TW201317646A - 具有印刷的膜之光導 - Google Patents

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Abstract

製作光導的方法包括把油墨轉移到上面形成了三維特徵圖案的主工具上，然後把油墨從主工具轉移到透明的光導。本方法也包括硬化光導上的油墨。另外可選擇的是，油墨可印刷到基板(譬如膜)上，然後層疊到光導。

Description

具有印刷的膜之光導 【相關申請案的交叉參考】
本發明主張2012年6月1日提申的美國專利申請案第13/486,334號(具有印刷的膜之光導“Light Guide with a Printed Film”)、2011年10月25日提申的臨時專利申請案第61/551,243號(使用層疊的膜來製造光導的設備和方法“Apparatus and Method for Making a Light Guide Using a Laminated Film”)以及2012年1月31日提申的臨時專利申請案第61/593,280號(使用層疊的膜來製造光導的設備和方法“Apparatus and Method for Making a Light Guide Using a Laminated Film”)的優先權，並且藉由參考方式將其內容併入於此。
背光乃用於顯示器，例如液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)，但也可以用於一般發光。某些背光系統使用直接在顯示器後面的光。其他類型的發光系統使用光源(譬如發光二極體)，其從顯示器的側面把光注入光導而稱為「邊緣照亮的背光」(edge-lit backlight)。光導是可以直接定位在顯示器後面之薄的透明結構。侷限於光導裡(並且在光導裡傳遞)的光是由光導表面上的小結構所散射。這些小結 構的功能在於使在光導內傳遞的光線被萃取並且一般導向成垂直於光導表面而因此經過顯示器本身。因為光源是在側面外並且典型而言為小，所以採用邊緣照亮之發光系統的顯示器可以比具有傳統背光的顯示器來得更薄。
在此描述的是製作背光用之光導的多樣技術。此等技術舉例而言包括藉由印刷過程將散射光的萃取特徵印刷在塑性聚合物基板(譬如膜)上，然後使用光學黏著劑將基板層疊到一片固體塑膠而做出光導。光學黏著劑可以緊密匹配於光導的折射率和印刷點基板的折射率。印刷在基板上的散射性顆粒可以採取多樣的形狀和圖案。於某些具體態樣，該等特徵是直接印刷在光導上而不是印刷在要層疊到光導的基板上。印刷過程使用主工具以將油墨轉移到光導或基板。光萃取特徵可以是均勻尺寸的但非均勻隔開的、非均勻尺寸的但均勻隔開的、或者非均勻隔開的且非均勻尺寸的。
以下的討論乃針對本發明的多種具體態樣。雖然可能偏好這些具體態樣中的一或更多者，但是揭示的具體態樣不應解讀或使用成為限制本揭示(包括請求項)的範圍。此外，熟於此技藝者將了解以下的敘述具有廣泛的用途，並且任何具體態樣的討論只是要示範該具體態樣，而不打算 暗示本揭示(包括請求項)的範圍受限於該具體態樣。
傳統的光導典型而言是射出成型或雷射刻劃的。射出成型和雷射刻劃很緩慢，並且需要大的、昂貴的製造機器。依據較佳的具體態樣，描述的是基於印刷過程之製作光導的過程。揭示的具體態樣有利的提供具有成本效益、有效率、均勻的、精巧的、長壽的方法來製造用於LCD背光或一般目的之發光的光導。再者，印刷的進行是以捲對捲過程來印刷光學萃取特徵，藉此允許在將膜層疊到塑性波導之前比較容易檢視錯誤和非均勻性。
<概觀>
本發明的較佳具體態樣乃針對印刷光導之預定圖案的印刷技術。印刷的圖案具有任何想要的幾何型態並且形成光導的光萃取特徵。於某些具體態樣，此過程一般涉及三個操作。於第一操作，做出上面形成預定圖案的主工具。於第二操作，主工具然後用於印刷過程以將呈預定圖案的油墨轉移到膜上而形成印刷的基板。於第三操作，印刷的基板附著於空白之光學透明的結構以形成光導。
