TWI643363B

TWI643363B - 波長轉換元件、其製造方法及發光裝置

Info

Publication number: TWI643363B
Application number: TW105133806A
Authority: TW
Inventors: 鄭景太; 郭儒蓮; 任益華
Original assignee: 晶元光電股份有限公司
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-12-01
Also published as: TW201817042A

Abstract

一種波長轉換元件，包含複數個量子點粒子、矽氧樹脂以及複數個含鉑粒子。量子點粒子以及含鉑粒子分散於矽氧樹脂中。量子點粒子包含量子點以及量子點表面的配位基。量子點粒子中量子點或配位基中至少一者包含可能會毒化鉑的化合物。其中，含鉑粒子中鉑的含量至少大於或等於矽氧樹脂於聚合反應所消耗鉑的重量 X及被量子點粒子毒化所消耗鉑的重量 Y。

Description

波長轉換元件、其製造方法及發光裝置

本發明係關於一種波長轉換元件、其製造方法及發光裝置，尤關於一種包含量子點材料及矽氧樹脂的波長轉換元件及其製造方法。

波長轉換材料，例如螢光粉，可以接受一較高能量射線並將其轉換成一較低能量的射線。例如，螢光粉被覆蓋於發光二極體上。螢光粉吸收來自發光二極體的較短波長光，並發射出較長波長光。

量子點材料是另一種波長轉換材料。不同粒徑的量子點材料可發出不同的波長光。此外，量子點材料所發出的光線可具有較小的半高寬（Full Width at Half Maximum；FWHM）。由於量子點材料發出的光線具有較小的半高寬，即表示發出的光線更接近單色光（monochromatic light），適合應用於LCD顯示器上，可以減少被彩色濾光片濾除的光量。

本發明之一實施例係揭露一種波長轉換元件，包含複數個量子點粒子、矽氧樹脂以及複數個含鉑粒子。量子點粒子以及含鉑粒子分散於矽氧樹脂中。量子點粒子包含量子點以及配位基（ligand）。量子點粒子中量子點或配位基中至少其一包含可能會毒化鉑（poisoning Pt ）的化合物。含鉑粒子中鉑的含量至少大於或等於X+Y，其中，X為矽氧樹脂於聚合反應所消耗鉑的重量，Y為被量子點粒子毒化所消耗鉑的重量。

本發明之一另一實施例係揭露一種波長轉換元件的製造方法。包含提供複數個量子點粒子，量子點粒子包含量子點以及配位基；將複數個量子點粒子與含氫基矽基團（Si-H group）混合成第一混合物；將含乙烯基矽基團（Si-vinyl group）以及含鉑粒子與第一混合物混合後，形成第二混合物；以及固化第二混合物以形成矽氧樹脂。

本發明之一另一實施例係揭露一種發光裝置。包含一發光元件，一光反射圍欄，以及一波長轉換元件。發光元件具有一頂面、一底面及複數個側面。光反射圍欄環繞發光元件之複數個側面。波長轉換元件覆蓋發光元件之頂面及光反射圍欄，且包含複數個量子點粒子、一矽氧樹脂以及複數個含鉑粒子。量子點粒子包含量子點以及配位基。量子點粒子中的量子點或配位基至少其一包含可毒化鉑的化合物。含鉑粒子中鉑的含量至少大於或等於X+Y，其中，X為矽氧樹脂於聚合反應所消耗鉑的重量，Y為被量子點粒子毒化所消耗鉑的重量。

第1圖為根據本發明一實施例所揭露之波長轉換元件100的示意圖。波長轉換元件100包含複數個量子點粒子120 、一矽氧樹脂140及複數個含鉑粒子（粒子中包含鉑元素成分）160。複數個量子點粒子120及多個含鉑粒子160分散於矽氧樹脂140中。此外，量子點粒子120包含量子點122以及量子點122表面的配位基（ligand）124。

