TWI506301B - 微透鏡結構及其製造方法 - Google Patents

Description

微透鏡結構及其製造方法

本發明是有關於一種微透鏡結構，且特別是關於一種微透鏡結構光照裝置。

微透鏡指直徑小於1毫米，特別是直徑小於10微米的透鏡，屬於被動光學元件，常用於光學系統中以聚焦或發散光。透過微透鏡尺寸的縮小化，以得到良好的光學質量，並減少不必要的光學衍射。當微透鏡重複排列形成於基材上之時，則形成微透鏡陣列。微透鏡陣列常被應用於發光二極體或有機發光二極體之上以提升光萃取率，降低光在發光二極體內全反射的比率。

由於微透鏡陣列在聚光、對焦、大面積顯示、光效率增強等方面有越來越廣泛的應用，更多人投入於微透鏡的製造方法的研究。而研究方向不外乎縮短製造時間以及提升透鏡品質。常見的微透鏡陣列製造方法包含近接式曝光法、微球排列法、熱熔法、電鑄法、準分子雷射加工，以及聚合物沉積法等。但也都具有各自的優缺點例如近接 式曝光製造速度快、表面品質好，但微透徑之高徑比極低；準分子雷射可以精準加工表面外形，但機台昂貴，微透鏡間具有空隙；電鑄法電鑄層穩固，可進行多次翻模，但表面較粗糙，高徑比低、並且相當耗時。

有鑑於此，本發明的實施例中提供一種微透鏡結構以及微透鏡結構的製造方法，透過創新的製程可以縮短製造時間，並製造出具有良好微透鏡填充率、微透鏡高徑比、以及低表面粗糙度之微透鏡陣列。並將此微透鏡陣列加以應用於一微透鏡結構中，使此微透鏡結構應用於光源時可提升光源之光萃取率以及發光視角。

本發明之一態樣為一微透鏡結構，包括一透鏡本體，此透鏡本體具有一第一入光面及一第一出光面，其中，第一出光面為一曲面。複數個微透鏡，每一微透鏡具有一第二入光面及一第二出光面，且第二出光面為一曲面，此些微透鏡分布於透鏡本體之第一出光面上，且此些微透鏡之間互相緊密連接完全覆蓋於透鏡本體之第一出光面上。

本發明之另一態樣為一微透鏡結構光照裝置，包括一微透鏡結構及一光源。微透鏡結構包括一透鏡本體，該透鏡本體具有一第一入光面及一第一出光面，其中，第一出光面為一曲面，且透鏡本體具有一四方外形並在第一出光面與第一入光面間具有一高度，以及複數個微透鏡，每一微透鏡具有一第二入光面及一第二出光面，且第二出光 面為一曲面，此些微透鏡分布於透鏡本體之第一出光面上，且此些微透鏡之間互相緊密連接完全覆蓋於透鏡本體之第一出光面上。光源具有一第三出光面，且第三出光面與透鏡本體之第一入光面相連接，此光源具有一四方外形。

根據本發明之一實施方式，其中此些微透鏡為一立體結構，其由上方觀測之形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或其組合。

根據本發明之一實施方式，其中此些微透鏡之高徑比大於0.2。

根據本發明之一實施方式，其中此些微透鏡之表面粗糙度RMS(均方根粗糙度)小於5奈米。

根據本發明之一實施方式，其中此些光源為發光二極體或有機發光二極體。

本發明之另一態樣為一微透鏡結構製造方法，包括提供一基板。形成複數個透鏡結構於此基板上。旋轉塗佈一填隙層於此些透鏡結構上形成一第一透鏡陣列。以及沖壓翻模此第一透鏡陣列形成一微透鏡結構。

