TWI461762B - 薄雙側光導板 - Google Patents

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Michael R Landry
Xiang-Dong Mi
Jehuda Greener
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Description

薄雙側光導板
本發明大體有關於一種光導板(light guide plate)，且更特別的是有關於一種雙側(double-sided)光導板及其製造方法。
液晶顯示器(LCD)因持續改善成本及效能而變成許多電腦、儀器、及娛樂應用的較佳顯示器技術。典型的LCD行動電話、筆記電腦及監視器包含用於接收來自光源之光線及重定向該光線使之或多或少均勻地散佈於LCD的光導板上。現有光導板的厚度通常介於0.8毫米(mm)至2毫米之間。該光導板必須夠厚以便有效地耦合光源(通常為CCFL或多個LED)，以及將更多的光線朝觀看者重定向。此外，通常用習知射出成型法(injection molding process)製造具有約小於0.8毫米之厚度與大於60毫米之寬度或長度的光導板既困難又昂貴。在另一方面，特別是隨著LED變得較小，普遍希望將光導板予以瘦身，以便降低LCD的總體厚度及重量。因此，必須致力平衡這些相互衝突的要求以便達成最佳的光利用效率、低製造成本、薄度及亮度。
在大部份的應用中，光導板必須於一側上被圖案化(“單側光導板”)，以便達到足夠的光提取及重定向能力。不過，在有些情形下，例如，在轉向膜系統(turning film system)中，想要將板體的兩側都微圖案化(“雙側光導板”)。經顯示，在LCD背光單元中利用轉向膜會減少要達到夠高照明程度而必需使用的光管理膜(light management film)的數目。不幸的是，在板體相對薄(＜0.8毫米)時實現這兩個圖案之良好複製已變成採用轉向膜選項的主要障礙。實際上，選擇用以製造薄雙側光導板的方法對於控制成本、生產力及品質很重要，這使得轉向膜技術更有經濟吸引力。
迄今所選方法為射出成型法及其若干變體。在此方法中，係以高速及高壓將熱聚合物融化物注入具有微機械加工面(micro-machined surface)的模穴，加工面的圖案是在模腔填充及冷卻階段期間轉印至固化模製板的表面上。在板體厚度相對大(0.8毫米)及橫向尺寸(寬度及/或長度)相對小(300毫米)時，射出成型技術相當有效。不過，對於二個主要表面上都有微圖案(micro-pattern)的相對薄板體(0.8毫米)而言，射出成型法需要顯著程度的注射壓力，通常這在模製板中會導致不良的複製、高殘留應力及雙折射(birefringence)，並產生不良的尺寸穩定性及低生產良率。
用來生產單側光導板(微圖案在一個表面上)的另一方法是要用噴墨、網板印刷法(screen printing)或其他種類的印刷法在平坦之擠製澆鑄板的一側上印刷離散的微圖案。此法的缺點是擠製澆鑄步驟需要額外昂貴的印刷步驟以及離散微萃取器(micro-extractor)的形狀及尺寸是預定的而且不好控制。如本發明所要求的，在兩面均要圖案化時，此法的吸引力變很沒有吸引力。
連續卷對卷式擠製澆鑄法(roll-to-roll extrusion casting process)相當適合用來製造薄單側微圖案化膜，如美國專利第5,885,490號(Kawaguchi等人)、美國專利公開第2007/0052118 A1號(Kudo等人)、美國專利第2007/0013100 A1號(Capaldo等人)及美國專利第2008/0122135號(Hisanori等人)所揭示的。Kawaguchi等人考慮藉由將熔融樹脂澆鑄在可撓性載體膜(該載體膜通過由兩個反向旋轉的輥所形成的輥隙區(nip region))的圖案化表面上以賦予圖案於成品膜之兩側上的可能性。此法本質上很貴，因為圖案形成表面(patterning surface)本身為必須在澆鑄製程之前個別製備然後在使用有限次後拋棄的膜。Capaldo等人揭示一種擠製澆鑄方法，用於製造表面上具有受控粗糙度的膜。Hisanori等人及Kudo等人也揭示使用擠製澆鑄法的膜圖案形成法，但是他們限定其揭示內容於單側膜。Kudo等人特別要求圖案形成輥子有相對高表面溫度(＞Tg+20℃)。用擠製澆鑄法製造厚光導板的方法由Takada等人(WO 2006/098479號)揭示，但是此法也限於製造單側光導板。
因此，儘管已有人提出特定的光導板及通過擠製、卷對卷式操作來製造該板之方法的解決方案，然而仍需利用單通(single pass)擠製澆鑄法來製備如本發明所揭示類型之有成本效益的雙側光導板。
