CN110295045B - 高效率光转换材料 - Google Patents

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Abstract

现有技术添加TiO2光散射粒子虽有助于提升光转换层的发光强度，但却反而造成光转换层的(光)转换效率的下降。本发明提出一种高效率光转换材料，应用作为发光二极管组件之中的光转换层，并于结构上包括：一聚合物基质、分散于该聚合物基质之中的多个三维光子晶体、与分散于该聚合物基质之中的多个量子点。其中，所述三维光子晶体藉由令多颗聚合物微球完成一自组装堆栈而制得。并且，实验数据证实，相较于已知的光转换层，由本发明的高效率光转换材料制成的光转换层显示出高发光强度与高转换效率的优势。

Description

高效率光转换材料
技术领域
本发明关于光转换材料的相关技术领域，尤指使用量子点作为光转换媒介的一种高效率光转换材料。
背景技术
发光二极管(Light-emitting diode,LED)为目前广泛应用的发光二极管，由于其具有体积小、使用寿命长等优点，因而被广泛地应用于人类的日常生活之中。众所周知，传统的LED组件使用荧光粉作为光转换材料。值得注意的是，随着量子点(Quantum dot,QD)的制造技术越发成熟，以量子点作为光转换材料的量子点发光二极管(Quantum dots light-emitting diode,QLED)逐渐受到重视。
图1为显示由中国 台湾专利公开号TW201540792A所揭示的量子点发光二极管的侧面剖视图。已揭示的量子点发光二极管1’于结构上包括：一绝缘主体14’、一导线架12’、一LED晶粒10’、一封装胶体17’、以及包括封装材料16’与多个量子点18’的光转换层LC’。值得注意的是，封装材料16’之上更覆有一水气阻障层 24’，且该水气阻障层24’之上可进一步设置一透镜(未图示)。于已揭示的量子点发光二极管1’之中，量子点18’的尺寸分别被控制在5-20nm及2-10nm左右，使得两种不同粒径大小的量子点18’在受到LED晶粒10’发出的短波长色光的激发之后，分别放射出红光与绿光以令所述量子点发光二极管1’发出由短波长色光、红光与绿光所混成的白光。
可惜的是，LED晶粒10’发出的蓝光(短波长色光)仅有少部分会被量子点18’转换成红光或绿光，而绝大部分的蓝光会直接穿过封装材料16’。图2显示光激荧光(Photoluminescence,PL)光谱图。如图2所示，以短波长色光(紫蓝光)照射该光转换层LC’之后，通过光转换层LC’所放射出的紫蓝光的强度远大于两种光激荧光(亦即，绿光与红光)的强度；显然，实际的数据显示已知的量子点发光二极管1’具有发光均匀度不佳的重大缺陷。进一步地，图3为显示量子点发光二极管的侧面剖视图。为了提升量子点发光二极管1’的发光均匀度，QD-LED制造商特别于封装材料16’之中添加所谓的光散射粒子19’(lightscattering particles)，例如：二氧化钛(TiO2)粒子、硫酸钡(BaSO4)粒子、二氧化硅(SiO2)粒子、或者氧化铝(Al2O3)粒子。
继续地参阅图4与图5；其中，图4为显示量子点浓度相对于发光强度的关系图，而图5则显示光散射粒子浓度相对于发光强度以及转换效率的关系图。由图 4的实验数据可以发现，于量子点发光二极管1’的封装材料16’之中添加1wt％的光散射粒子19’的确能够显着提升量子点发光二极管1’的发光强度。并且，图5 的实验数据同时指出，量子点发光二极管1’的发光强度会随着光散射粒子19’的浓度增加而提升。然而，值得注意的是，光转换层LC’的转换效率并未随着光散射粒子19’的浓度增加，反而下降。
由上述说明可以得知，实有必要对现有应用于量子点发光二极管1’之中的光转换层LC’进行改良，令所述光转换层LC’可以基于高转换效率的情况下提升量子点发光二极管1’的发光效率。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成本发明的一种高效率光转换材料。
发明内容
