JP2010510671A - Ｌｅｄ光源用の光学接着組成物 - Google Patents

Abstract

光学的応用に使用され得る光学接着組成物が、本明細書に開示される。該組成物を利用するＬＥＤ光源、並びにそれを作製する方法もまた、開示される。ＬＥＤ光源は、ＬＥＤダイと、ＬＥＤダイに光学結合される光学素子と、非晶質ケイ酸塩網状組織における表面修飾金属酸化物ナノ粒子を含む接着層と、を含んでもよく、該接着層は、ＬＥＤダイと光学素子を共に接着する。ＬＥＤ光源の効率は、前記光学部品として光学抽出装置を用いると高めることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は２００６年１１月１７日出願の米国仮特許出願第６０／８６６２８０号の利益を主張するものであり、その開示の全内容を参照することにより本明細書に援用する。

（発明の分野）
本発明は、ＬＥＤ光源類、特に、光学接着組成物を用いてＬＥＤダイに結合された光学要素を有するＬＥＤ光源に関する。

ＬＥＤ光源類は、従来の光源類の輝度、出力、及び可動寿命を提供する、固有の潜在能力を有している。残念なことに、ＬＥＤ光源は、ＬＥＤダイとしばしば称される半導体材料内で光を発生して、ＬＥＤ光源の輝度を実質的に低下させずに、又はＬＥＤ光源の見かけ上の放射面積を実質的に増加させずにＬＥＤダイから有効に光を抽出するのが困難なことがある。この問題点は、ＬＥＤダイ内で発生する光のほとんどが完全に内部反射して、ダイから抜け出すことができず、そのため、輝度を低下させることがあるように、多くの場合、ＬＥＤダイ（屈折率ｎが２．４以上）と大気（ｎ＝１）との間の大きな屈折率のずれが原因である。

ＬＥＤダイから光を抽出するこれまでの方法としては、ＬＥＤダイを封入する封止物質類の利用が挙げられる。封止物質類は、ダイとその周囲との界面での屈折率のずれが小さくなるように、典型的には大気よりも高い屈折率（典型的なエポキシ封止物質類の場合、ｎは約１．５）を有している。その結果、光が浪費されなくなって、光源の輝度がより高くなる。しかしながら、効率と輝度を更に高める必要がある。加えて、封止物質類は、ＬＥＤダイで発生した熱からの大きな温度変化の影響を受け易く、それが、多くの温度サイクル中にダイを損傷し得る応力を引き起こす。封止物質類は、黄変することがあり、そうでない場合は、経時的に劣化する可能性がある。

抽出装置類を更に用いて、ＬＥＤダイ類から光を抽出してもよい。これら光学部品類は、典型的には、透明なポリマー類又はガラス類であって、ＬＥＤダイの表面と接触して又は近接して配置される。抽出装置とＬＥＤダイとは、ＬＥＤダイから光を抽出することができるように光学的に結合されている。抽出装置類は、典型的には、ＬＥＤダイの放射主表面と実質的に一致する大きさ及び形の入力面を有している。しかしながら、抽出装置類の利用は、抽出装置とＬＥＤダイとの接着障害によって妨げられていた。既知の接着方法類は、ＬＥＤ光源類の機能に悪影響を及ぼす場合がある高温（３５０℃超）及び高圧を必要とする。既知の接着方法はまた、化学気相成膜法、様々なエピタキシー形態等のような複雑な製造プロセスをも必要としており、そのことが、用途を選択するための前記方法の実用性を制限する。

本明細書には、光学接着組成物、及び前記組成物を含むＬＥＤ光源が開示される。ＬＥＤ光源は、ＬＥＤダイと、ＬＥＤダイに光学結合される光学素子と、非晶質ケイ酸塩網状組織における表面修飾金属酸化物ナノ粒子を含む接着層と、を含んでもよく、該接着層は、ＬＥＤダイと光学素子を共に接着する。該非晶質ケイ酸塩網状組織は、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、又はこれらの組み合わせから得られてもよい。該表面修飾金属酸化物ナノ粒子は、金属酸化物ナノ粒子及び表面改質剤を含む。有用な金属酸化物ナノ粒子類としては、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化アンチモン、及びこれらの組み合わせが挙げられる。これらの混成酸化物を使用してもよい。１つの特別な例では、金属酸化物ナノ粒子類は、屈折率が約１．８を超える結晶性酸化ジルコニウムナノ粒子類を含む。有用な表面変性剤類としては、カルボン酸類、ホスホン酸類、アルコキシシラン類、又はこれらの組み合わせ若しくは混合物が挙げられる。光学部品は、典型的には、ＬＥＤダイの内部からの光の流出を容易にすることによって光源の効率を高める、光学抽出装置である。

ＬＥＤ光源を作製する方法も本明細書に開示され、該方法は、ａ）ＬＥＤダイを提供する工程と、ｂ）光学素子を提供する工程と、ｃ）表面修飾金属酸化物ナノ粒子と約８を超えるｐＨを有する水溶液中のシリコン源を含む、光学接着組成物を提供する工程であって、該シリコン源は、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される工程と、ｄ）該光学接着組成物と該ＬＥＤダイ及び該光学素子を接触させることによって、該ＬＥＤダイと該光学素子を共に接着させる工程と、を含む。

