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1、1导光板技术的发展概况作为新兴技术产业，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；台湾Chao 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
2、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；台湾的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
3、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。 聚合物微热压印技术热压印工艺过程及分类近年来，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
4、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。图1-6 热压印工艺流程图 The diagram of hot embossing process热压印技术可分为以下三类：双辊式热压印技术、辊对
5、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。图1-7 平板对平板、辊对平板、辊对辊压印结构图 The structure diagram of plate to plate,
6、roll to plate, roll to roll embossing热压印技术研究现状在古代，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
7、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 ）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 ，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1m70。2007年，来自上海交大的孙洪文采用聚焦
8、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。图1-8 老式凸版印刷机 The diagram of old type letterpress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
9、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。图1-9 滚轮压印设备结构图Fi The structure diagram of roller embossing equipment同时许多高校和研究院为了缩短压印
10、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25m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。论文的主要研究内容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
11、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
12、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。第二章 导光板基本原理及新型压印工艺方法导光板基本原理光的折射与反射依据几何光学理论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。图2-1 光的反射与折射原理图 The principle diagram of t
13、he reflection and refraction of light介质中的光速 v 定义为：v=c/n (2-1)其中n 为入射介质的折射率，c 为光在真空中的速度。空气的折射率为，但为了便于计算，一般令其为 1。如表2-1所示为一些常见介质的折射率。表 2-1 常见物体折射率表 The table of common object refractive index.介质折射率介质折射率介质折射率空气PMMA红宝石冰PC玻璃普通酒精水（20）乙醇水晶钻石丙酮根据菲涅尔定律，光的折射现象一般遵从如下公式：n1sin1=n2sin2 (2-2)其中1为光线的入射角，2为光线的出射角，n1和
14、n2分别为两种介质的折射率。全反射与临界角当光线进入介质时，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。图2-2 光的全反射原理图Fig 2-2 The principle diagram of the total reflection of light用公式描述其临界角为：c=sin-1n1n2 （2-3）导光板光学原理导光板在背光模组中最重要的功能是将点光源转
15、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。图2-3 导光板光学原理图Fig 2-3 The principle diagram of light guide plate导光板光学检测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。
