專利名稱：用于led光源的光學(xué)粘合組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED光源，并且尤其涉及具有使用光學(xué)粘合組合物粘 合到LED管芯的光學(xué)元件的LED光源。
背景技術(shù)：
LED光源具有提供常規(guī)光源的亮度、輸出和運(yùn)行壽命的固有潛能。 不幸地是，LED光源在通常稱為LED管芯的半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生光，并 且在基本上不降低亮度或增加LED光源表觀發(fā)光面積的情況下，難以 有效地從LED管芯中提取光。這種困難通常由于LED管芯(折射率n 為2.4或更大)和空氣(n=l)之間的大折射率失配產(chǎn)生，使得在LED 管芯中生成的大部分光發(fā)生全內(nèi)反射并且不可以逸出管芯，從而降低 亮度。
先前用于從LED管芯中提取光的方法包括使用封裝LED管芯的 封裝劑。封裝劑通常具有高于空氣的折射率(對于典型的環(huán)氧封裝劑， n約為1.5)，使得在管芯界面處與其周圍的折射率失配降低。因此， 浪費(fèi)較少的光并且光源更為明亮。然而，需要進(jìn)一步改善效率和亮度。 另外，封裝劑易受來自在LED管芯生成的熱的大的溫度漂移的影響， 隨著多個(gè)溫度循環(huán)，其引起可以損壞管芯的應(yīng)力。封裝劑還可以黃化 或者隨時(shí)間推移降解。
提取器也可以用于從LED管芯中提取光。這些光學(xué)元件通常為透明聚合物或玻璃并且接觸或緊鄰LED管芯表面設(shè)置。提取器和LED管 芯光學(xué)耦合使得光從LED管芯中提取出來。提取器的輸入表面通常具 有特定尺寸和形狀以和LED管芯的主發(fā)光表面大體配合。然而，難以 粘合提取器和LED管芯己經(jīng)妨礙提取器的使用。已知的粘合方法需要 高溫(大于350°C)和高壓，這兩者會負(fù)面地影響LED光源的功能。 己知的粘合方法還需要涉及到的制造方法，例如化學(xué)氣相沉積法、多 種形式的外延等，其限制了這些方法在選擇應(yīng)用場合方面的有效性。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開的是光學(xué)粘合組合物以及包括該組合物的LED光源。 LED光源可以包括LED管芯；光學(xué)耦合到LED管芯的光學(xué)元件；以 及包括無定形有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)的粘合層，有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)包括衍生自
(R'SiO,.5)n
的倍半硅氧烷部分，其中W為有機(jī)基團(tuán)，并且n為至少10的整 數(shù)；粘合層將LED管芯和光學(xué)元件粘合在一起。
無定形有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)可以包括表面改性的金屬氧化物納米粒 子，表面改性的金屬氧化物納米粒子包括金屬氧化物納米粒子和表面 改性劑。可用的金屬氧化物納米粒子包括氧化鋯、二氧化鈦、氧化鋅、 氧化鉭、氧化鈮、氧化鑭、氧化鍶、氧化釔、二氧化鉿、氧化錫、氧 化銻、以及它們的組合。還可以使用上述的混合氧化物。在一個(gè)具體 實(shí)例中，金屬氧化物納米粒子包括具有大于約1.8折射率的結(jié)晶氧化鋯 納米粒子?？捎玫谋砻娓男詣┌人帷㈧⑺?、烷氧基硅烷或它們的 組合或混合物。
光學(xué)元件通常為通過為光從LED管芯內(nèi)部逸出提供便利而增加光 源效率的光學(xué)提取器。
10本文還公開了一種使用光學(xué)粘合組合物制備LED光源的方法。該 方法包括a)提供LED管芯；b)提供光學(xué)元件；C)提供包括具有化 學(xué)式(R'SiO,.5)。(OR +2的倍半硅氧烷和具有化學(xué)式(R^Si(OR3)2的二 烷氧基硅垸的光學(xué)粘合組合物，其中R'至R"為有機(jī)基團(tuán)，n為至少5 的整數(shù)；以及d)通過使LED管芯和光學(xué)元件與光學(xué)粘合組合物接觸， 將LED管芯和光學(xué)元件粘合在一起。
本文所公開的LED光源可用于多種照明應(yīng)用中，例如用于可以是 側(cè)光式或直下式的背光指示牌和液晶顯示器。本文所公開的LED光源 還可以用作用于LED標(biāo)牌、汽車應(yīng)用、投影應(yīng)用和一般照明(包括建 筑照明、調(diào)光(mood)照明和藝術(shù)照明)的光源。
本發(fā)明的這些方面以及其他方面在下面的具體實(shí)施方式
中將顯而 易見。然而，在任何情況下上述發(fā)明內(nèi)容都不應(yīng)理解為是對受權(quán)利要 求書保護(hù)的主題的限制，該主題僅受所附權(quán)利要求的限定，在專利申 請過程中可以對其進(jìn)行修正。


結(jié)合以下附圖以及以下具體實(shí)施方式
及實(shí)例可以更加全面地理解 本發(fā)明。在任何情況下都不應(yīng)將附圖理解為是對受權(quán)利要求書保護(hù)的 主題的限制，該主題僅受本文所闡述的權(quán)利要求的限定。
圖1示出示例性LED光源的示意性橫截面。
圖2a-2d示出示例性會聚式提取器。
圖3a-3c和4a-4b示出示例性發(fā)散式提取器。
具體實(shí)施例方式
圖1示出示例性LED光源100的示意性橫截面，LED光源100包 括通過粘合層106粘合在一起的LED管芯102和光學(xué)元件104。粘合 層包括在無定形硅酸鹽網(wǎng)中的表面改性的金屬氧化物納米粒子。 一般 來講，LED管芯和光學(xué)元件光學(xué)耦合使得由LED管芯發(fā)射的光能夠傳播并且到達(dá)光學(xué)元件。取決于元件的具體性質(zhì)，光學(xué)元件可以為光能 夠以多種方法進(jìn)入并射出的提取器。
為簡單起見，LED管芯在圖1中一般性示出并且可以包括在本領(lǐng)
