专利名称：一种透光率可调的微透镜阵列的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种可以通过温度和紫外光调节透光率的微透镜阵列，尤其涉及一种通过单 个聚合物分散液晶微球排列而成的透光率的微透镜(阵列)及其制备方法。
背景技术：
微透镜是指微小透镜，通常其直径为10nra到lmm级，由这些微小透镜在基板上按一定 的形状排成的阵列叫做微透镜阵列。微透镜(阵列)光学元件具有尺寸小、重量轻、易集成 等有点，在军事、科研等各个领域发挥这重要的作用。微透镜(阵列)在微小光学系统中有 着显著应用，它可用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输，也可用于复印机、图像 扫描器、传真机、照相机，以及卫生器械中。此外，微透镜阵列具有很强的适应性，可广泛 用于通信、显示和成像器件中，实现器件的小型化。自从1981年，oikawa研制出微透镜阵 列并在APPLIED PHYSICS上发表其工作后，各种微透镜(阵列)制作方法如雨后春笋般相 继出现，有电子束直接写入法、光敏聚合法、激光刻、喷墨打印成型法热熔法、聚焦离子束 刻蚀法、Ink-jet法，反应性等离子刻蚀法、微球组装法、渐变掩模法、真空减压法、图案转 移法、自组织法等十数种。微透镜(阵列)可由玻璃、半导体、聚合物、水凝胶、液晶、聚 合物分散液晶等制成。在所用的材料中，由于聚合物分散液晶能让微透镜(阵列)具有变焦 距或变透光率的功能，所以引起了研究者的巨大兴趣。
聚合物分散液晶(PDLC)是将小分子液晶分散于透明的聚合物基体中，形成微米尺寸或 微纳尺寸的液晶微滴，而聚合物为液晶微滴提供稳定的网络结构。PDLC材料的关键是是液 晶均匀地分散于聚合物基体中，最常用的方法是相分离法。它是将聚合物或预聚物与液晶在 一定的温度范围内或在一定的溶剂中混合成均匀的一相，然后通过聚合、热过程或溶剂挥发 的方法使其发生相分离，逐渐形成液晶微滴，直至聚合物固化，最终的得到聚合物分散液晶。 PDLC材料具有显著的开光特性，当不加外场时，分散在聚合物当中的液晶分子其有效折射 率与聚合物基体的折射率不匹配，入射的光线被强烈散射，PDLC呈不透明状态；当加上适 当外场时，液晶的寻常折射率与基体的折射率匹配，散射现象消失，入射光可以直接通过， PDLC呈透明状态。给予PDLC材料的此种开光性质，PDLC微透镜(阵列)现在己应用在光互 联、光存储、光通信等领域。然而，总的说来，微透镜(阵列)的结构相似，在两片镀有 ITO导电玻璃之间夹一层PDLC薄膜。其中一片只有ITO镀层，而另外一片上，不仅有IT0 镀层，还有规则的浮雕状的起伏层，以提供微透镜(阵列)的轮廓，而这种浮雕层要通过图 形转移法或光敏聚合法等微加工手段获得，所以现有的PDLC微透镜(阵列)加工繁琐，成 本较高。而且，这种微透镜(阵列)的阵列数目和形状是固定不变的，在外加场下，所有的 微透镜表现出相同的透光率。而在有些情况下，工作的区域大小是改变的，而且对每个微透 镜的透光率的要求也不同，现有的微透镜(阵列)不能满足要求。
本发明是将现有的基亍PDLC薄膜的微透镜(阵列)做成基于PDLC微球的微透镜(阵
3列)，不仅简化了微透镜的制作方法，还可以根据工作区域的要求随机改变每个透镜的透光 率、微透镜(阵列)的数目和形状，同时透光率的调制不仅仅依赖于电场，也可以通过热和 光来调制。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种透光率可调的微透镜阵列及其制备方法，这种制备 方法简单高效，能降低微透镜(阵列)的制作成本。
技术方案本发明的透光率可调的微透镜阵列的制备方法是该微透镜阵列由单个的聚 合物分散液晶微球排列而成，排列的方式通过微球的自组装，或者先通过光刻得到所要的图 形，再在模板上手排而成，微透镜阵列的透光率用热、电、光调制，所述的聚合物分散液晶 微球制备方法包括以下步骤
a. 通过第一个进口向微流控装置中注3%~10%mg/ml聚乙烯醇溶液，该溶液是微流 控的水相；
b. 将乙烯聚合物或树脂单体与液晶形成均相溶液，作为微流控的油相；将油相通过
