CN103837925A - 制造纳米层状光导板的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：通过共挤出法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；将共挤出的片材注入至压辊和图案辊之间的辊隙中，以形成其至少一个主表面上具有离散微图案的纳米层片材。另外，本发明进一步提供了将挤出的微图案化的片材裁剪并精整形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。

Description

制造纳米层状光导板的方法
技术领域
本发明涉及一种制造纳米层状(nano-layered)聚合物光导板的方法，该光导板包含多个至少两种交替层(altemating layers)，且更特别地，涉及一种包含多个至少两种不同材料的交替层的共挤出的纳米层状聚合物光导板。
背景技术
液晶显示器(LCD)在成本和性能上不断地改善，成为了优选用于许多计算机、仪器以及娱乐应用的显示技术。典型的LCD移动电话、笔记本以及监视器包括光导板，以接受来自光源的光并且在LCD上或多或少均匀地对光进行再分配。传统的光导板典型地具有0.4毫米(mm)至2mm之间的厚度。光导板应当足够的厚，以与光源有效地耦合并将更多的光朝着观察者重新定向并投射，光源典型地如冷阴极荧光灯管(CCFL)或多个发光二极管(LED)。还有，一般地使用常规注射成型工艺来制造厚度小于约0.8mm且宽度或长度大于约60mm的光导板较为困难和昂贵。另一方面，通常期望的是使光导板“瘦”下来(slim down)从而减少LCD的整体厚度和重量，特别是随着LED在尺寸上越来越小。因而，为了获得最佳的光使用效率、较低的制造成本、厚度以及亮度，需要在这些相互矛盾的需求中求得平衡。传统的光导板较厚且笨重，通常具有超过LCD面板自身的厚度。另一个缺点是在选择用于生产传统光导板的材料上缺乏灵活性。生产用于LCD背光或通用照明应用的光导板所使用的两种非常普遍的聚合物材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。当使用PMMA或其他基于丙烯酸的材料来制造光导板时，如果光导板过薄则易碎且容易被损坏。若使用聚碳酸酯来制造光导板，则光导板具有优秀的机械性能但容易被刮坏或被相邻的薄膜污损(marred)。人们也提出有用于制造LCD光导板的其他材料，但由于较高的成本或某些性能缺陷，鲜少使用这些材料。
在大多数应用中，必须在光导板的一侧上图案化(“单面光导板”)从而获得充足的光提取和重新导向能力。然而，一些情况下，例如在转向薄膜(turning film)系统中，需要在光导板的两侧上微图案化(“双面光导板”)。在LCD的背光单元中使用转向薄膜可以减少为获得充足高亮度水平所需的光处理(management)薄膜的数量。但不幸的是，当光导板相对较薄时(＜0.8mm)，难以获得两侧图案的良好的复制性，这成为了接受转向薄膜这一选择的主要障碍。事实上，制造薄的双面光导板所选择的方法对于控制成本、生产率和质量是非常重要的，这使得转向薄膜技术在经济上更有吸引力。
目前，制造单面-或双面-LGP的方法可选的是注射成型工艺及其一些变型做法。在该工艺中，熔化的热聚合物被高速地注入并挤压入具有微加工表面的模具空腔，在填充模具和冷却阶段，该微加工表面上的图案被转印至固化的模制板的表面上。当板的厚度较大(≥0.8mm)且其横向尺寸(宽度和/或长度)较小(≤300mm)时，注射成型工艺非常的有效。然而，对于两个主表面上都有微图案的较薄的板(＜0.8mm)，注射成型工艺需要较高程度的注射压力，通常会导致了复制性较低、且模制板中存在较高的残余应力和双折射，从而尺寸稳定性较差且生产率较低。
用于制造单面光导板的另一种方法是使用喷墨法、丝网印刷法或其他类型的印刷方法在平坦的挤出浇铸片材的一侧上印刷离散的圆点的微图案。这种工艺的缺点在于挤出浇铸步骤需要额外耗费成本的印刷步骤，而且离散的微提取器的形状和尺寸是预先设定的，无法进行良好的控制。当图案频繁变化时这种方法是有用的，但当双面都需要被印刷且产量较大时，这种方法的吸引力就会显著降低。
制造简化轮廓的光导板的优点被照明领域的技术人员广泛赏识。鉴于用于照明的较薄且挠性的导光结构的固有优点，人们提出了多个解决方案。例如，Rinko提交的专利号为7,565,054、名称为“超薄照明元件(Ultra Thin LightingElement)”的美国专利描述了一种挠性照明器，其形成为波导且使用了用于提取光的离散的衍射结构图案。在所有这些情况中，光导板都是单质的，包括一种材料和单个导光层。
