CN105620066B - 透明微结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明微结构制造方法，包括：将以透明聚合物材料为有效成分的油墨凹印至基底表面，形成有序的微阵列结构；对所述微阵列结构进行加热处理，使组成所述微阵列结构的油墨转变为粘流态并自发收缩形成圆冠状，再经冷却处理后，于所述基底表面形成透明微结构。本发明工艺简单，可以实现高质量透明微结构的高速印刷制造，克服了现有凹版印刷产品膜厚但外观不规则、表面粗糙且有空洞的缺陷，显著提高了产品质量和生产速度，并大幅降低其制作成本。

Description

透明微结构的制造方法

技术领域

本发明涉及一种透明微结构（例如微透镜阵列）的制备方法，具体涉及一种利用凹版印刷工艺制造透明微结构的方法。

背景技术

微米级的透镜（微透镜）所组成的阵列不仅具有传统透镜的基本功能，还具有单元尺寸小、集成度高的特点，从而能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统，在波前传感、光聚能、光整形等方面得到广泛应用。

随着微透镜阵列的应用范围扩大到一些低端产品（如光扩散板、导光板等），对微透镜阵列的生产成本控制也提出了新的要求，因此在产品性能基本够用的前提下，一些新的低成本生产工艺如喷墨打印、丝网印刷等方法也逐渐被用来进行制造微透镜或者类似透明微结构的尝试。虽然利用这两种工艺制造透明微结构阵列仍然处于初始阶段，但印刷工艺本身的特点决定了其局限性：喷墨打印技术要求将油墨的黏度限制在很低的范围内，可用的油墨种类有限，同时打印速度比较慢，由于喷嘴堵塞而造成的部分图案缺失也在所难免；而丝网印刷的生产速度也不快，还必须充分考虑网版的耐用性问题。不同于印刷连续的图案，孤立点阵列的印刷要求确保空白处无漏墨，这将使网版的可用寿命大幅降低。

与喷墨打印和丝网印刷技术相比，凹版印刷具有速度快、印版寿命长的优点，在大规模的印刷制造中具有独特的优势。而与胶版印刷、柔版印刷等类似的轮转印刷工艺相比，凹版印刷虽然成本略高，但具有设备结构简单、印版寿命长、可用的油墨范围广、印刷墨层厚实等优点，原理上更加适合用于透明微结构阵列的制造。更加有利于制造复杂光学设备的是，凹版印刷可以利用网穴的不同规格在单次印刷中获得厚度、层次完全不一样的复杂图案，这点是其他有版印刷方式很难做到的，从而可以非常简便地印刷出复杂的微观透镜阵列，实现特殊的光学用途。但凹版印刷所用的通常是快干型的溶剂，因此所得到的微结构很难做到理想的圆冠结构，表面也会比较粗糙，缺乏光学方面的实用价值，需要进行结构和表面优化的处理以提高产品的光学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种新型的透明微结构的制造方法，以克服现有技术中的不足。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种透明微结构制造方法，包括：

将以透明聚合物材料为有效成分的油墨凹印至基底表面，形成有序的微阵列结构，

对所述微阵列结构进行加热处理，使组成所述微阵列结构的油墨转变为粘流态并自发收缩形成圆冠状，再经冷却处理后，于所述基底表面形成透明微结构。

较为优选的，所述油墨包含20-60wt%易挥发溶剂，例如可选自酯类，醇类，苯类，或者酮类。

较为优选的，所述油墨还可包含0.1-10wt%量子点，以提高光学性能。

较为优选的，所述透明聚合物材料由粘流态凝固时不发生结晶。

较为优选的，所述透明聚合物材料在粘流态下与所述基底表面的接触角大于或等于50°。

较为优选的，所述基底能够耐受比所述透明聚合物材料的粘流温度高出20℃的高温。亦即，所述基底可以承受比所述透明聚合物材料的粘流温度高出20℃的高温而不被损坏。

较为优选的，所述透明微结构制造方法包括：在减压条件下，特别是真空环境中对所述微阵列结构进行加热处理。但是，所采用的加热温度和真空度组合保证透明聚合物材料熔融而不会汽化。

