等溫?zé)釅河〕尚统?dǎo)光板的工藝研究

1、1.2.3導(dǎo)光板技術(shù)的進展概況作為新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)光板成為國內(nèi)外研究者們所關(guān)注的對象。在過去的十幾年，很多企業(yè)和研究院在該技術(shù)上投入了大量的人力和物力，并取得了諸多的研究成果48。深圳大學(xué)徐平等人提出了一種新型一體化導(dǎo)光板49，這種導(dǎo)光板將背光模組中各個構(gòu)件的作用都集成在了一起，極大地降低了背光模組的厚度，并取得了與傳統(tǒng)背光模組一樣的導(dǎo)光性能50, 51；日本也提出一種可減小背光厚度的導(dǎo)光板，這種導(dǎo)光板的特點在于它的上表面刻有一層v溝槽結(jié)構(gòu)52，這種導(dǎo)光板上面再加一張逆棱鏡膜就可起到原來兩張棱鏡膜的作用；臺灣chao heng chien等人提出一種新型雙面微結(jié)構(gòu)導(dǎo)光板，這種導(dǎo)光板的下表面刻有

2、非規(guī)章排布的微棱鏡結(jié)構(gòu)，上表面刻有規(guī)章排布的微棱錐結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)相輔相成，從而提高導(dǎo)光板的表面均勻度，減小光能的損耗率53；臺灣的ko-wei chien等人還提出了一種亞波長光柵導(dǎo)光板54，這種導(dǎo)光板的頂部有一層亞波長光柵，它的作用是過濾一定方向的光線，而其他光線則可以通過導(dǎo)光板下方的1/4波片和反射片陸續(xù)回到導(dǎo)光板中，若是滿足方向的要求，則又可以經(jīng)亞波長光柵透射出去。這種導(dǎo)光板的好處在于可以降低光能的損耗，提高光能利用率；清華大學(xué)納米研究所提出一種bapc導(dǎo)光板，這種導(dǎo)光板采納一種雙酚a聚碳酸酯（bapc）制成，這種材料有一種特性，它可以在內(nèi)部產(chǎn)生光壓，迫使光線折射的角度發(fā)生改變，從而可以

3、提高導(dǎo)光板的表面亮度55；日本takamitsu okumura提出一種高散射導(dǎo)光板，這種導(dǎo)光板中含有一定的散射顆粒，將進入的光線通過一定的規(guī)律進行散射，使得出射的光線更加均勻高亮56。 1.3聚合物微熱壓印技術(shù)1.3.1熱壓印工藝過程及分類近年來，微結(jié)構(gòu)作為我們生活中的一部分 ，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用。相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)成型技術(shù)逐漸引起了國內(nèi)外廣大研究者們的關(guān)注，并以此取得了諸多成果57。在最初的研究中，機械加工和平板印刷成為了主流成型方式，但隨著這些加工方法耗時長、效率低，許多研究者們發(fā)覺了熱壓印成型法58-60。這種方法加工微結(jié)構(gòu)效率高、速率快、加工質(zhì)量好，成為廣大學(xué)者們所青睞的方法。熱壓?。╤o

4、t embossing lithography，簡稱hel）是納米壓印技術(shù)中普遍采納的壓印方法61。如圖1-6所示，熱壓工藝過程由以下幾步組成：壓模制備、壓印結(jié)構(gòu)和脫模成型。壓模通常用si、sio2、氮化硅、金剛石等材料制成，并通過電子束刻印技術(shù)加工成模具；壓印結(jié)構(gòu)時先將基片放置在下模板上并加熱到其成型溫度范圍，再進行合模壓印，待到一定的時間后將溫度降低到聚合物凝固點周邊；最終分離壓模與基片，取出制品，為了保證制品的質(zhì)量，一定以均勻的、垂直于基片的力進行脫模62, 63。圖1-6 熱壓印工藝流程圖fig.1-6 the diagram of hot embossing process熱壓印技術(shù)

