Laserové mikromotory - nové techniky a vývoj pro aplikace s displejem

ABSTRAKTNÍ

  Oblast zobrazovacích zařízení zaznamenala v posledních letech extrémně rychlý růst a tyto pokroky nevykazují žádné známky poklesu. Jedním z hlavních trendů v této oblasti bylo použití lasery pro různé úkoly v mikroprodukci.Tento článek popisuje některé techniky, které byly vyvinuty za použití excimerových laserů pro výrobu nových mikrostruktur v polymerních materiálech. Uvedou se příklady typů mikrostruktur, které jsou vyráběny, a jejichpoužitelnost pro aplikace pro zobrazovací zařízení. Budou probírány nejnovější vývoje laserové výroby displejů.

 1. ÚVOD

  Nedávný nárůst v oblasti digitálních komunikací a multimediálních systémů vedl k stále se složitějším technickým nárokům na osobní elektronické výrobky, interaktivní zábavní pomůcky a komerční a domácí zařízení.Některé z těchto vývojů byly částečně motivovány požadavky objemové výroby, ale jiné významné prvky se musely řešit výhradně díky nové povaze moderních mikroelektronických systémů. Chcete-li to splnitpožadavky, lasery jsou nyní široce používány ve vývojovém a výrobním prostředí, neboť poskytují jedinečnou kombinaci flexibility, efektivity a schopnosti produkovat širokou škálu mikrostruktur.

  V mnoha aplikacích s displejem lze použití fotopolymerů bez birefringentních materiálů značně zlepšit vlastnosti zobrazení, jako je úhel pohledu (AOV), definice vlastností a jas obrazu [1]. Ty fungujízdokonalení se často dosahuje kombinací takových fotopolymerů s dodatečnými mikroskopickými strukturami, které poskytují lepší výkon mimo osu. Částečněr, displej z tekutých krystalů (LCD), podsvícený nebo provozníza okolních světelných podmínek, těžit z tohoto vývoje. Tento článek popisuje některé nové metody pro výrobu různých mikrostruktur vyráběných pomocí laserových mikromachovacích technik, které jsou navrženy prooptické zobrazovací zařízení.

2.MIKROSTRUKCE PRO ZOBRAZOVACÍ ZAŘÍZENÍ NA RUČNÍ ZAŘÍZENÍ

  V zobrazovacích zařízeních (zejména přenosných) je mnoho výhod při použití normálního provozu při osvětlení okolí, přičemž nejdůležitější je zřejmě snížení spotřeby energie. Použití okolního světla však má některéomezení a návrhy osvětlovacích systémů je třeba mít na paměti tato omezení. V ručních jednotkách, například v mobilních mobilních telefonech, často hlava a tělo uživatele často zatemňují většinu dostupného světla, a takpro selektivní přesměrování dopadajícího světla je třeba použít speciální hranolové struktury. Obrázek 1 znázorňuje schematické znázornění typické operace LCD displeje, kde je přednostně světlo nad hlavou prohlížečeodrazem k divákovi, který může držet displej v pohodlném úhlu. Záměrem těchto zařízení je, aby zrcadlový odraz byl minimalizován, aby se snížilo "oslnění" a optimalizovala se jas obrazu.

  Na obr. 1 je jako volitelné řešení zobrazen zdroj podsvícení displeje LCD, protože hranolové struktury mohou být v závislosti na produktech buď použity v reflexních, odrazových a transmisních nebo čistě transmisních režimech. Od té dobyhranolové prvky jsou v polymerních substrátech, v současné době se vyrábějí konvenční replikací z kovových mistrů. Přestože současné metody produkují vysoce kvalitní součásti, mají řadu nevýhod včetně

   Nezbytnost častého a nákladného přepracování

   Neschopnost strojů vytvářet složité nebo vícerozměrné struktury

   Rychlost zpracování

  Mnohostupňové zpracování, tj. Master musí být obráběn, ze kterého jsou vyrobeny požadované části

   Stávající kovové mistry jsou velmi křehké a náchylné k mechanickému poškození

  Vzhledem k výše uvedeným omezením nabízí laserové zpracování velmi atraktivní možnost výroby těchto hranolových prvků, neboť mohou být použity pro obrábění požadovaných struktur přímo do polymerních vzorků s velkýmuniverzálnost a bez kontaktování s materiálem.

 2.1Laser Micromachining

  Excimer laserový micromachining systém byl použit ve všech zde popsaných pracích kvůli vynikajícím výkonům těchto UV lasery v mikromakování polymerů [2]. Technika masky projekce wa použita ablate různévzorky polymeru přímo a vytvářejí zvažované prismatické struktury.