域已知的常規(guī)設(shè)計(jì)特征。例如，LED管芯可以包括截然不同的p和n 型半導(dǎo)體層，其通常由III-V半導(dǎo)體形成，包括氮化物，例如A1N、 GaN、 InN;磷化物，例如InGaP、 A1P、 GaP、 InP;以及其他例如AlAs、 GaAs、 InAs、 AlSb、 GaSb和InSb。 LED管芯還可以由II-VI半導(dǎo)體(例如ZnS、 ZnSe、 CdSe和CdTe) 、 IV族半導(dǎo)體Ge、 Si和碳化物(例如SiC)形 成。LED管芯還可以包括緩沖層、基底層和覆蓋層。LED管芯在光源 (其中存在LED管芯)的典型發(fā)射波長處的折射率為約1.7至約4.1。
雖然示出的是矩形的LED管芯，但是還可以想到其他已知的構(gòu)型， 例如LED管芯可具有可形成截短的倒錐體的傾斜側(cè)面。為簡單起見沒 有示出LED管芯的電觸點(diǎn)，但可以將其布置在任何一個(gè)或多個(gè)表面上 以施加電力給裝置通電。實(shí)例包括焊接回流、引線鍵合、巻帶式自動(dòng) 鍵合(TAB)、或者倒裝鍵合。元件或芯片的各個(gè)層和其他功能元件 通常以晶片級形成，然后將加工好的晶片切成單個(gè)元件，以生產(chǎn)多個(gè) LED管芯?？梢杂帽砻尜N裝、薄芯片直接貼裝或其他已知的貼裝構(gòu)型 來構(gòu)造LED管芯。
本文所公開的光學(xué)元件由具有相對高的折射率的固態(tài)、透明材料 制成。用于光學(xué)元件的合適的材料包括無機(jī)材料，例如光學(xué)玻璃，如 得自肖特北美有限公司(Schott North America, Inc.)的肖特玻璃型號 LASF35或N-LAF34,以及在美國序列No. 11/381518 (Leatherdale等 人)中描述的那些，該專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。其他適 合的無機(jī)材料包括陶瓷，如藍(lán)寶石、氧化鋅、氧化鋯、金剛石和碳化 硅。藍(lán)寶石、氧化鋅、金剛石和碳化硅尤其是有用的，因?yàn)檫@些材料 另外具有相當(dāng)高的熱導(dǎo)率(0.2-5.0W/cmK)。光學(xué)元件還可以包括熱 固性高折射率聚合物，例如丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚碳酸酯和多環(huán)類聚合物；或熱塑性高折射率聚合物，例如聚碳酸酯和環(huán)烯 烴。光學(xué)元件可以包括與陶瓷納米粒子結(jié)合的熱固性或熱塑性聚合物， 陶瓷納米粒子包括氧化鋯、氧化鋅、二氧化鈦和硫化鋅。
提取器的折射率在LED管芯的發(fā)射波長處至少為約1.5，例如， 大于約1.8，或大于約2。在一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)元件的折射率可以與LED 管芯的發(fā)光表面的折射率相同、幾乎相同或不大于LED管芯的發(fā)光表 面的折射率。這將允許光的最大限度提取。例如，折射率可以在約0.2 以內(nèi)?；蛘?，提取器的折射率可以大于或小于LED管芯發(fā)光表面的折 射率d例如，如果LED管芯的發(fā)光表面為1.75，則提取器可以具有1.7、 1.75、 1.9、 2.1或2.3的折射率。
在一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)元件包括具有至少約1.7的折射率的光學(xué)玻 璃。在另一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)元件包括具有至少約2.0，優(yōu)選地至少2.1、 2.2或2.3或更大折射率的玻璃或玻璃陶瓷材料，如在美國序列No. 11/381518 (Leatherdale等人)中描述的。 一般來講，這些材料包括小 于20重量％的B203，小于20重量％的Si02，以及小于40重量％的P205。 在一些情況下，限制下列材料小于20重量％: As203、 Bi203、 Ge02、 NaO、 Te02、 V205、 Si02、 B203，以及P205?？捎玫牟ＡЩ虿Ａ沾?材料包括至少兩種金屬氧化物，例如人1203; Ti02;稀土氧化物；或堿 土金屬氧化物。這些材料的結(jié)晶溫度Tx優(yōu)選地高于它們的玻璃化轉(zhuǎn)變 溫度Tg至少5t:，這有利于材料模制成光學(xué)元件。
光學(xué)元件的一個(gè)實(shí)例為可以用于從LED管芯中提取光的提取器。 一般來講，提取器修飾光的角分布，轉(zhuǎn)變第一光發(fā)射圖案為不同的第 二光發(fā)射圖案。根據(jù)提取器的形狀，發(fā)射光的圖案為總體上向前方向 并且可以為圍繞提取器的圓形或在側(cè)邊以某種對稱或非對稱分布。
光學(xué)元件可以包括會聚式提取器，如在美國序列No.11/381324 (Leatherdale等人)中描述的，該專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本文。會聚式提取器具有至少一個(gè)匯聚側(cè)邊、基部和頂端，并且頂端至 少部分地設(shè)置在基部上并且具有小于基部表面積的表面積，并且至少 一個(gè)會聚側(cè)邊從基部向頂端會聚。會聚式提取器的形狀可以為錐形、 多面的、類楔形、類錐形等，或它們的某種組合。基部可以具有任何 形狀(如方形、圓形、對稱、非對稱、規(guī)則或不規(guī)則)。頂端可以為 點(diǎn)、線或平的或圓形表面，并且其位于基部上，或保持居中或從基部 的中心偏移。對于會聚式提取器，基部通常鄰近LED管芯設(shè)置并且一
般與LED管芯平行。另外，基部和LED管芯可以在尺寸上基本匹配， 或基部可以小于或大于LED管芯。
