雙層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖2係包括聚碳酸酯層之另一雙層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖3係包括聚碳酸酯層之三層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖4係包括二層聚碳酸酯之另一三層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖5係包括聚碳酸酯層之另一三層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖6係包括二層聚碳酸酯之五層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖7係包括聚碳酸酯層之另一五層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖8係包括二層聚碳酸酯之七層光學膜的橫截面立面示意圖。
圖9係包括四層聚碳酸酯之另一七層光學膜的橫截面立面示意圖。
環烯烴聚合物(cyclic olefin polymer,COP)通常針對其所欲的光學性質(諸如低霧度及低雙折射)而用於光學應用中。在許多程序及設計中亦某些物理性質亦為所欲，諸如可行的薄度及高玻璃轉移溫度(Tg)。然而，COP的成本常常過高，是其他透明聚合物成本的十倍或甚至更多。以前，較低成本的COP替代品在光學應用中為非所欲，是因為1)材料不能在所欲的厚度下以所欲的光學等向性及透明度在膜中形成，及/或2)用於膜中之材料具有不適合與COP當前用途相關之處理環境的物理特性，諸如玻璃轉移溫度。
許多常見的聚合物，諸如包括聚對苯二甲酸乙二酯及聚萘二甲酸乙二酯的聚酯，在製造中經處理或經拉伸時會產生不可接受的雙折射位準。由於最近對具可撓性、可折疊、及可捲之顯示器及裝置的興趣，這些現有聚合物(包括COP)在彎曲測試下過早損壞，使得該等聚合物不適合在這些應用中使用。
聚碳酸酯以其光學等向性(低固有雙折射及低應力賦予雙折射)及高玻璃轉變溫度(約147℃)而聞名；然而，在不將霧度賦予膜的情況下，難以在所欲之厚度下進行處理。以前，在這些應用中並未使用聚碳酸酯，或者增加聚碳酸酯的厚度而使得可在沒有霧度及/或雙折射下操作及處理聚碳酸酯。
在一些實施例中，可將聚碳酸酯膜與其他材料層共處理，以允許在薄型中呈現所欲光學性能之聚碳酸酯的高產率處理及操作。附加層可賦予某些光學功能，諸如吸收UV光，或者附加層可經選擇或設計成可移除或可剝離以允許將裸聚碳酸酯併入至薄膜堆疊及其他應用中。替代地或額外地，可包括可剝離層以同時製造數個光學膜，其中稍後將膜剝離以將其分離成所欲的個別單元。
此類膜可用於許多光學應用中，包括發射式顯示器、觸控模組、反射式顯示器、半透射式顯示器、液晶顯示器、被動顯示器、及類似者。
具有高平均分子量的聚碳酸酯特別適合本文中所述的應用。以前認為這些高分子量聚碳酸酯會導致不可接受的雙折射；然而，令人驚訝的是，考慮到本文中所述的光學膜(諸如聚碳酸酯)之組態可用低霧度及低雙折射來處理，而所用的高分子量允許可比替代品耐受更多折疊的強健膜。
許多組態都是可能的並且可以取決於特定應用而選擇。例如，在最簡單的形式中，將聚碳酸酯之層與第二層一起處理。在一些實施例中，此層係離型層、可剝除層、或可剝離層。在一些實施例 中，此層係不同之聚合物或聚合物摻合物的層。在一些實施例中，不同材料可賦予所欲的物理性質或光學性質至光學膜，包括賦予帶紋理之表面或結構化表面至聚碳酸酯層。在一些實施例中，附加層係塗層，諸如蒸汽障壁層、硬塗層、彈性記憶層。在一些實施例中，附加層係圖案化導電層，諸如氧化銦錫或銅或銀金屬網，或銀奈米線層(例如，以允許使用此類層作為電容式觸控感測器)。
