专利名称：透镜阵列的制造方法、透镜阵列及其光学元件阵列装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件阵列及其制造方法，且特别涉及一种透镜阵列及其制造方法。
背景技术：
近年来微透镜(microlens)的应用受到高度的重视，原因是它能够大幅改善光电元件的性能，特别是在发光元件、光侦测器、太阳能电池、光纤通信以及微光机电系统等领域。公知技术提出在发光二极管表面上制作微透镜，因此发光二极管的发光效率能够提升50％。公知技术提出在光侦测器表面上制作微透镜，因此光侦测器的光电流也能提升11％。同样地，微透镜也被应用在人造卫星的太阳能板，以提高太阳能板的光利用率。因此，如何以经济而有效的方法制作微透镜，同时能够与光电元件相匹配，是亟需努力的目标。
目前微透镜的制作方法很多，例如喷墨打印法、光阻热熔法、热压模造法、光掩膜光刻法与激光光刻法等。喷墨打印法主要利用喷墨头将等量的液体透镜材料挤压于基板上。在表面张力的作用之下液体透镜材料会自动凝聚成半球状液滴，因此在固化液体透镜材料后，在基板的表面便可形成透镜。通过控制溶液的体积与基板的表面性质便可控制透镜的形状。此外，搭配喷墨打印技术与精密移动平台，便可精确控制透镜的位置。然而，喷墨打印法的主要缺点是设备昂贵与制作耗时。
热熔法主要是利用旋转涂布来控制光阻的膜厚，然后以光刻工艺定义出光阻的图形与位置。接着，将光阻加热至液态。此时，在表面张力的作用下液态光阻将凝聚成半球状，当半球状的液态光阻降回室温后便会形成固体状。然后，再利用干蚀刻将光阻的形状转换到基板的表面。在透镜基底固定的情况下，光阻膜厚与透镜形状将有一定的转换关系。然而，热熔法的缺点是需要昂贵的光刻设备以及制作过程太过复杂。
热压模造法主要是利用微机械加工与钻石研磨方式，在金属块材表面制作凹陷的透镜母模。然后，通过射出成型或是用机械力加压的方式，定义透镜的形状。然而，热压模造法的缺点是母模的制作成本太高以及透镜无法微小化。
光掩膜光刻法主要是利用灰阶光掩膜(half-tong mask)来控制光通量的大小，并以高分子作为透镜材料。由于紫外光会将高分子的键结打断成为小分子，且小分子会溶解于显影液中，因此光通量越大蚀刻深度越深。光掩膜光刻法的缺点是灰阶光掩膜的制作成本昂贵，且不容易取得。
激光光刻法主要是利用准分子激光，直接将基板气化，以形成透镜形状。激光光刻法的缺点是准分子激光设备昂贵，以及工件表面容易造成微小颗粒残留而影响光穿透率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种透镜阵列的制造方法，以降低制造成本。
此外，本发明的另一目的是提供一种透镜阵列，以改变光的传播路径。
另外，本发明的又一目的是提供一种光学元件阵列装置，以提高元件的光电性能。
为达上述或是其它目的，本发明提出一种透镜阵列的制造方法，其包括下列步骤。首先，在基板上形成自组装单分子层，以形成亲水性区域与疏水性区域。在基板上涂布液态材料，以在亲水性区域上凝聚出多个液态透镜。固化这些液态透镜，以形成多个透镜。
在本发明的一实施例中，自组装单分子层所覆盖的区域为疏水性区域，且自组装单分子层所暴露出的区域为亲水性区域。
在本发明的一实施例中，自组装单分子层所覆盖的区域为亲水性区域，且自组装单分子层所暴露出的区域为疏水性区域。
在本发明的一实施例中，形成自组装单分子层的方法可以是在第一模具上形成胶层。然后，固化胶层，以形成第二模具。分离第一模具与第二模具。使用第二模具以微接触印刷方式(micro contactprinting)在基板上形成自组装单分子层。
在本发明的一实施例中，胶层的材质可以是聚二甲硅氧烷(plolydimethylsiloxane，PDMS)。
在本发明的一实施例中，固化液态透镜的方法可以是利用紫外线或加热。
