TW200835765A - Optical bonding composition for LED light source - Google Patents
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Description
200835765 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於LED光源,且尤其係關於具有使用光學黏 合組合物黏合於LED晶粒之光學元件之LED光源。 【先前技術】 LED光源具有提供習知光源之亮度、輸出及操作壽命之 • 固有潛力。不幸地,LED光源在常稱為LED晶粒之半導體 材料中產生光,且可難以自LED晶粒有效地提取光而不大 ® 體上降低LED光源之亮度或增加LED光源之表觀發射面 積。該困難常歸因於LED晶粒(折射率η,2·4或更大)與空 氣(η= 1)之間的大折射率錯配,以致大部分在LED晶粒中所 產生之光全部在内部反射且不能脫離晶粒,因此降低亮 度。 用於自LED晶粒提取光之先前方法包括使用密封LED晶 粒之密封劑。密封劑通常具有比空氣更高之折射率(對典 0 型環氧樹脂密封劑而言,η約1.5),以便晶粒與其環繞物之 介面處之折射率錯配降低。因此,較少光浪費且光源變 亮。然而,存在對效率及亮度之進一步改良之需要。另 . 外,密封劑對自在LED晶粒處產生之熱之大的溫度移動敏 ^ 感,其引起可在許多次溫度循環内損壞晶粒之應力。密封 劑亦可隨時間變黃且另外降解。 提取器亦可用以自LED晶粒提取光。該等光學元件通常 為透明聚合物或玻璃且經安置與LED晶粒之表面接觸或緊 接於LED晶粒之表面。提取器及LED晶粒經光學耦合以便 126897.doc 200835765 自led晶粒提取光。提取器通常具有輸入表面,其經上膠 及成I以大體上與;LED晶粒之主發射表面配合。然而,提 取器之使用已受到將提取器及LED晶粒黏合之固難之阻 礙。已知黏合方法需要高溫(大於35(rc)及壓力,兩者可消 - 極影響led光源之功能性。已知黏合方法亦需要涉及諸如 . 化學氣相沈積、各種形式之磊晶法等等之製造方法,其限 制該等方法選擇應用之有效性。 ^ 【發明内容】 本文中揭示的為光學黏合組合物及包含該組合物之LEd 光源。LED光源可包含:LED晶粒;光學耦合於led晶粒 之光學元件;及黏合層,其包含於非晶形矽酸鹽網狀物中 之、’二表面改貝之金屬氣化物奈来粒子,該黏合層將led晶 粒及光學元件黏合在一起。非晶形矽酸鹽網狀物可衍生矽 酸鹽、矽烷、矽酸、矽酸之聚合形式、烷氧基矽烷或其組 合。經表面改質之金屬氧化物奈米粒子包含金屬氧化物奈 • 米粒子及表面改質劑。有效金屬氧化物奈米粒子包括氧化 锆、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鈕、氧化鈮、氧化鑭、氧化 '氧化铪 '氧化錫 '氧化錄及其組合。亦可使 - 帛上述之混合氧化物。在-特定實例中’金屬氧化物奈米 * 粒子包含具有大於約h8之折射率之結晶氧化錯奈米粒 子。有效表面改質劑包括缓酸、膦酸、燒氧基石夕烧或其組 合或混合物。光學元件通常為藉由促進光自㈣晶粒内部 脫離來增加光源之效率之光學提取器。 本文中亦揭示的為製造LED光源之方法,該方法包含: 126897.doc 200835765 a)提供LED晶粒;b)提供光學元件;c)提供包含經表面改 質之金屬氧化物奈求粒子之光學黏合組合物及呈具有pH大 於約8之水溶液之矽來源,該矽來源選自由矽酸鹽、石夕 烷、矽酸、矽酸之聚合形式、烷氧基矽烷及其组合組成之 群;及d)藉由使LED晶粒及光學元件與光學黏合組合物接 觸將LED晶粒及光學元件黏合在一起。 本文中揭示之LED光源可適用於各種光應用,諸如用於 背光標記及可為邊緣點亮或直接點亮之液晶顯示器。