DE102012103393A1 - Transparenter Körper, optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper und Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers - Google Patents

Transparenter Körper, optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper und Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers Download PDF

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Abstract

Transparenter Körper, optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper und Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers Die Erfindung betrifft einen transparenten Körper, der eine Polymermatrix (3) und zumindest einen Füllstoff (1) umfasst, wobei der Füllstoff (1) chemisch funktionalisiert ist, und wobei der funktionalisierte Füllstoff (1) in die Polymermatrix (3) chemisch eingebunden ist. Weiterhin wird ein optoelektronisches Bauelement umfassend den erfindungsgemäßen transparenten Körper, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers angegeben.

Description

  • Transparenter Körper, optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper und Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen transparenten Körper, ein optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper und ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers.
  • Eine Polymermatrix, welche beispielsweise Bestandteil eines transparenten Körpers eines optoelektronischen Bauelements sein kann, besitzt in der Regel eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Somit entsteht häufig das Problem, dass die bei Betrieb eines optoelektronischen Bauelements entstehende Wärme nicht ausreichend abgeleitet werden kann. Eine Alterung der Polymermatrix, beispielsweise Vergilbung und Reißen der Polymermatrix und im schlimmsten Fall Ausfall des optoelektronischen Bauelements können die Folge der unzureichenden Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix sein.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement, einen zum Beispiel darin einsetzbaren transparenten Körper, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers anzugeben, der eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
  • Ein transparenter Körper umfasst eine Polymermatrix und zumindest einen Füllstoff, wobei der Füllstoff chemisch funktionalisiert ist, und wobei der funktionalisierte Füllstoff in die Polymermatrix chemisch eingebunden ist. Durch das chemische Funktionalisieren des Füllstoffs und die chemische Einbindung des Füllstoffs in die Polymermatrix kann eine gute Anbindung und homogene Verteilung des Füllstoffs in der Polymermatrix erfolgen. Ein Füllgrad der Polymermatrix, welcher die Menge an Füllstoff in der Polymermatrix beschreibt, kann durch die chemische Einbindung des Füllstoffs verbessert werden. So kann beispielsweise eine höhere Menge an Füllstoff in die Polymermatrix eingebracht werden. Eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit kann erzeugt werden. Beispielsweise in einer Anwendung des transparenten Körpers bei optoelektronischen Bauelementen kann die während des Betriebs des optoelektronischen Bauelements erzeugte Wärme nun durch den transparenten Körper besser abgeführt werden. Dies erhöht sowohl die Lebensdauer des transparenten Körpers als auch die des optoelektronischen Bauelements.
  • Füllstoff bezeichnet hier und im Folgenden einen zusätzlichen chemischen Stoff, welcher zumindest ein Atom und/oder Molekül oder ein Zusammenschluss von Atomen und/oder Molekülen, beispielsweise eine Aggregation von Molekülen zu einer hochgeordneten Struktureinheit umfasst, und welcher selbst wärmeleitend ist und durch die chemische Funktionalisierung und chemische Einbindung des Füllstoffs in die Polymermatrix die wärmeleitenden Eigenschaften auf die Polymermatrix überträgt, die Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix verbessert und damit die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers erhöht.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Füllstoff Partikel oder ist in Form von Partikeln ausgestaltet. Die Partikel weisen eine Größe von 1 bis 5000 nm, bevorzugt 1 bis 200 nm, besonders bevorzugt eine Größe kleiner als 100 nm, beispielsweise 80 nm auf. Die Größe der Partikel ermöglicht es, die Transparenz des transparenten Körpers zu erhalten oder auf einen bestimmten Wert einzustellen. Insbesondere wird die elektromagnetische Strahlung, beispielsweise die von einem optoelektronischen Bauelement emittierende elektromagnetische Strahlung, von Partikeln mit einer Größe von kleiner oder gleich als 100 nm nicht gestreut und damit die Transparenz des transparenten Körpers erhalten. Transparenz bedeutet, dass eine Transmission von größer oder gleich 70%, insbesondere größer oder gleich 80%, beispielsweise 85%, bei einer entsprechenden Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung vorliegt.
