TW201350426A - 奈米層化光導板 - Google Patents

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TW201350426A
TW201350426A TW102113570A TW102113570A TW201350426A TW 201350426 A TW201350426 A TW 201350426A TW 102113570 A TW102113570 A TW 102113570A TW 102113570 A TW102113570 A TW 102113570A TW 201350426 A TW201350426 A TW 201350426A
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Jehuda Greener
Joseph Dooley
Michael R Landry
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Skc Haas Display Films Co Ltd
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Abstract

本發明係提供一種奈米層化光導板，包括接收來自至少一個光源之光之光輸入表面，包括用於提取所接收之光之複數個非連續表面特徵之底表面，以及用於發出該所提取之光之光輸出表面，此光導板進一步包括複數層兩種或更多種不同交替層，其中該些交替層具有小於可見光之四分之一波長的厚度。

Description

奈米層化光導板
本發明係有關一種包括複數層至少兩種交替層之奈米層化聚合物光導板，尤指一種包括至少兩種不同材料之複數層交替層之共擠壓奈米層化聚合物光導板。
液晶顯示器(LCD)持續在成本及性能上改良，對許多電腦，儀器測試設備，及娛樂應用而言，成為較佳的顯示器技術。通常LCD手機，筆記型電腦，及螢幕包括接收來自光源之光及將光或多或少均勻地遍及LCD再分佈之光導板。習知光導板通常具有0.4毫米(mm)至2mm之厚度。光導板應足夠厚以與光源，其通常為冷陰極螢光燈(CCFL)或複數個發光二極體(LED)，有效地耦合，以及使更多光朝著觀看者重定向。又，使用習知注射成形法製造具有小於約0.8mm之厚度及大於約60mm之寬度或長度的光導板通常是困難且昂貴的。另一方面，通常希望縮減光導板尺寸以降低LCD之整體厚度及重量，特別是當LED的尺寸變得更小時。因此，在這些衝突的要求之間必須達到平衡以達成最佳化之光利用效率、低製造成本、薄及亮度。習知光導板既厚且笨重，通常具有超過LCD面板本身的厚度。另一個缺點係有關在使用於製造習知光導板之材料的選擇上相對較無彈性。使用於製造LCD 背光或一般照明應用之光導板之兩種非常常見的聚合物材料為聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)及聚碳酸酯(PC)。當由PMMA或其他丙烯酸系材料製造時，光導板會易脆而若其變得太薄則會輕易地破裂。當由PC製造時，光導板可具有優異的機械性質但會輕易地被相鄰膜材刮傷或毀損。關於製造LCD之光導板有提到其他材料但該些材料由於高成本或某些性能不足而很少使用。
在大部份的應用中，光導板必須在單側上予以圖案化("單側光導板")以達到足夠的光提取及重定向能力。然而，在某些情形下，例如，在轉向膜系統中，希望在光導板的雙側微圖案化("雙側光導板")。在LCD之背光單元中使用轉向膜可減少為了獲得足夠高量之發光度所需之光管理膜的數目。不幸地，當光導板相對較薄(<0.8mm)時要達成兩個圖案的良好複製一直都是在選用轉向膜時的主要障礙。確實，對於控制成本，生產率及品質，而使轉向膜技術更具經濟吸引力而言，選擇製造薄，雙側光導板之方法至關重要。
迄今製造單側或雙側LGP之選擇方法有注射成形法及其一些變形法。在此方法中，係於高速度及壓力下將熱聚合物熔融物注射至模具腔室中，該模具腔室係具有微機械加工表面，其具備在模具填充和冷卻階段轉移至固化成型板表面上之圖案。當光導板的厚度相對較大(0.8mm)且其橫向尺寸(寬度及/或長度)相對較小(300mm)時，注射成形技術相當有效。然而，對於在兩個主表面上具有微圖案之相對薄板(<0.8mm)而言，注射成形法(其需要顯著程度之注射壓力)，在成形板中通常導致不良複製及高殘留應力和雙折射，造成不佳的尺寸安定性及低生產產率。
