JP2013516747A - 水分子に対する拡散障壁としての成型構成物 - Google Patents

Abstract

本発明は、透明なエポキシまたはシリコーン樹脂（１）をベースとする、特に、好ましくは白色光を発光する、エレクトロルミネセント構成要素（３）における使用のための成型構成物に関する。成型構成物は、ガラスまたはシリカ粒子（２）の使用により、水分子の水分に対する拡散障壁として振る舞う。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明なエポキシまたはシリコーン樹脂をベースとする、特に、好ましくは白色光を発光する、エレクトロルミネセント構成要素における使用のための成型構成物（casting composition）に、およびこのタイプの成型構成物の調製方法に関する。本発明における成型構成物は、ガラスまたはシリカフレークの使用により、水分子に対する拡散障壁としての役割を果たす。

市販の白色ｐｃ−ＬＥＤは、青色スペクトル領域において発光するチップ、および１個または２個以上の蛍光体が配置されたシリコーンまたはエポキシ樹脂からなる被覆からなる。
蛍光体は、しばしばケイ酸塩系、硫化物系、窒化物系または酸窒化物系材料をベースとする。これらの材料は、極めて微量（extremely small traces）の水分の存在で分解する特性を有する。

オルトケイ酸塩系蛍光体の場合には、これは、特に、高濃度のバリウムを含む緑色蛍光体に適用される。空気中に存在する水分は、シリコーンまたはエポキシ樹脂マトリックスを通して蛍光体粒子へ拡散する。これが、蛍光体の分解により、その輝度を徐々に減少させ、低下させることをもたらす。これは、白色ｐｃ−ＬＥＤの性能における降下と関連する：第一にＬＥＤのカラーポイントが変化する。

さらに、チップのＬＥＤ中に存在するリフレクタおよび電気的接続が、硫化物系または（酸）窒化物系蛍光体の加水分解生成物により腐食して破壊される。
ＬＥＤの不可欠な交換により生じるコストは、不十分で短い寿命を有する、白熱電球、ハロゲンランプおよび蛍光ランプの白色ＬＥＤによる迅速な代替を妨げる。

EP 862794には、エポキシ樹脂からなり、無機蛍光体色素を含む波長変換成型構成物が開示されている。集塊形成を減少させるために、蛍光体色素にはシリコーン被覆が提供され得る。

したがって、本発明の対象は、１つまたは２つ以上の上述の欠点を有しない成型構成物を提供することである。

驚くべきことに、拡散する微量の水が原因となる、シリコーンまたはエポキシ樹脂マトリックスを含む成型構成物内での蛍光体の分解を、フレーク形態無機粒子をマトリックス中へ導入することにより防ぐことができることが今般見出された。ガラスまたはシリカからなるフレーク形態粒子は、水分子に対する効果的な拡散障壁として振る舞う。さらに、フレーク形態粒子を、シリコーンまたはエポキシ樹脂中で分散させることができ、単独の拡散障壁層として、ＬＥＤの蛍光体被覆に直接適用することができる（図１Ａまたは１Ｂ）。

よって、本発明は、無機蛍光体粒子およびガラスおよび／またはシリカ粒子を、好ましくはフレークの形態で含む、少なくとも１種の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂をベースとした成型構成物ならびにＵＶまたは青色光発光ダイオードに関する。
好ましい態様において、ガラスまたはシリカ粒子および蛍光体粒子を、成型構成物中で均一に分布させる（図１Ａ参照）。

さらに好ましい態様において、フレーク形態ガラスまたはシリカ粒子を成型構成物中で分散させ、平行な平面に配向させ（align）、単独の拡散障壁層として蛍光体粒子だけを含む、追加の成型構成物上に直接配置する（図１Ｂ参照）。

ガラスおよびシリカ粒子は、好ましくは、５〜２０μｍの直径および０．１〜５μｍの厚みを有する。
蛍光体粒子の平均粒径ｄ_５０は、好ましくは、＜２０μｍである。

フレーク形態ガラスおよびシリカ粒子の効果は、水分子の拡散経路が、シリコーンまたはエポキシ樹脂マトリックスを含む成型構成物中でブロックされるという事実に基づく。これは、特定のドメインにおける面が平行な粒子の配向によりおよび垂直方向におけるフレークのオフセット配置により起こる（図２参照）。