量子點粒子120可在接受一能量後，以光形態釋放另一能量（通常是光能）。提供給量子點粒子120的能量可以是光能或電能。在一實施例中，量子點粒子120在吸收發光元件，例如：發光二極體（LED）的第一波長後，發出波長較長的第二波長。第二波長的波峰可以是可見光或紅外光。此外，量子點粒子120具有量子侷限（quantum confinement）的特性，再者，藉由改變量子點粒子120的大小可調整發光波長。關於量子點120的結構及材料可參閱說明書[0018]及[0020]段落。

波長轉換元件100可包含單一或多種種類的量子點粒子120。在本中，單一種類的量子點粒子可指量子點122的材料相同，且量子點122的粒徑也大致相同（即發出相近或相同的色光）。多種的量子點粒子120可指量子點122的材料不同或量子點122的材料相同但粒徑不同。在一實施例中，波長轉換元件100包含可發出藍光之量子點粒子120，可發出綠光之量子點粒子120或可發出紅光之量子點粒子120。另一實施例中，波長轉換層140包含可發出綠光及紅光之多種量子點粒子120。另一實施例中，波長轉換層140包含可發出藍光，綠光及紅光之多種量子點粒子120。

波長轉換元件100可為單層或多層結構。在一實施例中，波長轉換元件100為單層結構，單一種類的量子點粒子120或多種的量子點粒子120分散在單一層的矽氧樹脂140中。若多種量子點粒子120分散在單一層的矽氧樹脂140中，不同種類的量子點粒子120間並沒有清楚的界線，可能是隨機地散佈在樹脂層中。若是多種量子點粒子12分別位於多層的矽氧樹脂140中，一層材料層中僅包含有一種量子點粒子120，不同種類的量子點粒子120間存在清楚地界面。此外，量子點粒子120的分布型態也可能是上述二種方式的組合。在另一實施例中，參閱第2圖，波長轉換元件200包含第一波長轉換層220及第二波長轉換層240，且第一波長轉換層220堆疊在第二波長轉換層240之上。第一波長轉換層220包含分散在矽氧樹脂224中的發紅光之量子點粒子222。第二波長轉換層240包含分散在矽氧樹脂244中的發綠光之量子點粒子242。。於一實施例中，光源（圖未示），例如：發光二極體，所發出的光線可由第一波長轉換層220進入，由第二波長轉換層240出光。光源的光線在通過第一波長轉換層220時部分被轉換成紅光，再通過第二波長轉換層240時部分被轉為綠光。藉由此多層結構的設計，可減少綠光被發紅光之量子點粒子222再吸收的機會。

波長轉換元件100可包含除了量子點粒子120之外的波長轉換材料。於一實施例中，其他種類的螢光粉材料（圖未示）與量子點粒子120同時混合於矽氧樹脂140中。例如：以錳四價為活化中心之氟化物螢光粉可發出紅光，與綠光之量子點粒子120同時混合於矽氧樹脂140中。於另一實施例中，其他種類的螢光粉材料（圖未示）與量子點粒子120以分層方式混合於矽氧樹脂140中。例如：可發綠光之氮氧化物螢光粉分散於一矽氧樹脂中，形成在靠近光源處的一螢光粉層，發紅光之量子點粒子120分散於另一矽氧樹脂140中並覆蓋在螢光粉層之上。

波長轉換元件100還可包含光散射粒子（圖未示）。於一實施例中，多顆光散射粒子分散於矽氧樹脂140中。光散射粒子可藉由散射外部光源的光線（第一波長光線），增加第一波長光線於波長轉換元件100內移動的路徑，進而提高一波長光線被波長轉換材料吸收的機率。光散射粒子的材料可包含氧化矽或氧化鈦粒子。