於其他的具體態樣，在製作主工具之後，主工具用來印刷油墨到本身為光導的基板(譬如丙烯酸酯)上。換言之，油墨不是印刷在膜上然後再把膜附著於空白之光學透明的結構；油墨反而是直接印刷在空白之光學透明的結構上。
<主工具>
圖1顯示產生主工具之過程100的較佳具體態樣，該主工具後續用於印刷過程。所示的操作可以採所示的順序 或不同的順序來進行。在102，舉例而言使用電腦輔助設計(computer-aided design，CAD)軟體以事先產生圖案，其後續轉換(104)成為標記影像格式(tagged image format，TIF)檔或其他影像檔。然後，影像可以載入熱圖案化系統。於106的熱圖案化系統，圖案舉例而言使用雷射熔蝕而雕刻於透明膜頂部的黑色阻劑材料以做出圖案。其次，空白之彈性體層疊光阻經由圖案而暴露於離子化輻射(譬如紫外光)。這圖案因此「記錄」(recorded)於層疊的光阻。記錄之後，將它顯影、乾燥、切割。這個「快乾印刷主工具」(flexo-master，層疊的彈性體光阻，其一側上載有圖案)然後附著於印刷滾筒，藉此形成印刷主工具。本揭示並不限於剛才所述使用快乾印刷過程；舉例而言，油墨也或可使用任何其他的捲對捲印刷過程來印刷。
圖2A~2C顯示依據多種具體態樣之快乾印刷主工具的範例。於圖2A和2B，顯示的是二範例性快乾印刷主工具202和204的部分立體圖。快乾印刷主工具202包括直線，而快乾印刷主工具204包括點圖案。圖2A的直線圖案包括多個隆脊，其較佳顯示於圖2C。每個隆脊208如所示的包括頂表面210、有角度的側壁212、垂直側壁214。每個頂表面210的寬度W可以在3和5微米之間。隆脊208之間的距離D(圖2C)可以在1和5毫米之間，而每個隆脊208的高度H可以在10和200微米之間。基底材料216的總厚度T可以在1.14和2.84毫米之間。快乾印刷工具可以天生為平坦片或圓柱形。本揭示並不限於剛才所述使用快乾印 刷過程；舉例而言，油墨也或可使用任何其他的捲對捲印刷過程來印刷。
<印刷過程>
圖3示範將特徵圖案印刷在基板302上之印刷過程300的具體態樣。油墨乃用於印刷過程300。油墨提供光導所需要的物理和光學性質。此種性質包括散射性和折射率。油墨應能夠從捲上的印刷工具正確轉移到目標基板，而有來自印刷工具之一致的體積和複製的形狀和特徵。油墨也應充分附著於基板，並且應在高速印刷下(譬如每分鐘750英尺)經過離子化輻射暴露、熱或揮發性蒸發而為可硬化的。再者，印刷結構也應穩健以用於後續的裝置製造。為了同時實現高速印刷和可硬化的特徵，可以選擇可離子化輻射硬化的油墨。此外，為了具有高散射性質，可以採用摻雜以氧化鈦顆粒之可離子化輻射硬化的油墨，雖然可以使用其他種類的高折射率顆粒。一項考量在於油墨厚度和濃度足以產生光散射性而有某些光穿透性。然而，這種油墨使用具有目標設計和特徵的印刷工具時可能印刷得不清楚和不均勻。因此，可以進一步修改油墨以達到令人滿意的印刷性質和維持想要的光學性質。可以使用的特定修改物是來自Sartomer的SR295和SR610或來自Double Bond化學公司的Doublecure 184和Doublecure BDK。
當油墨和主工具如上面解釋而準備好時，便進行捲對捲的印刷過程，例如圖3所示。此種印刷過程涉及多樣的操作。首先，基板302可以包括在解開捲304上的聚甲基 丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙酯(PET)，其從解開捲304經由任何已知的捲對捲處理方法而轉移到第一清潔系統306，其校準可以由校準機制308所控制。然後可以使用第一清潔系統306以從基板302移除任何雜質。基板302再通過第二清潔系統310。
