製備白光 LED 均勻出光螢光薄膜之研究
邱維銘 錢玉樹 陳佳珍 林傑恩 沈彥廷 楊雪晴 王智文
國立勤益科技大學化工與材料工程系
摘 要
傳統白光 LED 混膠－點膠方式，無法控制螢光粉層厚度，經混膠後會產生 沉澱；以致於色溫分散不均勻，無法集中、產生黃圈光暈；且螢光粉直接接觸 晶片，易出現發熱量過大，螢光粉散熱不良，效率降低，因而提高了製作成本。
利用模具真空成膜技術，將螢光粉均勻分散在高透光性、高阻水性及高阻 氣性封裝材料中，以模具真空充填乾燥形成螢光薄膜，達到分散均勻、色溫及 厚度一致之成果；藉由矽樹脂耐高溫特性、良好機械性質及高柔軟度，可增長 螢光粉出光效率之壽命，不受晶片所散發出來的熱所影響；並利用螢光粉光電 色綜合性能測試系統、TGA、面板阻隔氧氣、阻隔水氣透過率分析儀等測試儀 器驗證本研究之螢光薄膜的物性與光學特性。
關鍵詞：白光發光二極體，均光，出光，螢光薄膜。
A STUDY OF FABRICATION PHOSPHOR MEMBRANE WITH EVEN EXIT LIGHT
Wei-Ming Chiu Yu-Shu Chien Jia-Jen Chen Jie-En Lin Yen-Tain Shen Shiue-Ching Yang Jr-Wen Wang
Department of Chemical and Materials Engineering National Chin-Yi University of Technology
Taichung County, Taiwan 411, R.O.C.
Key Words: white light LED, even light, exit light, phosphor membrane.
ABSTRACT
The traditional fabrication of white light LEDs involves mixing glue and phosphor powder. This method can’t control glue-phosphor layer thickness due to precipitation after thorough mixing of glue-phosphor products. So, the color temperature can’t be dispersed evenly and centrally. Meanwhile, those products also can cause a yellow ring halo, because the phosphor powder contacts the chip directly. So, glue-phosphor products can cause a lot of heat, bad heat dispersion and low energy efficiency. Therefore, traditional fabrication of white light LEDs can raise the cost of LEDs.
In this study, utilizing a vacuum mould membrane technology, phosphor
powders can be dispersed homogenously, with good water and gas barrier
properties in high photo transmission materials. Also, vacuum mould
phosphor membranes can reach an even dispersion, good color temperature
and uniform thickness. The silicon resin has high temperature endurance,
flexibility and good mechanical properties. So, the phosphor membrane can
improve the life-span of the exit light efficiency. Therefore, vacuum mould
phosphor membranes were checked for those photo-electric, barrier, thermal
and mechanical properties in this research.