使用於製造單側光導板之另一方法係使用噴墨，網板印刷或其他種類之印刷方法在平坦，擠壓澆鑄(extruded cast)平板之單側上印刷圓點之非連續微圖案。此方法的缺點在於擠壓澆鑄步驟需要額外昂貴的印刷步驟且非連續微提取器的形狀和尺寸係預定而無法予以良好地控制。當需要經常改變圖案時，此方法係有用，但當欲使兩表面圖案化及產量相對較高時，此方法就變得較無吸引力。
照明技術領域中具有通常知識者深知製造縮小外形之光導板的優點。在了解到用於照明之薄且可撓曲光導結構的本質優點下，現已提出許多解決方案。例如，Rinko之名為“超薄照明元件”之美國專利第7,565,054號說明一種形成為波導的可撓曲照明，其為了光提取而使用非連續折射結構之圖案。在所有實例中，光導板皆為均勻者，包括單一材料及單一光傳導層。
使用於LCD背光之光導板之聚合物材料的選擇係以波導及LCD所要求之光學和物理性能需求作為參考。一般而言，在材料的要求之中，材料必須具備非常高的光學透射率，非常低的染色性，良好環境和尺寸安定性及高耐磨耗性。此外，材料必須可熔融加工且相對不昂貴以符合此產品種類的成本要求。這些嚴格的要求使得聚合物樹脂受限於非常少的材料選擇。如所提到的，現今在LCD光導板所使用之兩種主要樹脂種類為PMMA及PC。這些材料各具有特別強度但亦各有許多嚴重缺點。例如，雖然PMMA具有優異的光學性質及非常高的耐磨耗性，但它非常脆且具有曖昧的環境安定性。相較下，PC具有優異的機械性質及良好的環境安定性，但其光學性質，特別是光透射率，卻比那些PMMA者差且其耐磨 耗性不良。又，並非所有的塑膠材料皆能可靠地製造成薄程度而沒有脆性及龜裂的風險。例如，雖然在'054 Rinko專利中提到PMMA，其已被證明難以在低於0.3mm之厚度製造。此解決方法的製造方法對使用既有技術及習知材料而言亦是一種挑戰。
因此，需要有對兼具兩種樹脂種類之所要特點同時使其負面特性之影響最小化之堅固耐用且低成本之光導板。新材料組成物亦必須有助於使用於LCD和其他種類之顯示裝置以及一般照明應用之光的有效率提取，分佈及重定向。
本發明係提供一種奈米層化光導板，包括接收來自至少一個光源之光之光輸入表面，包括用於提取所接收之光之複數個非連續表面特徵之底表面，以及用於發出該所提取之光之光輸出表面，此光導板進一步包括複數個兩種或更多種不同交替層，其中該些交替層具有小於可見光之四分之一波長的厚度。
10‧‧‧光導板
12‧‧‧(光)輸入表面
13‧‧‧端表面
14‧‧‧(光)輸出表面
15a、15b‧‧‧側表面
16‧‧‧底表面/特徵化表面
20‧‧‧光源組件
20a‧‧‧光源
22‧‧‧模材/轉向膜
24‧‧‧膜材
30‧‧‧面板
32‧‧‧背光組件
100‧‧‧顯示器裝置
142‧‧‧反射膜
216‧‧‧菱鏡
217‧‧‧微結構/圖案
227‧‧‧非連續元件
227a‧‧‧第一種非連續元件
227b‧‧‧第二種非連續元件
227c‧‧‧第三種非連續元件
300‧‧‧擠壓裝置
310‧‧‧擠壓機
315‧‧‧熔融物泵
320‧‧‧擠壓機
325‧‧‧熔融物泵
330‧‧‧進料模組共擠壓模具
350、350a、350b、350c‧‧‧倍增元件
360‧‧‧板片模具
400‧‧‧擠壓裝置
410‧‧‧多層化板片
450‧‧‧多層化聚合物板片/多層化熔融共擠壓物
472‧‧‧供應滾筒
474‧‧‧載體膜
478‧‧‧(壓力)滾筒
480‧‧‧(圖案)滾筒
481‧‧‧剝除點
482‧‧‧捲曲滾筒
484‧‧‧滾筒
第1圖為使用本發明之奈米層化光導板之顯示器裝置之例示性實例的示意透視圖；第2A及2B圖為光導板之仰視圖及側視圖；第3A圖係顯示從平行於寬度方向之方向觀看之背光單元中之光導板的放大側視圖；第3B圖係顯示從平行於長度方向之方向觀看之光導板的放大側視圖；第3C圖為光導板上之直線形菱鏡的俯視圖； 第3D圖為光導板上之彎曲波浪狀菱鏡的俯視圖；第4A-1、4A-2及4A-3圖係顯示第一種非連續元件之透視、俯視、及側視圖；第4B-1、4B-2及4B-3圖係顯示第二種非連續元件之透視，俯視、及側視圖；第4C-1、4C-2及4C-3圖係顯示第三種非連續元件之透視，俯視、及側視圖；第5圖係製備使用於製造本發明之奈米層化光導板之多層化熔片之裝置的示意圖；以及第6圖係利用擠壓滾筒成形法形成本發明之奈米層化光導板之製造裝置之例示性實例的示意圖。
本發明藉由提供包括複數層聚合物材料A及B(例如，A/B/A/B…)之至少兩種交替層的多層化光導板而符合前述之需求，其中該些交替層係平行於光導板之主要表面而對準之；因此設置著微圖案之一個或兩個主要表面能夠自光源提取光再使光向著液晶面板向外地重定向。可改變交替層A及B(對應於聚合物A及B)的厚度，只要任何交替層的厚度小於可見光之四分之一波長或約100奈米(nm)即可。多層化光導板可包括複數層超過兩種交替聚合物層(例如，A/B/C/A/B/C…)，但所有層的厚度皆必須小於可見光之四分之一波長或<約100nm。本文所用之該種多層化光導板係指奈米層化光導板。