本明細書に開示されているＬＥＤ光源は、エッジ発光式又は直接照明型のどちらであってもよいバックライト照明標識、及び液晶ディスプレイのためのような様々な照明用途に有用であり得る。本明細書に開示されているＬＥＤ光源はまた、ＬＥＤ看板、自動車用途、投影用途、並びに建築照明、ムード照明、及び芸術的な照明を包含する汎用の照明のための光源として使用してもよい。

本発明のこれら及び他の態様は、以下の「発明を実施するための形態」から明らかになるであろう。しかし、上記要約は、請求項に記載された主題に関する限定と解釈されるべきではなく、この主題は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定され、出願中に補正することができる。

以下に記載される図面と関連して次の「発明を実施するための形態」及び「実施例」を考慮することにより、本発明をより完全に理解し得る。図面は、請求項に記載された主題に関する限定として決して解釈されるべきではなく、その主題は、本明細書に記載される特許請求の範囲によってのみ規定される。
代表的なＬＥＤ光源の概略断面図。 代表的な集束エクストラクタ（converging extractors）。 代表的な集束エクストラクタ。 代表的な集束エクストラクタ。 代表的な集束エクストラクタ。 代表的な発散エクストラクタ。 代表的な発散エクストラクタ。 代表的な発散エクストラクタ。 代表的な発散エクストラクタ。 代表的な発散エクストラクタ。

図１は、接着層１０６によって互いに接着されたＬＥＤダイ１０２と光学部品１０４とを含む、代表的なＬＥＤ光源１００の概略断面図を表している。接着層は、非晶質ケイ酸塩網状組織中に表面変性された金属酸化物ナノ粒子類を含む。一般に、ＬＥＤダイと光学部品とは、ＬＥＤダイによって放射される光が、光学部品へ伝播されてそこへ到達することができるように、光学的に結合されている。光学部品は、光が前記部品の特別な性質に応じて様々な方向に出入り可能な抽出装置であってもよい。

便宜上、ＬＥＤダイは、一般的には図１で表されるが、当該技術分野において既知の従来の設計特徴類を包含することもできる。例えば、ＬＥＤダイは、窒化物類、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ；リン化物類、例えば、ＩｎＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ；並びに他のもの、例えば、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、及びＩｎＳｂを包含するＩＩＩ−Ｖ族半導体類から典型的に作製される、別個のｐ型及びｎ型半導体層を包含することができる。ＬＥＤダイはまた、ＩＩ−ＶＩ族半導体、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、及びＣｄＴｅ；ＩＶ族半導体類Ｇｅ、Ｓｉ、及び炭化物類、例えば、ＳｉＣから作製することもできる。ＬＥＤダイはまた、緩衝層類と、基材層類と、上板層類とを含んでいてもよい。ＬＥＤダイの屈折率は、その中に存在する光源の典型的な放射波長では約１．７〜約４．１までの範囲である。

矩形のＬＥＤダイが示されているが、切頭型の逆ピラミッドの形を成す、角度のついた側面を有するＬＥＤダイのような、他の既知の形状も考えられる。ＬＥＤダイとの電気接点は、便宜上示されていないが、電源を供給してデバイスを作動させるためにいずれか１つ以上の表面上に設けることもできる。例としては、はんだリフロー、ワイヤボンディング、テープ自動化ボンディング（ＴＡＢ）、又はフリップチップボンディングが挙げられる。構成要素又はチップの個々の層及びその他の機能的要素は、通常、ウェファースケールで形成されており、その後、仕上がったウェファーを個々の部品片にダイスカットして、複数のＬＥＤダイをもたらすことができる。ＬＥＤダイは、表面実装、チップオンボード、又は他の既知の実装形態を構成するように構成されてもよい。

本明細書に開示される光学素子は、比較的高い屈折率を有する固体の透明な物質から作られている。光学素子に好適な材料としては、光学ガラス（例えば、ショットノースアメリカ社（Schott North America, Inc.）より入手可能なショットガラス（Schott glass）ＬＡＳＦ３５型、又はＮ−ＬＡＦ３４型、及び米国特許出願第１１／３８１５１８号（レザーデイル（Leatherdale）ら）に記載のガラス等の無機材料を含み、これらの開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。他の好適な無機材料類としては、セラミックス、例えば、サファイア、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、ダイアモンド、及び炭化ケイ素が挙げられる。サファイア、酸化亜鉛、ダイアモンド、及び炭化ケイ素は、これらの材料が比較的高い熱伝導率（０．２〜５．０Ｗ／ｃｍ Ｋ）を更に有することから、特に有用である。光学部品は更に、熱硬化性の高屈折率ポリマー類、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート類、及び多環式化合物類、又は熱可塑性の高屈折率ポリマー類、例えば、ポリカーボネート類、及び環状オレフィン類を含んでいてもよい。光学部品は、熱硬化性又は熱可塑性ポリマーを、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化チタン、及び硫化亜鉛を包含するセラミックナノ粒子類と組み合わせて含む場合もある。

