TWI468752B - 製造奈米層化光導板之方法 - Google Patents

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Description

製造奈米層化光導板之方法
本發明係關於製造含有複數層至少二種交替層之奈米層化聚合光導板的方法，並且更尤指包含至少兩不同材料製成之複數層交替層的共擠壓之奈米層化聚合質光導板。
液晶顯示器(LCDs)持續改善成本及效能而成為許多電腦、儀器、以及娛樂應用的較佳顯示器技術。一般的LCD行動電話、筆記型電腦、以及螢幕包含用於從光源接收光並且將光於整個LCD或多或少地均勻重新分佈的光導板。傳統光導板的厚度通常介於0.4釐米(mm)與2mm之間。光導板應厚到足以有效耦合光源，典型為冷陰極螢光燈(CCFL)或複數個發光二極體(LEDs)，並且將更多的光重定向至觀視者。而且，使用傳統注射模製步驟(injection molding process)製作厚度小於約0.8mm且寬度或長度大於約60mm的光導板通常有其難度並且耗成本。另一方面，通常期望縮小光導板以減少LCD的總厚度及重量，尤其是LEDs尺寸變得更小的現在。因此，為了達到 最佳光使用效率、低製造成本、薄度、以及亮度，有必要打破這些予盾要求之間的平衡。傳統的光導板又厚又笨重，其厚度通常超過LCD面板本身。製造傳統光導板所用材料的選擇相對的較無彈性也是一項缺點。聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)及聚碳酸酯(PC)是兩種在製造LCD背光用光導板或用於一般照明應用時很常見的聚合質材料。使用PMMA或其它丙烯酸系為基礎材料(acrylic-based material)製造光導板時，若太薄則該光導板脆且易碎。使用PC製造光導板時，雖然有優良的機械特性，但易於遭到鄰近薄膜所刮傷或玷污(mar)。關於製造LCD用光導板還有其它材料可用，但這些材料因成本高或某些效能缺陷而罕用。
在大部份應用裡，光導板必須在一側(「單側光導板」)製作圖樣，以得到足夠的光萃取與重定向能力。然而，在某些例如轉向薄膜系統(turning film system)等情況下，期望的是於板件兩側上微圖樣化(「雙側光導板」)。在LCD背光單元裡使用轉向薄膜可降低為達夠高亮度所需的光管理薄膜數量。不幸的是，板件相對較薄(<0.8mm)時要良好複製兩側圖樣已經是該轉向薄膜選項(turning film option)接受度的主要障礙。的確，選擇生產薄型、雙側光導板之方法對於控制成本、產量與品質以及實現更有商業價值的轉向薄膜技術具有重要性。
迄今為止，選用於製造單或雙側LGPs的方法已有注射模製步驟及其某些變化方法。在這種方法中，熱聚合物熔化物係以高速高壓注入具有微加工面之模穴， 其中圖案在填模(mold filling)與冷卻階段期間係轉移到模製板(molded plate)表面上。注射模製技術在板件厚度相對較大(0.8mm)且其側部尺寸(寬度及/或長度)相對較小(300mm)時相當有效。然而，對於兩主面上均具有微圖樣的相對較薄板件(<0.8mm)，需要顯著的注射壓力水準之注射成形製程通常導致模製板複製不良及高殘留應力與高雙折射，而使尺寸穩定度不良並且生產良率低。
另一種生產單側光導板的方法是利用噴墨法(inkjet)、絲網印刷法或其它類印製法在平坦，且擠出之澆鑄片(cast sheet)一側印製圓點離散微圖樣。此方法的缺點在於擠壓澆鑄步驟需要額外之耗成本的印製步驟且離散微萃取件的形狀及尺寸係已預定並且並未良好控制。此方法在圖樣將常改變時較有用，但在雙面都要製作圖樣以及生產量相對較高時則極不具有吸引力。
熟悉照明領域的人士很欣賞製造輪廓縮減之光導板的優點。在承認照明用薄型與撓性(flexible)光導結構的固有優點情況下，已有許多建議之解決方案。例如，Rinko所申請標題為「超薄發光元件(Ultra Thin Lighting Element)」第7,565,054號美國專利案說明做成波導並且使用光萃取用離散、繞射結構圖樣的可撓式照明器。在任何情況下，光導板具有均質性(homogeneous)，包含單一材料及單一光傳導層。
用於LCD背光的光導板中所用聚合質材料的選擇取決於波導及LCD對於光學與物理效能的需求。一 般而言，值得一提之需求是，此材料必須具備很高的透光度、很低的色度、良好的環境與尺寸穩定度以及高耐磨性。另外，此材料必須可熔化加工以及相對不昂貴以符合此類產品類別的成本需求。這些嚴格的需求導致可選之聚合質樹脂的材料選項非常少。正如本文所述，目前LCD光導板所使用的兩種主要樹脂類別為PMMA及PC。這些材料各自有特殊強度但也都有多個嚴重的缺點。例如，儘管PMMA的光學特性優良且耐磨性非常高，但其很脆並且環境穩定性不明(borderline)。比較起來，PC的機械特性優良並且環境穩定性良好，但其光學特性，尤其是透光度，比PMMA稍差而且耐磨性不良。還有，並非所有塑膠材料都可無虞地製作成薄規格(thin gauge)而無易脆及破裂的風險。以PMMA為例，雖然Rinko在054號專利案已有陳述，仍證實其難以於低於0.3mm厚度製造。此解決方案的製造方法若使用現有技術及傳統材料仍是挑戰。
