KR20150030925A - 오르가노 폴리실록산 조성물 - Google Patents

오르가노 폴리실록산 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적 특성이 우수한 경화성 오르가노폴리실록산 조성물에 관한 것으로, 두께 2 mm의 경화 상태 시편에 대하여, 150℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 85% 이상이고, 200℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 40% 이상인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물을 제공한다.

Description

오르가노 폴리실록산 조성물{Organopolysiloxane composition}
본 발명은 광학적 특성이 우수한 발광 다이오드 소자 봉지용 오르가노 폴리실록산 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 종래에는 발광 다이오드(LED) 소자의 밀봉 재료로서 에폭시 수지가 사용되어 왔다. 에폭시 수지는 투광도는 우수하지만, 탄성률이 높기 때문에, 다양한 온도 조건 및 온도 변화시에 와이어, 칩, 에폭시 수지 사이에 균열이 발생하고, 와이어 본딩이 단선되는 경우가 발생하여, 반도체 재료의 결정 구조가 무너짐에 따라, 발광 효율이 저하될 수 있다. 또한, 에폭시 수지는 더 밝고, 더 짧은 파장의 빛에 대한 내열성 및 내광성 측면에서 물성이 더욱 불만족스럽다. 자외선 등이 에폭시계 수지에 투과될 경우, 유기 고분자의 결합이 파괴되어 수지의 광학적, 화학적 특성을 떨어뜨린다. 그렇게 되면, 결국 에폭시 수지 봉지재 자체가 황색으로 변화하고, 이것이 광선의 색상에 영향을 미쳐서 발광장치의 수명을 저하시킨다.
한편, 위의 문제들을 해결하기 위한 방안으로, 실리콘 수지 적용이 제안되어 왔다. 실리콘은 유기수지와 비교하여 내열성, 내후성 등이 에폭시 수지보다 우수하고, 투명할 뿐 아니라, 변색되기 어렵고, 물리적으로 열화되기 어렵기 때문에, 발광다이오드로의 적용 사례가 늘어나고 있다. 그러나, 이들 실리콘 수지는 기계적 강도, 화학적 안정성은 우수하나, 좀 더 높은 휘도를 확보하기 위한 연구가 지속적으로 행해지고 있는 실정이다.
일본 공개특허 제2002-265787호에 개시되어 있는 실리콘 수지 조성물의 경우, 실록산 가교 밀도를 증대시키고, 방향족 고리간의 π-π 상호 작용이 경화물의 굴절률 등을 향상시키는데 중요하기 때문에, 페닐기 및 알케닐기를 갖는 특정한 오르가노 폴리실록산 및 페닐기를 갖는 특정한 오르가노하이드로겐 폴리실록산을 부가 경화시켜 고경도, 고투명 수지를 얻고 있다.
한편, 에이징(aging) 후에 투과율이 떨어지는 경향이 있다. 따라서, 에이징 후에도 일정 수준 이상의 투과율을 유지할 수 있는 봉지용 조성물이 필요한 실정이다.
본 발명은 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 에이징 후에도 일정 수준 이상의 투과율을 유지할 수 있는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 상기 조성물의 경화물을 포함하는 발광 다이오드 소자용 봉지재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 발광 다이오드 소자가 본 발명에 따른 상기 봉지재에 의해 봉지된 발광 다이오드 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 두께 2 mm의 경화 상태 시편에 대하여, 150℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 85% 이상이고, 200℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 40% 이상인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 조성물은 조성물 전체 중량에 대하여 촉매 0.04 중량% 이하, 반응지연제 0.008 중량% 이하를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3의 화합물 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
(R1R2R3SiO1 /2)x·(R4R5SiO2 /2)y·(R6SiO3 /2)z
[화학식 2]
R7Si(OSiR8R9R10)3
[화학식 3]
Figure pat00001
상기 식에서,
R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 알케닐기 또는 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 10의 알케닐기이며,
R4 내지 R7은 각각 독립적으로 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소; 또는 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이며,
R13 및 R14는 각각 독립적으로 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
x, y 및 z는 각각 0<x<1, 0<y<1, 0≤z<1 및 x+y+z=1을 만족하며,
n은 1 내지 100의 정수이다.
본 발명에서 상기 화학식 1의 화합물은 흡착제로 처리된 것이 바람직하며, 여기서 흡착제는 규산 알루미늄 분체, 규산 분체 및 규산 마그네슘 분체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 본 발명에서 화학식 1의 화합물을 흡착제로 처리하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않고 조성물을 구성하는 성분들 중 하나 이상의 성분도 흡착제로 처리할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 조성물의 경화물을 포함하는 발광 다이오드 소자용 봉지재를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 봉지재에 의해 봉지된 발광 다이오드 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 주 수지인 실리콘 수지를 흡착제로 처리하고, 적절한 함량의 촉매 및 반응 지연제를 사용함으로써, 에이징 후에도 일정 수준 이상의 투과율을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광다이오드 장치의 단면도이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용된 용어의 정의는 다음과 같다.