圖2a-2d示出示例性會聚式提取器的透視圖圖2a示出四側(cè)面的 椎體；圖2b六側(cè)面的多面體；并且圖2c和2d示出楔形體，其中頂端 (線條)設(shè)置在基部上，并且頂端分別保持居中和從中心偏移。在圖 2d中示出的提取器還具有兩個(gè)起到準(zhǔn)直光作用的發(fā)散側(cè)邊，會聚側(cè)邊 使得光重新導(dǎo)向至側(cè)邊。會聚式提取器的其它實(shí)例在美國專利序列 No. 11/381324 (Leatherdale等人)中示出。
光學(xué)元件可以包括發(fā)散式提取器，如在美國專利申請Nos. 2006/0091784 Al (Connor等人)、2006/0091411 Al (Ouderkirk等人)、 2006/0091798 Al (Ouderkirk等人)和2006/0092532 Al (Ouderkirk等
人)中描述的，其公開內(nèi)容以引用方式并入本文。發(fā)散式提取器具有 至少一個(gè)發(fā)散側(cè)邊、輸入表面以及大于輸入表面的輸出表面。發(fā)散式 提取器一般以錐形的形式成形。圖3a-3c示出示例性發(fā)散式提取器圖 3a示出具有四個(gè)側(cè)邊的截短的倒多面體的透視圖；圖3b示出具有拋物 線側(cè)壁的截短的倒錐體的透視圖；并且圖3c示出具有凸的輸出表面的 截短的倒錐的示意性橫截面。
發(fā)散式提取器的實(shí)例也在美國序列No. 11/381518 (Leatherdale等 人)中此前描述的圖4a和4b中示出。這些提取器的表面被布置為將來 自LED管芯的光的方向改變?yōu)榛旧线吢返姆较?，而不是沿著LED管芯的中心軸的向前方向。側(cè)發(fā)光LED尤其適合用在液晶顯示面板的薄 直下式背光源中，因?yàn)榭梢允构庠诙叹嚯x內(nèi)橫向地?cái)U(kuò)展，避免了顯示 器整個(gè)觀察區(qū)域的亮區(qū)和暗區(qū)或熱點(diǎn)。
圖4a為楔形提取器400的示意性側(cè)視圖。提取器400具有輸入表 面402、輸出表面404以及側(cè)面406a和406b。輸入和輸出表面可以彼 此設(shè)置為具有很大的角度，標(biāo)稱地約90度。對于這種布置方式，穿過 輸入表面進(jìn)入的光線408a從側(cè)面的一個(gè)或兩個(gè)反射(是通過全內(nèi)反射 還是在反射材料或涂層的幫助下沒有示出)并且大約向側(cè)邊重新導(dǎo)向， 如由光線408b表示的。隨后光線408b穿過輸出表面射出。提取器400 的形狀或周邊的俯視圖可以顯示出多種形狀，包括矩形、梯形、派形、 半圓形或它們的任何組合。
圖4b為另一個(gè)楔形提取器410的示意性側(cè)視圖。提取器410具有 輸入表面412、輸出表面414和側(cè)面416。提取器410可以具有將提取 器400繞豎直的軸旋轉(zhuǎn)而成的形狀，該豎直的軸與側(cè)面406a重合。在 一些情況下，該提取器可以通過將復(fù)合構(gòu)造的兩個(gè)提取器400在它們 各自的側(cè)面406a處連接而制成。在一種不同的復(fù)合構(gòu)造中，虛線418 表示在組成提取器410的截然不同的光學(xué)主體之間可能的界面或邊界。
類似于提取器400，提取器410的輸入和輸出表面彼此設(shè)置為具 有很大的角度，標(biāo)稱地約90度。穿過輸入表面進(jìn)入的來自LED的光從 側(cè)面的一個(gè)或兩個(gè)反射(是通過全內(nèi)反射還是在反射材料或涂層的幫 助下沒有示出)并且大約向側(cè)邊重新導(dǎo)向，隨后穿過輸出表面射出。 從俯視圖(未示出)看，提取器410的形狀可以是包括(例如)多邊 形(如正方形或矩形)、圓形或橢圓形的多種形狀中的任何一種。對 于圓形或橢圓形的形狀或周邊，穿過輸入表面進(jìn)入的光重新導(dǎo)向以形 成輸出光的環(huán)。
就會聚式提取器來說，發(fā)散式提取器的輸入表面通常緊鄰LED管
15芯設(shè)置并且一般平行于LED管芯。另外，輸入表面和LED管芯可以在 尺寸上基本匹配，或輸入表面可以小于或大于LED管芯。發(fā)散式提取 器的其他實(shí)例在美國7,009,213 B2和美國6,679,621 B2中有所描述。
如上所述，LED管芯包括交替的半導(dǎo)體層。最外層中的一個(gè)可以 稱為發(fā)光層，并且該層具有可以稱為發(fā)光表面的最外表面。另外如上 所述，光學(xué)元件包括光輸入表面。在一個(gè)可用的構(gòu)造中，LED光源包 括粘合在一起的LED管芯和光學(xué)元件，使得發(fā)光表面和光輸入表面與 粘合層接觸，如在例如圖l中示出的。
光學(xué)粘合組合物用于形成粘合層。光學(xué)粘合組合物包括具有化學(xué) 式(R'SiOL5)n(OR +2的倍半硅氧烷和具有化學(xué)式(R^Si(OR3)2的二垸 氧基硅垸，其中W至W為有機(jī)基團(tuán)，n為至少5的整數(shù)。W可以為烷 基、烷芳基、芳烷基、芳基、 一元醇、聚乙二醇或聚醚基團(tuán)，例如甲 基、乙基、丙基、苯基或萘基。R'和RS可以為相同或不同的，并且它 們可以獨(dú)立地選自由甲基、苯基、它們的組合以及它們的混合物組成 的組。例如，W和I^可以均包含苯基。113和114可以為相同或不同的， 并且它們可以獨(dú)立地選自由垸基、乙酰氧基以及甲氧基乙氧基以及它 們的組合和它們的混合物組成的組。例如，113和114均可以包含甲基。 另外，n可以至少為10，或至少20。
當(dāng)將LED管芯和光學(xué)元件粘合在一起時(shí)在LED管芯和光學(xué)元件 之間形成粘合層。據(jù)信光學(xué)粘合組合物發(fā)生反應(yīng)以形成無定形有機(jī)聚 硅氧垸網(wǎng)。通過施加熱可以加速反應(yīng)。無定形有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)是指衍 生自有機(jī)硅氧烷前體的縮合的化學(xué)鍵網(wǎng)。在一個(gè)實(shí)例中，無定形有機(jī) 聚硅氧烷網(wǎng)基本上衍生自包括(R2)2Si(OR3)2的D-單元。
