TWI645586B

TWI645586B - 一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法

Info

Publication number: TWI645586B
Application number: TW106142483A
Authority: TW
Inventors: 阮建龍; 黃士哲; 郭養國
Original assignee: 國家中山科學研究院
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2018-12-21
Also published as: TW201926745A; JP2019101407A; JP6875331B2

Abstract

一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，步驟包括：(a)在一透鏡的表面形成一多晶系晶種層；(b)在該多晶系晶種層上成長數個隨機排列之奈米柱結構；(c)將該未成長奈米柱結構之晶種層去除，以使底下之透鏡表面裸露出來；(d)於該數個奈米柱結構與該透鏡表面裸露之部分濺鍍一陶瓷材料層；(e)去除該數個奈米柱結構，留下具有數個隨機排列中空奈米柱結構之陶瓷材料層。藉此，於一透鏡表面上形成一中空奈米結構層，該中空奈米結構具有散射光線之作用，可提升二次光學透鏡散射光均勻度。

Description

一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法

本發明係關於一種二次光學透鏡之製作方法，特別是關於一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法。

UV LED除了在磊晶技術與元件結構方面的挑戰之外，在封裝與透鏡的材料選擇與設計方面也有許多考量，如：(1)必須依賴有效散熱機制以確保LED的效能與壽命；而傳統LED散熱技術(如散熱基板、膠材、各種散熱鰭片設計)已不足以應用於UV LED領域；(2)封裝與透鏡材料在UV光照射下裂解變質，傳統LED封裝材均不適用(如環氧樹脂epoxy)，黃化問題會使照度、色溫等光學性質產生變質。因此，封裝膠和透鏡材料選取的好壞直接影響UV-LED器件的發光效率和使用壽命，一般要求灌封膠的透光率要高，折射率要高，熱穩定性好，流動性好，易於噴塗。為提高UV-LED封裝的可靠性，還要求其具有低吸濕性、低應力、耐候環保等特性。

對於UV-LED的透鏡封裝，石英玻璃具有高透射率(達到95%)，矽膠次之(約90%)，環氧樹脂的紫外光透射率則隨著波長變短急遽降低。玻璃材料由於熱加工溫度很高，不適合於磊晶區密封，只適合製作封裝透鏡。要獲得一個高發光效率、高可靠性的封裝結構，封裝膠和透鏡材料的選擇必須要具有高的紫外光透射率，匹配良好的折射率，抗紫外光、防黃變，高的溫度耐受能力和良好的熱應力等特性。

隨著發光二極體(LED)相關磊晶製程技術的推演與成熟，發光二極體已越來越能滿足多元化應用需求。在各式應用的場域中，其點光源的特徵使其必需得搭配光學透鏡來獲得理想的光型，尤其在高功率發光二極體的應用領域更是如此。高功率LED照明零組件在成為照明產品前，一般要進行兩次光學設計。把LED晶片封裝成LED光電零組件時，要先進行一次光學設計，以解決LED的出光角度、光強、光通量大小、光強分佈，色溫範圍與分佈等問題，這就是所謂的一次光學設計。二次光學設計是針對高功率LED照明來說：一般高功率LED都有一次透鏡，發光角度為120度左右，二次光學就是將經過一次透鏡後的光再通過一個光學透鏡改變它的光學性能。一次光學設計目的是盡可能增加LED晶片所發出光的取出量，二次光學設計目的則是讓整個燈具系統發出的光能夠符合設計需求，透過二次光學高效能透鏡的搭配，可修補LED光源之亮度、出光角度與照度均勻性的不足，降低LED燈泡使用數量。

微結構概念已廣泛使用在LED上下游製程中，主要的概念為當光線打到微結構時，會因微結構的形狀破壞光的全反射性而產生漫射或反射。在上游晶粒製程中，微結構圖案化藍寶石基板可增加光取出效率及降低磊晶缺陷；在下游封裝製程中，為配合LED燈具達到蝠翼型或聚光型光源應用，目前國際大廠多採用二次光學之微結構擴散膜片或微結構透鏡，微結構光學薄膜加工型式一般常用在光學級的壓克力板(PMMA)上製作V溝切削(Vcut)，藉由改變V-cut角度、尺寸及排列方式，來調整控制光輸出方向及均勻性，根據不同的應用，達到平行光、聚光或發散光的效果。為解決LED點光源光均勻性不佳的問題，傳統作法為在壓克力薄膜內添加擴散粒子，以增加光源散射機率，並搭配特殊設計微結構擴散薄膜，在應用範圍內達到控制及調整LED光源的出射角度及均勻性，但此二次光學微結構封裝缺點為體積龐大。

