等温热压印成型超薄导光板的工艺研究

　　作为新兴技术产业，导光板成为国内外研究者们所关注的对象。在过去的十几年，很多企业和研究院在该技术上投入了大量的人力和物力，并取得了诸多的研究成果[48]。深圳大学徐平等人提出了一种新型一体化导光板[49]，这种导光板将背光模组中各个构件的作用都集成在了一起，极大地降低了背光模组的厚度，并取得了与传统背光模组一样的导光性能[50,51]；日本也提出一种可减小背光厚度的导光板，这种导光板的特点在于它的上表面刻有一层V沟槽结构[52]，这种导光板上面再加一张逆棱镜膜就可起到原来两张棱镜膜的作用；XChao Heng Chien等人提出一种新型双面微结构导光板，这种导光板的下表面刻有非规则排布的微棱镜结构，上表面刻有规则排布的微棱锥结构，两种结构相辅相成，从而提高导光板的表面均匀度，减小光能的损耗率[53]；X的Ko-Wei Chien等人还提出了一种亚波长光栅导光板[54]，这种导光板的顶部有一层亚波长光栅，它的作用是过滤一定方向的光线，而其他光线则可以通过导光板下方的1/4波片和反射片继续回到导光板中，若是满足方向的要求，则又可以经亚波长光栅透射出去。这种导光板的好处在于可以降低光能的损耗，提高光能利用率；清华大学纳米研究所提出一种BAPC导光板，这种导光板采用一种双酚A聚碳酸酯（BAPC）制成，这种材料有一种特性，它可以在内部产生光压，迫使光线折射的角度发生变化，从而可以提高导光板的表面亮度[55]；日本Takamitsu Okumura提出一种高散射导光板，这种导光板中含有一定的散射颗粒，将进入的光线通过一定的规律进行散射，使得出射的光线更加均匀高亮[56]。

　　近年来，微结构作为我们生活中的一部分，在很多领域都有应用。相应的微结构成型技术逐渐引起了国内外广大研究者们的关注，并以此取得了诸多成果[57]。在最初的研究中，机械加工和平板印刷成为了主流成型方式，但随着这些加工方法耗时长、效率低，许多研究者们发现了热压印成型法[58-60]。这种方法加工微结构效率高、速率快、加工质量好，成为广大学者们所青睐的方法。

　　热压印（Hot Embossing Lithography，简称HEL）是纳米压印技术中普遍采用的压印方法[61]。如图1-6所示，热压工艺过程由以下几步组成：压模制备、压印结构和脱模成型。压模通常用Si、SiO2、氮化硅、金刚石等材料制成，并通过电子束刻印技术加工成模具；压印结构时先将基片放置在下模板上并加热到其成型温度范围，再进行合模压印，待到一定的时间后将温度降低到聚合物凝固点附近；最后分离压模与基片，取出制品，为了保证制品的质量，必须以均匀的、垂直于基片的力进行脱模[62,63]。

　　热压印技术可分为以下三类：双辊式热压印技术、辊对平板热压印和平板热压印成型技术[64]。如图1-7所示，双辊式热压印技术的效率最高，它可以完成双面微结构的压印，通常用于制备大尺寸、批量产的微结构制品。但由于这种方式加工成本高、工艺复杂，在小面积的微结构加工领域很少使用；辊对平板热压印相比辊对辊热压印技术所需设备较简单，可以在平板上刻制微结构，从而减少加工成本。在本文中研究的导光板面积较小，且相对于辊对平板热压印，平板热压印技术能够制得高精度、高复制率的微结构器件，故本文中采用的是平板热压印成型[47,65,66]。