因此，需要有既堅實又低成本的光導板，其結合兩種樹脂類別期望特徵而又最小化其等負面特性影響。新的材料組成物也必須有助於有效萃取、分佈及重定向LCD與其它類顯示器裝置以及一般照明應用中所使用的光。
本發明提供製造奈米層化光導板的方法，其包含：藉由共擠壓法形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的多層化熔片；將共擠壓片澆鑄在(casting)介 於壓力滾輪與圖樣滾輪之間的輥隙(snip)內，以形成在其至少一個主面上具有離散微圖樣之奈米層化片；以及切割並且精加工所擠壓的微圖樣化片以形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的奈米層化光導板，其中各層具有小於可見光的四分之一波長之厚度。
在另一實施例中，本發明提供製造奈米層化光導板的方法，其包含：藉由共擠壓法形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的多層化熔片；將共擠壓片澆鑄在平坦表面上並且冷卻該片以產生固態坯料(blank)奈米層化板體(slab)；在該固態坯料奈米層化板體之一個表面上印製光萃取用的點狀圖樣；以及切割並精加工所印製的奈米層化板體以形成包含複數層二種或更多種不同交替材料層的奈米層化光導板，其中各層具有小於可見光的四分之一波長之厚度。
在另一具體實施例中，本發明提供製造奈米層化光導板的方法，其包含：藉由共擠壓法形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的多層化熔片；將共擠壓片澆注在平坦表面上以產生坯料奈米層化板體；在所澆鑄的坯料奈米層化板體之一個表面上熱壓印(emboss)光萃取微圖樣；冷卻該微圖樣化表面到低於奈米層化板體的有效玻璃轉化溫度(glass transition temperature)；以及切割並且精加工微圖樣奈米層化板體以形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的奈米層化光導板，其中各層具有小於可見光的四分之一波長之厚度。
10‧‧‧光導板
12‧‧‧輸入面
13‧‧‧末端表面
14‧‧‧輸出表面
15a、15b‧‧‧側部表面
16‧‧‧底部表面、特徵化表面
20‧‧‧光源組裝件
20a‧‧‧光源
22、24‧‧‧薄膜
30‧‧‧顯示面板
32‧‧‧背光組裝件
100‧‧‧顯示器裝置
142‧‧‧反射薄膜
216‧‧‧稜鏡
217‧‧‧光萃取微圖樣
227‧‧‧離散元件
227a‧‧‧離散元件
227b‧‧‧第二種離散元件
227c‧‧‧第三種離散元件
300‧‧‧擠壓設備
310、320‧‧‧擠壓機
315、325‧‧‧熔體泵
330‧‧‧饋塊共擠壓模
350‧‧‧層倍增元件
350a、350b、350c‧‧‧倍增元件
360‧‧‧片材機頭
400‧‧‧擠壓設備
410‧‧‧固化之多層化片
450‧‧‧多層化熔化共擠出物、奈米層化聚合質片
472‧‧‧供應滾輪
474‧‧‧聚合質載體薄膜
478‧‧‧壓力滾輪
480‧‧‧圖樣滾輪
481‧‧‧剝離點
482‧‧‧捲取輥
484‧‧‧滾輪
R‧‧‧光路徑
第1圖為使用本發明奈米層化光導板顯示器裝置示例性具體實施例的示意立體圖；第2A及2B圖表示光導板的底視圖及側視圖；第3A圖表示沿平行於寬度方向之方向觀視背光單元中光導板的放大側視圖；第3B圖表示沿平行於長度方向的方向觀視光導板的放大側視圖；第3C圖為光導板上線性稜鏡(linear prisms)的俯視圖；第3D圖為光導板上曲狀波浪式稜鏡的俯視圖；第4A-1、4A-2、以及4A-3圖表示第一種離散元件的立體、俯視、以及側視圖；第4B-1、4B-2、以及4B-3圖表示第二種離散元件的立體、俯視、以及側視圖；第4C-1、4C-2、以及4C-3圖表示第三種離散元件的立體、俯視、以及側視圖；第5圖為用於製備多層化熔片之設備示意代表，其用來產生本發明之奈米層化光導板；第6圖為用於形成本發明奈米層化光導板之製造設備的一個示例性具體實施例的示意圖，其利用擠壓輥模製製程(extrusion roll molding process)所實現。
本發明藉由提供含有複數層至少2種聚合質材料A與B之交替層(例如，A/B/A/B/…)的多層化光 導板而符合上述需求，其中交替層係平行於該光導板主面而對準；以及微圖樣係置於一個或二個主面上以茲能夠萃取來自光源之光並且將光向外朝液晶面板重定向。只要任一交替層的厚度小於可見光四分之一波長，或約100奈米(nm)，交替層A及B(相應於聚合物A及B)的厚度就可變化。該多層化光導板可包含複數層大於二種交替聚合質層(例如，A/B/C/A/B/C…)，但所有層的厚度都必須小於可見光四分之一波長，或小於約100奈米。在本文中，此多層化光導板應視為奈米層化光導板。