本文 中揭示之LED光源亦可用作用於以下者之光源:LED標 誌、汽車應用、投影應用及包括建築、氣氛照明及藝術照 明之全面照明。 本發明之該等及其他態樣將自下文之實施方式而為明顯 的。然而,決不應將上述概要解釋為對所主張之標的之限 制’該標的僅僅藉由附加申請專利範圍定義,如可在檢控 期間修正。 【實施方式】 圖1展示示範性LED光源100之截面示意圖,該LED光源 包含藉由黏合層106黏合在一起之LED晶粒102及光學元件 1〇4。黏合層包含於非晶形矽酸鹽網狀物中之經表面改質 之金屬氧化物奈米粒子。一般而言,LED晶粒及光學元件 經光學耦合以便藉由LED晶粒發射之光能夠傳播且達到光 學元件。光學元件可為提取器,光可進入其中且視元件之 特定性質而以各種方式退出。 為簡化,LED晶粒一般性地展示於圖丨中,但可包括此 126897.doc 200835765 項技術中已知之習知設計特徵。舉例而言,LED晶粒可包 括相異p型及η型之半導體層,其通常係由包括以下者之 III· V半導體形成:氮化物,諸如AIN、GaN、InN ;麟化 物,諸如 InGaP、Α1Ρ、GaP、InP ;及其他,諸如 AlAs、 GaAs、InAs、AlSb、GaSb 及 InSb。LED 晶粒亦可自 II-VI 半導體,諸如ZnS、ZnSe、CdSe及CdTe ;第IV族半導體 Ge、Si及諸如SiC之碳化物形成。LED晶粒亦可包含緩衝 層、基板層及頂置板層。LED晶粒之折射率在其所存在之 光源之典型發射波長下係在約1.7至約4.1之範圍内變化。 儘管展示矩形LED晶粒,但是亦涵蓋其他已知組態,諸 如具有形成截斷倒轉錐形之成角侧表面之LED晶粒。為簡 化未圖示與LED晶粒之電接點,但其可提供於任何一或多 個表面上以施加激勵裝置之功率。實例包括回焊、導線黏 合、捲帶式自動黏合(TAB)或覆晶黏合。組件或晶片之個 別層及其他功能性元件通常以晶圓級來形成,且完成之晶 圓可隨後分割成個別單一零件以產生複數個LED晶粒。 LED晶粒可經配置而用於表面安裝、板載晶片或其他已知 安裝組態。 本文中揭示之光學元件係由具有相對高折射率之固體、 透明材料製得。用於光學元件之適合材料包括諸如光學玻 璃之無機材料,例如可購自Schott North America,Inc.之 Schott 玻璃 LASF35 型或 N-LAF34型,及 US 第 11/381518 號 (Leatherdale等人)中所述之彼等者,其揭示案係以引用之 方式併入本文。其他適合的無機材料包括陶瓷,例如藍寶 126897.doc 200835765 石、氧化鋅、氧化锆、金剛石及碳化矽。該金 J^貝石、氧化 辞、金剛石及碳化矽為尤其有效的,因為該等材料亦I 相對高之導熱率(0.2-5.0 W/cm K)。光學元件亦具有 固性高指數聚合物,諸如丙烯酸聚合物、環氧樹# $
氧、聚碳酸酯及聚環(polycyclic),或熱塑性高指數聚人 物,諸如聚碳酸酯及環狀烯烴。光學元件可包含與勺括= 化锆、氧化鋅、二氧化鈦及硫化辞之陶瓷奈米粒子組合= 熱固性或熱塑性聚合物。 在LED晶粒之發射波長下,提取器之折射率可為至小約 1 _5 ’例如,大於約1.8或大於約2。在一實例中,光學元件 之折射率可與LED晶粒之光發射表面之彼者相同,幾乎相 同或不大於LED晶粒之光發射表面之彼者。其將允許光之 最大提取。舉例而言,折射率可在約〇2之内。或者,提 取器之折射率可大於或小於LED晶粒之光發射表面之彼 者。舉例而言,若LED晶粒之光發射表面為丨75,則提取 态可具有1·7、1·75、1·9、2·1或2.3之折射率。 在一實例中,光學元件包含一具有至少約1.7之折射率 之光學玻璃。在另一實例中,如US第11/;381518號 (Leatherdale等人)中所述,光學元件包含具有至少約2.〇, 較仏至少2· 1、2.2或2.3或更高之折射率之玻璃或玻璃陶究 材料。一般而言,該等材料包含小於2〇重量%之82〇3,小 於20重量%之Si〇2及小於40重量%之p2〇5。