　　在古代，货币的复印就体现了这种压印技术，但由于缺少结构化的方法，并且那时还没有触及到微米尺寸，这种技术就只能体现在简单的图形复制上。随着科技的进步，凸版印刷机的出现打破了这种格局，如图1-8所示，成为了压印技术另一个新的里程碑[67]。1870年，微米级热压印技术开始出现，主要体现在唱片的可刻录上。1993年，来自哈佛大学的怀特赛兹教授首次提出微接触印刷法（Micro-contact Printing Method）[68]，这种方法的工作方式类似于盖章的过程，首先将印刻的图案提前加工到模板上，再通过这个模板来压印一些不同形状，不同材料的基板，以达到复制图案的效果。在此之后，1994年，微纳米热压印法首次由美籍华人周郁（Stephen Y.Chou）提出[69]。这种方法是先将固态聚合物加热，使其软化易成型，然后再进行压印，以此来达到长期的固体基片复制效果。由于热压印技术温度变化范围较小，所以制品受收缩影响程度较低，这相对于微注塑成型，能够显著的提高聚合物微结构形状和尺寸精度。1997年，压印特征尺寸得到突破，可成功制得6nm的微结构。1997年，奥地利意唯奇（Easton Venture Group Co.Ltd，EVG）公司公开了第一台商业化纳米压印设备，它的复制精度达到了1μm[70]。2007年，来自上海交大的孙洪文采用聚焦离子束（FIB）在衬底得到所需印章，绕过了经过反应离子刻蚀（RIE），同时还结合压印技术，完成了微纳图案的复制[71]。2015年哈尔滨工业大学刘聪等人利用各向异性湿法腐蚀工艺制作压印模板[72]，成功地制造出了具有V型剖面、金字塔型、二维方形阵列等微结构形式的模板，这种方法具有低成本、易操作、大批量的优点。

　　热压印成型由于其突出的优点，得到了越来越广泛的应用，也成为微纳加工领域的研究热点之一。德国Jenoptik Mikrotechnik公司、奥地利EVG等公司凭借着其成熟的压印技术，已研制并推出了很多种不同功能的压印设备和模具[73]。在2011年，北京化工大学的王晓伟等人[74]成功研制了滚轮压印设备，如图1-9所示，这种设备相当于将挤出机与压印设备综合在了一起，使得刚挤出的片材就能立刻完成压印，最后由牵引辊牵引出制品。它是采用伺服电机驱动上下两个滚轮以满足同时转动的要求，方便调节转速和压力。这种设备的优势在于可以实现聚合物基片的连续化压印，提高成型的效率，并且刚挤出的制品温度还未冷却，直接进行压印可以免去预热的步骤，可谓是一举两得。

　　同时许多高校和研究院为了缩短压印时间进行了许多研究。例如Xie等人将45nm厚的石墨烯涂敷在硅模具上，大幅减少了加热和冷却周期，压印周期缩短至25s，极大地缩短了整个压印的周期[75]；董毓才等人利用超声波进行辅助加热，提高了模具加热速率，实现了缩短压印周期的目的；北京化工大学吴大鸣教授团队经过近三年的研究和创新，提出聚合物等温微纳米热压印技术[76]，成功制得25μm左右的微结构阵列，并极大地缩短了压印时间，提高了压印的速率。

　　通过整理和分析导光板热压印技术的相关文献，参考实验室针对本课题的研究现状，制定了本论文的主要研究内容如下：

　　（1）介绍了导光板的基本光学原理，重点分析等温热压印法的工艺特点以及整个等温热压印下聚合物材料性能的变化特点。除此之外，提出一种新型的上下模差温压印法，并分析这种方法的基本原理以及相对于传统压印法的诸多优势。

　　（2）利用Deform软件对上下模差温压印过程中的各个工艺参数进行有限元模拟，分析了不同工艺参数对双面微结构复制质量和聚合物成形情况的影响，并以模拟结果为依据，实施具体实验验证该结果的合理性。最后，总结模拟和实验的优化结果，得出最佳的工艺参数值。

　　（3）分析影响导光板导光质量的各个原因，并利用本实验室现有压印机分别对各个原因的影响程度做了实验验证。深入探讨了导光板厚度与微透镜结构尺寸之间的关系，并对比分析了PMMA和PC两种材料的导光板所需微透镜结构的尺寸。