抽出装置の屈折率は、ＬＥＤダイの放射波長では、少なくとも約１．５、例えば、約１．８を超える又は約２を超えてよい。一例では、光学部品の屈折率はＬＥＤダイの光放射面の屈折率と同一であっても、ほぼ同じであっても、又はそれ以下であってもよい。これによって、光を最大限抽出することができる。例えば、屈折率は約０．２以内であってよい。あるいは、抽出装置の屈折率は、ＬＥＤダイの光放射面の屈折率よりも大きくあるいは小さくすることができる。例えば、ＬＥＤダイの光放射面が１．７５である場合、抽出装置の屈折率は１．７、１．７５、１．９、２．１、又は２．３であってよい。

一例では、光学部品は、少なくとも約１．７の屈折率を有する光学ガラスを含む。別の例では、光学部品は、米国特許出願第１１／３８１５１８号（レザーデイル（Leatherdale）ら）に記載されているような、屈折率が少なくとも約２．０、好ましくは少なくとも２．１、２．２、２．３以上のガラス又はガラス−セラミック材料を含む。一般に、これら材料は、Ｂ_２Ｏ_３を２０重量％未満、ＳｉＯ_２を２０重量％未満、及びＰ_２Ｏ_５を４０重量％未満含む。場合によって、次の材料は２０重量％未満に制限される：Ａｓ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＧｅＯ_２、ＮａＯ、ＴｅＯ_２、Ｖ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、及びＰ_２Ｏ_５。有用なガラス類又はガラス−セラミック材料類は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、希土類酸化物類、又はアルカリ土類金属酸化物類等の少なくとも２つの金属酸化物を含む。これら材料類の結晶化温度Ｔ_ｘは、好ましくはそれらのガラス転位温度Ｔ_ｇよりも少なくとも５℃高く、そのことが、前記材料の光学部品への封止を助長する。

光学部品の一例は、ＬＥＤダイから出る光を抽出するのに使用可能な抽出装置である。一般に、抽出装置は、光の角度分布を調節して、第１光放射パターンを第二の異なる光放射パターンへと変化させる。抽出装置の形によって、放射された光のパターンは、一般に順方向に向いており、抽出装置の周囲を循環していても、幾分対称又は非対称な分布でその側方へ向かっていてもよい。

光学部品は、米国特許出願第１１／３８１３２４号（レザーデイル（Leatherdale）ら）に記載されているような集束エクストラクタ（a converging extractor）を備えていてよく、この特許出願の開示内容を本明細書に参照として組み込む。集束エクストラクタは、少なくとも１つの集束面、底面、及び頂部を有し、該頂部は、底面の上に少なくとも部分的に位置し、底面の面積よりも小さい表面積を有し、該少なくとも１つの集束面は、頂部に向かって底面から集束される。集束エクストラクタの形状は、角錐、多面体、Ｖ字型、円錐等のような、又はその幾つかの組み合わせであってよい。底面は、あらゆる形、例えば、正方形、円形、対称、非対称、規則的、又は不規則にすることができる。頂点は、点、線、又は平坦な若しくは丸みを帯びた表面である場合があり、それは底面の上にあって、底面の中心にあるか又はその中心から離れて歪んでいる。集束エクストラクタ（a converging extractor）の場合、底面は典型的には、ＬＥＤダイと隣接して、一般にはＬＥＤダイと平行に配置されている。更に、底面とＬＥＤダイは、大きさが実質上一致していてもよく、又は底面をＬＥＤダイよりも小さくあるいは大きくすることもできる。

図２ａ〜２ｄは、代表的な集束エクストラクタ（converging extractors）の斜視図を示しており、図２ａは、四面ピラミッドを示しており、図２ｂは、六面多角形を示しており、及び図２ｃ及び２ｄは、頂点（線）が底面よりも上に配置され、頂点がそれぞれ、中心に揃っている及び中心から離れて歪んでいる、くさび形を示している。図２ｄに示す抽出装置は更に、光を平行にするように作用する２つの発散面をも有しており、集束面によって、その光の向きを前記面の方へ変えることができる。集束エクストラクタの他の実施例は、米国特許出願第１１／３８１３２４号（レザーデイル（Leatherdale）ら）に示される。

光学素子は、米国特許出願第２００６／００９１７８４ Ａ１号（コナー（Connor）ら）、同第２００６／００９１４１１ Ａ１号（アウダーカーク（Ouderkirk）ら）、同第２００６／００９１７９８ Ａ１号（アウダーカーク（Ouderkirk）ら）、及び同第２００６／００９２５３２ Ａ１号（アウダーカーク（Ouderkirk）ら）に記載されるように発散エクストラクタを含んでよく、これらの開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。発散エクストラクタ（a diverging extractor）は、少なくとも１つの発散面と、入力面と、入力面よりも広い出力面とを有している。発散エクストラクタ類（diverging extractors）は、一般に、先細り形状に成形されている。図３ａ〜３ｃは、代表的な発散エクストラクタ類（diverging extractors）を表しており、図３ａは、４つの面を有する切頭型の逆多角形の斜視図を表しており、図３ｂは、放物線状の側壁を有する、切頭型の逆先細り形状の斜視図を表しており、図３ｃは、凸状の出力面を有する、切頭型の逆円錐の概略断面図を表している。

