有机磷光体官能化纳米颗粒及包含其的组合物的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年4月1日提交的美国临时申请No. 61 /807，111的优先权，其内 容通过引用并入本文。
[0003] 政府权利声明
[0004] 本发明在国家科学基金会授予的EEC-0812056和国家科学基金会授予的DMR-0642573的美国政府支持下完成。美国政府享有本发明的一定权利。
技术领域
[0005] 本发明一般性涉及纳米颗粒，并且更具体地，涉及磷光体官能化纳米颗粒以及掺 有该磷光体官能化纳米颗粒的聚合物基体、光学系统和产品。
【背景技术】
[0006] 白色发光二极管(LED)的诸多优越特性如高效、低能耗、长寿命和优异的可靠性等 促进其渗透到市场中，用于大尺寸平板背光照明、道路照明以及博物馆和住宅照明。产生白 光最常用的方法是将以短波长(蓝光、紫光或紫外光)发射的半导体芯片与波长转换磷光体 结合，所述波长转换磷光体吸收由二极管发射的一部分光并且在更长波长下进行二次发 射。常规的磷光体由无机基质物质（inorganic host substance)如纪错石植石(YAG)构成， 所述无机主物质包含光学活性掺杂剂(通常是一种稀土元素或稀土化合物）。无机磷光体的 应用常常受到稀土元素的资源枯竭、颜色调节困难以及在聚合物树脂中不均匀分散的限 制。通常，无机磷光体以粉末形式与树脂混合，而散射导致光学效率显著降低。
[0007] 因此，为了改善高亮度白色LED在更高的发光效率和更好的显色能力方面的性能， 迫切需要高度透明且有效的光转换材料。
[0008] 虽然讨论了常规技术的一些方面以便于理解本发明的公开内容，但是本申请人不 以任何方式放弃这些技术方面，并且预期所要求保护的发明可涵盖本文中所讨论的一个或 更多个常规技术方面。
[0009] 在本说明书中，在引用或讨论知识的文件、行为或项目时，这种引用或讨论并非承 认所述知识的文件、行为或项目或其任何组合在优先权日是公开可得的、为公众所知的、公 知常识的一部分;或者构成适用的法律规定下的现有技术;或者已知与解决有关本说明书 的任何问题的尝试相关。
【发明内容】
[0010]简而言之，本发明满足了组合物提供包含所述组合物的改进光学系统和产品（例 如，LED)的需要。本发明可解决以上讨论的现有技术的一个或更多个问题和缺陷。然而，预 期可以证明本发明可用于解决多个技术领域中的其他问题和缺陷。因此，所要求保护的发 明不一定解释为限于解决本文所讨论的任何特定问题或缺陷。
[0011]在一个方面中，本发明提供了磷光体官能化纳米颗粒，其包含：
[0012] -无机纳米颗粒核；
[0013] -表面聚合物刷，其包含：
[0014] -键合到所述无机纳米颗粒核表面的多个长链聚合物，所述长链聚合物各自的分 子量大于500,和
[0015] -键合到所述无机纳米颗粒核表面的多个短链聚合物，所述短链聚合物各自的分 子量小于所述长链聚合物平均分子量的〇. 5倍；以及
[0016] --个或更多个有机磷光体，其键合到多个短链聚合物中的一个或更多个和无机 纳米颗粒核中的至少之一，
[0017] 其中无机纳米颗粒核表面上短链聚合物的接枝密度(〇S(；)大于无机纳米颗粒核表 面上长链聚合物的接枝密度(〇 LC)。
[0018] 在另一个方面中，本发明提供了包含上述的本发明磷光体官能化纳米颗粒的聚合 物基体。
[0019] 在另一个方面中，本发明提供了包含本发明磷光体官能化纳米颗粒和/或本发明 聚合物基体的LED。
[0020] 在另一个方面中，本发明提供了包含本发明纳米颗粒和/或聚合物基体的光学系 统。
[0021] 在另一个方面中，本发明提供了包含本发明纳米颗粒、聚合物基体和/或光学系统 的照明装置。
[0022] 在另一个方面中，本发明提供了包含本发明纳米颗粒、聚合物基体和/或光学系统 的固定装置(：^11：11^)。
