ОПТИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ
OPTICAL COMPOSITION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение касается области устройств освещения на основе LED, в частности устройств, в которых оптический элемент прикреплен к LED с помощью оптического соединения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Устройства освещения на основе светоизлучающих диодов (LED) все больше применяются в широком разнообразии осветительных и сигнальных применений. LED предлагают преимущества над традиционными источниками света, такими как лампы накаливания и флуоресцентные лампы, включая длительный срок службы, высокую светосилу, низкое рабочее напряжение и быструю модуляцию выхода света.
Эффективные высокомощные LED часто основаны на излучающих синий свет InGaN материалах. Чтобы получить устройство освещения на основе LED, имеющее выход желаемого цвета (например, белого), могут быть использованы подходящие преобразующие длину волны материалы, обычно известные как люминофоры, которые преобразуют часть света, излучаемого LED, в свет с большими длинами волн с получением комбинации света, имеющей желаемые спектральные характеристики. Люминофор может, например, внедряться в органический инкапсулирующий материал, такой как эпоксидная смола, нанесенный поверх LED, или он может быть предварительно сформирован в керамический самостоятельный слой, который может быть нанесен на LED. Преимущественно керамический люминофорный слой является более крепким и менее температурно-чувствительным, чем обычные органические люминофорные слои. Такой керамический люминофорный слой прикрепляется к LED с помощью оптического соединения. Обычно материалы, используемые для таких соединений, включают в себя оптические силиконы, которые имеют высокую фототермическую устойчивость, требуемую рабочими условиями LED, и высокую прозрачность.
Однако обычно применяемые оптические соединения имеют относительно низкий показатель преломления, обычно в диапазоне от 1,4 до 1,58, по сравнению с показателем преломления верхнего слоя LED, сквозь который выходит свет (который может быть верхним контактом, например GaN (показатель преломления приблизительно 2,42) или подложкой роста из сапфира (показатель преломления приблизительно 1,77)). В результате критический угол полного внутреннего отражения света, падающего на данное соединение от LED, относительно невелик. Свет, падающий на соединение под углами, превышающими критический угол, не выходит прямо из LED. Также низкий показатель преломления соединения по сравнению с показателем преломления керамического люминофора приводит к ограниченному пропусканию из-за отражений на границе раздела. Таким образом, обычное оптическое соединение приводит к ограниченному выходу света и пропусканию.
WO2007/138502 описывает неорганическое люминофорное тело для LED, содержащее неорганический люминесцентный материал. Материал-предшественник соединения наносят на поверхность неорганического люминофорного тела, и данный материал-предшественник соединения содержит по меньшей мере частично гидролизованный, органически модифицированный силан. Предшественник соединения может дополнительно содержать оксид, который служит для увеличения показателя преломления соединения, что, в свою очередь, увеличивает способность сопряжения света соединения. Показатель преломления может также подгоняться в ограниченных пределах путем выбора надлежащего отношения между метил- и фенил-модифицированными силанами в реакционной смеси.
Однако, несмотря на предшественник соединения в WO2007/138502, в технике остается необходимость в улучшенных оптических соединениях.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является по меньшей мере частично преодолеть вышеуказанную проблему и обеспечить оптическое соединение, которое может обеспечить улучшенный выход света и/или светопропускание от устройства освещения на основе LED.
1
2
1
2
1
2
В первом аспекте данное изобретение касается композиции, содержащей связующий материал и наночастицы, имеющие средний размер частиц 100 нм или меньше, предпочтительно 50 нм или меньше, причем данная композиция имеет первый показатель преломления (n) по меньшей мере в 1,65, предпочтительно по меньшей мере в 1,75 для света с первой длиной волны и второй показатель преломления (n) в диапазоне 1,60-2,2 для света со второй длиной волны, при этом первый показатель преломления (n) выше, чем упомянутый второй показатель преломления (n), и при этом первый и второй показатели преломления могут подстраиваться путем изменения объемного отношения наночастиц к связующему материалу. Разница между показателями преломления n и n обеспечивает отличающиеся критические углы полного внутреннего отражения для света с разными длинами волн на границах раздела с материалом, на который наносится данная композиция. Критические углы могут подстраиваться для любого конкретного применения путем адаптации первого и второго показателей преломления композиции.
1
2
1
2
В частности, первый показатель преломления (n) может быть по меньшей мере 1,80, например по меньшей мере 1,85, а второй показатель преломления (n) может быть в диапазоне от 1,70 до 1,90. Кроме того, разница между первым показателем преломления (n) и упомянутым вторым показателем преломления (n) может быть по меньшей мере 0,03 и предпочтительно по меньшей мере 0,04, когда первая длина волны составляет приблизительно 450 нм или меньше, а вторая длина волны составляет приблизительно 570 нм или больше. Высокая дисперсия (т.е. зависящий от длины волны показатель преломления) является выгодной, например, когда используется в качестве оптического соединения в LED-люминофорном устройстве освещения, причем хороший выход света LED может быть получен при снижении количества преобразованного света, который передается обратно к кристаллу LED. Таким образом, используя композицию согласно вариантам осуществления данного изобретения, может быть улучшена эффективность LED-люминофорного устройства освещения.
В вариантах осуществления данного изобретения первая длина волны может быть в диапазоне от 350 до 500 нм, обычно от 420 до 470 нм, что подходит для устройства освещения на основе LED с преобразующим длину волны элементом, таким как YAG:Се люминофор. Вторая длина волны может быть в диапазоне от 550 до 800 нм.