発散エクストラクタ類（diverging extractors）の例は更に、米国特許出願第１１／３８１５１８号（レザーデイル（Leatherdale）ら）に以前記載した図４ａ及び４ｂにも表されている。これら抽出装置の表面は、ＬＥＤダイの中心軸に沿った順方向ではなく、ＬＥＤダイからの光を主に横方向に向きを変えるように配置されている。側面放射ＬＥＤ類は、光を短距離に亙って横方向に広がらせて、ディスプレイの表示画面全域に明るい領域と暗い領域又はホットスポット類を回避することができるため、液晶ディスプレイパネル類用の薄型の直接照明型バックライトでの使用に特に適している。

図４ａは、くさび形抽出装置４００の概略断面図である。抽出装置４００は、入力面４０２と、出力面４０４と、側面４０６ａ及び４０６ｂとを有している。入力面と出力面は、互いに十分な角度で、通常は約９０度で配置されていてよい。この配置により、入力面から入ってくる光線４０８ａは、一方又は両方の側面に（完全に内部反射で、又は反射物質若しくはコーティング（図示せず）の助けを借りて）反射して、光線４０８ｂで示されるように、ほぼ横方向に向きを変える。光線４０８ｂは、その後、出力面から出る。平面図で提供される抽出装置４００の形又は外辺部は、長方形状、台形、パイ型、半円型、又はいずれかのこれらの組み合わせを包含する、様々な形体をとることができる。

図４ｂは、別のくさび形抽出装置４１０の概略断面図である。抽出装置４１０は、入力面４１２と、出力面４１４と、側面４１６とを有している。抽出装置４１０は、抽出装置４００を側面４０６ａと一致する縦軸の周りで回転させた形を有することができる。場合によっては、この抽出装置は、２つの抽出装置４００をそれらの各側面４０６ａで結合することによって複合構造で製造することができる。異なる複合構造では、仮想線４１８によって、抽出装置４１０を構成する別個の光学体間で起こり得る界面又は境界が表されている。

抽出装置４００と同様に、抽出装置４１０の入力面と出力面は、互いに十分な角度で、名目上約９０度で配置されている。ＬＥＤから入力面を通って入ってくる光は、一方又は両方の側面に（完全に内部反射で、又は反射物質若しくはコーティング（図示せず）の助けを借りて）反射して、ほぼ横方向に向きを変えた後、出力面から出て行く。平面図（図示せず）によれば、抽出装置４１０は、例えば、多角形（例えば、正方形又は長方形）、円形、及び楕円形を包含する、あらゆる多数の形を有することができる。円形及び楕円形の形状又は外辺部では、入力面から入ってくる光は、環状の出力光を形成するように向きを変える。

集束エクストラクタ類（converging extractors）と同様に、発散エクストラクタ（a diverging extractor）の入力面は、典型的に、ＬＥＤダイに最も接近して、通常ＬＥＤダイと平行して配置される。更に、入力面とＬＥＤダイは、大きさが実質上一致していてもよく、又は入力面をＬＥＤダイよりも小さくあるいは大きくすることもできる発散エクストラクタ類（diverging extractors）の他の例は、米国特許第７，００９，２１３ Ｂ２号及び米国特許第６，６７９，６２１ Ｂ２号に記載されている。

上述のように、ＬＥＤダイは、交互に並んだ半導体層を備える。最外層のうち１つは、光放射層と称される場合もあり、また、この層は、光放射面と称される場合がある最も外側の表面を有している。また上述のように、光学部品は光入力面も備える。１つの有用な構造では、ＬＥＤ光源は、例えば図１に示すように光放射面及び光入力面が接着層と接触するように、互いに接着されたＬＥＤダイと光学部品とを備える。

光学接着組成物を用いて、接着層を形成する。光学接着組成物は、表面修飾金属酸化物ナノ粒子、及び約８を超えるｐＨを有する水溶液中でシリコン源を含む。シリコン源は、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、又はこれらの組み合わせを含んでよい。水中に溶解されるシリカは、ケイ酸、Ｓｉ（ＯＨ）_４を形成するために使用してよく、シリカの水和した後に生じる。約８を超えるｐＨを維持することによって、重合縮合は、水酸化物イオンによって触媒され作用を受け、ケイ酸の多量体型を形成する。ケイ酸塩は、例えば、約８を超える、又は約１１を超えるｐＨに増大させることによって、形成されてよい。

光学接着組成物は、式：
（Ｒ^１）_ｘ−Ｓｉ−（ＯＲ^２）_ｙ
を有する１つ以上のアルコキシシランを含んでよく、式中、Ｒ^１は、アルキル、アルコール、ポリグリコール、若しくはポリエーテル基、又はこれらの組み合わせ若しくは混合物であってよく、Ｒ^２は、アルキル、アセトキシ、若しくはメトキシエトキシ基、又はその混合物であってよく、ｘ＋ｙ＝４の条件下で、ｘは０から３であり、ｙは１から４である。１つ以上のアルコキシシランを加えて、架橋密度を低減し、ケイ酸塩の網状組織に柔軟性を加えてよい。