該奈米層化光導板為等效介質複合物(effective medium composite)，其物理特性為成分材料(component material)(A、B、C等)特性的某種線性組合。因此，奈米層化光導板的光學、機械、以及熱傳特性將取決於交替層的相對厚度而為其成分材料(A、B、C等)特性的某種中間值(intermediate)。奈米層化光導板的有效特性可藉由組成材料(constituent material)之選擇以及交替層相對厚度之調整而對特定功能進行改變及最佳化。
在一個具體實施例中，本發明的奈米層化光導板其製備步驟為：藉由共擠壓法形成含有複數層至少兩種不同材料之交替層(例如，A/B/A/B…，其中聚合物A及B最好是PC及PMMA，但不排除其它選擇)的多層化熔片；將多層化熔片澆鑄於載體薄膜基材(carrier film substrate)上以及介於壓力滾輪與圖樣滾輪之間的輥隙內，該圖樣滾輪係具有將被轉移至所澆鑄多層化片表面之適當 微圖樣。該壓力滾輪及圖樣滾輪係維持於達成待從該圖樣滾輪轉移至該共擠壓片主面之特徵的良好複製所需的特定表面溫度。該共擠壓片接著從該圖樣滾輪脫離(strip)、從該載體薄膜基材剥離(peel)並且被輸送到精加工站(finishing station)進行共擠壓圖樣化片的最後切割及精加工(finishing)而得到奈米層化光導板的最終尺寸。
在另一個具體實施例中，本發明的奈米層化光導板其製備步驟為：藉由共擠壓法形成含有複數層至少兩種不同材料之交替層(例如，A/B/A/B/…，A及B聚合物最好是PC及PMMA，但不排除其它選擇)的多層化熔片；將該多層化熔片澆鑄於微圖樣化載體薄膜基材上以及介於壓力滾輪與圖樣滾輪之間的輥隙內，該圖樣滾輪及載體薄膜係具將要轉移至所澆鑄多層化片的兩表面的適當微圖樣。該壓力滾輪及圖樣滾輪係維持於達成待從該圖樣滾輪及載體薄膜轉移至該共擠壓片主面之特徵的良好複製所需的特定表面溫度；該在兩表面上具有微圖樣的共擠壓片係接著從該圖樣滾輪脫離、從該載體薄膜基材剥離並且被輸送至精加工站進行共擠壓圖樣化片的最終切割及精加工而得到奈米層化光導板的特定尺寸。
在另一個具體實施例中，本發明的奈米層化光導板其製備步驟為：藉由共擠壓法形成含有複數層至少兩種不同材料之交替層(例如，A/B/A/B/…，聚合物A及B最好為PC及PMMA，但不排除其它選擇)的多層化熔片；將該多層化熔片澆鑄於平坦表面上以形成固態坯料 奈米層化片；使用噴墨法、絲網印刷法或其它已知印製法印製適當的點狀圖樣以在該坯料固態奈米層化片之一個表面上有效率地萃取光；視需要對所印製墨水(ink)進行紫外線固化(UV curing)；切割及精加工所印製奈米層化片得到奈米層化光導板的特定尺寸。
在又一個具體實施例中，本發明的奈米層化光導板其製備步驟為：藉由共擠壓法形成含有複數層至少兩種不同材料之交替層(例如，A/B/A/B…，其中聚合物A及B最好是PC及PMMA，但不排除其它選擇)的多層化熔片；將多層化熔片澆鑄於平坦表面上以形成固態坯料奈米層化片；藉由以具有光萃取微圖樣之複製陰模(negative replica)的模具(mold)進行適當熱壓而在所澆鑄片主面之一上熱壓印光萃取微圖樣；切割以及精加工所印製之奈米層化片而得到奈米層化光導板的特定尺寸。
現在請參閱第1圖，其表示使用光導板10作為部份背光組裝件32的顯示器裝置100。來自光源組裝件20的光係透過輸入面12耦合至光導板10。諸如LCD面板的顯示器面板30可調變背光組裝件32中光導板10的光輸出表面14所射出的光。一或多片在第1圖以薄膜22及24予以表示的薄膜亦可提供作為背光組裝件32之一部分，以用來改良由該光導板10所射出光的方向、均勻性、或其它特性，或可對通過LCD面板30的光提供偏極化。光通過顯示面板的路徑係以虛箭號R表示。光導板10對光的萃取及重定向係藉由典型但不限於設置在其底部表面 16上的離散微觀特徵陣列促進。光反射體亦常常設置在光導板10底下，鄰近於特徵化表面16，用來改良來自該光源的光萃取效率。該輸出表面14及底部或特徵化表面16應意指光導板的主面。
LCD背光中的光導板或薄膜以及一般的照明裝置具有將放射(emanate)自點狀光源、複數個點狀光源如發光二極體(LEDs)或線狀光源如冷陰極螢光燈(CCFL)之光轉換到平面或曲面發光面的一般功能。所期望的是光得以有效率地自該光源萃取並且儘可能均勻地自輸出表面射出。
如第2A及2B圖所示，光導板10具有用於耦合來自光源20a所發射光的光輸入面12、用於將光從該光導板射出的輸出表面14、與該輸入面12相對的末端表面13、與該輸出表面14相對的底部表面16、以及兩側部表面15a與15b。光源20a可如CCFL之類的單個線性光源、LED之類的點狀光源或複數個例如LEDs的點狀光源。
