(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの発光ダイオード(LED)チップ(12)および接着手段(16)によって前記チップに連結された無機光学素子(14)を有する発光デバイス(10)に関する。前記発光デバイスは、前記接着手段がケイ素および酸素原子を含むマトリクスを含む接着物質からなり、少なくとも一部のケイ素原子に炭化水素基が直接結合していることを特徴とする。そのような無機-有機接着物質は非常に高い光および熱安定性を有する。その結果、高出力および高光束出力のLEDチップが実施でき、それにより高輝度発光デバイスが実現できる。本発明はまた、そのような発光デバイスの製造方法に関する。
2008536328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの発光ダイオード(LED)チップ(12)および接着手段(16)によって前記チップに連結された無機光学素子(14)を有する発光デバイス(10)であって、前記接着手段は、ケイ素および酸素原子を含むマトリクスを含む接着物質からなり、少なくとも一部のケイ素原子に炭化水素基が直接結合している、発光デバイス。
【請求項２】
前記接着物質が、ケイ素に直接結合した基がメチル、エチル、およびフェニルからなる群より選択される基であるシルセスキオキサンを含む、請求項１記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記接着物質が、有機修飾されたシランを含む前駆物質から形成される、請求項１記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記前駆物質が、モノ-有機修飾シランを含む、請求項３記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記シランが、メチル、エチル、およびフェニルからなる群より選択される基により修飾される、請求項３記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記前駆物質がメチル-トリ-メトキシ-シラン(MTMS)を含む、請求項３記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記前駆物質がゾル-ゲル物質である、請求項３記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記前駆物質がT-レジンを含む、請求項３記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記接着手段が、Si、Al、Ga、Ti、Ge、P、B、Zr、Y、Sn、Pb、および Hf からなる群より選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物をさらに含む、請求項１記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記接着手段が発光性粒子をさらに含む、請求項１記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記接着手段が少なくとも部分的に透過性である、請求項１記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記LEDチップが、青色光およびUV(A)光のうちの１つを発光するように適合された、請求項１記載の発光デバイス。
【請求項１３】
発光ダイオード(LED)チップおよび無機光学素子を提供する工程、有機修飾されたシランを含む前駆接着物質を調製する工程、前記接着物質を少なくとも部分的に加水分解する工程、前記接着物質を前記チップおよび光学素子の少なくとも１つに塗布する工程、塗布された接着物質を接着剤としてチップと光学素子を接着する工程、および前記接着物質を硬化させる工程を含む、発光デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記接着する工程の前に、前記接着材料を完全に又はほぼ完全に乾燥させる工程、および、前記接着材料を有するチップおよび光学素子をアルコール雰囲気中に置く工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記前駆物質がさらに溶剤を含み、かつ、前記接着する工程の前に、接着材料を前乾燥させる工程をさらに含む、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの発光ダイオード(LED)チップおよび接着手段によって前記チップに連結された無機光学素子を含む発光デバイス、並びにそのような発光デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