5、可分為以下三類：雙輥式熱壓印技術(shù)、輥對平板熱壓印和平板熱壓印成型技術(shù)64。如圖1-7所示，雙輥式熱壓印技術(shù)的效率最高，它可以完成雙面微結(jié)構(gòu)的壓印，通常用于制備大尺寸、批量產(chǎn)的微結(jié)構(gòu)制品。但由于這種方式加工成本高、工藝復(fù)雜，在小面積的微結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域很少使用；輥對平板熱壓印相比輥對輥熱壓印技術(shù)所需設(shè)備較簡潔，可以在平板上刻制微結(jié)構(gòu)，從而減少加工成本。在本文中研究的導(dǎo)光板面積較小，且相對于輥對平板熱壓印，平板熱壓印技術(shù)能夠制得高精度、高復(fù)制率的微結(jié)構(gòu)器件，故本文中采納的是平板熱壓印成型47, 65, 66。圖1-7 平板對平板、輥對平板、輥對輥壓印結(jié)構(gòu)圖fig.1-7 the structure d

6、iagram of plate to plate, roll to plate, roll to roll embossing1.3.2熱壓印技術(shù)研究現(xiàn)狀在古代，貨幣的復(fù)印就體現(xiàn)了這種壓印技術(shù)，但由于缺少結(jié)構(gòu)化的方法，并且那時還沒有觸及到微米尺寸，這種技術(shù)就只能體現(xiàn)在簡潔的圖形復(fù)制上。隨著科技的進步，凸版印刷機的出現(xiàn)打破了這種格局，如圖1-8所示，成為了壓印技術(shù)另一個新的里程碑67。1870年，微米級熱壓印技術(shù)開始出現(xiàn)，主要體現(xiàn)在唱片的可刻錄上。1993年，來自哈佛大學(xué)的懷特賽茲教授首次提出微接觸印刷法（micro-contact printing method）68，這種方法的工作方式類似于

7、蓋章的過程，首先將印刻的圖案提前加工到模板上，再通過這個模板來壓印一些不同形狀，不同材料的基板，以達到復(fù)制圖案的效果。在此之后，1994年，微納米熱壓印法首次由美籍華人周郁（stephen y.chou）提出69。這種方法是先將固態(tài)聚合物加熱，使其軟化易成型，然后再進行壓印，以此來達到長期的固體基片復(fù)制效果。由于熱壓印技術(shù)溫度改變范圍較小，所以制品受收縮影響程度較低，這相對于微注塑成型，能夠顯著的提高聚合物微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸精度。1997年，壓印特征尺寸得到突破，可成功制得6nm的微結(jié)構(gòu)。1997年，奧地利意唯奇（easton venture group co.ltd，evg）公司公開了第一臺商

8、業(yè)化納米壓印設(shè)備，它的復(fù)制精度達到了1m70。2007年，來自上海交大的孫洪文采納聚焦離子束（fib）在襯底得到所需印章，繞過了經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕（rie），同時還結(jié)合壓印技術(shù)，完成了微納圖案的復(fù)制71。2015年哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉聰?shù)热死酶飨虍愋詽穹ǜg工藝制作壓印模板72，成功地制造出了具有v型剖面、金字塔型、二維方形陣列等微結(jié)構(gòu)形式的模板，這種方法具有低成本、易操作、大批量的優(yōu)點。圖1-8 老式凸版印刷機fig.1-8 the diagram of old type letterpress熱壓印成型由于其突出的優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，也成為微納加工領(lǐng)域的研究熱點之一。德國jenopt

9、ik mikrotechnik公司、奧地利evg等公司憑借著其成熟的壓印技術(shù)，已研制并推出了很多種不同功能的壓印設(shè)備和模具73。在2011年，北京化工大學(xué)的王曉偉等人74成功研制了滾輪壓印設(shè)備，如圖1-9所示，這種設(shè)備相當于將擠出機與壓印設(shè)備綜合在了一起，使得剛擠出的片材就能馬上完成壓印，最終由牽引輥牽引出制品。它是采納伺服電機驅(qū)動上下兩個滾輪以滿足同時轉(zhuǎn)動的要求，便利調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和壓力。這種設(shè)備的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)聚合物基片的連續(xù)化壓印，提高成型的效率，并且剛擠出的制品溫度還未冷卻，直接進行壓印可以免去預(yù)熱的步驟，可謂是一舉兩得。圖1-9 滾輪壓印設(shè)備結(jié)構(gòu)圖fig.1-9 the structur