本發明的光導板使用呈離散元件形狀並且置於其之一個主面上的光萃取微結構以及，視需要之一般呈連續稜鏡形狀並且置於該光導板相對表面上的光重定向微結構。真實稜鏡具有至少兩個平整面。然而，由於該光重定向結構的一個或多個表面不必在所有具體實施例都平整，而是可呈曲面或具有多個區段(multiple sections)，本說明書中所使用的是較為一般的述語「光重定向結構」。一般而言，該光擷取微圖樣217係置於該底部表面16上，而 該光重定向結構則置於該光導板的輸出表面14上，但不排除其它選擇。
光導板10具有在其底部表面16上以點狀呈現的離散元件微圖樣217。該圖樣217具有分別與光源20a之線(line)平行及垂直的長度L 0 及寬度W 0 。一般而言，該圖樣217在長度方向、寬度方向或兩方向的尺寸小於光導板10。亦即，L 0 L 以及W 0 W 。離散元件的尺寸及數量可沿著長度方向及寬度方向改變。或者，該圖樣217可在光導板10的輸出表面14上。
一般而言，離散元件的密度函數D 2D (x ,y )隨位置(x ,y )而變。實際上，密度函數D 2D (x ,y )在寬度方向的變化較微弱，而在長度方向的變化則較強烈。為簡單起見，一維密度函數D (x )通常用於特徵化離散元件並且可以例如計算。其它形式的一維(1D)密度函數亦可輕易地由2D密度函數D 2D (x ,y )導出。在底下的說明中，自變數x 應解釋成可用於計算一維密度函數D (x )的任一變數。例如，若光源為點狀並且置於光導板轉角附近，則x 可為起自原點O 的半徑。
第3A圖表示從平行於寬度方向之方向觀視時之該光導板10、諸如轉向薄膜22或擴散體(diffuser)之稜鏡薄膜、以及反射薄膜142的放大圖。視需要地，位於該光導板10輸出表面14上的是複數個稜鏡216、以及位於該底部表面16上的是複數離散元件227。第3B圖表示沿著長度方向觀視時光導板10的放大側視圖。該輸出表面 14上各稜鏡216通常具有頂角α0 。該稜鏡可具有圓端(rounded apex)並且可由柱狀透鏡圖樣(lenticular pattern)予以取代。第3C圖為稜鏡216的俯視圖。在此實施例中，稜鏡彼此平行。在另一個實施例中，如第3D圖所示，該稜鏡216呈曲狀或波浪狀。可將具有任何已知改型的稜鏡或柱狀透鏡(圓化)元件用在本發明。實施例包括具有可變高度、可變頂角以及可變間距(pitch)的稜鏡，但不侷限於此。然而，更常見的是，該光導板的輸出面呈平坦狀並且無特徵。
第4A-1、4A-2、以及4A-3圖分別表示一種可根據本發明使用之離散元件227a的立體、俯視、以及側視圖。各離散元件實質為三角分段式稜鏡。第4B-1、4B-2、以及4B-3圖分別表示可根據本發明使用之第二種離散元件227b的立體、俯視、以及側視圖。各離散元件實質為平坦頂部的三角分段式稜鏡。第4C-1、4C-2、以及4C-3圖分別表示可根據本發明使用之第三種離散元件227c的立體、俯視、以及側視圖，各離散元件實質為圓化分段式稜鏡。具有圓柱、半球形以及球形剖面(section)之類的其它已知形狀之離散元件亦可予以使用，其可對稱也可不對稱。
LCD背光用及一般照明裝置用光導板中對於聚合材料的選擇是由所需求之波導及顯示器的光學及物理效能要求所決定。由於所有光導板都必需於相對較長之距離傳送光，可見光光譜內的光吸收度及色度效應對於該光導板有效率萃取光的能力尤其關鍵，即吸收耗損要最低 並且輸出表面射出的光顏色沒有改變。另外，相對較薄的光導板必須足夠堅實(sturdy)、牢固(tough)、並且耐磨以使破裂以及相鄰於光導板表面之光管理薄膜相對移動所造成的磨損類缺陷降到最少。最後，光導板必須是環境穩定並且成本低，所以要使用較不昂貴且環境穩定的材料。所有的這些關鍵要求都使光導板製造所用材料的選擇侷限於非常少的實用材料選項。如上所述，現今在LCD背光及一般照明裝置中用於光導板的兩類主要樹脂為聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)及雙酚A聚碳酸酯(PC)。這些材料各具有特殊強度但也都存在許多缺點。例如，儘管PMMA的光學特性優良且耐磨性很高，但其很脆並且環境穩定性不明。比較起來，PC的機械特性優良並且環境穩定性良好，但其光學特性比PMMA稍差而且耐磨性不良。還有，並非所有塑膠材料都可無虞地製作成薄規格(thin gauge)而無易脆及破裂的風險。以PMMA為例，雖然Rinko在054號專利案已有陳述，仍證實其難以於低於0.3mm厚度製造。此解決方案的製造方法若使用現有技術及傳統材料仍是挑戰。
本發明提供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的層結構A/B/A/B…)所製成的多層化聚合光導板，其中所有層的厚度都小於四分之一光波長並且都大致平行於光導板的主面；以及其中一個或二個主面(第1圖中的表面16及/或14)含有能夠藉由光導板萃取並且重定向來自置於光導板一個或多個邊緣處之一個或複數個光源之光的圖樣。複數交替層可包含大 約一百到數千個不同層。為了使多層化結構內不期望的散射損失及波導降到最少，可變化交替層的厚度，但所有層的厚度都不可大於可見光的四分之一波長，通常小於100奈米。對於某些特殊應用，厚度範圍可擴大到小於150奈米。若交替層中有任一層的厚度大於可見光的四分之一波長，光將被捕陷(trapped)到多層化薄膜內並且因而對光導板的光萃取效率造成負面影響。本發明中之具有由至少兩不同聚合物之交替層並且層厚度小於可見光四分之一波長或小於大約100奈米的多層化光導板將稱為奈米層化光導板。
