基于微納米壓印的微透鏡陣列光學(xué)膜制造研究

湯樹海，陳琳軼，陳廣學(xué)

基于微納米壓印的微透鏡陣列光學(xué)膜制造研究

湯樹海1，陳琳軼2*，陳廣學(xué)3

（1.廣東壯麗彩印股份有限公司，廣東 汕頭 515064；2.深圳職業(yè)技術(shù)大學(xué) 傳播工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；3.華南理工大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640）

實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示效果的承印基材是微透鏡陣列光學(xué)膜，本文旨在研究制造微透鏡陣列光學(xué)膜的方法及在制造過程中的影響因素。采用卷對(duì)卷的UV-LED光固化微納米壓印工藝，通過定制化的微納米壓印模具，規(guī)?；圃煺切慰讖?、蜂窩排布的微透鏡陣列光學(xué)膜。文中所用的PET膜表面粗糙度均方差約為0.083 μm，可見光波段的透光率為90%～93%，具有良好的表面平整度和較高的透光率，有利于微透鏡陣列的成型制造和光學(xué)膜優(yōu)良光學(xué)性能的呈現(xiàn)；UV-LED紫外壓印光刻膠具有較低的黏度（250 Pa·s，25 ℃）、良好的界面性能（接觸角為93°）和較小的固化體積收縮率（3.5%），有利于光刻膠對(duì)模具凹槽的填充及微透鏡陣列的成型和脫模。對(duì)于微納米壓印制造過程，要選擇合適的壓印力，既要確保光刻膠能夠充分地填充模具凹槽，又要避免微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)受擠壓變形而導(dǎo)致?lián)p壞模具。當(dāng)壓印速度控制在5～7 m/min時(shí)，微透鏡陣列的復(fù)型精度較高且成型質(zhì)量較為穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)氣泡缺陷和拉斷缺陷。卷對(duì)卷的UV-LED光固化微納米壓印工藝是一種制造微透鏡陣列光學(xué)膜行之有效的方法。

微透鏡陣列；微納米壓?。还鈱W(xué)膜；3D顯示

隨著人們消費(fèi)需求的不斷升級(jí)、個(gè)性化，以及光電、材料、計(jì)算機(jī)等學(xué)科與印刷術(shù)的交叉融合，市面上先后出現(xiàn)多種3D印刷與顯示技術(shù)，比如基于柱透鏡光柵的裸眼3D印刷技術(shù)、3D激光全息印刷技術(shù)，以及基于微透鏡陣列的裸眼3D印刷技術(shù)[1]?；谖⑼哥R陣列的裸眼3D印刷技術(shù)[2-3]，無需借助眼鏡、頭盔等任何助視設(shè)備或觀察技巧，即可實(shí)現(xiàn)360o全角度范圍內(nèi)的裸眼3D顯示效果。能夠顯著提高產(chǎn)品的信息顯示水平、趣味性和防偽性能，增加產(chǎn)品的視覺沖擊力和感官體驗(yàn)，大大提升產(chǎn)品的附加值，在包裝、印刷、出版、防偽、裝飾、顯示等領(lǐng)域具有十分重要的工程化應(yīng)用價(jià)值。微透鏡陣列光學(xué)膜是實(shí)現(xiàn)裸眼3D顯示效果的關(guān)鍵印刷承印材料。

本文采用卷對(duì)卷的UV-LED光固化微納米壓印工藝[4-13]，通過定制化的微納米壓印模具，規(guī)?；圃煺切慰讖?、蜂窩排布的微透鏡陣列光學(xué)膜。詳細(xì)介紹了微透鏡陣列光學(xué)膜的UV-LED紫外微納米壓印制造工藝流程，并從PET承印基材性能、UV-LED紫外壓印光刻膠性能、壓印力、壓印速度等方面對(duì)微透鏡陣列光學(xué)膜制造質(zhì)量的影響進(jìn)行研究和分析。