为达上述或是其它目的，本发明提出一种透镜阵列，其适于设置于基板上。此透镜阵列包括自组装单分子层与多个透镜，其中自组装单分子层设置于基板上，且自组装单分子层在基板上定义出亲水性区域与疏水性区域。这些透镜设置于亲水性区域上。
在本发明的一实施例中，自组装单分子层的通式为X-R-Y，其中X官能基适于与基板产生键结、R为碳氢链、Y官能基适于改变基板的表面特性。
在本发明的一实施例中，X官能基可以是对称或非对称的硅烷化合物、三氯硅烷(trichlorosilane)、三甲氧基硅烷(trimethoxysilane)、二硫化物(disulfide)、硫化物(sulfide)、二硒化物(diselenide)、硒化物(selenide)、硒醇(selenol)、硫醇化合物(alkanethiol)、亚硝酸化合物(nitrile)、异腈(isonitrile)、三磷化物(trivalentphosphorous compounds)、硫氰化物(isothiocyanate)、黄酸盐(xanthate)、硫醇化合物(thiocarbamate)、磷化氢(phosphine)、硫代羧酸(thioacid)、二硫代羧酸(dithioacid)、羧酸(carboxylic acids)、羟酸(hydroxylic acids)或羟肟酸(hydroxamic acids)。
在本发明的一实施例中，Y官能基可以是羟基(hydroxy)、羧基(carboxyl)、胺基(amino)、乙醛(aldehyde)、联氨(hydrazine)、氟代(fluoro)、苯基(phenyl)、含有羰基(carbonyl)的金属化合物、环氧化物(epoxy)或乙烯基(vinyl groups)。
在本发明的一实施例中，透镜的材质可以是环氧树脂(epoxyresin)、压克力(acrylate)、聚硅氧烷(polysiloxane)、聚酰亚胺(polyimide)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、聚氟环丁烷(perfluorocyclobutene)、苯并环丁烷(Benzoyclobutane，BCB)、聚碳酸脂(polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚氟脂(polyurethane)或聚二甲硅氧烷。
为达上述或是其它目的，本发明提出一种光学元件阵列装置，其包括光学元件阵列装置主体与透镜阵列。其中，透镜阵列设置于光学元件阵列装置主体的表面上。此透镜阵列包括自组装单分子层与多个透镜，其中自组装单分子层设置于光学元件阵列装置主体的表面上，且自组装单分子层在表面上定义出亲水性区域与疏水性区域。这些透镜设置于亲水性区域上。
在本发明的一实施例中，自组装单分子层的通式为X-R-Y，其中X官能基适于与基板产生键结、R为碳氢链、Y官能基适于改变基板的表面特性。
在本发明的一实施例中，X官能基可以是对称或非对称的硅烷化合物、三氯硅烷、三甲氧基硅烷、二硫化物、硫化物、二硒化物、硒化物、硒醇、硫醇化合物、亚硝酸化合物、异腈、三磷化物、硫氰化物、黄酸盐、硫醇化合物、磷化氢、硫代羧酸、二硫代羧酸、羧酸、羟酸或羟肟酸。
在本发明的一实施例中，Y官能基可以是羟基、羧基、胺基、乙醛、联氨、氟代、苯基、含有羰基的金属化合物、环氧化物或乙烯基。
在本发明的一实施例中，透镜的材质可以是环氧树脂、压克力、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氟环丁烷、苯并环丁烷、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚氟脂或聚二甲硅氧烷。
在本发明的一实施例中，光学元件阵列装置主体可以是显示器、发光二极管、光侦测器或太阳能电池。