發光二極體 (Light Emitting Diodes, LED) 乃是利用 半導體等固體材料所製作而成的光源系統，有別於必須於 真空或充填少量特殊氣體下操作的熱熾燈或各種氣體放電 燈等傳統光源。白光 LED 光源與傳統光源相比較更具有諸 多優點，如：耗電量低、體積小、反應速度快、高效率、
環保及可平面封裝等優勢；而在節能方面，其可使用的壽 命長達 60 年，是傳統電燈泡的 100 倍，消耗的能量卻只有 傳統電燈泡的 10% [1, 7, 9]。
自從高功率與高亮度 LED 成功發展以來，白光 LED 已被公認為 21 世紀最具潛力之環保照明光源；現今白光 LED的發光效率已達 60-80 lm/W 以上，在學術實驗方面 更已達到 100 lm/W，與目前發光效率 60 lm/W 的白熾燈泡 相比有過之而無不及。發光二極體 (Light Emitting Diodes, LED) 依然在蓬勃發展中，不斷地研發進步，相信再過些 時日，當發光效率 100 lm/W 的白光 LED 可大量商品化時，
就可以全面性取代目前市面上的白熾燈泡與日光燈，成為 下世代照明光源的主流[2]。
就 一 般 照 明 而 言 ， 若 欲 利 用 發 光 二 極 體 (Light Emitting Diodes, LED) 來製作白光 LED，則必須應用光色 組合的技術，始能達成獲得白光的目的；目前在各種可行 的光色組合技術中，利用螢光材料來進行光色轉變及混 合，可謂是一種最便捷、最節省成本的方法，而此類應用 螢光材料所製作的白光 LED，一般又稱為 PC-white-LED (phosphor-converted white-LED) [4-6, 9]。
白光 LED 主要的封裝形式，為波長 450~460 nm 的 藍 光 LED 表 面 上 塗 上 一 層 黃 色 螢 光 材 料 (Yttrium Aluminium Garnet，釔鋁石榴石，(Y, Gd)3Al5O12:Ce；YAG) 為最常見、電源迴路構造最簡單及所須成本最低。YAG 螢光材料會受到歡迎有兩個相當重要的理由，第一個是 受到激發的時候，可以產生 550~560 nm 的波長，吸收 450~470 nm波長的光之後在混色原理上產生白光；其發 光光譜相當的廣，對於波長的誤差容忍度也相對的提 高，讓封裝業者生產白光 LED 時，可以藉此提高生產的 良率進而降低成本；第二個它是市面上最容易取得且效 率最好的螢光材料[4-6, 9]。
傳統白光 LED 之結構 (結構示意圖，如圖 1) ，是一 藍光 LED 設於一反射杯之底部，再將 YAG 螢光粉混合光 學膠材，將混合光學膠材後之螢光粉倒在藍光 LED 上。這 方法雖然簡單，但無法控制混合含光學膠材之螢光粉層於 藍光 LED 上之厚度，且螢光粉混膠 40 分鐘後沉澱嚴重；
故會造成厚薄不均，影響產品一致性，出光時色溫不均勻 並產生內白外黃之黃圈光暈。使用於高功率時，晶片與螢 光粉層直接接觸就容易出現發熱量過大；螢光粉層散熱不 良，效率降低並損耗率增加，而產品良率就會降低，造成 製作成本過高[3]。
目前學、業界針對傳統白光 LED 螢光粉之缺點，約有
圖1 傳統LED結構示意圖
圖2 新型白光LED結構示意圖
下列改善方式，但製程上皆屬困難：
1. 旋轉塗佈：厚度雖薄，但有內薄外厚之現象，且層與層 之間互相影響，無法與基材分離。
2. 濺鍍塗佈：雖可達到均勻分散，但鈀材費用太貴。
3. ㄇ字型塗佈：雖可達到厚度一致，但無法降低螢光粉沉 澱嚴重之現象。
二、創新性
白光 LED 在照明上分為三類，暖色白光、冷色白光與 日光白光，本研究主要探討之白光 LED 為日光白光，色溫 區域範圍為 5500K－6500K；以高能量低波長之藍光晶片 配合 YAG 螢光粉以及矽樹脂封裝材料及模具真空成膜技 術，達到高效率及高穩定性之放光。
成膜過程中，主要利用高速均質機，將微米級螢光粉粒 子均勻分散在高透光性、高阻水性及高阻氣性封裝材料中，
達到螢光粉分散均勻之成果；並借由超音波每秒四萬五千次 的振動傳導原理，將溶液中微小氣泡振破或是撞擊形成大分 子。之後將溶液充填入模具中，於真空下脫去剩餘氣泡，並 乾燥形成螢光薄膜；藉此達到螢光粉層厚度均勻及色溫一致 之成果。將此螢光薄膜貼覆於高能量低波長之藍光晶片上，
可增長螢光粉出光效率之壽命，不受晶片所散發出來的熱所 影響。上述是本研究於白光 LED 封裝上的重點創新 (結構 示意圖，如圖 2) ，其學術、產業可獲得的利機有：
1. 達到分散均勻、色溫及厚度一致之成果。
2. 色溫誤差率小，增長螢光粉出光效率之壽命，提高封裝 產率，降低成本。
圖3 樣品混合示意圖
圖4 樣品粒子懸浮示意圖
3. 同時取得多方數據資料，驗證薄膜的可靠度。
4. 製程簡單，可擁有多種參數變化 (膜厚、濃度)。
5. LED可統一做成純單一光源，作為基底，不會損毀，可 再利用。
