TWI554563B

TWI554563B - 光學組成

Info

Publication number: TWI554563B
Application number: TW099126522A
Authority: TW
Inventors: 亨卓克強漢尼司包德威珍賈特; 克莉絲汀克雷能; 喬安娜瑪麗亞伊莉莎白貝肯
Original assignee: 皇家飛利浦電子股份有限公司
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2016-10-21
Also published as: US20120126274A1; KR20120061872A; TW201116565A; RU2567915C2; JP2013501840A; JP6114032B2; CN102471521A; KR101749889B1; RU2012108717A; CN102471521B; BR112012002964A2; EP2464685A1; US8936997B2; WO2011018746A1

Description

光學組成

本發明係關於基於LED之發光裝置，特定言之，經由光學黏結體將光學構件連接至LED之裝置。

基於發光二極體(LED)之發光裝置越來越廣泛地用於各種照明及信號發送設備。LED優於如白熾燈及螢光燈之傳統光源，包括長使用壽命、高流明效能、低操作電壓及流明輸出之快速調變。

高效高功率LED常係基於發藍光InGaN材料。為製造具有所需色彩(例如，白色)輸出之基於LED之發光材料，可使用將由LED發射之部份光轉化為較長波長之光之適宜波長轉化材料，統稱為磷光體，以產生具有所需光譜特性之光組合。例如將磷光體嵌入塗覆於LED頂部之諸如環氧物質之有機囊封材料中，或可將其預製成可塗覆於LED上之陶瓷自承式層。適宜地，陶瓷磷光體層比習知有機磷光體層更堅固及具有較弱溫度敏感性。此陶瓷磷光體層係藉由光學黏結體連接至LED。一般而言，用於此黏結體之材料包括光學聚矽酮，其具有為LED之操作條件所需之高光熱穩定性，及高透明度。

然而，常使用之光學黏結體較藉此提取光之LED之頂層(其可為頂端接觸，例如，GaN(約2.42之折射率)，或藍寶石(約1.77之折射率)生長基板)之折射率具有相對低之折射率，一般而言介於1.4至1.58。因此，於黏結體上自LED入射之光之全內反射之臨界角相對小。於黏結體上以大於臨界角之角度入射之光不會直接地自LED提取。且，較陶瓷磷光體之折射率小之黏結體之折射率會因界面處之反射而導致透射有限。因此，習知光學黏結體獲得有限之光提取及透射。

WO2007/138502揭示一種用於LED之無機磷光體，其包含無機發光材料。將黏結前驅體材料置於無機磷光體之表面且該黏結前驅體材料包含至少部份水解之有機改質矽烷。該黏結前驅體可進一步包含用於增加黏結體折射率之氧化物，其則會增強黏結體之光耦合能力。亦可藉由選擇反應混合物中之經甲基與經苯基改質之矽烷之適宜比來小量地調節折射率。

然而，儘管WO2007/138502中出現黏結前驅體，然而於本技藝中仍需改良之光學黏結體。

本發明之一目的係至少部份地克服以上問題，及提供一種光學黏結體，該光學黏結體可提供自基於LED之發光裝置之改良之光提取及/或光透射。

於第一態樣中，本發明係關於一種包含黏結劑材料及具有100 nm或更小，較佳50 nm或更小之平均粒徑之奈米顆粒之組成，該組成具有就第一波長之光而言之至少1.65，較佳至少1.75之第一折射率(n₁)，及就第二波長之光而言之介於1.60至2.2之第二折射率(n₂)，其中第一折射率(n₁)較第二折射率(n₂)大，及其中第一及第二折射率可藉由調整奈米顆粒對黏結劑材料之體積比而進行調諧。折射率n₁與n₂之間的差異分化不同波長之光於塗覆有該組成之材料之界面處之全內反射臨界角。臨界角可藉由調節組成之第一及第二折射率來調諧以用於任何特定應用。

