软膜(Soft-mode)与硬模(hard-mode)涂布技术之比较

2018-12-02 01:25:56 6618
摘自《评先时代》2013年12月刊   文/冯煜 
 
 
【摘要】硬模和软膜是指在液晶显示光学膜精密涂布行业中所使用的两种不同生产方式。本文从生产,技术及产品角度评述这两种生产方式的优缺点,对两种工艺做比较性的说明。
 
【关键词】 软膜 硬模 棱镜膜 辊筒、辊轮
 
一、前言
 
涂布工艺系以化学手段来改变和完善材料表面特性的加工工艺,随着科学技术的不断发展,涂布工艺日益重要,成为许多功能性材料研究开发所不可或缺的重要技术手段。涂布工艺的采用,可以在一定程度上满足许多材料的功能性需求,提高普通材料的应用范围及附加值。
近年来,平板显示行业迅猛发展。与之相应的是,光学膜的发展也日新月异,需要的涂层更薄,功能性更强,从而推动了精密涂布技术的发展。以涂层结构为特征的功能材料,如LCD显示器中所用的各类光学薄膜,OLED显示屏,OLED照明器,电子显示纸,锂离子电池电极等产品中的功能性材料的研发、生产,都离不开精密涂布工艺的应用。
其中,所谓成卷式精密涂布(Roll-to-Roll Precision Coating)技术,可应用产品领域有IC、PCB、光电、民生、医疗等多种产业,以3M为例,3M公司由涂布而衍生之产品就有数万种之多,从一般产品(如文具胶带)到医疗胶带(美容、疗伤)到电子(IC切割∕PCB防焊),以及光电(LCD用光学膜)等,都是利用精密涂布技术平台研发出的产品,3M每一次皆以高价值、高创新性的崭新产品畅销全世界。目前,随着产品走向趋势及客户要求愈来愈高,加上近年来产业结构改变,产品的研究方向也跟随顾客导向与前瞻创新前提下有了较大的改变,而精密涂布(制程)技术对新产品升级提供了支撑作用。
由于目前多数电子产品皆朝向轻薄短小的趋势发展,涂布产品对精密度及均匀度的要求也逐渐提升,因此在最近几年,国内相关涂布厂商也掀起投入精密涂布相关技术研发,其中又以精密模具涂布方式为最热门,应用如软性印刷电路板、干膜光阻剂、IC用胶带等等。
显示研发技术领域包括胶带产品涂布制程技术、电池材料的连续式挤压型模头涂布、太阳能电池材料涂布制程、DS-TAB基材涂布、软性印刷电路积层材料、彩色喷墨打印材料、Thermal ribbon & receiver开发(D2T2)、陶瓷浆料涂布试作、医疗用保护胶膜涂布、干膜光阻剂涂布、保护胶带产品涂布制程、彩色滤光阻大面积涂布、电子构装材料之引线覆盖芯片用材料(LOC)、高密度印刷电路板增层材料、芯片尺寸构装材料涂布(CSP)等。
对于表面具有精密微结构(微米或纳米级)的产品,紫外光固化的roll-to-roll工艺成为首选,尤其是在液晶显示用光学膜领域。对于紫外光的roll-to-roll工艺,有两种模式是目前生产厂家采用的比较多的,如硬模工艺(hard mode)及软膜工艺(soft mode)。这里我们主要以液晶显示行业背光模组用棱镜膜为例对这两种工艺的优缺性做比较说明。
 
二、棱镜膜的制程
棱镜膜从其制程方式来说分为两类:一、紫外光固化;二、热固化。
目前国内外生产棱镜膜的厂家中,90%选择紫外光固化的方式来生产棱镜膜。在紫外光固化方式生产棱镜膜的企业中,又分两种生产模式:硬模(Hard mode)方式和软膜(Soft mode)方式。其中美国3M、日本、台湾和大部分中国大陆企业都采用硬模(Hard mode)方式,韩国和目前国内部分企业采用软膜(Soft mode)生产方式,此两种方式各有优缺点,我们会对这两种工艺做详细阐述(两种工艺均采用紫外光固化制程)。
硬模生产技术如下:
 
具体流程如下图:
 
硬模(Hard mode)制程其核心技术点在印花滚轮(Drum)上,印花滚轮的制作是在金属轮上先电镀100-500微米厚度的铬(Cr)或镍(Ni)层,然后以精密的特制形状的钻石切刀以一刀从头至尾切出所需要的结构。如下图所示:
 