倍半硅氧烷或聚倍半硅氧垸衍生自基本分子單元，其具有與三個(gè) 跨接氧原子結(jié)合的硅。因?yàn)檫@個(gè)原因，倍半硅氧烷可以形成大量的復(fù) 合三維形狀。可以使用多種聚倍半硅氧烷，例如聚甲基倍半硅氧垸、聚苯基倍半硅氧烷和聚甲基苯基倍半硅氧垸。合適的具體聚倍半硅氧
烷包括(但不限于)得自俄亥俄州哥倫布市(Columbus ， Ohio)Techneglas 有限公司并以標(biāo)簽GR653L、 GR654L和GR650F售出的聚甲基倍半硅 氧垸；得自俄亥俄州哥倫比亞市Technegl as有限公司并以標(biāo)簽GR9 5 OF 售出的聚苯基倍半硅氧垸；以及得自俄亥俄州哥倫比亞巿Techneglas 有限公司并以標(biāo)簽GR卯8F售出的聚甲基苯基倍半硅氧垸。
光學(xué)粘合組合物還可以包含其它烷氧基硅垸，例如具有化學(xué)式
(R、-Si-(OR2)y
的四烷氧基硅烷和烷基三垸氧基硅垸，其中R'可以為烷基、垸芳 基、芳烷基、芳基、 一元醇、聚乙二醇或聚醚基團(tuán)，或它們的組合或
混合物；W可以為烷基、乙酰氧基或甲氧基乙氧基，或它們的混合物； 分別地x-從0至3并且y—人4至1，前提條件是x+y-4。可以加入包 括一烷氧基硅烷、二烷氧基硅垸、三垸氧基硅烷和四垸氧基硅垸的一 種或多種垸氧基硅烷以控制有機(jī)硅氧烷網(wǎng)的交聯(lián)密度并且控制有機(jī)硅 氧垸網(wǎng)的物理特性(包括柔韌性和增粘性)。這些烷氧基硅烷的實(shí)例 包括(但不限于)四乙氧基硅烷、四甲氧基硅垸、甲基三乙氧基硅烷 以及甲基三甲氧基硅烷。這些成分存在的量可以為約0至50重量％。
還可以將多種溶劑適當(dāng)?shù)赜糜诠鈱W(xué)粘合組合物中以降低粘合組合 物的粘度，以允許粘合組合物的較薄層沉積在LED發(fā)射表面或光學(xué)元 件上。這些溶劑的實(shí)例包括醇、酮、醚、乙酸酯等。示例性溶劑包括 甲醇、乙醇、丁醇和l-甲氧基-2-丙醇。芳族溶劑(例如甲苯、二甲苯 等等)可用于在倍半硅氧烷和垸氧基硅烷中具有芳族特點(diǎn)的制劑。
可以向光學(xué)粘合組合物中加入添加劑以增加對基底的粘合力，改 性流動(dòng)特性以提高基底的涂布，或催化組合物中組分的縮合反應(yīng)以形 成有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)。合適的催化劑實(shí)例包括酸、堿和金屬有機(jī)絡(luò)合物。在一個(gè)具體實(shí)例中，催化劑為有機(jī)酸，例如乙酸。
光學(xué)組合物還可以包括表面改性的金屬氧化物納米粒子。表面改 性的金屬氧化物納米粒子可以包括選自由下列物質(zhì)組成的組的金屬氧 化物納米粒子氧化鋯、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鉭、氧化鈮、氧化 鑭、氧化鍶、氧化釔、二氧化鉿、氧化錫、氧化銻、以及它們的組合。 金屬氧化物納米粒子還可以包括至少兩種選自由下列物質(zhì)組成的組的 金屬氧化物的混合金屬氧化物納米粒子氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、 二氧化鈦、氧化鋅、氧化鉭、氧化鈮、氧化鑭、氧化鍶、氧化釔、二 氧化鉿、氧化錫、氧化銻以及它們的組合。二氧化鈦納米粒子可以為 金紅石或銳鈦礦形式?；旌辖饘傺趸锛{米粒子的具體實(shí)例包括含氧 化硅和氧化鋯；氧化硅和二氧化鈦；以及氧化硅、氧化鋯和二氧化鈦 的那些。使用的具體金屬氧化物納米粒子可以取決于多種因素，例如 折射率、光學(xué)組合物中的相容性、成本等。
金屬氧化物納米粒子用一種或多種表面改性劑進(jìn)行表面改性以增 加金屬氧化物納米粒子與粘合層和/或光學(xué)組合物中的其他組分的相容 性。例如，氧化鋯納米粒子在具有2至4pH值的水酸性環(huán)境中是穩(wěn)定 的，并且可以使用表面改性以保護(hù)納米粒子防止在光學(xué)組合物的水堿 性環(huán)境中的絮凝。表面改性涉及金屬氧化物納米粒子與表面改性劑的 反應(yīng)，表面改性劑附連到納米粒子的表面并且改性其表面特性。
表面改性劑可以由化學(xué)式A-B表示，其中A基團(tuán)能夠附連到金屬 氧化物納米粒子的表面，并且B基團(tuán)為相容基團(tuán)。 一般來講，需要考 慮具體金屬氧化物和光學(xué)組合物的性質(zhì)來選擇A基團(tuán)，g卩，表面改性
的金屬氧化物納米粒子應(yīng)穩(wěn)定，使得在高堿性環(huán)境中保持相容性?？?br> 用的A基團(tuán)包括羧酸、膦酸、烷氧基硅烷、以及它們的組合和混合物。
烷氧基硅烷可以由下列化學(xué)式表示
-Si-(OR5)z
18其中W為烷基、乙酰氧基、甲氧基乙氧基或它們的混合物；并且
z二從1至3 。
可用的B基團(tuán)為使得金屬氧化物納米粒子在光學(xué)組合物中相容的 親水性基團(tuán)；實(shí)例包括醇、聚乙二醇和聚醚和/或例如垸基的疏水基團(tuán)。 表面改性劑的實(shí)例包括聚乙二醇烷氧基硅烷和聚乙二醇類羧酸衍生 物，例如2[-2- (2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸和(2-甲氧基乙氧基) 乙酸。
表面改性的金屬氧化物納米粒子具有小于光波長，例如小于約 300nm的平均粒度。
當(dāng)使用時(shí)，表面改性的金屬氧化物納米粒子存在的量按重量計(jì)可 以大于有機(jī)聚硅氧垸前體源的二分之一。相對于將LED管芯和光學(xué)元 件粘合在一起形成的粘合層，表面改性的金屬氧化物納米粒子可以以 相對于粘合層的重量以從約1至約95重量％的量存在。通常，相對于 粘合層的總重，希望具有從約40至約95重量％的表面改性的金屬氧化 物納米粒子。使用的具體量部分由對于粘合層的所需折射率確定，如 下面描述的。然而，如果在粘合層中納米粒子的量太大，則在LED管 芯和光學(xué)元件之間難以獲得合適的粘合，并且另外，LED光源的效率 可能變差。
