JPWO2016024604A1 - 無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物およびその製造方法、ならびに発光装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ポリシルセスキオキサン中に無機微粒子が均一に分散された無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を提供することを課題とする。上記課題を解決するため、3官能アルコキシシラン化合物、水、触媒、及び金属元素または半金属元素を含む無機微粒子を含有する重合用組成物中で、前記3官能アルコキシシラン化合物を加水分解・重縮合させて得られる、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物とする。

Description

本発明は、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物、及びその製造方法に関する。
近年、高機能フィルム、高機能コーティング材料、高耐久性の光学デバイス用封止材など様々な用途に、有機無機ハイブリッド材料が応用されている。有機無機ハイブリッド材料は、有機的な性質と無機的な性質を併せ持ち、ある程度の柔軟性を維持しながらも、高強度、高耐光性、高耐熱性を発現する。そして、この有機無機ハイブリッド材料の一つとして、ポリシルセスキオキサンが知られている。
ポリシルセスキオキサンは、[(RSiO1.5]の組成式で表され、1個のSi原子に対して3本のSi−O結合を有するシロキサン系の化合物である。ポリシルセスキオキサンは、1個のSi原子に対して2本のSi−O結合を有するポリシロキサンより、3次元的な架橋構造を形成する。そのため、機械的強度、耐光性、耐熱性、及びガスバリア性が優れる。
そこで、ポリシルセスキオキサンの硬化物を、発光ダイオード(LED)を封止するための封止層とすることが提案されている(特許文献1)。しかしながら、ポリシルセスキオキサンは、前述のように、機械的強度等が優れる一方で、3次元的な架橋構造を有するため、硬もろいという課題があった。そして、特許文献1のような封止層とした場合に、基材と封止層との線膨張係数の差によって、封止層が剥離したり、冷熱衝撃によって、封止層にクラックが生じることがあった。
そこで、ポリシルセスキオキサンと共に無機微粒子を加え、膜の剥離やクラックを抑制することが検討されている(例えば、特許文献2、3)。これらの技術では、ポリシルセスキオキサンと、無機微粒子とを混合した後、当該組成物を硬化させて所望の膜を得る。
一方、特許文献4には、ポリシルセスキオキサンと、蛍光体粒子等とを含む組成物を硬化させて、LED素子を被覆する波長変換層とすることが提案されている。
特開2007−070600号公報 特開2011−79927号公報 特開2010−150340号公報 国際公開第2012/090961号
しかし、前述の特許文献2〜4の技術では、無機微粒子が十分に分散し難かった。そして、無機微粒子の分散が不十分であると、無機微粒子によって光が散乱し、当該層の光透過性が低下することがあった。また、無機微粒子の分散が不十分であると、層にかかる応力は多少緩和されるものの、クラックが十分に抑制され難いという課題があった。
また特に、特許文献2〜4のように、ポリシルセスキオキサンを発光装置の封止層等とする場合、層の厚みをある程度厚くする必要がある。このような厚みの厚い層では、クラックが特に生じやすい。そして、クラックが生じると、バリア性の低下や、光取り出し性が低下する。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ポリシルセスキオキサン中に無機微粒子が均一に分散された無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を提供することを目的とする。
本発明の第一は、以下に示す無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物及びこれを含む封止用組成物やコーティング剤に関する。
[1]3官能アルコキシシラン化合物、水、触媒、及び金属元素または半金属元素を含む無機微粒子を含有する重合用組成物中で、前記3官能アルコキシシラン化合物を加水分解・重縮合させて得られる、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
[2]ポリシルセスキオキサンのSi−OH基の一部と、前記無機微粒子の金属元素または半金属元素とが結合した、Si−O−M結合(Mは前記無機微粒子由来の金属元素または半金属元素)を有する化合物を含む、[1]に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
[3]前記重合用組成物が、有機溶媒をさらに含み、前記重合用組成物の全量に対する、前記有機溶媒の量は0.01〜30質量%である、[1]または[2]に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
[4]前記無機微粒子は、Si、Al、Zn、Ti、及びZrからなる群から選ばれる1種以上の金属元素または半金属元素を含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
[5]前記無機微粒子は、アスペクト比10以上のひも状形状を有する、[1]〜[4]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
[6]前記触媒が、塩基性触媒である、[1]〜[5]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
[7]前記[1]〜[6]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を含む封止用組成物。
[8]発光装置の発光素子を封止するために用いられる、[7]に記載の封止用組成物。
[9]前記[1]〜[6]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を含むコーティング剤。
本発明の第二は、以下に示す無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法に関する。
[10]3官能アルコキシシラン化合物、水、触媒、及び金属元素または半金属元素を含む無機微粒子を含有する重合用組成物を準備する工程と、前記重合用組成物が含む前記3官能アルコキシシラン化合物を加水分解・重縮合反応させる工程と、を含む、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
[11]前記重合用組成物が、有機溶媒をさらに含み、前記重合用組成物の全量に対する、前記有機溶媒の量は0.01〜30質量%である、[10]に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
[12]前記無機微粒子は、Si、Al、Zn、Ti、及びZrからなる群から選ばれる1種以上の金属元素または半金属元素を含む、[10]または[11]に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
[13]前記無機微粒子は、アスペクト比10以上のひも状形状を有する、[10]〜[12]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
[14]前記触媒が、塩基性触媒である、[10]〜[13]のいずれかに記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
本発明の第三は、以下に示す発光装置、及びその製造方法に関する。
[15]基板と、前記基板上に配置された発光素子と、前記発光素子を封止する封止層とを有し、前記封止層が、[7]に記載の封止用組成物の硬化物である、発光装置。
[16]発光素子が配置された基板を準備する工程と、前記発光素子上に、前述の[7]に記載の封止用組成物を、前記発光素子上に塗布する工程と、前記封止用組成物を100℃以上に加熱して硬化させる工程と、を含む、発光装置の製造方法。
本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物では、ポリシルセスキオキサンに無機微粒子が均一に分散されており、その硬化膜は冷熱衝撃等によってもクラックが生じ難い。
本発明の発光装置の一例を示す概略断面図である。 本発明の発光装置の他の例を示す概略断面図である。
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内であれば種々に変更して実施することができる。
1.無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物