一般而言，發光二極體通常會在封裝時製作一次光學設計，標準的透鏡就是圓錐形透鏡，這些透鏡很大一部分依賴於全內反射，所以稱之為TIR(Total Internal Reflection)透鏡。通常TIR透鏡是軸對稱設計，提供一個漂亮的圓形光斑，既可以組合成多顆LED成為陣列透鏡，也可以單顆加支架以方便安裝和控光。若需求是均勻的光斑，則通常無法僅靠一次光學設計來達成，勢必得再經過第二次的光學設計。因此在應用上就會設計特殊結構之燈罩或二次透鏡，將LED光源發出的光聚得更均勻，另一方面使用此特殊結構能夠將傳統的聚光結構體積縮至更小。然而燈罩或二次透鏡設計中的特殊結構，使得在製作過程中相對程序複雜，必須得使用射出成型的方式以提升製作效率。然而，對於較短波長之光子而言，一般射出成型所使用之材料並不合用，因為短波長，如紫外光等，對於材料具有破壞性，因此二次光學設計之燈罩或透鏡會隨著使用時間增加而逐漸脆化失效。

因此，目前業界需要一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，可解決上述LED點光源光均勻性不佳之問題，並提昇二次透鏡抗紫外光、防黃變、壽命耐用度等特性，替換燈罩或二次透鏡之特殊結構材料並將結構製程單純化為有效技術之一，以製作出價格低廉、具散射能力，並且可均勻化光斑圖案之中空奈米結構二次光學透鏡。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，於製作可提升光源均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡過程中，於高透明度材料之透鏡表面製作出隨機排列之陶瓷中空奈米柱結構，如此將提供可有效散射光源之特殊結構，解決光源照度不均勻的問題，並提昇二次光學特殊結構之材料耐用度。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，步驟包括：(a)在一透鏡的表面形成一多晶系晶種層； (b)在該多晶系晶種層上成長數個隨機排列之奈米柱結構；(c)將該未成長奈米柱結構之晶種層去除，以使底下之透鏡表面裸露出來；(d)於該數個奈米柱結構與該透鏡表面裸露之部分濺鍍一陶瓷材料層；(e)去除該數個奈米柱結構，留下具有數個隨機排列中空奈米柱結構之陶瓷材料層。

上述中，步驟(a)之透鏡為高透明度之材料，該透鏡可為石英、二氧化矽、氮化鋁或鑽石其中之一。該多晶系晶種層可為氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、鋁鎵摻雜氧化鋅(AGZO)或氧化銦錫(ITO)其中之一。本發明採用多晶系之晶種層，可利於後續成長出隨機排列之奈米柱結構材料。

上述中，步驟(b)之奈米柱結構可為氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)或鋁鎵摻雜氧化鋅(AGZO)其中之一；該奈米柱結構之高度介於1μm~2μm之間，寬度介於100nm~200nm之間。

上述中，步驟(b)可以水熱法製作該數個隨機排列之奈米柱結構。其中，氧化鋅(ZnO)奈米柱的製作方法可為：採用溶液種類與濃度為六亞甲基四胺(Hexamethylenetetramine，C₆H₁₂N₄)20mM~30mM，硝酸鋅六水化合物(Zinc Nitrate Hexahydrate，Zn(NO₃)₂‧6H₂O)20mM~30mM，製程溫度為80℃~90℃，奈米柱成長時間為4小時~6小時。

上述中，步驟(c)可使用酸液蝕刻去除該晶種層。其中，該酸液可為硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硼酸或所組成群組之一。

上述中，步驟(d)之陶瓷材料層係為氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、二氧化鈦(TiO₂)、碳化矽(SiC)、碳化鋯(ZrC)或碳化鎢(WC)其中之一。

上述中，步驟(e)可使用酸液蝕刻去除該數個奈米柱結構。其中，該酸液可為硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硼酸或所組成群組之一。