根據本發明之一實施方式，其中形成複數個透鏡結構於此基板上包含形成一塗佈層於此基板上。曝光顯影此塗佈層形成複數個柱狀結構。以及熱熔此些柱狀結構形成複數個透鏡結構。

根據本發明之一實施方式，其中沖壓翻模此第一透鏡陣列形成一微透鏡結構包括翻模此第一透鏡陣列結構形成一第一母模。翻模第一母模形成一第二透鏡陣列。準備 一透鏡基底模及一透鏡外模。沖模使透鏡基底模將第二透鏡陣列壓入透鏡外模內形成一透鏡模組。翻模透鏡模組形成一第二母模。以及翻模第二母模形成一微透鏡結構。

100‧‧‧微透鏡

102‧‧‧第二出光面

104‧‧‧第二入光面

200‧‧‧透鏡本體

202‧‧‧第一出光面

204‧‧‧第一入光面

210‧‧‧光源

212‧‧‧第三出光面

220、390‧‧‧微透鏡結構

230‧‧‧微透鏡結構光照裝置

300‧‧‧基板

310‧‧‧塗佈層

312‧‧‧柱狀結構

314‧‧‧透鏡結構

320、510、520‧‧‧填隙層

330‧‧‧第一透鏡陣列

340‧‧‧第一母模

350‧‧‧第二透鏡陣列

360‧‧‧透鏡基底模

362‧‧‧底板

364‧‧‧本體部

370‧‧‧透鏡外模

372‧‧‧中空結構

376‧‧‧透鏡模組

380‧‧‧第二母模

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構之示意圖；第2A至2J圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構之製造方法之剖面示意圖；第3圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡陣列之示意圖；第4A與4B圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構與用電鑄法製成之微透鏡結構之比較圖；以及第5圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構之發光強度比較圖。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。並為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，熟悉本領域之技術人員應當瞭解 到，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節並非必要的，因此不應用以限制本發明。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

在本發明之部分實施方式中，提供一具有高高徑比，高填充率之微透鏡結構。微透鏡之高h與底面圓形之半徑r之比值即為微透鏡之高徑比，如下式所示。 高徑比=h/r 而填充率為含有微透鏡之表面積/透鏡本體之第一出光面之表面積×100%

請參閱第1圖，第1圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構之示意圖。微透鏡結構220包括一透鏡本體200以及複數個微透鏡100。透鏡本體200具有一第一入光面204及一第一出光面202。在本發明之部分實施例中，透鏡本體200為一平凸透鏡。在本發明之部分實施例中，透鏡本體200具有一四方外型，且在第一入光面204及一第一出光面202之間具有一高度。複數個微透鏡100分布於透鏡本體之第一出光面上，且此些微透鏡100之間互相緊密連接完全覆蓋於透鏡本體200之第一出光面上，具有100%的填充率。此些微透鏡為一立體結構，其由上方觀測之形狀為六邊形，且第二出光面為一曲面。在本發明之部分實施例中，此些微透鏡由上方觀測之形狀亦可為三角形，四邊形，五邊形。在本發明之部分實施例中，微透鏡100之高徑比大於0.2，例如0.2、0.3或0.4。在本發明之部分實施例中，微透鏡100之表面粗糙度RMS(均方根粗糙度)小於5奈米。在本發明之一實施例中，微透鏡結構220類似於昆蟲之複眼結構。在本發明 之部分實施例中，微透鏡結構220之外形可裁切，故微透鏡結構220之外形可為三角形、正方形、長方形、圓形等。在本發明之部分實施例中，亦可配合一電腦模擬來最佳化此微透鏡結構，可調整包括微透鏡及透鏡本體的高度，微透鏡之大小以及透鏡本體之大小，還有微透鏡的排列方式等。

