用于led光源的光学粘合组合物的制作方法

专利名称：用于led光源的光学粘合组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED光源，并且尤其涉及具有使用光学粘合组合物粘 合到LED管芯的光学元件的LED光源。
背景技术：
LED光源具有提供常规光源的亮度、输出和运行寿命的固有潜能。 不幸地是，LED光源在通常称为LED管芯的半导体材料中产生光，并 且在基本上不降低亮度或增加LED光源表观发光面积的情况下，难以 有效地从LED管芯中提取光。这种困难通常由于LED管芯(折射率n 为2.4或更大)和空气(n=l)之间的大折射率失配产生，使得在LED 管芯中生成的大部分光发生全内反射并且不可以逸出管芯，从而降低 亮度。
先前用于从LED管芯中提取光的方法包括使用封装LED管芯的 密封剂。密封剂通常具有高于空气的折射率(对于典型的环氧密封剂， n约为1.5)，使得在管芯界面处与其周围的折射率失配降低。因此， 浪费较少的光并且光源更为明亮。然而，需要进一步改善效率和亮度。 另外，密封剂易受来自在LED管芯生成的热的大的温度漂移的影响， 随着多个温度循环，其引起可以损坏管芯的应力。密封剂还可以黄化 或者随时间推移降解。
提取器也可以用于从LED管芯中提取光。这些光学元件通常为透明聚合物或玻璃并且接触或紧邻LED管芯表面设置。提取器和LED管 芯光学耦合使得光从LED管芯中提取出来。提取器的输入表面通常具 有特定尺寸和形状以和LED管芯的主发光表面大体配合。然而，难以 粘合提取器和LED管芯已经妨碍提取器的使用。已知的粘合方法需要 高温(大于350°C)和高压，这两者会负面地影响LED光源的功能。 已知的粘合方法还需要涉及到的制造方法，例如化学气相沉积法、多 种形式的外延等，其限制了这些方法在选择应用场合方面的有效性。

发明内容
本文所公开的是光学粘合组合物以及包括该组合物的LED光源。 LED光源可以包括LED管芯；光学耦合到LED管芯的光学元件；以 及包括在无定形硅酸盐网中的表面改性的金属氧化物纳米粒子的粘合 层，粘合层将LED管芯和光学元件粘合在一起。无定形硅酸盐网可以 衍生自硅酸盐、硅垸、硅酸、硅酸的聚合物形式、烷氧基硅垸、或它 们的组合。表面改性的金属氧化物纳米粒子包括金属氧化物纳米粒子 和表面改性剂。可用的金属氧化物纳米粒子包括氧化锆、二氧化钛、 氧化锌、氧化钽、氧化铌、氧化镧、氧化锶、氧化钇、二氧化铪、氧 化锡、氧化锑、以及它们的组合。还可以使用上述的混合氧化物。在 一个具体实例中，金属氧化物纳米粒子包括具有大于约1.8的折射率的 结晶氧化锆纳米粒子。可用的表面改性剂包括羧酸、膦酸、垸氧基硅 烷或它们的组合或混合物。光学元件通常为通过为光从LED管芯内部 逸出提供便利而增加光源效率的光学提取器。
另外本文所公开的是制备LED光源的方法，该方法包括a)提 供LED管芯；b)提供光学元件；c)提供包括表面改性的金属氧化物 纳米粒子和在具有大于约8的pH值水溶液中的硅源的光学粘合组合 物，硅源选自由硅酸盐、硅垸、硅酸、硅酸的聚合物形式、垸氧基硅 烷以及它们的组合组成的组；以及d)通过使LED管芯和光学元件与 光学粘合组合物接触，将LED管芯和光学元件粘合在一起。本文所公开的LED光源可用于多种照明应用中，例如用于可以是
侧光式或直下式的背光指示牌和液晶显示器。本文所公开的LED光源 还可以用作用于LED标牌、汽车应用、投影应用和一般照明(包括建 筑照明、调光(mood)照明和艺术照明)的光源。
本发明的这些方面以及其他方面在下面的具体实施方式
中将显而 易见。然而，在任何情况下上述发明内容都不应理解为是对受权利要 求书保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求的限定，在专利申 请过程中可以对其进行修正。