1 實(shí)驗(yàn)用的材料和儀器設(shè)備

主要材料：RES-R136-008型UV-LED光刻膠，購自玻力特公司（中國臺(tái)灣）；PET膜，購自南亞塑膠公司（中國臺(tái)灣），厚度為75 μm；氨水，購自南京化學(xué)試劑公司；過氧化氫、鹽酸、乙醇，購自廣州化學(xué)試劑廠；自制去離子水。

主要儀器：ALM-FD-Ⅸ00微結(jié)構(gòu)光學(xué)成膜機(jī)、UVM-363-1精密光學(xué)模具，佑順發(fā)公司（中國臺(tái)灣）；VK-X1000激光共聚焦顯微鏡，日本基恩士公司；DV-Ⅱ+Pro旋轉(zhuǎn)黏度儀，美國Brookfield公司；Attention Theta Flex接觸角測(cè)量儀，瑞典Biolin Scientific公司；李氏比重瓶，歐緣公司；XT-1018ST超聲波清洗機(jī)，深圳信泰自動(dòng)化公司。

2 微透鏡陣列光學(xué)膜的UV-LED光固化微納米壓印制造工藝

以PET膜為基材，通過微結(jié)構(gòu)光學(xué)成膜機(jī)，采用卷對(duì)卷的UV-LED光固化微納米壓印工藝制備微透鏡陣列光學(xué)膜。成膜機(jī)主要由上料區(qū)、上膠區(qū)、成型區(qū)和收料區(qū)4個(gè)部分組成。其運(yùn)行環(huán)境通常需滿足以下要求：場(chǎng)地潔凈度需達(dá)到萬級(jí)凈化車間標(biāo)準(zhǔn)；恒溫恒濕環(huán)境，其中溫度范圍為（23±3）℃，相對(duì)濕度為45%～65%；環(huán)境照度為200～250 LUX，正常生產(chǎn)時(shí)需使用黃光，設(shè)備檢修時(shí)需使用白光；車間地面需防靜電。

微結(jié)構(gòu)光學(xué)成膜機(jī)的制膜原理：UV-LED光刻膠流入壓印模具表面的微結(jié)構(gòu)凹槽中，通過前壓輪擠壓使得殘余光刻膠排出凹槽，并使模具表面與PET承印基材緊密貼合；通過UV-LED紫外燈照射使凹槽中的光刻膠固化在PET承印基材表面，經(jīng)過后壓輪后與模具脫離，成型的微透鏡陣列層牢牢附著在PET承印基材的表面，形成微透鏡陣列光學(xué)膜。微結(jié)構(gòu)光學(xué)成膜機(jī)制膜原理如圖1所示。

圖1 微結(jié)構(gòu)光學(xué)成膜機(jī)的制膜原理

微透鏡陣列光學(xué)膜的制造大致需要經(jīng)歷以下4個(gè)重要階段：模具和基材前處理階段，涂布上膠階段，壓印、固化和脫模階段，光學(xué)膜后處理階段。圖2為微透鏡陣列光學(xué)膜的詳細(xì)制造工藝流程。

圖2 微透鏡陣列光學(xué)膜的詳細(xì)制造工藝流程

2.1 模具和基材前處理階段

本文采用的壓印模具為鎳合金圓柱狀無縫光學(xué)輥，其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。微透鏡陣列的單元為正六角形孔徑，呈蜂窩狀排布，其中微透鏡的圓心距為70 μm，微透鏡的矢高為15 μm，微透鏡的間距為10 μm，微透鏡的曲率半徑為37 μm。

圖3 微納米壓印模具的微觀結(jié)構(gòu)

2.1.1 壓印模具清洗

因?yàn)閷?duì)壓印模具而言，其表面上附著的各種沾污，都會(huì)如實(shí)地被轉(zhuǎn)移到光刻膠中，影響復(fù)型精度。所以在進(jìn)行壓印前，必須對(duì)壓印模具進(jìn)行表面清洗。這里采用半導(dǎo)體工業(yè)中常用的RCA清洗法對(duì)模具進(jìn)行清洗。為了保證清洗效果，實(shí)現(xiàn)更有效地沾污去除，模具在清洗時(shí)應(yīng)置于超聲波清洗機(jī)內(nèi)。