光学接着組成物は、式：
（Ｒ^１）_ｘ−Ｓｉ−Ｈ_ｙ
を有する１つ以上のシランを含んでよく、式中、Ｒ^１は、アルキル、アルコール、ポリグリコール、若しくはポリエーテル基、又はこれらの組み合わせ若しくは混合物であってよく、ｘ＋ｙ＝４の条件下で、ｘは１から３であり、ｙは１から３である。

様々な材料は、光学接着組成物のｐＨを調整するために使用されてよい。例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化アンモニウム、及びナトリウムエトキシド等の強塩基を含む。ポリメタリン酸ナトリウム等の弱塩基はまた、水酸化物触媒作用を抑制することが望ましい場合、使用されてよい。

ＬＥＤダイと光学部品との間の接着層は、ＬＥＤダイと光学部品を互いに接着するときに形成される。光学接着組成物は、ケイ酸塩の網状組織を形成するために反応すると考えられる。熱を加えることによって反応が促進する場合がある。ケイ酸塩の網状組織は、シリカのバルク構造に類似しているが、それよりも疎性の化学的に結合された網状組織を意味する。シリカの三次元構造体は、四面体構造において４つの酸素原子に接着されるそれぞれのシリコン原子を有するシロキサン架橋（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）に基づく。シリカと同様に、ケイ酸塩の網状組織は、シロキサン架橋を含むが、ケイ酸塩の網状組織はまた、網状組織内の局所末端基として、埋め込まれる、及び／又は暴露される非架橋酸素も含む。非架橋酸素は、シラノール基（Ｓｉ−ＯＨ）の型又はカチオンを有する更なるアニオン型、一般に、金属カチオン（Ｓｉ−Ｏ⁻Ｍ^＋）に存在する。ケイ酸塩の網状組織の更なる考察は、例えば、Ｒ．Ｋ．イラー（Iler）（ニューヨーク州ワイリー（Wiley、New York）１９７９）によって、シリカの化学（The Chemistry of Silica）に見出すことができる。
光学組成物はまた、表面修飾金属酸化物ナノ粒子も含む。表面変性された金属酸化物ナノ粒子類は、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化アンチモン、及びこれらの組み合わせからなる群より選択される金属酸化物ナノ粒子を含んでいてよい。金属酸化物ナノ粒子はまた、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも２つの金属酸化物の混合した金属酸化物ナノ粒子も含んでよい。酸化チタンナノ粒子類は、ルチル型であっても、アナターゼ型であってもよい。混成金属酸化物ナノ粒子類の特別な例としては、酸化ケイ素と酸化ジルコニウムを含むもの、酸化ケイ素と酸化チタンとを含むもの、酸化ケイ素と酸化ジルコニウムと酸化チタンとを含むものが挙げられる。使用される特別な金属酸化物ナノ粒子類は、屈折率、光学組成物中での相溶性、費用等の様々な因子に左右され得る。

金属酸化物ナノ粒子類は、金属酸化物ナノ粒子類と接着層及び／又は光学組成物中の他の構成成分類との相溶性を高めるために、１つ以上の表面変性剤類で表面変性されている。例えば、酸化ジルコニウムナノ粒子類は、ｐＨ２〜４までの水性酸性環境では安定であり、表面変性を利用して、光学組成物の水性塩基性環境中でのナノ粒子の凝集を防ぐことができる。表面変性は、金属酸化物ナノ粒子類と、ナノ粒子類の表面に付着する表面変性剤（類）やその表面特性を修正する表面変性剤（類）との反応を伴う。

表面変性剤類は、式Ａ−Ｂで表すことができ、ここで、Ａ基は、金属酸化物ナノ粒子の表面に付着可能であり、Ｂ基は、相溶化基である。一般に、Ａ基は、特定の金属酸化物及び光学組成物の性質を考慮して選択する必要がある。すなわち、表面変性された金属酸化物ナノ粒子類は、非常に塩基性の高い環境でも相溶性が保持されるように、安定でなければならない。有用なＡ群は、カルボン酸、ホスホン酸、アルコキシシラン、アミン、及びこれらの組み合わせ若しくは混合物を含む。アルコキシシランは、
−Ｓｉ−（ＯＲ_３）_ｚ
によって表わされてもよく、式中、Ｒ_３は、アルキル基、アセトキシ基、メトキシエトキシ基、又はその混合物であり、ｚは、１から３である。

有用なＢ群は、光学組成物において適合性のある金属酸化物ナノ粒子を提供する親水基であり、例としては、アルコール、ポリグリコール、及びポリエーテルを含む。表面改質剤の例は、ポリエチレンアルコキシシラン、並びに２［−２−（２−メトキシエトキシ）エトキシ］酢酸及び（２−メトキシエトキシ）酢酸等のポリエチレン様カルボン酸誘導体を含む。