结合以下附图以及以下具体实施方式
及实例可以更加全面地理解 本发明。在任何情况下都不应将附图理解为是对受权利要求书保护的 主题的限制，该主题仅受本文所阐述的权利要求的限定。
图1示出示例性LED光源的示意性横截面。
图2a-2d示出示例性会聚式提取器。
图3a-3c和4a-4b示出示例性发散式提取器。
具体实施例方式
图1示出示例性LED光源100的示意性横截面，LED光源100包 括通过粘合层106粘合在一起的LED管芯102和光学元件104。粘合 层包括在无定形硅酸盐网中的表面改性的金属氧化物纳米粒子。 一般 来讲，LED管芯和光学元件光学耦合使得由LED管芯发射的光能够传 播并且到达光学元件。取决于元件的具体性质，光学元件可以为光能 够以多种方法进入并射出的提取器。
为简单起见，LED管芯在图1中一般性示出并且可以包括在本领 域已知的常规设计特征。例如，LED管芯可以包括截然不同的p和n 型半导体层，其通常由m-V半导体形成，包括氮化物，例如A1N、 GaN、InN;磷化物，例如InGaP、 A1P、 GaP、 InP;以及其他例如AlAs、 GaAs、 InAs、 AlSb、 GaSb禾口 InSb。 LED管芯还可以由II-VI半导体(例如ZnS、 ZnSe、 CdSe禾tlCdTe) 、 IV族半导体Ge、 Si和碳化物(例如SiC)形 成。LED管芯还可以包括缓冲层、基底层和覆盖层。LED管芯在光源 (其中存在LED管芯)的典型发射波长处的折射率为约1.7至约4.1。
虽然示出的是矩形的LED管芯，但是还可以想到其他已知的构型， 例如LED管芯可具有可形成截短的倒锥体的倾斜侧面。为简单起见没 有示出LED管芯的电触点，但可以将其布置在任何一个或多个表面上 以施加电力给装置通电。实例包括焊接回流、引线键合、巻带式自动 键合(TAB)、或者倒装键合。元件或芯片的各个层和其他功能元件通常 以晶片级形成，然后将加工好的晶片切成单个元件，以生产多个LED 管芯。可以用表面贴装、薄芯片直接贴装或其他已知的贴装构型来构 造LED管芯。
本文所公开的光学元件由具有相对高的折射率的固态、透明材料 制成。用于光学元件的合适的材料包括无机材料，例如光学玻璃，如 得自肖特北美有限公司(Schott North America, Inc.)的肖特玻璃型号 LASF35或N-LAF34，以及在美国序列No. 11/381518 (Leatherdale等 人)中描述的那些，该专利的公开内容以引用方式并入本文。其他适 合的无机材料包括陶瓷，如蓝宝石、氧化锌、氧化锆、金刚石和碳化 硅。蓝宝石、氧化锌、金刚石和碳化硅尤其是有用的，因为这些材料 另外具有相当高的热导率(0.2-5.0W/cmK)。光学元件还可以包括热 固性高折射率聚合物，例如丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂、聚碳酸 酯和多环类聚合物；或热塑性高折射率聚合物，例如聚碳酸酯和环烯 烃。光学元件可以包括与陶瓷纳米粒子结合的热固性或热塑性聚合物， 陶瓷纳米粒子包括氧化锆、氧化锌、二氧化钛和硫化锌。
提取器的折射率在LED管芯的发射波长处至少为约1.5，例如， 大于约1.8，或大于约2。在一个实例中，光学元件的折射率可以与LED管芯的发光表面的折射率相同、几乎相同或不大于LED管芯的发光表
面的折射率。这将允许光的最大限度提取。例如，折射率可以在约0.2以内。或者，提取器的折射率可以大于或小于LED管芯发光表面的折射率。例如，如果LED管芯的发光表面为1.75，则提取器可以具有1.7、1.75、 1.9、 2.1或2.3的折射率。