在圖1之實例中，光學膜100包括設置在剝離層130上的聚碳酸酯層110。剝離層可經選擇為可沿著聚碳酸酯層與剝離層之間的介面乾淨地移除的任何材料或材料組。在一些實施例中，剝離層可具有小於40g/in、小於10g/in、或小於5g/in的黏著性。例如，可使用聚烯烴(諸如聚丙烯)、包括聚烯烴的材料組、或氟聚合物或包括氟聚合物之材料組。在某些實施例中，這些層係共聚丙烯及苯乙烯嵌段共聚物，例如，SEBS/SEPS嵌段共聚物。在某些實施例中，這些層係包括聚碳酸酯及SEBS/SEPS嵌段共聚物的摻合物。在膜經處理及遞送之後，包括可能經轉換成所欲部件的形狀及尺寸，剝離層可自聚碳酸酯層分離並經丟棄、回收、或也許用於不相關的構造或應用中。在某些應用中，即使該層可以是可剝離的或可移除的，但其可繼續保留以作為保護層、抗衝擊層、或磨損層，或僅以改善總體光學膜的物理特性。在一些實施例中，剝離層包括抗靜電劑，該抗靜電劑可有助於光學膜澆注期間的靜電牽制(electrostatic pinning)程序。在一些實施例中，複數個剝離層可經配置為鄰近彼此，該複數個剝離層包括相同材料或包括至少一種不同的材料。
光學膜的聚碳酸酯組分可展現一組所欲特性。例如，聚碳酸酯層可具有以霧度計測量係小於1%、小於0.5%、小於0.25%、或甚至小於0.1%的光學霧度。在一些實施例中，希望最小化主體霧度(聚碳酸酯層之體積中的散射相對於表面散射)，而一定位準的表面散射可以是可接受的或甚至是經設計用於例如遮蓋缺陷的目的。在此類應用中，主體霧度可藉由以折射率近乎匹配(例如在聚碳酸酯之折射率的5%以內)的流體或在用霧度計測量前具有光學平滑外表面的其他材料「浸透」任何表面結構來測量。相似地，在此類情況下，聚碳酸酯層可具有以霧度計測量係小於1%、小於0.5%、小於0.25%、或甚至小於0.1%的主體光學霧度。
在一些實施例中，聚碳酸酯層具有小於50nm、小於25nm、小於20nm、小於15nm、小於10nm、小於5nm、或甚至小於1nm的的平均面內延遲。在一些實施例中，聚碳酸酯層具有小於75nm、小於70nm、小於50nm、或甚至小於40nm的的平均面外延遲。延遲值可在某波長下測量：例如，出於本揭露之目的，在590nm下測量的延遲值。然而，預期低延遲值會對一波長範圍有效。最後，在一些實施例中，聚碳酸酯層可以是薄的：小於50μm、小於40μm、小於30μm、或甚至小於20μm。膜非常難在10μm以下操作，所以這可視為本文中所述之聚碳酸酯層的薄度下限，除非在所有下游程序中始終將剝離層用作載體層直到最終產品中之應用。在此類情況下，聚碳酸酯層可小於10μm，例如介於1μm與10μm厚之間。
本文中所用之聚碳酸酯具有高分子量。在一些實施例中，聚碳酸酯具有至少20,000的平均分子量。在一些實施例中，聚碳酸酯具有至少25,000的平均分子量。在一些實施例中，聚碳酸酯具有至少28,000的平均分子量。在一些實施例中，聚碳酸酯具有至少30,000的平均分子量。所有給定的分子量平均值皆是重量平均值。
附加層可在膜的澆注轉盤側或非澆注轉盤側上。在一些實施例中，剝離層在澆注轉盤(以及或許後續的輥接觸側)上的存在可吸收某些施加在光學膜上的剪力，而不是影響聚碳酸酯層，使聚碳酸酯層保持實質上的無霧度及光學等向性。
圖2係替代的雙層光學膜，其中光學膜200包括聚碳酸酯層210及附加層220。附加層220可在組成上不同於圖1中類似的剝離層120，因附加層220不必然意欲為剝離自或自光學膜200其餘部分移除。相反地，附加層220可賦予光學堆疊200各種物理及光學特性。例如，附加層220可包括紫外光吸收劑或增進光學膜之化學抗性的材料。在一些實施例中，此材料可以是或包括共聚萘二甲酸乙二酯(coPEN)。此應用中可使用的例示性coPEN係共聚酯，該共聚酯包括以酯類為基礎之100mol%之萘二甲酸酯成分與以二醇類為基礎之70mol%之乙二醇成分及30mol%之環己烷二甲醇成分。此coPEN將稱作PENg30。