  • Elektromagnetische Strahlung umfasst hier und im Folgenden bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen aus einem ultravioletten bis infraroten Spektralbereich. Insbesondere ist die elektromagnetische Strahlung sichtbares Licht mit Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen aus einem sichtbaren Spektralbereich zwischen etwa 350 nm und etwa 800 nm.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Geometrie der Partikel beliebig wählbar. Das Partikel ist beispielsweise formanisotrop. Formanisotrop bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Partikel richtungsabhängig eine unterschiedliche geometrische Form aufweist oder irregulär geformt ist. Formanisotrop bedeutet beispielsweise, dass die Höhe, Breite und Tiefe des Partikels unterschiedlich ist. Insbesondere sind die Partikel in Form einer Kugel, einer Röhre, eines Drahts oder eines Stäbchen ausgestaltet. Die Größe der Partikel liegt im Nanometerbereich.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Füllstoff kristallin oder flüssigkristallin.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Füllstoff aus einer Gruppe ausgewählt, die Flüssigkristalle, keramische Füllstoffe, AlN, Si3N4, SiC, BN, Al2O3, Nanopartikel, Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanodrähte, Böhmit-Stäbchen, AlO(OH), Nanotubes, Ta-organylhaltige Verbindungen, Ce-organylhaltige Verbindungen, Ti-organylhaltige Verbindungen, Ti-Alkoxid-haltige Verbindungen, Al-Alkoxid-haltige Verbindungen, Si-Alkoxid-haltige Verbindungen, Zr-Alkoxid-haltige Verbindungen, oxidische Füllstoffe, Al-Organyl-haltige Verbindungen und Kombinationen daraus umfasst.
  • Flüssigkristalle bezeichnet hier und im Folgenden einen chemischen Stoff, welcher beispielsweise Monomere, Oligomere oder Polymere umfasst oder daraus besteht, und welcher sowohl Eigenschaften eines Kristalls, beispielsweise die Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften (Anisotropie), als auch Eigenschaften einer Flüssigkeit, beispielsweise elektrische und optische Eigenschaften oder Fließverhalten, zeigen, wobei in einem bestimmten Temperaturbereich beide Phasen (flüssig und kristallin) nebeneinander vorliegen (Mesophasen).
  • Unter keramische Füllstoffe sind insbesondere AlN, Si3N4, SiC, BN, Al2O3 zu verstehen. Insbesondere sind keramische Füllstoffe anorganische und/oder kristalline Materialien.
  • Nanopartikel bezeichnet hier und im Folgenden einen Zusammenschluss von Atomen und/oder Molekülen, welche eine Größe im Nanometerbereich, beispielsweise 1 bis 1000 nm aufweisen, wobei die Nanopartikel richtungsabhängige (anisotrope) physikalische Eigenschaften aufweisen können.
  • Nanodraht ist ein feines langgestrecktes Stück Metall, Halbmetall oder Verbindungshalbleiter mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern bis hinab zu wenigen Nanometern. Die Länge der Nanodrähte kann dabei mehrere Mikrometer erreichen. Insbesondere weisen Nanodrähte Halbleitermaterialien der vierten Hauptgruppe, wie z.B. Kohlenstoff (Kohlenstoffnanodrähte), Silizium oder Germanium, oder III/V- oder II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien auf.
  • Ein III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff "III/V-Verbindungs-Halbleitermaterial" die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten, beispielsweise Nitrid- und Phosphid-Verbindungshalbleiter. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
  • Entsprechend weist ein II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe, wie beispielsweise Be, Mg, Ca, Sr, und ein Element aus der sechsten Hauptgruppe, wie beispielsweise O, S, Se, auf. Insbesondere umfasst ein II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterial eine binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung, die wenigstens ein Element aus der zweiten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe umfasst. Eine solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindung kann zudem beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Beispielsweise gehören zu den II/VI-Verbindungs-Halbleitermaterialien: ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO.
  • Böhmit-Stäbchen bedeutet in diesem Zusammenhang eine Substanz mit der chemischen Zusammensetzung AlO(OH) beziehungsweise γ-AlOOH, welche eine stäbchenförmige Geometrie aufweist.
  • Nanotubes bezeichnet in diesem Zusammenhang Röhren, deren Durchmesser kleiner als 100 Nanometer ist. Typischerweise beträgt der Durchmesser nur wenige Nanometer und die inneren Röhren bei mehrwandigen Nanotubes können bis zu 0,3 nm dünn werden. Insbesondere weisen Nanutubes Kohlenstoff-Atome auf, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen. Das Kohlenstoff-Atom weist in Nanotubes eine sp2-Hybridisierung auf. Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich von 0,4 bis 50 nm. Die Länge beträgt mehrere Millimetern bis einigen Zentimetern für einzelne Röhren, beispielsweise bis zu 20 cm.
  • Eine Ce-organylhaltige Verbindung ist beispielsweise (Cp)3Ce(Cp=C5H5), wobei Cp Cyclopentadienyl-Anion bedeutet. Eine Ti-organylhaltige Verbindung ist beispielsweise Cp2TiCl2, wobei Cp Cyclopentadienyl-Anion bedeutet. Eine Ti-Alkoxid-haltige Verbindung ist beispielsweise Ti(OiPr)4, wobei iPr Isopropyl-Rest bedeutet. Eine Al-Organyl-haltige Verbindung ist beispielsweise Al-C(CH3)2-C(CH3)2-H.
