CN110441838A - 基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法 - Google Patents

基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化钛有机‑无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，首先利用光刻技术制造出具有规则排列的光刻胶柱体结构，再对得到的结构加热进行热回流处理，得到凸透镜阵列的母版结构，然后在母版上浇注PDMS，热固化后复制得到具有凹透镜阵列结构的软模板，最后通过紫外软压印技术在二氧化钛有机‑无机光敏复合薄膜上制备得到凸透镜阵列结构。最终得到的异形凸透镜阵列结构的形状和尺寸可以根据不同的母版形状和尺寸进行调节，而凸透镜阵列结构的基本光学参数可通过调节光敏复合材料的折射率等实现。本发明具有制作快速，成本低，转移精度高，重复性强的优点。

Description

基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制 备方法
技术领域
本发明涉及一种凸透镜阵列的制备，具体涉及一种基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法。
背景技术
随着科技的发展，光学元件的微型化，势必使分立光学元件向阵列光学元件发展，需要发挥光子作为信息载体所具有的高速度、并行性和巨大的互联能力，需要采用密集的、规则排列的、光性均匀的微透镜阵列。微透镜阵列通常采用平面光刻工艺和离子交换技术相结合的光刻离子交换工艺，此外，光敏热处理工艺、光刻热熔工艺、溶胶-凝胶工艺、离子束刻蚀工艺等都可以用来制作微透镜阵列。但是这些工艺过程复杂、造价高、加工周期长，可重复性差，不能实现批量生产，最重要的是这些方法得到的微透镜阵列需要经过刻蚀等方法转移到目标材料或者是基底上，造价高且这样经过多次图形转移，将会带来较大的误差。
以前研制和使用的透镜阵列外形都是圆柱形的，几何形状和光学性能都有高度的对称性，其成像性能较好，使用方便。但是，存在困难是做成阵列时，透镜之间存在较大的间隙，在应用中有较多的信息丢失，影响使用效果。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，解决现有透镜阵列存在较大间隙，应用时容易造成信息丢失的问题。
技术方案：本发明所述的基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)具有异形图形的铬阵列掩模板在光刻机上接触式曝光，然后在PGEMA的显影液中显影得到柱体阵列结构，然后将所得到的柱体阵列结构在热板上热回流，得到具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版；
(2)将PDMS预固物和固化剂按10∶1的质量比在纸杯中混合搅匀，静置10分钟去除大的气泡，再放入真空干燥箱中直至内部气泡完全去除，然后，将其浇注在步骤(1)所制得的母版上烘干固化，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
(3)将利用溶胶-凝胶法制得具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，旋涂在载玻片上作为压印层，然后，将步骤(2)制得的PDMS软模板压印到复合薄膜上，并置于氙灯下紫外曝光固化，静置后，将PDMS软模板从完全固化的复合薄膜上剥离，最后压印后的载玻片放入烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了具有异形的凸透镜阵列。
所述步骤(1)中异形图形为正方形或者六边形。
所述步骤(1)中接触式曝光时间为60s，显影时间为60s，在热板上热回流的温度是120-160℃，时间是30分钟。
所述步骤(2)中固化剂为过氧化物硫化剂。
所述步骤(3)中旋涂的转速为500-1000rpm/min，紫外曝光固化时间为30-40分钟，静置1-2个小时。
有益效果：本发明制作快速，转移精度高，重复性强，由于异形凸透镜阵列的排列的不规则性，其光线的反射性更大，在应用到发光器件中，可以更大提高其发光效率。
附图说明
图1具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版的光学显微镜图；
图2是由具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板压印得到的复合薄膜凸透镜阵列结构的光学显微镜图；
图3是六边形凸透镜阵列母版和压印后轮廓对比图；
图4是正方形凸透镜阵列母版和压印后轮廓对比图；
图5是字符“L”由压印得到的复合薄膜凸透镜阵列结构在白光下的光学成像显微图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜制备六边形凸透镜阵列，包括以下步骤：
1)利用光刻机通过具有六边形图形的铬阵列掩模板在AZ4620型光刻胶上采用接触式曝光60s，然后在PGEMA的显影液中显影60s得到底部形状为六边形的柱体阵列结构，然后将所得到的柱体阵列结构在热板上150℃热回流30分钟，得到高度为10μm，底部对角线长度为60.413μm的圆形凸透镜阵列结构的光刻胶母版，母版的光学显微镜图如图1(a)所示；
2)将Sylgard184的PDMS预固物和固化剂按10∶1的质量比在纸杯中混合搅匀，静置10分钟去除大的气泡，再将其放入真空干燥箱中直至内部气泡完全去除，然后，将其浇注在1)所制得的母版上并烘干固化，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
