DE60021185T2

DE60021185T2 - Verfahren zur Herstellung von einem optischen Gegenstand aus Kunststoff

Info

Publication number: DE60021185T2
Application number: DE60021185T
Authority: DE
Inventors: Tony Hsu
Original assignee: Prodisc Technology Inc
Current assignee: Prodisc Technology Inc
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: EP1180428A1; DE60021185D1; ATE299091T1; EP1180428B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils, das auf einem Substrat durch Gießen gebildet wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Optische Kunststoffbauteile wurden beispielsweise auf die Rückseite eines Fernsehschirms, die Gegenlichtplatte eines LCD-Displays, Fresnellinsen und Mikrolinsen an einem Lichtventil aufgebracht.
Ein optisches Kunststoffbauteil wie die Fresnellinse mit einem konzentrischen Sägezahnmuster kann durch ein Werkzeugbit ausgeformt werden. Allerdings mangelt es optischen Kunststoffbauteilen, die unter Einsatz dieses Verfahrens gebildet sind, an Präzision, und es ist schwierig, sie an einem großen Kunststoffsubstrat vorzusehen. Das US-Patent 5,840,352 offenbart eine Fresnellinse, die durch Spritzgießen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Der Einsatz dieses Verfahrens kann zu der Erzeugung von Restspannungen während des Hochtemperatur-Herstellungsvorgangs führen. Falls die Fläche des optischen Kunststoffbauteils groß ist, kann die Temperaturgradiente zwischen der Mitte und dem Umfang des optischen Kunststoffbauteils während des Abkühlvorgangs zu einem Verziehen führen, wenn die Kraft beseitigt wird.
Die US-Patente 5,903,399 und 5,870,224 zeigen die Verwendung einer Ultraviolett-Bestrahlung an Harzmaterial, wobei die Bestrahlung des Harzes dieses aushärtet, um eine vorbestimmte Gestalt zu bilden. Allerdings sind die UV-Lampen, die zum Aushärten des Harzes verwendet werden, teuer.
Das US-Patent 5,815,327 zeigt die Verwendung von Photolithographie zum Bilden eines optischen Kunststoffbauteils mit einer zylindrischen Struktur (oder Leiter). Allerdings kann die gewünschte Gestalt eines optischen Kunststoffbauteils unter Einsatz dieses Verfahrens nicht präzise ausgeformt werden. Daher besitzen die durch dieses Verfahren gebildeten, optischen Kunststoffbauteile eine niedrige Nutzeffizienz.
US 5,903,399 und US-5,702,819 offenbaren weitere Verfahren zum Bilden einseitiger, optischer Kunststoffbauteile. JP-A-57109618, US-3,594,457 und FR-1390512 offenbaren Verfahren zum Bilden doppelseitiger, optischer Kunststoffbauteile.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Daher stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines doppelseitigen, optischen Kunststoffbauteils auf einem Substrat, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche besitzt, bereit, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer ersten Form mit einer ersten Gruppe von Formhohlräumen, wobei die Struktur der ersten Gruppe von Formhohlräumen umgekehrt zu der Struktur der gewünschten ersten optischen Struktur ist; Füllen eines ersten Formmaterials in die erste Gruppe von Formhohlräumen der ersten Form; Verbinden der ersten Form mit der ersten Oberfläche des Substrats; Bereitstellen einer zweiten Form mit einer zweiten Gruppe von Formhohlräumen, wobei die Struktur der zweiten Gruppe von Formhohlräumen umgekehrt zu der Struktur einer gewünschten zweiten optischen Struktur ist; Füllen eines zweiten Formmaterials in die zweite Gruppe von Formhohlräumen der zweiten Form; Verbinden der zweiten Form mit der zweiten Oberfläche des Substrats; Aushärten des ersten Formmaterials und des zweiten Formmaterials; und Beseitigen der ersten Form und der zweiten Form, um das doppelseitige, optischen Kunststoffbauteil zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung besitzt den Vorteil, dass sie Restspannungen beseitigt. Da das optische Kunststoffbauteil bei Raumtemperatur während des Herstellungsvorgangs ausgehärtet wird, ist eine Temperaturgradiente zwischen dem zentralen Teil und dem Rand des optischen Kunststoffbauteils während des Herstellungsvorgangs gering. Somit wird ein Verziehen vermieden.
Die vorliegende Erfindung besitzt den weiteren Vorteil, dass sie die Lebensdauer einer Form verlängert. Der gesamte Herstellungsvorgang kann bei Raumtemperatur erzielt werden, sodass die Form keine Temperatur induzierte Metallermüdung erfährt.