  • Si-Alkoxid-haltige Verbindungen sind beispielsweise Tetramethoxysilan und deren analoge Verbindungen.
  • Oxidische Füllstoffe können aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Zirkoniumoxid, Magnesiumoxid und Glimmer umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Füllstoff Partikel, wobei an jedem Partikel eine Vielzahl erster Verbindungen, die eine funktionelle Gruppe aufweisen, chemisch und/oder physikalisch angebunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist an jedem Partikel eine Vielzahl erster Verbindungen durch Adsorption und/oder durch Ausbildung von kovalenten Bindungen und/oder Wasserstoffbrückenbindungen angebunden.
  • Die Ausbildung zumindest einer kovalenten Bindung zwischen zumindest einem Partikel und einer ersten Verbindung kann durch einen Spacer, eine Vinyl-Gruppe und/oder Si-H-Bindung erfolgen.
  • Spacer bezeichnet hier und im Folgenden Moleküle, welche einen räumlichen Abstand zwischen der ersten Verbindung und dem Partikel erzeugen. Erste Verbindung und Partikel sind nicht direkt über eine Atom-Atom-Bindung miteinander verknüpft. Spacer sind insbesondere Phosphonatgruppen mit Organosilikonketten, beispielsweise R-PO(OH)2, wobei R für – CH2-Si(CH3)2H steht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der transparente Körper eine Wärmeleitfähigkeit auf, welche anisotrop ist. Partikel, welche ein großes Verhältnis aus der Tiefe und/oder Höhe des Partikels im Vergleich zur Breite des Partikels aufweisen, erzeugen chemisch eingebunden in der Polymermatrix eine hohe Wärmeleitfähigkeit parallel zur längeren Dimension. Insbesondere erzeugen chemisch funktionalisierte Füllstoffe in Form einer Röhre, eines Drahts oder eines Stäbchen chemisch eingebunden in der Polymermatrix eine hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu einer herkömmlichen Polymermatrix, welche normalerweise kein chemisch funktionalisierten Füllstoff enthält.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Polymermatrix aus einer Gruppe ausgewählt, die Silikon und deren Derivate, Epoxidharz und deren Derivate, Polyacrylharz und deren Derivate, Polyurethan und deren Derivate, Polycarbonat und deren Derivate, Hybridpolymere und deren Derivate (ORMOCER®e) und Kombinationen daraus umfasst.
  • Die Polymermatrix kann insbesondere ein Methyl substituiertes Silikon, beispielsweise Poly(dimethylsiloxan) und/oder Polymethylphenylsiloxan, ein Cyclohexyl substituiertes Silikon, beispielsweise Poly(dicyclohexyl)siloxan, oder eine Kombination daraus umfassen oder daraus bestehen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform besitzt der Füllstoff eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Polymermatrix. Die Wärmeleitfähigkeit der reinen Polymermatrix beträgt typischerweise zwischen 0,1 und 0,3 W/mK. Beispielsweise weist Silikon eine Wärmeleitfähigkeit von zirka 0,2 W/mK auf. Der Füllstoff weist hingegen eine Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 1 W/mK, insbesondere größer oder gleich 10 W/mK auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der transparente Körper eine Wärmeleitfähigkeit von größer oder gleich 1 W/mK, insbesondere zwischen 1 W/mK und 2 W/mK, beispielsweise 1,4 W/mK auf. Die Kombination aus Polymermatrix und chemisch eingebundenem Füllstoff weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die reine Polymermatrix auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist ein ohne Funktionalisierung normalerweise hydrophiler und dadurch mit einer hydrophoben Polymermatrix unverträgliche Füllstoff durch Funktionalisierung hydrophobisiert. Oder es ist ein ohne Funktionalisierung normalerweise hydrophober und dadurch mit der einer hydrophilen Polymermatrix unverträglicher Füllstoff durch Funktionalisierung hydrophilisiert. Dadurch kann der funktionalisierte Füllstoff in der Polymermatrix fein verteilt, eine Separation des Füllstoffs vermieden und die Transparenz des transparenten Körpers erhalten werden.
  • Hydrophil bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Füllstoff oder die Polymermatrix wasserliebend ist, das heißt mit polaren Stoffen wechselwirkt und mit diesen verträglich ist. Hydrophob bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Füllstoff oder die Polymermatrix wasserabweisend ist, das heißt mit unpolaren Stoffen wechselwirkt und mit diesen verträglich ist. Hydrophile und hydrophobe Stoffe sind in der Regel gegenseitig nicht verträglich und lassen sich nicht homogen mischen, da Separation und somit Konglomeration stattfindet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die erste Verbindung aus einer Gruppe ausgewählt, die Siliciumorganische Verbindungen, Silane und deren Derivate, Siloxane und deren Derivate, Etherhaltige Verbindungen, Ester der Kohlensäure mit Diolen, Ester der Acrylsäure und der Acrylsäurederivate, Phosphonate und deren Derivate und Kombinationen daraus umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die funktionelle Gruppe aus einer Gruppe ausgewählt, die Vinyl und deren Derivate, sowie Wasserstoff-haltige Verbindungen umfasst. Insbesondere sind die Wasserstoff-haltigen Verbindungen in der Lage ein Wasserstoff-Atom abzuspalten.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Verbindung zumindest eine funktionelle Gruppe, welche endständig und von einem jeweiligen Partikel des Füllstoffs entfernt an der ersten Verbindung angeordnet ist.
