TWI676816B - 擴散片 - Google Patents

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Chung-Han Lu
盧俊元
Chun-yuan LU
施長志
Chang-Chih Shih
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Abstract

一種擴散片包括玻璃材料以及多個散射粒子。這些散射粒子分散於玻璃材料中，其中這些散射粒子皆為無機材料。擴散片的霧度大於99%，且擴散片的厚度介於100微米至350微米之間。

Description

擴散片
本發明是有關於一種光學元件，且特別是有關於一種擴散片。
現有的行動裝置（mobile device），例如手機及平板電腦，已具備可自動調整亮度（auto-brightness）的螢幕。這種行動裝置能在不同的光源環境下，自動地改變螢幕的亮度，以使螢幕可以清楚呈現影像畫面，進而提供良好的顯示品質。上述行動裝置通常裝有光感測器（photo sensor），以感測行動裝置所處環境的光源，而行動裝置能根據光感測器的感測結果來調整螢幕亮度。
上述光感測器大多為晶片封裝體（chip package），其包括晶粒（die）、載板（carrier）以及光學組件（optical assembly），其中晶粒與光學組件皆裝設（mounted）於載板上。光學組件通常包括擴散片，其可以是餘弦校正片（cosine corrector）。擴散片能接收沿著多個不同入射角入射的多條光線，而這些光線能穿透擴散片，其中從擴散片出射的所有光線的總強度基本上不受入射角的變化而改變。也就是說，在行動裝置保持處在同一光源環境的條件下，光感測器不會因為行動裝置的位置或角度方向（orientation）的些許改變而得到變化甚大的感測結果，從而減少或避免光感測器發生感測偏差的情形。
目前的行動裝置具有體積小及厚度薄的特徵，所以行動裝置內的容置空間相當有限。因此，光感測器必須具有足夠小的尺寸才能夠裝入行動裝置內。也就是說，光學組件的擴散片必須要具有足夠薄的厚度，例如低於500微米（μm），才能有助於將光感測器裝入行動裝置內。為了使擴散片具有足夠薄的厚度，目前行動裝置的擴散片大多是採用高分子材料所製成的膜片，例如樹脂膜片。如此，擴散片才能裝入行動裝置內。
由於光感測器大多為晶片封裝體，所以在製造光感測器的流程中，需要進行迴焊（reflow）。在迴焊的過程中，擴散片會進入迴焊用的高溫爐，其中高溫爐內的溫度是在200℃以上。然而，由於擴散片大多是由高分子材料所製成，因此現有的擴散片通常缺乏良好的耐熱能力。所以，在迴焊的過程中，擴散片難以承受200℃以上的高熱，以至於擴散片容易出現形變或劣化的缺陷。
本發明提供一種擴散片，其具有小於500微米的厚度以及良好的霧度（haze）。
本發明所提供的擴散片包括玻璃材料以及多個散射粒子。這些散射粒子分散於玻璃材料中，其中這些散射粒子皆為無機材料。擴散片的霧度大於99%，且擴散片的厚度介於100微米至350微米之間。
在本發明的一實施例中，當擴散片的溫度介於200℃至500℃之間時，擴散片的霧度仍大於99%。
在本發明的一實施例中，上述擴散片的總合穿透率介於35%至56%之間。
在本發明的一實施例中，上述擴散片的平行穿透率小於0.3%。
在本發明的一實施例中，上述擴散片在波長400奈米（nm）至700奈米範圍內的穿透率介於20%至40%之間。
在本發明的一實施例中，上述玻璃材料的折射率小於各個散射粒子的折射率。
在本發明的一實施例中，上述玻璃材料的折射率介於1.4至1.6之間，而各個散射粒子的折射率介於1.7至2.61之間。
在本發明的一實施例中，這些散射粒子的材料包括Al 2O 3、ZnO、CaO、MgO、BaO、SrO、ZrO 2、Ta 2O 5、Y 2O 3、La 2O 3、GeO 2、Nb 2O 5及TiO 2其中至少一種。
在本發明的一實施例中，各個散射粒子的粒徑介於5微米至60微米之間。
在本發明的一實施例中，這些散射粒子的重量百分比介於3%至10%之間。