10、e diagram of roller embossing equipment同時許多高校和研究院為了縮短壓印時間進行了許多研究。例如xie等人將45nm厚的石墨烯涂敷在硅模具上，大幅減少了加熱和冷卻周期，壓印周期縮短至25s，極大地縮短了整個壓印的周期75；董毓才等人利用超聲波進行輔助加熱，提高了模具加熱速率，實現(xiàn)了縮短壓印周期的目的；北京化工大學(xué)吳大鳴教授團隊經(jīng)過近三年的研究和創(chuàng)新，提出聚合物等溫微納米熱壓印技術(shù)76，成功制得25m左右的微結(jié)構(gòu)陣列，并極大地縮短了壓印時間，提高了壓印的速率。1.4論文的主要研究內(nèi)容通過整理和分析導(dǎo)光板熱壓印技術(shù)的相關(guān)文獻，參考試驗室針對本課題的研究現(xiàn)狀，制

11、定了本論文的主要研究內(nèi)容如下：（1）介紹了導(dǎo)光板的基本光學(xué)原理，重點分析等溫?zé)釅河》ǖ墓に囂攸c以及整個等溫?zé)釅河∠戮酆衔锊牧闲阅艿母淖兲攸c。除此之外，提出一種新型的上下模差溫壓印法，并分析這種方法的基本原理以及相對于傳統(tǒng)壓印法的諸多優(yōu)勢。（2）利用deform軟件對上下模差溫壓印過程中的各個工藝參數(shù)進行有限元模擬，分析了不同工藝參數(shù)對雙面微結(jié)構(gòu)復(fù)制質(zhì)量和聚合物成形情況的影響，并以模擬結(jié)果為依據(jù)，實施具體試驗驗證該結(jié)果的合理性。最終，總結(jié)模擬和試驗的優(yōu)化結(jié)果，得出最佳的工藝參數(shù)值。（3）分析影響導(dǎo)光板導(dǎo)光質(zhì)量的各個原因，并利用本試驗室現(xiàn)有壓印機分別對各個原因的影響程度做了試驗驗證。深入探討了導(dǎo)光

12、板厚度與微透鏡結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，并對比分析了pmma和pc兩種材料的導(dǎo)光板所需微透鏡結(jié)構(gòu)的尺寸。（4）根據(jù)網(wǎng)點大小與導(dǎo)光板厚度的關(guān)系，本文提出一種新型的壓印方法，即“補償”熱壓印法。深入分析這種方法的工藝特點以及所帶來的好處，并通過具體試驗驗證“補償”壓印法的可行性，并綜合等溫?zé)釅河》?、上下模差溫?zé)釅河》ǖ贸鲎罴训墓に噮?shù)值。第二章 導(dǎo)光板基本原理及新型壓印工藝方法2.1導(dǎo)光板基本原理2.1.1光的折射與反射依據(jù)幾何光學(xué)理論77，當光從真空中進入介質(zhì)時，光和介質(zhì)的庫侖作用會延遲光在媒介中的傳播速度，同時會發(fā)生折射與反射現(xiàn)象，如圖 2-1所示。這兩種現(xiàn)象都改變了光的方向，但不同的是反射又回到了

13、原來的介質(zhì)中，而折射則是進入到了另外一種介質(zhì)內(nèi)。圖2-1 光的反射與折射原理圖fig.2-1 the principle diagram of the reflection and refraction of light介質(zhì)中的光速 v 定義為：v=c/n (2-1)其中n 為入射介質(zhì)的折射率，c 為光在真空中的速度?？諝獾恼凵渎蕿?.0003，但為了便于計算，一般令其為 1。如表2-1所示為一些常見介質(zhì)的折射率。表 2-1 常見物體折射率表table.2-1 the table of common object refractive index.介質(zhì)折射率介質(zhì)折射率介質(zhì)折射率空氣1.0003

14、pmma1.4900紅寶石1.7700冰1.3090pc1.5860玻璃1.5000平常酒精1.3600水（20°）1.3333乙醇1.3600水晶2.0000鉆石2.4170丙酮1.3600根據(jù)菲涅爾定律，光的折射現(xiàn)象一般遵從如下公式：n1sin1=n2sin2 (2-2)其中1為光線的入射角，2為光線的出射角，n1和n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。2.1.2全反射與臨界角當光線進入介質(zhì)時，如果我們增大入射角，反射角也會相應(yīng)增大， 直到入射角大于某個值時，折射角就會變成了90°。在這個基礎(chǔ)上，如果再陸續(xù)增大入射角，光線就不會進入另一介面，而會全部向內(nèi)部反射，如圖2-2所示，光

