一种3D打印制备大高宽比的微透镜阵列的方法和装置与流程

本发明涉及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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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

1、本发明的目的是，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。

2、本发明采用的技术方案是：

3、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：

4、(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；

5、(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；

6、(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。

7、进一步，本发明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。

8、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。

9、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。

10、本发明中，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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、本发明的一个实施例中，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。

16、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。

17、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。

18、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。

19、在本发明的一个实施例中，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。

20、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。

21、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。

22、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，即步骤(2)中，当高宽比达到平衡态后(液滴高度不再变化)，加热到材料的固化温度，进行热固化处理，固化温度根据所用材料而定。若材料固化温度较低(低于60℃)，甚至常温下即会固化，则一般无需加热至40～60℃来加速平衡。

23、进一步，所述打印材料为光学树脂，包括且不限于环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、聚酯丙烯酸酯、环氧树脂、聚氨酯型光学树脂中的一种或多种，或选用商品化的光学树脂如formlabs光敏树脂、dsm的somos树脂等等。打印材料的成分配比、固化方式，对本发明方案的实施不构成限制。

24、本发明对打印材料的黏度不做特别限制，对于黏度较高的材料可以通过加热来降低黏度，高黏度材料达到平衡态的时间要长于低黏度材料，加热可以降低黏度，缩短平衡时间。

25、所述uv固化剂包括tpo(2,4,6(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦)、tpo-l(2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸乙酯)、907(2-甲基-1-[4-甲硫基苯基]-2-吗啉基-1-丙酮)、itx(2异丙基硫杂蒽酮(2、4异构体混合物)、184(1-羟基-环已基-苯基甲酮)、1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)、bdk(安息香双甲醚)、ombb(邻苯甲酰苯甲酸甲酯)、bp(二苯甲酮)、cbp(4-氯二苯甲酮)、pbz(4-苯基二苯甲酮)以及其他结构修饰的二苯甲酮类引发剂、369引发剂(2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮)、819光引发剂(苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦)、754光引发剂(苯酰甲酸酯类混合物)、127光引发剂(2-羟基-1-(4-(2-羟基-2-甲基丙酰基苯基)苄基)-2-甲基-1-丙酮)、784光引发剂(双2,6-二氟-3吡咯苯基二茂钛)、edb(4-二甲氨基-苯甲酸乙酯)中的一种或多种。uv固化剂的种类、成分配比对本发明技术方案的实施不构成限制。

26、uv固化方式包括且不限于sla、dlp、lcd、clip、mjp等。

27、所述uv固化的波长、光照强度等工艺参数，可根据使用的uv固化剂、材料性质而定，或采用材料厂商推荐的固化工艺参数即可。在本发明的一个实施例中，uv固化的条件是：紫外波长为365nm，光照强度为100-1000mw/cm2，时间为1～3min。

28、所述热固化剂包括脂肪族胺类固化剂如乙烯基三胺(deta)、氨乙基哌嗪(ae)、芳族胺类固化剂如间苯二胺(m-pda)、二氨基二苯基甲烷(ddm)、酰胺基胺类固化剂、潜伏固化胺类固化剂如双氰胺(dicy)、尿素替代物等。热固化剂的种类、成分配比对本发明技术方案的实施不构成限制。

29、所述热固化的温度根据打印材料的固化温度而定，一般为80～150℃，时间一般为20～60min。

30、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，优选为玻璃基板。

31、进一步，所述基板在打印前经过疏水处理，所述疏水处理是为了增大界面接触角，所述疏水处理一般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。

32、所述疏水涂料一般包括聚硅氧烷、烷氧基硅烷、氟硅树脂、氟碳涂料(如氢氟醚、聚四氟乙烯、四氟乙烯和六氟丙烯共聚物等)、疏水表面活性剂、有机-无机杂化材料等各种疏水性材料中的一种或多种的混合。疏水涂料可选用市售商品化玻璃疏水涂料。

33、在本发明的一个实施例中，疏水处理是将疏水涂料浸泡玻璃基板，浸泡10～20小时后在150～180℃下烘干，制得疏水处理后的玻璃基板。

34、在本发明的一个实施例中，所用的疏水涂料为添加fots(1h,1h,2h,2h-全氟辛基三氯硅烷)的hfe-7100(九氟丁基甲醚)，其中fots的浓度为200ppm。