在LCD背光的光导板中使用的聚合物材料的选择被波导和LCD期望的光学和物理性能要求所规定。通常来说，在一些其他的要求中，材料必须具有非常高的透光率、非常低的色度、良好的环境和尺寸稳定性以及较高的耐磨损性。另外，材料还必须是可熔化加工且相对便宜的，从而满足这种产品类别的成本要求。这些严格的要求限制了可选的聚合物树脂仅为非常少的几种材料。如上所述，目前在LCD光导板中使用的两种主要树脂种类是PMMA和PC。这两种材料都具有特殊的优势但也都有一些严重的缺陷。例如，PMMA具有优秀的光学性能和极高的耐磨损性，但易碎且具有临界的环境稳定性。相较而言，PC具有优秀的机械性能和良好的环境稳定性，但光学性能，特别是透光率要逊于PMMA，且其耐磨损性较差。还有，并非所有的塑料材料都可以可靠地制造为较薄的规格且不易破碎和破裂。例如，虽然在’054Rinko专利中提及了PMMA，但其被证明为难以制造成小于0.3mm的厚度。因而使用现有技术和传统材料的这些方案的制造方法也受到了挑战。
因此，需要一种耐用且低成本的光导板，其能合并两种树脂种类所期望的特征并将它们不利特性的影响减至最小。在用于LCD和其他类型的显示器以及通用照明应用中，这种新的材料组合物还必须利于对光进行有效的提取、分配和重新导向。
发明内容
本发明提供了一种制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：通过共挤出法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；将共挤出的片材注入(casting)至压辊和图案辊之间的辊隙中，以形成其至少一个主表面上具有离散微图案的纳米层片材；以及对挤出的微图案化的片材进行裁剪和精整，以形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。
在另一实施方式中，本发明提供了一种制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：通过共挤出法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；将共挤出的片材铸造在一平坦表面上，且对片材进行冷却，以形成固态坯件纳米层状板；在固态坯件纳米层状板的一个表面上印刷用于提取光的适合的点状图案；以及对印刷过的纳米层状板进行裁剪和精整，以形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。
在又一实施方式中，本发明提供了一种制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：通过共挤出法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；将共挤出的片材铸造在一平坦表面上以形成坯件纳米层状板；在铸造坯件纳米层状板的一个表面上进行热压纹以形成光提取微图案；将微图案化的表面冷却至低于纳米层状板的有效玻璃化转变温度；以及对微图案化的纳米层状板进行裁剪和精整，以形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。
附图说明
附图1是使用本发明的纳米层状光导板的显示装置的典型实施例的示意性透视图；
附图2A和2B示出了光导板的底视图和侧视图；
附图3A示出了在与宽度方向相平行的方向上观察的背光单元中光导板的放大的侧视图；
附图3B示出了在与长度方向相平行的方向上观察的光导板的放大的侧视图；
附图3C是光导板上线型棱镜的顶视图；
附图3D是光导板上弯曲波状棱镜的顶视图；
附图4A-1、4A-2和4A-3示出了第一种离散元件的透视图、顶视图和侧视图；
附图4B-1、4B-2和4B-3示出了第二种离散元件的透视图、顶视图和侧视图；
附图4C-1、4C-2和4C-3示出了第三种离散元件的透视图、顶视图和侧视图；
附图5是制备用于制造本发明纳米层状光导板的多层熔融片材的设备的示意图；以及
附图6是使用挤压辊成型工艺形成本发明纳米层状光导板的制造设备的一个典型实施例的示意图。
具体实施方式
通过提供一种包括多个至少两种聚合物材料A和B的交替层(例如，A/B/A/B...)的多层光导板，本发明满足了上述的需求，其中交替层平行于光导板的主表面对准；且在一侧或两侧主表面上设置有微图案以从光源提取光并且将光朝外重新投射至液晶面板。只要任一交替层的厚度小于可见光波长的四分之一或约100纳米(nm)，交替层A和B(相应于聚合物A和B)的厚度可变化。多层光导板可包括多个多于两种的交替层(例如，A/B/C/A/B/C...)，但所有的层的厚度都必须小于可见光波长的四分之一，或＜～100nm。本文中所称的这种多层光导板也可被称为纳米层状光导板。
