一種光擴散片及製作方法與流程

2023-05-04 00:22:31 5

本發明涉及一種光擴散片，其結構為在圖形化微結構溝槽內填充光擴散粒子。在圖形化結構和擴散粒子共同作用下，產生光擴散效果，用於背光源和光束整形方向。

背景技術：

光擴散片是顯示和照明領域中必不可少的組件。它的主要作用是使光線漫射，將點/線光源均勻轉換為線/面光源。傳統擴散片通過透明塑料材料中加入化學粒子形成擴散層，在擴散層內，入射光線在兩個或多個折射率相異的介質中傳播，發生折射、反射與散射，形成擴散光的效果。

目前，光擴散片主要有三種加工方法：壓花加工、熱處理注模和塗布工藝。壓花工藝將聚合物熔融於薄膜表面，利用多數微細結構的滾子加工而成，方法簡便，但它的主要缺點在於會導致擴散膜材料密度不均。熱處理注模法，其主要材料包括甲基丙烯酸甲酯，偶氮二異晴，擴散粉末及染料等。經充分攪拌混合，將其注入模具中，再用烘箱烘烤固化，至少4～8小時，生產周期長。生產擴散膜的最常用的方法是塗布方法，擴散層通過靜電塗布形成於透明基底表面。這種方法在工藝上比較成熟，但使用了多種高分子材料，如黏著物材料為熱可塑型高分子樹脂(甲基丙烯酸酯的單體或聚合體、聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基戊烯)，還需要烯酸酯類、光起始劑、擴散粉末、染料、增韌劑、溼潤劑、消泡劑等。並且，由於在基底上添加擴散層增加擴散片的厚度，使用多種聚合物導致更大的光能吸收損耗，在生產中產生的有機汙染物，不利於環保。

隨著發光二極體等新型固體光源的廣泛使用，除了要求與之配套的光擴散片具有高透過率、易於調整的霧度，還要求能夠實現無「熱點」的柔光和定向擴散等特殊的光學效果，為光擴散片的研發和製造提出了新的技術挑戰。

不斷進步的微納製造技術使得批量化製造大幅面微納結構成為可能。在塑料基材表面加工具有一定拓撲排列的微納結構作為光擴散片，滿足了光學功能薄膜輕薄化、柔性化、功能化、高光能利用率、低成本和生產過程低能耗的要求，成為新一代光學功能薄膜的寵兒。基於表面微結構的光擴散片，亦可細分為兩類：一類是完全隨機結構。例如，隨機微透鏡陣列結構。它雖然可以很好地對光實現擴散和柔化，但由於其散射單元排布的隨機性，只能滿足某一類光學膜的需求，如液晶電視裡使用的光擴散片。另一類是規則排布的結構，通過設計微納結構的拓撲排布，實現優化的定向散射和柔光等光學效果，獲得隨機排布難以實現的功能。優化設計後的微結構擴散片具有更大的靈活性和廣泛的適應性，將在新一代有機發光二極體、太陽能電池等的光調製和提升器件光能利用率方面發揮重要作用。

目前研究的優化拓撲排列的微結構擴散片，如文獻[1]S.M.Mahpeykar,et al.Stretchable hexagonal diffraction gratings as optical diffusers for in situ tunable broadband photon management，Adv.Opt.Mater.4(7):1106-1114，2016)報導，在聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)上自組裝蜂窩密集排列的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)微米球，利用PDMS的可拉伸性，實現可調衍射角度的光場。文獻[2]C.L.Lai,J.S.Lin,T.Yoshimi,and W.H.Fan,A microstructure diffuser plate for LED lighting,Proc.SPIE 6758,2007.報導了規則微透鏡陣列製作的光擴散片用於防止LED眩光，同樣使用了自組織方法在襯底上蜂窩密集排列聚苯乙烯微米小球。自組織方法不適合製作大面積結構模板。文獻[3]T.C.Huang1,J.R.Ciou1,P.H.Huang1,K.H.Hsieh,and Sen-Yeu Yang Fast fabrication of integrated surface-relief and particle-diffusing plastic diffuser by use of a hybrid extrusion roller embossing process，Optics Express 16(1),440-447,2008.報導了一種將混合微結構與摻雜粒子的光擴散片及其製作方法。其技術路線是利用熔融擠出機將摻有PMMA擴散粒子的聚碳酸酯經過帶有微結構的輥輪，降溫固化後獲得了集成型光擴散片。熔融擠出的方法工藝複雜，所需設備昂貴。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種具有圖形化排布的擴散粒子的光擴散片，及其製作方法。本發明的光擴散片的構思是，在基材上製作凹陷結構，這些預設的凹陷結構呈現的拓撲排列，如正方形、六邊形、條狀、環狀等方式。凹陷結構內填充有機或者無機材料的擴散粒子，擴散粒子可以是球形、橢球形、圓柱形、長方體，或者其它異形體，擴散粒子的折射率與基材、微納結構層和保護層不同。入射光束經過擴散片表面時，受到圖形化排列的擴散粒子的影響，將發生折射、散射、衍射等光學現象，形成對光的擴散作用。