本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物には、ポリシルセスキオキサン及び無機微粒子が含まれる。ポリシルセスキオキサンは、3官能アルコキシシラン化合物を重合して得られる化合物であり、一般的に[(RSiO1.5]の組成式で表される。ポリシルセスキオキサンの立体構造には、以下の一般式に示されるように、カゴ形構造、ハシゴ形構造、ランダム構造がある。本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物に含まれるポリシルセスキオキサンは、いずれの構造を有するものであってもよい。
Figure 2016024604
上記一般式においてRはいずれも有機基を表す。
従来、上記ポリシルセスキオキサンと無機微粒子とを混合した組成物が提案されている。しかし、ポリシルセスキオキサンと無機微粒子とを混合しただけでは、無機微粒子が均一に分散され難かった。ポリシルセスキオキサンの分子中には、無機微粒子に含まれる原子と反応する反応点が少ない。そのため、ポリシルセスキオキサンと無機微粒子との間で、化学結合や分子間力による親和が生じ難いためであると推察される。
これに対し、本発明では、ポリシルセスキオキサンの原料である3官能アルコキシシラン化合物と、金属元素または半金属元素を含む無機微粒子とを混合して、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製する。当該方法によって、3官能アルコキシシラン化合物の加水分解・重縮合反応を進めると、無機微粒子がシロキサン結合の形成を適度に阻害する。その結果、ポリシルセスキオキサンの分子の自由度がある程度高まり、柔軟性が高まる。そして、当該ポリシルセスキオキサンの硬化物に応力がかかったとしても、当該応力が緩和されやすくなり、クラック耐性が高まる。
また、無機微粒子を3官能アルコキシシラン化合物と混合してから加水分解・重縮合反応を進めると、3官能アルコキシシランの加水分解及び重縮合時に、一部が無機微粒子に含まれる金属原子または半金属原子とも反応する。つまり、一部の3官能アルコキシシラン化合物の加水分解物が無機微粒子とSi−O−M結合を形成しながらポリシルセスキオキサン骨格を形成し、Si−O−M結合を有する化合物が得られる。さらに、無機微粒子が、ポリシルセスキオキサンの末端のシラノール基と化学結合したり、分子間力によって親和することでも、無機微粒子がポリシルセスキオキサン中に均一に分散されやすくなる。そして、無機微粒子がポリシルセスキオキサンに均一に分散されると、ポリシルセスキオキサンの硬化時に、体積収縮し難くなる。さらに、硬化物に冷熱衝撃がかかったとしても、応力が分散されやすくなる。したがって、硬化物にクラックが生じ難くなる。また、無機微粒子が均一に分散されているため、ポリシルセスキオキサンの高い透明性が維持される。
ここで、本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物には、ポリシルセスキオキサンのSi−OH基の一部と、無機微粒子の金属元素または半金属元素Mとが結合した、Si−O−M結合を有する化合物が含まれることが好ましい。なお、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物には、上記Si−O−M結合を有さないポリシルセスキオキサンや無機微粒子が一部に含まれてもよい。無機微粒子由来の金属元素または半金属元素は特に制限されないが、Si、Al、Zn、Ti、またはZrであることが、ポリシルセスキオキサンのSi−OH基との反応性等の観点から好ましい。
ポリシルセスキオキサンのSi−OH基の一部と、無機微粒子の金属元素または半金属元素Mとが結合したSi−O−M結合は、H−NMR、29Si−NMR、17O−NMR、FT−IRなどにより検出可能である。
1−1.無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の調製方法
本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物は、3官能アルコキシシラン化合物、無機微粒子、水、及び触媒を含む重合用組成物中で、3官能アルコキシシラン化合物を加水分解及び重縮合させて調製される。
(3官能アルコキシシラン化合物)
ポリシルセスキオキサンの原料である3官能アルコキシシラン化合物は、ケイ素原子にアルコキシ基が3つ結合した3官能アルコキシシランのモノマー、もしくはその重合体でありうる。重合用組成物には、3官能アルコキシシラン化合物が1種のみ含まれてもよく、2種以上含まれてもよい。
ここで、3官能アルコキシシラン化合物の分子量は100〜1000であることが好ましく、より好ましくは100〜200である。3官能アルコキシシラン化合物の分子量が1000以下であれば、重合度が低く、ポリシルセスキオキサン骨格形成時に、無機微粒子と反応しやすくなる。
3官能アルコキシシランは、下記一般式(I)で表される化合物でありうる。
Si(OR (I)
上記一般式(I)中、Rは、それぞれ独立にアルキル基またはフェニル基を表し、好ましくは炭素数1〜5のアルキル基、またはフェニル基を表す。また、Rは、水素原子またはアルキル基を表す。
好ましい3官能アルコキシシランの例には、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、トリペンチルオキシシラン、トリフェニルオキシシラン、ジメトキシモノエトキシシラン、ジエトキシモノメトキシシラン、ジプロポキシモノメトキシシラン、ジプロポキシモノエトキシシラン、ジペンチルオキシルモノメトキシシラン、ジペンチルオキシモノエトキシシラン、ジペンチルオキシモノプロポキシシラン、ジフェニルオキシルモノメトキシシラン、ジフェニルオキシモノエトキシシラン、ジフェニルオキシモノプロポキシシラン、メトキシエトキシプロポキシシラン、モノプロポキシジメトキシシラン、モノプロポキシジエトキシシラン、モノブトキシジメトキシシラン、モノペンチルオキシジエトキシシラン、モノフェニルオキシジエトキシシラン等のモノヒドロシラン化合物;メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリペンチルオキシシラン、メチルモノメトキシジエトキシシラン、メチルモノメトキシジプロポキシシラン、メチルモノメトキシジペンチルオキシシラン、メチルモノメトキシジフェニルオキシシラン、メチルメトキシエトキシプロポキシシラン、メチルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノメチルシラン化合物;エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリプロポキシシラン、エチルトリペンチルオキシシラン、エチルトリフェニルオキシシラン、エチルモノメトキシジエトキシシラン、エチルモノメトキシジプロポキシシラン、エチルモノメトキシジペンチルオキシシラン、エチルモノメトキシジフェニルオキシシラン、エチルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノエチルシラン化合物;プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリペンチルオキシシラン、プロピルトリフェニルオキシシラン、プロピルモノメトキシジエトキシシラン、プロピルモノメトキシジプロポキシシラン、プロピルモノメトキシジペンチルオキシシラン、プロピルモノメトキシジフェニルオキシシラン、プロピルメトキシエトキシプロポキシシラン、プロピルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノプロピルシラン化合物;ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ブチルトリプロポキシシラン、ブチルトリペンチルオキシシラン、ブチルトリフェニルオキシシラン、ブチルモノメトキシジエトキシシラン、ブチルモノメトキシジプロポキシシラン、ブチルモノメトキシジペンチルオキシシラン、ブチルモノメトキシジフェニルオキシシラン、ブチルメトキシエトキシプロポキシシラン、ブチルモノメトキシモノエトキシモノブトキシシラン等のモノブチルシラン化合物;フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン等のモノフェニルシラン化合物;3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン等のモノメルカプトシラン化合物;ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン等のモノビニルシラン化合物;3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のモノグリシドキシシラン化合物;3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン等のモノアミノプロピルシラン化合物;が含まれる。
3官能アルコキシシランは、好ましくは上記一般式(I)におけるRがメチル基である化合物であり、メチルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシランがさらに好ましく、メチルトリメトキシシランが特に好ましい。