Die vorliegende Erfindung besitzt den weiteren Vorteil, dass sie die Produktionskosten vermindert, da der Aushärtungsschritt keine zusätzliche Ultraviolett- oder Photolithographie-Ausrüstung erfordert.
Die vorliegende Erfindung kann auf die Ausbildung optischer Kunststoffbauteile mit jeglichen Abmessungen angewendet werden. Ferner bildet das hier offenbarte Verfahren ein optisches Kunststoffbauteil mit einem zweiseitigen Muster. Es ist sehr schwierig, ein optisches Kunststoffbauteil mit einem zweiseitigen Muster unter Einsatz einer Ultraviolett-Bestrahlung auszuformen, da die Form nicht-transparent ist. Zusätzlich kann durch Einstellen der Umgebungstemperatur während des Herstellungsvorgangs gemäß der vorliegenden Erfindung die Aushärtungszeit eingestellt werden, wobei eine höhere Umgebungstemperatur die Aushärtungszeit vermindert. Somit kann die Produktivität leicht angepasst werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, in denen:
1 ist eine Querschnittsansicht eines optischen Kunststoffbauteils,
2A bis 2H ist eine schematische Ansicht, welche die Schritte zum Bilden des Bauteils aus 1 veranschaulicht;
3 ist eine Querschnittsansicht des gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeformten, zweiseitigen, optischen Kunststoffbauteils;
4A bis 4M ist eine schematische Ansicht, welche die Schritte der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ist eine Querschnittsansicht eines optischen Kunststoffbauteils;
6A bis 6H ist eine schematische Ansicht, welche die Schritte der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 ist eine schematische Ansicht, welche die verschiedenen Strukturen des optischen Kunststoffbauteils zeigt, das durch die vorliegende Erfindung erhalten werden kann, wie eine sägezahnförmige Fresnellinse, eine Lenticularlinse, eine zylindrische Linse, eine sphärische Linse, eine aspherische Linse, eine Pyramidenlinse, etc.;
8 ist eine schematische Ansicht, die einen in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Druckgenerator zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines optischen Kunststoffbauteils. Wie in 1 gezeigt umfasst das optische Kunststoffbauteil ein Substrat 200 und eine optischen Struktur 100. Der Übertragungs- und Brechungsindex eines Substrats 200 wird durch den optischen Entwerfer festgelegt.
2A bis 2F veranschaulicht die Schritte zum Ausformen des Bauteils.
Wie in 2A gezeigt, wird ein Substrat 200 bereitgestellt. Das Substrat 200 ist aus einem Material wie Acryl, Glas oder Harz hergestellt.
Als nächstes wird, wie in 2B gezeigt, eine Form 300 bereitgestellt. Die Form 300 ist durch eine CNC-Präzisionsbearbeitung oder eine elektrische Entladungsbearbeitung mit Formhohlräumen 350 versehen. Die Struktur der Formhohlräume 350 ist umgekehrt zu der gewünschten Struktur der optischen Kunststoffstruktur.
Als nächstes wird, wie in 2C gezeigt, eine Film 400 in den Formhohlräumen 350 einer Form 300 gebildet. Der Film 400 verhindert, dass Formmaterial 110 an der Form 300 während des Aushärtungsschritts anhaftet.
Als nächstes wird, wie in 3D gezeigt, ein Formmaterial 110 in die Formhohlräume 350 einer Form 300 gefüllt. Das Formmaterial 110 umfasst ein Harzmaterial und einen Aktivator, die in geeigneten Anteilen miteinander vermischt sind.
Als nächstes wird, wie in 2E und 2F gezeigt, die Form 300 mit dem Substrat 200 verbunden. Das Formmaterial 110 füllt die Formhohlräume 350 der Form 300 durch die Wirkung einer Walze 500, die auf dem Substrat 200 gerollt wird. Die auf dem Substrat gerollte Walze beseitigt ebenso die Blasen von dem Formmaterial 110.
Als nächstes wird das Formmaterial 110 ausgehärtet und an dem Substrat 200 angehaftet (2G). Dies kann z.B. näherungsweise 30 Minuten dauern.
Schließlich wird ein optisches Kunststoffbauteil erhalten, indem dieses von der Form entnommen wird, wie in 2H gezeigt.
3 ist eine Querschnittansicht des zweiseitigen, optischen Kunststoffbauteils, das gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeformt ist. Wie in 3 gezeigt, umfasst ein zweiseitiges, optisches Kunststoffbauteil ein Substrat 20, eine erste optische Struktur 10 und eine zweite optische Struktur 12. Die erste optische Struktur 10 und eine zweite optische Struktur 12 sind an einer ersten Oberfläche 11 bzw. an einer zweiten Oberfläche 13 des Substrats 20 gebildet.
