光学扩散膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明整体涉及光学膜，尤其适用于可由工具通过微复制制备的此类膜，并且其 中该工具可易于受到调控以便在异常的空间均匀性下为该膜提供受控量的光学扩散和光 学透明度。
【背景技术】
[0002] 显示系统诸如液晶显示（LCD)系统用于多种应用和市售装置中，例如，计算机监 视器、个人数字助理（PDA)、移动电话、微型音乐播放器和薄LCD电视等。许多LCD包括液晶 面板和用于照射液晶面板的扩展区域光源，通常称为背光源。背光源通常包括一个或多个 灯和多个光管理膜，例如为光导、反射镜膜、光重定向膜（包括增亮膜）、延迟膜、光偏振膜 和扩散膜。通常包括扩散膜以隐藏光学缺陷并提高背光源发射的光的亮度均匀性。扩散膜 还可用于除显示系统之外的应用。
[0003] 论沭
[0004] 一些扩散膜使用含珠构造以提供光扩散。例如，光学膜可具有附着到膜的一个表 面的微观珠层，并且光在珠表面上的折射可用于提供膜的光扩散特征。含珠扩散膜的例子 包括：线性棱柱增亮膜，其具有稀疏分布的珠的哑光表面，以产品名称TBEF2-GM由3M公司 销售，本文中称为"稀疏分布的含珠扩散片"或"SDB扩散片"；反射偏振膜，其具有含珠扩 散片层，以产品名称DBEF-D3-340由3M公司销售，本文中称为"密集堆积的含珠扩散片"或 "DPB扩散片";以及商业显示装置中包括的扩散覆盖片，本文中称为"商业覆盖片扩散片"或 "CCS扩散片"。图1示出了CCS扩散片的含珠表面的代表性部分的扫描电子显微镜（SEM) 图像，并且图IA示出了这种表面的横截面的SEM图像。图2和图3分别示出了DPB扩散片 和SDB扩散片的代表性部分的SEM图像。
[0005] 其他扩散膜使用除含珠层之外的结构化表面以提供光扩散，其中该结构化表面由 结构化工具通过微复制制备。此类扩散膜的例子包括：具有圆形或弯曲结构的膜（本文称 为"I型微复制型"扩散膜），所述圆形或弯曲结构由具有对应结构的工具微复制制备，所述 对应结构通过用切割器从工具中移除材料而制备，如US2012/0113622 (Aronson等人）、US 2012/0147593(Yapel等人）、TO2011/056475(Barbie)和TO2012/0141261(Aronson等 人）中所述；具有平坦的小平面结构的膜（本文称为"II型微复制型"扩散膜），所述平坦 的小平面结构由具有对应结构的工具微复制而成，所述对应结构通过电镀工艺制备，如US 2010/0302479 (Aronson等人）中所述。I型微复制型扩散膜的结构化表面的代表性部分的 SEM图像在图4中示出，并且II型微复制型扩散膜的类似图像在图5中示出。其他微复制 型扩散膜包括这样的膜，在该膜中工具表面通过喷砂工序而被制备结构化的，并且随后通 过由工具微复制来将该结构化表面赋予该膜。参见例如美国专利7, 480, 097 (Nagahama等 人）。
【发明内容】
[0006] 就具有含珠构造的扩散膜而言，珠增加了制造成本。含珠膜还易受顺维、横维和不 同批次的可变性的影响。此外，例如当将膜切割或转换成单独的片时，单独的珠可与膜分 离，并且分离的珠可使扩散膜为其一部分的系统（例如显示器或背光源）中产生不希望的 磨损。就I型微复制型扩散膜而言，当结构化表面上的结构的特征尺寸减小时，切割具有给 定尺寸的工具所需的时间迅速增加。当该膜用于现代显示系统时，平均小于约15或10微米 的特征尺寸是所需的，以避免被称为"闪耀"或粒化的光学伪影，并且对于I型微复制型扩 散膜来说，切割具有此类较小特征尺寸的工具所需的时间可变长或变得过度，并且可增加 制造成本。此外，切割方法可往往会向结构化表面（即使该表面上的结构看起来是随机取 向的）引入可测量的平面内空间周期性，这可以在显示应用中产生波纹效应。