專利名稱：非對稱光擴散元件與其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非對稱光擴散元件與其制造方法，特別的是在擴散元件的 工藝中利用應(yīng)力延伸混有顆粒與具表面結(jié)構(gòu)的基材本體而產(chǎn)生具有雙折射率 與非對稱性擴散的擴散特性。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)使用背光模塊(Backlight)用于平面顯示器發(fā)光源，而背光模 塊通常有光源、光導(dǎo)(Light guide)與能夠使光量平均分布的擴散膜，因為 背光模塊中的光源是如同一顆顆分布的發(fā)光二極管，或是一根根排列的光管， 如CCFL，所以需要擴散板與擴散膜將不均勻的光線擴散開。舉例來說， 一種 直下型背光(Direct Light)便是薄膜晶體管液晶電視面板的主要光源，通過 此光源經(jīng)由擴散膜后穿透薄膜晶體管液晶面板，來達到顯示的效果。
現(xiàn)有技術(shù)背光模塊包括有多數(shù)個發(fā)光源組成的背光源，背光源一側(cè)通常設(shè) 置有反射層，光線再經(jīng)過擴散層穿透至顯示面板，其中擴散層主要是使背光源 能夠產(chǎn)生均勻的背光；另外， 一般更會經(jīng)過偏光層(Polarizer)，而偏光層 主要的功能是將自然光轉(zhuǎn)變成具有偏振特性的偏極化光(Polarized light)， 以發(fā)揮顯示面板(如LCD)的顯示功能。
請參閱與本案同一申請人的公告于公元2007年5月8日美國專利第 7， 213， 933號，其中揭露具有擴散板的直下型背光模塊與其制造方法(Direct type backlight module of diffuser plate and its manufacturing method thereof)，其中揭示的擴散板的表面具有凹凸的圓柱形透鏡，能將入射光散 射而產(chǎn)生均勻的液晶屏幕背光源，此擴散膜的主要工藝包括利用共押出 (Co-Extrusion)的方式擠壓(Squeeze)樹脂，經(jīng)冷卻形成擴散膜，其表面 的凹凸形狀即于共押出時產(chǎn)生。
為達到背光源擴散的效果，現(xiàn)有技術(shù)已提出多種通過基材結(jié)構(gòu)達到擴散目 的的技術(shù)，如公元1999年8月31日公告的美國專利第5， 944， 405號所提出的
4-種光擴散膜通過表面微結(jié)構(gòu)來擴散光線。
另有現(xiàn)有技術(shù)是通過基材內(nèi)的物質(zhì)產(chǎn)生光擴散的能力，但這樣的方式都僅 限于光線折射與散射來達成擴散的需求，且如同傳統(tǒng)擴散膜由于結(jié)構(gòu)為隨機或
接近圓形，其光擴散都是軸對稱型(Axial symmetric)的，對于二維水平與垂 直方向排列距離不同的背光光源或燈箱，如LED陣列光源，就需要非對稱的擴 散膜來做非對稱的光擴散處理與視角與輝度的有效利用。

發(fā)明內(nèi)容
為產(chǎn)生具有擴散效率更好且能有效控制擴散視角的擴散膜，本發(fā)明所要解 決的技術(shù)問題在于提供一種非對稱光擴散元件與其制造方法，在擴散元件的工 藝中利用應(yīng)力延伸(Stretch)使元件內(nèi)部具有擴散顆粒的透明基材產(chǎn)生雙折射 或各向異性的特性，并且在基材表面形成不對稱且起伏的表面微結(jié)構(gòu)，使通過 此擴散元件的光線能夠被上述的具有各向異性的材料的基材與表面起伏結(jié)構(gòu) 均勻散射，甚至產(chǎn)生某些程度的偏振光散射現(xiàn)象(Polarization scattering)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了一種非對稱光擴散元件的制造方法，包括 有使用滾輪押出轉(zhuǎn)印工藝將一平板模具或滾輪上的表面結(jié)構(gòu)壓印在該基材表 面上，其中該基材為一摻有透光的擴散顆粒的高分子材料形成；以及進行延伸 工藝使該基材內(nèi)的透光顆粒與基材本體拉伸，產(chǎn)生表面微結(jié)構(gòu)形變。
而且，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種非對稱光擴散元件的制造方法，
通過工藝產(chǎn)生非對稱性擴散特性的光擴散元件，該制造方法包括有準(zhǔn)備一平
板模具或滾輪，該模具或滾輪的表面具有凹凸起伏的結(jié)構(gòu)，借以壓模出該非對
稱擴散元件的表面結(jié)構(gòu)所需的模具；備制一摻有透光顆粒的基材材料；進行滾 輪轉(zhuǎn)印工藝，通過多組具有表面微結(jié)構(gòu)的滾輪于該基材的表面上壓印該模具上 的表面結(jié)構(gòu)；以及進行一延伸工藝，通過調(diào)整多組滾輪的滾動速度使該基材本 體與基材內(nèi)的透光顆粒受到不同的應(yīng)力，產(chǎn)生形變。
而且，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種非對稱光擴散元件，其特征在于， 包括有 一透光高分子基材材料；多數(shù)個透光擴散顆粒，于制作該光擴散元件 時摻入該透光高分子基材材料中；以及單面或雙面的具有非對稱起伏結(jié)構(gòu)的光 擴散元件表面；具表面起伏的摻有透光擴散顆粒的高分子基材光擴散元件經(jīng)一 延伸工藝的處理，并產(chǎn)生非對稱的表面結(jié)構(gòu)，與非軸對稱的擴散特性。在目前主流的液晶顯示器與液晶電視中因液晶本身不發(fā)光，所以都需要額 外的背光源來提供顯示器的照明光源，而當(dāng)背光模塊加上擴散板或擴散膜后往
