低黏度高分散–IJP噴印材料技術：材料世界網

施偉志、陳相睿 / 工研院材化所

折射率材料的使用可減少發光源與封裝材(填平層)因折射率落差造成之光損失。本文將以折射率材料的技術原理為引言，接續介紹工研院材化所開發具折射率之低黏度、高分散有機無機奈米材料技術，並將其運用於量子點墨水以提升其分散性與穩定性，延長IJP噴塗製程使用使間，完成元件製作。

【內文精選】

折射率與LED封裝

折射率(Refractive Index; n)不僅是一個重要的光學參數，也是物質的特徵之一，不同的物質具有不同的折射率，且折射率與光的頻率有關。標準折射率是指光波長為589 nm(即鈉原子光譜中的雙黃線)條件下測量得到的折射率。折射率亦與溫度、壓力或應力、物質組成(例如雜質含量)等有較弱的關聯。

當折射率的差異越大，其全反射的角度越小，意即LED產生的光會因為全反射而被留在晶片內，轉變為熱的形式造成元件溫度升高，導致元件發光效率變差並縮短使用壽命。為了增加更多的光可以由垂直界面射出以提高光使用效率，會將封裝元件做成圓型，甚至會利用雷射或是乾蝕刻方式在表面增加光柵等微結構增加內部取光效率(圖二(a))。除此之外，亦可以增加封裝材料的折射率來提高取光效率。LED的折射率約為2.0~3.5之間，廣泛應用的藍光GaN晶片折射率為2.5，空氣的折射率為1，此時出射角度超過24度就會產生全反射(圖二(b))。如果以折射率為1.5的材料進行封裝，就可以將全反射提高到36.9度；如果將封裝材料的折射率提高到1.8，則可再將LED的發光效率提高40%。

圖二、(a) LED結構示意圖；(b) LED對封裝材料的全反射示意圖

折射率材料與應用

隨著科技進步以及通訊產業的發達，人們除了要求相關產品必須具備強大的功能之外，更希望產品能夠輕薄短小，因此平面顯示器逐漸取代了CRT顯示器；光通訊系統的資料處理速度遠超過傳統電訊系統，並且具備低雜訊以及不易被干擾攔截之特性，而逐漸在通訊產業嶄露頭角。未來電子商品的發展趨勢將會是低能耗高功率，為達降低光通訊傳輸的能量損耗和提升發光元件的光源亮度，材料的功能性設計是最具經濟效益的做法。

有機無機低黏度取光材料與噴墨技術

如何將折射率材料導入IJP系統使用，亦是在製程整合上一大重點與突破。適用於IJP系統(實驗機台Dimatix)之材料需符合以下特性：①溶劑為高沸點溶劑(bp: 180~200˚C)；②黏度不可過高或過低，範圍介於8~15 cP；③溶劑表面張力不可過高，約介於28~40 dyn/cm；④最重要是分散穩定性(不沉澱、結晶析出)，避免噴塗時造成塞孔。

粒子材料合成開發上，以Sol-Gel方式合成可使粒子具有較佳的尺寸控制性，且方便快速進行粒子外部官能基改質修飾，能做多樣變化與接枝結構設計，增加粒子的分散性與穩定性。另一重點關鍵樹脂材料，必須兼顧低黏度(Low Viscosity)、耐熱性與可UV固化，材料設計選擇上，會以矽氧壓克力為主體進行搭配組合。除了在材料設計選擇外，工研院材料與化工研究所加入了光學模擬計算平台，利用光學模擬計算出最佳的光學散射粒子尺寸，經由實驗室合成控制其尺寸大小，再結合控制矽氧烷鏈長度與比例控制黏度，透過官能基的比例調控和無機粒子的串聯結合，以提升粒子在配方的分散性，解決粒子在低黏度系統易沉降問題。

透過材料技術發展與改良，達成無機粒子在高含量下於有機無機折射率材料系統中具低黏度與高分散穩定性，不會形成凝膠化黏度巨幅上升現象。將此材料技術運用於量子點墨水作為光學散射材料，能有效解決現行量子點墨水分散與沉降問題。透過低黏度量子點IJP墨水材料的黏度穩定性監控驗證，30天的黏度變化由8.89 cP變為13.3 cP，不僅具備低黏度，且可長時間保存並無黏度大幅上升問題；而於分散穩定性表現上，量測結果25天分散穩定係數(TSI)為1.9，大幅降低沉降問題。最終實際噴塗於Bank元件基板(圖七(a))，以現有商品測試可連續噴塗時間約為7天，而透過工研院材化所技術改良可延長至11天；完成噴塗後，透過UV光固化後即可完成元件製程，以白光干涉儀量測單點Pixel厚度為18.3±0.2 μm(圖七(b))，達成高厚疊層目標 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。