TWI391710B - 液體光學折光器與其製造方法 - Google Patents

Description

液體光學折光器與其製造方法

本發明是關於液體光學折光器(liquid optical deflector)與用於製造液體光學折光器之方法。

電濕潤(electrowetting)現象在此項技術中已為熟知的。在電濕潤現象中，當兩種液體之間的所施加電壓改變時，表面張力亦改變，從而導致液體移動。在其他研究中，若電極之金屬表面是藉由具有若干微米之厚度的絕緣薄膜(insulation film)來形成，則操作可靠性可得到改良。可保護電極以免受損害。此改良技術則被稱作介電質上電濕潤(electrowetting-on-dielectric,EWOD)。

EWOD技術可(例如)用於實驗室晶片(Lab-on-a-chip,LOC)或光學應用中。光學應用可具有液體透鏡以及電子紙。電濕潤現象之操作機構如下。舉例而言，將液滴安置於上面具有薄絕緣層之金屬基板上。接著，將電壓施加於金屬基板上，液滴與金屬基板之接觸角可改變。當將此液滴用作光學透鏡時，使用具有相等密度之兩種液體。一種液體為絕緣的且另一種液體為導電的。歸因於電壓改變，兩種液體之間的界面之曲率相應地改變，從而導致透鏡焦點改變。

在習知應用中，例如，美國專利第6,369,954號已提議應用。圖1為示意性地說明具有可變焦點之習知透鏡的橫截面圖。在圖1中，絕緣液滴11位於填充有導體液體 13之介電腔室12之壁的內表面上。絕緣液體11以及導體液體13皆為透明不可混溶的、具有不同光學折射係數且具有實質上相同密度。相對於導體液體13，介電質12自然地具有低濕潤。確保介電腔室之壁相對於導體液體13之高濕潤的表面處理14圍繞絕緣液滴11與腔室12之壁之間的接觸區域15。表面處理14維持液滴11之定位，從而防止絕緣液體擴展超出所要接觸表面。當系統靜止時，絕緣液滴11自然地呈現由參考A所指定之形狀。當在電極16與電極17之間建立電壓V時，產生電場，根據上文所提及之電濕潤原理，電場將增加區域15相對於導體液體13之濕潤。因此，導體液體13移動絕緣液滴11且使絕緣液滴11變形為由參考B所指定之形狀。

然而，若干其他揭露已由(例如)WO 2004/051323以及CN 1881003提議。習知液體光學設備基本上需要將若干零件組裝於設備中。或者，在習知結構中，將氧化銦錫(ITO)電極以及疏水性絕緣層塗佈於玻璃空腔之內表面上，且接著將玻璃空腔黏附至下部透明基板。設備尺寸為約少許毫米。通常，不易於對準以及組裝。誤差可能為大的且良品率為低的。甚至，不能減小設備尺寸。其他設備結構以及製造過程仍在開發中。

本發明提議一種液體光學折光器與其製造。液體光學折光器包括具有絕緣壁之兩個導電電極以形成用於使兩種液體適應之液體容器。藉由改變兩個導電電極上之操作電 壓，兩種液體之間的界面之角度可得到控制，且接著提供各種應用。

本發明之實施例的液體光學折光器包括基板。電極層安置於基板上。絕緣層安置於電極層上，其中電極層具有曝露區域。第一電極壁自基板豎直。第一絕緣壁安置於第一電極壁之表面上。第二電極壁自基板豎直且面向第一電極壁作為第一電極對。第二絕緣壁安置於第二電極壁之表面上。側壁自基板豎直且至少連接於第一電極壁與第二電極壁之間，以便形成包容空間(containing space)。第一液體填充於包容空間中以與基板上之電極層接觸。第二液體填充於包容空間中以具有與第一液體之界面而彼此不會溶解。頂蓋層(cap layer)密封於包容空間上以形成光學折光器單元。其中，第一液體與第二液體之間的界面具有角度，角度是由第一電極壁上之第一電壓以及第二電極壁上之第二電壓控制。