　　（4）根据网点大小与导光板厚度的关系，本文提出一种新型的压印方法，即“补偿”热压印法。深入分析这种方法的工艺特点以及所带来的好处，并通过具体实验验证“补偿”压印法的可行性，并综合等温热压印法、上下模差温热压印法得出最佳的工艺参数值。

　　依据几何光学理论[77]，当光从真空中进入介质时，光和介质的库仑作用会延迟光在媒介中的传播速度，同时会发生折射与反射现象，如图2-1所示。这两种现象都改变了光的方向，但不同的是反射又回到了原来的介质中，而折射则是进入到了另外一种介质内。

　　介质中的光速v定义为：

　　其中为光线的入射角，为光线的出射角，和分别为两种介质的折射率。

　　当光线进入介质时，如果我们增大入射角，反射角也会相应增大，直到入射角大于某个值时，折射角就会变成了90°。在这个基础上，如果再继续增大入射角，光线就不会进入另一介面，而会全部向内部反射，如图2-2所示，光线从水中射向空气中。因为没有折射而都是反射，故称之为全反射，刚刚发生全反射的角度就叫临界角。

　　导光板在背光模组中最重要的功能是将点光源转换成均匀的面光源。它的原理主要是基于光的反射和折射现象。如图2-3所示，光线以临界角以下的角度耦合进导光板，并通过全反射向前传播，很少有光线从导光板表面射出，但是当给导光板表面加上散射结构，光线会在接触到散射结构时破坏全反射，从导光板表面散射出去。临界角一般取决于材料的折射率，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的临界角约为42°。一般散射结构分很多种，例如微透镜结构、V槽结构、矩形结构等。为了使导光板表面光线均匀，就得合理的设置导光板表面微结构大小及距离。

　　导光板的检测和衡量标准与一般的光学照明系统存在着一定的差别。在照明系统中我们一般追求较高的光学利用率和亮度值，但在背光系统中首先要求有较好的光照均匀度，即各处的照度值能尽可能一样。其次是能保证较低的光能损耗率。

　　均匀度检测主要计算导光板上表面各个点照度值的差异比例。导光板表面的均匀度由均匀性来表示，当导光板的均匀性越高，则表示其照度值的差异性越小。一般测量导光板均匀度时，在其上选择N个点，分别测量其照度，再用下面的公式进行计算：

　　为了使液晶屏出射的光线能够达到人眼所需要的亮度要求，就必须在加工过程中检测导光板出射光的亮度水平。对于显示屏而言，只有达到较高的亮度，人眼才会看得更清楚，尤其是在阳光下或者较亮的环境中。当然，也不是越亮越好，过高的亮度会显得刺眼，让人不舒服。在本文中，所选背光源的发光强度是一定的，根据发光强度值可以计算出导光板亮度的平均值。一般平均亮度值越高，导光板的光学性能就越好。

　　导光板的光能利用率是指真正进入导光板中光线的光通量与背光光源射出光线的光通量之比。一般情况下，当光线从光源中射出时，一部分通过全反射进入到导光板中，还有一部分发散到其他地方，并未进入到导光板内。这部分损耗的光能越少，则光能利用率就越高。

　　为了增加导光板的光能利用率，很多学者进行了如下几种改良：第一，在导光板的进光口设计一种锯齿形结构，这样可以使反射出去的光线能再次进入导光板内[78]；第二，采用一种图2-5所示的结构，导光板的进光口端面形成突出的斜面结构，这种结构的厚度大于LED出光口的宽度，导光板主体厚度完全满足超薄尺寸的要求。在应用时，将LED焊接在柔性电路板上，LED发出的光经导光板进光口端面突出的斜面结构进入导光板主体，从而避免光能浪费[79]；第三，可以在光源附近加上反射罩，当没有进入导光板的光线接触到反射罩后就会反射回进光口，完成第二次进光。

