TWI395979B - A microlens and a mold manufacturing method thereof, and a light emitting device - Google Patents

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Description

微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置
本發明係有關一種微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置，更詳而言之，係有關一種用以製造能使光源均勻出光之微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置。
按發光二極體(light emitting diode；LED)是一種可發光的半導體光電元件，其發光原理乃是利用電子與電洞在P-N介面結合的過程中，以光的形式釋出能量而放出足夠的光子而產生光源，並將該發光元件以一透鏡面予以封裝，以藉由該透鏡的適當折射透出有效光源，以達到出光照明效果。由於發光二極體具有體積小、質量輕且發光效率高等優點，因此，目前已廣泛運用於照明或訊息提示的使用上。但該發光二極體之發光元件經由結合基座所發出的光係成放射狀散射，光源並無法集中發射，因此，發光二極體亮度無法達到預期之效果，並且也因光的散射產生了過多的熱能，因此如何讓光源呈現均勻化、最佳化，以改善出光效率，即為現今須致力解決的課題。
光源的均勻化、最佳化設計以及處理方式技術相當多，絕大部分的技術都運用於背光模組，例如背光模組裡的光學膜片之一擴散膜，即許多單、多晶封裝發光元件透鏡大多只針對光源的光形之設計去做調整或是設計二次透鏡來調整光源方向，較少數會去針對光源的出光量以及 均勻性去做最佳化設計，亦即，多數發光元件設計是以出光效率為優先考量，至於出光光形多由燈具去修正。
例如美國專利6,155,699係揭露一種利用高折射率與低折射率材料所形成複數週期分散式布拉格反射鏡(distributed bragg reflector；DBR)結構，作為發光二極體的反射層，用以增進發光二極體的出光效率。
例如中華民國公告號第541,728號專利案，其揭示了一種在倒裝片晶片發光二極體的台面壁上形成一高反射性介電質堆疊結構，該介電質堆疊結構係由交錯的低折射率層組成，其中高反射率堆疊會反射發光二極體晶片內入射於有塗層之台面壁之導向光的大部分，故可降低穿透台面壁的光損耗，惟該專利所形成高反射性介電質堆疊，只形成於發光二極體台面壁表面，但光損耗的現象仍然會在其它側面上發生。
由上述傳統發光二極體出光結構可知，無論是以DBR或是光學反射膜的結構，只能反射部分或是特定波長的光，而皆需要設計二次透鏡來調整光源方向，且上述所提及之傳統技術，亦皆須利用繁複的微影及蝕刻等製程，因此，製程上所耗成本極大。
此外，相較於傳統之光源出光透鏡設計，傳統之設計方式因侷限於幾何結構之尺寸以及相關模具開發不易，使得出光之均勻化以及亮度無法有效提升，更因發光二極體之出光透鏡製成方式成本較高，因此市場上較少類似之產品。
因此，如何提供一種能改善上述缺失，以提供降低耗材耗能、及設備的使用率且能產生大量折射、使射出照度能更為均勻以及光形更為廣泛之微透鏡及其模仁之製造方法，實為業界亟待解決之問題。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之一目的在於提供一種能產生大量折射、使射出照度能更為均勻以及光形更為廣泛之微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置。
本發明之另一目的在於提供一種低耗材耗能、且可降低設備的使用率之微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置。
本發明之又一目的在於提供一種製程簡易快速而具備高時間成本效益之微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置。