本發明提供一種光導板，其係具有用以接收來自光源之光線的輸入面、用以發光之微圖案化輸出面、以及與該輸出面相對之微圖案化底面，該光導板係用包含以下之步驟製成：將第一樹脂擠入在第一壓力輥子與第一圖案化輥子(patterned roller)之間的輥隙(nip)以在第一圖案化輥子表面溫度T1及第一輥隙壓力(nip pressure)P1形成第一層，該第一層具有未圖案化表面與圖案化表面，該圖案化表面具有轉印自該第一圖案化輥子的微圖案，以及輸送該第一層進入在第二擠製站(extrusion station)中之第二圖案化輥子與第二壓力輥子之間的輥隙，將第二樹脂擠入在該第二壓力輥子與該第二圖案化輥子間之該輥隙以及擠至該第一層的未圖案化表面上，以在第二圖案化輥子表面溫度T2及第二輥隙壓力P2形成第二層，該第二層具有轉印自該第二圖案化輥子的微圖案；該經組合之第一與第二層形成包含多個光導板圖案的光學片(optical sheet)；以及，將該光學片切割及精加工(finish)成具有特定長寬尺寸的多個雙側光導板。
本發明的光導板係使用在該光導板的一個表面上大體形成稜鏡形狀的光重定向微結構(light-redirecting micro-structure)以及在該光導板之相對表面上且呈離散元件之形狀的光萃取微結構(light-extracting micro-structure)。真正的稜鏡至少具有兩個平坦面。不過，由於光重定向結構的一個或多個表面在所有的具體實施例中不是一定需為平坦，而可為彎曲或具有多個區段，因此本專利說明書使用更一般的術語“光重定向結構”。
具有多個光導板的大光學片
第1圖為本發明之大光學片300的俯視圖。把有以下尺寸光學片300說成是大的：它的長度L S 大於或等於0.8米(m)，大於或等於1.0米更佳，以及大於或等於1.4米最佳，以及它的寬度W S 大於或等於0.3米，大於或等於0.6米更佳，以及大於或等於0.9米最佳。光學片300具有範圍在約0.05毫米至約2毫米之間的厚度D S ，以及在約0.1毫米至約0.7毫米之間為更佳，以及在約0.2毫米至約0.5毫米之間最佳。光學片300具有至少2個光導板圖案於其上，具有至少4個光導板圖案於其上更佳，以及具有至少20個光導板圖案於其上最佳。
顯示於第1圖的光學片300包含光導板圖案250a至250j，其中各個圖案也有長度及寬度。例如，光導板圖案250a具有長度L 1 與寬度W 1 ，同時光導板圖案250e具有長度L 5 與寬度W 5 。每個光導板圖案也有輸入面18、端面14、及兩個側面15a、15b。製造在同一光學片上有多個光導板圖案的優點是可改善生產力及降低每個光導板的成本。在光導板圖案不為矩形的情形下，它的寬度及長度用在兩個正交方向的最大尺寸定義。
從大光學片切出的光導板
第2A圖及第2B圖分別顯示由大光學片300切出的光導板250的仰視圖及側視圖。光導板250可為第1圖中之任一光導板250a至250j。它有長度L 與寬度W 。在用於LCD的背光單元時，光導板永遠耦合至一個或多個光源12。寬度W 是定義為平行於沿著Y方向對準的光源12，同時長度L 定義為與寬度W 或Y方向正交。
取決於應用，長度L 與寬度W 通常在20毫米至500毫米之間。光導板250的厚度D S 大體均勻(uniform)，這意指厚度的差異通常小於20%，小於10%更佳，以及小於5%最佳。
光導板250有在其底面17上具有以小點表示之離散元件的微圖案217。圖案217有長度L 0 與寬度W 0 ，彼等係分別與光源12的光線平行及正交。圖案217通常在長度方向、在寬度方向或兩個方向具有小於光導板250的尺寸。亦即，L 0 L 與W 0 W 。離散元件的大小及數目在長度方向及寬度方向可有所不同。
離散元件在位置(x,y )的二維(2D)密度函數D 2D (x,y )的定義為：離散元件的總面積除以涵蓋該等離散元件的總面積，在此x =X/L 0 ，y =Y/W 0 ，X 及Y 為沿著長度、寬度方向之離散元件與原點O 的距離。為了方便，選擇該圖案中靠近光導板250之輸入面18的角落為原點O 。在圖示於第2C圖的一實施例中，面積為a 1 ,a 2 ,a 3 ,a 4 ,a 5 ,a 6 的6個離散元件227位於具有小面積ΔW 0 ‧ΔL 0 的任意矩形中。離散元件在此小面積的密度等於，在此N=6，其係表示離散元件在小面積ΔW 0 ‧ΔL 0 中的總數。局限於此區的離散元件可具有相同的面積。
離散元件D 2D (x,y )的密度函數通常隨著位置(x,y )而改變。實務上，密度函數D 2D (x,y )在寬度方向的變化弱，而在長度方向的變化強。為求描述簡潔，一維密度函數D (x )常用來表示離散元件之圖案的特徵以及例如可用D (x )=∫D 2D (x,y )dy W 0 D 2D (x,0 )計算。也可輕易地由2D密度函數D 2D (x,y )衍生出其他形式的一維(1D)密度函數。以下，應將獨立變數x 解釋成可用來計算一維密度函數D (x )的任何變數。例如，如果光源為點狀且位於光導板角落附近的話，x 可為距離原點O 的半徑。
如第2B圖所示，光導板250有用於耦合由光源12射出之光的光輸入面18，用於由光導板250射出光的輸出面16，與輸入面18相對的端面14，與輸出面16相對的底面17，以及兩個側面15a、15b。光源12可為單一線性光源，例如冷陰極螢光燈(CCFL)或多個點狀光源，例如發光二極體(LED)。替換地，圖案217可在光導板250的輸出面16上。