表面変性された金属酸化物ナノ粒子類は、光の波長よりも小さな平均粒度、例えば約３００ｎｍ未満の平均粒度を有している。

表面修飾金属酸化物ナノ粒子は、接着層の重量に基づいてシリコン源の２分の１を超える量で光学組成物に存在してよい。ＬＥＤダイと光学部品を互いに接着することで形成される接着層について、表面変性された金属酸化物ナノ粒子類は、接着層の重量に対して約１〜約９５重量％までの量で存在していてよい。典型的に、接着層の総重量に対して約４０〜約９５重量％までの表面変性された金属酸化物ナノ粒子類を有することが望ましい。使用される特定の量は、以下に記載するような接着層に関する所望の屈折率によって一部決定される。しかしながら、接着層内のナノ粒子類の量が多すぎると、ＬＥＤダイと光学部品との間で好適な接着が達成し難く、加えて、ＬＥＤ光源の効率が損なわれる場合もある。

特に、表面変性された金属酸化物ナノ粒子類は、米国特許第６，３７６，５９０ Ｂ２号に記載されているナノ粒子のような、屈折率が少なくとも約１．８、好ましくは少なくとも約２．０の非常に結晶性の高いジルコニアナノ粒子を含み、前記特許公報の開示内容を本明細書に参照として組み込む。非常に結晶性の高い酸化ジルコニウムナノ粒子類を、式Ａ−Ｂに関する上述の１つ以上のアルコキシシラン類で表面変性することによって光学組成物に組み込むことができる。非常に結晶性の高い酸化ジルコニウムナノ粒子類の平均粒度は約１００ｎｍ未満である。

上述のジルコニアナノ粒子類の屈折率は、非晶質ジルコニアの屈折率よりも極めて大きい。ケイ酸塩網状組織に組み込んで非晶質ケイ酸塩網状組織を提供すると、ジルコニアナノ粒子類は、接着層の屈折率の向上をもたらす。そのため、接着層の光学特性は、接着される特定のＬＥＤダイと光学部品とに依存して、以下に記載するように調節してよい。特に、ケイ酸塩網状組織の屈折率は約１．４であり、表面変性された酸化ジルコニウムナノ粒子類の場合は約１．８〜約２．１である。表面変性された金属酸化物ナノ粒子類は更に、屈折率が約２．０を超える、好ましくは約２．２を超える結晶性酸化チタンナノ粒子類を含んでいてもよい。

ＬＥＤ光源の動作効率は、ＬＥＤダイと光学部品とが光学的に結合される程度と直接関与している。本開示内容全体を通して、ＬＥＤダイの屈折率への言及は、ＬＥＤダイの光放射層の屈折率への言及であることを留意すべきである。ＬＥＤダイと光学部品とが光学的に結合される程度は、接着層の厚さ、並びに接着層、ＬＥＤダイ、及び光学部品の屈折率を包含する幾つかの因子に左右される。一般に、接着層の屈折率は、接着層の厚さが、大気中の放射光の波長よりも実質的に小さい、例えば約５０ｎｍ未満である場合、ＬＥＤダイと光学部品との間の光学結合にはあまり重要ではない。厚さが増加するにつれて、接着層の屈折率は、光学結合と関連して更に重要となる。

接着層は、５０ｎｍ未満の厚さを有していてよいが、それは通常、約５０ｎｍより大きく、例えば、約２００ｎｍ又は３００ｎｍまで、あるいは１０μｍ又は１００μｍまでである。接着層は、約５ｎｍ〜約３００ｎｍまで、又は約５０ｎｍ超〜約１００μｍまでの厚さを有していてよい。ＬＥＤダイと光学部品との間の光学結合を最適化するために、接着層の厚さは、望ましくは、第１表面と第２表面との間の接触面積全体で実質的に均一である。接着層の必要最小限の厚さは、接着される表面の平坦さ又は不規則性に左右される場合がある。

効率を最大にするために、接着層の屈折率は、ＬＥＤダイの光放射面（又は前述のような光放射層）の屈折率と、例えば、約０．２以内で正確に一致している。接着層の屈折率が小さすぎると、ＬＥＤダイによって放射される光はダイ内に閉じ込められることとなり、接着層自体が非吸収性であっても吸収され失われる。接着層の屈折率を光放射層の屈折率まで高めることにより、ＬＥＤによって放射される光の大部分は、接着層が放射光の一部を吸収したとしても、ダイから出て光学部品と結合することができる。

上述のように、ＬＥＤダイ、又は光放射層のの屈折率は、ＬＥＤダイの放射波長では約１．７〜約４．１までの範囲である。表面修飾金属酸化物ナノ粒子のない非晶質ケイ酸塩網状組織の屈折率は、約１．４を超える。表面変性された金属酸化物ナノ粒子類を用いることで、屈折率が約２．４まで向上する。一例では、接着層の屈折率は、ＬＥＤダイの放射波長では少なくとも約１．５、例えば、約１．８を超え、又は約２を超える。

特別な例では、ＬＥＤダイは、１．９を超える屈折率を有する光放射層を備えており、接着層の厚さは約５０ｎｍ〜約１００μｍである。別の例では、ＬＥＤダイは、屈折率が１．９以下の光放射層を備えており、接着層の厚さは、約５ｎｍ超〜約３００ｎｍまでである。

接着層は、ＬＥＤダイによって放射される特定波長の光を実質的に透過する。多くの場合、少なくとも約７０％の透過率が望ましく、透過路程長（接着層の厚さ）及び吸収係数を最適化することによって得られる場合もある。

