一种光扩散片及制作方法与流程

本发明涉及一种光扩散片，其结构为在图形化微结构沟槽内填充光扩散粒子。在图形化结构和扩散粒子共同作用下，产生光扩散效果，用于背光源和光束整形方向。

背景技术：

光扩散片是显示和照明领域中必不可少的组件。它的主要作用是使光线漫射，将点/线光源均匀转换为线/面光源。传统扩散片通过透明塑料材料中加入化学粒子形成扩散层，在扩散层内，入射光线在两个或多个折射率相异的介质中传播，发生折射、反射与散射，形成扩散光的效果。

目前，光扩散片主要有三种加工方法：压花加工、热处理注模和涂布工艺。压花工艺将聚合物熔融于薄膜表面，利用多数微细结构的滚子加工而成，方法简便，但它的主要缺点在于会导致扩散膜材料密度不均。热处理注模法，其主要材料包括甲基丙烯酸甲酯，偶氮二异晴，扩散粉末及染料等。经充分搅拌混合，将其注入模具中，再用烘箱烘烤固化，至少4～8小时，生产周期长。生产扩散膜的最常用的方法是涂布方法，扩散层通过静电涂布形成于透明基底表面。这种方法在工艺上比较成熟，但使用了多种高分子材料，如黏着物材料为热可塑型高分子树脂(甲基丙烯酸酯的单体或聚合体、聚酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基戊烯)，还需要烯酸酯类、光起始剂、扩散粉末、染料、增韧剂、湿润剂、消泡剂等。并且，由于在基底上添加扩散层增加扩散片的厚度，使用多种聚合物导致更大的光能吸收损耗，在生产中产生的有机污染物，不利于环保。

随着发光二极管等新型固体光源的广泛使用，除了要求与之配套的光扩散片具有高透过率、易于调整的雾度，还要求能够实现无“热点”的柔光和定向扩散等特殊的光学效果，为光扩散片的研发和制造提出了新的技术挑战。

不断进步的微纳制造技术使得批量化制造大幅面微纳结构成为可能。在塑料基材表面加工具有一定拓扑排列的微纳结构作为光扩散片，满足了光学功能薄膜轻薄化、柔性化、功能化、高光能利用率、低成本和生产过程低能耗的要求，成为新一代光学功能薄膜的宠儿。基于表面微结构的光扩散片，亦可细分为两类：一类是完全随机结构。例如，随机微透镜阵列结构。它虽然可以很好地对光实现扩散和柔化，但由于其散射单元排布的随机性，只能满足某一类光学膜的需求，如液晶电视里使用的光扩散片。另一类是规则排布的结构，通过设计微纳结构的拓扑排布，实现优化的定向散射和柔光等光学效果，获得随机排布难以实现的功能。优化设计后的微结构扩散片具有更大的灵活性和广泛的适应性，将在新一代有机发光二极管、太阳能电池等的光调制和提升器件光能利用率方面发挥重要作用。

目前研究的优化拓扑排列的微结构扩散片，如文献[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)报道，在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)上自组装蜂窝密集排列的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)微米球，利用PDMS的可拉伸性，实现可调衍射角度的光场。文献[2]C.L.Lai,J.S.Lin,T.Yoshimi,and W.H.Fan,A microstructure diffuser plate for LED lighting,Proc.SPIE 6758,2007.报道了规则微透镜阵列制作的光扩散片用于防止LED眩光，同样使用了自组织方法在衬底上蜂窝密集排列聚苯乙烯微米小球。自组织方法不适合制作大面积结构模板。文献[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.报道了一种将混合微结构与掺杂粒子的光扩散片及其制作方法。其技术路线是利用熔融挤出机将掺有PMMA扩散粒子的聚碳酸酯经过带有微结构的辊轮，降温固化后获得了集成型光扩散片。熔融挤出的方法工艺复杂，所需设备昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有图形化排布的扩散粒子的光扩散片，及其制作方法。本发明的光扩散片的构思是，在基材上制作凹陷结构，这些预设的凹陷结构呈现的拓扑排列，如正方形、六边形、条状、环状等方式。凹陷结构内填充有机或者无机材料的扩散粒子，扩散粒子可以是球形、椭球形、圆柱形、长方体，或者其它异形体，扩散粒子的折射率与基材、微纳结构层和保护层不同。入射光束经过扩散片表面时，受到图形化排列的扩散粒子的影响，将发生折射、散射、衍射等光学现象，形成对光的扩散作用。

