TWI829458B - 微透鏡結構、其製造方法及顯示裝置 - Google Patents
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Abstract
一種微透鏡結構、其製造方法及顯示裝置。微透鏡結構包括基底以及多個微透鏡單元。多個微透鏡單元陣列排列於基底上。多個微透鏡單元的每一個包括主體部以及覆蓋部。主體部位於基底上。覆蓋部共形地覆蓋主體部的表面。覆蓋部包括疏水或疏油材質。
Description
本發明是有關於一種光學結構、其製造方法及光學裝置，且特別是有關於一種微透鏡結構、其製造方法及顯示裝置。
微透鏡是一種常見的光學元件，用以會聚或反射光線，而可應用於顯示裝置中，以提升其光學性質。一般來說，微透鏡的形成方式包括以壓印或轉印的方式形成陣列，但其解析度有限，微透鏡之間的距離大。若以微影製程的方式形成微透鏡陣列，可縮小微透鏡之間的距離，但相鄰的微透鏡容易於回流過程中連接在一起，而使微透鏡的形貌塌陷，而影響其會聚或反射光的能力。
本發明提供一種微透鏡結構、其製造方法及顯示裝置，其透過微影製程形成具有縮小間距的多個微透鏡單元，並且各微透鏡單元具有良好的形貌，在應用於顯示裝置中時，有助於提升光的會聚或反射。
本發明的微透鏡結構包括基底以及多個微透鏡單元。多個微透鏡單元陣列排列於基底上。多個微透鏡單元的每一個包括主體部以及覆蓋部。主體部位於基底上。覆蓋部共形地覆蓋主體部的表面，其中覆蓋部包括疏水或疏油材質。
本發明的微透鏡結構的製造方法包括以下步驟。提供基底，形成圖案化主體材料層於基底上。形成覆蓋材料層於圖案化主體材料層上，其中覆蓋材料層包括疏水或疏油材質。對形成在基底上的圖案化主體材料層與覆蓋材料層進行烘烤，以形成多個微透鏡單元。
本發明的顯示裝置包括第一基板、第二基板、顯示層以及多個微透鏡單元。第一基板與第二基板相對設置。顯示層設置於第一基板與第二基板之間。多個微透鏡單元陣列排列於顯示層之上且位於顯示層與第二基板之間。多個微透鏡單元的每一個包括主體部以及覆蓋部。主體部具有凸面及相對於凸面的底面。覆蓋部共形地覆蓋主體部的凸面，其中覆蓋部包括疏水或疏油材質。
基於上述，本發明的微透鏡結構的微透鏡單元包括主體部及及覆蓋主體部的覆蓋部，且微透鏡結構可透過微影製程形成，以縮小微透鏡單元的間距，並且同時具有良好的形貌，使得其在應用於顯示裝置中時，可有效提升顯示裝置的亮度。
圖1是依照本發明的一實施例的一種微透鏡結構的剖視示意圖。圖2依照本發明的一實施例的一種微透鏡結構的主體部與覆蓋部的介面的局部示意圖。
請參照圖1，微透鏡結構100包括基底101以及多個微透鏡單元110。多個微透鏡單元110陣列排列於基底101上。多個微透鏡單元110的每一個包括主體部112以及覆蓋部114。主體部112位於基底101上，覆蓋部114共形地覆蓋主體部112的表面(例如凸面112a)。覆蓋部114包括疏水或疏油材質。
基底101可以是玻璃基底、陶瓷基底、高分子基底或其他合適基底，本發明不以此為限，只要可用以承載微透鏡單元110的即可。
主體部112可以是光阻，舉例來說，主體部112的材質可以為聚酯材料，例如包括聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、聚丙烯酸酯(polymethacrylate，PMA)或其組合。主體部112具有凸面112a及相對於凸面112a的底面112b，底面112b面向基底101。在一些實施例中，主體部112基本上為半球狀或類半球狀。類半球狀定義為主體部的最大高度與主體部的底面的直徑的比值在0.3至1之間的球冠(spherical cap)或橢球冠(ellipsoid cap)。
