光固化技术与微光学器件制作

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光固化技术与微光学器件制作

微光学是20世纪90年代新兴的新技术。微光学器件以其体积小、重量轻、易集成等优点在航空航天、光互连、光通讯等各个领域有着重要和广泛的应用。微光学结构在显示器件，如平板显示、微显示、数码产品，以及光学器件有大量的应用。随着我国成为世界的制造中心，微光学以及微器件的加工和生产将向我国转移，廉价微器件的批量制作技术需求日益迫切。由于高效、节能、环保，适合在线连续高速生产的特点，光固化技术在微器件、包括微光学元件制作有大量、不可替代的应用。本文介绍光固化技术在微光学器件方面的一些应用，希望对相关领域的人员有所帮助。

费涅尔透镜是一类具有聚光功能的光学元件，表面有特殊设计的微结构，广泛用于背投显示、液晶器件、投影机、信号灯、新型照明灯具等。图1是一些费涅尔透镜的示意和实例：a示意的是 背投显示屏的费涅尔透镜（左半）和柱面镜（右半），b: 液晶显示器光学部器件的结构，契形的底部是导光板，侧将面的光均匀向上反射，上部显示的是控制光线发散方向的聚光膜的结构，美国3M公司是这种聚光膜的主要供应商。费涅尔透镜
a b
d
c

   


图1。微光学结构器件实例。a: 背投显示屏的构成, 左半为费涅尔透镜, 右半为柱面镜; b: 液晶显示器光学器件的结构, 底部为契形的导光板，上部是聚光膜; c 和d: 交通信号灯和投影机用的聚光板都是微光学结构的器件。

尔透镜和柱面透镜板，以及其它表面有微浮雕结构的光学膜，如激光防伪膜等，可以用热模压、注射成型、热浇注以及光固化等方式加工，这些加工法的特点比较见表1。热浇注法生产效率低，产品精度差；注射成型法投资大，特别是模具的精度要求高，但是生产效率高，光盘都是采用此法生产； 热模压的生产效率不高，但容易操作，特别适合激光防伪膜等的生产；如表1所示，光固化生产方法的优势明显，投资小，生产效率高。
表1 微光学板的几种制备方法比较

	热模压	注射	热浇注	光固化
精度	高	低	高	高
效率	低	高	低	高
投资	高	高	小	小
评价	较好	一般	差	优秀

光固化制作微光学器件可以采用间隙式方式，或类似辊压的连续法，工艺原理见图2和图3。以间隙式（光铸法）制备为例，光固化生产费涅尔透镜板的过程大致如下：先施加光固化树脂到金属镍制成的模板上，放上有机玻璃板，透过有机玻璃板用高强度紫

图2。浇注法制备微光学树脂板的示意图。


图3。连续法制备微光学薄膜的
示意图
外灯固化树脂，树脂固化后轻微用些力就可使复制了模具微结构的透镜板从金属镍板上剥落，光固化过程一般在一分钟以内。所采用的微光学树脂的性能要求是，易于脱模、有特定的折光指数、与基板的附着好、耐黄变。例如制备费涅尔透镜的一份美国专利：光固化树脂 [2]由芳香族聚脂多元醇的（甲基）丙烯酸聚氨酯、（甲基）丙烯酸酯环氧树脂、含芳环的（甲基）丙烯酸酯以及光引发剂、增塑剂构成。这种树脂强调固化后的硬度和高的折光指数，但耐黄变性不足。由于金属模板上有沟槽，固化后的透镜板剥离时容易损坏，特别是制备大面积的透镜板时，树脂好坏的指标之一就是脱模的难易性。我们研制了一种光固化微光学树脂，可以制备42英寸的背透显示屏，光固化后屏板周边自行脱离模板，非常容易剥离，折光指数在1.49-1.52可调整，耐黄变性突出。连续光固化法适合制备微光学膜，在有微结构的金属辊压的同时光固化，所用的光固化树脂粘度较高，最好是半流体。
下面介绍一个光固化用于液晶显示器（LCD）的新技术[3]，这种技术投入实际使用可能还要更进一步的研究和完善，但对光固化专业的人士有启发。荷兰菲利普公司的研究人员将液晶小分子混合在液态光固化“涂料”中，固化反应形成高分子时，液晶分子被赶到涂层的下层，形成上部是硬壳，下部为液晶的结构。光固化“涂料”所用的液晶是联苯腈类，含量为“涂料”的55%，选用的单体是甲基丙烯酸降冰片酯，用量为44.5%，交联剂是含有液晶性二苯乙烯单元的双甲基丙烯酸酯，用量5%，它们的化学结构如下所示：







     





为了使上部的硬壳与基底有联系，采用了两步曝光的工艺，工艺示意图见图4，先用波长400nm的紫外光透过开口约100微米的掩膜曝光，形成（500x500x20）微米的微腔，再用波长340nm的紫外光曝光使涂层固化，相分离就使液晶分子聚集在腔体的底部，形成了液晶显示的单元格！由于目前LCD的液晶灌、封步骤多，技术复杂，这种类似涂装工艺的液晶灌封技术将使LC D显示器的制造成本大幅度降低，理论上，这种涂装的技术适合于在许许多多的基体表面上制备显示器。



图4。光固化涂装制备相分离液晶器件的工艺步骤示意图。a. 光固化后液晶相沉积在底部，上层为硬壳的涂层；b. 用400nm波长的紫外光透过掩膜固化形成腔体骨架；c. 用短波长的UV曝光形成相分离。



图5。光固化涂装工艺制备的液晶显示器件单元格。a. 微腔体结构的照片；b. 微腔体顶部观察的偏光显微镜照片；c. 单元格的结构示意图。