RCA清洗法包括以下步驟：使用由氨水、過氧化氫和水按1∶1∶5的體積比例混合的APM溶液，在70～80 ℃的溫度下對(duì)模具進(jìn)行清洗，去除模具上沾染的有機(jī)化合物，并溶解掉元素周期表中IB和IIB族的金屬元素；使用由鹽酸、過氧化氫和水按1∶1∶6的體積比例混合的HPM溶液，在75～80 ℃的溫度下對(duì)模具進(jìn)行清洗，去除模具上沾染的重堿離子和陽離子。在每個(gè)清洗步驟中都必須配以大量流動(dòng)的去離子水進(jìn)行清洗，以保證將上一步所產(chǎn)生的反應(yīng)物通過去離子水帶走，并需在進(jìn)入下一道清洗工序前輔以高壓氮?dú)獯蹈桑源_保清洗時(shí)不會(huì)產(chǎn)生交叉污染。

2.1.2 壓印模具表面修飾

在紫外壓印過程中，壓印模具通過直接接觸的方式將微透鏡陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到光刻膠上，并通過光刻膠的固化將結(jié)構(gòu)保留，在脫模后即可在光刻膠上得到與模具結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的微透鏡陣列。為了保證順利地脫模，要求模具與光刻膠之間的黏附力必須小于光刻膠間的內(nèi)聚力。要減小模具與光刻膠之間的黏附力，采用氣相沉積法在模具表面形成一層含有氟化硅烷的自組裝單層膜，以減小模具的表面能，減少脫模時(shí)的阻力。與此同時(shí)，經(jīng)過修飾后的模具可以有效地減少因表面污染而進(jìn)行的頻繁的清洗工序，從而提高模具的使用壽命。

2.1.3 承印基材前處理

上料前，為了增強(qiáng)光刻膠和PET承印基材之間的黏附力，首先使用乙醇或去離子水等對(duì)基材表面進(jìn)行徹底清洗，清洗完畢后，輔以高壓氮?dú)獯蹈?；然后使用等離子體對(duì)其表面進(jìn)行轟擊以增強(qiáng)基材的表面能。上料后，要進(jìn)行PET張力的調(diào)整與控制，并通過成膜機(jī)上自有的除塵除靜電刷對(duì)PET進(jìn)行除塵除靜電處理。

2.2 涂布上膠階段

微結(jié)構(gòu)光學(xué)成膜機(jī)的三輥上膠區(qū)類似于膠印機(jī)的上墨區(qū)，由膠斗、膠斗輥、勻膠輥、傳膠輥組成。膠斗輥每次從膠斗中提取一定量的光刻膠，然后傳遞給勻膠輥；勻膠輥將接收到的光刻膠均勻地分布開來，形成均布的光刻膠膠膜，然后傳遞給傳膠輥；傳膠輥將接收到的光刻膠膠膜均勻涂布在PET承印基材上。光刻膠的均布是在3根膠輥的依次傳遞過程中逐步完成的。要特別注意的是，在上膠過程中，要嚴(yán)格控制上膠速度，以保障上膠的均勻性和平整度。

2.3 壓印、固化和脫模階段

上膠過程完成后，涂有光刻膠的PET承印基材在前壓輪的傳動(dòng)下與模具進(jìn)入合壓轉(zhuǎn)印階段。具體地，在前壓輪與模具間壓印力的作用下，光刻膠瞬間將模具表面的微結(jié)構(gòu)凹槽填滿，而PET承印基材上殘余的光刻膠在擠壓過程中被排出凹槽，此時(shí)模具表面與PET承印基材緊密貼合。通過紫外燈的照射使凹槽中的光刻膠固化在PET承印基材表面，經(jīng)過后壓輪后PET承印基材與模具脫離，完成脫模過程。成型的微透鏡陣列層就牢牢附著在PET承印基材的表面，形成微透鏡陣列光學(xué)膜。

