(57)【要約】  少なくとも一つのLED10及び少なくとも一つの光学要素13を用意する工程、液体媒体中に分散された無機金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルを含む、結合材料12を前記少なくとも一つのLEDの発光表面11及び／又は前記少なくとも一つの光学要素13の表面に配置する工程、(c)前記少なくとも一つの光学要素13を前記少なくとも一つのLED10の発光表面11にそれらの間の前記結合材料12とともに置いて少なくとも一つの組立体を形成する工程、及び前記結合材料を硬化して無機結合を形成する工程を含む、発光装置の製造方法が提供される。結合材料はLEDに有害ではない温度で硬化されてもよく、その間に得られる結合は光熱安定性である。【選択図】図１
2010500747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) 少なくとも一つの発光ダイオード10及び少なくとも一つの光学要素13を用意する工程、
(b) 液体媒体中に分散された無機金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルを含む、結合材料12を前記少なくとも一つの発光ダイオード10の発光表面11及び／又は前記少なくとも一つの光学要素13の表面に配置する工程、
(c) 前記少なくとも一つの光学要素13を前記少なくとも一つの発光ダイオード10の発光表面11にそれらの間の前記結合材料12とともに置いて少なくとも一つの組立体を形成する工程、及び
(d) 前記結合材料12を硬化して無機結合を形成する工程を含む、発光装置１の製造方法。
【請求項２】
前記硬化が前記少なくとも一つの組立体を300℃より低い温度で加熱することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記硬化が
(d1)  前記液体媒体の少なくとも一部を除去することを減圧下で行ない、そして
(d2)  前記少なくとも一つの組立体を300℃より低い温度で加熱することを含む、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記金属酸化物がZr、Ti、Hf、Zn、Nb、Ta、Ｂ、Si、Al、Ga、Ge、Ｙ、Sn、Pbの酸化物及びこれらの組み合わせからなる群から選ばれる、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記安定なコロイドゾル中の前記金属酸化物の濃度が20質量％から30質量％までの範囲である、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
工程(b)が、結合材料を前記表面に配置した後に、
(b2)  前記液体媒体の一部を除去して前記結合材料の粘度を増大することを更に含む、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記金属酸化物粒子の平均粒径が4nmから80nmまでの範囲である、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記液体媒体が前記金属酸化物ナノ粒子の分散剤かつ表面活性剤である、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記液体媒体が少なくとも一種のエチレングリコールエーテルを含む、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記光学要素13が無機材料のものである、請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
前記結合材料が、硬化後に、約1.45から約2.1までの範囲の屈折率を有する、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも一つの発光ダイオード10及び結合材料12により前記発光ダイオード10の発光表面11に結合された光学要素13を含む発光装置１であって、
前記結合材料が金属酸化物ナノ粒子の乾燥され、かつ熱処理されたゾルからなることを特徴とする、発光装置。
【請求項１３】
