CN101231462A - 一种光扩散片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光扩散片的制作方法，其特征在于：包括下列步骤：(1)制作至少具有一个微透镜结构的压印模仁；(2)设定计算机压印控制程序、压印参数及图形文件；(3)采用微纳米热压印或紫外压印的方法，将步骤(1)中的压印模仁，根据步骤(2)中的控制程序及图形文件，压印于待压印的基材第一压印工作位置上，基材得到相应个数的凹形微透镜；(4)根据压印参数，改变压印模仁与待压印基材的相对位置，至下一个压印工作位；(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所有压印程序。本发明利用微纳米压印技术直接在基材上压印凹形微透镜，使光扩散层与基材层为一体结构，避免了粘合不牢固、受热膨胀系数不同等造成的散光效果下降、物理变形等现象，有效提高光扩散片的性能。

Description

一种光扩散片及其制作方法

                           技术领域

本发明涉及一种光扩散片及其制作方法，适用于液晶显示装置的背光模块，也适用于基于光扩散片结构的投影屏幕。

                           背景技术

现今液晶显示装置多采用从液晶面板背面照射的背光型照明方式，有侧光式、垂直式等背光装置。以笔记本用的侧光式照明的背光模组为例，如图1所示，其具备：灯管1，为半导体照明或者冷光源照明，呈线状作为光源；反射片2；导光板17，呈方形板状；下光扩散膜4，其具有透明基板14，底部具有防黏结材料13，顶部具有扩散颗粒15；棱镜格栅膜5位于上光扩散膜6的下侧。

上述的侧光照明液晶显示模组具有的功能如下：首先，灯管1向导光板17射出光线，会受到导光板17顶面的微结构引导从其表面射出；其次，由反射片2导出的光线进入下光扩散膜4，并被下光扩散膜4所扩散，由其表面射出；紧接着，由下光扩散膜4出射的光线射入棱镜格栅膜5，并经由棱镜以在近法线方向向外射出；然后由棱镜格栅膜5出射的光线进入上光扩散膜6，经过进一步扩散均匀化后进入液晶部分7。

光扩散膜(片)的主要功能有两个：①有效利用图像光以确保屏幕高亮度，光可以限制性地向所估计观察者存在区域扩散和发射；②屏幕边缘部分的亮度得到提高以减小亮度的不均匀性，其中屏幕的边缘部分与屏幕中心部分亮度不均就视角而言是不利的。为实现上述功能，光扩散膜(片)通常包括：透明基材层4和光扩散层5，基材层下部设置的防黏结层3是用以降低入射光的反射率及防止与下部材料粘连，以增加光线的使用率。

常见的光扩散片制作方法有：(1)采用热处理铸模法，其主要材料包括甲基丙烯酸甲酯(Methacrylate ester，MMA)、偶氮二异丁晴(Azobisisobutyronitrile，AIBN)、聚(甲基)丙烯(poly(meth)acryl)酸甲基(methyl)，聚(甲基)丙烯酸乙基(athyl)等的(甲基)丙烯酸(ester)单体或聚合体、聚乙烯对苯二甲酯(polyethylene terephthates)、聚丙烯对苯二甲酯(polyethylene terephthates)等的聚酯(polyester)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚苯二烯(polystyrene)、聚甲基戊烯(polymethl pentene)等的热可塑性树脂，或是硬化树脂类、透明玻璃类、透明陶瓷类等，经充分的搅拌混合或者熔融，覆于薄膜表面；(2)涂布法(如中国发明专利公开的CN 101029940 A)，将混合复数球状散射粒子及复数非球状散射粒子，材质为玻璃、亚克力或者有机高分子等，利用喷涂、UV胶涂布或者印刷等工艺接合于基材层表面；(3)机械加工方法(如中国发明专利公开的CN1734290 A)，在转移辊上连续改变切割工具的切入量，在转移辊表面形成多个微透镜图案，然后施加接触粘合步骤，将吸收能量和利用能量固化的树脂材料施加到转移辊表面，然后将基膜和树脂接触粘合并硬化。

上述方法存在以下一些主要缺点：

1)热处理铸模法过程需要花上4～8个小时，整体制作过程花费时间较长；

2)涂布方法为提高光扩散膜均匀扩散的效果，必须增加粒子的堆叠密度。扩散膜因材料涂覆不均，无法充分地达成均匀光扩散。涂布方法还有一个主要缺点在于，由于扩散膜基材、黏结剂、扩散粒子使用不同材料(如合成树脂)，因此容易因热或者紫外线等造成变形或变色(黄化)。当微小扩散粒子与黏合剂密合性不足时，也会导致强度变差及光线透过率下降。