奈米層化光導板係一種其物理性質為成分材料(A,B,C,等)之性質之某種線性組合的有效中間複合物。因此，奈米層 化光導板的光學、機械及熱性質會是其成分材料(A、B、C等)之某個中間值，視該交替層之相對厚度而定。對特定功能而言，藉由選擇構成材料及藉由調整交替層之相對厚度可使奈米層化光導板的等效性質改變及最佳化。
在一實例中，本發明之奈米層化光導板係以下述步驟製備之：藉由共擠壓方法形成多層化熔片，其包括複數層至少兩種不同材料(例如，A/B/A/B…；且聚合物A及B較佳但不限於PC及PMMA)之交替層；將多層化熔片熔片澆鑄至載體膜基板上及至壓力滾筒與圖案滾筒間之滾筒隙中，該圖案滾筒係具有欲轉移至澆鑄多層化板片表面之適當的微圖案。壓力滾筒及圖案滾筒係維持在達成欲由壓力滾筒轉移至共擠壓板片表面之特徵的良好複製所需之某種表面溫度。然後自圖案滾筒剝除共擠壓板片，自載體膜基板剝離共擠壓板片，再輸送至最後修整站，將共擠壓圖案化板片最後切割並修整成奈米層化光導板的最終尺寸。
在另一實例中，本發明之奈米層化光導板係以下述步驟製備之：藉由共擠壓方法形成多層化熔片，其包括複數層至少兩種不同材料(例如，A/B/A/B…；聚合物A及B較佳但不限於PC及PMMA)之交替層；將該多層化熔片澆鑄至載體膜基板上及至壓力滾筒與圖案滾筒間之滾筒隙中，該圖案滾筒及載體膜具有欲轉移至澆鑄多層化板片兩個表面之適當的微圖案。該壓力滾筒及圖案滾筒係維持在達成欲由壓力滾筒及載體膜轉移至共擠壓板片主要表面之特徵的良好複製所需之某種表面溫度；然後自壓力滾筒剝除在兩個表面上具有微圖案之共擠壓板片，自載體膜基板剝離之，再輸送至最後修整站，將共擠壓圖案化板片最後切割及 修整成奈米層化光導板之特定尺寸。
在另一實例中，本發明之奈米層化光導板係以下述步驟製備：藉由共擠壓方法形成多層化熔片，其包括複數層至少兩種不同材料(例如，A/B/A/B…；聚合物A及B較佳但不限於PC及PMMA)之交替層；將多層化熔片澆鑄至一平坦表面上以產出固體空白奈米層化板片；使用噴墨、網板印刷或其他已知之印刷方法在固體空白奈米層化板片之一表面上印刷用於有效光提取之適當點圖案；若有需要，UV可固化所印刷之油墨；將所印刷之奈米層化板片切割及修整成奈米層化光導板之特定尺寸。
在又另一實例中，本發明之奈米層化光導板係以下述步驟製備之：藉由共擠壓方法形成多層化熔片，其包括複數層至少兩種不同材料(例如，A/B/A/B…；聚合物A及B較佳但不限於PC及PMMA)之交替層；將多層化熔片澆鑄至一平坦表面上以產出固體空白奈米層化板片；藉由適當熱壓配合具有光提取微圖案反印圖案之模具，在澆鑄板片主要表面之一上熱壓印光提取微圖案；將所印刷之奈米層化板片切割及修整成奈米層化光導板之特定尺寸。
現在參照第1圖，其表示使用光導板10作為背光組件32之一部份之顯示器裝置100。來自光源組件20之光經由輸入表面12耦合至光導板10。顯示器面板30，如LCD面板，可調制自背光組件32中光導板10之光輸出表面14所發出的光。亦可提供一種或多種額外之膜材，如第1圖中所示之膜材22及24，作為背光組件32之一部份，以改良光導板10所發出光之方向、均勻性或其他特性；或對通過LCD面板30之光提供偏振。通過顯 示器面板之光的路徑如虛線箭頭R所示。利用通常但不限於設置在光導板底表面16上之非連續細微特徵陣列，而促進藉由光導板10所進行之光提取及重定向。光反射器通常亦設置在該光導板10下與特徵化表面16相鄰，以改良來自光源之光提取效率。輸出表面14及底表面或特徵化表面16應稱為該光導板的主要表面。
LCD背光及一般照明設備中之光導板或膜材係具有將一個點狀光源、複數個點狀光源如發光二極體(LED)、或線光源如冷陰極螢光燈(CCFL)所發出之光轉換成平面或彎曲光發射表面之一般功能。所欲者為自一個或多個光源有效率地提取光，再自輸出表面儘可能均勻地發射出。
如第2A及2B圖所示，光導板10具有耦合由光源20a所發出之光的光輸入表面12，將光由該光導板發出之輸出表面14，與輸入表面12相對之端表面13，與輸出表面14相對之底表面16，以及兩個側表面15a和15b。光源20a可為單一線性光源如CCFL、點狀光源如LED或複數個點狀光源，例如，LEDs。
本發明之光導板使用成形為非連續元件且放置在其之一個主要表面上之光提取微結構；以及視需要之通常成形為連續菱鏡且放置在該光導板之相對表面上之光重定向微結構。真正的菱鏡係具有至少兩個平坦面。然而，因為在所有實施例中，光重定向結構之一個或多個表面無需平坦，而可為彎曲或具有多個截面，故在此說明書中使用更一般的用語"光重定向結構"。光提取微結構217通常，但不限於放置在該底表面16上，而該光重定向結構通常但不限於放置在該光導板之輸出表面14上。