一种光扩散片，其包括透明基材层，在所述透明基材层的一侧表面设有微结构层，所述微结构层设有微结构，所述微结构为凹陷结构，在微结构层的凹陷结构内填充有扩散粒子。

在其中一实施例中，微结构层内微结构呈凹陷状，用于诱导扩散粒子排布，其排布方式可以是线状光栅、矩形、环形和六边形排布，或者，在平面内呈对称轴的排布或者在平面内呈非对称轴的排布；所述扩散粒子排布状态可以连续或离散。

在其中一实施例中，对其中的微结构层的材料可以与基材层材料相同，也可以不同。

在其中一实施例中，所述凹陷结构宽度大于1微米，深宽比大于0.3。

在其中一实施例中，所述微结构层的凹陷结构内填充有扩散粒子，依照凹陷结构的拓扑排布而分布；扩散粒子可以大于、小于或者等于凹陷结构的特征尺寸，其形状可以是球形、椭球形、圆柱形、长方体，或者其它异形体。

在其中一实施例中，在微结构层外侧可以设有透明的保护层，保护层完全或者部分包覆扩散粒子。

在其中一实施例中，填充于微结构层的凹陷结构内的扩散粒子，其光学折射率与透明基材层、微结构层、保护层材料、或者它们其中之一的折射率之差绝对值不小于0.01。

一种光扩散片的制作方法，包括下列步骤：

S1、使用具有凸起结构的模具，通过热压印或者紫外压印方式在透明基材上制作结构，在微结构层内获得与模具凸起结构互补的凹陷结构；

S2利用刮涂技术，将扩散粒子刮涂进上述步骤中制作的凹陷结构内，形成图形化的扩散粒子排布。

在其中一实施例中，还包括步骤S3.在微结构层表面涂敷保护层。

在其中一实施例中，填充于微结构层的凹陷结构内的扩散粒子，其光学折射率与透明基材层、微结构层、保护层材料、或者它们其中之一的折射率之差绝对值不小于0.01。

本发明提出了一种新型光扩散片结构及其制作方法。该扩散片通过微纳米压印和刮涂技术制作，利用微纳拓扑结构的对光的折衍射和扩散粒子对光的散射作用，实现了定向散射和匀化光斑的功能。微纳米压印技术是一种可用于大批量制备大面积图形化微纳结构的技术，其加工分辨率只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻最短曝光波长的物理限制，具有高分辨、高产出、低成本的优点。刮涂技术实现扩散粒子填充，方法便捷，工艺简单，易于实现批量化生产。

由于上述技术方案的运用，本发明作为一种结构诱导的图形化扩散粒子散射片，与现有技术相比具有以下两项优点：

1.实现多个维度的可人工干预的扩散粒子和散射光场。本发明利用图形化结构诱导，实现了扩散粒子的图形化排列，因而可人工优化设计大量散射粒子的散射特性，例如定向散射和获得柔性软光(soft light)，对光场进行了更加灵活的调控，具有更广泛的适应性。

2.工艺便捷可靠：结合了压印和刮涂技术，整个工艺流程顺畅简便，易于实现批量化和大幅面制造，即适应于板材，也适用于卷材，所需设备也比挤出热熔设备便宜，运行成本更低。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种图形化排布光扩散粒子的光扩散片结构示意图；

其中：11、扩散粒子；12、衬底；13、微纳结构层；14、微纳结构

图2a-d是实施例一的一种图形化排布的光扩散粒子的光扩散片的制作流程图；图2a是实施例一中的压印模具；图2b是实施例一中的利用压印模具，在基材上获得与之互补的凹陷结构；图2c是实施例一中的利用刮涂技术实现扩散粒子的填充示意图；图2d是实施例一中的表面具有保护层。