第二个进口注入到微流控装置内的聚乙烯醇溶液中，使通过三通的油相在聚乙烯醇水相分散 成一个一个的球形液滴；
c. 通过调节水相和油相的注入速度，得到所需大小的球形油相液滴，通过出口用烧
瓶收集包含油相液滴；
d. 把烧瓶在旋转蒸发仪上固化油相液滴成为千燥坚硬的聚合物分散液晶微球。 所述的乙烯聚合物与液晶均相溶液，其中乙烯聚合物为聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚甲基丙
烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷；液晶为向列性的E7、 E8、 5CB、 6CB或7CB，或为这几种液 晶与偶氮苯官能基的光应答性低分子液晶的混合液晶，光应答性低分子液晶为偶氮苯 BMAB、 4-丁基偶氮苯BHAB或4-羟基偶氮苯BOA已，溶剂是苯、二氯乙烷、苯和二氯乙 烷的混合溶液或是甲苯和二氯乙烷的混合溶液，先将乙烯聚合物溶解在有机溶剂中，再将液 晶加入有机溶剂中，搅拌均匀形成均相溶液。
树脂单体与液晶均相溶液，该树脂为NOA65或者NOA81;液晶为向列性的液晶E7、 E8、 5CB、 6CB或7CB，或为这几种液晶与偶氮苯官能基的光应答性低分子液晶的混合液 晶，光应答性低分子偶氮苯液晶为BMAB、已HA已或BOAB;直接将液体状的聚合物前聚 体与液晶混合均匀即可。
有益效果:根据本发明利用聚合物分散液晶材料，用微流控装置制作大小均一的微球，
微球排列起来后作为微透镜(阵列)使用，具有以下优点
(1) 采用PDLC材料制备微透镜阵列成本低廉，所用的聚合物和液晶都是常见的试剂， 成本低；
(2) 所制成的微透镜(阵列)透光率的调制方法简单多样，不仅可以用电场控制，还 可以用热或光来控制；
(3) 聚合物分散液晶微球的制备装置简单，利用本发明的液滴生成装置可以容易的制 作各种组分的PDLC微球，容易控制，制作成本低廉，简单高效；
(4) 微透镜(阵列)的构造简单，可以直接通过单分散好的微球的自组装形成，或根 据要求排成所需的图案；
4(5) 可以控制每个在不影响其他微球的透光率下，控制单个微球的透光率；
(6) 应用范围广，可以有效得变更阵列的个数和大小适应工作区域动态变化的情况。
具体实施例方式
本发明是将聚合物或聚合物的前聚体与液晶混合得均相溶液，作为微流控的油相，而 PVA水溶液作为微流控的水相，通过一个液滴生成装置生成不同油相液滴，液滴干燥之后 聚合物就凝固得到PDLC微球，将微球排列后可得微透镜阵列。 制备方法包括以下步骤-l.配置油相和水相溶液 油相溶液有两种
1) 聚合物溶解在有机溶液形成聚合物溶液，将液晶加入聚合物溶液中搅拌均匀。其中 聚合物在溶液中的浓度为3。/。 7Xmg/ml，其中聚合物为聚苯乙烯(PS)，或聚碳酸脂(PC)， 或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),或聚二甲基硅氧垸(PDMS);液晶为E7，或E8，或5CB,或6CB， 或7CB,或为这几种液晶与偶氮苯官能基的光应答性低分子液晶的混合液晶，光应答性低 分子液晶可以为BMAB，或BHAB,或BHMB。有机溶剂是苯，或二氯乙烷、或是苯和二 氯乙烷的混合溶液，或是甲苯和二氯乙烷的混合溶液。
2) 将液态的聚合物前聚体与液晶混合均匀成均相溶液，其中聚合物可以为NOA65,或 者NOA81;液晶为E7，或E8,或5CB，或6CB，或7CB，或为这几种液晶与偶氮苯官能基的光 应答性低分子液晶的混合液晶，光应答性低分子液晶可以为BMAB，或BHAB。
水相为3%~10%的聚乙烯醇(PVA)溶液
2. 将水相和油相溶液通过两个进口注入到微流控装置内，使油相在水相溶液中分散成一 个一个的球形液滴。通如油相的进口的内径为100um 500wm,通如水相进口的内径为 500Pm 1000um,通过调节油相和水相的注入速度，，得到所需大小的球形液滴，用烧瓶 油相液滴；
