散射器和制造方法.pdf

公开了含多个突出结构体且每一结构体含有多个不平小表面的散射器。可通过在载体膜上涂布材料混合物，其中该材料混合物包括当辐照时将聚合的至少第一材料和与已聚合形式的第一材料不相容的至少第二材料，然后选择性辐照该材料混合物，使该材料混合物的一部分聚合形成已聚合的结构体，和最后除去没有形成结构体一部分的部分材料混合物，从而制备该散射器。可在该结构体上涂布透明材料。该罩面层材料可进一步含有散射元件，例如玻璃珠或聚合物颗粒。

1.  一种散射器，它包括：
多个结构体，其中每一结构体具有多个小表面。

2.  权利要求1的散射器，其中每一结构体包括基本上透光的光入射面。

3.  权利要求1的散射器，其中小表面是不平的表面。

4.  权利要求1的散射器，其中至少一些小表面与载体膜不平行。

5.  权利要求1的散射器，其中多个结构体用透明材料罩面层覆盖。

6.  权利要求5的散射器，其中透明材料罩面层包括散射颗粒。

7.  权利要求6的散射器，其中散射颗粒是玻璃珠。

8.  权利要求6的散射器，其中由聚合物材料形成散射颗粒。

9.  形成散射器的方法，该方法包括：
形成多个结构体；
在每一结构体上形成多个小表面。

10.  权利要求9的方法，其中通过两个不相容材料的相分离进行多个小表面的形成。

11.  制备散射器的方法，该方法包括：
在载体膜上涂布材料混合物，该材料混合物包括当辐照时聚合的至少第一材料和当至少第一材料聚合时与至少第一材料相分离的至少第二材料；
选择性辐照该材料混合物，聚合该材料混合物的一部分，形成聚合的结构体；和
除去没有形成该结构体部分的材料混合物部分。

12.  权利要求11的方法，其中辐照是UV光。

13.  权利要求11的方法，其中至少第一材料包括光聚合物。

14.  权利要求13的方法，其中至少第二材料包括光聚合物。

15.  权利要求13的方法，其中至少第二材料包括热聚合物。

16.  权利要求13的方法，其中至少第二材料包括不可聚合的材料。

17.  权利要求11的方法，其中采用光掩模进行选择性辐照。

18.  权利要求11的方法，其中通过用溶剂洗涤在载体膜上的材料混合物，除去没有形成该结构体部分的材料混合物部分。

19.  权利要求11的方法，进一步包括用折射指数不同于该结构体折射指数的透明材料涂布该结构体。

20.  权利要求19的方法，其中透明材料包括玻璃珠或聚合物颗粒。

21.  权利要求11的方法，其中在选择性辐照之后，至少第一材料的折射指数与至少第二材料的相差至少0.005。

22.  一种散射器，它包括：
多个结构体，每一结构体具有多个小表面；
其中由至少一种已聚合材料和与至少一种已聚合材料相分离的至少一种其它材料形成多个结构体。

23.  权利要求22的散射器，其中小表面来自于相分离和溶剂洗涤。

24.  权利要求22的散射器，其中至少一种已聚合材料是已聚合的光聚合物。

25.  权利要求22的散射器，其中至少一种其它材料是已聚合的光聚合物。

26.  权利要求22的散射器，其中至少一种其它材料是已聚合的热聚合物。

27.  权利要求22的散射器，其中至少一种其它材料是不可聚合的材料。

28.  权利要求22的散射器，进一步包括涂布多个结构体且折射指数与多个结构体的折射指数不同的透明材料。

29.  权利要求28的散射器，其中透明材料包括玻璃珠或聚合物颗粒。

30.  权利要求22的散射器，其中至少一种已聚合材料的折射指数与至少一种其它材料的折射指数相差至少0.005。

31.  权利要求22的散射器，其中多个结构体基本上排除液晶材料。

32.  权利要求22的散射器，其中至少一些小表面具有粗糙表面。

33.  一种散射器，它包括：
基底；
多个聚合物结构体，其中每一聚合物结构体具有多个小表面；
其中该小表面是不平的表面，它通过在光聚合过程中不相容的材料的相分离形成，然后溶剂洗涤，以便基本上除去至少一种不相容的材料但同时基本上留下至少一种不相容的材料。

