TW201350314A - 製造具有聚矽氧光學系統之光學模組的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種製造模組之方法，其包含以下步驟：a.提供具有第一表面(5)之基板(1)；b.提供開放鑄模(6)，其中在該鑄模(6)中提供至少一個光學元件(4,4')之構型；c.以黏著促進劑(2)塗佈該第一表面(5)；d.在該開放鑄模中以聚矽氧(3)覆蓋經塗佈之表面(2,5)，同時由聚矽氧(3)形成光學元件；e.固化該鑄模中之聚矽氧。

Description

製造具有聚矽氧光學系統之光學模組的方法
本發明係關於一種製造光學模組之方法，其包含在開放鑄模中以聚矽氧覆蓋基板之第一表面。本發明亦關於一種光學模組，其包含具有第一表面及塗覆至該第一表面上之聚矽氧層的基板，其中光學元件提供於該聚矽氧層中。
WO 2012/031703 A1描述一種製造板上連接式晶片(chip-on-board)模組之方法，其中基板包含具有多個LED之板狀載體，其中在開放鑄模中，在基板表面上提供由一層組成之覆蓋物以用於提供光學系統。
本發明之目標在於設計一種製造光學模組之方法，該光學模組可允許高度靈活地選擇其中所用的聚矽氧。
該目標係經由一種製造光學模組之方法來實現，該方法包含以下步驟：a.提供具有第一表面之基板；b.提供開放鑄模，其中在該鑄模中提供至少一個光學元件之構型；c.以黏著促進劑塗佈該第一表面；d.在該開放鑄模中以聚矽氧覆蓋經塗佈之表面，同時由聚矽氧形成光學元件；e.固化該鑄模中之聚矽氧。
向待塗佈之基板表面上塗覆黏著促進劑可避免或減少添加劑與鑄模中之聚矽氧混雜。此外，可用於塗佈之聚矽氧範圍更廣泛。另一種有利作用在於固化聚矽氧自鑄模之良好脫模。特定而言，在本發明情形下，鑄模無需經此方式塗佈或加襯離型薄膜。
在本發明範疇內，光學元件應理解為意謂視要求而定允許光(包括UV範圍及/或IR範圍內之光)完全透射之任何層構型。較佳實施例可具有如透鏡之光學元件，例如聚光透鏡、散光透鏡、圓柱透鏡、菲涅耳(Fresnel)透鏡或其類似物。在其他實施例中，光學元件剛好可由藉助於稜鏡或其類似物進行的光散射、繞射而組成。用於光簡單透射之平面平行表面構型為一種根據本發明範疇之光學系統。其中形成有光學元件之聚合物層形成一種恰當排列於基板上之光學系統。
鑄模中之基板可經多種方式覆蓋。可首先將聚矽氧添加至鑄模中，繼而將基板浸漬至聚矽氧中。或者，可首先將基板插入至少部分空之鑄模中，繼而以可控方式添加聚矽氧。在任一情形下，鑄模含有較佳結構，諸如凸片、突耳或其類似結構，基板支撐且定位於其上。
在一個較佳例示性實施例中，聚矽氧不含黏著促進劑之混雜物。由此尤其獲得特別良好之UV半透明度。
聚矽氧較佳可含有用於引發固化過程之催化劑。此例如可涉及鉑或類似物質之極小混雜物。催化誘發之固化可獲得高純度之聚矽氧。聚矽氧尤其較佳不受UV光固化，因為在多種情形下尤其需要UV光之高半透明度。
此外，該方法較佳包含將鑄模中之聚矽氧加熱至限定溫度以引發及/或加速固化過程之步驟。催化誘發之固化例如可經由加熱加速，此使得該方法更有效且甚至進一步減少所需催化劑之量。然而，僅藉助於高溫進行之固化過程僅可想像。典型的限定溫度低於預期聚矽氧易碎或發生其他降解的範圍。例示性溫度範圍為約100℃，較佳 小於140℃。限定溫度尤其取決於與基板相容之溫度。
一種尤其較佳實施例提供恰好在置於鑄模中之前呈至少兩種聚矽氧混合物形式之聚矽氧。該雙組分或多組分系統在商業上可得，其中特定而言，混合兩種高純度聚矽氧又產生高純度聚矽氧，其中混合再次引發固化過程及/或交聯過程。因此，聚矽氧之一可設計成例如使得其含有用於固化混合物的催化劑，其自身不可使該聚矽氧交聯。