Данная композиция предпочтительно может иметь адгезивные свойства.
2
2
2
3
2
2
3
2
2
5
2
5
2
3
2
2
2
Наночастицы композиции могут быть выбраны из группы, состоящей из TiO, ZrO, YO, ZrO, стабилизированного посредством YO, HfO, TaO, NbO, TeO, BaTiO и SiC. Обычно наночастицы содержат TiO. TiO имеет полосу поглощения в ближнем УФ диапазоне длин волн, обеспечивая, таким образом, высокую дисперсию при желаемых длинах волн без слишком большого поглощения. Кроме того, TiO дешев и легкодоступен от коммерческих поставщиков.
Объемное содержание наночастиц лежит в диапазоне от 15 до 75% и более предпочтительно от 30 до 60% от объема композиции. Кроме того, объемное отношение наночастицы:связующее составляет от 15:85 до 99:1.
Связующий компонент композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения может содержать силикаты, алкилсиликат и/или алкилполисилоксан.
В другом аспекте изобретение касается устройства освещения, содержащего:
a1
- полупроводниковую слоистую структуру, выполненную с возможностью излучать свет с первой длиной волны и содержащую прозрачный слой, имеющий показатель преломления n для первой длины волны;
b1
- керамический элемент, расположенный смежным с упомянутым прозрачным слоем, чтобы принимать свет упомянутой первой длины волны, излучаемый полупроводниковой слоистой структурой через упомянутый прозрачный слой, где керамический элемент имеет показатель преломления n для упомянутой первой длины волны; и
1
a1
b1
- соединительную область, обеспеченную между упомянутым прозрачным слоем и упомянутым керамическим элементом и в прямом контакте с упомянутым прозрачным слоем и упомянутым керамическим элементом, причем данная соединительная область содержит композицию, определенную выше, при этом первый показатель преломления (n) упомянутой композиции согласуется с (например, находится в пределах от +0,01 до -0,10) меньшим из показателей преломления n и n.
b2
2
b2
Керамический элемент может быть преобразующим длину волны элементом, выполненным с возможностью преобразовывать свет с упомянутой первой длиной волны в свет со второй длиной волны и имеющим показатель преломления n для упомянутой второй длины волны, и упомянутый второй показатель преломления (n) упомянутой композиции может быть ниже, чем упомянутый показатель преломления n упомянутого преобразующего длину волны элемента.
1
a1
2
b2
Когда прозрачный слой представляет собой сапфировую подложку и показатель преломления n согласуется с показателем преломления n сапфировой подложки для света с длиной волны, излучаемого LED, выход света от сапфировой подложки в соединение улучшается. Также, когда показатель преломления n меньше, чем n, свет, излучаемый преобразующим длину волны элементом, испытывает меньший критический угол полного внутреннего отражения на границе раздела преобразователя длины волны и соединения, приводя к тому, что меньше преобразованного света переносится обратно в LED, где он рискует поглотиться.
1
b1
Когда прозрачный слой представляет собой GaN слой и показатель преломления n соединения согласуется с показателем преломления n для света, излучаемого LED, пропускание света из соединения в керамический элемент происходит почти без потерь. Кроме того, как указано выше, свет, испускаемый преобразующим длину волны элементом, может испытывать меньший критический угол полного внутреннего отражения на границе раздела преобразователя длины волны и соединения, приводя к тому, что меньше преобразованного света переносится обратно в LED, где он рискует поглотиться.
В дополнительном аспекте данное изобретение касается устройства освещения, содержащего:
a1
- полупроводниковую слоистую структуру, такую как LED, выполненную с возможностью излучать свет первого диапазона длин волн и содержащую прозрачный слой, имеющий показатель преломления n для первой длины волны; и
b1
b2
2
b2
1
b1
- преобразующий длину волны элемент, выполненный с возможностью принимать свет упомянутого первого диапазона длин волн, излучаемый полупроводниковой слоистой структурой через упомянутый прозрачный слой, причем данный преобразующий длину волны элемент содержит: (i) преобразующий длину волны материал, выполненный с возможностью преобразовывать свет с упомянутой первой длиной волны в свет со вторым диапазоном длин волн и имеющий показатель преломления n для упомянутой первой длины волны и показатель преломления n для упомянутой второй длины волны, и (ii) композицию, определенную в п. 1 формулы изобретения, в качестве связующего для преобразующего длину волны материала, причем второй показатель преломления (n) данной композиции согласуется с (например, находится в пределах от +0,01 до -0,10) упомянутым показателем преломления n и первый показатель преломления n выше, чем упомянутый показатель преломления n.
Вследствие дисперсии композиции рассеяние света, излучаемого полупроводниковой слоистой структурой, увеличивается, что может улучшать эффективность устройства, так как больше света становится доступно для преобразования преобразующим длину волны материалом. Также улучшается смешение не преобразованного и преобразованного света. Кроме того, обратное излучение преобразованного света в кристалл может быть снижено.
Первая длина волны, излучаемая полупроводниковой слоистой структурой, может быть в диапазоне от 350 до 500 нм, например приблизительно 450 нм, а упомянутая вторая длина волны, излучаемая преобразующим длину волны материалом, может быть в диапазоне от 550 до 800 нм.