往因輝度降低，而有時會再加上增亮膜(Brightness enhancement film(BEF)) 來增加輝度，增亮膜的主要功能為改變背光模塊的出光視角來增加輝度，而以 一般LCD用途觀察者的上下視角需求往往比左右視角來的小，所以增亮膜就以 壓縮垂直視角來獲取更大的輝度，而本發(fā)明的非對稱膜片具有異向性，可以針 對視角需求做修正，將可以使垂直與水平視角有較大的差異性，若針對垂直視 角做較大的擴散度設(shè)計，可以消除LCD背光模塊常見的視覺不均勻(MURA)，若 同時針對水平視角做較小的擴散度設(shè)計，就可以有效地增加背光模塊與面板的 輝度值，其非軸對稱的擴散特性，可達成兼具高輝度與高擴散性的非對稱光擴 散膜，這是目前一般傳統(tǒng)市面上的擴散膜無法達成的功能。
本發(fā)明所揭示的非對稱光擴散元件更可用于依照需求形塑光線的擴散方 向，其工藝的較佳實施例包括先備制一模具，借以壓模出非對稱擴散元件的表 面結(jié)構(gòu)，將制作出的模具結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到滾輪上或可直接在滾輪上以刀具加工出微 結(jié)構(gòu)后將可使用于滾輪押出工藝。押出工藝是利用押出機將塑料纖維等粒狀的 聚合物原料投入供料槽經(jīng)螺桿混煉加熱塑料后形成熔融均質(zhì)化的物質(zhì)后，將此 熔融物質(zhì)經(jīng)濾網(wǎng)組，多孔板等過濾異物雜質(zhì)后并增加混煉后再從定型模頭 (Die)中連續(xù)不間斷的擠押出，經(jīng)過冷卻固化后成為連續(xù)的制品。于此押出 工藝同時搭配披覆滾輪的壓模模具或本身帶有微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)滾輪本體將可以 于押出工藝時將擴散膜的上下表面分別轉(zhuǎn)印出各種微結(jié)構(gòu)而形成具表面微結(jié) 構(gòu)的基材本體。本發(fā)明的實施例于押出工藝的混煉階段時已摻有可被拉伸的透 光球狀或橢球狀或纖維條狀的擴散顆粒，此透光顆粒的光學(xué)折射率與基材本體 折射率兩者數(shù)值差異越大時通常其擴散特性越高，其折射率值差異約在 0.06 0.45之間，接著以此微結(jié)構(gòu)基材本體進行滾輪轉(zhuǎn)印工藝，通過多組滾 輪于基材的二表面上壓印該滾輪上的表面結(jié)構(gòu)，并進行一應(yīng)力延伸工藝，其中 之一方式為押出在線通過調(diào)整兩組滾輪的滾動速度使基材與內(nèi)部的擴散顆粒 材料，產(chǎn)生延伸形變，另一方式則為使用后工藝，使用特定延伸機來延伸由押 出工藝得到的具表面微結(jié)構(gòu)的膜片半成品，再經(jīng)延伸機延伸來完成此非對稱擴 散元件，可以依使用范圍與用途與于押出工藝與延伸工藝中來搭配調(diào)整。
本發(fā)明所提出的光擴散元件的結(jié)構(gòu)包括有一基材材料，并接著有多數(shù)個可應(yīng)用于經(jīng)應(yīng)力延伸工藝而可能被配向或形變的透光高分子聚合物擴散顆粒，透 光擴散顆?；蚧娜艏訜徇_玻璃軟化點溫度附近(Tg)將可以被延伸配向，此擴 散顆粒于押出工藝制作光擴散元件基材時摻入該基材材料中，以及元件表面的 單面或雙面的具有非對稱起伏結(jié)構(gòu)，其中表面結(jié)構(gòu)也通過一押出或共押出與延 伸工藝產(chǎn)生。
采用本發(fā)明的有益效果 (1 )經(jīng)應(yīng)力延伸工藝產(chǎn)生的基材可由延伸倍率條件來調(diào)整非對稱擴散元 件的表面結(jié)構(gòu)大小與方向與擴散能力；
(2) 本發(fā)明經(jīng)應(yīng)力延伸工藝所產(chǎn)生的雙折射效應(yīng)其折射率差異可以更大，
雙折射效果搭配表面微結(jié)構(gòu)后可以形成高度非對稱的擴散特性；
(3) 基材內(nèi)均向性(isotropic)的顆粒經(jīng)拉伸可以產(chǎn)生雙折射效果；而 各向異性的顆粒經(jīng)拉伸可以調(diào)整分布，調(diào)整方向，也會有雙折射的效果；
(4) 本發(fā)明的工藝并非需要復(fù)雜的模具加工工藝技術(shù)，可以簡化模具開 發(fā)制作成本，可以快速制作傳統(tǒng)機械加工方式不易制作的模具；
(5) 共押出的工藝無傳統(tǒng)涂布(Coating)溶膠再經(jīng)熱或光固化的膜片工 藝，其基材與成形膠有剝離(Peeling)的缺點，且押出的結(jié)構(gòu)其本體強壯不 易翹曲，微結(jié)構(gòu)本體因非涂布方式接合，所以結(jié)構(gòu)強壯不脫離基材，且不易有 翹曲問題；
(6) 可由延伸方式產(chǎn)生單軸(Monoaxial)、單軸限制(Constraint)延伸 或是雙軸(Biaxial)的延伸效果，并應(yīng)用于一維或是二維異方向用途需求的 擴散效果；
(7) 基材中的顆粒與基材本體經(jīng)拉伸后與顆?；恼凵渎逝c厚度的適當(dāng) 搭配后可以產(chǎn)生偏光散反射的效果，可以增加LCD面板光穿透率與輝度。