纳米层状光导板是一种有效的介质复合体，其物理性能是组分材料(A，B，C等)的性能的某种线性组合。因而，基于交替层的相对厚度，纳米层状光导板的光学性质、机械性质和热性能是其组分材料(A，B，C等)的性能的某一中间值。通过选择构成的材料和调节交替层的相对厚度，可以为特定的功能改变和优化纳米层状光导板的有效性能。
在一个实施例中，由下述步骤制备本发明的纳米层状光导板：通过共挤出方法形成包括多个至少两种不同材料的交替层(例如，优选地为聚合物A和B的A/B/A/B...，但也不排除PC和PMMA)的多层熔融片材；将多层熔融片材铸造在载体膜基板上并送入压辊和图案辊之间的辊隙中，其中图案辊具有被转印至铸造多层片材的表面上的适当的微图案。压辊和图案辊保持住一定的表面温度，以实现从图案辊转印至共挤出片材的表面上的特征的良好的复制性。随后，将共挤出片材从图案辊剥下，从载体膜基板上剥离，并将其传送至精整位点以将共挤出图案片材精整成为纳米层装光导板的最终尺寸。
在另一实施例中，由下述步骤制备本发明的纳米层状光导板：通过共挤出方法形成包括多个至少两种不同材料的交替层(例如，优选地为聚合物A和B的A/B/A/B...，但也不排除PC和PMMA)的多层熔融片材；将多层熔融片材铸造在微图案化的载体膜基板上并送入压辊和图案辊之间的辊隙中，其中图案辊和载体膜具有被转印至铸造多层片材的两侧表面上的适当的微图案。压辊和图案辊保持住一定的表面温度，以实现从图案辊和载体膜转印至共挤出片材的主表面上的特征的良好的复制性；随后，将两侧上具有微图案的共挤出片材从图案辊剥下，从载体膜基板上剥离，并将其传送至精整位点以将共挤出图案化片材最终裁剪并精整为纳米层状光导板的特定尺寸。
在又一实施例中，由下述步骤制备本发明的纳米层状光导板：通过共挤出方法形成包括多个至少两种不同材料的交替层(例如，优选地为聚合物A和B的A/B/A/B...，但也不排除PC和PMMA)的多层熔融片材；将多层熔融片材铸造在平坦表面上以生成固态坯料纳米层状片材；采用喷墨法、丝网印刷法或其他已知的印刷方法在纳米层状片材固态坯的一个表面上印刷用于有效地提取光的适当的点状图案；必要时对印刷的油墨进行UV固化；将印刷的纳米层状片材裁剪并精整为纳米层状光导板的特定尺寸。
在又一实施例中，由下述步骤制备本发明的纳米层状光导板：通过共挤出方法形成包括多个至少两种不同材料的交替层(例如，优选地为聚合物A和B的A/B/A/B...，但也不排除PC和PMMA)的多层熔融片材；将多层熔融片材铸造在平坦表面上以生成固态坯料纳米层状片材；通过借助使用光提取微图案复制阴模的模具的适当的热压印，在铸造片材的一个主表面上热压纹形成光提取微图案；将印刷的纳米层状片材裁剪并精整为纳米层状光导板的特定尺寸。
参见附图1，图中示出了显示装置100，其采用光导板10作为背光组件32的一部分。来自光源组件20的光通过输入面12耦合入光导板10。显示面板30，例如LCD面板，调制背光组件32中光导板10的光输出面14射出的光。如图1中的薄膜22和24所示的一个或多个附加的薄膜也可提供为背光组件32的一部分，以改善从光导板10射出的光的方向性、均匀性或其他特性，或是为穿过LCD面板30的光提供偏振性。通过面板的光路由虚线箭头R示出。典型地但非排他地，设置在底面16上的离散微型特征阵列有助于光导板10提取光并对光重新定向。通常，在光导板10下方还设置有光反射器，其与特征化的表面16相邻，以提高来自光源的光提取效率。输出面14和底面或特征化表面16被称为光导板的主表面。
LCD背光和通用照明装置中的光导板或薄膜的通用功能是将发自点状光源、多个诸如发光二极管(LED)的点状光源或诸如冷阴极荧光灯(CCFL)的线光源的光转换为平面或曲面光发射表面。期望的是，来自光源的光被有效地提取且尽可能均匀地从输出面射出。
如图2A和2B所示，光导板10具有用于耦合发自光源20a的光的光输入面12、用于从光导板射出光的输出面14、与输入面12相背的端面13、与输出面14相背的底面16以及两个侧表面15a和15b。光源20a可以是单个诸如CCFL的线光源、诸如LED的点状光源，或是多个诸如LED的点状光源。
本发明的光导板采用形状为离散元件且设置在其一个主表面上的光提取微结构，任选地，采用通常形状为连续棱镜且设置在光导板的相背表面上的光-再导向(light-redirecting)微结构。真正的棱镜具有至少两个平坦表面。然而，由于并非在所有的实施例中，光-再导向结构的一个或多个表面都为平坦表面，还可以是曲面或是为多段式，因而在说明书中更常用的术语是“光-再导向结构”。典型而非排他地，在底面16上设置光提取微图案217，在光导板的输出面14上设置光-再导向结构。
光导板10具有由其底面16上的点所表示的离散元件的微图案217。图案217具有长度L0和宽度W0，分别平行和正交于光源20a的光线。通常，图案217在长度方向上、宽度方向上或是在这两个方向上的尺寸小于光导板10。即，L0≤L及W0≤W。离散元件的尺寸和数量沿着长度方向和宽度方向可发生变化。可选地，图案217可在光导板10的输出面14上。