3)机械加工方法虽然较灵活，但需要高精密机械加工设备，导致生产成本提高和效率下降。

                           发明内容

本发明目的是提供一种光扩散片及其制作方法，通过该制作方法制作光扩散片，使制作过程得到简化，以降低制作成本，且提高获得的光扩散片的扩散效果，扩大适用范围。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光扩散片的制作方法，包括下列步骤：

(1)制作至少具有一个微透镜结构的压印模仁；

(2)设定计算机控制程序、压印参数及图形文件；

(3)采用微纳米热压印或紫外压印的方法，将步骤(1)中的压印模仁，根据步骤(2)中的控制程序及图形文件，压印于待压印的基材第一压印工作位置上，基材得到相应个数的凹形微透镜；

(4)根据压印参数，改变压印模仁与待压印基材的相对位置，至下一个压印工作位；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所有压印程序。

上述技术方案中，所述微纳米热压印或紫外压印方法为微纳米压印技术与热压印或紫外压印方法的结合，微纳米压印技术是一种用于大批量重复制备微纳米图形结构的新兴技术，其加工分辨率只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻最短曝光波长的物理限制，具有高分辨、高产出、低成本的优势；热压印或紫外压印方法为现有技术，即压印时对压印头加热，此后温度下降使高分子材料固化，或者通过紫外光使高分子材料固化，两种方式的结合实现微纳米结构图形的转移。压印模仁具有与待压结构凹凸相反的微透镜结构，可以是圆球形或非圆球形的任意形状，具有该结构的压印模仁压印于基材上，可对微小面积区域(即一个压印工作位单元)实现压印复制，一个工作位单元内可以只有一个微透镜结构，也可具有多个微透镜组成的阵列的结构，若干这样的微小压印单元在印压工作平面内(基材上)构成具有一定幅面大小的凹形微透镜，使基材表面形成微凹图纹的斑点，即可以直接在透明基材上进行压印得到光扩散片，或将所得的具有微透镜结构的样片作为母版，经过精密电铸图形转移至具有一定硬度和精度的金属板上，经过平对平或者卷对卷的压印，转移至透明基材上，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、丙烯酸、聚烯等，可表现为硬板型或薄膜型，实现光扩散片的制作。

上文中，所述待压印基板至少其表面为高分子材料层，也可以整体由高分子材料构成，所述高分子材料可以为聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：Polyrinyl Chloride)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)、紫外敏感胶或聚烯(BOPP：Biaxial OrlentedPlypropylene)等，可表现为硬板型或薄膜型。

上述技术方案获得的产品可以直接作为光扩散片使用，为提高产品制作速度，进一步的技术方案是，将步骤(5)印制所得作为母版，通过精密电铸工艺转移至金属板上，得到压印模板，利用该压印模板通过平面对平面或卷对卷方式压印于光扩散片的基材上。

上述技术方案中，所述步骤(4)中，压印模仁与待压印基材的相对位置具有的位移自由度为，以待压印基材所在平面为x-y平面，两者间具有x轴和y轴方向的平移运动自由度，通过x轴和y轴的平移运动到达下一压印工作位；通过压印模仁在z轴方向的平移，完成压印。

上述技术方案中，所述基材上的凹形微透镜为半圆球形，球直径为0.01mm～0.1m，球直径过小会导致入射光发生衍射，也不便于加工制作，球直径过大会导致对光的扩散作用减弱。

上述技术方案中，步骤(2)中所述压印参数包括：微透镜结构的分布位置、保压时间、压力大小、加热温度参数，该参数的设定由预先设定的计算机程序及图形文件控制。

上述技术方案中，所述压印模仁由复数个微透镜结构阵列组成，该阵列图形由预先设计的计算机程序控制，阵列尺寸在0.05mm×0.05mm至5mm×5mm之间。

采用上述技术方案的方法，本发明得到的产品是：一种光扩散片，包括透明基材层和光扩散层，所述光扩散层由设置于所述基材层一侧表面的复数个凹形微透镜构成，光扩散层与所述基材层为一体结构。