光導板10在其底表面16上具有以點表示之非連續 元件之微-圖案217。該圖案217具有長度L0及寬度W0，其分別平行及正交於光源20a之線。通常，該圖案217在長度方向、寬度方向或者兩個方向具有比光導板10更小之尺寸。亦即L0≦L且W0≦W。非連續元件的尺寸及數目可沿著長度方向及寬度方向而變。或者，該圖案217可在光導板10之輸出表面14上。
一般而言，非連續元件之密度函數D2D(x,y)係隨著位置(x,y)而變。在實務上，密度函數D2D(x,y)係沿著寬度方向微弱地變化，而其沿著長度方向強烈地變化。為了簡化，通常係使用一維密度函數D(x)使非連續元件之圖案特徵化且可以，例如D(x)=ʃD 2D (x,y)dy W 0 D 2D (x,0)之方程式計算之。一維(1D)密度函數之其他形式亦可自2D密度函數D2D(x,y)輕易地推得。在下述內容中，獨立變數x應被理解為可使用於計算一維密度函數D(x)之任一者。例如，若光源為點狀且位在靠近光導板的角落，則x可以是從原點O算起之半徑。
第3A圖係顯示從平行於寬度方向之方向觀看時光導板10、菱鏡膜如轉向膜22或散光器及反射膜142的放大側視圖。視需要地，在光導板10之輸出表面14上為複數個菱鏡216，及在底表面16上為複數個非連續元件227。第3B圖係顯示從平行於長度方向之方向觀看時光導板10的放大側視圖。該輸出表面14上之各菱鏡216通常具有頂點角α0。菱鏡可具有圓形頂點且可以雙凸透鏡狀圖案取代之。第3C圖為菱鏡的俯視圖。在此實例中，該等菱鏡彼此平行。在另一實例中，如第3D圖所示，該菱鏡216係為彎曲或波浪狀。具有任何已知修飾之菱鏡或雙凸透鏡狀(圓形)元件皆可使用於本發明。實例包含，但不限於，具有可 變長度、可變頂點角，及可變間距之菱鏡。然而，最一般來說，光導板的輸出表面係為平坦且無特徵者。
第4A-1、4A-2及4A-3圖係分別顯示可依據本發明予以使用之第一種非連續元件227a之透視、俯視及側視圖。各非連續元件基本上為三角形切割菱鏡。第4B-1、4B-2及4B-3圖係分別顯示可依據本發明予以使用之第二種非連續元件227b之透視、俯視及側視圖。各非連續元件基本上為具有平坦頂端之三角形切割菱鏡。第4C-1、4C-2及4C-3圖係分別顯示可依據本發明予以使用之第三種非連續元件227c之透視、俯視及側視圖。各非連續元件基本上為圓形切割菱鏡。亦可使用其他已知形狀如圓柱形，半球形及球形截面之非連續元件，其可為或可不為對稱者。
使用於LCD背光及一般照明設備之光導板之聚合物材料的選擇係以波導及顯示器所要求之光學和物理性能需求而作為參考。由於所有的光導板皆需在相對長的距離上傳送光，在可見光譜內之光吸收度及色度效果對於光導板在最小吸收度損失下有效率地提取光以及不改變輸出表面所發出之光之顏色上的能力而言特別關鍵。此外，相對較薄之光導板必須足夠地持久耐用，堅韌牢固及耐磨耗以使可能因相鄰於該光導板表面之光管理膜的相對移動所造成之龜裂及磨耗形式之缺陷降到最小。最後，該光導板必須是環境上安定且成本低，需要使用相對不昂貴且環境上安定之材料。所有這些關鍵性的要求係將使用於製造光導板之材料的選擇限制到非常少的可實用材料選擇。如所提到的，現今在LCD背光及一般照明設備之光導板所使用之兩種主要樹脂種類為聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)及雙酚A聚碳酸酯(PC)。這些材料各 具有特別強度但亦各有許多嚴重缺點。例如，雖然PMMA具有優異的光學性質及非常高的耐磨耗性，但它非常脆且僅具有曖昧的環境安定性。相較下，PC具有優異的力學性質及良好的環境安定性，但其光學性質卻比那些PMMA者差且其耐磨耗性不良。又，並非所有的塑膠材料皆能可靠地製造成薄程度而沒有脆性及龜裂的風險。例如，雖然在'054 Rinko專利中提到PMMA，其已被證明難以在低於0.3mm之厚度製造。此解決方式的製造方法對使用既有技術及習知材料而言亦是一種挑戰。
本發明提供一種由至少兩種不同光學材料之交替層(例如，具有聚合物A及B之A/B/A/B…之層結構)所組成之多層化聚合物光導板，其中所有的層皆具有小於光之四分之一波長之厚度且通常平行於光導板的主要表面；且其中一個或兩個主要表面(第1圖中表面16及/或14)含有圖案以能夠藉由光導板從放置在該光導板之一個或多個邊緣上之一個光源或多個光源提取光或使光重定向。此多層交替層可包括約百個至數千個不同層。為了使不想要之散射損失及多層化結構內之波導達到最小，可改變交替層的厚度，但沒有一層可具有大於可見光之四分之一波長之厚度，其通常<100nm。對某些特別的應用而言，厚度範圍可擴大至<150nm。若任一之交替層係比可見光之四分之一波長厚，則光會被困在多層化膜內，因此對該光導板之光提取效率造成負面影響。具有至少兩種不同聚合物之交替層，且此等層係具有小於可見光之四分之一波長或小於~100nm之厚度之本發明多層化光導板又被稱為奈米層化光導板。