在312，圖案(譬如點圖案)於可以包括以下操作的過程而印刷在基板302的一側上。首先，包含於油墨盤314的部分油墨由轉移捲316轉移到網紋捲(anilox roll)318。網紋捲318可以包括披覆了工業陶瓷的鋼或鋁核心，其表面包含數以百萬計的極細微凹窩(已知為胞格)。視印刷過程312的設計而定，網紋捲318可以半浸沒於油墨盤314或者接觸計量捲。捲316和318當它們轉動時可以彼此接觸，藉此使來自轉移捲316的油墨賦予到網紋捲318上。可以使用刮刀320以從網紋捲318的表面刮掉多餘的油墨，而留下精確劑量的油墨於胞格中。網紋捲318旋轉以接觸快乾印刷工具(主工具322，如之前解釋所形成)，後者從胞格接收油墨。主工具322旋轉接觸基板302，因此轉移油墨到基板302。主工具322的旋轉速度應匹配於基板302的速度，其舉例而言可以在每分鐘20英尺和每分鐘750英尺之間變化。油墨由主工具322轉移到基板之後，油墨便在324硬化。可以採用任何適合的硬化技術，例如施加離子化輻射、熱......等。印刷的基板則捲到收捲滾筒326上。
於某些具體態樣，可以不需要上述過程中的層疊步驟。基板302可以由比標準薄基板還厚的聚合物基板所取 代，如之前所述。較厚的聚合物基板可以是丙烯酸酯，其可以是光學透明的並且可以具有約0.5到1毫米的厚度。於某些情形，丙烯酸酯具有足夠的可撓性以捲起。基板本身的功能即做為光導。
來自收捲滾筒326之部分的印刷基板可以切割並且層疊成一片固體塑膠或其他材料以做出光導。圖4顯示光導的俯視圖，其具有不同尺寸的特徵405而均勻分布成圖案400。於圖4，特徵乃線性隔開於x和y維度，其中特徵的尺寸隨著與LED組件402的距離增加而增加。於此特殊範例，該等特徵是圓形的點，然而形狀可以不是圓形。範例包括方形、矩形或任何其他想要的形狀。特徵405可以印刷在後續會層疊到一片固體塑膠的薄基板上，如上面所解釋；或者印刷在可以做為波導之約0.5到1毫米的較厚聚合物基板上，因而避免層疊步驟(未顯示)。於圖4，使用LED組件402做為光源，並且定位在光導的一邊緣。LED組件402包括一或更多個LED，並且可以放在圖案404的點為較小的一側，如此則耦合自LED的光可以均勻的散射出去。接近LED處可以包括較小的特徵，並且遠離LED處可以包括較大的特徵，以便隨著光遠離光導而變成耗竭卻仍維持固定量的散射光而達成均勻性。LED組件402可以包括尺寸為約0.750乘2.75毫米的矩形封裝。圖4的範例也包括末端反射鏡406，其相對於LED組件402而定位以便反射LED組件注入光導但未散射或反射出去的光，而給反射光另一機會以離開光導。於某些具體態樣，二個LED組件402 可以定位在光導的相對側上。於該具體態樣(二個LED組件在光導的相對側上)，特徵的圖案404可以包括點，其在LED組件所在的兩側為小，並且點尺寸朝向光導中央而增加。
圖5A和5B顯示光導之二具體態樣的俯視圖。雖然兩圖的特徵有共同的尺寸，但是提供成非均勻的分布圖案。接近LED處可以包括較少的特徵，並且遠離LED處可以包括較多的特徵，以便隨著光遠離光導而變成耗竭卻仍維持固定量的散射光而達成均勻性。於圖5A，特徵504有一點隨機的分布。特徵504的分布在接近LED組件502的那一端一般是相當稀疏，並且隨著與LED組件502的距離增加(亦即朝向相對於LED組件502的另一端)而逐漸變成更緻密。於圖5B，特徵510也是均勻尺寸的但非線性隔開於x和y維度。特徵510也隨著與LED組件508的距離增加而逐漸變成更緻密。
