CN1187639C - 导光板及其模具的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种导光板及其模具的制造方法，是结合各向异性蚀刻和各向同性蚀刻方法，于一基板的背面与正面成形若干微结构，然后以电铸方式于基板表面成形下模具或上模具，再通过下模具或上模具成形导光板，在基板正面用各向异性蚀刻方式制造出V型，U型或金字塔型微结构，在基板背面用各向同性蚀刻方型、碗型、椭圆形或半圆形的微结构，基板采用透光的基板，搭配灯管、反射片、扩散片、棱镜片模拟背光模组进行辉度、均匀度与视角的测试，不需制成模具和射出导光板即可知道光学的特性与分布，待完成光学验证后，再进行后续的电铸翻制模具和导光板的成型。

Description

导光板及其模具的制造方法

技术领域

本发明是有关于一种导光板及其模具的制造方法，特别是指一种用以制造发光平面显示器的背光模组导光板的导光板及其模具的制造方法。

背景技术

非自发光平面显示器(如液晶显示器)的光源来自平面光源模组，透射型液晶显示器采用背光模组，反射型液晶显示器采用前光模组。背光模组是一种将线形光源(如冷阴极管)或点状光源(如发光二极管)转换成高亮度和面均齐度的平面光源的简洁有效模组结构。如图1及图2所示，为传统背光模组的构造，冷阴极管1线形光源置于导光板2端面，光源经灯管反射罩1A反射进入导光板2，由于导光板2具有光传导功能，其内光线可呈稳定直线前进且不会衰减散射，因此可向另侧端面前进，并不会向正、背两平面逸出。导光板2背面制造有高密度的微结构3，以破坏其内光源全反射条件，则导光板2内光源将从正面方向逸出，由于光源的辉度会随灯管距离衰减，因此，微结构3的位置安排是近灯管处密度低，而远灯管处密度高，以调整正面方向逸出光源的面均齐度；下扩散片4是紧接着导光板2上端，其功能在扩散导光板2正面逸出光源的分布角度，使得光源扩散；下扩散片兼具模糊导光板微结构影像的功能；一下棱镜片5与上棱镜片6是分别紧接着下扩散片4上端，下棱镜片5与上棱镜片6的构造大致上为表面具有V型沟槽的微结构的透明板体，且二者表面的V型沟槽排列方向是相互垂直，其功能在聚集光源能量，使得光源的能量集中在以导光板法线方向为中心的固定分布角度内，提升分布角度内光源的亮度，以达到增加LCD可视角范围的目的。上扩散片4置于背光模组最上层，以模糊下棱镜片5与上棱镜片6微结构影像的功能为主。

导光板2背面的微结构3可为方型、碗型、椭圆形或半圆形微结构的构造，以调整其正面方向逸出光源的面均齐度；微结构大小从厘米到微米级，微结构愈小，则可愈细致调整光源的面均齐度，并可避免微结构影像破坏显示器影像品质，此为导光板微结构微细化需求。

导光板2正面可为镜面，也可设置微结构以取代前述棱镜片功效，若为V型微结构，则其光学结构与传统正面镜面结构导光板加上一片棱镜片合成的光学结构相同，因此可以去除一片棱镜片；

若导光板正面为金字塔形微结构，则其光学结构与传统正面镜面结构导光板加上二片棱镜片合成的光学结构相同，因此可以去除二片棱镜片。但两者皆须精确掌控微结构斜面与顶角，此为导光板微结构多样与尺寸精确化需求。

传统导光板表面微结构制造，有以下方式：

1、网板印刷式：于导光板表面以网板印刷油墨或树脂。其主要缺陷在于：局限于网板网目的大小，微结构大小在300微米以上，微结构形状不稳定，且不具有微结构多样化能力。

2、喷砂与蚀刻式：以金属板经喷砂与蚀刻后作为母模，经电铸翻模与塑胶射出或热压方式成型导光板。其主要缺陷在于：微结构形状不稳定，且不具有微结构多样化能力。

3、机械加工式：是以成型钻石刀具加工母模，经电铸翻模制造一模具，再利用模具以塑胶射出或热压方式成型导光板。该方法可控制所成型的微结构的形状与尺寸，而具有微结构多样化能力。其主要缺陷在于：但局限于刀具的大小，其微结构的尺寸在数十微米以上，而无法微细化，且加工定位精度与刀具损耗造成微结构形状不稳定。