  Několik upřesnění základního principu projekce masky bylo již dříve uvedeno [3]. Zejména použití tažení obrobku [3] je ideální pro výrobu hranolových prvků a nabízí mnoho výhod,včetně schopnosti:

   kontrolujte hloubku, délku a průřez mikroprismů.

   zachovat vysokou přesnost a rozlišení pro mikromotáž konstrukcí.

   rozšíření techniky na velké velikosti pro možnosti sériové výroby.

  Pro demonstraci proveditelnosti laserových mikromachovacích metod pro výše popsané aplikace byly reprezentativní struktury mikromaskované, aby umožnily přímé srovnání mezi existujícím způsobem metall-master a lasertechniky.

  V systému projekce masky byl společně s zobrazovací čočkou x5 0,125NA použit standardní excimerový laser pracující s vlnovou délkou 248nm a schopný opakovat pulzy až do 150Hz. Objektiv měl velikost obrazu o velikosti 14 mmcož umožnilo až 280 mikroprismat 50mm šířku, která má být obrobena současně promítáním z masky chrom-na-křemen. Laserový paprsek byl tvarován a homogenizován tak, aby vytvořil obdélníkový tvar "plochého" profilu v rovině maskys rozměry 75 mm x 10 mm. Vzorky byly uloženy na tabulkách XYZ, které nabízejí boční polohovací rozlišení 100nm a rozlišení 50nm (ohniskové vzdálenosti). Mělo by být poznamenáno, že objektiv 0.125NA umožňuje hloubku zaostřenípřibližně±16mm, takže zpracování vzorků je důležitým problémem při zachování konzistentní kvality obrazu. Dále byla směrová tryska umístěna v těsné blízkosti místa pro ablaci, aby se umožnilo použití plynového pomocníka běhemlaserové mikromotáže.

  Parametry mikroprocesoru byly optimalizovány tak, aby byly stanoveny nejlepší podmínky, pokud jde o hustotu laserové energie, počet snímků na plochu (pro požadovanou hloubku), frekvenci opakování laseru, rychlost pohybu vzorku (posuv) a plynpomoci. Jeden další parametr, který má významný vliv na kvalitu konečného vzorku, je způsob, jakým jsou na vzorku skenovány hranolové hranolové vzory, a to je vysvětleno níže.

  Dvě hlavní požadavky na mikroprismy byly, že měly mít úhel 10 ° a šířku 50μm, což znamená, že hloubka nejhlubší části mikroprismů musí být 8,8mm. Při určité intenzitě laserové energienebo fluence, je jednoduché určit počet záběrů, které dávají tuto hloubku, ale pro vytvoření opticky přijatelného prismatického vzorku je třeba mít na paměti i další faktory. Na obr. 2 je znázorněno zobrazenízpůsob, jakým se provádí mikromaking.

  Předpokládáme-li, že N záběry jsou vyžadovány celkem jakoukoli jednotkovou plochou pro to, aby tato oblast byla ablated až do hloubky 8,8 μm, pak je vidět s odkazem na obrázek 2, že existuje mnoho způsobů, jakými mohou být tyto N výstřely uloženo navzorek. Vzhledem k tomu, že vzorek je obroben skenováním vzoru v jedné ose a následným opakováním skenování v sousedních polohách na vzorku, nejjednodušší způsob, jak dosáhnout celkového počtu N snímků, je použití snímků / oblastí N ve směru snímání apak se stupňuje bokem o jednu celou šířku nosníku (tj. vedlejší krok = w). Pokud paprsek stoupá do poloviny o polovinu šířky paprsku (tj. W / 2), musí být ve směru snímání použity N / 2 výstřely / plocha. Obecně platí, že pokud je paprsek stoupánbočně o 1 / m šířky paprsku, pak počet snímků na plochu ve směru snímání musí být N / m. Samozřejmě, celý proces může být opakován několikrát, takže jeden cyklus procesních strojů na menšíhloubku, než je požadováno, a celý postup se postupně opakuje, dokud není dosažena požadovaná hloubka. Proto,

  Celkový počet snímků N = L S m

  kde L je počet zpracovatelských smyček, S je počet výstřelů na plochu ve směru snímání m je zlomek šířky nosníku w, kterým se vzorek stupňuje bokem (např. krokem o 1/3 šířky nosníku dává m = 3).

  Kombinace tří parametrů L, S a m ovlivňuje kvalitu mikroskopických prvků, zejména hladkost "ploch" mikroprismů. Zejména je-li S, počet snímků na plochu skenovánísměr je příliš velký, pak se hladkost hranolových tváří degraduje, protože vzorek přesune větší vzdálenost mezi impulsy. To je ilustrováno na obrázku 3, který ukazuje mikrofotografii skenovacího elektronu (SEM)obráběn do polykarbonátu, kde významné "kroky" mohou být viděny na tvářích hranolů.