ガラスまたはシリカ粒子が、ほぼ、ｎ＝１．４〜１．５の範囲内であるシリコーンまたはエポキシ樹脂マトリックスの屈折率を有するという事実のため、白色ＬＥＤの光学特性は、悪影響を受けない。フレーク形態粒子のわずかな散乱特性（粒子エッジ（particle edge）の効果）により、輝度および色温度の均一性が、白色ＬＥＤの角度範囲を超えて改善される。

エポキシまたはシリコーン樹脂中でのフレーク形態ガラスおよび／またはシリカ粒子の分散性を改善するために、粒子を表面被覆してもよい。フレーク形態粒子を、次いで、湿式化学法によりまたは蒸着によりシリコーン／シランで被覆する。これらの有機ケイ素化合物を、フレーク形態粒子の表面ＯＨ基と反応させる。粒子、オリゴマー／ポリマー鎖および樹脂へのカップリング（物理的および／または化学的）の所望の疎水性を、ケイ素化合物の有機鎖の改変により制御する。

蛍光体粒子は、好ましくは、少なくとも以下の蛍光体材料からなり：
（Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ，Ｓｍ，Ｔｂ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ（Ｐｒの有無にかかわらず）、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、ＹＳｉＯ_２Ｎ：Ｃｅ、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４：Ｃｅ、Ｇｄ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｌｕ）_３Ａｌ_５−ｘＳｉ_ｘＯ_１２−ｘＮ_ｘ：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏ_２：Ｅｕ、ＳｒＳｉＡｌ_２Ｏ_３Ｎ_２：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、亜鉛アルカリ土類金属オルトケイ酸塩、銅アルカリ土類金属オルトケイ酸塩、鉄アルカリ土類金属オルトケイ酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、第ＩＩＩ族窒化物、酸化物であって、各場合において個別であるかまたはそれらの１種または２種以上の、例えばＣｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｃｒおよび／またはＢｉなどの活性化イオンとの混合物である。

白色発光オプトエレクトロニクス構成要素の製造に特に好ましい無機蛍光体粒子は、オルトケイ酸塩である。
蛍光体粒子の製造用の出発材料は、ベース材料（例えば、イットリウム、アルミニウム、ガドリニウムなどの塩溶液）および少なくとも１種のドーパント（例えば、セリウムなど）からなる。

好適な出発材料は、例えば、金属、半金属、遷移金属および／または希土類のニトラート、ハライド、カーボナート、ヒドロゲンカルボナート、ホスファート、カルボキシラート、アルコラート、アセタート、オキサラート、スルファート、有機金属化合物、水酸化物および／または酸化物などの無機および／または有機物質であり、これらは無機および／または有機液体に溶解および／または懸濁する。好ましいのは、対応する元素を必須の化学量論比で含む、混合された硝酸塩溶液、塩化物または水酸化物溶液の使用である。

本発明に従う目的は、さらに、無機蛍光体粒子およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、少なくとも１種の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂をベースとした成型構成物ならびにＵＶまたは青色発光ダイオードの調製方法により達成され：

ａ）粉末ガラスおよび／またはシリカ粒子との無機蛍光体粒子の均一な混合、
ｂ）蛍光体およびガラスまたはシリカ粒子の混合物の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂での分散、
ｃ）蛍光体およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、シリコーンまたはエポキシ樹脂での青色発光ダイオードの被覆、
ｄ）被覆の硬化、
のプロセスステップにより特徴付けられる。
被覆の硬化を、１２０〜１８０℃の間の温度で、好ましくは１５０℃で行う。

ガラスおよびシリカ粒子の製造を、対応するアルカリ金属塩からのベルトプロセスを介した慣用のプロセスで行う（例えば、シリカについては、カリウムまたはナトリウム水ガラス溶液）。製造プロセスは、EP 763573、EP 608388およびDE 19618564に詳細に記載されている。

本発明は、さらに、無機蛍光体粒子およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、少なくとも１種の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂をベースとした成型構成物ならびにＵＶまたは青色発光ダイオードの調製方法に関し：

ａ）無機蛍光体粒子の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂での分散、
ｂ）発光ダイオードの蛍光体粒子およびシリコーンまたはエポキシ樹脂の混合物での被覆
ｃ）被覆の硬化、

ｄ）シリコーンまたはエポキシ樹脂中でのガラスおよび／またはシリカ粒子の分散、
ｅ）硬化した蛍光体被覆を被覆することによる拡散障壁層の製造、
ｆ）拡散障壁層の硬化、
のプロセスステップにより特徴付けられる。

