专利名称：具有受控的散射/透射特性的光学膜和采用该光学膜的液晶显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有受控的散射/透射特性的光学膜和采用该光学膜的液晶显示装置。
背景技术：
在反射型或透射型液晶显示装置中，入射光通常会穿透液晶层，由反射膜反射，再通过液晶层，从而显示图像进入观察者眼中。当通过在液晶层的表面一侧上和/或液晶层与反射膜之间设置的光散射膜散射光时，可在宽视觉范围内识别图像。这种光散射膜也被称之为光扩散膜。由光散射膜散射光线的代表性方法包括在塑料膜或粘合剂中分散和包含透明微粒并利用微粒与塑料膜或粘合剂之间折射率不同而散射光的方法，以及通过使塑料膜表面粗糙化而散射光的方法。
近年来，也提出了其它一些方法，包括采用双折射膜的重叠体而散射光的方法，在双折射膜中，分散有双折射特性不同的微区域，并利用双折射膜与微区域间折射率的差异(日本第174211/1999号发明专利申请公开)，以及采用光散射膜的方法，在光散射膜中，分散和分布有由与基础聚合物相同的聚合物制成的微结晶区，并且，由于在微区域与其它部分间的折射率存在差异，在该膜中显示出不同的散射特性(日本第326610/1999号，第2000-266936号和第2000-275437号发明专利申请公开)。
但是，这些光散射膜基本上是各向同性地散射光的，并且，当用于无背光的反射型液晶显示装置时，在显示器中的图像亮度会比较低，且可视性较差。
与之相对照，可以得到另一种光散射膜，其中，在膜厚度方向上，在聚合物膜中会形成具有高折射率的多个柱状区域。这种光散射膜号称可根据光的入射角度实现选择性取景角度/扩散性质。
的确，通过采用这种扩散膜，与各向同性散射型光散射膜相比，在可见光范围内的特定角度下可获得相对更亮的图像。然而，在可能用于低入射光的地方的液晶显示装置如蜂窝电话，特别是反射型或透射型的液晶显示装置时，在透射时，就存在对光散射膜的正面高亮度的日益增长的要求，并且要求在反射时应能够有效地聚集周围的光线。
本发明试图解决现有技术中的这些问题。因此，本发明的目的是提供一种光学膜，相比于现有技术，这种光学膜具有高可视性，在透射时的正面方向上具有高亮度，并且在反射时能够有效地聚集周围光线，此外，还具有优异的光扩散性和聚集性能，所述性能是这样实现的，即改进在塑料膜或粘合剂中通过分散和包含透明微粒而散射光的常规方法，或者，在膜厚度方向上，在聚合物膜中形成具有高折射率的多个柱状区域而获得的光扩散膜中的正面方向中改善可视性和光透射性以及聚集性能。
本发明的目的还在于提供一种通过采用具有优异聚光性能的光学膜作为光散射膜、与现有技术相比无论是在透射或反射时的正面方向上均具有优异可视性并能够显示更亮图像的液晶显示装置。
发明内容
为实现上述目的，本发明的光学膜具有下述构成。
(1)一种具有光散射和光透射特性的光学膜，该光学膜是由折射率不同的至少两相组成，其中，折射率较大的一相具有在膜的厚度方向上延伸的柱状结构，每一柱状结构以相对于膜的法线方向25度或更高至低于90度的角度倾斜。
(2)根据上述(1)的光学膜，其中，每一柱状结构以相对于膜的法线方向30度或更高至60度或更低的角度倾斜。
(3)根据上述(1)或(2)的光学膜，其中，沿光学膜厚度方向延伸的柱状结构的轴线相互平行。
(4)根据上述(1)-(3)任一项的光学膜，其中，光学膜的具有不同折射率的至少两相间的折射率差值在0.005-0.2的范围内。
(5)根据上述(1)-(4)任一项的光学膜，其中，光学膜是由辐射敏感性材料制成的。
进而，实现上述目的的液晶显示装置具有如下构成。
(6)一种液晶显示装置，其中，在液晶层的前面或后面设置如上所述(1)-(5)任一项的光学膜。