請求項１記載の方法により得ることができる、請求項１２記載の発光装置。
【請求項１４】
光学要素を発光ダイオードの発光表面に結合するための結合材料としての、液体媒体中の金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置の製造方法だけでなく、このような方法により得られる発光装置、及び光学要素を発光ダイオードに結合するための結合材料前駆体としての金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード(LED)は幾つかの異なる照明適用のための光源として現在意図されており、発光ダイオードの使用が来る年に成長すると予想される。
発光ダイオードは典型的には活性な、光生成層を含む実際のLEDチップ、及びそのLEDチップの上に配置された光抽出光学製品を含むパッケージ中に含まれる。チップとパッケージの光学製品の間の光抽出効率はLEDに立ちはだかる重大な問題である。
この状況における古典的なアプローチはLEDチップに用意された主抽出光学製品、例えば、光学ドームの使用を伴ない、その光学ドームはそれらの屈折特性に基づいて光を抽出する。これらの光学ドームの材料はしばしばシリコーン及びポリマー（例えば、PMMA）をベースとする。しかしながら、これらの光学ドームは制限された光熱安定性を有し、これが使用されるLEDチップの出力を制限し、これが順に発光装置のルーメン出力を制限する。
別のチャレンジは高温で高い光出力に耐え、こうして高出力LED（これらは運転中に多くの熱を消失する）を使用することにより高ルーメン出力光源を可能にするような光学製品を有することである。
これを解決するためのアプローチはLEDチップからの光の抽出のために無機光学要素を使用することである。このような光学要素の材料は、例えば、多結晶性セラミック材料又はガラスであってもよい。このような無機光学要素は極めて高い光熱安定性を有し、これが高いルーメン出力及びアウトプットを有する発光装置を可能にする。
しかしながら、高出力LEDはかなりの量の熱を消失することがあり、その放射線が強いかもしれない。この状況では、LEDチップと抽出光学製品の間の結合がLEDチップからの光を抽出光学製品に結合する接合部を形成し、抽出光学製品をLEDチップに物理的に結合し、それ自体で高い光熱安定性を示すべきであり、その結果、それは発光装置中で制限因子ではなく、またその結果、無機抽出光学製品の高い光熱安定性から恩恵を受けることができる。
複雑にする因子はLEDチップそれら自体が適度の加工温度を持続するにすぎないことであり、一方、高い光熱安定性を有する材料は無機であり、典型的にはLEDチップについてあまりにも高い温度で加工される。
こうして、LEDチップと抽出光学製品の間の結合が、それが装置の運転中に暴露される負荷及び応力に耐えることができ、その結合がLEDチップに都合の良い温度で形成される発光装置についての要望がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的はこの問題を解決し、LEDチップが高い光熱安定性を示す結合材料により抽出光学製品に結合され、LEDチップに有害ではない温度で形成されてもよい発光装置を提供することである。
この目的及び発明の以下の記載から明らかであるその他の目的は特許請求の範囲に記載の、発光装置及びこのような装置の製造方法により達成される。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
こうして、第一の局面において、本発明は(a) 少なくとも一つの発光ダイオード及び少なくとも一つの光学要素を用意する工程、(b) 液体媒体中に分散された無機金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルを含む、結合材料を前記少なくとも一つの発光ダイオードの発光表面及び／又は前記少なくとも一つの光学要素の表面に配置する工程、(c) 前記少なくとも一つの光学要素を前記少なくとも一つの発光ダイオードの発光表面にそれらの間の前記結合材料とともに置いて少なくとも一つの組立体を形成する工程、及び(d) 前記結合材料を硬化して無機結合を形成する工程を含む、発光装置の製造方法に関する。