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的 限定。


圖1所示為光在各方向具有不同折射率的介質(zhì)中的行進示意圖； 圖2所示為光線通過具有凹凸起伏表面結(jié)構(gòu)的光線路徑示意圖3A顯示光線通過內(nèi)部沒有擴散 粒的擴散現(xiàn)象示意圖；圖3B顯示光線通過外部具有表面結(jié)構(gòu)且內(nèi)部具有顆粒的擴散現(xiàn)象示意
圖4顯示本發(fā)明所提供的擴散元件中具有表面結(jié)構(gòu)的圖片；
圖5顯示本發(fā)明的光學(xué)仿真實驗圖式；
圖6所示為本發(fā)明的擴散元件的制作流程；
圖7所示為本發(fā)明多層押出工藝實施例不意圖8所示為本發(fā)明多層共押出擴散膜的實施例與市面產(chǎn)品比較圖； 圖9顯示本發(fā)明所制作的非對稱擴散膜片TD與MD方向的擴散角度< 其中，附圖標(biāo)記
特征偏極化方向
103:方向 201:實線 20:基材
30， 31， 32， 33， 34， 35 70:主進料區(qū) 72:次進料區(qū)
73:進料螺桿 72:次進料區(qū) 76:冷卻平臺
101: 202: 22:表面結(jié)構(gòu)
72
74
75 77， 77，
加熱器 模頭
具體實施例方式
本發(fā)明是一種非對稱光擴散元件與其制造方法，其擴散元件是具有更好擴 散特性的擴散元件，主要可用于顯示面板的背光源，如擴散板或是擴散膜，擴 散元件的工藝是利用應(yīng)力延伸與元件表面結(jié)構(gòu)使具有擴散顆粒的透明基材產(chǎn) 生雙折射的擴散特性。另外，更能在基材表面形成不對稱且起伏的表面微結(jié)構(gòu)， 使通過此擴散元件的光線能夠被具有各向異性的(Anisotropic)材料的基材 與表面結(jié)構(gòu)均勻散射。
特別的是，上述的基材中的散射顆粒與基材本身的折射率選擇與延伸后的 膜片機械邊方向(Machine direction)與橫向邊方向(Transverse direction) 的折射率匹配與厚度符合光建設(shè)性干涉(Interference)所需的四分之一波長 (Quarter wave)厚度需求時，此類似多層膜堆棧的顆粒與基材的架構(gòu)能將光線作不同方向的極化偏光反射，所以能產(chǎn)生某些程度的偏振光散射現(xiàn)象
(Polarization scattering)， 一般來說，光學(xué)千涉膜是用于讓某波長區(qū)段 的光通過，并讓其它波長區(qū)段的光反射的光學(xué)元件。在美國專利3,711,176 號中提到由兩種聚合物層彼此迭加而成的光學(xué)干涉膜，借通過兩種聚合物層彼 此間的折射率的差異，可使入射光產(chǎn)生建設(shè)性干涉(constructive interference)。借此，光學(xué)干涉膜可讓特定波長的光通過，而讓其它波長的 光反射。
上述的光學(xué)干涉膜，其反射與透射的光譜主要決定于聚合物層的光學(xué)厚 度，所謂的光學(xué)厚度是指聚合物層的厚度與折射率的乘積。就數(shù)學(xué)上而言，光 學(xué)干涉膜所反射的第一階波長(first order wavelength)的光，其波長可表示
成下述的方程式
在方程式(l)中，^為第一階波長(first order wavelength),"為聚合 物層的折射率，^為聚合物層的厚度，而A則為聚合物層的個數(shù)。此外，上述 的光學(xué)干涉膜除了會將第一階波長的光反射外，還會將較高階波長(higher order wavelength)的光反射。就數(shù)學(xué)上而言，光學(xué)干涉膜所反射的較高階波 長的光，其波長可表示成下述的方程式-
<formula>formula see original document page 9</formula>
在方程式(2)中，、為較高階波長，附為大于l的整數(shù)。從方程式(2)中， 可知、小于、，所以若、落在近紅外光(near infrared light)的波長范圍， 亦即波長介于780nm與2500nm之間，則某一些A^便會落在可見光的范圍， 亦即波長介于380nm與780nm之間。例如，若A,為1800nm，則、與^便分 別為900nm與600nm。
本發(fā)明的非對稱光學(xué)膜片若采以上光學(xué)原理作多層押出的設(shè)計最后延伸 后將會產(chǎn)生偏光的特性，將使線性偏振光產(chǎn)生部分反射與部分穿透的現(xiàn)象，這 與一般工藝所制作的擴散膜的物理現(xiàn)象完全不同，這對于強烈受光偏振狀態(tài)影 響的LCD面板有更高的能量使用率，更能提高面板的輝度，因為傳統(tǒng)的背光源 經(jīng)過LCD面板后經(jīng)過偏光板后將會有一半以上的光線被吸收浪費掉，本發(fā)明的膜片若帶有部份偏振散射效果后，其穿透率與通過面板后的輝度將會大幅提 升。
折射率改變的原理請參閱圖1所示光在各方向具有不同折射率的介質(zhì)中 的行進示意圖，其中顯示光波于一各向異性的介質(zhì)中行進，以圖中半個橢球表 示介質(zhì)相對于光的路徑來說，在各個方向具有不同的折射率，x軸、y軸與z 軸表示三度空間的坐標(biāo)，而此介質(zhì)于三個方向上具有三個不同的折射率，分別