2.4 光學(xué)膜后處理階段

光學(xué)膜后處理階段一般包括除靜電、收卷、分切3個(gè)步驟。由于經(jīng)過壓印、固化和脫模后制成的光學(xué)膜有帶靜電的可能，所以在收卷、分切之前，需要用成膜機(jī)自帶的除靜電刷對(duì)光學(xué)膜進(jìn)行除靜電處理。靜電處理后，對(duì)光學(xué)膜進(jìn)行收卷和分切處理，即得到微透鏡陣列光學(xué)膜成品。

3 微透鏡陣列光學(xué)膜制造環(huán)節(jié)的主要影響因素討論

3.1 PET承印基材性能

PET膜作為微透鏡陣列的成型基材，其表面平整度和透光率對(duì)微透鏡陣列的成型質(zhì)量和光學(xué)特性具有重要影響。使用激光共聚焦顯微鏡以3 000×的放大倍數(shù)對(duì)PET膜的表面和截面形貌進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。同時(shí)，計(jì)算了PET膜表面粗糙度的均方差RMS。使用紫外分光光度計(jì)在260～800 nm的波長范圍內(nèi)，以1 nm的步長對(duì)PET膜的透光率進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

由圖4可以看出，PET膜的表面較潔凈，幾乎沒有凸起點(diǎn)；從表面粗糙度的變化來看，PET膜幾乎沒有跳躍的尖峰，上下波動(dòng)比較平穩(wěn)，計(jì)算得到的PET膜表面粗糙度的均方差（RMS）為0.083 μm，這表明PET膜具有良好的表面平整度。由圖5可以看出，PET膜在紫外波段（260～380 nm）的透光率基本呈上升趨勢(shì)，在可見光波段（380～780 nm）的透光率曲線波動(dòng)變化較小，透光率為90%～93%，整體上表現(xiàn)出較高的透光率。綜上，實(shí)驗(yàn)所用的PET膜具有良好的表面平整度和透光性能，非常有利于微透鏡陣列的成型制造和微透鏡陣列光學(xué)膜優(yōu)良光學(xué)性能的呈現(xiàn)。

3.2 UV-LED紫外壓印光刻膠性能

實(shí)驗(yàn)所用的玻力特RES-R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠的各組分類別、名稱、含量及功能介紹如表1所示。

圖4 PET膜的表面、截面形貌及表面粗糙度變化

圖5 PET膜紫外波段和可見光波段的透光率曲線

表1 RES-R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠基本簡介

Tab.1 Basic introduction of RES-R136-008 UV-LED UV printing photoresist

光刻膠的黏度、界面性能和固化體積收縮率對(duì)微透鏡陣列的成型制造有著重要的影響，分別對(duì)RES-R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠的黏度、界面性能以及固化體積收縮率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

1）黏度。使用旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)得RES-R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠25 ℃時(shí)的黏度為250 Pa·s。

2）界面性能。使用接觸角測(cè)量儀測(cè)得RES- R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠對(duì)PET膜的接觸角為93o，證明光刻膠具有較低的表面能。

3）固化體積收縮率。按照ISO 3521—1997中UV樹脂固化前后體積收縮率的計(jì)算方法：

其中，C為固化前后UV光刻膠的體積收縮率；1為固化前UV光刻膠的密度；2為固化后UV光刻膠的密度。使用比重瓶法測(cè)得光刻膠固化前后的密度分別為1.10、1.14 g/cm3，由式（1）計(jì)算可得RES-R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠固化前后的體積收縮率約為3.5%。

綜上，實(shí)驗(yàn)所用的RES-R136-008 UV-LED紫外壓印光刻膠具有較低的黏度、良好的界面性能、較小的固化體積收縮率，非常有利于光刻膠在壓印過程中對(duì)模具凹槽的填充，以及微透鏡陣列成型和脫模過程的進(jìn)行。

