KR20090089431A - Ｌｅｄ 광원용 광학 접합 조성물 - Google Patents

Ｌｅｄ 광원용 광학 접합 조성물

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KR20090089431A
KR20090089431A KR1020097012446A KR20097012446A KR20090089431A KR 20090089431 A KR20090089431 A KR 20090089431A KR 1020097012446 A KR1020097012446 A KR 1020097012446A KR 20097012446 A KR20097012446 A KR 20097012446A KR 20090089431 A KR20090089431 A KR 20090089431A
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led light
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optical element
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KR1020097012446A
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에이미 에스. 바르네스
디. 스콧 톰슨
브랜트 유. 콜브
토드 에이. 발렌
자퀠린 씨. 롤프
로버트 엘. 브롯
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

본 명세서에는 광학 적용 분야에 사용될 수 있는 광학 접합 조성물이 개시된다. 이 조성물을 사용하는 LED 광원과 그를 제조하는 방법이 또한 개시된다. LED 광원은, LED 다이와, LED 다이에 광학적으로 결합된 광학 요소와, 비결정성 실리케이트 네트워크에 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하고 LED 다이와 광학 요소를 함께 접합시키는 접합층을 포함할 수 있다. 광학 추출기를 광학 요소로서 사용할 때 LED 광원의 효율이 증가될 수 있다.

Description

ＬＥＤ 광원용 광학 접합 조성물{OPTICAL BONDING COMPOSITION FOR LED LIGHT SOURCE}
본 발명은 LED 광원에 관한 것으로, 특히 광학 접합 조성물을 사용하여 LED 다이에 접합되는 광학 요소를 구비하는 LED 광원에 관한 것이다.
LED 광원은 종래 광원의 휘도, 출력 및 작동 수명을 제공하는 본질적인 잠재력을 갖는다. 불행히도, LED 광원은 흔히 LED 다이라고 하는 반도체 재료에서 광을 발생시키며, LED 광원의 겉보기 방출 면적(apparent emitting area)을 증가시키거나 휘도를 사실상 감소시키지 않고서 LED 다이로부터 광을 효율적으로 추출하기에 어려울 수 있다. 이러한 어려움은 흔히 LED 다이(굴절률 n이 2.4 이상)와 공기(n = 1) 사이의 큰 굴절률 불일치에 기인하여, LED 다이에서 발생된 광의 많은 부분이 내부 전반사되어 다이로부터 빠져나갈 수 없어서 휘도를 감소시키게 된다.
LED 다이로부터 광을 추출하기 위한 이전의 해결책은 LED 다이를 봉지하는 봉지재(encapsulant)의 사용을 포함한다. 봉지재는 전형적으로 (전형적인 에폭시 봉지재에 대해 n ~ 1.5인) 공기보다 큰 굴절률을 가져서, 다이와 그의 주위와의 계면에서의 굴절률 불일치가 감소된다. 결과적으로, 보다 적은 광이 소실되어, 광원이 보다 밝아진다. 그러나, 효율 및 휘도를 더욱 개선시킬 필요성은 존재한다. 또한, 봉지재는 많은 온도 사이클에 걸쳐 다이를 손상시킬 수 있는 응력을 초래하는, LED 다이에서 발생된 열에 의한 큰 온도 변화의 영향을 받기 쉽다. 봉지재는 또한 시간 경과에 따라 황색으로 변할 수 있고 그렇지 않으면 달리 열화될 수 있다.
LED 다이로부터 광을 추출하는 데 추출기가 또한 사용될 수 있다. 이러한 광학 요소는 전형적으로 투광성 중합체 또는 유리이며, LED 다이의 표면과 접촉하거나 또는 그에 근접하게 배치된다. 추출기 및 LED 다이는 광이 LED 다이로부터 추출되도록 광학적으로 결합된다. 추출기는 전형적으로 LED 다이의 주 방출 표면과 실질적으로 일치되도록 하는 크기 및 형상을 갖는 입사 표면(input surface)을 구비한다. 그러나, 추출기의 사용은 추출기와 LED 다이의 접합의 어려움으로 인해 제한되고 있다. 공지된 접합 방법은 고온(350℃ 초과) 및 고압을 필요로 하며, 이들은 둘 모두 LED 광원의 기능에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 공지된 접합 방법은 또한 화학 증착, 여러 형태의 에피택시(epitaxy) 등과 같은 복잡한 제조 공정을 필요로 하며, 이는 이들 방법의 유용성을 선택된 적용 분야로 제한한다.
발명의 개요
본 명세서에는 광학 접합 조성물 및 그 조성물을 포함하는 LED 광원이 개시된다. LED 광원은, LED 다이와, LED 다이에 광학적으로 결합된 광학 요소와, 비결정성 실리케이트 네트워크에 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하고 LED 다이와 광학 요소를 함께 접합시키는 접합층을 포함할 수 있다. 비결정성 실리케이트 네트워크는 실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란, 또는 이들의 조합으로부터 유도될 수 있다. 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 금속 산화물 나노입자 및 표면 개질제를 포함한다. 유용한 금속 산화물 나노입자는 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화탄탈륨, 산화니오븀, 산화란타늄, 산화스트론튬, 산화이트륨, 산화하프늄, 산화주석, 산화안티몬 및 이들의 조합을 포함한다. 전술한 것들의 혼합 산화물도 또한 사용될 수 있다. 하나의 특정 예에서, 금속 산화물 나노입자는 약 1.8 초과의 굴절률을 갖는 결정성 산화지르코늄 나노입자를 포함한다. 유용한 표면 개질제는 카르복실산, 포스폰산, 알콕시실란, 또는 이들의 조합 또는 혼합물을 포함한다. 광학 요소는 전형적으로 LED 다이 내부로부터 광이 빠져나가는 것을 용이하게 하여 광원의 효율을 증가시키는 광학 추출기이다.