  Bylo zjištěno, že vysoce kvalitní mikroprismy byly produkovány za použití laserové fluence 1 J / cm2 s rychlostí 80 snímků / oblast při laserové opakovací frekvenci 150 Hz. Účinky kyslíku, dusíku, helia a vzduchu podporujícího plyny byly také porovnány a to jepopsané v oddíle 2.2.5.

  2.2Analýza laserově obráběných konstrukcí

  Vzorky polymeru s velikostí ~ 50 mm x 50 mm byly ošetřeny laserem s 10 ° mikroprismem a poté analyzovány pomocí optické mikroskopie, skenovací elektronové mikroskopie, interferometrie a difrakční analýzy. Tyto vzorky byly hodnoceny oběmakvalitativně a kvantitativně - protože konečné produkty těchto konstrukcí jsou optická zobrazovací zařízení, kvalitativní vzhled oka je velmi důležitým měřítkem jejich kvality.

  2.2.1Reflektivní konstrukce

  Obrázek 4 ukazuje obrázek SEM 10°mikroprismy mikromaskované do polykarbonátu ukazující pravidelnou a reprodukovatelnou povahu optimalizovaného laserového obrábění. Je třeba poznamenat, že vzorek o šířce 50 mm obsahuje přibližně 1000mikroprismy a rozměrové změny řádu ~ 2mm jsou snadno rozpoznatelné změnou pravidelnosti, kterou způsobují.

  Interferometr Zygo byl také použit pro měření povrchové úlevy ve středu jedné ze vzorků a získané 3D a průřezové údaje jsou znázorněny na obrázku 5. Je zřejmé, že hloubka z průřezové analýzy~ 8.8mm souhlasí přesně s požadovanou hodnotou a je také zřejmá hladkost a správnost sousedních mikroprismat.

Hlavním úkolem reflexní hranolové struktury, jak je znázorněno na obr. 1, je přesměrovat světlo ze zrcadlového odrazivého úhlu do výhodnějšího směru a lze snadno ukázat, že světlo dopadá při ~ 30° na normálníbudou přesměroványsměrem k normálnímu stavu 10° používají se prismatické struktury. To bylo ověřeno měřením úhlové citlivosti odrazu z laserově opracovaných vzorků pomocí zdroje bílého světla. Obrázek 6 znázorňuje polární graf a průřezintenzity světla měřené jako funkce úhlu. Vstupní světlo dopadalo pod úhlem 30 °° k normálním a dvěma špičkám odrazu. Širší vrchol vlevo (vrchol "A") je od 10° mikroprismy resměru světla směrem k normálu, zatímco užší vrchol na pravé straně (vrchol "B") je způsoben zrcadlovým odrazem od předního povrchu polykarbonátu.

2.2.2Reflektivní konstrukce s difuzérem

  Jak je zřejmé z obrázku 1, typické zobrazovací zařízení má také obvykle difuzní prvek před prismatickou strukturou a přidání tohoto parametru bylo také měřeno stejným způsobem. Obrázek 7 ukazuje výsledky zodraz světla pouze ze vzorku difuzéru a kombinace difuzoru a hranolové struktury.

  Je vidět, že jak se očekávalo, vzorek difuzoru samotný čistě rozptyluje světlo přes široký kužel úhlů, přičemž udržuje svůj vrchol kolem 30°  úhel zrcadlového odrazu. Přidání čísla 10°  mikroprismové koncentrátyvětšinu světla kolem normálu na vzorek, čímž se dá pohodlně viditelný rozsah úhlů pro displej.

  Přestože použití prismatických struktur obvykle znamená, že světlo je přesměrováno hlavně v jedné ose, zde zobrazené aplikace zobrazují také výhodu, že světlo je k dispozici na druhé ose, a také rozšířenírozložení světla v obou osách nemusí být nutně škodlivé. To je také důvod, proč je žádoucí malé množství nerovnoměrnosti na čelních plochách hranolů, jak je vidět na obrázku 4.

  2.2.3Převodné konstrukce

  Pokud mají být mikroprismy použity v čistě transmisním režimu, tj. S možností podsvícení, jak je znázorněno na obrázku 1, očekává se, že světlo by mělo být přenášeno vzorkem při ~ 10° k normálu s normálním dopademosvětlení. To bylo potvrzeno měřením vysílané intenzity jako funkce úhlu pro normální dopadající světlo a výsledek je uveden na obrázku 8.