3.3 壓印力

紫外壓印的分辨率是由壓印模具決定的，整個(gè)過程主要包括3個(gè)步驟：光刻膠填充模具凹槽、紫外曝光固化和脫模。其中，光刻膠對(duì)模具凹槽填充質(zhì)量的好壞直接決定了微透鏡陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移精度和均勻性的好壞。紫外壓印光刻膠是低黏性的牛頓流體，在受到壓印力的作用后極易變形，且切應(yīng)力的大小與變形速率成正比。

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，未能使用本文采用的正六角形孔徑、蜂窩排布的壓印模具進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究壓印力對(duì)光刻膠填充模具凹槽行為的影響。壓印力對(duì)光刻膠的凹槽填充行為有著重要影響，進(jìn)而影響后續(xù)微透鏡陣列的成型質(zhì)量，因此這里僅借鑒Otto等[14]的工作對(duì)其進(jìn)行理論分析。根據(jù)Otto等[14]的工作，以圓形模具為例，模具的半徑為，模具上共有個(gè)半徑為、結(jié)構(gòu)高度為S的圓形凸起結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的模具凸起處的面積為e，模具凹槽處的面積為r，如圖6所示。

假設(shè)模具與基材之間完全平行，模具與基材之間不存在厚度公差，忽略壓印過程中光刻膠的表面張力和毛細(xì)力的作用，此時(shí)模具與基材之間只存在垂直方向的壓印力。假設(shè)模具以的速度壓向黏度為、初始厚度為i的光刻膠，壓印后最終形成的殘余膠厚度為r。根據(jù)壓印力大小的不同，光刻膠對(duì)模具凹槽的填充行為可分為3個(gè)階段。根據(jù)雷諾傳輸定理（Reynolds Transport Theorem）和納維-斯托克斯方程（Navier-Stockes Equations），可推導(dǎo)出3個(gè)階段的壓印力與殘余膠厚度r之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

式中：

圖6 壓印時(shí)模具與光刻膠結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

Fig.6 Schematic diagram of mold and photoresist structure size during imprinting

式中：e為模具凸起處的面積；r為模具凹槽處的面積；為圓形凸起結(jié)構(gòu)的數(shù)量；為模具的半徑；為圓形凸起的半徑；S為圓形凸起結(jié)構(gòu)高度；為光刻膠黏度；為模具的速度；i為光刻膠的初始厚度。

1）第1個(gè)階段。當(dāng)≤1時(shí)，光刻膠對(duì)模具凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充，殘余膠的厚度與光刻膠黏度、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)、壓印速度、壓印力大小等因素有關(guān)。

2）第2個(gè)階段。當(dāng)1≤≤2模具上所有的凹槽結(jié)構(gòu)都已經(jīng)被填充，壓印力的繼續(xù)增大不足以使殘余膠繼續(xù)變薄；殘余膠的厚度只與光刻膠初始厚度以及模具結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

3）第3個(gè)階段。當(dāng)≥2時(shí)，整個(gè)模具下的光刻膠受到壓印力的作用，向四周流動(dòng)，殘余膠的厚度會(huì)繼續(xù)變薄；與第1階段一樣，此時(shí)殘余膠的厚度與光刻膠黏度、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)、壓印速度、壓印力大小等因素有關(guān)。

由上面的理論分析可知，在實(shí)際壓印過程中，要選擇合適的壓印力。一方面要使得壓印力的大小足以保證光刻膠能夠充分地填充模具凹槽；另一方面也要避免施加過大的壓印力而使微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)受到擠壓變形，過大的壓印力還會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞模具，影響模具的使用壽命。

3.4 壓印速度

壓印模具的設(shè)計(jì)參數(shù)決定了微透鏡的形狀、大小和排列方式，從而決定了微透鏡的直徑、矢高、曲率半徑、間距、焦距及數(shù)值孔徑。當(dāng)紫外曝光劑量、壓印力等工藝條件確定的情況下，微透鏡陣列在PET承印基材上的成型質(zhì)量主要由壓印速度決定，同時(shí)壓印速度也決定了微透鏡陣列光學(xué)膜規(guī)模化生產(chǎn)的效率，顯得尤為重要。