본 명세서에는 또한 a) LED 다이를 제공하는 단계와, b) 광학 요소를 제공하는 단계와, c) 실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 약 8 초과의 pH를 갖는 수용액의 규소 소스(source)와 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하는 광학 접합 조성물을 제공하는 단계와, d) LED 다이 및 광학 요소를 광학 접합 조성물과 접촉시켜 LED 다이 및 광학 요소를 함께 접합시키는 단계를 포함하는 LED 광원 제조 방법이 개시된다.
본 명세서에 개시된 LED 광원은 에지형(edge-lit) 또는 직하형(direct-lit)일 수 있는 액정 디스플레이 및 백라이트 광고판(backlighting sign)을 위한 것과 같은 여러 조명 적용 분야에 유용할 수 있다. 본 명세서에 개시된 LED 광원은 또한 LED 신호계, 차량 적용 분야, 프로젝션 적용 분야, 및 건축, 무드 및 예술 조명을 포함한 일반 조명을 위한 광원으로서 사용될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 태양들은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우라도 전술한 발명의 개요가 청구된 주제에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 이러한 주제는 절차 수행 중에 보정될 수도 있는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 한정된다.
본 발명은 하기에 설명된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명 및 예를 고려하여 보다 완전하게 파악될 수 있다. 도면들은 어떠한 경우라도 청구된 주제에 대한 제한으로서 해석되어서는 안되며, 이러한 주제는 본 명세서에 설명된 청구의 범위에 의해서만 한정된다.
도 1은 예시적인 LED 광원의 개략단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 예시적인 수렴 추출기의 도면이다.
도 3a 내지 도 3c와 도 4a 및 도 4b는 예시적인 발산 추출기의 도면이다.
도 1은 접합층(106)에 의해 함께 접합된 LED 다이(102)와 광학 요소(104)를 포함하는 예시적인 LED 광원(100)의 개략단면도를 도시한다. 접합층은 비결정성 실리케이트 네트워크에 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함한다. 일반적으로, LED 다이와 광학 요소는 LED 다이에 의해 방출된 광이 전파되어 광학 요소에 도달될 수 있도록 광학적으로 결합된다. 광학 요소는 광이 이러한 요소의 특정 성질에 따라 다양한 방식으로 입사 및 출사될 수 있는 추출기일 수 있다.
간략함을 위해서, LED 다이가 도 1에 개략적으로 도시되지만, 본 기술 분야에 공지된 종래의 설계 특징을 포함할 수 있다. 예를 들면, LED 다이는 전형적으로 AlN, GaN, InN과 같은 질화물과, InGaP, AlP, GaP, InP와 같은 인화물(phosphide)과, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb 및 InSb와 같은 기타의 것을 포함한 III-V족 반도체로 형성되는 별개의 p형 및 n형 반도체층을 포함할 수 있다. LED 다이는 또한 ZnS, ZnSe, CdSe 및 CdTe와 같은 II-VI족 반도체와, IV족 반도체 Ge, Si, 및 SiC와 같은 탄화물로 형성될 수 있다. LED 다이는 또한 버퍼층, 기재층 및 덮개층(superstrate layer)을 포함할 수 있다. LED 다이의 굴절률은 그가 존재하는 광원의 전형적인 방출 파장에서 약 1.7 내지 약 4.1의 범위이다.
직사각형 LED 다이가 도시되지만, 절두형 역 피라미드를 형성하는 경사진 측면을 구비한 LED 다이와 같은 다른 공지된 구성도 또한 고려된다. 간략함을 위해서 LED 다이에 대한 전기 접점이 도시되지 않지만, 이는 장치에 동력 공급을 위한 전력 인가를 위해 임의의 하나 이상의 표면에 제공될 수 있다. 예들은 땜납 재유동(solder reflow), 와이어 본딩, 테이프 자동 본딩(tape automated bonding(TAB)), 또는 플립-칩 본딩(flip- chip bonding)을 포함한다. 구성요소 또는 칩의 개별 층 및 다른 기능 요소는 전형적으로 웨이퍼 규모로 형성되고, 완성된 웨이퍼는 이어서 개별적인 단품(piece part)으로 절단되어 다수의 LED 다이가 얻어진다. LED 다이는 표면 실장, 칩 온 보드(chip-on-board) 또는 기타 공지된 실장 구성용으로 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 광학 요소는 비교적 높은 굴절률을 갖는 고상의 투광성 재료로 제조된다. 광학 요소에 적합한 재료는 광학 유리와 같은 무기 재료, 예컨대 쇼트 노스 아메리카 인크.(Schott North America, Inc.)로부터 입수가능한 쇼트 유리 타입 LASF35 또는 N-LAF34와, 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제11/381518호(레더데일(Leatherdale) 등)에 설명된 것을 포함한다. 다른 적합한 무기 재료는 세라믹, 예컨대 사파이어, 산화아연, 산화지르코늄, 다이아몬드 및 탄화규소를 포함한다. 사파이어, 산화아연, 다이아몬드 및 탄화규소는 이들 재료가 또한 상대적으로 높은 열 전도도(0.2 - 5.0 W/㎝ K)를 갖기 때문에 특히 유용하다. 광학 요소는 또한 아크릴, 에폭시, 실리콘, 폴리카보네이트 및 다환족(polycyclic)과 같은 열경화성 고굴절률 중합체, 또는 폴리카보네이트 및 환형 올레핀과 같은 열가소성 고굴절률 중합체를 포함할 수 있다. 광학 요소는 산화지르코늄, 산화아연, 산화티타늄 및 황화아연을 포함한 세라믹 나노입자와 함께 열경화성 또는 열가소성 중합체를 포함할 수 있다.