现有技术添加TiO2光散射粒子虽有助于提升光转换层的发光强度，但却反而造成光转换层的(光)转换效率的下降。本发明提出一种高效率光转换材料，应用作为发光二极管组件之中的光转换层，并于结构上包括：一聚合物基质、分散于该聚合物基质之中的多个三维光子晶体、与分散于该聚合物基质之中的多个量子点。其中，所述三维光子晶体藉由令多颗聚合物微球完成一自组装堆栈而制得。并且，实验数据证实，相较于已知的光转换层，由本发明的高效率光转换材料制成的光转换层显示出高发光强度与高转换效率的优势。
为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述高效率光转换材料的一第一实施例，用以对一色光进行波长转换，并包括：
一聚合物基质；以及
多个三维光子晶体，分散于该聚合物基质之中并具波长转换功能；其中，该多个三维光子晶体之中的每一个包括：
多颗聚合物微球；及
多颗量子点，覆于每一个聚合物微球的表面之上；
其中，所述三维光子晶体藉由令表面覆有该多颗量子点的该多颗聚合物微球完成一自组装堆栈而获得。
并且，为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述高效率光转换材料的一第二实施例，用以对一色光进行波长转换，并包括：
一聚合物基质；
多个量子点，分散于该聚合物基质之中；以及
多个光散射单元，分散于该聚合物基质之中；
其中，所述光散射单元为一三维光子晶体；并且，所述三维光子晶体为借由令该多颗聚合物微球完成一自组装堆栈而获得。
进一步地，为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述高效率光转换材料的一第三实施例，用以对一色光进行波长转换，并包括：
一聚合物基质；
多个量子点，分散于该聚合物基质之中；以及
多个光散射单元，分散于该聚合物基质之中；
其中，所述光散射单元为一反式三维光子晶体(Inverse photonic crystal)，且该反式三维光子晶体包括：
一三维散射体；及
形成于该三维散射体之中的多个孔洞。
附图说明
图1为显示由中国 台湾专利公开号TW201540792A所揭示的量子点发光二极管的侧面剖视图；
图2为显示光激荧光(Photoluminescence,PL)光谱图；
图3为显示量子点发光二极管的第二侧面剖视图；
图4为显示量子点浓度相对于发光强度的关系图；
图5为显示光散射粒子浓度相对于发光强度以及转换效率的关系图；
图6为显示具有本发明的一种高效率光转换材料的第一实施例知发光二极管的侧面剖视图；
图7A为显示的三维光子晶体的示意图；
图7B为显示三维光子晶体的示意性立体图；
图8为显示三维光子晶体的工艺示意图；
图9为显示具有高效率光转换材料的第二实施例的发光二极管的侧面剖视图；
图10为显示散射单元的示意性立体图；
图11为显示具有高效率光转换材料的第三实施例的发光二极管的侧面剖视图；
图12为显示光散射单元的侧面剖视图；
图13A与图13B为显示反式三维光子晶体(光散射单元)的工艺示意图；
图14为显示光激荧光(Photoluminescence,PL)光谱图；以及
图15为显示量子点浓度相对于发光强度的关系图。
其中附图标记为：
2 发光二极管
24 绝缘主体
22 导线架
20 LED晶粒
1 光转换层
11 聚合物基质
13b 三维光子晶体
14 聚合物微球
S 溶剂
Sb 基板
12 量子点
13a 光散射单元
13 光散射单元
131 三维散射体
132 孔洞
13p 三维光子晶体
1’ 量子点发光二极管
14’ 绝缘主体
12’ 导线架
10’ LED晶粒
17’ 封装胶体
16’ 封装材料
18’ 量子点
LC’ 光转换层
24’ 水气阻障层
19’ 光散射粒子
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种高效率光转换材料，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
第一实施例