為達上述目的及其他目的，本發明提供一種微透鏡以及微透鏡模仁之製造方法以及發光裝置。該微透鏡鏡模仁之製造方法係包括以下步驟：提供基材，該基材具有第一表面；將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構鋪陳排列於該第一表面上；於該基材上的第一表面及微奈米結構沉積金屬薄膜層，並使各該微奈米結構部分露出該金屬薄膜層；以及移除各該微奈米結構，以形成具有第二表面之模仁。
依據本發明於上述所提供之模仁之製造方法，本發明之微透鏡的製造方法包括以下步驟：將欲成形之微透鏡材 料混入微奈米顆粒後，再灌注於該模仁之第二表面中；以及於該微透鏡材料凝固成形後將其取出，以形成具有微奈米凹凸面陣列的微透鏡。
依據上述之製造方法，各該微奈米結構係以氣、液相鋪陳排列，且其排列控制參數係選自外部電場、磁場、溶液酸鹼、溫度。
依據上述之製造方法，各該微奈米結構係選自為高分子材料或陶瓷材料。
依據上述之製造方法，各該微奈米結構的尺寸介於0.01微米至1微米之間。
依據上述之製造方法，各該微奈米結構不限以規則性的矩陣排列，例如：面心立方排列、六面堆積排列、相互間係為無間隙排列、或相互間係為有間隙排列，其中，各該微奈米結構的間隙距離介於0.001至10微米之間。
依據上述之製造方法，該微透鏡材料係與定量濃度的微奈米結構顆粒以一定比例混合均勻。
依據上述之製造方法，復包括根據上述步驟製造多層結構的微透鏡，該多層結構的微透鏡之製造方法包括：提供基材，該基材具有第一表面；將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構鋪陳排列於該第一表面上；於該基材上的第一表面及微奈米結構沉積金屬薄膜層，並使各該微奈米結構部分露出該金屬薄膜層；移除各該微奈米結構，以形成具有第二表面之第一模仁；將欲成形之微透鏡材料混入微奈米顆粒後，再灌注於該第一模仁之第二表面中；以及於 該微透鏡材料凝固成形後將其取出，以形成具有微奈米凹凸面陣列的微透鏡；根據形成該第一模仁的步驟製造第二模仁，其中該第二模仁具有該凹凸面的第三表面；將該微透鏡之具有微奈米凹凸面陣列朝該第二模仁之第三表面壓合，使該微透鏡之具有微奈米凹凸面陣列與第二模仁之第三表面之間形成空隙；於該空隙中注入欲形成透鏡層的材料；待注入該空隙中的材料凝固成形後，自該第二模仁取出該微透鏡，即可形成該多層結構的微透鏡。
該多層結構的微透鏡中，各層結構的微透鏡材料係選自為矽膠、壓克力或環氧樹脂等材料；各層結構的微透鏡材料的折射率係為規則或無規則遞減或遞增；且各層結構的微透鏡材料之厚度介於0.01毫米至10毫米之間。
本發明之發光裝置係包括基座；發光元件，係設於該基座上；以及微透鏡，係罩設該基座以封裝該發光元件，且該微透鏡具有微奈米凹凸面的出光面。
本發明之發光裝置的另一實施例中，該微透鏡係由多層具有微奈米凹凸面之微透鏡層所疊合而成。
綜上所述，本發明所揭之微透鏡及其模仁之製造方法以及發光裝置，其主要係提供具有第一表面的基材，以將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構鋪陳排列於該第一表面上，接著，於該基材上的第一表面及微奈米結構沉積金屬薄膜層，並使各該微奈米結構部分露出該金屬薄膜層，之後再移除各該微奈米結構以形成具有第二表面之模仁，並利用該模仁進一步形成具有微奈米凹凸面陣列的微 透鏡，使出光源的光經過微奈米結構能產生大量折射、使射出照度能更為均勻以及光形更為廣泛，且該微透鏡的製造具有低耗材耗能、可降低設備的使用率等特性，又進一步疊合形成多層微透鏡，以利用不同折射率之微透鏡材料使出光的均勻度更為徹底，以讓數個高亮度光源能更為趨近理想單一光源。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
第一實施例
請參閱第1圖所示，係為利用本發明之微透鏡之製造方法所製造出的微透鏡運用於發光裝置之第一實施例態樣之出光示意圖，該發光裝置例如發光二極體。如圖所示，該發光裝置10係由發光元件11及基座12所組成，該發光元件11係設置於該基座12上，用以提供光源，並以微透鏡20罩設該基座12以封裝該發光元件11，且由於本發明之微透鏡20的出光面係為微奈米凹凸面201(凹洞或凸起)，用以將發光元件11所產生之光源均勻導出。
請參閱第2A至2D圖係顯示本發明之微透鏡模仁之製造方法的第一實施例之剖面示意圖。
如第2A圖所示，提供一基材21，該基材具有第一表面211。