第3A圖顯示沿平行於寬度方向之方向觀看時光導板250、稜鏡膜(例如，轉向膜22)及反射膜142的放大側視圖。在光導板250的輸出面16上有多個稜鏡216，以及在底面17上有多個離散元件227。第3B圖顯示沿著長度方向觀看時光導板250的放大側視圖。輸出面16上的每個稜鏡216大體有頂角α0 。稜鏡可具有圓形頂。第3C圖為稜鏡216的俯視圖。在此實施例中，稜鏡係彼此平行。在顯示於第3D圖的另一實施例中，稜鏡216均為彎曲波浪狀。帶有任何習知修飾的稜鏡均可用於本發明。實施例包含有可變高度、可變頂角及可變節距(pitch)的稜鏡。
第4A-1圖、第4A-2圖及第4A-3圖分別為可用於本發明之第一種離散元件227a的透視、俯視及側視圖。每個離散元件實質上為三角分節稜鏡(triangular segmented prism)。第4B-1圖、第4B-2圖及第4B-3圖分別為可用於本發明之第二種離散元件227b的透視、俯視及側視圖。每個離散元件實質上為有平頂的三角分節稜鏡。第4C-1圖、第4C-2圖及第4C-3圖分別為可用於本發明之第三種離散元件227c的透視、俯視及側視圖。每個離散元件實質上為圓的分節稜鏡(rounded segmented prism)。也可使用有其他習知形狀(例如，圓柱及半球形)的離散元件。彼等可呈對稱或不對稱。以上實施例不包括一切，而且其他類型的元件可用於本發明。
儘管具有以上形狀的離散元件為眾所周知，然而最有用於大光學片300的離散元件則相對淺而且有以下關鍵特徵：它們的高度d小於長度ΔL 及寬度ΔW 。更特別的是，高度d小於或等於12微米(μm)為較佳，小於或等於10微米更佳，以及小於或等於6微米最佳；而長度ΔL 與寬度ΔW 大於或等於15微米為較佳，大於或等於20微米更佳，以及大於或等於25微米最佳。長度ΔL 與寬度ΔW 通常都小於100微米。
或者，比率d/ΔL 及d/ΔW 小於或等於0.45為較佳，小於或等於0.3更佳，以及小於或等於0.2最佳。
有上述特徵的離散元件具有一些優點，並且使得下述方法能夠用來製造包含該等離散元件的光學片。首先，它們容易在圖案化輥子上製造。通常1個金剛石工具便足以把0.8米寬輥子雕刻成具上述特徵的離散元件而沒有顯著的刀具損耗。第二，由此類離散元件形成的圖案容易以良好複製保真度(replication fidelity)於相對低的壓力及溫度由圖案化輥子轉印至的光學片。第三，由此類離散元件形成的圖案由於損耗少而壽命長。最後，具有此圖案的光導板不容易磨損背光單元中的鄰近組件。在討論以下用於製造大光學片的方法時，這些優點會更加明顯。
在比較實施例中，離散元件有長度ΔL =50微米、寬度ΔW =50微米及高度d=25微米，因而沒有本發明的尺寸特性。由於刀具損耗，通常需要2至4個金剛石工具來雕刻0.8米寬之半徑為0.23米的輥子。具有此類離散元件的圖案難以在圖案化輥子上製造，因為大比率d/ΔL 及d/ΔW 使得金剛石工具容易破裂。另外，在下述較佳的方法實施例中，具有此類離散元件的圖案不容易圖案化輥子轉印至光學片300。此外，在圖案變形或破裂之前，無法多次使用具有此圖案的圖案化輥子。最後，具有此圖案的光導板可能磨損鄰近的組件。
用於製造雙側光導板的方法
在一方法中，用於製造雙側光導板的製程包含以下3個關鍵步驟：1.製備兩個圖案化輥子；2.使用這兩個圖案化輥子通過擠製澆鑄法來製作包含多個光導板圖案的大光學片；以及3.將該大光學片切成具有特定長寬尺寸的多個雙側光導板。描述這些步驟如下。
製備圖案化輥子
請參考第5A圖及第5B圖，藉由例如使用適當金剛石工具的直接微機械加工法(direct micro-machining method)在圖案化輥子480a上產生包含多個子圖案252a至252d的圖案252。第5A圖顯示在有半徑R 1 及寬度W R 1 之圖案化輥子480a上的子圖案252a、252b的前視圖。第5B圖顯示包含4個子圖案252a至252d的圖案252的展開圖。圖案252有長度L R 1 ，在此L R 1 =2πR 1 。子圖案252a有寬度W P 1 與長度L P 1 。這4個子圖案可具有相同或不同的寬度或長度。在一實施例中，R 1 152毫米，L R 1 =2πR 1 955毫米，W R 1 =406毫米，L P 1 =182毫米，以及W P 1 =396毫米。通常在兩個相鄰子圖案之間有空白空間。不過，在有些情形下，有可能最小化兩個相鄰子圖案之間的空白空間，以改善輥子表面的使用效率。在這兩種情形的任一種情形下，每個子圖案的密度函數(如前述)係在長度及/或寬度方向上改變。在一實施例中，密度函數係先減少然後增加。