奈米層化光導板為等效介質複合薄膜或片，其等效物理特性為成分材料(A、B、C等)特性的某種線性組合。因此，奈米層化光導板的光學、機械、以及熱傳特性將取決於交替層的相對厚度而為其成分材料(A、B、C等)特性的某種中間值。使用等效介質理論可將具有兩交替層A及B之奈米層化薄膜的光及其它物理特性(p)表示成：p=p A x+p B (1-x)
其中x 為層A的厚度。類似表達式可應用於具有超過兩種交替層並且具有諸如A/B/C/D…、A/B/C/B/A/…、以及類似者之各種結構的奈米層化薄膜。在後者結構中，層C可當作用來改良層A與B之間層間黏著度的連結層。因此，奈米層化光導板的等效特性可藉由適當選擇交替材料並且調整交替層的相對厚度，同時保持 任一及所有層的厚度都小於150奈米且更佳地為各層都小於100奈米，而對特定功能或應用作改變以及最佳化。例如，若奈米層化光導板中的兩種交替材料為聚碳酸酯(PC)及聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)，光導板的物理特性將為PC及PMMA特性的某種線性組合。因此，奈米層化結構的刮傷及玷污敏感度相對於PC將得到改善。同樣地，複合結構的光學特性，尤其是透光度及色度亦期待相對於PC得到改善，理由是多層化結構中PMMA層光學優越表現。還有，PMMA之易脆性及環境上之缺點預期可因加入PC交替層而得以改善，此係因PC之玻璃轉化溫度較高、軔度較高以及濕度敏感性較低。
材料
雖然PMMA及PC特別適合用於本發明的奈米層化光導板，仍可在奈米層化結構中使用許多其它光學透明材料以及普遍超過兩種交替材料。本發明的奈米層化光導板可由各種可熔化加工之透明聚合物的任何組合予以製成。這些材料可包含，但不侷限於此，均聚物、共聚物、以及低聚物，其可進一步由下文所述之族(families)予以加工到聚合物內；聚酯；聚芳基酸酯化合物；聚碳酸酯(例如，含雙酚A以外之成分的聚碳酸酯)；聚醯胺；聚醚-醯胺；聚醯胺-醯亞胺；聚醯亞胺(例如，熱塑性聚醯亞胺以及聚丙烯醯亞胺)；聚醚醯亞胺；環狀烯烴共聚物；衝擊改質之聚甲基丙希酸酯、聚丙烯酸酯、聚(丙烯晴)、以及聚苯乙烯；苯乙烯系之共聚物及混合物(例如，苯乙烯-丁二 烯橡膠共聚物、苯乙烯-丙烯晴共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三聚物)；聚醚(例如，聚苯醚、聚(二甲基苯醚))；纖維素(例如，乙基纖維素、乙酸纖維素、丙酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、以及硝酸纖維素)；以及含硫聚合物(例如，聚苯硫醚、聚碸、聚芳碸(polyarylsulfones)、聚醚碸)。亦可使用二種或更多種聚合物或共聚物構成的透光性、可混溶摻混物或合金。
適宜的是，在某些具體實施例中，奈米層化光導板可包含可熔化加工之可撓性聚合物。為了本發明之目的，可撓性聚合物為呈薄膜或片狀且可在一般操作溫度範圍條件下繞著直徑5公分之圓筒捲繞而不斷裂的聚合物。所期望的是，該光導板可包含具有至少85%(ASTM D-1003)，較期望的是至少90%，的組合等效透光度的聚合材料以及不大於2%，較期望的是不大於1%，的霧度(haze)(ASTM D-1003)。一般而言，合適的聚合物可為結晶、半結晶、或非晶形本質，但非晶形聚合物因其以最低霧度程度形成光均勻結構的能力而最適用。為了最符合顯示器及一般照明應用所需的熱尺寸穩定度(thermal dimensional stability)要求，該奈米層化光導板中的聚合物應具有至少85℃的組合等效玻璃轉化溫度(Tg)(ASTM D3418)以及在環境溫度下不大於1.0×10-4 mm/mm/℃的熱膨脹係數(ASTM D-696)。這些特性可藉由在奈米層化光導板中選擇正確的聚合物組合作為交替層而得到顯著改善。
特別適用於本發明奈米層化光導板的可熔 化加工聚合物包含非晶形聚酯(亦即，在用於製造奈米層化光導板之擠壓製程期間所用的時間及溫度條件下，不會自發形成結晶形態的聚酯)、聚碳酸酯(亦即，基於諸如雙酚A之二酚的聚碳酸酯)、包含酯與碳酸酯部分(moiety)兩者的聚合質材料及環狀烯烴聚合物。另外，只要衝擊改質劑(impact modifier)未使奈米層化複合物之光特性衰減到不符合光導板的光要求，則諸如聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、以及聚(丙烯晴)之通常易脆且可熔化加工的聚合物在藉由併入衝擊改質聚合物粒子而呈可撓性之後(例如，含有軟核/硬殼乳膠粒子的衝擊改質PMMA)為本發明的適用材料。聚合層的可撓性令人期待但對於實踐本發明並非必要。含有以尺寸比共擠壓層厚度小很多之奈米粒子所混合之基質聚合物的各種奈米複合物亦可用在奈米層化結構的一個或多個交替層中，前提是所添加的奈米粒子不會對由此製成之奈米層化光導板的光學特性造成負面影響。