3官能アルコキシシラン化合物は、重合用組成物全質量中に50〜80質量%含まれることが好ましく、より好ましくは55〜78質量%であり、さらに好ましくは60〜75質量%である。3官能アルコキシシラン化合物の量が上記範囲であると、効率良くポリシルセスキオキサンが調製されやすい。
(無機微粒子)
無機微粒子は、金属元素または半金属元素を含み、ポリシルセスキオキサン中に均一に分散されるものであれば特に制限されないが、3官能アルコキシシラン化合物の加水分解物に含まれるシラノール基と反応して、メタロキサン結合を形成可能な元素を含む化合物であることが好ましい。具体的には、Si、Al、Zn、Ti、及びZrから成る群から選ばれる一種以上の元素を含む化合物からなる微粒子であることが好ましい。このような元素を含む化合物の例には、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化ジルコニウム、アルミニウムケイ酸塩等が含まれる。
無機微粒子の形状は特に制限されず、球状、円柱状、角柱状等、いずれの形状でもありうる。このような無機微粒子の平均一次粒径は、5〜1000nmであることが好ましく、より好ましくは10〜750nmであり、さらに好ましくは15〜500nmである。無機微粒子の平均一次粒径が、このような範囲であると、ポリシルセスキオキサン中に均一に分散されやすい。さらに3官能アルコキシシラン化合物と反応して、得られるポリシルセスキオキサン中に取り込まれやすい。無機微粒子の平均一次粒径は、コールターカウンター法で測定される。
一方、無機微粒子はひも状形状であってもよい。ひも状形状とは、平均外径をa、平均長さをbとしたとき、aとbとの比率(アスペクト比:b/a)が10以上であることをいう。無機微粒子のアスペクト比は、1000以下であることが好ましい。無機微粒子のアスペクト比が10以上であると、ポリシルセスキオキサン組成物の硬化物の表面に凹凸が生じやすくなり、当該硬化物と基材との密着性が高まる。また、当該硬化物の強度も高まりやすい。無機微粒子の平均外径及び平均長さは、透過型電子顕微鏡(例えばJEOL社製JEM−2000FX)で測定される。
また、無機微粒子の平均長さは20〜3000nmであることが好ましく、より好ましくは20〜1500nmである。無機微粒子の平均長さが20nm以上であると、ポリシルセスキオキサン組成物の硬化物表面に十分な凹凸が形成されやすくなり、前述のアンカー効果が発揮されやすくなる。一方、無機微粒子の平均長さが3000nm以下であると、ポリシルセスキオキサンに十分に分散されやすくなる。
ひも状形状を有する無機微粒子は、アルミニウムケイ酸塩化合物またはアルミナであることが特に好ましい。アルミニウムケイ酸塩とは、主な構成元素がケイ素、アルミニウム、酸素、及び水素である化合物であり、多数のSi−O−Al結合を含む和水ケイ酸アルミニウムであり、典型的なアルミニウムケイ酸塩化合物の構造式は、SiO・Al・2HO、もしくは(OH)AlSiOHで表される。
ひも状形状を有するアルミニウムケイ酸塩化合物の例には、中空管形状を有するイモゴライトが含まれる。イモゴライトは、平均外径が2.0〜2.5nmであり、平均内径が1.0〜1.5nmであり、平均長さが1〜6μmである粒子である。イモゴライトは、硫化水素ガス等を吸着可能である。そのため、無機微粒子がイモゴライトであると、ポリシルセスキオキサンの硬化物のガスバリア性が高まりやすい。
一方、ひも状形状を有するアルミナは、アルミナの繊維状結晶でありうる。当該アルミナは、アルミナの無水和物からなるひも状形状の粒子、またはアルミナの水和物からなるひも状形状の粒子等でありうる。ここで、アルミナの結晶系には、無定形、ベーマイト、または擬ベーマイトがあるが、アルミナには、ベーマイトまたは擬ベーマイトのいずれか一方、もしくは両方の結晶系が含まれることが好ましい。
また、アルミナの平均外径は1〜10nm程度であることが好ましく、より好ましくは2〜6nmである。また、アルミナの平均繊維長は400〜1500nmであることが好ましく、より好ましくは1200〜1500nmである。アルミナの平均外径及び繊維長が当該範囲であると、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物におけるアルミナの分散性が高まりやすい。
無機微粒子は、重合用組成物に含まれる3官能アルコキシシラン化合物100質量部に対して、0.1質量部以上20質量部未満含まれることが好ましく、より好ましくは0.5質量部以上15質量部未満である。3官能アルコキシシラン化合物に対して、0.1質量部以上含まれると、ポリシルセスキオキサン組成物の硬化物にクラックが生じ難くなる。一方で、無機微粒子が過剰に含まれると、硬化物が脆くなりやすいが、20質量部未満であれば、膜の強度が低下し難い。
(水)
重合用組成物に含まれる水は、3官能アルコキシシラン化合物や無機微粒子を分散させる溶媒としての役割、及び3官能アルコキシシラン化合物を加水分解する役割を果たす。
水は、3官能アルコキシシラン化合物100質量部に対して、15〜30質量部であることが好ましく、より好ましくは17〜28質量部であり、さらに好ましくは18〜27質量部である。水の量が上記範囲であると、3官能アルコキシシラン化合物の加水分解が十分に行われる。
(触媒)
重合用触媒に含まれる触媒は、3官能アルコキシシラン化合物の加水分解や重縮合を促進可能な化合物であれば、特に制限されない。触媒は酸性触媒であってもよく、塩基性触媒であってもよい。また、酸性触媒と塩基性触媒を併用してもよい。
酸性触媒は、有機酸、無機酸のいずれでもありうる。酸性触媒でありうる無機酸の例には、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸等が含まれ、中でも、リン酸、硝酸が好ましい。また有機酸の例には、ギ酸、シュウ酸、フマル酸、マレイン酸、氷酢酸、無水酢酸、プロピオン酸、n−酪酸などのカルボン酸残基、及び有機スルホン酸等の硫黄含有酸残基を有する化合物が含まれる。有機酸の具体例には、有機スルホン酸、もしくはこれらのエステル化物(有機硫酸エステル、有機亜硫酸エステル)等が含まれる。
一方、塩基性触媒の例には、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、尿素等でありうる。
重合用組成物に含まれる触媒の量は、3官能アルコキシシラン化合物100質量部に対して、0.02〜2質量部であることが好ましく、より好ましくは0.04〜1.5質量部であり、さらに好ましくは0.08〜1質量部である。触媒の量が上記範囲であると、ポリシルセスキオキサンが効率良く得られる。
(有機溶媒)
重合用組成物には、有機溶媒がさらに含まれてもよい。重合用組成物に有機溶媒が含まれると、重合用組成物中に無機微粒子が良好に分散されやすくなる。
有機溶媒は、3官能アルコキシシラン化合物等を溶解または分散可能な溶媒であれば、特に制限されない。有機溶媒の例には、メタノール、エタノール、プロパノール、n−ブタノール等の一価アルコール;メチル−3−メトキシプロピオネート、エチル−3−エトキシプロピオネート等のアルキルカルボン酸エステル;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ヘキサントリオール等の多価アルコール;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル等の多価アルコールのモノエーテル類、あるいはこれらのモノアセテート類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン等のケトン類;エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジプロピルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル等の多価アルコールの水酸基をすべてアルキルエーテル化した多価アルコールエーテル類;等が含まれる。これらは1種単独で用いてもよく、また2種以上を組み合わせてもよい。
有機溶媒の量は、重合用組成物全質量中に0.01〜30質量%であることが好ましく、より好ましくは0.5〜15質量%である。有機溶媒の量が上記範囲であると、無機微粒子が分散されやすくなる。
(無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の調製方法)
前述の3官能アルコキシシラン化合物、無機微粒子、水、及び触媒を混合した重合用組成物を準備し、当該重合用組成物中で、3官能アルコキシシラン化合物を加水分解・重縮合させることで、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物が得られる。なお、無機微粒子は、予め有機溶媒に分散された状態で、他の成分と混合されることが、無機微粒子の分散性の観点から好ましい。
