｜可控光型及防眩燈具之膜材研究及其應用

摘要：我們結合光學膜微結構、超精密模具製作與超精密加工技術，發展出連續捲對捲製程，使光學膜微結構應用於燈具產業時，能同時具備抗眩光、光型可控與高出光效率等特性，如此將使燈具達到有效節能與符合人因照明之目標。

Abstract: We have integrated microstructured optical-films, ultra-precision molding, and ultra-precision machining technologies, to develop a continuous Roll-to-Roll manufacturing process. Once such an optical-film is applied to lamp module, it can exhibit the characteristics of anti-glare, beam-shaping, and high efficiency of light extraction. Therefore, the energy-saving and the requirement of human factor illumination can be achieved.

關鍵詞：眩光、捲對捲、微結構、光學設計

Keywords：Glare, Roll-to-Roll, Microstructure, Optical design

前言
LED光源儼然已成為照明產業次世代的主流，不論是室內照明、商用藝術、室外照明、道路照明，LED照明的時代已經來臨。然而一般LED的燈具為提供足夠的光通量，大多使用多顆LED 晶片，在光學特性表現上，早期沿襲傳統燈具結構設計，大多屬於直接照明並沒相對應之反射罩，燈具的配光曲線未經縝密設計，而且LED光源具有高度指向性，因而形成直接或間接的眩光，造成燈具亮度過於刺眼而不舒適，以致照明效果不但劣於傳統燈具，且價格更遠高於傳統白熾燈、螢光燈等；目前的解決方法大多使用摻雜微粒子的擴散板技術形成間接照明燈具，然而卻造成燈具出光效率過低的問題，且目前尚無相對應之擴散率與透光率分析系統，對LED燈具使用者容易造成混淆，進而對LED燈具失去信心，降低使用LED燈具的意願，也間接阻礙國內LED產業及照明產業的發展。解決之道，在於利用高出光效率之非傳統擴散板以有效解決LED產生的眩光。

目前市場上現有的擴散板是將微粒子散佈在高分子基材中，當光線行經高分子材料時會碰撞微粒子而產生米式散射（Mie Scattering）現象[1]，在此同時光線將在異質折射率的介質中發生多重折射、反射與散射的現象，造成了光學擴散的效果[2]。如圖1所示之擴散膜片，應用在液晶顯示器背光模組上，使入射光線能均勻擴散，其中擴散特性分為擴散層和基材，此外擴散層為合成樹脂，其中擴散層含有許多微米級的擴散粒子，使光線透過而產生均勻之擴散。惟材料及化學顆粒的性質，將造成光吸收效應，使部分的光被浪費，而造成光源無法有效的利用。

另一種改良型之擴散板結構如圖2所示，為3M公司三層式之擴散膜片專利[3]。微結構的目的主要在提升顯示裝置的光集中度及均勻度，讓原已擴散開來的光線再度集中，故可增加正視角的亮度。此外，增亮膜的構造為一種菱形結構，利用頂角的設計，遵循司乃耳定律（Snell’s Law），可將大角度的光線折射至較正向的角度，如圖2所示將菱形結構製作在擴散膜上層，讓原已擴散開來的光線再度集中，故可增加正向亮度，達到正向集中的效果，提升顯示裝置的光集中度及均勻度。目前在顯示器相關的專利與產品，較常看到的是將擴散膜和稜鏡片等的功能整合成複合式增亮膜片。圖3所示為含擴散粒子擴散板之各類型燈型控制產品，然而這樣混合使用擴散粒子及稜鏡結構的方式，雖然有部分控光能力，但由於擴散粒子的強烈散射，依然會降低出光效率。

此外，應用在最新型之LED平面光源之光學膜為如圖4（a）所示3M所提出之air light guide 的架構，此架構捨棄傳統之導光板，藉由CMOF膜（collimating multilayer optical film）及底反射片來傳遞LED光源所投射之光線，使得整個系統更加輕、薄、短、小，惟CMOF膜為多層光學膜堆疊之結構，加工成本極高，尚有專利佈局，目前均勻性及出光效率雖僅84%及80%，仍具改良空間，但不失為一種極具巧思的防眩照明設計。

為了突破上述傳統及新型光學膜所衍生的諸多成本及專利問題，我們將透過光學微結構的設計，開發一種適合用於照明產業上的擴散板，可有效降低眩光，並同時達到控光之效果，避免不必要的光能浪費。應用範圍擴及LED室內照明模組、檯燈、路燈、建物整合照明模組等[6-9]。