在一些狀況 下’以下材料限於小於20重量% : As203、Bi2〇3、Ge02、 NaO、Te02、V205、Si02、B2〇3& P2〇5。有效玻璃或玻璃 126897.doc -10- 200835765 陶瓷材料包含至少2種金屬氧化物,諸如八丨2〇3 ; Ti〇2 ;稀 土金屬氧化物;或鹼土金屬氧化物。該等材料之結晶溫度 τχ較佳為在其玻璃轉移溫度\以上至少,其促進材料 成形為光學元件。 光學7G件之一實例為可用以將光提取出LED晶粒之提取 裔。一般而言,提取器改質光之角分布,將第一光發射圖 案轉變成第二 '不同之光發射圖案。視提取器之形狀而 疋,發射光之圖案通常係在前進方向上且可為圍繞提取器 之圓形,或對側面而言,呈一些對稱或非對稱分布。 光學元件可包含如US第11/3 81324號(Leatherdale等人)中 所述之聚光提取器,其揭示案係以引用之方式併入本文。 聚光提取器具有至少一個聚光側面、基底及頂端,頂端經 女置至少部分在该基底之上且具有小於基底之彼者之表面 積,且至少一個聚光側面自基底朝向頂端聚光。聚光提取 器之幵> 狀可為錐體、多面體、楔狀、錐形狀等等或其一些 組合。基底可具有任何形狀,例如正方形、圓形、對稱 形、非對稱形、規則或不規則形。頂端可為點、線或平坦 或圓形表面,且其以基底之中心為中心或偏斜遠離基底之 中、、而位於基底之上。就聚光提取器而言,基底通常經安 置相鄰於且通常平行於led晶粒。又,基底及LED晶粒可 大體上在尺寸上匹配,或基底可比LED晶粒更小或更大。 圖2a-2d展示示範性聚光提取器之透視圖:圖仏展示斗側 面錐形;圖2b展示6側面多邊形;及圖2c&2d展示楔形, 其中頂端(線)安置於基底之上,頂端分別以該中心為中心 126897.doc 200835765 及偏斜遠離該中心。圖2d中所示之提取器亦具有2個起準 直光作用之散光側面,且聚光側面允許光重定向於該等側 面。聚光提取器之其他實例展示於美國申請案第 11/381324號(Leatherdale等人)中。 光學元件可包含如美國申請案第2〇〇6/〇〇91784
Al(Comi〇r 等人)、2006/009141 1 Al(〇uderkirk 等人)、 2006/0091798 Al(〇uderkirk 等人)及 2006/0092532 A1 號 (Ouderkirk等人)中所述之散光提取器,該等申請案之揭示 案以引用之方式併入本文。散光提取器具有至少一個散光 側面、輸入表面及比輸入表面更大之輸出表面。散光提取 器通常成形成錐形形式。圖3a-3c展示示範性散光提取 器:圖3 a展示具有4個側面之截斷反向多邊形之透視圖; 圖3b展示具有拋物線側壁之截斷反向錐形之透視圖;且圖 3 c展示具有凸輸出表面之截斷反向錐形之截面示意圖。 散光提取器之實例亦展示於先前US第11/3 8 1 5 18號 (Leatherdale等人)中所述之圖4a及4b中。該等提取器之表 面經排列以將來自LED晶粒之光重定向於佔優勢之側向方 向上,而非沿LED晶粒之中心軸之前進方向上。侧面發射 LED尤其適於用於液晶顯示器面板之稀薄直接點亮背光, 因為可使光在短距離内橫向傳播,避免亮區及暗區或橫過 顯示器之觀察區域之熱點。 圖4a為楔形提取器400之圖解側視圖。提取器4〇〇具有輸 入表面402、輸出表面404及側表面406a及406b。輸入及輸 出表面可以彼此成實質角度,標稱約9〇度來安置。在該排 126897.doc -12· 200835765 列下’經由輸入表面進入之光線408a反射出側表面之一或 兩者(無論藉由全内反射還是藉助於反射性材料或塗層, 未圖示)且如藉由光線408b所表示,大致側向重定向。隨 後光線408b經由輸出表面退出。提取器4〇〇自俯視圖之形 狀或周邊可採用包括矩形、梯形、餅狀、半圓或其任何組 合之各種形式之任何形式。
