｜以Roll-to-Roll微加工技術進行高光效螢光膜塗佈

摘要：採用螢光粉封裝之白光 LED，除了會隨著封裝形式有不同的光學特性外，不同量子效率的螢光粉，將直接影響白光LED的發光效率。傳統白光LED的點膠封裝製程，無法有效控制螢光粉層厚度的均勻性，且混煉後會產生螢光粉粒子沉降，以致空間角度分布之色度不均，產生黃暈現象；本研究乃建立高光效螢光膜之設計流程並開發微結構螢光膜之捲對捲成型技術，並使用現有製程設備直接進行白光LED晶片貼膜開發。

Abstract: In addition to the effects of various white-light LED packaging methods, the conversion efficiency of the versatile phosphors also greatly affects the efficacy of LED performance. To the best of our knowledge, the conventional packaging of white-light LED involves mixing of silicone and phosphor powders, a method that is unable to form a homogeneous phosphor layer due to sedimentation of phosphorus particles after dispensing and blending. Hence, the inhomogeneous angular distribution of chromaticity results in the yellow-halo phenomenon. In this research, we design the microstructured phosphor films and develop the corresponding Roll-to-Roll (R2R) molding technology. Such technology will be applied to current facilities to perform phosphor film bonding of high-efficacy white-light LED packaging.

關鍵詞：螢光膜、微結構、發光二極體、捲對捲

Keywords：phosphor films, microstructure, Light-emitting diode, Roll-to-Roll

前言
自1879年愛迪生發明電燈之後，發光二極體是照明市場的另一革命性光源，不同於傳統白熾燈泡，發光二極體（Light-Emitting Diode；LED） 係屬冷發光，具有耗電量低（白熾燈泡的八分之一，日光燈的二分之一）、元件壽命長（1萬小時以上，是日光燈的10倍）、無須暖燈時間、反應速度快，再加上體積小、耐震動、適合量產，容易滿足應用上的需求，製成極小或陣列式元件等優點，目前LED已普遍使用於資訊、通訊及消費性電子產品，成為日常生活中不可或缺之重要元件。
科技的進步，照明設備的技術不斷提昇，從早期的日光燈、鎢絲燈、霓虹燈，一直到現在眾所矚目的白光LED。自1993年日亞化學開發以氮化鎵（GaN）為材質的藍光LED，配合有機金屬氣相磊晶（MOCVD）技術，製作出高亮度的綠光與藍光，使LED能夠正式進入全彩化的里程碑，到了1996年日亞化學更以藍光LED技術為基礎，搭配螢光粉開發出白光LED，成為全球矚目的新興光源，近年來發光效率不斷的提升，加上環保意識抬頭，使得白光LED應用層面不斷擴張，逐漸在照明領域取代傳統光源，從發展初期以裝飾及指示燈為主到現在成功滲透到手機、PAD、NB、TV等消費性電子產品，預期將席捲全球照明應用市場。

全球LED照明市場，工研院IEK預估2012整體市場規模還不到100億美元，2017年市場規模將約在480億美元，2011年至2016年的複合成長率達45 %，如圖1所示。，隨著光源壽命增加，LED光源市場逐漸成熟，燈具市場也漸漸邁向數位與智慧化的發展，占照明的比重將逐步拉升。根據美國國家能源局（DOE）統計報告，如圖2所示，現有光源應用主要分類為住宅用燈具應用、商業應用與戶外應用，根據統計2030年LED光源替換滲透率，住宅光源達70 %、商業應用達30 %、戶外應用達68 % [1,2]。

LED依製作過程大致可分為三階段，分別為上游磊晶成長、中游晶粒製作及下游封裝等，如圖3所示。上游製程主要是在晶圓上成長多層不同厚度之多元磊晶薄膜材料如二元的GaN、GaSb與GaAs、三元的AlGaAs、AlGaP與InGaAs與四元的AlInGaP、InAlGaAs等。LED之波長、亮度等特性主要由此階段所控制，因此在整個產業鏈中，此階段的附加價值最高；中游晶粒製作則依元件結構設計需求，進行金屬電極蒸鍍、微影蝕刻與熱處理等動作，後續將基板磨薄、拋光切割出LED晶片；最後一階段為LED晶片封裝，此階段包含固晶、打線、螢光粉塗佈與封膠等製程，封裝製程優劣將決定LED光源演色性、光型與散熱能力等光學與可靠度特性的良莠。目前臺灣LED產業分工型態逐漸以上游磊晶/晶片製作與下游封裝測試兩階段為主。雖然LED發光效率不斷提昇，將增加滲透照明市場的有利條件，但色彩品質將成為下個重要課題，透過螢光粉的應用，能將藍光晶片混光成舒適的白光，根據Yole development的統計[3]，如圖4所示，全球螢光粉產值從2009年的9500萬美金，提升至2017年的12億美金，可見螢光粉材料與塗佈技術開發於LED產業鏈中亦扮演重要角色，讓LED於應用上除了發揮節能環保等特點外，也能擁有傳統光源均勻的色彩表現。