15、線從水中射向空氣中。因為沒有折射而都是反射，故稱之為全反射，剛剛發(fā)生全反射的角度就叫臨界角。圖2-2 光的全反射原理圖fig 2-2 the principle diagram of the total reflection of light用公式描述其臨界角為：c=sin-1n1n2 （2-3）2.1.3導(dǎo)光板光學(xué)原理導(dǎo)光板在背光模組中最重要的功能是將點光源轉(zhuǎn)換成均勻的面光源。它的原理主要是基于光的反射和折射現(xiàn)象。如圖2-3所示，光線以臨界角以下的角度耦合進導(dǎo)光板，并通過全反射向前傳播，很少有光線從導(dǎo)光板表面射出，但是當給導(dǎo)光板表面加上散射結(jié)構(gòu)，光線會在接觸到散射結(jié)構(gòu)時破壞全反射，從導(dǎo)光板表

16、面散射出去。臨界角一般取決于材料的折射率，例如聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）的臨界角約為42°。一般散射結(jié)構(gòu)分很多種，例如微透鏡結(jié)構(gòu)、v槽結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)等。為了使導(dǎo)光板表面光線均勻，就得合理的設(shè)置導(dǎo)光板表面微結(jié)構(gòu)大小及距離。圖2-3 導(dǎo)光板光學(xué)原理圖fig 2-3 the principle diagram of light guide plate2.2導(dǎo)光板光學(xué)檢測導(dǎo)光板的檢測和衡量標準與一般的光學(xué)照明系統(tǒng)存在著一定的差別。在照明系統(tǒng)中我們一般追求較高的光學(xué)利用率和亮度值，但在背光系統(tǒng)中首先要求有較好的光照均勻度，即各處的照度值能盡可能一樣。其次是能保證較低的光能損耗率。2.2.1均

17、勻度檢測均勻度檢測主要計算導(dǎo)光板上表面各個點照度值的差異比例。導(dǎo)光板表面的均勻度由均勻性來表示，當導(dǎo)光板的均勻性越高，則表示其照度值的差異性越小。一般測量導(dǎo)光板均勻度時，在其上選擇n個點，分別測量其照度，再用下面的公式進行計算： u=emine×100% （2-8）其中u表示均勻性，emin為n個點中照度的最小值，e為各個點照度的平均值。一般檢測點取的越多，最終計算的結(jié)果誤差就越小。但是當采納儀器測量時，為了提高檢測效率，通常利用九宮格的方式將測量區(qū)域劃分為九塊，再選取每個區(qū)域的中心點進行檢測。如今市面上專業(yè)的均勻度檢測儀有bm-7、bm-7a、ccd等。其中bm-7a更受人們歡迎，

18、如圖2-4所示。圖2-4 bm-7a結(jié)構(gòu)圖fig 2-4 the structrue diagram of bm-7a2.2.2亮度檢測與光能利用率為了使液晶屏出射的光線能夠達到人眼所需要的亮度要求，就一定在加工過程中檢測導(dǎo)光板出射光的亮度水平。對于顯示屏而言，只有達到較高的亮度，人眼才會看得更清楚，尤其是在陽光下或者較亮的環(huán)境中。當然，也不是越亮越好，過高的亮度會顯得刺眼，讓人不舒服。在本文中，所選背光源的發(fā)光強度是一定的，根據(jù)發(fā)光強度值可以計算出導(dǎo)光板亮度的平均值。一般平均亮度值越高，導(dǎo)光板的光學(xué)性能就越好。導(dǎo)光板的光能利用率是指真正進入導(dǎo)光板中光線的光通量與背光光源射出光線的光通量之比。

19、一般情況下，當光線從光源中射出時，一部分通過全反射進入到導(dǎo)光板中，還有一部分發(fā)散到其他地方，并未進入到導(dǎo)光板內(nèi)。這部分損耗的光能越少，則光能利用率就越高。圖2-5 導(dǎo)光板進光口設(shè)計fig2-5 the design of light guide plate inlet為了增加導(dǎo)光板的光能利用率，很多學(xué)者進行了如下幾種改良：第一，在導(dǎo)光板的進光口設(shè)計一種鋸齒形結(jié)構(gòu)，這樣可以使反射出去的光線能再次進入導(dǎo)光板內(nèi)78；第二，采納一種圖2-5所示的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)光板的進光口端面形成突出的斜面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的厚度大于led出光口的寬度，導(dǎo)光板主體厚度完全滿足超薄尺寸的要求。在應(yīng)用時，將led焊接在柔性電路板上，