4、光致抗蚀剂光刻铸模式：(如美国专利5,776,636)，是以光致抗蚀剂涂布基板，光致抗蚀剂经曝光、显影在基板上成型出微结构的形状后，再以电铸翻模方式成型一模具，再利用模具以塑胶射出或热压方式成型导光板。其主要缺陷在于：制程较为复杂，成本较高。

综上所述，传统方法的主要缺陷在于：

1、由于导光板的微结构的形状与尺寸关系到其光学性能的表示，因此所要求的精度极高，所以其开发时必须反复试验修正，方能得到满意效果，然而由于传统制造方法都必须开模射出或热压成型制造出导光板后，才能加以测试，因此导光板开发时，必须执行上述所有制程后，导光板才可以进行光学验证，周而复始耗时伤财直到验证成功。

2、其次导光板表面微结构的高度变异受光致抗蚀剂涂布平坦度影响，从而限制导光板微结构微细化与尺寸精确化。另外本方式亦限制了导光板表面微结构多样化需求。

众所周知，以蚀刻方式制造微结构的方法可分为各向同性蚀刻及非各向同性蚀刻二种方法，在进行蚀刻时，若对每个方向(xyz轴)的蚀刻速度皆为一样，即为各向同性蚀刻，这种蚀刻可以通过改变蚀刻液的组成、蚀刻温度、搅拌状态等条件，而蚀刻出各种形状的微结构(如方形结构、碗形、椭圆形及半圆形微结构等)。而各向异性蚀刻是利用蚀刻液对单结晶材料不同的晶格方向具有不同蚀刻速度的特性进行蚀刻，因此可以将单结晶材料蚀刻出特定的形状，如V型、U型或金字塔微结构。各向异性蚀刻制造方法是选择单结晶的基板，如单晶硅、石英、砷化镓、铌酸锂等基板，接着于基板上成长蚀刻的掩模薄膜，经涂布光致抗蚀剂与曝光显影，蚀刻掩模薄膜，利用剩余的薄膜作为蚀刻掩模，再利用各向异性蚀刻液蚀刻单结晶基板，因为各向异性蚀刻液对不同的结晶方向具有不同的蚀刻速率，所以可以蚀刻出具特定角度的V型、U型或金字塔微结构。例如若选择晶格方向为<100>硅基板，在硅基板上成长二氧化硅涂布光致抗蚀剂与曝光显影后，再以氢氟酸蚀刻二氧化硅，并去除光致抗蚀剂后，利用剩余的二氧化硅作为蚀刻的掩模，进行单精细各向异性蚀刻，蚀刻单晶硅可以使用氢氧化钾、氢氧化钠、乙二胺、联胺等蚀刻液，因为对不同的晶格方向有不同的蚀刻速率，所以可以蚀刻出特定的晶格面，进而在硅基板上各向异性蚀刻出V型、U型或金字塔微结构。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种导光板及其模具的制造方法，主要利用曝光显影技术，并结合各向异性蚀刻和各向同性蚀刻的方法，在基板制造微结构，再进行电铸翻模与成型导光板。其中成型导光板正面微结构的上模具，是利用各向异性蚀刻基板，制造V型，U型或金字塔型等微结构，经过翻铸模具后，提供导光板的成型，使导光板正面成型V型，U型或金字塔型等微结构，因而具备将光线折射至特定角度，提高正面光线的亮度，控制光线正面出射的角度的功能；成型导光板背面微结构的下模具是利用各向同性蚀刻基板，制造方型、碗型、椭圆形或半圆形微结构，经过翻铸模具后，提供导光板的射出，使导光板背面成型方型、碗型、椭圆形或半圆形的微结构，因而具备将光线散射的功能，改变微结构的密度，即可调整光线散射的多寡，进而调整背光模组的辉度与均匀度，达到控制出射光线均匀分布在整个导光板正面(出光面)的效果。结合上、下模具成型导光板后，导光板在背面具有与下模具相同的方型、碗型、椭圆形或半圆形微结构，在正面具有与上模具相同的V型、U型或金字塔微结构。若导光板正面为V型微结构，则其光学结构与传统正面镜面结构导光板加上一片棱镜片合成的光学结构相同，因此可以去除一片棱镜片；若导光板正面为金字塔形微结构，则其光学结构与传统正面镜面结构导光板加上二片棱镜片合成的光学结构相同，因此可以去除二片棱镜片，因此本发明可达到降低背光模组零件数目、提升产品的品质和节省成本的目的。