是n、、 ny與n,，方向103顯示為光的行進方向，光進入此介質(zhì)中，由于形成一 個入射角度，由于各方向有不同的折射率，故光的速度也在各方向不同，光波 在各方向產(chǎn)生偏極的現(xiàn)象，如圖中特征偏極化方向(Eigen polarization) 101。 本發(fā)明即利用此物理特性，在制作擴散膜時，在基材的材料中加入其它透光顆 粒，使光線經(jīng)過擴散膜時產(chǎn)生折射、偏極等現(xiàn)象；或通過應(yīng)力延伸來對高分子 材料做配向的工藝，使基材材料中的顆粒與基材本體形變后造成各向異性的折 射率，產(chǎn)生各向異性的物理特性，同樣達到更好的擴散與偏極現(xiàn)象。
請參閱圖2所示光線通過具有凹凸起伏表面結(jié)構(gòu)的光線路徑示意圖，光線 入射進入擴散元件時，因為雙折射的關(guān)系，產(chǎn)生兩個光徑，分別以圖中實線 201與虛線202表示。此例中，光線進入具有雙折射特性的基材20內(nèi)，產(chǎn)生 折射現(xiàn)象，并分為兩個光徑，實線201表達的光徑接著射向具有起伏結(jié)構(gòu)的表 面結(jié)構(gòu)22，因為折射率改變，光線的方向亦有偏折。虛線202所表示的光徑 于進入基材20時因折射率改變而改變方向，接著射向表面結(jié)構(gòu)22，因為入射 的角度與材料之間折射率的不同且入射角度大于全反射角，光線被反射，繼續(xù) 再下一次碰到表面結(jié)構(gòu)22的壁，再被反射射回基材20，并由另一路徑反射， 經(jīng)表面結(jié)構(gòu)22折射出去，201與202兩光線路徑一開始打入基材20時原本偏 折的角度與位置與方向本來差異很小，但經(jīng)過微結(jié)構(gòu)透鏡22的破壞與改變使 光路徑201與202差異拉大，這就是本發(fā)明所提及的高度擴散一個很重要的特 色，雙折射效應(yīng)加上微結(jié)構(gòu)本體可以光線擴散特性更為強烈。
上述光線經(jīng)過擴散元件的各部份的折射與反射現(xiàn)象將因各種擴散元件的 設(shè)計不同而不同，若無表面結(jié)構(gòu)則雙折射現(xiàn)象的擴散特性將只有如一斜射光線 經(jīng)一光學(xué)平板玻璃的單純光線平移(Shift)現(xiàn)象，雖然光線經(jīng)雙折射晶體可 以一分為二，但對于出射的兩光線的出光角度并無差異，這樣的擴散特性就無 法改變出射光線的擴散角度，雖然此雙折射現(xiàn)象有增加空間(Spatial)的擴散性，但是無法增加角度(Angular)的擴散性，就無法更有效地增加擴散能力， 更無法改變擴散后的角度大小，所以本發(fā)明的實施例便利用微結(jié)構(gòu)表面來破壞 原本無法改變出射角度的缺點，此表面微結(jié)構(gòu)體將可以有效的改變光線的出射 方向來增加未擴散前與擴散后角度的差異性，明顯地提升擴散膜的空間與角度 的擴散能力，將此擴散膜片使用在LCD背光源時將可以有效地改變背光源與 LCD的視角。
圖3A顯示光線通過內(nèi)部沒有顆粒的擴散現(xiàn)象示意圖，其中圖表30明顯看 出光線通過內(nèi)部沒有顆粒的介質(zhì)時僅有幅度較小的擴散現(xiàn)象，亮度是分布在一 個小范圍中，圖表31與圖表32則是兩個方向的角度的亮度投影，亮度分布也 顯示并沒有大角度的擴散現(xiàn)象，類似光源打向一個透明膜片后的光分布結(jié)果。
而圖3B則顯示光線通過外部具有表面結(jié)構(gòu)且內(nèi)部具有擴散顆粒的擴散現(xiàn) 象示意圖，內(nèi)部有的顆粒經(jīng)上述的應(yīng)力延伸工藝有可能會產(chǎn)生形變，若顆粒產(chǎn) 生形變而配向時，此時此擴散顆粒將具有各向異性的特性，由圖表33可看出 光線通過與圖3A所提的相同條件但又多了內(nèi)部有經(jīng)過應(yīng)力延伸的顆粒的介質(zhì) 時有明顯的擴散現(xiàn)象，亮度擴散的部份是分布在垂直的方向，圖表34可以看 到亮度分布狀況，圖表34分布的狀況跟內(nèi)部透光顆粒的摻雜濃度與延伸使用 的倍率與折射率差異變化有明顯的相關(guān)性，而當(dāng)透明顆粒濃度較濃時，圖表 34顯示的配光曲線分布會在大角度區(qū)有較大的亮度分布。而另一方向則仍與 圖3A所示的分布狀況，如圖表35所示，亮度分布顯示并沒有大角度的擴散現(xiàn) 象。
在本發(fā)明中，上述圖3A、 3B顯示的兩個方向不同折射現(xiàn)象的雙折射 (birefringence)現(xiàn)象主要是因為光線通過一非對稱擴散元件所產(chǎn)生的現(xiàn)象， 較佳實施例是通過應(yīng)力延伸將基材中與基材內(nèi)的擴散顆粒形變產(chǎn)生的雙折射 現(xiàn)象。其中，為達到將光源擴散的效果，除了上述利用基材內(nèi)顆粒產(chǎn)生雙折射 現(xiàn)象的方式以外，另外更可在擴散元件表面形成凹凸起伏的結(jié)構(gòu)，將通過的光 線散射出去，達到高度擴散的功效。
上述擴散元件中的顆粒是否具有各向異性的特性，主要實施例是取決于是 否在工藝中經(jīng)過應(yīng)力延伸的過程與材料基材與擴散顆粒兩者在延伸時的延伸 溫度是否能等搭配，所以延伸的雙折射差異與變形程度將會受制于工藝的設(shè) 計，某些條件中會因延伸過程中因擴散顆粒未達軟化點當(dāng)此條件延伸時將于基材與擴散顆粒中間造成條狀的空隙空洞，在其它實施例屮，在擴散元件基材中 也可使用不同形狀顆粒，包括非對稱的橢圓顆粒、光纖、纖維狀顆粒、或玻璃
纖維(Glass fiber)長條狀顆粒等。