請參照圖1及圖2，覆蓋部114設置於主體部112的凸面112a上並與主體部112鍵結。覆蓋部114的材料具有第一端E1及第二端E2，第一端E1與主體部112的凸面112a鍵結，第二端E2包括疏水基團或疏油基團。舉例來說，第一端E1可透過矽氧鍵或碳氧鍵與主體部112鍵結，而使第二端E2朝外，進而使微透鏡單元110的外表具有疏水或疏油性質。第二端E2可選自由脂肪烴基團、含氟烷烴基團、含氟醚基團、矽烷烴基團、矽氧烷基團、碳酸酯基團、醯胺基團、丙烯腈基團以及丙烯酸酯基團所構成的群組。具體來說，覆蓋部114的材料可以包括含氟聚合物(例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙烯丙烯(FEP)、氟化聚乙烯、氟碳蠟、全氟聚醚或其它合適的含氟聚合物)、含氟矽氧烷(例如1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯矽烷(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosilane，PFDCS)、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基矽烷(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltriethoxysilane，PFDTS)或其它合適的含氟矽氧烷)、聚烯烴、聚碳酸酯、聚醯胺、聚丙烯腈、聚酯、熔融石蠟或其他合適的疏水或疏油材料。
在一些實施例中，覆蓋部114還可延伸至基底101的表面上。
在一些實施例中，微透鏡單元110的底面102b的寬度或直徑在10 μm至18 μm之間，但本發明不以此為限。相鄰微透鏡單元110的間距小於6μm，但本發明不以此為限。在一些實施例中，多個微透鏡單元110可以緊密排列，也就是說，相鄰微透鏡單元110的間距基本上為零。微透鏡單元的尺寸、間距及數量可依實際需求調整。
由於覆蓋部114覆蓋主體部112，可以將相鄰的主體部112彼此分離，並且由於覆蓋部114具有良好的機械性質與支撐力，可保護主體部112因刮傷或溫度變化而造成損害或塌陷。換句話說，本實施例的微透鏡單元110具有提升的機械性質，並且可具有穩固良好的形貌。
圖3A至圖3B是依照本發明的一實施例的一種微透鏡結構的製造流程的剖視示意圖。在此必須說明的是，圖3A至圖3B的實施例沿用圖1的實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，在此不贅述。
請參考圖3A，提供基底101，然後形成圖案化主體材料層112’於基底101上。圖案化主體材料層112’可以是透過微影製程形成，舉例來說，可先於基底101上塗佈主體材料層(未繪示)，然後以所需圖案的光罩為罩幕，對主體材料層進行曝光及顯影，以形成圖案化主體材料層112’。
請參考圖3B，形成覆蓋材料層114’於圖案化主體材料層112’上，其中覆蓋材料層114’包括疏水或疏油材質。舉例來說，可將形成有圖案化主體材料層112’的基底101浸置於包含覆蓋材料的溶液中，以對圖案化主體材料層112’進行表面改質。覆蓋材料例如可以為矽烷類化合物，其一端具有水解基團，例如烷氧基團、鹵素、醯氧基團、胺或其他合適的基團，而另一端具有疏水基團或疏油基團，例如可選自由脂肪烴基團、含氟烷烴基團、含氟醚基團、矽烷烴基團、矽氧烷基團、碳酸酯基團、醯胺基團、丙烯腈基團以及丙烯酸酯基團所構成的群組。如此一來，覆蓋材料的水解基團可以經水解與圖案化主體材料層112’的表面透過矽氧鍵或碳氧鍵鍵結，而使疏水基團或疏油基團覆蓋於圖案化主體材料層112’的表面。