對於另一實施例，光學折光器陣列包括上文所描述之多個光學折光器單元以形成陣列。

一種用於製造液體光學折光器之方法的實施例包括提供基板，其中基板具有在其上之電極層以及安置於電極層上之絕緣層，且第一電極層具有曝露區域。第一電極壁經形成為自基板豎直。第一絕緣壁形成於第一電極壁之表面上。第二電極壁經形成為自基板豎直且面向第一電極壁作為第一電極對。第二絕緣壁形成於第二電極壁之表面上。側壁經形成為自基板豎直且連接於第一電極壁與第二電極 壁之間，以便形成包容空間。第一液體填充於包容空間中以與基板上之電極層接觸。第二液體填充於包容空間中以具有與第一液體之界面而彼此不會溶解。頂蓋層經形成以用於密封於包容空間上以形成光學折光器單元。

應瞭解，前述總體描述與以下詳細描述為例示性的，且意欲提供對所主張之本發明的進一步闡釋。

在本發明中，描述一種液體光學折光器。液體光學折光器為可以小尺寸(例如，以微米級)而製造之結構。製造成本以及時間可至少得到減少且良率可保持為高的。本發明之態樣，可將設備本體整合成小尺寸。製造過程可(例如)使用導電光聚合物來充當導電電極，且絕緣材料可為(例如)光聚合物。液體容器可(例如)藉由包括光微影過程、噴射過程、電鍍過程、絲網印刷(screen printing)或壓印之過程來形成。換言之，液體容器之壁可以減小之尺寸以及增加之對準而直接形成於基板上。製造成本以及速度可至少得到改良。

若干實施例經提供以用於描述，而非用於限制本發明。另外，亦可使實施例彼此適當地組合成另一實施例。

圖2A以及圖2B為示意性地說明根據本發明之實施例之液體光學折光器之在側向以及橫向方向上的橫截面圖。在圖2A中，液體光學折光器可(例如)包括下部透明基板100。電極層102安置於基板100上以充當(例如)共同電極。電極層102可(例如)在實際操作中被施加接地 電壓。絕緣層104安置於所要區域之周邊區域處的電極層102上，其中電極層102上的絕緣層104有一開口，以暴露電極層102的一區域。第一電極壁106A以及第二電極壁106B安置於基板100上且自基板100豎直。第一電極壁106A以及第二電極壁106B藉由絕緣層104而與電極層102絕緣。電極壁106A、106B可為(例如)導電光聚合物。絕緣壁108安置於第一電極壁106A與106B之表面上。基本上，第一電極壁106A以及第二電極壁106B形成平行電極對以稍後用以控制電濕潤機構中的液體界面。絕緣層108之材料可為(例如)疏水性的，使得可較容易地控制電濕潤現象。

若以具有四個垂直壁之液體容器做為一實例，則另外兩個絕緣側壁在圖2B中可見，但在圖2A中不可見。為了形成液體容器，應使壁與電極壁106A、106B連續地連接。絕緣側壁116被形成為安置於基板100上且自基板100豎直以連接於第一電極壁106A、106B之間，用於形成包容空間。然而，側壁108之形狀不限於圖2B中之兩個壁部分。可採用用以形成容器之側壁的任何形狀。

液體110填充於包容空間中以與基板100上之電極層102接觸。液體110包括(例如)水或導電溶液。另一液體112填充於包容空間中以具有與液體110之界面而彼此不會溶解。液體112可包括(例如)油或絕緣液體。然而，一般而言，例如，兩種液體中之一者為導電的且另一者為絕緣的。透明頂蓋層114密封於包容空間上以形成光學折 光器(Optical Deflector)單元。兩種液體可經選擇以形成界面平面，其中可控制界面之傾斜角。此外，兩種液體之密度較佳地為實質上相同。因此，折光器不受重力影響。

圖3至圖5為示意性地說明根據本發明之實施例之操作機構的橫截面圖。舉例而言，描述操作機構。在圖3中，利用相等電壓(諸如，以30 V之電壓)來分別施加相對於共同電極102之電極106A以及電極106B。在此情形下，產生電場。液體界面之角度保持水平。對於垂直入射光而言，行進方向不偏轉。在圖4中，例如，當利用電壓V₂ 來施加電極壁106A且利用電壓V₁ 來施加電極壁106B時，產生電場。根據電濕潤現象，液體界面202A傾斜。兩種液體具有不同折射率。相對於液體界面202A，入射光200具有入射角θ₁ ，接著射出光經偏轉至右側。在圖5中，當利用電壓V₁ 來施加電極壁106A且利用電壓V₂ 來施加電極壁106B時，產生另一電場。根據電濕潤現象，液體界面202B傾斜。相對於液體界面202B，入射光200具有入射角θ₂ ，接著射出光經偏轉至左側。通常，第一液體與第二液體之間的液體界面具有角度。可藉由在電極壁106A上施加第一電壓且在第二電極壁106B上施加第二電壓來控制此角度。視電極壁上之所施加電壓的值而定，可控制液體界面之傾斜角。此時，入射光可在操作中經偏轉至所要方向。