接著，如第2B圖所示，接著，將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構30鋪陳排列於該第一表面211上；其中，各該微奈米結構30係可選自為高分子材料或陶瓷材料，且各該微奈米結構30的尺寸介於0.01微米至1微米之間(如第3A及3B圖所示，係為奈米球分佈於基材表面之SEM影像示意圖)，以將高分子材料或是陶瓷材料的各該微奈米結構30鋪陳排列於該基材21之第一表面211，使各該微奈米結構30於該第一表面211呈現規則或是不規則之排列。具體而言，各該微奈米結構係可以氣、液相鋪陳排列，例如，可將該基材21懸浮於一電解液中(圖未示)，並對該電解液及該基材21分別施加正、負極性的外部電壓，使微奈米結構30的顆粒受該外部電壓所產生之電場影響而驅動游移，俾於該基材上之第一表面上予以鋪陳排列，例如電泳法，其中外部電場、磁場、溶液酸鹼、溫度的控制參數需予以適當限制，以產生良好之鋪陳排列。
接著，如第2C圖所示，於該基材21上的第一表面211及微奈米結構30沉積金屬薄膜層22，並使各該微奈米結構30部分露出該金屬薄膜層22；其中，沉積該金屬薄膜層22的方式係不限於物理或是化學氣相沉積法，且該金屬薄膜層22的膜厚以不超過微奈米結構為原則。
之後，如第2D圖所示，移除各該微奈米結構30，即 形成具有第二表面231之模仁23。具體而言，係可利用濕蝕刻或是乾蝕刻之方式將高分子或是陶瓷微奈米結構之大面積規則陣列模組於表面移除，如此即可得到具有大面積之有序或無序微奈米結構陣列的第二表面231之模仁23。
請參閱第4A至4D圖係顯示利用上述本發明之微透鏡模仁之製造方法的第一實施例製作微透鏡之剖面示意圖。
首先，如第4A圖所示，為達到均勻化出光的目的，將欲成形之微透鏡材料24混入微奈米顆粒241，具體而言，該微透鏡材料24係與定量濃度的微奈米結構顆粒241以一定比例混合均勻，使該微奈米顆粒241均勻分佈於該微透鏡材料24內，一般而言，混入該微奈米顆粒241的量約為介於10wt%~35wt%之間。
接著，如第4B圖所示，將上述已製備之均勻混合微奈米顆粒241的微透鏡材料24軟化後，再灌注於該模仁23之第二表面231中。
之後，如第4C圖所示，將上述已灌注於該模仁23之第二表面231的微透鏡材料24凝固成形(例如，烘烤成形)。
最後，如第4D圖所示，將凝固成形後的微透鏡材料24自該模仁23取出，以形成單面具有微奈米凹凸面201陣列的微透鏡20，俾將該微透鏡20封裝發光元件(參見第1圖)，以藉由該凹凸面201使發光元件的出光均勻化效果提升。
第二實施例
請參閱第5圖所示，係為利用本發明之微透鏡之製造方法所製造出的微透鏡運用於發光裝置之第二實施例之出光示意圖，該發光裝置例如發光二極體。如圖所示，該發光裝置10’亦由發光元件11及基座12所組成，該發光元件11係設置於該基座12上，用以提供光源，並以微透鏡60罩設該基座12以封裝該發光元件11，與第1圖所示之發光裝置10不同的是，第二實施例之微透鏡60係由多層具有微奈米凹凸面611、621之微透鏡層61、62所疊合而成，且各層微透鏡61、62因所使用的材料不同而具有不同折射率，以交互封裝形成多層膜設計，以利用數層不同折射率之微透鏡材料使出光的均勻度更佳化，以讓數個高亮度光源能更為趨近理想單一光源。
請參閱第6A至6C圖係用以顯示本發明之微透鏡之製造方法的第二實施例之剖面示意圖，本實施例之製法與第4A至4D圖不同處在於，藉由本實施例可製造出具多層結構的微透鏡60。
首先，採用前述第2A圖至第2D圖所示的本發明之微透鏡模仁之製造方法來製作第一模仁(在此未予以圖式)，並以前述第4A圖至第4D圖所示的本發明之微透鏡之製造方法以及該第一模仁來製作第一微透鏡層61，此外，亦採用前述第2A圖至第2D圖所示的本發明之微透鏡模仁之製造方法來製作第二模仁55，須特別提出說明的是，該第二模仁55上的尺寸係大於第一模仁。
接著，如第6A圖所示，將該第一微透鏡層61壓合於第二模仁55上。
接著，如第6B圖所示，由於該第二模仁55上的尺寸係大於形成該第一微透鏡層61的第一模仁的尺寸，故於該第一微透鏡層61壓合於第二模仁55後，該第一微透鏡層61及第二模仁55之間會形成空隙7，將欲形成第二微透鏡層62的透鏡材料注入該空隙7中。