於圖5A，使用LED組件502做為光源，其定位在光導的一邊緣。LED組件502的位置可以放在特徵504較不緻密的一側，如此則來自LED組件502的光可以均勻的散射跨出光導。於圖5B，也使用LED組件508做為光源，其定位在光導的一邊緣。LED組件508的位置可以放在特徵510較不緻密的一側，如此則來自LED組件508的光可以均勻的散射跨出光導。於某些具體態樣，如上面解釋，二個LED組件或可用於圖5A和5B的具體態樣之光導的兩側上。於此情形，特徵圖案致使稀疏點開始於鄰接著LED組件的二側，並且朝向中央而逐漸變成更緻密。圖5A和5B的具體 態樣也分別包括末端反射鏡506和512，其定位成相對於LED組件502和508以便反射注入光導但未散射或反射出去的光，而給反射光另一機會以離開光導。
圖6A和6B分別顯示光導600和609的截面側視圖。圖6A的光導600包括黏著層，而圖6B的光導609不包括層疊。
於圖6A，印刷基板602(如之前解釋所形成)形成光導600的頂表面，並且印刷在表面上的特徵可以是具有非均勻的(或相同的)尺寸以及可以是均勻的(或非均勻的)分布之點。黏著層604將印刷基板602層疊到光導606。鏡射般或發散性反射器608形成光導底層而相對於印刷基板602。LED組件610顯示在光導606的左側，並且末端反射鏡612顯示在相對於LED組件612的那一側上。末端反射鏡612把光反射回到光導606裡。
於圖6B的具體態樣，特徵611(譬如點)乃直接印刷在本身做為光導的基板614上。如此，則不須要層疊。鏡射般或發散性反射器608形成底層。末端反射鏡612顯示在光導614的右側，而LED組件610顯示在光導614的左側。LED組件610可以是約0.750乘2.75毫米的矩形封裝。LED 610的發射厚度為0.5毫米，其可以校準於厚度為0.5到1毫米的印刷基板614(波導)，如之前所述。印刷基板614(光導)可以收集約70%的發出光。
圖7A和7B顯示依據其他具體態樣之光導700和709的截面側視圖。圖7A的光導700包括黏著層，而圖7B的 光導709不包括層疊。
於圖7A，印刷基板706(如上面解釋的印刷)乃經由黏著層704而附著於光導702，該黏著層704把印刷基板706層疊到光導702。鏡射般或發散性反射器708顯示在光導702之與印刷基板706的同一側上。再者，LED組件710顯示在光導702的左側，並且末端反射鏡712顯示在光導702的右側。於圖7A的範例，印刷在印刷基板706上的特徵711可以包括具有相同尺寸並且非均勻分布於光導的點。特徵711也如所示的面對鏡射般或發散性反射器708。
於圖7B，特徵713乃直接印刷在光導709上，因此不需層疊/黏著劑。鏡射般或發散性反射器708形成底層。末端反射鏡712提供在右側，並且LED組件710提供在左側。LED組件710可以具有0.5毫米的發射厚度，並且可以校準於厚度為0.5到1毫米的印刷基板714(波導)，如之前所述。印刷基板714(波導)可以收集約70%的發出光。
圖8A和8B顯示光導800和805的立體圖。圖8A的具體態樣包括黏著層，而圖8B的具體態樣不包括層疊。
於圖8A，點圖案802的點具有變化尺寸，其均勻的印刷在基板(譬如膜)上，並且黏著層804(譬如透明膠)把印刷基板層疊到光導806。圖8A的具體態樣也顯示LED組件808做為光源，其置於波導806的一側，特定而言是在圖案的點為較小的地方。相對於LED組件808和在波導806的後端而定位的是末端反射鏡810。最後，鏡射般或發散性反射器812形成底層。
於圖8B，光導805具有點圖案802。圖案802包括不同尺寸的點，其均勻的印刷在基板上。於此具體態樣，相同的印刷基板本身做為光導，如上所述，因此不須要層疊。印刷基板可以具有0.5到1毫米的厚度。圖8B的具體態樣也顯示LED組件808做為光源，其置於印刷基板(波導)的一側，特定而言是在圖案的點為較小的地方。相對於LED組件808和在印刷基板(波導)的後端而定位的是末端反射鏡810。最後，鏡射般或發散性反射器812形成底層。