圖3至圖9基本上係其他處所述之層的變形、擴展、或替代配置。例如，圖3表示三層光學膜300，該三層光學膜包括聚碳酸酯層310、附加層320、及剝離層330。圖4表示三層光學膜400， 該三層光學膜包括聚碳酸酯層410及剝離層430。圖5表示三層光學膜500，該三層光學膜包括聚碳酸酯層510和剝離層530。圖6表示五層光學膜600，該五層光學膜包括聚碳酸酯層610、附加層620、及剝離層630。圖7表示五層光學膜700，該五層光學膜包括聚碳酸酯層710、附加層720、及剝離層730。圖8表示七層光學膜800，該七層光學膜包括聚碳酸酯層810、附加層820、及剝離層830。圖9表示七層光學膜900，該七層光學膜包括聚碳酸酯層910、附加層920、及剝離層930。所繪示之例示性組態係可能之組態的子集，並且可由具有相關知識者根據製造、應用、或其他類型之考量來擴展或修改。
實例
以下實例展示製作相對薄、無霧度、及具有低雙折射之光學膜的數個方法，該等光學膜亦對彎曲循環表現強健。使用共擠壓程序以形成具有載體基材之(多個)光學膜的製造方法既提供了尺寸穩定性亦提供附加層及剝離層其中之一或多者，但該製造方法不應被視為限制本申請的範圍。實例表示製造及分離來自多層共擠壓程序的個別之層或雙層。藉由常規光學度量以及彎曲損壞壽命兩者來展示所得之實例的膜品質測量。
為了簡潔地敘述各種實例製造概念之目的，將3種類型的層大致上標記為A、B、及C。用於這些多層膜中的A層材料係用作具有優異物理性質的高Tg(147℃)、等向性基材；例如，聚碳酸酯。這些多層膜中的B層材料同樣可以是聚碳酸酯，但也可以是 CoPEN聚酯以為了較佳的溶劑抗性及阻擋UV特性。例示性CoPEN係PENg30。這些多層膜中的C層材料較佳為聚丙烯或共聚丙烯(至少70wt%)與SEBS/SEPS嵌段共聚物的摻合物。C層亦可選地包含能夠與這些材料共擠壓以增進膜澆注程序中之靜電牽制(electrostatic pinning)的烯烴抗靜電劑。C(剝離)層經設計以在B層與C層之間提供每英寸膜寬度大約5至40克的剝離力黏著性。各實例的具體組成物細節如下。
材料
測試方法 光學測量
透射率、霧度、及清晰度的習知光學測量係在BYK Gardner HAZE-GARD PLUS儀器上進行，並且已移除所有可剝除層。使用Axometrics的AXOSCAN光譜穆勒矩陣偏光計進行光學偏振延遲測量。AXOSCAN從420-700nm波長範圍上之法線入射光譜 掃描來導出R0並從波長=589nm下相對於光學「快速」及「慢速」軸之一組傾斜測量來導出Rth。AXOSCAN根據以下方程式計算Rth：Rth=((nx+ny)/2-nz)d；其中d=膜厚度。
動態折疊測試
使用動態折疊測試器評估保護膜對多個折疊事件的耐久性。動態折疊測試儀具有兩個共面的板，該等板帶有平行樞轉軸，其中兩個板均可旋轉90度以面向彼此。當閉合時，板之間的間隙設定為大約8mm，從而使彎曲半徑大約為4mm。使用機械切割機來轉換7"×1.5"的片之各樣本。使用雙面膠帶的1.5"寬之條將各樣本構造的兩個複製品附接至折疊板。將膠帶施加至板，使得折疊軸線之各側上有大約15mm(彎曲半徑的3倍)寬的自由區域，在該區域中膜不受約束。
對於所測試的各實例膜，測試了與膜在共擠壓程序中製造時的膜之定向相關聯的4個折疊定向。
1.在擠壓機器方向(MD)上折疊並使側1(PC側)向外
2.在擠壓機器方向(MD)上折疊並使側2(PC側之相對側)向外
3.在擠壓橫向方向(TD)上折疊並使側1(PC側)向外
4.在擠壓橫向方向(TD)上折疊並使側2(PC側之相對側)向外
針對這些4個定向之各者中的各樣本記述動態折疊測試結果，並且每個實例/取向用兩個複製品(即，1 TD及2 TD是在自擠壓機之橫向方向的定向上來進行測試的第一樣本及第二樣本)。動態 折疊損壞測試對設置及變化性稍微敏感，且結果之可靠度因額外複製品而改善。
