本发明关于量子点的技术领域，尤指一种光扩散量子点纳米结构及具有该光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片。
背景技术
发光二极管(light-emittingdiode,led)为目前广泛应用的发光元件，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。
请参阅图1，为显示一种传统的发光二极管芯片的立体剖视图；同时，请参阅图2，为显示传统的发光二极管芯片的侧面剖视图。传统的发光二极管芯片1’于结构上包括：一绝缘主体11’、一导线架12’、一散热器13’、一封装胶体(colloidalencapsulation)14’、一透镜15’、以及一发光二极管16’。如图1与图2所示，于发出白色光的实现上，该封装胶体14’内掺杂有至少一种荧光粉17’；如此设置，只要利用电力驱动发光二极管16’发出一短波长色光(例如：蓝光或紫外光)激发荧光粉17’放射出至少一种长波长的色光，便可以令所述发光二极管芯片1’发出由短波长色光与至少一种长波长色光所混成的白光。
即使传统的发光二极管芯片1’的混光与封装技术已相当成熟，热稳定性与再吸收效应却一直是结构中包含掺有荧光粉17’的封装胶体14’的发光二极管芯片1’的共通缺陷；是以，掺有量子点的光学胶体于是被研究与开发用以取代传统发光二极管芯片1’结构中的掺有荧光粉17’的封装胶体14’。请参阅图3，为显示一种量子点发光二极管芯片的侧面剖视图。如图3所示，量子点发光二极管(quantumdotlightemittingdiode,qd-led)芯片10’于结构上包括：一绝缘主体101’、一导线架102’、一散热器103’、一量子点密封材料(qdencapsulant)104’、一透镜105’、以及一发光二极管106’。于所述量子点发光二极管芯片10’之中，发光二极管106’配置用以发出短波长的色光(例如：蓝光、蓝绿光、或uv光)。
于发出白色光的实现上，以封装胶体1041’、多个第一量子点1042’与多个第二量子点1043’构成所述的量子点密封材料(qdencapsulant)104’。并且，于该量子点密封材料104’之中，第一量子点1042’与第二量子点1043’的尺寸分别被控制在5-20nm及2-10nm左右，使得两者在受到短波长色光的激发之后可以分别放射出红光与绿光，以令所述量子点发光二极管芯片10’发出由短波长色光、红光与绿光所混成的白光。
值得说明的是，第一量子点1042’与第二量子点1043’的外表面通常会以有机配体进行修饰，并于该有机配体之上进一步地涂敷例如二氧化硅的保护层。此外，如图3所示，led芯片制造商又进一步地于封装胶体1041’的组成中增加由二氧化钛(titaniumdioxide,tio2)、硫酸钡(bariumsulfate,baso4)、氧化镁(magnesiumoxide,mgo)、二氧化硅(silicondioxide,sio2)、或者氧化铝(aluminumoxide,al2o3)所制成的多个散射粒子1044’，藉此方式提升第一量子点1042’与第二量子点1043’的光激荧光(photoluminescencelight)的产生。然而，参考图4所显示的短波长色光与光激荧光的散色光路径图可以得知，加入散射粒子1044’至该封装胶体1041’内虽然可以显著提升量子点的光激荧光的产生，但散射粒子1044’却也同时对光激荧光的出光造成不良影响，进而导致量子点发光二极管芯片10’的发光效率的下降。
继续地参阅图5与图6，为分别显示光激荧光(photoluminescence,pl)光谱图以及cie1931色度坐标图。如图5所示，以短波长色光照射由封装胶体1041’、多个第一量子点1042’与多个第二量子点1043’所组成的量子点密封材料104’后，通过量子点密封材料104’所放射出的uv光的强度远大于两种光激荧光(亦即，绿光与红光)的强度，这样的结果导致量子点发光二极管芯片10’的发光均匀度不佳。另一方面，肇因于所放射出的uv光的强度远大于两种光激荧光的强度，量子点发光二极管芯片10’发出的白光于cie1931色度坐标图的色度坐标为(0.2143,0.2529)，表示白光的色温超过10000k。