20、led發(fā)出的光經(jīng)導(dǎo)光板進光口端面突出的斜面結(jié)構(gòu)進入導(dǎo)光板主體，從而幸免光能浪費79；第三，可以在光源周邊加上反射罩，當沒有進入導(dǎo)光板的光線接觸到反射罩后就會反射回進光口，完成第二次進光。2.3新型熱壓印技術(shù)工藝分析2.3.1傳統(tǒng)熱壓印工藝原理研究表明，利用熱壓印方法成型導(dǎo)光板不僅可以幸免注射成型模具難加工的問題，還能提高導(dǎo)光板的成型質(zhì)量，這一優(yōu)勢在成型超薄導(dǎo)光板時可以更加體現(xiàn)。如圖2-6所示，一般情況下，利用熱壓印法成型導(dǎo)光板的工藝流程是先將導(dǎo)光板基片放置在下模板上，再將模具加熱到聚合物的成型溫度范圍內(nèi)。然后進行合模壓印，等到聚合物充滿模腔后再保壓一段時間，為了消除分子之間的內(nèi)應(yīng)力，防止開模后

21、部分鏈段發(fā)生彈性回縮。保壓結(jié)束后就利用壓印設(shè)備進行冷卻，也可一邊保壓一邊冷卻，待到溫度降到聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg以下時就可開模。若是害怕在開模后聚合物基片黏在模具上難以脫模，也可以再加長冷卻時間。最終，脫模時一定以均勻垂直的力取出制品，防止因為外力使得導(dǎo)光板上微結(jié)構(gòu)變形，從而影響導(dǎo)光效果80。工藝參數(shù)是指在加工制品的過程中可調(diào)控的參數(shù)，參數(shù)值的大小直接影響到成型后制品的質(zhì)量。在采納熱壓印法成型導(dǎo)光板的過程中，主要有溫度、壓力和時間這三個工藝參數(shù)。影響導(dǎo)光板成型質(zhì)量的因素有很多，而最為重要和可控的因素就是工藝參數(shù)值的大小。對于很多熱成型的制品來說，溫度是非常關(guān)鍵的因素，它直接決定著坯料的成型狀

22、態(tài)。眾所周知，一般對于無定型聚合物來說，隨著溫度的升高，聚合物會產(chǎn)生三種力學(xué)狀態(tài)，分別是玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，主要的分界溫度有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg和粘流溫度tf。而對于結(jié)晶型聚合物來說，只有兩種力學(xué)狀態(tài)，即固態(tài)和粘流態(tài)，主要的分界溫度為熔融溫度tm。不同材料對于溫度的敏感性也不同，有的聚合物溫度改變十幾度力學(xué)狀態(tài)才會逐漸發(fā)生改變，而有的材料溫度發(fā)生輕微改變都會對成型質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。所以在壓印過程中一定結(jié)合材料特性大致確定成型溫度的范圍，再通過大量試驗逐漸縮小這一范圍，直至達到最優(yōu)值。這也是很多學(xué)者在研究工藝時所采納的一種方法。圖2-6 傳統(tǒng)熱壓印工藝流程fig2-6the process

23、of traditional hot embossing壓力在成型過程中也是必不可少的。如果說溫度改變的是聚合物形態(tài)，那壓力則改變的是聚合物充模的速率和填充質(zhì)量。熱壓印的整個工藝過程中作用在聚合物基片上的壓力有兩個，分別是壓印壓力和保壓壓力。一般壓印壓力越大，則會迫使聚合物填充模腔速率更快，填充越完全，成型質(zhì)量越好，但是也不能過大，過大一方面會加大設(shè)備的損壞率，減少壽命，另一方面會使得聚合物黏在下模上，難以脫模。為了防止脫模后制品發(fā)生回彈或翹曲，一定在充模結(jié)束后施一保壓壓力，使得基片中的聚合物徹底發(fā)生應(yīng)力松弛。在以往的加工中，一般設(shè)置的壓印壓力和保壓壓力值一樣，但在后期研究中人們發(fā)覺，將保壓壓