3. 固化。两种油相液滴的固化条件不同，1)含有液晶的聚合物有机溶液的液滴说的固 化。把烧瓶在旋转蒸发仪上30'C 7(TC缓慢旋转蒸发，以加快物溶液中有机溶剂的挥发， 待挥发完毕，液滴凝固成为干燥坚硬的微球；2)聚合物前聚体与液晶混合溶液液滴的固化 把烧瓶在旋转蒸发仪上缓慢旋转，在烧瓶的上部放一个紫外灯，固化紫外树脂球。
4. 液滴生成装置的构造以及PDLC微球制备的原理是液滴生成装置由接口，接口，玻 璃筒，尖嘴玻璃管，玻璃导管，收集烧瓶构成；玻璃筒内固定有带尖嘴的玻璃管，玻璃导管 穿过筒底，上端口正对着尖嘴玻璃管，玻璃筒和接口相连通，接口连接在玻璃筒上端。聚合 物溶液通过接口注入到筒内的尖嘴玻璃管；聚乙烯醇溶液通过接口注入玻璃筒内；当聚合物 溶液流经尖嘴玻璃管时，由于重力作用和流动的聚乙烯醇溶液的带动作用，聚合物溶液分散 为一个一个的小液滴；小液滴落通过玻璃导管落入收集烧瓶；聚合物溶液的有机溶剂经过旋
转蒸发完之后，小液滴就成为坚硬的聚合物小球；微球的大小可以通过调节聚合物溶液的浓 度、聚合物溶液和聚乙烯醇溶液的流速，玻璃尖嘴的口径以及玻璃导管端口到玻璃尖嘴的距 离来控制；通过这种方法可以制备从10 ix m到2mm的粒径大小均匀的聚合物微球。
该微透镜阵列由聚合物分散液晶微球排列而成，其中聚合物微球中的，聚合物可以为聚 合物为聚苯乙烯(PS)，或聚碳酸脂(PC),或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),或聚二甲基硅氧
5烷(PDMS)，或紫外聚合树脂NOA65，或紫外聚合树脂NOA81;液晶为E7，或E8，或5CB， 或6CB,或7CB,或为这几种液晶与偶氮苯官能基的光应答性低分子液晶的混合液晶，光敏 性低分子液晶可以为BMAB，或BHAB，或BHMB
实施例一聚合物为聚苯乙烯(PS)，液晶为E7与光敏性液晶BMAB混合液晶，制备 聚合物分散液晶微球，排列成微透镜(阵列)。
① 将聚苯乙烯(PS)以7%的浓度溶解在二氯乙烷和苯的混合溶剂中，二氯乙烷 和苯的混合比例为1:1;
② 将E7与小分子液晶BMAB以体积比96.5:3.5的比例混合均匀，加入到聚合物 溶液中，使得溶液中聚合物与液晶的重量比为3: 2;
③ 设置油相进口的内径为口径为500um，水相进口和出口的内径为lOOOwm;
④ 通过电磁泵接口2向T型通道的注入5X的聚乙烯醇溶液，当排除装置内的空 气后，控制聚乙烯醇溶液注入速度为80ml/min;
通过注射泵接口 l注入含有混合液晶的聚苯乙烯溶液，调节流速为2ml/min;
待PS溶液的溶剂完全蒸发，取出微球，清洗去表面的PVA溶液，6(TC烘 干即可得到直径为500 u m壁厚15 u m的聚苯乙烯聚变耙丸。
用烧瓶收集包含液晶的聚苯乙烯液滴，放到旋转蒸发仪上旋转蒸发，设置温度 为50'C，转速为40rpm，开始旋转；当液滴浮出水面，将温度设为60°C，转 速调至55rpm;当微乳液再次沉到瓶底，将温度不变，转速调至65rpra，维持 2. 5h;
⑦ 待PS溶液的溶剂完全蒸发，取出微球，清洗去表面的PVA溶液，自然晾干， 即可得到直径为560 u ra聚合物分散液晶微球。
⑧ 将制备的聚合物分散液晶微球排列成微(透镜)阵列备用，该透镜(阵列)可 以用热和紫外光调制透光率。
实施例二聚合物为NOA65，液晶为5CB的聚合物分散液晶的制备
① 将NOA65的前聚体:液晶5CB:光引发剂二60: 39: 1的质量比混合搅拌均匀；
② 以0.7mg珠光颜料/ml聚合物溶液的比例向聚苯乙烯溶液中加入绿色珠光颜料 加到，并搅拌均匀；
③ 设置油相进口的内径为500tim，水相进口和出口的内径为1000um通过电磁 泵接口 2向玻璃筒内注入5%的聚乙烯醇溶液，当注满玻璃筒(3)聚乙烯醇 溶液后，控制聚乙烯醇溶液注入速度为20ml/min;
通过电磁泵接口2向T型通道的注入5X的聚乙烯醇溶液，当排除装置内的空
气厚，，控制聚乙烯醇溶液注入速度为80ml/min; 通过注射泵接口 1注入NOA65与液晶的混合均相溶液，调节流速为lml/min; 用烧瓶收集包含液晶的NOA65液滴，放到旋转蒸发仪上旋转,同时在烧瓶的上
部放一个紫外灯，固化液滴1小时；
⑦ 待液滴完全固化厚，取出微球，清洗去孝面的PVA溶液，自然晾干，即可得到 直径为450 U m聚合物分散液晶微球.