散射器和制造方法
本申请要求2006年5月24日提交的美国申请No.11/439437的优先权，其公开内容在此通过参考引入。
发明领域
本发明一般地涉及散射器及其制造方法，和更特别地，本发明涉及含多个结构体的散射器，其中每一结构体有刻面的(faceted)表面。
背景技术
在许多器件，其中包括液晶显示器、背投影显示器和其它器件内包括散射器。这些散射器可以是表面散射器或者本体散射器。表面散射器利用表面形貌和折射指数之差来散射光。遗憾的是，表面散射器典型地在窄的角度范围内散射光，且不可能均匀地散射光。本体散射器利用包埋的元件，例如玻璃珠或聚合物颗粒散射光。遗憾的是，通过本体散射器提供的散射导致背散射，而背散射会随着本体散射器的散射角增加而增加。这一背散射会降低光的通过量，这是不利的。因此，本领域强烈需要在宽的角度范围内均匀地散射光同时维持良好的光通过量的散射器。
发明概述
本发明的一个方面是提供包括多个结构体的散射器，其中每一结构体具有多个小表面(facet)。这些小表面可具有不平的表面。
本发明的另一方面是提供形成散射器的方法，该方法包括形成多个结构体和在每一结构体上形成多个小表面。多个小表面的形成可以通过或者可以不通过两个不相容的材料相分离来进行。
本发明的另一方面是提供制造散射器的方法，它包括在载体膜上涂布材料的混合物，其中该材料混合物包括当辐照时聚合的至少第一种材料，和当至少第一种材料聚合时，与至少第一种材料相分离的至少第二种材料，选择性辐照该材料混合物，使该材料混合物的一部分聚合，形成聚合的结构体，和除去没有形成结构体部分的一部分材料混合物。
本发明另一方面是提供含多个结构体的散射器，其中每一结构体具有多个小表面。由至少一种已聚合的材料和与至少一种已聚合材料相分离的至少一种其它材料，形成多个结构体。
本发明另一方面是提供含基底和多个聚合物结构体的散射器。每一聚合物结构体具有多个小表面。这些小表面是因在光聚合过程中不相容的材料相分离，然后溶剂洗涤，基本上除去至少一种不相容材料同时基本上留下至少一种不相容材料形成的不平的表面。

附图简述
参考下述附图，详细地描述本发明，其中相同的参考标记表示相同的元件，其中：
图1示出了辐照材料混合物，形成结构体；
图2示出了本发明的例举的散射器；
图3示出了具有单一重复形状的例举的光掩模图案；
图4示出了其中确定了两种形状的另一例举的光掩模图案；
图5示出了图4所示的来自光掩模图案的散射器；
图6示出了包括具有透明材料罩面层的结构体的另一例举的散射器；
图7示出了类似于图6散射器的另一例举散射器，所不同的是透明材料的罩面层还包括散射颗粒；
图8是根据本发明的散射器的等亮度(iso-luminance)图表；
图9是与图8相同的散射器的角度亮度分布图表；
图10示出了含本发明的散射器的例举液晶显示器的背光；
图11是亮度对极性角所作的图表；
图12示出了通过本发明散射器的散射电子显微镜产生的侧视图；
图13示出了通过图12的散射器的散射电子显微镜产生的顶视图；
图14示出了通过根据本发明的散射器的散射电子显微镜产生的侧视图；
图15示出了通过图14的散射器的散射电子显微镜产生的顶视图。
详细说明
可使用含突出结构体且每一结构体包括多个小表面的散射器，将光传播到宽的视角内。这种散射器可包括光入射面，所述光入射面通常位于载体基底上或者是载体基底的整体的一部分但具有多个光离开小表面。光离开小表面的表面可任选地是粗糙的且进一步包括光散射。该小表面可以是平面、曲面或锥形小表面，且可与载体基底平行，垂直于载体基底，或者在其间的任何取向下。小表面可以是连续的(例如圆形)或离散的(例如六边形)。例如，突出的结构体可以是具有较大表面积的光滑基面(base)作为光入射面和较小表面积的粗糙基面以及在侧面上的六个粗糙表面作为光离开小表面的锥变的挤出六边形。该突出的结构体还可以是具有较大表面积的光滑基面(base)作为光入射面和较小表面积的粗糙基面以及侧面作为光离开小表面的锥变的环形锥体。该突出结构体也可彼此相连，或者可被含光学粗糙表面的空间隔开。从光入射面进入到这种结构体内的光通过光离开小表面散射。被散射的光传播到大角度的范围内，这是因为光离开的小表面具有多个取向。也可通过从散射器的“光离开小表面”中输入光，在相反方向上实现扩散效果。
制造本发明散射器的例举方法始于制备材料混合物。该材料混合物包括至少两种组分和光引发剂。或者，若使用不要求光引发剂的可光聚合材料，则可省去光引发剂。该混合物在光聚合之前应当均匀，且在光聚合之后应当不相容(例如，在光聚合过程中，混合物应当经历相分离)。下表1中列出了例举的混合物。接下来，将载体膜101，例如PET膜，PMMA膜，PVA膜或任何其它合适的膜置于光掩模103上。光掩模103可具有任何合适的结构体，其中包括提供反复、无规或另一合适有序孔隙的一类或更多类孔隙，所述孔隙可以是环形、六边形、八边形。例如，光掩模103可包括六边形或八边形孔隙。另外，可在载体膜101和光掩模103之间施加指数匹配流体，例如异丙醇。接下来，通过刮涂、缝模涂布和任何其它合适的涂布技术，在载体膜101上涂布材料混合物层102。层102的厚度可以是约5微米(0.2mil)至约508微米(20mil)，典型的是约50.8微米(2mil)至约254微米(10mil)。