こうして形成された結合はLEDと光学要素の間の実質的に純粋な無機結合である。このような無機結合は光安定性であるとともに熱安定性である。更に、このような結合はLEDチップに有害ではない温度を使用して得られてもよい。形成された結合は可視波長範囲にわたって高い透過率を有する。結合材料は反応性前駆体を含まない安定なゾルであるので、貯蔵寿命が非常に長く、しかも高温が稠密な層を得るために必要とされない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明において結合材料として使用される材料は、例えば、米国特許第2005/0141240 A1号明細書からそれら自体知られていることが注目されるべきである。しかしながら、LEDチップと光学要素の間の結合材料として適用された場合、その材料がLEDチップと光学要素の間の物理的かつ光学的結合を得るための接着材料として良好な性質を示し、それ故、それをLEDチップと光学要素の間の結合材料として非常に好適にするという付加的な効果がある。
結合材料の硬化は前記少なくとも一つの組立体を約300℃より低い、好ましくは200℃以下の温度で加熱することであってもよい。
硬化工程における加熱は実質的に全ての残存液体媒体が減圧、例えば、真空で結合材料から除去される工程により先行されてもよい。
金属酸化物ナノ粒子の金属酸化物は典型的には1.45から2.1までの、得られた結合の好適な屈折率を得るために、Zr、Ti、Hf、Zn、Nb、Ta、Ｂ、Si、Al、Ga、Ge、Ｙ、Sn、Pb及びこれらの組み合わせの酸化物からなる群から選ばれてもよい。
本発明の方法は結合材料が前記表面に配置された後だが、LEDチップ上の光学要素の配置の前に液体媒体の一部を結合材料から除去することを更に含んでもよい。
結合材料の液体媒体の少なくとも一部は光学要素がLEDチップ上に置かれる前に除去されることが有利である。例えば、液体媒体を除去することにより、結合材料が粘着性の、高度に粘稠な材料に変化され、接着剤として機能する。加えて、一層少ない量の液体媒体が硬化工程で結合材料から乾燥される。
前記金属酸化物粒子の平均粒径は典型的には約4nmから約80nmまでの範囲であってもよい。この粒径の範囲の金属酸化物粒子を使用することにより、低温が硬化に使用し得る。これは低温で稠密な結合材料を形成することを助け、その温度はLEDに有害ではない。
金属酸化物ナノ粒子が分散される液体媒体はナノ粒子の分散剤であるとともに表面活性剤であることが好ましい。金属酸化物ナノ粒子の分散剤であるとともに表面活性剤である液体媒体を選ぶことにより、粒子は液体媒体が除去される場合に凝集又は凝結しないであろう。このような液体媒体の例として、エチレングリコールエーテル、例えば、2-ブトキシ-エタノール及び2-プロポキシ-エタノールが挙げられる。
【０００６】
本発明の実施態様において、LEDチップの上に置かれる光学要素は無機材料のものである。本発明の結合材料は非常に耐熱性である。加えて、無機光学要素（例えば、多結晶性セラミックの）は非常に耐熱性であり、こうしてこの材料系は多量の熱を消失する、高出力LEDに使用されてもよい。
第二の局面において、本発明は典型的には本発明の方法により得られる、少なくとも一つの発光ダイオード及び金属酸化物ナノ粒子からなる結合材料により前記発光ダイオードの発光表面に結合された光学要素を含む発光装置に関する。
第三の局面において、本発明は光学要素を発光ダイオードの発光表面に結合するための結合材料としての、液体媒体中の金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルの使用に関する。
本発明のこの局面及びその他の局面が本発明の現在好ましい実施態様を示す添付図面を参照して、今、更に詳しく記載されるであろう。
図１は本発明の実施態様の発光装置１を示す。発光装置１は、例えば、照明目的のために使用されてもよい。それは発光ダイオード(LED)チップ10を含み、このチップは結合12により光学要素13に連結され、その結果、結合12がLEDチップの発光表面12からLEDチップ10により放出された光を光学要素13に結合する。