具體地講，表面改性的金屬氧化物納米粒子包括具有至少約1.8， 優(yōu)選地至少約2.0的折射率的高度結(jié)晶的氧化鋯納米粒子，例如在美國 U.S. 6,376,590 B2中描述的納米粒子，其公開內(nèi)容以引用的方式并入本 文。高度結(jié)晶的氧化鋯納米粒子通過用上述對化學(xué)式A-B描述的烷氧 基硅垸中的一種或多種表面改性摻入到光學(xué)組合物中。高度結(jié)晶的氧 化鋯納米粒子通過用上述對化學(xué)式A-B描述的羧酸中的一種或多種表 面改性摻入到光學(xué)組合物中。高度結(jié)晶的氧化鋯納米粒子具有小于約lOOnm的平均粒度。
上述描述的氧化鋯納米粒子的折射率比無定形氧化鋯的折射率高 得多。當(dāng)摻入到硅酸鹽網(wǎng)以得到無定形硅酸鹽網(wǎng)時(shí)，氧化鋯納米粒子 使得粘合層的折射率增加。因此，粘合層的光學(xué)特性可以如下面描述
定制，取決于將要粘合的具體LED管芯和光學(xué)元件。具體地講，硅酸 鹽網(wǎng)的折射率為約1.4,并且對于表面改性的氧化鋯納米粒子為從約1.8 至約2.1。表面改性的金屬氧化物納米粒子還可以包括具有大于約2.0， 并且優(yōu)選地大于約2.2的折射率的結(jié)晶二氧化鈦納米粒子。
LED光源的效率與LED管芯和光學(xué)元件光學(xué)耦合的程度直接相 關(guān)。應(yīng)該指出的是，在整個(gè)公開中，對LED管芯折射率的參考為對LED 管芯的光發(fā)射層的折射率的參考。LED管芯和光學(xué)元件光學(xué)耦合的程 度取決于若干因素，包括粘合層的厚度以及粘合層、LED管芯和光學(xué) 元件的折射率。 一般來講，當(dāng)粘合層的厚度顯著地小于空氣中發(fā)射光 的波長，例如小于約50nm時(shí)，粘合層的折射率對于LED管芯和光學(xué) 元件之間的光學(xué)耦合不太重要。隨著厚度增加，相對于光學(xué)耦合，粘 合層的折射率變得越來越重要。
粘合層可以具有小于50nm的厚度，但其通常大于約50nm，例如 高達(dá)約200nm或300nm，或甚至高達(dá)lOpm或IOOpm。粘合層可以具 有約5nm至約300nm，或從大于約50nm至約100(im的厚度。為優(yōu)化 LED管芯和光學(xué)元件之間的光學(xué)耦合，期望粘合層的厚度在第一和第 二表面之間的整個(gè)接觸區(qū)域基本上是均勻的。粘合層的最小必須厚度 可以取決于將要粘合的表面的平坦性或不規(guī)則性。
為最大化效率，粘合層的折射率緊密匹配LED管芯光發(fā)射表面(或 上面描述的光發(fā)射層)的折射率，例如，在約0.2以內(nèi)。如果粘合層的 折射率太低，則由LED管芯發(fā)射的光困在管芯中并且損失于吸收，即 使粘合層本身是非吸收的。通過增加粘合層的折射率至光發(fā)射層的折射率，較大比率的由LED發(fā)射的光可以耦合出管芯并且進(jìn)入光學(xué)元件， 即使粘合層吸收發(fā)射光的 一 部分。
如上所述，LED管芯或光發(fā)射層的折射率在LED管芯的發(fā)射波長 處為約1.7至約4.1。沒有表面改性的金屬氧化物納米粒子的無定形有 機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)的折射率大于約1.4。表面改性的金屬氧化物納米粒子用 于增加折射率高達(dá)約2.4。在一個(gè)實(shí)例中，在LED管芯的發(fā)射波長處粘 合層的折射率至少為約1.5，例如，大于約1.8，或大于約2。
在一個(gè)具體的實(shí)例中，LED管芯包括具有大于1.9的折射率的光 發(fā)射層，并且粘合層具有從約50nm至約100pm的厚度。在另一個(gè)實(shí) 例中，LED管芯包括具有小于或等于1.9的折射率的光發(fā)射層，并且粘 合層具有大于約5nm至約300nm的厚度。
粘合層對由LED管芯發(fā)射的特定波長的光基本上為透明的。在大 部分情況下，至少約70%的透射是理想的并且可以通過透射路徑長度 (粘合層厚度)和吸收常數(shù)的優(yōu)化獲得。
另外本文所公開的是制備LED光源的方法，該方法包括a)提 供LED管芯；b)提供光學(xué)元件；c)提供包括具有化學(xué)式
(R'SiOt.5)n(OR4)計(jì)2的倍半硅氧垸和具有化學(xué)式(R2)2Si(OR3)2的二烷氧
基硅烷的光學(xué)粘合組合物，其中W至I^為有機(jī)基團(tuán)，n為至少5的整 數(shù)；并且二垸氧基硅烷具有化學(xué)式(R"2Si(OR"2;并且d)通過使LED 管芯和光學(xué)元件與光學(xué)粘合組合物接觸，將LED管芯和光學(xué)元件粘合 在一起。
使用滴管或通過浸涂、旋涂、氣溶膠分配、澆注、分配、用水噴 霧或通過在光學(xué)組合物的容器中連接表面或通過其他類似方法可以將 光學(xué)組合物施加到LED管芯、光學(xué)元件或兩者的一個(gè)或多個(gè)表面。然 后使表面接觸以夾住光學(xué)組合物，使得組合物在表面中每一個(gè)的整個(gè)
21上擴(kuò)散并且形成均勻的層。如果形成氣泡，可以通過施加真空來移除 它們。然后允許在室溫下保持組件直到在沒有粘合失效的情況下其為 可處理的；這個(gè)過程可以從幾分鐘至幾天。外部壓縮力或真空可以用 于加快粘合處理和/或用于促進(jìn)良好的粘合。
可以施加熱以加快粘合層的形成和/或加強(qiáng)粘合層，然而，組件的 溫度必須保持在任一組分的最低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之下。通常使用小于
約30(TC的溫度，例如，小于約20(TC，或小于或等于150°C。為了最 小化由LED管芯和光學(xué)元件的熱膨脹系數(shù)的差值引起的在界面處的殘 余應(yīng)力和雙折射，使用可能的最低溫度是理想的。在一些情況下，必 須當(dāng)心，以使得粘合層的溫度不超過在光源工作期間將達(dá)到的溫度。
光學(xué)粘合組合物還可以用作用于LED光源的封裝劑。封裝劑接觸 并且封裝LED管芯。
封裝劑可以包括反應(yīng)的光學(xué)粘合組合物，使得封裝劑包括無定形