추출기의 굴절률은 LED 다이의 방출 파장에서 적어도 약 1.5, 예컨대 약 1.8 초과 또는 약 2 초과일 수 있다. 하나의 예에서, 광학 요소의 굴절률은 LED 다이의 발광 표면의 그것과 동일 또는 거의 동일하거나 그 이하일 수 있다. 이는 광의 최대 추출을 허용할 것이다. 예를 들면, 굴절률들은 약 0.2 이내일 수 있다. 대안적으로, 추출기의 굴절률은 LED 다이의 발광 표면의 그것보다 크거나 작을 수 있다. 예를 들어, LED 다이의 발광 표면이 1.75이면, 추출기는 1.7, 1.75, 1.9, 2.1 또는 2.3의 굴절률을 가질 수 있다.
하나의 예에서, 광학 요소는 적어도 약 1.7의 굴절률을 갖는 광학 유리를 포함한다. 다른 예에서, 광학 요소는 미국 특허 출원 제11/381518호(레더데일 등)에 개시된 바와 같이 적어도 약 2.0, 바람직하게는 적어도 2.1, 2.2 또는 2.3 이상의 굴절률을 갖는 유리 또는 유리-세라믹 재료를 포함한다. 일반적으로, 이들 재료는 20 중량％ 미만의 B2O3, 20 중량％ 미만의 SiO2 및 40중량％ 미만의 P2O5를 포함한다. 몇몇 경우에, 다음의 재료, 즉 As2O3, Bi2O3, GeO2, NaO, TeO2, V2O5, SiO2, B2O3 및 P2O5가 20 중량％ 미만으로 제한된다. 유용한 유리 또는 유리-세라믹 재료는 Al2O3; TiO2와 같은 적어도 2개의 금속 산화물, 희토류 산화물, 또는 알칼리 토금속 산화물을 포함한다. 이들 재료의 결정화 온도 Tx는 바람직하게는 그들의 유리 전이 온도 Tg보다 적어도 5℃ 높으며, 이는 재료를 광학 요소로 성형하는 것을 용이하게 한다.
광학 요소의 일 예는 광을 LED 다이의 외부로 추출하는 데 사용될 수 있는 추출기이다. 일반적으로, 추출기는 광의 각분포를 변경시켜, 제1 발광 패턴을 상이한 제2 발광 패턴으로 변화시킨다. 추출기의 형상에 따라, 방출된 광의 패턴은 일반적으로 전방 방향이고, 추출기 둘레에, 또는 측면들에 어떤 대칭 또는 비대칭 분포로 원형일 수 있다.
광학 요소는 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 출원 제11/381324호(레더데일 등)에 설명된 바와 같은 수렴 추출기를 포함할 수 있다. 수렴 추출기는 적어도 하나의 수렴면(converging side), 기저면(base) 및 정점부(apex)를 구비하며, 정점부는 기저면 위에 적어도 부분적으로 배치되고 기저면의 그것보다 작은 표면적을 가지며, 적어도 하나의 수렴면은 기저면으로부터 정점부 쪽으로 수렴한다. 수렴 추출기의 형상은 피라미드형, 다면체형, 웨지형, 원뿔형 등 또는 이들의 어떤 조합일 수 있다. 기저면은 예컨대 정사각형, 원형, 대칭형, 비대칭형, 규칙형 또는 불규칙형의 임의의 형상을 가질 수 있다. 정점부는 점, 선, 또는 평탄하거나 둥근 표면일 수 있으며, 이는 기저면의 중심에 또는 기저면의 중심으로부터 벗어나서 기저면 위에 위치된다. 수렴 추출기에 대해서, 기저면은 전형적으로 LED 다이에 인접하여 그에 대체로 평행하게 배치된다. 또한, 기저면과 LED 다이는 크기에 있어 실질적으로 일치될 수 있거나, 기저면은 LED 다이보다 작거나 클 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 예시적인 수렴 추출기의 사시도를 도시한다. 도 2a는 4면체 피라미드를 도시하고, 도 2b는 6면체 다각형을 도시하며, 도 2c 및 도 2d는 정점부(선)가 기저면 위에 배치되며 정점부가 각각 중심에 위치되고 중심으로부터 벗어나서 위치되는 웨지를 도시한다. 도 2d에 도시된 추출기는 또한 광을 시준하도록 작용하는 2개의 발산면과, 광이 면들로 방향전환되도록 하는 수렴면을 구비한다. 수렴 추출기의 다른 예가 미국 특허 출원 제11/381324호(레더데일 등)에 도시되어 있다.
광학 요소는 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 제2006/0091784 A1호(코너(Connor) 등), 제2006/0091411 A1호(오더커크(Ouderkirk) 등), 제2006/0091798 A1호(오더커크 등) 및 제2006/0092532 A1호(오더커크 등)에 설명된 바와 같은 발산 추출기를 포함할 수 있다. 발산 추출기는 적어도 하나의 발산면, 입사 표면 및 입사 표면보다 큰 출사 표면을 구비한다. 발산 추출기는 일반적으로 테이퍼 형태의 형상을 갖는다. 도 3a 내지 도 3c는 예시적인 발산 추출기를 도시하는 데, 도 3a는 4개의 측면을 구비한 절두형 역 다각형의 사시도를 도시하고, 도 3b는 포물형 측벽을 구비한 절두형 역 테이퍼의 사시도를 도시하며, 도 3c는 볼록형 출사 표면을 구비한 절두형 역 원뿔의 개략단면도를 도시한다.