wt％是重量百分数。
接下来，如图1所示，准直或几乎准直的UV或可见光104经光掩模103的开口通过并选择聚合层102。准直或几乎准直的UV或可见光104引起层102内的第一材料聚合并形成固体结构体。层102的第二材料显著不同于第一材料且在辐照准直或几乎准直的UV或可见光104的过程中与第一材料相分离。第二材料可以是不可聚合的材料或者在准直或几乎准直的UV或可见光104下不聚合的材料。例如，第二材料可以是可热聚合的材料(例如热致聚合物)或辐照准直或几乎准直的UV或可见光104时不聚合的任何其它可聚合的材料。若第二材料是可聚合的，则可在除去层102的未暴露区域之后聚合这一材料。第二材料也可以是辐照UV或可见光时将聚合的可聚合材料。例如，在UV或可见光辐照下，第二材料可以在与第一材料相同或显著不同的速度下聚合且在聚合之后与第一材料不相容。
接下来，用溶剂(例如甲醇、丙酮、水、异丙醇或任何其它合适的一种或多种溶剂)洗涤选择聚合层102，以便除去层102的未暴露区域。另外，位于暴露区域和未暴露区域之间的边界处的在层102的暴露区域内的第二材料也被除去，这是因为它没有充分地被聚合的第一材料包围。这产生具有不平的凹陷表面的光扩散突出结构体206而不是在突出结构体206的小表面上的光滑表面。多个这些结构体206形成具有宽范围的光扩散角的优良的散射器。类似地，可使用其它制造方法，制造结构体散射器。可由相分离材料制造这种类似结构体的散射器，可由非相分离材料制造这种类似结构体的散射器，或者它可以是单一的材料。
突出结构体206具有不平的凹陷表面，所述不平的凹陷表面在每一结构体206上提供多个光散射小表面。这些光散射小表面中的一些是平行的小表面202，而其它是倾斜的小表面204。平行小表面202通常平行于载体膜101，而倾斜小表面204与载体膜101形成0至90度的角度。然而，相分离的随机性质和小的尺寸辅助确保宽泛变化的小表面，这反过来辅助宽泛范围的光分布。另外，通过控制在混合物内第一和第二材料的相对量，可选择光引发剂的相对量和/或层102的辐照，结构体206的表面特征(例如，尺寸、密度、形状)。测定表面特征的能力允许人们选择所得结构体206的一定角度的光分布特征。
图3示出了具有单一反复形状的例举的光掩模图案300。光掩模图案300包括不透明的部分301和空或透明的部分302。
图4示出了其中确定了两种形状的另一例举的光掩模图案400。较大的空或透明的部分402导致形成较大的结构体，而较小的空或透明的部分404导致形成较小的结构体。
图5示出了来自图4所示的光掩模400的散射器500。较大的结构体502来自于较大的空或透明的部分402，而较小的结构体504来自于较小的空或透明的部分404。
图6示出了另一例举的散射器600，它包括具有透明材料罩面层602的结构体206。透明材料罩面层602的折射指数不同于结构体206的折射指数。折射指数之差越大，光的角度分布越宽。典型地，折射指数之差大于约0.005，通常折射指数之差大于约0.01。例如，结构体206可由乙氧化(3)双酚A二丙烯酸酯和聚乙二醇(600)二丙烯酸酯的混合物制成，且平均折射指数为1.52。透明材料602可具有较小的折射指数(例如，硅酮、氟化丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，氟代环氧树脂，氟代硅酮，或其它这种材料)或者可具有较大的折射指数(例如，聚砜，聚苯砜，聚醚砜，或任何其它合适的材料)。
图7示出了类似于图6的散射器600的另一例举的散射器700，所不同的是散射器700还包括在透明材料罩面层602内的散射颗粒702。散射颗粒702可以是玻璃珠，聚合物(例如，聚苯乙烯、丙烯酸类，聚碳酸酯，烯烃类，或其它透光的聚合物材料)颗粒，或任何其它合适的材料的颗粒。
图8是根据本发明的散射器的等亮度图表。图9是沿着45°的水平角，在图8中测量的相同散射器的角度亮度分布图表。表2中列出了散射器的厚度和最大亮度的1/2、1/3和1/10的角度。

