TWI892165B - 微結構膜及發光模組 - Google Patents

Abstract

揭示一種微結構膜以及一種發光模組。微結構膜相反兩側之表面至少其中之一均勻分佈有複數個具有至少一預定義形狀之微結構。發光模組包含基板、複數個光源、以及封裝層。基板具有第一表面。複數個光源設置於第一表面。封裝層設置於第一表面，接觸且包覆光源。其中，封裝層相對於第一表面之另一面均勻分佈有複數個具有至少一預定義形狀之微結構。

Description

微結構膜及發光模組

本發明係關於一種微結構膜及發光模組；具體而言，本發明係關於與光源搭配使用的微結構膜及具有微結構封裝層的LED陣列發光模組。

習知發光模組中將發光二極體點光源以陣列方式設置成為面光源，大都會再疊放擴散板或光學膜疊放使光均勻化，藉以減少直接看到各個發光二極體點光源，即所謂的mura現象。然而，擴散板或其他光學膜的使用通常會使模組厚度增加。如要降低厚度，可增加發光二極體點光源的數目，但成本將對應提高。因此，習知發光模組有改善的空間。

本發明的目的在於提供一種微結構膜以及一種發光模組，可減少各式光學膜片使用數量，同時提升光學效率。

本發明的另一目的在於提供一種微結構膜以及一種發光模組，可減少光源使用數量，同時提升光學效率。

本發明的微結構膜包含位於相反兩側之入光面及出光面，入光面及出光面至少其中之一均勻分佈有複數個微結構。微結構由所在之入光面或 出光面凸出或凹入，在入光面之垂直投影具有投影長軸，且具有基面及中央曲線，中央曲線可為圓、橢圓或拋物線。基面的周緣具有位於相反側且分別與投影長軸之兩端連接的兩端角，中央曲線相對於基面之垂直距離在中央曲線之中心點為最大，基面之兩端角以外的周緣相對於中央曲線分別形成第一弧邊以及第二弧邊。其中，垂直於入光面及平行於中央曲線且通過中央曲線之中心點之平面，在與第一弧邊及第二弧邊交會處及中央曲線之中心點間定義有三角形之中央截面，中央截面在與第一弧邊及第二弧邊交會處具有第一夾角及第二夾角。其中，各微結構於所在之入光面或出光面上以錯位方式排列，各微結構之中央曲線相互平行，並且在垂直於入光面之平面之垂直投影至少部分互相重疊。

本發明的發光模組包含基板、複數個光源、封裝層以及微結構膜。基板具有第一表面。複數個光源設置於第一表面。封裝層設置於第一表面，接觸且包覆光源。微結構膜設置於封裝層相對於第一表面之另一側，微結構膜相對於封裝層之另一面均勻分佈有複數個微結構。微結構係朝向第一表面凹入或背向第一表面凸出，在第一表面之垂直投影具有投影長軸，且具有基面及中央曲線，中央曲線可為圓、橢圓或拋物線。基面的周緣具有位於相反側且分別與投影長軸之兩端連接的兩端角，中央曲線相對於基面之垂直距離在中央曲線之中心點為最大，基面之兩端角以外的周緣相對於中央曲線分別形成第一弧邊以及第二弧邊。其中，垂直於第一表面及平行於中央曲線且通過中央曲線之中心點之平面，在與第一弧邊及第二弧邊交會處及中央曲線之中心點間定義有三角形之中央截面，中央截面在與第一弧邊及第二弧邊交會處具有第一夾角及第二夾角。