在一些實施例中，在將形成有圖案化主體材料層112’的基底101浸置於包含覆蓋材料的溶液過程中，覆蓋材料層114’也形成於基底101的表面。
然後，請參考圖3B 及圖1，對形成在基底101上的圖案化主體材料層112’與覆蓋材料層114’進行烘烤，以形成多個微透鏡單元110。圖案化主體材料層112’經烘烤而回流，以形成具半球狀或類半球狀的主體部112，且由於覆蓋材料層114’覆蓋於圖案化主體材料層112’且覆蓋材料層114’具有良好的機械性質，可避免圖案化主體材料層112’在回流的過程中相連而導致形貌的塌陷，進而可形成形貌良好且具有小間距的微透鏡結構100。
在一些實施例中，在進行上述烘烤製程之前，可先對圖案化主體材料層112’與覆蓋材料層114’再進行一次曝光及軟烤製程，以加強圖案化主體材料層112’內部的交聯程度。
經過上述製程，可大致完成微透鏡結構100的製造。
以下列舉實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。
實驗例
實驗例的微透鏡結構是以類似於上述圖3A至3B的製造流程形成的。形成圖案化主體材料層，其材料為壓克力基光阻，主要包括聚甲基丙烯酸甲酯。然後，將圖案化主體材料層浸置於具有覆蓋材料的溶液中，其中覆蓋材料如下式(1)所示，其具有一端為鹵素的水解基團，另一端為全氟聚醚的疏油水基團：
式(1)，
其中n為大於或等於1的正整數。
上述覆蓋材料的水解基團經水解，而與圖案化主體材料層的表面鍵結形成矽氧鍵或碳氧鍵(可視為覆蓋部的第一端)，全氟聚醚基團(可視為覆蓋部的第二端)覆蓋於圖案化主體材料層(可視為主體部)的表面，其表面結構如下式(2)所示。
其中x、y及z分別為大於或等於1的正整數。
| 覆蓋部的第二端→ | ←覆蓋部的第一端 | |
| 主體部→ | 式(2)， |
之後，再對圖案化主體材料層進行烘烤，以形成表面具有疏水、疏油性質的半球狀或類半球狀的微透鏡單元。
比較例
比較例的微透鏡結構與實驗例相似，惟比較例的微透鏡結構沒有形成覆蓋材料層，其在圖案化主體材料層形成之後，直接進行烘烤程序，而形成微透鏡單元。
圖4A與圖4B分別是實驗例的微透鏡結構自0度與45度拍攝的掃描式電子顯微鏡成像圖。圖5A與圖5B分別是比較例的微透鏡結構自0度與45度拍攝的掃描式電子顯微鏡成像圖。(0度指的是拍攝角度平行於基板，45度指的是拍攝角度與基板呈45度夾角。) 圖6是實驗例與比較例的微透鏡結構的反射率與波長關係圖。圖7是本發明實驗例的微透鏡結構的掃描式電子顯微鏡成像圖。
由圖4A及4B可看出，實驗例的微透鏡單元彼此分離，且具有類半球狀的形貌；反觀，如圖5A及5B所示，比較例的微透鏡單元明顯塌陷且與鄰近的微透鏡單元相連。
對實驗例與比較例的微透鏡結構進行可見光的反射率的測試，其結果如圖6所示，顯示實驗例的微透鏡單元對可見光具有較佳的反射率，其平均反射率R1可達到約44%，而比較例的微透鏡單元由於其形貌明顯塌陷，導致其對可見光的反射率差(平均反射率R2約18%)。
透過能量色散X射線光譜分析(EDX)對實驗例的微透鏡單元於圖7中所標示的Spectrum 1、Spectrum 2的位置進行表面元素分析，結果如表1所示。(表1中各元素的濃度單位為原子%)
表1
| C | O | F | Al | Si | Cr | Cu | Pd | Pt | |
| Spectrum 1 | 76.09 | 16.24 | 0.28 | 2.61 | 0.81 | - | 0.77 | 1.23 | 1.96 |
| Spectrum 2 | 68.99 | 17.90 | 0.14 | 9.56 | - | 0.31 | 0.70 | 0.72 | 1.67 |