在一个实例中，光学元件包括具有至少约1.7的折射率的光学玻璃。在另一个实例中，光学元件包括具有至少约2.0，优选地至少2.1、2.2或2.3或更大折射率的玻璃或玻璃陶瓷材料，如在美国序列No.11/381518 (Leatherdale等人)中描述的。 一般来讲，这些材料包括小于20重量％的B203，小于20重量％的Si02，以及小于40重量％的P205。在一些情况下，限制下列材料小于20重量％: As203、 Bi203、 Ge02、NaO、 Te02、 V205、 Si02、 B203，以及P205。可用的玻璃或玻璃陶瓷材料包括至少两种金属氧化物，例如Al203; Ti02;稀土氧化物；或碱土金属氧化物。这些材料的结晶温度Tx优选地高于它们的玻璃化转变温度Ig至少5'C，这有利于材料模制成光学元件。
光学元件的一个实例为可以用于从LED管芯中提取光的提取器。一般来讲，提取器修饰光的角分布，转变第一光发射图案为不同的第二光发射图案。根据提取器的形状，发射光的图案为总体上向前方向并且可以为围绕提取器的圆形或在侧边以某种对称或非对称分布。
光学元件可以包括会聚式提取器，如在美国序列No. 11/381324(Leatherdale等人)中描述的，该专利的公开内容以引用方式并入本文。会聚式提取器具有至少一个汇聚侧边、基部和顶端，并且顶端至少部分地设置在基部上并且具有小于基部表面积的表面积，并且至少一个会聚侧边从基部向顶端会聚。会聚式提取器的形状可以为锥形、多面的、类楔形、类锥形等，或它们的某种组合。基部可以具有任何形状(如方形、圆形、对称、非对称、规则或不规则)。顶端可以为点、线或平的或圆形表面，并且其位于基部上，或保持居中或从基部的中心偏移。对于会聚式提取器，基部通常邻近LED管芯设置并且一般与LED管芯平行。另外，基部和LED管芯可以在尺寸上基本匹配，或基部可以小于或大于LED管芯。
图2a-2d示出示例性会聚式提取器的透视图图2a示出四侧面的椎体；图2b示出六侧面的多面体；并且图2c和2d示出楔形体，其中顶端(线条)设置在基部上，并且顶端分别保持居中和从中心偏移。在图2d中示出的提取器还具有两个起到准直光作用的发散侧边，会聚侧边使得光重新导向至侧边。会聚式提取器的其他实例在美国专利序列No. 11/381324 (Leatherdale等人)中示出。
光学元件可以包括发散式提取器，如在美国专利申请Nos.2006/0091784 Al (Connor等人)、2006/0091411 Al (Ouderkirk等人)、2006/0091798 Al (Ouderkirk等人)和2006/0092532 Al (Ouderkirk等
人)中描述的，其公开内容以引用方式并入本文。发散式提取器具有至少一个发散侧边、输入表面以及大于输入表面的输出表面。发散式提取器一般以锥形的形式成形。图3a-3c示出示例性发散式提取器图3a示出具有四个侧边的截短的倒多面体的透视图；图3b示出具有抛物线侧壁的截短的倒锥体的透视图；并且图3c示出具有凸的输出表面的截短的倒锥的示意性横截面。
发散式提取器的实例也在美国序列No. 11/381518 (Leatherdale等
人)中此前描述的图4a和4b中示出。这些提取器的表面被布置为将来自LED管芯的光的方向改变为基本上边路的方向，而不是沿着LED管芯的中心轴的向前方向。侧发光LED尤其适合用在液晶显示面板的薄直下式背光源中，因为可以使光在短距离内横向地扩展，避免了显示器整个观察区域的亮区和暗区或热点。
图4a为楔形提取器400的示意性侧视图。提取器400具有输入表面402、输出表面404以及侧面406a和406b。输入和输出表面可以彼此设置为具有很大的角度，标称地约90度。对于这种布置方式，穿过
输入表面进入的光线408a从侧面的一个或两个反射(是通过全内反射还是在反射材料或涂层的帮助下没有示出)并且大约向侧边重新导向，如由光线408b表示的。随后光线408b穿过输出表面射出。提取器400的形状或周边的俯视图可以显示出多种形状，包括矩形、梯形、派形、半圆形或它们的任何组合。