繼續參閱第1圖，在第1圖中，更繪示一微透鏡結構光照裝置230，包括一微透鏡結構220及一光源210。微透鏡結構220包括一透鏡本體200，透鏡本體200具有一第一入光面及一第一出光面，其中，第一出光面為一曲面，且透鏡本體200具有一四方外形之側壁。以及複數個微透鏡100，每一微透鏡100具有一第二入光面及一第二出光面，且第二出光面為一曲面，此些微透鏡100分布於透鏡本體200之第一出光面上，且此些微透鏡100之間互相緊密連接完全覆蓋於透鏡本體200之第一出光面上，可達100%的填充率。在本發明之部分實施例中，此些微透鏡100為一立體結構，其由上方觀測之形狀可為三角形，四邊形，五邊形或六邊形。在本發明之部分實施例中，微透鏡100之高徑比大於0.2。微透鏡100之表面粗糙度RMS(均方根粗糙度)小於5奈米。光源210具有一第三出光面，且第三出光面與透鏡本體200之第一入光面相連接，且光源200具有一四方外形。在本發明之部分實施例中，微透鏡結構220之外形可隨光源210之外形而裁切以進行搭配，故微透鏡結構220之外形亦可為正方形、長方形。在本發明之部分實施例中，光源210為發光二極體或有機發光二極體，微透鏡結構可提升光源之光萃取率及發光視角。

請參照第2A至第2J圖，第2A至2J圖繪示根據本發明 一實施方式之微透鏡結構之製造方法之示意圖。請參照第2A圖，第2A圖繪示一基板300，以及一塗佈層310形成於基板300之上。包含步驟提供一基板，以及形成一塗佈層於基板上。基板300為一矽晶圓或是其他合適進行黃光微影及選轉塗佈之基板。將基板300經由旋轉塗佈光阻形成厚度均勻之塗佈層310，可以依旋轉塗佈之轉速來控制塗佈層310之厚度。塗佈層310之材料選用硬度、抗拉強度等機械強度良好之光阻，以易於製作高深寬比的結構。在本發明之部分實施例中選用AZ4620正光阻。

請參照第2B圖，第2B圖為第2A圖之塗佈層經過曝光顯影之後的示意圖。繪示步驟曝光顯影塗佈層形成複數個柱狀結構。將塗佈層310經過軟烤之後，進行曝光顯影形成複數個柱狀結構312。在本發明之部分實施例中，為了得到較佳柱狀結構312之深寬比，使用UV接觸式曝光法。光罩之形狀可依需求設計柱狀結構312之排列方式以及柱狀結構312之形狀，柱狀結構312之形狀可為圓形，三角形，四邊形以及六邊形。在本發明之部分實施例中，光罩設計以直徑100μm的不透光圓，以等中心距112μm的間距交錯排列。

請參照第2C圖，第2C圖繪示第2B圖之柱狀結構經過步驟熱熔後形成複數個透鏡結構所得之透鏡結構的示意圖。柱狀結構312在經過熱熔後為降低表面能而形成複數個透鏡結構314。熱熔溫度的選擇以超過柱狀結構312所使用之光阻的玻璃轉換溫度即可。在本發明之部分實施例中，熱熔方式為使用100℃之烘箱烘烤5分鐘。

請參照第2D圖，第2D圖包括步驟旋轉塗佈一填隙層 於該些透鏡結構上形成一第一透鏡陣列。一填隙層320經由旋轉塗佈形成於透鏡結構314之上並填滿透鏡結構314與基板300之間之縫隙，形成一第一透鏡陣列330。此一第一透鏡陣列330具有高高徑比，高填充率的特性。填隙層320之材料可為一光阻，或是具有良好均勻覆蓋特性之材質。此次旋塗光阻以高速多階的塗佈方式以確保填隙層320之均勻性。在本發明之部分實施例中，旋塗參數為第1轉200rpm，第2轉800rpm，第3轉2000rpm，第4轉5000rpm，第5轉7000rpm。光阻塗佈完後再進行軟烤使填隙層320能穩固附著於透鏡結構314之上並填滿透鏡結構314間之縫隙。此旋轉塗佈法能快速進行均勻的光阻塗佈，能夠在短時間內製造出高填充率之第一透鏡陣列330。