基于上述，本发明利用自组装单分子层改变基板的表面性质，以形成亲水性区域与疏水性区域。然后，利用液态透镜材料在表面张力的作用下会凝聚在亲水性区域上，以形成液态透镜。因此，本发明能够快速且大量地制造透镜阵列，以降低透镜阵列的制造成本。
为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1是依照本发明的一实施例的一种透镜阵列的制造方法的流程图。
图2A至图2F是依照本发明的一实施例的一种透镜阵列的制造方法的流程剖面图。
图3A是依照本发明的一实施例的一种光学元件阵列装置的俯视图。
3B是沿图3A的A-A’线的剖面图。
主要元件标记说明100第一模具110、410基板120柱状结构200第二模具210胶层300、520透镜阵列310、522自组装单分子层310a、522a疏水性区域320、524透镜410a、510a亲水性区域500光学元件阵列装置510光学元件阵列装置主体S110、S120、S130步骤具体实施方式
图1是依照本发明的一实施例的一种透镜阵列的制造方法的流程图，而图2A至图2G是依照本发明的一实施例的一种透镜阵列的制造方法的流程剖面图。请先参考图1，本实施例的透镜阵列的制造方法包括下列步骤。首先，进行步骤S110，步骤S110为在基板上形成自组装单分子层，以形成亲水性区域与疏水性区域。然后，进行步骤S120，而步骤S120为在基板上涂布液态材料，以在亲水性区域上凝聚出多个液态透镜。再来，进行步骤S130，步骤S130为固化这些液态透镜，以形成多个透镜。以下将配合剖面图对于各步骤进行详细的说明。
在本实施例中，形成自组装单分子层的方法为微接触印刷方式，然而自组装单分子层也可以采用其它方式形成。
请参考图2A，就微接触印刷方式而言，形成自组装单分子层的方法包括下列步骤。首先，提供第一模具100，而第一模具100包括基板110与设置于基板110上的多个柱状结构120，其中柱状结构120可以是圆柱或角柱。更详细地说，基板110例如是硅晶片。然后，对于基板110进行图案化，以形成柱状结构120。然而，在另一实施例中，形成柱状结构120的方式也可以是在基板110上形成材料层，然后对于此材料层进行图案化，以形成柱状结构120。
请参考图2B，然后在第一模具100上形成胶层210，而此胶层210的材质可以是PDMS。更详细地说，胶层210的原料可以是采用道康宁公司(Dow Corning Corporation)所生产的硅橡胶(siliconeelastomer)184，并将主体(A剂)与起始剂(B剂)以10∶1的比例混合。搅拌混合溶液五至十分钟使其均匀混合，然后静置约一小时让气泡脱离溶液表面。然后，将混合溶液均匀注入第一模具100表面，且胶层210的厚度约几个毫米左右。
请参考图2C，然后固化胶层210，以形成第二模具200。然后，分离第一模具100与第二模具200。更详细地说，使用加热灯对胶层210进行烘烤，而烘烤温度约为60～80℃。此外，烘烤时间约为一至二个小时。在固化胶层210之后，以机械力方式将第一模具100与第二模具200分离。
由于固化后的PDMS是弹性体，并具有很高的机械强度与化学安定性，因此PDMS可以完全复制第一模具100表面的图形。换言之，第二模具200可以视为弹性模具(elastomeric stamp)。此外，同一个第一模具100可以依照上述的方式，复制出多个第二模具200，且其准确性仍然在误差范围之内，因此此方法非常具有经济效益。
请参考图2D，将自组装单分子材料均匀涂布在第二模具200表面，以形成自组装单分子层310。由于第二模具200的凸起的部分具有许多微小的孔洞，因此第二模具200能够利用毛细现象吸附自组装单分子材料。此外，有关于自组装单分子层310的成分与调配方法将详述如后。
自组装单分子层310的成分通常是硅烷化合物或是硫醇化合物，以体积比或是摩尔浓度比与有机溶剂混合加以稀释，经过充分搅拌后即可使用。由于硅烷化合物或硫醇化合物均具有很强的活性，很容易与空气中的水和氧气反应，因此溶液设置的过程中最好在手套箱内进行，同时选择高纯度的溶剂以避免溶液变质。