用在聚酯的適用單體及共單體可為二醇或二羧酸或酯類。二羧酸共單體包括，但不侷限於，對苯二甲酸、間苯二甲酸、鄰苯二甲酸、所有同分異構性奈二羧酸(isomeric naphthalenedicarboxylic acid)、聯苯二羧酸諸如4,4’-聯苯二羧酸(biphenyl dicarboxylic acid)及其同分異構物、反式-4,4’-二苯乙烯二羧酸(stilbene dicarboxylic acid)及其同分異構物、4,4’-二苯醚二羧酸及其同分異構物、4,4’-二苯碸(diphenylsulfone)二羧酸及其同分異構物、 4,4’-二苯碸二羧酸及其同分異構物、4,4’-二苯基酮二羧酸及其同分異構物、鹵化芳香二羧酸諸如2-氯對苯二甲酸及2,5-二氯對苯二甲酸、以及其它經取代之芳香二羧酸諸如第三丁基間苯二甲酸和磺化間苯二甲酸鈉、環烷二羧酸諸如1,4-環己烷二羧酸及其同分異構物和2,6-十氫化萘二羧酸及其同分異構物、雙環或多環二羧酸(如各種同分異構降莰烯(norbornene)與降冰片烯(norborene)二羧酸、金剛烷二羧酸、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、十二烷二羧酸)、以及任何由稠環芳香烴的同分異構二羧酸(稠環芳香烴例如茚、蔥、菲、苯并萘、茀及類似物)。可使用其它脂族、芳香族、環烷、或環烯二羧酸。或者，這些二羧酸單體中任何一種的酯類，如對苯二甲酸二甲酯可用來置換二羧酸本身或與之組合。
適用的二醇共單體包括，但不侷限於，線性或支鏈烷二醇或二醇(諸如乙二醇、丙二醇諸如三亞甲二醇、丁二醇諸如四亞甲二醇、戊二醇諸如新戊二醇、己二醇、2,2,4-三甲基--1,3-戊二醇及更高二醇)、醚二醇(二乙二醇、三乙二醇、以及聚乙二醇)、鏈酯類二醇(chain-ester diol)諸如3-羥基-2、2-二甲基丙基-3-羥基-2、2-二甲基丙基-3-羥基-2、2-二甲基丙酸酯、環烷二醇諸如1,4-環己烷二甲醇及其同分異構物和1,4-環己二醇及同分異構物、雙環或多環二醇(如各種同分異構之三環癸烷二甲醇、降莰烷二甲醇、降莰烯二甲醇及雙環辛烷二甲醇)、芳香二醇(如 1,4-苯二甲醇及其同分異構物、1,4-苯二酚及其同分異構物、雙酚諸如雙酚A、2,2’-二羥基聯苯及其同分異構物、4,4’-二羥甲基聯苯及其同分異構物、以及1,3-雙(2-羥乙氧基)苯及其同分異構物)、以及這些二醇的較低烷基醚或二醚，如二甲基二醇或二乙基二醇。其它脂族二醇、芳香族二醇、環烷基二醇以及環烯基二醇可予以使用。
包含酯與碳酸酯部分兩者的聚合質材料可為(可混溶)摻混物，其中至少一組份為基於聚酯的聚合物(均聚物或共聚物)以及另一組份為聚碳酸酯(均聚物或共聚物)。此混合物可由例如傳統熔化加工技術所製成，其中聚酯丸體(pellet)與聚碳酸酯丸體混合然後接著在單或雙螺旋擠壓機中熔化摻混以形成均質混合物。在熔化溫度下，某些轉移反應(轉酯作用)可於聚酯與聚碳酸酯之間出現，反應程度可藉由添加一種或多種穩定劑諸如亞磷酸酯化合物予以控制。或者，包含酯與碳酸酯部分兩者的聚合質材料可藉由使二酚、碳酸酯前驅物(如光氣)、以及二羧酸、二羧酸酯、雙羥酸鹵化物反應而予以製備
環狀烯烴聚合物為提供高玻璃轉化溫度、高透光度、以及低光雙折射率的新種聚合質材料。有用於實現本發明的非晶形環狀烯烴聚合物包括均聚物及共聚物。環狀烯烴(共)聚合物包括非環狀烯烴(諸如α-烯烴)與環狀烯烴的環狀烯烴加成共聚物；乙桸、環狀烯烴、及α-烯烴的環狀烯烴加成共聚物；以及藉由烯烴單體開環聚合作用接後進行氫化作用所製備的均聚物和共聚物。較佳 環狀烯烴聚合物為由具有降莰烯及四環化十二烯結構的環狀烯烴所構成者。較佳環狀烯烴聚合物及共聚物的一般實施例包含降莰烯/乙烯共聚物、降莰烯/丙烯共聚物、四環十二烯/乙烯共聚物以及四環十二烯/丙烯共聚物。目前商用的環狀烯烴聚合物包括APELTM (三井化學)、ARTON®(JSR公司)、TOPAS®(Ticona GmbH)、以及Zeonex® and Zeonor®(Zeon化學公司)。雖然此類聚合物的光學特性通常高度適用於光導板，但其成本相對高且通常相當易脆。所以，藉由結合這些材料與PMMA或PC之類較不昂貴的聚合物，有可能減輕此類光學材料的缺點並且產生光學與物理特性具有良好平衡的奈米層化光導板。
製造