在實際應用中，例如，液體光學折光器可用於掃描不同線位置之掃描器中。另外，液體光學折光器亦可以立體 顯示設備來實施，以用於將左側影像顯示至左眼且將右側影像顯示至右眼。此外，作為光偏轉單元之若干液體光學折光器可經形成為用於各種使用之陣列。此處，未完全列出所有應用。

對於製造過程，本發明之態樣提出用以將液體容器之壁直接形成於基板上的過程。圖6A至圖6C以及圖7為示意性地說明根據本發明之實施例之製造過程的橫截面圖。藉由(例如)在圖6A中採用基於光微影與電鍍之過程，電鍍晶種層(plating seed layer)302形成於基板300上。遮罩層304(諸如，光聚合物層)藉由光微影而形成於電鍍晶種層302上。遮罩層304具有壁開口306以曝露電鍍晶種層302。接著，藉由電鍍來使壁開口306填充有導電材料308。在圖6C中，移除電鍍晶種層302與絕緣層303之一部分，且導電材料308與剩餘電鍍晶種層302形成導電壁。為了形成液體容器，亦移除遮罩層304之一部分與剩餘部分(在圖6C之此橫截面圖中不可見)。遮罩層304之剩餘部分充當連接於導電壁308之間的絕緣壁。此外，絕緣層310較佳地更形成於導電壁308、302之表面上。所要兩種液體312與314填充於包容空間中。

在圖7中，形成具有共同電極層301之基板300。共同電極為透明導電層，諸如，ITO或任何其他適合材料。透明基板400安置於導電壁308、302以及絕緣壁上以密封液體312、314。或者，如先前所提及，亦可藉由印刷過程等等來形成壁。前述製造過程僅為實例。根據本發明之態 樣，在製造過程中，液體光學折光器可直接形成於基板上。壁亦可藉由其他各種過程而形成以形成於基板上。

相對於結構，導電壁可(例如)為多對。圖8至圖9為示意性地說明根據本發明之實施例之液體光學折光器之結構的水平橫截面圖。在圖8中，例如，三對導電壁412形成於絕緣壁410上。在此情形下，可以更多自由度來控制液體界面之角度。此外在圖9中作為實例，導電壁420a至420d可單獨形成液體容器之壁，且導電壁420a至420d與接合部分處之較小絕緣部分422連接在一起。絕緣層424(諸如，疏水性材料)形成於導電壁420a至420d之內表面上。液體可接著填充於包容空間中。

換言之，本發明根據製造過程使用具有適當材料之設備結構。可更容易地執行製造而不會消耗大量勞動力。設備直接形成於基板上，且可以減小之尺寸而形成。因此，折光器設備可更容易地整合於最終產品中，諸如，掃描器、立體顯示裝置，等等。

熟習此項技術者應瞭解，在不脫離本發明之範疇或精神的情況下，可對本發明之結構進行各種修改以及變更。鑒於前述描述，在本發明之修改以及變更屬於以下申請專利範圍以及其均等物之範疇的情況下，本發明意欲涵蓋本發明之修改以及變更。