100:基板

101:第一表面

200:光源

300:封裝層

301:面

310:微結構區

311:微結構

311h:垂直距離

312:曲面

314:基面

320c:中心點

316:周緣

316a、316b:端角

316c:第一弧邊

316d:第二弧邊

316e:交會處

316f:交會處

317:中央截面

320:中央曲線

400:光學膜片

900:發光模組

A1:位置

B1:位置

A2:位置

B2:位置

θ1:第一夾角

θ2:第二夾角

圖1A為本發明發光模組的實施例示意圖。

圖1B為本發明發光模組的不同實施例示意圖。

圖2A至2E為本發明發光模組中微結構之實施例示意圖。

圖3A至5B為本發明發光模組中微結構由複數個V形溝切形成的實施例示意圖。

圖6A及6B為本發明發光模組中微結構具有曲面之結構的不同實施示意圖。

圖7A為本發明發光模組的實施例模擬測試結果。

圖7B為習知發光模組的模擬測試結果。

圖7C為本發明發光模組的不同實施例模擬測試結果。

圖7D為習知發光模組的另一模擬測試結果。

圖8A至8C為本發明發光模組的不同實施例示意圖。

以下通過特定的具體實施例並配合圖式以說明本發明所公開的連接組件的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。然而，以下所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍，在不悖離本發明構思精神的原則下，本領域技術人員可基於不同觀點與應用以其他不同實施例實現本發明。在附圖中，為了清楚起見，放大了層、膜、面板、區域等的厚度。在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的元件。應當理解，當諸如層、膜、區域或基板的元件被稱為在另一元件「上」或「連接到」另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者中間元件可以也存在。相反， 當元件被稱為「直接在另一元件上」或「直接連接到」另一元件時，不存在中間元件。如本文所使用的，「連接」可以指物理及/或電性連接。再者，「電性連接」或「耦合」係可為二元件間存在其它元件。

應當理解，儘管術語「第一」、「第二」、「第三」等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此，下面討論的「第一元件」、「部件」、「區域」、「層」或「部分」可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不脫離本文的教導。

此外，諸如「下」或「底部」和「上」或「頂部」的相對術語可在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係，如圖所示。應當理解，相對術語旨在包括除了圖中所示的方位之外的裝置的不同方位。例如，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其他元件的”下”側的元件將被定向在其他元件的「上」側。因此，示例性術語「下」可以包括「下」和「上」的取向，取決於附圖的特定取向。類似地，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其它元件「下方」或「下方」的元件將被定向為在其它元件「上方」。因此，示例性術語「下面」或「下面」可以包括上方和下方的取向。

本文使用的「約」、「近似」、或「實質上」包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量(即，測量系統的限制)。例如，「約」可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30%、±20%、±10%、±5%內。再者，本文使用的「約」、「近似」或「實質上」可依光學性質、蝕刻性質或其 它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。

如圖1A所示的實施例，本發明的發光模組900包含基板100、複數個光源200、以及封裝層300。基板100具有第一表面101。複數個光源200設置於第一表面101。封裝層300設置於第一表面101，接觸且包覆光源200。進一步而言，基板100包含印刷電路板，光源200較佳為發光二極體(LED)光源或次毫米發光二極體(Mini LED)光源，以光源200之晶片直接封裝(Chip on Board)方式設置在基板100之第一表面101上並形成陣列，封裝層300覆蓋第一表面101以及光源200，並且填充於光源200之間。發光模組900可進一步包含光學膜片400，設置於封裝層300上方。光學膜片400可包含擴散板或其他調變光學行為的膜片或板狀元件。

其中，封裝層300可以是例如透明的、半透明的、或發螢光的，而且可以混入例如磷光物質等的波長轉換材料。封裝層300可由矽樹脂、環氧樹脂、玻璃、塑膠或其它材料製成，可使用射出成形技術直接形成在第一表面101及光源200上。

如圖1A所示的實施例，封裝層300相對於第一表面101之另一面301均勻分佈有複數個微結構311。換言之，封裝層300在相對於第一表面101具有朝向第一表面101凹入且均勻分佈的微結構311。其中微結構311可在使用射出成形技術形成封裝層300時同時形成，亦可在形成封裝層300後另外形成，例如使用化學氣相沈積法沈積與封裝層300相同的材料，或是以蝕刻、機械加工、轉印、噴砂等方式去除部分的封裝層300。在如圖1B所示的不同實施例 中，封裝層300在相對於第一表面101具有背向第一表面101凸出且均勻分佈的微結構311。

微結構311兩側之物質具有不同的折射率，亦即N值不同。換言之，封裝層300之折射率與其相對於基板100之另一側之物質之折射率不同。具體而言，在一實施例中，封裝層300相對於基板100之另一側為空氣，亦即朝向光學膜片400的微結構311之間充滿空氣。在不同實施例中，封裝層300相對於基板100之另一側可設置由不同物質構成的層，朝向光學膜片400的微結構311之間由此不同物質充填。