3官能アルコキシシラン化合物は、重合用組成物を好ましくは20〜90℃、より好ましくは40〜80℃の温度に保持し、静置もしくは攪拌することによって反応する。反応時間は24〜168時間であることが好ましく、より好ましくは72〜120時間である。
反応終了後、必要に応じて、3官能アルコキシシランの加水分解によって生成したアルコールや有機溶媒、水等を除去してもよい。
当該反応によって得られる、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物に含まれるポリシルセスキオキサンの重量平均分子量は、通常1000以上400000以下であり、好ましくは1000以上50000以下である。ポリシルセスキオキサンの分子量は、3官能アルコキシシラン化合物が含む有機基の種類、反応時間等によって調整される。また、ポリシルセスキオキサンの重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定され、ポリスチレン換算した値である。
一方、ポリシルセスキオキサン化合物の構造は、H−NMRまたは29Si−NMRにより確認可能である。
1−2.無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の用途
無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の硬化物は、前述のように、硬度、耐光性、耐熱性が高く、また冷熱衝撃等によってもクラックが生じ難い。したがって、各種基板等のコーティング剤とすることができる。
無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物をコーティング剤とする場合の被塗布物は、特に制限されず、例えば各種光学フィルムや光学部材、容器、自動車、建材、包装材等でありうる。
無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を各種コーティング剤とする場合、必要に応じて無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を溶媒等で希釈してもよい。また、コーティング剤の塗布方法は特に制限されず例えばブレード塗布、スピンコート塗布、ディスペンサー塗布、スプレー塗布など、公知の塗布方法でありうる。
また、コーティング剤の塗布後、熱処理することで、ポリシルセスキオキサンがさらに重合して硬化する。熱処理温度は特に制限されないが、通常100〜200℃に加熱することが好ましい。加熱時間は、1〜20時間程度とすることができる。また、マイクロ波加熱によってコーティング剤を硬化させることもできる。具体的には、300〜1000Wで、5〜120分程度、マイクロ波を照射して、硬化させることが好ましい。また、コーティング剤の硬化は、マイクロ波加熱と、熱処理とを組み合わせてもよい。これらの硬化処理は、空気中で行ってもよく、窒素雰囲気下や、真空下で行ってもよい。
無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を各種コーティング剤とする場合、コーティング剤の硬化物の厚みは、0.5〜20μm程度であることが好ましく、より好ましくは1〜10μmである。コーティング剤の硬化物の厚みが20μm以下であると、冷熱衝撃等によってクラックが生じ難い。一方、厚みが0.5μm以上であると、各種部材を外部衝撃から保護すること等ができる。
一方、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物は、比較的厚膜にしても、クラックが生じ難く、光透過性も高い。したがって、後述するように、発光装置の発光素子を封止するための封止用組成物とすることもできる。
2.発光装置
前述のように、本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物は、発光装置の封止用組成物に適用することができる。発光装置の一例を図1及び図2に示す。発光装置100には、電極11を有する基板1と、電極11と電気的に接続された発光素子2と、電極11及び発光素子2を被覆する封止層3とが含まれる。発光装置100には、図2に示されるように、必要に応じて、発光素子2や封止層3を被覆する波長変換層4が含まれてもよい。当該発光装置100において、封止層3が、前述の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の硬化物である。
ここで、本発明の発光装置100に含まれる発光素子2の種類は、特に制限されず、半導体レーザー素子や、発光ダイオード(LED)素子等でありうる。以下、発光素子がLED素子である場合を例に、本発明の発光装置を説明するが、本発明の発光装置は発光素子がLED素子である装置に限定されない。
2−1.基板
基板1は、LED素子2を支持するための部材である。基板1には、金属からなる電極11が形成されており、当該電極11は、基板1の外部に配置される電源(図示せず)から、LED素子2に電気を供給する機能を有する。また、電極11は、LED素子2が発する光を、発光装置100の光取り出し面側に反射する機能をさらに有してもよい。電極11の形状は特に制限されず、発光装置100の種類や用途等に合わせて適宜選択される。
基板1は、平板状であってもよく、図1に示されるようにキャビティ(凹部)を有してもよい。基板1がキャビティを有する場合、キャビティの形状は特に制限されない。例えば円錐台状であってもよく、角錐台状や、円柱状、角柱状等であってもよい。
基板1は、絶縁性及び耐熱性を有することが好ましく、セラミック樹脂や耐熱性樹脂からなることが好ましい。耐熱性樹脂の例には、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルフィド、芳香族ナイロン、エポキシ樹脂、硬質シリコーンレジン、ポリフタル酸アミド等が含まれる。
また、基板1には、無機フィラーが含まれていてもよい。無機フィラーは、酸化チタン、酸化亜鉛、アルミナ、シリカ、チタン酸バリウム、リン酸カルシウム、炭酸カルシウム、ホワイトカーボン、タルク、炭酸マグネシウム、窒化ホウ素、グラスファイバー等でありうる。
電極11を有する基板1の作製方法は特に制限されず、一般的には、所望の形状のリードフレームと、樹脂とを一体成型して得られる。
2−2.LED素子
LED素子2は、基板1に形成された電極11と電気的に接続されて、特定の波長の光を発する素子である。LED素子2が出射する光の波長は特に制限されない。LED素子2は、例えば青色光(420nm〜485nm程度の光)を発する素子であってもよく、紫外光を発する素子であってもよい。またさらに、緑色光や赤色光等を発する素子であってもよい。
LED素子2の構成は、特に制限されない。LED素子2が、青色光を発する素子である場合、LED素子2は、n−GaN系化合物半導体層(クラッド層)と、InGaN系化合物半導体層(発光層)と、p−GaN系化合物半導体層(クラッド層)と、透明電極層との積層体等でありうる。
また、LED素子2の形状は特に制限されず、例えば200〜300μm×200〜300μmの発光面を有するものでありうる。またLED素子2の高さは、通常50〜200μm程度である。LED素子2は、上面だけでなく、側面や底面からも光が取り出されるものであってもよい。なお、図1に示される発光装置100には、基板1に1つのLED素子2のみが配置されているが、基板1に複数のLED素子2が配置されてもよい。
LED素子2と前述の電極11との接続方法は特に制限されない。例えばLED素子2と電極11とが、図1に示されるように、金属ワイヤ12を介して接続されてもよい。また、LED素子2と電極11とが、突起電極(図示せず)を介して接続されてもよい。LED素子2と電極11とが、金属ワイヤを介して接続される態様をワイヤボンディング型という。一方、LED素子2と電極11とが突起電極を介して接続される態様をフリップチップボンディング型という。
フリップチップボンディング型の発光装置100では、LED素子2と基板1との隙間にアンダーフィル材(図示せず)が充填されてもよい。アンダーフィル材は、シリコーン樹脂や、エポキシ樹脂、後述の封止層3と同様の材料等からなる部材でありうる。
2−3.封止層
封止層3は、前述のLED素子2や電極11を被覆する層であり、LED素子2や、電極11を発光装置外部の湿度や硫化水素ガスから保護する層である。封止層3の形成領域は特に制限されず、封止層3はLED素子2及び電極11のみを被覆する層であってもよい。また、LED素子2や電極11だけでなく、LED素子2が配置された側の基板1を全て被覆する層であってもよい。また、蛍光体粒子を含み、LED素子2が出射した特定波長の光を、他の特定波長の光に変換する層を兼ねてもよい。
封止層3には、前述の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の硬化物が含まれ、さらに蛍光体粒子が含まれてもよい。