  • Insbesondere erhöht die chemische Einbindung des Füllstoffs, beispielsweise von Ta-organylhaltigen Verbindungen, Ce- organylhaltigen Verbindungen, Ti-organylhaltigen Verbindungen oder Flüssigkristallen, in die Haupt- oder Seitenketten der Polymermatrix, beispielsweise in die Haupt- oder Seitenketten des Silikons, die Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix und damit die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers. Durch die Auswahl des Füllstoffs und durch Einstellen dessen Füllgrads in der Polymermatrix kann die Transparenz des transparenten Körpers eingestellt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform erhöht die chemische Einbindung des funktionalisierten Füllstoffs, beispielsweise vinylhaltige funktionalisierte Ti-Alkoxid-haltige Verbindungen, Al-Alkoxid-haltige Verbindungen, Al-Organyl-haltige Verbindungen, Si-Alkoxid-haltige Verbindungen oder Zr-Alkoxid-haltige Verbindungen, in die Polymermatrix, beispielsweise in anorganisch-organische Hybridpolymere (ORMOCER®e), die Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix und damit die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers.
  • Zusätzlich oder alternativ können funktionalisierte oxidische Füllstoffe der Polymermatrix zugesetzt werden, welche ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit der Polymermatrix und damit die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers erhöhen. Durch die niedrigen Herstellungstemperaturen einer Polymermatrix aus anorganisch-organischen Hybridpolymeren (ORMOCER®en) von unter 200 °C können auch temperaturempfindliche Füllstoffe chemisch in die Polymermatrix eingebunden werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Füllstoff durch Co-Polymerisation in der Polymermatrix eingebunden. Dadurch wird eine Separation der Polymermatrix, beispielsweise Silikon, von dem Füllstoff und das Entstehen von Streuzentren verhindert, so dass die Transparenz des transparenten Körpers erhalten bleibt.
  • Die Co-Polymerisation läuft je nach Polymermatrix nach unterschiedlichen Mechanismen ab:
    • – Polyaddition, beispielsweise bei Silikon als Polymermatrix
    • – Polykondensation, beispielsweise bei Polyurethan als Polymermatrix
    • – Anionische Polymerisation, beispielsweise bei Polystyrol als Polymermatrix
    • – Kationische Polymerisation, beispielsweise bei Polyisobuten als Polymermatrix
    • – Radikalische Polymerisation, beispielsweise bei Polymethylmethacrylat als Polymermatrix
  • Gemäß einer Ausführungsform wird durch das chemische Einbinden des funktionalisierten Füllstoffs in die Polymermatrix ein Copolymer erzeugt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Füllstoff chemisch und/oder physikalisch an die erste Verbindung und die erste Verbindung chemisch an die Polymermatrix angebunden. Dadurch wird eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers, eine gute Anbindung des Füllstoffs an die Polymermatrix und gleichzeitig die Transparenz des transparenten Körpers erhalten. Durch die chemische Anbindung des Füllstoff in die Polymermatrix wird eine Separation des Füllstoffs vermieden.
  • Alternativ kann der Füllstoff bereits von haus aus funktionalisiert sein. Das bedeutet, dass der Füllstoff von alleine bereits funktionelle Gruppen aufweist, welche dazu befähigt sind den funktionalisierten Füllstoff in die Polymermatrix chemisch einzubinden. Das Funktionalisieren eines solchen Füllstoffs mit einer ersten Verbindung ist nicht erforderlich.
  • Es wird weiterhin ein optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper angegeben, wobei das optoelektronische Bauelement einen Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vorsieht, wobei der transparente Körper im Strahlengang angeordnet ist.