通常，离散元件的密度函数D2D(x，y)随位置(x，y)发生变化。实际上，密度函数D2D(x，y)在宽度方向上微弱地改变，但在长度方向上明显地改变。为简化起见，通常使用一维密度函数D(x)来描绘离散元件的图案，且该函数可按照下式计算，例如D(x)＝∫D2D(x，y)dy≈W0D2D(x，0)。其他形式的一维(1D)密度函数也可容易地由2D密度函数D2D(x，y)来导出。下文中，独立变量x应被解释为任意可用于计算一维密度函数D(x)的变量。举例来说，如果光源是点状的且临近光导板的角部，则x可为自原点O计的半径。
图3A示出了当从与宽度方向平行的方向观察时，光导板10、诸如转向薄膜22或扩散片材的棱镜膜、以及反射膜142的放大的侧视图。可选地，光导板10的输出面14上是多个棱镜216，底面16上是多个离散元件227。图3B示出了沿长度方向观察时，光导板10的放大的侧视图。输出面14上的每个棱镜216通常具有顶角α0。棱镜可具有圆形顶角且可被透镜(lenticular)图案替代。图3C是棱镜216的顶视图。在该实施例中，棱镜彼此平行。在图3D示出的另一实施例中，棱镜216是曲面或波状的。本发明中可使用任意已知改良类型的棱镜或透镜(圆化)元件。示例包括但不限于具有可变高度、可变顶角及可变间距的棱镜。然而，最常见地，光导板的输出面是平坦且无特征的。
图4A-1、4A-2和4A-3分别示出了可用于本发明的一种离散元件227a的透视图、顶视图和侧视图。每个离散元件基本上为三角形分段棱镜。附图4B-1、4B-2和4B-3分别示出了可用于本发明的第二种离散元件227b的透视图、顶视图和侧视图。每个离散元件基本上为具有平坦顶部的三角形分段棱镜。附图4C-1、4C-2和4C-3分别示出了可用于本发明的第三种离散元件227c的透视图、顶视图和侧视图。每个离散元件基本上为圆化分段棱镜。还可使用诸如圆柱、半球和球体的其他已知形状的离散元件。它们可以是对称和不对称的。
用于LCD背光和通用照明装置的光导板中使用的聚合物材料的选择被波导和LCD期望的光学和物理性能要求所规定。由于所有的光导板都需在较长距离上传输光，因而可见光谱内的光吸收度和色度影响对于光导板有效地提取光的能力而言特别关键，可将吸收损耗减至最小且不改变由输出面发射的光的颜色。另外，较薄的光导板必须足够的坚固、耐用和耐磨性以将破裂和由与光导板的表面相邻的光处理膜的相对移动所造成的磨损型缺陷减至最少。最后，光导板必须具有环境稳定性且是低成本的，这要求使用相对便宜且具有环境稳定性的材料。所有这些关键的要求限制了可选为用于制造光导板的材料仅为非常少的几种实际有用的材料选择。如上所述，目前在用于LCD背光和通用照明装置的光导板中使用的两种主要树脂种类是聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和双酚A聚碳酸酯(PC)。这两种材料都具有特殊的优势但也都有一些严重的缺陷。例如，PMMA具有优秀的光学性能和较高的耐磨损性，但易碎且具有临界的环境稳定性。相较而言，PC具有优秀的机械性能和良好的环境稳定性，但其光学性能要略逊于PMMA，且其耐磨损性较差。还有，并非所有的塑料材料都可以可靠地制造为较薄的规格且不易破碎和破裂。例如，虽然在’054Rinko专利中提及了PMMA，但其被证明为难以制造成小于0.3mm的厚度。因而使用现有加工技术和传统材料的这些方案的制造方法也受到了挑战。
本发明提供了一种由至少两种不同光学材料的交替层(例如，聚合物A和B的A/B/A/B...的层结构)构成的多层聚合物光导板，其中所有的层的厚度小于光波长的四分之一且大体上平行于光导板的主表面；以及其中一个或两个主表面(图1中的表面16和/或14)包含有图案以使得光导板能够自一个光源或设置在光导板的一个或多个边上的多个光源提取光并进行重新导向。多个交替层可包括约一百个至几千个不同的层。为最大程度减少不期望的散射损耗和多层结构内的波导，交替层的厚度可变化，但厚度皆不大于可见光波长的四分之一，典型地＜100nm。对于一些特定应用，厚度范围可扩展至＜150nm。如果任一交替层的厚度大于可见光波长的四分之一，则光会被限制在多层膜内，因而对光导板提取光的效率产生不利的影响。本发明的多层光导板具有至少两种不同聚合物的交替层、且层的厚度小于可见光波长的四分之一，或小于～100nm，也被称为纳米层状光导板。
纳米层状光导板是一种有效的介质复合膜或片材，其有效的物理性能是组分材料(A，B，C等)的性能的某种线性组合。因而，基于交替层的相对厚度，纳米层状光导板的光学、机械和热性能是其组分材料(A，B，C等)的性能的某一中间值。采用有效介质理论，可由下式来表示具有两个交替层A和B的纳米层膜的光学性能和其他物理性能(p)：
