高折射奈米粒子及墨水技術

 

刊登日期:2021/4/5
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陳相睿/工研院材化所
 
折射率對於光學設計與應用是一個很重要且基礎的特性。近年來,許多領域對於高折射材料需求越來越高,例如:高反射與抗反射塗層材料、光學黏著劑、照明等。高折射材料種類很多,包含有機的高分子系統、無機系統與有機無機混成系統等。通常無機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,本文將從高折射材料現況來論述材料製作與未來應用技術。
 
【內文精選】
前 言
光因折射率產生變化在日常生活中隨處可見,例如:水中物體看起來像斷成兩截(圖一)。折射率決定了光學元件的性質,幾乎是光學領域的根本。關於折射率的學術研究更是不勝枚舉。折射率決定了材料交界面的反射大小,當兩個材料折射率差異越大,交界處的折射就越高,例如空氣折射率為1、玻璃大約1.45,兩者差距不大,界面折射很小,所以幾乎完全透明,但玻璃跟空氣依舊有4%左右的折射,所以我們看螢幕的時候還是有反光,如果螢幕材料的折射率可以更低,就能減少反光。另一方面,太陽能電池的主要材料矽晶圓,矽的折射率大約為3.4,空氣跟矽的折射率差距很大,因此一束光從空氣照射到矽表面,會有40~60%光被反射回去,無法轉換成電能,這也是矽太陽能電池表面要做各式各樣抗反射層的原因。本篇文章將針對高折射奈米材料做簡述並介紹其更多技術運用。
 
高折射材料運用技術與業界狀態
目前世界上對於有機無機摻合高折射率材料的製作方興未艾。而高折射材料(High N Material)主要都是運用在具發光源的元件上,如:交通號誌、手電筒及車燈等照明設備。主要是因為發光源(LED)晶片內部發光效率可達90%以上,但由於晶片與封裝材料之折射率差異大,造成光線於材料界面處產生大量全反射,外部取光效率因此普遍偏低。LED晶片之折射率約為2.5~3.5(如圖二),環氧樹脂封裝材料之折射率約1.5~1.6,當光源進入較低折射率材料,因入射角比臨界角大,光源遵守折射定律而產生全反射,在內部曲繞造成光能耗損(如圖三)。
 
圖三、LED晶片對於封裝材之折射率圖
圖三、LED晶片對於封裝材之折射率圖
 
如果環氧樹脂折射率可提升至1.8,則LED整體發光效率可以提升40%。因此開發高折射率封裝材料為應用於照明產業很重要之課題。
 
目前業界高折射材料供應商整理如表一所示,簡述如下。
3. 日本的日東電工(Nitto Denko):
發展出高折射率熱固性高分子材料,折射率高達1.76。日東電工宣稱該材料為世界上折射率最高之高分子材料,並且具有良好之加工性以及透明度,受熱固化之後也具有良好之氣密性與機械強度,因此可應用於OLED的封裝,並且作為亮度加強膜使用。
 
高折射奈米材料與噴墨技術
噴墨印刷(Inkjet Printing; IJP)製程在近年來逐漸吸引眾人的注意,同時也伴隨著許多的挑戰,包括:IJP設備精度、液滴尺寸與墨水配方等,都大大影響了材料噴印的表現。隨著噴印技術日漸成熟,已有廠商成功地將噴印技術運用於OLED面板製程上,後續更有將此技術搭配QD-LED使用,種種跡象顯示,IJP製程在未來會逐漸扮演著重要的角色。
 
目前工研院材料與化工研究所在IJP噴塗墨水開發上初步有不錯成果,如圖十一,具有以下特點:①溶液色澤:無~深黃色;②溶劑穿透度(可見光區)>79.7%;③Film材(on Glass厚度<500 nm)穿透度:91.1%;④溶劑沸點:200±10˚C;⑤表面張力:34.5±5 dynes/cm;⑥Film材折射率:1.7~2.0…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十一、工研院材化所於IJP噴塗高折射材料墨水開發成果
圖十一、工研院材化所於IJP噴塗高折射材料墨水開發成果
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》412期,更多資料請見下方附檔。

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