  • Für das optoelektronischen Bauelement mit einem transparenten Körper gelten die gleichen Definitionen und Ausführungen eines transparenten Körpers wie sie vorstehend in der Beschreibung für einen transparenten Körper angegeben wurden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der transparente Körper in dem optoelektronischen Bauelement, beispielsweise einer Leuchtdiode (LED) als Linse, Verguss und/oder Gehäuse ausgeformt sein. Dadurch kann die bei Betrieb des optoelektronischen Bauelements entstehende Wärme aufgrund der verbesserten Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers leichter abgeführt werden und die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements erhöht werden. Vergilbung und Risse in dem transparenten Körper werden durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers in dem optoelektronischen Bauelement vermieden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der transparente Körper des optoelektronischen Bauelements mit Konvertermaterialien versetzt, welche die von einer Halbleiterschichtenfolge emittierende elektromagnetische Primärstrahlung in eine elektromagnetische Sekundärstrahlung mit meist längerer Wellenlänge umwandelt. Der transparente Körper kann beispielsweise zusammen mit dem Konvertermaterial durch Verguss hergestellt sein, wobei die Vergussmasse eine Ausnehmung für das optoelektronische Bauelement ganz oder teilweise umschließt. Das Konvertermaterial steht dabei zumindest teilweise in direktem Kontakt mit dem Füllstoff.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der transparente Körper in direktem Kontakt mit der Strahlungsquelle. Umfasst der transparente Körper zusätzlich Konvertermaterialien, so kann die Konversion der elektromagnetischen Primärstrahlung in die elektromagnetische Sekundärstrahlung zumindest teilweise nahe der Strahlungsquelle, beispielsweise in einem Abstand Konvertermaterial und Strahlungsquelle von kleiner oder gleich 200 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 50 µm erfolgen (sogenannte „chip-level conversion“).
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der transparente Körper von der Strahlungsquelle beabstandet. Umfasst der transparente Körper zusätzlich Konvertermaterialien, so kann zumindest teilweise die Konversion der elektromagnetischen Primärstrahlung in die elektromagnetische Sekundärstrahlung in einem großen Abstand zur Strahlungsquelle erfolgen, beispielsweise in einem Abstand Konvertermaterial und Strahlungsquelle von größer oder gleich 200 µm, bevorzugt größer oder gleich 750 µm, besonders bevorzugt größer oder gleich 900 µm (sogenannte „remote phosphor conversion“).
  • Die Strahlenquelle des optoelektronischen Bauelements weist eine Halbleiterschichtenfolge auf, die als Epitaxieschichtenfolge oder als strahlungsemittierender Halbleiterchip mit Epitaxieschichtenfolge, als epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge ausgeführt sein kann. Die in der Halbleiterschichtenfolge vorkommende Halbleitermaterialien sind nicht beschränkt, sofern diese zumindest teilweise Elektrolumineszenz aufweisen können. Es werden beispielsweise Verbindungen aus den Elementen verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silicium, Kohlenstoff und Kombination daraus gewählt sein können. Es können aber auch andere Elemente und Zusätze verwendet werden. Die Schichtenfolge mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basieren. "Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon, ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
  • Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Strukur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionelle Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, also Elektronen- oder Löchertransportschichten, p- oder n-dotierte Confinement- oder Cladding-Schichten, Pufferschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus. Solche Strukturen den aktiven Bereich oder die weiteren funktionellen Schichten und Bereiche betreffend sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
  • Gemäß einer Ausführungsform bildet der transparente Körper im optoelektronischen Bauelement eine Linse. Die Linse kann eine Öffnung der Ausnehmung ausfüllen oder in dieser angeordnet sein. Die Linse kann einen Hohlraum aufweisen, der mit weiteren Materialien gefüllt sein kann. Dieses Material kann beispielsweise Gas, ein Gasgemisch, ein Kunststoff- oder ein Polymermaterial, ein Glas oder ein anderes Material oder eine Kombination von mehreren Materialien umfassen oder daraus bestehen.
  • Alternativ ist es möglich, eine organische Leuchtdiode (OLED) als optoelektronisches Bauelement auszuwählen, wobei beispielsweise der transparente Körper als Verkapselung und/oder Verguss eingesetzt wird.
  • Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers angegeben, welches folgende Verfahrensschritt umfasst:
    • – Funktionalisieren des Füllstoffs und gleichzeitiges chemisches Einbinden des Füllstoffs in die Polymermatrix oder
    • – Funktionalisieren des Füllstoffs, nachfolgendes Mischen des funktionalisierten Füllstoffs mit der Polymermatrix und chemisches Einbinden des funktionalisierten Füllstoffes in die Polymermatrix.
  • Für das Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers gelten die gleichen Definitionen und Ausführungen eines transparenten Körpers wie sie vorstehend in der Beschreibung für einen transparenten Körper angegeben wurden.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden der funktionalisierte Füllstoff und die Polymermatrix vermischt, wobei das Mischen bevorzugt durch Rühren, Dispergieren, Ultraschallbehandlung, Extrudieren und/oder Mahlen erfolgt.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich Stoffe umfassen, die beim Funktionalisieren oder chemischen Einbinden zugesetzt werden und aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Katalysatoren, Inhibitoren, Haftvermittler und Kombinationen daraus umfasst.