上述技术方案中，所述凹形微透镜为半圆球形或半椭球形，所述基材层为薄膜型或是板材型中的一种。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过直接在基材表面上制作凹形微透镜作为光扩散层，即基材与光扩散层为一体结构，无需如涂布、印刷等方法将扩散粒子等多种材料经黏合剂沾粘构成光扩散层，避免可能出现的光扩散层与基材粘合不牢固、受热膨胀系数不同等造成的散光效果下降、物理变形等，特别适合制作超薄型的扩散膜；

2.凹形微透镜加工工艺灵活：压印模仁的压印取向、压印深度、压印单元(即微透镜结构)排列等重要工艺参数都由计算机程序控制，特别容易实现紧密排列的微透镜结构，从而能够隔绝眩光，达到光线柔和舒适的感觉，提升光扩散片的性能；

3.制作工艺便捷可靠：可采用热压印或紫外压印两种方法，既可以直接在透明基材上加工光扩散片，还可以利用压印的方法制作母版，将母版电铸转移后进行卷对卷的压印，从而能够有效降低光扩散片的制作成本，提高其生产效率，易于在大幅面基材上实现微纳结构，适于对投影幕布的制作。

                        附图说明

图1是背景技术中使用的侧光照明液晶背光模组分解示意图；

图2是本发明实施例一中利用微纳米压印方法制作光扩散片示意图；

图3是本发明实施例一中光扩散片的截面结构示意图；

图4是本发明实施例一中制作光扩散片的压印模仁结构示意图I；

图5是本发明实施例一中制作光扩散片的压印模仁结构示意图II；

图6是本发明实施例二中实现微纳米压印方法制作光扩散片示意图；

图7是本发明实施例三中将光扩散片母版电铸翻版得到与该母版凹凸相反结构的示意图；

图8是本发明实施例三中将光扩散片电铸版用于卷对卷滚压设备的示意图；

图9是本发明实施例三中经过卷对卷压印得到的光扩散片截面结构示意图；

图10是本发明实施例四中液晶电视背光模组中扩散片的使用分解示意图。

其中：1、照明光源；2、反射片；3、光扩散板；4、下光扩散膜；5、棱镜格栅膜；6、上光扩散膜；7、液晶部分；8、凹形微透镜；21、压印模仁；22、基材；61、光扩散片母版；62、压印模板；64、卷压辅助轮；65、送料轮；66、送料轮；67、卷压送料轮；68、卷压主轮；69、加热器；610、薄膜基材；13、防黏结材料；14、透明基板；15、扩散颗粒；17、导光板。

                           具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1至图5所示，(1)制作至少具有一个微透镜结构的压印模仁；

(2)设定计算机压印控制程序、压印参数及图形文件；

(3)采用微纳米热压印或紫外压印的方法，将步骤(1)中的压印模仁，根据步骤(2)中的压印参数及图形文件，压印于待压印的基材第一压印工作位置上，基材得到相应个数的凹形微透镜；

(4)根据压印参数，改变压印模仁与待压印基材的相对位置，至下一个压印工作位；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所有压印程序。

如图2所示，压印模仁21具有半球形状，待压印扩散片基材22放置于工作平台上(未画出)，以基材所在平面为x-y平面，所述工作平台为精密位移工作平台，分别由x轴伺服电机和y轴伺服电机实现x轴和y轴方向的平移运动，压印模仁21驱动装置由与x-y平面垂直的z轴伺服电机驱动，实现z轴方向的运动。

制作实际操作包括：

(1)压印图形的数字化生成

具有微纳米浮雕结构的印章称为微纳米压印模仁21。压印模仁21可以具有半球形状，球的直径大小可以为0.08mm。如图2所示的压印图形由复数个这样的凹形微透镜8随机排列而成。待压印图形具有自定义的文件格式，该文件读入计算机程序后，压印图形的各压印单元的位置即可确定。

根据实际需要设计压印模仁的微透镜结构，如图2中的半圆球形，最后得到的基材22上随机排布的凹形微透镜8。实现具有微透镜结构模仁的方法有紫外光刻、激光直写、电子束等；可直接在高硬度材料上采用机械办法制作微透镜结构，这些材料如碳素钢、碳化硅等，也可以在薄金属镍板上制作。

(2)确定不同压印单元工作参数

每个压印单元(凹形微透镜)的工作参数包括单元位置、保压时间、压力大小、加热温度。每个压印单元的位置参数由预先设定的计算机图形文件确定，由计算机程序优化安装扩散片基材22的精密位移平台的压印路径；每个压印单元的保压时间和压力大小也由预先设定的计算机文件确定。热压印中须对模仁加热，加热装置可采用高频电磁加热或者电阻加热系统，加热温度0～250℃。工作前预热后在工作期间可持续加热，由计算机控制。