フレーク形態ガラスまたはシリカ粒子を、有機ケイ素化合物（例えば、シリコーンまたはシランなど）で湿式化学法によりまたは蒸着により表面被覆することが、さらに好ましい。既に述べたように、エポキシまたはシリコーン樹脂へのカップリングをこの被覆により改善する。

光散乱粒子、いわゆるディフューザー（例えば、ＣａＦ_２など）を、さらに成型構成物に添加してもよい。これは、有利には、半導体構成要素の色感（color impression）および発光特性をさらに最適化することを可能にする。

さらに、成型構成物はまた、接着促進剤、疎水化剤、加工助剤および／またはチキソロトピック剤を含んでもよい。使用され得るチキソロトピック剤は、例えば発熱性ケイ酸である。チキソロトピック剤は、蛍光体粒子の沈殿を防止するために、エポキシ樹脂を濃くする役割を果たす。好適な加工助剤は、例えばグリコールエーテルである。

用いられ得る接着促進剤は、蛍光体粒子および樹脂間の接着を改善する、例えば官能性アルコキシシランである。
用いられ得る疎水化剤は、蛍光体粒子表面の改変する役割を果たす、例えばシリコーンワックスである。

本発明のＵＶまたは青色発光ダイオードは、発光性窒化インジウムアルミニウムガリウムを含む光源であり、とりわけ式Ｉｎ_ｉＧａ_ｊＡｌ_ｋＮであって、式中、０≦ｉ、０≦ｊ、０≦ｋおよびｉ＋ｊ＋ｋ＝１で表されるものである。
このタイプの光源の可能な形態は、当業者には既知である。これらは、種々の構造の発光ＬＥＤチップであってもよい。

以下の例は、本発明を説明することを意図する。しかしながら、それらは、いかなる意味においても限定されるものとみなされるべきではない。調製において使用され得る全ての化合物または構成要素は、既知であり、商業的に入手可能であるかまたは既知の手法により合成することが可能である。例において示す温度は、常に℃である。言うまでもないが、記載においておよび例において、構成物における構成要素の添加量は、常に合計１００％まで添加される。所定のパーセントデータは、常にその文脈におけるものとみなされなければならない。しかしながら、それらは通常の場合常に表示された全量または部分量の重量に関係する。

本発明を、多くの例示的態様を参照して以下により詳細に説明し、ここで：

図１は、シリコーンまたはエポキシ樹脂中でのガラスまたはシリカフレークの均一な分布を示す。１：シリコーン／エポキシ樹脂、２：ガラスまたはシリカフレーク、３：ＬＥＤチップ、４：蛍光体粒子；Ｂ）単独の拡散障壁層；５：フレーク形態粒子のみを含む、シリコーン／エポキシ樹脂マトリックスからなる拡散障壁層；６：中へ拡散する水。

図２は、１：ガラスまたはシリカ粒子である。フレーク形態粒子は、平行に配向し、垂直方向に重なり合い、効果的に水の拡散を防止する。

図３は、１：単独の水拡散障壁層を有する５０個のＬＥＤの光束の測定平均値である。 ２：水拡散障壁を有する５０個のＬＥＤの光束の測定平均値である。緑色オルトケイ酸塩蛍光体が、ここでフレーク形態粒子と混合されている。 ３：水拡散障壁を有しない５０個のＬＥＤの光束の測定平均値である。

例
例１：フレーク形態ガラスまたはシリカ粒子の官能基での被覆
１．Ａ）エポキシポリマーのシラン化

１００ｇのシリカまたはガラス粒子を、１３５０ｍｌの脱イオン水中で激しく撹拌しながら懸濁させる。懸濁液のｐＨを、ｐＨ＝６．５まで５重量％のＨ_２ＳＯ_４を使用して調節し、懸濁液を７５℃まで加熱する。４．０ｇのSilquest A 186［ベータ−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン］およびSilquest A 1310［ガンマ−イソシアナトプロピルトリエトキシシラン］の１：１混合物を、続いて、懸濁液中に６０分間かけて穏やかに撹拌しながら計量添加する。

添加が完了したところで、混合物を、続いて、表面へのシランのカップリングを完了させるために１５分間撹拌する。ｐＨを、５重量％のＨ_２ＳＯ_４を用いて６．５へ修正する。懸濁液を、続いてろ過し、ろ過ケーキを脱イオン水で塩がなくなるまで洗浄する。乾燥を、１３０℃で２０時間行う。このようにして得られた粉末を、次いで、４０μｍふるいを用いてふるいにかける。