圖4b為另一楔形提取器4 10之圖解側視圖。提取器41〇具 有輸入表面412、輸出表面414及側表面416。提取器41〇可 具有提取器400之形狀,其關於與側表面4〇6a一致之垂直 軸旋轉。在一些狀況下,提取器可藉由將2個提取器400在 其各別側表面406a處連接而製造成複合建構。在不同複合 建構中,假想線418表示製成提取器41 〇之相異光學體之間 的可能介面或邊界。 相似於提取器4〇〇,提取器41〇之輸入及輸出表面以彼此 成實質角度,標稱約90度來安置。來自LED之經由輸入表 面進入之光反射出一或兩個側表面(無論藉由全内反射還 是藉助於反射性材料或塗層,未圖示)且大致側向重定 向,隨後經由輪出表面退出。自俯視圖(未圖示),提取器 410可具有包括(例如)多角形(例如正方形或矩形)、圓形及 橢圓形之許多形狀之任何形狀。具有圓形及橢圓形或圓周 時,經由輸入表面進入之光經重定向以形成輸出光之環。 至於聚光提取器’散光提取器之輸人表面通常經安置最 接近於且通常平行於LED晶粒。又,輸入表面及咖晶粒 可大體上在尺寸上匹配’或輸人表面可比LED晶粒更小或 126897.doc -13- 200835765 更大。散光提取器之其他實例描述於US 7,009,213 B2及 US 6,679,621 B2 中。
如上所述,LED晶粒包含交替半導體層。最外層之一可 稱為光發射層且該層具有可稱為光發射表面之最外表面。 亦如上所述,光學元件包含光輸入表面。在一有效組態 中,LED光源包含黏合在一起之LED晶粒及光學元件,以 便光發射表面及光輸入表面如(例如)圖1中所示與黏合層接 觸。 光學黏合組合物係用以形成黏合層。光學黏合組合物包 含經表面改質之金屬氧化物奈米粒子;及呈具有pH大於約 8之水 >谷液之碎來源。梦來源可包含梦酸鹽、梦烧、梦 酸、矽酸之聚合形式、烷氧基矽烷或其組合。溶於水中之 矽石可用以形成矽酸,即Si(OH)4,其在矽石之水合作用 後發生。藉由將pH保持大於約8,聚合縮合藉由氫氧化物 離子催化,形成矽酸之聚合形式。矽酸鹽可藉由將pH增加 (例如)至大於約8或至大於約11來形成。 光學黏合組合物可包含一或多種具有下式之烷氧基石夕 烷: (R^x-Si-COR2^ 其中R1可為烷基、醇、聚二醇或聚醚基團,或其組合或混 合物;R2可為燒基、乙醯氧基或甲氧基乙氧基基團,或其 混合物;x=0至3 ; y=l至4,其限制條件為x+y=4。可添加 -或多種烧氧基我以降低交聯密度且將可撓,&加於石夕酸 鹽網狀物。 126897.doc -14 - 200835765 光學黏合組合物可包含一或多種具有下式之石夕燒: (R^x-Si-Hy 其中R1可為烷基、醇、聚二醇或聚醚基團,或其組合或混 合物;x=l至3 ; y=l至3,其限制條件為χ+产4。 各種材料可用以調整光學黏合組合物之pH。實例包括強 • 驗’諸如氫氧化納、氫氧化鉀、氫氧化舞、氫氧化認、氯 氧化銨及乙醇鈉。若希望減慢氫氧化物催化作用,則亦可 使用诸如聚偏鱗酸納之弱驗。 當LED晶粒及光學元件黏合在一起時’形成咖晶粒與 光學元件之間的黏合層。據信,光學黏合組合物經歷反應 以形成矽酸鹽網狀物。反應可藉由施加熱來加速。矽酸鹽 網狀物係指相似於矽石之整體結構但比其更疏鬆之化學ς 結網狀物。矽石之三維結構係基於矽氧烷橋接(si_〇_Si), 各矽原子在四面體幾何形狀中鍵結於4個氧原子。同矽石 -樣’石夕酸鹽網狀物包含石夕氧烧橋接,然而,石夕酸鹽網狀 • 物亦包含在網狀物内部作為局部終止基團之經嵌入及/或 經暴露非橋接氧。非橋接氧以錢醇基團⑻领)形式存 在或以具有陽離子’通常為金屬陽離子之更具陰離子性之 - 形式(δί-αΜ+)存在。矽酸鹽網狀物之進一步討論可見於 -(例如)由R· K. Iler之…外〇/似心⑽ York 1979) 〇 光學組合物亦包含經表面改質之金屬氧化物奈米粒子。 經表面改質之金屬氧化物奈米粒子可包含選自由以下者组 成之群之金屬氧化物奈米粒子:氧化錯、氧化鈦、氧化 126897.doc -15 - 200835765 鋅、氧化组、氧化銳、氧化鑭、氧化錯、氧化紀、氧化 2乳化錫、氧化錄及其組合。金屬氧化物奈米粒子亦可 =至少2種選自由以下者組成之群之金屬氧化物之混合 至屬乳化物奈米粒子:氧化石夕、氧化铭、氧化錯、氧化 鈦、乳化鋅、氧化组、氧化銳、氧化鑭、氧錢、氧化紀