由表1可知，實驗例的微透鏡結構表面含有氟，顯示其表面具有包括全氟聚醚基團的覆蓋部。
由此可見，由於實驗例的微透鏡單元具有機械性質較佳的覆蓋部形成於主體部上，相較於比較例，可以避免微透鏡單元塌陷而與鄰近的微透鏡單元相連，導致微透鏡單元反射率不佳的問題。
以下列舉本發明微透鏡結構(或微透鏡單元)的應用，但本發明並不侷限於以下的內容。
圖8是依照本發明的一實施例的一種顯示裝置的剖視示意圖。
請參考圖8，顯示裝置10包括第一基板201、第二基板301、顯示層220以及多個微透鏡單元310。在本實施例中，顯示裝置10還包括第一電極210、第一介電層212、第二電極330、第二介電層332、彩色濾光片320、導光板340以及光源350。
第一基板201與第二基板301相對設置。第一基板201與第二基板301可以為玻璃基板、陶瓷基板、高分子基板或其他合適基板，本發明不以此為限。在一些實施例中，第一基板201可以包括驅動線路(未繪示)，以對應驅動顯示層220。
顯示層220設置於第一基板201與第二基板301之間。在本實施例中，顯示層220可以為電泳顯示層。舉例來說，顯示層220可包括隔離結構222、電泳液224以及膠體粒子226。隔離結構222設置於第一基板201之上，電泳液224位於隔離結構222之間，膠體粒子226摻雜於電泳液224中。
多個微透鏡單元310陣列排列於顯示層220之上且位於顯示層220與第二基板301之間。多個微透鏡單元310可以類似於圖1的實施例中的多個微透鏡單元110，也就是說，多個微透鏡單元310的每一個包括主體部312以及覆蓋部314。主體部312設置於第二基板301之上，且具有凸面312a及相對於凸面312a的底面312b，主體部312的底面312b面向第二基板301，也就是說，主體部312的凸面312a面向顯示層220。覆蓋部314共形地覆蓋主體部312的凸面312a，其中覆蓋部314包括疏水或疏油材質。由於本實施例的多個微透鏡單元310經過前述的製程，可形成具有小間距且半球狀的形貌，使自第二基板301射入的光線，經過多個微透鏡單元310的凸面後達到全反射，進而提升顯示裝置10的亮度。
在本實施例中，多個微透鏡單元310的尺寸皆相同，但本發明不以此為限。在其他實施例中，多個微透鏡單元310的尺寸可以為不同，並可依實際需求調整。
在一些實施例，彩色濾光片320可設置於多個微透鏡單元310與第二基板301之間，以使自多個微透鏡單元310反射的光線經過彩色濾光片320後而呈現對應的色彩。舉例來說，彩色濾光片320可以包括紅色濾光片、綠色濾光片及藍色濾光片。
第一電極210設置於第一基板201與顯示層220之間，並可與第一基板201對應的驅動線路電性連接。第二電極330設置於第二基板301與顯示層220之間。透過對第一電極210與第二電極330施加偏壓，來控制顯示層220中的膠體粒子226移動的方向，進而控制對應顯示結構的開關。舉例來說，若膠體粒子226為黑色粒子，當膠體粒子226遠離第一電極210時，則自第二基板301射入的光線L1可通過微透鏡單元310被反射，而使對應的顯示結構成開啟狀態；當膠體粒子226集中靠近第二電極330時，則自第二基板301射入的光線L2會被膠體粒子226吸收，而沒有或降低光的反射，而使對應的顯示結構成關閉狀態。
在一些實施例中，第一介電層212設置於第一基板201與顯示層220之間，並覆蓋第一電極210。第二介電層312設置於顯示層220與第二電極330之間。在一些實施例中，第二介電層312與第二電極330可以共形地覆蓋多個微透鏡單元310的表面。