本發明是一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，藉由上述製作方式，提供一可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡，藉由隨機排列之陶瓷中空奈米結構的使用，有效解決先前技術之複雜且昂貴之程序與二次光學特殊結構之材料耐用度問題。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

S101-S105‧‧‧步驟

1‧‧‧透鏡

2‧‧‧透鏡之表面

3‧‧‧多晶系晶種層

4‧‧‧隨機排列奈米柱結構

5‧‧‧陶瓷材料層

6‧‧‧光源

第一圖係為本發明一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法流程圖；第二圖係為本發明一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法流程示意圖；第三圖本發明實施例使用AlN中空垂直奈米柱結構以390nm之光源穿透之模擬結果；第四圖本發明實施例使用AlN實心垂直奈米柱結構以390nm之光源穿透之模擬結果；第五圖本發明實施例單根AlN中空奈米柱結構分別於0度(垂直)及30度傾斜以390nm之光源穿透之模擬結果；第六圖本發明實施例單根AlN中空奈米柱結構分別於45度及60度傾斜以390nm之光源穿透之模擬結果；第七圖本發明實施例整合0度、30度、60度傾斜之單根AlN中空奈米柱結構以390nm光源穿透之綜合模擬結果。

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了解本發明之優點及功效。

本發明之一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，此方法於透鏡表面製作出隨機排列之陶瓷中空奈米結構，提供簡易之方法，製作出有效散射光源之特殊結構，解決光源照度不均勻的問題。

請參閱第一圖，為本發明一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法流程圖。如圖所示，一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，步驟包括：(a)在一透鏡的表面形成一多晶系晶種層S101；(b)在該多晶系晶種層上成長數個隨機排列之奈米柱結構S102；(c)將該未成長奈米柱結構之晶種層去除，以使底下之透鏡表面裸露出來S103；(d)於該數個奈米柱結構與該透鏡表面裸露之部分濺鍍一陶瓷材料層S104；(e)去除該數個奈米柱結構，留下具有數個隨機排列中空奈米柱結構之陶瓷材料層S105。

實施例：

請參閱第二圖，為本發明一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法流程示意圖。本發明實施例步驟包括：(a)在一透鏡1的表面2形成一多晶系晶種層3，該透鏡1為高透明度之材料，該透鏡1可為石英、二氧化矽、氮化鋁或鑽石其中之一。該多晶系晶種層3可為氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、鋁鎵摻雜氧化鋅(AGZO)或氧化銦錫(ITO)其中之一；(b)在該多晶系晶種層3上成長數個隨機排列之奈米柱結構4，該奈米柱結構4為氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)或鋁鎵摻雜氧化鋅(AGZO)其中之一；該奈米柱結構4之高度介於1μm~2μm之間，寬度介於100nm~200nm之間；其中，可以水熱法製作該數個隨機排列之奈米柱結構4；其中，氧化鋅(ZnO)奈米柱的製作方法為：採用溶液種類與濃度為六亞甲基四胺(Hexamethylenetetramine，C₆H₁₂N₄)20mM~30mM，較佳為25mM、硝酸鋅六水化合物(Zinc Nitrate Hexahydrate，Zn(NO₃)₂‧6H₂O)20mM~30mM，較佳為25mM，製程溫度為80℃~90℃，奈米柱成長時間為4小時~6小時；(c)將該未成長奈米柱結構4之晶種層3去除，以使底下之透鏡表面2裸露出來。其中，可使用酸液蝕刻去除該晶種層3，該酸液可為硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硼酸或所組成群組之一。(d)於該數個奈米柱結構4與該透鏡表面2裸露之部分濺鍍一陶瓷材料層5，該陶瓷材料層5可為氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、二氧化鈦(TiO₂)、碳化矽(SiC)、碳化鋯(ZrC)或碳化鎢(WC)其中之一；(e)去除該數個奈米柱結構4，留下具有數個隨機排列中空奈米柱結構之陶瓷材料層5。其中，可使用酸液蝕刻去除該奈米柱結構4，該酸液可為硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硼酸或所組成群組之一。本發明實施例完成之提升光均勻度之二次光學透鏡包含透鏡1、透鏡之表面2、隨機排列中空奈米結構層5。後續還會架上發光源6，在本實施例中發光源6為點光源，且較佳為發光二極體。