  • Die Katalysatoren können insbesondere Platin-Katalysatoren sein, beispielsweise Chlorplatinsäure H2PtCl6 oder Chlorplatinsäure Hexahydrat H2PtCl6 × 6H20, Komplexe von Platin mit vinylhaltigen Organosiloxanen, wie sie beispielsweise in US 3,419,593 , US 3,715,334 und/oder US 3,814,730 beschrieben sind, Komplexe von Platin und einem organischen Produkt, wie sie beispielsweise in US 3,220,972 , EP 0057459 , EP 0188978 und/oder EP 0190530 beschrieben sind.
  • Die Inhibitoren können aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Polyorganosiloxane, welche vorzugsweise ringförmig sind und/oder wobei zumindest an einem Si-Atom zumindest ein Alkenyl-Rest substituiert ist, wobei Tetramethylvinyltetrasiloxan besonders bevorzugt ist, Pyridin, Phosphin, organische Phosphite, ungesättigte Amide, alkylhaltige Maleate, und Acetylenalkohole umfasst. Beispielsweise sind Inhibitoren Acetylenalkohole, wie Ethynyl-1-Cyclohexanol, Methyl-3 Dodecyn-1 ol-3, Trimethyl-3,7,11 Dodecyn-1 ol-3, Dipheny-1,1 Propyn-2 ol-1, Ethyl-3 Ethyl-6 Nonyn-1 ol-3 und/oder Methyl-3 Pentadecyn-1 ol-3.
  • Haftvermittler kann alkoxyhaltiges Organosilan, insbesondere Vinyltrimethoxysilan (VTMS) oder Methacyrloxypropyltrimethoxysilan sein. Beispielsweise kann der Haftvermittler 3-Glycidoxypropyl trimethoxysilan sein.
  • Im Folgenden werden weitere Vorteile sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 schematisch die chemische Funktionalisierung eines Füllstoffs,
  • 2 schematisch die chemische Funktionalisierung eines Füllstoffs und die chemische Einbindung eines funktionalisierten Füllstoffes in die Polymermatrix,
  • 3 schematisch die chemische Einbindung eines funktionalisierten Füllstoffes in die Polymermatrix, und
  • 4 schematisch ein optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper im Strahlengang.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • Die 1 zeigt schematisch die chemische Funktionalisierung eines Füllstoffs 1 gemäß Schritt A, während die 2 zusätzlich im Schritt B die chemische Einbindung eines funktionalisierten Füllstoffes in die Polymermatrix 3 zeigt. Als Füllstoff 1 können Nanopartikel 1-1, formanistrope Partikel 1-2 und/oder Nanotubes 1-3, beispielsweise Kohlenstoff-Nanotubes eingesetzt werden (1). Besonders bevorzugt als Partikel sind Nanopartikel, welche anorganisch und kristallin sind, wie beispielsweise AlN, Si3N4 oder SiC. Der Füllstoff kann sphärisch oder formanisotrop sein. Unter formanisotrop wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Geometrie des Füllstoffes richtungsabhängig ist. Der Füllstoff umfasst Partikel, welche eine Größe von 1 bis 5000 nm, bevorzugt 1 bis 200 nm, besonders bevorzugt kleiner als 100 nm, beispielsweise 80 nm aufweisen. Partikel mit einer Größe von insbesondere kleiner oder gleich 100 nm wirken nicht als Streuzentren für die von einer Strahlungsquelle emittierende elektromagnetische Strahlung eines optoelektronischen Bauelements, so dass eine erhöhte Transparenz des transparenten Körpers die Folge ist.
  • An jedem Partikel des Füllstoffes 1 wird nun im Schritt A eine Vielzahl erster Verbindungen 2, welche eine funktionelle Gruppe 2-1 aufweisen, angebunden. Erste Verbindungen 2 können beispielsweise mit Vinyl-Gruppen funktionalisierte Silane und/oder mit Vinyl-Gruppen funktionalisierte Siloxane und deren Derivate sein. Die Anbindung kann dabei chemisch und/oder physikalisch erfolgen. So kann die erste Verbindung 2, deren funktionelle Gruppe 2-1 endständig ist und von einem jeweiligen Partikel des Füllstoffes 1 entfernt an der ersten Verbindung 2 angeordnet ist, auf der Oberfläche der Partikel des Füllstoffes 1 adsorbiert und/oder durch Ausbildung von kovalenten Bindungen und/oder Wasserstoffbrückenbindungen angebunden werden. Eine zum Beispiel hydrophile Oberfläche der Partikel des Füllstoffs 1 wird durch die erste Verbindung 2 hydrophobisiert, oder die hydrophobe Oberfläche der Partikel des Füllstoffs 1 wird durch die erste Verbindung 2 hydrophilisiert und kann im nächsten Schritt, wie es in der 2 im Schritt B gezeigt ist, chemisch in die Polymermatrix 3 eingebunden werden. Die Polymermatrix 3 ist insbesondere ein Silikon, beispielsweise ein Methylsubstituiertes Silikon, wie vinyliertes Poly(dimethylsiloxan) B-1 und/oder Poly(dimethyl)(methyl-wasserstoff)siloxan B-2. Die Indices n, r und q stehen für die Anzahl der entsprechenden Monomereinheiten. Die chemische Einbindung des funktionalisierten Füllstoffs in die Polymermatrix 3 kann durch Verknüpfung der funktionellen Gruppen 2-1, zum Beispiel der vinylhaltigen Gruppen 2-1 der ersten Verbindung 2 mit der Polymermatrix 3 erfolgen. Dadurch kann der Füllstoff 1, beispielsweise in Form von Nanopartikel 1-1, formanisotrope Partikel 1-2, Nanodrähte 1-3 oder Kohlenstoff-Nanotubes homogen in der Polymermatrix 3 verteilt werden, wobei eine Aggregation des Füllstoffs verhindert wird und die Transparenz des transparenten Körpers erhalten wird.