在一些實施例中，導光板340可設置於第二基板301相對於顯示層220的一面上，光源350設置於導光板340的側面，以於自然光不足的時候提供足夠的光線。
圖9是依照本發明的另一實施例的一種顯示裝置的剖視示意圖。
請參考圖9，顯示裝置20包括第一基板401、第二基板501、顯示層420以及多個微透鏡單元410。在本實施例中，顯示裝置10還包括支撐結構360。
第一基板401與第二基板501相對設置。第一基板401與第二基板501可以為玻璃基板、陶瓷基板、高分子基板或其他合適基板，本發明不以此為限。在一些實施例中，第一基板401可以包括驅動線路(未標示)，以驅動對應顯示層420的構件。
顯示層420設置於第一基板401與第二基板501之間。在本實施例中，顯示層420可以為自發光顯示層。舉例來說，顯示層420可以包括多個微發光二極體422，以及包覆多個微發光二極體422的保護層424。在其他實施例中，顯示層420還可包括隔離結構(未繪示)，以將多個微發光二極體422隔開，而保護層424設置於隔離結構及多個微發光二極體422上方。圖9中繪示3個微發光二極體422，其可以分別發出紅光、綠光及藍光，但本發明不以此為限，微發光二極體的數量及顏色可以實際需求調整及佈設。
多個微透鏡單元410陣列排列於顯示層420之上且位於顯示層420與第二基板501之間。多個微透鏡單元410可以類似於圖1的實施例中的多個微透鏡單元110，也就是說，多個微透鏡單元410的每一個包括主體部412以及覆蓋部414。主體部412設置於顯示層420之上，且具有凸面412a及相對於凸面412a的底面412b，主體部412的凸面412a面向第二基板501。覆蓋部414共形地覆蓋主體部412的凸面412a，其中覆蓋部414包括疏水或疏油材質。由於本實施例的多個微透鏡單元410經過前述的製程，可形成具有小間距且半球狀的形貌，使自微發光二極體422發出的光線，經過多個微透鏡單元310會聚，進而提升顯示裝置20的亮度。
在本實施例中，多個微透鏡單元410的尺寸皆相同，但本發明不以此為限。在其他實施例中，多個微透鏡單元410的尺寸可以為不同，並可依實際需求調整。
在一些實施例中，支撐結構360設置於第二基板501與顯示層420之間，且支撐結構360的高度大於微透鏡單元410的高度，以免多個微透鏡單元410與第二基板501接觸。
綜上所述，本發明的微透鏡結構的微透鏡單元包括主體部及及覆蓋主體部的覆蓋部，且微透鏡結構可透過微影製程形成，以縮小微透鏡單元的間距，並且同時具有良好的形貌，使得其在應用於顯示裝置中時，可有效提升顯示裝置的亮度。
10, 20:顯示裝置
100:微透鏡結構
101:基底
110, 310, 410:微透鏡單元
112, 312, 412:主體部
112’:圖案化主體材料層
112a, 312a, 412a:凸面
112b, 312b, 412b:底面
114, 314, 414:覆蓋部
114’:覆蓋材料層
201, 401:第一基板
210:第一電極
212:第一介電層
220, 420:顯示層
222:隔離結構
224:電泳液
226:膠體粒子
301, 501:第二基板
320:彩色濾光片
330:第二電極
332:第二介電層
340:導光板
350:光源
360:支撐結構
422:微發光二極體
424:保護層
E1:第一端
E2:第二端
L1, L2:光線
圖1是依照本發明的一實施例的一種微透鏡結構的剖視示意圖。
圖2依照本發明的一實施例的一種微透鏡結構的主體部與覆蓋部的介面示意圖。
圖3A至圖3B是依照本發明的一實施例的一種微透鏡結構的製造流程的剖視示意圖。
圖4A至圖4B是本發明實驗例的微透鏡結構的掃描式電子顯微鏡成像圖。