更详细地说，自组装单分子层310的通式为X-R-Y，其中X官能基适于与基板产生键结、R为碳氢链、Y官能基适于改变基板的表面特性。此外，R通常具有-(CH2)n-的形式，且n通常大于或等于2。
X官能基可以是对称或非对称的硅烷化合物、三氯硅烷(-SiCl3)、三甲氧基硅烷(-SiOCH3)、二硫化物(-R′SSR，-RSSR)、硫化物(-R′SR，-RSR)、二硒化物(-R′Se-SeR)、硒化物(R′SeR，-RSeR)、硒醇(-SeH)、硫醇化合物(-RSH)、亚硝酸化合物(-CN)、异腈、三磷化物、硫氰化物、黄酸盐、硫醇化合物、磷化氢、硫代羧酸、二硫代羧酸、羧酸、羟酸或羟肟酸。此外，上述的R与R′是由碳氢化合物(hydrocarbon)所组成，呈现长链状结构，其中可能参杂异质元素像是氮或氟等。另外，为了让分子有规则排列，R与R′不希望有侧链存在。
Y官能基可以是羟基、羧基、胺基、乙醛、联氨、氟代、苯基、含有羰基的金属化合物、环氧化物或乙烯基。
请参考图2E，使用第二模具200以微接触印刷方式在基板410上形成自组装单分子层310。在本实施例中，基板410可以是金属薄膜、金属氧化物、半导体、半导体氧化物或高分子材料。其中，金属薄膜的材质可以是金、银、铜、铝、铁、镍、锆或铂。此外，半导体例如是硅。半导体氧化物例如是二氧化硅、玻璃或石英。另外，高分子材料例如是聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene-terephthalate)、丙烯脯(acrylonitrile-butadiene-styrene)、丙烯酸甲脂(acrylonitrile-methylacrylate copolymer)、玻璃纸(cellophane)、乙基纤维素(thyl cellulose)、醋酸织维素(cellulose acetate)、乙酸丁酸纤维素(cellulose acetatebutyrate)、丙酸纤维素(cellulose propionate)、三乙酸纤维素(cellulosetriacetate)等纤维聚合物(cellulosic polymers)、聚乙烯(polyethylene)，聚乙烯与醋酸乙烯酯共聚合物(polyethylene-vinyl acetatecopolymers)、乙烯离聚物(ionomers(ethylene polymers))、聚乙烯尼龙聚合物(polyethylene-nylon copolymers)、聚丙烯(polypropylene)、甲基戊烯聚合物(methyl pentene polymers)、聚氟乙烯(polyvinylfluoride)或芳铝化合物(aromatic polysulfones)等。
通过自组装单分子层310与基板410产生的共价键结，以改变基板410表面的物理性质，例如亲疏水性与液体接触角的改变。因此，在基板410上便能定义出亲水性区域410a与疏水性区域310a。在本实施例中，由于基板410的表面性质为亲水性，而自组装单分子层310的表面性质为疏水性，因此当自组装单分子层310设置于基板410上时，自组装单分子层310所覆盖的区域为疏水性区域310a，且自组装单分子层310所暴露出的区域便是亲水性区域410a，如图2E所示。
请参考图2F，在基板410上涂布液态材料，以在亲水性区域410a上凝聚出多个液态透镜。由于基板410上区分为疏水性区域310a与亲水性区域410a，因此当基板410上涂布有液态材料时，在表面张力的作用下，此液态材料将在亲水性区域410a上凝聚出多个液态透镜。更详细而言，由于液体状的透镜材料具有自由流动的特性，因此当此液态材料遇到表面能较小的疏水性区域310a时，液态材料会受到排斥而往表面能较大的亲水性区域410a流动。此外，在表面张力的作用下，液态材料将汇聚成半球状，以形成液态透镜。