本发明另一目的是提供一种崭新的导光板开发验证方法，是结合各向异性蚀刻和各向同性蚀刻单结晶的透光基板，在透光基板正面各向异性蚀刻V型，U型或金字塔型微结构，在透光基板背面各向同性蚀刻方型、碗型、椭圆形或半圆形的微结构，透光基板经过本发明的制程蚀刻完成即具有与塑胶射出成型的导光板相同的微结构，即可以搭配灯管、反射片、扩散片、棱镜片模拟背光模组的特性，进行辉度、均匀度与视角的测试。不需制成模具与射出导光板即可知道光学的特性与分布，待完成光学验证后，再进行后续的电铸翻制模具和导光板的成型。克服传统方法必须利用印刷方式、蚀刻方式或是模具方式制造导光板的制程，必须执行所有制程，包括制造模具，翻铸模具，射出导光板后才可以进行光学测试的缺点，达到节省开发时间和制造成本的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种导光板及其模具的制造方法，包括于一透光基板上以蚀刻方式成型若干微结构，以该透光基板翻制一模具，利用该模具以塑胶射出、热压、滚压或涂布方式成型一导光板，该导光板表面具有与该透光基板表面的微结构形状相同的微结构，其特征是：该透光基板蚀刻完成后，先以该透光基板搭配灯管、反射片、扩散片、棱镜片组件，模拟背光模组的特性，进行辉度、均匀度与视角的测试，并调整该透光基板表面的微结构的形状尺寸后，再以该透光基板翻制模具。

该透光基板的背面是以各向同性蚀刻方式成型若干微结构，该若干微结构的形状选自下列形状之一：方形、碗形、椭圆形或半圆形。该成型导光板背面微结构的下模具是利用各向同性蚀刻基板，制造方型、碗型、椭圆形或半圆形微结构，经过翻铸模具后，提供导光板的成型，其制程包括下列步骤：

a、于基板上涂布光致抗蚀剂层；

b、曝光显影；

c、各向同性蚀刻基板制造微结构；

d、晶种层金属化；

e、电铸下模具；

f、蚀刻晶种层。

该透光基板的正面是以非各向同性蚀刻方式成型若干微结构，该若干微结构的形状选自下列形状之一：V形沟槽、U形沟槽或金字塔形的微结构。该利用各向异性蚀刻单结晶基板，制造V型、U型或金字塔型微结构，再经过翻铸模具后，提供导光板正面的成型，其制程包括下列步骤：

(a)于基板上形成蚀刻掩模的薄膜；

(b)涂布光致抗蚀剂；

(c)曝光显影；

(d)蚀刻薄膜；

(e)各向异性蚀刻单结晶基板制造微结构；

(f)晶种层金属化；

(g)电铸上模具；

(h)蚀刻晶种层。

包括同时使用上模具、下模具成型或单独使用上模具或下模具成型。

该晶种层包括镍、铜或银金属。该电铸模具材料为镍、镍钴合金、镍铁合金或镍含碳化硅。

另一种导光板及其模具的制造方法，其特征是：利用各向异性蚀刻单结晶基板，制造V型，U型或金字塔型微结构，再经过翻铸上模具后，提供导光板正面的成型，其制程包括下列步骤：