于圖4中顯小的擴散元件，圖(a)部分顯示基材中的表面結(jié)構(gòu)并沒有經(jīng)過 應(yīng)力延伸，而仍保持原來面貌，圖(b)部分與圖(c)部分顯示在不同程度的應(yīng)力 的下所拉伸的效果，表面結(jié)構(gòu)己經(jīng)形變，且可產(chǎn)生不同程度的各向異性的特性。
圖5顯示本發(fā)明的光學(xué)仿真圖，其中圖(a)部分顯示光線經(jīng)過基材內(nèi)摻雜 擴散透明擴散顆粒且經(jīng)延伸后具有各向異性特性且具長條狀表面起伏的微結(jié) 構(gòu)的光學(xué)擴散膜介質(zhì)時所產(chǎn)生的擴散現(xiàn)象示意圖，可說明本發(fā)明的實施例結(jié) 果。此圖仿真類似經(jīng)押出的結(jié)構(gòu)膜片后再經(jīng)過延伸工藝后的情況，其中基材的 部份可看出當(dāng)中的表面微結(jié)構(gòu)為橢圓形，圖(b)部分顯示為經(jīng)擴散的亮點，在 垂直方向顯示有擴散的情形；圖(c)部分顯示光線經(jīng)過基材內(nèi)參雜擴散透明擴 散顆粒且?guī)в袌A點狀凹凸表面微結(jié)構(gòu)的光學(xué)擴散膜，因此膜片未經(jīng)過延伸工 藝，本身不具各向異性特性，此時所產(chǎn)生的擴散示意圖，其表面微結(jié)構(gòu)而多以 接近圓形的樣態(tài)，模擬類似經(jīng)押出工藝后的結(jié)構(gòu)膜片未再經(jīng)延伸工藝的情況。 圖(d)部分顯示并沒有特定方向的擴散現(xiàn)象，而是均勻集中在一區(qū)域中。以上 圖例顯示經(jīng)過延伸與未經(jīng)延伸工藝的擴散性差異，此差異除了來自本身折射率 的變化外還有微結(jié)構(gòu)表面經(jīng)延伸后呈現(xiàn)非對稱的后的變化。
在制作本發(fā)明所提供的擴散元件時，如圖6所示的制作流程，需要先行準(zhǔn) 備一模具(Mold)(步驟S61)，可借以壓模出擴散元件的表面結(jié)構(gòu)(即翻模)， 模具表面的凹凸起伏紋路可以噴涂(Spray)的方式，將顆粒打在模具表面， 也可利用雷射加工在模具表面上產(chǎn)生凹凸起伏的紋路，或可應(yīng)用蝕刻 (Etching)方式產(chǎn)生表面的痕跡，也可用鉆石刀具以機械加工方式加工滾輪 或模具。
接著備制一基材材料，本發(fā)明的較佳實施例是利用混煉(Blended)方式 形成主要的基材，并在材料中摻入具有可塑性的顆粒后進行混煉與捏煉(步驟 S63)，請參閱圖7所示的工藝機臺實施例示意圖，其中，標(biāo)號a表示進料， 標(biāo)號b表示成形。灌注于主進料區(qū)70或次進料區(qū)72的基材材料中已摻入顆粒， 基材與顆粒的材質(zhì)多為熱塑性的高分子聚合物，如聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(Methyl methacrylate) ， PMMA)、聚碳酸酯樹脂(Polycarbonate, PC)、 甲基丙烯酸甲酯聚苯乙烯((Methyl methacrylate) Styrene， MS)及聚苯乙 烯 (Polystyrene ， PS)， 聚苯二甲酸二乙酯(Poly (Ethylene Terephthalate)， PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯(Poly (Ethylene Naphthalate)， 聚丙烯(Polypropylene, PP)等組成的材料群組中的至少一種材料或其共聚合 物體。
首先將料除塵清潔后經(jīng)干燥烘烤，準(zhǔn)備將材料進行混煉與捏煉作業(yè)，混煉 聚合體通常需要加熱聚合物使其為熔融，混煉過程中產(chǎn)生的剪切效果將產(chǎn)生高 熱，需注意溫度過高材料裂解的問題，混煉過程也可以適時加入一些加工助劑 或改質(zhì)劑來改善材料的機械或熱力性質(zhì)等?；鞜掃^程可由漢塞爾混合機、旋帶 式混合機、滾桶混合機等充份混合后再經(jīng)捏煉裝置捏煉使其高分子材質(zhì)膠化。 將達混煉捏煉后的共聚合物體經(jīng)再經(jīng)濾網(wǎng)過濾并由齒輪汞控制吐出量，而根據(jù) 進料的流道設(shè)計與整合也可以共押出多層不同材料厚度的膜片或擴散板材，本 發(fā)明的透光擴散顆粒也可以參雜在特定膜層中，或采多層基材參雜不同種類的 擴散顆粒材料，如圖7所示。最后此熔融態(tài)高分子聚合物材料經(jīng)分流單元多層 分流后由模頭處連續(xù)共押出(歩驟S65)，模頭(如T-die) 74的功用是可以 讓押出的塑料溫度與厚度較為均勻，且有效控制押出時吐出量與押出時的膜片 尺寸大小，此時押出膜片的厚度由押出機的滾輪75間隙與吐出量來調(diào)整，此 光學(xué)膜片與板材的厚度設(shè)計通常約為50 3000um。
請參閱圖7所示，摻有透光的擴散顆粒的高分子材料經(jīng)過主進料區(qū)70， 依進料區(qū)與分層器的設(shè)計可利用多層押出的方式形成多層的基材，此例中，利 用進料螺桿73與分布于進料區(qū)的加熱器72將材料混合，經(jīng)模頭74押出，此 尚未冷卻固化的基材再通過滾輪75轉(zhuǎn)印工藝(roll-to-roll)將模具或滾輪 上的表面結(jié)構(gòu)壓印在材料表面上(步驟S67)，并且，若材料僅一個表面需要 制作表面結(jié)構(gòu)，僅需一組滾輪將鋪設(shè)于機臺上的材料進行滾輪轉(zhuǎn)印；若上下表 面需要有表面結(jié)構(gòu)，也可通過兩組或以上平滑或帶結(jié)構(gòu)的滾輪在工藝中將圖形 壓印在材料上下表面。押出工藝最后仍可包括圖式中經(jīng)過冷卻平臺76冷卻固 化基材，再利用檢測裝置77，77'檢測此成品，包括檢測整體擴散元件的厚度、 擴散程度等是否達到要求。