一種光擴散片，其包括透明基材層，在所述透明基材層的一側表面設有微結構層，所述微結構層設有微結構，所述微結構為凹陷結構，在微結構層的凹陷結構內填充有擴散粒子。

在其中一實施例中，微結構層內微結構呈凹陷狀，用於誘導擴散粒子排布，其排布方式可以是線狀光柵、矩形、環形和六邊形排布，或者，在平面內呈對稱軸的排布或者在平面內呈非對稱軸的排布；所述擴散粒子排布狀態可以連續或離散。

在其中一實施例中，對其中的微結構層的材料可以與基材層材料相同，也可以不同。

在其中一實施例中，所述凹陷結構寬度大於1微米，深寬比大於0.3。

在其中一實施例中，所述微結構層的凹陷結構內填充有擴散粒子，依照凹陷結構的拓撲排布而分布；擴散粒子可以大於、小於或者等於凹陷結構的特徵尺寸，其形狀可以是球形、橢球形、圓柱形、長方體，或者其它異形體。

在其中一實施例中，在微結構層外側可以設有透明的保護層，保護層完全或者部分包覆擴散粒子。

在其中一實施例中，填充於微結構層的凹陷結構內的擴散粒子，其光學折射率與透明基材層、微結構層、保護層材料、或者它們其中之一的折射率之差絕對值不小於0.01。

一種光擴散片的製作方法，包括下列步驟：

S1、使用具有凸起結構的模具，通過熱壓印或者紫外壓印方式在透明基材上製作結構，在微結構層內獲得與模具凸起結構互補的凹陷結構；

S2利用刮塗技術，將擴散粒子刮塗進上述步驟中製作的凹陷結構內，形成圖形化的擴散粒子排布。

在其中一實施例中，還包括步驟S3.在微結構層表面塗敷保護層。

在其中一實施例中，填充於微結構層的凹陷結構內的擴散粒子，其光學折射率與透明基材層、微結構層、保護層材料、或者它們其中之一的折射率之差絕對值不小於0.01。

本發明提出了一種新型光擴散片結構及其製作方法。該擴散片通過微納米壓印和刮塗技術製作，利用微納拓撲結構的對光的折衍射和擴散粒子對光的散射作用，實現了定向散射和勻化光斑的功能。微納米壓印技術是一種可用於大批量製備大面積圖形化微納結構的技術，其加工解析度只與模版圖案的尺寸有關，而不受光學光刻最短曝光波長的物理限制，具有高分辨、高產出、低成本的優點。刮塗技術實現擴散粒子填充，方法便捷，工藝簡單，易於實現批量化生產。

由於上述技術方案的運用，本發明作為一種結構誘導的圖形化擴散粒子散射片，與現有技術相比具有以下兩項優點：

1.實現多個維度的可人工幹預的擴散粒子和散射光場。本發明利用圖形化結構誘導，實現了擴散粒子的圖形化排列，因而可人工優化設計大量散射粒子的散射特性，例如定向散射和獲得柔性軟光(soft light)，對光場進行了更加靈活的調控，具有更廣泛的適應性。

2.工藝便捷可靠：結合了壓印和刮塗技術，整個工藝流程順暢簡便，易於實現批量化和大幅面製造，即適應於板材，也適用於卷材，所需設備也比擠出熱熔設備便宜，運行成本更低。

附圖說明

圖1是本發明實施例一的一種圖形化排布光擴散粒子的光擴散片結構示意圖；

其中：11、擴散粒子；12、襯底；13、微納結構層；14、微納結構

圖2a-d是實施例一的一種圖形化排布的光擴散粒子的光擴散片的製作流程圖；圖2a是實施例一中的壓印模具；圖2b是實施例一中的利用壓印模具，在基材上獲得與之互補的凹陷結構；圖2c是實施例一中的利用刮塗技術實現擴散粒子的填充示意圖；圖2d是實施例一中的表面具有保護層。