在本發明的一實施例中，當波長400奈米至700奈米範圍內的光線以0度至45度的入射角入射於擴散片時，擴散片的穿透率變化小於1%。
在本發明的一實施例中，當波長400奈米至700奈米範圍內的光線以0度至45度的入射角入射於擴散片時，擴散片的反射率變化小於1%。
在本發明的一實施例中，上述玻璃材料的玻璃轉換溫度介於500℃至670℃之間。
在本發明的一實施例中，上述擴散片的楊氏模量介於50 Gpa 至75Gpa之間。
在本發明的一實施例中，上述擴散片的硬度介於450公斤/平方公厘至550公斤/平方公厘之間。
在本發明的一實施例中，上述擴散片的表面粗糙度介於550奈米至700奈米之間。
由於本發明的擴散片具有小於500微米的厚度，其例如介於100微米至350微米之間，因此本發明的擴散片可以裝設於容置空間小的裝置，例如手機或平板電腦等行動裝置。如此，本發明的擴散片適合應用於行動裝置專用的光感測器，幫助光感測器可以裝設於體積小，厚度薄的現有行動裝置內，進而滿足行動裝置的薄型化發展趨勢。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
圖1是本發明一實施例的擴散片的剖面示意圖。請參閱圖1，擴散片100包括玻璃材料110與多個散射粒子120，其中這些散射粒子120分散於玻璃材料110中，並且皆為無機材料。所以，構成擴散片100的材料可以皆為無機材料。相較於有機材料，擴散片100能抵抗紫外光（Ultraviolet，UV），並在經過紫外光的長時間照射之後也不容易發生劣化。擴散片100的霧度大於99%，而擴散片100的厚度T1介於100微米至350微米之間，例如介於150微米至300微米之間。
由於擴散片100的厚度T1小於500微米（100微米至350微米之間），因此擴散片100具有足夠薄的厚度T1而有利於安裝在現有的行動裝置內，適合應用於行動裝置內的光感測器，其中擴散片100可作為餘弦校正片。除了行動裝置外，擴散片100也可應用於一些光學裝置，例如光度計（photometer），其中擴散片100可裝設於光纖接頭（optical fiber connector），例如SMA（Sub Miniature A）接頭或FC（Ferrule Connector）接頭，以使擴散片100所接收到的光線經由光纖傳遞至光感測晶片，例如電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）或互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）。
此外，必須說明的是，擴散片100也可與發光元件結合，並用於散射光線，以發散（diverging）或均勻化發光元件所發出的光線，其中發光元件例如是發光二極體（Light Emitting Diode，LED）。因此，擴散片100也可應用於發光裝置，例如照明燈具，所以擴散片100不限定只應用於光感測器。
玻璃材料110的玻璃轉換溫度可介於500℃至670℃之間，而擴散片100可承受的溫度介於200℃至500℃之間。也就是說，當擴散片100的溫度介於200℃至500℃之間時，擴散片100的霧度仍大於99%。因此，縱使擴散片100處於高溫環境，例如完成迴焊用的高溫爐後，擴散片100仍可保持一定的霧度，以維持所預期的光學效果，從而減少或避免光感測器出現感測偏差的情形。
各個散射粒子120的粒徑介於5微米至60微米之間，而這些散射粒子120的重量百分比可介於3%至10%之間，其中玻璃材料110的折射率小於各個散射粒子120的折射率。例如，玻璃材料110的折射率可介於1.4至1.6之間，而各個散射粒子120的折射率可介於1.7至2.61之間。玻璃材料110可包括SiO 2、B 2O 3、Al 2O 3、ZnO、CaO、BaO、SrO、MgO、Na 2O、K 2O以及ZrO其中至少一種材料，即玻璃材料110可包括上述材料的任意組合。