В другом аспекте данное изобретение касается способа присоединения первого тела ко второму телу посредством оптического соединения с высоким показателем преломления, содержащего:
- распределение композиции, указанной выше, или ее предшественника на упомянутое первое или второе тело;
- приведение в контакт упомянутых первого и второго тел посредством упомянутой композиции или предшественника и
- воздействие на упомянутую композицию или предшественника условий затвердевания и предоставление возможности композиции или предшественнику затвердевать.
Следует отметить, что данное изобретение касается всех возможных комбинаций признаков, указанных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на приложенные чертежи, показывающие вариант(ы) осуществления данного изобретения.
Фиг.1а-b схематично изображают устройства освещения согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.2 представляет собой график, показывающий зависящий от длины волны показатель преломления для композиций согласно вариантам осуществления данного изобретения и других материалов.
Фиг.3 схематично изображает устройство освещения согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.4 схематично изображает устройство освещения согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.5 схематично изображает устройство освещения согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.6 представляет собой график, изображающий пропускание света от GaN в соединение в люминофорный слой как функцию угла падения для соединения, содержащего композицию согласно вариантам осуществления данного изобретения, и обычного силиконового соединения соответственно.
Фиг.7 представляет собой график, показывающий величины показателя преломления для различных объемных долей связующего в композиции.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В одном аспекте данное изобретение касается композиции, которая может использоваться в качестве связующего или соединения в или для оптических компонентов и которая имеет высокий показатель преломления и высокую дисперсию. Данная композиция содержит связующий материал, имеющий наночастицы, диспергированные в нем. Показатель преломления композиции может быть в диапазоне от 1,65 до 2,2 и может регулироваться внутри этого диапазона путем изменения объемного отношения наночастиц оксида к связующему материалу. При использовании в качестве оптического соединения в устройстве освещения на основе LED композиция может улучшать выход и пропускание света благодаря подстройке критического угла полного внутреннего отражения на границах раздела с керамическими компонентами.
Применяемый здесь термин "согласовать" в отношении первой длины волны (обычно в диапазоне от 350 до 500 нм) подразумевает включать в себя отклонение от -0,10 до +0,01. Таким образом, выражение "показатель преломления первого тела согласуется с показателем преломления другого тела для первой длины волны" означает, что показатель преломления первого тела находится в пределах от -0,10 до +0,01 от показателя преломления другого тела для этой длины волны.
Кроме того, термин "согласовать" для второй длины волны (обычно 550-800 нм) подразумевает включать в себя отклонение от -0,01 до +0,10.
Следовательно, термин "не согласуется" относится к отличиям показателя преломления вне вышеуказанных диапазонов согласования.
Фиг.1а изображает устройство 1 освещения, содержащее LED 5 типа с перевернутым кристаллом на держателе 2 и электрически присоединенное через электрические контакты 3 к контактным площадкам 4, расположенным на держателе. Подложка роста удаляется, например, лазерным удалением, так что свет выходит через верхний электрод, обычно GaN (не показан). Верхний электрод может быть шероховатым, чтобы улучшать выход света. Керамическое, преобразующее длину волны тело 7 находится над верхним электродом и присоединяется к нему с помощью оптического соединения 8, образованного с помощью описываемой здесь композиции.
Композиция, образующая соединение 8, может иметь показатель преломления по меньшей мере 1,65, предпочтительно в диапазоне от 1,7 до 2,2. Также композиция имеет высокую дисперсию, т.е. различия в зависящем от длины волны показателе преломления. Дисперсия обычно нормального типа, что означает, что показатель преломления выше для более коротких длин волн, чем для более длинных длин волн.
1
1
1
Обычно показатель преломления композиции может согласовываться с показателем преломления керамического люминофора для длины волны в диапазоне 350-500 нм, который для люминофора составляет обычно 1,85-2,15 в зависимости от типа люминофора (например, 1,85-1,87 для YAG:Се). Следовательно, первый показатель преломления n композиции может быть по меньшей мере 1,75, предпочтительно по меньшей мере 1,80 и более предпочтительно по меньшей мере 1,85 для длины волны в диапазоне 350-500 нм. Показатель преломления n также может быть выше, чем показатель преломления люминофора, чтобы лучше соответствовать показателю преломления верхнего слоя пакета LED (GaN обычно имеет показатель преломления приблизительно 2,42); однако композиция, имеющая такой высокий показатель, может быть более трудной для получения, и, следовательно, согласование с показателем преломления люминофора может быть предпочтительным. Высокий показатель преломления композиции уменьшает разницу в показателе преломления между верхним слоем LED и композицией по сравнению с обычным оптическим соединением, и, таким образом, критический угол полного внутреннего отражения увеличивается, по сравнению с обычными оптическими соединениями, для света в диапазоне 350-500 нм, проходящего через верхний слой LED, падающего на композицию. Следовательно, больше света выходит из LED при первом проходе. Так как показатель n композиции по меньшей мере близок к показателю преломления люминофора для тех же длин волн, фактически никакой свет не теряется за счет полного внутреннего отражения на последующей границе раздела соединение-люминофор.
2
1
2
Кроме того, второй показатель преломления n композиции для второй, большей длины волны, например в диапазоне 550-800 нм, меньше, чем первый показатель преломления n. Обычно показатель преломления n может быть 1,60-1,95, предпочтительно 1,70-1,90.