蛍光体粒子は、LED素子2から出射する光により励起されて、LED素子2からの出射光と異なる波長の蛍光を発するものであればよい。例えば、黄色の蛍光を発する蛍光体粒子の例には、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)蛍光体等がある。YAG蛍光体は、青色LED素子から出射される青色光(波長420nm〜485nm)を受けて、黄色の蛍光(波長550nm〜650nm)を発する。
蛍光体粒子は、例えば1)所定の組成を有する混合原料に、フラックス(フッ化アンモニウム等のフッ化物)を適量混合して加圧し、これを成形体とする。2)得られた成形体を坩堝に詰め、空気中で1350〜1450℃の温度範囲で、2〜5時間焼成し、焼結体とすることで得られる。
所定の組成を有する混合原料は、Y、Gd、Ce、Sm、Al、La、Ga等の酸化物、または高温で容易に酸化物となる化合物を、化学量論比で十分に混合して得られる。また、所定の組成を有する混合原料は、1)Y、Gd、Ce、Smの希土類元素を化学両論比で酸に溶解した溶液と、シュウ酸とを混合し、共沈酸化物を得る。2)この共沈酸化物と、酸化アルミニウム、または酸化ガリウムとを混合しても得られる。
蛍光体の種類は、YAG蛍光体に限定されるものではなく、例えばCeを含まない非ガーネット系蛍光体等、他の蛍光体であってもよい。
蛍光体粒子の平均粒径は1μm〜50μmであることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。蛍光体粒子の粒径が大きいほど発光効率(波長変換効率)が高くなる。一方、蛍光体粒子の粒径が大きすぎると、蛍光体粒子とバインダ(ポリシルセスキオキサンの硬化物)との界面に生じる隙間が大きくなる。これにより、封止層3の強度が低下しやすい。蛍光体粒子の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布計で測定されるD50の値をいう。レーザー回折式粒度分布測定装置の例には、島津製作所製のレーザー回折式粒度分布測定装置等がある。波長変換層4中に含まれる蛍光体粒子の量は、封止層3の全質量に対して、通常5〜15質量%である。
封止層3の厚みは、100μm以上3000μm以下であり、好ましくは200μm以上2800μm以下であり、さらに好ましくは500μm以上2500μm以下である。封止層の厚みが3000μm以下であれば、封止層3の成膜時に歪みが生じ難く、クラックが生じ難い。一方、封止層3の厚みが100μm以上であると、封止層3のガスバリア性が十分に高まりやすく、LED素子2や電極11等が、発光装置100外部の湿度や硫化成分から十分に保護される。封止層3の厚みは、LED素子2の上面(発光面)に配置された封止層3の最大厚みとする。また、層の厚みは、レーザホロゲージを用いて測定される。
2−4.波長変換層
前述のように、本発明の発光装置には、別途波長変換層4が含まれてもよい。波長変換層4は、LED素子2が出射した特定波長の光を、他の特定波長の光に変換する層であり、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂等の中に蛍光体粒子が分散された層でありうる。蛍光体粒子は、前述の封止層に含まれ得る蛍光体粒子と同様である。
このような波長変換層4の厚みは25μm〜5mm程度であることが好ましい。波長変換層4の厚みが厚すぎると、蛍光体粒子の濃度が過剰に低くなり、蛍光体粒子が均一に分散されない場合がある。波長変換層4の厚みは、LED素子2の発光面上に成膜された波長変換層4の最大厚みを意味する。波長変換層4の厚みは、レーザホロゲージで測定することができる。
2−5.発光装置の製造方法
前述の発光装置は、以下の3つ工程を経て製造することができる。
(1)LED素子が実装された基板を準備する工程
(2)LED素子及び電極を被覆するように、前述の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を含む封止用組成物を塗布する工程
(3)封止用組成物を硬化させる工程
発光装置の製造方法には、必要に応じて(4)封止層上に、蛍光体粒子を含む波長変換層を形成する工程が含まれてもよい。
(1)LED素子準備工程
LED素子準備工程では、LED素子と電極とが接続された基板を準備する。例えば前述の電極を有する基板を準備し、当該基板にLED素子を固定し、基板の電極と、LED素子のカソード電極及びアノード電極とを接続する工程でありうる。LED素子と電極との接続方法や、LED素子を基板に固定する方法は特に制限されず、従来公知の方法と同様の方法でありうる。
(2)封止用組成物塗布工程
封止用組成物塗布工程は、前述の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物、を含む封止用組成物を、電極、及びLED素子を覆うように塗布する工程でありうる。封止用組成物には、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の他に、必要に応じて溶媒や蛍光体粒子が含まれてもよい。溶媒や蛍光体粒子の混合方法は特に制限されず、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物と混合した後、公知の方法で攪拌する方法等でありうる。例えば、撹拌ミル、ブレード混練撹拌装置、薄膜旋回型分散機等で行うことができる。撹拌条件を調整することで、封止用組成物に含まれる蛍光体粒子の沈降が抑制される。
封止用組成物の塗布方法は特に制限されず、ブレード塗布、スピンコート塗布、ディスペンサー塗布、スプレー塗布など、公知の塗布方法でありうる。
(3)封止用組成物硬化工程
封止用組成物硬化工程は、封止用組成物を加熱する工程でありうる。当該封止用組成物硬化工程では、封止用組成物中の溶媒を除去すると共に、ポリシルセスキオキサンをさらに重合させて硬化させる。
封止用組成物を硬化させる際の温度は、100〜200℃であることが好ましい。加熱温度が100℃未満であると、ポリシルセスキオキサンの重合が十分に行われないことがありうる。
(4)波長変換層形成工程
波長変換層形成工程は、蛍光体粒子及び樹脂またはその前駆体が含まれる波長変換層用組成物を、前述の封止層上に塗布し、これを硬化させる工程でありうる。波長変換層用組成物には、必要に応じて溶媒が含まれる。波長変換層用組成物に含まれる溶媒は、前述の樹脂またはその前駆体を溶解または分散させることが可能なものであれば、特に制限されない。溶媒はトルエン、キシレンなどの炭化水素類;アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチルアセテートなどのエステル類等でありうる。
また、波長変換層用組成物の混合は、例えば、撹拌ミル、ブレード混練撹拌装置、薄膜旋回型分散機等で行うことができる。撹拌条件を調整することで、波長変換層用組成物における蛍光体粒子の沈降が抑制される。
波長変換層用組成物の塗布方法は適宜選択され、例えばディスペンサー塗布等でありうる。また、波長変換層用組成物の塗布後、これを硬化させる。波長変換層用組成物の硬化方法や硬化条件は、樹脂の種類により適宜選択される。硬化方法の一例として、加熱硬化が挙げられる。
2−6.発光装置の用途
前述の発光装置には、さらに他の光学部品(レンズなど)が設けられて各種光学部材とされてもよい。本発明の発光装置は、耐湿性や、硫化水素ガス耐性にも優れることから、車輌用の照明や、屋外で使用する照明用途等に好適である。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲はこれによって何ら制限を受けない。
[比較例1]
プロピルトリメトキシシラン(3官能アルコキシシラン化合物)0.1molと、水と、希硝酸とを、プロピルトリメトキシシラン:水:希硝酸のモル比が1:3:0.002となるように混合し、重合用組成物とした。この重合用組成物を密閉容器中にて20℃で3時間撹拌した後、60℃で48時間熟成させて、プロピルトリメトキシシランの加水分解反応および重縮合反応を進行させた。反応によって生成したメタノールを含む上相を除去した。その後、60℃で3時間乾燥させて、液状ポリシルセスキオキサンを得た。ポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は2000であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。得られた液状ポリシルセスキオキサン100質量部に対して、球状シリカが5質量部となるように、球状シリカ分散液(TECNAN社製TECNADIS-SI-230-1KG、平均一次粒子径:15nm)を加え、ロッキングミル装置で攪拌して無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物とした。当該組成物について、Si−O−M(Mはシリカ由来のSi)結合の有無をH−NMRおよび29Si−NMRで確認したところ、Si−O−M結合は殆ど検出されなかった。
上記無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物をメチルエチルケトンで固形分濃度30質量%になるように希釈し、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム基材上にバーコートにてウェット膜厚10μmとなるように塗布し、120℃で1時間焼成した。