奈米層化光導板係一種，其有效物理性質為成分材 料(A、B、C等)性質之某種線性組合之有效中間複合物膜材或板片。因此，奈米層化光導板的光學、機械及熱性質會是其成分材料(A、B、C等)之某個中間值，視交替層之相對厚度而定。利用有效中間理論，具有兩個交替層A及B之奈米層化膜的光學及其他物理性質(p)可以下式表示之：p=pA x+pB(1-x)式中x為層A之厚度分量。類似之數學式可應用於具有超過兩個交替層及具有各種結構如A/B/C/D…或A/B/C/D…等之奈米層化膜。在後面結構中，層C可使用作為中間層(tie layer)以改良層A與B間之層間黏著性。因此，對特定功能或應用而言，藉由審慎選擇交替材料及藉由調整交替層之相對厚度同時使任何及所有層的厚度皆保持在<150nm，更佳為每一層<100nm，可使奈米層化光導板的等效性質改變及最佳化。例如，若奈米層化光導板中之兩種交替材料為聚碳酸酯(PC)及聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)，則光導板的物理性質會是PC與PMMA之性質的某種線性組合。因此，該奈米層化結構的刮傷及毀損敏感性會比單純使用PC者較為改善。同樣地，因為在多層化結構中存在光學上優異之PMMA層之故，亦可預期此複合結構之光學性質，特別是光透射率及色度比那些單純使用PC者較為改善。並可預期添加PC之交替層可改善PMMA之脆性及環境缺點，此乃由於其較高之玻璃轉移溫度、較高度之堅韌性及對濕氣之較低敏感性之故。
材料
雖然PMMA及PC特別適合使用於本發明之奈米層化光導板，但許多其他光學透明材料(通常超過兩種交替材料)亦 可使用於奈米層化結構。本發明之奈米層化光導板可由各式各樣可熔融加工之透明聚合物之任何組合所形成。這些材料可包含，但不限於，可由下述族系進一步加工成聚合物之均聚物、共聚物及寡聚物：聚酯；聚芳烴酯；聚碳酸酯(例如，含有雙酚A以外之部份之聚碳酸酯)；聚醯胺；聚醚-醯胺；聚醯胺-亞胺；聚亞胺(例如，熱塑性聚亞胺及聚丙烯亞胺)；聚醚亞胺；環狀烯烴聚合物；衝擊改質之聚甲基丙烯酸酯，聚丙烯酸酯，聚(丙烯腈)及聚苯乙烯；苯乙烯系之共聚物及掺合物(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-苯乙烯三聚合物)；聚醚(例如，聚苯醚，聚(二甲基苯醚))；纖維素(例如，乙基纖維素，纖維素乙酸酯，纖維素丙酸酯，纖維素乙酸酯丁酸酯，及纖維素氮酸酯)；以及含硫之聚合物(例如，聚苯硫醚，聚碸，聚芳基碸，聚醚碸)。亦可使用兩種或更多種聚合物或共聚物之光學上可傳遞的可混溶掺合物或掺雜物。
在某些實例下，奈米層化光導板可適合地包括可熔融加工，可撓曲之聚合物。為了本發明之目的，可撓曲聚合物係一種在典型操作溫度範圍下可繞著直徑5cm之圓柱捲繞不會破裂之膜材或板片形式之聚合物。所欲地，光導板可包括具有至少85%(ASTM D-1003)(更所欲為至少90%)之組合有效光透射率以及不大於2%(更所欲為不大於1%)之霧度(ASTM D-1003)的聚合物材料。通常，適合之聚合物在本質上可為結晶性，半結晶性，或非結晶性，而非結晶性聚合物最適合，此乃由於其具有形成具有最小量霧度之光學上均勻結構之能力。為了最符合顯示器及一般照明應用之熱尺寸安定性要求，奈米層化光導板中之聚合物應具有 至少85℃之組合有效玻璃轉移溫度(Tg)(ASTM D3418)，及在常溫不大於1.0×10-4mm/mm/℃之熱膨脹係數(ASTM D-696)。這些性質可藉由選擇使用作為奈米層化光導板中交替層之組合物的正確組合，而予以顯著地改良。
本發明奈米層化光導板特別適合之可熔融加工聚合物包括非結晶性聚酯(亦即，在使用於製造奈米層化光導板之擠壓製程期間所採用之時間及溫度下不會自發地形成結晶性形態之聚酯)，聚碳酸酯(亦即，基於二元酚如雙酚A之聚碳酸酯)，包括酯和碳酸酯部份兩者之聚合物材料，以及環狀烯烴聚合物。此外，通常為脆性及熔融可加工之聚合物如聚(甲基丙烯酸甲酯)，聚苯乙烯，及聚(丙烯腈)在藉由併入衝擊改質劑聚合物顆粒(例如，包括軟核/硬殼乳膠顆粒之衝擊改質PMMA)製成可撓曲後，係為可使用於本發明之適合材料，限制條件為衝擊改質劑不會使奈米層化複合物之光學性質降解至不符合光導板光學要求之程度。有撓曲性之聚合物層係所欲，但非實施本發明之必要條件。各式各樣的奈米複合物，包括與其尺寸比共擠壓層之厚度小甚多之奈米顆粒掺合之基質聚合物亦可被用於奈米層化結構中之一個或多個交替層，但由其所製成之奈米層化光導板的光學性質不會受到添加奈米顆粒之負面影響。