图6显示具有本发明的一种高效率光转换材料的第一实施例知发光二极管的侧面剖视图。如图6所示，该发光二极管2包括：一绝缘主体24、一导线架22、一LED晶粒20、以及由本发明的高效率光转换材料所制成的一光转换层1。该光转换层1包括：一聚合物基质11与分散于该聚合物基质11之中的多个三维光子晶体13b。聚合物基质11的工艺材料为常见的透光材料，包括：聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃共聚物(Cyclo olefin coplymer,COC)、环嵌段共聚物(Cyclic blockcopolymer, CBC)、聚乳酸(Polylactic acid,PLA)、聚酰亚胺(PI)、前述任两者的组合、或前述任两者以上的组合。
请同时参阅图7A所显示的三维光子晶体的示意图。特别地，本发明的三维光子晶体13b具有波长转换的特殊功能；并且，于组成上，此三维光子晶体13b 包括多颗聚合物微球(polymer beads)14与吸附于每一个聚合物微球14表面之上的多颗量子点12。另一方面，于工艺上，所述三维光子晶体13b可通过完成该多颗聚合物微球14的一自组装工艺而制得。必须强调的是，本发明不限定自组装工艺的技术方法，其可以是重力沉降法(Self-assembly gravity sedimentation)、电泳法(Electrophoretic self-assembly)、或蒸发对流沉积法(Evaporation induced self-assembly)。图8显示三维光子晶体的工艺示意图。举例而言，以蒸发对流沉积法实现所述自组装工艺，则具备波长转换功能的三维光子晶体13b可通过以下工艺步骤获得：
(1)令多个量子点12吸附至一聚合物微球(polymer beads)14的表面上；
(2)将表面覆有量子点12的多颗聚合物微球14与一溶剂S(例如：乙醇)置入一容器内，并于该容器内置入一基板Sb；
(3)将该溶剂S蒸发，则表面覆有量子点12的多颗聚合物微球14即于该基板 Sb之上自组装成为所述三维光子晶体13b。
继续参阅图7B所显示的三维光子晶体的示意性立体图。必须特别说明的是，虽然图7A显示三维光子晶体13b为球形结构，但那只是示范性的表示三维光子晶体13b的外貌，并非限制三维光子晶体13b必须为球形结构。举例而言，于该基板Sb设计例如沟槽等特殊图案(pattern)，则可于蒸发对流沉积的过程中令表面覆有量子点12的多颗聚合物微球14自组装成为如图7B所示的一个六方最密堆积结构的三维光子晶体13b。
并且，必须强调的是，本案的技术特征在于提出则具备波长转换功能的三维光子晶体13b，并非在于三维光子晶体13b的制造材料、流程或其外观结构上的限定。因此，所述聚合物微球14可以是聚苯乙烯微球(polymer bead made of PS) 或聚甲基丙烯酸甲酯微球(polymer bead made of PMMA)。值得注意的是，为了令量子点12可以更加容易地吸附至聚合物微球14的表面，工艺上可利用水解 (hydrolysis)等方法将聚甲基丙烯酸甲酯微球转化为表面带羧基的聚甲基丙烯酸甲酯微球(PMMA bead having carboxyl)。同样地，聚苯乙烯微球(polymer bead made of PS)也可通过水解而被转化成表面带羧基的聚苯乙烯微球。另一方面，利用磺化工艺(Sulfonation)也可以将聚苯乙烯微球转化成表面带有负电性的磺化聚苯乙烯微球。
再者，图7A所示的量子点12可以是绿光量子点、红光量子点、或绿光量子点与红光量子点的混合。若为红光量子点，则其具有范围介于5nm到20nm之间的尺寸大小；相对的，若为绿光量子点，则其尺寸大小为2-10nm。常用的量子点的示范性材料列于下表(1)之中。
表(1)
Figure BDA0001606809220000061
Figure BDA0001606809220000071
熟悉量子点发光二极管(QD-LED)设计与制造的工程师应该知道，图6所示的LED晶粒20通常为蓝光LED、蓝紫光LED、或紫光LED，而图7A与图7B所示的量子点12则用以将LED晶粒20所发出的短波长色光转化为绿光或红光。根据这个物理基础，本案的另一技术特征在于:利用以下数学表达式(1)决定聚合物微球14的尺寸大小；并且，下表(2)整理了数学表达式(1)之中的各参数的意义。
Figure BDA0001606809220000072
表(2)
Figure BDA0001606809220000073