接著，本發(fā)明更通過應(yīng)力延伸的過程使圖7所示的材料與顆粒進行拉伸，主要會使微結(jié)構(gòu)表面與透光的擴散顆粒產(chǎn)生形變與折射率改變，擴散顆粒產(chǎn)生 形變與否與此延伸過程的加工溫度有關(guān)，加工溫度也將影響折射率的變化(步
驟S69)，也可能使當(dāng)中的顆粒具有配向性(Alignment)，不至于混亂沒有 固定的特性。
比如，應(yīng)力延伸工藝中可調(diào)整延伸區(qū)圖中的滾輪75的滾動速度差異，讓 材料連同當(dāng)中的顆粒受到不同的應(yīng)力，使顆粒與材料同時被拉伸，產(chǎn)生表面微 結(jié)構(gòu)形變與材料間折射率的變化，與達到應(yīng)力延伸的目的。延伸工藝可采用縱 向延伸、橫向延伸，作單軸、多軸等方向延伸，拉伸的倍率可依材料的設(shè)計與 特性而改變，常見的延伸倍率約l. 1 12倍之間，而常用高分子材料其延伸之 前與延伸之后的折射率差異約從0. 01 0. 45之間，而延伸后收巻前也常需熱 處理工藝來降低并消除延伸時內(nèi)部應(yīng)力的殘留。
不同的的材料，通過不同的進料區(qū)產(chǎn)生多層的效果，此例中，材料通過主 進料區(qū)70與次進料區(qū)72分別進料，各層材料通過此種方式可有很大的選擇性， 各層材料可以為不同材料，其中可于特定層中摻入透光擴散顆粒，同時熔融混 煉于工藝供料機臺上。經(jīng)過模頭74押出，可以得到一定的厚度，再經(jīng)過滾輪 75調(diào)整基材厚度，并能針對一個表面或是上下表面的壓模產(chǎn)生表面結(jié)構(gòu)，最 后才經(jīng)過冷卻平臺76固化材料，并以檢測裝置77， 77'檢測擴散元件的特性是 否符合要求。
本發(fā)明的實施例之一，基材乃由多種復(fù)合材料輪流反復(fù)堆棧的多層共押出 工藝所制作材料，多種高分子所構(gòu)成的基材本體的的折射率差異與其厚度有達 到干涉條件的條件，就可以造成光線的偏振反射，但因滿足薄膜干涉條件較為 嚴(yán)格，光學(xué)鏡片鍍膜技術(shù)中常見多需要十幾層到數(shù)百層等高低折射率材料反復(fù) 堆棧來達成高反射率的需求，而本發(fā)明中的擴散膜也可通過類似薄膜干涉中多 層高低折射率材料堆棧的多次干涉反射來增加偏振光的光線反射率，折射率差 異越高，堆棧越多層且厚度控制越均勻其針對特定波長的反射率越好，而本發(fā) 明工藝中的非對稱光擴散元件的制作實施例之一采用多層共押出達成高擴散 與高偏光散反射條件，其材料實施例可采用折射率與雙折性差異較大的材料如 PET或PEN或其相關(guān)共聚合的高分子材料來搭配使用，本實施例共押出時以PET 與PEN兩種材料反復(fù)堆棧即光學(xué)膜堆為(AB)n架構(gòu)，其中n為整數(shù)值，依設(shè)計 常約介于10 500之間，本發(fā)明的應(yīng)用約較佳值約120 180之間，當(dāng)延伸時的溫度控制在拉伸分子材料的雙折射異向性發(fā)生時就可以使多層堆棧的膜堆 產(chǎn)生異向性與等向性的折射率變化，而搭配設(shè)計的1/4光學(xué)波長設(shè)計的厚度設(shè) 計并搭配延伸工藝，即可達成多層膜干涉的條件，而將光線中的S偏振光反射， 有效回收利用LCD面板上貼附的偏光板所損耗吸收的光線，此時即可以達到偏 光散反射的設(shè)計條件，所以以此實施例實施時，本發(fā)明可以達成提升面板輝度 的條件。
當(dāng)工藝條件不易達干涉反射的嚴(yán)格條件時，本發(fā)明的實施例只要設(shè)計使配 向的擴散顆粒數(shù)量與堆積的層數(shù)夠多，再經(jīng)延伸工藝產(chǎn)生異向性特性時也將有 明顯的偏振光反射效果，此反射非薄膜干涉所造成，其單純類似為多層膜與多 層不同材料間折射率差異造成的多次反射，多層共押出各層的折射率與介質(zhì)的 接U差異更多且復(fù)雜時，更能增加擴散元件的擴散特性。所以本發(fā)明的擴散膜 也能設(shè)計以增加透光顆粒數(shù)量后經(jīng)延伸工藝產(chǎn)生折射率的異向性來達成部分 偏光散反射的功能，增加面板的輝度。
請參考圖8所示，為本發(fā)明多層共押出擴散膜的實施例與市面產(chǎn)品比較 圖，圖中四條曲線分別表示原始LCD、原始LCD使用本發(fā)明提供的擴散膜一、 原始LCD使用本發(fā)明提供的擴散膜二與原始LCD使用3M的增光膜DBEF在各視 角角度的輝度表現(xiàn)，其中，"^"表示原始LCD的曲線圖；_^_表示擴散膜 一+原始LCD的曲線圖；~^表示擴散膜二+原始LCD的曲線圖；"^^表示 參考膜(3M-DBEF) +原始LCD的曲線圖。
其中顯示以本發(fā)明的光擴散膜與市面上有增光效果的產(chǎn)品(美商3M的增 光膜DBEF)比較，以Topcon的BM_7 FAST輝度計測量15吋面板的垂直視角輝 度分布圖，圖中坐標(biāo)的水平軸單位為視角角度(度)而垂直軸為輝度單位 (nits)，圖顯示當(dāng)LCD面板加上3M的DBEF后有明顯增光的效果，圖中也顯示