LEDを使用する際の技術的な課題は、LEDチップにより発生された光を効率的に取り出して、十分な効果を有する発光デバイスを得ることである。この背景における古典的なアプローチは一次(primary)取り出し光学素子、即ち、LEDチップ上に提供される光学ドームの使用を伴うものであり、前記光学ドームはその屈折特性に基づいて光を取り出す。これらの光学ドームの材料は多くの場合、ケイ素樹脂およびポリマー（PMMA等）に基づく。しかしながら、これらの光学ドームは光-熱安定性(photo-thermal stability)は制限されており、使用されるLEDチップの出力を制限し、その結果、発光デバイスの光束出力を制限する。
別のアプローチは、LEDチップからの光の取り出しに無機光学素子を使用することである。そのような光学素子の材料は、例えば多結晶セラミック材料またはガラスであり得る。そのような無機光学素子ははるかに高い光-熱安定性を有し、それにより高出力LEDチップの使用を可能とし、その結果、高い光束出力および出力を有する発光デバイスとすることを可能とする。
しかしながら、高出力LEDチップは大量の熱を発散し得、放熱が強くなり得る。この背景において、LEDチップと無機光学素子の間の接着部（この接着部はLEDチップから無機光学素子の中に光をカップリングする接続部を形成する）は重要な特徴である。この接着部または接続部はそれ自体が高い光-熱安定性を示すはずであり、従ってそれは発光デバイスにおける性能を制約する要素ではなく、よって無機光学素子から恩恵を得ることができる。従って、高出力LEDチップと無機光学素子の間の接着部が、それが曝される負担および負荷に耐えることができる発光デバイスが求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の目的は、これらの問題を克服し、改良された発光デバイスを提供することである。
前記の、および後の記載から明らかとなる他の目的は、特許請求の範囲に示される発光デバイスおよびその発光デバイスの製造方法によって達成される。
本発明のある態様によれば、少なくとも１つの発光ダイオード(LED)チップおよび接着手段によって前記チップに連結された無機光学素子を含む発光デバイスが提供され、ここで前記接着手段はケイ素および酸素原子を含むマトリクスを含む接着材料からなり、少なくとも一部のケイ素原子に炭化水素基が結合している。好ましくは、前記接着材料は、式SiO1.5R（式中、R は例えばメチル、エチルまたはフェニルである）を有するシルセスキオキサンを含む。
【０００４】
そのような無機-有機接着材料はとても高い光および熱安定性を有する。ケイ素樹脂-炭素結合は空気中で約400℃までの高温で安定であり、また約350nmまでの低波長で安定である。その結果、高出力LEDチップを実施することが可能であり、それにより高輝度発光デバイスを実現することができる。また、ケイ素原子は互いに三重にしか架橋されていない(threefold cross-linked)という事実により、前記マトリクスは比較的高い弾性を有する。
同じような接着材料自体は知られている（例えばUS5991493の文献から）ことに言及されるべきである。しかしながら、(高出力)LEDチップと無機光学素子の間の接着材料として塗布された場合には、前記材料はとても高い光および熱安定性を有するという予期しない更なる効果を有し、それによって前記材料はLEDチップと無機光学素子の間の接着手段として非常に適したものとなる。
【０００５】
LEDチップから無機光学素子の中へ光をカップリングするために、前記接着手段は、好ましくは少なくとも部分的に光学的に透過性または透明性である。
前記接着材料は前駆物質から作製され、前記前駆物質は好ましくは有機修飾されたシランを含む。好ましくは、前記シランは、例えばメチル、エチルまたはフェニルを有機修飾基として使用してモノ-有機修飾される。モノ-有機修飾されたとは、ケイ素の４つの共有結合のうちの１つがSi-C結合であることを意味する。この場合、残りの３つの結合はSi-O結合である。好ましい前駆物質の例は、モノ-メチル-修飾シランであるメチル-トリ-メトキシ-シラン(MTMS)を含むゾルゲル物質である。適切な処理過程の後、MTMSは、基本構造 CH3-Si-O1.5 (即ちシルセスキオキサン)を有するマトリクスを含む接着物質となる。ケイ素原子が互いに三重にしか架橋されていないという事実により、前記マトリクスは比較的高い弾性を有する。他の適切な前駆物質としてはワッカー・ケミー社製のSilres 610 または Silres 603 などのT-レジンが挙げられる。