在一實施例中，量子點粒子120在吸收發光元件，例如：發光二極體（LED），的入射光（第一波長光）後，發射（轉換成）波長較長的第二波長光。在一實施例中，第一波長光及第二波長光皆為可見光。例如：第一波長光為藍光，第二波長光為綠光或／及紅光。在另一實施例中，第一波長光為紫外光，第二波長光為可見光。於另一實施例中，第一波長光為可見光但第二波長光為紅外光。在一實施例中，量子點粒子120於波長轉換元件100中的重量百分比在0.5%以上。在另一實施例中，量子點粒子120於波長轉換元件100中的重量百分比在1%至10%之間。在另一實施例中，量子點粒子120於波長轉換元件100中的重量百分比在5%至20%之間。

量子點122可由半導體材料所構成，且其粒徑小於100 奈米（nm）。量子點122的半導體材料包含II-VI族半導體化合物、III-V族半導體化合物、IV-VI族半導體化合物、或上述材料的組合。量子點122的結構可包含主要發光的核心區（core）以及包覆核心區的殼（shell），核心區的材料可選自於由硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、碲化鋅（ZnTe）、氧化鋅（ZnO）、硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、碲化鎘（CdTe）、氮化鎵（GaN）、磷化鎵（GaP）、硒化鎵（GaSe）、銻化鎵（GaSb）、砷化鎵（GaAs）、氮化鋁（AlN）、磷化鋁（AlP）、砷化鋁（AlAs）、磷化銦（InP）、砷化銦（InAs）、碲（Te）、硫化鉛（PbS）、銻化銦（InSb）、碲化鉛（PbTe）、硒化鉛（PbSe）、碲化銻（SbTe）、硒化鋅鎘（ZnCdSe）、硫化鋅鎘硒（ZnCdSeS）、及硫化銅銦（CuInS）所組成之群組。殼的材料與核心區的材料必須相互搭配（例如核心區與殼的材料的晶格常數需要匹配）。具體而言，殼的材料組成之選擇，除了與核心區的材料的晶格常數需匹配外，另一個考量是為了能在核心區的外圍形成一個高能障區域，以提升量子產率（quantum yield）。為了能同時滿足這兩種性質，可藉由殼的結構及／或組成的改變，一方面減少核心區與殼的應力，一方面拉高能障。殼的結構可以是單層、多層或者材料組成漸變的結構。在一實施例中，核心區為硒化鎘，殼為單層的硫化鋅。在另一實施例中，核心區為硒化鎘，殼包含內層的（鎘, 鋅）（硫, 硒）及外層的硫化鋅。在另一實施例中，核心區為硒化鎘，殼包含內層的硫化鎘，中間漸變層的Zn0.25Cd0.75S/Zn0.5Cd0.5S/Zn0.75Cd0.25S，外層的硫化鋅。

其他種類（非量子點）的螢光粉材料可選自於由Y3Al5O12：Ce、Gd3Ga5O12：Ce、Lu3Al5O12：Ce、（Lu、Y）3Al5O12：Ce、Tb3Al5O12：Ce、SrS：Eu、SrGa2S4：Eu、（Sr、Ca、Ba）（Al、Ga）2S4：Eu、（Ca、Sr）S：（Eu、Mn）、（Ca、Sr）S：Ce、（Ba、Sr、Ca）2SiO4：Eu、（Ca、Sr、Ba）Si2O2N2：Eu 、（Sr、Ba、Ca）2Si5N8：Eu、（Sr、Ba、Ca）（Al、Ga）Si N3：Eu、CaAlmSi12−mOnN16−n：Eu、SrLiAl3N4：Eu、Ba2LiSi7AlN12：Eu、K2SiF6：Mn、K2TiF6：Mn、及K2SnF6：Mn 所組成之群組。