然后，固化这些液态透镜，以形成多个透镜320，而固化的方式可以是利用紫外光或加热。至此，透镜阵列300大致完成。上述的透镜320具有透明、机械强度高、具化学稳定性、容易取得与价格便宜等特性。此外，透镜320的折射率介于1-2之间。举例而言，透镜320的材料例如是环氧树脂、压克力、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氟环丁烷、苯并环丁烷、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚氟脂、聚二甲硅氧烷或是其它高分子材料。
图3A依照本发明的一实施例的一种光学元件阵列装置的俯视图，而图3B是沿图3A的A-A’线的剖面图。请参考图3A与图3B，光学元件阵列装置500包括光学元件阵列装置主体510与透镜阵列520。其中，光学元件阵列装置主体510例如是显示器、发光二极管、光侦测器或太阳能电池。此外，透镜阵列520设置于光学元件阵列装置主体510的表面上。此透镜阵列520包括自组装单分子层522与多个透镜524，其中自组装单分子层522设置于光学元件阵列装置主体510的表面上，且自组装单分子层522在表面上定义出疏水性区域522a与亲水性区域510a。另外，这些透镜524设置于亲水性区域510a上。
在本实施例中，当光学元件阵列装置主体510的表面性质为疏水性时，只要进行表面改质，例如使用紫外光臭氧(UV ozone)或是氧气等离子(O2 plasma)，就能获得亲水性的表面。举例而言，当光学元件阵列装置主体510的表面性质为疏水性，而自组装单分子层522的表面性质为亲水性时，自组装单分子层522所覆盖的区域便是亲水性区域，且自组装单分子层522所暴露出的区域便是疏水性区域。
值得注意的是，上述的透镜阵列的制造方法并不限定在显示器、发光二极管、光侦测器或太阳能电池上形成透镜阵列，而上述的透镜阵列的制造方法可以在各种型态的光学元件阵列装置表面形成透镜阵列。
就发光二极管而言，透镜阵列不仅能够减少全反射的发生，更可破坏波导结构(wave guide structure)与微共振腔效应(microcavityeffect)，以增加出光效率。
就光侦测器而言，透镜阵列可以将光信号集中在感光区，其结果不仅能够提升光的利用率与改善光侦测器的信号与噪音的比率，同时可以缩短反应时间，减少失真。
就太阳能电池而言，透镜阵列可以增加太阳能电池对环境光的吸收，以弥补能量转换效率的不足。此外，目前太阳能电池的制作成本昂贵，因此在太阳能电池表面增加透镜阵列，可以有效减少元件的使用面积。
综上所述，本发明的透镜阵列的制造方法可以应用在发光二极管、光侦测器与太阳能电池等电子产品，以提高光电效率。此外，本发明的透镜阵列的制造方法不需要昂贵的机器与复杂的工艺，因此能够达到快速、大量生产，并具有降低成本的优势。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种透镜阵列的制造方法，其特征是包含在基板上形成自组装单分子层，以形成亲水性区域与疏水性区域；在该基板上涂布液态材料，以在该亲水性区域上凝聚出多个液态透镜；以及固化上述这些液态透镜，以形成多个透镜。
2.根据权利要求1所述的透镜阵列的制造方法，其特征是该自组装单分子层所覆盖的区域为该亲水性区域，且该自组装单分子层所暴露出的区域为该疏水性区域。
3.根据权利要求1所述的透镜阵列的制造方法，其特征是该自组装单分子层所覆盖的区域为该疏水性区域，且该自组装单分子层所暴露出的区域为该亲水性区域。
4.根据权利要求1所述的透镜阵列的制造方法，其特征是形成该自组装单分子层的方法包含在第一模具上形成胶层；固化该胶层，以形成第二模具；分离该第一模具与该第二模具；以及使用该第二模具以微接触印刷方式在该基板上形成该自组装单分子层。
