导光板成型技术台湾

1、K.C. Lin1導光板成型技術探討導光板成型技術探討 K.C. Lin K.C. Lin2source：光電科技協進會，2000年 光電產品範圍光電產品範圍K.C. Lin3透光率透光率光線照射物體會有部分反射，光線進入後部分被吸收光線照射物體會有部分反射，光線進入後部分被吸收 而未被吸收而能透過材料之比例而未被吸收而能透過材料之比例折射率折射率由於各種材料結構不同，光線進入後進行之速度也會由於各種材料結構不同，光線進入後進行之速度也會 不同，通常光線由外界進入後會有偏折之現象，而材料不同，通常光線由外界進入後會有偏折之現象，而材料 折射率與入射與折射角度有一定之關係折射率與入射與折射角度有

2、一定之關係雙折射率雙折射率異方向性之材料或受應力應變作用之材料，會使折異方向性之材料或受應力應變作用之材料，會使折 射率產生方向上的變化，在垂直平面上有不同折射率射率產生方向上的變化，在垂直平面上有不同折射率光彈性光彈性 透明塑膠材料在受到透明塑膠材料在受到應力作用應力作用時，其折射率將會產生時，其折射率將會產生 方向性，即材料平面上具兩個主軸應力，使得此材料方向性，即材料平面上具兩個主軸應力，使得此材料 具有具有兩不同的折射率兩不同的折射率。當光線通過此材料時，沿二個。當光線通過此材料時，沿二個 主軸應力方向振動的光波，彼此以不同的速率前進，主軸應力方向振動的光波，彼此以不同的速率前進， 當

3、穿出材料時就會有相對當穿出材料時就會有相對相位差產生相位差產生。而此相位差正。而此相位差正 比於平面上的兩個主軸應力值之差值比於平面上的兩個主軸應力值之差值塑膠光學特性塑膠光學特性 xxzzNDSDCnnnK.C. Lin4優點優點光吸收量小光傳輸損失少光吸收量小光傳輸損失少材料成品低材料成品低可大量製造可大量製造透光波長範圍廣透光波長範圍廣缺點缺點光學特性隨溫度變化較明顯光學特性隨溫度變化較明顯折射率範圍較窄折射率範圍較窄(1.471.60)表面硬度較差表面硬度較差塑膠光學元件之優缺點塑膠光學元件之優缺點K.C. Lin5 PMMA Mitsubishi Rayon、ICI(Diakon)、

4、奇美、奇美(BQ-501) PC GE(Lexan)、Bayer(Makrolon) 、 Teijin、Idemitsu mCOC Ticona(Topas) 、 Zeon(Zeonex) 、 Mitsui(Apel) PS奇美奇美(PG-33、88、383)透明透明HIPS 奇美奇美(PH-858)透明透明ABS 奇美奇美(PA-758)透明透明NylonEMS、DuPont、AtoChemorientation PE、PP、PET常見的透明性塑膠材料常見的透明性塑膠材料K.C. Lin6高透明性高透明性大折射率大折射率小双折射性小双折射性低色散特性低色散特性潔淨性、低雜質、低氣體釋潔淨性、

5、低雜質、低氣體釋放放高流動性易成形高流動性易成形高耐熱溫度高耐熱溫度低熱膨脹係數低熱膨脹係數低吸水性低吸水性低密度輕量化低密度輕量化高表面硬度高表面硬度性性质质玻璃玻璃PMMAPC比重比重(g/3 )2.45.21.191.2吸水率吸水率(%)-20.4光透光透过过率率(%)90-9192-9387-89折射率折射率1.42-1.921.491.59折射率折射率温温度依存度依存性性(10-4K-1)0.021.11.2阿阿贝数贝数21-8357-5831热变热变形形温温度度*(18.5/2)500-720100138-142洛氏硬度洛氏硬度-M80-100M70優良光學物性優良光學物性K.C.

6、 Lin7特性特性试验试验方法方法 单单位位PCPMMATOPASARTONZEONEXAPELO-PET比重比重ASTM D792g/31.191.191.021.081.11.051.27吸水率吸水率ASTMD570%0.420.010.40.010.010.4折射率折射率ASTMD542-1.581.491.531.511.531.541.62光透光透过过率率 ASTMD1003%909392-9392919190Abbe数数ASTMD542-2758585754-24复折射率复折射率nm60202020252020玻璃玻璃转转移移点点DSC1509380-180171140171125

7、ASTMD648(18.5kgf/2 )抗拉抗拉强强度度 ASTMD638MPa450730660750643-670抗拉伸抗拉伸长长率率ASTMD638%121031016-15抗折抗折弹弹性性率率ASTMD790104MPa2.3332.42.82.3铅笔铅笔硬度硬度 JISK5401-BH2H2HH2HHB物性物性光光学学性性质质热热性性质质热变热变形形温温度度1141309075-170机械性机械性质质164123129新世代透明樹脂之性能比較表新世代透明樹脂之性能比較表source：工研院化工所 K.C. Lin8CrystallineAmorphousBroad Softening