。氧化鈦奈米粒子可具有金紅石或銳鈦礦形式。 混合金屬氧化物奈米粒子之特定實例包括包含氧化石夕及氧 ,錯,氧切及氧化鈦;及氧切、氧化錯及氧化欽之彼 等屬乳化物奈米粒子。所使用之特^金屬氧化物奈 子視諸如折射率、於光學組合物中之相容性、成本等 等之各種因素而定。 、金屬氧化物奈米粒子經一或多種表面改質劑來表面改質 以增加金屬氧化物奈米粒子與黏合層及/或光學組合物中 之其他組分之相容性。舉例而言,氧化錘奈米粒子在具有 PH為^至4之酸性水溶液環境中為敎的,且表面改質可用 以保護抵抗奈米粒子於光學組合物之驗性水溶液環境中之 絮凝。表域質涉及金屬氧化物㈣粒子與連接於奈米粒 子之表面且改f其表面特徵之表面改質劑的反應。 表面改質劑可藉由式A_B表示,其巾團能夠連接於 金!乳化物奈米粒子之表面’且3基團為相容基團…般 而吕’A基團需要藉由考慮特定金屬氧化物及光學組合物 之性質來選擇’亦即,經表面改質之金屬氧化物奈米粒子 應為穩定的’以便在高驗性環境巾維持相容性。有效A基 團包括羧酸、膦酸、烷氧基矽烷、胺及其組合及混合物。 126897.doc -16- 200835765 示 烷氧基矽烷可藉由下式表 _Si_(〇R3)z 其中R3為烧基、乙酿鑛f 且Z=1至3。 聽、甲氧基乙氧基,或其混合物; B 有效B基團為親水性基 容於光學組合物中;、團^其使金屬氧化物奈米粒子相 質劑之實例包括聚乙烯俨 來岵表面改 •,諸如2-[-2-(2_甲氧::::烧及似聚乙烯之缓酸衍生 #乙氧基)乙酸。 土 *土)乙乳基]乙酸及(2-甲氧基 經表面改質之金屬氧化物太 物不未粒子具有小於光波長,例 如’小於約300 nm之平均粒徑。 經表面改質=金屬氧化物奈米粒子可以重量計以大於石夕 來源之一半的量存在於弁風如人% a 、予、、且a物中。關於自將LED晶粒 及光學元件黏合在-起形成之黏合層,經表面改質之金屬 氧化物奈米粒子可以相對於黏合層之重量,約i至約95重 • *%之量存在。通常’希望具有相對於黏合層之總重量, 約40至約95重量%之經表面改質之金屬氧化物奈米粒子。 所使用之特定量如下文所述部分係藉由黏合層之所要折射 ^ 率所確定。若奈米粒子於黏合層中之量太大,則(然 κ 而)LED晶粒與光學元件之間難以獲得適合黏合,且另外 LED光源之效率可能受損。 詳言之,經表面改質之金屬氧化物奈米粒子包含具有至 少約1.8,較佳至少約2·〇之折射率之高結晶氧化鍅奈米粒 子,諸如U.S· 6,376,590 Β2中所述之奈米粒子,其揭示案 126897.doc -17- 200835765 係以引用之方式併入本文。高結晶氧化錯奈米粒子可藉由 用上文針對式Α韻述之燒氧基钱中之—或多者進行表 面改質而併入光學組合物中。高結晶氧化錯奈米粒子具有 小於約100 nm之平均粒徑。 ‘ 上文所述之氧化錯奈米粒子之折射率係遠高於非晶形氧 ^之彼者。當併人料鹽網狀物中以得到非晶形石夕酸鹽 網狀物時,氧化錯奈米粒子提供黏合層之折射率之增加。 •=此’黏合層之光學性質可如下文所述般,視欲黏合之特 疋LED晶粒及光學元件而訂製。詳言之,石夕酸鹽網狀物之 f射率為約1.4 ’且對經表面改f之氧化錯奈米粒子而 言’其為約1.8至約2.1。經表面改質之金屬氧化物奈米粒 子亦可包含具有大於約2. 〇,且較佳大於約2 2之折射率之 結晶氧化鈦奈米粒子。 led光源之效率直接與LED晶粒及光學元件光學耦合之 私度有關。應〉主意,在整個本揭示案中,關於LED晶粒之 • 折射率係指LED晶粒之光發射層之折射率。]LED晶粒及光 予元件光學耦合之程度係視包括黏合層之厚度及黏合層、 LED晶粒及光學元件之折射率等若干因素而定。