(3)压印实现微透镜结构

根据待压印材料特性，在计算机中设定保压时间、加热温度、气体压力阀启动域值。装置启动后，由计算机自动完成所有压印动作。压力驱动装置采用气(液)压缸，活塞运动带动装有压印模仁21的金属杆上下运动，完成对基材的压印过程。安装在气(液)路上的压强传感器向计算机反馈电流/电压信号，由计算机控制气(液)体压力大小及保压时间(保持最大压力的时间，0.05秒至100秒)，从而完成缸体内的活塞上下动作。缸外装备磁性开关控制活塞运动行程。气压动力相对液压动力，活塞运动速度快，可以保证每秒至少一次的压印频率，满足在大幅面基材上凹形微透镜8的制作。

所述待压印材料是指如PET、PC、PMMA等，表现为薄膜型或者板材型。

图3为基材上压印后得到的凹形微透镜8沿x轴或者y轴方向的截面示意图。由于微透镜是随机排列，在上述两方向的截面上凹形分布不均匀，压印深度也可能不同，压印深度一般在0.005～0.05mm。

图4、5为本实施例中可采用半椭球状或其它多边形，模仁材料可以是镍、二氧化硅、硅、碳素钢、碳化硅。

实施例二：参见图6所示，(1)制作至少具有一个微透镜结构的压印模仁；

(2)设定计算机压印控制程序及参数图形文件；

(3)采用微纳米热压印或紫外压印的方法，将步骤(1)中的压印模仁，根据步骤(2)中的控制程序及图形文件，压印于待压印的基材第一压印工作位置上，基材得到相应个数的凹形微透镜；

(4)根据控制程序，改变压印模仁与待压印基材的相对位置，至下一个压印工作位；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所有压印程序。

本实施例中，所述压印模仁21由复数个微透镜结构排列成6×6阵列组合构成，实现预设微透镜排布结构的方法有紫外光刻、激光直写、电子束等，还可以由实施例一中得到的有序排列结构经由电铸翻版得到的压印模仁21，还可以直接在高硬度材料上制作获得，这些材料如碳素钢、碳化硅等，也可以在薄金属镍板上制作。

以压印模仁21作为压印单元，在基材22上进行压印。由计算机程序控制y方向精密位移工作平台(未画出)和x方向压印模仁的移动路径，压印图形为有序阵列(或者为随机阵列)。其中压印单元形状可以是圆形、矩形或其它平面几何形状。压印头尺寸(阵列大小)在0.05mm×0.05mm至5mm×5mm之间。

根据待压印材料特性，在计算机中设定保压时间、加热温度、压力阀大小等压印单元参数。压印装置启动后，由计算机自动完成所有压印动作。所述的待压印材料是指如PET、PC、PMMA等，表现为薄膜型或者板材型；也可以利用紫外压印技术在紫外敏感胶上压印，经紫外辐照固化，直接得到光扩散片。

实施例三：参见图7至图9所示，(1)制作至少具有一个微透镜结构的压印模仁；

(2)设定计算机压印控制程序及参数图形文件；

(3)采用微纳米热压印或紫外压印的方法，将步骤(1)中的压印模仁，根据步骤(2)中的控制程序及图形文件，压印于待压印的基材第一压印工作位置上，基材得到相应个数的凹形微透镜；

(4)根据控制程序，改变压印模仁与待压印基材的相对位置，至下一个压印工作位；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所有压印程序。

(6)将步骤(5)印制所得作为母版，通过精密电铸工艺转移至金属板上，得到压印模板62；

(7)利用步骤(6)得到的压印模板62通过平面对平面或卷对卷方式压印于光扩散片的基材22上。

本实施例中，以由实施例一或实施例二得到的表面具有微透镜结构的基材，通过电铸翻版，在金属镍片上得到与上述微透镜结构凹凸相反的图形，再使用卷对卷的压印方法高效快速地压印光扩散膜，参见图7～9所示，具体实现如下：