ＬＥＤ光源を作製する方法も本明細書に開示され、該方法は、ａ）ＬＥＤダイを提供する工程と、ｂ）光学素子を提供する工程と、ｃ）表面修飾金属酸化物ナノ粒子と約８を超えるｐＨを有する水溶液中のシリコン源を含む、光学接着組成物を提供する工程であって、該シリコン源は、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される工程と、ｄ）該光学接着組成物と該ＬＥＤダイ及び該光学素子を接触させることによって、該ＬＥＤダイと該光学素子を共に接着させる工程と、を含む。

光学組成物は、ＬＥＤダイ又は光学部品のどちらかあるいはこれら両方の１つ以上の表面に、ピペットを用いて、又はディップコーティング、スピンコーティング、エアゾール分配、流し込み、分散、水中溶射によって、又は光学組成物の浴中で表面を結合することによって、あるいは他の同様の方法によって適用してもよい。その後、前記組成物が各表面全体に広がって均質な層を形成するように、それら表面を接触させて光学組成物を挟み込む。気泡が形成される場合、気泡は、減圧することによって取り除くことができる。組立体を次に、それが接着不調を生じることなく処理できるようになるまで、室温で放置させ、これは、数分〜数日であってよい。外部圧縮力又は真空を利用して、接着プロセスを迅速化しても、及び／又は良好な接着を促進してもよい。

熱を加えて、接着層の形成及び／又は強化を迅速化してもよいが、組立体の温度は、あらゆる構成要素類の中で最も低いガラス転位温度よりも低く保持しなければならない。約３００℃未満、例えば、約２００℃未満、又は１５０℃以下の温度を典型的に使用する。ＬＥＤダイと光学部品との熱膨張係数の差によって生じる残留応力及び界面での複屈折を最小限にするために、可能な限り最低の温度を使用することが望ましい。場合によって、接着層の温度は、光源の操作中に達するであろう温度を超えないように注意しなければならない。

（実施例）
表面修飾ジルコニアナノ粒子は、ジルコニア１グラムあたり１．２ｍｍｏｌのシランを得る比率において、ジルコニアゾルをポリエチレングリコールトリアルコキシシラン（ＧＥアドバンスドマテリアルズ（GE Advanced Materials）から市販のＳｉｌｑｕｅｓｔ（登録商標）Ａ−１２３０）と混合することによって調製された。混合物を８０℃まで４時間加熱し、次いで室温まで冷却した。得られるゾルをその後、４０重量％のケイ酸ナトリウム溶液（ＥＭＤケミカルズ社（EMD Chemicals Inc.）から市販のティトリスター（Titristar）（登録商標）ＳＸ−０７５５−６）を加え、ケイ酸ナトリウム：ジルコニアの０．４：１の比率を得た。

上の溶液を準備されたＰＥＴ上で回転させ、１５０℃で１時間乾燥させた。得られた被膜の屈折率は、メトリコン社製（Metricon Corp.）のメトリコン・プリズムカプラモデル（Metricon prism coupler model）２０１０を使用して、１．７であることが測定された。ジルコニアナノ粒子を加えないケイ酸ナトリウム溶液の被膜をまた、準備されたＰＥＴで回転させ、１５０℃で１時間乾燥させた。ジルコニアナノ粒子のない本被膜の平均屈折率は、メトリコンを再度使用して、１．５であることが測定された。

上に記載のケイ酸ナトリウム中の表面修飾ジルコニアナノ粒子の溶液は、オーハラコーポレーション（O’Hara Corporation）から市販のＳ−ＬＡＨ−６６を磨かれたサファイア（ルビコンテクノロジー（Rubicon Technology））に接着させるために使用された。ガラス及びサファイアは、アセトン、次いでイソプロパノール中で音波処理することによって清浄された。プレートは、Ｎ_２で乾燥させ、有機残渣をｕｖ／オゾンクリーニングシステムへの１０分間の暴露を使用して、除去した。Ｓ−ＬＡＨ−６６のプレートは、フォトレジストスピナ（photoresist spinner）上に設置し、１滴のジルコニア／ケイ酸ナトリウム溶液をガラスプレートの中央に設置した。プレートを４００ｒｐｍで３０秒間回転させた。清浄な磨かれたサファイアの一片を、Ｓ−ＬＡＨ−６６のガラス面と接触させた。中程度の圧力を３０秒間加えた。接合した試料を室温で１時間放置した。接合した試料を、その後、１℃／分で、１５０℃まで加熱し、１時間維持し、２℃／分で冷却した。

上に記載の接合実験は、表面修飾ジルコニアナノ粒子を加えずに、水ガラス溶液を使用して繰り返した。ケイ酸ナトリウム溶液の濃度は、ＤＩ水（６重量％のケイ酸ナトリウム）の希釈によって、前述の実施例のものと同一に維持された。再度、被膜を、Ｓ−ＬＡＨ−６６ガラスの清浄なプレート上で回転させた。磨かれたサファイアのプレートをガラスの上に設置し、中程度の圧力を３０秒間適用した。接合した試料を、再度室温で１時間放置し、次いで、１５０℃で１時間熱処理した（１℃／分で加熱）。