2
2
Второй показатель преломления n композиции для второй, большей длины волны может предпочтительно не соответствовать второму показателю преломления керамического люминофора для той же длины волны, причем второй показатель преломления n композиции ниже, чем упомянутый второй показатель преломления керамического люминофора. Таким образом, часть света с упомянутой второй, большей длиной волны, излучаемого люминофором обратно к границе раздела люминофор-соединение, будет испытывать критический угол полного внутреннего отражения, что предотвращает свет с упомянутой второй длиной волны от перехода обратно в LED, что приводит к снижению потерь света из-за поглощения в кристалле LED.
Кроме того, в результате высокой дисперсии свет с упомянутой второй, большей длиной волны, падающий из композиции на границу раздела со смежным материалом с высоким показателем преломления (например, верхний слой LED), испытывает меньший критический угол, чем свет с более короткими длинами волн. Следовательно, меньше света упомянутых больших длин волн переходит обратно в LED по сравнению со светом с более короткими длинами волн.
Таким образом, преимуществом высокой дисперсии является то, что критический угол полного внутреннего отражения для второй длины волны выше, чем критический угол для света первой, более короткой длины волны. Однако, чтобы реализовать это преимущество, данная разница в показателе преломления между композицией и люминофором должна рассматриваться для дисперсии композиции, а также дисперсии люминофора, чтобы достичь несоответствия для второй длины волны. Для вариантов осуществления соединения настоящего изобретения показатель преломления композиции для первой длины волны может быть выше до +0,01 и ниже до -0,1 от показателя преломления керамики, с которым он должен согласовываться.
1
1
2
Однако в вариантах осуществления данного изобретения нет необходимости, чтобы первый показатель преломления n композиции точно согласовался с показателем преломления люминофора для более коротких длин волн, пока рассогласование данного показателя для больших длин волн между композицией и люминофором еще больше. Например, первый показатель преломления n композиции может быть более чем на 0,10 ниже, чем показатель преломления люминофора для той же длины волны, так как второй показатель преломления n композиции тогда еще ниже.
Фиг.1b изображает устройство 1 освещения, содержащее LED 5 типа с перевернутым кристаллом, расположенный на держателе 2 и электрически присоединенный через электрические контакты 3 к контактным площадкам 4, расположенным на держателе 2. На стороне, противоположной контактным площадкам, полупроводниковые слои покрыты подложкой 6 роста, сквозь которую выходит свет. Керамическое, преобразующее длину волны тело 7 находится над подложкой и присоединяется к нему с помощью оптического соединения 8, образованного с помощью описываемой здесь композиции.
1
2
В вариантах осуществления, когда подложка 6 имеет показатель преломления выше, чем показатель преломления керамического люминофора 7, как в случае SiC подложки (показатель преломления приблизительно 2,69), первый и второй показатели преломления n и n соответственно могут быть описанными выше.
1
1
В вариантах осуществления, когда подложка 6 имеет показатель преломления, который ниже, чем показатель преломления керамического люминофора 7, первый показатель преломления n композиции соединения 8 может согласоваться с показателем преломления подложки или показателем преломления керамического люминофора для света с длиной волны в диапазоне 350-500 нм. Показатель преломления сапфировой подложки для упомянутых длин волн обычно составляет 1,75-1,80, что обычно ниже, чем показатель преломления керамического люминофора. Показатель преломления люминофора может быть, как указано выше. Следовательно, первый показатель преломления n композиции может быть по меньшей мере 1,65, предпочтительно по меньшей мере 1,75, более предпочтительно 1,80 или еще более предпочтительно по меньшей мере 1,85 для длины волны в диапазоне 350-500 нм.
1
В вариантах осуществления данного изобретения, где подложка 6 имеет показатель преломления, который ниже, чем показатель преломления керамического люминофора 7, первый показатель преломления n композиции может быть адаптирован так, чтобы согласоваться с показателем преломления подложки для тех же длин волн. По сравнению с обычными оптическими соединениями, имеющими показатель преломления, который ниже, чем показатель преломления подложки LED, критический угол полного внутреннего отражения для света, падающего на соединение от подложки LED, увеличивается, и путем более близкого согласования показателя преломления композиции с показателем преломления подложки может быть получен выход света от LED к композиции фактически без потерь.
1
В других вариантах осуществления данного изобретения первый показатель преломления n может быть в диапазоне между показателями преломления подложки LED и керамического люминофора для тех же длин волн или первый показатель преломления может согласоваться с показателем преломления керамического люминофора. Следовательно, взамен может быть улучшен выход света из соединения в люминофор.
1
В общем, согласование показателя преломления композиции со смежным материалом, имеющим меньший показатель преломления для тех же длин волн, может быть предпочтительно, так как большее количество связующего может быть затем использовано в композиции, обеспечивая улучшенные адгезивные свойства. Таким образом, если показатель преломления керамического люминофора ниже, чем показатель преломления подложки для тех же длин волн, первый показатель преломления n настоящей композиции может быть выполнен с возможностью согласоваться с показателем преломления керамического люминофора для описанных выше длин волн.
2
1
2
2
2
Как описано выше, показатель преломления n композиции для больших длин волн, например в диапазоне 550-800 нм, меньше, чем показатель преломления n. Обычно показатель преломления n может быть 1,60-1,95, предпочтительно 1,70-1,90. Кроме того, второй показатель преломления n композиции для второй, большей длины волны может предпочтительно согласоваться со вторым показателем преломления керамического люминофора для той же длины волны, причем второй показатель преломления n ниже, чем упомянутый второй показатель преломления керамического люминофора.