如圖2A至2C所示之實施例，其中，圖2A及2B分別為微結構311之單元之立體圖及俯視圖，圖2C為複數個微結構311的俯視圖。如圖2A所示，在一實施例中，微結構311在第一表面101(請見圖1A及圖1B)之垂直投影具有投影長軸321，且具有基面314及中央曲線320。基面314係微結構311的邊緣圍成的平面。中央曲線320可為圓、橢圓或拋物線。基面314的周緣具有位於相反側且分別與投影長軸321之兩端連接的兩端角316a、316b，中央曲線320相對於基面314之垂直距離311h在中央曲線之中心點320c為最大，基面314之兩端角316a、316b以外的周緣相對於中央曲線320分別形成第一弧邊316c以及第二弧邊316d。其中，垂直於第一表面101及平行於中央曲線320且通過中央曲線320之中心點320c之平面，在與第一弧邊316c以及第二弧邊316d交會處316e、316f及中央曲線320之中心點320c間定義有三角形之中央截面317，中央截面317在與第一弧邊316c以及第二弧邊316d交會處具有第一夾角θ1及第二夾角θ2。

以不同角度觀之，微結構311具有類似U形船殼之外觀，第一弧邊316c以及第二弧邊316d共同形成基面314的周緣316，並且於端角316a、316b 相接，中央截面317是與中央曲線320相對於基面314之中心點320c即最高點相切的截面。在一實施例中，第一夾角為20~40°，第二夾角為20~40°。第一弧邊316c與中央截面317之交會處316e以及第二弧邊316d與中央截面317之交會處316f之間在基面314上具有微結構寬度311w，微結構寬度311w為50~200μm。中央曲線320相對於基面314之垂直距離311h在中央曲線315之中心點320c為5~30μm。換言之，微結構311之高/深度為5~30μm。如圖2C所示的實施例，兩相鄰微結構311之投影長軸321的距離為節距311x，節距311x為50~300μm。另一方面，如圖2D及2E所示的實施例，微結構311之排列不限於直線對齊，其中各微結構311於所在之入光面或出光面上以錯位方式排列，各微結構311之中央曲線320相互平行，並且在垂直於入光面之平面之垂直投影至少部分互相重疊，可調整以使整體獲得較佳的光均勻效果。

微結構311之尺寸及形狀可根據使用、製造等考量加以變化。例如在圖3A、4A及5A所示的實施例中，微結構311係由複數個V形溝切形成，其中各V形溝切之角度為θ，30°≦θ≦150°。更具體而言，如圖3A所示的實施例，微結構311a是由3組V形溝切313a形成，相鄰之V形溝切313a之夾角為45°。如圖3B所示的實施例，微結構311a為三角錐形，亦即在此實施例中，微結構311a之預定義形狀為三角錐形。進一步而言，實際製作時，可在封裝層300表面上直接以工具刻出V形溝切313a，從而形成微結構311a。亦可先在模具上製出V形溝切313a的對應形狀，然後再以熱壓等方式在封裝層300a表面上形成V形溝切313a以及微結構311a。其中，還可藉由模具上與V形溝切313a對應形狀的正反來控制微結構311是朝向第一表面101凹入(參見圖1A)或者背向第一表面101凸出(參見圖1B)。

在如圖4A及4B所示的實施例中，微結構311b是由2組V形溝切313b形成，相鄰之V形溝切313b之夾角為90°。如圖4B所示的實施例，微結構311b為四角錐形，亦即在此實施例中，微結構311b之預定義形狀為四角錐形。在如圖5A及5B所示的實施例中，微結構311c是由4組V形溝切313c形成，相鄰之V形溝切313c之夾角為45°。如圖5B所示的實施例，微結構311c為四芒星形，亦即在此實施例中，微結構311c之預定義形狀為四芒星形。

如圖6A及6B所示的實施例，微結構311具有曲面312之結構。更具體而言，微結構311具有以下式(1)表示之曲面。

其中，s(x)：曲面輪廓(sag profile)，x：各微結構於基板之垂直投影之徑向長度，κ：圓錐系數(Conic constant)，R：曲率半徑。

進一步而言，在如圖6A實施例中，封裝層300由面301朝向基板100下凹形成具有半圓球內表面特徵之曲面312，亦即微結構311實質上形成半球形腔體，相鄰微結構311鄰接處可能形成尖角。其中，微結構之κ=0，R為0.002mm至0.05mm，半徑為5μm至500μm，深度為10μm至200μm。在如圖6B所示的實施例，微結構311之曲面312為半橢球內面。以不同角度觀之，在此實施例中，封裝層300由面301朝向基板100下凹形成具有半橢球內表面特徵之曲面 312，亦即微結構311實質上形成半橢球形腔體。其中，κ為-1至-2，R為0.002mm至0.05mm，半徑為5μm至500μm，深度為10μm至200μm。微結構311的形成方式可以使用例如化學刻蝕、機械加工、噴砂處理等。