同樣，藉由任何習知雕刻方法在另一圖案化輥子480b上產生另一圖案254。第6A圖及第6B圖為圖案化輥子480b上之圖案254的正面及展開視圖。圖案化輥子480b有半徑R 2 、長度L R 2 =2πR 2 及寬度W R 2 。圖案254有寬度W P 2 與長度L P 2 。在一實施例中，R 2 =R 1 152毫米，L R 2 =L P 2 =2πR 2 955毫米，W R 2 =W R 1 =406毫米，以及W P 2 =400毫米。顯示於第6A及6B圖的圖案254為與輥子480b之長度方向平行的線性圖案。該線性圖案可為任何習知的線性稜鏡、透鏡或柱形圖案。它可具有可變或不變的節距、高度或形狀。
在另一實施例中，圖案254經配置成對於輥子480b的寬度方向有一角度。在又一實施例中，第二圖案254為波浪狀線性稜鏡圖案。在再一實施例，第二圖案254，如同第一圖案252，包含多個子圖案。在另一實施例中，相較於輥子480b的尺寸，第二圖案254的覆蓋率小，亦即，比率W P 2 /W R 2 ＜0.1。在極端的情形下，在圖案254實質很少或沒有雕刻微特徵時，比率W P 2 /W R 2 接近零。
如第5B圖及第6B圖所示，圖案252包含多個離散子圖案252a至252d，每個子圖案包含如第2C圖及第4A-1至4C-1圖所示的離散元件，同時圖案254為連續圖案。不過，圖案254也可類似於圖案252而為具有離散元件的圖案。
在輥子表面上產生的圖案為替光導板設計且將藉由擠製澆鑄法製成的圖案之反面(“陰圖”)。使輥子表面有微圖案的另一選項涉及用圖案化光學片或袖套(可為以下在說明第11A圖時所描述的圖案化載體膜474a，或以下在說明第12B圖至第12D圖時所述的圖案化帶(patterned belt)479、479a或479b)纏繞輥子。該圖案化光學片或袖套可為金屬或聚合物(polymeric)。在圖案化輥子480a、480b上分別產生圖案252、254後，形式為光學片300a、300b、300c、300d及300e的光學片300’可使用數種擠製澆鑄法具體實施例中之一種製成。
第7A圖及第7B圖顯示一面有圖案252及另一面有圖案254的光學片300’的俯視圖。具有不同尺寸及空白空間的兩個光導板250a1及250a2可從同一個子圖案252c切成。本發明的大光學片使得改變光導板尺寸的彈性變得可能。
擠製澆鑄法
本發明的擠製澆鑄方法示意地顯示於第8A圖。該方法包含下列步驟：
(1)　透過具有第一擠製機476a及第一成片模頭(sheeting die)477a的第一擠製站470a將具有必要物理及光學性質的聚合物樹脂450a擠壓至剛硬但可撓聚合物載體膜474上，該該聚合物載體膜474是從供給輥472a饋出而進入在兩個反向旋轉輥子480a、478a之間的第一輥隙。如前述，輥子480a為具有替本發明光導板設計之微特徵圖案252的圖案化輥子。維持輥子480a的表面溫度TPaR,1 使得TPaR,1 ＞Tg1 -50℃，在此Tg1 為第一擠出樹脂450a的玻璃轉變溫度(glass transition temperature)。輥子478a(係第一壓力輥子)具有軟彈性表面及表面溫度TP,1 ＜TPaR,1 。維持兩個輥子的輥隙壓力P使得P＞8牛頓/輥子毫米寬度。
(2)　由輥隙區送出之載體膜474與澆鑄樹脂優先黏著至圖案化輥子480a而形成有所欲厚度的片直到在輥隙下游某個距離處固化為止。
(3)　將固化片與載體膜從圖案化輥子剝離，以及在受控張力下取下。然後，在剝離點(stripping point)481a下游某個距離處，將載體膜從成形圖案化片剝除。該成形圖案化片包含光導板的第一層410a。第8B圖為第一層410a的放大圖，其中係不按比例圖示圖案252。第一層410a具有通常在0.025毫米至0.5毫米之間變化的厚度D1 。D1 在約0.05毫米至0.35毫米的範圍為較佳，以及在約0.15毫米至0.25毫米的範圍更佳。
(4)　然後，將第一層410a饋入具有第二圖案化輥子480b及第二壓力輥子478b的第二擠製站470b。使第一層410a之具有圖案252的圖案化側面向第二壓力輥子478b並輸送通過在輥子480b、478b之間的第二輥隙區，同時從擠壓機476b透過成片模頭477b澆鑄第二層樹脂450b於第一層410a的未圖案化側上。第二輥隙區的壓力控制在P＞8牛頓/輥子毫米寬度。圖案化輥子480b的表面溫度TPaR,2 ＞Tg2 -50℃，在此Tg2 為第二擠出樹脂450b的玻璃轉變溫度，以及壓力輥子478b的溫度TP,2 ＜TPaR,2 。輥子480b表面上的圖案254由輥子480b轉印至至澆鑄在第二輥隙區的樹脂。
(5)　通過第二輥隙區的樹脂450b黏著至第一層410a以形成複合光學片300a。該複合光學片在第二輥隙下游某個距離處固化。第8C圖為具有層410a及410b之光學片300a的放大圖，其中係不按比例示意顯示圖案252、254。層410b具有在0.025毫米至0.5毫米之間變化的厚度D2 。D2 在約0.05毫米至0.35毫米的範圍為較佳，在約0.15毫米至0.25毫米的範圍為更佳。光學片的總厚度為厚度D1 +D2 ，通常是在0.05毫米至1.0毫米之間的範圍，在0.1毫米至0.7毫米之間的範圍為較佳，在0.3毫米至0.5毫米之間的範圍更佳。