１．Ｂ）シリコーン樹脂カップリングのシラン化
１００ｇのシリカまたはガラス粒子を、１３５０ｍｌの脱イオン水中で激しく撹拌しながら懸濁させる。懸濁液のｐＨを、ｐＨ＝６．５まで５重量％のＨ_２ＳＯ_４を使用して調節し、懸濁液を７５℃まで加熱する。６．０ｇのSilquest A 1110［ガンマ−アミノプロピルトリメトキシシラン］およびSilquest A 1524［ガンマ−ウレアプロピルトリメトキシシラン］の１：２混合物を、続いて、懸濁液中に７５分間かけて穏やかに撹拌しながら計量添加する。

添加が完了したところで、混合物を、続いて、表面へのシランのカップリングを完了させるために１５分間撹拌する。ｐＨを、５重量％のＨ_２ＳＯ_４を用いて６．５へ修正する。
懸濁液を、続いてろ過し、ろ過ケーキを脱イオン水で塩がなくなるまで洗浄する。乾燥を、１４０℃で２０時間行う。このようにして得られた粉末を、次いで、４０μｍふるいを用いてふるいにかける。

１．Ｃ）シリコーン樹脂カップリングのためのビニルシランでのシラン化
１００ｇのシリカまたはガラス粒子を、１３５０ｍｌの脱イオン水中で激しく撹拌しながら懸濁させる。懸濁液のｐＨを、ｐＨ＝６．５まで５重量％のＨ_２ＳＯ_４を使用して調節し、懸濁液を７５℃まで加熱する。６．０ｇのSilquest A 174［ガンマ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン］およびSilquest A 151［ビニルトリエトキシシラン］の１：２混合物を、続いて、懸濁液中に９０分間かけて穏やかに撹拌しながら計量添加する。

添加が完了したところで、混合物を、続いて、表面へのシランのカップリングを完了させるために１５分間撹拌する。ｐＨを、５重量％のＨ_２ＳＯ_４を用いて６．５へ修正する。
懸濁液を、続いてろ過し、ろ過ケーキを脱イオン水で塩がなくなるまで洗浄する。乾燥を、１４０℃で２０時間行う。このようにして得られた粉末を、次いで、４０μｍふるいを用いてふるいにかける。

例２：ＬＥＤの製造
Ａ）蛍光体のフレーク形態粒子との混合物
以下の混合物をSpeedmixer（登録商標）（速度３０００ｒｐｍ、継続時間：５分間、室温）中で調製する：
２種の樹脂構成要素JCR 6122 aおよびbの各５０ｍｌを、４重量％の緑色オルトケイ酸塩蛍光体の１種および２％の未被覆のガラスまたはシリカ粒子あるいは例１Ａ、ＢまたはＣに従って適合されたフレーク形態粒子と混合する。

フレーク形態粒子は、５〜２０μｍの平均直径および０．１μｍ〜５μｍの厚さ分布を有する。２種の樹脂混合物を合わせ、撹拌し、脱気する。１０ｍｌを、次いでジェットディスペンサー（jet dispenser）またはスクリュー計量バルブディスペンサー（screw metering valve dispenser）の貯蔵容器中に導入する。ボンディングされたＣＯＢ（チップオンボード）の未加工の（crude）ＬＥＤパッケージを、分注バルブの下に置く。樹脂混合物のグロブ・トップ（glob top）を、次いで、ディスペンサーを使用して未加工のＬＥＤパッケージのチップ上に滴加して置く。これらの被覆されたＬＥＤを、乾燥キャビネット中で１５０℃で１時間調整し、その間に樹脂（成型構成物）が硬化する。

Ｂ）単独の拡散障壁層
以下の混合物をSpeedmixer（登録商標）（速度３０００ｒｐｍ、継続時間：５分間、室温）中で調製する：
２種の樹脂構成要素JCR 6122 aおよびbの各５０ｍｌを、４重量％の緑色オルトケイ酸塩蛍光体と混合する。２種の樹脂混合物を合わせ、撹拌し、脱気する。１０ｍｌを、次いでジェットディスペンサーまたはスクリュー計量バルブディスペンサーの貯蔵容器中に導入する。

ボンディングされたＣＯＢ（チップオンボード）の未加工のＬＥＤパッケージを、分注バルブの下に置く。樹脂混合物のグロブ・トップを、次いで、ディスペンサーを使用して未加工のＬＥＤパッケージのチップ上に滴加して置く。これらの被覆されたＬＥＤを、乾燥キャビネット中で１５０℃で１時間調整し、その間に樹脂（成型構成物）が硬化する。