8、 under HeatingSharp Melting under HeatingLike ButterLike IceRigid Solid Soft Solid Melt FlowTG : Glass Transition TemperatureRigid Solid Soft Solid Melt FlowTM : Melt Temperaturesource：MoldflowAmorphous and Crystalline ComparisonK.C. Lin9Stationary PlateXYMoving PlateV+dvdYVA - plate areag g =dVdY.g

9、 g - shear rate.t t =FA t t - shear stressFFixedIdeal shear flowsource：FLOW2000K.C. Lin10OrificeBarrelPistonWeightMeltMeasurement for Melt Flow RateTest Method : ASTM 1263Melt Flow Rate (MFI) and Melt Index (MI) are same MFI = Drop Weight per 10 minutes (gm/10min)If MFI (or MI) is low, Viscosity is

10、highIf MFI (or MI) is high, Viscosity is lowViscosityShear RateMFI measuring regionT = 200T = 220T = 240Processing regionsource：MoldflowMelt Flow Rate vs ViscosityK.C. Lin11LoadEntangle polymerAligned polymerWhen shear rate is increased, polymer chain is highly ordered or align and so viscosity is d

11、ecreased.This phenomenon is Shear thinningShear rate effect on viscosityHigh shear rate makes viscosity lowerViscosityShear RateBarrelNozzleSprueRunnerGatesource：MoldflowPolymer Shear ThinningK.C. Lin12Log Log g gPOWER-LAWPROCESSINGRANGECONE ANDCAPILLARYRHEOMETR101 s-1103 s-1PLATELOG-POLYNOMIAL MODE

12、LLog ( ) = a0 + a1 log (g g) + a2 log2 (g g) + a3 (T - Tr) + a4 (T - Tr)2 + a (T - Tr) log (g g)POWER-LAW MODEL (T, g g) =M me-b (T-Tr) g g n-1 0 (T) = 0 T0 e E/RT - E/RT0 (T) = (T0) e E/RT - E/RT0CARREAU MODEL (T, g g) = 01 + ( g g)a1 - naViscosity Modelssource：FLOW2000K.C. Lin13FOR TUBES:V = Vmax

13、1 - ( )2 Newtonian (n = 1)rRV = Vmax 1 - ( ) n Power Lawn + 1rRProfile becomes more flat as n decreases.2RFor the Power-law Modelsource：FLOW2000K.C. Lin14Amorphous - Low ShrinkageCoolingTgSolid Range Cooling Range Processing RangeCrystalline - High ShrinkageCoolingTgTcTmSolid Range Cooling & Cry

14、stallizing Range Processing Rangen Cooling Parameter : Mold Temperature & Conductivity source：MoldflowPolymer CoolingK.C. Lin15Kuraray PMMA GH-1000-S 物性物性K.C. Lin16The Injection Molding Machinesource：MoldflowK.C. Lin17 short shot and incomplete filling over-packing flash and resin bleeding air t

15、rap bubbles and voids jetting welding line part burning and degradation hesitation effect brittleness of part crazing of part discoloration of part flow marks surface waviness surface lamination surface defects mica specks, silver streaks sticking in cavities, demolding problem sticking in sprue sin

16、k mark shrinkage and warpage stress-induced problem others Common Problems in Injection Moldingsource：MoldflowK.C. Lin18 Describes the phenomena of how plastics flows in a mold Material that enters the cavity first forms the frozen layer near the gate Material that enters the cavity last is in the c

17、enter of the cross section Has direct influence on molecular and fiber orientation at the part surfaceFountain Flowsource：MoldflowK.C. Lin19K.C. Lin20Pressure required to push the plastic into the mold cavityLimited by machine capability Hydraulic pump limitations Usually around 20,000 - 26,000 psi

18、Modern machines can go up to 43,000 psiMajor influence on final part dimensionsInjection Pressuresource：MoldflowK.C. Lin21Factors Affecting Injection Pressuresource：MoldflowK.C. Lin22Melt-Front Area(MFA), Melt-Front Velocity(MFV)K.C. Lin23BAD!, Orientation is different Directions,back flow, over pac

19、king, flow marks, high stresses, & warping.MUCH BETTER!, Orientation in one direction, Uniform, shrinkage, & stresses.The uni-directional flow principle says that the plastic should flow in one direction with a straight flow front throughout filling. This gives a uni-directional orientation