图4b为另一个楔形提取器410的示意性侧视图。提取器410具有输入表面412、输出表面414和侧面416。提取器410可以具有将提取器400绕竖直的轴旋转而成的形状，该竖直的轴与侧面406a重合。在一些情况下，该提取器可以通过将复合构造的两个提取器400在它们各自的侧面406a处连接而制成。在一种不同的复合构造中，虚线41S表示在组成提取器410的截然不同的光学主体之间可能的界面或边界。
类似于提取器400,提取器410的输入和输出表面彼此设置为具有很大的角度，标称地约卯度。穿过输入表面进入的来自LED的光从侧面的一个或两个反射(是通过全内反射还是在反射材料或涂层的帮助下没有示出)并且大约向侧边重新导向，随后穿过输出表面射出。从俯视图(未示出)看，提取器410的形状可以是包括(例如)多边形(如正方形或矩形)、圆形或椭圆形的多种形状中的任何一种。对于圆形或椭圆形的形状或周边，穿过输入表面进入的光重新导向以形成输出光的环。
就会聚式提取器来说，发散式提取器的输入表面通常紧邻LED管芯设置并且一般平行于LED管芯。另外，输入表面和LED管芯可以在尺寸上基本匹配，或输入表面可以小于威大于LED管芯。发散式提取器的其他实例在美国7，009，213 B2和美国6,679,621 B2中有所描述。
如上所述，LED管芯包括交替的半导体层。最外层中的一个可以称为发光层，并且该层具有可以称为发光表面的最外表面。另外如上所述，光学元件包括光输入表面。在一个可用的构造中，LED光源包
括粘合在一起的LED管芯和光学元件，使得发光表面和光输入表面与粘合层接触，如在例如图l中示出的。
光学粘合组合物用于形成粘合层。光学粘合组合物包括表面改性的金属氧化物纳米粒子；以及在具有大于约8的pH值的水溶液中的硅源。硅源可以包括硅酸盐、硅垸、硅酸、硅酸的聚合物形式、烷氧基硅烷、或它们的组合。溶解在水中的二氧化硅可以用于形成硅酸Si(OH)4，其由于二氧化硅的水解形成。通过保持pH值大于约8，通过氢氧根离子催化聚合縮合反应，形成硅酸的聚合物形式。通过增加pH值，例如至大于约8，或至大于约11可以形成硅酸盐。
光学粘合组合物可以包括一种或多种烷氧基硅烷，其具有化学式
(R')x-Si-(OR2)y
其中R'可以为垸基、 一元醇、聚乙二醇或聚醚基团，或它们的组
合或混合物；W可以为烷基、乙酰氧基，或甲氧基乙氧基，或它们的混合物；乂=从0至3; y二从l至4，前提条件是x+y二4。可以加入一种或多种烷氧基硅烷以降低交联密度并对硅酸盐网增加柔韧性。
光学粘合组合物可以包括一种或多种硅烷，其具有化学式
(R')x-Si-Hy
其中R'可以为烷基、 一元醇、聚乙二醇、或聚醚基团，或它们的组合或混合物；x-从1至3;厂从1至3，前提条件是x+y=4。
可以使用多种材料以调整光学粘合组合物的pH值。实例包括强碱，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锶、氢氧化铵，以及乙醇钠。如果希望减慢氢氧化物催化作用，还可以使用例如聚偏磷酸钠的弱碱。
当将LED管芯和光学元件粘合在一起时在LED管芯和光学元件之间形成粘合层。据信光学粘合组合物发生反应以形成硅酸盐网。通过施加热可以加速反应。硅酸盐网是指化学键合的网，类似于二氧化硅的整体结构，但比二氧化硅的整体结构松散。二氧化硅的三维结构根据硅氧垸跨接(Si-O-Si)，在四面体几何形状中每一个硅原子键合到四个氧原子。类似于二氧化硅，硅酸盐网包括硅氧垸跨接，然而，硅酸盐网还包括在网内作为局部封端基团的嵌入和/或暴露的非跨接氧原子。非跨接氧原子以硅烷醇基团(Si-OH)的形式或以具有阳离子(通常金属阳离子(Si-CTM+))的更阴离子形式存在。例如，在R. K.Iler的"The Chemistry of Silica" (二氧化硅的化学)(Wiley， New York1979)中可以发现硅酸盐网的进一步讨论。