A、于一基板上形成蚀刻掩模的薄膜；

B、在基板及薄膜表面涂布光致抗蚀剂；

C、曝光显影在光致抗蚀剂上成型光致抗蚀剂图案；

D、蚀刻薄膜；

E、以残余的薄膜作为掩模，并以各向异性蚀刻方式，在该单结晶基板表面制造微结构；

F、在基板表面晶种层金属化；

G、利用该基板电铸上模具；

H、将上模具脱模后蚀刻晶种层，完成上模具的制造。

下面结合较佳实施例和附图进一步说明。

附图说明

图1为传统的LCD背光模组的立体示意图。

图2为传统的LCD背光模组的侧视示意图。

图3为本发明的实施例1的透光基板进行光学验证程序的方法示意图。

图4-图11为本发明实施例1的制造流程示意图。

图12-图21为本发明实施例2的制造流程示意图。

图22为应用本发明实施例1制造出的导光板的背光模组的立体示意图。

图23为应用本发明实施例2制造出的导光板的背光模组的立体示意图。

图24-图30为本发明实施例3的制造流程示意图。

图31-图34为本发明实施例3上模具的制造流程示意图。

图35-图38为本发明实施例3下模具的制造流程示意图。

图39为利用本发明实施例3制造的上下模具翻制导光板的方法示意图。

下面结合较佳实施例和附图进一步说明。

具体实施方式

实施例1

参阅图3-11所示，本发明的实施例1的制程包括，如图4-图5所示，首先在透光的玻璃基板10背面涂布光致抗蚀剂20，曝光显影后，以氢氟酸(HF)蚀刻玻璃如图6所示，在玻璃基板10上造成下凹疏密分布的微结构30，在不同的各向同性蚀刻条件下，改变温度、蚀刻液组成、搅拌等条件，可以蚀刻出方型、碗型、椭圆形或半圆形不同形状的微结构。如图3所示，蚀刻完成的透光玻璃基板10即可用来作为导光板，搭配灯管11、反射片12、扩散片13、棱镜片14模拟背光模组的特性，进行辉度、均匀度与视角的测试，测试结果可用来重新设计微结构的形状与疏密分布，并进行再一次的曝光显影与蚀刻测试，如此反复进行直至规格所需的辉度与视角分布。经此过程完成的透光玻璃基板背面即拥有导光板所需的微结构形状与疏密分布。

接着如图7所示，再于玻璃基板上进行晶种层的金属化，植附一晶种层40，晶种层40材料包括镍(Ni)、铜(Cu)或银(Ag)；

如图8所示，进行模具的电铸，在基板表面以电铸方式成型一模具50，电铸材料如镍(Ni)、镍钴(NiCo)合金、镍铁(NiFe)合金、镍碳化硅(NiSiC)等；

如图9所示，将模具与玻璃分离，并如图10所示蚀刻晶种层，即完成模具的制造。

玻璃基板表面上微结构的形状与疏密在经过电铸翻模和成型导光板后，会转写在模具50上，然后再以模具50成型导光板，因此成型的导光板背面具有与玻璃基板背面相同形状与疏密分布的微结构，亦与透光玻璃基板搭配灯管、反射片、扩散片、棱镜片所形成的背光模组一样，具有规格所需的辉度与视角分布。所以利用本发明首先在透光基板10上制造微结构，利用透光基板验证微结构的形状与疏密，再进行电铸翻模和成型导光板。可以省却传统开发导光板的过程中，必须执行所有制程，包括制造模具，翻铸模具50，射出成型导光板后才可以进行光学测试的缺点，因此本发明可以大幅节省开发阶段的时间与成本。

实施例2

参阅图12-图21所示，本发明实施例2是于导光板的正面成型V形、U形或金字塔形微结构，其方法为利用非各向同性蚀刻方法，在一个基板的表面成型出V形、U形或金字塔形微结构之后，并以模具制造导光板的正面的V形、U形或金字塔形微结构。其制造流程说明如下：

