楊智仁 / 工研院材化所
發光二極體(LED)因其節能、演色佳與使用壽命長等優點，早已普及到我們日常生活中，但有個仍持續困擾使用者的問題，就是其發光效率不佳。因為LED發光材料與封裝材料的折射率落差，造成光損失，故需要設法從LED「取出」更多光以提升使用效率。本文先介紹折射率以及取光之需求與原理，再來蒐集現今市面高折射率材料發展現況。
【內文精選】
折射率與材料
有機系統的高折材料大多以高分子系列為主，一般高分子折射率通常介於1.40~1.65之間，而實際應用如CMOS感測器，其折射率高於1.7~1.8，LED元件也需要高折材料彌補其磊晶(n = 2.5~3.5)與外側封裝(n = 1.4~1.6)的折射率差。
有機材料常以引入硫元素來提高折射率。以環氧樹脂來講，多元硫醇化合物硬化環氧樹脂是折射率較高之環氧樹脂，另外也有一類環硫型光學樹脂折射率還能突破1.70；而除了早期用於環氧樹脂以外，近幾年也有人在其他Polymer導入硫元素，像是Liping Jiang和Ruixia Kong等人發表將硫元素直接接上苯乙烯或分散在聚苯乙烯，利用分散或接枝都可以提高薄膜折射率，而其中以硫先與苯乙烯接枝後再分散到聚苯乙烯後所製成的薄膜，折射率最好。
另外像是Polyimide也能以導入硫元素、鹵素或是掛一些多環側鏈來提高折射率。Pushan Wen和Rui He等人則發表了以側鏈雙Fluorene與Dianhydride合成出高折射率Polyimide材料，透過先合成出兩種具有螺二Fluorene之新Diamine，經過和適當的Dianhydride聚合，也能得到折射率大於1.7的PI。
何謂「取光」?
現在已發展出許多不同光色之LED材料，大多數LED半導體材料的折射率相當高，因此幾乎在所有情況下，發自LED的光都必須穿過比它自身折射率低很多的介質。LED材料折射率大約至少2.5~3.5以上甚至接近4.0，一般常用的封裝材料中，環氧樹脂之折射率約為1.5~1.6，聚矽氧烷類大約1.4~1.5。當光源從高折射率材料進入較低折射率材料，依司乃耳定律(Snell’s Law)，若n1為高折射率、n2為低折射率，在LED元件內當θ1達到某一角度θc (<90°)，θ2即已達到90°，造成在n1材料內θc~90°的發光都會發生全反射而不會進入n2材料內；n1和n2材料的折射率落差越大θc就越小，所以可知LED本身發出的光很多都全反射回晶體內並以熱能形式排出。如此除了使元件發光效率低落以外，也造成元件或產品使用上的高溫，導致不必要的能源浪費且使元件使用壽命縮短。至於封裝材料與外部空氣的介面，目前都是將封裝材料做成半圓球(如圖三)，使光路可以和介面垂直射出，此法僅會造成少量反射損失，所以真正主要的光損耗還是來自於LED晶體和封裝材料之間。
圖三、LED半球形封裝示意圖
當前高折材料介紹
2. Kriya Materials
以開發金屬氧化物奈米粒子起家的荷蘭Kriya Materials也推出該公司的高折射率(High Refractive Index; HRI)塗層，是一種聚甲基丙烯酸型樹脂產品，據了解也是透過導入奈米粒子以增加樹脂之折射率。該複合型樹脂是一種中等固含量、溶劑型、紫外線固化、光學透明塑膠薄膜塗層。對於玻璃來說，它是一種無機熱固化塗料，折射率(RI)可在1.65~1.95之間調整。該塗層可於各種光學、照明應用，例如：光輸入/輸出、壓印和用於匹配元件RI之抗彩虹紋塗料。
7. SHIKOKU KASEI HOLDINGS CORPORATION
日本四國化成工業株式會社成立於1947年，生產化學品、建材等相關之原料，其中特別以無機化學、有機化學、碳二硫化物、硫磺和硫酸鈉為其化學品主力產品。該公司推出了新型高折射單體添加劑ReX系列，單體折射率落在1.64~1.70，其結構示意圖如圖八，可應用在Radical系統，都低黏度易於添加。
圖八、四國化學高折單體結構示意圖
12. DAICEL Corporation
DAICEL也有推出一款可用於Index Matching的Coating材料，可廣泛使用於觸控面板、顯示器與LED照明。其為不含無機奈米粒子純有機塗料，黏度低、折射率>1.70@589.3 nm，透光率>95%@400 nm，硬化收縮率落在4.4~8.0%，黏度20~1,000 cps間都可以調控，附著力>30 MPa，水氣穿透率36~78 g/m2·24 h。此產品在台灣由崇越電通代理，可協助客製化UV固化波長與黏度。
13. Asahi-Lite Optical Co., Ltd.
Asahi-Lite成立於1980年，是一家做眼鏡鏡片的廠商，由於從成立以來就致力於開發塑膠高折射率鏡片，成為全球第一家生產1.60折射率、1.67折射率和1.74折射率鏡片的製造商。雖然目前還沒有用於面板或照明封裝，但因其是塑膠材質，可以達到折射率1.74，所以仍值得關注---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》448期，更多資料請見下方附檔。