有機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)，有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)包括衍生自(R"SiO,.5)n的倍半硅氧烷
部分，其中Ri為有機(jī)基團(tuán)，n為至少10的整數(shù)。
LED光源將通過以下方法制備，包括a)提供LED管芯；b)提 供本文描述的任何光學(xué)粘合組合物；c)使LED管芯與b)中提供的任 何組合物接觸，從而形成組件；以及d)可任選地加熱組件。
實(shí)例
如下制備表面改性的氧化鋯納米粒子?；旌?00克的23重量％的 氧化鋯溶膠(水中25.5重量％的固體，固體為氧化鋯和乙酸)；100 克的l-甲氧基-2-丙醇；以及5.45克的2-[2-(2-甲氧基乙氧基)乙氧基] 乙酸(MEEAA)以得到每克氧化鋯具有1.2毫摩爾的MEEAA的混合 物。將混合物放置到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上以移除溶劑。得到干燥的固體并且 將該固體在真空箱中在6(TC下進(jìn)一步干燥約12小時(shí)。將所得的干燥粉末分散在229.5克的甲醇中以形成具有12重量％納米粒子的半透明液 體。
通過渦旋50克的聚(苯基硅氧垸)(C6H5SiO,.5)x玻璃樹脂小片(得
自Techneglas有限公司的GR-950)以及115克的丙酮30分鐘直至得 到透明溶液制備包括這兩種組分的硅氧烷溶液。
通過混合10克的納米粒子溶液、0.43克的硅氧烷溶液以及0.3克 的二苯基二甲氧基硅垸制備混合物。使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀移除溶劑后獲得 光學(xué)粘合組合物(一種粘性半透明材料)。
在丙酮中11分鐘然后在乙醇中11分鐘來超聲清潔光學(xué)玻璃 (LAH-51和LAH-66，均得自O(shè)'Hara有限公司)和非拋光的藍(lán)寶石基 底(得自盧比肯科技公司(Rubicon Technology))。允許清潔的表面 干燥。
然后光學(xué)粘合組合物用于將各光學(xué)玻璃粘合到藍(lán)寶石基底。將光 學(xué)粘合組合物涂敷到光學(xué)玻璃的表面并將一片藍(lán)寶石基底與光學(xué)粘合 組合物接觸。施加適度壓力10秒。允許接合的樣品在室溫下保持24 小時(shí)。然后將接合的樣品加熱至8(TC持續(xù)4小時(shí)，然后加熱至120°C 持續(xù)4小時(shí)。
在冷卻至室溫之后，每個(gè)組件的粘合強(qiáng)度足夠高以允許在沒有斷 裂玻璃和藍(lán)寶石之間新形成的粘合的情況下處理。
使用光學(xué)粘合組合物的LED的封裝
使用水性鹵化物助熔劑(S叩erior Flux & Mfg.有限公司的Superior 編號30)將Cree XT管芯(克里研究公司(Cree Inc.)，產(chǎn)品型號 C460XT290-0119-A)粘合到帶有電極的Kyocera陶瓷封裝(美國 Kyocera有限公司，產(chǎn)品型號KD-LA2707-A)中。通過使用0.03毫米(1密耳)的金線引線鍵合(庫力索法工業(yè)有限公司(Kulicke and Soffa Industries) ， 4524數(shù)字系列手動(dòng)引線鍵合機(jī))Creek XT管芯完成LED 封裝。在使用之前，使用20毫安常數(shù)電流的OL 770光譜儀(Optronics Laboratories有限公司)在沒有封裝情況下測試各封裝。
在Kyocera LED封裝(最大發(fā)射波長 460nm)中放入大約2毫 克(mg)的光學(xué)粘合組合物。將具有未固化的封裝劑組合物的LED封 裝在8(TC下加熱4小時(shí)然后在12(TC下加熱4小時(shí)。固化的封裝劑固 化，如通過用鑷的頂端探測確定。使用OL 770光譜儀測量LED的效 率，其效率相對于在封裝之前的LED提高。
在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明的各種修改和更改 對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的。應(yīng)該理解，本發(fā)明并非 意圖通過本文所述的示例性實(shí)施例和實(shí)例進(jìn)行不當(dāng)?shù)叵拗?，而且以舉 例的方式提出的僅在本發(fā)明范圍內(nèi)的這些實(shí)例和實(shí)施例旨在僅受本文 如下所述的權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1. 一種LED光源，包括LED管芯；光學(xué)元件，所述光學(xué)元件光學(xué)耦合到所述LED管芯；以及粘合層，所述粘合層包括無定形有機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)，所述有機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)包括衍生自(R1SiO1.5)n的倍半硅氧烷部分，其中R1為有機(jī)基團(tuán)，n為至少10的整數(shù)；所述粘合層將所述LED管芯和所述光學(xué)元件粘合在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，其中n為至少20的整數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，其中Ri為垸基、烷芳基、 芳烷基或芳基。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，其中R'為甲基、乙基、丙 基、苯基或萘基。