3)利用旋涂层工艺，由光敏复合基底液以每分钟500转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将PDMS软模板压印到复合薄膜上，然后将其置于紫外灯正下方(波长为365nm，电流为12mW/cm2)曝光固化40分钟，最后将固化完全的光敏复合薄膜上的PDMS软模板剥离，在烘箱中80℃干燥10分钟，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凸透镜阵列结构，尺寸为高度9.748μm，底部对角线长度为57.348μm，由图2(a)的光学显微镜图可以看出，凸透镜阵列结构表面光滑整洁，且具有良好的光学成像功能。
实施例2
基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜制备正方形凸透镜阵列，包括以下步骤：
1)利用光刻机通过具有正方形图形的铬阵列掩模板在AZ4620型光刻胶上采用接触式曝光60s，然后在显影液中显影60s得到底部形状为正方形的柱体阵列结构，然后将所得到的圆柱体阵列结构在热板上150℃热回流30分钟，得到高度为7.855μm，边长为30.27μm的正方形凸透镜阵列结构的光刻胶母版，母版的光学显微镜图如图1(b)所示；
2)将Sylgard184的PDMS预固物和固化剂按10∶1的质量比在纸杯中混合搅匀，静置10分钟去除大的气泡，再将其放入真空干燥箱中直至内部气泡完全去除，然后，将其浇注在1)所制得的母版上并烘干固化，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
3)利用旋涂层工艺，由光敏复合基底液以每分钟500转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将PDMS软模板压印到复合薄膜上，然后将其置于紫外灯正下方(波长为365nm，电流为12mW/cm2)曝光固化40分钟，最后将固化完全的光敏复合薄膜上的PDMS软模板剥离，在烘箱中80℃干燥10分钟，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凸透镜阵列结构，尺寸为透镜高度为7.422μm，边长为29.99μm，由图2(b)的光学显微镜图可以看出，凸透镜阵列结构表面光滑整洁，且具有良好的光学成像功能。
图3是实施例1中母版(a)和转印(b)之后得到的微透镜阵列轮廓图对比，由图可知，母版透镜高度为10.009μm，宽度(六边形对角线长度)为60.413μm，压印后得到的透镜高度为9.748μm，宽度为57.348μm，由此可知高度和宽度转移精度达到了97.4％和94.9％。
图4是实施例2中母版(a)和转印(b)之后得到的微透镜阵列轮廓图对比。由图可知，母版透镜高度为7.855μm，宽度(正方形边长)为30.27μm，压印后得到的透镜高度为7.422μm，宽度为29.99μm，由此可知高度和宽度转移精度达到了94.5％和99.1％。
图4是压印得到的光敏复合薄膜六边形凸透镜阵列结构对字母“L”在白光下所成像的光学显微图。从图中可以看出，由紫外软压印光刻技术结合PDMS软模板得到的二氧化钛有机无机光敏复合薄膜凸透镜阵列结构具有成像清晰，成像一致等优点，可以投入到实际应用当中去，进一步表明通过本发明制备得到的微透镜阵列结构的有效性和可实施性。
本发明所涉及的制备凸透镜阵列结构的方法不但具有低成本、高精度的特性，而且所制备得到的凹透镜阵列结构具有良好的成像性能。
本发明同时结合了光刻热回流技术和PDMS紫外纳米压印的方法，还有二氧化钛有机无机光敏复合薄膜，所制备得到的异形微透镜阵列结构制备工艺过程简单、精度高、低成本、可实现批量生产等，另外所制备得到的微凸透镜阵列结构具有良好的光学成像功能，并且不同图形的微透镜阵列的应用领域更加宽广。

Claims (5)

1.一种基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)具有异形图形的铬阵列掩模板在光刻机上接触式曝光，然后在PGEMA的显影液中显影得到柱体阵列结构，然后将所得到的柱体阵列结构在热板上热回流，得到具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版；
(2)将PDMS预固物和固化剂按10:1～2的质量比在纸杯中混合搅匀，静置10分钟左右去除大的气泡，再放入真空干燥箱中直至内部气泡完全去除，然后，将其浇注在步骤(1)所制得的母版上烘干固化，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
(3)将利用溶胶-凝胶法制得具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，旋涂在载玻片上作为压印层，然后将步骤(2)制得的PDMS软模板压印到复合薄膜上，并置于氙灯下紫外曝光固化，静置后，将PDMS软模板从完全固化的复合薄膜上剥离，最后压印后的载玻片放入烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了具有异形的凸透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中异形图形为正方形或者六边形。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中接触式曝光时间为60s，显影时间为60s，在热板上热回流的温度是120-160℃，时间是30分钟。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中固化剂为过氧化物硫化剂。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化钛有机-无机光敏复合薄膜异形凸透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中旋涂的转速为500-1000rpm/min，紫外曝光固化时间为30-40分钟，静置1-2个小时。
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