①图7是通过步骤(1)～(5)得到的表面具有凹形微透镜的光扩散片母版61，经过精密电铸转移在电铸镍片上得到与基材61凹凸相反的压印模板62；

②如图8，将压印模板62包裹于压印转轮68上，透光的薄膜基材610通过送料轮65进入具有压印模板62的压印轮和卷压辅助轮64间。压印轮、卷压辅助轮64、卷压送料轮67通过液压驱动施压，同时加热器69对待压材料进行加热，温度可达到250℃。完成对薄膜基材610的压印后，送料轮66将薄膜基材610送出压印机构得到光扩散片(膜)。

所述薄膜基材610可以薄膜型的PC、PET聚酯薄膜、PET离型膜，厚度可以为12um～125um等规格，常用宽度为20mm至2000mm。完成压印后的光扩散膜截面结构如图9所示，在薄膜基材610的上表面实现了光扩散层。

实施例四：参见图10所示，一种光扩散片，包括透明基板层和光扩散层，所述光扩散层由设置于所述基板层一侧表面的复数个半圆球形凹形微透镜构成，与所述基板层为一体结构。

由实施例一或二或三制得的本实施例中的光扩散片，可用于液晶电视的背光模组，液晶电视背光显示模组采用背光垂直照明，参见图10所示，6个灯管1为半导体照明或者冷光源照明，呈线状作为光源；反射片2反射光源发出的光线；扩散板3呈方形板状；下光扩散膜4，其出射表面具有复数个凹形微透镜，棱镜格栅膜5位于上光扩散膜6和下光扩散膜4之间；最上层是液晶模块7。

上述的底光照明液晶显示模组具有的功能如下：首先，灯管1向扩散板3射出光线，光线会受到扩散板3的扩散作用，这是对出射光线的第一次扩散；其次，受到扩散的光线进入下光扩散膜4，并被下光扩散膜4上的凹形微透镜第二次扩散，由其表面射出；紧接着，由下光扩散膜4出射的光线射入棱镜格栅膜5，并经由棱镜以在近法线方向向外射出；然后由棱镜格栅膜5出射的光线进入上光扩散膜6，经过进一步扩散均匀化后进入液晶部分7。经过多次扩散的光线达到最大程度的均匀化。

本实施例中的光扩散片还可用于具有侧光源的背光模组中，与上述垂直照明的不同点在于，模组内的灯管经导光板向外射出光线，导光板出射面侧的导光元件与垂直式相同，光线经下光扩散膜、栅膜、上光扩散膜至液晶部分。

Claims (8)

1.一种光扩散片的制作方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)制作至少具有一个微透镜结构的压印模仁；

(2)设定计算机控制程序、压印参数及图形文件；

(3)采用微纳米热压印或紫外压印的方法，将步骤(1)中的压印模仁，根据步骤(2)中的控制程序及图形文件，压印于待压印的基材第一压印工作位置上，基材得到相应个数的凹形微透镜；

(4)根据压印参数，改变压印模仁与待压印基材的相对位置，至下一个压印工作位；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至完成所有压印程序。

2.根据权利要求1所述的光扩散片制作方法，其特征在于：将步骤(5)印制所得作为母版，通过精密电铸工艺转移至金属板上，得到压印模板，利用该压印模板通过平面对平面或卷对卷方式压印于光扩散片的基材上，获得所需的光扩散片。

3.根据权利要求1所述的光扩散片制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中，压印模仁与待压印基材的相对位置具有的位移自由度为，以待压印基材所在平面为x-y平面，两者间具有x轴和y轴方向的平移运动自由度，通过x轴和y轴的平移运动到达下一压印工作位；通过压印模仁在z轴方向的平移，完成压印。

4.根据权利要求1所述的光扩散片制作方法，其特征在于：所述基材上的凹形微透镜为半圆球形，球直径为0.01mm～0.1m。

5.根据权利要求1所述的光扩散片制方法，其特征在于：步骤(2)中所述压印参数包括：微透镜结构的分布位置、保压时间、压力大小、加热温度参数，该参数的设定由预先设定的计算机程序及图形文件控制。

6.根据权利要求1或2所述的光扩散片制作方法，其特征在于：所述压印模仁由复数个微透镜结构阵列组成，该阵列图形由预先设计的计算机程序控制，阵列尺寸在0.05mm×0.05mm至5mm×5mm之间。

7.一种光扩散片，包括透明基材层和光扩散层，其特征在于：所述光扩散层由设置于所述基材层一侧表面的复数个凹形微透镜构成，光扩散层与所述基材层为一体结构。

8.根据权利要求7所述的光扩散片，其特征在于：所述凹形微透镜为半圆球形或半椭球形，所述基材层为薄膜型或是板材型中的一种。

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