其中：21、微納結構層；22、基材；23、擴散粒子；24、保護層

圖3是實施例一中實現凹陷結構壓印的模具結構示意圖；

圖4是實施例一中實現凹陷結構壓印的另一種模具結構示意圖；

圖5是實施例一中實現凹陷結構壓印的另一種模具結構示意圖；

圖6是實施例一中實現凹陷結構壓印的另一種模具結構示意圖；

圖7是實施例三中擴散粒子在凹陷結構內以多層堆疊的方式排布的情況；

圖8是實施例四中填充擴散粒子的凹陷結構的一種拓撲結構；

圖9是實施例四中填充擴散粒子的凹陷結構的另一種拓撲結構；

圖10是實施例四中填充擴散粒子的凹陷結構的另一種拓撲結構；

圖11是實施例五中微納結構層完全覆蓋保護層的情況；

其中111、保護層

圖12是實施例五中微納結構層部分覆蓋保護層的情況。

其中121、保護層

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：

實施例一：參見附圖1所示，一種光擴散片，圖形化排布光擴散粒子的光擴散片結構示意圖。在基材12上製作有凹陷結構14，這些凹陷結構14呈現預設的拓撲排列，如正方形、六邊形、條狀、環狀等方式，凹陷結構的寬度大於1微米，深寬比大於0.3。凹陷結構14內填充有機或者無機材料的擴散粒子11，擴散粒子11可以是球形、橢球形、圓柱形、長方體，或者其它異形體，擴散粒子11的折射率與基材12、微納結構層13和保護層不同,擴散粒子光學折射率與透明基材層、微結構層、保護層材料、或者它們其中之一的折射率之差絕對值不小於0.01。入射光束經過擴散片表面時，受到圖形化排列的擴散粒子11的影響，將發生折射、散射、衍射等光學現象，形成對光的擴散作用。擴散粒子11的特徵大小為1～10微米。擴散粒子與基材12、微納結構層材料13、保護層材料之一的折射率差的絕對值大於0.01；或者它們兩兩之間的折射率差的絕對值大於0.05。

實施例二：參見附圖2a-2d所示，本發明提出的一種光擴散片的製作流程。首先製作具有拓撲排列圖案凸起結構的模具。圖2a中圖形化凸起結構模具，可利用多種方法實現，如掩模光刻曝光、雷射直寫、化學腐蝕或者機械刻劃等。模具的材料可以為金屬材料，如鎳、不鏽鋼、銅或者金屬合金材料，為有機材料，如聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、全氟聚醚烯、四氟乙烯共聚物和丙烯酸；為無機非金屬材料，如二氧化矽、矽、碳素鋼、碳化矽。其次，圖2b為利用模具在透明基材22上通過壓印方式製作凹陷結構的示意圖。可採用熱壓印或者紫外壓印。熱壓印是將首先採用堅硬的壓模毛坯加工成壓模，然後通過高溫軟化聚合物基片21，或者在聚合物基片上塗敷具有熱軟融性質的高分子聚合物材料21，將其放入壓印機加熱並把壓模以一定壓力壓在聚合物基片上，緊接著把溫度降低至聚合物凝固點附近，同時把壓模和聚合物層相分離，基片表面就留下了與模具上結構互補的結構。紫外壓印的過程基本與熱壓印相同，需要採用可在紫外光照射下固化的聚合物作為壓印層材料，無需採用高溫高壓的方式，但是要求壓模材料(或基板材料)對紫外波段透明。再次，圖2c為微結構層內凹陷結構填充了擴散粒子23的示意圖。通過刮塗技術，利用刮刀將擴散粒子刮填充於的凹陷的微米結構內，形成圖形化排列的擴散粒子。最後，可用透明材料覆蓋於微納結構層外側表面作為保護層24，並且可以實現表面平整的外觀。由於擴散粒子的折射率與基材、微納結構層和保護層存在差異，圖形化排列的擴散粒子將入射光散射。

實施例三：參見附圖3-4所示，本發明提出的一種光擴散片，填充擴散粒子的凹陷結構形狀取決於模具的微結構形狀。微結構形狀如球形、橢球形、三稜錐、四稜錐等，橫截面為圓、橢圓、三角形、四邊形或者其它不規則多邊形，能夠填充擴散粒子的形狀均在本發明保護的範圍之內。擴散粒子填充於所加工的凹陷結構內，其狀態如附圖5-6所示。當模具上的結構具有高深寬比時，微結構層的凹陷結構也將具有較大深寬比，擴散粒子將在凹陷結構內以多層堆疊的方式排布，如附圖7所示。這為設計散射片的光調製提供了一個額外的空間維度。

實施例四：參見附圖8-10所示，本發明提出的一種光擴散片，填充擴散粒子的凹陷結構的拓撲結構決定了光擴散斑中心位置的分布。其拓撲結構可以是線狀光柵，如正方形、六邊形、條狀、環狀等。

實施例五，參見附圖11-12所示，本發明提出的一種光擴散片，微納結構層上可以覆蓋保護層111或112，保護層可以完全覆蓋擴散粒子，或者部分覆蓋擴散粒子。