Me는 메틸기, Ph는 페닐기, Vi는 비닐기를 나타낸다.
경화상태란 조성물이 경화된 상태를 의미하는 것으로, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 조성물을 80℃에서 3시간 또는 170℃에서 20분간 경화하고, 추가로 150℃에서 2시간 동안 경화한 상태를 의미할 수 있다.
본 발명의 경화성 오르가노폴리실록산 조성물은 발광 다이오드(LED) 소자용 봉지재로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 경화성 오르가노폴리실록산 조성물은 두께 2 mm의 경화 상태 시편에 대하여, 150℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 85% 이상이고, 200℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 40% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 경화성 오르가노폴리실록산 조성물은 두께 2 mm의 경화 상태 시편에 대하여, 고온(85℃), 고습(85%) 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 85% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 경화성 오르가노폴리실록산 조성물은 예를 들어 하기 화학식 1 내지 화학식 3의 화합물 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
(R1R2R3SiO1 /2)x·(R4R5SiO2 /2)y·(R6SiO3 /2)z
[화학식 2]
R7Si(OSiR8R9R10)3
[화학식 3]
Figure pat00002
상기 식에서,
R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 알케닐기, 또는 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 10의 알케닐기이며,
R4 내지 R7은 각각 독립적으로 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소; 또는 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이며,
R13 및 R14는 각각 독립적으로 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
x, y 및 z는 각각 0<x<1, 0<y<1, 0≤z<1 및 x+y+z=1을 만족하며,
n은 1 내지 100의 정수일 수 있다.
구체적으로, 상기 식에서 치환기의 정의는 다음과 같을 수 있다.
R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 8의 알케닐기, 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 8의 알케닐기이며,
R4 내지 R7은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고,
R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이며,
R13 및 R14는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고,
x, y 및 z는 각각 0<x<0.7, 0.1<y<0.6, 0≤z<0.9 및 x+y+z=1을 만족하며,
n은 1 내지 30의 정수일 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 식에서 치환기의 정의는 다음과 같을 수 있다.
R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 4의 알케닐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 4의 알케닐기이며,
R4 및 R7은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고,
R5 및 R6은 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 12의 아릴기이며,
R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고,
R13 및 R14는 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 12의 아릴기일 수 있다.
더욱 더 구체적으로, 상기 식에서 치환기의 정의는 다음과 같을 수 있다.
R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 비닐, 알릴, 부테닐, 또는 헥세닐, 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 비닐, 알릴, 부테닐 또는 헥세닐이며,
R4 내지 R7은 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이고,
R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이며,
R13 및 R14는 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이고,
x, y 및 z는 각각 0.05≤x≤0.3, 0.1≤y≤0.4, 0.3≤z≤0.8 및 x+y+z=1을 만족하며,
n은 1 내지 5의 정수일 수 있다.
본 발명의 조성물에 있어서, 상기 화학식 1의 화합물은 주 수지로서, M 단위(R1R2R3SiO1 /2), D 단위(R4R5SiO2 /2) 및 T 단위(R6SiO3 /2)를 포함한다. 상기 단위 중에서 M 단위만이 반응기인 알케닐기를 가지고, D 단위 및 T 단위에는 반응기를 가지지 않아 후경화를 억제할 수 있다.
상기 화학식 1의 화합물은 예를 들어 하기 화합물을 포함할 수 있다.
(ViMe2SiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2MeSiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi3SiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(ViMe2SiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi2MeSiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi3SiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(ViMe2SiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2MeSiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi3SiO1 /2)x (Ph2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(ViMe2SiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi2MeSiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi3SiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(ViMe2SiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2MeSiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi3SiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(ViMe2SiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi2MeSiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi3SiO1 /2)x (Me2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(ViMePhSiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2PhSiO1 /2)x ·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(ViMePhSiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2PhSiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(ViMePhSiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi2PhSiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(ViMePhSiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2PhSiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(ViMePhSiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi2PhSiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi Ph2SiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi2PhSiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi Ph2SiO1 /2)x·(MePhSiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi Ph2SiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi Ph2SiO1 /2)x·(Ph2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
(Vi Ph2SiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(PhSiO3 /2)z
(Vi Ph2SiO1 /2)x·(Me2SiO2 /2)y·(MeSiO3 /2)z
상기 식에서 x, y, 및 z은 상술한 바와 같다.
상기 화학식 1의 화합물은 전체 조성물 중에서 50 내지 90 중량%, 예를 들어 55 내지 85 중량%, 또는 50 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 화학식 1의 화합물의 함량을 상기 범위로 조절함으로써, 충분한 기계적 강도를 확보하고, 동시에 높은 가교밀도로 인한 가요성 저하를 방지할 수 있다.
