等温等效替代热压印法成型超薄导光板的工艺分析

李 楷，吴大鸣，刘 颖，曹亚楠，许 红，赵中里，孙靖尧

(北京化工大学 机电工程学院，高分子材料加工装备教育部工程研究中心，北京 100029)

1 引 言

近年来，在新一代智能手机“轻薄亮”的发展趋势下[1]，制备出厚度更薄性能更好的导光板成为了众多学者的研究热点[2-3]。热压印工艺不仅突破了导光板0.35 mm的厚度瓶颈，还可以大幅减小制品的内应力。热压印法凭借其优越的加工性能和实现产业化的可操作性，在众多导光板的成型方法中脱颖而出，引起了国内外众多研究者的关注[4-11]。

传统热压印方法主要遵循的是“高温压印—低温脱模”这一思想，即先将聚合物加热到粘流温度Tf或熔融温度Tm以上进行压印成型，然后冷却到玻璃化转变温度Tg以下脱模。模具的缓慢升温降温过程无形中拉长了导光板压印成型的整个周期，降低了制品的生产效率，同时，利用这种工艺成型的超薄导光板(厚度<0.35 mm)容易出现翘曲、气泡、褶皱等缺陷，影响成型质量。过去几年里，研究者们为改善这些缺陷，提出了多种解决方案，但是大多是从设备角度出发，改善加热冷却的方式，增加辅助设备来改善升降温的过程，无疑增加了压印设备的复杂性和设备的生产成本。基于此，北京化工大学吴大鸣教授团队从导光板的成型工艺出发，创新性地提出一种等温热压印法，突破了“高温压印—低温脱模”的思想束缚，即采用恒温模具代替变温模具，使整个压印过程模具温度保持在聚合物玻璃化转变温度Tg附近，利用聚合物类固态的特性在适当的压力下，将模具的微结构高精度地复制到基体表面，完成整个热压印过程[12-15]。

通常情况下，在保证导光板的显示效果的条件下，导光板越薄，所需的微结构几何尺寸越小，故要想压印厚度小于0.35 mm的超薄导光板，微结构几何尺寸必须相应减小。微结构尺寸越小，与其对应的模具加工难度就越大，同时聚合物熔体充模也越困难。针对这些问题，笔者在等温热压印的工艺基础上，经过不断的实验探索总结出，可以通过控制相应的工艺参数来降低微结构复制高度的方法以达到减小微结构成型的效果。超薄导光板成型的过程中，压印温度较难控制，必须通过大量实验调至适当的温度才能使得聚合物完全充满模腔，又不至于因温度过高导致脱模困难，而且重复性不是很高。然而，利用上述增大微结构降低其复制高度的方法既降低了微结构模具的加工难度，又解决了等温热压印过程中模具升降温缓慢带来的缺陷问题。我们将这种一举两得的方法称之为“等效替代”热压印法。

“等效替代”压印法成型导光板时，在整个压印过程中成型温度、压力较传统的热压印工艺低很多，所以在完成压印后，不必大幅冷却降温即可脱模，这也符合等温热压印的理念，所以，“等效替代”压印法是一种特殊的等温压印法。下面通过设计具体的实验对这种成型工艺进行具体的分析论证。

2 实 验

2.1 实验原料

PMMA基板：光学级PMMA，厚度0.25 mm，深圳铂邦塑料有限公司。

2.2 主要设备及仪器

微纳米热压印机：IHE-200A型，实验室自制；

光谱仪：MK350，东莞市广凌电子科技有限责任公司；

原子力显微镜：BioScope Catalyst，美国Bruker公司。

2.3 实验流程

本实验采用上下模板差温的方法来压印导光板，其中上模板的微结构是微透镜，球形半径为18.5 μm，下模板的微结构是V形沟槽，微槽槽宽和槽深均为17 μm。在保证成型制品质量的前提下，通过调整压印过程中的工艺参数值，降低微结构复制高度，以实现在较大微结构模板下成型出适合超薄导光板的微结构。若要想降低微结构的复制高度，主要控制的工艺参数值有3个，即温度、压力、时间。所以该实验是在初始条件的基础上按照顺序逐渐降低上模板温度、压强、时间和下模板温度，直至成型的超薄导光板出现缺陷为止。根据前期大量的等温热压印实验结果分析，实验的初始条件定为：上模温度115 ℃、下模温度95 ℃、保压时间80 s、压力150 kN。