使用多層共押出工藝所制作本發(fā)明擴散膜，其也有不錯的增光效果。而圖中四 曲線中的擴散膜一與擴散膜二兩曲線其輝度的差異在于延伸的工藝改變而導(dǎo) 致折射率的差異所致。
圖中更顯示于背光模塊加上此擴散膜后的LCD與未加任何膜片的原始LCD 比較量測其各角度平均輝度增益(Gain)約有1. 1 1. 7倍左右，且垂直視角分 布也不會因此改變太多。整體而言，押出工藝若采用多層共押出并搭配透光擴 散顆粒于各特定層中間后，經(jīng)押出工藝再經(jīng)延伸工藝來提升折射率差異后，產(chǎn)生異向性的折射率差異便更可以有效增加偏光散反射率。完成上述光擴散元件 后，使光線經(jīng)過此擴散元件時，表面結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生不同的光線折射與散射方向，
基材中經(jīng)拉伸的顆粒與基材則產(chǎn)生雙折射(Birefringence)等的各向異性的 特性，不僅可以產(chǎn)生較好的擴散能力，能增加異向性，也可有一定程度的偏振 散射效果。
請再參閱圖9，其顯示本實施例所制作的非對稱擴散膜片以日本電色工業(yè) 株式會社所生產(chǎn)的GC5000L型擴散角度光度計來測量其經(jīng)延伸的膜片的TD與
MD方向的擴散角度差異。其中，__表示70方向，.....表示MD方向。本
實施例中所押出的光學(xué)膜片，采噴砂與蝕刻方式制作微結(jié)構(gòu)霧面滾輪為模具， 將高分子塑料熔化捏煉后經(jīng)多層共押出機以分層器分層押出，所得的基材本體 其微結(jié)構(gòu)表面Ra粗糙度值約3. 5 5. 2um，而膜片厚度約0. 4mm，接續(xù)以此膜 片再經(jīng)實驗延伸機在120度的烘箱加熱后以約1. 75倍的延伸倍率，采單軸延 伸，最后再經(jīng)熱處理來消除內(nèi)應(yīng)力。最后得到此非對稱光學(xué)膜片成品TD與MD 方向的半高全角(FWHM)角度差異約有2 3度，而更大的非對稱角度的變化則 需采用更大的延伸倍率來達成。
上述產(chǎn)生的擴散元件，如擴散膜，通常擴散膜的通用厚度約是50 500um， 也可根據(jù)需求改變此押出并延伸后的基材厚度，此膜片也可貼附在其它基板 上，形成復(fù)合式擴散板，常見各種用途的擴散板可約有l(wèi)mra-9mm的厚度，而 LCDTV光學(xué)用途的擴散板因LCDTV薄型化需求，擴散板厚約0. 5 3mm，此光 擴散元件若設(shè)計當(dāng)成擴散板用途使用時，考慮支撐機械強度的需求，也可以直 接于押出工藝時改變滾輪間距來提升厚度形成一較厚的擴散板基板并依之前 手段來制作此較厚約0. 5 3mm厚度的擴散板元件。
本發(fā)明的非對稱光擴散元件的特征為基材的一表面具有起伏凹凸結(jié)構(gòu)的 非對稱光擴散薄膜，除了表面結(jié)構(gòu)外，基材內(nèi)部有透光擴散顆粒結(jié)構(gòu)，基材并 經(jīng)過延伸工藝處理而改變基材的折射率，并具有非對稱的光學(xué)擴散特性。
上述非對稱光擴散元件的基材中具有可經(jīng)過應(yīng)力延伸的透光顆粒，其實施 例可以為圓球形、橢圓形、非球狀、長條狀、圓柱體、棱柱體、或各種形狀摻 雜的混合透光擴散顆粒結(jié)構(gòu)；而基材表面結(jié)構(gòu)通過具有表面結(jié)構(gòu)的模具或滾 輪，再利用滾輪共押出工藝產(chǎn)生基材表面結(jié)構(gòu)，而模具本身的表面結(jié)構(gòu)可通過 噴砂(Sandblasting)、蝕刻(Etching)、、激光直寫(Laser Writing)、鑽石 切割、光刻(LIGA)、表面涂布等工藝產(chǎn)生，微結(jié)構(gòu)模具的加工形狀可依據(jù)加 工工藝與模具設(shè)計有各種形狀，如半球，金字塔，圓錐、橢圓，菱形，非球面或以上結(jié)構(gòu)混合的形狀等，經(jīng)押出工藝與應(yīng)力延伸工藝后其最后的形狀可以做 不同延伸倍率的比重來調(diào)整，若配合單軸或多軸同倍率或不同延伸倍率延伸條
件，更能制作出某些不易以傳統(tǒng)機械加工方式所制作的非對稱型表面微結(jié)構(gòu)， 如隨機分布且結(jié)構(gòu)成條狀分布的擴散膜與擴散板。本發(fā)明中僅加工滾輪模具一 次即可以借通過延伸工藝來制造出多種比例的非對稱結(jié)構(gòu)，此方式可以省去許 多模具加工的時間與成本，提升生產(chǎn)力。
綜上所述，本發(fā)明所揭示的非對稱光擴散元件與其制造方法具有以下特
色
(1) 經(jīng)應(yīng)力延伸工藝產(chǎn)生的基材可由延伸倍率條件來調(diào)整非對稱擴散元 件的表面結(jié)構(gòu)大小與方向與擴散能力；
(2) 本發(fā)明經(jīng)應(yīng)力延伸工藝所產(chǎn)生的雙折射效應(yīng)其折射率差異可以更大， 雙折射效果搭配表面微結(jié)構(gòu)后可以形成高度非對稱的擴散特性；
(3) 基材內(nèi)均向性(isotropic)的顆粒經(jīng)拉伸可以產(chǎn)生雙折射效果；而 各向異性的顆粒經(jīng)拉伸可以調(diào)整分布，調(diào)整方向，也會有雙折射的效果；
(4) 本發(fā)明的工藝并非需要復(fù)雜的模具加工工藝技術(shù)，可以簡化模具開 發(fā)制作成本，可以快速制作傳統(tǒng)機械加工方式不易制作的模具；