(6)　固化光學片300a由輥子480b剝下以及在受控張力下捲取進入捲取站(take-up station)，其中，該片不是在此線上(in-line)精加工(成片)、便是捲在輥484a上供隨後精加工。此片包含多個光導板圖案，該片隨後必須切成所設計光導板之最終特定長寬尺寸。
在第二擠製站470b擠出的樹脂450b不是一定非要跟在第一站470a擠出的樹脂450a一樣，並且，第一與第二層的厚度不是一定非要相同(通常D1 ≠D2 )，只要複合板的最終厚度D及光學性質符合設計要求即可。施加圖案252、254的順序無關緊要而且可取決於實務上的考量。
在一實施例中，熔融樹脂450a、450b為聚碳酸酯(PC)，其玻璃轉變溫度Tg約145℃。在另一實施例中，熔融樹脂450a、450b為衝擊改性PMMA(impact modified PMMA)，其玻璃轉變溫度Tg是在95至106℃的範圍。衝擊改性PMMA沒有純PMMA那麼脆而且經證明比改性PMMA還容易擠出。在又一實施例中，熔融樹脂450a、450b為聚烯烴系聚合物(polyolefinic polymer)。
雙側光學片300a也可只用一個擠製站以兩通(two-pass)製程做成。具體言之，在用第一圖案化輥子480a擠製聚合物樹脂450a的第一層進入輥隙以製成第一層膜後，該第一層膜可捲成捲存放供隨後使用。然後，第一圖案化輥子480a換成第二圖案化輥子480b，以及第一層膜之捲展開以及輸送回到輥隙，其中，該第一層膜的圖案化側是朝向壓力輥。從相同的擠製機476a及成片模頭477a將聚合物樹脂450b的第二層澆鑄於第一層的未圖案化側上以形成光學片300a。雖然此方法只需要一個擠製站，然而它要額外的通過來完成光學片300a的製造，這在經濟上大體沒有優勢。
在有些情形下，可視需要而在製造第一層時使用載體膜474，儘管在不用載體膜下要控制製成膜的品質大致上會比較困難。有利地，本發明的擠製澆鑄法示意地顯示於第9A圖。在兩個擠製站470a及470b中分開形成兩個單側微圖案化層410a、410b，其方式與第8A圖之本發明第一層的形成類似。兩個成形圖案化層410a、410b在層壓站(lamination station)490中層壓在一起，此係藉由使這兩層的未圖案化表面相互黏著以形成在各個表面上有圖案252、254的單一光學片300b，如第9B圖所示。同樣，此片包含多個光導板圖案，該片隨後必須切成所設計光導板之最終特定長寬尺寸。
可用各種方式實現這兩個固體層的層壓，包括：溶劑層壓、壓力層壓、UV層壓或熱層壓。溶劑層壓係藉由在一個或兩個表面上塗上使得該層的未圖案化表面變黏之薄溶劑層，從而促進黏合。隨後藉由乾燥來移除多餘的溶劑。壓力層壓係藉由使用可牢牢黏著於兩面的壓敏黏合劑來實現。在UV層壓中，一層或兩層膜的表面係塗上UV黏合劑(UV adhesive)，其在黏合劑層經UV固化後可促進黏合。在熱層壓中，一個或兩個面係塗上溫度敏感層，然後加熱至低於光導板樹脂之Tg很多的溫度，從而促進層間的黏合。在所有的層壓方法中(除了溶劑層壓以外)，黏合劑層較佳具有足夠接近光導板樹脂的光學性質(特別是，折射率，色彩及透射比)以便最小化對於光導板之光學效能的影響。層壓及擠製步驟可線上進行(如第9A圖所示)，或離線(off-line)進行(其中擠製及層壓步驟係不耦合)。此方法可視需要而使用載體膜，而且可將機器設計成可製作第一層及/或第二層而不需使用載體膜474。
有利地，本發明的擠製澆鑄法示意地顯示於第10圖。以類似於產生如第9A圖所示之層410b的方式，產生具有圖案254之單側層410b。然後，用適當的印刷方法賦予圖案252於層410b的未圖案化側上以形成光學片300c。例如，單側層410b通過印刷站492，其中係印刷圖案252於膜410b的未圖案化側上。此步驟可選擇多種印刷方法，包括噴墨印刷法、絲網印刷法及其類似者。在任一種情形下，必須小心地使透明油墨的光學性質與擠出層的的光學性質匹配。如果印刷材料(油墨)為UV-敏感性，則UV站必須緊接於印刷站後放置以固化印刷後的油墨。最終光學片300c有名義上與層410b厚度相同的總厚度D 1 ，而光學片300a、300b的總厚度遠大於第8C圖及第9B圖中之層410b的厚度。光學片300c(與光學片300a及300b類似)也包含多個光導板圖案，其隨後必須切成最終特定長寬尺寸。印刷及擠製步驟可線上進行(如第10圖所示)，或離線進行(其中擠製及印刷步驟係不耦合)。此方法可視需要使用載體膜，而且可將機器設計成可製作層410b而不需使用載體膜474。與其他具體實施例相比，此方法少使用一個微機械加工圖案化輥子，但是印刷方法可受限於以此方式產生之離散元件的形狀及大小。
本發明的擠製澆鑄法示意地顯示於第11A圖。亦即，載體膜為微圖案化載體膜474a。通過擠製機476a及成片模頭477a擠製聚合物樹脂450a於此圖案化載體膜上。載體膜及澆鑄樹脂優先黏著至圖案化輥子480a形成片直到在輥隙下游某個距離處固化。將固化片及載體膜從圖案化輥子480a剝離，在受控張力下取下，以及在剝離點481a下游某個距離處，從成形圖案化片剝離圖案化載體膜。如第11B圖所示的最終光學片300d在一表面上具有轉印自圖案化載體膜474a的圖案254，以及在另一表面上具有轉印自圖案化輥子480a的圖案252。此片包含多個光導板圖案，該片隨後必須切成所設計光導板之最終特定長寬尺寸。