通常有利的是，聚矽氧具有高純度且含有小於100ppm之外來物質。外來物質含量尤其較佳小於10ppm。術語外來物質應理解為意謂除催化劑以外的所有有機或其他混雜物，其不為交聯固化之聚矽氧系統本身之一部分。混雜的黏著促進劑為非所要外來物質之一種實例。一般而言，包含碳鏈鍵之組分亦視為非所要外來物質。此類型之鍵通常不具UV抗性。因此，本發明需要之聚矽氧至少在固化後包含不大於單碳原子，例如甲基殘基之形式。特定而言，高純度之聚矽氧可獲得尤其高之UV抗性。此不僅適用於聚矽氧之機械抗性，亦適用於光學持久性，因為即使微量雜質之存在亦與UV曝露聚矽氧之過早黃化相關聯。
為最小化基板至聚矽氧過渡處之不利影響，較佳提供黏著促進劑塗覆至表面上，塗覆層具有小於100nm之平均厚度。在此情形下，黏著促進劑層之厚度小於穿過光學元件之光波長的一半對於光學特性而言為有利的。層厚度更佳小於10nm，特定而言不大於10個單層。由於黏著促進劑之作用，僅塗覆單層為理想且有利的。
黏著促進劑可經適合方式塗覆至基板，例如經由浸漬、氣相沈積、液滴塗覆、噴霧或藉助於旋塗。尤其較佳在塗覆之後使塗覆層薄化，例如藉由吹掉多餘量之黏著促進劑。
黏著促進劑較佳本身具UV抗性。若層足夠薄，則黏著促進劑至少可耐受經由UV輻射之降解。一般知曉用於聚矽氧之黏著促進劑且 其取決於欲使用之基板。黏著促進劑通常為具有與基板結合之第一端基及與聚矽氧結合之第二端基的分子。黏著促進劑較佳為藉助於化學鍵與聚矽氧結合之黏著促進劑。視現有環境而定，黏著促進劑可藉助於化學及/或物理鍵結合至基板，例如經由黏著或凡得瓦爾力(Van-der-Waals force)。典型的黏著促進劑係由反應性矽氧烷與矽樹脂之混合物組成。特定而言，端基可經最佳化以適應基板。
為最佳化開放澆鑄方法，本發明使得聚矽氧在固化前的黏度小於1,000mPa*s。黏度較佳小於100mPa*s，尤其較佳小於50mPa*s。上文提及之低黏度可使得鑄模被快速填充且不產生氣泡，且特定而言可在不產生氣泡之情形下覆蓋基板。在此情形下，經由浸漬基板置換之任何過量聚矽氧均可容易地在溢流時流掉。
本發明一般有利地提供具有在10至90肖氏(Shore)A範圍內之硬度之固化聚矽氧。硬度尤其較佳在50至75肖氏A範圍內。此提供充分機械穩定性，以確保甚至是複雜光學系統之精確成形。此外，塗層之高彈性對於諸如衝擊、振動或熱誘發機械張力之機械影響提供極佳保護。
一般較佳實施例提供由聚矽氧組成之光學元件以對低於400nm波長範圍內超出1W/cm2之輻射強度具備持久UV抗性。尤其較佳亦證實，對超出10W/cm2之輻射強度具有抗性。已證實，高純度聚矽氧特定而言為在UV輻射下使用之極佳材料。在此情形下，持久抗性應理解為意謂輻射曝露可歷時至少數月之長時間，而不發生聚矽氧之明顯降解或變色及/或黃化。因此，本發明模組對估計約0.15W/cm2陽光之較佳UV抗性顯著高於一般材料之UV抗性。
在本發明之一個較佳實施例中，基板包含具有至少一個LED之載體。在此情形下，光學元件尤其較佳恰當排列於LED上。此類型模組一般性提及於印刷品WO 2012/031703中。特定而言，基板可為具有 多個LED且可能具有其他電子組件之板上連接式晶片(COB)模組。特定而言，LED可發射UV範圍內之光。較佳(但非必需)使用之LED峰值波長在350至450nm之範圍內。較佳子範圍為365±5nm、375±5nm、385±5nm、395±5nm及405±5nm。一般而言，LED之光譜半寬在20至30nm範圍內。基部之光譜寬度可為50至70nm或70nm以上。總之，本發明之方法可提供具有由作為單一部分塗覆之相同材料組成之LED初級光學系統的LED模組。在此情形下，LED模組尤其較佳發射UV範圍內之光。
此類型LED模組可產生高輻射強度，尤其在UV範圍內。其較佳可用於製造向確定結構中聚焦高輻射密度之燈。一種尤其較佳用途為製造一種用於乾燥塗層之裝置。此類型裝置可用於在印刷程序中，特定而言在平版印刷程序中乾燥漆。
另一個例示性實施例提供包含半透明載體之基板，其中載體與光學元件共同形成一種光學系統。在此類型光學系統中，載體原則上可由與塗覆至其之層相同或不同之材料組成。例如，載體較佳由玻璃組成。特定而言，此可為UV半透明玻璃，例如石英玻璃。