【０００６】
LEDチップを無機光学素子に連結する接着手段は、さらに、Si、Al、Ga、Ti、Ge、P、B、Zr、Y、Sn、Pb、および Hf からなる群より選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物を含み得る。前記酸化物は、接着手段の屈折率の増加に作用し、そのため、接着手段の光カップリング能力を高める。
また、前記接着手段はさらに発光性粒子(phosphorescent particle)（例えばYAG:Ce）を含み得る。発光性粒子を含む接着手段は、好ましくは青色光またはUV(A)光を発光するLEDチップと組み合わされ、その結果蛍光体変換LEDとなる。蛍光体変換LEDにおいては、LEDチップからの青色放射光の少なくとも一部が発光性粒子によって例えば黄色光に変換される。変換されていない青色光と前記黄色光は一緒になって白色光を生成する。よってこの場合、接着手段は接着剤および蛍光体封入体(encapsulate)の両方として機能する。また、前述の接着物質は青色光束下において非常に安定した性能を示す。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、発光デバイスの製造方法が提供される。前記方法は、発光ダイオード(LED)チップおよび無機光学素子を提供する工程、有機修飾されたシランを含む前駆接着物質を調製する工程、前記接着物質を前記チップおよび光学素子の少なくとも１つに塗布する工程、前記接着物質を少なくとも部分的に加水分解する工程、塗布された接着物質を接着剤としてチップと光学素子を接着する工程、および前記接着物質を硬化(curing)させる工程を含む。この方法は、本発明の先に説明した態様により得られるのと同様の利点をもたらす。
本発明のこれらの及び他の態様を、本発明の現時点における好ましい実施態様を示す添付の図を参照してさらに詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明のある実施態様による発光デバイス10を示す。発光デバイス10は、例えば照明用途に使用することができる。発光デバイス10は、接着手段16によって無機光学素子14に連結された発光ダイオード(LED)チップ12を含む。ここで、前記無機光学素子14はLEDチップ12の発光側18に接着されている。
図１における無機光学素子14は、LEDチップから光を取り出すための光学ドームである。しかしながら、無機光学素子は他の形体を採り得、例えば、それは板(plate)として設計され得る。LEDチップ12は好ましくはフリップチップ型のものであり、基板(図に示さず)の上にマウントされる。
接着手段16は、少なくとも部分的に透過性または透明性であり、それによって、発光デバイス10を作動させた際にはLEDチップ2により発生された光が接着手段16を通って光学素子14にカップリングされ、その結果、光学素子はLEDチップ12から発生された光の取り出しに作用する。
本発明のある実施態様によれば、有機-無機接着手段は、好ましくはシルセスキオキサンを含むマトリクスを含む接着物質からなる。前記接着手段は、高い光および熱安定性を示す(LEDチップの作動温度は約100℃になり得る)。その結果、高出力および高光束出力のLEDチップを実施することが可能となり、それによって高輝度発光デバイスを実現することができる。
【０００９】
次に、図１に示したデバイス10のような発光デバイスの製造方法を図２を参照して詳細に説明する。
まず前駆物質が調製される(工程S1)。前駆物質は有機修飾されたシランを含む。好ましい物質の例は、式 CH3-Si(CH3-O)3 を有するモノ-メチル-修飾シランであるメチル-トリ-メトキシ-シラン(MTMS)を含むゾル-ゲル物質である。別の適切な前駆物質はSilres 610等のT-レジンである。また、エチルまたはフェニルなどの他の有機基で修飾されたシランも採用し得る。
前駆物質はさらに、Si-、Al-、Ga-、Ti-、Ge-、P-、B-、Zr-、Y-、Sn-、Pb-、または Hf の酸化物のナノ粒子を含んでもよく、それは最終の接着手段の屈折率の上昇に作用する。前記酸化物はシリカ外層を有していてもよく、それは周囲のマトリクスの光-熱分解を防止する。