配位基124具有特定的官能基團（functional group），可用以控制量子點122的尺寸使其維持在奈米尺度。此外，配位基124可提高量子點122分散於矽氧樹脂140的穩定性。在一實施例中，配位基會同時包含可與量子點粒子120之表面產生吸引力的官能基團，例如：胺基（amine group），以及阻止量子點粒子120彼此團聚的官能基團，例如：脂肪族（aliphatic group）。不過，量子點粒子120的量子點122或配位基124同時也包含毒化鉑（poisoning Pt）的有機化合物或無機化合物。毒化鉑是指鉑與會與鉑產生強的吸引力的物質反應，進而使得鉑的催化效果降低或消失。毒化鉑的有機化合物或無機化合物包含含氮化合物（Nitrogen containing compound）、含磷化合物（Phosphorus containing compound）或含硫化合物（Sulfur containing compound）。在一實施例中，含氮化合物為配位基124中包含油胺（oleylamine）或十八烷基胺（octadecylamine）。在另一實施例中，含磷化合物為配位基124中包含三辛基膦（trioctylphosphine, TOP）或三辛基氧膦（trioctylphosphine oxide, TOPO）。在另一實施例中，含硫化合物為量子點122包含硫化鎘。配位基124可包含非毒化鉑的官能基團之有機化合物，例如：羧酸基（carboxylic acid group）或酯基（ester group）之有機化合物。在一實施例中，配位基124同時包含毒化鉑的有機化合物以及非毒化鉑的有機化合物。

矽氧樹脂140可固定量子點粒子120使得量子點粒子120能分散於矽氧樹脂140中。矽氧樹脂140包含以下化學式：R1R2R3SiCH2CH2SiR4R5R6，其中R1，R2，R3，R4，R5及R6為有機基團或含矽基團。於一實施例中，矽氧樹脂140包含矽氧烷化合物（siloxane compound），R1，R2，R3，R4，R5及R6至少其中之一具有O-R7基團，R7為有機基團或含矽基團。於一實施例中，矽氧樹脂140具有以下化學式：(CH3)2(OR8)Si-CH2-CH2Si(CH3)2(OR9)，R8及R9為有機基團或含矽基團。

矽氧樹脂140可由含氫基矽基團（Si-H group）及含乙烯基矽基團（Si-vinyl group）聚合而成。聚合過程中並可以用含鉑粒子160作為觸媒。波長轉換元件100完成後，含鉑粒子160也會存在矽氧樹脂140中。含鉑粒子160可以為純鉑元素、鉑錯合物（Pt complex）或上述之混合物。鉑錯合物可包含。

含鉑粒子160中鉑於波長轉換元件100中的含量可根據製造波長轉換元件100的方法不同而調整。於第一實施例中，鉑於波長轉換元件100中的含量為矽氧樹脂140於聚合反應時所消耗的重量。於一實施例中，鉑相對於波長轉換元件100的重量百分比為0.005%至0.020 %。於第二實施例中，鉑於波長轉換元件100中的含量至少大於或等於X+Y。其中，X為矽氧樹脂於聚合反應所消耗鉑的重量，Y為被量子點粒子120毒化所消耗鉑的重量。Y與量子點粒子120的重量百分比有關。於一實施例中， Y相對於波長轉換元件100的重量百分比為a*b，單位為 wt%，其中a為相對於波長轉換元件100的量子點粒子120的重量百分比，b為5≦b≦36。於一實施例中，鉑於聚合反應所消耗相對於波長轉換元件100的重量百分比為0.015% ，量子點粒子120相對於波長轉換元件100的重量百分比在5%左右，因此，鉑相對於波長轉換元件100的重量百分比為15+5*5至15+5*36，即為0.040% 至0.200% 之間。於一實施例中，鉑相對於波長轉換元件100的重量百分比不大於0.200% 。鉑的重量百分比若大於0.200%，則會造成波長轉換元件100的整體顏色過深，影響發光效率及發出光線的色座標位置。

第3圖為製作波長轉換元件100的流程圖。首先，提供多顆量子點粒子120（步驟S310）。在一實施例中，多顆量子點粒子120預先分散於溶劑中。溶劑的種類可依量子點粒子120的表面性質進行選擇。在一實施例中，溶劑為甲苯。