其中：21、微纳结构层；22、基材；23、扩散粒子；24、保护层

图3是实施例一中实现凹陷结构压印的模具结构示意图；

图4是实施例一中实现凹陷结构压印的另一种模具结构示意图；

图5是实施例一中实现凹陷结构压印的另一种模具结构示意图；

图6是实施例一中实现凹陷结构压印的另一种模具结构示意图；

图7是实施例三中扩散粒子在凹陷结构内以多层堆叠的方式排布的情况；

图8是实施例四中填充扩散粒子的凹陷结构的一种拓扑结构；

图9是实施例四中填充扩散粒子的凹陷结构的另一种拓扑结构；

图10是实施例四中填充扩散粒子的凹陷结构的另一种拓扑结构；

图11是实施例五中微纳结构层完全覆盖保护层的情况；

其中111、保护层

图12是实施例五中微纳结构层部分覆盖保护层的情况。

其中121、保护层

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种光扩散片，图形化排布光扩散粒子的光扩散片结构示意图。在基材12上制作有凹陷结构14，这些凹陷结构14呈现预设的拓扑排列，如正方形、六边形、条状、环状等方式，凹陷结构的宽度大于1微米，深宽比大于0.3。凹陷结构14内填充有机或者无机材料的扩散粒子11，扩散粒子11可以是球形、椭球形、圆柱形、长方体，或者其它异形体，扩散粒子11的折射率与基材12、微纳结构层13和保护层不同,扩散粒子光学折射率与透明基材层、微结构层、保护层材料、或者它们其中之一的折射率之差绝对值不小于0.01。入射光束经过扩散片表面时，受到图形化排列的扩散粒子11的影响，将发生折射、散射、衍射等光学现象，形成对光的扩散作用。扩散粒子11的特征大小为1～10微米。扩散粒子与基材12、微纳结构层材料13、保护层材料之一的折射率差的绝对值大于0.01；或者它们两两之间的折射率差的绝对值大于0.05。

实施例二：参见附图2a-2d所示，本发明提出的一种光扩散片的制作流程。首先制作具有拓扑排列图案凸起结构的模具。图2a中图形化凸起结构模具，可利用多种方法实现，如掩模光刻曝光、激光直写、化学腐蚀或者机械刻划等。模具的材料可以为金属材料，如镍、不锈钢、铜或者金属合金材料，为有机材料，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；为无机非金属材料，如二氧化硅、硅、碳素钢、碳化硅。其次，图2b为利用模具在透明基材22上通过压印方式制作凹陷结构的示意图。可采用热压印或者紫外压印。热压印是将首先采用坚硬的压模毛坯加工成压模，然后通过高温软化聚合物基片21，或者在聚合物基片上涂敷具有热软融性质的高分子聚合物材料21，将其放入压印机加热并把压模以一定压力压在聚合物基片上，紧接着把温度降低至聚合物凝固点附近，同时把压模和聚合物层相分离，基片表面就留下了与模具上结构互补的结构。紫外压印的过程基本与热压印相同，需要采用可在紫外光照射下固化的聚合物作为压印层材料，无需采用高温高压的方式，但是要求压模材料(或基板材料)对紫外波段透明。再次，图2c为微结构层内凹陷结构填充了扩散粒子23的示意图。通过刮涂技术，利用刮刀将扩散粒子刮填充于的凹陷的微米结构内，形成图形化排列的扩散粒子。最后，可用透明材料覆盖于微纳结构层外侧表面作为保护层24，并且可以实现表面平整的外观。由于扩散粒子的折射率与基材、微纳结构层和保护层存在差异，图形化排列的扩散粒子将入射光散射。

实施例三：参见附图3-4所示，本发明提出的一种光扩散片，填充扩散粒子的凹陷结构形状取决于模具的微结构形状。微结构形状如球形、椭球形、三棱锥、四棱锥等，横截面为圆、椭圆、三角形、四边形或者其它不规则多边形，能够填充扩散粒子的形状均在本发明保护的范围之内。扩散粒子填充于所加工的凹陷结构内，其状态如附图5-6所示。当模具上的结构具有高深宽比时，微结构层的凹陷结构也将具有较大深宽比，扩散粒子将在凹陷结构内以多层堆叠的方式排布，如附图7所示。这为设计散射片的光调制提供了一个额外的空间维度。

实施例四：参见附图8-10所示，本发明提出的一种光扩散片，填充扩散粒子的凹陷结构的拓扑结构决定了光扩散斑中心位置的分布。其拓扑结构可以是线状光栅，如正方形、六边形、条状、环状等。

实施例五，参见附图11-12所示，本发明提出的一种光扩散片，微纳结构层上可以覆盖保护层111或112，保护层可以完全覆盖扩散粒子，或者部分覆盖扩散粒子。