形成这一散射器所使用的混合物包括74wt％乙氧化)(3)(双酚A二丙烯酸酯，24wt％聚乙二醇(600)二丙烯酸酯和2wt％苄基二甲基缩酮。形成这一散射器所使用的光掩模103具有相隔5.9微米的侧面长度为35.6微米的六边形重复形状。
可将本发明掺入到各种各样的光源和其它器件内。例如，图10示出了包括本发明散射器的例举的液晶背光(LCD背光)1000。光源1002沿着光波导板1003的边缘发射光。光源1002可以是冷阴极荧光灯，发光二极管或任何其它光源。来自光源1002的光在光波导板1003内耦合并通过波导板1003向上导引。可通过波导板1003的结构体底表面，通过在波导板1003的底表面上的印刷的散射点，或者通过任何其它方式，进行波导板内光的再导引。从波导板1003的顶表面出来的光典型地缺少充足的均匀度，且具有非所需的角度分布。因此，使用散射器和/或其它光学元件来改进均匀度和再塑光的角度分布。例如，可使用第一光学散射器1004，第二光学散射器1006和光学膜1005。使用光学膜1005来进一步再导引光，且它可以是获自3M的无光亮的加强膜，即在美国专利申请序列号No.60/677837中所述的光学膜(在此通过参考将其引入)，或者任何其它合适的膜。第一和第二散射器1004、1006之一或二者可以是本发明的散射器。替代数量和类型的膜可与本发明的一个或更多个散射器结合。或者，可在没有任何额外膜的情况下使用一个或更多个散射器。
在层102内使用的混合物可包括额外的材料。例如，第一材料可以是两种或更多种材料的结合物，第二材料可以是两种或更多种材料的结合物，可存在两种或更多种光引发剂，或者可在混合物内存在其它材料，例如染料或颜料材料。此外，可限制该混合物为便宜材料，这与昂贵材料(例如液晶材料)相反。
进一步的散射器实施例
进一步的实施例1：
使用压缩空气混合器，制备含74wt％单体乙氧化(3)双酚A二丙烯酸酯1、24wt％单体聚乙二醇(600)二丙烯酸酯1和2wt％光引发剂2，2-二甲氧基-1，2-二苯基乙-1-酮(苄基二甲基缩酮)2的混合物。然后在涂布之前，使用～10到1torr的真空使混合物脱气，除去气泡。用电离空气吹扫厚度为1mil的PET基底3，清洁PET膜。或者，可使用粘性膜清洁基底。或者，可使用除了PET以外的对UV光基本上透明的基底，例如PC、PVA、PMMA、MS或任何其它合适的材料。可使用约0.5mil-约20.0mil的厚度，典型的是约1.0-约8.0mil，和可清洁基底或者在其它情况下在使用之前另外制备。在其间采用异丙醇作为折射指数匹配流体，将PET膜置于光掩模顶部。使用刮刀，在PET基底上涂布该混合物到约7.5mil的厚度。接下来，使用来自准直角为～1.5°的金属弧灯的紫外光，通过光掩模照射涂层。在这一实施例中采用55mJ/cm²的UV剂量。然后将UV曝光的涂层(和基底)浸渍在搅拌的甲醇浴内约25秒，以除去未聚合的单体。通过吹扫掉任何残留的溶剂，干燥基底和已聚合的单体。最后，通过辐照500-300010mJ/cm²的UV剂量，进行后固化。
进一步的实施例2：
使用压缩空气混合器，制备含49wt％单体乙氧化(3)双酚A二丙烯酸酯1、24.5wt％乙氧化(6)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯1，24.5wt％金属丙烯酸酯低聚物1和2wt％光引发剂2，2-二甲氧基-1，2-二苯基乙-1-酮(苄基二甲基缩酮)2的混合物。用电离空气吹扫厚度为2mil的PET基底3，清洁PET膜。为了形成散射器结构体，采用55mJ/cm²的UV剂量。其余制备步骤与进一步的实施例1所述的相同。
进一步的实施例3：