4A bis 4M veranschaulichen die Schritte der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der ersten Ausführungsform veranschaulichen 4A bis 4F die Ausbildung der ersten optischen Struktur 10. Da sie dieselben wie 2A bis 2F sind, wird eine ausführliche Beschreibung hiervon weggelassen.
Wie in 4G gezeigt, wird eine zweite Form 60 bereitgestellt. Die zweite Form 60 ist durch eine CNC-Präzisionsbearbeitung oder eine elektrische Entladungsbearbeitung mit Formhohlräumen 65 versehen. Die Struktur der Formhohlräume 62 ist umgekehrt zu der gewünschten Struktur der optischen Kunststoffstruktur.
Als nächstes wird, wie in 4H gezeigt, ein Film 40 in den Formhohlräumen 65 der zweiten Form 60 gebildet. Der Film 40 verhindert, dass das Formmaterial 12 an der zweiten Form 60 während des Aushärtungsschritts anhaftet.
Wie in 4I gezeigt, wird ein zweites Formmaterial 2 in die Formhohlräume 65 der Form 60 gefüllt. Das zweite Formmaterial 2 umfasst ein Harzmaterial und einen Aktivator, die in geeigneten Anteilen miteinander vermischt sind.
Als nächstes wird, wie in 4J und 4K gezeigt, die zweite Form 60 mit dem Substrat 20 verbunden. Das zweite Formmaterial 2 füllt die Formhohlräume 65 der zweiten Form 60 durch die Wirkung der Walze 50, die auf der zweiten Form 60 gerollt wird. Die auf der zweiten Form 60 gerollte Walze 50 kann ebenso Blasen von dem zweiten Formmaterial 2 beseitigen.
Als nächstes wird das zweite Formmaterial 2 ausgehärtet und an der zweiten Oberfläche des Substrats 20 angehaftet, was z.B. etwa 30 Minuten dauert (4L).
Schließlich wird ein zweiseitiges, optisches Kunststoffbauteil durch Entnehmen desselben von der Form gebildet, wie in 4M gezeigt.
5 ist eine Querschnittansicht eines optischen Kunststoffbauteils. Wie in 5 gezeigt, umfasst das optische Kunststoffbauteil ein Substrat 200, eine optische Struktur 100.
6A bis 6E veranschaulichen die Schritte gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 6A gezeigt, wird ein Substrat 200 bereitgestellt. Das Substrat 200 ist aus einem Material wie Acryl, Glas oder Harz, etc. hergestellt. Die Übertragungseigenschaften den Substrats 200 können entsprechend den Anforderungen des optischen Bauteils ausgewählt werden.
Als nächstes wird, wie in 6B gezeigt, eine Form 300 bereitgestellt. Die Form 300 ist durch eine CNC-Präzisionsbearbeitung oder eine elektrische Entladungsbearbeitung mit Formhohlräumen 350 versehen. Die Struktur der Formhohlräume 350 ist umgekehrt zu der gewünschten Struktur der optischen Kunststoffstruktur.
Als nächstes wird, wie in 6C gezeigt, ein Formmaterial 111 in die Formhohlräumen 350 der Form 300 gefüllt. Das Formmaterial 111 umfasst ein Harzmaterial, einen Aktivator und eine Anti-Anhaftlösung, wobei das Formmaterial 111 mit jeglichen Anteilen gemischt ist.
Als nächstes wird, wie in 6D und 6E gezeigt, eine Walze 500 auf dem Substrat 200 gerollt. Nachdem die Form 300 auf die Position des Substrats 200 abgestimmt ist, wird die Form 300 mit dem Substrat 200 verbunden. Das Formmaterial 111 wird die Formhohlräume 350 der Form 300 durch die Wirkung der auf dem Substrat 200 gerollten Walze 500 füllen. Die auf dem Substrat gerollte Walze kann die Blasen von dem Formmaterial 110 beseitigen.
Als nächstes wird, wie in 6F gezeigt, das Formmaterial 111 ausgehärtet und an dem Substrat nach etwa 30 Minuten angehaftet.
Als nächstes wird ein optisches Kunststoffteil durch Beseitigen desselben aus der Form erhalten, wie in 6G gezeigt.
6H zeigt die Ausbildung eines zweiseitigen, optischen Kunststoffbauteils mit dem Formmaterial 111.
7 ist eine schematische Ansicht, welche die verschiedenen Strukturen des optischen Kunststoffbauteils zeigt, die durch die vorliegende Erfindung erhalten werden können, wie eine sägezahnförmige Fresnellinse, eine Lentikularlinse, eine zylindrische Linse, eine sphärische Linse, ein asphärische Linse, eine Pyramidenlinse, etc.