另外，另一較佳實施例提供欲在步驟e之後經塗佈之第二表面，其中第二表面之塗佈亦包含程序步驟a至e。因此，例如可在中心載體(例如玻璃板)上製造兩側形成有相同或不同層之光學系統。亦可能以此方式在兩側上以LED塗佈模組。在此方法中，LED可存在於兩側上或第二側之塗層僅用以保護模組例如免受衝擊、水侵入或類似影響。
在此情形下，第二表面可為基板之第二表面(例如在塗層之情形下，與第一塗層相反之基板一側)或任何其他表面。特定而言，此可涉及第一塗層的外表面，第二塗層藉由重複本發明之塗覆方法塗覆於其上。視現有需求而定，第二層可恰當塗覆至第一層上。或者，第二表面恰好可屬於首先塗覆至例如第一塗層上之中間層，諸如塗層、沈 積金屬等。
本發明之目標亦經由一種光學模組來實現，其包含具有第一表面及塗覆至第一表面上之聚矽氧層的基板，其中光學元件經由開放澆鑄方法設置於該聚矽氧層中，其中黏著促進劑層配置於該第一表面與該聚矽氧層之間。提供黏著促進劑層使得整個聚矽氧表面可與基板良好連接。
本發明之光學模組較佳亦包含一或多種如請求項1至13中任一項之特徵。特定而言，可根據本發明之方法來製造光學模組。但原則上，光學模組可恰好經由不同方法來製造。
本發明之目標亦可經由包含本發明之光學模組的燈來實現。
根據本發明，此類型之燈較佳用於乾燥層。此可較佳涉及在印刷程序中之用途。
1‧‧‧基板/半透明載體
1a‧‧‧載體
1b‧‧‧LED
2‧‧‧黏著促進劑
3‧‧‧聚矽氧層/第一層/初級光學系統
3'‧‧‧聚矽氧層/具有聚光透鏡4'之第二層
4‧‧‧光學元件/聚光透鏡
4'‧‧‧光學元件/菲涅耳透鏡
5‧‧‧第一表面
6‧‧‧開放鑄模
6a‧‧‧支撐物
7‧‧‧溢流位
8‧‧‧聚矽氧層之周緣
9‧‧‧基板背面/位於基板1背面之第二表面
10‧‧‧光學系統
11‧‧‧LED模組
本發明之其他優勢及特徵由下文以及附屬項中所述之例示性實施例顯而易見。在圖式中：基於附圖在下文中描述且更詳細說明本發明之若干較佳例示性實施例。在圖式中：圖1展示本發明模組之第一例示性實施例之示意性截面圖。
圖2展示在製造本發明之光學模組期間開放鑄模與基板之兩個視圖。
圖3展示圖2之鑄模的變化形式。
圖4展示本發明第二實施例之光學模組之三種變化形式的截面圖。
圖5展示對圖4模組的第一種改進。
圖6展示對圖4模組的第二種改進。
圖7展示圖4模組用途之一種實例。
圖8展示本發明各種例示性實施例之組合用途的一種實例。
圖1之光學模組包含其上塗覆有一層黏著促進劑2之基板1。成形聚矽氧層3塗覆至黏著促進劑2上且在本發明情形下包含複數個呈聚光透鏡形式之光學元件4。
在本發明情形下，基板1由板上連接式晶片(COB)模組組成，該模組之載體1a上配置有多個LED 1b。黏著促進劑2覆蓋基板的第一表面5，第一表面5部分由載體1a之表面且部分由LED 1b之表面與其他組件(未展示)組成。
在根據圖4至圖6之本發明的其他例示性實施例中，基板並非由LED模組組成，而由半透明載體1(在本發明情形下即玻璃板)組成。載體1與類似於第一實例塗覆且其中提供有光學元件4,4'之一或多個聚矽氧層3,3'共同形成光學系統10。在本發明情形下，基板及/或半透明載體1各自展示為具有平面平行表面之板。視現有需求而定，載體恰好可包含光學元件，諸如透鏡。
在圖4頂部之實例中，類似於第一例示性實施例提供聚光透鏡形式之光學元件4。
在圖4中間之實例中，提供菲涅耳透鏡形式之光學元件4。
在圖4底部之實例中，提供光繞射結構及/或構型之準隨機集合體形式之光學元件4，可經其獲得散射作用。
層3,3'各自由具有約65肖氏A硬度之高純度聚矽氧組成。該聚矽氧為無色且透明的。該聚矽氧在約300nm至約1,000nm波長範圍內高度半透明。該聚矽氧對波長低於400nm及能量密度超過10瓦特/平方公分(Watt/cm2)的持久輻射具UV抗性。