  2.2.4Mikromachining optimalizace

  Jak již bylo řečeno, citlivost očí na neperiodické struktury činí celý proces obrábění relativně netolerantní k chybám v polohování nebo zaostření. Pokud se například překrytí paprsku nebo boční krok (vizčást 2.1) je nesprávná, pak i nepatrné nesprávné umístění jedné sady trojúhelníků naruší jinou sadu vzorků, což způsobí degradaci kvality mikroprismů. To je vidět na obrázku 9, který ukazuje SEMkde, jak je znázorněno na obrázku 2 (d), okraj skenování č. 2 je super umístěn na existujícím skenování # 1.

  Je vidět, že ostrost rohů trojúhelníků je horší v úseku, kde byly provedeny oba četby # 1 a # 2 a tento efekt vede k tomu, že okraje hranolů nejsou tak dobré. Malé rozdíly, jako je totoje třeba pečlivě kontrolovat, aby bylo dosaženo nejlepších výsledků.

 2.2.5Gas Assist

  Čtyři vzorky byly obrobeny za stejných podmínek, přičemž mezi nimi byl změněn pouze pomocný plyn. Vzduch, kyslík, dusík a hélium byly použity a odeznína odezva úhlové odrazivosti každého vzorku. Oko, to jebylo zřejmé, že hlavním účinkem různých plynů bylo množství difuze a optického rozptylu, které bylo způsobeno vzorkem, a to bylo potvrzeno údaji o odrazivosti. Obr. 10 znázorňuje polarizační grafy nejlepších polía nejhorší pomocné plyny pro hranolové struktury.

  Vzorek opracovaný pod dusíkovou asociací vykazuje poměrně zřetelnou difrakci na rozdíl od vzorku pro helium, kde je pozorována široká difuzní oblast. Hlavním důvodem tohoto rozdílu je pravděpodobnost, že došlo k opětovnému uloženímateriálu na vzorku během laserové ablace, která způsobuje, že světlo se rozptýlí v různých množstvích. Tyto testy jasně ukázaly, že plyn podporující dusík byl zdaleka nejlepší z hlediska toho, že způsobuje minimální narušení účinkůmikroprismy.

 3. BUDOUCÍ VÝVOJ

  Jednou z výhod laserového mikroprocesoru je inherentní flexibilita, kterou poskytuje, a široká škála možností, které nabízí pro výrobu různých mikrostruktur. V aplikacích zobrazovacích zařízení, napříkladexcimerový laserový mikromachovací systém lze použít mnoha způsoby:

   uspořádání průhledných vodivých oxidů (např. ITO) s elektrodou nebo jinými vlastnostmi

   zpracování vrstev v zařízeních polymerů a organických LED

   vytváření propojení a průchodů pro vícevrstvé systémy

   výroba mikrostruktur, jako jsou mikročočky pro optické součásti

  Na obr. 11 jsou znázorněny dva příklady optických mikrostruktur - válcové čočky s mikroprocesorem a "pyramidy" s optickým kanálem, které byly vyvinuty pro vedení a ovládání světla pro LED a LCD displejová zařízení. V aplikacíchjako jsou ty, které jsou popsány v tomto dokumentu, použití laserového mikromachinování nabízí schopnost přizpůsobit tvar mikroprismů, například tak, aby vyhovovaly různým reflexním / transmisivním geometriím, kde například hranoly semohou být použity vícejazyčné nebo kontinuálně měnící se fazety. Takové konstrukce nejsou možné s přesnými mechanickými obráběcími stroji.

  Jiné lasery, jako jsou infračervené, viditelné nebo ultrazvukové polovodičové lasery, se také stále častěji objevují při výrobě zobrazovacích zařízení, zvláště u modelů s velmi vysokou rychlostí. Kromě prvku univerzálnosti přímého laseruDalším hlavním přínosem laserového obrábění je to, že se jedná obvykle o jednofázový suchý proces, tj. je možné se vyhnout litografické struktuře a krokům chemického leptání. To nejen snižuje náklady spojené s mokrou cestouale také umožňuje manipulaci s velkými rozměry, které jsou mimo možnosti současných systémů expozice a leptání.

  Stále více systémů s multifunkčními jednotkami se navrhuje a vyvíjí a mohou zahrnovat prvky, jako jsou optické přístroje, mikromechanické systémy, elektrické obvody a propojovací prvky. Jako toto pokročilé zařízenítechnologie zrání, laserová mikromotáž bude hrát důležitou roli při jejich výrobě, což umožní realizaci nebývalých výkonnostních specifikací.

4. SOUHRN

  Excimerové laserové mikromotážování bylo použito k výrobě hranolových struktur v polymerech pro použití jako selektivní optické prvky v zobrazovacích zařízeních. Podmínky zpracování byly optimalizovány tak, aby byly získány vysoce kvalitní vzorky s velkou plochoukteré byly testovány pomocí optických metod. Hodnocení potvrdilo, že struktury s mikromotorem mají atributy očekávané od vzorků a prokázaly svou použitelnost pro zobrazovací zařízení.