한편, 상기 화학식 1의 화합물은 불순물로서 알칼리 금속 이온, 예를 들어 나트륨, 칼륨, 세슘 이온을 함유할 수 있는데, 이 불순물로 인해 광학적 특성, 내열성, 전기 특성 등의 물성이 저하될 수 있다.
본 발명에서는 화학식 1의 화합물을 흡착제로 처리함으로써 불순물인 알칼리 금속이온을 제거할 수 있고, 이로 인해 광학적 특성 등의 물성을 개선할 수 있다.
본 발명에서 사용 가능한 흡착제는 특별히 한정되지 않지만, 평균입자가 1 내지 500 ㎛인 것이 바람직하고, 또한 표면적이 10 내지 2,000 ㎡/g인 것이 바람직하며, 또한, 흡유량이 10 내지 1,000 mL/100 g인 것이 바람직하다. 이와 같은 흡착제로서는 예를 들어 고체상 염기 흡착제를 사용할 수 있는데, 구체적으로 표면 활성이 높은 규산 알루미늄 분체, 규산 분체, 규산 마그네슘 분체를 사용할 수 있다. 이중에서도 특히 염기 흡착 성능이 우수한 규산 알루미늄 분체가 바람직하다.
흡착제의 첨가량은 특별히 한정되지 않지만, 실리콘 수지 또는 그 용액에 대하여 0.01 내지 20 중량%인 것이 바람직하고, 특히 0.01 내지 5 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 흡착제의 첨가량이 너무 적으면 실리콘 수지 중의 알카리 금속 이온을 충분히 포착할 수 없을 우려가 있으며, 반대로 너무 많으면 흡착제의 분리가 곤란해지고 실리콘 수지의 수확량이 저하될 우려가 있다.
본 방법에서 흡착제를 이용하는 방법으로 다음의 2가지 흡착 방법이 사용될 수 있다. 첫 번째 방법의 경우, 실리콘 수지 또는 용액에 흡착제를 투입한 후 일정 시간 교반 흡착시킨다. 교반시의 온도는 특별히 한정되지 않지만, 실온 내지 120℃의 범위가 바람직하다. 온도가 120℃를 초과할 경우 에폭시기의 개환이 생길 우려가 있다. 더욱 바람직한 온도 범위는 실온 내지 80℃이다. 흡착 후 흡착제를 실리콘 수지 또는 용액으로부터 여과 분리한다.
두 번째 방법의 경우, 흡착제를 칼럼 등의 용기에 채우고, 그 안을 통과시키는 것에 의해 연속적으로 알칼리 금속 촉매를 제거한 실리콘 수지 또는 용액을 얻는다. 이때의 온도는 특별히 한정되지 않지만, 실온 내지 80℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 조성물은 상기 화학식 1의 화합물 이외에, 가교제로서 화학식 2 및/또는 3의 화합물을 포함할 수 있다.
상기 화학식 2의 화합물은 T 단위 말단에 반응기로서 알케닐기를 가질 수 있다.
상기 화학식 2의 화합물은 예를 들어 하기 화합물을 포함할 수 있다.
PhSi(OSiMe2Vi)3
PhSi(OSiMePhVi)3
PhSi(OSiPh2Vi)3
PhSi(OSiMeVi2)3
PhSi(OSiPhVi2)3
PhSi(OSiVi3)3
MeSi(OSiMe2Vi)3
MeSi(OSiMePhVi)3
MeSi(OSiPh2Vi)3
MeSi(OSiMeVi2)3
MeSi(OSiPhVi2)3
MeSi(OSiVi3)3
상기 화학식 2의 화합물은 전체 조성물 중에서 1 내지 15 중량%, 예를 들어 3 내지 12 중량%, 또는 5 내지 8 중량%로 포함될 수 있다. 화학식 2의 화합물의 함량을 상기 범위로 조절함으로써, 가교반응이 완전히 진행되지 못해 후경화가 진행되는 것을 방지하고, 과량의 미반응 알케닐기에 의한 황변 발생을 예방할 수 있다.
상기 화학식 3의 화합물은 MD 구조를 가지고, M 단위 말단에만 반응기 수소를 가질 수 있다.
상기 화학식 3의 화합물은 예를 들어 하기 화합물을 포함할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
상기 식에서 n은 상술한 바와 같다.