上述各光學模組均根據以下方法來製造： 首先，提供含有光學元件4構型之陰模的開放鑄模6(參見圖2)。此外，在模具6中提供在特定位置支撐基板1之呈凸片或突耳形式之支 撐物6a。
隨後，可在清潔步驟之後以黏著促進劑2塗佈待塗佈之基板1的表面5。隨後如下進行塗佈：例如藉由塗覆物質液滴且吹掉任何多餘物質，此亦乾燥剩餘黏著促進劑。在理想情形下，所塗覆黏著促進劑之厚度正好等於一個單層，在任何情形下，其較佳小於100nm。
一經如所述製備基板，即在開放鑄模中製造且置放兩種組分之聚矽氧混合物。該等組分之一含有催化劑且另一組分含有交聯劑。在本發明情形下，該混合物具有小於50mPa*s之黏度。作為原則問題，混合組分引發固化過程，儘管此過程在諸如室溫之低溫下進行得相當緩慢。
繼而，以塗佈表面5向下的可控方式將基板置放於鑄模中且浸漬於聚矽氧混合物中(參見圖2之左側)。
特定而言，如圖3中示意性展示，在此情形下，可在鑄模上設置溢流位7。聚矽氧之溢流及低黏度共同確保良好界定基板之浸漬深度，且特定而言確保基板所置換之任何聚矽氧可流掉。此意謂在任何需要情形下均可確保不僅基板之表面5，而且基板之正面均由層3之周緣8覆蓋，而基板之背面9不經塗佈。但在其他實施例中可能需要完全包封基板。
邊緣8不僅具有對於載體基板1(若其支撐於其邊緣或邊對邊配置之多個該等模組上)之保護功能，而且可使得基板達成直接無間隙透明配置，且因此最小化兩載體基板間光學邊界處之光偏離。
一旦將基板定位於支撐物6a上，即根據需要檢查表面5是否完全濕潤且特定而言未形成氣泡。在本發明之一種可能改進中，浸漬基板亦可恰好在真空下進行以防止氣泡問題。然而，由於黏度低，故不存在真空時一般亦可獲得無氣泡塗層。
在定位之後，使聚矽氧固化及/或交聯。此係透過增加溫度以便 利方式顯著加速。在約100℃溫度下，固化通常可在半小時內完成。在150℃範圍內溫度下，固化通常可在僅數分鐘內完成。選擇此熱固化過程之溫度亦必須考慮各自基板之特性。
聚矽氧一經固化，即可如圖2右側所示自可再使用之鑄模中取出現經塗佈之基板。
由於在本發明情形下使用在聚矽氧中無任何黏著促進劑混雜物之高純度聚矽氧，因此不需要旨在使聚矽氧3自模具6脫模的其他措施。特定而言，鑄模未加襯離型薄膜或其類似物。此使得製造簡化且使得可極精確地複製鑄模之結構。
若需要，則可將上述方法重複應用於同一物件。圖5及圖6展示本發明之實施例，其各自展示對圖4實例之該等改進。在各情形下，在製造具有光學元件4之第一層3之後，製造具有光學元件4'之第二層3'。
在圖5實例之情形下，向在本發明情形下以平板形式提供之基板1之背面及/或反面上塗覆第二層3'。為此目的，基板僅需要在尚未塗佈面9上具備黏著促進劑2且隨後正向插入相應鑄模6中。其他程序步驟對應於上述程序。
在圖5所示實例中，位於基板1正面之第一表面5經複數個聚光透鏡4塗佈以用於說明目的。位於基板1背面之第二表面9經各自與聚光透鏡4對準之菲涅耳透鏡4'塗佈。
在圖6所示實例中，首先向位於基板正面之第一表面5塗覆在本發明情形下具有菲涅耳透鏡之層3。隨後向該層3上塗覆黏著促進劑2，且隨後向第一層3上塗覆具有聚光透鏡4'之第二層3'。在此情形下，所塗覆之第一層3為根據本發明範疇之基板且其外表面為第二表面9。
作為原則問題，該等多個層之數目及設計不以任何方式受限。
該等層之澆鑄材料組成恰好可不同，特定而言為不同澆鑄材料及/或澆鑄材料之混雜物。因此，由此可合併不同特性或可例如藉助於略微改變所用澆鑄材料之折射率幾乎逐漸地影響藉由塗覆多個層而獲得之光學特性。同樣，可在塗覆下一層之前影響且改變最終電流邊界層，例如藉助於濺鍍、噴霧、濕潤或任何其他常用表面塗佈程序、經由矽烷化聚矽氧邊界層、介電或金屬塗層來達成。
上文說明使用尤其純之聚矽氧較佳用於最佳化在臨界波長範圍內之高透射度及材料抗性。作為原則問題，澆鑄材料可經光學有效材料填充以由此產生其他光學功能，諸如藉由引入磷光及螢光物質(諸如稀土元素)來轉換光線波長，或藉助於引入散射物質(諸如透明或半透明粒子(例如由玻璃或陶瓷材料製得)或金屬粒子)影響光學系統之不透明度。