발산 추출기의 예는 또한 이전에 미국 특허 출원 제11/381518호(레더데일 등)에 설명된 도 4a 및 도 4b에 도시된다. 이들 추출기의 표면은 LED 다이로부터의 광을 LED 다이의 중심축을 따른 전방 방향이 아닌 주로 측방향으로 방향전환시키도록 배치된다. 측면 발광 LED는 액정 디스플레이 패널용의 얇은 직하형 백라이트에 사용되기에 특히 적합한데, 이는 광이 짧은 거리에 걸쳐 측방향으로 확산되게 형성될 수 있어 디스플레이의 관측 영역을 가로질러 밝고 어두운 영역들 또는 핫 스폿(hot spot)을 회피할 수 있기 때문이다.
도 4a는 웨지형 추출기(400)의 개략측면도이다. 추출기(400)는 입사 표면(402), 출사 표면(404) 및 측면(406a, 406b)을 구비한다. 입사 및 출사 표면은 서로에 대해 상당한 각도로, 명목상으로 약 90도로 배치될 수 있다. 이러한 배열에 의하면, 입사 표면을 통해 입사된 광선(408a)은 측면들 중 하나 또는 둘 모두로부터 반사되어(내부 전반사에 의해서, 또는 도시되지 않은 반사 재료 또는 코팅의 도움으로), 광선(408b)으로 표시된 바와 같이 대략 측방향으로 방향전환된다. 광선(408b)은 후속하여 출사 표면을 통해 출사된다. 상부로부터 본 추출기(400)의 형상 또는 주연부는 직사각형, 사다리형, 파이형, 반원형 또는 이들의 임의의 조합을 포함한 여러 형태 중 임의의 것을 취할 수 있다.
도 4b는 다른 웨지형 추출기(410)의 개략측면도이다. 추출기(410)는 입사 표면(412), 출사 표면(414) 및 측면(416)을 구비한다. 추출기(410)는 측면(406a)과 일치하는 수직축을 중심으로 회전된 추출기(400)의 형상을 가질 수 있다. 어떤 경우에, 추출기는 2개의 추출기(400)를 그들 각각의 측면(406a)에서 복합 구성으로 접합시킴으로써 제조될 수 있다. 다른 복합 구성에서, 가상선(418)은 추출기(410)를 구성하는 별개의 광학체들 사이의 가능한 계면 또는 경계를 나타낸다.
추출기(400)와 유사하게, 추출기(410)의 입사 및 출사 표면은 서로에 대해 상당한 각도로, 명목상으로 약 90 도로 배치된다. 입사 표면을 통해 입사된 LED로부터의 광은 측면들 중 하나 또는 둘 모두로부터 (내부 전반사에 의해서나, 도시되지 않은 반사 재료 또는 코팅의 도움으로) 반사되어, 대략 측방향으로 방향전환되어서, 후속하여 출사 표면을 통해 출사된다. 상부로부터 볼 때(미도시), 추출기(410)는 예를 들어 다각형(예컨대, 정사각형 또는 직사각형), 원형 및 타원형을 포함한 여러 형상 중 임의의 것을 가질 수 있다. 원형 및 타원형 형상 또는 주연부에 의해, 입사 표면을 통해 도입된 광은 방향전환되어 출사광의 링을 형성한다.
수렴 추출기에 대해서, 발산 추출기의 입사 표면은 전형적으로 LED 다이에 가장 근접하여 그에 대체로 평행하게 배치된다. 또한, 입사 표면 및 LED 다이는 크기에 있어 실질적으로 일치될 수 있거나, 입사 표면은 LED 다이보다 작거나 클 수 있다. 발산 추출기의 다른 예가 미국 특허 제7,009,213 B2호 및 제6,679,621 B2호에 설명되어 있다.
전술한 바와 같이, LED 다이는 교번하는 반도체 층을 포함한다. 최외측 층들 중 하나는 발광층이라 할 수 있으며, 이러한 층은 발광 표면이라고 할 수 있는 최외측 표면을 구비한다. 또한 전술한 바와 같이, 광학 요소는 광 입사 표면을 포함한다. 하나의 유용한 구성에서, LED 광원은 발광 표면 및 광 입사 표면이 예컨대 도 1에 도시된 바와 같은 접합층과 접촉하도록 함께 접합되는 LED 다이 및 광학 요소를 포함한다.
광학 접합 조성물이 접합층을 형성하는 데 사용된다. 광학 접합 조성물은 표면 개질된 금속 산화물 나노입자와, 약 8 초과의 pH를 갖는 수용액의 규소 소스를 포함한다. 규소 소스는 실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 실리카의 수화시에 발생하는 규산 Si(OH)4를 형성하는 데 물에 용해된 실리카가 사용될 수 있다. pH를 약 8보다 크게 유지시킴으로써, 축합 중합이 수산화이온에 의해 촉진되어, 중합체 형태의 규산을 형성한다. 실리케이트는 pH를 예컨대 약 8보다 크게, 또는 약 11보다 크게 증가시킴으로써 형성될 수 있다.
광학 접합 조성물은 화학식
(R1)x-Si-(OR2)y
를 갖는 하나 이상의 알콕시실란을 포함할 수 있으며, 여기서 R1 은 알킬, 알코올, 폴리글리콜 또는 폴리에테르기, 또는 이들의 조합이나 혼합물일 수 있고, R2 는 알킬, 아세톡시 또는 메톡시에톡시기, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, x + y = 4를 조건으로 하여 x는 0 내지 3이고 y는 1 내지 4이다. 가교결합 밀도를 낮추고 실리케이트 네트워크에 가요성을 더하기 위해 하나 이상의 알콕시실란이 첨가될 수 있다.
광학 접합 조성물은 화학식
(R1)x-Si-Hy
를 갖는 하나 이상의 실란을 포함할 수 있으며, 여기서 R1 은 알킬, 알코올, 폴리글리콜 또는 폴리에테르기, 또는 이들의 조합이나 혼합물일 수 있으며, x + y = 4를 조건으로 하여 x는 1 내지 3이고 y는 1 내지 3이다.