图1(a)为分散有微粒的光散射膜的截面示意图，图1(b)为显示图1(a)中光散射膜光散射特性的图。
图2(a)为在膜的厚度方向上在聚合物膜中形成多个具有高折射率圆柱的光散射膜的截面示意图，图2(b)为显示图2(a)中光散射膜透射特性的图。
图3(a)为本发明光学膜的立体示意图，图3(b)为图3(a)中沿A-A线截取的截面示意图。
图4(a)和图4(b)为图3中光学膜的直线光透射特性图。
图5显示测量光学膜的直线光透射特性的方法。
图6为方位角为0度至180度、方位角为90度至270度以及仰角的解释图。
图7为解释辐射敏感性材料曝光方法的图。
图8为液晶显示装置的截面示意图。
图9为另一种液晶显示装置的截面示意图。
图10为用于解释由光学膜和反射偏振器组成的层压膜光扩散和透射特性的说明图。
图11显示了由本发明光学膜和各向同性光散射膜组成的层压膜。
图12(a)为显示在蜂窝电话中采用光散射膜的实施例中的正面图，图12(b)为部分侧面图。
图13为具有倾斜角30度的柱状结构的本发明光学膜的直线光透射特性图。
图14为具有倾斜角20度的柱状结构的比较例光学膜的直线光透射特性图。
图15为具有倾斜角40度的柱状结构的本发明光学膜的直线光透射特性图。
图16为具有倾斜角60度的柱状结构的本发明光学膜的直线光透射特性图。
具体实施例方式
在解释本发明之前，参考图1和图2，解释在常规光散射膜中的光散射现象。
图1(a)为代表性常规光散射膜的截面示意图，即，一种光分散膜1，其中，具有与塑料膜2不同折射率的分散于透明塑料膜中的透明微粒3。图1(b)显示了在图1(a)中的光散射膜的光散射特征。如图1(b)所清楚显示，其中分散有透明微粒3的光分散膜1整体上广泛地散射光，且散射分布在所有角度下适度变化。从而，当液晶显示器的屏幕从任一方向进行观察时，仅可看到均匀的黑色屏幕。
图2(a)为另一种常规的公知光散射膜4的截面示意图，该膜4的结构为，在膜的厚度方向上，在聚合物膜5中形成多个柱状结构6，该结构6为具有圆柱形状的高折射率区域。当光线进入该膜时，与膜垂直的光线会散射。当与光散射膜4的入射角变大，从而以与柱的轴线倾斜的角度进入时，光线会逐渐失去其散射性能。因此，例如，当光线的进入角相对于膜表面为45度至60度时，光就很难散射并直接通过。
另一方面，图3(a)为本发明光学膜10的立体示意图，图3(b)为图3(a)中沿A-A线截取的截面示意图。在该图中，标号11为聚合物膜，12为柱状结构，其具有比聚合物膜11更高的折射率。在本发明中，柱状结构12可以相对于膜的法线方向25度或更大至低于90度的角度倾斜，在说明性实施例中，是以50度角倾斜。
图4(a)和图4(b)显示了光学膜10的直线透光率的角度依赖特征。如图5所示测量光学膜的直线透光率的角度依赖性，即由光学膜10的一侧进入直线光线，在膜的另一侧在入射光方向上设置光检测器13，改变入射光与膜的相对角度，例如旋转光学膜10，并通过光检测器13测量透射光的强度。在图4(a)中，相对于0度至180度轴的方位角(对称轴图3(a)中线A-A)，仰角在0度至180间变化(即，沿截面A-A，0度至180度)。另一方面，图4(b)中，相对于90度至270度轴的方位角(不对称轴图3(a)中A-A线的垂直方向)，仰角在0度至180度间变化，并且，测量在每一时间的直线光线的透射率。图6中示出了0度至180度轴的方位角、90度至270度轴的方位角以及仰角间的关系。