為了探討不同的壓印速度對(duì)微透鏡陣列成型質(zhì)量的影響，選取了10組不同的壓印速度：范圍為3～12 m/min，步長設(shè)置為1 m/min。在10組壓印速度下分別進(jìn)行微透鏡陣列光學(xué)膜的制備。針對(duì)10組不同的壓印速度下制備的微透鏡陣列光學(xué)膜，分別隨機(jī)裁切10塊2 cm×2 cm大小的測(cè)試樣品。使用激光共聚焦電子顯微鏡獲取樣品中微透鏡陣列的平面和立體形貌圖，并標(biāo)示出微透鏡的圓心距、間距、矢高和曲率半徑的測(cè)試線。

在光學(xué)膜制造過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓印速度小于5 m/min時(shí)，容易出現(xiàn)氣泡缺陷；當(dāng)壓印速度大于7 m/min時(shí)，容易出現(xiàn)斷裂缺陷；而當(dāng)壓印速度在5～7 m/min內(nèi)時(shí)，微透鏡陣列復(fù)型精度較高、成型質(zhì)量較為穩(wěn)定，且不會(huì)出現(xiàn)氣泡缺陷和斷裂缺陷。下面分別以3、12和7 m/min的壓印速度為例，對(duì)微透鏡陣列的成型質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

圖7展示了壓印速度為3 m/min條件下制備的微透鏡陣列的平面和立體形貌圖。從圖7可以清晰地看出，當(dāng)壓印速度為3 m/min時(shí)，微透鏡陣列結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了不少氣泡缺陷（圖7圓圈標(biāo)注處）。氣泡缺陷的產(chǎn)生機(jī)理：當(dāng)壓印速度較小時(shí)，由于光刻膠流體表面接觸到模具凹槽內(nèi)壁轉(zhuǎn)角時(shí)，發(fā)生了分叉偏離，最終導(dǎo)致氣泡被封閉在結(jié)構(gòu)內(nèi)部。模具凹槽的寬度越小，越容易形成這樣閉合的氣泡。與之相對(duì)的是，如果模具凹槽具有相對(duì)較長的寬度，光刻膠在其流體表面尚未到達(dá)對(duì)面轉(zhuǎn)角時(shí)，已經(jīng)接觸到了凹槽的頂部，并沿著頂部流動(dòng)，最終沒有形成光刻膠的分叉，也就無封閉的氣泡產(chǎn)生缺陷。

圖8展示了壓印速度為12 m/min條件下制備的微透鏡陣列的平面和立體形貌圖。從圖8可以清晰地看出，當(dāng)壓印速度為12 m/min時(shí)，微透鏡陣列結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了不少拉斷缺陷（圖8圓圈標(biāo)注處），拉斷缺陷的產(chǎn)生原因可以通過光刻膠與模具及基底之間的黏附機(jī)制來解釋。

當(dāng)模具壓入光刻膠并脫模時(shí)，內(nèi)聚力（Cohesive Force）和黏附力（Adhesive Force）共同作用于光刻膠內(nèi)部，左右它的黏附作用，如圖9所示。

當(dāng)光刻膠固化后，模具與光刻膠之間的接觸面是固體-固體接觸的界面，表現(xiàn)為黏附特性，可用黏附功來表示。黏附功指分開單位面積黏附界面所需要的功或能。如果模具和光刻膠2種物質(zhì)發(fā)生黏附，黏附功可表示為：

圖7 壓印速度為3 m/min時(shí)微透鏡陣列的平面和立體形貌

Fig.7 Planar and stereoscopic morphologies of microlens array at imprinting speed of 3 m/min