  • Neben der bereits beschriebenen physikalischen und/oder chemischen Anbindung der funktionellen Gruppen 2-1 der ersten Verbindung 2 an die Partikel des Füllstoffs 1 besteht auch die Möglichkeit, durch direkte Anbindung von Polymeren mit zumindest einer reaktiven Gruppe an den Füllstoff 1 diesen zu funktionalisieren (sogenanntes "grafting onto").
  • 3 zeigt schematisch die chemische Einbindung eines funktionalisierten Füllstoffes 1-4, hier am Beispiel eines mit Vinyl-Gruppen funktionalisierten Flüssigkristalls in die Polymermatrix 3. Dabei ist der funktionalisierte Füllstoff 1-4 bereits von haus aus funktionalisiert. Als Polymermatrix 3 kann vinyliertes Poly(dimethylsiloxan) B-1 und/oder Poly(dimethyl)(methyl-wasserstoff)siloxan B-2 und/oder Poly(dimethyl)(methylphenyl)siloxan B-3 verwendet werden. Die Indices n, r, q, p, und t stehen für die Anzahl der entsprechenden Monomereinheiten. Der Füllstoff 1, hier in Form eines Flüssigkristalls 1-4 wird als Seitenkette in die Polymermatrix 3 eingebunden. Die Vinylgruppe 2-1 des Flüssigkristalls wird dabei chemisch in die Polymermatrix 3 durch Co-Polymerisation eingebunden. Durch Variation des Anteils der Flüssigkristallkomponente kann direkt die Transparenz des transparenten Körpers beeinflusst werden. Durch die Einbindung des Flüssigkristalls 1-4 in die Seitenketten der Polymermatrix 3 wird die Wärmeleitfähigkeit erhöht und gleichzeitig die Transparenz des transparenten Körpers erhalten.
  • 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines optoelektronischen Bauelements am Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiode (LED). Das optoelektronische Bauelement weist eine Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich (nicht explizit gezeigt), einen ersten elektrischen Anschluss 2, einen zweiten elektrischen Anschluss 3, einen Bonddraht 4, einen transparenten Körper 5, eine Ausnehmung 6, eine Gehäusewand 7 und ein Gehäuse 8 auf.
  • Im Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung ist ein transparenter Körper 5 angeordnet. Der transparente Körper 5 umfasst eine Polymermatrix und zumindest einen Füllstoff. Der Füllstoff ist chemisch funktionalisiert und in die Polymermatrix chemisch eingebunden. Der transparente Körper 5 ist unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich angeordnet.
  • Alternativ ist der transparente Körper 5 von der Schichtenfolge 1 mit einem aktiven Bereich beabstandet.
  • Die gute Anbindung und homogene Verteilung des Füllstoffs in der Polymermatrix in dem transparenten Körper ermöglicht eine bessere Abführung der während des Betriebs des optoelektronischen Bauelements erzeugten Wärme. Dies erhöht sowohl die Lebensdauer des transparenten Körpers als auch die des optoelektronischen Bauelements.
  • Herstellung eines transparenten Körpers
  • Ein als Partikel ausgestalteter Füllstoff, beispielsweise AlN-, BN- und/oder Al2O3-Partikel, wird mit einer ersten Verbindung, beispielsweise vinyliertem Siloxan, vermischt und chemisch funktionalisiert. Der Füllstoff wird mit der Polymermatrix oder mit mono- oder oligomeren Polymermatrixkomponenten vor der Co-Polymerisation vermischt. Anschließend erfolgt das chemische Einbinden durch Co-Polymerisation des funktionalisierten Füllstoffs in die Polymermatrix, beispielsweise Silikon, wobei ein Copolymer erzeugt wird. Die chemische Einbindung des funktionalisierten Füllstoffs kann thermisch oder UV initiiert werden. Die Wärmeleitfähigkeit des transparenten Körpers wird durch chemische Einbindung des Füllstoffs von ca. 0,2 W/mK (reines Silikon) auf 1 bis 2 W/mK, abhängig vom Füllgehalt des Füllstoffs, erhöht.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • EP 0190530 [0060]

Claims (15)

  1. Transparenter Körper, – umfassend eine Polymermatrix (3), und – zumindest einen Füllstoff (1), – wobei der Füllstoff (1) chemisch funktionalisiert ist, und – wobei der funktionalisierte Füllstoff in die Polymermatrix (3) chemisch eingebunden ist.