1
Если первый показатель преломления n согласуется с показателем преломления люминофора для света с первой длиной волны, свет с первой, более короткой длиной волны переходит фактически без потерь из соединения в люминофор и обратно. Однако рассогласование в показателе преломления для второй, большей длины волны, которое происходит из-за высокой дисперсии, будет приводить к отражению части света с упомянутой второй, большей длиной волны, излучаемого люминофором, обратно к границе раздела люминофор-соединение, приводя, таким образом, к снижению потерь света, вызываемых поглощением в кристалле LED.
1
2
Если показатель преломления n согласуется с показателем преломления подложки и меньше, чем показатель преломления люминофора для тех же длин волн, то второй показатель преломления n композиции еще меньше. В результате свет и первой, и второй длин волн соответственно, направленный обратно от люминофора к композиции, будет испытывать некоторый угол полного внутреннего отражения на границе раздела люминофор-соединение и будет, частично, отражаться. Однако из-за высокой дисперсии композиции свет с большими длинами волн будет испытывать меньший угол полного внутреннего отражения по сравнению со светом с более короткими длинами волн, и, таким образом, свет с большими длинами волн будет переходить обратно в LED.
1
1
В случаях, когда первый показатель преломления композиции согласуется с показателем преломления подложки, рассогласование показателя преломления между композицией и люминофором для больших блин волн увеличивается по сравнению со случаями, когда первый показатель преломления n композиции согласуется с показателем преломления люминофора. Таким образом, больше света со второй длиной волны предотвращается от перехода обратно в кристалл LED, когда первый показатель преломления n композиции согласуется с показателем преломления подложки, а не с показателем преломления люминофора.
2
2
2
2
Фиг.2 показывает примеры показателя преломления как функции длины волны, полученные экспериментально для разных композиций согласно вариантам осуществления данного изобретения, а также для сапфира, GaN и двух типичных люминофорных материалов (YAG:Се, BSSNE). Как можно видеть на этой фигуре, композиции согласно данному изобретению (анатаз TiO MTMS 1, рутил TiO MTMS 2, TiO отвержденный метилполисилоксан, анатаз TiO MTMS 3) демонстрируют значительную дисперсию в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм. Также дисперсия композиции согласно данному изобретению больше, чем дисперсия сапфира, а также люминофорных материалов.
2
2
Как можно также видеть на фиг.2, показатель преломления TiO метилполисилоксана (отвержденный) выше, чем показатель преломления YAG:Се люминофора для длин волн в нижней части этого спектра (меньше приблизительно 470 нм), тогда как показатель преломления того же TiO метилполисилоксана ниже, чем показатель преломления YAG:Се люминофора для длин волн в более высокой части этого спектра (больше приблизительно 470 нм). Обычно желательно, когда рассогласование показателя преломления больше для больших длин волн (>550 нм), чем для более коротких длин волн (<500 нм).
Данные, представленные на фиг.2, показывают, что для композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения разница в показателе преломления между первой длиной волны 450 нм, излучаемой LED, и второй (преобразование) длиной волны 570 нм, излучаемой люминофором, может быть приблизительно 0,044-0,065 для соответствующих показателей преломления от 1,81 до 1,95.
В общем, более высокий показатель преломления при изменении композиции комбинаций подобных материалов связан с более высокой дисперсией. Для сравнения, различия в показателе преломления для тех же длин волн составляют приблизительно 0,0153-0,0178 для YAG:Се люминофора и 0,0320 для люминофора легированный европием нитрид бария стронция кремния (BSSNE). Показатель преломления и дисперсия люминофора могут слегка меняться с точной композицией люминофора, такой как количество легирующей примеси, точная стехиометрия и введение добавочных элементов, таких как гадолиний (Gd) в YAG люминофор.
Дисперсия обычного связующего материала с низким показателем преломления, такого как метилполисилоксан, гораздо больше, чем дисперсия композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения, например приблизительно 0,010 при показателе преломления 1,43 для 450 нм.
В вариантах осуществления данного изобретения композиция содержит связующий материал и наночастицы в качестве наполнителя. Наночастицы имеют средний размер частиц 100 нм или меньше и, таким образом, прозрачны для видимого света. Наночастицы служат для увеличения показателя преломления композиции.
Для применения в качестве соединения связующий материал композиции предпочтительно может быть материалом с высоким показателем преломления и иметь хорошую фотохимическую устойчивость. Обычно может использоваться полимерный материал на основе Si, в частности алкилсиликаты, такие как метилсиликат, пропилсиликат, бутилсиликат, фенилсиликат и их смеси, и алкилполисилоксаны, такие как метилполисилоксан, пропилполисилоксан, бутилполисилоксан и их смеси.
Композиции, содержащие алкилсиликаты, могут быть приготовлены из алкилалкоксисиланов, используя золь-гель способы. Подходящие алкилалкоксисиланы включают в себя моноорганически модифицированные силаны, такие как метилтриметоксисилан, метилтриэтоксисилан и фенилтриметоксисилан, фенилтриэтоксисилан, и диорганически модифицированные силаны, такие как диметилдиметоксисилан, имеющий 2 алкильных группы и 2 алкокси группы на Si мономер. Также димеры, тримеры и олигомеры этих силановых мономеров могут быть использованы. Кроме того, неорганически модифицированные силаны, такие как тетраметоксисилан или тетраэтоксисилан, также могут быть использованы для образования силикатного связующего путем затвердевания конденсацией. Также смеси вышеуказанных силановых мономеров могут быть использованы. Также олигомеры или частично полимеризованные силановые материалы могут быть использованы. Например, могут быть использованы частично полимеризованный метилсиликат или фенилсиликат, которые могут реагировать далее. Эти олигомерные или частично полимеризованные материалы могут быть твердыми, но могут быть еще растворимыми в подходящих растворителях и применяться в таком виде.