因此，有鉴于所述量子点发光二极管芯片10’显示出发光效率与均匀度不佳以及色温过高的缺陷，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光扩散量子点纳米结构以及具有该光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供能够于固化高分子材料之中展现出绝佳分散性的一种光扩散量子点纳米结构。因此，本发明特别以一光学核心、一有机配体层、一疏水性层、一无机封装层、以及一多层结构的水氧阻障层构成具备新颖性的一光扩散量子点纳米结构。其中，由于该多层结构的水氧阻障层为由多个同心球壳堆栈而成的一类洋葱皮结构，因此会有多个孔洞间隙分布在该多个同心球壳之间。如此设计，可以有效提升光扩散量子点纳米结构于固化高分子材料之中的分散性。
为了达成上述本发明的第一目的，本案的发明人提供所述光扩散量子点纳米结构的一实施例，其构成上包括：
一光学核心；
一有机配体层，覆于该光学核心的表面之上，并包括至少一种有机配体；
一疏水性层，其中，藉由配体交换法将至少一种疏水性材料连接至该有机配体层，可使得所述疏水性层覆于该有机配体层的表面之上；
一无机封装层(inorganicencapsulation)，覆于该疏水性层表面；以及
一多层结构的水氧阻障层，覆于该无机封装层的表面之上；其中，所述多层结构的水氧阻障层由多个同心球壳堆栈而成的一类洋葱皮结构。
于前述本发明的光扩散量子点纳米结构的一实施例中，多个孔洞间隙形成于该多个同心球壳之间；并且，所述同心球壳的材料可为下列任一者：硅胶(silica)或金属氧化物。
本发明的第二目的在于提供具备优良的发光强度与光均匀度的一种具有光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片。因此，本发明特别以一绝缘主体、一导线架、一led晶粒、一封装胶体、以及由多个光扩散量子点纳米结构聚集而成的多个光扩散量子点纳米结构团聚物构成一发光二极管芯片。其中，由于该光扩散量子点纳米结构于固化高分子材料之中具有优良的分散性，使得该多个光扩散量子点纳米结构团聚物能够均匀分布在该封装胶体之内，进而能够有效提升发光二极管芯片的发光强度。同时，由于该光扩散量子点纳米结构具有类似洋葱皮结构的一多层结构的水氧阻障层，使得量子点放射出的光激荧光能够经由洋葱皮结构之中的孔洞间隙而出光，藉此方式改善发光二极管芯片的发光均匀度。
并且，为了达成上述本发明的第二目的，本案的发明人进一步提供所述发光二极管芯片的一实施例，其构成上包括：
一绝缘主体，具有一led设置凹槽；
一导线架，设置于该绝缘主体内部，并具有至少二焊接部与至少二电性连接部；其中，所述焊接部曝露于该led设置凹槽之内，且所述电性连接部穿出于该绝缘主体之外；
一led晶粒，设置于该led设置凹槽之内并电性连接至该至少二焊接部，用以发出具有一第一波长的一第一色光；
一封装胶体，形成于该led设置凹槽之中；以及
多个光扩散量子点纳米结构团聚物(clusteroflight-diffusionquantumdotquantumdotnanostructure)，散布于该封装胶体之中；其中每一个光扩散量子点纳米结构团聚物包括多个光扩散量子点纳米结构，且所述光扩散量子点纳米结构包括：
一光学核心，可受到该第一色光的激发而放射出具有一第二波长的一第二色光，其中该第二波长大于该第一波长；
一有机配体层，覆于该光学核心的表面之上，并包括至少一种有机配体；
一疏水性层，其中，藉由配体交换法将至少一种疏水性材料连接至该有机配体层，可使得所述疏水性层覆于该有机配体层的表面之上；
一无机封装层(inorganicencapsulation)，覆于该疏水性层表面；以及
一多层结构的水氧阻障层，覆于该无机封装层的表面之上；其中，所述多层结构的水氧阻障层由多个同心球壳堆栈而成的一类洋葱皮结构。
于前述本发明的发光二极管芯片的一实施例中，更包括：一散热器，设置于该绝缘主体内部并具有一承载部与一散热部；其中，该承载部曝露于该led设置凹槽之内以承载该led晶粒，并且该散热部穿出于该绝缘主体之外。
于前述本发明的发光二极管芯片的一实施例中，更包括：一透镜，设置于该绝缘主体的顶部，并同时覆盖该led设置凹槽。
于前述本发明的发光二极管芯片的一实施例中，多个孔洞间隙形成于该多个同心球壳之间；并且，所述同心球壳的材料可为下列任一者：硅胶(silica)或金属氧化物。
附图说明
图1为显示一种传统的发光二极管芯片的立体剖视图；
图2为显示传统的发光二极管芯片的侧面剖视图；
图3为显示显示一种量子点发光二极管芯片的侧面剖视图；
图4为短波长色光与光激荧光的散色光路径图；
图5为显示光激荧光(photoluminescence,pl)光谱图；
图6为显示cie1931色度坐标图；
图7为本发明的一种光扩散量子点纳米结构的示意性侧面剖视图；
图8为显示照射时间相对于波长的数据曲线图；
图9为显示照射时间相对于峰值面积的数据曲线图；