상기 화학식 3의 화합물은 전체 조성물 중에서 5 내지 45 중량%, 예를 들어 10 내지 40 중량%, 또는 15 내지 30 중량%로 포함될 수 있다. 화학식 3의 화합물의 함량이 상기 범위보다 낮은 경우에는 충분한 가교밀도 확보가 어려워 미경화가 발생하거나 기계적 물성이 저하될 수 있고, 상기 범위보다 높은 경우에는 과량의 수소반응기로 인하여 경화시 탈수소 반응으로 인한 봉지재 내부의 공극 형성 및 표면 보이드 형성으로 광효율 저하가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물은 또한 하이드로실릴화 반응용 촉매를 추가로 포함할 수 있다. 하이드로실릴화 반응용 촉매는 화학식 1 또는 화학식 2의 알케닐 그룹과 화학식 3의 규소-결합 수소원자 사이에 하이드로실릴화 반응을 촉진하는 촉매이다. 하이드로실릴화 촉매는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 백금족 원소 또는 백금족 원소 화합물 형태인 촉매를 사용할 수 있다. 예를 들어 백금계 촉매, 로듐계 촉매 및 팔라듐계 촉매를 사용할 수 있다.
백금계 촉매로는 백금 미분말, 백금흑(platinum black), 염화백금산, 염화백금산의 알콜 변성물, 염화백금산/디올레핀 착체, 백금/올레핀 착체, 백금-카보닐 착체[예: 백금 비스(아세토아세테이트) 및 백금 비스(아세틸아세토네이트)], 염화백금산/알케닐실록산 착체(예: 염화백금산/디비닐테트라메틸디실록산 착체 및 염화백금산/테트라비닐테트라메틸사이클로테트라실록산 착체), 백금/알케닐실록산 착체(예: 백금/디비닐테트라메틸디실록산착체 및 백금/테트라비닐테트라메틸사이클로테트라실록산 착체) 및 염화백금산과 아세틸렌 알콜의 착체 등을 사용할 수 있다. 이중에서도 백금/알케닐실록산 착체가 하이드로실릴화 반응 성능의 측면에서 바람직하다.
상기 착체를 위한 알케닐실록산으로는 1,3-디비닐-1,1,3,3-테트라메틸디실록산, 1,3,5,7-테트라메틸-1,3,5,7-테트라비닐사이클로테트라실록산, 앞의 알케닐실록산의 메틸 부분을, 예를 들어 에틸, 페닐 등으로 치환함으로써 수득한 알케닐실록산 올리고머, 및 앞의 알케닐실록산의 비닐을, 예를 들어 알릴 또는 헥세닐로 치환함으로써 수득한 알케닐실록산 올리고머 등을 사용할 수 있다. 이중에서도 우수한 안정성을 갖는 백금/알케닐실록산 착체를 생성하기 때문에, 1,3-디비닐-1,1,3,3-테트라메틸디실록산이 바람직하다.
상기 착체는 자일렌 등의 유기 용매에 용해된 상태로 조성물에 포함될 수 있다.
하이드로실릴화 반응용 촉매는 본 발명의 조성물의 경화를 촉진하는 양으로 배합되지만, 이의 배합량은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 본 발명에서 하이드로실릴화 반응용 촉매는 전체 조성물 중에서 0.04 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 촉매의 하한치는 예를 들어 0.001 중량%일 수 있다. 촉매가 너무 적게 포함되는 경우 경화가 부족할 수 있고, 특히 너무 많이 포함되는 경우 착색과 같은 문제가 발생하여 에이징 후 투과율이 저하될 수 있다.
본 발명의 조성물은 접촉하는 기재에 대한 접착력의 부가적 개선을 제공하기 위하여, 접착성 부여제 또는 접착촉진제를 추가로 포함할 수 있다. 이 접착촉진제로는 바람직하게는 하이드로실릴화 반응-경화성 오르가노폴리실록산 조성물용으로 공지된 것과 같은 유기규소 화합물계 접착촉진제를 사용할 수 있다. 통상적인 예로, 각 경우에 트리알콕시실옥시 그룹(예: 트리메톡시실옥시, 트리에톡시실옥시) 또는 트리알콕시실릴알킬 그룹(예: 트리메톡시실릴에틸, 트리에톡시실릴에틸)과, 하이드로실릴 그룹, 규소-결합 알케닐 그룹(예: 비닐, 알릴), 규소-결합 메타크릴옥시알킬 그룹(예: 3-메타크릴옥시프로필) 및 규소-결합 에폭시-관능성 알킬그룹(예: 3-글리시독시프로필, 4-글리시독시부틸, 2-(3,4-에폭시사이클로헥실)에틸 및 3-(3,4-에폭시사이클로헥실)프로필)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 관능기를 갖는 오르가노실란 및 대략 4 내지 20개의 규소 원자를 갖는 직쇄상, 분지상 및 환상 구조의 오르가노실록산 올리고머가 있다. 다른 통상적인 예로 에폭시-관능성 에틸폴리실리케이트 및 아미노알킬트리알콕시실란과 에폭시-관능성 알킬트리알콕시실란의 반응물이 있다.