圖案化輥子480a或480b不是一定非要具有刻在輥子表面上的圖案。反而，可用包住輥子的圖案化膜(與圖示於第11A圖的圖案化載體膜474a類似)來產生圖案。
在本發明中，如果載體膜用來促進成形樹脂由輥隙區輸送通過剝離點時，則載體膜必須滿足數個關鍵要求：它必須剛硬且可撓以及在輥隙區(其中係澆鑄熱熔膠於載體膜上)遭受升高之溫度及壓力下仍必須保持它的尺寸完整性及物理性質。此外，該膜之表面必須極平滑，而且它需要微弱地黏著至固化樹脂使得它在剝離點下游的某處時可由成形圖案化膜輕易地剝離。符合這些要求的材料實施例包含但不受限於：雙軸取向(biaxially oriented)PET及PEN膜、聚碸膜(polysulfone film)及聚芳酯膜(polyarylate film)。
本發明的擠製澆鑄法示意地顯示於第12A圖。亦即，在單一圖案形成步驟中，藉由把圖案放在圖案化輥子480a及壓力輥子480b上以及不使用載體膜來製備本發明的光學片300e。由於樹脂與圖案化壓力輥子480b在輥隙區的駐留時間及接觸時間短，轉印自壓力輥子480b的圖案最好是易於複製(例如，極淺稜鏡(very shallow prism))以在圖案化片的兩側上均達到可接受的複製保真度。另外，藉由在壓力輥子那側上共擠製一層具有較易複製及成形特性的不同樹脂，有可能以較短的接觸時間實現更好的複製。可用於此方面的樹脂實施例為其組成與用於光導板之塊狀聚合物(bulk polymer)類似但是具有較低分子量的聚合物，或配製有適當塑化劑(plasticizer)的樹脂。在一實施例中，最終光學片300e在兩個表面上具有圖案252、254。此為最簡單的實作方法但是在品質及成本上可能不是最佳。
或者，第12B圖提供一種對第12A圖及第11A圖稍加修改的方法。顯示於第12B圖的擠製澆鑄法與顯示於第12A圖的相同，除了以輸送於輥子478a上之微特徵圖案化帶479取代圖案化壓力輥子480b。由於樹脂與帶479在輥隙區的的駐留時間及接觸時間短，因此，從帶轉印的圖案最好易於複製(例如，極淺稜鏡)以便在圖案化片的兩側上均達到可接受的複製保真度。
顯示於第12C圖的擠製澆鑄法與顯示於第12B圖的相同，除了微圖案化帶479在輥隙下游係部份纏繞圖案化輥子480a。在單一圖案形成步驟中，藉由從圖案化帶479複製圖案中之一個於一表面上，以及從圖案化輥子480a複製另一個圖案於相對表面上，製備本發明光學片。使圖案化帶479在圖案化輥子480a上纏繞若干距離可增加樹脂與帶479的接觸時間，從而增強從帶複製到光學片上之特徵的複製保真度。
顯示於第12D圖的擠製澆鑄法與顯示於第12A圖的類似，除了圖案化輥子480a、480b換成如圖示之纏繞住驅動輥子的連續微圖案化帶479a及479b。
通過顯示於第12A圖至第12D圖之方法實施例製成的最終雙側光學片300e與第11B圖的光學片300d有相同的橫截面。光學片300e包含多個光導板圖案，該片隨後必須切成所設計光導板之最終特定長寬尺寸。
在包含圖案化輥子的所有具體實施例中，圖案化輥子的表面溫度TPaR 大於Tg-50℃為較佳，大於Tg-30℃更佳，以及大於Tg-20℃最佳，在此Tg為擠出樹脂的玻璃轉變溫度。
最後，將由上述具體實施例中之任一製成的光學片轉移至精加工站，在其中將它切成具有所設計光導板之特定長寬尺寸的多個雙側光導板。由單一光學片精加工得到的光導板可具有相同或不同的尺寸及微圖案。
樹脂材料
許多聚合物材料可用來實施本發明。樹脂材料在典型擠製條件下必須可擠製，容易澆鑄及能夠複製離散及/或線性微圖案。該材料也必須充分剛硬以最小化在實際使用時破裂及扭曲。另外，該材料在可見光譜範圍內必須具有高度的透射比及低色(low color)。對本申請案最重要的性質是消光係數(extinction coefficient)。材料的消光係數或內稟光學密度(intrinsic optical density,OD)可由算出，在此Tr為透射比以及L為光學路徑長度。此性質必須儘可能低以便最小化光導板的吸收損耗。有用於本發明的材料包含但不受限於：PMMA及其他丙烯酸系聚合物(acrylic polymer)，包括衝擊改性PMMA以及甲基丙烯酸甲酯與其他丙烯酸系及非丙烯酸系單體的共聚物，聚碳酸酯，聚環烯烴，環形嵌段共聚物，聚醯胺，苯乙烯系(styrenic)，聚碸，聚酯，聚酯碳酸酯(polyester-carbonate)，及其各種可混溶摻合物(miscible blend)。PMMA的典型OD可大約在0.0002/毫米至0.0008/毫米之間變化，而對於聚碳酸酯，它通常是在0.0003/毫米至0.0015/毫米的範圍，這取決於材料的等級及純度。
實施例
本發明實施例1