室温まで冷却した後、表面修飾ジルコニアを有する試料とケイ酸ナトリウムのみを有する試料の双方の接着強度は、ガラスとサファイアとの間で新しく形成された接着を破壊することなく処理されるのに十分な強度であった。

比較例
ジルコニアゾルは、表面修飾のないケイ酸ナトリウムと混合された。

ケイ酸ナトリウム溶液を、ＰＥＧ−シラン中でジルコニアを第１の表面修飾することなく、ジルコニアゾルに加えた。ケイ酸塩とＺｒＯ_２の比率は、再度、０．４：１に設定された。ジルコニア粒子は、直ちに溶液から抽出され、溶液中に大きな白色の塊を形成した。

本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明の様々な修正及び変更を行えることが当業者には明白であろう。本発明は、本明細書で述べる例示的な実施形態及び実施例によって不当に限定されないこと、また、こうした実施例及び実施形態は、以下に記述する特許請求の範囲のみに限定されるものである、本発明の範疇でのみ例示として示されていることを理解されたい。

Claims (25)

1. ＬＥＤ光源であって、該ＬＥＤ光源が、
   ＬＥＤダイと、
   該ＬＥＤダイに光学的に結合される光学素子と、
   非晶質ケイ酸塩網状組織における表面修飾金属酸化物ナノ粒子を含む接着層と、を含み、該接着層が、該ＬＥＤダイと該光学素子を共に接着する、ＬＥＤ光源。
2. 前記非晶質ケイ酸塩網状組織が、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、又はこれらの組み合わせから得られる、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
3. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化アンチモン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、金属酸化物ナノ粒子を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
4. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ランタン、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化アンチモン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、少なくとも２つの金属酸化物の混合金属酸化物ナノ粒子を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
5. 前記混合金属酸化物ナノ粒子が、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムを含む、請求項４に記載のＬＥＤ光源。
6. 前記混合金属酸化物ナノ粒子が、酸化ケイ素及び酸化チタンを含む、請求項４に記載のＬＥＤ光源。
7. 前記混合金属酸化物ナノ粒子が、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、及び酸化チタンを含む、請求項４に記載のＬＥＤ光源。
8. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、約１．８を超える屈折率を有する結晶性酸化ジルコニウムナノ粒子を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
9. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、約２．０を超える屈折率を有する結晶性酸化チタンナノ粒子を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
10. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、表面改質剤で表面修飾され、該表面改質剤は、親水基を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
11. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、表面改質剤で表面修飾され、該表面改質剤が、カルボン酸、ホスホン酸、アルコキシシラン、又はこれらの組み合わせ若しくは混合物を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
12. 前記アルコキシシランが、ポリエチレングリコールアルコキシシランを含む、請求項１１に記載のＬＥＤ光源。
13. 前記接着層が、約４０〜約９５重量％の前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子を含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
14. 前記ＬＥＤダイが、１．９を超える屈折率を有する発光層を含み、前記接着層は、約５０ｎｍ〜約１００μｍの厚みを有する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
15. 前記ＬＥＤダイが、１．９以下の屈折率を有する発光層を含み、前記接着層が、約５ｎｍを超えるが、約３００ｎｍまでの厚みを有する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
16. 前記ＬＥＤダイが、発光面を含み、前記光学素子は、光入力面を含み、前記接着層は、該発光面と該光入力面を共に接着する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
17. 前記光学素子が、少なくとも約２．０の屈折率を有する、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
18. 前記光学素子が、少なくとも約１．７の屈折率を有する光学ガラスを含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
19. 前記光学素子が、発散又は集束エクストラクタを含む、請求項１に記載のＬＥＤ光源。
20. ＬＥＤ光源の作製方法であって、該方法が、
    ａ）ＬＥＤダイを提供する工程と、
    ｂ）光学素子を提供する工程と、
    ｃ）表面修飾金属酸化物ナノ粒子と約８を超えるｐＨを有する水溶液中のシリコン源を含む、光学接着組成物を提供する工程であって、該シリコン源は、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される工程と、
    ｄ）該ＬＥＤダイ及び該光学素子を該光学接着組成物と接触させることによって、該ＬＥＤダイと該光学素子を共に接着させる工程と、を含む、方法。
21. 前記ＬＥＤダイ及び前記光学素子を前記光学接着組成物と接触させる工程が、室温で実行される、請求項２０に記載の方法。
22. 組立体が、前記ＬＥＤダイと前記光学素子を共に接着させる工程から形成され、該方法が、該組立体を加熱する工程を更に含む、請求項２０に記載の方法。
23. 光学接着組成物であって、該光学接着組成物が、
    表面修飾金属酸化物ナノ粒子と、
    約８を超えるｐＨを有する水溶液中のシリコン源と、を含み、該シリコン源が、ケイ酸塩、シラン、ケイ酸、ケイ酸の多量体型、アルコキシシラン、又はこれらの組み合わせを含む、光学接着組成物。
24. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、重量換算で前記シリコン源の１／２を超える量で存在する、請求項２３に記載の光学接着組成物。
25. 前記表面修飾金属酸化物ナノ粒子が、ポリエチレングリコールアルコキシシランで表面修飾された酸化ジルコニウムを含む、請求項２３に記載の光学接着組成物。

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