图10为显示照射时间相对于波长的数据曲线图；
图11为显示照射时间相对于峰值面积的数据曲线图；
图12为显示本发明的一种具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片的侧面剖视图；
图13为显示光扩散量子点纳米结构团聚物的高分辨穿透式电子显微镜(hrtem)影像图；
图14为显示光激荧光(photoluminescence,pl)光谱图；
图15为显示cie1931色度坐标图。
其中附图标记为：
<本发明>
1光扩散量子点纳米结构
10光学核心
11有机配体层
12疏水性层
13无机封装层
14多层结构的水氧阻障层
15孔洞间隙
1a发光二极管芯片
101绝缘主体
102导线架
103led晶粒
104封装胶体
1011led设置凹槽
1021焊接部
1022电性连接部
105散热器
1051承载部
1052散热部
106透镜
<现有>
1’发光二极管芯片
11’绝缘主体
12’导线架
13’散热器
14’封装胶体
15’透镜
16’发光二极管
17’荧光粉
10’量子点发光二极管芯片
101’绝缘主体
102’导线架
103’散热器
104’量子点密封材料
105’透镜
106’发光二极管
1041’封装胶体
1042’第一量子点
1043’第二量子点
1044’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光扩散量子点纳米结构及具有该光扩散量子点纳米结构的一种发光二极管芯片，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
光扩散量子点纳米结构：
请参阅图7，为显示本发明的一种光扩散量子点纳米结构的示意性侧面剖视图。如图7所示，所述光扩散量子点纳米结构1于结构上包括：一光学核心10、一有机配体层11、一疏水性层12、一无机封装层(inorganicencapsulation)13、以及一多层结构的水氧阻障层14；其中，所述光学核心10由半导体材料制成的量子点，例如：ii-vi族量子点、iii-v族量子点、具有壳-核结构的ii-vi族量子点、或具有壳-核结构的iii-v族量子点、具有合金结构的非球形ii-vi量子点、上述任两者的组合、或上述任两者以上的组合。并且，所述量子点的各种不同的示范性材料整理于下表(1)中。
表(1)
必须特别说明的是，表(1)所列出的该些示范性材料并非用以限制该光学核心10的种类。如熟悉量子点发光结构合成设计与制造的工程师所熟知的，根据量子点的尺寸大小的不同，量子点可受到一短波长色光(例如:蓝光)的激发而放射出特定颜色的光激荧光(photoluminescence)。基于这个理由，本发明并不限定光学核心10的尺寸大小必须落在一个特定的尺寸范围之内。如下表(2)所示，工程师必须先决定光学核心10的光激荧光的光色，然后依据所挑选的半导体材料决定适合的光学核心10的尺寸大小。
表(2)
另一方面，如图7所示，所述有机配体层11覆于该光学核心10的表面之上，用以对量子点(亦即，光学核心10)的表面修饰或粒径调控。常用的有机配体层11的材料可为下列任一者：烷基膦(alkylphosphines)、氧化膦(phosphineoxides)、膦酸(phosphonicacids)、具巯基(thiolgroup)的有机化合物、具胺基(aminegroup)的有机化合物、或羧酸(carboxylicacid)；其中，对应的示范性材料整理于下表(3)中。
表(3)
如熟悉量子点发光结构合成设计与制造的工程师所熟知的，肇因于有机配体材料的亲水性质可能导致氧气与湿气(oxygenandmoisture)侵蚀量子点，是以，必须藉由配体交换法将至少一种疏水性材料连接至该有机配体层11，进而使得所述疏水性层12覆于该有机配体层11的表面之上。其中，疏水性材料通常为一硅基单体(silicon-basedmonomer)，且较常使用的材料包括：3-巯基丙基三甲氧基硅烷(3-mercaptopropyltrimethoxysilane,3-mps)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,aptms)、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(3-(trimethoxysilyl)propylmethacrylate,tmopma)、与巯丙基三甲氧基硅烷(3-trimethoxysilylpropanethiol,mptms)。