就II型微复 制型扩散膜而言，虽然制造工艺可受到调控以便为膜提供各种水平的光学雾度，但此类膜 的光学透明度往往相对较高（例如，与I型微复制型扩散膜相比），这有时被认为是不利的， 因为对于给定量的光学雾度来说，具有较高光学透明度的扩散膜不能与具有较低光学透明 度的类似膜一样隐藏缺陷。这在图6的光学透明度与光学雾度的关系的曲线图中示意性地 示出，其中区域610非常粗略地表示I型微复制型扩散膜的近似设计空间，并且区域612非 常粗略地表示II型微复制型扩散膜的近似设计空间。（光学雾度和光学透明度在下文更详 细地讨论）。就其中使用喷砂工序制备结构化表面的微复制型扩散膜而言，此类膜往往具有 可检测的空间不均匀性，例如，当喷砂射流或喷嘴扫描工具的整个延伸表面时，由喷砂射流 或喷嘴采取的路径所产生的图案或伪影。
[0007] 已开发出能够克服上述困难或挑战中的一个、一些或全部的一系列光学扩散膜和 制备此类膜的方法。可通过制造具有结构化表面的工具并且将该结构化表面微复制为光学 膜的主表面来制备这些膜。工具的制造可涉及在制备具有相对高的平均粗糙度的第一主表 面的条件下电沉积金属的第一层，然后在制备具有相对较低平均粗糙度（即，低于第一主 表面的平均粗糙度）的第二主表面的条件下通过使相同金属的第二层电沉积在第一层上 来盖住第一层。第二主表面具有结构化外形，在复制该结构化形貌以形成光学膜的结构化 主表面时，为该膜提供光学雾度和光学透明度的所需组合以及与该结构化表面的形貌有关 的其他特征，当膜与显示器中的其他部件结合时，所述其他特征可为有利的，例如用于避免 伪影诸如波纹、闪耀、粒化和/或其他可观察到的空间图案或标记。在微复制之前，诸如为 了钝化或保护目的，可对第二主表面进一步处理，例如，用不同金属的薄层涂布，但这种涂 层优选地为足够薄的以便维持与第二层的第二主表面基本上相同的平均粗糙度和形貌。通 过使用电沉积技术而不是需要利用金刚石工具等切割基底的技术形成结构化表面，可以基 本上较少的时间和减少的成本来制备大面积的工具表面。
[0008] 如已经陈述的，光学膜的结构化主表面为该膜提供所需量的光学雾度和光学透明 度。结构化主表面还优选地具有避免或减弱上述伪影中的一个或多个的物理特性。例如，结 构化表面的形貌在表面轮廓方面可具有一定程度的不规则性或随机性，所述表面轮廓的特 征在于超低周期性，即根据沿第一和第二正交平面内方向中的每一个的空间频率，在傅立 叶光谱中基本不存在任何显著的周期性峰。此外，结构化表面可包括可识别的结构，例如， 为不同空腔和/或突出的形式，并且这些结构沿两个正交平面内方向的尺寸可受到限制。 给定结构的尺寸在平面图中可以等效圆直径（ECD)表示，并且这些结构可具有例如小于15 微米、或小于10微米、或在4至10微米范围内的平均等效圆直径。在一些情况下，这些结 构可具有较大结构结合较小结构的双峰分布。这些结构可以密集堆积并且不规则地或不均 匀地分散。在一些情况下，这些结构中的一些、大多数或基本上全部均可以为弯曲的或包括 圆形或以其他方式弯曲的基部表面。在一些情况下，这些结构中的一些可以为锥体形状或 由基本上平坦的小平面限定的其他形状。在至少一些情况下，这些结构可通过这些结构的 深度或高度除以这些结构的特征横向尺寸（例如等效圆直径）的纵横比来表征。结构化表 面可包括脊，这些脊可例如被形成于相邻密集堆积结构的接合部处。在这种情况下，结构化 表面（或其代表性部分）的平面图可以每单位面积的脊总长度来表征。可提供光学扩散膜 的光学雾度、光学透明度和其他特征，而无需在结构化表面处或之上、或光学膜内的其他地 方使用任何珠。