24、力值降低一點，對成型后制品質(zhì)量以及脫模都有好處。一般無論在哪個領(lǐng)域，時間永遠與效率掛鉤，完成一個成品所需的時間長短直接影響到制品的成型效率。在整個熱壓印的流程中，包含的時間有合模時間、壓印時間、保壓時間、冷卻時間以及離模時間。合模時間與離模時間可以通過控制電機速率來改變。在整個工藝流程中，唯一可以借助其他方法改變的時間為冷卻時間。在以往的研究中，不少學(xué)者通過改變冷卻介質(zhì)，或利用外界設(shè)備來降低冷卻時間，雖然這些方法最終都能達到一定的效果，但同時也增大了設(shè)備的復(fù)雜性，提高了加工的成本。壓印時間與保壓時間影響到最終制品的質(zhì)量，它的大小也一定通過大量試驗來總結(jié)。保壓時間的長短與聚合物力學(xué)松弛現(xiàn)象有很大

25、的關(guān)系。一般情況下，保壓時間與聚合物在一定溫度下發(fā)生應(yīng)力松弛的時間是相同的。若要縮短保壓時間，可以利用時溫等效原理，增大聚合物的溫度，從而達到聚合物應(yīng)力松弛的目的81。由高分子運動的原理可知，為了使聚合物中高分子鏈段有較大的活動空間，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，就一定要有足夠的時間。而有理論可證明，升高溫度也可以使得聚合物發(fā)生彈性形變，所以增大溫度和延長時間在一定程度上都可以使高分子鏈段進行大范圍運動。換言之，溫度和時間對聚合物的機械松弛行為具有同等的影響效應(yīng)。這就是時溫等效原理。這里可以采納一個移動因子at來表征這種等效性。一般情況下，要想得到一個完整的應(yīng)力松弛曲線，需要很長的時間才能完成，所以在一個

26、溫度下是很難測得完整的應(yīng)力松弛曲線的。針對這一問題，很多研究者們將不同溫度下的曲線進行疊合，形成了如圖2-7那樣的曲線。通過后期大量的試驗證明，很多非晶態(tài)線性聚合物的應(yīng)力松弛行為基本符合這條曲線。根據(jù)這一結(jié)論，williams, landel和ferry總結(jié)出了如下的方程 （2-5）這就是wlf方程，這里的ts是參考溫度，若以玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg 作為參考溫度時，經(jīng)過大量的試驗，總結(jié)出了c1和c2近似的普適值，即c1=17.44，c2=51.6。后來人們通過大量試驗論證對于不同高聚物c1、c2在數(shù)值上略有不同。圖2-7 應(yīng)力松弛曲線圖fig. 2-7 stress relaxation curv

27、e時溫等效原理以及wlf公式在微結(jié)構(gòu)的熱壓印成型過程中起到了至關(guān)重要的作用。對于一些需要很長時間才會發(fā)生力學(xué)松弛形象的聚合物，可以通過這一原理，換算出所需的溫度，從而來縮短保壓時間；同樣對于一些會迅速發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象的聚合物，為了研究具體的粘彈形變的過程，可以略微降低一點溫度，從而來延長時間進行觀察。這種方法便利快捷，合理利用之后，不僅會縮短成型時間，還會提高制品的質(zhì)量。2.3.2等溫平板熱壓印工藝原理根據(jù)上一小節(jié)所述，傳統(tǒng)的熱壓印不外乎采納的還是非等溫?zé)釅河」に?，即在每個壓印周期內(nèi)，壓印的模具都一定要經(jīng)過先加熱后冷卻，這將導(dǎo)致耗時嚴峻，延長了平板熱壓印的周期，另外脫模時由于冷卻不足導(dǎo)致脫模簡

28、潔產(chǎn)生脫模缺陷。針對以上這些問題，北京化工大學(xué)塑料與機械研究所吳大鳴教授所帶領(lǐng)的團隊提出了一種新型的壓印方法，即等溫平板熱壓印，簡稱ihe（isothermal hot embossing）。這種方法不同于之前的熱壓印方法，它是在整個壓印過程中保持溫度不變，在壓印和保壓后直接脫模取出制品。這就會引起很多學(xué)者的疑問，不冷卻如何能取出制品。該問題可以在溫度上進行解釋82。（a）無定型聚合物的力學(xué)狀態(tài)（b）結(jié)晶型聚合物的力學(xué)狀態(tài)圖2-8 聚合物力學(xué)性能曲線圖fig. 2-8 the diagram of mechanical properties of polymer如圖2-8所示，為無定型聚合物和