광학 접합 조성물의 pH를 조절하는 데 여러 재료가 사용될 수 있다. 예들은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화스트론튬, 수산화암모늄 및 소듐에톡사이드와 같은 강염기를 포함한다. 수산화물 촉매 작용을 감속시키는 것이 바람직한 경우에, 폴리메타인산나트륨과 같은 약염기가 또한 사용될 수 있다.
LED 다이와 광학 요소가 함께 접합될 때, LED 다이와 광학 요소 사이에 접합층이 형성된다. 광학 접합 조성물이 반응하여 실리케이트 네트워크를 형성하는 것으로 여겨진다. 이러한 반응은 열의 인가에 의해 가속될 수 있다. 실리케이트 네트워크란 실리카의 벌크 구조와 유사하지만 그보다는 성긴, 화학적으로 접합된 네트워크를 칭한다. 실리카의 3차원 구조는 실록산 브리지(siloxane bridge)(Si-O-Si)에 기초하며, 이때 각각의 규소 원자는 4면체의 기하학적 형상으로 4개의 산소 원자에 결합된다. 실리카와 유사하게, 실리케이트 네트워크는 실록산 브리지를 포함하지만, 실리케이트 네트워크는 또한 매립된 그리고/또는 노출된 비가교 산소를 국부 말단기(local terminating group)로서 네트워크 내에 포함한다. 비가교 산소는 실라놀기(Si-OH)의 형태로, 또는 양이온, 전형적으로는 금속 양이온(Si-O-M+)을 구비한 보다 음이온성의 형태로 존재한다. 실리케이트 네트워크에 대한 추가적인 설명은 예컨대 문헌[The Chemistry of Silica by R. K. Iler (Wiley, New York 1979)]에서 알 수 있다.
광학 조성물은 또한 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함한다. 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화탄탈륨, 산화니오븀, 산화란타늄, 산화스트론튬, 산화이트륨, 산화하프늄, 산화주석, 산화안티몬 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물 나노입자를 포함할 수 있다. 금속 산화물 나노입자는 또한 산화규소, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화탄탈륨, 산화니오븀, 산화란타늄, 산화스트론튬, 산화이트륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 금속 산화물의 혼합 금속 산화물 나노입자를 포함할 수 있다. 산화티타늄 나노입자는 금홍석(rutile) 또는 예추석(anatase) 형태일 수 있다. 혼합 금속 산화물 나노입자의 특정 예는 산화규소 및 산화지르코늄을 포함한 것과, 산화규소 및 산화티타늄을 포함한 것과, 산화규소, 산화지르코늄 및 산화티타늄을 포함한 것을 포함한다. 사용되는 특정 금속 산화물 나노입자는 굴절률, 광학 조성물에서의 상용성(compatibility), 비용 등과 같은 여러 요인에 따를 것이다.
금속 산화물 나노입자는 금속 산화물 나노입자와 접합층 및/또는 광학 조성물의 다른 성분과의 상용성을 증가시키기 위해 하나 이상의 표면 개질제로 표면 개질된다. 예를 들면, 산화지르코늄 나노입자는 2 내지 4의 pH를 갖는 수성 산성 환경에서 안정하며, 광학 조성물의 수성 염기성 환경에서 나노입자의 응집을 막는 데 표면 개질이 사용될 수 있다. 표면 개질은 금속 산화물 나노입자를 나노입자의 표면에 부착되고 그의 표면 특성을 개질하는 표면 개질제(들)와 반응시키는 것을 포함한다.
표면 개질제는, A기가 금속 산화물 나노입자의 표면에 부착될 수 있고 B기가 상용화기(compatibilizing group)일 때, 화학식 A-B에 의해 나타내어질 수 있다. 일반적으로, A기는 특정 금속 산화물 및 광학 조성물의 성질을 고려하여 선택될 필요가 있으며, 즉 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 높은 염기성 환경에서 상용성이 유지되도록 안정적이어야 한다. 유용한 A기는 카르복실산, 포스폰산, 알콕시실란, 아민 및 이들의 조합 및 혼합물을 포함한다. 알콕시실란은 화학식
-Si-(OR3)z
로 나타내어질 수 있으며, 여기서 R3는 알킬기, 아세톡시기, 메톡시에톡시기, 또는 이들의 혼합물이고, z는 1 내지 3이다.
유용한 B기는 금속 산화물 나노입자가 광학 조성물에 상용적이도록 하는 친수기이며, 예는 알코올, 폴리글리콜 및 폴리에테르를 포함한다. 표면 개질제의 예는 폴리에틸렌 알콕시실란과, 2[-2-(2-메톡시에톡시)에톡시]아세트산 및 (2-메톡시에톡시)아세트산과 같은 폴리에틸렌 유사 카르복실산 유도체를 포함한다.
표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 광의 파장보다 작은, 예컨대 약 300 ㎚ 미만의 평균 입자 크기를 갖는다.
표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 중량 기준으로 규소 소스의 절반보다 큰 양으로 광학 조성물에 존재할 수 있다. LED 다이와 광학 요소를 함께 접합시키는 것으로부터 형성되는 접합층에 대해서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 접합층의 중량에 대해 약 1 내지 약 95 중량％의 양으로 존재할 수 있다. 전형적으로, 접합층의 총 중량에 대해 약 40 내지 약 95 중량％의 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 구비하는 것이 바람직하다. 사용되는 특정 양은 후술하는 바와 같이 접합층에 대한 원하는 굴절률에 의해 부분적으로 결정된다. 그러나, 접합층에서 나노입자의 양이 너무 많으면, LED 다이와 광학 요소 사이의 적절한 접합을 얻기 어려우며, 또한 LED 광원의 효율이 저하될 수 있다.