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述粘合層包括至少約5 重量％的所述倍半硅氧烷部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述粘合層包括至少約20 重量％的所述倍半硅氧烷部分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的LED光源，所述粘合層包括至少約40 重量％的所述倍半硅氧烷部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述無定形有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)基本上衍生自D-單元，所述D-單元包括(R2)2Si(OR3)2 。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED光源，其中R^R2。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED光源，其中W為甲基或苯基。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述粘合層還包括表面改 性的金屬氧化物納米粒子。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧 化物納米粒子包括選自由下列物質(zhì)組成的組的金屬氧化物納米粒子-氧化鋯、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鉭、氧化鈮、氧化鑭、氧化鍶、氧 化釔、二氧化鉿、氧化錫、氧化銻、以及它們的組合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧 化物納米粒子包括至少兩種金屬氧化物的混合金屬氧化物納米粒子， 所述金屬氧化物選自由下列物質(zhì)組成的組氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、 二氧化鈦、氧化鋅、氧化鉭、氧化鈮、氧化鑭、氧化鍶、氧化釔、二 氧化鉿、氧化錫、氧化銻、以及它們的組合。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的LED光源，所述混合的金屬氧化物 納米粒子包括氧化硅和氧化鋯。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的LED光源，所述混合的金屬氧化物 納米粒子包括氧化硅和二氧化鈦。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的LED光源，所述混合的金屬氧化物納米粒子包括氧化硅、氧化鋯和二氧化鈦。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧化物納米粒子包括折射率大于約1.8的結(jié)晶氧化鋯納米粒子。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧 化物納米粒子包括折射率大于約2.0的結(jié)晶二氧化鈦納米粒子。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧 化物納米粒子用表面改性劑進(jìn)行表面改性，所述表面改性劑包括羧酸、 膦酸、烷氧基硅烷、或它們的組合或混合物。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的LED光源，所述羧酸包括聚乙二醇 羧酸。
21. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的LED光源，所述粘合層包括約40重 量％至約95重量％的所述表面改性的金屬氧化物納米粒子。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述LED管芯包括折射率 大于1.9'的發(fā)光層，并且所述粘合層具有約50nm至約10(^m的厚度。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述LED管芯包括折射率 小于或等于1.9的發(fā)光層，并且所述粘合層具有大于約5nm至約300nm 的厚度。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，其中所述LED管芯包括發(fā) 光表面，所述光學(xué)元件包括光輸入表面，并且所述粘合層將所述發(fā)光 表面和所述光輸入表面粘合在一起。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述光學(xué)元件具有至少約(2.0的折射率。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述光學(xué)元件包括折射率 至少約1.7的光學(xué)玻璃。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED光源，所述光學(xué)元件包括發(fā)散式 提取器或會聚式提取器。
28. —種制備LED光源的方法，所述方法包括a) 提供LED管芯；b) 提供光學(xué)元件；c) 提供包括具有化學(xué)式(I^SiOL5:UOR、+2的倍半硅氧烷和具有 化學(xué)式(R、Si(OR^的二烷氧基硅烷的光學(xué)粘合組合物，其中R'至R4 為有機(jī)基團(tuán)，n為至少5的整數(shù)；以及d) 通過使所述LED管芯和所述光學(xué)元件與所述光學(xué)粘合組合物 接觸，將所述LED管芯和所述光學(xué)元件粘合在一起。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中將所述LED管芯和所述 光學(xué)元件粘合在一起形成組件，并且所述方法還包括加熱該組件。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，所述光學(xué)粘合組合物還包括表 面改性的金屬氧化物納米粒子。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧 化物納米粒子包括折射率大于約1.8的結(jié)晶氧化鋯納米粒子。