PET经放卷后穿过印花滚轮(Drum),紫外光固化树脂于PET和印花滚轮之间加入,印花滚轮正下方有紫外灯管,经紫外光照射后,液体状的紫外光固化树脂变成固体,牢牢粘结于PET表面,并将印花滚轮上的结构通过树脂的快速光学固化以阴刻的方式转移与PET上,即得所需结构的光学膜。
硬模生产技术优点:连续生产能力强,无接头,裁切方便;
缺点:模具造价高(数万元人民币不等),前期资金投入高(模具制作前期需电镀及雕刻机,资金的投入在数百万人民币不等)。
 
软膜生产技术:
软膜(Soft mode)的具体生产原理如下图所示:
 
软膜(Soft mode)制程则以特制的具特定棱镜结构的软膜(Soft mode)来取代印花滚轮。与硬模(Hard mode)(Hard mode)不同的是,软膜(Soft mode)(Soft mode)生产方式系以一张长于2米的具光学结构的软膜来替代印花滚轮,此工艺的最大特点是较硬模(Hard mode)生产方式成本低,且操作便捷。
软膜生产技术优点:成本低(以3米长一米宽母膜为例,成本不超过100元人民币);产品调整快(更换母膜即可);研发及前期资金投入低;
缺点:需外购第一块母膜,此后可连续生产;产品每隔数米产生接头,裁切不方便;连续生产能力弱(数千米需换母膜);对母膜品质要求高(因准确复制的原因,母膜上的缺陷能被连续生产转印至产品上)。
 
目前在增光膜行业中,因模具(drum)成本大幅下降,软膜因有接头导致裁切损耗较大等原因,已不利于增光膜生产。除非设备厂能将软膜的接头提升到至少十米开外,这样才能充分发挥软膜的低成本技术。但这样一来,会对生产造成极大的困扰。
但除增光膜行业外,其他精密结构光学膜中,由于精密结构模具的加工上存在一定难度或微纳米结构非精密切割设备所能加工(如Micro-lens,三棱锥等结构各异,需要横纵向均需加工的微结构),软膜技术就具有一定优势,低成本的效果非常明显。
相较于硬模方式,软膜因其具有软弹性的缘故,通过施加张力/压力,可以随着材料的形变而随之形变,可以说对结构的转移复制做到了近乎100%,对结构的转移有其天然优势,如下图:
 
另从研发的角度考虑,软膜易于改造,研发成本低;而硬模研发成本高,损耗大。
硬模和软膜两种生产方式各有自己的优缺点,且进入的技术门槛也不同。目前,硬模工艺因其进入门槛低,采用此种生产方式的厂家较多,但模具成本高;而软膜具有一定的技术难度,进入批量生产较难,但成本低。
可以这样说,在模具加工困难的情况下,软膜技术能生产硬模工艺能生产的产品(棱镜片),也能生产硬模不能生产的产品(如Micro-lens等)。对于模具加工费时费力的精密结构产品,软膜技术具有天然优势。
目前采用软膜技术生产的产品如下:
Micro-lens类:
1 传统LCD-TV背光模组用Micro-lens(无规则分布);
 
 
 
 
 
2 OLED用Micro-lens(规律分布)
 
 
 
 
 
反光膜:
反光膜的结构为三棱锥结构,加工模具较为费时费力,而考察目前市售产品,一定长度的反光膜均有接缝的存在。这也说明因为模具制作的困难,产品生产采用软膜制程相对容易些。
 
 
 
 
结构型硬化膜:
传统硬化膜采用湿式涂布的方式进行生产,产品要么具有高光透过率(表面光滑),不具有防指纹效果;要么低光透过率,具有防指纹效果(如磨砂类)。而目前新开发的结构型硬化膜采用纯紫外光固化型,通过表面结构的规律分布,造成既具有高光透过率又防指纹的效果。此种表面结构需横向及纵向处理,如采用精密切割方式加工模具,周期长且损耗大,软膜工艺及一些特殊工艺(如光刻及黄光制程)较为合适。
还有一些产品如防窥膜、表面具微结构的防眩膜、3D柱透镜(又称3D光栅)、装饰膜(拉丝膜,金葱膜,包装膜等)等也可通过软膜工艺进行生产。 
 
三、结论
两种涂布技术各有长处,就某一行业来说可能某种技术占优,但对另一种领域形势又有不同。选择涂布技术的前提在于多方比较,针对产品的生产来做出审慎的判断。当然了,如一些韩国厂商所采用的方案,两种涂布技术的同时选用不失为一个好方法。
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