一般而 a,當黏合層之厚度大體上小於發射光於空氣中之波長, - 例如小於約50 nm時,黏合層之折射率對LED晶粒與光學 元件之間的光學耦合而言為較不重要的。隨著厚度增加, 對於光學耦合而言,黏合層之折射率的重要性逐漸增加。 黏合層可具有小於50 nm之厚度,但其通常大於約5〇 nm,例如高達約2〇〇 11111或3〇〇 ,或甚至高達。瓜或 126897.doc -18- 200835765 nm至約 300 nm 或大於約50 100 urn。黏合層可具有約5 nm至約1〇〇 um之厚唐0盔田从τ 。 為取it化LED晶粒與光學元件之間 的光學麵合,黏合層在第—表面與第二表面間之接觸面積 上的厚度理想地為大體上均勻的。黏合層之最小必要厚度 可視欲黏合表面之平坦性或不規則性而定。
、為最佺化效率,黏合層之折射率接近地匹配於LEd晶粒 (或如上所述之光發射層)之光發射表面之彼者,例如在約 0.2以内。若黏合層之折射率太低,貝g藉由led晶粒發射之 光變成陷於晶粒中的,且即使黏合層自身為不吸收的,光 亦損失於吸收。藉由增加黏合層之折射率達到光發射層之 彼者,藉由LED發射之光之較大部分可耦合出晶粒且即使 黏合層吸附一部分發射光,光亦進入光學元件中。 如上所述,在LED晶粒之發射波長下,LED晶粒或光發 射層之折射率在約1.7至約之範圍内變化。不具有經表 面改質之金屬氧化物奈米粒子之非晶形矽酸鹽網狀物的折 射率為大於約1.4。經表面改質之金屬氧化物奈米粒子係 用以將折射率增加高達約2.4。在一實例中,在LED晶粒之 發射波長下,黏合層之折射率為至少約丨·5,例如,大於 約1·8,或大於約2。 在一特定實例中,LED晶粒包含具有大於1.9之折射率之 光發射層,及具有約50 nm至約100 um之厚度之黏合層。 在另一實例中,LED晶粒包含具有小於或等於1 ·9之折射率 之光發射層,及具有大於約5 nm至約300 nm之厚度之黏合 層0 126897.doc -19- 200835765 黏合層對藉由LED晶粒發射之特定波長之光而言為大體 上透明的。在大多數狀況下,至少約70%之透射率為理想 的且可藉由最佳化傳輸路徑長度(黏合層厚度)及吸收常數 來獲得。 本文中亦揭示的為製造LED光源之方法,該方法包含: =提供LED晶粒;b)提供光學元件;e)提供包含經表面改 質之金屬氧化物奈米粒子之光學黏合組合物及呈具有pH大 於約8之水溶液之矽來源,該矽來源選自由矽酸鹽、矽 烷:矽酸二矽酸之聚合形式、烷氧基矽烷及其組合組成之 群,及d)猎由使LED晶粒及光學元件與光學黏合組合物接 觸將LED晶粒及光學元件黏合在一起。 光學組合物可使用節流吸管’或藉由浸塗、旋轉塗佈、 氣溶膠分配、傾倒、分散、在水中噴霧,或藉由在光學組 合物之浴中將表面連接’或藉由其他相似方法而應用於 led晶粒、光學元件或兩者之—或多個表面。隨後,使表 :達到接觸以夾人光學組合物,以便組合物傳播橫過該等 =各者且形成均質層。若泡形成’則其可藉由施加真 工-移除。隨後’使組件在室溫下靜置直至其可操作而無 黏合斷裂;其可為若干分鐘 ' 丁里主右干天。外部壓力或直空可 用以加速黏合方法及/或促進良好黏合。 /、 而可熱以加速黏合層之形成及/或加強黏合層,然 而,組件之溫度必須保持在組分之 溫度以下。通常使用小於約300〇 二、 矛 20n〇r 々,、 皿度,例如,小於約 ,”、於或等於15(TC。希望使用最低可能溫度以最 126897.doc -20- 200835765 小化殘餘應力及在介面處藉由LED晶粒及光學元件之熱膨 脹係數之差異而引起的雙折射。在一些狀況下,必須小心 操作以便黏合層之溫度不超過將在操作光源期間所達到之 溫度。 實例 實例 經表面改質之氧化锆奈米粒子係藉由以提供每公克之氧 化锆1.2 mmol之矽烷之比率,將氧化锆溶膠與聚乙二醇三 烧氧基石夕烧(來自 GE Advanced Materials 之 Silquest® A 1230)混合來製備。