  2. Transparenter Körper nach dem vorherigen Anspruch, wobei der Füllstoff (1) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Flüssigkristalle, keramische Füllstoffe, AlN, Si3N4, SiC, BN, Al2O3, Nanopartikel, Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanodrähte, Böhmit-Stäbchen, AlO(OH), Nanotubes, Ta-organylhaltige Verbindungen, Ce-organylhaltige Verbindungen, Ti-organylhaltige Verbindungen, Ti-Alkoxid-haltige Verbindungen, Al-Alkoxid-haltige Verbindungen, Si-Alkoxid-haltige Verbindungen, Zr-Alkoxid-haltige Verbindungen, oxidische Füllstoffe, Al-Organyl-haltige Verbindungen und Kombinationen daraus umfasst.
  3. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Füllstoff (1) Partikel umfasst, wobei an jedem Partikel eine Vielzahl erster Verbindungen (2), die eine funktionelle Gruppe (2-1) aufweisen, chemisch und/oder physikalisch angebunden ist.
  4. Transparenter Körper nach Anspruch 3, wobei an jedem Partikel eine Vielzahl erster Verbindungen (2) durch Adsorption und/oder durch Ausbildung von kovalenten Bindungen und/oder Wasserstoffbrückenbindungen angebunden ist.
  5. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der transparente Körper eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, welche anisotrop ist.
  6. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein ohne Funktionalisierung normalerweise hydrophiler und dadurch mit einer hydrophoben Polymermatrix (3) unverträgliche Füllstoff (1) durch Funktionalisierung hydrophobisiert ist, oder bei dem ein ohne Funktionalisierung normalerweise hydrophober und dadurch mit der einer hydrophilen Polymermatrix (3) unverträgliche Füllstoff (1) durch Funktionalisierung hydrophilisiert ist.
  7. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Verbindung (2) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Siliciumorganische Verbindungen, Silane und deren Derivate, Siloxane und deren Derivate, Etherhaltige Verbindungen, Ester der Kohlensäure mit Diolen, Ester der Acrylsäure und der Acrylsäurederivate, Phosphonate und deren Derivate und Kombinationen daraus umfasst.
  8. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die funktionelle Gruppe (2-1) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Vinyl und deren Derivate, sowie Wasserstoff-haltige Verbindungen umfasst.
  9. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Verbindung (2) zumindest eine funktionelle Gruppe (2-1) umfasst, welche endständig und von einem jeweiligen Partikel des Füllstoffs entfernt an der ersten Verbindung (2) angeordnet ist.
  10. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Polymermatrix (3) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Silikon und deren Derivate, Epoxidharz und deren Derivate, Polyacrylharz und deren Derivate, Polyurethan und deren Derivate, Polycarbonat und deren Derivate, Hybridpolymere und deren Derivate(ORMOCER®e) und Kombinationen daraus umfasst.
  11. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Füllstoff (1) durch Co-Polymerisation in der Polymermatrix (3) eingebunden ist.
  12. Transparenter Körper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Füllstoff (1) chemisch und/oder physikalisch an die erste Verbindung (2) und die erste Verbindung (2) chemisch an die Polymermatrix (3) angebunden ist.
  13. Optoelektronisches Bauelement mit einem transparenten Körper nach den Ansprüchen 1 bis 12, wobei das optoelektronische Bauelement einen Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung vorsieht, wobei der transparente Körper im Strahlengang angeordnet ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines transparenten Körpers nach den Ansprüchen 1 bis 12, das folgenden Verfahrensschritt umfasst: – Funktionalisieren des Füllstoffs und gleichzeitiges chemisches Einbinden des Füllstoffs in die Polymermatrix (3) oder – Funktionalisieren des Füllstoffs, nachfolgendes Mischen des funktionalisierten Füllstoffs mit der Polymermatrix (3) und chemisches Einbinden des funktionalisierten Füllstoffes in die Polymermatrix (3).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das zusätzlich Stoffe umfasst, die beim Funktionalisieren oder chemischen Einbinden zugesetzt werden und aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Katalysatoren, Inhibitoren, Haftvermittler und Kombinationen daraus umfasst.
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