將折疊速率設定成大約30次折疊/min，且測試運行200,000次循環或直到所有樣本皆已損壞。對於前10,000次循環大約每1000次循環即以視覺檢查樣品，並且大約每5,000至10,000次循環即進行檢查直到至多100,000次折疊，然後每介於10,000與25,000次循環之間即進行檢查直到至多200,000次折疊，以取得損壞跡象，諸如塗層裂開、分層、或霧度。當樣本顯示這些視覺缺陷類型中的任一者時，樣本的設計損壞並且停止折疊。
分層剝離力測試
使用來自IMASS,Inc,Accord,MA的IMASS SP-2100進行這些測量，其中基膜經膠黏至剛性平面玻璃板。此測量之條件如下：90度剝離；60英寸/分鐘之滑動速度；並且對剝離行進距離取剝離力之平均。所得之剝離力值以克/英寸表示。
膜厚度、折射率
膜厚度及折射率係以具有633nm雷射光源的得自Metricon的型號2010/M之稜鏡耦合器進行測量。
共擠壓程序
經製造來用於這些實例的多層膜物品在共擠壓設備上使用16層概念，以產生(ABC/ABC/ABC/ABC/ABC/A)的層結構，以構成5層封包(packet)加上基層。此16層概念運作良好以產生非常薄之膜的層，該等層隨後經分離以產生(5個)由ABC層封包所組成的非常薄的平坦三層膜。在實例之各者的後續測量之前移除可剝離層(C)。
(A)層的製造係藉由將樹脂擠壓通過25mm之雙螺旋擠壓機(twin screw extruder,TSE)，通過頸管及齒輪泵進入16層饋料區塊及模具的A層中。熔體串(melt train)使用漸進式溫度擠壓曲線，該曲線具有~305℃的峰值溫度。中間體(B)層的製造係藉由擠壓與上述一致之樹脂通過具有高峰位於或接近285℃之漸進式溫度曲線的27mm之TSE，通過頸管及齒輪泵進入16層饋料區塊及模具中。核心(C)層的製造係藉由擠壓與上述一致之樹脂通過18mm之TSE，通過頸管及齒輪泵進入16層饋料區塊及模具中。再一次，使用漸進式溫度曲線，該曲線具有290℃的峰值溫度。將饋料區塊/模具保持在285℃的目標溫度下，而澆注冷卻轉盤在約120℃至160℃下運行。將澆注網靜電牽制至冷卻轉盤，並對各材料組模實例產生12至24密耳的16層膜。所有的TSE由一或多個桶區組成，該(等)桶區經設計以針對排除樹脂粒乾燥之必要條件來招引真空及去揮發(devolatize)。調節饋料速率以調整層厚度。
實例說明
用於這些實例的PENg30材料是共聚酯，該共聚酯包含以酯類為基礎之100mol%之萘二甲酸酯成分與以二醇類為基礎之70mol%之乙二醇成分及30mol%之環己烷二甲醇成分。用於這些實例的PETg材料係來自Eastman的Eaststar GN071材料。用於這些實施例的Kraton材料可以商品名Kraton 1645購得。
當膜剝離時，所得的用於測量的膜包含PC(實例10、實例11)的個別膜或者是PC+PENg(實例1至實例6)或PC+PETg(實例7至實例9)的雙層膜。所測量的在PC與PENg30層之間的剝離力超過100g/in(每英寸膜寬度的黏著力)，而在PENg30與 SR549/Kraton摻合物之間的剝離力登記為5至10g/in(每英寸膜寬度的黏著力)。
比較例 1、比較例 2(CE-1、CE-2)
低黏度、高熔體流動之PC樹脂，即來自Mitsubishi Engineering-Plastics,Tokyo,Japan的IUPILON HL-4000，經擠壓及製造成像實例1至實例9一樣的膜，以針對較高黏度、低熔體流動之PC樹脂，即來自Mitsubishi Engineering-Plastics,Tokyo,Japan的IUPILON E-2000，來比較動態彎曲疲勞測試中的損壞速率。本領域熟悉相關知識者所理解的是，聚碳酸酯的分子量影響所得之膜的殘餘壓力及脆度。由低黏度/低分子量之聚碳酸酯製成膜傾向於鬆弛膜應力及減少的光學延遲測量，但通常導致較差的動態彎曲疲勞測試結果及增加的脆度。我們的比較例係從可商購取得的聚碳酸酯獲得，並具有以下性質：