２種の樹脂構成要素JCR 6122 aおよびbの各５０ｍｌを、再び４重量％の未被覆のガラスまたはシリカ粒子あるいは例１Ａ、ＢまたはＣに従って適合されたフレーク形態ガラスおよび／またはシリカ粒子と混合する。２種の樹脂混合物を合わせ、撹拌し、脱気する。１０ｍｌを、次いでジェットディスペンサーまたはスクリュー計量バルブディスペンサーの貯蔵容器中に導入する。被覆されたＬＥＤパッケージを、分注バルブの下に置く。樹脂混合物およびフレーク形態粒子からなる拡散障壁層を、次いで、ディスペンサーを使用して被覆されたＬＥＤに適用する。これらの被覆されたＬＥＤを、次いで乾燥キャビネット中で１５０℃で１時間調整し、その間に拡散障壁層の樹脂が硬化する。

Claims (10)

1. 無機蛍光体粒子およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、少なくとも１種の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂をベースとした成型構成物ならびにＵＶまたは青色光発光ダイオード。
2. ガラスおよび／またはシリカ粒子および蛍光体粒子が、成型構成物中で均一に分布されることを特徴とする、請求項１に記載の成型構成物。
3. ガラスおよび／またはシリカ粒子が、面が平行な態様で成型構成物中に分散し配向され、蛍光体粒子だけを含む追加の成型構成物上に、単独の拡散障壁層として直接配置することを特徴とする、請求項１に記載の成型構成物。
4. ガラスおよび／またはシリカ粒子が、５〜２０μｍの直径および０．１〜５μｍの厚みを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の成型構成物。
5. 蛍光体粒子の平均粒径ｄ_５０が、＜２０μｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の成型構成物。
6. 無機蛍光体粒子が、以下の群：
   （Ｙ，Ｇｄ，Ｌｕ，Ｓｃ，Ｓｍ，Ｔｂ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ（Ｐｒの有無にかかわらず）、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ、ＹＳｉＯ_２Ｎ：Ｃｅ、Ｙ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４：Ｃｅ、Ｇｄ_２Ｓｉ_３Ｏ_３Ｎ_４：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｌｕ）_３Ａｌ_５−ｘＳｉ_ｘＯ_１２−ｘＮ_ｘ：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ_２Ｎ_２Ｏ_２：Ｅｕ、ＳｒＳｉＡｌ_２Ｏ_３Ｎ_２：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、亜鉛アルカリ土類金属オルトケイ酸塩、銅アルカリ土類金属オルトケイ酸塩、鉄アルカリ土類金属オルトケイ酸塩、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、バナジウム酸塩、第ＩＩＩ族窒化物、酸化物であって、各場合において個別であるかまたはそれらの１種または２種以上の、例えばＣｅ、Ｅｕ、Ｍｎ、Ｃｒおよび／またはＢｉなどの活性化イオンとの混合物である、
   から選択されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の成型構成物。
7. 無機蛍光体粒子が、オルトケイ酸塩であることを特徴とする、請求項６に記載の成型構成物。
8. 無機蛍光体粒子およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、少なくとも１種の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂をベースとした成型構成物ならびにＵＶまたは青色発光ダイオードの調製方法であって：
   ａ）粉末ガラスおよび／またはシリカ粒子との無機蛍光体粒子の均一な混合、
   ｂ）蛍光体およびガラスおよび／またはシリカ粒子の混合物の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂での分散、
   ｃ）蛍光体およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、シリコーンまたはエポキシ樹脂での青色発光ダイオードの被覆、
   ｄ）被覆の硬化、
   のプロセスステップにより特徴付けられる、前記方法。
9. 無機蛍光体粒子およびガラスおよび／またはシリカ粒子を含む、少なくとも１種の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂をベースとした成型構成物ならびにＵＶまたは青色発光ダイオードの調製方法であって：
   ａ）無機蛍光体粒子の透明なシリコーンまたはエポキシ樹脂での分散、
   ｂ）発光ダイオードの蛍光体粒子およびシリコーンまたはエポキシ樹脂の混合物での被覆
   ｃ）被覆の硬化、
   ｄ）シリコーンまたはエポキシ樹脂中でのガラスまたはシリカ粒子の分散、
   ｅ）硬化した蛍光体被覆を被覆することによる拡散障壁層の製造、
   ｆ）拡散障壁層の硬化、
   のプロセスステップにより特徴付けられる、前記方法。
10. ガラスおよび／またはシリカ粒子が、有機ケイ素化合物で表面被覆されていることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。