光学组合物还包括表面改性的金属氧化物纳米粒子。表面改性的金属氧化物纳米粒子可以包括选自由下列组成的组的金属氧化物纳米粒子氧化锆、二氧化钛、氧化锌、氧化钽、氧化铌、氧化镧、氧化锶、氧化钇、二氧化铪、氧化锡、氧化锑、以及它们的组合。金属氧化物纳米粒子还可以包括至少两种选自由下列组成的组的金属氧化物
的混合金属氧化物纳米粒子氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、
氧化锌、氧化钽、氧化铌、氧化镧、氧化锶、氧化钇、以及它们的组合。二氧化钛纳米粒子可以为金红石或锐钛矿形式。混合金属氧化物
纳米粒子的具体实例包括含氧化硅和氧化锆；氧化硅和二氧化钛；以及氧化硅、氧化锆和二氧化钛的那些。使用的具体金属氧化物纳米粒子可以取决于多种因素，例如折射率、光学组合物中的相容性、成本等。
金属氧化物纳米粒子用一种或多种表面改性剂表面改性以增加金属氧化物纳米粒子与粘合层和/或光学组合物中的其他组分的相容性。例如，氧化锆纳米粒子在具有2至4pH值的水酸性环境中是稳定的，并且可以使用表面改性以保护纳米粒子防止在光学组合物的水碱性环境中的絮凝。表面改性涉及金属氧化物纳米粒子与表面改性剂的反应，表面改性剂附连到纳米粒子的表面并且改性其表面特性。
表面改性剂可以由化学式A-B表示，其中A基团能够附连到金属氧化物纳米粒子的表面，并且B基团为相容基团。 一般来讲，需要考虑具体金属氧化物和光学组合物的性质来选择A基团，即，表面改性的金属氧化物纳米粒子应稳定，使得在高碱性环境中保持相容性。可用的A基团包括羧酸、膦酸、烷氧基硅烷、胺、以及它们的组合和混
合物。垸氧基硅烷可以由下列化学式表示
-Si-(OR3)z
其中R3为烷基、乙酰氧基、甲氧基乙氧基，或它们的混合物；并且z-从1至3。
可用的B基团为使得金属氧化物纳米粒子在光学组合物中相容的亲水性基团；实例包括一元醇、聚乙二醇和聚醚。表面改性剂的实例包括聚乙烯垸氧基硅垸和聚乙烯类羧酸衍生物，例如2[-2- (2-甲氧基乙氧基)乙氧基]乙酸和(2-甲氧基乙氧基)乙酸。
表面改性的金属氧化物纳米粒子具有小于光波长，例如小于约300nm的平均粒度。
表面改性的金属氧化物纳米粒子可以按重量计以大于硅源二分之一的量存在于光学组合物中。相对于将LED管芯和光学元件粘合在一起形成的粘合层，表面改性的金属氧化物纳米粒子可以以相对于粘合层的重量以约1至约95重量％的量存在。通常，相对于粘合层的总重，希望具有约40至约95重量％的表面改性的金属氧化物纳米粒子。使用的具体量部分由对于粘合层的所需折射率确定，如下面描述的。然而，如果在粘合层中纳米粒子的量太大，则在LED管芯和光学元件之间难
以获得合适的粘合，并且另外，LED光源的效率可能变差。
具体地讲，表面改性的金属氧化物纳米粒子包括具有至少约1.8，优选地至少约2.0的折射率的高度结晶的氧化锆纳米粒子，例如在美国6,376,590 B2中描述的纳米粒子，其公开内容以引用的方式并入本文。高度结晶的氧化锆纳米粒子通过用上述对化学式A-B描述的烷氧基硅垸中的一种或多种表面改性掺入到光学组合物中。高度结晶的氧化锆纳米粒子具有小于约100nm的平均粒度。
上述描述的氧化锆纳米粒子的折射率比无定形氧化锆的折射率高得多。当掺入到硅酸盐网以得到无定形硅酸盐网时，氧化锆纳米粒子使得粘合层的折射率增加。因此，粘合层的光学特性可以如下面描述定制，取决于将要粘合的具体LED管芯和光学元件。具体地讲，硅酸盐网的折射率为约1.4，并且对于表面改性的氧化锆纳米粒子为约1.8至约2.1。表面改性的金属氧化物纳米粒子还可以包括具有大于约2.0，并且优选地大于约2.2的折射率的结晶二氧化钛纳米粒子。
