Methods for industrial manufacturing of LED-integrated optics elements
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2006
Major/Subject
Elektronifysiikka
Mcode
S-69
Degree programme
Elektroniikan ja sähkötekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
[8], 73
Series
Abstract
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.Light-emitting diodes, LEDs, are becoming widely used in illumination applications due to their superior properties, compared to old light sources. However, optics are required with LEDs to ensure improved performance. This thesis concentrates on the integration and replication of optics for LED-based applications. Diffractive optics lenses for light collimation were successfully replicated on LEDs. Both integrated lenses and discrete lenses were fabricated. The production machine was a Toray Engineering Ltd. flip-chip bonder, which is normally used in the electronics industry. Integrated lenses were replicated directly onto the encapsulation material of a LED. The encapsulation material used was a UV curable polymer resin, with a high refractive index. Discrete lenses were also replicated on the UV curable material, but the resin was first dispensed on a 0.25 mm thick PMMA foil. After curing, the foil was cut to a proper size and the lens was attached onto the LED case. The average luminous intensities increased from 291 mcd to 496 mcd and average collimation angles narrowed from 108° to 45°. A slight decrease in luminous flux was observed with the discrete lenses. Integrated lenses did not have any effect on it. Replication of diffractive optics structures was conducted using step hot embossing technology with the Toray bonder. The optical structure type used was a blazed grating. Numerous replications were performed on a 0.5 mm thick PMMA sheet and the success and quality of replication was studied. It was shown that the structures used can be embossed onto a substrate, while maintaining good quality, and that the technology can be industrialized. Step hot embossing replication was also performed on a PMMA sheet with an out-coupling light guide structure on it, and it demonstrated that this technology enables the sheet to be utilized as a signal panel, or as a part of an enhanced illumination backlight system. Over 790% increase in average luminance was measured between the light guide and the embossed structures on it. A highly novel technology called nanoimprint lithography, NIL, was demonstrated using a SÜSS MicroTec NPS300 NanoPatterning Stepper. The NPS300 enables NIL at wafer level on active components, such as LEDs. NIL could be used to improve the external quantum efficiency of a LED without texturing the semiconductor material itself. Oy Modines Ltd. is developing this technology in collaboration with the Technical Research Centre of Finland, VTT. Patents are pending for some of the technologies presented in this thesis.Description
Supervisor
Kuivalainen, Pekka; Prof.Thesis advisor
Määttänen, Jarmo; TkTKeywords
replication, diffractive optics, light-emitting diode, replikointi, diffraktiivinen optiikka, valodiodi