請參閱第三圖，為本發明實施例使用AlN中空垂直奈米柱結構以390nm之光源穿透之模擬結果，請參閱第四圖，本發明實施例使用AlN實心垂直奈米柱結構以390nm之光源穿透之模擬結果，兩相比較可明顯看出，集中之光源穿過三根AlN中空垂直奈米柱結構後，可均勻發散於遠方，而集中之光源穿過AlN實心垂直奈米柱結構後，無法均勻發散，光均勻性較為不足。而第五圖、第六圖則分別為本發明實施例單根AlN中空奈米柱結構分別於0度(垂直)及30度、45度、60度傾斜以390nm之光源穿透之模擬結果，比較後可發現通過垂直中空奈米柱之後的光源雖然有被散射，但仍有可辨識的對稱均勻性分佈，如果以整體規律的垂直型態中空奈米柱作為二次光學特殊結構，那麼散射後之光均勻性會有侷限。當傾斜30度時，原本集中的光源被導向側邊，而且並無對稱性。當傾斜45度與60度時，光都有往側邊散射的趨勢，尤其是傾斜60度的更為明顯。因此，當製作出隨機排列的中空奈米柱結構時，會產生如第七圖的光散射現象(本發明實施例整合0度、30度、60度傾斜之單根AlN中空奈米柱結構以390nm光源穿透之綜合模擬結果)，散射後之光分佈均勻性與第三圖之垂直中空奈米柱相比，明顯提升許多。若中空奈米柱的隨機排列程度越高，那麼光源的均勻性就可更加提昇。

本發明提供一種可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，透過上述實施例說明，本發明使用高透明度之材料做為透鏡，於透鏡之表面形成多晶系晶種層，再透過多晶系晶種層成長隨機排列之奈米柱結構，濺鍍抗酸陶瓷材料後，利用蝕刻技巧製作出隨機排列之中空奈米結構，最後即可裝置於點光源之前方以均勻化光場。因此本案即提供一可提升光均勻度之中空奈米結構二次光學透鏡，有效解決先前技術複雜且昂貴之程序與二次光學特殊結構之材料耐用度問題，可直接用於製備二次光學材料元件，使其在未來的應用領域更加寬廣。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背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。

Claims

一種中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，步驟包括：(a)在一透鏡的表面形成一多晶系晶種層；(b)在該多晶系晶種層上成長數個隨機排列之奈米柱結構；(c)將該未成長奈米柱結構之多晶系晶種層去除，以使底下之透鏡表面裸露出來；(d)於該數個奈米柱結構與該透鏡表面裸露之部分濺鍍一陶瓷材料層；(e)去除該數個奈米柱結構，留下具有數個隨機排列中空奈米柱結構之陶瓷材料層。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(a)之透鏡係為石英、二氧化矽、氮化鋁或鑽石其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(a)之多晶系晶種層係為氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、鋁鎵摻雜氧化鋅(AGZO)或氧化銦錫(ITO)其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(b)之奈米柱結構係為氧化鋅(ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)或鋁鎵摻雜氧化鋅(AGZO)其中之一。
如申請專利範圍第1項或第4項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(b)之奈米柱結構之高度係介於1μm~2μm之間，寬度係介於100nm~200nm之間。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(b)係以水熱法製作該數個隨機排列之奈米柱結構。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(b)係以水熱法製作該數個隨機排列之氧化鋅(ZnO)奈米柱結構，使用溶液種類與濃度為六亞甲基四胺(Hexamethylenetetramine，C₆H₁₂N₄)20mM~30mM，硝酸鋅六水化合物(Zinc Nitrate Hexahydrate，Zn(NO₃)₂‧6H₂O)20mM~30mM，製程溫度為80℃~90℃，奈米柱成長時間為4小時~6小時。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(c)係使用酸液蝕刻去除該多晶系晶種層。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(d)之陶瓷材料層係為氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、二氧化鈦(TiO₂)、碳化矽(SiC)、碳化鋯(ZrC)或碳化鎢(WC)其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，步驟(e)係使用酸液蝕刻去除該數個奈米柱結構。
如申請專利範圍第8項或第10項所述之中空奈米結構二次光學透鏡之製作方法，其中，該酸液係為硝酸、硫酸、鹽酸、磷酸、硼酸或所組成群組之一。