特定言之，第一折射率(n₁)可為至少1.80，例如，至少1.85，及第二折射率(n₂)可介於1.70至1.90之間。此外，當第一波長為約450 nm或更小及第二波長為約570 nm或更大時，該第一折射率(n₁)與該第二折射率(n₂)之間之差可為至少0.03，及較佳至少0.04。由於，例如，當於LED磷光體發光裝置中用作光學黏結體時，可獲得LED光之良好光提取，同時減少透射回LED晶片之轉化光之量，故高色散(即，取決於波長之折射率)甚為有利。因此，使用根據本發明之實施例之組成，可改良LED磷光體發光裝置之效能。

於本發明之實施例中，第一波長可係介於350至500 nm，一般而言，420至470 nm之間，其適用於具有諸如YAG:Ce磷光體之波長轉化構件之基於LED之發光裝置。第二波長可介於550至800 nm之間。

該組成可較佳具有黏附特性。

該組成之奈米顆粒可選自由TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、經Y₂O₃-安定之ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TeO₂、BaTiO₃及SiC組成之群。一般而言，奈米顆粒包含TiO₂。TiO₂於UV波長範圍附近具有吸收帶，進而於所需波長下提供高色散，而不過度吸收。此外，TiO₂廉價且可輕易自市面供應商獲得。

奈米顆粒之體積含量係以組成之體積計之15至75%及更佳30至60%。此外，奈米顆粒：黏結劑體積比係介於15:85至99:1。

根據本發明之實施例之組成之黏結劑組分可包含矽酸鹽、烷基矽酸鹽及/或烷基聚矽氧烷。

於另一態樣中，本發明係關於一種發光裝置，其包含：

-　經調整以發射第一波長之光及包含具有就第一波長而言之折射率n_a1之透明層之半導體層狀結構；

-　鄰接該透明層佈置以經由該透明層接收由該半導體層狀結構發射之第一波長光之陶瓷構件，該陶瓷構件具有就該第一波長而言之折射率n_b1；及

-　於該透明層與該陶瓷構件之間提供及與該透明層及該陶瓷構件直接接觸之黏結區域，該黏結區域包含如上定義之組成，其中該組成之第一折射率(n₁)與折射率n_a1及n_b1中之較低者匹配(例如，在+0.01至-0.10之範圍以內)。

陶瓷構件可為經調整以將第一波長之光轉化為第二波長之光及具有就該第二波長而言之折射率n_b2之波長轉化構件，及隨後可令該組成之第二折射率(n₂)較該波長轉化構件之折射率n_b2低。

當透明層係藍寶石基板且折射率n₁與藍寶石基板就LED發射之波長之光而言之折射率n_a1匹配時，可改良自藍寶石基板至黏結體之光提取。此外，當折射率n₂較n_b2小時，由波長轉化構件發射之光於波長轉化器至黏結體界面處全內反射臨界角變小，使較少量之轉化光透射回LED，存在吸收的風險。

當透明層係GaN層且黏結體之折射率n₁與就由LED發射之光而言之折射率n_b1匹配時，自黏結體至陶瓷構件之光透射幾無損失。此外，如上所述，由波長轉化構件發射之光於波長轉化器至黏結體界面處全內反射臨界角更小，使較小轉化光透射回LED，存在吸收的風險。

於又一態樣中，本發明係關於一種發光裝置，其包含：

-　經調整以發射第一波長範圍之光及包含具有就第一波長而言之折射率n_a1之透明層之半導體層狀結構，如LED；及

-　經佈置以經由該透明層接收由半導體層狀結構發射之第一波長範圍之光之波長轉化構件，該波長轉化構件包含：(i)經調整以將該第一波長之光轉化為第二波長範圍之光及具有就該第一波長而言之折射率n_b1及就該第二波長而言之折射率n_b2之波長轉化材料，及(ii)如請求項1所定義作為波長轉化材料之黏結劑之組成，其中該組成之第二折射率(n₂)係與該折射率n_b2匹配(例如，+0.1至-0.01以內)且第一折射率n₁較該折射率n_b1大。

由於該組成之色散，故增大由半導體層狀結構發射之光之散射，其會提高裝置效能，係因可藉由波長轉化材料轉化更多光。此外，改良未轉化與轉化光之混合。此外，可減少轉化光回射至晶片。