　　研究表明，利用热压印方法成型导光板不仅可以避免注射成型模具难加工的问题，还能提高导光板的成型质量，这一优势在成型超薄导光板时可以更加体现。如图2-6所示，一般情况下，利用热压印法成型导光板的工艺流程是先将导光板基片放置在下模板上，再将模具加热到聚合物的成型温度范围内。然后进行合模压印，等到聚合物充满模腔后再保压一段时间，为了消除分子之间的内应力，防止开模后部分链段发生弹性回缩。保压结束后就利用压印设备进行冷却，也可一边保压一边冷却，待到温度降到聚合物玻璃化转变温度Tg以下时就可开模。若是害怕在开模后聚合物基片黏在模具上难以脱模，也可以再加长冷却时间。最后，脱模时必须以均匀垂直的力取出制品，防止因为外力使得导光板上微结构变形，从而影响导光效果[80]。

　　工艺参数是指在加工制品的过程中可调控的参数，参数值的大小直接影响到成型后制品的质量。在采用热压印法成型导光板的过程中，主要有温度、压力和时间这三个工艺参数。影响导光板成型质量的因素有很多，而最为重要和可控的因素就是工艺参数值的大小。

　　对于很多热成型的制品来说，温度是非常关键的因素，它直接决定着坯料的成型状态。众所周知，一般对于无定型聚合物来说，随着温度的升高，聚合物会产生三种力学状态，分别是玻璃态、高弹态和粘流态，主要的分界温度有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf。而对于结晶型聚合物来说，只有两种力学状态，即固态和粘流态，主要的分界温度为熔融温度Tm。不同材料对于温度的敏感性也不同，有的聚合物温度变化十几度力学状态才会逐渐发生变化，而有的材料温度发生轻微变化都会对成型质量产生很大的影响。所以在压印过程中必须结合材料特性大致确定成型温度的范围，再通过大量实验逐渐缩小这一范围，直至达到最优值。这也是很多学者在研究工艺时所采用的一种方法。

　　压力在成型过程中也是必不可少的。如果说温度改变的是聚合物形态，那压力则改变的是聚合物充模的速率和填充质量。热压印的整个工艺过程中作用在聚合物基片上的压力有两个，分别是压印压力和保压压力。一般压印压力越大，则会迫使聚合物填充模腔速率更快，填充越完全，成型质量越好，但是也不能过大，过大一方面会加大设备的损坏率，减少寿命，另一方面会使得聚合物黏在下模上，难以脱模。为了防止脱模后制品发生回弹或翘曲，必须在充模结束后施一保压压力，使得基片中的聚合物彻底发生应力松弛。在以往的加工中，一般设置的压印压力和保压压力值一样，但在后期研究中人们发现，将保压压力值降低一点，对成型后制品质量以及脱模都有好处。

　　一般无论在哪个领域，时间永远与效率挂钩，完成一个成品所需的时间长短直接影响到制品的成型效率。在整个热压印的流程中，包含的时间有合模时间、压印时间、保压时间、冷却时间以及离模时间。合模时间与离模时间可以通过控制电机速率来改变。在整个工艺流程中，唯一可以借助其他方法改变的时间为冷却时间。在以往的研究中，不少学者通过改变冷却介质，或利用外界设备来降低冷却时间，虽然这些方法最后都能达到一定的效果，但同时也增大了设备的复杂性，提高了加工的成本。压印时间与保压时间影响到最终制品的质量，它的大小也必须通过大量实验来总结。保压时间的长短与聚合物力学松弛现象有很大的关系。一般情况下，保压时间与聚合物在一定温度下发生应力松弛的时间是相同的。若要缩短保压时间，可以利用时温等效原理，增大聚合物的温度，从而达到聚合物应力松弛的目的[81]。

　　由高分子运动的原理可知，为了使聚合物中高分子链段有较大的活动空间，产生应力松弛现象，就必须要有充足的时间。而有理论可证明，升高温度也可以使得聚合物发生弹性形变，所以增大温度和延长时间在一定程度上都可以使高分子链段进行大范围运动。换言之，温度和时间对聚合物的机械松弛行为具有同等的影响效应。这就是时温等效原理。