將多顆量子點粒子120與含氫基矽基團混合成混合物A（步驟S330）。為減少量子點粒子120毒化鉑的程度，將含氫基矽基團與量子點粒子120先混合，含氫基矽基團可能會覆蓋在量子點粒子120的表面，而含氫基矽基團並不會毒化量子點粒子120，如此在之後加入含鉑粒子160時，含氫基矽基團可於量子點粒子120與含鉑粒子160之間產生接觸的阻礙。

含氫基矽基團可以是以單體（Monomer）、預聚物（prepolymer）或上述兩者之混合的型態存在。例如：(CH3)2(OR10)Si-H，其中R10為有機基團或含矽基團。

接著，可選擇將含鉑粒子160與含乙烯基矽基團混合成混合物B（步驟S340），將含乙烯基矽基團以及含鉑粒子160與混合物A混合後形成混合物C（步驟S350）。

含乙烯基矽基團可以是以單體（Monomer）、預聚物（prepolymer）或上述兩者之混合的型態存在。例如：(CH3)2(OR11)Si-CH=CH2，其中R11為有機基團或含矽基團。

步驟S340中，含鉑粒子160中鉑的含量包含聚合反應所消耗鉑的重量 X以及被量子點粒子120毒化所消耗鉑的重量 Y。於一實施例中， X被預先添加至含乙烯基矽基團中，因此，僅需額外加入Y。於另一實施例中，含鉑粒子160並未被預先添加至含乙烯基矽基團中，因此，含鉑粒子160需添加X以及Y。

步驟S350中，含鉑粒子160為預先添加至含乙烯基矽基團中再與混合物A混合。於一實施例中，含鉑粒子160中鉑的含量為聚合反應所消耗鉑的重量。

於步驟S354，將混合物A與混合物B混合後形成混合物D。

步驟S374，固化混合物D成矽氧樹脂。

步驟S352，可選擇再添加含鉑粒子160形成混合物E，或於步驟S370中，固化混合物C成矽氧樹脂。於一實施例中，額外添加含鉑粒子160中鉑的含量為鉑被量子點粒子120毒化所需的重量。

於步驟S372，固化混合物E成矽氧樹脂。

於一實施例中，固化步驟為加熱混合物E 。透過前述實施例中所揭露的方式，可減少或消除量子點粒子120對鉑毒化。此外，不會因鉑毒化，使得鉑的催化效果下降，因此需提高固化的溫度，也因此，於較高溫度下造成量子點粒子120的量子效率下降的問題也可被改善。於一實施例中，固化溫度不大於150℃。

第4圖為根據本發明一實施例所揭露之發光裝置400。發光裝置包含一發光元件420、一環繞發光元件420的光反射圍欄440以及一波長轉換元件460。其中，發光元件420具有一頂面421、底面423及多個側面425，波長轉換元件460覆蓋發光元件420及光反射圍欄440，且波長轉換元件460的結構以及製造方法可參閱前述說明。具體而言，發光元件420的側面425位於頂面421及底面423之間，光反射圍欄440環繞發光元件420的側面425，且波長轉換元件460覆蓋發光元件420的頂面421。在一實施例中，光反射圍欄440與部分的底面423大致為共平面。在另一實施例中，光反射圍欄440與發光元件420的底面423可以是不共平面。

發光元件420可以是一個發光二極體晶粒。在一實施例中，發光二極體晶粒為一覆晶式發光二極體晶粒，發光二極體晶粒包含一發光疊層（圖未示）、一透明基板（圖未示）形成在發光疊層之一表面上、以及第一電極及第二電極422a及422b形成在發光疊層的另一表面上。在一實施例中，發光疊層包含第一型半導體層及第二型半導體層，且第一電極及第二電極422a及422b分別形成在第一型半導體層及第二型半導體層上。一般而言，發光元件420發出的波長小於量子點粒子120發出的波長。在一實施例中，發光二極體晶粒是發出藍光波長。在另一實施例中，發光二極體晶粒是發出紫外光波長。