20、pattern.Uni-Directions and Controlled Flow Patternsource：MoldflowK.C. Lin24Position gates as far away as possible from where the flow divides into thick and thin flow paths to avoid hesitation effects.Gate closer to the thin ribGate awayfrom the ribThin RibShort shotsThin rib fillsAvoid Hesitation E

21、ffectssource：MoldflowK.C. Lin25Moldex3D模流分析判圖說明模流分析判圖說明短射短射 (流動遲滯流動遲滯) 遲滯現象發生區域容易造成塑料提早凍結遲滯現象發生區域容易造成塑料提早凍結(freeze)(freeze)，使該區域發生滯，使該區域發生滯料或充填不飽的問題。料或充填不飽的問題。 手機設計常有遲滯問題，此問題來自不均勻的厚度設計，造成模腔手機設計常有遲滯問題，此問題來自不均勻的厚度設計，造成模腔內部的塑料形成競爭狀態，厚度較薄的區域阻力較大往往造成成品內部的塑料形成競爭狀態，厚度較薄的區域阻力較大往往造成成品短射，成型後也因為有較高的殘留應力而造成局部區域

22、破裂！短射，成型後也因為有較高的殘留應力而造成局部區域破裂！厚度分布圖流動波前 20%流動波前 70%遲滯區域遲滯區域source：Moldex3DK.C. Lin26Arrows show direction plastic is moving at the instant of fillFlow front at 90% filledWeld Line moves inside frozen layerAvoid underflow by positioning gates such that the flow fronts meet at the end of filling.Avoid

23、 Underflowsource：MoldflowK.C. Lin27FillingPackingHoldingK.C. Lin28K.C. Lin29RTVP1. P V density 2. T V const P K.C. Lin30K.C. Lin31 Prof1 on bottom starts to even out pressures within cavity. Volumetric shrinkage more uniform but can be made betterPacking Profilesource：MoldflowK.C. Lin32 Profiles mad

24、e the shrinkage on the part more uniform overall In Profile 3, the minimum shrinkage was caused by area of overpacking Long gate freeze time means increased decay time required to reduce the shrinkage near the gate. This however leads to overpacking further from the gate.Volumetric Shrinkages0246810

25、12OrigProf1Prof2Prof3AnalysisShrinkage %MaxDiffMinProfiles010203040506002468101214Time secPressure MPaProf1Prof2Prof3Packing Profilesource：MoldflowK.C. Lin33Injection Molding VS. Injection-Compression Moldingsource：台大楊申語教授K.C. Lin34Flow-Induced Residual StressK.C. Lin35Thermal-Induced Residual Stres

26、sK.C. Lin36K.C. Lin37Experimental Design In order to find how the system responds, we have to carry out experiments.SystemNoise ParametersResponselThis needs to be carried out in a structured way so that -effects of signal changes can be determined-Variance or noise present can be determinedControl

27、ParametersK.C. Lin38Injection MoldingIntended resultUnintendedresultssignalInjectionmoldingMolddimensionsPartdimensionsShort shots,Warpage,DimensionalVariation, Etc.Energy inUseful energyoutHarmful orwastedenergy outEnergytransformationK.C. Lin39Taguchi Experimental Plan Assume that we have a system

28、 with control three factors and we wish to carryout a two level design of experiment 23 If we carried out a FULL factorial experiment, this would be 8 un-replicated experimentsTreatmentABC11-1-1-12a1-1-13b-11-14ab11-15c-1-116ac1-117bc-1118abc111FactorK.C. Lin40導光板分類導光板分類source：SodickFlat明亮Wedge 輕量、少

29、空間外觀發光面反射面鏡面鏡面-點狀印刷點狀鏡面點狀V cut鏡面V cut咬花-V cut咬花V cut咬花-點狀咬花點狀V cut-V cutV cutV cut 表面形狀非印刷印刷K.C. Lin41印刷式導光板印刷式導光板 使用合成樹脂加上擴散材料使用合成樹脂加上擴散材料 (SiO2 or TiO2) 再再加上稀釋劑所混合調配的油墨印刷在壓克力上，加上稀釋劑所混合調配的油墨印刷在壓克力上，經過烘乾之後讓油墨牢固於壓克力面上經過烘乾之後讓油墨牢固於壓克力面上 缺點缺點 必須經過烘乾的程序，如果溫度不夠則油墨無法完必須經過烘乾的程序，如果溫度不夠則油墨無法完全乾燥，而如果溫度過高則導光板容易