较为优选的，所述透明微结构制造方法包括：在凹印过程中，采用具有网穴-网墙结构的凹印版，其中网墙的宽度大于网穴开口对角线或者直径长度的一半。

进一步的，所述透明微结构制造方法包括：在凹印过程中，采用直接印刷或间接印刷方式将所述油墨自凹印版的网穴中转移至基底表面。

例如，其中的直接印刷方式包括：将所述油墨直接由凹印版的网穴中转移到基底表面。

例如，其中的间接印刷方式包括：将所述油墨由凹印版的网穴中转移到中间介质上，再由中间介质转移到基底表面。

进一步的，所述基底优选自透明基底，尤其优选自柔性透明基底，进一步优选自膜状的柔性透明基底。

进一步的，在本发明的一典型实施案例中，一种透明微结构薄膜的制造方法包括以下步骤：

S1、将待使用的具有预先设好图案的凹印版凹坑内填充油墨，其中所述油墨为以透明聚合物材料为有效成分的油墨；

S2、将待印刷的透明基板去除表面保护膜，或者用溶剂或等离子处理将表面清洁干净；

S3、将步骤S1中填充有油墨的凹印版，与步骤S2中的透明基板接触；所述凹版中的油墨将转印到所述透明基板上，形成有序的微结构阵列；

S4、将步骤S3中带有微结构阵列油墨的透明基板进行加热处理；使微结构阵列油墨转为粘流态，在所述透明基底表面形成圆冠状；

S5、将步骤S4中的带有圆冠状油墨的透明基底进行冷却，形成具有透明微结构薄膜。

本发明中通过将所印刷的透明聚合物加热至熔融状态（本领域亦通常称为粘流态），利用其表面张力作用，使液体的表面，例如液体与空气的接触面自发收缩形成光滑的曲率表面（在理想状态下液体与基底的接触面也会收缩成圆形），从而使熔融状态下的透明微观结构与空气接触部分自发形成光滑的表面，而且，在粘流态聚合物与基底的接触角足够大的前提下，即使印刷获得的微结构呈扁平的不规则形状，只要相互连接成一个整体而非孤立的散点，就可以使透明聚合物材料在熔融状态下自发收缩成为比较理想的圆冠外形，进一步的，在控制好该透明聚合物在冷却过程中无结晶析出的前提下，使形成的圆冠外形在冷却后可以获得比较理想的微透镜结构。

进一步的，考虑到由于凹版印刷所获得的结构可能会有溶剂残留或者缺陷存在，加热熔融的过程中可能会有气泡的产生，从而影响微结构的光学性能，本发明通过大幅降低操作环境的气压（即，采用减压条件，特别是形成真空环境），有利于驱除气泡，获得质量更好的微透镜结构。

相比于现有技术，本发明的有益效果包括：

（1）本发明通过在透明基底上凹版印刷透明微结构阵列的方法，可以显著提高产品的生产速度，并大幅降低其制作成本；

（2）本发明通过对印刷产品的加热后处理，有效利用了凹版印刷墨量控制精确的特点和液体因表面张力自发形成完美曲面的特点，实现高质量微结构表面的高速印刷制造，克服了现有凹版印刷产品膜厚但外观不规则、表面粗糙且有空洞的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中采用的凹印版的网穴分布示意图；

图2是本发明实施例1中采用的凹版印刷工艺原理图；

附图标记说明：21-凹印版，22-凹印版上的网穴，23-凹印版上的网墙，24-压印胶辊，25-贴在压印胶辊上的薄膜样品，26-透明油墨。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，以使本发明创新实质便于理解，但这些相关的实施例说明并不构成对本发明使用范围的限制。