6. 螢光薄膜好撕、好更換。
7. 螢光薄膜搭配不同 LED 光源，可作為特殊光源。
三、實驗簡介
模具真空成膜技術主要分為兩大部分，第一部分是利 用高速旋轉與超音波的振動傳導原理，分散微米級之螢光 粉；第二部分是利用真空乾燥原理，脫除溶液之氣泡，並 形成固態螢光薄膜。其技術步驟如圖 3~圖 6 所示。
圖5 樣品充填模具示意圖
圖6 樣品烘烤示意圖
四、具體成果 1. 螢光薄膜之濃度參數驗證
本研究利用螢光粉光電色綜合性能測試系統 (SPR- 920) 探討螢光薄膜演色性、光通量、衰退率等性質，找出 最佳日光色溫濃度，並由 CIE 圖驗證最佳參數值。
由表一可知，螢光粉添加比例小於 8%時，色溫尚在 30000 K (藍光處)；於 10%時色溫大幅躍進；於 12%時，
色溫在 6000 K (日光白光) 附近；大於 14%時，約在暖白 光色溫。而本研究所得之 12%螢光薄膜，由波峰圖 (如圖 7(c) 所示) 知，本螢光薄膜是吸收部分 460 nm 之藍光波 段，放出≒550 nm 之黃光波段，此黃光波段在與藍光波段 混合得白光 (色溫 6358 K)。
Phosphor (%) Tc (K) Ra Flux (lm) Peak W (nm) 膜厚 (mm)
8 30000 76.2 26.1 455.0 0.30
10 7461 84.4 28.6 454.7 0.30
12 6358 85.1 29.2 454.6 0.31
表二 連續點亮30天12%螢光薄膜與高功率LED之Tc、Flux
時數 (hr) Tc (K) Ra Flux (lm) Peak W (nm) 時數 (hr) Tc (K) Ra Flux (lm) Peak W (nm) 0 6358 85.1 29.2 454.6 384 6019 84.5 29.9 454.4 24 6191 84.8 31.1 454.5 408 5989 84.5 29.9 454.4 48 6326 84.9 30.9 454.5 432 5963 84.5 29.5 454.4 72 6403 84.9 30.8 454.5 456 6167 84.8 29.7 454.4 96 6237 84.8 31.0 454.6 480 6205 84.7 29.8 454.4 120 6201 84.9 31.0 454.6 504 6075 84.7 29.2 454.5 144 6175 84.7 31.0 454.5 528 6003 84.4 29.2 454.4 168 6274 84.8 30.8 454.5 552 6075 84.7 29.0 454.4 192 6061 84.7 30.7 454.5 576 6085 84.5 29.2 454.3 216 5971 84.5 30.7 454.5 600 6083 84.5 28.5 454.4 240 6145 84.8 30.6 454.5 624 6178 84.8 28.5 454.4 264 6145 84.8 30.5 454.5 648 6013 84.5 28.6 454.4 288 6180 85.0 29.9 454.7 672 6054 84.6 28.4 454.5 312 6076 84.7 30.0 454.5 696 6125 84.8 28.3 454.5 336 6149 84.7 29.7 454.6 720 6086 84.7 28.5 454.4 360 6105 84.7 30.0 454.5
12%
800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 0 .2 .4 .6 .8
1 Spectrun
0.8
x y
0.6 0.4 0.2 0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 y
X
0.14504300.2400 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 460
470 480
485 490 495 500 505
510 520
530 540
550 560
570 580
590 600
610620 700 [nm]
NH Ne NH
C DM B H W HF WWL
A
0.2387 0.2488
圖7 (a) CIE色度座標圖及各色彩名稱 (b) 不同比例螢光薄膜CIE圖 (c) 12%螢光薄膜波峰圖
本研究所得之白光 LED 對照文獻中之 CIE 圖 (如圖 7(a) 所示)，為介於標準光源之色度座標 (C 點) 與晝光色 日光燈 (D 點) 之間；且由文獻知，本研究白光所得之演色 性數值高達 85.1，為演色指數與演色性評價中之 1B 優良等 級，應用於需色彩正確判斷及討好表觀之室內場所[2]。