2
Силиконы, содержащие полимеризованные -(RSiO) цепи, где R обычно является метильной или фенильной боковой группой на -(Si-О)- скелете, также могут использоваться для приготовления связующего компонента композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Наночастицы могут быть диспергированы в растворителе, в который может добавляться связующий материал или его предшественник (например, описанный выше силан). Альтернативно, наночастицы могут быть диспергированы непосредственно в связующем материале или его предшественнике.
Для некоторых приложений, например, когда используется в качестве покрытия или связующего в удаленном применении люминофора, связующий материал композиции не должен иметь такой высокой фототермической устойчивости, как требуется для применения в присоединении керамического люминофора непосредственно на кристалл LED. Таким образом, для таких приложений широкое разнообразие связующих материалов может быть использовано, включая, среди прочего, эпоксиды, акрилики, полиацетаты, полиамиды, полиакриламиды, циклические олефины, полиолефины, полиэфиры, полиэтиленоксиды, поливиниловые спирты, полиэтиленимины, поливинилпирролидоны и полиимиды.
Показатель преломления самого связующего материала может быть в диапазоне 1,4-1,6, но связующие, имеющие еще меньшие или более высокие показатели преломления, также могут быть использованы.
Наночастицы имеют средний диаметр частиц 100 нм или меньше, предпочтительно 50 нм или меньше. Предпочтительно по меньшей мере 90% наночастиц может иметь диаметр в диапазоне 5-40 нм.
2
2
2
3
2
2
3
2
2
5
2
5
2
3
2
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
Наночастицы могут быть выбраны из группы, состоящей из TiO, ZrO, YO, ZrO, стабилизированного посредством YO, HfO, TaO, NbO, TeO, BaTiO и SiC наночастиц. Предпочтительно, могут быть использованы наночастицы TiO с кристаллической структурой рутила, или анатаза, или брукита, или их смеси. Частицы TiO могут быть обработаны с поверхности SiO и/или AlO для снижения их фотокаталитической активности. В качестве добавки SiO и/или AlO также могут быть включены в композицию в целях снижения усадочных напряжений. Кроме того, преимущественно AlO и/или TiO могут быть использованы для улучшения теплопроводности композиции. В качестве другой добавки подходящий диспергирующий агент может быть использован для увеличения совместимости надлежащей дисперсии наночастиц в композиции или ее предшественнике. Такой диспергирующий агент обычно объединяет аффинные химические группы наночастиц (например, полярные) с аффинными группами связующего (например, неполярными). Диспергирующий агент может быть органической молекулой, например блок-сополимером, или кислотой.
Путем регулирования объемного отношения наночастиц в композиции, в частности объемного отношения наночастицы:связующее, желаемый показатель преломления и дисперсия могут быть получены. Минимальное количество наночастиц в композиции может быть приблизительно 15% на полный объем композиции. Обычно наночастицы могут составлять по меньшей мере 20%, например по меньшей мере 30%, от полного объема композиции. Максимальное количество наночастиц может быть приблизительно 70% от полного объема, остальной частью является связующий материал и, возможно, воздух (поры). Объемное отношение наночастицы:связующее или, альтернативно, отношение наночастицы:(связующее+добавка) может быть от 15:85 до 99:1. Например, композиция может содержать до 70 об.% наночастиц, до 10 об.% связующего материала и 20 об.% воздуха. Предпочтительно включать по меньшей мере приблизительно 5 об.% связующего, чтобы иметь приемлемые адгезивные или сцепляющие свойства. Количество связующего может быть очень маленьким, только покрывающим поверхность наночастиц.
2
2
Фиг.7 представляет собой график, показывающий экспериментальные величины показателя преломления композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения при 450 нм как функцию объемной доли связующего в композиции. Данная композиция содержит композицию метилсиликат/нано-TiO, приготовленную из метилтриметоксисиланового мономера, смешанного с наночастицами TiO в водной дисперсии, высушенную и нанесенную. Как можно видеть на этой фигуре, показатель преломления композиции может быть адаптирован путем надлежащей регулировки объемной доли связующего. Величина показателя преломления также может слегка изменяться с помощью температуры затвердевания композиции. Также можно адаптировать показатель преломления композиции путем использования связующего материала, имеющего другой показатель преломления.
2
1
В вариантах осуществления данного изобретения композиция может быть использована как связующее для измельченного, преобразующего длину волны материала, обычно неорганического люминофорного материала. В таких вариантах осуществления второй показатель преломления n может согласовываться с показателем преломления люминофорного материала для света с преобразованными люминофором длинами волн, обычно в диапазоне 550-800 нм, тогда как первый показатель преломления n композиции может согласовываться с показателем преломления люминофорного материала для света с более короткой, не преобразованной длиной волны. Полученная смесь люминофор-связующее может наноситься на LED для прилипания к нему, что помогает извлекать больше света из LED путем увеличения критического угла для выхода света из LED.