相对于图3(b)，例如，注意图4(a)显示沿光学膜10的截面A-A进入的光线的直线光线透射率。垂直进入膜表面的光线L1(入射角0度)显示出一定的透射率。随着角度在反方向上由L2至L3变大，透光率也变得更高，并且，当超过特定角度时，透光率达到最大值。另一方面，由于在正面方向上入射角变大，光散射会增加，并且在大约+50度(L4)时，例如，散射在某种程度上降低，但几乎所有的光线均被散射。该特征是极其特殊的光学特性，利用该特性，与在正面方向中采用常规光散射膜的情况相比，可观察到具有改善的亮度和可视性的液晶表面。结合反射偏振器、各向同性散射光扩散膜或光扩散层，本发明的光学膜可显示出其特性。
本发明的光学膜可采用任一种方法生产。一种优选的实施例如图7所示。图7中所示的光学膜优选这样形成，即将包含预聚物或单体的辐射敏感性材料22涂敷至塑料膜21上并干燥而形成，这种辐射敏感性材料选择性地通过所需要的光掩模23经直线光线辐射，从而使材料进行选择性聚合，形成具有高折射率的柱状结构。此时，通过调节对辐射敏感性材料进行照射的角度，从而可调节柱状结构的轴线与膜的法线方向间的角度。照射后，如果必要的话，在照射过的区域和未照射过的区域上的预聚物或单体通过加热或其它方法聚合。这种辐射敏感性材料包括可商购的辐射敏感性聚合物膜如OMNIDEX(注册商标)HRF150和HRF600，由DuPont Co.生产。辐射敏感性聚合物膜在聚合物膜上带有辐射敏感性材料层，通过辐射照射可形成渐变指数类型的高折射率柱状结构。如果在辐射敏感性材料中存在双折射，可能会出现着色或不希望发生的其它现象，但是，如果双折射是在可以容忍的范围内，则这种双折射可以存在。用于形成本发明的光学膜的材料本身优选为高透光性材料。
在照射辐射敏感性材料时使用的光掩模可按照目前用于生产光掩模所公知的方法生产。作为生产光掩模的方法，例如，公知采用照相平印法。其中，在不采用光掩模时，可通过激光束、X-射线、电子束等直接对辐射敏感性材料进行扫描和曝光，从而在辐射敏感性材料中形成高折射率区域。或者，也可通过将塑料膜等直接通过激光束或采用其它方法穿孔，并且对形成的孔用折射率高于塑料的材料进行填充，从而形成用于本发明的光学膜。
在本发明的光学膜中不同折射率的相之间的折射率差值通常为0.005-0.2，优选0.01-0.1。如果折射率差值低于0.005，则难于获得足够的光散射特性。折射率的差值可为阶梯指数型，其中，在较高折射性区域与另一相间的界面处折射率变化突然，或者为渐变指数型，其中，折射率逐渐变化。不论柱状结构为阶梯指数型还是渐变指数型，均可根据对光学膜的所需光散射特性进行适当选择。
在本发明的光学膜中具有柱状结构的高折射率区域的形状通常为圆柱形。考虑到光的波长，圆柱形的圆直径通常为几十纳米至几百微米，优选50nm至100μm，更优选100nm至50μm。圆的尺寸可相同或不同。柱状结构的构型可规则或不规则。考虑到出现波纹等的可能性，优选形成随机尺寸和随机构型的圆。在本发明中，柱状结构的角度并不总是需要平行，只要其在25度至小于90度的范围，如果结构存在角度或方向上的不同均是可以的。但是，角度或方向越不均匀，则整体上光线散射得越宽广，并且，散射光的分布会在所有角度中适当变化，从而，优选柱状结构的轴线相互平行。柱状结构的密度可根据所需散射度进行适当设置。
本发明的光学膜的厚度并不特别要求，但其通常为约2μm至约100μm。本发明的光学膜为具有受控的散射和透射特性的膜，并且，可优选用作例如液晶显示装置特别是反射型或透射型液晶显示装置中的光扩散膜或光扩散片。
图8和图9显示了用作液晶显示装置中光扩散膜的本发明光学膜的构型实施例。在液晶显示装置30中，液晶层33设置在玻璃衬底31和32之间，在衬底中形成像素电极31a和反电极32a。光扩散膜34设置于光入射侧的玻璃衬底32上(图8)，或设置于位于光反射侧的玻璃衬底31下面的反射膜34的表面(图9)。当采用延迟板36和偏振膜37时，它们通常设置于光扩散膜34的外面。在图8和图9所示的液晶显示装置中，光扩散膜35仅设置于液晶层33的一侧，但光扩散膜也可设置在液晶层33的两侧。液晶显示装置的构型并不限于说明性的实施例。