32. —種光學(xué)粘合組合物，包括 表面改性的金屬氧化物納米粒子； 具有化學(xué)式(R、iOLs:UOR4)^的倍半硅氧烷；以及 具有化學(xué)式(R"2Si(OR"2的二烷氧基硅烷，其中R'至W為有機(jī)基團(tuán)，n為至少5的整數(shù)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光學(xué)粘合組合物，所述表面改性的金 屬氧化物納米粒子包括選自由下列物質(zhì)組成的組的金屬氧化物納米粒子氧化鋯、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鉭、氧化鈮、氧化鑭、氧化鍶、氧化釔、二氧化鉿、氧化錫、氧化銻、以及它們的組合。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光學(xué)粘合組合物，所述表面改性的金 屬氧化物納米粒子包括至少兩種金屬氧化物的混合金屬氧化物納米粒 子，所述金屬氧化物選自由下列物質(zhì)組成的組氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鉭、氧化鈮、氧化鑭、氧化鍶、氧化 釔、二氧化鉿、氧化錫、氧化銻、以及它們的組合。
35. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光學(xué)粘合組合物，所述表面改性的金 屬氧化物納米粒子包括折射率大于約1.8的結(jié)晶氧化鋯納米粒子。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的光學(xué)粘合組合物，其中所述表面改性 的金屬氧化物納米粒子存在的量按重量計(jì)大于所述有機(jī)聚硅氧烷前體 源的二分之一。
37. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的光學(xué)粘合組合物，還包括酸。
38. —種LED光源，包括 LED管芯；以及封裝劑，所述封裝劑接觸并封裝所述LED管芯，所述封裝劑包括 權(quán)利要求32中所述的光學(xué)粘合組合物。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的LED光源，所述封裝劑具有大于約 1.6的折射率。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的LED光源，其中R'和Pe為苯基。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的LED光源，其中所述表面改性的金 屬氧化物納米粒子包括折射率大于約1.8的結(jié)晶氧化鋯納米粒子。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的LED光源，所述表面改性的金屬氧 化物納米粒子用表面改性劑進(jìn)行表面改性，所述表面改性劑包括聚乙 二醇羧酸。
43. —種LED光源，包括 LED管芯；以及封裝劑，所述封裝劑接觸并封裝所述LED管芯，所述封裝劑包括 無定形有機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)，所述有機(jī)聚硅氧垸網(wǎng)包括衍生自(R'SiO,.5)n的倍半硅氧烷部分，其中W為有機(jī)基團(tuán)，n為至少10的整數(shù)。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的LED光源，所述封裝劑包括表面改 性的金屬氧化物納米粒子，所述表面改性的金屬氧化物納米粒子包括 折射率大于約1.8的結(jié)晶氧化鋯納米粒子。
45. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的LED光源，所述無定形有機(jī)聚硅氧 烷網(wǎng)基本上衍生自D-單元，所述D-單元包括 (R2)2Si(OR3)2 。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的LED光源，所述封裝劑包括表面改 性的金屬氧化物納米粒子，所述表面改性的金屬氧化物納米粒子包括 折射率大于約1.8的結(jié)晶氧化鋯納米粒子。
47. —種制備LED光源的方法，所述方法包括a) 提供LED管芯；b) 提供本文所述的任何光學(xué)粘合組合物；c) 使所述LED管芯與b)中提供的任何所述組合物接觸，從而 形成組件；并且d) 可任選地加熱所述組件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)粘合組合物以及包括所述組合物的LED光源，以及制備所述LED光源的方法。LED光源可以包括LED管芯；光學(xué)耦合到所述LED管芯的光學(xué)元件；以及包括無定形有機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)的粘合層，所述有機(jī)聚硅氧烷網(wǎng)包括衍生自(R¹SiO_1.5)_n的倍半硅氧烷部分，其中R¹為有機(jī)基團(tuán)，n為至少10的整數(shù)；所述粘合層將所述LED管芯和所述光學(xué)元件粘合在一起。當(dāng)使用光學(xué)提取器作為所述光學(xué)元件時(shí)可以增加所述LED光源的效率。
文檔編號H01L33/58GK101548398SQ200780043114
公開日2009年9月30日 申請日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月20日
發(fā)明者D·斯科特·湯姆森, 埃米·S·巴爾內(nèi)斯, 托德·A·巴倫 申請人:3M創(chuàng)新有限公司