由半導體層狀結構發射之第一波長可介於350至500 nm之間，例如，約450 nm，及由波長轉化材料發射之第二波長可介於550至800 nm之間。

於另一態樣中，本發明係關於一種經由高折射率光學黏結體將第一基體黏結至第二基體之方法，其包含：

-　將如上所述之組成或其前驅體分散於該第一或第二基體上；

-　經由該組成或前驅體令該第一與第二基體接觸；及

-　令該組成或前驅體處於固化條件並使該組成或前驅體固化。

應注意本發明係關於專利申請範圍中所引述之特徵之所有可能組合。

本發明之此等及其他態樣將參照顯示本發明之實施例之附圖更詳細地描述。

於一態樣中，本發明係關於一種可用作於光學組件中或用於光學組件且具有高折射率及高色散之組成。該組成包含具有分散其中之奈米顆粒之黏結劑材料。該組成之折射率可介於1.65至2.2之間且可藉由調整氧化物奈米顆粒對黏結劑材料之體積比而調諧於此範圍內。當於基於LED之發光裝置中用作光學黏結體時，該組成可因調諧與陶瓷組件之界面處之全內反射臨界角而改良光提取及透射。

如本文所使用，就第一波長(一般而言介於350至500 nm之間)而言之術語「匹配」意欲包括-0.10至+0.01之偏差。因此，表述「就第一波長而言，第一基體之折射率與另一基體之折射率匹配」意指就同一波長而言，第一基體之折射率與另一基體之折射率相差-0.10至+0.01。

此外，就第二波長(一般而言，550至800 nm)而言之術語「匹配」意欲包括-0.01至+0.10之偏差。

因此，術語「失配」係指折射率差異超出以上匹配範圍。

圖1a顯示一發光裝置1，其包含佈置於基台2上及經由電接點3電連接至佈置於該基台上之接觸墊4之覆晶型LED5。例如，藉由雷射釋放移除生長基板，以經由上電極，一般而言，GaN(未顯示)提取光。可粗糙化上電極以改良光提取。將陶瓷波長轉化體7佈置於上電極上並藉由由本文所述之組成形成之光學黏結體8黏結至此。

形成黏結體8之組成可具有至少1.65，較佳介於1.7至2.2之折射率。此外，該組成具有高色散，即，取決於波長之折射率之差異。色散一般係呈正常類型，意指較短波長之折射率高於較長波長。

一般，就350至500 nm範圍內之波長而言，組成之折射率可與陶瓷磷光體之折射率匹配，根據磷光體之類型，磷光體之折射率一般為1.85至2.15(例如，YAG:Ce為1.85至1.87)。因此，就350至500 nm範圍內之波長而言，該組成之第一折射率n₁可為至少1.75，較佳至少1.80及更佳至少1.85。折射率n₁亦可比磷光體高以更佳地與LED堆疊之頂層之折射率匹配(GaN一般具有約2.42之折射率)；然而，具有此高折射率之組成較難製造及因此較佳使其折射率與磷光體之折射率匹配。較習知光學黏結體，該組成之高折射率會減小LED頂層與組成之間的折射率差異，及因此，較習知光學黏結體，就通過LED頂層而入射至該組成上之350至500 nm範圍內之光而言，全內反射之臨界角得以增大。因此，可於第一次通過時自LED提取更多的光。由於就同一波長而言，該組成之折射率n₁至少接近磷光體之折射率，故光實質上不會因隨後黏結體至磷光體界面處之全內反射損失。

此外，就第二較長波長，例如，550至800 nm範圍內之波長而言，該組成之第二折射率n₂比第一折射率n₁小。一般而言，折射率n₂可為1.60至1.95，較佳1.70至1.90。

就第二較長波長而言之該組成之第二折射率n₂較佳與就同一波長而言之陶瓷磷光體之第二折射率失配，該組成之第二折射率n₂比陶瓷磷光體之第二折射率小。因此，由磷光體發射回至磷光體至黏結體界面之第二較長波長之部份光將具有全內反射臨界角，其阻止該第二波長之光回射至LED，藉此減少因LED晶片中之吸收之光損失。

此外，由於高色散，自與鄰接之高折射率材料(例如，LED上電極)之界面處之該組成入射之第二較長波長之光具有比較短波長小之臨界角。因此，較較短波長之光而言，較少較長波長之光回射至LED。