圖7展示如上所述之光學系統10與二維光源組合的一種較佳用途。在此情形下，光源係以陣列中配置有多個LED之LED模組11形式提供。光學系統位於光源前方一定距離處且藉助於各自屬於一個LED之聚光透鏡以所需方式折射個別LED之光。
圖8展示另一較佳用途，其中根據圖1之本發明模組與根據圖4之本發明模組組合。總之，存在以具有初級光學系統3之LED模組1、1a、1b形式提供之第一光學模組。以光學系統10形式提供之第二光學模組配置於第一光學模組上游。兩個模組較佳均包含多個聚光透鏡，其各自與LED相關聯，從而協同作用以輸送大開放角度之LED。
1‧‧‧基板/半透明載體
2‧‧‧黏著促進劑
3‧‧‧聚矽氧層/第一層/初級光學系統
4‧‧‧光學元件/聚光透鏡
5‧‧‧第一表面
6‧‧‧開放鑄模
6a‧‧‧支撐物
8‧‧‧聚矽氧層之周緣

Claims (17)

  1. 一種製造光學模組之方法，其包含以下步驟：a.提供具有第一表面(5)之基板(1)；b.提供開放鑄模(6)，其中在該鑄模(6)中提供至少一個光學元件(4,4')之構型；c.以黏著促進劑(2)塗佈該第一表面(5)；d.在該開放鑄模中以聚矽氧(3)覆蓋該經塗佈之表面(2,5)，同時由該聚矽氧(3)形成該光學元件；e.固化該鑄模中之聚矽氧。
  2. 如請求項1之方法，其中該聚矽氧(3)不含黏著促進劑之混雜物。
  3. 如前述請求項中任一項之方法，其中該聚矽氧(3)含有用於引發固化過程之催化劑。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其包含以下步驟：將該鑄模中之聚矽氧(3)加熱至限定溫度，以引發及/或加速固化過程。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其中該聚矽氧(3)在即將置放於該鑄模中之前係以至少兩種聚矽氧之混合物形式提供。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中該聚矽氧(3)具高純度且含有小於100ppm之外來物質。
  7. 如前述請求項中任一項之方法，其中該黏著促進劑(2)係經塗覆至該表面(5)上，且該塗覆層具有小於100nm之平均厚度。
  8. 如前述請求項中任一項之方法，其中該聚矽氧(3)在固化前之黏度係小於1,000mPa*s。
  9. 如前述請求項中任一項之方法，其中該固化聚矽氧(3)具有在10至90肖氏(Shore)A範圍內之硬度。
  10. 如前述請求項中任一項之方法，其中由聚矽氧(3)組成之該光學元件(3)在低於400nm之波長範圍內對超出1W/cm2之輻射強度具有持久UV抗性。
  11. 如前述請求項中任一項之方法，其中該基板包含具有至少一個LED(1b)之載體(1a)。
  12. 如請求項1至10中任一項之方法，其中該基板包含半透明載體(1)，其中該載體(1)與該光學元件(4,4')共同形成光學系統(10)。
  13. 如前述請求項中任一項之方法，其包含以下步驟：在步驟e之後塗佈第二表面(9)，其中該第二表面(9)之塗佈亦包含程序步驟a至e。
  14. 一種光學模組，其包含具有第一表面(5)之基板(1)，及塗覆至該第一表面(5)上之聚矽氧層(3)，其中光學元件(4)係藉助開放澆鑄方法設置於該聚矽氧層(3)中，其特徵在於將黏著促進劑層(2)配置於該第一表面(5)與該聚矽氧(3)層(3)之間。
  15. 如請求項14之光學模組，其另外包含一或多個如請求項1至13中任一項之特徵。
  16. 一種包含如請求項14或15之光學模組的燈。
  17. 一種如請求項16之燈的用途，其係用於乾燥層，特定而言用於印刷程序中。
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