本发明专利技术公开了一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法：(1)将打印材料通过3D打印方式，打印在基板上，得到微米级别的微透镜液滴阵列；(2)将打印后的基板反向倒置，倒置至液滴高度不再变化；(3)倒置的液滴进行固化，获得具有大高宽比的微透镜阵列。本发明专利技术还公开了制备大高宽比的微透镜阵列的装置。本发明专利技术通过倒置，让液滴在重力作用下，克服表面张力向下垂落回缩，达到重力和表面张力的平衡状态，提高了液滴高宽比。并且可以通过加热，大幅降低最短倒置时间，进一步提升液滴的高宽比。本发明专利技术方法无需复杂的材料处理，降低对材料粘度、表面张力、触变性等特性的要求，增加了打印材料的适用范围，大幅提高了微透镜阵列的均一性。大幅提高了微透镜阵列的均一性。大幅提高了微透镜阵列的均一性。
【技术实现步骤摘要】
一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法和装置
[0001]本专利技术涉及3D打印技术，具体涉及一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法和装置。
技术介绍
[0002]随着OLED和Micro LED等新型显示技术的发展，在显示电子领域，提高光学亮度，降低能耗成为目前显示面板厂家关注的重点。为了提高亮度，各大显示面板厂家均将更多的光学微结构应用于电子显示组件，微透镜阵列作为一种重要的光学元件，具有体积小、重量轻、集成度高的特点，在显示成像领域展现出显著优势。
[0003]微透镜及微透镜阵列作为一种非常重要的微纳结构光学元器件，通过精确控制微透镜尺寸、孔径、高宽比、分布、焦距、占空比等参数可以实现对光束的有效调制。为适应显示轻薄化，便携化和柔性屏的大量推广，微透镜也要适应客户端需求，尺寸越来越小。射出侧微透镜提高高宽比可以提高正面亮度，为达到更好的光学效果，需要制备大高宽比的微透镜。
[0004]目前，根据制备原理的不同，平面微透镜阵列的制备方法总体上可归纳为表面张力效应辅助法(如微喷打印法、光刻热熔法、丝网印刷法、光聚合法、热熔回流法等)、光刻辅助法(如飞秒激光直写法、飞秒激光酸刻蚀法、灰度掩模法)及机械冷、热加工法(如超精密机械加工法、热压成型法)、化学气相沉积法等。但对于大高宽比的微透镜而言，现有技术较多采用纳米压印方式来制备，纳米压印通过压印工艺将模板上的微透镜阵列图案进行转移，然后通过刻蚀工艺得到微透镜阵列。模板图案的尺寸可以自行设计，因此很容易获得大高宽比的微透镜阵列，但纳米压印对材料和工艺要求极为严格，刻蚀中需要使用卤化氢和氟化物等气体，工艺条件限制大，生产成本高。
[0005]采用打印技术可以直接在基材上打印获得微透镜阵列，打印技术具有成本低、速度快，效率高的优势。现阶段喷墨打印以及电流体动力(EHD)喷射打印(简称电喷印)技术制造微透镜阵列是研究热门，虽然喷墨打印技术对微透镜液滴具有良好的控制能力，但对微透镜材料的黏度有一定的要求，通常小于30cps；电喷印技术通过施加电场以“拉”的方式将打印材料以泰勒锥的形式沉积在打印衬底上，但打印材料的黏度同样受到限制。低黏度的打印材料以液滴形式打印到打印衬底上之后，由于流动性问题和表面张力，会自发的向衬底界面平铺扩散流动，从而降低液滴的高度，难以实现高宽比的提高。为了提高微透镜的高宽比，现有技术的研究方向：一是从打印材料的改进出发，提高黏度或者添加填料/触变剂，降低液滴在打印衬底上的流动性；二是对打印衬底进行表面疏水处理，提高衬底的表面张力，增大界面处的接触角。但打印材料的各种添加剂不能破坏材料本身的折射率和透明度，在不影响打印材料的微透镜性能的前提下，在直径100μm以下级别，现有技术打印的微透镜的高宽比只能达到0.28。对打印衬底的表面处理也有局限。如何提高打印技术制备的微透镜阵列的高宽比，仍有待进一步研究开发。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是，提供一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法，对打印材料无需进行额外处理，采用更为简单的打印技术，在工艺上做优化便可制备较大的高宽比微透镜，降低对打印材料依赖，适用性更为广泛。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：
[0008]一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法，所述方法包括以下步骤：
[0009](1)将打印材料通过3D打印方式，打印在基板上，得到微米级别的微透镜液滴阵列；
[0010](2)将打印有微透镜液滴阵列的基板反向倒置，即微透镜液滴阵列在下，基板在上，倒置至液滴高度不再变化；
[0011](3)倒置的基板上的液滴进行固化，制得大高宽比的微透镜阵列。
[0012]进一步，本专利技术的微透镜液滴阵列或微透镜阵列包括若干在基板上阵列的结构为球面凸起或者近似球面凸起的微透镜单元。
[0013]所述步骤(1)中，微米级别的微透镜液滴阵列中的微透镜单元的高宽比为第一高宽比，步骤(3)得到的微透镜阵列中的微透镜单元的高宽比为第二高宽比，第二高宽比大于第一高宽比。
[0014]进一步，所述步骤(3)得到的微透镜阵列中的微透镜单元的底面直径尺寸为1～100μm，高宽比为0.3～0.43。
[0015]本专利技术中，高宽比是指微透镜单元的中心厚度和底面直径的比值。微透镜单元的底面直径应该理解为一微透镜单元在基板上垂直投影形成的圆的直径；微透镜单元的中心厚度应当理解为微透镜单元的顶点(每一微透镜单元离基板最远的一点)到微透镜单元在基板上垂直投影形成的阴影的距离。