具體而言，本發明藉由在封裝層300表面設置具有至少一預定義形狀之微結構311，達成分散光源200發出的光線的效果，從而減少擴散板等光學膜片的使用需求，並能提升光學效率，減少單位面積中光源200的設置數目，拉大其間距。在不同實施例中，微結構311可具有不同的預定義形狀，例如U形船殼、V形船殼、半球形與三角錐形混合等，以提升其效果。

進一步使用軟體(LightTools，CYBERNET SYSTEMS TAIWAN，台灣)對本發明發光模組與習知發光模組進行模擬測試，其中，參數設定如下表1。模擬測試結果分別如圖7A及7B所示。

如圖7A所示的模擬結果，圖中A1的位置為光源的正上方，B1的位置為相鄰4個光源正上方的中心，A1及B1相比的光強度差異較小，亮度均勻性較佳。如圖7B所示的模擬結果，圖中A2的位置為光源的正上方，B2的位置為相鄰4個光源正上方的中心，A2及B2相比的光強度差異較明顯，亮度均勻性較差。據此，可知本發明的發光模組900即使減少例如擴散板等光學膜片的使用，使整體厚度可降低，仍具有較佳的發光均勻度。

在另一實施例中，微結構為三個V形溝切形成，其中各V形溝切之角度為80°，結構加工深度為30um。如圖7C所示的模擬結果，圖中C1的位置為光源的正上方，D1的位置為相鄰4個光源正上方的中心，C1及D1相比的光強度差異較小，亮度均勻性較佳。如圖7D所示的模擬結果，圖中C2的位置為光源的正上方，D2的位置為相鄰4個光源正上方的中心，C2及D2相比的光強度差異較明顯，亮度均勻性較差。具體而言，與圖7D相比，圖7C之畫面均齊性可由14%提昇至52%。因此，此微結構亦可達到較佳的亮度均勻性。

進一步使用光學量測(Topcon SR-3AR，日本)，量測中心亮度及13點均齊度(離邊10mm)，對分別使用習知發光模組與具有如表1所示規格微結構的本發明發光模組的17.3吋背光單元進行測試，其中，微結構設置於封裝層，背光單元規格如下表2所示。

由上表結果可明顯看出，本發明發光模組使用的Mini LED顆數僅習知發光模組的52.5%，且背光單元厚度亦有效減小，而其中心亮度較佳且均齊度相同。換言之，本發明發光模組具有較佳的光學效率，且能減少各式光學膜片使用。

在一實施例中，微結構不限設置於封裝層，亦可設置於一光學膜以成為微結構膜，並將此微結構膜設置於封裝層上。換言之，微結構膜相反兩側之表面至少其中之一均勻分佈有複數個具有至少一預定義形狀之微結構。更具體而言，如圖8A至8C所示的不同實施例，發光模組900’包含基板100、複數個光源200、封裝層300’、以及微結構膜330。基板100具有第一表面101。複數個光源200設置於第一表面101。封裝層300’設置於第一表面101，接觸且包覆光源200。微結構膜330設置於封裝層300’相對於第一表面101之另一側，微結構膜330相對於封裝層300’之另一面331均勻分佈有複數個具有至少一預定義形狀之微結構311。其中，光源200發出的光線分別由面332及面331進入及離開微結構311，亦即面332及面331分別為微結構311之出光面及入光面。微結構311在面331之垂直投影具有投影長軸321(請見圖2A及圖2B)，且具有基面314及中央曲線320。微結構膜330可以選用與封裝層300’相同或不同的材料。進一步而言，具有微結構311的微結構膜330與封裝層300’可在不同的製程中分別製作，然後再將微結構膜330設置於封裝層300’上。此外，在不同實施例中，微結構膜330還可根據製造、設計或使用需求，設置在發裝模組中不同的位置，例如設置在其他光學膜片之間或相對於封裝層之另一側，亦或可搭配其他光學裝置使 用，例如設置在光源表面或設置在顯示器之顯示面外側等。在微結構膜330中，式(1)中的x為微結構於微結構膜之表面之垂直投影之徑向長度。

進一步使用光學量測(Topcon SR-3AR，日本)，量測中心亮度及13點均齊度(離邊10mm)，對分別使用習知發光模組與具有如表1所示規格微結構的本發明發光模組的17.3吋背光單元進行測試，其中，結構設置於光學膜，背光單元規格如下表3所示。