LED光源的效率与LED管芯和光学元件光学耦合的程度直接相关。应该指出的是，在整个公开中，对LED管芯折射率的参考为对LED管芯的光发射层的折射率的参考。LED管芯和光学元件光学耦合的程度取决于若干因素，包括粘合层的厚度以及粘合层、LED管芯和光学元件的折射率。 一般来讲，当粘合层的厚度显著地小于空气中发射光的波长，例如小于约50nm对，粘合层的折射率对于LED管芯和光学元件之间的光学耦合不太重要。随着厚度增加，相对于光学耦合，粘合层的折射率变得越来越重要。
粘合层可以具有小于50nm的厚度，但其通常为大约约50nm，例如高达约200nm或300nm，或甚至高达10pm或lOOjtim。粘合层可以具有约5nm至约300nm，或大于约50nm至约100pm的厚度。为优化LED管芯和光学元件之间的光学耦合，期望粘合层的厚度在第一和第二表面之间的整个接触区域基本上是均匀的。粘合层的最小必须厚度可以取决于将要粘合的表面的平坦性或不规则性。
为最大化效率，粘合层的折射率紧密匹配LED管芯光发射表面(或上面描述的光发射层)的折射率，例如，在约0.2以内。如果粘合层的折射率太低，由LED管芯发射的光困在管芯中并且损失于吸收，即使粘合层本身是非吸收的。通过增加粘合层的折射率至光发射层的折射率，较大比率的由LED发射的光可以耦合出管芯并且进入光学元件，即使粘合层吸收发射光的一部分。
如上所述，LED管芯或光发射层的折射率在LED管芯的发射波长处为约1.7至约4.1。没有表面改性的金属氧化物纳米粒子的无定形硅酸盐网的折射率大于约1.4。表面改性的金属氧化物纳米粒子用于增加折射率高达约2.4。在一个实例中，在LED管芯的发射波长处粘合层的折射率至少为约1.5，例如，大于约1.8，或大于约2。
在一个具体的实例中，LED管芯包括具有大于1.9的折射率的光发射层，并且粘合层具有约50nm至约100pm的厚度。在另一个实例中，LED管芯包括具有小于或等于1.9的折射率的光发射层，并且粘合层具有大于约5nm至约300nm的厚度。
粘合层对由LED管芯发射的特定波长的光基本上为透明的。在大部分情况下，至少约70%的透射是理想的并且可以通过透射路径长度(粘合层厚度)和吸收常数的优化获得。
本文另外公开了制备LED光源的方法，该方法包括a)提供LED管芯；b)提供光学元件；c)提供包括表面改性的金属氧化物纳米粒子和在具有大于约8pH值的水溶液中的硅源的光学粘合组合物，硅源选自由硅酸盐、硅烷、硅酸、硅酸的聚合物形式、垸氧基硅垸以及它们的组合组成的组；以及d)通过使LED管芯和光学元件与光学粘合组合物接触，将LED管芯和光学元件粘合在一起。
使用滴管或通过浸涂、旋涂、气溶胶分配、浇注、分配、用水喷雾或通过在光学组合物的容器中连接表面或通过其他类似方法可以将
光学组合物施加到LED管芯、光学元件或两者的一个或多个表面。然后使表面接触以夹住光学组合物，使得组合物在表面中每一个的整个上扩散并且形成均匀的层。如果形成气泡，可以通过施加真空来移除它们。然后允许在室温下保持组件直到在没有粘合失效的情况下其为可处理的；这个过程可以从几分钟至几天。外部压縮力或真空可以用
于加快粘合处理和/或用于促进良好的粘合。
可以施加热以加快粘合层的形成和/或加强粘合层，然而，组件的温度必须保持在任一组分的最低玻璃化转变温度之下。通常使用小于
约30(TC的温度，例如，小于约200。C，或小于或等于150°C。为了最小化由LED管芯和光学元件的热膨胀系数的差值引起的在界面处的残余应力和双折射，使用可能的最低温度是理想的。在一些情况下，必须当心，以使得粘合层的温度不超过在光源工作期间将达到的温度。
实例实例
通过将氧化锆溶胶与聚乙二醇三烷氧基硅烷(得自迈图高新材料集团(GE Advanced Materials)的Silquest A-1230)以每克氧化锆提供1.2毫摩尔硅烷的比率混合制备表面改性的氧化锆纳米粒子。将混合物加热至8(TC持续4小时，并冷却至室温。然后将所得溶胶加入到40重量％的硅酸钠溶液(得自EMD化学品有限公司(EMD Chemicals Inc.)的Titristar SX-0755-6)以得到硅酸钠氧化锆的比率为0.4 : 1。