圖8 壓印速度為12 m/min時(shí)微透鏡陣列的平面和立體形貌

圖9 光刻膠、模具和基底之間黏附力和內(nèi)聚力作用原理

式中：A和B分別為模具和光刻膠的表面能；AB為模具和光刻膠之間的界面能。

如果在A、B和AB一定的前提下，使得模具和固化后的光刻膠膜分開的黏附功AB也是一定的。那么當(dāng)壓印速度較大時(shí)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)完成一定的黏附功AB，從而使得光刻膠膜與模具之間的脫模力增大，增加了光刻膠膜被拉斷的風(fēng)險(xiǎn)。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)移的結(jié)構(gòu)是微納結(jié)構(gòu)時(shí)，模具因?yàn)槲⒓{米尺度的表面放大效應(yīng)，與光刻膠的接觸面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光刻膠與基底的接觸面積，黏附功會(huì)呈指數(shù)上升，這也是脫模時(shí)發(fā)生脫膠的重要原因。

圖10展示了壓印速度為7 m/min條件下制備的微透鏡陣列的平面和立體形貌圖，并標(biāo)示出了微透鏡圓心距、間距、矢高和曲率半徑的測(cè)試線。

從圖10可以清晰地看出，當(dāng)壓印速度為7 m/min時(shí)，微透鏡陣列成型效果良好，結(jié)構(gòu)完整，沒有出現(xiàn)類似圖7中的氣泡缺陷和圖8中的拉斷缺陷。

圖10 壓印速度為7 m/min時(shí)微透鏡陣列的平面和立體形貌及幾何尺寸測(cè)試標(biāo)示圖

依據(jù)圖10e和10f，測(cè)量并計(jì)算裁切范圍內(nèi)所有微透鏡的圓心距、間距、矢高及曲率半徑的平均值。焦距和數(shù)值孔徑A作為微透鏡最重要的光學(xué)性能評(píng)價(jià)參數(shù)，可由式（6）～（7）分別計(jì)算得出[15]。

式中：C為微透鏡的曲率半徑；為微透鏡的反射系數(shù)（實(shí)際為光刻膠的反射系數(shù)，數(shù)值為1.50）；為微透鏡的直徑（此處為外接圓直徑）。

對(duì)微透鏡幾何尺寸和光學(xué)性能評(píng)價(jià)參數(shù)的測(cè)算值與原設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算和比較，結(jié)果如表2所示。

表2 微透鏡幾何尺寸和光學(xué)性能評(píng)價(jià)參數(shù)的測(cè)算值與原設(shè)計(jì)值的對(duì)比結(jié)果

Tab.2 Comparison results between calculated values and original design values of microlens geometric size and optical performance evaluation parameters

從表4可以看到，除了微透鏡曲率半徑以及由曲率半徑?jīng)Q定的焦距和數(shù)值孔徑的偏差率絕對(duì)值都約為10%，微透鏡圓心距、間距和矢高的偏差率絕對(duì)值都在2%以下。表明壓印速度為7 m/min時(shí)制備的微透鏡陣列的均勻性良好，復(fù)型精度較高并具有良好的光學(xué)性能。

4 基于微透鏡陣列的裸眼3D印刷技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例

基于微透鏡陣列的裸眼3D印刷技術(shù)可以以不干膠標(biāo)簽形式或作為局部裝飾與包裝進(jìn)行融合，應(yīng)用于高附加值商品（煙酒、化妝品、消費(fèi)電子產(chǎn)品等）、食藥品、貨幣鈔票、有價(jià)證券及其他重要戰(zhàn)略物資等高端防偽和品牌保護(hù)領(lǐng)域。顯著提升產(chǎn)品的信息顯示水平、趣味性和防偽性能，增加產(chǎn)品的視覺沖擊力和感官體驗(yàn)。圖11為該技術(shù)在煙包、酒包、服裝吊牌、酒標(biāo)等領(lǐng)域的應(yīng)用案例。