　　这里可以采用一个移动因子来表征这种等效性。一般情况下，要想得到一个完整的应力松弛曲线，需要很长的时间才能完成，所以在一个温度下是很难测得完整的应力松弛曲线的。针对这一问题，很多研究者们将不同温度下的曲线进行叠合，形成了如图2-7那样的曲线。通过后期大量的实验证明，很多非晶态线性聚合物的应力松弛行为基本符合这条曲线。根据这一结论，Williams,Landel和Ferry总结出了如下的方程

　　这就是WLF方程，这里的Ts是参考温度，若以玻璃化转变温度Tg作为参考温度时，经过大量的实验，总结出了和近似的普适值，即=17.44，=51.6。后来人们通过大量试验论证对于不同高聚物、在数值上略有不同。

　　时温等效原理以及WLF公式在微结构的热压印成型过程中起到了至关重要的作用。对于一些需要很长时间才会发生力学松弛形象的聚合物，可以通过这一原理，换算出所需的温度，从而来缩短保压时间；同样对于一些会迅速发生应力松弛现象的聚合物，为了研究具体的粘弹形变的过程，可以稍微降低一点温度，从而来延长时间进行观察。这种方法方便快捷，合理利用之后，不仅会缩短成型时间，还会提高制品的质量。

　　根据上一小节所述，传统的热压印不外乎采用的还是非等温热压印工艺，即在每个压印周期内，压印的模具都必须要经过先加热后冷却，这将导致耗时严重，延长了平板热压印的周期，另外脱模时由于冷却不足导致脱模容易产生脱模缺陷。

　　针对以上这些问题，北京化工大学塑料与机械研究所吴大鸣教授所带领的团队提出了一种新型的压印方法，即等温平板热压印，简称IHE（Isothermal Hot Embossing）。这种方法不同于之前的热压印方法，它是在整个压印过程中保持温度不变，在压印和保压后直接脱模取出制品。这就会引起很多学者的疑问，不冷却如何能取出制品。该问题可以在温度上进行解释[82]。

　　（a）无定型聚合物的力学状态

　　（b）结晶型聚合物的力学状态

　　图2-8聚合物力学性能曲线图

　　Fig.2-8 The diagram of mechanical properties of polymer

　　如图2-8所示，为无定型聚合物和结晶型聚合物形变随温度变化的曲线图。很多研究表明，聚合物随着温度的升高从一种状态转变为另一种状态时会有一个过渡区，在这一过渡区中聚合物存在着两种形态。例如无定型聚合物随着温度的升高从玻璃态转化为高弹态时，红色箭头所指的区域就是温度过渡区，在这一过渡区中，聚合物既存在玻璃态，也存在高弹态，这一特殊的状态后来被很多学者称为“类固态”。很多理论证明，处于类固态的聚合物在一定的压力下完全可以产生形变，这种形变主要以高弹形变为主。

　　而IHE方法就是利用这一理论将微结构模具温度加热到玻璃化转变温度Tg附近或结晶熔点Tm附近，然后对聚合物基片进行热压印，在压印结束后，由于基片温度并不是很高，所以可以直接脱模，无需冷却。这种工艺方法直接省去了冷却时间，同时也省去了压印下一产品的加热时间，这就将压印流程缩短到只有合模、压印、保压、开模四个阶段，极大地缩短了成型周期，同时也降低了设备的复杂性，可谓是一举两得。

　　如图2-9为无定型聚合物受到IHE的工艺流程图。在压印之前先将聚合物基片预热到玻璃化转变温度以上，再将模具加热到玻璃化转变温度以下5℃~20℃。然后进行合模，由于聚合物基片本身预热后的温度很高，模量很低，足以发生形变，所以当与温度较低的模具接触后，就会通过热传递一边填充微结构一边进行降温。在保压期间，微结构已压印完全，温度也逐渐在降低，整个高分子链段慢慢停止运动，模量逐渐升高。当充模完成后，聚合物温度也降到了玻璃化转变温度Tg以下，完全达到了脱模的条件，所以不用再冷却直接可以脱模并取出制品。