当光线通过背光由液晶层的背侧进行照射时，光扩散膜层通常设置在背光与液晶层间，即在入射光侧。在背光型的液晶显示装置情形中，通过使本发明的光学膜与反射偏振器组合，可获得更优选的结果。图10显示了本发明的光学膜与反射偏振器在背光型的液晶显示装置中组合的实施例。
为在液晶显示装置中使用反射偏振器以用于蜂窝电话、个人数字助理(PDA)等，需要保持反射时的亮度。当采用反射偏振器的时候，如果试图提高在透射时的亮度，就会降低反射中的亮度。在用于蜂窝电话、个人数字助理等的液晶显示装置中，所需要的是光学膜具有作为光扩散膜的功能，能够在透射和反射状态下均在可视性方面实现优异的亮图像。
图10中，标号41为光扩散膜，42为反射偏振器，43为丙烯酸粘合剂，44为导光板，45为光源。通常，图9中的液晶显示装置的玻璃衬底31粘附于光扩散膜41上。来自导光板44的光线通过BEF(光聚集片)(未示出)聚集，并进入反射偏振器42中。结果，仅仅入射光的P波被允许通过，S波被反射偏振器42反射。进而，由BEF等反射的光线的P波通过，并且S波被反射。当重复进行该操作，S波被转化成P波，那些迄今未利用的S波也可利用。即，S波通常通过设置在液晶显示装置中的偏振膜除去，但通过采用反射偏振器，迄今被偏振膜除去的S波可有效地被利用起来。本发明的光学膜与现有技术的情形相比较，如图4(a)所示的正面方向上具有优异的透射性，并且，相对0度至180度轴，在柱状结构的方向和在垂直方向中也具有突出的透射性。因此，与采用常规光散射膜的情形相比，光线会在这些方向上聚集，通过偏振膜在正面方向上发射的光量会显著地增加。在正面方向上的亮度显著增强，在正面方向上也可实现亮的图像显示。在本发明中，BEF不总是在背光中需要，光线也并不总是聚集。如果不通过背光照明，反射偏振器将具有作为反射膜的功能。因此，可有效地用作反射型液晶显示装置，虽然相比于反射膜如全反射膜，性能可能稍差。
进而，如图11所示，通过使用本发明的光学膜作为光散射膜51，并将其与常规各向同性散射型的光扩散膜52组合，获得在正面方向中明亮且具有宽视角的液晶显示装置。这种各向同性散射光扩散膜可以不是膜形式。例如，当将本发明的光学膜粘合或胶合至反射膜或玻璃衬底时，采用粘合剂或胶粘剂将光学膜粘合或胶合至反射膜或玻璃衬底，所述粘合剂或胶粘剂例如包含具有与作为粘合剂或胶粘剂的基础聚合物不同折射率的球形填料，可形成光扩散粘合剂或胶粘剂层。通过比较各向同性散射型的光扩散膜或光扩散层与本发明的光学膜，周围的光被各向同性散射型的光扩散膜广泛扩散，并且，包括该广泛扩散光的光线通过本发明的光学膜聚集于正面方向。结果，本发明光学膜的效果和常规各向同性散射膜的效果结合，从而形成的液晶显示装置具有在由正向方向观察液晶屏时优异的可视性，并能够观察到明亮的图像，以及具有宽角度的可视范围。
在采用本发明的光学膜作为光扩散膜的液晶显示装置中受控的扩散和透射特性的状态通过参考图12中的蜂窝电话61进行解释。在蜂窝电话61中，图3中所示的光学膜用作光扩散膜63，光扩散膜63设置在图12所示蜂窝电话的液晶显示装置中，从而光学膜的0度至180度的方位角与蜂窝电话的垂直方向重合，柱状结构64的膜表面侧端部分指向蜂窝电话61的显示屏62的向上方向，而柱状结构64的膜底侧端部分指向显示屏的向下方向。图12举例解释了光扩散膜的功能，略去了有关液晶显示装置的构造。在该蜂窝电话中，当观察者66观察蜂窝电话61时，在包括从使用者后面在内的上面、右面和左面方向的宽范围中的光线65进入液晶显示装置。此时，由上面、右面和左面方向进入的光线通过光扩散膜扩散。