[実施例1]
プロピルトリメトキシシラン(3官能アルコキシシラン化合物)0.1molと、水と、希硝酸とを加え、プロピルトリメトキシシラン:水:希硝酸のモル比が1:3:0.002となるように混合した。さらに、プロピルトリメトキシシラン100質量部に対して球状シリカが1質量部になるよう球状シリカ分散液(TECNAN社製TECNADIS-SI-230-1KG、平均一次粒子径:15nm)を加え、重合用組成物とした。この重合用組成物を密閉容器中にて20℃で3時間撹拌した後、さらに60℃で48時間熟成させて、加水分解反応および重縮合反応を進行させた。反応によって生成したメタノールを含む上相を除去し、60℃で3時間乾燥させて、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1600であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはシリカ由来のSi)結合の有無をH−NMRおよび29Si−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
上記無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物をメチルエチルケトンで固形分濃度30%になるように希釈し、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム基材上にバーコートにてウェット膜厚10μmとなるように塗布し、120℃で1時間焼成した。
[実施例2]
重合用組成物中の球状シリカ分散液の量を、プロピルトリメトキシシラン100質量部に対して球状シリカが5質量部になるように調整した以外は、実施例1と同様に、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1500であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはシリカ由来のSi)結合の有無をH−NMRおよび29Si−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
そして、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物をポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム基材上にバーコートにてウェット膜厚10μmとなるように塗布し、120℃で1時間焼成した。
[実施例3]
重合用組成物中の球状シリカ分散液の量を、プロピルトリメトキシシラン100質量部に対して球状シリカが10質量部となるように調整した以外は、実施例1と同様に、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1300であった。さらに、Si−O−M(Mはシリカ由来のSi)結合の有無をH−NMRおよび29Si−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。そして、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物をポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム基材上にバーコートにてウェット膜厚10μmとなるように塗布し、120℃で1時間焼成した。
[実施例4]
プロピルトリメトキシシラン(3官能アルコキシシラン化合物)0.1molと、水と、水酸化ナトリウムとを加え、プロピルトリメトキシシラン:水:水酸化ナトリウムのモル比が1:3:0.002となるように混合した。さらに、プロピルトリメトキシシラン100質量部に対して球状シリカが10質量部となるよう球状シリカ分散液(TECNAN社製TECNADIS-SI-230-1KG、平均一次粒子径:15nm)を加え、重合用組成物とした以外は、実施例1と同様に、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1300であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはシリカ由来のSi)結合の有無をH−NMRおよび29Si−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
そして、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物をポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム基材上にバーコートにてウェット膜厚10μmとなるように塗布し、120℃で1時間焼成した。
[評価]
実施例1〜4、及び比較例1で作製したフィルム(無機微粒子含有ポリシルセスキオキサンの硬化膜)について、以下の方法でクラック耐性、密着性、及び硬度を評価した。結果を表1に示す。
<クラック耐性評価>
各フィルムサンプルについて光学顕微鏡(SZX12;OLYMPUS社製)により拡大倍率20倍で外観観察を行い、以下の基準でクラック耐性を評価した。
○:フィルム中にクラックが1本も無い
×:フィルム中にクラックが1本以上有る
<密着性評価>
密着性の評価を、JIS K5400の碁盤目セロハンテープ剥離試験に従って評価した。具体的には、フィルムサンプル表面にカッターナイフで、1cm×1cmの正方形内に1mm間隔の碁盤目状に切り込みを入れ、セロハンテープ(ニチバン社製)を貼り付けた。その後、セロハンテープをはく離し、はく離部の割合を測定した。下記の基準に従って、膜とフィルム基材との密着性を評価した。
○:はく離部(剥離したマス)の割合が0%以上、3%未満
×:はく離部(剥離したマス)の割合が3%以上
<硬度評価>
フィルムサンプル表面を#0000のスチールウールに1kg/cmの荷重をかけて、ストローク100mm、速度30mm/secで10回往復摩擦した。その後、下記の基準に従って、付いた傷の本数にて硬度を評価した。
○:傷本数が0本以上、10本未満
×:傷本数が10本以上
Figure 2016024604
表1に示されるように、3官能アルコキシシラン化合物の重合体(液状ポリシルセスキオキサン)と無機微粒子とを混合した場合には、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を焼成して得られる層のクラック耐性や、基材との密着性、層の硬度のいずれの評価も低かった(比較例1)。液状ポリシルセスキオキサンと無機微粒子とが十分に分散され難かったため、無機微粒子による応力緩和効果が得られなかったと推察される。
これに対し、3官能アルコキシシラン化合物の加水分解・重縮合前に無機微粒子を混合した場合には、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を焼成して得られる層のクラック耐性や、基材との密着性、層の硬度のいずれの評価も良好であった(実施例1〜4)。無機微粒子を構成する原子が、3官能アルコキシシラン化合物と化学結合したり、分子間力によって親和することで、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中に均一に含まれたと推察される。そして、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の硬化膜中でも、これらが均一に含まれるため、無機微粒子による応力緩和効果が十分に得られたと推察される。
[蛍光体の調製方法]
蛍光体原料として、Y7.41g、Gd4.01g、CeO0.63g、及びAl7.77gを十分に混合した。これにフラックスとしてフッ化アンモニウムを適量混合し、アルミ製の坩堝に充填した。当該充填物を、水素含有窒素ガスを流通させた還元雰囲気中において、1350〜1450℃の温度範囲で2〜5時間焼成して焼成品((Y0.72Gd0.24Al12:Ce0.04)を得た。
得られた焼成品を粉砕、洗浄、分離、乾燥して、平均粒径が10μm程度の黄色蛍光体粒子を得た。波長465nmの励起光における発光波長を測定したところ、およそ波長570nmにピーク波長を有していた。
[発光装置の製造方法]
・基板の準備
金属反射層(銀メッキ)及びリード電極を有する芳香族ポリアミド製円形基板を準備した。当該円形基板は、円錐台状のキャビティを有するものとした。キャビティの開口径は3mm、キャビティ底面の直径は2mm、壁面角度は60°とした。そして、当該基板に、ダイボンド接着剤で、発光素子(直方体状;200μm×300μm×100μm)を固定した。さらに、発光素子のアノード電極及びカソード電極を、リード電極にワイヤで接続した。
[比較例2]
シリコーン樹脂(OE6630:東レダウ社製)に、前述の蛍光体粒子を分散させた封止用組成物を準備した。封止用組成物に含まれる蛍光体粒子の濃度は8質量%とした。当該封止用組成物を基板の凹部にポッティングした。そして、150℃で1時間焼成して比較例2の発光装置を得た。封止層の厚みは2.5mmとした。