使用於聚酯之適合的單體及共單體可具有二醇或二羧酸或酯型。二羧酸共單體包含，但不限於，對苯二甲酸，間苯二甲酸，鄰苯二甲酸，所有異構之萘二羧酸，二苯甲酸如4,4’-聯苯基二羧酸及其異構物，反-4,4’-芪二羧酸及其異構物，4,4’-二苯基醚二羧酸及其異構物，4,4’-二苯基碸二羧酸及其異構物， 4,4’-二苯甲酮二羧酸及其異構物，鹵化芳香族二羧酸如2-氯對苯二甲酸及2,5-二氯對苯二甲酸，其他取代之芳香族二羧酸如第三丁基間苯二甲酸及磺酸鈉化間苯二甲酸，環烷二羧酸如1,4-環己烷二羧酸及其異構物及2,6-十氫萘二羧酸及其異構物，雙-或多-環狀二甲酸(如各種異構之降冰片烯及降冰片烯二羧酸，金剛烷二羧酸，及雙環辛烷二羧酸)，烷二羧酸(如癸二酸，己二酸，乙二酸，丙二酸，丁二酸，戊二酸，壬二酸，及十二烷二酸)，以及稠合環芳香族烴之任何異構二羧酸(如茚，蒽，菲，苯并萘，茀等)。可使用其他脂肪族，芳香族，環烷或環烯二羧酸。或者，可使用任何這些二羧酸單體之酯，如對苯二甲酸二甲酯取代之或與二羧酸本身組合之。
適合之二醇共單體包含，但不限於，直鏈或支鏈烷二醇或者二醇(如乙二醇，丙二醇如三亞甲基二醇，丁二醇如四亞甲基二醇，戊二醇如新戊二醇，己二醇，2,2,4-三甲基1,3-戊二醇及更高級之二醇)，醚二醇(如二乙二醇，三乙二醇，及多乙二醇)，鏈-酯二醇如丙酸3-羥基-2,2-二甲基丙基-3-羥基-2,2-二甲基丙基-3-羥基-2,2-二甲基丙基酯，環烷二醇如1,4-環己烷二甲醇及其異構物和1,4-環己二醇及其異構物，雙-或多環狀二醇(如各種異構之三環癸烷二甲醇，降冰片烷二甲醇，降冰片烯二甲醇，及雙環辛烷二甲醇)，芳香族二醇(如1,4-苯二甲醇及其異構物，1,4-苯二醇及其異構物，雙酚如雙酚A，2,2’-二羥基聯苯及其異構物，4,4’-二羥基甲基聯苯及其異構物，以及1,3-雙(2-羥基乙氧基)苯及其異構物)，以及這些二醇之低級烷基醚或二醚，如二甲基或二乙基二醇。可使用其他脂肪族，芳香族，環烷基或環烯基二醇。
包括酯及碳酸酯部份兩者之聚合物材料可為其中至少一種成分係基於聚酯之聚合物(均聚物或共聚物)且另一種成分係聚碳酸酯(均聚物或共聚物)之(可混溶)掺合物。該種掺合物可藉由，例如，習知熔融加工技術製造之，其中混合聚酯顆粒與聚碳酸酯顆粒，接著在單或雙螺桿擠壓機中熔融掺合以形成均勻混合物。在熔融溫度下，聚酯與聚碳酸酯間可能發生某些轉移反應(轉酯化反應)，其反應程度可藉由添加一種或多種安定劑如亞磷酸化合物而控制。或者，包括酯及碳酸酯部份兩者之聚合物材料可為藉由使二元酚、碳酸酯前驅物(如光氣)與二羧酸、二羧酸酯或二羧酸醯鹵反應所製備之共聚酯碳酸酯。
環狀烯烴聚合物係一種相當新種類之聚合物材料，其提供高玻璃轉移溫度，高光透射率，及低光學雙折射。可使用於實施本發明之非結晶形環狀烯烴聚合物包含均聚物及共聚物。該環狀烯烴(共)聚合物包含，例如，非-環狀烯烴如α-烯烴與環狀烯烴之環狀烯烴加成共聚物；乙烯，環狀烯烴與α-烯烴之環狀烯烴加成共聚物；以及藉由環狀單體之開環聚合反應接著氫化反應所製備之均聚物及共聚物。較佳之環狀烯烴聚合物係為那些由具有降冰片烯或四環十二碳烯結構之環狀烯烴所組成者。較佳之環狀烯烴聚合物及共聚物之典型實例包含降冰片烯/乙烯共聚物、降冰片烯/丙烯共聚物、四環十二碳烯/乙烯共聚物及四環十二碳烯/丙烯共聚物。目前市售之環狀烯烴聚合物包含APELTM(Mitsui化學公司)、ARTON®(JSR工司)、TOPAS®(Ticona GmbH)及Zeonex®和Zeonor®(Zeon化學公司)。雖然此類聚合物的光學性質通常高度適合使用於光導板，但其成本相對較高且經常相當脆。因此， 藉由將這些材料與較不昂貴之聚合物如PMMA或PC組合，可能可以減輕此類光學材料的某些缺點而製得具有光學與物理性質良好平衡之奈米層化光導板。
製造