請參照第2E圖，第2E圖包括步驟翻模第一透鏡陣列結構形成一第一母模，繪示翻模後之第一母模340。在本發明之部分實施例中，第一母模340之材料為聚二甲基矽氧烷(PDMS)或合適之高分子聚合物，將PDMS與固化劑以10：1的比例調製，攪拌後送入真空乾燥器中抽除PDMS內部氣體，以增進翻模品質。翻模方式為將一基材置於旋轉塗佈機上，其中基材為矽晶圓，倒上調置好的PDMS於基材中央進行低速旋轉塗佈。在本發明之部分實施例中，旋轉塗佈條件為第一轉100rpm，第二轉300rpm。旋轉塗佈完後置於烘箱中以100℃烘10分鐘進行固化。PDMS固化後即可以第一透鏡陣列330進行翻模，使PDMS形成第一母模340，其中第一母模340為一凹模。

請參照第2F圖，第2F圖包括步驟翻模該第一母模形成一第二透鏡陣列，繪示第二透鏡陣列350之示意圖。將第一母模 340置於一基材中央再將基材吸附於旋轉塗佈機上，倒入PDMS於第一母模340內以進行旋轉塗佈。在本發明之一實施例中，旋轉塗佈的條件為第一轉200rpm，第二轉600rpm。塗佈的厚度亦不宜太厚，以利後續沖壓翻模步驟之進行。旋轉塗佈完後將塗佈完PDMS之第一母模340置於烘箱中以100℃烘10分鐘進行固化。固化後即可獲得第二透鏡陣列350，並將其與第一母模340分離。

請參照第2G圖，第2G圖包括步驟準備一透鏡基底模及一透鏡外模。在本發明之部分實施例中，透鏡基底模360與透鏡外模370之外形可以依所要配合之光源形狀而設計。在本發明之一實施例中，透鏡基底模360與透鏡外模370為四方形外觀，用以配合四方形的有機發光二極體。透鏡基底模360具有一本體部364以及一底板362。本體部364之形狀是依照透鏡本體200之形狀而設計，透鏡本體200的形狀可在製造前以程式模擬出最合適之透鏡本體的半徑及高度。透鏡外模370具有一中空結構372，中空結構372配合透鏡基底模360之大小而設計，使得透鏡基底模360之本體部364與第二透鏡陣列350可同時壓入透鏡外模370之中空結構372中。在本發明之部分實施例中，透鏡基底模360與透鏡外模370皆利用精密銑床進行加工製成。

請參照第2H圖，第2H圖包括步驟沖模使該透鏡基底模將該第二透鏡陣列壓入該透鏡外模內形成一透鏡模組，所繪示為透鏡模組之剖面圖。透鏡基底模360將第二透鏡陣列350壓入透鏡外模370中形成透鏡模組376。第二透鏡陣列350經由沖壓而延伸，使得第二透鏡陣列350覆蓋在透鏡基底模360上。此時 透鏡模組376之中空部分可用來翻模。

請參照第2I圖，第2I圖包括步驟翻模該透鏡模組形成一第二母模，所繪示即為第二母模之剖面圖。將PDMS倒入透鏡模組376之中空部分，再烘烤固化PDMS。在本發明之部分實施例中，固化之條件為100℃環境下烘烤十分鐘。此時將固化之PDMS取出即為第二母模380。