p＝pAx+pB(1-x)
其中，x是层A的厚度分数。对于诸如A/B/C/D/...，A/B/C/B/A/...的具有多于两个交替层和不同结构的纳米层状膜，也适用与上述相似的表示。在后一种结构层中，C可作为联系层以改善层A和B之间的层间粘合性。因此在保持任意和所有层的厚度＜150nm且更优选地＜100nm/层的情况下，通过正确(judicious)选择交替材料和调节交替层的相对厚度，可以为特定功能和应用改变和优化纳米层状光导板的有效性能。例如，如果纳米层状光导板中的两种交替材料是聚碳酸酯(PC)和聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，则光导板的物理性能是PC和PMMA性能的某种线性组合。从而，相对于PC的纳米层状结构，刮伤和污损的敏感性将被改善。同样地，由于多层结构中存在有光学性能优良的PMMA层，因而相对于PC结构，复合结构的光学性能，特别是透光率和色度有望被改善。还有，由于增加了PC交替层，鉴于其玻璃化转变温度更高、更加坚固且对潮湿度较不敏感，PMMA的易碎性及环境缺点有望被改善。
材料
虽然PMMA和PC特别适于用在本发明的纳米层状光导板中，在纳米层化结构中可使用许多其他可选的透明材料，及通常多于两种的交替材料。本发明的纳米层状光导板可由可熔化加工的各种类型的透明聚合物任意组合形成。这些材料包括但不限于可被进一步加工为选自下述族的聚合物的均聚物、共聚物和低聚物：聚酯、聚芳酯(polyarylate)、聚碳酸酯(例如，包含不同于双酚A的部分的聚碳酸酯)、聚酰胺、聚醚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚酰亚胺(例如，热塑聚酰亚胺和聚丙烯酸酰亚胺)、聚醚酰亚胺、环烯烃聚合物、抗冲改性的聚甲基丙烯酸酯，聚丙烯酸酯/盐，聚丙烯腈及聚苯乙烯、苯乙烯类塑料的共聚物和混合物(例如，苯乙烯-丁二烯共聚物、苯乙烯-丙烯腈共聚物及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物)、聚醚(例如，聚苯醚、聚(二甲基苯醚))、纤维素(例如，乙基纤维素、醋酸纤维素、丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素及硝化纤维素)、以及含硫聚合物(例如，聚苯硫醚、聚砜、聚芳砜及聚醚砜)。也可使用两种或更多种以上聚合物或共聚物的光学透明、相容性的混合物或合金(alloy)。
在一些实施例中，纳米层状光导板适宜包括可熔化加工的挠性聚合物。为了实现本发明的目的，挠性聚合物为在典型的使用温度范围下能够环绕直径为5cm的圆柱体而不发生破裂的薄膜或片材体的聚合物。期望地，光导板包括的聚合物材料的有效总透光率至少为85％(ASTM D-1003)，更期望地至少为90％，且雾度(ASTM D-1003)不大于2％，更期望地不大于1％。一般地，合适的聚合物本身可为结晶型、半结晶型或无定形的，但无定形的聚合物是最适合的，这是由于他们能够形成光学均一的结构，并且具有最低的雾度。为了最佳地符合用于显示器和通用照明应用的热尺寸稳定性要求，纳米层状光导板中的聚合物应具有至少为85℃的总有效玻璃化转变温度(Tg)(ASTM D3418)，且室温下的热膨胀系数(ASTM D-696)不大于1.0×10-4mm/mm/℃。通过选择用作纳米层化光导板的交替层的聚合物的正确组合，可显著地改善这些性能。
特别适于用于本发明的纳米层状光导板的可熔化加工的聚合物包括无定形聚酯(即，在用于制造纳米层状光导板的挤出工艺所采用的时间和温度的情况下，不会自发地形成结晶形态的聚酯)、聚碳酸酯(即，基于诸如双酚A的二羟基酚类的聚碳酸酯)、包括酯和碳酸酯/根部分的聚合物材料、以及环烯烃聚合物。此外，诸如聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯和聚(丙烯腈)的通常易碎但可熔化加工的聚合物在通过合并入抗冲改性聚合物颗粒后(例如，包括软芯/硬壳胶乳颗粒的抗冲改性PMMA)也是适于用于本发明的材料，前提是抗冲改性剂并不使得纳米层状复合体的光学性能退化至不符合光导板光学性能要求的程度。聚合物层的挠性性质是期望的，但对实践本发明来说并不是必需的。在纳米层状结构的一个或多个交替层中也可使用各种类型的纳米复合体，包括混合有尺寸远小于共挤出层的厚度的纳米颗粒的基质聚合物，前提是所添加的纳米颗粒并不对由其制成的纳米层状光导板的光学性能产生不利的影响。