[0023]当前公开的磷光体官能化纳米颗粒、聚合物基体、光学系统和产品（例如，LED、照 明装置、固定装置)的某些实施方案具有一些特征，这些特征中的任何单个特征都不是形成 其期望属性的唯一原因。在不限制如所附权利要求所限定的这些磷光体官能化纳米颗粒、 聚合物基体、光学系统和产品（例如，LED、照明装置、固定装置）的范围的情况下，现将简单 地讨论其较突出的特征。在考虑该讨论之后，并且特别是在阅读本说明书中题为"具体实施 方式"的部分之后，将理解本文中所公开的多个实施方案的特征如何提供超越现有技术水 平的多个优点。这些优点可包括但不限于提供改良的纳米颗粒，其可用于多个应用，包括例 如用于LED和光学系统。所述纳米颗粒还可以提供改进的、高度透明且有效的光转换材料。 本发明实施方案提供了这样的方法，其将有机磷光体(有机染料)结合到无机纳米颗粒的表 面上和/或以受控方式设置在其上的聚合物上;并且通过本发明的纳米颗粒，提供了一种方 法和具有磷光体官能化纳米颗粒均匀分散体的聚合物组合物/基体。将高折射率的纳米颗 粒结合入LED封装聚合物材料中可以导致更高的光提取效率。同时，本发明磷光体官能化纳 米颗粒还可充当具有额外功能（如色彩转换和传导性）的载体。在特定的实施方案中，本发 明提供了间隔、染料浓度、聚合物接枝密度以及新染料化学的优异控制，以获得金属氧化物 纳米材料的优良分散体。
[0024]通过以下结合所附权利要求和附图对本发明多个方面的详述，本发明的这些和其 他特征和优点将变得明显。
【附图说明】
[0025] 下文中将结合以下附图来描述本发明：
[0026] 图1是本发明磷光体官能化纳米颗粒的实施方案的示意图，所述磷光体官能化纳 米颗粒的有机磷光体(荧光染料)附接到具有双峰聚合物刷设计纳米颗粒上。
[0027]图2A提供了 NBD-C00H官能化Zr02纳米颗粒溶液的UV/Vis吸收光谱和PL发射光谱。 图2B是NBD-C00H官能化Zr02纳米颗粒溶液的数码照片。
[0028] 图3是利用"点击（click)"方法将炔基NBD附接至短链聚合物的双峰设计的示意 图。
[0029] 图4A提供了涂覆有不同负载的包含官能化纳米颗粒的有机硅纳米复合材料的蓝 光LED的辐射通量曲线。图4B是示出透明半球形纳米复合材料圆顶的数码照片。
[0030] 图5A和5B提供了涂覆有不同负载的含官能化纳米颗粒之有机硅纳米复合材料(聚 合物基体)的蓝光LED的CIE X y坐标和对应的数码照片。
【具体实施方式】
[0031] 以下参照附图中示出的非限制性实施方案更充分地解释本发明的各方面和某些 特征、优点及其细节。省略了对公知材料、制造工具、处理技术等的描述，从而不会不必要地 模糊本发明的细节。应理解，详述和具体实施例尽管说明本发明的实施方案，但是仅以说明 的方式而不是限制的方式给出。通过本公开内容，在本发明概念下的精神和/或范围内的各 种替换、修改、添加和/或布置对本领域技术人员而言将是明显的。以下将参照附图，所述附 图不一定按比例绘制，而是为了便于理解而提供。
[0032] 在一个方面中，本发明提供了磷光体官能化纳米颗粒，其包含：
[0033]-无机纳米颗粒核；
[0034]-表面聚合物刷，其包含：
[0035] -键合到所述无机纳米颗粒核表面的多个长链聚合物，所述长链聚合物各自的分 子量大于500,和
[0036] -键合到所述无机纳米颗粒核表面的多个短链聚合物，所述短链聚合物各自的分 子量小于所述长链聚合物平均分子量的〇. 5倍；以及
[0037] --个或更多个有机磷光体，其键合到所述多个短链聚合物的一个或更多个和所 述无机纳米颗粒核的至少之一，
[0038] 其中所述无机纳米颗粒核表面上的短链聚合物的接枝密度(〇sc)大于所述无机纳 米颗粒核表面上的所述长链聚合物的接枝密度(〇lc)。
[0039] 本发明磷光体官能化纳米颗粒的无机纳米颗粒核包括任意无机材料或无机材料 的组合。如本文所用的无机材料通常不包括其中存在碳且与另一个原子共价键合的有机化 合物，但是无机材料包括碳化物。
[0040] 可包含在所述纳米颗粒