35、本发明还提供一种制备大高宽比的微透镜阵列的装置，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单元处理后的液滴。

36、所述倒置单元可以集成在3d打印设备中，或作为一个单独的外置设备，与市售3d打印设备组装配合使用。

37、所述倒置单元可以通过可旋转的倒置平台或可翻转的倒置夹具来进行倒置。

38、进一步，倒置单元包括底座，固定在底座上的转动装置，连接在转动装置上的吸附平台，所述转动装置可转动，使吸附平台翻转180°。

39、进一步，所述倒置单元还包括x/y移动平台，所述底座固定在x/y移动平台上，x/y移动平台可传送打印工件。

40、进一步，所述吸附平台用于吸附固定打印有微透镜液滴阵列的基板，可将基板从打印工作平台取下；吸附平台为中空的框型结构，边框上设有吸附孔，所述吸附孔连通气源设备，通过切换负压和正压将打印工件吸取和放下。

41、所述吸附孔设置在边框上，以便于只吸附基板的边缘，避免破坏基板上打印的液滴。

42、所述转动装置可以通过气动或电机控制，控制吸附平台进行翻转，且可固定吸附平台的角度。

43、进一步，所述转动装置包括四根依次设置的连杆，且相邻连杆之间通过转动关节连接，以调节相邻连杆之间的夹角。

44、在一个具体的实施方式中，所述转动关节包括设置在一根连杆上的转孔和设置在另一连杆上的转动轴，所述转动轴可转动地插设在所述转孔内。为了锁定相邻连杆之间的转动角度，所述转动轴和转孔之间具有一定的摩擦力，需要施加外力转动才能使转动轴转动。

45、进一步，所述倒置单元还包括加热装置，用于在倒置时进行加热，所述加热装置可以集成在倒置单元上，或作为一个单独的外置设备与倒置单元组装配合使用。

46、在一个具体的实施方式中，加热装置为电加热管，集成在吸附平台上，对吸附平台上吸附的基板上的液滴进行加热。

47、所述倒置单元可以利用水平仪检测翻转后的基板是否与重力方向垂直。

48、所述倒置单元工作时，将吸附平台移动到打印工作平台上方，吸附平台的吸附孔开口方向向下，从打印工作平台位置，吸取基板，此时基板方向朝上，即微透镜液滴阵列在上，基板在下，基板位于吸附平台的下方，然后通过转动装置将吸附平台翻转180°，使基板方向朝下，即微透镜液滴阵列在下，基板在上，基板位于吸附平台的上方，进行倒置。

49、所述打印模块、倒置单元、固化单元可通过传送装置连接。利用传送装置，将打印有微透镜液滴阵列的基板从打印模块传送到倒置单元，再传送到固化单元。可通过传送带、机械臂、移动平台等方式来进行传送。

50、所述固化单元可以设置加热装置和/或光固化装置，进行加热固化或光固化。

51、固化单元的加热装置可以和倒置单元中的加热装置合为一体，或单独设置。

52、光固化装置一般为紫外光源。

53、进一步，本发明的固化单元包括阵列式固化装置，所述阵列式固化装置包括阵列排布的多个中空吸附框，每个中空吸附框的边框位置设有吸附孔，所述吸附孔连通气源设备，通过切换负压和正压将打印工件吸取和放下。

54、吸附孔的开口方向为竖直向下。

55、所述阵列式固化装置的工作方式为：倒置单元的吸附平台从打印工作平台吸取打印工件，通过转动装置翻转180°，通过传送装置移动到阵列式固化装置下方，此时基板位于倒置单元的吸附平台的上方，阵列式固化装置通过吸附孔，将基板吸取至中空吸附框。

56、阵列式固化装置可以同时吸取多个打印工件，吸附的基板为倒置的，即微透镜液滴阵列在下，基板在上。因此阵列式固化装置可以同时进行多个打印工件的倒置和固化处理。

57、阵列式固化装置可在上方设置加热板，或连接紫外光源，在倒置完成后，同时对多个打印工件进行热固化或uv固化处理。

58、进一步，本发明所述的3d打印设备，可选用市场上商品化的3d打印设备，如scronan.jet ehd打印设备或武藏300ds三轴点胶设备。其中ehd设备中，电压波形不限于直流、交流、脉冲、方波等波形。其中打印的喷头不限于金属、陶瓷、玻璃和高分子聚合物喷头等相互组合喷头，不限于绝缘和导电喷头。