光學測量結果
動態折疊結果
例如，複製品1MD及2MD是在從來源擠壓設備之機器方向(MD)上來進行測試的第一樣本及第二樣本。複製品1 TD及2 TD是在從來源擠壓設備之橫向方向(TD)上來進行測試的第一樣本及第二樣本。星號表示在比較例上進行的那些測試僅運行至50K次並且至此未顯示出損壞；這些測試未運行至實例應經受的完整的200K次折疊循環。
本發明並不侷限於上文闡述之實例及實施例的具體揭示，因為詳細描述這些實施例是為了利於解說本發明的各種態樣。而是，應理解本發明涵蓋本發明的所有態樣，包括屬於如隨附申請專利範圍與其均等物所界定的本發明範疇內的各種修改、均等程序、和替代裝置。

Claims (20)

  1. 一種光學膜，其包含：聚碳酸酯之層，其具有第一主表面及第二主表面；其中該層係介於10與50微米厚之間；其中有經移除任何剝離層之該光學膜具有小於0.5%的一平均霧度；其中有經移除任何剝離層之該光學膜具有小於25nm的一平均面內延遲；其中有經移除任何剝離層之該光學膜具有小於75nm的一平均面外延遲；且其中該聚碳酸酯具有大於20,000的一分子量。
  2. 如請求項1之光學膜，其中至少該第一主表面或該第二主表面暴露於空氣。
  3. 如請求項1之光學膜，其進一步包含一保護層，該保護層不包括設置在該第一主表面上的聚碳酸酯。
  4. 如請求項3之光學膜，其中該保護層包括聚萘二甲酸乙二酯或該聚萘二甲酸乙二酯的共聚物或摻合物。
  5. 如請求項4之光學膜，其中該保護層增加該光學膜的化學抗性或UV吸收。
  6. 如請求項3之光學膜，其中該保護層包括聚丙烯或該聚丙烯的一共聚物或摻合物。
  7. 如請求項1之光學膜，其進一步包含設置在該第一主表面上的一第一保護層及設置在該第二主表面上的一第二保護層，該第 一保護層及該第二保護層不包括聚碳酸酯。
  8. 如請求項7之光學膜，其中該第一保護層及該第二保護層係相同的材料。
  9. 如請求項7之光學膜，其中該第一保護層及該第二保護層係不同的材料。
  10. 一種多層光學膜，其包含複數個如請求項1之光學膜，其中該複數個光學膜的各相鄰對係由不包括聚碳酸酯的一保護層分離。
  11. 如請求項10之多層光學膜，其中該複數個光學膜的各相鄰對係進一步由不包括聚碳酸酯的一第二保護層分離。
  12. 一種多層光學膜，其包含複數個如請求項1之光學膜及一第一保護層之至少一者及一第二保護層之至少一者，該第一保護層及該第二保護層之各者不包括聚碳酸酯，其中該複數個光學膜、一第一保護層之該至少一者、及一第二保護層之該至少一者經組態以使得該複數個光學膜之任何二者不直接相鄰。
  13. 如請求項1或3之光學膜，其中該光學膜使其第一主表面及第二主表面暴露於空氣，且該光學膜在一動態折疊測試儀中不會在多於10,000次循環之前損壞。
  14. 如請求項13之光學膜，其中該光學膜在一動態折疊測試儀中不會在多於30,000次循環之前損壞。
  15. 如請求項14之光學膜，其中該光學膜在一動態折疊測試儀中不會在多於50,000次循環之前損壞。
  16. 一種發射式顯示器元件，其包含如請求項1或3之光學膜。
  17. 如請求項16之發射式顯示器元件，其中該發射式顯示器元件係 可撓。
  18. 一種顯示裝置，其包含如請求項1或3之光學膜。
  19. 如請求項18之顯示裝置，其中該顯示裝置係可撓。
  20. 一種膜卷，其包含如請求項1或3之光學膜。
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