与常规光扩散膜比较，光扩散膜63在膜正面方向上具有较高的透光率，例如，如图4(a)所示，向着方位角0度至180度轴的正向方向(在图中的向下方向)由正面方向发出的光具有优异的透光性。从而，从周围进入并扩散的光线被反射，并在具有优异透射性的正面方向和0度至180度轴的正向方向聚集和发射。在正面方向上，即，当观察蜂窝电话等的显示屏时最常规的观察方向上，亮度足够，并且可由相同方向观察具有有利可视性的显示屏。也就是说，这种散射和反射特性改善了当观察蜂窝电话等的显示屏时在最宽广的观察方向上图像的可视性和亮度。此时，当采用椭圆形柱代替圆柱作为柱状结构时，且椭圆形的主轴置于显示屏的侧部方向，在正面方向和0度至180度轴的向下方向上，聚光性能可进一步增强。
当照射光由背光进入液晶显示装置时显示出相同的特性，从而，在透射和反射两种状态下，实现明亮和改善可视性的图像。进而，如上面提及，当反射偏振器或各向同性散射光扩散膜与本发明的光扩散膜一起使用时，与采用常规光扩散膜的情形相比，在正面方向上获得更明亮的显示，并且，实现了可视范围更宽角度的显示。
实施例参考下述实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1作为包含柱状结构的辐射敏感性聚合物膜，可采用由DuPontCo.生产的商购产品OMNIDEX(注册商标)HRF 150，通过硬接触方法，将平均圆孔图案为2μm的掩模紧密粘附于OMNIDEX HRF 150辐射敏感性材料的表面上。由汞灯产生的光线通过透镜形成平行光，将该平行光通过掩模照射，照射方向为辐射敏感性聚合物膜的法线方向倾斜30度的方向上。此时，辐射敏感性聚合物膜的辐射敏感性材料的厚度大约为50μm，在照射2-5分钟后，将其在100℃下固化5分钟，从而获得的光学膜的混浊度为92，总射线透射率为97。
测量角度与该光学膜的直线透光率间的依赖关系。测量采用图5中所示的方法。获得的结果示于图13(a)和图13(b)。图13(a)为在相对于0度至180度轴(对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。图13(b)为在相对于90度至270度轴(不对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。
比较例以与实施例1生产光学膜的方法相同的方式获得光学膜，只是辐射敏感性聚合物膜的曝光角度从30度变成20度。以与实施例1相同的方式测量获得的光学膜的直线透光率，并研究仰角与两轴的依赖性。结果如图14(a)和图14(b)所示。
通过比较图13和图14可知，实施例1的光学膜中的正面直线透光率比比较例中的光学膜高。在此情形下，通过将柱状结构入射角由20度(比较例)变成30度(实施例1)，正面直线透光率由7％提高到11％。
实施例2以与实施例1生产光学膜的方法相同的方式获得光学膜，只是辐射敏感性聚合物膜的曝光角度从30度变成40度。结果，光学膜的混浊度为92，总射线透射率为97。以与实施例1相同的方法测量角度与该光学膜的直线透光率间的依赖关系。获得的结果示于图15(a)和图15(b)。图15(a)为在相对于0度至180度轴(对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。图15(b)为在相对于90度至270度轴(不对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。
通过比较图14和图15可知，实施例2的光学膜中的正面直线透光率比比较例中的光学膜高。在此情形下，通过将柱状结构入射角由20度(比较例)变成40度(实施例2)，正面直线透光率由7％提高到15％。