进一步地，该无机封装层(inorganicencapsulation)13覆于该疏水性层12表面，用以作为一屏障(barrier)以提高量子点(亦即，光学核心10)的稳定性，同时也可以防止量子点的光致氧化。经常使用的无机封装层13的材料包括：正硅酸乙酯(tetraethoxysilane,teos)与硅酸四甲酯(tetramethylorthosilicate,tmos)。
虽然由teos或tmos制得的无机封装层13可以有效提升量子点的稳定性，但是过厚的无机封装层13同时也可能导致量子点的光激荧光的强度的下降。最重要的是，由teos或者tmos制得的无机封装层13会导致量子点纳米结构于固化高分子材料之中的分散性表现不佳。基于这个理由，本发明特别在无机封装层13的表面涂覆所谓的多层结构的水氧阻障层14。如图7所示，该多层结构的水氧阻障层14为由多个同心球壳堆栈而成，且该同心球壳的材料可为硅胶(silica)或金属氧化物。其中，金属氧化物对应的示范性材料系整理于下表(4)中。
表(4)
承上述说明，所述多层结构的水氧阻障层14可以由不同的同心球壳材料制成，例如：以硅胶与sto交互堆栈而成。相反地，所述多层结构的水氧阻障层14也可以由单一同心球壳材料重复多次堆栈而成。须特别说明的是，如图7所示，由于相邻两个同心球壳之间会存在着至少一孔洞间隙15，使得该多层结构的水氧阻障层14于结构上类似一洋葱皮结构。
实施例
本发明的光扩散量子点纳米结构可利用以下制成步骤制得：
步骤(1)：将5毫克的量子点分散于3毫升的非极性溶液(例如：甲苯)之中；其中，每一个量子点包括光学核心10及有机配体层11；
步骤(2)：加入0.3毫升的硅基单体溶液(例如3-mps)与0.1毫升的去质子剂(例如：氢氧化四甲铵(tmah))至该非极性溶液之中，于室温下均质搅拌5分钟即制备出表面硅烷化的量子点；
步骤(3)：加入0.1毫升的四乙氧基硅烷(teos)与20毫升的甲醇至前述步骤(2)所获得的溶液中，并通过稀释该溶液浓度的方式，控制无机封装层13(teose)包覆结构的致密程度；
步骤(4)：重复上述步骤(3)共3到5次；
步骤(5)：加入0.1毫升的异丙醇钛(titaniumisopropoxide,ttip)与20毫升的丙醇(propanol)至前述步骤(4)所获得的溶液中，并通过稀释该溶液浓度的方式，控制水氧阻障层14(tio2)包覆结构的致密程度；
步骤(6)：重复上述步骤(5)共3到5次。
请参阅图8，为显示照射时间相对于波长的数据曲线图；同时，请参阅图9，为显示照射时间相对于峰值面积的数据曲线图。其中，图8与图9的数据藉由以uv光长时间照射本发明的光扩散量子点纳米结构1以及习用技术的第二量子点1043’(如图4所示)而测得，并且本发明的光扩散量子点纳米结构1之中的光学核心10的尺寸介于3-10nm。另一方面，请再参阅图10，为显示照射时间相对于波长的数据曲线图；同时，请参阅图11，为显示照射时间相对于峰值面积的数据曲线图。其中，图10与图11的数据藉由以uv光长时间照射本发明的光扩散量子点纳米结构以及习用技术的第一量子点1042’(如图4所示)而测得，并且本发明的光扩散量子点纳米结构1之中的光学核心10的尺寸介于5-20nm。由图8、图9、图10、以及图11的测量数据，吾人可以发现的是，相比于习用技术所揭示的绿光量子点与红光量子点，本发明的光扩散量子点纳米结构展现出较为优良的稳定性。
具光扩散量子点纳米结构的有机发光二极管
上述说明已清楚且完整地揭示本发明的光扩散量子点纳米结构的结构组成；接着，下文将继续说明本发明的具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片。请参阅图12，为显示本发明之一种具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片的侧面剖视图。如图12所示，所述具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片1a(下文简称发光二极管芯片1a)于构件上包括：一绝缘主体101、一导线架102、一led晶粒103、一封装胶体(colloidalencapsulation)104、以及由多个光扩散量子点纳米结构1聚集而成的多个光扩散量子点纳米结构团聚物(clusteroflight-diffusionquantumdotquantumdotnanostructure)。特别地，图13为显示光扩散量子点纳米结构团聚物的高分辨穿透式电子显微镜(hrtem)影像图。