Данная смесь люминофор-связующее может также объединяться с другой смесью люминофор-связующее или керамическим люминофором на стороне, либо обращенной к LED, либо обращенной от LED, улучшая пропускание света между люминофорными слоями, и/или между LED и люминофорным пакетом, и/или между инкапсулирующим веществом с высоким показателем преломления и люминофорным пакетом. Дополнительное соединение, использующее данную композицию, может быть использовано для прикрепления люминофорного слоистого пакета к LED и/или инкапсулирующему веществу с высоким показателем преломления. Люминофорный слоистый пакет может, например, содержать люминофор с желтоватым излучением и люминофор с красноватым излучением, чтобы обеспечить излучение теплого белого цвета.
Альтернативно или дополнительно, смесь люминофор-связующее может наноситься на другую структуру устройства освещения в так называемой конфигурации с удаленным люминофором, где LED и люминофор взаимно отделены друг от друга (например, воздушным зазором).
2
2
2
В результате согласования показателей преломления для преобразованного света между преобразующим длину волны материалом и композицией согласно вариантам осуществления данного изобретения коэффициент отражения измельченного люминофорного материала снижается, увеличивая, таким образом, выход света из преобразующего длину волны элемента. Пример композиции, которая близка к согласованию для преобразованного света с люминофором, показан на фиг.2 путем сравнения кривых показателей преломления анатаза TiO MTMS 1 и YAG:Се. Небольшое снижение содержания TiO будет дополнительно оптимизировать это согласование. Кроме того, так как высокая дисперсия композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения обеспечивает рассогласование показателей преломления непреобразованного света (например, синий LED свет 450 нм, рассогласование очевидно при сравнении кривых показателей преломления люминофоров анатаз TiO MTMS 1 и YAG:Се), рассеяние непреобразованного света меньше снижается, таким образом, все еще обеспечивая возможность смешения цветов преобразованного и не преобразованного света.
Таким образом, в этих вариантах осуществления преимущество высокой дисперсии состоит в том, что свет с первой длиной волны рассевается в более высокой степени, чем свет со второй, большей длиной волны. Однако, чтобы реализовать это преимущество, разница в показателях преломления между композицией и люминофором должна рассматриваться для дисперсии композиции, а также дисперсии люминофорных частиц, чтобы достичь рассогласования для первой длины волны. Для целей этих вариантов осуществления показатель преломления композиции для второй длины волны может быть больше до +0,1 и меньше до -0,01 от показателя преломления люминофорных частиц, с которыми предполагается согласование. Фиг.3-5 изображают устройства освещения согласно различным вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.3 показывает устройство 1 освещения, содержащее LED 5 типа с перевернутым кристаллом и керамическую люминофорную плитку 7, обычно 1×1 мм, имеющую толщину приблизительно 100-150 мкм. Устройство 1 освещения может иметь такие же признаки, как устройство на фиг.1а или фиг.1b, включая соединение 8, содержащее композицию согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Кроме того, устройство на фиг.3 содержит по меньшей мере одну отражающую область 13, содержащую отражающий материал, расположенный смежным с боковой стороной у LED 1.
Фиг.4 показывает устройство 1 освещения, содержащее LED 5 типа с перевернутым кристаллом, к которому оптический элемент 10 в форме купола прикреплен с помощью соединения 8, содержащего композицию согласно вариантам осуществления данного изобретения. Оптический элемент 10 имеет форму полусферы. Оптический элемент 10 может содержать керамический материал, такой как YAG или сапфир, или стекло с высоким показателем преломления. Возможно, оптический элемент 10 может содержать рассевающие элементы, такие как поры. Показатель преломления композиции, составляющей соединение 8 с высоким показателем преломления, согласуется с показателем преломления оптического элемента 10 для первой длины волны или показатель преломления композиции может быть немного выше, чем показатель преломления оптического элемента. Соединение 8 с высоким показателем преломления может быть расположено только между оптическим элементом и LED, и обычный наполнитель или связующий материал 11, такой как обычное силиконовое соединение, может заполнять любое оставшееся пространство между оптическим элементом 10 и держателем 2. Упомянутый обычный наполнитель или связующий материал может быть прозрачным или может содержать рассеивающие элементы. Альтернативно, соединение 8 с высоким показателем преломления, содержащее композицию согласно вариантам осуществления данного изобретения, может наноситься на всю область оптического элемента 10, обращенную к LED 5 и держателю 2.
2
3
Фиг.5 показывает излучающее боком устройство 1 освещения, содержащее LED 5 типа с перевернутым кристаллом, на который керамическое тело 7 прикреплено соединением 8, содержащим композицию согласно вариантам осуществления данного изобретения. Керамическое тело 7 может быть, по существу, прозрачным. Керамическое тело 7 может быть не легированным и может содержать поликристаллический оксид алюминия (AlO), сапфир, или YAG, или стекло с высоким показателем преломления. Альтернативно, керамическое тело 7 может содержать легирующую примесь, образуя, таким образом, керамический люминофор, такой как YAG:Се. Кроме того, устройство 1 освещения содержит верхний отражатель 12, отражающий свет, излучаемый LED 5 и, возможно, преобразованный керамическим люминофорным телом 7, так что свет может покидать устройство через боковые стороны LED и/или керамического тела.
2
2
Фиг.6 демонстрирует преимущественный эффект композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения, применяемой для присоединения люминофора YAG:Се к GaN. График представляет вычисленные данные по переходу света от GaN в соединение как функцию угла падения для TiO метилполисилоксановой композиции согласно вариантам осуществления данного изобретения и обычного силиконового соединения при толщине соединения 5 мкм. Вычисление проводили для света 450 нм. Показатель преломления GaN был 2,422, показатель преломления TiO метилполисилоксановой композиции был 1,854 и показатель преломления обычного силиконового соединения был 1,431.