請參照第2J圖與第1圖，第2J圖包括步驟翻模該第二母模形成一微透鏡結構，所繪示為微透鏡結構之剖面示意圖。第二母模380壓入透鏡外模370中，再將PDMS倒入透鏡外模370之中空部分，烘烤固化後，將固化之PDMS取出，即獲得微透鏡結構390。此處之PDMS亦可以具有良好可塑性及高透光性之高分子材料替換。在本發明之部分實施例中，所製得之微透鏡結構390之透光率達98.69%。第3A圖至第3J圖之方法所製成之微透鏡結構390即為第1圖中之為透鏡結構220。微透鏡結構390包括透鏡本體200以及複數個微透鏡100。且微透鏡100之間互相緊密連接完全覆蓋透鏡本體200之第一出光面202，可達100%的填充率，使微透鏡之第二入光面104與透鏡本體之第一出光面202完全重合。微透鏡100之高徑比大於0.2。微透鏡100之表面粗糙度RMS(均方根粗糙度)小於5奈米。而透鏡本體200在第一入光面與第一出面間具有一厚度更可增加所發出之光線之軸向光強。在本發明之部分實施例中，微透鏡結構390可搭配一光源使用，光源所發出之光線從透鏡本體200之第一入光面204進入，經過微透鏡結構100以增加軸向光強以及發光角度而從微透鏡100之第二出光面102發出。在本發明之部份實施例中，將製 好之微透鏡結構390加在OLED上，檢測出平均的光強增益約為77%，最高可有81.849%的發光效率增加。

請參照第3圖，第3圖為光學顯微鏡所拍出之第二透鏡陣列350之表面圖。由圖中可看見，由本方法所製造出之第二透鏡陣列350中之微透鏡皆具有六邊形之出光面，並且微透鏡間皆互相緊密連接。而微透鏡結構390是由第二透鏡陣列350翻模製成，兩者會具有相同之表面形狀。在本發明之部分實施例中，微透鏡結構中微透鏡由上方觀測之形狀可為三角形，四邊形，五邊形，六邊形或其他合適之幾何圖形。而微透鏡由上方觀測時之形狀可在第2B圖中曝光顯影形成柱狀結構312時，由光罩之設計形狀直接顯影成不同形狀之柱狀結構，例如三角形、四邊形、圓形之柱狀結構；或是設計圓形柱狀結構的排列方式，使柱狀結構在熔融成透鏡結構314時互相接觸，使得微透鏡由上方觀測時呈現不同之形狀，例如三角形、四邊形、六邊形等。

請參照第4A、4B及2D圖，第4A及4B圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構與用電鑄法製成之微透鏡之結構的比較圖。在第2D圖之步驟中，填隙層320經由旋轉塗佈形成於透鏡結構314之上，以製造高徑比大於0.2，且填充率100%的微透鏡結構。而第4B圖所繪示即為在第2D圖中第一透鏡陣列330的部分放大圖。包括透鏡結構314及覆蓋於其上的填隙層520。與第4A圖用電鑄法所製成的同樣結構相較，電鑄法為利用同樣膜厚的填隙層510層層覆蓋透鏡結構314製成，故所需製程時間很久，並且會降低微透鏡之高徑比，以及表面粗糙度會較高。由圖中所示，在第4A圖中，由電鑄法所形成之微透鏡結構 實際上有效果之透鏡高度僅為圖中所示之h1，小於在第4B圖中由旋轉塗佈法所形成之透鏡高度h2。並且在兩微透鏡交界處，第4A圖中之填隙層510是一尖角，在光學顯微鏡下可看見一明顯的接痕。而在第4B圖，使用旋轉塗佈法之填隙層520在微透鏡之交接處則為一圓弧接面，兩者也不相同。經由一次旋轉塗佈光阻，即可利用光阻的黏滯性將兩微透鏡連接。不但所花製程時間短，並且旋轉塗佈法所得之填隙層的表面粗糙度低於5奈米。

請參照第5圖，第5圖繪示根據本發明一實施方式之微透鏡結構之發光強度比較圖。圖的橫座標是發光視角，縱座標是軸向光強(cd)。圖中所繪示，三角形圖示代表OLED加上微透鏡結構，方型圖示為OLED加上單層微透鏡陣列以及圓形圖顯示只有OLED元件未加上任何聚光結構之角度與發光強度的關係。由圖中數據顯示，在0至75度視角內，微透鏡結構可提升OLED的發光效能與發光視角。