30、翹曲，兩者全乾燥，而如果溫度過高則導光板容易翹曲，兩者都是都是NG 油墨容易受到環境濕度的影響而產生不良油墨容易受到環境濕度的影響而產生不良 印刷的條件受油墨、環境、網版、溫度印刷的條件受油墨、環境、網版、溫度.等影響，等影響，容易發生再現性不佳的問題容易發生再現性不佳的問題 K.C. Lin42非印刷式導光板非印刷式導光板 蝕刻蝕刻 (Etching) 導光板反射面作深蝕刻導光板反射面作深蝕刻 取代印刷點取代印刷點 導光板出光面作淺蝕刻導光板出光面作淺蝕刻 取代擴散片的效果取代擴散片的效果 V型切割型切割 (V-cut) 導光板反射面作導光板反射面作V型切割型切割 取代印刷點取代印刷點 導光

31、板出光面作導光板出光面作V型切割型切割 具有稜鏡片的效果具有稜鏡片的效果 噴砂噴砂 (Spray) 導光板出光面作導光板出光面作Spray 具有擴散片的效果具有擴散片的效果 Stamper 導光板反射面作導光板反射面作Stamper 取代印刷點取代印刷點 在成形中混入異折射率材料一同射出在成形中混入異折射率材料一同射出 衍射衍射 (Diffraction)Acrylic / SiK.C. Lin43非印刷式導光板製程比較 (1)方方 式式優優 缺缺 點點Etching以曝光顯影製程形成以曝光顯影製程形成網點網點(200-300m)網點大於印刷的網點，全反射被網點大於印刷的網點，全反射被破壞的程

32、度不如印刷式，輝度破壞的程度不如印刷式，輝度亦不如印刷成型的導光板亦不如印刷成型的導光板K.C. Lin44非印刷式導光板製程比較非印刷式導光板製程比較 (2)方方 式式優優 缺缺 點點Stamper 以模具射出形成網點以模具射出形成網點(40-50m)，亂射面設，亂射面設計能破壞光源之全反計能破壞光源之全反射並控制光源射出導射並控制光源射出導光板面角度的分布，光板面角度的分布，網點的數量多寡對光網點的數量多寡對光源作有效率的控制源作有效率的控制 技術較純熟，網點可隨模具任意技術較純熟，網點可隨模具任意設計形狀，若網點為極小的平滑設計形狀，若網點為極小的平滑鏡面，可使光在網點及導光板內鏡面，可

33、使光在網點及導光板內部的損失減至最小部的損失減至最小 K.C. Lin45非印刷式導光板製程比較非印刷式導光板製程比較 (3)方方 式式優優 缺缺 點點Slot-cut 以切削的方式製造出以切削的方式製造出一條條長溝形的結構一條條長溝形的結構(溝寬溝寬50-200m、深度、深度15-100m)，使光源由，使光源由導光板正面射出，由導光板正面射出，由長溝之寬度及深度控長溝之寬度及深度控制出光面之光學強度制出光面之光學強度及性質及性質 輝度較印刷式多輝度較印刷式多10%(光源擴散角光源擴散角較小，使正面光源增強較小，使正面光源增強)及製造方及製造方便，另外在出光面亦使用切削的便，另外在出光面亦使用

34、切削的方式製造與稜鏡片結構相似的鏡方式製造與稜鏡片結構相似的鏡面結構，更能增加輝度，但在均面結構，更能增加輝度，但在均一性上仍待加強一性上仍待加強 K.C. Lin46非印刷式導光板製程比較非印刷式導光板製程比較 (4)方方 式式優優 缺缺 點點內部擴散內部擴散 將具擴散性質的顆粒將具擴散性質的顆粒材料如材料如MMA在射出成在射出成型時直接注入導光板型時直接注入導光板內部，利用濃度的不內部，利用濃度的不同對光源作有效率的同對光源作有效率的射出調制射出調制 均勻分布在導光板並降低光源仍均勻分布在導光板並降低光源仍留在導光板內損耗的可能，製造留在導光板內損耗的可能，製造方便，但技術未成熟方便，但技

35、術未成熟 K.C. Lin47導光板成型技術要求導光板成型技術要求 防止異物混入：異物是導致輝度不均、輝點、黑點。防止異物混入：異物是導致輝度不均、輝點、黑點。 不能黃變：變黃是光線穿透率降低、輝度降低之原因。不能黃變：變黃是光線穿透率降低、輝度降低之原因。 低收縮翹曲。低收縮翹曲。 低殘留應力。低殘留應力。 低重量變異尺寸安定。低重量變異尺寸安定。 高轉寫性。高轉寫性。source：ToshibaK.C. Lin48導光板成型射出機特性導光板成型射出機特性 防止異物混入及變黃：光學用螺桿料管材質、加熱控防止異物混入及變黃：光學用螺桿料管材質、加熱控制、入料口防銹處理、細濾網、抽真空或氮氣裝置。制、入料口防銹處理、細濾網、抽真空或氮氣裝置。 高轉寫及低殘留應力：射出壓縮功能、多段射出、多高轉寫及低殘留應力：射出壓縮功能、多段射出、