光學片300具有長度L S 957毫米，寬度W S 343毫米，以及在0.1毫米至0.7毫米之間變化的厚度D S 。光學片300上具有4個光導板圖案，每個圖案具有在150毫米至240毫米之間變化的相同長度，以及在150毫米至320毫米之間變化的寬度。由於是在卷對卷式製程一起製成所有4個光導板，因此在250毫米/秒的機器生產速度(line speed)下以1秒以下製成每個光導板。可以想像，在相同的機器生產速度下，對於在相同的光學片300及相同的圖案化輥上之大量較小光導板(例如，約20毫米的長度及寬度尺寸)來說，每個光導板的製造時間甚至更短。
本發明實施例2
光學片300具有長度L S 1436毫米，寬度W S 686毫米，以及在0.1毫米至0.7毫米之間變化的厚度D S 。光學片300具有14個光導板圖案，每個圖案具有在150毫米至240毫米之間變化的長度，以及在150毫米至320毫米之間變化的寬度。
這14個光導板圖案具有以下特徵中之一個或多個。在一態樣，14個光導板中之至少兩個有不同的長度。在另一態樣，14個光導板中之至少兩個有不同的寬度。在又一態樣，14個光導板中之至少一有與光學片300相同的寬度方向。例如，第1圖光導板250a用W 1 表示的寬度方向係平行於光學片300用W S 表示的寬度方向。在再一態樣中，14個光導板中之至少一個有與光學片300之寬度方向正交的寬度方向。例如，光導板250f用W 6 表示的寬度方向係與光學片300用W 表示的寬度方向正交。
在另一態樣，有可能光導板中之一個(例如，光導板250j)的寬度方向經配置成與光學片300寬度方向的夾角是在0至90度之間。也有可能光導板中之一個或多個不為矩形，而為方形、圓形、或任何其他習知形狀。
由於在任何兩個相鄰光導板之間通常有空白空間260，有可能藉由包含部份空白空間，由原先想要的光導板增加光導板的尺寸。或者，可將光導板切成小於原先想要的光導板。具有不同光導板之光學片的優點是在單一製造步驟產生用於不同LCD應用的光導板。由於顯示器工業缺乏充分的標準，不同的顯示器使用者可能要求不同尺寸的光導板。本發明的光學片300提供低成本的解決方案以滿足眾多使用者的不同要求。
本發明實施例3
光學片300具有長度L S 1436毫米，寬度W S 980毫米，以及在0.1毫米至0.7毫米之間變化的厚度D S 。光學片300具有21個光導板圖案，每個圖案具有在150毫米至240毫米之間變化的長度，以及在150毫米至320毫米之間變化的寬度。
當以152毫米/秒的機器速度製作光學片300時，大約花9.4秒製作包含21個光導板的一個光學片300。平均花小於0.5秒製成一個光導板，遠比製作類似光導板之習知射出成型法的速度高很多。
比較實施例
作為比較，在典型射出成型周期中只可做成具有約大於150毫米之長度或寬度的單一個光導板。因此，每個光導板的周期時間會比較長。用射出成型法，可在每個周期產生複數個光導板，但是要在兩個圖案化表面都達成良好複製保真度時，這樣做的困難程度會隨著板的厚度減少和長度及寬度增加而顯著增加。
總之，與習知射出成型技術目前可行的相比，從本發明長度至少有0.8米、寬度至少有0.3米之大光學片精加工而得的光導板有利地以遠遠更高的速度及/或以遠遠更大的尺寸與更小厚度做成。這些光導板也比較容易客製化以滿足不同使用者不斷變化的需求。
12．．．光源
14．．．端面
15a、15b．．．側面
16．．．輸出面
17．．．底面
18．．．輸入面
22．．．轉向膜
142．．．反射膜
216．．．稜鏡
217．．．微圖案
227、227a、227b、227c．．．離散元件
250、250a1、250a2．．．光導板
250a、250b、250c、250d、250e、250f、250g、250h、250i、250j．．．光導板圖案
252、254．．．圖案
252a、252b、252c、252d．．．子圖案
260．．．空白空間
300、300a、300b、300c、300d、300e、300’．．．光學片
410a、410b．．．層
450a、450b．．．樹脂
470a、470b．．．擠製站
472a．．．供給輥子
474、474a．．．載體膜
476a、476b．．．擠製機
477a、477b．．．成片模頭
478a、478b．．．壓力輥子
479、479a、479b．．．圖案化帶
480a、480b．．．圖案化輥子
481a．．．剝離點
484a．．．輥子
490．．．層壓站
492．．．印刷站
D1 、D2 ．．．厚度
Lx．．．長度
Wx．．．寬度
Rx．．．半徑
P．．．壓力
Tg．．．玻璃轉變溫度
a 1 、a 2 、a 3 、a 4 、a 5 、a 6 ．．．面積
第1圖示意地顯示包含多個光導板圖案的大光學片；
第2A圖及第2B圖顯示從第1圖所示之大光學片切出的光導板的仰視圖及側視圖；
第2C圖顯示在圖案化於光導板之一表面上之離散元件的密度函數定義中所用單位面積；
第3A圖顯示沿平行於寬度方向之方向觀看時背光單元中之光導板的放大側視圖；
第3B圖顯示沿平行於長度方向之方向觀看時光導板的放大側視圖；
第3C圖為光導板上之線性稜鏡的俯視圖；
第3D圖為光導板上之彎曲波浪狀稜鏡(curved wave-like prism)的俯視圖；