2.4 性能测试与与结构表征

按九宫格取样法，用MK350光谱仪测试导光板上9个点的照度，并计算平均照度和均匀度。

在原子力显微镜下，测量微结构的尺寸，并计算导光板微结构的复制率。

3 结果与讨论

温度、压力、时间是等温热压印过程中最为重要的工艺参数，为了使压印较大微结构的超薄导光板的显示效果与其原本应匹配的微结构时的显示效果能够等效，需要降低压印成型时的工艺参数，从而降低微结构复制高度。下面分别依次向下调节超薄导光板成型的各个工艺参数值，分析各参数对导光板显示效果的影响，从而得到等效替代法理想的工艺。

3.1 降低上模板温度对导光板性能的影响

选取上模板温度为研究对象，分别设置115,110,105,100 ℃ 4个温度等级，样品号依次记为1，2，3，4。其他工艺参数均设置为：下模板温度100 ℃；压印时间80 s；压印压力150 kN；脱模时上模温度控制在100 ℃。为减小因压印的外界环境变化所产生的误差，该实验的样品都是在一次开机的情况下依次完成的。为防止导光板因受到外界环境的污染影响导光效果，制品取出后迅速装袋。待4组实验均完成，在洁净的环境下，按九宫格法分别依次测量每块导光板相对应位置的9个点的照度，然后根据公式(1)计算平均照度和均匀度，得到如表1所示的数据。

(1)

其中，U为照度均匀度；Emin为最小照度值，lx；Eav为平均照度值，lx。

从表1中的数据分析易得，随着上模温度的降低，导光板平均照度和均匀度均逐渐上升。根据表1中数据，画出表征上模温度与导光板均匀度关系图，如图1所示。

表1 降低上模温度后导光板质量检测表

Tab.1 Light guide plate quality test table after lowering the upper mold temperature

样品平均照度/lx均匀度/%12 70152.5622 84053.3532 82355.6242 91661.25

图1 上模温度与均匀度关系曲线图

观察图1得出，导光板的均匀度与上模具温度之间呈反比关系，证明了等温“等效替代”热压印法的可行性。将上模温度设置到100 ℃以下时，PMMA呈现为完全玻璃态，难以成型微结构，故上模温度的下限应是100 ℃。用原子力显微镜观察4组实验成品的同一位置，得到如图2的微结构显微镜图。

图2 降低上模温度的微结构图。(a)样品1；(b)样品2；(c)样品3；(d)样品 4。

Fig.2 Reducing the microstructure of the upper mold temperature. (a) Sampel 1. (b) Sampel 2. (c) Sampel 3. (d) Sampel 4.

观察微结构的显微镜图可以明显看出，随着上模温度的下降，因温度产生的微小缺陷也逐渐减少，整体微结构充模较完全。经扫描，测量其波峰与波谷之间的垂直距离，将其定义为微结构的复制高度。

根据所测得数据，绘出网点复制高度与均匀度的关系曲线，如图3。通常情况下，模具的温度越高，基材的流动性越好，越有利于微结构的填充。上模温度降低，复制高度随之减小，微结构尺寸就相应减小，逼近于0.25 mm厚的导光板原本相匹配的微结构尺寸，所以导光板整体的照度和均匀度也就会随着增大，再一次证明了等温“等效替代”热压印法的可行性。总而言之，等温“等效替代”热压印工艺中，降低上模温度，有利于提高导光板的均匀度和亮度。但是，由于材料本身的特性，上模并不能无限降低，对于PMMA来说，上模温下限为100 ℃，若低于玻璃化温度，微结构无法压印成型。