实施例1

将出厂前已经清洁处理的商品化透明聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）裁成120×200mm的基底，在去除覆盖的保护膜之后利用凹版印刷设备在其表面直接印刷主要成分为透明聚丙烯酸类树脂的凹版印刷油墨，设备所采用的平板式凹印版的局部网穴布局如图1所示。其中网穴的直径保持不变，在40-60微米范围内取最优值；网穴的深度优选在8-15微米范围内，并可根据光路设计的需求设计三个不同的数值，从而使所获得的微透镜具有不同的尺寸，以保证整个阵列具有理想的光学效果。整个凹版印刷的速度为5-10米/分钟，凹辊与透明PEN之间的压力为80-120牛顿，其原理如图2所示。

印刷获得的PEN样品在150℃、气压为20-100Pa的真空烘箱中加热5-15分钟，使印刷油墨中的透明聚丙烯酸类树脂（其粘流温度小于120℃，在粘流状态下与基底的接触角范围为50-55°）得到充分熔化并利用表面张力自发优化与空气接触的表面，在样品常温冷却后即可获得理想的微透镜阵列，该微透镜阵列中各微透镜表面呈光滑的圆冠形曲面，且经显微镜观测，其内部无气泡。

实施例2

将出厂前已经清洁处理的商品化高透光玻璃作为基底，利用300毫米幅宽的辊式间接凹版印刷设备，通过先印在胶辊上、再转移到玻璃上的方式在玻璃表面印刷主要成分为透明聚丙烯酸类树脂的凹版印刷油墨，间接凹版印刷的速度为3-7米/分钟。所采用凹印辊上的网穴直径为60-90微米，深度为10-20微米。其中网穴的直径根据光路设计的需求设计三个不同的数值，而网穴的深度则取相同的最优值。

印刷获得的玻璃样品在180℃、气压为2-5 kPa的真空环境中停留3-5分钟，使印刷油墨中的透明聚丙烯酸类树脂（熔点温度小于120℃，在粘流状态下与基底的接触角范围为60-65°）得到充分熔化并利用表面张力自发优化与空气接触的表面，在样品常温冷却后即可获得理想的微透镜阵列，该微透镜阵列中各微透镜表面呈光滑的圆冠形曲面，且经显微镜观测，其内部无气泡。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透明微结构制造方法，其特征在于包括：

将以透明聚合物材料为有效成分的油墨凹印至基底表面形成有序的微阵列结构，其中所述透明聚合物材料在粘流态下与所述基底表面的接触角大于或等于50°；

对所述微阵列结构进行加热处理，使组成所述微阵列结构的油墨转变为粘流态并自发收缩形成圆冠状，再经冷却处理后，于所述基底表面形成透明微结构。

2.根据权利要求1所述透明微结构制造方法，其特征在于，所述油墨包含20-60wt％易挥发溶剂。

3.根据权利要求1或2所述透明微结构制造方法，其特征在于，所述油墨还包含0.1-10wt％量子点。

4.根据权利要求1所述透明微结构制造方法，其特征在于，所述透明聚合物材料由粘流态凝固时不发生结晶。

5.根据权利要求1或4所述透明微结构制造方法，其特征在于，所述基底能够耐受比所述透明聚合物材料的粘流温度高出20℃的高温。

6.根据权利要求1所述透明微结构制造方法，其特征在于包括：在减压条件下对所述微阵列结构进行加热处理。

7.根据权利要求1或6所述透明微结构制造方法，其特征在于包括：在真空环境中对所述微阵列结构进行加热处理。

8.根据权利要求1所述透明微结构制造方法，其特征在于包括：在凹印过程中，采用具有网穴-网墙结构的凹印版，其中网墙的宽度大于网穴开口对角线或者直径长度的一半。

9.根据权利要求1或8所述透明微结构制造方法，其特征在于包括：在凹印过程中，采用直接印刷或间接印刷方式将所述油墨自凹印版的网穴中转移至基底表面；其中，

直接印刷方式包括：将所述油墨直接由凹印版的网穴中转移到基底表面；

而间接印刷方式包括：将所述油墨由凹印版的网穴中转移到中间介质上，再由中间介质转移到基底表面。

10.根据权利要求1、2、4、6或8所述透明微结构制造方法，其特征在于，所述基底采用透明基底，所述透明基底包括柔性透明基底。