研究背景与简介
自由透镜（FFL）通过精确调节光分布在提高微型LED的光学性能方面发挥着关键作用。然而，在原位制造复杂形状透镜的成型过程中，传统方法无法精确控制FFL几何形状，需要加工不同的刚性金属模具并频繁更换FFL成型平台，从而延长了设计-制造周期。在此，我们提出了一种模具集成原位制造（MIF）技术，该技术利用压力驱动的可变形薄膜作为软模具，与局部约束结构相互作用形成特定的自由曲面。光学封装材料注入变形后的软模具并转变为所需的透镜形状，从而能够精细调节和快速制造复杂曲率的FFL。结果表明，将压力从0.7 MPa增加到1.9 MPa可以有效地调节FFL的高度和半峰宽，与温度调节相比分别增加了238%和42%。引入局部约束结构后，FFL的形状可调性显著增强。圆柱体和圆环约束的形状参数分别是没有约束的7.6倍和7倍。最后，该技术被应用于微型LED与FFL的一体化模压封装，与平面封装相比，新型器件光提取效率提高了9.8%，亮度色散系数降低了31.3%。这项研究表明，MIF是快速制造复杂形状FFL的有前景的解决方案，在提高小型化光电器件的整体光学性能方面具有巨大潜力。
该工作由华南理工大学团队在Journal of Manufacturing Processes期刊发表(https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-manufacturing-processes)，主要由蔡兆舒、郑家龙等同学完成，指导老师为李家声和李宗涛等。
创新点突出
模具集成原位制造技术：利用压力驱动的可变形薄膜作为软模具，与局部约束结构相互作用形成特定的自由曲面。光学封装材料注入变形后的软模具并转变为所需的透镜形状，从而能够精细调节和快速制造复杂曲率的FFL。
高效器件性能：该技术被应用于微型LED与FFL的一体化模压封装，与平面封装相比，光提取效率提高了9.8%，亮度色散系数降低了31.3%。
图文导图
图1. MIF的设备和工艺。（a）MIF装置，主要包括FFL成型功能模块、压力模块、温度模块和真空模块。（b）MIF的局部约束压力驱动变形技术，包括抽真空、加热、加载和脱模。
图2. 温度调节对FFL形成的影响。（a）制备的基于PDMS的FFL的图像，并附有显示测量图像的插入图。（b）直径为1mm的FFL的H和HPW随温度的变化。（c）可变形ETFE薄膜的模拟示意图，其中插入图显示了不同直径薄膜的横截面曲线以及相应实验制备的FFL轮廓。
图3. 压力调节对FFL形成的影响。（a）H随保持时间的变化。（b）H随压力的变化。（c）HPW随压力的变化，插入图是薄膜的受力分析。
图4. 约束结构对FFL形成的影响。圆柱体：（a）两个典型FFL的示意图和测量图像。插入物显示了圆柱体的图像。（b）H随气缸直径的变化。（c）HPW随气缸直径的变化。环：（d）两个典型FFL的示意图和测量图像。插入物显示了环的图像。（e）H随环厚度的变化。（f）HPW随环厚度变化。
图5. Ansys模拟：组合约束结构对FFL形成的影响。（a）具有不同圆柱直径和环内径的不同圆柱环约束结构的FFL轮廓曲线的变化。（b）具有不同内环和外环内径的不同双环结构的FFL轮廓曲线的变化。
图6. MIF的形状可调性。WH随（a）压力、（b）气缸直径、（c）环厚度的变化。HPW和H的点云图：（e）压力调节、（f）气缸约束、（g）环约束。
图7. FFL封装微型LED的光学性能模拟。（a）光学模拟模型。（b）平面封装和单峰FFL封装的LEE和LDC。（c）平面封装和单峰FLL封装的发光机制。
图8. MIF在微型LED封装中的应用。（a）不同FFL的微型LED封装示意图。（b）不同FFL的微型LED封装的LEE和LDC，插入图描绘了FFL的形状。（c）五点III FFL封装和平面封装的微型LED的光学性能比较，插入图描绘了微型LED封装的图像。
结论
在这项研究中，提出了一种创新的MIF概念，以实现模具加工和FFL成形的集成。可变形薄膜在压力驱动条件下被成形为所需的FFL，然后用作软模具以实现FFL的原位成型。这种方法克服了模板辅助成型的缺点，模板辅助成型需要不同的模具用于不同的FFL。压力调节对特征参数的改善效果比温度调节更为显著，H和HPW分别增加了238%和42%。该工艺引入了圆柱、环和组合约束结构，为薄膜提供点、线和表面约束，从而能够制造更复杂形状的FFL，如双峰、梯形峰、三峰和阶梯峰。圆柱和圆环的SP分别为18.4和17，分别是压力调节的7.6和7倍。这表明引入约束结构可以大大提高FFL的形状可调性。TracePro模拟表明，五点III FFL为Mini LED提供了最显著的光学性能改进。实验结果表明，与平面封装相比，五点III FFL封装的LEE高9.8%，LDC低31.3%。简而言之，MIF为各种复杂形状FFL的灵活制造提供了一种简单有效的解决方案，最大限度地减少了对模具设计和加工的需求。这种方法为开发人员开辟了新的可能性