长期涉及聚合物微球14设计与制造的材料工程师都知道，功能性聚合物微球14(functionalized polymer beads)能够应用在许多高科技领域，例如：药物定向输送系统、生物分子标记与示踪剂、高性能聚合物涂料与油墨、及有机/无机复合材料。并且，已知的聚合物微球14的制造方法被分为三种：乳化聚合、分散聚合与悬浮聚合。举例而言，以分散聚合法制备所述聚合物微球14，则包含以下工艺步骤：
(1a)将分散剂(polyvinylpyrrolidone,PVP)、溶剂(Ethanol)、与去离子水加入一反应容器之中；
(2a)利用水浴法，于65℃的的反应温度下搅拌该反应容器内的混合溶液，持续1小时；
(3a)将苯乙烯单体(styrene monomer)与起始剂(Azobisisobutyronitrile,AIBN)加入该反应容器内；
(4a)在一氮气环境中搅拌该反应容器内的混合溶液，持续12小时；以及
(5a)对该反应容器执行一离心工艺，而后取出多颗聚苯乙烯微球。
并且，长期涉及聚合物微球14设计与制造的材料工程师都知道，随着分散剂用量的增加，最终获得的聚合物微球14的尺寸大小对应地缩小。因此，根据 LED晶粒20所发出的色光的波长大小，吾人可事先规划聚合物微球14的尺寸大小，以对应地调整分散剂用量。
第二实施例
图9显示具有高效率光转换材料的第二实施例的发光二极管的侧面剖视图。如图9所示，该发光二极管2包括：一绝缘主体24、一导线架22、一LED晶粒20、以及由本发明的高效率光转换材料所制成的一光转换层1。该光转换层1包括：一聚合物基质11、分散于该聚合物基质11之中的多个量子点12、以及分散于该聚合物基质11之中的多个光散射单元13a。图10为显示光散射单元的示意性立体图。由图9与图10可知，该光散射单元13a于第二实施例的架构之中为一三维光子晶体；并且，所述三维光子晶体藉由令该多颗聚合物微球14完成一自组装堆栈而制得。
第三实施例
图11为显示具有高效率光转换材料的第三实施例的发光二极管的侧面剖视图。如图11所示，该发光二极管2包括：一绝缘主体24、一导线架22、一LED 晶粒20、以及由本发明的高效率光转换材料1所制成的一光转换层。该光转换层 1包括：一聚合物基质11、分散于该聚合物基质11之中的多个量子点12、以及分散于该聚合物基质11之中的多个光散射单元13。图12为显示光散射单元的侧面剖视图。由图11与图12可知，该光散射单元13于第三实施例的架构之中为一反式三维光子晶体，其于结构上包括：一三维散射体131以及形成于该三维散射体 131之中的多个孔洞132。
图13A与图13B显示反式三维光子晶体(光散射单元)的工艺示意图。所述反式三维光子晶体同样是基于自组装工艺而制得，具体上包括以下工艺步骤：
(1c)备好多颗聚合物微球14；
(2c)将该多颗聚合物微球14与一溶剂S(例如：乙醇)置入一容器内，并于该容器内置入一基板Sb；
(3c)将该溶剂S蒸发，则该多颗聚合物微球14即于该基板Sb之上自组装成为一个三维光子晶体13p；
(4c)利用化学气相沉积或溶液涂布法，于基板Sb上形成一三维散射体131 以包覆所述三维光子晶体13p；
(5c)对前述步骤(4c)的产物进行锻烧，以自该三维散射体131之中除去该三维光子晶体13p；
(6c)将前述步骤(5c)的产物进行基板Sb去除程序与粉碎程序之后，即获得多个包括三维散射体131与多个孔洞132的反式三维光子晶体(光散射单元13)。
必须补充说明的是，用以形成三维散射体131的工艺材料可以是下列任一者：氧化锌(ZnO)、钛酸锶(SrTiO3)、硫酸钡(BaSO4)、氧化铝(Al2O3)、二氧化铪(HfO2)、二氧化硅(SiO2)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化铟(In2O3)、前述任两者的组合、或前述任两者以上的组合。
第一验证实验
为了验证本发明的高效率光转换材料是否真的有助于改善应用于量子点发光二极管之中的光转换层的光转换效率，本案发明人完成了第一验证实验。第一验证实验包含光转换层的三个样品，其有关基本信息整理于下表(4)之中。
表(4)
Figure BDA0001606809220000091