实施例3以与实施例1生产光学膜的方法相同的方式获得光学膜，只是辐射敏感性聚合物膜的曝光角度从30度变成50度。结果，光学膜的混浊度为92，总射线透射率为97。以与实施例1相同的方法测量角度与该光学膜的直线透光率间的依赖关系。获得的结果示于图4(a)和图4(b)。图4(a)为在相对于0度至180度轴(对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。图4(b)为在相对于90度至270度轴(不对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。
通过比较图4和图14可知，实施例3的光学膜中的正面直线透光率比比较例中的光学膜高。在此情形下，通过将柱状结构入射角由20度(比较例)变成50度(实施例3)，正面直线透光率由7％提高到18％。
实施例4以与实施例1生产光学膜的方法相同的方式获得光学膜，只是辐射敏感性聚合物膜的曝光角度从30度变成60度。结果，光学膜的混浊度为92，总射线透射率为97。以与实施例1相同的方法测量角度与该光学膜的直线透光率间的依赖关系。获得的结果示于图16(a)和图16(b)。图16(a)为在相对于0度至180度轴(对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。图16(b)为在相对于90度至270度轴(不对称轴)的方位角下，当仰角0度至180度变化时测量直线透光率获得的图。
通过比较图14和图16可知，实施例4的光学膜中的正面直线透光率比比较例中的光学膜高。在此情形下，通过将柱状结构入射角由20度(比较例)变成60度(实施例4)，正面直线透光率由7％提高到24％。
发明效果如本申请所述，本发明的光学膜可有效地在与包括膜法线方向(正面方向)在内的方位角0度至180度的柱状结构的轴线相垂直的方向上透射光线。从而，在甚至不降低正面方向亮度的情况下可锐利地显示图像，在反射时，周围的光线可有效地聚集于上述包括正面方向的方向上。从而，通过采用本发明的光学膜作为在蜂窝电话、个人数字助理(PDA)等中的液晶显示装置的光扩散膜，并且，通过在包括正面方向在内的蜂窝电话等的观察方向中设置有利的透射方向，可在蜂窝电话等的观察方向中显示明亮和改善可视性的图像。因此，本发明的光学膜成为作为用于蜂窝电话、个人数字助手等的反射型和透射型的液晶显示装置的光扩散膜的最佳光学膜。
权利要求
1.一种具有光散射和光透射特性的光学膜，该光学膜由折射率不同的至少两相组成，其中折射率较大的一相具有在膜的厚度方向上延伸的柱状结构，其中，每一柱状结构以相对于膜的法线方向25度或更高至低于90度的角度倾斜。
2.根据权利要求1的光学膜，其中，每一柱状结构以相对于膜的法线方向30度或更高至60度或更低的角度倾斜。
3.根据权利要求1或2的光学膜，其中，沿光学膜厚度方向延伸的柱状结构的轴线相互平行。
4.根据权利要求1-3中任一项的光学膜，其中，光学膜的具有不同折射率的至少两相间的折射率差值在0.005-0.2的范围内。
5.根据权利要求1-4中任一项的光学膜，其中，光学膜是由辐射敏感性材料制成的。
6.一种液晶显示装置，其中，在液晶层的前面或后面设置如权利要求1-5中任一项所述的光学膜。
全文摘要
一种具有折射率不同的至少两相(11，12)的光学膜(10)，其特征在于，折射率较大的一相(12)具有在膜的厚度方向上延伸的柱状结构，其中，每一柱状结构相对于膜的法线方向倾斜25至90度。光学膜具有的特性为，在由垂直方向L
文档编号G02F1/1335GK1608215SQ0282602
公开日2005年4月20日 申请日期2002年12月19日 优先权日2001年12月28日
发明者原田隆正 申请人:克拉瑞特国际有限公司