圖9A顯示光導900的立體圖。如所示，基板乃印刷以點圖案902。圖案902最好包括相同尺寸而非均勻分布於基板的點。在印刷基板下面，黏著層904(透明膠)把印刷基板層疊到光導906。LED組件908包括光源，其置於波導906的一側，特定而言是在圖案的點較不緻密的地方。相對於LED組件908和在波導906的後端而定位的是末端反射鏡910。最後，鏡射般或發散性反射器912形成底層。
圖9B顯示光導的點圖案902類似於圖9A，但是點是直接印刷於光導本身上而非於層疊到光導的基板上。因此，於圖9B，印刷基板做為波導就不須層疊。印刷基板可以具有0.5到1毫米的的厚度。如之前所解釋，LED組件908是光源並且定位在印刷基板(波導)的一側，特定而言是在圖案的點較不緻密的地方。相對於LED組件908和在印刷基板(波導)的後端而定位的是末端反射鏡910。最後，鏡射般或發散性反射器912形成底層。
圖10A和10B顯示光導1000和1020，其示範在此描 述的任何光導如何操作。從LED組件1002發出的部分光(其舉例而言可以是白、紅、綠或藍光)藉由全內反射而捕陷。小於臨界角(其相對於法線約42度)的光線乃捕陷於光導裡。於圖10A，光導1000在與反射器1008的同一側上包括光萃取特徵1012(其可以已經形成在層疊到光導的基板1006上，或者直接印刷形成在光導本身上)。於圖10B，光萃取特徵1012是在光導之反射器1008的相對側上。
視入射角而定，遭遇到特徵的光線可以如所示的分成多樣的方向。某些光線可以通過圖10A的特徵1012而從反射器1008反射。於圖10B，某些光線從特徵1012反射、往下經過光導、並且進一步被反射器1008反射，如所示。某些光線可以從光特徵反射。顯著部分的光線最終如所示的通過光導。
上面的討論是要示範本發明的原理和多樣的具體態樣。一旦完全體會上面的揭示，則熟於此技藝者將明顯知道有許多的變化和修改。以下的申請專利範圍打算解讀成涵括所有此種變化和修改。
100‧‧‧產生主工具之過程
102~108‧‧‧過程步驟
200
202、204‧‧‧快乾印刷主工具
206
208‧‧‧隆脊
210‧‧‧頂表面
212‧‧‧有角度的側壁
214‧‧‧垂直側壁
216‧‧‧基底材料
300‧‧‧將特徵圖案印刷在基板上的印刷過程
302‧‧‧基板
304‧‧‧解開捲
306‧‧‧第一清潔系統
308‧‧‧校準機制
310‧‧‧第二清潔系統
312‧‧‧印刷過程
314‧‧‧油墨盤
316‧‧‧轉移捲
318‧‧‧網紋捲
320‧‧‧刮刀
322‧‧‧主工具
324‧‧‧硬化機
326‧‧‧收捲滾筒
400‧‧‧圖案
402‧‧‧LED組件
404‧‧‧圖案
405‧‧‧特徵
406‧‧‧末端反射鏡
502‧‧‧LED組件
504‧‧‧特徵
506‧‧‧末端反射鏡
508‧‧‧LED組件
510‧‧‧特徵
512‧‧‧末端反射鏡
600‧‧‧光導
602‧‧‧印刷基板
604‧‧‧黏著層
606‧‧‧光導
608‧‧‧反射器
609‧‧‧光導
610‧‧‧LED組件
611‧‧‧特徵
612‧‧‧末端反射鏡
614‧‧‧印刷基板(光導)
700‧‧‧光導
702‧‧‧光導
704‧‧‧黏著層
706‧‧‧印刷基板
708‧‧‧反射器
709‧‧‧光導
710‧‧‧LED組件
711‧‧‧特徵
712‧‧‧末端反射鏡
713‧‧‧特徵
714‧‧‧印刷基板(波導)
800‧‧‧光導
802‧‧‧點圖案
804‧‧‧黏著層
805、806‧‧‧光導
808‧‧‧LED組件
810‧‧‧末端反射鏡
812‧‧‧反射器
900‧‧‧光導
902‧‧‧點圖案
904‧‧‧黏著層
906‧‧‧光導
908‧‧‧LED組件
