高折射率材料技術及其應用

 

刊登日期:2016/6/5
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折射率對於材料在光學設計與應用上是一個很重要且基礎的特性。近幾年來,許多領域對於高折射率的光學材料需求越來越高,例如,高反射與抗反射塗層材料、光學黏著劑、鏡片與照明等。高折射率材料種類很多種,包含有機高分子系統、無機高分子系統與有機無機混成系統等。通常無機高分子系統擁有較高的折射率但缺點也較多,而有機高分子系統則有較多的優點但折射率相對低,如何兼顧高折射率又保有好的材料特性是一重要材料技術。本文將針對高折射率材料技術及其應用進行介紹。
 
有機高分子系統
有機系統的高折材料大多以高分子系列為主,一般來說,高分子的折射率通常介於 1.4~1.65 之間;然而,在實際應用如 CMOS感測器,其折射率需高於 1.7,甚至達到 1.8;或是 LED元件中需要高折材料彌補 LED晶磊(n:2.5~3.5)與外側封裝(n:1.4~1.6)之間的折射率差異,以增加元件的內部取光效率,因此如何提升高分子折射率為一大課題。
 
無機系統
材料折射率是與光波長息息相關之物理參數,表二列出較常見的無機高折射率材料在不同波長下之折射率。雖然 Si、Ge、GaP、InP 與 PbS 擁有較高之折射率,但在可見光範圍內其吸收係數也相對是高的,其適當的光學應用範圍是在 IR 與 Near-IR 範圍。而一般無機系高折材料是使用 CVD鍍膜方法來製備,此方法通常需要在高溫的條件下進行,且鍍膜速度慢,要製作厚膜高折射率材料相對困難。然而這些無機材料透過適當方法能夠與有機材料進一步結合,提升有機材料之折射率。
 
有機無機混成系統
鑑於純有機高分子難以達到高折射率,加上無機鍍膜縱使有高折射率;但本質上低可撓性與高密度(>2.5 g cm3)皆使後續應用遇到製程上的困難。有機無機混成系統可同時包含有機高分子輕量、可撓曲、高耐衝擊性與製程簡便,與無機材料高折射率(n=2.0~2.5)、高耐化性與高耐熱性等優點;且透過複合材料的設計可輕鬆調控折射率、物性與化性。

在有機無機混成系統中,最大的問題在於克服高折射率無機材料的導入,對於原有機材料光學性質所帶來的負面影響,如穿透度下降與光散射等問題,如何控制高折無機粒子的顆粒大小與分散性來避免聚集,是一重要材料技術。
 
工研院材化所高折材料能量與應用
因應國內光電以及顯示器廠商對高折材料的需求,針對各類應用,工研院材化所也開發相對應的高折材料,折射率範圍可從 1.69 ~1.81 進行客製化的調整,此材料不同於一般 Sol-gel 製程,能夠穩定保存在室溫的環境下。除此之外,材化所可針對不同的塗佈製程(刮刀、旋轉塗佈等)調整黏度,以符合未來大面積化生產的需求。

表四為材化所幾支高折材料的膜厚、穿透度與折射率規格;圖九為 MCL-R1~R4 的折射率圖譜。雖然刮刀與旋轉塗佈製程常用於一般光電元件,但未來可撓元件勢必走上 Roll-to-Roll 的製程,因此……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

圖九、MCL-R1~R4折射率圖譜


圖十、 (a)OLED取光層結構示意圖;(b)OLED照明面板原型樣品
 
作者:黃耀正、賴昀佑、吳明宗、張德宜 /工研院材化所

★本文節錄自「工業材料雜誌」354期,更多資料請見下方附檔。


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