將混合物加熱至80°C歷時4小時且冷卻 至室溫。隨後,將所得溶膠添加至矽酸鈉之40重量%溶液 (來自 EMD Chemicals Inc·之 Titri star® SX-0755-6)中以產生 為0.4:1之矽酸鈉:氧化錯之比率。 在上述溶液旋塗於塗有底料之(primed) PET上且在15 (TC 下乾燥1小時。所得薄膜之折射率使用來自Metricon Corp 之Metricon稜鏡耗合器2010型量測為1.7。亦將未添加氧化 锆奈米粒子之矽酸鈉溶液之薄膜旋塗於塗有底料之PET上 且在150°C下乾燥1小時。無氧化锆奈米粒子之該薄膜之平 均折射率再使用Metricon量測未1.5。 上文所述之經表面改質之氧化锆奈米粒子於矽酸鈉中的 溶液係用以將來自〇!Hara Corporation之S-LAH-66黏合於 經拋光之藍寶石(Rubicon Technology)。玻璃及藍寶石藉由 於丙酮接著異丙醇中之超聲波處理來清潔。用N2將板乾燥 且使用對uv/臭氧清潔系統之10分鐘曝露來移除有機殘餘 126897.doc -21 - 200835765 物。將具有S-LAH-66之板置放於光阻劑旋轉器上且將工滴 氧化锆/矽酸鈉溶液置放於玻璃板之中心。在4〇〇 rpm下將 板旋轉30秒。使藍寶石之清潔、經拋光之片材與s_lah_66 玻璃表面接觸。施加適度壓力歷時3〇秒。使所連接之樣本 在室溫下靜置1小時。隨後,以rc/min將所連接之樣本加 熱至15 0 C ’且保持1小時’接著以2°c /min冷卻。 使用不添加經表面改質之氧化鍅奈米粒子之水玻璃溶 液,重複上文所述之連接實驗。矽酸鈉於溶液中之濃度係 藉由在DI水中之稀釋而保持與先前實例中相同(6重量%石夕 酸鈉)。再次,將薄膜旋塗於具有S—LAH-66玻璃之清潔板 上。將藍寶石之經拋光板置放於玻璃之頂部且施加適度壓 力歷時30秒。再次使所連接之樣本在室溫下靜置1小時, 接著在150°C下熱處理1小時(以i°c/min加熱)。 冷卻至室溫後,具有經表面改質之氧化鍅之樣本及僅具 有石夕酸納之樣本的黏合強度足夠高以允許操作而不破壞玻 璃與藍寶石之間新形成之黏合。 比較實例 與石夕酸納混合而無表面改質之氧化錯溶膠 將石夕酸鈉溶液添加至不先於PEG-石夕烧中將氧化錯表面改 質之氧化锆溶膠中。矽酸鹽與Zr〇2之比率再次設定在 0·4·· 1。氧化錯粒子直接落出溶液,在溶液中形成大的白色 凝塊(clump)。 本發明之各種修改及改變將在不脫離本發明之主旨及範 疇時,對熟習此項技術者而言,變得明顯。應瞭解,本發 126897.doc -22- 200835765 明不欲藉由本文中陳述之說明性實施例及實例而不適當地 限制,且該等實例及實施例僅舉例呈現,本發明之範疇欲 僅僅藉由如下在本文中陳述之申請專利範圍來限制。 【圖式簡單說明】 圖1展示示範性LED光源之截面示意圖。 圖2a-2d展示示範性聚光提取器。 圖3a-3c及4a-4b展示示範性散光提取器。 【主要元件符號說明】 100 LED光源 102 LED晶粒 104 光學元件 106 黏合層 400 、 410 提取器 402 > 412 輸入表面 404 > 414 輸出表面 406a、406b ' 416 側表面 408a ' 408b 光線 418 假想線 126897.doc -23 -
Claims (1)