2. 螢光薄膜之色溫穩定性驗證
本研究利用衰退裝置探討螢光薄膜之光源色溫穩定
性，其裝置是由烘箱、螢光分析儀、螢光粉光電色綜合性 能測試系統與電源供應器組成，操作溫度為 25 °C，環境 濕度為 65% RH，連續點亮 30 天螢光薄膜的色溫、光通量、
發光效率等參數穩定性。
由表二可知，Tc 的保持率：
Drop = |6086-6358|/6358*100% = 4.3%
100% − 4.3% = 95.7%
由表二可知，Flux 的保持率：
表三 不同比例螢光薄膜於14天後熱穩定性 Phosphor (%) T1 T2 T3 T5 T10
0 314.48 549.94 733.55 348.89 464.17 8 327.99 562.04 733.60 382.10 500.40 10 333.03 564.06 734.13 400.81 507.51 12 335.15 565.18 734.57 420.59 523.61
圖8 螢光薄膜SEM分析圖
Drop = |28.5-29.2|/29.2*100% = 2.4%
100% − 2.4% = 97.6%
3. 螢光薄膜之熱穩定性驗證
矽樹脂一般是作為 LED 的封裝材料，目的是保護 LED 晶片；而本研究是藉由矽樹脂的耐高溫特性來保護螢光 粉，不讓螢光粉直接接觸晶片，於高溫環境下，延長螢光 粉之壽命；而本計畫所使用的矽樹脂折射率為 n = 1.53，
透光率為 95%。
利用熱重量損失分析系統 (TGA) 探討螢光薄膜的熱 穩定性，主要以定量方式，測量樹脂硬化後的側邊小分子 鏈段、主要鏈段、無機鏈段的熱裂解溫度、5% loss 溫度與 材料的熱穩定性等。由表三可知，隨著螢光粉添加比例增 加，其螢光粉不會影響矽樹脂的熱穩定性；反之，藉由矽 樹脂耐高溫的特性，可使螢光粉的壽命增長，不受 LED 所 散發出來的熱所影響。
4. 螢光薄膜之分散性驗證
利用掃描式電子顯微鏡分析系統 (SEM) 探討螢光薄 膜的分散性與表面型態，主要利用電子束在樣品表面掃描 激發出來代表樣品表面特徵的信號或像，圖 8 為螢光薄膜 放大 30、100、500 倍之表面分析圖。
5. 螢光薄膜之實際點亮照片
無機螢光材料是目前白光 LED 於實際製造上，最常使 用的重要材料。但多限制於商業機密或需透過封裝廠才能 取得；故本研究所使用的螢光粉由翔洸股份有限公司提 供，放射範圍為 x = 0.461、y = 0.529。
高功率藍光 LED 目的是激發螢光粉產生黃光，藍光再 與黃光混色成白光。本研究所使用高功率藍光 LED 型號為 Avago，電壓為 3.6 V，電流為 350 mA，λpeak為 460 nm，λD
為 467 nm。
圖9 高功率藍光LED示意圖
圖10 高功率藍光LED與12%螢光薄膜示意圖
五、結 論
本研究利用模具真空充填成膜方式，在螢光粉添加量 為 12% 時，可得到介於標準光源之色度座標 (C 點) 與晝 光色日光燈 (D 點) 之間之白光色溫 (6358 K)；且本研究 白光所得之演色性數值高達 85.1，為演色指數與演色性評 價中之 1B 優良等級，應用於需色彩正確判斷及討好表觀 之室內場所[2]。
藉由矽樹脂耐高溫之特性，可增長螢光粉之壽命，不 受 LED 所散發出來的熱所影響；且連續點亮 30 天後，其 色溫仍有約 96%的再現性，光通量仍有約 97%的再現性；
顯示出此螢光薄膜具有良好的發光特性。
螢光薄膜之專利佈局為發明專利：出光均勻之發光二 極體結構及其製造方法 (申請案號：096218848)，審查中。
六、未來展望
各種高亮度 LED 材料之開發，以及新型製程技術的發 展，發光二極體 (Light Emitting Diodes, LED) 已朝向高亮 度、高功率的境界邁進；其應用也由傳統的指示、顯示、
遙控、通訊等項，逐漸拓展至背光源與照明的領域，而未 來則非常看好白光 LED 的市場需求。
本研究未來將利用擴散板與增亮膜，搭配本研究之螢 光薄膜與高功率藍光 LED 燈進行封裝；進而進行測試與完 成成品，而此封裝之專利佈局為新型專利：LED 均勻出光 之結構 (案號：M338439)。
註：本產品已獲得翔洸電子 (台北) 與玉晶光電 (中 科廠) 的青睞，進行產學合作，以及推薦本計劃研究生畢 業至該公司就業。
參考文獻
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2009年 02 月 05 日 收稿 2009年 02 月 13 日 初審 2009年 03 月 18 日 複審 2009年 04 月 03 日 接受