SiO 2與B 2O 3能形成玻璃的網絡結構，其中SiO 2能提升熱穩定性、化學穩定性以及機械強度，而B 2O 3可作為助熔劑，以降低熔化溫度，並能降低黏度以幫助成分均質。ZnO、CaO、BaO、SrO、MgO、Na 2O與K 2O皆為網絡結構外的修飾劑，其中ZnO與MgO能提升穩定性與耐候性，而ZnO能降低熱膨脹係數（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）。CaO、BaO與SrO能降低黏度（viscosity），並幫助熔融與成分均質。Na 2O與K 2O可作為助熔劑，以降低熔化溫度。Al 2O 3能提升熱穩定性、機械強度，並增加折射率，而ZrO可增加化學穩定性。
折射率在1.7至2.61之間範圍內的散射粒子120，其材料可包括Al 2O 3、ZnO、CaO、MgO、BaO、SrO、ZrO 2、Ta 2O 5、Y2O3、La 2O 3、GeO 2、Nb 2O 5及TiO 2其中至少一種。例如，這些散射粒子120可以全部都是單一種材料所構成。或者，其中一些散射粒子120是由一種材料（例如ZnO）所構成，而其他一些散射粒子120是由其他至少一種材料（例如MgO）所構成。
下面表格（一）列出採用不同材料與比例所製成的八種擴散片100樣品1至8。 表格（一）
樣品1 樣品2 樣品3 樣品4 樣品5 樣品6 樣品7 樣品8
SiO2重量百分比(%) 16.07 13.48 21.19 11.54 15.92 14.98 13.91 36.45
B2O3重量百分比(%) 43.5 36.49 57.35 31.23 43.09 24.66 31.49 39.9
Al2O3重量百分比(%) 　 　 　 　 7.91 6.22 18.06 　
ZnO重量百分比(%) 　 　 　 　 8.25 23.13 11.3 9.46
MgO重量百分比(%) 　 　 21.46 　 　 　 　 　
SrO重量百分比(%) 　 50.03 　 　 　 　 　 　
CaO重量百分比(%) 40.43 　 　 　 24.83 　 　 　
BaO重量百分比(%) 　 　 　 57.23 　 　 　 　
Na2O重量百分比(%) 　 　 　 　 　 　 　 6.16
K2O重量百分比(%) 　 　 　 　 　 31.01 22.39 8.03
ZrO2重量百分比(%) 　 　 　 　 　 　 2.85 　
RO重量百分比(%) 40.43 50.03 21.46 57.23 24.83 　 　 　
R2O重量百分比(%) 31.01 22.39 14.19
添加散射粒子的種類與重量比例 (%) ZnO 3% ZnO 6.0 MgO 10% Al2O3 5% Al2O3 10% CaO 4.5% BaO 8% ZrO2 9%
燒結時間 與溫度 (℃) 800℃ 0.5小時 700℃ 2小時 750℃ 1.5小時 800℃ 2小時 800℃ 0.5小時 650℃ 1小時 700℃ 1小時 850℃ 1小時
玻璃轉換溫度 (Tg，單位℃) 611 632 672 596 621 501 524 510
軟化溫度 (Ts，單位℃) 642 673 727 635 661 542 588 554
熱膨脹係數 8.24 8.48 5.17 9 6.48 11.02 8.22 7.47
玻璃折射率 1.533 1.563 1.527 1.571 1.515 1.472 1.509 1.458
楊氏係數 (Gpa) 58 72 61 62 66 55 50 75
硬度 Hk(Kgf/mm2) 502 521 490 482 495 455 490 545
厚度T1 (μm) 100 200 300 200 200 250 150 350
密度 (公克/平方公分) 2.41 2.32 2.56 2.3 2.49 2.62 2.47 2.58
霧度(%) 99.54 99.56 99.53 99.52 99.55 99.55 99.54 99.53
平行穿透度 P.T (%) 0.25 0.24 0.2 0.26 0.22 0.23 0.24 0.18
總合穿透率 T.T (%) 55.46 55.46 42.79 55.44 49.35 51.03 52.35 38.25
擴散穿透 Dif (%) 55.21 55.22 49.59 54.18 49.13 50.8 52.11 38.07
波長400~700奈米的平均穿透率(%) 39.26 35.6 28.98 32.78 31.74 32.65 34.47 20.34