11‧‧‧絕緣液滴/絕緣液體

12‧‧‧介電腔室/介電質

13‧‧‧導體液體

14‧‧‧表面處理

15‧‧‧接觸區域

16‧‧‧電極

17‧‧‧電極

100‧‧‧基板

102‧‧‧電極層

104‧‧‧絕緣層

106A‧‧‧第一電極壁

106B‧‧‧第二電極壁

108‧‧‧絕緣壁/絕緣層/側壁

110‧‧‧液體

112‧‧‧液體

114‧‧‧透明頂蓋層

116‧‧‧絕緣側壁

200‧‧‧入射光

202A‧‧‧液體界面

202B‧‧‧液體界面

300‧‧‧基板

301‧‧‧共同電極層

302‧‧‧電鍍晶種層/導電壁

303‧‧‧絕緣層

304‧‧‧遮罩層

306‧‧‧壁開口

308‧‧‧導電材料/導電壁

310‧‧‧絕緣層

312‧‧‧液體

314‧‧‧液體

400‧‧‧基板

410‧‧‧絕緣壁

412‧‧‧導電壁

420a‧‧‧導電壁

420b‧‧‧導電壁

420c‧‧‧導電壁

420d‧‧‧導電壁

422‧‧‧絕緣部分

424‧‧‧絕緣層

A‧‧‧參考

B‧‧‧參考

V‧‧‧電壓

V₁ ‧‧‧電壓

V₂ ‧‧‧電壓

θ₁ ‧‧‧入射角

θ₂ ‧‧‧入射角

隨附圖式被包括以提供對本發明之進一步理解，且被併入以及構成本說明書之一部分。圖式說明本發明之實施 例且連同描述一起用以闡釋本發明之原理。

圖1為示意性地說明根據本發明之較佳實施例之面偵測方法的過程流程圖。

圖2A以及圖2B為示意性地說明根據本發明之實施例之液體光學折光器之在側向以及橫向方向上的橫截面圖。

圖3至圖5為示意性地說明根據本發明之實施例之操作機構的橫截面圖。

圖6A至圖6C以及圖7為示意性地說明根據本發明之實施例之製造過程的橫截面圖。

圖8至圖9為示意性地說明根據本發明之實施例之液體光學折光器之結構的水平橫截面圖。

100‧‧‧基板

102‧‧‧電極層

104‧‧‧絕緣層

106A‧‧‧第一電極壁

106B‧‧‧第二電極壁

108‧‧‧絕緣壁/絕緣層/側壁

110‧‧‧液體

112‧‧‧液體

114‧‧‧透明頂蓋層

116‧‧‧絕緣側壁

Claims (28)