圖5A至圖5B是比較例的微透鏡結構的掃描式電子顯微鏡成像圖。
圖6是實驗例與比較例的微透鏡結構的反射率與波長關係圖。
圖7是本發明實驗例的微透鏡結構的掃描式電子顯微鏡成像圖。
圖8是依照本發明的一實施例的一種顯示裝置的剖視示意圖。
圖9是依照本發明的另一實施例的一種顯示裝置的剖視示意圖。
100:微透鏡結構
101:基底
110:微透鏡單元
112:主體部
112a:凸面
112b:底面
114:覆蓋部
Claims (15)
- 一種微透鏡結構，包括：一基底；以及多個微透鏡單元，陣列排列於該基底上，其中該多個微透鏡單元的每一個包括：一主體部，位於該基底上；以及一覆蓋部，共形地覆蓋該主體部的一表面，其中該覆蓋部包括疏水或疏油材質，其中該覆蓋部的材料具有一第一端及一第二端，該第一端與該主體部的該表面鍵結，該第二端包括一疏水基團或一疏油基團。
- 如請求項1所述的微透鏡結構，其中該第一端與該主體部透過矽氧鍵或碳氧鍵鍵結。
- 如請求項1所述的微透鏡結構，其中該第二端選自由脂肪烴基團、含氟烷烴基團、含氟醚基團、矽烷烴基團、矽氧烷基團、碳酸酯基團、醯胺基團、丙烯腈基團以及丙烯酸酯基團所構成的群組。
- 如請求項1所述的微透鏡結構，其中該主體部的材質包括聚酯材料。
- 如請求項1所述的微透鏡結構，其中該多個微透鏡單元的每一個的該主體部彼此分離。
- 一種微透鏡結構的製造方法，包括：提供一基底； 形成一圖案化主體材料層於該基底上；形成一覆蓋材料層於該圖案化主體材料層上，其中該覆蓋材料層包括疏水或疏油材質，其中該覆蓋材料層與該圖案化主體材料層的一表面鍵結；對形成在該基底上的該圖案化主體材料層與該覆蓋材料層進行烘烤，以形成多個微透鏡單元。
- 如請求項6所述的微透鏡結構的製造方法，其中形成該覆蓋材料層於該圖案化主體材料層上的步驟包括：將形成有該圖案化主體材料層的該基底浸置於包含覆蓋材料的溶液中，其中該覆蓋材料的一端具有水解基團，該覆蓋材料的另一端具有疏水基團或疏油基團；該覆蓋材料的該水解基團經水解與該圖案化主體材料層的該表面透過矽氧鍵或碳氧鍵鍵結。
- 如請求項7所述的微透鏡結構的製造方法，其中該水解基團包括烷氧基團、鹵素、醯氧基團或胺。
- 如請求項7所述的微透鏡結構的製造方法，其中該疏水基團或該疏油基團選自由脂肪烴基團、含氟烷烴基團、含氟醚基團、矽烷烴基團、矽氧烷基團、碳酸酯基團、醯胺基團、丙烯腈基團以及丙烯酸酯基團所構成的群組。
- 一種顯示裝置，包括：一第一基板及一第二基板，其中該第一基板與該第二基板相對設置； 一顯示層，設置於該第一基板與該第二基板之間；以及多個微透鏡單元，陣列排列於該顯示層之上且位於該顯示層與該第二基板之間，其中該多個微透鏡單元的每一個包括：一主體部，其中該主體部具有一凸面及相對於該凸面的一底面；以及一覆蓋部，共形地覆蓋該主體部的該凸面，其中覆蓋部包括疏水或疏油材質，其中該覆蓋部的材料具有一第一端及一第二端，該第一端與該主體部的該凸面鍵結，該第二端包括一疏水基團或一疏油基團。
- 如請求項10所述的顯示裝置，其中該主體部設置於該第二基板之上，且該主體部的該底面面向該第二基板。
- 如請求項11所述的顯示裝置，其中該顯示層為電泳顯示層。
- 如請求項10所述的顯示裝置，其中該主體部設置於該顯示層之上，且該主體部的該凸面面向該第二基板。
- 如請求項13所述的顯示裝置，其中該顯示層包括微發光二極體。
- 如請求項10所述的顯示裝置，其中該第二端選自由脂肪烴基團、含氟烷烴基團、含氟醚基團、矽烷烴基團、矽氧烷基團、碳酸酯基團、醯胺基團、丙烯腈基團、酯基團以及丙烯酸酯基團所構成的群組。
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