波長400~700奈米在入射角0~45∘下的穿透率變化(%) 0.345 0.19 0.156 0.21 0.174 0.202 0.238 0.165
波長400~700奈米在入射角0~45∘下的反射率變化(%) 0.199 0.206 0.268 0.194 0.213 0.228 0.182 0.281
CIE1931 色度圖 X 座標值 0.1542 0.1552 0.1551 0.1548 0.155 0.1553 0.1545 0.1551
表面粗糙度 (nm) 553 620 580 700 611 591 688 650
在以上表格（一）中，RO重量百分比是指MgO、CaO、SrO以及BaO總合的重量百分比，而R 2O重量百分比是指Na 2O與K 2O總合的重量百分比。表格（一）中的玻璃折射率是指玻璃所表現出來的折射率，其是由稜鏡耦合儀（prism coupler）所量測得到，而表格（一）中的表面粗糙度例如是指表面101的粗糙度。此外，上述擴散片100的樣品1至8皆通過85℃/85％RH 1000HR耐久性測試，其中85℃/85％RH 1000HR是指將樣品1至8置放於溫度85℃，相對溼度85％的惡劣環境內1000小時。樣品1至8在置放此惡劣環境內1000小時之後，並未出現不可回復的外觀缺陷，且基本的光學效果也不受影響。
根據以上表格（一），擴散片100對應於CIE 1931色度圖中的X座標介於0.1543至0.1553，而擴散片100表面101的粗糙度可介於550奈米至700奈米之間。在機械強度方面，擴散片100樣品1至8的楊氏模量介於50 Gpa 至75Gpa之間，而硬度介於450公斤/平方公厘至550公斤/平方公厘之間。此外，在樣品1至8的玻璃材料110中，各個材料的重量百分比範圍整理如以下表格（二）所列。 表格（二）
重量百分比範圍
SiO2 11%~37 %
B2O3 24%~58 %
Al2O3 0%~19 %
ZnO 0%~24 %
MgO 0%~22 %
SrO 0%~51 %
CaO 0%~41 %
BaO 0%~60 %
Na2O 0%~7 %
K2O 0%~32 %
ZrO2 0%~3 %
RO (MgO、CaO、SrO與BaO總和) 0~58%
R2O (Na2O與K2O總合) 0~32%
在光穿透率方面，擴散片100樣品1至8的總合穿透率（Total Transmittance，T.T）介於35%至56%之間，平行穿透率（Parallel Transmittance，P.T）小於0.3%，而擴散穿透率（Diffusion Transmittance，Dif）介於35%至55%之間，其中樣品1至8中每一者的總合穿透率會等於平行穿透率加上擴散穿透率，如表格（一）所示。擴散片100樣品1至8在波長400奈米至700奈米範圍內的穿透率介於20%至40%之間，而在樣品1至8中，樣品1具有最大穿透率：39.26%，而樣品8具有最小穿透率：20.34%。
值得注意的是，擴散片100在波長400奈米至700奈米範圍內的穿透率是介於20%至40%之間，但擴散片100的霧度卻是介於99.5%至99.6%之間。也就是說，樣品1至8之間的穿透率最大差異有20%，但霧度卻只有0.1%的差異。例如，樣品1與樣品8皆有大約99.5%的霧度，但樣品1與樣品8兩者的穿透率分別為39.26%與20.34%。由此可知，在霧度要求為99%以上的條件下，擴散片100可設計成具不同穿透率，以滿足多樣化的產品需求。
另外，當波長400奈米至700奈米範圍內的光線以0度至45度的入射角入射於擴散片100時，擴散片100的穿透率變化與反射率變化皆小於1%。如此，當處於光源環境中的擴散片100接收多道外界光線L1時，從擴散片100出射的光線L2總強度不會因為這些外界光線L1的入射角的改變而產生較大的變化，以使光感測器不會因為擴散片100的位置或角度方向的些許改變而得到變化甚大的感測結果，從而減少或避免光感測器發生感測偏差的情形。