- 200835765 十、申請專利範圍: 1. 一種LED光源,其包含: 一 LED晶粒; 一光學耦合於該LED晶粒之光學元件;及 一黏合層,其包含於一非晶形石夕酸鹽網狀物中之經表 面改質之金屬氧化物奈米粒子,該黏合層將該LED晶粒 ' 及該光學元件黏合在一起。 2. 如請求項1之LED光源,該非晶形矽酸鹽網狀物係衍生自 W 矽酸鹽、矽烷、矽酸、矽酸之聚合形式、烷氧基矽烷或 其組合。 3. 如請求項1之LED光源,該等經表面改質之金屬氧化物奈 米粒子包含選自由以下者組成之群之金屬氧化物奈米粒 子:氧化锆、氧化鈦、氧化鋅、氧化钽、氧化鈮、氧化 鑭、氧化锶、氧化釔、氧化铪、氧化錫、氧化銻及其組 合0 0 4.如請求項1之LED光源,該等經表面改質之金屬氧化物奈 米粒子包含至少2種選自由以下者組成之群之金屬氧化 物之混合金屬氧化物奈米粒子:氧化石夕、氧化銘、氧化 ^ 錯、氧化鈦、氧化鋅、氧化钽、氧化銳、氧化鋼、氧化 锶、氧化釔、氧化铪、氧化錫、氧化銻及其組合。 5. 如請求項4之LED光源,該等混合金屬氧化物奈米粒子包 含氧化矽及氧化锆。 6. 如請求項4之LED光源,該等混合金屬氧化物奈米粒子包 含氧化矽及氧化鈦。 126897.doc 200835765 7. 如請求項4之LED光源,該等混合金屬氣化物奈米粒子~ 含氧化矽、氧化鍅及氧化鈦。 I 8. 如請求則之㈣光源,該等經表面改質之金屬氧化物太 米粒子包含具有大於約L8之折射率之結晶氧化錯: 子。如請求机㈣光源,該等經表面改質之金屬氧化物奈 米粒子包含具有大於約2.0之折射率之結晶氧化欽奈米: 子。 如請求項1之LED光源,該等經表面改質之金屬氧化物奈 米粒子係經表面改質劑表面改質,該表面改質劑包含& 水性基團。 11·如請求項1之LED光源,該等經表面改質之金屬氧化物奈 米粒子係經表面改質劑表面改質,該表面改質劑包含羧 酸、膦酸、烷氧基矽烷或其組合或混合物。 12·如請求項11之LED光源,該烷氧基矽烷包含聚乙二醇烷 氧基珍烧。 13·如請求項1之LED光源,該黏合層包含約4〇至約95重量% 之該等經表面改質之金屬氧化物奈米粒子。 14·如睛求項1之LED光源,該LED晶粒包含具有大於1.9之 折射率之光發射層,且該黏合層具有約5〇 nm至約100 um之厚度。 15 ·如請求項1之led光源,該LED晶粒包含具有小於或等於 1.9之折射率之光發射層,且該黏合層具有大於約5 nm至 約300 nm之厚度。 126897.doc 200835765 16·如請求項iiLED光源,其中該LED晶粒包含一光發射表 面’該光學元件包含一光輸入表面且該黏合層將該光發 射表面及該光輸入表面黏合在一起。 17·如請求項iiLED光源,該光學元件具有至少約2.0之折 射率。 18·如請求項iiLED光源,該光學元件包含具有至少約1.7 之折射率之光學玻璃。 19·如請求項1之LED光源,該光學元件包含一散光或聚光提 取器。 2〇· —種製造一LED光源之方法,該方法包含: a) 提供一 LED晶粒; b) 提供一光學元件; c) 提供光學黏合組合物,其包含經表面改質之金屬氧 化物奈米粒子及呈具有大於約8之pH值之水溶液形式 的石夕來源,該石夕來源係選自由石夕酸鹽、石夕烧、石夕 酸、矽酸之聚合形式、烷氧基矽烷及其組合組成之 群;及 d) 藉由使該LED晶粒及該光學元件與該光學黏合纟且合 物接觸’將該LED晶粒及該光學元件黏合在^一起。 21·如請求項20之方法,其中將該led晶粒及該光學元件與 該光學黏合組合物接觸係在室溫下進行。 22·如請求項20之方法,其中自將該led晶粒及該光學元件 黏合在一起而形成一組件,且該方法另外包含加熱該組 件0 126897.doc 200835765 23 · —種光學黏合組合物,其包含: 經表面改質之金屬氧化物奈米粒子;及 呈具有大於約8之pH值之水溶液形式的;ε夕央屯 水/原,該矽 來源包含矽酸鹽、矽烷、矽酸、矽酸之聚合形式、、― 工、x燒氣 基石夕烷•或其組合。 24·如請求項23之光學黏合組合物,其中該等經表面改質之 金屬氧化物奈米粒子以重量計係以大於該石夕來源之一半 之量存在。 25·如請求項23之光學黏合組合物,該等經表面改質之金屬 氧化物奈米粒子包含經聚乙二醇烷氧基矽烷表面改質之 氧化錯。126897.doc
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