适于用在聚酯中的单体和共聚单体可为二醇、二羧酸或酯类。二羧酸共聚单体包括但不限于对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸、所有异构萘二甲酸、联苯二甲酸诸如4，4’-联苯二羧酸及其异构体、反-4，4’-茋二羧酸及其异构体、4，4’-二苯醚二羧酸及其异构体、4，4’-二苯基砜二羧酸及其异构体、4，4’-二苯酮二羧酸及其异构体、卤代芳香族二羧酸，诸如2-氯代对苯二甲酸和2，5-二氯对苯二甲酸，其他取代的芳香族二羧酸，诸如叔丁基间苯二甲酸和磺化的间苯二甲酸钠、环烷烃二羧酸，诸如1，4-环己烷二羧酸及其异构体、2，6-十氢化萘二羧酸及其异构体、双-或多-环二羧酸(诸如各种异构降冰片烯(norbornene)和降冰片烯(norborene)二羧酸、金刚烷二羧酸及二环辛烷二羧酸)、烷烃二羧酸(诸如癸二酸、己二酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、壬二酸及十二烷二羧酸)、以及任一种稠环芳烃(诸如茚、蒽、菲、苯嵌萘、芴等)的异构二羧酸。也可使用其他脂肪族、芳香族、环烷烃或环烯烃二羧酸。可选地，任意这些二羧酸单体的酯，诸如对苯二甲酸二甲酯，可用于替代二羧酸自身或与其相结合使用。
适宜的二醇共聚单体包括但不限于直链或支链烷烃二醇(诸如乙二醇、诸如1，3-丙二醇的丙二醇、诸如1，4-丁二醇的丁二醇、诸如新戊二醇的戊二醇、己二醇、2，2，4-三甲基-1，3-戊二醇及更高级的二醇)、醚二醇(诸如二甘醇、三甘醇和聚乙二醇)、链酯二醇，诸如3-羟基-2，2-二甲丙基-3-羟基-2，2-二甲基丙基-3-羟基-2，2-二甲基丙酸酯、环烷烃二醇，诸如1，4-环己烷二甲醇及其异构体，及1，4-环己二醇及其异构体，双-或多-环二醇(诸如各种异构三环癸烷二甲醇、降冰片烷二甲醇(norbomane dimethanol)、降冰片烯二甲醇(norbomenedimethanol)、及二环辛烷二甲醇)、芳香族二醇(诸如1，4-苯二甲醇及其异构体、1，4-苯二酚及其异构体、诸如双酚A的双酚、2，2’-二羟基联苯及其异构体、4，4’-二羟甲基联苯及其异构体、及1，3-二(2-羟基乙氧基)苯及其异构体)，以及较低级的(lower)烷基醚或这些二醇的二醚，诸如二甲基或二乙基二醇。也可使用其他的脂肪族、芳香族、环烷基和环烯基二醇。
包括酯和碳酸酯部分的聚合物材料可为(可混溶性)混合物，其中至少一种成分为基于聚酯的聚合物(均聚物或共聚物)，另一成分为聚碳酸酯(均聚物或共聚物)。通过例如传统熔化加工技术可制造这种混合物，其中聚酯粒料(pellet)与聚碳酸酯粒料混合，随后在单螺杆或双螺旋挤出器中熔融混合以形成均匀的混合物。在熔化温度下，在聚酯和聚碳酸酯之间可能发生一些交换反应(酯交换反应)，可通过添加诸如亚磷酸盐化合物的一种或多种稳定剂来控制转移反应的程度。可选地，包括酯和碳酸酯/盐部分的聚合物材料可以是通过二羟基苯酚、碳酸酯/盐前体(诸如光气)与二羧酸、二羧酸酯或二酰基卤发生反应来制备的共聚酯碳酸酯/盐。
环烯烃聚合物是一种非常新的聚合物材料种类，其具有高的玻璃化转变温度、高的透光率及低的光学双折射。在实践本发明中使用的无定形环烯烃聚合物包括均聚物和共聚物。环烯烃(共)聚合物例如包括诸如α-烯烃的非环烯烃与环烯烃的环烯烃加成共聚物；乙烯，环烯烃和α-烯烃的环烯烃加成共聚物；以及由环状单体开环聚合后再氢化而制备的均聚物和共聚物。优选的环烯烃聚合物由具有降冰片烯或四环十二碳烯结构的环烯烃组成。优选环烯烃聚合物和共聚物的典型示例包括：降冰片烯/乙烯共聚物、降冰片烯/丙烯共聚物、四环十二碳烯/乙烯共聚物、及四环十二碳烯/丙烯共聚物。目前，市场上可售的环烯烃聚合物包括APELTM(三井化学株式会社(Mitsui Chemical Inc.))、
Figure BSA00000912118600121
(JSR公司(JSR Corporation))、
Figure BSA00000912118600122
(提柯那公司(Ticona GmbH))及
Figure BSA00000912118600123
和(泽恩化学公司(Zeon Chemical Corporation))。这种聚合物的光学性能通常非常适于用在光导板中，但其造价较贵且非常易碎。因而，将这些材料与诸如PMMA或PC的较便宜的聚合物组合，能够弱化这种光学材料的某些缺点，生产出具有良好平衡的光学性能与物理性能的纳米层状光导板。
制造