因此，高色散之益處係第二波長之全內反射臨界角比第一較短波長之光之臨界角大。然而，為獲得此益處，應針對該組成之色散及磷光體之色散來考慮該組成與磷光體之間之折射率差異，以獲得第二波長之失配。就本發明之黏結體實施例之目的而言，關於第一波長之該組成之折射率與待匹配之陶瓷之折射率之差異至大為+0.01，及至少為-0.1。

然而，於本發明之實施例中，就較短波長而言，該組成之第一折射率n₁不必精確地與磷光體之折射率匹配，且就較長波長而言，該組成與磷光體之間之折射率失配甚至更大。例如，就同一波長而言，該組成之第一折射率n₁可比磷光體之折射率小至少0.10，而該組成之第二折射率n₂甚至更小。

圖1b顯示一發光裝置1，其包含佈置於基台2上並經由電接點3電連接至佈置於基台2上之接觸墊片4之覆晶型LED 5。於接觸墊片之相反側上，半導體層係由用於提取光之生長基板6覆蓋。將陶瓷波長轉化體7佈置於該基板上並藉由由本文所述之組成形成之光學黏結體8黏結至此。

於基板6具有比陶瓷磷光體7大之折射率之實施例中，如SiC基板(約2.69之折射率)之情況，第一及第二折射率n₁及n₂可分別如上所述。

於基板6具有比陶瓷磷光體7低之折射率之實施例中，就350至500 nm範圍內之波長之光而言，黏結體8之組成之第一折射率n₁可與基板或陶瓷磷光體之折射率匹配。就該波長而言，藍寶石基板之折射率一般為1.75至1.80，其一般比陶瓷磷光體之折射率小。磷光體之折射率可如上所述。因此，就350至500 nm範圍內之波長而言，該組成之第一折射率n₁可為至少1.65，較佳至少1.75，更佳1.80及甚佳至少1.85。

於基板6具有比陶瓷磷光體7小之折射率之本發明之實施例中，可調整該組成之第一折射率n₁以，就同一波長而言，與基板之折射率匹配。較具有比LED基板小之折射率之習知光學黏結體，關於自LED基板之入射於之黏結體上之光之全內反射臨界角得以增加，及藉由令該組成之折射率與該基板緊密地匹配，可使自LED至該組成之光提取實質上無損失。

於本發明之其他實施例中，就同一波長而言，第一折射率n₁可介於LED基板與陶瓷磷光體之折射率之間，或第一折射率可與陶瓷磷光體之折射率匹配。因此，而改良自黏結體至磷光體之光提取。

一般就同一波長而言，組成較佳與具有最小折射率之鄰接材料之折射率匹配，係因隨後可將較大量之黏結劑用於組成中，提供改良之黏結特性。因此，就同一波長而言，陶瓷磷光體之折射率應比基板小，可調整該組成之第一折射率n₁以就如上所述之彼波長而言，與陶瓷磷光體之折射率匹配。

如上所述，就較長波長(例如，介於550至800 nm)而言，組成之折射率n₂係比折射率n₁小。一般而言，折射率n₂可為1.60至1.95，較佳1.70至1.90。此外，該組成就第二較長波長而言之第二折射率n₂較佳可與陶瓷磷光體就同一波長而言之第二折射率失配，其中第二折射率n₂比陶瓷磷光體之該第二折射率小。

若就第一波長之光而言，第一折射率n₁與磷光體之折射率匹配，則第一較短波長之光實質上無損失地自黏結體透射至磷光體且反之亦然。然而，就第二較長波長而言之折射率因高色散失配會導致由磷光體發射之該第二較長波長之光部份地反射回磷光體至黏結體界面，藉此減少由LED晶片中之吸收導致之光損失。

若，就同一波長而言，折射率n₁與基板之折射率匹配且比磷光體之折射率小，則該組成之第二折射率n₂甚至更小。因此，自磷光體回射至該組成之第一及第二波長之光於磷光體至黏結體界面處將具有一全內反射角，且部份反射。然而，由於該組成之高色散，較長波長之光將具有比較短波長之光小之全內反射角，及因此較少之較長波長之光透射回至LED。