In der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Brechungsindex und das Übertragungsvermögen der optischen Struktur durch die Mischung der unterschiedlichen Anteile von Harz und Aktivator verändert werden. In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können der Brechungsindex und das Übertragungsvermögen der optischen Struktur ebenso durch die Mischung der unterschiedlichen Anteile von Harz, Aktivator und Anti-Anhaftlösung verändert werden. Unterschiedlich Substrate können eingesetzt werden, und das Übertragungsvermögen und das Spektrum zu verändern.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bringt ein Druckgenerator eine Kraft auf das Substrat auf, nachdem das Formmaterial in die Formhohlräume der Form oder an dem Substrat gefüllt ist. Daher füllt das Formmaterial alle Formhohlräume einer Form aus, und die Kraft beseitigt alle Blasen in dem Formmaterial. Wie in 8 gezeigt, kann ein Druckgenerator 600 eine gleichmäßige Kraft erzeugen, um alle Formhohlräume mit Formmaterial zu füllen und alle Blasen von dem Material zu beseitigen.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können alle Schritte bei Raumtemperatur ausgeführt werden. Es ist nicht erforderlich, dass die Form erwärmt wird, sodass die Erfindung die Lebensdauer einer Form verlängern kann. Darüber hinaus ist eine Temperaturgradiente zwischen dem zentralen Teil und dem Rand des optischen Kunststoffbauteils in dem Herstellungsvorgang gering. Somit werden keine Restspannungen in dem Formmaterial erzeugt, was ein Verziehen vermeidet.
Andererseits kann bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatur angehoben werden, um die Produktivität zu erhöhen. Wenn die Temperatur ansteigt, verkürzt sich die Zeit zum Aushärten des Formmaterials. Der bevorzugte Temperaturbereich zum Ausformen der optischen Struktur durch das Formmaterial beträgt 10°C bis 80°C.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines doppelseitigen, optischen Kunststoffbauteils auf einem Substrat (20, 200) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer ersten Form (30, 300) mit einer ersten Gruppe von Formhohlräumen, wobei die Struktur der ersten Gruppe von Formhohlräumen umgekehrt zu der Struktur einer gewünschten ersten optischen Struktur ist; Füllen eines ersten Formmaterials (11, 111) in die erste Gruppe von Formhohlräumen der ersten Form; Verbinden der ersten Form mit der ersten Oberfläche des Substrats; Bereitstellen einer zweiten Form (60) mit einer zweiten Gruppe von Formhohlräumen, wobei die Struktur der zweiten Gruppe von Formhohlräumen umgekehrt zu der Struktur einer gewünschten zweiten optischen Struktur ist; Füllen eines zweiten Formmaterials (2) in die zweite Gruppe von Formhohlräumen der zweiten Form; Verbinden der zweiten Form mit der zweiten Oberfläche des Substrats; Aushärten des ersten Formmaterials und des zweiten Formmaterials; und Beseitigen der ersten Form und der zweiten Form, um das doppelseitige, optische Kunststoffbauteil zu erhalten.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt des Erzeugens einer Kraft auf das Substrat durch einen Druckerzeuger nach dem ersten Verbindungsschritt, um die erste Gruppe von Formhohlräumen mit dem ersten Formmaterial zu füllen und die Blasen in dem ersten Formmaterial zu beseitigen.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt des Erzeugens einer Kraft auf das Substrat durch einen Druckerzeuger nach dem zweiten Verbindungsschritt, um die zweite Gruppe von Formhohlräumen mit dem zweiten Formmaterial zu füllen und die Blasen in dem zweiten Formmaterial zu beseitigen.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, bei dem das erste Formmaterial ein Harz und einen Aktivator aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, bei dem das zweite Formmaterial ein Harz und einen Aktivator aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt zum Bilden eines Films in der ersten Gruppe von Formhohlräumen, um zu verhindern, dass das ausgehärtete, erste Formmaterial an der ersten Form anhaftet.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Schritt zum Bilden eines Films in der zweiten Gruppe von Formhohlräumen, um zu verhindern, dass das ausgehärtete, zweite Formmaterial an der zweiten Form anhaftet.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, bei dem das erste Formmaterial ein Harz, einen Aktivator und eine Anti-Anhaftlösung aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, bei dem das zweite Formmaterial ein Harz, einen Aktivator und eine Anti-Anhaftlösung aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur während der Bildung der ersten optischen Struktur im Bereich von 10°C bis 80°C liegt.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur während der Bildung der zweiten optischen Struktur im Bereich von 10°C bis 80°C liegt.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Kunststoffbauteils nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Druckerzeuger eine Walze ist.