구체적인 예는 비닐트리메톡시실란, 알릴트리메톡시실란, 알릴트리에톡시실란, 하이드로겐트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 2-(3,4-에톡시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란과 3-아미노프로필트리에톡시실란의 반응물, 실란올-말단봉쇄된 메틸비닐실록산 올리고머와 3-글리시독시프로필트리메톡시실란의 축합 반응물, 실란올-말단봉쇄된 메틸비닐실록산 올리고머와 3-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란의 축합 반응물 및 트리스(3-트리메톡시실릴프로필)이소시아누레이트를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 조성물은 반응 지연제를 포함하는데, 반응 지연제로는 예를 들어 2-Phenyl-3-butyn-2-ol 등을 사용할 수 있다. 반응 지연제의 함량은 조성물 전체 중량에 대하여 0.008 중량% 이하인 것이 바람직하다. 반응 지연제의 하한치는 예를 들어 0.0001 중량%일 수 있다. 특히, 반응 지연제가 너무 많이 포함되는 경우, 경화속도가 느려지는 경우가 발생할 수 있다.
본 발명의 조성물은 또한 본 발명의 목적에 손상을 주지 않는 한, 무기질 충전제(예: 실리카, 유리, 알루미나, 산화아연 등); 실리콘 고무 분말; 수지 분말(예: 실리콘 수지, 폴리메타크릴레이트 수지 등); 내열제; 산화방지제; 라디칼 스케벤져; 광안정제; 염료; 안료; 및 난연성 부가제 등으로부터 선택되는 1종 이상의 부가적인 임의 성분을 추가로 배합할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 상기 조성물의 경화물을 포함하는 발광 다이오드 소자용 봉지재 및 이를 포함하는 발광 다이오드 장치에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 발광 다이오드 장치에 대해 상세히 기술한다.
본 발명의 발광 다이오드 장치는 그 안에 발광 다이오드 소자가 앞서 기술한 본 발명에 따른 조성물의 경화물에 의해 봉지됨을 특징으로 한다. 본 발명에 사용된 조성물은 이러한 발광 다이오드 소자 이외에 반도체 레이저 소자, 유기 EL, 포토다이오드(photodiode) 소자, 포토트랜지스터 소자, 고체 촬상 소자 및 포토커플러용 수광 및 발광 소자에 사용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 대표적인 발광 다이오드 장치의 단면도이다. 도 1에 제시된 발광 다이오드(LED) 장치(10)에서, 발광 다이오드(LED) 칩(13)은 다이 패드(16) 위에 다이 결합되고, 이 발광 다이오드(LED) 칩(13)은 본딩 와이어(12)에 의해 내부 리드(14)에 와이어 결합된다. 이 발광 다이오드(LED) 칩(13)은 본 발명의 발광 다이오드 소자 봉지재 조성물의 경화물(11)에 의해 봉지될 수 있다.
도 1에 제시된 표면 실장형 발광 다이오드(LED) 장치(10)를 제조하기 위하여, 발광 다이오드(LED) 칩(13)을 다이 패드(16) 위에 다이 결합시키고, 발광 다이오드(LED) 칩(13)은 본딩 와이어(12)에 의해 내부 리드(14)에 와이어 결합시킨다. 그 다음에, 본 발명의 발광 다이오드 소자 봉지재, 특히 봉합재를 도입시키고, 그 후에 바람직하게는 탈기시킨 다음, 50 내지 200℃로 가열함으로써 경화시킬 수 있다.