本發明之奈米層化光導板可使用數種熔融擠壓澆鑄法製造之。在所有實例中，製程中之第一步驟涵蓋製備具有所要之層化組成之共擠壓多層化熔片。如下所述，藉由沿著熔融物流添加許多層倍增元件，可能增加層數，因此，可將層厚度減少至所要的程度。因為預期在共擠壓多層化熔片的澆鑄期間會往下拉，在此步驟之層厚度可能超過最終奈米層化光導板100nm之所需上限。製備本發明多層物件之擠壓裝置300圖解地說明於第5圖，其中第一，第二，及視需要之第三或更多個擠壓機(在兩種交替層及兩個擠壓機時分別為310，320)係使用於在視需要地通過適當之熔融物泵315及325後產生欲進料至進料模組模具330中之不同聚合物之個別熔融物流。當希望製造具有超過兩種交替層如A/B/C/A/B/C/…或A/B/C/B/A/B/C/B/…等之光導板時，可使用視需要之第三擠壓機。該第三聚合物可具有與第一及第二聚合物不同之光學及物理性質。在一實例中，該第三聚合物可包括該第一與第二聚合物之共聚物且作為有效之中間層以提升該第一與第二層間之層間黏著性。可視需要地使用超過三個擠壓機及超過三種交替層。雖然在此係說明進料模組共擠壓模具330，但技術領域中具通常知識者將明白可使用其他種類之共擠壓模具擠壓多層化膜材。
自進料模組共擠壓模具330出來之層化共擠壓物係通過設計成增加層數且同時減少層厚度之一系列層倍增元件 350。第5圖圖解地顯示三個倍增元件(350a、350b及350c)，但倍增元件數目可任意地改變，視多層化結構中所需產生之總層數而定。在具有兩種交替層(A及B)之多層化結構之實例中，層之數目m係由下式界定之：m=2n其中n為倍增元件的數目。因此，對足夠之層倍增元件數目而言，可能增加層數目且因此減少層厚度至落在所要之範圍內，亦即，<150nm，更佳為<100nm。在通過該層倍增元件後，該熔融物流係通過適當之板片模具360，其中可在澆鑄前調整多層化熔融共擠壓物450之最終形狀。
製備共擠壓多層化熔片後，接著可以許多不同製程實例進行製備本發明奈米層化光導板所需之板片的一個或兩個主要表面的圖案化。以下說明一些示例之實例。在一個實例中，係以圖解說明於第6圖所謂之擠壓滾筒成形法，進行由多層共擠壓法所製造之多層化板片之一個或兩個主要表面的圖案化。下文所述之方法特別適合於網狀製造及卷對卷操作而可輕易地採用於本發明奈米層化光導板之製造。在其中一個實例中，此方法包括下述步驟：
(1)將自擠壓裝置400出來之多層化聚合物板片澆鑄至剛性但可撓曲之聚合物載體膜474上，該聚合物載體膜474係由供應滾筒472進料至反向旋轉滾筒480與478間之滾筒隙中。滾筒480(圖案滾筒)在其表面上帶有微圖案特徵，此圖案係設計成欲轉移至光導板並用於自光源提取光者。維持滾筒480的表面溫度TPaR,1使得TPaR,1>Tg1-50℃，其中Tg1係基於有效中間理論之擠壓奈米層化聚合 物板片450之有效玻璃轉移溫度。滾筒478(壓力滾筒)具有軟彈性表面及表面溫度TP,1，其中TP,1<TPaR,1。維持兩個滾筒間之滾筒隙壓力P，使得P>8牛頓/毫米滾筒寬度。許多種類之載體膜可使用於實施本發明，但一般之載體實例係為具備撓曲性、剛性、耐用性及低成本之恰當組合的聚(對苯二甲酸乙二醇酯)(PET)。
(2)自滾筒隙區域排出之該載體膜474及澆鑄多層化聚合物板片450係較佳地貼附至圖案滾筒480，直至於距滾筒隙某段距離之下游處固化形成具有所要之厚度之多層化聚合物板片。
(3)在剝除點481，自圖案滾筒480剝除固化之多層化板片410，再將之自載體膜剝除；該載體膜474一旦與固化之多層化板片分離，立即纏繞至捲取滾筒482上。該固化之多層化板片410一旦自圖案滾筒480剝除且自載體膜474分離立即在受控制之張力下予以捲取至捲取站中，於該處該板片要麼在線修整(板片化)要麼纏繞在滾筒484上以待後續修整，以製得本發明之奈米層化光導板。圖案化之奈米層化光導板具有厚度d，其通常係於0.20至5.0mm間變化，然而對擠壓滾筒成形製程而言，d較佳為約0.20至0.8mm，且更佳為約0.3mm至0.7mm。在某些情形下，使用載體膜474於製造多層化聚合物物件是視需要的，雖然一般而言在沒使用載體膜時將更難控制所製造之光導板的品質。
本發明之奈米層化光導板可藉由將圖案放置在該圖案滾筒480及壓力滾筒478兩者上，且不使用載體膜而以單次圖案化步驟利用兩個表面上之圖案所製備。因為樹脂與圖案化之壓力滾筒478在該滾筒隙區域中之短暫停留時間及接觸時間，故自壓力滾筒478所轉移之圖案最好可容易複製(例如，非常淺之特徵) 以在圖案化板片之雙側上達成可接受之複製保真性。此外，藉由操弄交替樹脂使得在具有較易複製及形成特徵之壓力滾筒面上放置樹脂層，而可能在較短接觸時間達成較佳之複製。可使用於此方面之樹脂的實例係為與使用於奈米層化光導板之本體聚合物具有類似組成但較低分子量之聚合物，或與適當之塑化劑調配之樹脂。使奈米層化光導板之第二表面圖案化的另一可行方式係為使用圖案化載體膜474，其具有欲在滾筒隙區域轉移至多層化澆鑄板片之其他主要表面之要求圖案，且可在剝除點481之下游處自所形成之奈米層化光導板輕易地剝除。
在表面圖案化步驟之另一實例中，本發明之奈米層化光導板係以下述步驟製備之：