図１中の光学要素13は光をLEDチップから抽出するための光学ドームである。しかしながら、光学要素13はその他の形態を採用してもよく、例えば、それはプレートとしてデザインされてもよい。光学要素は有機材料（例えば、PMMA）、シリコーン、又は無機材料、例えば、多結晶性セラミック材料もしくはガラスのものであってもよい。光学要素は下にあるLEDにより放出される波長の光に関して、また運転中に装置中で到達される温度に関して安定である材料、典型的には無機材料のものであってもよい。
【０００７】
光学要素13はLEDチップ10により放出される光の色を少なくとも一部変換するために付加的な成分、例えば、発光（蛍光及び／又はりん光）材料を更に含んでもよい。
本発明における使用に適した光学要素の例として、光抽出ドーム、レンズ、コリメーター、及び色変換プレートが挙げられるが、これらに限定されない。
LEDチップ11はフリップ-チップ型のものであり、支持体（示されていない）に取り付けられることが好ましい。
結合12は少なくとも部分的に光透過性又は透明であり、それにより発光装置１の運転後に、LEDチップ10により放出された光がその発光表面11から、結合12を経て、例えば、生成された光の抽出のための、光学要素12に結合される。
本明細書に使用される、“発光ダイオード（LEDと略記される）”という用語は当業者に知られているあらゆる型の発光ダイオードを表し、無機系発光ダイオード、有機系発光ダイオード、例えば、ポリLED及びOLEDが挙げられるが、これらに限定されず、またレーザーダイオードを表す。本発明の状況では、“光”は紫外線から赤外線までの波長範囲、特にその中の可視範囲及び近可視範囲を含むと解される。
本出願の装置は高出力LED、例えば、運転中に185℃以上の温度に達するようなLEDとの使用に特に適しているが、これらに限定されない。更に、発光表面の同じ側にカソード及びアノードの両方を有する、所謂フリップ-チップLEDが、本発明における使用に特に意図されている。
更に、無機発光表面、例えば、単結晶性表面（例えば、サファイアの）を有するLEDが、本発明における使用に特に意図されている。
【０００８】
本発明によれば、結合12は金属酸化物ナノ粒子の無機材料、特に金属酸化物ナノ粒子の安定なコロイドゾルから誘導された稠密な層であり、その金属はZr、Ti、Hf、Zn、Nb、Ta、Ｂ、Si、Al、Ga、Ge、Ｙ、Sn又はPb、例えば、ZrO2又はTiO2、並びにこれらの組み合わせ及び混合物である。このような結合を得るための方法が本明細書に以下に記載されるであろうが、要するに、金属酸化物ナノ粒子のコロイドゾルが乾燥され、稠密な層を形成するために加熱される。
その結合は高い光安定性及び熱安定性を示す（LEDチップについての作業温度は100℃を非常に良く超え得る）。結果として、高出力かつ高ルーメンLEDチップが使用でき、それにより高輝度発光装置が実現し得る。
この材料の結合はLEDチップ10の発光表面11から結合12までの界面及び結合12から光学要素13までの界面における内部反射を最小にするために、典型的には約1.45から約2.1まで、好ましくは1.6から1.9までの範囲の屈折率を有する。
発光装置、例えば、図１中の装置１の製造方法が今記載されるであろう。
最初に、結合材料が形成される。結合材料は液体媒体中に分散された無機金属酸化物ナノ粒子のコロイドゾルであり、これは凝集及び／又は凝結に対して安定化される。
金属酸化物は典型的にはZr、Ti、Hf、Zn、Nb、Ta、Ｂ、Si、Al、Ga、Ge、Ｙ、Sn及びPbからなる群から選ばれた一種以上の金属の酸化物である。金属酸化物粒子は単一酸化物又は異なる酸化物の組み合わせもしくは混合物のものであってもよい。高屈折率酸化物、例えば、ZrO2もしくはTiO2、単一成分、又は組み合わせ、例えば、ZrO2-TiO2、ZrO2-SiO2、TiO2-SiO2、ZrO2-SiO2-B2O3、TiO2-SiO2-B2O3、ZrO2-TiO2-SiO2もしくはZrO2-TiO2-SiO2-B2O3が使用されることが好ましい。
好ましい実施態様において、金属酸化物がこれらの酸化物をベースとする結合について得られる高屈折率のために、ZrO2又はTiO2である。
【０００９】
ゾルは当業者に知られているあらゆる好適な様式で調製されてもよい。
典型的には、金属酸化物ナノ粒子の平均粒径は約4nmから約80nmまで、例えば、約4nmから約30nmまでの範囲である。