由上表結果可明顯看出，微結構設置於微結構膜之本發明發光模組使用的Mini LED顆數僅習知發光模組的52.5%，且背光單元厚度亦有效減小，而其中心亮度較佳且均齊度相同。以不同角度觀之，使用微結構膜之發光模組亦具有較佳的光學效率，且能減少各式光學膜片使用。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

100:基板

101:第一表面

200:光源

300:封裝層

301:面

311:微結構

400:光學膜片

900:發光模組

Claims (13)

1. 一種微結構膜，包含位於相反兩側之一入光面及一出光面，該入光面及該出光面至少其中之一均勻分佈有複數個微結構，各該微結構由所在之該入光面或該出光面凸出或凹入，在該入光面之垂直投影具有一投影長軸，且具有一基面及一中央曲線，各該微結構之該中央曲線相互平行，該基面的周緣具有位於相反側且分別與該投影長軸之兩端連接的兩端角，該中央曲線相對於該基面之垂直距離在該中央曲線之中心點為最大，該基面之該兩端角以外的周緣相對於該中央曲線分別形成一第一弧邊以及一第二弧邊，其中，一垂直於該入光面及平行於該中央曲線且通過該中央曲線之中心點之平面，在與該第一弧邊及該第二弧邊交會處及該中央曲線之中心點間定義有一三角形之中央截面，該中央截面在與該第一弧邊及該第二弧邊交會處具有一第一夾角及一第二夾角；其中，各該微結構於所在之該入光面或該出光面上以錯位方式排列，並且在一垂直於該入光面之平面之垂直投影至少部分互相重疊。
2. 如請求項1所述的微結構膜，其中該第一夾角為20~40°。
3. 如請求項1所述的微結構膜，其中該第二夾角為20~40°。
4. 如請求項1所述的微結構膜，其中該基面於該第一弧邊與該中央截面交會處以及該第二弧邊與該中央截面交會處之間具有一微結構寬度，該微結構寬度為50~200μm。
5. 如請求項1所述的微結構膜，其中該中央曲線相對於該基面之垂直距離在該中央曲線之中心點為5~30μm。
6. 如請求項1所述的微結構膜，其中兩相鄰微結構之該投影長軸的距離為一節距，該節距為50~300μm。
7. 一種發光模組，包含：一基板，具有一第一表面；複數個光源，設置於該第一表面；一封裝層，設置於該第一表面，接觸且包覆該些光源；以及一微結構膜，設置於該封裝層相對於該第一表面之另一側，該微結構膜相對於該封裝層之另一面均勻分佈有複數個微結構，各該微結構係朝向該第一表面凹入或背向該第一表面凸出，在該第一表面之垂直投影具有一投影長軸，且具有一基面及一中央曲線，各該微結構之該中央曲線相互平行，該基面的周緣具有位於相反側且分別與該投影長軸之兩端連接的兩端角，該中央曲線相對於該基面之垂直距離在該中央曲線之中心點為最大，該基面之該兩端角以外的周緣相對於該中央曲線分別形成一第一弧邊以及一第二弧邊，其中，一垂直於該第一表面及平行於該中央曲線且通過該中央曲線之中心點之平面，在與該第一弧邊及該第二弧邊交會處及該中央曲線之中心點間定義有一三角形之中央截面，該中央截面在與該第一弧邊及該第二弧邊交會處具有一第一夾角及一第二夾角；其中，各該微結構於所在之該入光面或該出光面上以錯位方式排列，並且在一垂直於該入光面之平面之垂直投影至少部分互相重疊。
8. 如請求項7所述的發光模組，其中該第一夾角為20~40°。
9. 如請求項7所述的發光模組，其中該第二夾角為20~40°。
10. 如請求項7所述的發光模組，其中該基面於該第一弧邊與該中央截面交會處以及該第二弧邊與該中央截面交會處之間具有一微結構寬度，該微結構寬度為50~200μm。
11. 如請求項7所述的發光模組，其中該中央曲線相對於該基面之垂直距離在該中央曲線之中心點為5~30μm。
12. 如請求項7所述的發光模組，其中兩相鄰微結構之該投影長軸的距離為一節距，該節距為50~300μm。
13. 如請求項7所述的發光模組，其中該封裝層之折射率與該封裝層相對於該基板之另一側之物質之折射率不同。