如图12所示，该绝缘主体101具有一led设置凹槽1011。并且，该导线架102设置于该绝缘主体101内部，并具有至少二焊接部1021与至少二电性连接部1022；其中，所述焊接部1021曝露于该led设置凹槽1011之内，且所述电性连接部1022穿出于该绝缘主体101之外。另一方面，该led晶粒103设置于该led设置凹槽1011之内并电性连接至该至少二焊接部1021，用以发出具有一第一波长的一第一色光，例如：紫外光、紫蓝光、蓝光、上述任两者的组合、或上述任两者以上的组合。
该封装胶体104形成于该led设置凹槽1011之中，且其材料可为下列任一者：硅胶、压克力(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯对苯二甲酸酯、或环氧树脂。再者，该多个光扩散量子点纳米结构团聚物散布于该封装胶体104之中；其中用以聚集成所谓光扩散量子点纳米结构团聚物的光扩散量子点纳米结构1的结构与组成已于前述说明中揭示，于此不再重复说明。值得说明的是，本发明并不限制led晶粒103与光扩散量子点纳米结构1之中的光学核心10的种类；也就是说，led晶粒103与光学核心10的种类是可以任意选择搭配的。led晶粒103与光学核心10的种类的示范性选用整理于下表(5)之中。
表(5)
以蓝光led晶粒作为led晶粒103，则电力驱动led晶粒103可使其发出一蓝色光；相对地，以绿光量子点及红光量子点作为光学核心10，则光学核心10吸收该蓝色光之后会放射出一绿色光与一红色光。如此，蓝色光、绿色光与红色光便会于封装胶体104内混合成一白色光。另外，图12为显示该绝缘主体101的顶部设有一透镜106；其中，该透镜106遮盖该led设置凹槽1011，用以调整该发光二极管芯片1a的出光范围与角度。进一步地，图12又显示一散热器105设置于该绝缘主体101内部；其中，该散热器105的一承载部1051曝露于该led设置凹槽1011之内以承载该led晶粒103，并且该散热器105的一散热部1052穿出于该绝缘主体101之外。
请参阅图14与图15，为分别显示光激荧光光谱图以及cie1931色度坐标图。如图14所示，与习用技术的量子点发光二极管芯片10’(如图3所示)相比，使用uv光照射本发明所揭示的含有多个光扩散量子点纳米结构团聚物的封装胶体104之后，通过封装胶体104所放射出的uv光的强度与两种光激荧光(亦即，绿光与红光)的强度并没有过大的差异，这样的结果显示本发明的具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片1a的发光均匀度优于习用技术的量子点发光二极管芯片10’。同时，测量数据亦显示本发明的具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片1a所发出的白光的强度高于习用技术的量子点发光二极管芯片10’约15％左右。另外，由图15可以得知，本发明的具光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片1a发出的白光于cie1931色度坐标图的色度坐标为(0.3185,0.352)，表示白光的色温约为6000k。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的光扩散量子点纳米结构及具有该光扩散量子点纳米结构的发光二极管芯片；并且，经由上述可以得知本发明具有下列的优点：
(1)本发明特别以一光学核心10、一有机配体层11、一疏水性层12、一无机封装层13、以及一多层结构的水氧阻障层14构成具备新颖性的一光扩散量子点纳米结构1。其中，由于该多层结构的水氧阻障层14为由多个同心球壳堆栈而成的一类洋葱皮结构，因此会有多个孔洞间隙15分布在该多个同心球壳之间。如此设计，可以有效提升光扩散量子点纳米结构于固化高分子材料之中的分散性。
(2)此外，本发明又以一绝缘主体101、一导线架102、一led晶粒103、一封装胶体104、以及由多个光扩散量子点纳米结构1聚集而成的多个光扩散量子点纳米结构团聚物构成一发光二极管芯片1a。其中，由于该光扩散量子点纳米结构1于固化高分子材料之中具有优良的分散性，使得该多个光扩散量子点纳米结构团聚物能够均匀分布在该封装胶体104之内，进而能够有效提升发光二极管芯片1a的发光强度。同时，由于该光扩散量子点纳米结构1具有类似洋葱皮结构的一多层结构的水氧阻障层14，使得量子点放射出的光激荧光能够经由洋葱皮结构之中的孔洞间隙15而出光，藉此方式改善发光二极管芯片1a的发光均匀度。
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。