本發明的奈米層化光導板可利用許多熔化擠壓澆鑄法予以製造。在所有情況下，製程中的第一步驟包含以期望的層化組成物製備共擠壓多層化熔片。如下所述，藉由沿著熔體流添加多層層倍增元件，有可能增加層數並且相應地將層厚度降低到期望水準。由於澆鑄共擠壓多層化熔片期間預期的水位降低(draw-down)，層厚度於此步驟可超出最終奈米層化光導板中所需約100奈米的上限。用於製備本發明多層物製品(article)的擠壓設備300係在第5圖中示意描述，其中第一、第二、以及視需要的第三、或更多擠壓機(extruder)(在有二種交替層及二個擠壓機的情況下分別為310、320)係用於產生分開的熔體流以將不同聚合物在視需要地通過適當熔體泵315與325之後 送入饋塊共擠壓模(feedblock coextrusion die)330。視需要的第三擠壓機可在期望產生具有A/B/C/A/B/C/…或A/B/C/B/A/B/C/B/…以及諸如此類超過二種交替層的光導板時予以使用。該第三聚合物的光學與物理特性可有別於第一及第二聚合物。在一具體實施例中，該第三聚合物可包含該第一與第二聚合物之共聚物並且當作用來增強該第一與第二層之間層間黏著度的有效連結層。可以視需要地使用超過三個擠壓機及超過三種交替層。雖然所描述的是共擠壓饋塊模330，熟悉本技藝的人士將領會其它類共擠壓模可用於擠壓多層化薄膜。
離開該共擠壓饋塊模330之該層化共擠出物(coextrudate)通過一串設計用來增加層數並且同時減少層厚度的層倍增元件350。第5圖中示意表示三個倍增元件(350a、350b、350c)，但倍增元件的數量取決於多層化結構中所需產生的總層數而可隨意改變。在多層化結構具有二個交替層A與B的情況下，層數m 由底下公式計算而得：m=2 n
其中n 是倍增元件的數量。所以，對於足夠的層倍增元件數量，有可能增加層數並且相應地減少層厚度至期望範圍內，亦即，小於150奈米以及更佳的是小於100奈米。熔體流在通過層倍增元件之後，接著通過適當的成片機頭(sheeting die)360，其中多層化熔化共擠出物450的最終形狀係在澆鑄之前調整。
在製備共擠出多層化熔片之後，製備本發明奈米層化光導板所要求的片一個或二個主面圖樣化可進行若干不同製程具體實施例。某些示例性具體實施例在下文作說明。在一具體實施例中，多層共擠壓製程所產生的多層化片的一個或二個主面圖樣化係以所謂的擠壓輥模製製程執行，第6圖有示例性描述。下文所述製程尤其適用於網製造(web manufacturing)及輥對輥操作(roll-to-roll operation)並且輕易地適用於製造本發明的奈米層化光導板。在其具體實施例之一中，製程包含的步驟為：
1)離開擠壓設備400的多層化聚合質片係澆注在從供應滾輪472送入兩反向旋轉滾輪480與478間之輥隙內之堅硬又可撓的聚合質載體薄膜474上。滾輪480(圖樣滾輪)之特徵是表面上有特微圖樣，該圖樣係設計成轉移至光導板並且用於萃取來自光源的光。滾輪480的表面溫度TPaR,1 維持TPaR,1 >Tg1 -50℃，其中Tg1 為基於等效介質理論所擠出的奈米層化聚合質片450的等效玻璃轉化溫度。其為壓力滾輪的滾輪478具有軟彈性表面(soft elastomeric surface)以及表面溫度TP,1 ，其中TP,1 <TPaR,1 。該兩滾輪之間的輥隙壓力P係維持以致P大於每釐米滾輪寬度8牛頓。有許多種載體薄膜可用來實踐本發明，但常見的載體實施例為具有可撓性、剛度、強度並且低成本之正確組合的聚對苯二甲酸二乙酯(PET)薄膜。
(2)來自輥隙區的載體薄膜474及所澆鑄多層化聚合質片450優先附著於圖樣滾輪480，其形成具 有期望厚度之多層化聚合質片直到於距離輥隙下游若干距離處固化。
(3)固化之多層化片410於脫離點481自圖樣滾輪480脫離、自該載體薄膜剥離。該載體薄膜474一旦從固化之多層化片分開即捲繞在捲取輥(take-up roller)482上。該固化之多層化片410一旦從圖樣滾輪480脫離並且從載體薄膜474分離，即在捲取站內於受控制張力下捲取，其中片要麼在線精加工要麼捲繞在滾輪484上用於稍後精加工，以產生本發明的奈米層化光導板。雖然擠壓輥模製製程中，圖樣化奈米層化光導板厚度d 的範圍較佳地為介於大約0.20到0.8釐米之間，並且更佳地為介於大約0.3釐米到0.7釐米之間，圖樣化奈米層化光導板其厚度d 變化通常為0.20至5.0釐米。
於兩表面上帶有圖樣之本發明的奈米層化光導板可藉由在圖樣滾輪480與壓力滾輪478兩者上放置圖樣，並且無需使用載體薄膜，而在單一圖樣化步驟中予以製備。由於輥隙區中圖樣化壓力滾輪478樹脂的駐留時間與接觸時間短暫，轉移自壓力滾輪478的圖樣較佳地係易於複製(例如非常淺的特徵)以便在圖樣化片兩側達到可接收的複製保真度。另外，藉由操作交替樹脂以致在壓力滾輪側上放置一層具有較輕易複製與成形特性之樹脂，有可能以較短接觸時間達到較佳複製。在此態樣中有用的樹脂實施例為組成類似於奈米層化光導板中所用塊狀聚合物但分子量較低的聚合物、或以適當塑化劑調配的樹脂。 圖樣化奈米層化光導板第二表面的另一方式在於使用圖樣化載體薄膜474，其中帶有將被轉移到輥隙區中多層化澆鑄片另一個主面之必要圖樣，並且可在脫離點481下游從所形成之奈米層化光導板輕易剥離。
在表面圖樣化步驟的另一具體實施例中，本發明奈米層化光導板的製備步驟為：
(1)藉由共擠壓法形成含有複數層至少兩種不同材料之交替層的多層化熔片(例如，A/B/A/B…，聚合物A及B較佳地為PC及PMMA，但不排除其它選擇)；
(2)將該多層化熔片澆鑄在平坦表面上並且冷卻該片以產生固態坯料奈米層化片或板體；