最後，如第6C圖所示，待注入該空隙7中的透鏡材料凝固成形後，自該第二模仁55取出，以形成具有該第一微透鏡層61及該第二微透鏡層62的多層結構微透鏡60。須提出說明的是，本實施例用以形成該第一微透鏡層61及該第二微透鏡層62而未固化的微透鏡材料中可係預先混入微奈米顆粒，或者選擇不混入微奈米顆粒，且形成該第一微透鏡層61及該第二微透鏡層62的微透鏡材料係可選自為矽膠、壓克力或環氧樹脂材料，再者，形成該第一微透鏡層61的微透鏡材料及形成該第二微透鏡層62的微透鏡材料的折射率係為規則或無規則遞減或遞增，例如，折射係數以互呈等差或等比關係的規則性地逐層遞減或遞增，或是以無規則性地逐層遞減或遞增。
以前述製造方法類推，復可以上述第6A至6B圖的步驟形成第三微透鏡層，以將具有第一微透鏡層61及第二微透鏡層62的多層結構微透鏡60再疊合第三微透鏡層(在此未予以圖示)，以利用不同折射率之微透鏡材料使出光的均勻度更為徹底，以讓數個高亮度光源能更為趨近 理想單一光源。
再者，在本發明之微透鏡模仁之製造方法中，分佈於基材上之各該微奈米結構30不限以規則性的矩陣排列，例如：無間隙面心立方排列(如第7圖所示)或有間隙面心立方排列(如第8圖所示)，即微奈米結構亦可以其他的方式鋪程排列，例如：空隙六面堆積排列(如第9圖所示)、或相互間係為無間隙六面堆積排列(如第10圖所示)，其中，各該微奈米結構的間隙距離介於0.001至10微米，但不以上述為限。
綜上所述，本發明所揭之微透鏡及其模仁之製造方法，其主要係提供具有第一表面的基材，以將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構鋪陳排列於該第一表面上，接著，於該基材上的第一表面及微奈米結構沉積金屬薄膜層，並使各該微奈米結構部分露出該金屬薄膜層，之後再移除各該微奈米結構以形成具有第二表面之模仁，並利用該模仁進一步形成具有微奈米凹凸面陣列的微透鏡，降低耗材耗能、及設備的使用率且能產生大量折射、使射出照度能更為均勻以及光形更為廣泛，又進一步將各微透鏡疊合而形成多層微透鏡，以利用不同折射率之微透鏡材料使出光的均勻度更為徹底，以讓數個高亮度光源能更為趨近理想單一光源。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對 上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧發光裝置
11‧‧‧發光元件
12‧‧‧基座
20、60‧‧‧微透鏡
201、611、621‧‧‧微奈米凹凸面
21、51‧‧‧基材
211‧‧‧第一表面
22‧‧‧金屬薄膜層
23‧‧‧模仁
231‧‧‧第二表面
24‧‧‧微透鏡材料
241‧‧‧微奈米結構顆粒
30‧‧‧微奈米結構
55‧‧‧第二模仁
551‧‧‧第三表面
61‧‧‧第一微透鏡層
62‧‧‧第二微透鏡層
第1圖係為利用本發明之微透鏡之製造方法運用於發光裝置之第一實施例態樣之出光示意圖；第2A至2D圖係為本發明之微透鏡模仁之製造方法的第一實施例之剖面示意圖；第3A及3B圖係為本發明以合成的奈米球SEM照之示意圖；第4A至4D圖係為利用本發明之微透鏡模仁之製造方法的第一實施例製作微透鏡之剖面示意圖；第5圖係為利用本發明之微透鏡之製造方法所製造出的微透鏡運用於發光裝置之第二實施例之出光示意圖；第6A至6C圖係為本發明之微透鏡之製造方法的第二實施例之剖面示意圖；第7圖係為本發明之微透鏡模仁之製造方法中，分佈於基材上之微奈米結構以無間隙面心立方排列的示意圖；第8圖係為本發明之微透鏡模仁之製造方法中分佈於基材上之微奈米結構以有間隙面心立方排列的示意圖；第9圖係為本發明之微透鏡模仁之製造方法中分佈於基材上之微奈米結構以空隙六面堆積排列的示意圖；以及第10圖係為本發明之微透鏡模仁之製造方法中分佈於基材上之微奈米結構以無空隙六面堆積排列的示意圖。
10‧‧‧發光裝置
11‧‧‧發光元件
12‧‧‧基座
20‧‧‧微透鏡
201‧‧‧微奈米凹凸面

Claims (22)

  1. 一種微透鏡模仁之製造方法，其係包括以下步驟：提供基材，該基材具有第一表面；將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構鋪陳排列於該第一表面上，其中，各該微奈米結構係以面心立方排列、六面堆積排列、無間隙排列或有間隙排列；於該基材上的第一表面及微奈米結構沉積金屬薄膜層，並使各該微奈米結構部分露出該金屬薄膜層；以及移除各該微奈米結構，以形成具有第二表面之模仁。