第4A-1圖、第4A-2圖及第4A-3圖為第一種離散元件的透視、俯視及側視圖；
第4B-1圖、第4B-2圖及第4B-3圖為第二種離散元件的透視、俯視及側視圖；
第4C-1圖、第4C-2圖及第4C-3圖為第三種離散元件的透視、俯視及側視圖；
第5A圖及第5B圖分別示意地顯示包含多個子圖案(sub-pattern)的圖案化輥子的正面及展開視圖；
第6A圖及第6B圖分別示意地顯示包含連續圖案的圖案化輥子的正面及展開視圖；
第7A及7B圖顯示可從使用顯示於第5A圖至第6B圖之兩個輥子製成之光學片切出的不同光導板；
第8A圖示意地顯示用以製造本發明光學片的裝置及方法；
第8B圖及第8C圖為在第8A圖之方法中製成的第一圖案化層與最終光學片的橫截面示意圖；
第9A圖示意地顯示用於製造本發明光學片的裝置及方法；
第9B圖為在第9A圖之方法中製成的最終光學片的橫截面示意圖；
第10圖示意地顯示用於製造本發明光學片的裝置及方法；
第11A圖示意地顯示用於製造本發明光學片的裝置及方法；
第11B圖為在第11A圖之方法中製成的最終光學片的橫截面示意圖；
第12A圖示意地顯示用於製造本發明光學片的裝置及方法；以及，
第12B圖、第12C圖、第12D圖示意地顯示如第12A圖所示之本發明的3個變體。
300e．．．光學片
450a．．．樹脂
470a．．．擠製站
476a．．．擠製機
477a．．．成片模頭
480a、480b．．．圖案化輥子
484a．．．輥子

Claims (14)

  1. 一種製造光導板之方法，該光導板係具有用以接收來自光源之光線的輸入面，用以發光之微圖案化輸出面，以及與該輸出面相對之微圖案化底面，該方法包含：將第一樹脂擠入在第一壓力輥子與第一圖案化輥子之間的輥隙以在第一圖案化輥子表面溫度T1及第一輥隙壓力P1形成第一層，該第一層具有未圖案化表面與圖案化表面，該圖案化表面具有轉印自該第一圖案化輥子的微圖案，以及輸送該第一層進入在第二擠製站中之第二圖案化輥子與第二壓力輥子之間的輥隙；將第二樹脂擠入在第二壓力輥子與第二圖案化輥子間之輥隙以及擠至該第一層的未圖案化表面上以在第二圖案化輥子表面溫度T2及第二輥隙壓力P2形成第二層，該第二層具有轉印自該第二圖案化輥子的微圖案；該經組合之第一與第二層形成包含多個光導板圖案的光學片；以及將該光學片切割及精加工成具有特定長寬尺寸的多個雙側光導板。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該光導板係具有小於或等於1.0毫米的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該光導板係具有大於或等於0.15米的寬度及長度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該輸出面或底面上的該微圖案包含離散元件，以及在該另一主要表 面上的該微圖案包含連續元件。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該輸出面及該底面上的該微圖案都包含連續元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該輸出面及該底面上的該微圖案都包含離散元件。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該離散元件具有大於或等於15微米的長度及寬度，以及有小於或等於12微米的高度。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該離散元件具有長度△L 、寬度△W 、及高度d，以及比率d/△L 與d/△W 為小於或等於0.45。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中T1大於Tg1 -50℃以及T2大於Tg2 -50℃，其中Tg1 與Tg2 分別為該第一與第二樹脂的玻璃轉變溫度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該輥隙壓力P1與P2係大於8牛頓/輥子毫米寬度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一層係擠製至載體膜上，以及隨後剝離該載體膜。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該第一與第二圖案化輥子之一者或兩者上的該圖案係由圖案化帶提供。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一與第二樹脂為聚碳酸酯、烯烴系聚合物、或者丙烯酸系聚合物。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一與第二 樹脂係相同。
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