⑧ 将制备的聚合物分散液晶微球排列成微(透镜)阵列备用，该透镜(阵列)可 以用热调制透光率.
权利要求
1. 一种透光率可调的微透镜阵列的制备方法，其特征在于该微透镜阵列由单个的聚合物分散液晶微球排列而成，排列的方式通过微球的自组装，或者先通过光刻得到所要的图形，再在模板上手排而成，微透镜阵列的透光率用热、电、光调制，所述的聚合物分散液晶微球制备方法包括以下步骤a. 通过第一个进口向微流控装置中注3％～10％mg/ml聚乙烯醇溶液，该溶液是微流控的水相；b. 将乙烯聚合物或树脂单体与液晶形成均相溶液，作为微流控的油相；将油相通过第二个进口注入到微流控装置内的聚乙烯醇溶液中，使通过三通的油相在聚乙烯醇水相分散成一个一个的球形液滴；c. 通过调节水相和油相的注入速度，得到所需大小的球形油相液滴，通过出口用烧瓶收集包含油相液滴；d. 把烧瓶在旋转蒸发仪上固化油相液滴成为干燥坚硬的聚合物分散液晶微球。
2. 根据权利要求1所述的透光率可调的微透镜阵列的制备方法，其特征在于所述的乙 烯聚合物与液晶均相溶液，其中乙烯聚合物为聚苯乙烯、聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲酯或聚 二甲基硅氧烷；液晶为向列性的E7、 E8、 5CB、 6CB或7CB，或为这几种液晶与偶氮苯官 能基的光应答性低分子液晶的混合液晶，光应答性低分子液晶为偶氮苯BMAB、 4-丁基偶氮 苯BHAB或4-羟基偶氮苯BOAB，溶剂是苯、二氯乙烷、苯和二氯乙垸的混合溶液或是甲 苯和二氯乙垸的混合溶液，先将乙烯聚合物溶解在有机溶剂中，再将液晶加入有机溶剂中， 搅拌均匀形成均相溶液。
3. 根据权利要求1所述的一种透光率可调的微透镜阵列的制备方法，其特征在于树脂 单体与液晶均相溶液，该树脂为NOA65或者NOA81;液晶为向列性的液晶E7、 E8、 5CB、 6CB或7CB，或为这几种液晶与偶氮苯官能基的光应答性低分子液晶的混合液晶，光应答 性低分子偶氮苯液晶为BMAB、 BHAB或BOAB;直接将液体状的聚合物前聚体与液晶混 合均匀即可。
全文摘要
一种透光率可调的微透镜阵列的制备方法，该微透镜阵列由聚合物分散液晶微球排列而成，其中聚合物为聚苯乙烯(PS)，或聚碳酸脂(PC)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或聚二甲基硅氧烷(PDMS)；或NOA65，或者NOA81。液晶为E7，或E8，或5CB，或6CB，或7CB，或为这几种液晶与偶氮苯官能基的光应答性低分子液晶的混合液晶，光应答性低分子液晶可以为BMAB，或BHAB，或BHMB。制备方法包括以下步骤将聚合物或聚合物的前聚体与液晶形成均相溶液，将含液晶的聚合物溶液和聚乙烯醇溶液通入一种微流控装置中，得到含液晶的聚合物溶液液滴，液滴固化后得到聚合物分散液晶微球，将该微球排列形成透光率可调的微透镜阵列。
文档编号B81C3/00GK101481082SQ20091002447
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者熊桂荣, 韩国志, 顾忠泽 申请人:东南大学