於該組成之第一折射率與基板之折射率匹配之情況中，該組成與磷光體就較長波長而言之折射率失配較該組成之第一折射率n₁與磷光體之折射率匹配之情況大。因此，當該組成之第一折射率n₁與基板，而非磷光體，之折射率匹配時，可防止更多第二波長之光透射回至LED晶片。

圖2顯示實驗上獲得之根據本發明實施例的多個組成亦及藍寶石、GaN及兩種典型磷光體材料(YAG:Ce、BSSNE)之與波長成函數關係的折射率之實例。自此圖可見，本發明之組成(銳鈦礦TiO₂ MTMS 1、金紅石TiO₂ MTMS 2、固化之TiO₂甲基聚矽氧烷、銳鈦礦TiO₂ MTMS 3)於400至800 nm波長範圍內展現可觀的色散。此外，本發明之組成之色散比藍寶石及磷光體材料之色散大。

自圖2亦可見，就此頻譜之最低部分(<約470 nm)之波長而言，(固化)TiO₂甲基聚矽氧烷之折射率比YAG:Ce磷光體之折射率大，而就此頻譜之較高部分(>約470 nm)之波長而言，同一TiO₂甲基聚矽氧烷之折射率比YAG:Ce磷光體之折射率小。一般而言，期望就較大波長(>550 nm)而言之折射率失配大於較短波長(<500 nm)者。

圖2中之數據顯示就本發明之實施例之組成而言，由LED發射之450 nm之第一波長與由磷光體發射之570 nm之第二(轉化)波長之間之折射率差異可為約0.044至0.065，對應折射率為1.81至1.95。

一般而言，藉由改變類似材料組合之組成之較高折射率係與較高色散相關。相比而言，YAG:Ce磷光體就同一波長而言之折射率差異為約0.0153至0.0178，及摻雜銪之氮化鋇鍶矽(BSSNE)磷光體為0.0320。磷光體之折射率及色散會隨磷光體之準確組成，如摻雜物之量、準確化學計量、及添加額外元素，如釓(Gd)至YAG磷光體而輕微變化。

習知低折射率黏結材料，如甲基聚矽氧烷之色散遠小於本發明之實施例之組成之色散，例如就450 nm而言於1.43折射率下約為0.010。

於本發明之實施例中，該組成包含黏結劑材料及作為填充劑之奈米顆粒。奈米顆粒具有100 nm或更小之平均粒徑及因此對可見光係透明的。奈米顆粒係用於增大組成之折射率。

就黏結設備而言，該組成之黏結材料較佳可係高折射率材料，及具有良好的光熱穩定性。一般而言，可使用基於Si之聚合材料，特定言之，烷基矽酸酯，如矽酸甲酯、矽酸丙酯、矽酸丁酯、矽酸苯酯及其等混合物，及烷基聚矽氧烷，如甲基聚矽氧烷、丙基聚矽氧烷、丁基聚矽氧烷及其等混合物。

包含烷基矽酸酯之組成可使用溶凝膠方法由烷基烷氧基矽烷製備。適宜的烷基烷氧基矽烷包括單有機改質矽烷，如甲基三甲氧基矽烷、甲基三乙氧基矽烷及苯基三甲氧基矽烷、苯基三乙氧基矽烷，及二有機改質矽烷，如每個Si單體具有2個烷基及2個烷氧基之二甲基二甲氧基矽烷。亦可使用此等矽烷單體之二聚體、三聚體及寡聚體。此外，亦可使用非有機改質矽烷，如四甲氧基矽烷或四乙氧基矽烷以藉由縮合固化形成矽酸酯黏結劑。亦可使用上述矽烷單體之混合物。亦可使用寡聚體或部份聚合矽烷材料。例如，可使用可進一步反應之部份聚合矽酸甲酯或矽酸苯酯。此等寡聚或部份聚合材料可為固體但仍可溶於適宜溶劑中並即可使用。