특히, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,376,590 B2호에 개시된 나노입자와 같은, 적어도 약 1.8, 바람직하게는 적어도 약 2.0의 굴절률을 갖는 고결정성 지르코니아 나노입자를 포함한다. 고결정성 산화지르코늄 나노입자는 화학식 A-B에 대해 전술한 알콕시실란 중 하나 이상으로 표면 개질함으로써 광학 조성물 내에 혼입될 수 있다. 고결정성 산화지르코늄 나노입자는 약 100 ㎚ 미만의 평균 입자 크기를 갖는다.
전술한 지르코니아 나노입자의 굴절률은 비결정성 지르코니아의 그것보다 훨씬 높다. 비결정성 실리케이트 네트워크의 제공을 위해 실리케이트 네트워크 내에 혼입 될 때, 지르코니아 나노입자는 접합층의 굴절률 증가를 제공한다. 따라서, 접합층의 광학 특성은 접합될 광학 요소 및 특정 LED 다이에 따라 후술하는 바와 같이 맞추어질 수 있다. 특히, 실리케이트 네트워크의 굴절률은 약 1.4이며, 표면 개질된 산화지르코늄 나노입자에 대해 약 1.8 내지 약 2.1이다. 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 또한 약 2.0 초과의, 바람직하게는 약 2.2 초과의 굴절률을 갖는 결정성 산화티타늄 나노입자를 포함할 수 있다.
LED 광원의 효율은 LED 다이와 광학 요소가 광학적으로 결합되는 정도에 직접 관련된다. 본 개시 내용 전반에 걸쳐서 LED 다이의 굴절률에 대한 언급은 LED 다이의 발광층의 굴절률에 대한 언급인 것에 주목하여야 한다. LED 다이와 광학 요소가 광학적으로 결합되는 정도는 접합층의 두께 및 접합층과 LED 다이와 광학 요소의 굴절률을 포함한 여러 요인에 따른다. 일반적으로, 접합층의 굴절률은 접합층의 두께가 공기에서의 발광 파장보다 사실상 작을 때, 예컨대 약 50 ㎚ 미만일 때, LED 다이와 광학 요소 사이의 광결합에 덜 중요하다. 두께가 증가함에 따라, 접합층의 굴절률은 광결합에 대해 점차 중요하게 된다.
접합층은 50 ㎚ 미만의 두께를 가질 수 있지만, 이는 일반적으로 약 50 ㎚를 초과하며, 예컨대 최대 약 200 ㎚나 300 ㎚, 또는 심지어는 최대 10 ㎛나 100 ㎛일 수 있다. 접합층은 약 5 ㎚ 내지 약 300 ㎚, 또는 약 50 ㎚ 초과 내지 약 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다. LED 다이와 광학 요소 사이의 광결합을 최적화시키기 위해, 접합층의 두께는 바람직하게는 제1 표면과 제2 표면 사이의 접촉 영역에 걸쳐 실질적으로 균일하다. 접합층의 최소 필요 두께는 접합될 표면의 평탄도 또는 불규칙도에 따를 수 있다.
효율을 최대화시키기 위해, 접합층의 굴절률은 예컨대 약 0.2 내에서 LED 다이의 발광 표면(또는 전술한 바와 같은 발광층)의 굴절률에 근접하게 일치된다. 접합층의 굴절률이 너무 작으면, LED 다이에 의해 방출된 광이 다이 내에 구속되어, 접합층 자체가 비흡수성인 경우에도 흡수되어 소실된다. 접합층의 굴절률을 발광층의 굴절률로 증가시킴으로써, 접합층이 방출된 광의 일부를 흡수하는 경우에도, LED에 의해 방출된 광의 보다 많은 부분이 다이 외부에 그리고 광학 요소 내에 결합될 수 있다.
전술한 바와 같이, LED 다이 또는 발광층의 굴절률은 LED 다이의 방출 파장에서 약 1.7 내지 약 4.1의 범위이다. 표면 개질된 금속 산화물 나노입자가 없는 비결정성 실리케이트 네트워크의 굴절률은 약 1.4초과이다. 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 굴절률을 약 2.4까지 증가시키는 데 사용된다. 일 예에서, 접합층의 굴절률은 LED 다이의 방출 파장에서 적어도 약 1.5, 예컨대 약 1.8 초과, 또는 약 2 초과이다.
특정 예에서, LED 다이는 1.9초과의 굴절률을 갖는 발광층을 포함하며, 접합층은 약 50 ㎚ 내지 약 100 ㎛의 두께를 갖는다. 다른 예에서, LED 다이는 1.9 이하의 굴절률을 갖는 발광층을 포함하며, 접합층은 약 5 ㎚ 초과 내지 약 300 ㎚의 두께를 갖는다.
접합층은 LED 다이에 의해 방출된 광의 특정 파장에 사실상 투광성이다. 대부분의 경우에, 적어도 약 70％의 투과율이 바람직하며, 투과 경로 길이(접합층 두께) 및 흡수 상수의 최적화에 의해 얻어질 수 있다.
본 명세서에는 또한 a) LED 다이를 제공하는 단계와, b) 광학 요소를 제공하는 단계와, c) 실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 약 8 초과의 pH를 갖는 수용액의 규소 소스와 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하는 광학 접합 조성물을 제공하는 단계와, d) LED 다이 및 광학 요소를 광학 접합 조성물과 접촉시켜 LED 다이 및 광학 요소를 함께 접합시키는 단계를 포함하는 LED 광원 제조 방법이 개시된다.