图3 降低上模温度后微结构复制高度与均匀度关系图

Fig.3 Relationship between microstructure replication height and uniformity after lowering the upper mold temperature

3.2 降低压力对导光板性能的影响

聚合物基片经热压印加工后，由于内应力的残存，往往会出现回弹现象，影响微结构成型精度。因此，传统的热压印工艺引进了保压过程，聚合物在该过程中发生应力松弛，当内应力降低到一定程度(不足以使导光板产生缺陷)后，即可开模完成打印过程。但是该等效替代压印工艺省略了保压过程，因为材料的回弹特性正好减小了微结构的复制高度，使微结构尺寸更趋近于超薄导光板应匹配的微结构。以上一组实验最后得到的参数为基准，逐渐降低压印的压力，分别设100,90,80,85 kN 4个压力等级，记样品号为5，6，7，8。其他参数均为：上模板温度100 ℃、下模板温度100 ℃、压印时间80 s。

同样用九宫格法，依次测出成型制品的照度，并计算出其平均照度和均匀度，如表2所示。对比表2与表1中的数据易知，继降低上模温度的实验后，降低压力的方法还能使导光板的平均照度和均匀度再次提高。经原子力显微镜观察后得到如图4所示的微结构图，可明显观察到随着压印压力的降低，其微结构复制高度也明显减小，表面逐渐变得平缓。测量微结构波峰到波谷的垂直距离，得到了如图5所示的曲线图。

表2 降低压力后导光板质量检测表

Tab.2 Light guide plate quality test table after reducing pressure

样品平均照度/lx均匀度/%53 011.661.5263 155.067.2172 821.767.3583 407.370.14

图4 降低压力后的微结构显微镜图。(a)样品5；(b)样品6；(c)样品7；(d)样品 8。

Fig.4 Microstructure microscope after reducing pressure.(a)Sampel 5.(b)Sampel 6.(c)Sampel 7.(d)Sampel 8.

经观察发现，不同于上一组降低上模温度的实验，这一组的7号样品对应的复制高度比较小，但是与其他3组样品相比，均匀度也并未如想象中那样理想。究其原因是压力值过小，造成微结构压印不完全。压力值越小，微结构填充深度越小，但当压力小于某一个值时，直接影响微结构的成型效果，甚至造成微结构不能复制，压印失败。另一方面，压印压力过小会放大设备的精度误差对制品质量的影响程度。根据具体的实验，发现压印压力降到80 kN时，成型的导光板的局部照度有所提升，但表面出现了多处压印不全的缺陷，从而导致导光板整体的均匀度随之下降。针对这一现象，尝试着稍微调高压力值。经过不断的尝试，发现将压力值调到85 kN时压印不完全缺陷得到了很大的改善，同时其均匀度也提高了70%左右，该样品号记为8。因此，在保证超薄导光板的导光质量的条件下，其最佳压印压力值为85 kN。

图5 降低压力后的微结构复制高度与均匀度关系图

Fig.5 Relationship between microstructure replication height and uniformity after reducing pressure

3.3 减少压印时间对导光板性能的影响

“等效替代”压印法的优点之一就是减少压印时间，提高压印效率。故基于上一组降低压力的实验，然后减少成型时间来设计对比实验。压印时间设置为50，20，10，15 s 4个等级，样品号分别记为9，10，11，12。其他工艺参数均设置为：上模温度100 ℃、下模温度100 ℃、压力85 kN。然后测出成型后样品的照度，计算平均照度及均匀度，得到了表3所示的数据。

表3 缩短时间后导光板质量检测表

Tab.3 Light guide plate quality test table after reducing time

样品平均照度/lx均匀度/%93 550.770.22103 709.072.76112 241.158.82123 227.864.34

在整个压印过程中，模具温度相对较低，故压印完成后，无需冷却，直接脱模。从数据中不难发现导光板的均匀度一开始上升了两个百分点之后大幅度下降。显而易见，出现这种现象主要是因为压印时间过短(<20 s)，熔体还未来得及充模就已经脱模，极大地影响了微结构的复制。

图6 缩短时间后的微结构显微镜图。(a)样品9；(b)样品10；(c)样品11；(d)样品12。

Fig.6 Microstructural microscope image after time reduction. (a) Sample 9. (b)Sample 10. (c) Sample 11. (d) Sample 12.