擴散片100主要是採用二次燒結來製成。詳細而言，在擴散片100的製造方法中，首先，製作初始玻璃。初始玻璃可用熔製的方式來製成，其中熔製溫度可介於1200℃至1400℃，而構成初始玻璃的原料可相同於玻璃材料110所包括的材料，例如SiO2、B 2O 3、Al 2O 3、ZnO、CaO、BaO、SrO、MgO、Na 2O、K 2O與ZrO2，或是這些材料的任意組合。
接著，將初始玻璃粉碎，並研磨玻璃粉末，其中此玻璃粉末的粒徑約在80微米以下玻璃粉末。然後，將這些玻璃粉末與多個散射粒子120混合在一起，並進行壓縮，以形成壓錠（compressed tablet），其中散射粒子120的重量百分比介於3%至10%之間，而壓縮過程可採用油壓機來進行。接著，加熱上述壓錠，其中加熱壓錠的溫度可介於650℃至850℃之間，而加熱時間可以是兩小時。之後，讓壓錠自然降溫。接著，依序對壓錠進行切割與研磨，以形成厚度約在100微米至350微米之間的薄片。至此，擴散片100基本上已製造完成。
相較於初始玻璃的熔製溫度，加熱壓錠的溫度明顯偏低，而散射粒子120在此加熱壓錠的溫度範圍內不會熔化。換句話說，在加熱壓錠之後，各個散射粒子120基本上仍維持原來的形狀，即散射粒子120與玻璃材料110之間仍存在邊界（boundary）。因此，將加熱後的壓錠或製造完成的擴散片100進行X射線繞射，可以測得代表散射粒子120成分的峰值訊號。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明精神和範圍內，當可作些許更動與潤飾，因此本發明保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧擴散片
101‧‧‧表面
110‧‧‧玻璃材料
120‧‧‧散射粒子
L1‧‧‧外界光線
L2‧‧‧光線
T1‧‧‧厚度
圖1是本發明一實施例的擴散片的剖面示意圖。

Claims (15)

  1. 一種擴散片，包括：一玻璃材料；以及多個散射粒子，分散於該玻璃材料中，其中該些散射粒子皆為無機材料，其中該擴散片的霧度大於99%，且該擴散片的厚度介於100微米至350微米之間，其中當波長400奈米至700奈米範圍內的光線以0度至45度的入射角入射於該擴散片時，該擴散片的穿透率變化小於1%。
  2. 如請求項第1項所述的擴散片，其中當該擴散片的溫度介於200℃至500℃之間時，該擴散片的霧度仍大於99%。
  3. 如請求項第1項所述的擴散片，其中該擴散片的總合穿透率介於35%至56%之間。
  4. 如請求項第1項所述的擴散片，其中該擴散片的平行穿透率小於0.3%。
  5. 如請求項第1項所述的擴散片，其中該擴散片在波長400奈米至700奈米範圍內的穿透率介於20%至40%之間。
  6. 如請求項第1項所述的擴散片，其中該玻璃材料的折射率小於各該散射粒子的折射率。
  7. 如請求項第6項所述的擴散片，其中該玻璃材料的折射率介於1.4至1.6之間，而各該散射粒子的折射率介於1.7至2.61之間。
  8. 如請求項第1項所述的擴散片，其中該些散射粒子的材料包括Al2O3、ZnO、CaO、MgO、BaO、SrO、ZrO2、Ta2O5、Y2O3、La2O3、GeO2、Nb2O5及TiO2其中至少一種。
  9. 如請求項第1項所述的擴散片，其中各該散射粒子的粒徑介於5微米至60微米之間。
  10. 如請求項第1項所述的擴散片，其中該些散射粒子的重量百分比介於3%至10%之間。
  11. 如請求項第1項所述的擴散片，其中當波長400奈米至700奈米範圍內的光線以0度至45度的入射角入射於該擴散片時，該擴散片的反射率變化小於1%。
  12. 如請求項第1至11項任一項所述的擴散片，其中該玻璃材料的玻璃轉換溫度介於500℃至670℃之間。
  13. 如請求項第1至11項任一項所述的擴散片，其中該擴散片的楊氏模量介於50Gpa至75Gpa之間。
  14. 如請求項第1至11項任一項所述的擴散片，其中該擴散片的硬度介於450公斤/平方公厘至550公斤/平方公厘之間。
  15. 如請求項第1至11項任一項所述的擴散片，其中該擴散片的表面粗糙度介於550奈米至700奈米之間。
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