使用压缩空气混合器，制备含24.9wt％单体乙氧化(3)双酚A二丙烯酸酯1、49.8wt％单体乙氧化(6)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯1，24.8wt％金属丙烯酸酯低聚物1和0.5wt％光引发剂2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基-氧化膦2的混合物。用电离空气吹扫厚度为2mil的PET基底3，清洁PET膜。为了形成散射器结构体，采用105mJ/cm²的UV剂量。其余制备步骤与进一步的实施例1所述的相同。
进一步的实施例4：
使用压缩空气混合器，制备含23.1wt％单体乙氧化(3)双酚A二丙烯酸酯1、45.7wt％单体乙氧化(6)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯1，23.0wt％金属丙烯酸酯低聚物1，7.0wt％双官能铵共引发剂1，0.2wt％光引发剂1-羟基-环己基苯基酮2和1.0wt％光引发剂2，4，6-三甲基苯甲酰基-二苯基-氧化膦2的混合物。用电离空气吹扫厚度为2mil的PET基底3，清洁PET膜。为了形成散射器结构体，采用48mJ/cm²的UV剂量。其余制备步骤与进一步的实施例1所述的相同。
进一步的实施例5：
使用压缩空气混合器，制备含25.3wt％单体乙氧化(4)双酚A二丙烯酸酯1、26.0wt％单体聚乙二醇(600)二丙烯酸酯1，24.8wt％金属丙烯酸酯低聚物1，21.9wt％聚氨酯丙烯酸酯1和2.0wt％ 2，2-二甲基-1，2-二苯基乙-1-酮2的混合物。用电离空气吹扫厚度为2mil的PET基底3，清洁PET膜。为了形成散射器结构体，采用55mJ/cm²的UV剂量。其余制备步骤与进一步的实施例1所述的相同。
进一步的实施例6：
使用压缩空气混合器，制备含19.5wt％金属丙烯酸酯低聚物1，44.0wt％低粘度低聚物1，19.5wt％聚氨酯丙烯酸酯低聚物1，15.0wt％单一乙氧化(6)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯1，和2.0wt％2，2-二甲基-1，2-二苯基乙-1-酮2的混合物。用电离空气吹扫厚度为7mil的PET基底，清洁PET膜。为了形成散射器结构体，采用75mJ/cm²的UV剂量。其余制备步骤与进一步的实施例1所述的相同。
1的合适的材料可获自Sartomer Company of Exton，Pennsylvania。2的合适的材料可获自Ciba Specialty Chemicals ofTarrytown，New York。3的合适的基底可获自Tekra ofOrange，California。
图11是针对7个散射器的亮度与极性角所作的图表。例举的散射器#1的和例举的散射器#2的图表获自1/2角为约70°的本发明的散射器。表3列出了5种现有技术的散射器的散射器厚度和最大亮度的1/2、1/3和1/10的角度以及1/2角为约70°的本发明的散射器的典型性能。

*归一化为现有技术散射器#1的通量
图12示出了通过1/2角为约20°且具有六边形孔隙的周期性图案的光掩模的本发明散射器的扫描电子显微术产生的侧视图。对应于光掩模孔隙的每一结构体的多个小表面在侧视图中更加明显。
图13示出了通过图12的散射器的扫描电子显微术产生的顶视图。对应于光掩模孔隙的每一结构体的六边形形状在这一侧视图中更加明显。
图14示出了通过1/2角为约70°且具有六边形孔隙的不规则图案的光掩模的本发明散射器的扫描电子显微术产生的侧视图。
图15示出了通过图14的散射器的扫描电子显微术产生的顶视图。
尽管详细地描述了本发明的数个实施方案及其优点，但应当理解，可在没有脱离本发明的教导的情况下对本发明作出各种变化、取代、转变、改性、变体、互变或替代，本发明的精神和范围通过所附的权利要求列出。