(3)藉由噴墨法、絲網印刷法或其它已知印製法在固態坯料奈米層化澆鑄片的一個表面上而印製適當點狀圖樣以茲有效率的光萃取。在一個較佳具體實施例中，此步驟中所使用的是紫外線固化墨水，但其它類墨水是可行的。
(4)視需要對所印製墨水進行紫外線固化。
(5)切割並且精加工所印製的奈米層化片到本發明光導板的最終尺寸。
在又一具體實施例中，本發明的奈米層化光導板其製備步驟為：(1)藉由共擠壓法形成含有複數層至少兩種不同材料之交替層(例如，A/B/A/B...，其中聚合物A及B最好是PC及PMMA，但不排除其它選擇)的多層化熔片； (2)將該多層化熔片澆鑄於平坦表面上以形成固態坯料奈米層化片或板體；(3)藉由以具有光萃取微圖樣之複製陰模之模具進行適當熱壓而在所澆鑄片主面之一上熱壓印光萃取微圖樣。為了達成良好的模具圖樣複製，熱壓印表面的溫度必須上升到高於該奈米層化片的等效玻璃轉化溫度；(4)冷卻圖樣化表面到低於該奈米層化片的等效玻璃轉化溫度；(5)切割並且精加工該圖樣化奈米層化片至本發明光導板的最終尺寸。
要注意的是，擠壓輥模製製程通常侷限於相對較薄的光導板(d <0.8mm)，而上述示例性印製及熱壓印製程則較適用於製備相對較厚的光導板(d 0.8mm)。
本發明所提供的是奈米層化光導板，其包含複數層共擠壓之聚合質熱塑材料之交替層，其中該交替層具有小於可見光四分之一波長的厚度並且平行於光導板的主面；以及其中一個或二個主面含有能藉由光導板萃取並且重定向來自置於光導板一個或多個複數邊緣之一個光源或複數光源之光的圖樣。此光導板可用在LCD背光以及一般照明應用中，從而可將光導板所萃取的光導向LCD面板或一般照明裝置的照明區。
310、320‧‧‧擠壓機
330‧‧‧饋塊共擠壓模
350‧‧‧層倍增元件
360‧‧‧片材機頭
400‧‧‧擠壓設備
410‧‧‧固化之多層化片
450‧‧‧多層化熔化共擠出物、奈米層化聚合質片
472‧‧‧供應滾輪
474‧‧‧聚合質載體薄膜
478‧‧‧壓力滾輪
480‧‧‧圖樣滾輪
481‧‧‧脫離點
482‧‧‧捲取輥
484‧‧‧滾輪

Claims (8)

  1. 一種製造奈米層化光導板的方法，其包含：藉由共擠壓法形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的多層化熔片；將該共擠壓片澆鑄到介於壓力滾輪與圖樣滾輪之間的輥隙內，以形成在其至少一個主面上具有離散微圖樣的奈米層化片；以及切割並且精加工該擠出的微圖樣化片以形成該奈米層化光導板，其包含複數層二種或更多種不同交替材料層，其中各層具有小於100奈米的厚度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該等交替材料層呈循環A/B/A/B…類型，並且該A及B層包含兩種不同光學聚合物。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該等交替材料層呈A/B/C/A/B/C類型，並且該A、B及C層包含三種不同光學聚合物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該等交替材料層呈循環A/C/B/C/A/C/B/C…類型，並且該A、B及C層包含三種不同光學聚合物。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該等交替材料層包含不同透光聚合物，其包括，但不侷限於，聚甲基丙烯酸甲酯或其它丙烯酸系聚合物、聚碳酸酯、聚酯、聚環烯烴、及其它非晶形烯烴系聚合物、聚醯胺、聚亞醯胺、苯乙烯系、聚氨基甲酸酯、聚碸、及其等之共聚物或混合物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該奈米層化光導板在相對該主面之側上進一步包含連續微圖樣。
  7. 一種製造奈米層化光導板的方法，其包含：藉由共擠壓法形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的多層化熔片；將該共擠壓片澆鑄在平坦表面上並且冷卻該片以產生固態坯料奈米層化板體；在該固態坯料奈米層化板體的一個表面上印製用於光萃取的適當點狀圖樣；以及切割並且精加工該印製出的奈米層化板體以形成該奈米層化光導板，其包含複數層二種或更多種不同交替材料層，其中各層具有小於100奈米的厚度。
  8. 一種製造奈米層化光導板的方法，其包含：藉由共擠壓法形成含有複數層二種或更多種不同交替材料層的多層化熔片；將該共擠壓片澆鑄在平坦表面上以產生坯料奈米層化板體；在該澆鑄之坯料奈米層化板體的一個表面上熱壓印光萃取微圖樣；冷卻該微圖樣化表面到低於該奈米層化板體的有效玻璃轉化溫度；以及切割並且精加工該微圖樣化奈米層化板體以形成該奈米層化光導板，其包含複數層二種或更多種不同交替材料層，其中各層具有小於100奈米之厚度。
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