본 발명의 조성물을 발광장치에 적용하기 위하여 사용하는 디스펜싱, 몰딩성형 등의 기술은 당해 분야에 공지되어 있으며, 본 발명에서 사용 가능하다. 본 발명에서는 디스펜싱 공정을 통하여 표면 실장형 LED 리드프레임에 실리콘 조성물을 도포할 수 있다. 본 발명의 실리콘 조성물에는 형광체로서 실리케이트(silicate) 혹은 나이트라이드(nitride) 계열을 사용할 수 있으나, 형광체의 종류는 이에 한정되는 것이 아니다. 표면 실장형 LED 리드프레임은 정진넥스텍의 open tool, top-view 3528 4 pad B type을 사용할 수 있고, 상기의 리드프레임에 다이-본딩, 와이어-본딩 후 실리콘 조성물을 디스펜싱하여 50 내지 200℃의 오븐에서 경화반응을 진행할 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1] a-1(MVi , Me2 0 .15DMe , Ph 0 .25TPh 0 .60)의 제조
콘덴서, 온도계, 질소주입용 라인 및 교반기가 장착된 플라스크에 페닐트리메톡시실란 118.98 g, 디비닐테트라메틸디실록산 13.98 g, α,ω-메틸페닐하이드록시실릴-메틸페닐폴리실록산 27.13 g, 톨루엔 100 g, 메탄술폰산 0.25 g을 투입하고 교반하면서 증류수 50 g을 서서히 적가하였다. 반응기의 열매를 반응부산물인 메탄올을 환류하면서 반응을 진행한 후, 메탄올을 회수하였다. 그 후 증류수 50 g을 투입하고 교반을 멈추어 층분리를 실시하였다. 오르가노실록산이 포함된 유기층만 회수하여 별도의 플라스크에 투입한 후, 실록산의 농도가 70%가 되도록 톨루엔을 추가 투입하고 승온하여 추가적으로 축합수를 제거하는 공정을 거쳤다. 다음 단계로 포타슘하이드록사이드 20% 수용액 0.16 g을 투입하고 톨루엔을 환류하면서, 잔량의 실라놀기가 제거되면서 발생된 축합수를 회수하였다. 상온으로 냉각하고 여과한 후, 규산 알루미늄 분체(상표명 교와드) 2 g, 증류수 2 g을 첨가한 후 80℃에서 2시간 처리하고, 상온에서 1 torr 감압 톨루엔 환류 중 증류수를 회수하고 여과하였다. 마지막으로 160℃, 1 torr에서 2시간 동안 감압 증류하여 비닐함량 1.2 mmol/g, 굴절율 1.552, 휘발분 0.8%의 망상구조를 가지는 오르가노폴리실록산 100 g을 얻었다.
[제조예 2] b-1의 제조
<α,ω-메틸페닐하이드록시실릴-메틸페닐폴리실록산의 제조>
플라스크 내에 톨루엔 100 g, 물 161.4 g의 혼합물을 저온 교반한 상태에서 메틸페닐디클로로실란 100 g을 천천히 적하ㆍ가수분해하고 승온하여 중합하였다.
그 후 교반을 멈추고 정치상태로 유지하여 층분리시킨 후, 폐수(HCl+H2O)층을 플라스크에서 분리해낸 후, 동일 양의 물을 투입하여 수세를 진행하였다. 수세과정을 폐수층이 중성이 될 때까지 반복하여 진행한 후, 마지막 단계에서 폐수층을 제거한 후, 말단이 실라놀인 메틸페닐 오르가노폴리실록산의 톨루엔 용액을 제조하였다. 저비점 반응물을 스트립하여 굴절율 1.54, 점도 600 cP의 α,ω-메틸페닐하이드록시실릴-메틸페닐폴리실록산을 얻었다.
[제조예 3] b-2의 제조
<α,ω-비닐디메틸실릴-메틸페닐폴리실록산의 제조>
콘덴서, 온도계, 질소주입용 라인 및 교반기가 장착된 플라스크에 상기의 메틸페닐하이드록시실릴-메틸페닐폴리실록산 100 g, 디비닐테트라메틸디실록산 8.5 g, 액시드 클레이(Acid clay) 3.2 g을 투입한 후 승온하고, 반응물의 휘발분을 측정하여 12% 이하가 되었을 때 반응을 종료하고 상온으로 냉각하였다.
반응물을 필터하여 나온 무색 투명한 오르가노폴리실록산을 박막 증류장치를 이용하여 휘발분을 제거함으로써, 휘발분 0.35%, 비닐 함량 0.278 mmol/g, 굴절율 1.543, 점도 4,943 cP의 점성 오르가노폴리실록산을 얻었다.
상기의 오르가노폴리실록산은 핵자기공명 분석을 통해 상기의 비닐 함량을 분석해 내었으며, 또한 목표로 했던 하기 구조로 합성되었음을 확인하였다.
Figure pat00008

[제조예 4] b-3 (PhSi(OSiMe2Vi)3)의 제조
콘덴서, 온도계, 질소주입용 라인 및 교반기가 장착된 플라스크에 증류수 61 g, 디비닐테트라메틸디실록산 419 g, 트리플로로메탄술폰산 1.02 g을 투입하고 60℃로 승온한 후, 페닐트리메톡시실란 297 g을 서서히 적가 후 반응을 완결하였다. 다음 단계로 증류수 300 g을 투입한 후 교반을 멈추고 층분리를 실시한 후, 오르가노폴리실록산이 함유된 유기층을 별도의 플라스크에 투입하여 감압증류를 실시한 후, 비닐함량 6.1 mmol/g, 굴절율 1.48, 점도 10.9 cP의 오르가노폴리실록산을 얻었다.