5.根据权利要求4所述的透镜阵列的制造方法，其特征是该胶层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯树脂。
6.根据权利要求1所述的透镜阵列的制造方法，其特征是固化上述这些液态透镜的方法包括利用紫外线或加热的方式。
7.一种透镜阵列，适于设置于基板上，其特征是该透镜阵列包含自组装单分子层，设置于该基板上，且该自组装单分子层在该基板上定义出亲水性区域与疏水性区域；以及多个透镜，设置于该亲水性区域上。
8.根据权利要求7所述的透镜阵列，其特征是该自组装单分子层的通式为X-R-Y，该X官能基适于与该基板产生键结、该R为碳氢链、该Y官能基适于改变该基板的表面特性。
9.根据权利要求8所述的透镜阵列，其特征是该X官能基包括对称或非对称的硅烷化合物、三氯硅烷、三甲氧基硅烷、二硫化物、硫化物、二硒化物、硒化物、硒醇、硫醇化合物、亚硝酸化合物、异腈、三磷化物、硫氰化物、黄酸盐、硫醇化合物、磷化氢、硫代羧酸、二硫代羧酸、羧酸、羟酸或羟肟酸。
10.根据权利要求8所述的透镜阵列，其特征是该Y官能基包括羟基、羧基、胺基、乙醛、联氨、含有羰基的金属化合物、环氧化物或乙烯基。
11.根据权利要求7所述的透镜阵列，其特征是上述这些透镜的材质包括环氧树脂、压克力、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氟环丁烷、苯并环丁烷、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚氟脂或聚二甲硅氧烷。
12.一种光学元件阵列装置，其特征是包含光学元件阵列装置主体；透镜阵列，设置于该光学元件阵列装置主体的表面上，该透镜阵列包括自组装单分子层，设置于该光学元件阵列装置主体的该表面上，且该自组装单分子层在该表面上定义出亲水性区域与疏水性区域；以及多个透镜，设置于该亲水性区域上。
13.根据权利要求12所述的光学元件阵列装置，其特征是该自组装单分子层的通式为X-R-Y，该X官能基适于与该基板产生键结、该R为碳氢链、该Y官能基适于改变该基板的表面特性。
14.根据权利要求13所述的光学元件阵列装置，其特征是该X官能基包括对称或非对称的硅烷化合物、三氯硅烷、三甲氧基硅烷、二硫化物、硫化物、二硒化物、硒化物、硒醇、硫醇化合物、亚硝酸化合物、异腈、三磷化物、硫氰化物、黄酸盐、硫醇化合物、磷化氢、硫代羧酸、二硫代羧酸、羧酸、羟酸或羟肟酸。
15.根据权利要求13所述的光学元件阵列装置，其特征是该Y官能基包括羟基、羧基、胺基、乙醛、联氨、含有羰基的金属化合物、环氧化物或乙烯基。
16.根据权利要求12所述的光学元件阵列装置，其特征是上述这些透镜的材质包括环氧树脂、压克力、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚氟环丁烷、苯并环丁烷、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚氟脂或聚二甲硅氧烷。
17.根据权利要求12所述的光学元件阵列装置，其特征是该光学元件阵列装置主体包括显示器、发光二极管、光侦测器或太阳能电池。
全文摘要
一种透镜阵列的制造方法，其包括下列步骤。首先，在基板上形成自组装单分子层，以形成亲水性区域与疏水性区域。在基板上涂布液态材料，以在亲水性区域上凝聚出多个液态透镜之后并加以固化，以形成透镜阵列。因此，透镜阵列的制造成本可以降低。同时，可以用在电子元件上，用以增进其性能。
文档编号G02B3/00GK101038347SQ20061006512
公开日2007年9月19日 申请日期2006年3月17日 优先权日2006年3月17日
发明者黄文奎, 葛祖荣, 陈方中 申请人:中华映管股份有限公司