(5) 共押出的工藝無傳統(tǒng)涂布(Coating)溶膠再經(jīng)熱或光固化的膜片工 藝，其基材與成形膠有剝離(Peeling)的缺點，且押出的結(jié)構(gòu)其本體強壯不 易翹曲，微結(jié)構(gòu)本體因非涂布方式接合，所以結(jié)構(gòu)強壯不脫離基材，且不易有 翹曲問題；
(6) 可由延伸方式產(chǎn)生單軸(Monoaxial)、單軸限制(Constraint)延伸 或是雙軸(Biaxial)的延伸效果，并應(yīng)用于一維或是二維異方向用途需求的 擴散效果；
(7) 基材中的顆粒與基材本體經(jīng)拉伸后與顆?；恼凵渎逝c厚度的適當(dāng) 搭配后可以產(chǎn)生偏光散反射的效果，可以增加LCD面板光穿透率與輝度。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的 情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形， 但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種非對稱光擴散元件的制造方法，其特征在于，包括有使用滾輪押出轉(zhuǎn)印工藝將一平板模具或滾輪上的表面結(jié)構(gòu)壓印在該基材表面上，其中該基材為一摻有透光的擴散顆粒的高分子材料形成；以及進行延伸工藝使該基材內(nèi)的透光顆粒與基材本體拉伸，產(chǎn)生表面微結(jié)構(gòu)形變。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱光擴散元件的制造方法，其特征在于，該基材中的基材本體或透光顆粒經(jīng)延伸工藝后具有折射率或結(jié)構(gòu)的配向性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱光擴散元件的制造方法，其特征在于，該延伸工藝采用縱向延伸、橫向延伸，作單軸、多軸方向延伸。
4. 一種非對稱光擴散元件的制造方法，通過工藝產(chǎn)生非對稱性擴散特性的光擴散元件，其特征在于，該制造方法包括有準(zhǔn)備一平板模具或滾輪，該模具或滾輪的表面具有凹凸起伏的結(jié)構(gòu)，借以壓模出該非對稱擴散元件的表面結(jié)構(gòu)所需的模具；備制一摻有透光顆粒的基材材料；進行滾輪轉(zhuǎn)印工藝，通過多組具有表面微結(jié)構(gòu)的滾輪于該基材的表面上壓印該模具上的表面結(jié)構(gòu)；以及進行一延伸工藝，通過調(diào)整多組滾輪的滾動速度使該基材本體與基材內(nèi)的透光顆粒受到不同的應(yīng)力，產(chǎn)生形變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非對稱光擴散元件的制造方法，其特征在于，該基材中的基材本體或透光顆粒經(jīng)該延伸工藝后具有折射率或結(jié)構(gòu)的配向性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非對稱光擴散元件的制造方法，其特征在于，該基材中的基材本體或透光顆粒經(jīng)該延伸工藝后具有雙折射的特性。
7. —種非對稱光擴散元件，其特征在于，包括有一透光高分子基材材料；多數(shù)個透光擴散顆粒，于制作該光擴散元件時摻入該透光高分子基材材料中；以及單面或雙面的具有非對稱起伏結(jié)構(gòu)的光擴散元件表面；具表面起伏的摻有透光擴散顆粒的高分子基材光擴散元件經(jīng)一延伸工藝的處理，并產(chǎn)生非對稱的表面結(jié)構(gòu)，與非軸對稱的擴散特性。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的非對稱光擴散元件，其特征在于，該透光高分子基材于該延伸工藝之前與之后的折射率差異0. 01 0. 45之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的非對稱光擴散元件，其特征在于，該光擴散元件表面結(jié)構(gòu)通過一押出工藝產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非對稱光擴散元件與其制造方法，其中擴散元件為經(jīng)過應(yīng)力延伸的透光薄膜，而基材材料部份摻雜不同材質(zhì)的擴散顆粒，通過應(yīng)力延伸的過程形成各向異性的薄膜層，具有雙折射的擴散特性，表面結(jié)構(gòu)則是利用押出或多層共擠押出并再經(jīng)延伸形成非對稱的起伏構(gòu)造，使通過此擴散元件的光線于擴散后產(chǎn)生均勻的光線，與各向折射率差異，并會產(chǎn)生部分偏振散射的效果，其中擴散元件的較佳實施例包括準(zhǔn)備模具制作出非對稱擴散元件所需的基本表面結(jié)構(gòu)，通過滾輪轉(zhuǎn)印工藝制作帶有表面微結(jié)構(gòu)的基材本體，此基材本體再經(jīng)應(yīng)力延伸工藝產(chǎn)生折射率變化與基本結(jié)構(gòu)的形變。
文檔編號G02B5/02GK101602254SQ200810111429
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者張仁懷, 林昭穎, 程永雄 申請人:穎臺科技股份有限公司