[比較例3]
エチルトリメトキシシラン(3官能アルコキシシラン化合物)0.1molと、水と、希硝酸とを加え、エチルトリメトキシシラン:水:希硝酸のモル比が1:3:0.002となるように混合した。この混合液を密閉容器中にて20℃で3時間撹拌した後、さらに60℃で48時間熟成させ、加水分解反応および重縮合反応を進行させた。反応によって生成したメタノールを含む上相を除去し、60℃で3時間乾燥させることにより、液状ポリシルセスキオキサンを得た。ポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は2000であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。
得られた液状ポリシルセスキオキサン100質量部に対して球状ジルコニアが5質量部となるよう球状ジルコニア分散液(TECNAN社製TECNADIS-ZR-220-1KG、平均一次粒子径:15nm)を加え、ロッキングミルで攪拌して、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。当該組成物について、Si−O−M(Mはジルコニア由来のZr)結合の有無を17O−NMRで確認したところ、Si−O−M結合は殆ど検出されなかった。
そして、上記無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物に、前述の蛍光体粒子を分散させた封止用組成物を準備した。蛍光体粒子の分散は、ロッキングミルにより行った。封止用組成物に含まれる蛍光体粒子の濃度は8質量%とした。当該封止用組成物を基板の凹部にポッティングした。そして、160℃で19時間焼成して比較例3の発光装置を得た。封止層の厚みは2.5mmとした。
[実施例5]
エチルトリメトキシシラン(3官能アルコキシシラン化合物)0.1molと、水と、希硝酸とを加え、エチルトリメトキシシラン:水:希硝酸のモル比が1:3:0.002となるように混合した。さらに、エチルトリメトキシシラン100質量部に対して球状ジルコニアが1質量部となるように、球状ジルコニア分散液(TECNAN社製TECNADIS-ZR-220-1KG、平均一次粒子径:15nm)を加え、重合用組成物とした。当該重合用組成物を密閉容器中にて20℃で3時間撹拌した後、さらに60℃で48時間熟成させ、加水分解反応および重縮合反応を進行させた。反応によって生成したメタノールを含む上相を除去し、60℃で3時間乾燥させることにより、実施例5の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1600であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはジルコニア由来のZr)結合の有無を17O−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
そして、上記無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物に、前述の蛍光体粒子を分散させた封止用組成物を準備した。蛍光体粒子の分散は、ロッキングミルにより行った。封止用組成物に含まれる蛍光体粒子の濃度は8質量%とした。当該封止用組成物を基板の凹部にポッティングした。そして、160℃で19時間焼成して比較例3の発光装置を得た。封止層の厚みは2.5mmとした。
[実施例6]
重合用組成物中の球状ジルコニア分散液の量を、エチルトリメトキシシラン100質量部に対して球状ジルコニアが5質量部となるように調整した以外は、実施例5と同様に無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製し、さらに封止用組成物を調製して、発光装置を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1500であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはジルコニア由来のZr)結合の有無を17O−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
[実施例7]
重合用組成物中の球状ジルコニア分散液の量を、エチルトリメトキシシラン100質量部に対して球状ジルコニアが10質量部となるように調整した以外は、実施例5と同様に無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製し、さらに封止用組成物を調製して、発光装置を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1300であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはジルコニア由来のZr)結合の有無を17O−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
[実施例8]
エチルトリメトキシシラン(3官能アルコキシシラン化合物)0.1molと、水と、水酸化ナトリウムとを加え、エチルトリメトキシシラン:水:水酸化ナトリウムのモル比が1:3:0.002となるように混合した。さらに、エチルトリメトキシシラン100質量部に対して球状ジルコニアが10質量部となるよう球状ジルコニア分散液(TECNAN社製TECNADIS-ZR-220-1KG、平均一次粒子径:15nmを加え、重合用組成物とした以外は、実施例5と同様に、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1300であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはジルコニア由来のZr)結合の有無を17O−NMRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
[実施例9]
重合用組成物中の球状シリカを、ナノファイバー状アルミナ(川研ファインケミカル社製F−1000、アスペクト比350、長さ1400nm)に変更した以外は、実施例6と同様に無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製し、さらに封止用組成物を調製して、発光装置を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1500であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはアルミナ由来のAl)結合の有無をFT−IRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
[実施例10]
重合用組成物中の球状シリカを、後述の方法で調製されるナノファイバー状アルミニウムケイ酸塩(アスペクト比500、長さ1000nm、外径2nm、内径1nm)に変更した以外は、実施例6と同様に無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製し、さらに封止用組成物を調製して、発光装置を得た。無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中のポリシルセスキオキサンの重量平均分子量(GPCで測定:ポリスチレン換算)は1500であった。また、ポリシルセスキオキサンの生成は、H−NMRで確認した。さらに、当該組成物について、Si−O−M(Mはアルミニウムケイ酸塩由来のAl)結合の有無をFT−IRで確認したところ、Si−O−M結合が検出された。
[ナノファイバー状アルミニウムケイ酸塩の調製]
以下に、ナノファイバー状アルミニウムケイ酸塩の調製方法を示す。
(第1の工程)
オルトケイ酸ナトリウムをイオン交換水に溶解し、3.0mMオルトケイ酸ナトリウム水溶液を10L調製した。当該オルトケイ酸ナトリウム水溶液を、陽イオン交換樹脂を充填したカラムに流入させて、3.0mMのオルトケイ酸水溶液を得た。カラム内での流速は、得られるオルトケイ酸水溶液の電気伝導率が500μS/cm以下になるように設定した。なお、オルトケイ酸水溶液の電気伝導率は、電気伝導率計ES−51(堀場製作所社製)を用いて、25℃で測定した。
(第2の工程)
得られた3.0mMのオルトケイ酸水溶液を2Lと、30mMの硝酸アルミニウム水溶液を1Lと、28mMの尿素水溶液を1Lと、3.8mMのNaOH水溶液を1Lと、イオン交換水2Lとを混合して、SiとAlのモル濃度が1:2の比になるように混合液を調製した。当該混合液のpHが、pH4.0〜7.0の範囲になるよう、上記NaOH水溶液の添加によって調整した。
当該混合液を充分に撹拌した後、混合液をオートクレーブにて100℃で72時間加熱した。混合液を室温に戻した後、混合液に対して1/10体積量の5MのNaCl水溶液を加えてゲル化させ、遠心分離することで透明なナノファイバー状アルミニウムケイ酸塩のゲルを得た。得られたゲルに含まれる塩(NaCl)を透析膜により除去し、ナノファイバー状アルミニウムケイ酸塩の水分散液を得た。