　　因材料本身的性质不同，结晶聚合物的IHE成型过程与无定型聚合物存在着一定的差别。如图2-10所示，在压印前，将模具温度升高至熔融温度Tm以下10℃~50℃，然后就可直接压印处于室温的聚合物基片，当基片接触到温度较高的模具时，通过热传递迅速升温，模量迅速降低，在一定的压力下，进行充模，在充模完成后，温度仍然处于熔融温度以下，基片并未熔融，所以可以直接脱模，取出制品。

　　IHE方法在微结构加工领域具有十分重要的意义。它简化了加工步骤，将冷却的环节直接去除，为整个加工过程省下了很大一部分时间。除此之外，由于整个过程中加热的温度是不变的，所以可以通过增加其他辅助设备达到连续化生产。但是，由于这种工艺可加工温度的范围比较小，温度过大就会造成脱模困难，温度过小则会使微结构成型不完全。为了能找到合适的温度，必须要经过精准的计算以及大量的实验，这就对实验人员的技术提出了的考验。一旦控制不好，制品内部就会产生内应力，造成一系列的缺陷。

　　如今，在很多领域都采用热压印法成型微结构，例如导光板、微针、微流控芯片、超疏水结构等的制备。本文中主要是运用这一方法成型导光板。我们都知道，导光板表面的微结构是用来增强导光板的光照强度和表面均匀性，而随着科技的进步，许多学者开始在导光板的两侧都复制上了微结构，以进一步提高它的导光性能和光能利用率。根据以往的研究及模拟，不同形状的微结构在成型过程中所需要的工艺条件也是不相同的，若是还采用以往上下模具温度一致的热压印方法，就会造成导光板上下表面微结构复制不均匀的现象。针对这一问题，本实验室又提出了一种新型的压印方法，即上下模差温热压印法。

　　上下模差温热压印法是借助模具间的温度差完成预热与压印两个步骤。如图2-11所示，双面微结构导光板上下两个面均有微结构，通常顶面的结构是按一定规律排布的微透镜结构，而底面为均匀分布的V沟槽结构。这两种结构需要上下两个模具加工，而V沟槽结构相对于微透镜结构是二维结构，且结构分布均匀，压力条件更好，更易填充，所以可以将雕刻有V沟槽结构的模具温度设置低一点，而将雕刻有微透镜结构的模具温度设置高一点，形成差温，使基片上下表面填充率达到一致。

　　在上模空程时，基片放入后，若下模板温度太高，势必会导致基片因太薄并与空气接触受热不均而引发弯曲或翘曲。所以将有V沟槽结构的模具定为下模，将有微透镜结构的模具定为上模。在合模后，上下模具通过传热使得基片上表面边成型边降温，基片下表面边成型边升温，完成填充后，基片的整体温度相对上模温度要低，这将更有利于后期制品的脱模。该工艺技术不单缩短了冷却时间，同时还去除了预热的步骤，大幅地提高了成型的效率。后续的数值模拟也均采用这种上下模板差温的加工方法。

　　上下模差温热压印法在成型超薄导光板的过程中有诸多的优点，它不仅有利于导光板上下表面微结构的成型，还能避免气泡、翘曲等诸多缺陷的产生。除此之外，上下模差温热压印法与等温平板热压印法可以结合使用，即分别设置上下两个模板的温度，并保持他们的温度在整个压印过程中不变。这样的结合方法不仅能满足上下模差温热压印法带来的优势，又能达到等温热压印法的效率要求，可谓是一举两得。

　　本章主要有三部分内容，首先对导光板所涉及到的几何光学原理做出了阐述，并总结了可见光范围内光学系统的几个光度量以及计算方法。除此之外，对导光板的检测量以及检测方法进行了介绍，总结了几种减少导光板进光口处光能损耗的方法，提高导光板的光能利用率。

　　其次，从聚合物材料特性的角度出发介绍了传统热压印方法的整个工艺过程，并对压印过程中主要的工艺参数（温度、压力、时间）以及他们之间的关系进行了详细阐述。

　　最后，介绍了两种新型的热压印方法，即等温热压印法和上下模差温热压印法。从聚合物特性出发，详细讲述了这两种方法的工艺流程，并与传统热压印法进行对比，总结出了他们的优势。