광학 조성물을 피펫을 사용하여, 또는 딥 코팅(dip coating), 스핀 코팅(spin coating), 에어로졸 분배(aerosol dispensing), 주입(pouring), 분산(dispersing), 물에 의한 분무(spraying under water)에 의해, 또는 광학 조성물의 욕(bath)에서의 표면들의 접합에 의해, 또는 다른 유사한 방법에 의해, LED 다이나 광학 요소 또는 이들 둘 모두의 하나 이상의 표면에 적용할 수 있다. 이어서, 조성물이 표면들의 각각을 가로질러 퍼지도록 하여 균질한 층을 형성하도록 표면들을 접촉시켜 광학 조성물을 개재시킨다. 기포가 형성되면, 진공을 적용하여 그들은 제거될 수 있다. 이어서, 조립체가 접합 손상없이 취급가능할 때까지 실온에서 방치되도록 하며, 이는 수 분 내지 수 일이 소요될 수 있다. 접합 공정의 가속 및/또는 우수한 접합 상태의 촉진을 위해 외부 압축력 또는 진공이 사용될 수 있다.
접합층의 형성을 가속시키고 그리고/또는 접합층을 강화시키기 위해 열이 인가될 수 있지만, 조립체의 온도는 구성요소들 중 임의의 것의 최저 유리 전이 온도 미만으로 유지되어야 한다. 전형적으로 약 300℃ 미만, 예컨대 약 200℃ 미만, 또는 150℃ 이하의 온도를 사용한다. LED 다이와 광학 요소의 열팽창 계수 차이에 의해 유발되는 계면에서의 복굴절과 잔류 응력을 최소화시키기 위하여 최저 가능 온도가 사용되는 것이 바람직하다. 몇몇 경우에, 접합층의 온도가 광원의 작동 중에 도달될 수 있는 온도를 초과하지 않도록 주의하여야 한다.
실시예
지르코니아 1 그램 당 실란 1.2 밀리몰(mmol)을 제공하는 비율로 지르코니아 졸을 폴리에틸렌 글리콜 트라이알콕시실란(지이 어드밴스트 머티리얼즈(GE Advanced Materials)로부터의 실퀘스트(Silquest®) A-1230)과 혼합시켜 표면 개질된 지르코니아 나노입자를 제조하였다. 혼합물을 4시간 동안 80℃로 가열하고 실온으로 냉각시켰다. 이어서, 생성된 졸을 40 중량％의 규산나트륨 용액(이엠디 케미컬즈 인크.(EMD Chemicals Inc.)로부터의 티트리스타(Titristarㄾ) SX-0755-6)에 첨가하여, 0.4:1의 규산나트륨 대 지르코니아의 비율을 생성하였다.
전술한 용액을 프라임된 PET(primed PET)에 스피닝(spinning)하여 150℃에서 1시간 동안 건조시켰다. 생성된 필름의 굴절률은 메트리콘 코포레이션(Metricon Corp.)으로부터의 메트리콘 프리즘 커플러 모델 2010을 사용하여 1.7로 측정되었다. 지르코니아 나노입자를 첨가하지 않은 규산나트륨 용액의 필름도 또한 프라임된 PET에 스피닝하여 150℃에서 1시간 동안 건조시켰다. 지르코니아 나노입자가 없는 이러한 필름의 평균 굴절률은 다시 메트리콘을 사용하여 1.5로 측정되었다.
전술한 규산나트륨의 표면 개질된 지르코니아 나노입자의 용액을 오하라 코포레이션(O'Hara Corporation)으로부터의 S-LAH-66을 폴리싱된 사파이어(루비콘 테크놀로지(Rubicon Technology))에 접합시키는 데 사용하였다. 유리와 사파이어를 아세톤에 이은 아이소프로판올에서의 초음파 분해로 세정하였다. 플레이트를 N2로 건조시키고, 유기 잔류물을 uv/오존 세정 시스템에 10분간 노출시켜 제거하였다. S-LAH-66의 플레이트를 포토레지스트 스피너(photoresist spinner) 상에 배치시키고, 1 방울의 지르코니아/규산나트륨 용액을 유리 플레이트의 중심에 위치시켰다. 플레이트를 30초 동안 400 rpm으로 회전시켰다. 사파이어의 세정 및 폴리싱된 편부를 S-LAH-66 유리 표면과 접촉시켰다. 적절한 압력을 30초 동안 인가하였다. 접합된 샘플을 1시간 동안 실온에 방치되도록 하였다. 이어서, 접합된 샘플을 1℃/분의 비율로 150℃로 가열하여 1시간 동안 유지시킨 다음, 2℃/분의 비율로 냉각시켰다.
전술한 접합 실험을 표면 개질된 지르코니아 나노입자를 첨가하지 않은 물유리 용액(water glass solution)을 사용하여 반복하였다. 용액에서의 규산나트륨의 농도를 탈이온수(DI water)에서의 희석에 의해 이전 실시예에서와 동일하게 유지시켰다(6중량％ 규산나트륨). 다시, 필름을 S-LAH-66 유리의 세정된 플레이트 상에 스피닝하였다. 사파이어의 폴리싱된 플레이트를 유리의 상면에 배치하고, 적절한 압력을 30초 동안 인가하였다. 접합된 샘플을 1시간 동안 실온에 방치되도록 한 다음에, 1시간 동안 150℃에서 열처리하였다(1℃/분의 비율로 가열).
실온으로의 냉각 후에, 표면 개질된 지르코니아를 갖는 샘플과 단지 규산나트륨만을 함유한 샘플 둘 모두의 접합 강도는 유리와 사파이어 사이에 새롭게 형성된 접합부의 파단 없이 취급할 수 있게 하기에 충분히 컸다.