[0016]进一步，所述步骤(2)中，倒置是为了让液滴在重力作用下，克服表面张力，缓慢回缩，直至达到表面张力和重力的平衡状态，此时液滴高度达到最大值，不再变化，可以跟踪测量倒置的液滴高度。当高度不再变化，或者高宽比不再变化时，表明液滴达到平衡状态，即可结束倒置。达到平衡状态的时间，为最短倒置时间。
[0017]所述倒置要求基板与重力方向垂直，不可有倾斜角度，角度倾斜会导致液滴形状受重力影响而偏移。
[0018]达到平衡状态后，液滴的高度达到最大值，不再变化，更长的倒置时间也不会增加液滴的高度。出于提高生产效率的需要，倒置达到平衡状态即可结束倒置。
[0019]最短倒置时间与打印材料的黏度和流动性有关，对于特定的材料，达到平衡的时间是一定的，因此通过最初测试获得平衡时间，也就是最短倒置时间后，设置该材料的倒置时间大于或等于最短倒置时间即可。
[0020]本专利技术的一个实施例中，在室温下，最短倒置时间为2h，一般来说倒置2～4小时即可。适当增加倒置时间是基于可能的环境温度波动和材料批次波动的冗余量。
[0021]进一步，所述步骤(2)中，可以通过加热来降低最短倒置时间和进一步提升微透镜的高宽比。原理在于液滴温度升高，黏度减小，流动性增大，表面张力更小，因此可以更快的达到重力和表面张力的平衡状态，液滴高度达到最大值。
[0022]一般来说，随着温度升高，平衡时间会越短，但温度过高也可能会导致材料性质发
生改变，如热固性材料过热后迅速固化、材料过热氧化发黄、材料易挥发成分挥发不均匀等。特别的，不同打印打印材料和基底的疏水材料对于不同温度有不同的特性，因此不同温度对微透镜最终高宽比具有不同的影响。所以加热温度需要选择一个合适温度，根据具体打印材料的性质而定。
[0023]对于大部分打印材料来说，一般加热至40～60℃来加速平衡，缩短倒置时间。
[0024]在本专利技术的一个实施例中，在60℃下倒置，倒置时间相比室温下的2小时可以缩短到0.5小时。
[0025]进一步，所述步骤(3)中，所述固化方式包括UV固化或热固化，根据步骤(1)打印材料中含有的固化剂种类不同，固化方式不同。
[0026]具体的，打印材料中含有UV固化剂，倒置后进行UV固化，所述打印材料中含有热固化剂，倒置后进行热固化。
[0027]对于热固化类型的打印材料，采用热固化方式时，步骤(2)倒置阶段完成后，直接进行加热固化处理本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)将打印材料通过3D打印方式，打印在基板上，得到微米级别的微透镜液滴阵列；(2)将打印有微透镜液滴阵列的基板反向倒置，即微透镜液滴阵列在下，基板在上，倒置至液滴高度不再变化；(3)对倒置的基板上的液滴进行固化，制得大高宽比的微透镜阵列。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述微透镜液滴阵列或微透镜阵列包括若干在基板上阵列的结构为球面凸起或者近似球面凸起的微透镜单元；所述步骤(1)中，微米级别的微透镜液滴阵列中的微透镜单元的高宽比为第一高宽比，步骤(3)得到的微透镜阵列中的微透镜单元的高宽比为第二高宽比，第二高宽比大于第一高宽比。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(3)得到的微透镜阵列中的微透镜单元的底面直径尺寸为1～100μm，高宽比为0.3～0.43。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中，倒置时加热至40～60℃，缩短倒置时间。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中，所述打印材料为光学树脂。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(3)中，所述固化方式包括UV固化或热固化。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于打印材料中含有UV固化剂，倒置的基板上的液滴进行UV固化，所述打印材料中含有热固化剂，倒置的基板上的液滴进行热固化。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述基板选自硅基板、二氧化硅基板、玻璃基板、蓝宝石基板中的任一种。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述基板在打印前经过疏水处理，所述疏水处理是采用疏水涂料涂覆基板或将基板浸泡于疏水涂料中，然后烘干，制得疏水处理后的基板。10.一种制备大高宽比的微透镜阵列的装置，其特征在于所述装置包括3D打印设备、倒置单元和固化单元，所述3D打印设备包括打印模块、高度测量系统，所述打印模块用于将打印材料打印在基板上，得到微米级别的微透镜液滴阵列，所述倒置单元用于将打印有微透镜液滴阵列的基板反向倒置，所述高度测量系统用于测量倒置的液滴高度，所述固化单元用于固化倒置后的液滴。11.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述倒置单...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡王灿，齐习猛，吴琪，曹航超，
申请(专利权)人：芯体素杭州科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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