29、結(jié)晶型聚合物形變隨溫度改變的曲線圖。很多研究表明，聚合物隨著溫度的升高從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時會有一個過渡區(qū)，在這一過渡區(qū)中聚合物存在著兩種形態(tài)。例如無定型聚合物隨著溫度的升高從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為高彈態(tài)時，紅色箭頭所指的區(qū)域就是溫度過渡區(qū)，在這一過渡區(qū)中，聚合物既存在玻璃態(tài)，也存在高彈態(tài)，這一格外的狀態(tài)后來被很多學(xué)者稱為“類固態(tài)”。很多理論證明，處于類固態(tài)的聚合物在一定的壓力下完全可以產(chǎn)生形變，這種形變主要以高彈形變?yōu)橹?。而ihe方法就是利用這一理論將微結(jié)構(gòu)模具溫度加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg周邊或結(jié)晶熔點tm周邊，然后對聚合物基片進行熱壓印，在壓印結(jié)束后，由于基片溫度并不是很高，所以可以直接脫模，

30、無需冷卻。這種工藝方法直接省去了冷卻時間，同時也省去了壓印下一產(chǎn)品的加熱時間，這就將壓印流程縮短到只有合模、壓印、保壓、開模四個階段，極大地縮短了成型周期，同時也降低了設(shè)備的復(fù)雜性，可謂是一舉兩得。如圖2-9為無定型聚合物受到ihe的工藝流程圖。在壓印之前先將聚合物基片預(yù)熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，再將模具加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下520。然后進行合模，由于聚合物基片本身預(yù)熱后的溫度很高，模量很低，足以發(fā)生形變，所以當與溫度較低的模具接觸后，就會通過熱傳遞一邊填充微結(jié)構(gòu)一邊進行降溫。在保壓期間，微結(jié)構(gòu)已壓印完全，溫度也逐漸在降低，整個高分子鏈段慢慢停止運動，模量逐漸升高。當充模完成后，聚合物溫度也降

31、到了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg以下，完全達到了脫模的條件，所以不用再冷卻直接可以脫模并取出制品。圖2-9 ihe法成型無定型聚合物的工藝過程fig.2-9 process of forming amorphous polymer by ihe method圖2-10 ihe法成型結(jié)晶聚合物的工藝過程fig.2-10 process of forming crystalline polymer by ihe method因材料本身的性質(zhì)不同，結(jié)晶聚合物的ihe成型過程與無定型聚合物存在著一定的差別。如圖2-10所示，在壓印前，將模具溫度升高至熔融溫度tm以下1050，然后就可直接壓印處于室溫的聚合物基片

32、，當基片接觸到溫度較高的模具時，通過熱傳遞迅速升溫，模量迅速降低，在一定的壓力下，進行充模，在充模完成后，溫度仍然處于熔融溫度以下，基片并未熔融，所以可以直接脫模，取出制品。ihe方法在微結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域具有十分重要的意義。它簡化了加工步驟，將冷卻的環(huán)節(jié)直接去除，為整個加工過程省下了很大一部分時間。除此之外，由于整個過程中加熱的溫度是不變的，所以可以通過增加其他輔助設(shè)備達到連續(xù)化生產(chǎn)。但是，由于這種工藝可加工溫度的范圍比較小，溫度過大就會造成脫模困難，溫度過小則會使微結(jié)構(gòu)成型不完全。為了能找到合適的溫度，一定要經(jīng)過精準的計算以及大量的試驗，這就對試驗人員的技術(shù)提出了的考驗。一旦控制不好，制品內(nèi)部就會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，造成一系列的缺陷。2.3.3上下模差溫?zé)釅河」に囋砣缃?，在很多領(lǐng)域都采納熱壓印法成型微結(jié)構(gòu)，例如導(dǎo)光板、微針、微流控芯片、超疏水結(jié)構(gòu)等的制備。本文中主要是運用這一方法成型導(dǎo)光板。我們都知道，導(dǎo)光板表面的微結(jié)構(gòu)是用來增加導(dǎo)光板的光照強度和表面均勻性，而隨著科技的進步，許多學(xué)者開始在導(dǎo)光板的兩側(cè)都復(fù)制上了微結(jié)構(gòu)，以進一步提高它的導(dǎo)光性能和光能利用率。根據(jù)以往的研究及模擬，不同形狀的微結(jié)構(gòu)在成型過程中所需要的工藝條件也