如图12所示，于一单晶基板20A上成长二氧化硅21A，然后于二氧化硅21A上涂附光致抗蚀剂22A，如图13所示；

然后如图14所示，以曝光显影方式将光致抗蚀剂22A显影成为多数个光致抗蚀剂图案；

然后如图15所示，利用蚀刻液蚀刻二氧化硅21A后，再将光致抗蚀剂去除；

然后如图16所示，利用上述的二氧化硅21A作为阻隔，再对单晶基板20A进行蚀刻，在单晶基板20A上成型若干V形、U形或金字塔形的微结构23A。

接着如图17所示，将单晶基板20A表面的二氧化硅21A去除后，再于该单晶基板20A表面植附晶种层24A，如图18所示；

然后如图19-图21所示，利用该单晶基板20A翻制模具30A后，再以该模具30A脱模，将模具30A表面的晶种层24A去除后，便可以利用该模具30A制造导光板表面的微型结构。

本发明实施例2的方法，主要的功效为利用蚀刻方式制造出成型导光板正面的V形、U形或金字塔形微结构的模具，其相对于传统的技术，可达到微细化及更精确的尺寸与形状的精确度。传统技术中，成型上述V形、U形或金字塔形微结构通常是以微型刀具，并以线性切割(Flying cutting)的方法在模具的表面成型出微型结构，其受限于刀具的尺寸，因此无法达到微细化的要求，且因刀具尺寸控制不易及刀具磨损的影响，使得微型结构的尺寸与形状精密度不佳。而本发明的实施例2的方法，可完全克服微型刀具切削的技术限制，而达到微细化及更精确的尺寸与形状的精确度。

本发明实施例2的方法与实施例1的方法可以相互结合运用，也可以分开运用，在分开运用时，可先利用实施例1以各向同性蚀刻方法制造出一块具有导光板背面的微结构的透光基板，进行光学验证完成后，再以非各向同性蚀刻的方法制造出一块具有导光板正面的V形、U形或金字塔形微结构的基板，然后分别利用二块基板翻制，用以成形导光板的上下模具，再以该上下模具成形导光板。

如图22所示，为结合本发明实施例1与实施例2制成的上下模具，经过成型的导光板的背光模组的构造图，其中包括：一导光板60，一设置在导光板60底面的反射板64、一棱镜片62、一扩散片65等组件。导光板60的背面具有方形、碗型、椭圆型、半圆型的微结构63，正面具有V形或U形的微结构61，因此其表面的微结构61可取代一片的棱镜片，因此使得该导光板60只需搭配一片上棱镜片62使用，该上棱镜片62的表面是具有V形沟槽状的微结构，且其方向与导光板60表面的微结构61的方向相互垂直。

如图23所示，为利用本发明的方法在导光板60A的表面成型金字塔状的微结构61A，背面成形半圆形、碗形或椭圆形的微结构62A。该若干金字塔形微结构61A，可同时取代二片的棱镜片，因此该实施例的背光模粗中，便不须使用棱镜片，而只需要搭配一反射片63A及扩散片64A一起使用。

实施例3

如图24-图30所示，本发明亦可以将前述实施例1和2的方法结合，在同一块透光基板的背面以各向同性蚀刻方法制造用以扩散光源的半圆形、碗形、椭圆形的微结构，而在透光基板正面成形V形、U形或金字塔形微结构，然后再以该基板的正面与背面分别翻制出用以成形导光板的上下模具。

本发明实施例3是将实施例1和2的技术加以结合，利用曝光显影技术，并结合单结晶透光基板在不同蚀刻液中各向异性蚀刻与各向同性蚀刻的特性，在透光基板的下表面分别成形用以扩散光源的方形、碗形、椭圆形、半圆形的微结构，并于透光基板上表面成形V形、U形或金字塔形微结构，而使得能够使用单独一块透光基板，同时翻制用以成形导光板的上下面微结构的方法。

首先如图24所示，在单结晶的透光基板20B正面涂布光致抗蚀剂21B，曝光显影后(图25所示)；利用各向异性蚀刻液制造V型、U型或金字塔微结构22B(图26所示)；接着在单结晶的透光基板(如石英)背面涂布光致抗蚀剂23B(图27所示)；曝光显影后，利用各向同性蚀刻液制造方型、碗型、椭圆形或半圆形的微结构24B(图28所示)；如图29-30所示，蚀刻完成的透光玻璃基板即可先用来作为导光板，搭配灯管、反射片。扩散片、棱镜片模拟背光模组的特性，先进行辉度、均匀度的测试，测试结果可用来重新设计微结构的形状与疏密分布，并进行再一次的曝光显影与蚀刻测试，如此反复进行直至规格所需的辉度分布，经此过程完成的透光玻璃基板即拥有导光板辉度规格所需的微结构形状与疏密分布。