910‧‧‧末端反射鏡
912‧‧‧反射器
1000‧‧‧光導
1002‧‧‧LED組件
1006‧‧‧基板
1008‧‧‧反射器
1012‧‧‧光萃取特徵
1020‧‧‧光導
D‧‧‧隆脊之間的距離
H‧‧‧隆脊的高度
T‧‧‧基底材料的總厚度
W‧‧‧頂表面的寬度
為了詳細敘述本發明的範例性具體態樣，已經參考了所附圖式，其中：圖1顯示依據多種具體態樣之製造主工具的方法；圖2A~2C顯示主工具的多種具體態樣；圖3示範依據多種具體態樣而使用主工具以將油墨印 刷在基板上的過程；圖4顯示依據多種具體態樣之光導的俯視圖，其具有均勻隔開的但非均勻尺寸的光萃取特徵；圖5A和5B顯示光導的多樣範例，其具有非均勻隔開的但均勻尺寸的光萃取特徵；圖6A和6B顯示光導之額外範例的側視圖；圖7A和7B顯示光導之進一步範例的側視圖；圖8A和8B顯示光導的額外範例，其中基板被印刷和附著於光導並且光萃取特徵直接印刷在光導上；圖9A和9B示範光導範例，其中光萃取特徵不是均勻隔開的；圖10A和10B顯示光線如何由光導的光萃取特徵所萃取出來。
100‧‧‧產生主工具之過程
102~108‧‧‧過程步驟

Claims (17)

  1. 一種製作光導的方法，其包括：把油墨轉移到上面形成了三維特徵圖案的主工具上；把油墨從主工具轉移到透明的光導；以及硬化光導上的油墨。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括形成主工具，其係將預定的圖案雕刻於黑色阻劑材料以暴露透明膜，而產生傳輸光的開口圖案。
  3. 如申請專利範圍第2項的方法，其中形成主工具進一步包括經由黑色阻劑材料的開放空間來施加離子化輻射到空白的彈性體層疊光阻。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中特徵圖案包括多個非均勻隔開的、均勻尺寸的光萃取特徵。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中特徵圖案包括多個均勻隔開的、非均勻尺寸的光萃取特徵。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中光導包括聚合物基板光導，其具有約0.5毫米到1毫米的厚度。
  7. 一種根據申請專利範圍第1項之方法所製造的光導。
  8. 一種製作光導的方法，其包括：把油墨轉移到上面形成了三維特徵圖案的主工具上；把油墨從主工具轉移到透明的基板；硬化基板上的油墨；以及把基板層疊到光導。
  9. 如申請專利範圍第8項的方法，其進一步包括把發散 性反射器附接於光導。
  10. 如申請專利範圍第8項的方法，其中層疊基板包括將基板層疊到光導的一側以及將發散性反射器附接到基板，藉此將基板夾在光導和反射器之間。
  11. 如申請專利範圍第8項的方法，其進一步包括將基板層疊到光導的一側以及將發散性反射器附接到光導的相對側。
  12. 如申請專利範圍第8項的方法，其中特徵圖案包括多個非均勻隔開的、均勻尺寸的光萃取特徵。
  13. 如申請專利範圍第8項的方法，其中特徵圖案包括多個均勻隔開的、非均勻尺寸的光萃取特徵。
  14. 如申請專利範圍第8項的方法，其中硬化包括使基板接受離子化輻射。
  15. 如申請專利範圍第8項的方法，其進一步包括形成主工具，其係將預定的圖案雕刻於黑色阻劑材料以暴露透明膜，而產生傳輸光的開口圖案。
  16. 如申請專利範圍第15項的方法，其中形成主工具進一步包括經由黑色阻劑材料的開放空間來施加離子化輻射到空白的彈性體層疊光阻。
  17. 一種根據申請專利範圍第8項之方法所製造的光導。
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