[제조예 5] c-1의 제조
콘덴서, 온도계, 질소주입용 라인 및 교반기가 장착된 플라스크에 증류수 27 g, 트리플로로메틸술폰산 0.77 g, 디페닐디메톡시실란 244 g을 투입하고, 테트라메틸디실록산 269 g을 서서히 적가한 후 반응이 완결될 때까지 반응을 유지하였다. 그 후 반응물이 중성이 될 때까지 수세를 진행하였다. 실록산 성분을 다른 플라스크로 옮겨 저비점 반응물을 감압 증류하여 최종적으로 점도 4.63 cP, 굴절율 1.498, Si-H 함량 6.02 mmol/g의 무색 투명한 하기 화학식의 오르가노폴리실록산을 얻었다.
Figure pat00009

[비교제조예 1] a-2의 제조
콘덴서, 온도계, 질소주입용 라인 및 교반기가 장착된 플라스크에 페닐트리메톡시실란 118.98 g, 디비닐테트라메틸디실록산 13.98 g, α,ω-메틸페닐하이드록시실릴-메틸페닐폴리실록산 27.13 g, 톨루엔 100 g, 메탄술폰산 0.25 g을 투입하고 교반하면서 증류수 50 g을 서서히 적가하였다. 반응기의 열매를 반응부산물인 메탄올을 환류하면서 반응을 진행한 후, 메탄올을 회수하였다. 그 후 증류수 50 g을 투입하고 교반을 멈추어 층분리를 실시하였다. 오르가노실록산이 포함된 유기층만 회수하여 별도의 플라스크에 투입한 후, 실록산의 농도가 70%가 되도록 톨루엔을 추가 투입하고 승온하여 추가적으로 축합수를 제거하는 공정을 거쳤다. 다음 단계로 포타슘하이드록사이드 20% 수용액 0.16 g을 투입하고 톨루엔을 환류하면서, 잔량의 실라놀기가 제거되면서 발생된 축합수를 회수하여, 비닐함량 1.2 mmol/g, 굴절율 1.552, 휘발분 0.8%의 망상구조를 가지는 오르가노폴리실록산 100 g을 얻었다.
해당 오르가노폴리실록산 100 g을 플라스크에 넣고 활성탄(Noritz사, S51HF)을 3 g 투입하여 50℃에서 3시간 교반한 후, 활성탄을 필터하여 오르가노폴리실록산(a-2) 97 g을 얻었다.
[실시예 및 비교예]
상기 제조예 및 비교제조예에서 제조된 실록산과, 접착 부여제(e)로서 GPTMS(Glycidoxypropyltrimethoxysilane), 촉매(f)로서 백금계 촉매와, 반응지연제(g)로서 2-Phenyl-3-butyn-2-ol을 하기 표 1의 비율로 혼합하여 조성물을 제조하였다. 표 1에서 단위는 중량%이다.
백금계 촉매는 하기 화학식의 화합물이 자일렌에 2 중량%가 되는 양으로 희석된 것을 사용하였다.
Figure pat00010

실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
a-1 55 55
a-2 55 55
b-2 14.97 14.97 14.94 14.94
b-3 7 7 7 7
c-1 22 22 22 22
e 1 1 1 1
f 0.025 0.025 0.05 0.05
g 0.005 0.005 0.01 0.01
합계 100 100 100 100
[시험예]
1. 점도
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 실리콘 조성물의 점도는 25℃에서 Anton Paar MCR-301 레오미터(ASTM D 7042-04), CP-25를 사용하여 측정하였다.
2. 경도
폴리오르가노실록산 경화시편은 6 mm의 간격을 두고 있는 몰드를 사용하여 170℃에서 20분간 경화한 후, 몰드에서 탈형하고, 150℃ 오븐에서 2시간 동안 경화하여 얻었다. 경화물의 경도는 JISK 6253에 의거하여 타입 D 듀로미터로 측정하였다.
3. 초기 투과율
폴리오르가노실록산 경화물은 2 mm의 간격을 두고 있는 몰드를 사용하여 170℃에서 20분간 경화한 후, 몰드에서 탈형하고, 150℃ 오븐에서 2시간 동안 경화하여 얻었다. 해당 폴리오르가노실록산 경화물의 투과율은 퍼킨엘머사의 자외선/가시광선 분광광도계 Lambda 950을 사용하여 450 nm에서 측정하였다.
4. 에이징 후 투과율
초기 투과율을 측정한 오르가노실록산 경화물을 각기 150℃ 및 200℃의 오븐에 방치한 후, 1000시간 후의 투과율을 측정하였다. 투과율의 측정방법은 초기 투과율 측정방법과 같다.
5. 크랙
표면 실장형 LED 리드프레임은 정진넥스텍의 open tool, top-view 3528 4 pad B type을 사용하였고, 상기의 리드프레임에 다이-본딩, 와이어-본딩 후 실리콘 조성물을 디스펜싱하여 50 내지 200℃의 오븐에서 경화반응을 진행하였다. 제조한 표면 실장형 LED 10개를 아래의 조건(항온 항습 조건 유지 후 상온 1시간 방치, 리플로우)을 유지한 후, 경화 조성물의 크랙 상태를 관찰하였다.