将上述溶液旋涂到涂底漆的PET上并在15(TC下干燥1小时。使用得自Metricon有限公司的Metricon棱镜耦合器型号2010测量所得薄膜的折射率为1.7。将没有加入氧化锆纳米粒子的硅酸钠溶液的薄膜也旋涂到涂底漆的PET上并在150'C下干燥1小时。再次使用Metricon测量没有氧化锆纳米粒子的这种薄膜的平均折射率为1.5。
在上述描述的硅酸钠中表面改性的氧化锆纳米粒子的溶液用于将得自O'Hara有限公司的S-LAH-66粘合至抛光的蓝宝石(卢比肯科技公司(Rubicon Technology))。通过在丙酮然后异丙醇中的超声处理来清洁玻璃和蓝宝石。用N2干燥板并且使用10分钟的暴露于紫外/臭氧清洁系统来移除有机残余。将S-LAH-66板放置在光阻涂布机上并将1滴氧化锆/硅酸钠溶液放置在玻璃板的中心。板在400rpm下旋转30秒。将清洁的、抛光的蓝宝石片与S-LAH-66玻璃表面接触。施加适度压力30秒。允许接合的样品在室温下保持1小时。然后接合样品以1"C/min加热至150'C并保持1小时，然后以2°C/min冷却。
使用没有加入表面改性氧化锆纳米粒子的水玻璃溶液重复上述描述的接合实验。通过在去离子水中稀释保持溶液中硅酸钠的浓度与先前实例中的浓度相同(6重量％硅酸钠)。再次将薄膜旋涂到S-LAH-66玻璃的干净板上。将蓝宝石的抛光板放置到玻璃的顶部上并且施加适度的压力30秒。再次将接合样品在室温下保持1小时，然后在15(TC下热处理1小时(以rC/min加热)。
在冷却至室温后，具有表面改性氧化锆的样品和仅具有硅酸钠的样品两者的粘合强度都足够高以允许在没有断裂玻璃和蓝宝石之间新形成的粘合的情况下处理。
比较例
在没有表面改性的情况下氧化锆溶胶与硅酸钠混合在没有首先表面改性PEG-硅垸中氧化锆的情况下将硅酸钠溶液加入到氧化锆溶胶中。硅酸盐对Zr02的比率再次设置为0.4 : 1。氧化锆粒子立即从溶液中沉降，在溶液中形成大的白色凝聚块。
在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明的各种修改和更改对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。应该理解，本发明并非意图通过本文所述的示例性实施例和实例进行不当地限制，而且以举例的方式提出的仅在本发明范围内的这些实例和实施例旨在仅受本文如下所述的权利要求书的限制。
权利要求
1. 一种LED光源，包括LED管芯；光学元件，所述光学元件光学耦合到所述LED管芯；以及粘合层，所述粘合层包括在无定形硅酸盐网中的表面改性的金属氧化物纳米粒子，所述粘合层将所述LED管芯和所述光学元件粘合在一起。
2. 根据权利要求1所述的LED光源，所述无定形硅酸盐网衍生自 硅酸盐、硅垸、硅酸、硅酸的聚合物形式、烷氧基硅垸、或它们的组
3. 根据权利要求1所述的LED光源，所述表面改性的金属氧化物 纳米粒子包括选自由下列物质组成的组的金属氧化物纳米粒子氧化 锆、二氧化钛、氧化锌、氧化钽、氧化铌、氧化镧、氧化锶、氧化钇、 二氧化铪、氧化锡、氧化锑、以及它们的组合。
4. 根据权利要求1所述的LED光源，所述表面改性的金属氧化物 纳米粒子包括至少两种金属氧化物的混合金属氧化物纳米粒子，所述 金属氧化物选自由下列物质组成的组氧化硅、氧化铝、氧化锆、二 氧化钛、氧化锌、氧化钽、氧化铌、氧化镧、氧化锶、氧化钇、二氧 化铪、氧化锡、氧化锑、以及它们的组合。
5. 根据权利要求4所述的LED光源，所述混合的金属氧化物纳米 粒子包括氧化硅和氧化锆。
6. 根据权利要求4所述的LED光源，所述混合的金属氧化物纳米 粒子包括氧化硅和二氧化钛。
7. 根据权利要求4所述的LED光源，所述混合的金属氧化物纳米 粒子包括氧化硅、氧化锆和二氧化钛。