用原子力显微镜观察，得到了图6所示的微结构填充图。结合时间与复制高度关系的波形图7可以发现，当压印时间为10 s时，熔体正准备填充就已脱模，完全来不及成型，只能在边缘填充出一圆形痕迹，高度仅为2.7 μm左右，中间部分因压印时间过短，完全未填充就已脱模。这种形似火山口的结构对导光板的均匀度势必造成很大的影响，所以压印时间为10 s时，导光板的均匀度发生了骤降。为了找到最佳的压印时间点，在10 s的基础上逐渐增加压印时间，可以发现，当压印时间为15 s时，虽然微结构中间区域的填充状况较10 s时改善了很多，但仍然未能形成完整的微透镜结构，并且边缘处的填充高度与压印时间10 s时相比更低，仅有1.7 μm左右。经过系列的试验检测，发现20 s就是一个压印时间的节点，当压印时间低于20 s时，微结构的填充状况就是这种火山口形貌。所以在保证微结构复制完整的前提下，最短压印时间为20 s。

图7 压印时间过短时微结构的波形图。(a)压印时间为10 s；(b)压印时间为15 s。

Fig.7 Waveform of the microstructure when the imprint time is too short. (a) Structure waveform diagram when the imprint time is 10 s. (b) Structure waveform diagram when the imprint time is 15 s.

3.4 降低下模板温度对导光板性能的影响

本实验模具的下模板微结构是V形沟槽，与聚合物接触为线接触，比较容易充模，故前面3组实验中下模温度都较低，仅为100 ℃。在此基础上设置95,90 ℃两个温度等级进行实验，其他参数均保持在最佳值。

成型后导光板经检测计算其平均照度和均匀度得到表4的数据，从表4中可以发现，下模温度降低后，导光板的平均照度和均匀度又得到了提升。但是当下模温度为90 ℃时，再一次出现了压印不全的缺陷。经试验发现，在保证导光板显示质量的前提下，95 ℃是下模的最佳压印温度。将各个工艺参数均设置为最佳参数进行实验，经对成品扫描，得到图8所示的波形图。发现最佳工艺参数下的导光板的V形沟槽结构的深度为3.735 μm，微透镜结构深度为4.723 μm。

表4 降低下模温度后导光板质量检测表

Tab.4 Light guide plate quality inspection table after lowering the lower mold temperature

样品平均照度/lx均匀度/%133 505.875.52143 415.7775.79

图8 下模温度为95 ℃时微结构波形图。(a)V沟槽结构波形图；(b)微透镜结构波形图。

Fig.8 Microstructure waveform at 95 ℃. (a)V-groove structure waveform diagram. (b)Microlens structure waveform diagram.

4 结 论

等温热压印法成型超薄导光板，极大缩短了成型时间，提高了成型效率。在此基础上提出了“等效替代”压印法，突破了压印过程中微结构完全等大复制的思想，降低了微结构模具的加工难度，并且还解决了等温热压印法成型超薄导光板时聚合物熔体充模困难及温度难精确控制的问题，降低了该工艺对压印设备的精度要求。

利用“等效替代”压印法成型了仅为0.25 mm厚的导光板，摸索出了等温“等效替代”压印法的最佳工艺参数，上模板温度为100 ℃，下模板温度为95 ℃，压印压力为85 kN，压印时间为20 s。该工艺与等温热压印相比，不仅使导光板的均匀度明显提高，还实现了快速脱模，缩短了成型的时间，为超薄导光板的成型提供了全新的思路。