-항온 항습 조건: 60℃, 90%의 항온 항습 조건에서 168시간 동안 보관하였다.
-리플로우: 100℃ 내지 260℃까지의 온도가 구배되어 있는 리플로우를 사용하여 총 3회 반복 시험하였다.
상기 시험예의 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
기계적
물성
점도(cPs) 3000 2900 2950 2950
경도(Shore D) 35 34 36 35
초기 투과율 90.5% 85.0% 90.5% 86.0%
에이징 후
투과율
150℃, 1000hr 85.0% 80.0% 84.0% 78.0%
200℃, 1000hr 42% 15% 14% 10%
크랙 × × × ×
표 1 내지 2에 따르면, 본 발명에 따라 주 수지인 실리콘 수지를 흡착제로 처리하고, 적절한 함량의 촉매 및 반응 지연제를 사용함으로써, 에이징 후에도 일정 수준 이상의 투과율을 유지할 수 있었다. 그러나, 비교예 1 및 3의 경우 활성탄 처리된 수지를 사용함으로써, 초기 투과율이 86% 이하로 실시예보다 낮았고, 에이징 후 투과율도 실시예보다 현저하게 낮아졌다. 비교예 2의 경우 과량의 촉매 및 반응 지연제를 사용함으로써, 200℃ 에이징 후 투과율이 현저하게 낮아졌다.
10: 발광 다이오드(LED) 장치
11: 봉지재 조성물의 경화물
12: 본딩 와이어
13: 발광 다이오드(LED) 칩
14: 내부 리드
15: 방열판
16: 다이 패드

Claims (10)

  1. 두께 2 mm의 경화 상태 시편에 대하여, 150℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 85% 이상이고, 200℃ 및 1000시간 조건의 에이징 후 입사광 파장 450 nm에서 투과율이 40% 이상인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성물에 함유된 촉매의 함량은 0.04 중량% 이하이고, 반응지연제의 함량은 0.008 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3의 화합물 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물:
    [화학식 1]
    (R1R2R3SiO1 /2)x·(R4R5SiO2 /2)y·(R6SiO3 /2)z
    [화학식 2]
    R7Si(OSiR8R9R10)3
    [화학식 3]
    Figure pat00011

    상기 식에서,
    R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 10의 알케닐기, 또는 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 10의 알케닐기이며,
    R4 내지 R7은 각각 독립적으로 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
    R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소; 또는 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이며,
    R13 및 R14는 각각 독립적으로 알케닐기를 제외한 탄소수 1 내지 12의 1가 탄화수소기이고,
    x, y 및 z는 각각 0<x<1, 0<y<1, 0≤z<1 및 x+y+z=1을 만족하며,
    n은 1 내지 100의 정수이다.
  4. 제3항에 있어서,
    R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 8의 알케닐기, 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 8의 알케닐기이며,
    R4 내지 R7은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고,
    R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이며,
    R13 및 R14는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 12의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고,
    x, y 및 z는 각각 0<x<0.7, 0.1<y<0.6, 0≤z<0.9 및 x+y+z=1을 만족하며,
    n은 1 내지 30의 정수인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 탄소수 2 내지 4의 알케닐기, 탄소수 1 내지 4의 알킬기 또는 탄소수 6 내지 12의 아릴기이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 탄소수 2 내지 4의 알케닐기이며,
    R4 및 R7은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고,
    R5 및 R6은 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 12의 아릴기이며,
    R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이고,
    R13 및 R14는 각각 독립적으로 탄소수 6 내지 12의 아릴기인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    R1 내지 R3 및 R8 내지 R10은 각각 독립적으로 비닐, 알릴, 부테닐, 헥세닐, 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이고, 단 R1 내지 R3 중 하나 이상과 R8 내지 R10 중 하나 이상은 비닐, 알릴, 부테닐 또는 헥세닐이며,
    R4 내지 R7은 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이고,
    R11, R12, R15 및 R16은 각각 독립적으로 수소, 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이며,
    R13 및 R14는 각각 독립적으로 메틸, 에틸, 프로필, 사이클로헥실, 페닐, 톨릴 또는 나프틸이고,
    x, y 및 z는 각각 0.05≤x≤0.3, 0.1≤y≤0.4, 0.3≤z≤0.8 및 x+y+z=1을 만족하며,
    n은 1 내지 5의 정수인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물은 흡착제로 처리된 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    흡착제는 규산 알루미늄 분체, 규산 분체 및 규산 마그네슘 분체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 경화성 오르가노폴리실록산 조성물.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 조성물의 경화물을 포함하는 발광 다이오드 소자용 봉지재.
  10. 발광 다이오드 소자가 제9항에 따른 봉지재에 의해 봉지된 발광 다이오드 장치.
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