비교예
표면 개질 없이 규산나트륨과 혼합된 지르코니아 졸
PEG-실란에서의 지르코니아의 최초 표면 개질 없이, 규산나트륨 용액을 지르코니아 졸에 첨가하였다. 실리케이트 대 ZrO2 의 비율을 다시 0.4:1로 설정하였다. 지르코니아 입자가 즉시 용액 상태로부터 벗어나서 용액에 큰 백색 덩어리를 형성하였다.
본 발명의 여러 변형 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명은 본 명세서에 설명된 예시적인 실시 형태 및 실시예에 의해 부당하게 제한되는 것으로 의도되지 않고, 그러한 실시예 및 실시 형태는 단지 예로서 제시된 것이며, 본 발명의 범주는 본 명세서에 하기와 같이 설명되는 청구의 범위에 의해서만 한정되는 것으로 의도됨을 이해하여야 한다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된 2006년 11월 17일자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/866280호의 이익을 주장한다.

Claims (25)

  1. LED 다이와;
    LED 다이에 광학적으로 결합되는 광학 요소와;
    비결정성 실리케이트 네트워크에 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하고 LED 다이 및 광학 요소를 함께 접합시키는 접합층을 포함하는 LED 광원.
  2. 제1항에 있어서, 비결정성 실리케이트 네트워크는 실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란, 또는 이들의 조합으로부터 유도되는 LED 광원.
  3. 제1항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화탄탈륨, 산화니오븀, 산화란타늄, 산화스트론튬, 산화이트륨, 산화하프늄, 산화주석, 산화안티몬 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 산화물 나노입자를 포함하는 LED 광원.
  4. 제1항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 산화규소, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화탄탈륨, 산화니오븀, 산화란타늄, 산화스트론튬, 산화이트륨, 산화하프늄, 산화주석, 산화안티몬 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 2개의 금속 산화물의 혼합 금속 산화물 나노입자를 포함하는 LED 광원.
  5. 제4항에 있어서, 혼합 금속 산화물 나노입자는 산화규소 및 산화지르코늄을 포함하는 LED 광원.
  6. 제4항에 있어서, 혼합 금속 산화물 나노입자는 산화규소 및 산화티타늄을 포함하는 LED 광원.
  7. 제4항에 있어서, 혼합 금속 산화물 나노입자는 산화규소, 산화지르코늄 및 산화티타늄을 포함하는 LED 광원.
  8. 제1항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 약 1.8 초과의 굴절률을 갖는 결정성 산화지르코늄 나노입자를 포함하는 LED 광원.
  9. 제1항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 약 2.0 초과의 굴절률을 갖는 결정성 산화티타늄 나노입자를 포함하는 LED 광원.
  10. 제1항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 표면 개질제로 표면 개질되며, 표면 개질제는 친수기를 포함하는 LED 광원.
  11. 제1항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 표면 개질제로 표면 개질되며, 표면 개질제는 카르복실산, 포스폰산, 알콕시실란, 또는 이들의 조합이나 혼합물을 포함하는 LED 광원.
  12. 제11항에 있어서, 알콕시실란은 폴리에틸렌글리콜 알콕시실란을 포함하는 LED 광원.
  13. 제1항에 있어서, 접합층은 약 40 내지 약 95 중량％의 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하는 LED 광원.
  14. 제1항에 있어서, LED 다이는 1.9 초과의 굴절률을 갖는 발광층을 포함하며, 접합층은 약 50 ㎚ 내지 약 100 ㎛의 두께를 갖는 LED 광원.
  15. 제1항에 있어서, LED 다이는 1.9 이하의 굴절률을 갖는 발광층을 포함하며, 접합층은 약 5 ㎚ 초과 내지 약 300 ㎚의 두께를 갖는 LED 광원.
  16. 제1항에 있어서, LED 다이는 발광 표면을 포함하고, 광학 요소는 광 입사 표면을 포함하며, 접합층은 발광 표면과 광 입사 표면을 함께 접합시키는 LED 광원.
  17. 제1항에 있어서, 광학 요소는 적어도 약 2.0의 굴절률을 갖는 LED 광원.
  18. 제1항에 있어서, 광학 요소는 적어도 약 1.7의 굴절률을 갖는 광학 유리를 포함하는 LED 광원.
  19. 제1항에 있어서, 광학 요소는 발산 또는 수렴 추출기를 포함하는 LED 광원.
  20. a) LED 다이를 제공하는 단계와;
    b) 광학 요소를 제공하는 단계와;
    c) 실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 약 8 초과의 pH를 갖는 수용액의 규소 소스와 표면 개질된 금속 산화물 나노입자를 포함하는 광학 접합 조성물을 제공하는 단계와;
    d) LED 다이 및 광학 요소를 광학 접합 조성물과 접촉시켜 LED 다이 및 광학 요소를 함께 접합시키는 단계를 포함하는 LED 광원 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, LED 다이 및 광학 요소를 광학 접합 조성물과 접촉시키는 것은 실온에서 수행되는 LED 광원 제조 방법.
  22. 제20항에 있어서, LED 다이 및 광학 요소를 함께 접합시켜 조립체를 형성하고, 상기 방법은 조립체를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 LED 광원 제조 방법.
  23. 표면 개질된 금속 산화물 나노입자와;
    실리케이트, 실란, 규산, 중합체 형태의 규산, 알콕시실란, 또는 이들의 조합을 포함하고 약 8 초과의 pH를 갖는 수용액의 규소 소스를 포함하는 광학 접합 조성물.
  24. 제23항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 중량 기준으로 규소 소스의 절반보다 많은 양으로 존재하는 광학 접합 조성물.
  25. 제23항에 있어서, 표면 개질된 금속 산화물 나노입자는 폴리에틸렌글리콜 알콕시실란으로 표면 개질된 산화지르코늄을 포함하는 광학 접합 조성물.
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