コロイドゾル中の金属酸化物ナノ粒子の濃度は、ゾルの合計重量を基準として、典型的には20質量％から30質量％までの範囲である。安定な液体ゾルはまた低濃度及び高濃度の両方で生成されてもよく、このようなゾルが本発明に使用されてもよい。しかしながら、本発明の目的のために、金属酸化物ナノ粒子の濃度は好ましくはできるだけ粘稠な、粘稠ゾルを生じるために最適化されるべきであるが、依然として均一に分散されるのに充分に流れるものであるべきである。粒径に応じて、20質量％〜30質量％の濃度がこうして結合層としての付着に適している。
液体媒体は金属酸化物粒子のための分散剤及び表面活性剤の両方として作用するものであることが好ましい。結果として、液体ゾルが、例えば、金属酸化物ナノ粒子の実質的な凝集又は凝結を生じないで、液体媒体の除去（例えば、蒸発）により濃縮し得る。
このような液体媒体の例として、エチレングリコールエーテル、好ましくは2-ブトキシエタノールもしくは2-プロポキシエタノール、又はエチレングリコールエーテルの混合物（その場合には2-ブトキシエタノール又は2-プロポキシエタノールを含むことが好ましい）が挙げられる。
液体媒体中に分散された無機金属酸化物ナノ粒子のみを含む、本発明に意図されているゾルは、反応性マトリックス生成剤、例えば、ジルコニウムアルコキシド又はチタンアルコキシドを含むゾル-ゲルよりも縮合反応に対して極めて反応性ではなく、こうして貯蔵寿命が高い。
【００１０】
次いで液体ゾルの形態の結合材料がLEDチップの発光表面（光がLEDチップを出るLEDチップの表面）、光学要素の表面（その表面はLEDチップの発光表面に面するのに適している）、又はその両方に配置される。
結合材料を一つ以上の表面に配置する好適な方法として、分配、噴霧被覆及びスピン被覆、浸漬被覆、ドクターブレード被覆及び当業者に知られているその他の被覆方法が挙げられるが、これらに限定されない。
結合材料が一つ以上の表面に配置される場合、液体媒体の少なくとも一部が必要により、例えば、減圧下の蒸発及び／又は熱の適用により、ゾルから除去されてもよい。できるだけ高い固形分がある場合、光学要素が結合材料の状況でLEDチップに置かれることが好ましいが、その材料は依然として変形可能である。これは結合される部分の非平坦の補償を可能にする。典型的には、30-50質量％の範囲の固体濃度で、ゾルが粘着性の、粘稠なゾルに変化した場合、光学要素が持ち上げられ、LEPチップの上にそれらの間の結合材料とともに置かれ、必ずではなく必要により、その間に圧縮され、加熱されて（熱圧縮）、LED-光学製品組立体を形成する。
その後に、実質的に全ての残存液体媒体が、典型的には減圧かつ適度の温度で、乾燥により結合材料から除去され、その場合には金属酸化物の凝縮が遅く、続いて結合材料が熱処理により硬化される。乾燥プロセスの期間に応じて、硬化の温度が約300℃より低い、好ましくは約200℃以下であってもよく、これはそれをLEDチップ及び光学要素の屈折率とマッチするために、機械的強度及び屈折率の適当な値に関して所望の性質を得るのに充分である。
【００１１】
ゾルの乾燥及び硬化中に、ナノ粒子の自己配置された稠密充填された酸化物層が、LEDチップに有害ではない温度でさえも得られる。形成された稠密な無機酸化物層は熱安定性である。
液体媒体のレリース中に、結合材料層中の固形分が増大し、層が収縮し、ナノ粒子が充填された層へと自己配置する。コロイドゾル中に分散された酸化物ナノ粒子の粒径分布を調整することにより、高度の充填密度（これは低多孔度を意味する）が、得られる。従って、屈折率及び光透過性が高められる。
当業者は本発明が決して上記好ましい実施態様に限定されないことを認める。その逆に、多くの改良及び変化が特許請求の範囲内で可能である。例えば、たとえ一つのLEDチップが図１に示されるとしても、複数のLEDチップが一つの光学要素に結合されて多LED組立体を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施態様の発光装置を図示する。
【符号の説明】
【００１３】
１−発光装置
１０−発光ダイオードチップ
１１−発光表面
１２−結合
１３−光学要素
【図１】
2010500747.tif 000003
【国際調査報告】
2010500747.tif 000004
2010500747.tif 000005
2010500747.tif 000006