1. 一種液體光學折光器，包括：一基板；一電極層，其安置於所述基板上；一絕緣層，其安置於所述電極層上，其中所述電極層具有被所述絕緣層曝露的一曝露區域；一第一電極壁，其自所述基板豎直；一第一絕緣壁，其安置於所述第一電極壁之一表面上；一第二電極壁，其自所述基板豎直且面向所述第一電極壁做為一第一電極對；一第二絕緣壁，其安置於所述第二電極壁之一表面上；一側壁，其自所述基板豎直且至少連接於所述第一電極壁與所述第二電極壁之間，以便形成一包容空間，其中所述側壁之材料包括光聚合物；一第一液體，其填充於所述包容空間中以與所述基板上之所述電極層接觸；一第二液體，其填充於所述包容空間中以具有與所述第一液體之界面而彼此不會溶解；以及一頂蓋層，其密封於所述包容空間上以形成光學折光器單元，其中所述第一液體與所述第二液體之間的所述界面相對所述基板相夾有一角度，所述角度是由所述第一 電極壁上之第一電壓以及所述第二電極壁上之第二電壓控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一液體以及所述第二液體中之一者為導電液體，且所述第一液體以及所述第二液體中之另一者為電絕緣液體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一液體以及所述第二液體中之一者為水，且所述第一液體以及所述第二液體中之另一者為油。
4. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一絕緣壁以及所述第二絕緣壁為疏水性的。
5. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一電極壁平行於所述第二電極壁。
6. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一電極壁以及所述第二電極壁之材料包括導電光聚合物。
7. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一液體與所述第二液體具有不同折射率。
8. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述界面之所述角度經控制以具有至少兩個值，以便使入射光之方向偏轉成至少兩個特定方向。
9. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，更包括連接至所述側壁之至少第二電極對，以更控制所述兩種液體之所述界面。
10. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述基板、所述基板上之所述電極層以及所述頂蓋層為光透明的。
11. 如申請專利範圍第1項所述之液體光學折光器，其中所述第一液體與所述第二液體為實質上相等密度。
12. 一種光學折光器陣列，包括如申請專利範圍第1項所述之多個光學折光器單元，其中所述光學折光器單元形成陣列。
13. 一種用於形成液體光學折光器之方法，包括：提供一基板，其中所述基板具有在其上之一電極層以及安置於所述電極層上之一絕緣層，且所述第一電極層具有一曝露區域；形成一第一電極壁，其自所述基板豎直；形成一第一絕緣壁，其安置於所述第一電極壁之表面上；形成一第二電極壁，其自所述基板豎直且面向所述第一電極壁作為一第一電極對；形成一第二絕緣壁，其安置於所述第二電極壁之一表面上；形成一側壁，其自所述基板豎直且連接於所述第一電極壁與所述第二電極壁之間，以便形成一包容空間；將一第一液體填充於所述包容空間中以與所述基板上之所述電極層接觸；將一第二液體填充於所述包容空間中以具有與所 述第一液體之界面而彼此不會溶解；以及形成一頂蓋層以用於密封於所述包容空間上以形成光學折光器單元，其中所述第一絕緣壁以及所述第二絕緣壁是由光聚合物形成。
14. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中藉由執行包括光微影過程來將所述第一電極壁、所述第一絕緣壁、所述第二電極壁、所述第二絕緣壁以及所述側壁直接形成於所述基板上。
15. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中藉由執行包括光微影過程以及電鍍過程來將所述第一電極壁、所述第一絕緣壁、所述第二電極壁、所述第二絕緣壁以及所述側壁直接形成於所述基板上。
16. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中藉由執行包括噴射印刷過程來將所述第一電極壁、所述第一絕緣壁、所述第二電極壁、所述第二絕緣壁以及所述側壁直接形成於所述基板上。
17. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中藉由執行包括絲網印刷過程來將所述第一電極壁、所述第一絕緣壁、所述第二電極壁、所述第二絕緣壁以及所述側壁直接形成於所述基板上。
18. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中藉由執行包括壓印過程來將所述第一電極壁、所述第一絕緣壁、所述第二電極壁、所述第二絕 緣壁以及所述側壁直接形成於所述基板上。
19. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中多個所述光學折光器單元經同時形成以具有陣列。
20. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述第一液體以及所述第二液體中之一者為導電液體，且所述第一液體以及所述第二液體中之另一者為電絕緣液體。
21. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述第一液體以及所述第二液體中之一者為水，且所述第一液體以及所述第二液體中之另一者為油。
22. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述第一絕緣壁以及所述第二絕緣壁是由疏水性材料形成。
23. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述第一電極壁經形成為平行於所述第二電極壁。
24. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述第一電極壁以及所述第二電極壁是由導電光聚合物形成。
25. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述第一液體與所述第二液體具有不 同折射率。
26. 如申請專利範圍第13項所述之用於形成液體光學折光器之方法，其中所述基板、所述基板上之所述電極層以及所述頂蓋層是由光透明材料形成。
27. 一種液體光學折光器，包括：一基板；一電極層，其安置於所述基板上；一絕緣層，其安置於所述電極層上，其中所述電極層具有被所述絕緣層曝露的一曝露區域；一第一電極壁，其自所述基板豎直；一第一絕緣壁，其安置於所述第一電極壁之一表面上；一第二電極壁，其自所述基板豎直且面向所述第一電極壁做為一第一電極對；一第二絕緣壁，其安置於所述第二電極壁之一表面上；一側壁，其自所述基板豎直且至少連接於所述第一電極壁與所述第二電極壁之間，以便形成一包容空間；一第一液體，其填充於所述包容空間中以與所述基板上之所述電極層接觸；一第二液體，其填充於所述包容空間中以具有與所述第一液體之界面而彼此不會溶解；以及一頂蓋層，其密封於所述包容空間上以形成光學折光器單元， 其中所述第一液體與所述第二液體之間的所述界面相對所述基板相夾有一角度，所述角度是由所述第一電極壁上之第一電壓以及所述第二電極壁上之第二電壓控制，其中所述第一電極壁以及所述第二電極壁之材料包括導電光聚合物。
28. 一種液體光學折光器，包括：一基板；一電極層，其安置於所述基板上；一絕緣層，其安置於所述電極層上，其中所述電極層具有被所述絕緣層曝露的一曝露區域；一第一電極壁，其自所述基板豎直；一第一絕緣壁，其安置於所述第一電極壁之一表面上；一第二電極壁，其自所述基板豎直且面向所述第一電極壁做為一第一電極對；一第二絕緣壁，其安置於所述第二電極壁之一表面上；一側壁，其自所述基板豎直且至少連接於所述第一電極壁與所述第二電極壁之間，以便形成一包容空間；一第一液體，其填充於所述包容空間中以與所述基板上之所述電極層接觸；一第二液體，其填充於所述包容空間中以具有與所述第一液體之界面而彼此不會溶解；以及 一頂蓋層，其密封於所述包容空間上以形成光學折光器單元，其中所述第一液體與所述第二液體之間的所述界面相對所述基板相夾有一角度，所述角度是由所述第一電極壁上之第一電壓以及所述第二電極壁上之第二電壓控制，其中所述第一電極壁以及所述第二電極壁是由導電光聚合物形成。