國科會工程處113年度產學合作計畫優良成果

照亮未來車道的光：從玻璃到矽膠，打造新世代智慧車燈

想像你開車行駛在夜間高速公路上，一輛車燈明亮、角度分布廣泛又不刺眼的汽車迎面而來。這背後，其實蘊含著極為重要的車燈光學設計技術。而這項技術的創新，正是由中正大學先進工具機研究中心葉志庭教授的研究團隊所引領。

這項計畫名為《高耐候可撓曲LSR光學元件設計應用於車燈設計研究》，旨在開發一種使用矽膠(Silicone)材質，兼具輕量、耐熱、可撓曲等特性的光學元件，應用於LED車燈之中。從材料科學、光學設計，到散熱管理，這項研究不只是提升車燈效能，更代表汽車零組件設計邁向更綠色、更智能的新紀元。

創新汽車照明材料

傳統汽車車燈多以鹵素燈為主，雖然成本低廉，但缺點明顯：啟動慢、發熱高、壽命短。隨著LED技術成熟，許多車廠逐漸改用LED作為光源。不過，隨著燈具體積縮小、發光效能提升，對材料的要求也變得更為嚴格。

早期的車燈光學透鏡與外殼多使用玻璃，具備良好耐候性與透明度，但其重量與成本高，對於講求節能減碳與輕量化的車輛設計並不理想。替代材料如PC (聚碳酸酯)與PMMA(壓克力)雖然輕巧、價格便宜，也易於加工，但在高溫環境下容易老化、變黃，難以應付LED長時間運作產生的熱負荷。

解方是什麼？答案是：矽膠(Silicone)。矽膠材料兼具高透明度、耐高溫、耐候性佳、可彎折等特性，將是取代傳統材料的理想選項。而這正是葉教授團隊投入的研究核心：使用矽膠設計光學元件，並將其應用於車燈的TIR(全內反射) 透鏡中。

什麼是TIR？讓光線「聽話」地前進

在傳統LED燈設計中，光線的散射與浪費是必須克服的問題。為了提高光能的使用效率，研究團隊採用TIR原理(Total Internal Reflection)，設計出能精確控制光線出射角度與方向的導光結構。

這種設計的優勢是，不需要使用二次透鏡來矯正光線，能降低重量與成本，同時也提升整體發光效率。實測結果顯示：研究團隊所設計的TIR矽膠透鏡，出光效率高達88%、發光角度超過145°，遠優於傳統透鏡結構。

圖一、LEDs 結構圖 (a) LEDs 搭配矽膠導光層(LGL)模擬的三維結構 (b) 光跡模擬圖。

圖二、輕量化高耐候可撓曲矽膠光學元件設計 (a) 3D示意圖、(b) 三視圖(外觀尺寸 unit: mm)及(c) LSR光跡示意圖。

散熱設計：讓LED「冷靜」發光

LED最大的敵人是什麼？答案不是故障，而是「熱」。若LED長時間處於高溫下，會導致壽命急遽縮短、亮度衰退。葉教授團隊為此設計了新型的散熱鰭片結構，並透過模擬軟體(Solidworks Flow Simulation)優化導熱流動，讓熱能快速的從燈板導出。

測試結果顯示，在3W輸入功率下，LED燈板溫度能穩定控制在65℃以下，確保其長時間穩定運作，並大幅延長整體壽命。這項散熱設計技術也是讓「智慧車燈」能真正落地的關鍵因素。

實驗室到產線：從模擬到實體的落地挑戰

除了設計與模擬，如何讓這套系統成功「商品化」也是本計畫的重要任務之一。研究團隊不僅進行了高效率的矽膠透鏡射出成形工藝優化，幫合作廠商成功開發高耐候可撓曲LSR光學元件，並通過客戶測試驗證，同時也規劃LED電路板的打件、洗板與安裝流程，確保從設計到製造每一關都能高效接軌產線。

圖三、高耐候可撓曲LSR光學元件與應用模組示意圖

教學相長：培育光學與材料的跨領域人才

這項研究也肩負著人才培育的重要任務。在計畫執行期間，團隊訓練碩博士研究生熟悉光學設計軟體(如Speos、LightTools、Tracepro)、熱流模擬工具、材料分析方法，並參與研討會發表成果。兩位碩士生畢業後成功進入業界任職，顯示此研究不僅對學術界有貢獻，更直接連結產業實務需求。

此外，研究成果也在國內外研討會中發表，包括光電精密工程與Metaverse Photonics等專業場合，展現了台灣在車用光學與材料創新的競爭實力。

照明、設計與環保的整合

這項研究對產業與社會的影響，遠不僅於提升車燈效率而已：

• 綠色環保：提升LED使用壽命、降低能源浪費，有助於整體碳足跡減量。
• 車輛輕量化：矽膠比玻璃、PMMA更輕，可減少整車重量，進而提升油耗效率。
• 外型設計自由度提高：可撓曲材質讓車燈造型更加靈活、時尚，符合未來汽車美學趨勢。
• 在地技術落地：本計畫促進產學合作，助攻台灣車燈製造商掌握核心光學技術，提升國際競爭力。

柔軟的矽膠透鏡，開啟智慧車燈新世代

看似簡單的車燈，背後其實蘊含著對材料、光學、熱力學與工程整合的高階挑戰，而這項來自中正大學的創新研究，正是結合理論、設計、模擬與製造的典範案例。

從提升光效與角度，到有效解決散熱與成形問題，再到落實技術轉移與人才培養，葉志庭教授與其團隊用一顆高耐候、可撓曲的矽膠透鏡，為汽車照明寫下未來新篇章。這不僅是學術與產業的結合，更是台灣在精密製造與材料創新上的堅實一步。