在本發明之部分實施例中，所提供之微透鏡結構以及製造微透鏡結構之方法。可經由對於光源形狀的事先模擬，製造出經過最佳化之微透鏡結構，包含微透鏡及透鏡本體的高度，微透鏡之大小以及透鏡本體之大小，還有微透鏡的排列方式等。藉由模擬出最佳化之數據來設計模具，以進行本發明之製造微透鏡結構的方法。此方法包括提供一基板；形成複數個透鏡結構於該基板上；旋轉塗佈一填隙層於該些透鏡結構上形成一第一透鏡陣列；以及沖壓翻模第一透鏡陣列形成一微透鏡結構。此方法不但能縮短微透鏡結構之製程時間，所製造出來的微透鏡結構更是具有高徑比大於0.2，填充率100%，以及表面粗糙度小於5奈米的 優點。微透鏡結構可應用於發光二極體或有機發光二極體上以增加發光二極體或有機發光二極體之發光強度與發光角度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧微透鏡

200‧‧‧透鏡本體

202‧‧‧第一出光面

204‧‧‧第一入光面

210‧‧‧光源

212‧‧‧第三出光面

220‧‧‧微透鏡結構

230‧‧‧微透鏡結構光照裝置

Claims (9)

1. 一微透鏡結構，包含：一透鏡本體，該透鏡本體具有一第一入光面及一第一出光面，其中，該第一出光面為一曲面；以及複數個微透鏡，每一該些微透鏡具有一第二入光面及一第二出光面，且該第二出光面為一曲面；其中，該些微透鏡分布於該透鏡本體之第一出光面上，且該些微透鏡之間互相緊密連接完全覆蓋於該透鏡本體之第一出光面上，該些微透鏡之高徑比大於0.2。
2. 如請求項1之微透鏡結構，其中，該些微透鏡為一立體結構，其由上方觀測之形狀為三角形、四邊形、五邊形、六邊形或其組合。
3. 如請求項1之微透鏡結構，其中，該些微透鏡之表面粗糙度RMS(均方根粗糙度)小於5奈米。
4. 一微透鏡結構光照裝置，包含：一微透鏡結構，包含：一透鏡本體，該透鏡本體具有一第一入光面及一第一出光面，其中，該第一出光面為一曲面，且該透鏡本體具有一四方外型並在第一出光面與第一入光面間具有一高度；以及複數個微透鏡，每一該些微透鏡具有一第二入光 面及一第二出光面，且該第二出光面為一曲面，該些微透鏡分布於該透鏡本體之第一出光面上，且該些微透鏡之間互相緊密連接完全覆蓋於該透鏡本體之第一出光面上；以及一光源，該光源之具有一第三出光面，且該第三出光面與該透鏡本體之第一入光面相連接，且該光源具有一四方外形。
5. 如請求項4之微透鏡結構光照裝置，其中，該些光源為發光二極體或有機發光二極體。
6. 如請求項4之微透鏡結構光照裝置，其中，該些微透鏡之高徑比大於0.2。
7. 一微透鏡結構製造方法，包含：提供一基板；形成複數個透鏡結構於該基板上；旋轉塗佈一填隙層於該些透鏡結構上形成一第一透鏡陣列；以及沖壓翻模該第一透鏡陣列形成一微透鏡結構。
8. 如請求項7之製造方法，其中，形成複數個透鏡結構於該基板上包含：形成一塗佈層於該基板上； 曝光顯影該塗佈層形成複數個柱狀結構；以及熱熔該些柱狀結構形成複數個透鏡結構。
9. 如請求項7之製造方法，其中，沖壓翻模該第一透鏡陣列形成一微透鏡結構包含：翻模該第一透鏡陣列結構形成一第一母模；翻模該第一母模形成一第二透鏡陣列；準備一透鏡基底模及一透鏡外模；沖模使該透鏡基底模將該第二透鏡陣列壓入該透鏡外模內形成一透鏡模組；翻模該透鏡模組形成一第二母模；以及翻模該第二母模形成一微透鏡結構。