(1)藉由共擠壓法形成多層化熔片，其包括複數層至少兩種不同材料(例如，A/B/A/B…；聚合物A及B較佳但不限於PC及PMMA)之交替層；
(2)將多層化熔片澆鑄至一平坦表面上再冷卻該板片以產出固體空白奈米層化板片或厚板；
(3)使用噴墨，網板印刷或其他已知之印刷方法在固體空白奈米層化澆鑄板片之一個表面上印刷適當點圖案以有效率提取光。在較佳實例中，係使用UV可固化之油墨，但也可在此步驟中使用其他種類之油墨；
(4)若有需要，UV固化所印刷之油墨。
(5)將所印刷之奈米層化板片切割及修整成本發明光導板之最終尺寸。
在又另一實例中，本發明之奈米層化光導板係以下 述步驟製備之：(1)藉由共擠壓法形成多層化熔片，其包括複數層至少兩種不同材料(例如，A/B/A/B…；聚合物A及B較佳但不限於PC及PMMA)之交替層；(2)將多層化熔片澆鑄至一平坦表面上以產出空白奈米層化板片或厚板；(3)藉由適當熱壓配合具有光提取微圖案反印圖案模具，在澆鑄板片之主要表面之一上熱壓印光提取微圖案。為了達到模具圖案之良好複製，壓印表面的溫度必須提升至高於奈米層化板片之有效玻璃轉移溫度；(4)將該圖案化表面冷卻至低於該奈米層化板片之有效玻璃轉移溫度；(5)將圖案化之奈米層化板片切割及修整成本發明光導板之最終尺寸。
應注意擠壓滾筒成形法通常侷限於相對較薄之光導板(d<0.8mm)，而上述示例之印刷及熱壓印法較適合於製備相對較厚之光導板(d>0.8mm)。
因此，本發明所提供的是一種奈米層化板片，包括複數層共擠壓之聚合物熱塑性材料之交替層，其中該交替層具有小於可見光之四分之一波長的厚度且通常平行於光導板之主要表面；且其中一個或兩個主要表面係含有圖案以能夠藉由該光導板自放置在該光導板之一個或多個邊緣上的一個光源或多個光源提取光或使光重定向。此光導板可使用於LCD背光以及一般照明應用，因此，藉由光導板所提取之光可向著LCD面板或一般照明設 備時之照光區域定向。
10‧‧‧光導板
12‧‧‧(光)輸入表面
14‧‧‧(光)輸出表面
16‧‧‧底表面/特徵化表面
20‧‧‧光源組件
22‧‧‧模材/轉向膜
24‧‧‧膜材
30‧‧‧面板
32‧‧‧背光組件
100‧‧‧顯示器裝置
R‧‧‧通過顯示器面板之光的路徑

Claims (10)

  1. 一種奈米層化光導板，包括接收來自至少一個光源之光之光輸入表面，包括用於提取所接收之光之複數個非連續表面特徵之底表面，以及用於發出所提取之光之光輸出表面；該光導板進一步包括複數層兩種或更多種不同之交替層，其中該些交替層係具有小於可見光之四分之一波長的厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中該交替層結構係為循環之A/B/A/B/…型，且該A及B層包括兩種不同之光學聚合物。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中該多層結構係為循環之A/B/C/A/B/C/…型，且該A、B及C層包括三種不同之光學聚合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中該非連續表面特徵係設置在該底表面上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中該非連續表面特徵係設置在該底表面及該光輸出表面兩者上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中該非連續表面特徵係設置在光輸出表面上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中連續光重定向特徵係設置在與其上設置有該非連續表面特徵之表面相對之表面上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中多層化結構之層係小於150nm厚，更佳為小於100nm厚。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中該多層化 結構係為循環A/C/B/C/A/C/B/C…型，且該A，B及C層包括三種不同之光學聚合物。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之奈米層化光導板，其中多層化結構中之各種層係包括不同之光學上透射的聚合物，包含，但不限於，聚(甲基丙烯酸甲酯)或其他丙烯酸系聚合物，聚碳酸酯，聚酯，聚環烯烴及其他非結晶形烯烴聚合物，聚醯胺，聚亞胺，苯乙烯系，聚胺基甲酸酯，聚碸，及其共聚物或掺合物。
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