可使用多种熔融挤出铸造方法来制造本发明的纳米层状光导板。在所有的情况中，加工工艺的第一步涉及采用所需的层状组合物来制备共挤出的多层熔融片材。如下文所述，通过沿熔体流添加多个层增加元件，能够增加层的数目且相应地将层的厚度减小至期望的水平。由于在共挤出的多层熔融片材的铸造中期望的下拉，因而该步骤中的层厚度可能会超过最终纳米层状光导板中所要求的～100nm的上限。图5中示意性地示出了用于制备本发明的多层制品的挤出装置300，其中使用第一、第二或可选的第三或更多的挤出机(在两个交替层和两个挤压机的情况下，分别为310、320)来生成不同聚合物的独立的熔体流以送入进料块区(feedblock)共挤出模头330，可选地，进料前通过合适的熔体泵315和325。当需要生产具有诸如A/B/C/A/B/C...或A/B/C/B/A/B/C/B/...等的多于两个交替层的光导板时，使用可选的第三挤出机。第三聚合物在其光学性能和物理性能上与第一和第二聚合物不同。在一个实施例中，第三聚合物可包括第一和第二聚合物的共聚物，且作为增强第一和第二层之间的层间粘合性的有效联系层。可选地，使用多于三个的挤出机和多于三个的交替层。虽然图中显示的是共挤出进料块区模头330，所属领域技术人员可以理解也可使用其他类型的共挤出模头来挤出多层膜。
从共挤出进料块区模头330中输出的层状共挤出型材传输通过一系列设计用来增加层的数目且同时减小层厚度的层增加元件350。图5中示意性地示出了三个增加元件(350a，350b，350c)，但基于多层结构中所需的层的总数目，可随意改变增加元件的个数。在多层结构具有两个交替层A和B的情况下，层的数目m由下式给出：
m＝2n
其中n为增加元件的个数。因而，对于充足数量的层增加元件，能够增加层的个数且相应地将层厚度减小至位于期望的范围内，即＜150nm且更优选地＜100nm。在通过层增加元件后，熔体流通过一合适的片材模头360，其中在铸造之前调节多层熔融共挤出型材450的最终形状。
在制备了共挤出的多层熔融片材之后，如制备本发明的纳米层状光导板所要求的，可遵循多个不同的加工工艺实施例来对片材的一个或两个主表面进行图案化。下文描述了一些典型实施例。在一个实施例中，如图6中示意性示出，遵循所谓挤压辊成型工艺来对多层共挤出工艺生产的多层片材的一个或两个主表面进行图案化。这里，下文中所描述的工艺特别适于丝网(web)制造和辊到辊操作，且容易适于本发明的纳米层状光导板的制造。在其一个实施例中，该工艺包括下述步骤：
1)将从挤出装置400中输出的多层聚合物片材铸造在从供应辊472输送至两个反向旋转的辊480和478之间的辊隙中的坚硬、但呈挠性的聚合物承载膜474上。辊480为图案辊，特点为其表面上具有微图案，该图案被设计为转印至光导板上且用于自光源提取光。辊480的表面温度TPaR，1维持为TPaR，1＞Tg1-50℃，其中Tg1为挤出的纳米层状聚合物片材450基于有效介质理论的有效玻璃化转变温度。辊478为压辊，具有柔软的弹性表面以及表面温度TP，1，且表面温度TP，1＜TPaR，1。两个辊之间的辊隙压力P维持为在辊的宽度上P＞8牛顿/毫米。在实践本发明中可使用多种类型的承载膜，但承载膜的一个通常示例是聚(对苯二甲酸乙二酯)(PET)膜，其具有挠性、硬度、坚固性和低成本的合理组合。
2)由辊隙区域输出的承载膜474和铸造多层聚合物片材450优先附着至图案辊480，形成具有期望厚度单元的多层聚合物片材，直至在辊隙的下游某距离处发生固化。
3)在剥离点481处，固化的多层片材410从图案辊480剥下，从承载膜上剥离；承载膜474一旦与固化的多层片材相分离，则卷绕在卷取辊482上。固化的多层片材410一旦从图案辊480上剥下且与承载膜474分离，则在控制的张力下收纳至收纳站，在收纳站处，片材可以进行在线精整(形成片材)，或缠绕在辊484上并在稍后进行精整，以生产出本发明的纳米层状光导板。所述图案化的纳米层状光导板的厚度d典型地在0.20至5.0mm之间变化，但对于挤压辊成型工艺，d优选地在0.20至0.8mm的范围内，且更优选地，在0.3至0.7mm的范围内。在一些情况下，在制造多层聚合物制品的时候承载膜474的使用是任选的，但在不使用承载膜的情况下控制制造的光导板的质量通常是更困难的。
可在一个单独的图案化步骤中制备本发明的纳米层状光导板，其中在不使用承载膜的情况下，通过在图案辊480和压辊478上均设置图案以在两个表面上形成图案。由于在辊隙区域中，树脂的存留时间较短且与图案化的压辊478接触的时间较短，因而优选的是从压辊478上转印的图案是容易被复制的(例如，非常浅的特征)，从而在图案化片材的两侧上均获得可接受的复制保真度。此外，通过操作交替的树脂以在压辊侧上设置具有更易被复制和成型特性的树脂层，能够在较短的接触时间内获得较好的复制性。在这方面，有用的树脂的示例是成分与纳米层状光导板中使用的主体聚合物相似但分子量更低的聚合物，或是由合适的塑化剂配制的树脂。对纳米层状光导板的第二表面进行图案化的另一种方法还包括使用图案化的承载膜474，其上具有在辊隙区域中被转印至多层铸造片材的另一主表面上的必需图案，且其可容易地在剥离点481的下游处与形成的纳米层装光导板相剥离。
在表面图案化步骤的另一实施例中，可由下述步骤制备本发明的纳米层状光导板：