[0009] 本申请因此公开了制备结构化表面的方法。所述方法包括通过使用第一电镀工艺 使金属电沉积来形成金属的第一层，导致第一层的第一主表面具有第一平均粗糙度。所述 方法还包括通过使用第二电镀工艺使金属电沉积在第一主表面上来在第一层的第一主表 面上形成金属的第二层，导致第二层的第二主表面具有小于第一平均粗糙度的第二平均粗 糙度。
[0010] 第一电镀工艺可使用第一电镀溶液并且第二电镀工艺可使用第二电镀溶液，并且 第二电镀溶液与第一电镀溶液可至少由于有机平整剂和/或有机晶粒细化剂的添加而有 所不同。第二电镀工艺可包括取样和/或屏蔽。所述方法还可包括提供具有基部平均粗糙 度的基部表面，并且第一层可被形成于基部表面上，并且第一平均粗糙度可大于基部平均 粗糙度。金属可为铜或其他合适的金属。第一电镀工艺可使用含有例如至多痕量有机平整 剂的第一电镀溶液，该第一电镀溶液可具有小于lOOppm、或75ppm、或50ppm的有机碳总浓 度。第一电镀工艺可使用第一电镀溶液并且第二电镀工艺可使用第二电镀溶液，并且第二 电镀溶液中的有机平整剂的浓度与第一电镀溶液中的任何有机平整剂的浓度的比率可为 至少50、或100、或200、或500。形成第一层可导致第一主表面包括多个不均匀布置的第一 结构，并且第一结构可包括平坦小平面。形成第二层可导致第二主表面包括多个不均匀布 置的第二结构。所述方法还可包括通过使用第二金属的电镀溶液使第二金属电沉积在第二 主表面上从而形成第二金属的第三层。第二金属可包括络。
[0011] 还公开了微复制工具，所述微复制工具使用此类方法制备，使得微复制工具具有 对应于第二主表面的工具结构化表面。该工具结构化表面可对应于第二主表面的反转形式 或第二主表面的非反转形式。微复制工具可包括金属的第一层、金属的第二层和形成于第 二层上的第二金属的第三层。
[0012] 还公开了光学膜，所述光学膜使用此类微复制工具制备，使得该膜具有对应于第 二主表面的结构化表面。该膜的结构化表面可对应于第二主表面的反转形式或第二主表面 的非反转形式。
[0013] 还公开了光学膜，所述光学膜包括具有密集堆积结构的结构化主表面，所述密集 堆积结构被布置成使得在相邻结构之间形成脊，所述密集堆积结构沿两个正交平面内方向 的尺寸受到限制。结构化主表面可具有通过与相应的第一和第二正交平面内方向相关联的 第一和第二傅立叶功率谱来表征的形貌，并且（a)就第一傅立叶功率谱包括不对应于零频 率并且由限定第一基线的两个相邻谷界定的一个或多个第一频率峰来说，任何此类第一频 率峰可具有小于〇. 8的第一峰比率，该第一峰比率等于第一频率峰与第一基线之间的面积 除以第一频率峰以下的面积；以及（b)就第二傅立叶功率谱包括不对应于零频率并且由限 定第二基线的两个相邻谷界定的一个或多个第二频率峰来说，任何此类第二频率峰可具有 小于〇. 8的第二峰比率，该第二峰比率等于第二频率峰与第二基线之间的面积除以第二频 率峰以下的面积。结构化主表面可通过平面图中小于200mm/mm2、或小于150mm/mm2、或在10 至150mm/mm2范围内的每单位面积的脊总长度来表征。
[0014] 第一峰比率可小于0. 5并且第二峰比率可小于0. 5。结构化主表面可提供至少5% 且小于95%的光学雾度。密集堆积结构可通过平面图中的等效圆直径（ECD)来表征，并且 这些结构可具有小于15微米、或小于10微米、或在4至10微米范围内的平均等效圆直径。 结构化主表面可基本上不包含珠。这些密集堆积结构中的至少一些、或大多数、或基本上全 部均可包括弯曲的基部表面。
[0015] 还公开了光学膜，所述光学膜包括具有密集堆积结构的结构化主表面，该结构化 主表面限定基准平面和垂直于该基准平面的厚度方向。结构化主表面可具有通过与相应的 第一和第二正交平面内方向相关联的第一和第二傅立叶功率谱来表征的形貌，并且（ a)就 第一傅立叶功率谱包括不对应于零频率并且由限定第一基线的两个相邻谷界定的一个或 多个第一频率峰来说，任何此类第一频率峰可具