8. 根据权利要求1所述的LED光源，所述表面改性的金属氧化物 纳米粒子包括折射率大于约1.8的结晶氧化锆纳米粒子。
9. 根据权利要求1所述的LED光源，所述表面改性的金属氧化物 纳米粒子包括折射率大于约2.0的结晶二氧化钛纳米粒子。
10. 根据权利要求1所述的LED光源，所述表面改性的金属氧化 物纳米粒子用表面改性剂进行表面改性，所述表面改性剂包括亲水基团。
11. 根据权利要求1所述的LED光源，所述表面改性的金属氧化 物纳米粒子用表面改性剂进行表面改性，所述表面改性剂包括羧酸、 膦酸、烷氧基硅烷、或它们的组合或混合物。
12. 根据权利要求ll所述的LED光源，所述垸氧基硅烷包括聚乙二醇烷氧基硅垸。
13. 根据权利要求1所述的LED光源，所述粘合层包括约40重量 %至约95重量％的所述表面改性的金属氧化物纳米粒子。
14. 根据权利要求1所述的LED光源，所述LED管芯包括折射率 大于1.9的发光层，并且所述粘合层具有约50nm至约100pm的厚度。
15. 根据权利要求1所述的LED光源，所述LED管芯包括折射率 小于或等于1.9的发光层，并且所述粘合层具有大于约5nm至约300nm的厚度。
16. 根据权利要求1所述的LED光源，其中所述LED管芯包括发 光表面，所述光学元件包括光输入表面，并且所述粘合层将所述发光 表面和所述光输入表面粘合在一起。
17. 根据权利要求1所述的LED光源，所述光学元件具有至少约 2.0的折射率。
18. 根据权利要求1所述的LED光源，所述光学元件包括折射率 至少约1.7的光学玻璃。
19. 根据权利要求1所述的LED光源，所述光学元件包括发散式 提取器或会聚式提取器。
20. —种制备LED光源的方法，所述方法包括a) 提供LED管芯；b) 提供光学元件；c) 提供光学粘合组合物，所述光学粘合组合物包括表面改性的 金属氧化物纳米粒子和在pH值大于约8的水溶液中的硅源，所述硅源 选自由硅酸盐、硅烷、硅酸、硅酸的聚合物形式、垸氧基硅烷、以及 它们的组合组成的组；以及d) 通过使所述LED管芯和所述光学元件与所述光学粘合组合物 接触，将所述LED管芯和所述光学元件粘合在一起。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中使所述LED管芯和所述光 学元件与所述光学粘合组合物接触在室温下进行。
22. 根据权利要求20所述的方法，其中将所述LED管芯和所述光 学元件粘合在一起形成组件，并且所述方法还包括加热所述组件。
23. —种光学粘合组合物，包括表面改性的金属氧化物纳米粒子；以及在pH值大于约8的水溶液中的硅源，所述硅源包括硅酸盐、硅 垸、硅酸、硅酸的聚合物形式、垸氧基硅垸、或它们的组合。
24. 根据权利要求23所述的光学粘合组合物，其中所述表面改性 的金属氧化物纳米粒子存在的量按重量计大于所述硅源的二分之一。
25. 根据权利要求23所述的光学粘合组合物，其中所述表面改性 的金属氧化物纳米粒子包括用聚乙二醇烷氧基硅烷表面改性的氧化 锆。
全文摘要
本文公开了一种可以用于光学应用的光学粘合组合物。本文还公开了一种利用该组合物的LED光源以及制备所述光源的方法。所述LED光源可以包括LED管芯；光学耦合到所述LED管芯的光学元件；以及包括在无定形硅酸盐网中的表面改性的金属氧化物纳米粒子的粘合层，所述粘合层将所述LED管芯和所述光学元件粘合在一起。当使用光学提取器作为所述光学元件时可以增加所述LED光源的效率。
文档编号H01L33/58GK101548397SQ200780042714
公开日2009年9月30日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年11月17日
发明者D·斯科特·汤姆森, 埃米·S·巴尔内斯, 布兰特·U·科尔布, 托德·A·巴伦, 杰奎琳·C·罗尔夫, 罗伯特·L·布罗特 申请人:3M创新有限公司