Figure BDA0001606809220000101
图14为显示光激荧光(Photoluminescence,PL)光谱图。并且，样品1、样品2 与样品3的光转换层于波长630nm附近的实验数据整理于下表(5)之中。
表(5)
Figure BDA0001606809220000102
比较样品1与样品2的实验数据可以发现，添加TiO2光散射粒子于光转换层之中的确是有助于提升光转换层的发光强度(72,386→81,898)，但是却反而造成光转换层的转换效率下降(28.52％→26.63％)。另一方面，比较样品2与样品3的实验数据可以得知，若以本发明的第三实施例所揭示的反式三维光子晶体(光散射单元13)作为主要的光散射粒子，则可以同时提升光转换层的发光强度 (72,386→100,159)与转换效率(28.52％→31.69％)。
第二验证实验
为了验证本发明的高效率光转换材料是否真的有助于改善应用于量子点发光二极管之中的光转换层的光转换效率，本案发明人又完成了第二验证实验。第二验证实验同样包含光转换层的三个样品，其有关基本信息整理于下表(6)之中。
表(6)
Figure BDA0001606809220000103
图15为显示量子点浓度相对于发光强度的关系图。必须特别说明的是，发明人于现阶段仅完成样品3a的光转换层的一组实验数据。即使如此，仍可由图 15得知，相对于样品1与样品2的光转换层，本发明的第三实施例的光转换层显示出高发光强度与高转换效率的优点。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的高效率光转换材料；并且，经由上述可知本发明具有下列的优点：
(1)添加TiO2光散射粒子虽然有助于提升光转换层的发光强度，但却反而造成光转换层的(光)转换效率的下降。本发明提出一种高效率光转换材料，应用作为发光二极管组件之中的光转换层，并于结构上包括：一聚合物基质、分散于该聚合物基质之中的多个三维光子晶体、与分散于该聚合物基质之中的多个量子点。其中，所述三维光子晶体藉由令多颗聚合物微球完成一自组装堆栈而制得。并且，实验数据证实，相较于现有的光转换层LC’(如图3所示)，由本发明的高效率光转换材料制成的光转换层(如图9所示)显示出高发光强度与高转换效率的优势。
必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种高效率光转换材料，用以对一色光进行波长转换，其特征在于，并包括：
一聚合物基质；以及
多个三维光子晶体，分散于该聚合物基质之中并具波长转换功能；其中，该多个三维光子晶体之中的每一个包括：
多颗聚合物微球，其中，所述聚合物微球为下列任一者：聚甲基丙烯酸甲酯微球、表面带羧基的聚甲基丙烯酸甲酯微球、磺化聚苯乙烯微球、或表面带羧基的聚苯乙烯微球；及
多颗量子点，覆于每一个聚合物微球的表面之上；其中，所述三维光子晶体为借由令表面覆有该多颗量子点的该多颗聚合物微球完成一自组装堆栈而获得的一六方最密堆积结构的三维光子晶体。
2.如权利要求1所述的高效率光转换材料，其特征在于，该聚合物基质的制造材料为下列任一者：聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、环嵌段共聚物、聚乳酸、或聚酰亚胺。
3.如权利要求1所述的高效率光转换材料，其特征在于，该聚合物微球的尺寸利用以下数学表达式计算而得：
Figure FDA0003394924230000011
其中：
D为该聚合物微球的尺寸；
λ为该色光的波长；
m为该色光的一衍射级数(order of diffraction)；
θ为该色光对于该三维光子晶体的一入射角；以及
neff为该聚合物微球的一等效材料折射率。
4.如权利要求1所述的高效率光转换材料，其特征在于，该聚合物微球为下列任一者：聚甲基丙烯酸甲酯微球、表面带羧基的聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚苯乙烯微球、磺化聚苯乙烯微球、或表面带羧基的聚苯乙烯微球。
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