イモゴライトの平均長さは、原子間力顕微鏡(Agilent Technologies社製Agilent 7500 AFMシステム)にて測定した。具体的には、原子間力顕微鏡で測定した範囲内にある任意の50個のひも状アルミニウムケイ酸塩の長さを測定し、これらの平均値を算出した。
[評価]
実施例5〜10、及び比較例2、3で作製した発光装置について、以下の方法でクラック耐性、密着性、全光束、硫化耐性を評価した。結果を表2に示す。
<クラック耐性評価>
発光装置の封止層について、光学顕微鏡(SZX12;OLYMPUS製)により拡大倍率12.5倍で外観観察を行った。以下の基準でクラック耐性を評価した。
○:封止層にクラックが1本も無い
×:封止層にクラックが1本以上有る
<密着性評価>
発光装置の封止層の密着性を評価した。具体的には、ヒートショック試験機(TSA−42EL;エスペック社製)を用いて、発光装置に−40℃(30分)及び100℃(30分)のヒートショックサイクルを繰り返し与え、この試験後に封止層の膜はがれによる発光装置の不点灯が発生するか否かを調べ、以下の基準で評価した。
◎:ヒートショック1000サイクルで不点灯無し
○:ヒートショック800サイクル以上、1000サイクル未満で不点灯発生
△:ヒートショック600サイクル以上、800サイクル未満で不点灯発生
×:ヒートショック600サイクル未満で不点灯発生
<全光束評価>
各発光装置が出射する全光束を、分光放射輝度計(CS−2000、コニカミノルタセンシング社製)により測定した。評価は、比較例2の発光装置の全光束を基準として、以下の基準に従って評価した。
○:全光束値が比較例2の発光装置と同等以上である
×:全光束値が比較例2の発光装置と同等未満である
<硫化水素ガス耐性評価>
発光装置について、JIS規格のガス暴露試験(JIS C60068−2−43)に基づき硫化水素ガス耐性評価を行った。各発光装置を硫化水素ガス15ppm、温度25℃、相対湿度75%RHの環境に、1000時間曝露した。曝露前後の発光装置について全光束を測定し、以下の基準で硫化水素ガス耐性を評価した。全光束は、分光放射輝度計(CS−2000、コニカミノルタセンシング社製)により測定した。
◎:全光束対初期比(硫化水素ガス曝露後全光束値/硫化水素ガス曝露前全光束値×100)が96%以上である
○:全光束対初期比(硫化水素ガス曝露後全光束値/硫化水素ガス曝露前全光束値×100)が92%以上96%未満である
×:全光束対初期比(硫化水素ガス曝露後全光束値/硫化水素ガス曝露前全光束値×100)が92%未満である
Figure 2016024604
表2に示されるように、シリコーン樹脂からなる封止層では、クラックが生じ難かったものの、密着性が低く、硫化耐性も低かった(比較例2)。一方、液状ポリシルセスキオキサンと無機微粒子とを混合して無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製した場合には、当該化合物を焼成して得られる層のクラック耐性や、密着性、全光束、硫化耐性のいずれの評価も低かった(比較例3)。当該方法では、無機微粒子が十分に分散され難かったため、無機微粒子による応力緩和効果が得られなかったと推察される。また、無機微粒子が凝集したため、全光束が低下したと推察される。
これに対し、3官能アルコキシシラン化合物の加水分解・重縮合前に無機微粒子を混合して無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を調製した場合には、当該化合部物を焼成して得られる層のクラック耐性や、密着性、全光束、硫化耐性のいずれの評価も良好であった(実施例5〜10)。無機微粒子を構成する原子が、3官能アルコキシシラン化合物と化学結合したり、分子間力によって親和することで、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物中に均一に含まれたと推察される。そして、当該無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の硬化膜中でも、これらが均一に含まれるため、無機微粒子による応力緩和効果が十分に得られたと推察される。
また特に、無機微粒子として、ひも状の化合物を用いた場合(実施例9及び10)には、封止層の基材に対する密着性が高まりやすかった。さらに、無機微粒子がアルミニウムケイ酸塩(イモゴライト)である場合には、硫化耐性が高まった(実施例10)。アルミニウムケイ酸塩によって、硫化水素等がトラップされることによってこれらが封止層を透過し難く、硫化耐性が高まったと推察される。
本出願は、2014年8月14日出願の特願2014−165101号に基づく優先権を主張する。この出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物は強度や耐光性、耐熱性、耐クラック性、ガスバリア性等が優れる。したがって、各種光学製品や、容器、建材、自動車用部材等のハードコート層や発光装置の封止用組成物として有用である。
1 基板
2 発光素子(LED素子)
3 封止層
11 電極
12 金属ワイヤ
100 発光装置

Claims (16)

  1. 3官能アルコキシシラン化合物、水、触媒、及び金属元素または半金属元素を含む無機微粒子を含有する重合用組成物中で、前記3官能アルコキシシラン化合物を加水分解・重縮合させて得られる、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
  2. ポリシルセスキオキサンのSi−OH基の一部と、前記無機微粒子の金属元素または半金属元素とが結合した、Si−O−M結合(Mは前記無機微粒子由来の金属元素または半金属元素)を有する化合物を含む、請求項1に記載の、無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
  3. 前記重合用組成物が、有機溶媒をさらに含み、
    前記重合用組成物の全量に対する、前記有機溶媒の量は0.01〜30質量%である、請求項1または2に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
  4. 前記無機微粒子は、Si、Al、Zn、Ti、及びZrからなる群から選ばれる1種以上の金属元素または半金属元素を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
  5. 前記無機微粒子は、アスペクト比10以上のひも状形状を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
  6. 前記触媒が、塩基性触媒である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を含む封止用組成物。
  8. 発光装置の発光素子を封止するために用いられる、請求項7に記載の封止用組成物。
  9. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物を含むコーティング剤。
  10. 3官能アルコキシシラン化合物、水、触媒、及び金属元素または半金属元素を含む無機微粒子を含有する重合用組成物を準備する工程と、
    前記重合用組成物が含む前記3官能アルコキシシラン化合物を加水分解・重縮合反応させる工程と、を含む、
    無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
  11. 前記重合用組成物が、有機溶媒をさらに含み、
    前記重合用組成物の全量に対する、前記有機溶媒の量は0.01〜30質量%である、請求項10に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
  12. 前記無機微粒子は、Si、Al、Zn、Ti、及びZrからなる群から選ばれる1種以上の金属元素または半金属元素を含む、請求項10または11に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
  13. 前記無機微粒子は、アスペクト比10以上のひも状形状を有する、請求項10〜12のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
  14. 前記触媒が、塩基性触媒である、請求項10〜13のいずれか一項に記載の無機微粒子含有ポリシルセスキオキサン組成物の製造方法。
  15. 基板と、前記基板上に配置された発光素子と、前記発光素子を封止する封止層とを有し、
    前記封止層が、請求項7に記載の封止用組成物の硬化物である、発光装置。
  16. 発光素子が配置された基板を準備する工程と、
    前記発光素子上に、請求項7に記載の封止用組成物を、前記発光素子上に塗布する工程と、
    前記封止用組成物を100℃以上に加熱して硬化させる工程と、を含む、発光装置の製造方法。
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