59、所述3d打印设备包括打印模块、高度测量系统，所述打印模块一般包括工作平台、打印针头、运动控制系统、打印控制系统和视觉观测模块，所述工作平台用于固定基板，所述运动控制系统包括x/y轴移动平台与z轴工作台，x/y轴移动平台与工作平台连接，用于控制工作平台相对打印针头移动，z轴工作台与打印针头连接，用于控制针面距；所述打印控制系统与打印针头连接，用于控制打印参数；所述运动控制系统和打印控制系统均与计算机连接，通过计算机进行参数设置和运行所述运动控制系统和打印控制系统；所述视觉观测模块用于实时检测针头位置、针面距，打印行程等，向计算机反馈数据并通过计算机进行实时控制。

60、进一步，根据微透镜阵列的排列方式在计算机上设置参数(包括针面距、运动路径、运动速度等)，通过运动控制系统控制工作平台的运动轨迹、运动速度及液滴间的重叠率等。

61、根据打印材料的物性参数、设计的微透镜阵列的尺寸、打印针头的尺寸，设置打印参数，所述打印参数一般为电压、气压、针面距等；通过打印控制系统控制打印电压和气压，将打印材料打印至基板上。

62、所述高度测量系统为可精密的测量微米级别高度的高度测量仪，例如激光干涉仪，或者采用显微摄像装置结合图像处理算法来测量液滴高度：通过显微摄像装置拍摄倒置的液滴图片，然后通过图像处理算法来计算液滴高度。

63、进一步，所述步骤(1)中，打印的工艺条件优选为：

64、直流电压200v～2000v，气压0.1～10psi，打印针嘴口径5～50μm，针面距5～50μm。

65、电压过小时材料无法从针嘴处吸下来，电压过大时则会造成材料以雾状形式吸附至基板。打印嘴尺寸影响打印透镜的尺寸，若打印针嘴口径过大，即使使用ehd方式也无法将透镜尺寸做得很小。针面距主要影响ehd吸附材料至基板的效果，针面距过大则电场强度减弱，无法形成泰勒锥。针面距过小则增加工件平整度管控难度。

66、本发明的有益效果在于：

67、(1)通过3d打印方式，打印微米级别的液滴，然后将基板倒置，倒置一定的时间，在重力作用下，液滴克服表面张力向下垂落，最终缓慢回缩，达到重力和表面张力的平衡状态，解决了正常喷墨打印后，基板正放时液滴容易平铺扩散导致高宽比受到限制无法提高的技术问题，工艺简单巧妙。并且可以通过加热来大幅降低最短倒置时间，进一步提升液滴的高宽比。加热使温度升高，材料黏度减小，流动性增大，表面张力减小，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。60℃下达到平衡的倒置时间相比室温下可以缩短75％。

68、(2)本发明方法无需复杂的材料处理，不需要额外的添加剂、填料，成本低廉，利用现有打印材料即可提高微透镜的高宽比；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。现有一些低粘度打印材料，由于粘度低流动性高容易平铺的原因，无法制备大高宽比的微透镜，产品尺寸和透镜性能都受到限制，但采用本发明方法可以超越打印材料固有物理性质的限制，获得更大高宽比的微透镜，提高正面出光亮度，满足客户需求。

69、(3)通过倒置液滴平衡，增加了微透镜的均一性：现有技术在打印后直接进行固化，但打印微透镜阵列的液滴有先后顺序，最先打印的液滴由于扩散流动性等因素，打印的过程中，高度会小幅降低，因此和最后打印的液滴会出现高度的差异，导致高宽比存在偏差，微透镜的尺寸误差较大，均一性不佳。而本发明方法通过倒置液滴至达到重力和表面张力的平衡状态再进行固化，所有打印的液滴不分打印时间先后，达到平衡时的高度尺寸都是一致的，因此大幅提高了微透镜阵列的均一性。

70、(4)本发明提供的制备大高宽比的微透镜阵列的装置，其中的3d打印设备可采用市售设备，倒置单元和固化单元可与市售3d打印设备组装配合使用，降低了设备采购成本，有利于工业化应用。且阵列式固化装置可以同时对多个打印工件进行倒置和固化，提高了生产效率。