  2. 如申請專利範圍第1項之微透鏡模仁之製造方法，其中，各該微奈米結構係以氣、液相鋪陳排列。
  3. 如申請專利範圍第1項之微透鏡模仁之製造方法，其中，各該微奈米結構的排列控制參數係選自外部電場、磁場、溶液酸鹼、溫度。
  4. 如申請專利範圍第1項之微透鏡模仁之製造方法，其中，各該微奈米結構係選自為高分子材料或陶瓷材料。
  5. 如申請專利範圍第1項之微透鏡模仁之製造方法，其中，各該微奈米結構的尺寸介於0.01微米至1微米之間。
  6. 如申請專利範圍第1項之微透鏡模仁之製造方法，其中，各該微奈米結構之有間隙排列的間隙距離約為 0.001至10微米之間。
  7. 如申請專利範圍第1項之微透鏡模仁之製造方法，其中，各該微奈米結構的移除步驟係以濕式蝕刻或乾式蝕刻予移除。
  8. 一種微透鏡之製造方法，該微透鏡用以封裝發光元件，該微透鏡之製造方法係包括以下步驟：提供基材，該基材具有第一表面；將複數個合成為單一粒徑的微奈米結構鋪陳排列於該第一表面上，其中，各該微奈米結構係以面心立方排列、六面堆積排列、無間隙排列或有間隙排列；於該基材上的第一表面及微奈米結構沉積金屬薄膜層，並使各該微奈米結構部分露出該金屬薄膜層；移除各該微奈米結構，以形成具有第二表面之第一模仁；將欲成形之微透鏡材料混入微奈米顆粒後，再灌注於該第一模仁之第二表面中；以及於該微透鏡材料凝固成形後將其取出，以形成具有微奈米凹凸面陣列的微透鏡。
  9. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其中，各該微奈米結構係以氣、液相鋪陳排列。
  10. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其中，各該微奈米結構的排列控制參數係選自外部電場、磁場、溶液酸鹼、溫度。
  11. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其中，各該微奈米結構選自為高分子材料或陶瓷材料。
  12. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其中，各該微奈米結構的尺寸介於0.01微米至1微米之間。
  13. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其中，各該微奈米結構之有間隙排列的間隙距離約為0.001至10微米之間。
  14. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其中，各該微奈米結構的移除步驟係以濕式蝕刻或乾式蝕刻予移除。
  15. 如申請專利範圍第8項之微透鏡之製造方法，其復包括：根據形成該第一模仁的步驟製造第二模仁，其中該第二模仁具有該凹凸面的第三表面；將該微透鏡之具有微奈米凹凸面陣列朝該第二模仁之第三表面壓合，使該微透鏡之具有微奈米凹凸面陣列與第二模仁之第三表面之間形成空隙；於該空隙中注入欲形成透鏡層的材料；待注入該空隙中的材料凝固成形後，自該第二模仁取出該微透鏡，以形成多層結構的微透鏡。
  16. 如申請專利範圍第15項之微透鏡之製造方法，其中，各層微透鏡材料係選自為矽膠、壓克力或環氧樹脂之材料。
  17. 如申請專利範圍第15項之微透鏡之製造方法，其中， 各層微透鏡材料的折射率係為規則或無規則遞減。
  18. 如申請專利範圍第15項之微透鏡之製造方法，其中，各層微透鏡材料的折射率係為規則或無規則遞增。
  19. 如申請專利範圍第15項之微透鏡之製造方法，其中，各層微透鏡材料之厚度介於0.01毫米至10毫米之間。
  20. 如申請專利範圍第8或15項之微透鏡之製造方法，其中，該微透鏡材料係與定量濃度的微奈米結構顆粒以一定比例混合均勻。
  21. 一種發光裝置，係包括：基座；發光元件，係設於該基座上；以及微透鏡，係罩設該基座以封裝該發光元件，且該微透鏡具有微奈米凹凸結構的出光面，其中，該微奈米凹凸結構係以面心立方排列、六面堆積排列、無間隙排列或有間隙排列。
  22. 如申請專利範圍第21項之發光裝置，其中，該微透鏡係由多層具有微奈米凹凸結構之微透鏡層所疊合而成。
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