前駆ゾル-ゲル物質は加水分解に供され(工程S2)、その後、それはLEDチップおよび無機光学素子(一緒に接着される予定のもの)の少なくとも１つに塗布され(工程S3)、これらの部品上にコーティングを形成する。
【００１０】
前駆ゾル-ゲル物質が部品(即ちLEDチップおよび無機光学素子)上に塗布される際にネットワーク形成（縮合）が継続し、このネットワーク形成は硬化の際にも進行する。この縮合の際にはネットワークは収縮し、固体含量は上昇し、そして揮発性成分は放出される。
好ましくは、前記部品は、可能な限り高い固体含量を有しながらも物質は依然としていくらかの弾力性を有し、かつ反応基/部位を有するゾル-ゲル物質の状態(ゲル状態)にあるときに接着される。これは、接着される部品の非平坦性(non-flatness)の補正を可能とする。この高い固体含量ゲル状態は、まず、接着する部品上にゾル-ゲルを塗布し、前記ゾル-ゲルをほぼ完全に乾燥させること(工程S4)により、制御された様式により得ることができる。これにより、コーティングおよびネットワークからほとんどのアルコールと水が除去される。しかしながら、この状態においては、コーティングは最早、接着する部品の非平坦性を変形して補正するために十分な弾力性を有しない。これらのコーティングされた部品をアルコール雰囲気中に置くことによって(工程S5)、ゾル-ゲルはいくらかのアルコールを吸収し、膨張し、再び弾力性となる。この膨張の量は、ゾル-ゲルがアルコール雰囲気に曝される時間によって制御することができる。この操作の利点は、後の硬化の工程において、拡散によってマトリクスから除去する必要のある揮発物の量が少ないことである。
【００１１】
その後、LEDチップおよび無機光学素子の部品を合わせ、必要により加圧しつつ（即ち互いに対して押し付けながら）接着する(工程S6)。ゾル-ゲル物質がさらに硬化するに従って(工程S7)、残存する揮発性成分はゾル-ゲルマトリクスから拡散する。この硬化は、部品を接着した後に、両方の部品に圧力を加えながらゾル-ゲル物質ゆっくりと加熱することにより達成される。ゾル-ゲル硬化のための最低温度は約200℃であり、これは450℃まで高くてもよい。硬化の際に、ゾル-ゲルはさらに縮合および高密度化する。これにより、最終の接着物質の機械的強度および屈折率などの所望の特性につながる。
MTMSを使用する際の全体の反応は以下である:
CH3Si(OCH3)3+1.5 H2O → CH3SiO1.5 + 3CH3OH
【００１２】
前述のアルコール雰囲気中において接着物質を膨張させることの代わりに、前駆物質は高沸点溶剤を含んでもよく、ここで前記接着物質は接着工程の前に前乾燥される。この操作の利点は、高沸点溶剤を、後の硬化の工程においてマトリクスから拡散によって除去する揮発物として残すことである。前期溶剤は好ましくは100〜200℃の沸点を有する。また、前乾燥は１つの加熱工程での硬化に変化し得る。
MTMSゾル-ゲル物質の変換の際の収縮を低減するために、前駆物質はさらにコロイダルシリカを有し得る。その結果、高い弾性を維持しつつ熱膨張係数を減らすことができる。そのような材料は良好な接着特性を有し、また、接着材料マトリクス自体の形成により誘導された負荷および熱特性（例えば接着された部品および/または接着手段の間の膨張係数の不一致）の負荷に適応することができる。
また、MTMSを部分的にTEOS（テトラ-エトキシ-オルト-シリケート, Si(OC2Hs)4)、またはチタン、ジルコニウムまたは他の高指数(high index)前駆物質に置き換えることも可能である。この場合、前駆物質はMTMSと例えばTEOSの両方を含む。さらには、有機基がより少なく、接着物質の光-熱安定性はさらにより高いと推測される。有機度のより低い(less organic)系に移行することの不利な点は接着剤層がより薄い必要があることである。
【００１３】
当業者は、本発明は上記の好ましい実施態様にいかなる意味においても限定されないことを理解する。一方で、特許請求の範囲内において多くの改変、変形が可能である。例えば、先の図１には１つのLEDチップが示されているものの、無機光学素子に複数のLEDチップを接着してマルチ-LEDモジュールを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明のある実施態様による発光デバイスの側面図である。
【図２】図２は、本発明のある実施態様による発光デバイスの製造方法を説明するフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2008536328.tif 000005
2008536328.tif 000006