光反射圍欄440可將發光元件420以及波長轉換層440發出的光線反射朝向出光面。在一實施例中，發光元件420與光反射圍欄440直接接觸。光反射圍欄440可由光反射的不導電材料所組成。在一實施例中，光反射材料例如是氧化鈦（TiO2）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鈮（Nb2O5）、氧化鋁（Al2O3）、氧化矽（SiO2）、氟化鎂（MgF2）、氮化鋁（Al2N3）。在另一實例中，反射圍欄440是上述光反射材料的顆粒與接著劑混合的膠料固化後所形成，接著劑例如是矽樹脂、壓克力樹脂或環氧樹脂。在一實施例中，可用網版印刷（screen-printing）、點膠（dispensing）或模具成形方式（molding）形成光反射圍欄440。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

100、200、460‧‧‧波長轉換元件

120、222、242‧‧‧量子點粒子

122‧‧‧量子點

124‧‧‧配位基

140、224、244‧‧‧矽氧樹脂

160‧‧‧含鉑粒子

220‧‧‧第一波長轉換層

240‧‧‧第二波長轉換層

420‧‧‧發光元件

422a‧‧‧第一電極

422b‧‧‧第二電極

440‧‧‧光反射圍欄

第1圖係顯示本發明一實施例所揭露之波長轉換元件的示意圖。

第2圖係顯示本發明另一實施例所揭露之波長轉換元件的示意圖。

第3圖係顯示依據本發明一實施例所揭露之製作波長轉換元件的流程圖。

第4圖係顯示依據本發明一實施例所揭露之發光裝置。

無

Claims

一種波長轉換元件，包含：複數個量子點粒子，各該複數個量子點粒子包含一量子點以及一配位基；一矽氧樹脂；以及複數個含鉑粒子，其中，該複數個量子點粒子以及該複數個含鉑粒子分散於該矽氧樹脂中，各該複數個量子點粒子中該量子點或該配位基中至少其一包含可毒化鉑的化合物，其中，該含鉑粒子中鉑的含量大於或等於X+Y，X為該矽氧樹脂於聚合反應所消耗鉑的重量，Y為被該量子點粒子毒化所消耗鉑的重量。
如申請專利範圍第1項之波長轉換元件，其中，該可毒化鉑的化合物包含含氮化合物、含磷化合物或含硫化合物。
如申請專利範圍第1項之波長轉換元件，其中，該複數個含鉑粒子中鉑相對於該波長轉換元件的重量百分比不大於0.2%。
如申請專利範圍第1項之波長轉換元件，其中，該矽氧樹脂於聚合反應所消耗的鉑(X)相對於該波長轉換元件的重量百分比在0.005至0.020%之間。
如申請專利範圍第1項之波長轉換元件，其中，Y相對於該波長轉換元件的重量百分比為a*b(wt%)，a為該複數個量子點粒子相對於該波長轉換元件的重量百分比，5≦b≦36。
如申請專利範圍第5項之波長轉換元件，其中，該複數個量子點粒子相對於該波長轉換元件的重量百分比介於1%至10%之間。
一種波長轉換元件的形成方法，包含：提供複數個量子點粒子，各該複數個量子點粒子包含一量子點以及一配位基；混合該複數個量子點粒子與一含氫基矽基團以形成一第一混合物；混合一含乙烯基矽基團、複數個含鉑粒子、及該第一混合物以形成一第二混合物；以及固化該第二混合物以形成一矽氧樹脂。
如申請專利範圍第7項之波長轉換元件的形成方法，其中，該固化步驟係在溫度不大於150℃下執行。
如申請專利範圍第7項之波長轉換元件的形成方法，更包含，在形成第二混合物後，加入複數個含鉑粒子，其中該含鉑粒子中鉑的含量大體上等於被量子點粒子毒化所消耗之鉑的重量。
一種發光裝置，包含：一發光元件，具有一頂面、一底面及複數個側面；一光反射圍欄，環繞該複數個側面；以及如申請專利範圍第1項之波長轉換元件，覆蓋該頂面及該光反射圍欄。