Methods for industrial manufacturing of LED-integrated optics elements

摘要

Valodiodeja (LED) käytetään yhä kasvavassa määrin erinäisissä valaistusaplikaatioissa, johtuen diodien ylivoimaisista ominaisuuksista vanhoihin valonlähteisiin nähden. Diodien rinnalle tarvitaan kuitenkin optiikkaa, jotta niiden hyödyt saataisiin tehokkaasti käyttöön. Tämä työ käsittelee optiikan integrointia ja replikointia diodipohjaisissa sovelluksissa.Valon kollimointiin tarkoitettuja diffraktiivisia linssejä replikoitiin onnistuneesti valodiodien päälle. Sekä integroituja, että erillisiä linssejä valmistettiin. Replikointilaite oli Toray Engineering Ltd:n valmistama, elektroniikkateollisuudessa käytetty kääntösirujen liitäntälaite. Integroidut linssit replikoitiin suoraan diodin kapselointimateriaalin pintaan. Käytetty kapselointimateriaali oli UV valolla kovetettavaa, korkeataitekertoimista polymeerimateriaalia. Erilliset linssit replikoitiin myös käyttäen UV-materiaalia, mutta materiaali levitettiin aluksi 0,25 mm paksun PMMA kalvon päälle, josta kovetuksen jälkeen kalvo leikattiin sopivan kokoiseksi ja linssi liitettiin diodikotelon päälle. Valovoimat kasvoivat keskimääräisesti 291 mcd:sta 496 mcd:aan ja kollimointikulmat kapenivat vastaavasti 108 asteesta 45 asteeseen. Valovirrassa havaittiin pieni lasku erillisten linssien kohdalla. Vastaavasti integroiduilla linsseillä ei näyttänyt olevan vaikutusta valovirtaan.Diffraktiivisia mikrorakenteita replikoitiin Torayn laitteella askelkuumapainoa käyttäen. Prosessissa käytetty optinen rakenne oli tyypiltään vinohila. Useita kuumapainoja tehtiin 0,5 mm paksulle PMMA kalvolle, josta tutkittiin replikoinnin onnistumista ja laatua. Työssä todettiin, että mikrorakenteiden replikointi hyvällä laadulla on mahdollista ja on täten teollistettavissa. Askelkuumapainoa käyttäen painettiin PMMA kalvosta valmistetun uloskytkevän valojohteen päälle samoja mikrorakenteita ja todettiin, että kalvoa voi täten käyttää signaalipaneelina tai osana parannettua taustavalokalvoa. Mikrorakenteiden keskimääräinen luminanssi mitattiin yli 790% korkeammaksi kuin valojohteen.Hyvin uusi teknologia, nanoimprintlitografia, demonstroitiin käyttämällä SÜSS MicroTecin NPS300 imprint-laitetta. NPS300 mahdollistaa kiekkotasolla tapahtuvan, aktiivisten komponenttien kuten valodiodien, litografian. Nanoimprintlitografiaa voitaisiin käyttää parantamaan valodiodien ulkoista hyötysuhdetta ilman, että puolijohdemateriaalin pintaa täytyisi kuvioida. Oy Modines Ltd kehittää tätä teknologiaa yhdessä Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen, VTT:n kanssa.Patenttihakemukset jätettiin työn aikana osalle työssä esitetyistä teknologioista.