2
Как можно видеть на фиг.6, TiO метилполисилоксановая композиция обеспечивает смешение критического угла от приблизительно 36° до приблизительно 50°. Также улучшается пропускание света до критического угла. Таким образом, композиция согласно вариантам осуществления данного изобретения сильно улучшает выход света из GaN слоя по сравнению с обычным силиконовым соединением.
ПРИМЕРЫ
Приготовление метилсиликатного соединения, наполненного наночастицами TiO
2
2
Метилтриметоксисилан добавляли в кислотные водные дисперсии наночастиц TiO типа анатаза или рутила соответственно. Избыток растворителя удаляли испарением, увеличивая вязкость. Полученную липкую текучую среду наносили на LED, образуя слой, и, возможно, нагревали далее, чтобы удалить больше растворителя. Затем оптический компонент, присоединяемый к LED, прикладывали к соединяющему слою и данный слой сушили далее и нагревали для затвердевания в твердое слоистое соединение при температуре в диапазоне 150-200°С в течение 15-60 минут.
Приготовление метилполисилоксанового соединения, наполненного наночастицами TiO
2
2
Метилполисилоксан (силиконовая смола) растворяли в дисперсии наночастиц TiO в изопропаноле. Избыток растворителя удаляли испарением, увеличивая вязкость. Полученная композиция демонстрировала свойства заливки после нанесения. Она была твердая в сухом состоянии при комнатной температуре и становилась клейкой/текучей при нагреве до температуры, превышающей 70°С.
После испарения части растворителя полученную липкую текучую среду наносили на LED, образуя слой, и сушили, чтобы удалить больше растворителя. Затем оптический компонент, присоединяемый к LED, прикладывали к соединяющему слою и данное соединение нагревали до температуры по меньшей мере 70°С, достигая оптического и механического контакта. Окончательное затвердевание соединения затем выполняли при приблизительно 200°С в течение 15-60 минут.
Альтернативно, композицию можно было распределять или наносить в качестве текучей среды с минимальным количеством растворителя на один из соединяемых компонентов. Соединение можно было сушить далее при умеренных температурах, например 50-120°С, удаляя избыток растворителя. Второй оптический компонент затем прикрепляли к первому компоненту. Окончательное затвердевание соединения затем выполняли при приблизительно 200°С в течение 15-60 минут, достигая постоянно липкого соединения.
В качестве еще одной альтернативы композицию можно было наносить как покрытие на оптический компонент, например керамическую люминофорную подложку. Нанесение можно было выполнять путем покрытия центрифугированием, покрытия ракельным ножом, покрытия распылением, трафаретной печати, покрытия поливом, литья или трафаретной печати. После нанесения соединяющий слой сушили для удаления избытка растворителя, например, при 50-120°С. Как только композиция соединения становилась твердой и не адгезивной при комнатной температуре, оптический компонент можно было отрезать или вырезать до желаемого размера. Затем композицию соединения нагревали до температуры по меньшей мере 70°С и оптический компонент прикладывали к LED. Окончательное затвердевание соединения затем выполняли при приблизительно 200°С в течение 15-60 минут.
Приготовление силиконового соединения, наполненного наночастицами TiO
2
2
2
2
2
2
Полисилоксановую силиконовую текучую среду растворяли в неполярной дисперсии наночастиц TiO, используя ксилол в качестве растворителя. Диспергирующий агент использовали, чтобы стабилизировать частицы TiO в дисперсии. Дисперсию готовили путем измельчения нанопорошка TiO с исходными частицами, имеющими размер <50 нм, в ксилоле с добавлением диспергирующего агента. Полученная дисперсия была полупрозрачной. Силиконовая смола представляла собой однокомпонентный силикон. Альтернативно, можно было использовать двухкомпонентный силикон и либо оба компонента, либо один из компонентов можно было смешивать с дисперсией TiO. После диспергирования большую часть растворителя удаляли испарением и полученную силиконовую текучую среду, наполненную TiO, использовали для контакта LED с керамическим люминофорным телом. В случае двухкомпонентного силикона с наночастицами, добавленными к одному из компонентов, второй компонент добавляли до соединения. В конце соединение отверждали при 150°С в течение 1 ч.
2
2
Альтернативно, дисперсию TiO можно было получать путем смешения наноизмельченного TiO порошка с силиконовой смолой и диспергирующим агентом. Некоторый растворитель можно было добавлять для снижения вязкости.
Композиция, описанная здесь, может быть использована для оптического присоединения керамических элементов к LED. Композиция также может быть использована в качестве покрытия или связующего для измельченного люминофора, в частности для устройств освещения с удаленным люминофором.
Устройства освещения, содержащие настоящую композицию в качестве соединения, покрытия или связующего, могут быть использованы в сверкающих модулях, автомобильных модулях переднего и заднего света, сигнальных приложениях, проекционных приложениях и обычном освещении.
Специалист в данной области техники понимает, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, многие модификации и вариации возможны внутри объема приложенной формулы изобретения. Например, композиция вариантов осуществления данного изобретения может быть использована для соединения вместе любых двух оптических элементов с высоким показателем преломления, например двух керамических люминофорных слоев или тел, например YAG:Се люминофора и BSSNE люминофора, которые в комбинации с подходящим LED источником света могут обеспечить теплый белый свет. Один из этих люминофоров или другие оптические элементы могут присоединяться к LED.