如图31-图34所示，为利用该成型后的基板20B的正面成长一晶种层40A，然后以电铸成形方式成型一上模具30C，上模具30C脱模后去除晶种层40A；然后如图35-图38所示，利用该成型后的基板20B的背面成长一晶种层40B，然后以电铸成形方式成型一下模具30D，下模具30D脱模后，去除晶种层40B；

再如图39所示，利用该上模具30C及下模具30D以塑胶射出或热压方式成型一导光板。成型后的导光板在背面具有与透光基板背面相同的方型、碗型、椭圆形或半圆形微结构，在正面具有与透光基板正面相同的V型、U型或金字塔微结构。若导光板正面为V型微结构，则其光学结构与传统正面镜面结构等光板加上一片棱镜片合成的光学结构相同，因此可以去除一片棱镜片，若导光板正面为金字塔形微结构，则其光学结构与传统正面镜面结构导光板加上二片棱镜片合成的光学结构相同，因此可以去除二片棱镜片，因此本发明除可大幅节省开发阶段的时间外，使模组简单化、轻薄化，并提升产品的品质及大幅降低成本。

Claims (10)

1、一种导光板及其模具的制造方法，包括于一透光基板上以蚀刻方式成型若干微结构，以该透光基板翻制一模具，利用该模具以塑胶射出、热压、滚压或涂布方式成型一导光板，该导光板表面具有与该透光基板表面的微结构形状相同的微结构，其特征是：该透光基板蚀刻完成后，先以该透光基板搭配灯管、反射片、扩散片、棱镜片组件，模拟背光模组的特性，进行辉度、均匀度与视角的测试，并调整该透光基板表面的微结构的形状尺寸后，再以该透光基板翻制模具。

2、根据权利要求1所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该透光基板的背面是以各向同性蚀刻方式成型若干微结构，该若干微结构的形状选自下列形状之一：方形、碗形、椭圆形或半圆形。

3、根据权利要求1所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该成型导光板背面微结构的下模具是利用各向同性蚀刻基板，制造方型、碗型、椭圆形或半圆形微结构，经过翻铸模具后，提供导光板的成型，其制程包括下列步骤：

a、于基板上涂布光致抗蚀剂层；

b、曝光显影；

c、各向同性蚀刻基板制造微结构；

d、晶种层金属化；

e、电铸下模具；

f、蚀刻晶种层。

4、根据权利要求1所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该透光基板的正面是以非各向同性蚀刻方式成型若干微结构，该若干微结构的形状选自下列形状之一：V形沟槽、U形沟槽或金字塔形的微结构。

5、根据权利要求4所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该利用各向异性蚀刻单结晶基板，制造V型、U型或金字塔型微结构，再经过翻铸模具后，提供导光板正面的成型，其制程包括下列步骤：

(a)于基板上形成蚀刻掩模的薄膜；

(b)涂布光致抗蚀剂；

(c)曝光显影；

(d)蚀刻薄膜；

(e)各向异性蚀刻单结晶基板制造微结构；

(f)晶种层金属化；

(g)电铸上模具；

(h)蚀刻晶种层。

6、根据权利要求1所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：包括同时使用上模具、下模具成型或单独使用上模具或下模具成型。

7、根据权利要求3所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该晶种层包括镍、铜或银金属。

8、根据权利要求5所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该晶种层包括镍、铜或银金属。

9、根据权利要求3所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该电铸模具材料为镍、镍钴合金、镍铁合金或镍含碳化硅。

10、根据权利要求1所述的导光板及其模具的制造方法，其特征是：该电铸模具材料为镍、镍钴合金、镍铁合金或镍含碳化硅。

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