5 結(jié)語

本文采用卷對(duì)卷的UV-LED紫外微納米壓印工藝，通過定制化的微納米壓印模具，規(guī)?；圃煺切慰讖?、蜂窩排布的微透鏡陣列光學(xué)膜。文中所用的PET膜具有良好的表面平整度，表面粗糙度均方差約為0.083 μm，紫外波段（260～380 nm）的透光率基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，可見光波段（380～780 nm）的透光率范圍在90%～93%，整體上表現(xiàn)出較高的透光率，非常有利于微透鏡陣列的成型制造和微透鏡陣列光學(xué)膜優(yōu)良光學(xué)性能的呈現(xiàn)。文中所用的UV-LED紫外壓印光刻膠的黏度、接觸角和固化體積收縮率分別為250 Pa·s（25 ℃時(shí)）、93°、3.5%，表明其具有較低的黏度、良好的界面性能和較小的固化體積收縮率，非常有利于光刻膠在壓印過程中對(duì)模具凹槽的填充以及微透鏡陣列成型和脫模過程的進(jìn)行。對(duì)微透鏡陣列光學(xué)膜的UV-LED紫外微納米壓印制造，要選擇合適的壓印力，既要確保壓印力的大小足以使光刻膠能夠充分地填充模具凹槽，又要避免壓印力過大使微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)受到擠壓變形，從而導(dǎo)致?lián)p壞模具。當(dāng)壓印速度控制在5～7 m/min時(shí)，微透鏡陣列復(fù)型精度較高且成型質(zhì)量較為穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)氣泡缺陷和拉斷缺陷。在壓印速度為7 m/min時(shí)制造的光學(xué)膜，除了微透鏡曲率半徑以及由曲率半徑?jīng)Q定的焦距和數(shù)值孔徑的偏差率絕對(duì)值都約為10%，微透鏡圓心距、間距和矢高的偏差率絕對(duì)值都在2%以下。

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Manufacturing of Microlens Array Optical Film Based on Micro-nano Imprinting

TANG Shuhai1, CHEN Linyi2*,CHEN Guangxue3

(1. Guangdong Zhuang-li Color Printing Co., Ltd., Guangdong Shantou 515064, China; 2. School of Communication, Shenzhen Polytechnic University, Guangdong Shenzhen 518055, China; 3. School of Light Industry and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Microlens array optical film is a printing substrate for achieving naked-eye 3D display effect. The work aims to study the methods of fabricating optical films for microlens arrays and the factors affecting them during fabrication. Roll-to-roll UV-LED light-cured micro-nano imprinting process was used to scale up the manufacturing of optical films with positive hexagonal apertures and honeycomb rows of microlens arrays through customized micro-nano imprinting molds. The PET film used had good surface smoothness and high transmittance, whose mean square error of surface roughness was about 0.083 μm, and the transmittance in the visible light band was about 90%-93%. So the PET film used was conducive to the formation and manufacturing of microlens arrays and the presentation of excellent optical properties of the optical film. The UV-LED imprinting photoresist used had low viscosity (250 Pa·s, 25oC), good interface performance (contact angle 93o), and small curing volume shrinkage (3.5%), which was conducive to the filling of mold groove by the photoresist and the formation and demolding of microlens array. For the micro-nano imprinting manufacturing process, appropriate imprinting force should be selected to ensure that the photoresist could fully fill the mold grooves, but also to avoid damage to the mold due to extrusion and deformation of the structure of the microlens array. When the imprinting speed was controlled at 5-7 m/min, the replica precision of the microlens array was higher and the molding quality was more stable, and bubble defects and pull-off defects would not occur. The roll-to-roll UV-LED light-cured micro-nano imprinting process is a well-established method for fabricating optical films for microlens arrays.

microlens array; micro-nano imprinting; optical film; 3D display

TB34

A

1001-3563(2024)01-0101-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.01.012

2023-08-20

2021年廣東省科技專項(xiàng)資金大專項(xiàng)+任務(wù)清單（210719155863891）；深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院2022年度青年創(chuàng)新項(xiàng)目（6022310025K）