(1)通过共挤出方法形成包括多个至少两种不同材料的交替层(例如，优选地为聚合物A和B的A/B/A/B...，但也不排除PC和PMMA)的多层熔融片材；
(2)将多层熔融片材铸造在平坦表面上，并冷却所述片材，以生成纳米层片材或板层的固态坯件；
(3)采用喷墨法、丝网印刷法或其他已知的印刷方法在固态坯件纳米层浇铸片材的一个表面上印刷用于有效地提取光的适当的点状图案。在一个优选实施例中使用可UV固化的油墨，但在该步骤中也可使用其他类型的油墨。
(4)如有必要，对印刷的墨进行UV固化；
(5)将印刷的纳米层片材裁剪并精整为本发明光导板的最终尺寸。
在又一实施例中，可由下述步骤制备本发明的纳米层状光导板：
(1)通过共挤出方法形成包括多个至少两种不同材料的交替层(例如，优选地为聚合物A和B的A/B/A/B...，但也不排除PC和PMMA)的多层熔融片材；
(2)将多层熔融片材铸造在平坦表面上以生成纳米层片材或板层的坯件；
(3)通过借由具有光提取微图案阴模的模具的适当的热压印，在铸造片材的一个主表面上热压纹形成光提取微图案。为了获得模制图案的良好的复制性，压纹表面的温度必须被升至超过纳米层片材的有效玻璃化转变温度；
(4)将图案化表面冷却至低于纳米层片材的有效玻璃化转变温度；
(5)将图案化的纳米层片材裁剪并精整为本发明光导板的最终尺寸。
需要注意的是，挤压辊成型工艺通常限制为生产较薄的光导板(d＜0.8mm)，而上述示例性的印刷和热压纹工艺则更好地适于制备较厚的光导板(d≥0.8mm)。
因而，本发明提供了一种纳米层状光导板，其包括多个共挤出聚合物、热塑性材料的交替层，其中交替层的厚度小于可见光波长的四分之一且大体上平行于光导板的主表面；其中一个或两个主表面上包含有图案，以使得光导板能够自一个光源或设置在光导板的一个或多个边上的多个光源提取光并对光进行重新导向。该光导板可用在LCD背光和通用照明应用中，因而被光导板提取的光朝着LCD面板投射，或者在通用照明装置中朝着照明区域投射。

Claims (9)

1.一种制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：
通过共挤出法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；
将共挤出的片材注入至压辊和图案辊之间的辊隙中，以形成其至少一个主表面上具有离散微图案的纳米层片材；以及
将挤出的微图案化的片材裁剪并精整以形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。
2.根据权利要求1的方法，其中交替材料层是重复的A/B/A/B/…类型，且A和B层包括两种不同的光学聚合物。
3.根据权利要求1的方法，其中交替材料层是重复的A/B/C/A/B/C/…类型，且A、B和C层包括三种不同的光学聚合物。
4.根据权利要求1的方法，其中交替材料层的厚度小于150nm，且更优选地，厚度小于100nm。
5.根据权利要求1的方法，其中交替材料层是重复的A/C/B/C/A/C/B/C/…类型，且A、B和C层包括三种不同的光学聚合物。
6.根据权利要求1的方法，其中交替材料层包括不同的光学透明聚合物，所述聚合物包括但不限于聚(甲基丙烯酸甲酯)或其他丙烯酸类聚合物、聚碳酸酯、聚酯、聚环烯烃和其他无定形烯烃聚合物、聚酰胺、聚酰亚胺、苯乙烯类聚合物、聚氨酯、聚砜、及上述物质的共聚物或混合物。
7.根据权利要求1的方法，其中纳米层状光导板进一步地包括位于与主表面相背的一侧上的连续微图案。
8.一种制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：
通过共挤出方法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；
将共挤出的片材铸造在一平坦表面上，且对片材进行冷却以形成固态坯件纳米层状板；
在固态坯件纳米层状板的一个表面上印刷用于提取光的适合的点状图案；以及
对印刷过的纳米层状板进行裁剪和精整，以形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。
9.一种制造纳米层状光导板的方法，该方法包括：
通过共挤出方法形成包括多个两种或更多种不同交替材料层的多层熔融片材；
将共挤出的片材铸造在一平坦表面上以形成坯件纳米层状板；
在铸造坯件纳米层状板的一个表面上热压纹形成光提取微图案；
将微图案化的表面冷却至至于纳米层状板的有效玻璃化温度；以及
对微图案化的纳米层状板进行裁剪和精整，以形成纳米层状光导板，该光导板包括多个两种或更多种不同交替材料层，且每一层的厚度小于可见光波长的四分之一。
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