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研究生:楊家宜
研究生(外文):Chia-Yi Yang
論文名稱:探討氮化硼奈米粒子對發光二極體光取出效率之影響
論文名稱(外文):Effect of Boron Nitride Nano-Particle on the Efficiency of Light Extraction Efficiency for Light-Emitting Diodes
指導教授:劉漢文
指導教授(外文):Han-Wen Liu
口試委員:楊尚霖汪芳興
口試委員(外文):San-Lin YoungFang-Hsing Wang
口試日期:2016-06-24
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:84
中文關鍵詞:氮化硼發光二極體
外文關鍵詞:Boron NitrideLight-Emitting Diodes
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發光二極體(LED)因具有體積小、發光效率高與節約能源等諸多優點,是綠色照明光源中的璀璨之星,而提高LED的光取出效率,則是目前發展的主要關鍵。因為晶粒(n=2.5)的折射率高於空氣(n=1),在介面上產生高的光折射率差值,進而產生具有狹隘的臨界角,因此大部分的光抵達介面時會被全反射,使得光被侷限於LED內部,造成發光效率的降低。

在本研究中,我們將不吸收可見光之高折射率氮化硼奈米粒子(BN) (n=1.7)均勻摻雜於矽膠與螢光膠中,並由四個實驗分別探討封裝膠體折射率的提高及改變封裝結構的方式,對LED之光取出效率之影響。實驗(一):由不同濃度之BN摻雜於矽膠中;實驗(二):由不同濃度之BN摻雜於螢光膠中。而實驗(一)與實驗(二)皆藉由高折射率BN的摻雜來提高封裝膠體的折射率,我們得到可提升LED光取出效率之掺雜最佳濃度。實驗(三):由上述實驗(一)得到的最佳濃度之BN摻雜於矽膠中,搭配三種不同封裝結構;實驗(四):由上述實驗(二)得到的最佳濃度之BN摻雜於螢光膠中,搭配三種不同封裝結構。而實驗(三)與實驗(四)搭配三種不同封裝結構,包括有BN均勻摻雜於整個膠體中、BN僅均勻摻雜於上層膠體中而下層不摻雜、和BN僅均勻摻雜於下層膠體中而上層不摻雜。從實驗結果得知,當摻雜最佳濃度之BN於封裝膠體中,且僅均勻摻雜於下層膠體中而上層不摻雜時,擁有最佳的光取出效率。

在信賴性測試方面,當LED元件連續點亮1000小時後,摻雜BN之元件,皆沒有因摻雜BN後而有所影響,反而會因為BN的高散熱特性,減少LED 內部的熱累積而提高元件之壽命,使其光電特性之衰減有較趨緩的現象。


LED becomes the shining star of green lighting source mainly due to its small size, high luminous efficiency, and energy savings. To increase the LED light extraction efficiency is the key to improve this technology. When the refractive index of the crystal grains (n=2.5) is higher than the air (n=1) and a high light refractive index difference in the interface is created, the narrow critical angle is formed. The light will be totally reflected due to the narrow critical angle, therefore the light generated would be easily confined LED inside. The light extraction efficiency becomes lower.
In this research, we uniformly dispersed the Boron Nitride Nano-Particle (BN) (n = 1.7), which features not absorbing visible light and high refractive index, in silicone and in phosphor silicone encapsulation respectively. At same time, we utilized the high refractive index nature of BN on encapsulation material and different package structures through four experiments to increase the LED light extraction efficiency. Experiment I, different proportions of BN doping concentration in silicone ; Experiment II, different proportions of BN doping concentration in phosphor silicone encapsulation . From experiments I and II, we found the best optimal ratio to dope BN on LED package; Experiment III, doping BN with the best optimal ratio in the silicone ; Experiment IV, doping BN with best optimal ratio in the phosphor silicone encapsulation. Experiment III and experiment IV along with three different package structures: including doped BN uniformly in the encapsulation material of the entire package; or only doped BN uniformly on the upper encapsulation material package, but the lower layer is not doped; or only doped BN uniformly on the lower encapsulation material package, but the upper layer is not doped. From these four experiments, we have discovered doped BN uniformly only on the lower encapsulation material package but not the upper layer can effectively form the optimal refractive structure and furthermore to enhance the light extraction efficiency.
In confidence interval testing, not only there is no difference for the LED components between doped BN and not doped BN in silicone and phosphor silicone encapsulation when light the LED for 1000 hours continuously, but also the high heat dissipation characteristics of BN reduces internal heat accumulation. Therefore, life time of internal LED components is extended because of slower deterioration.


誌謝辭 i
中文摘要 ii
Abstract iii
目次 iv
圖目次 vi
表目次 viii
第一章 緒論 1
一、 前言 1
二、 研究動機 1
第二章 理論基礎與文獻回顧 3
一、 LED發展背景 3
二、 LED的照明優勢 4
(一) 使用壽命長 4
(二) 省電、降低使用成本 4
(三) 利於環保 4
(四) 環境適應能力佳 4
(五) 應用廣泛: 4
三、 LED的白光種類 5
(一) RGB LED直接混光: 5
(二) UV LED激發RGB螢光粉: 5
(三) 藍光LED 配上紅、綠色螢光粉產生白光: 5
(四) 藍光LED激發黃色螢光粉: 5
四、 LED 發光原理 6
五、 LED光源檢測 7
(一) 光通量(Luminous Flux;Φv): 7
(二) 光強度(Luminous Intensity;Iv): 7
(三) 照度(Density Of Illumination;Ev): 7
(四) 輝度(Luminance;Lv): 8
(五) 色度座標圖(Chromaticity Diagram): 8
六、 LED 發光效率 10
七、 LED 光萃取機制 12
(一) 全反射損耗 12
(二) Frsenel 反射損耗 14
(三) 材料吸收損耗 15
八、 LED封裝材料 16
第三章 實驗流程與方法 17
一、 實驗材料 17
(一) 氮化硼介紹 17
二、 實驗儀器 18
(一) 紫外光/可見光光譜儀(UV-Vis) 18
(二) 數位折射儀 19
(三) 積分球系統: 19
三、 實驗元件封裝流程 21
(一) 固晶(Die bonder) 22
(二) 固晶膠材烘烤固化(Curing) 23
(三) 電漿清洗(Plasma) 23
(四) 銲線(Wire bonder) 23
(五) 灌膠(Encape) 24
(六) 封裝膠材烘烤固化(Curing) 27
(七) 切割(Die saw) 27
第四章 實驗結果與討論 28
一、 材料分析 28
(一) 穿透率量測 28
(二) 折射率量測 30
二、 元件光電特性量測 31
(一) 以不同濃度之氮化硼奈米粒子摻雜矽膠後提升藍色發光二極體之光取出效率 31
(二) 以不同濃度之氮化硼奈米粒子摻雜螢光膠後提升白色發光二極體之光取出效率 38
(三) 藍色發光二極體摻雜氮化硼奈米粒子以不同封裝結構提升光取出效率 45
(四) 白色發光二極體摻雜氮化硼奈米粒子以不同封裝結構提升光取出效率 51
三、 元件信賴性測試 57
第五章 結論 82
參考文獻 83


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