亦可使用包含聚合-(R₂SiO)鏈，其中R一般係於-(Si-O)-主鏈上之甲基或苯基側基之矽酮以製備本發明之實施例之組成之黏結劑組分。

可將奈米顆粒分散於添加有黏結劑材料或其前驅體(例如，如上所述之矽烷)之溶劑中。或者，可將奈米顆粒直接分散於黏結劑材料或其前驅體中。

就一些設備而言，例如當將組成之黏結劑材料用作遠程磷光體設備中之塗層或黏結劑時，該組成之黏結劑材料不必具有如用於將陶瓷磷光體直接黏結於LED晶片時所需之高光熱穩定性。因此，就此等設備而言，可使用各種黏結劑材料，尤其包括，環氧物質、丙烯酸系物質、聚乙酸酯、聚醯胺、聚丙烯醯胺、環烯烴、聚烯烴、聚醚、聚環氧乙烷、聚乙烯醇、聚乙烯亞胺、聚乙烯吡咯啶酮及聚醯亞胺。

僅黏結劑材料之折射率可介於1.4至1.6之間，然而亦可使用具有甚至更小或更大之折射率之黏結劑。

奈米顆粒具有100 nm或更小，較佳50 nm或更小之平均粒徑。較佳地，至少90%奈米顆粒可具有介於5至40 nm之粒徑。

奈米顆粒可選自由TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、經Y₂O₃安定之ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TeO₂、BaTiO₃及SiC奈米顆粒組成之群。較佳地，可使用金紅石或銳鈦礦或板鈦礦結晶結構或其等混合之TiO₂奈米顆粒。TiO₂顆粒可藉由SiO₂及/或Al₂O₃表面處理以降低其等光催化活性。SiO₂及/或Al₂O₃亦可作為添加劑包含於組成中以降低收縮應力。此外，宜使用Al₂O₃及/或TiO₂以改良組成之導熱性。可將適宜分散劑用作另一添加劑以增加奈米顆粒恰當分散於組成或其前驅體中之相容性。此分散劑一般將親奈米顆粒之化學基團(例如，極性)與親黏結劑之基團(例如，非極性)結合。分散劑可為有機分子，例如嵌段共聚物，或酸。

藉由調整組成中之奈米顆粒之體積比，特定言之，奈米顆粒：黏結劑體積比，可獲得適宜的折射率及色散。組成中之奈米顆粒之最小量可為組成總體積之約15%。一般而言，奈米顆粒可佔組成總體積之至少20%，例如至少30%。奈米顆粒之最大量可為總體積之約70%，其餘為黏結劑材料及視需要之空氣(孔)。奈米顆粒：黏結劑體積比，或奈米顆粒：(黏結劑+添加劑)體積比可為15:85至99:1。例如組成可包含至多70體積%之奈米顆粒，至多10體積%之黏結劑材料及20體積%之空氣。宜包含至少約5體積%之黏結劑以獲得可接受之黏附特性。黏結劑之量可極小至僅覆蓋奈米顆粒之表面。

圖7係呈現根據本發明之實施例之組成於450 nm下與組成之黏結劑之體積比例成函數關係之折射率之實驗值之圖。該組成包含矽酸甲酯/奈米TiO₂組成，其係由在水性分散液中與TiO₂奈米顆粒混合之甲基三甲氧基矽烷單體製得，且經乾燥並塗覆。自此圖可見，可藉由適宜地調整黏結劑之體積比例以調整組成之折射率。折射率值亦會受組成之固化溫度輕微影響。亦可藉由使用具有不同折射率之黏結劑材料調整組成之折射率。

於本發明之實施例中，可將該組成用作具體波長轉化材料(一般而言，無機磷光體材料)之黏結劑。於此等實施例中，就經磷光體轉化之波長(一般介於550至800 nm之間)之光而言，第二折射率n₂可與磷光體材料之折射率匹配，而就較短未經轉化之波長之光而言，組成之第一折射率n₁可與磷光體材料之折射率失配。可將所得之磷光體-黏結劑混合物塗覆於LED上以黏結至此，其有助於藉由增大自LED提取光之臨界角以自LED提取更多的光。

亦可於面向LED或背向LED之側上使磷光體-黏結劑混合物與另一磷光體-黏結劑混合物或陶瓷磷光體組合，以改良磷光體層之間及/或LED與磷光體堆疊之間及/或高折射率囊封劑與磷光體堆疊之間之光透射。使用組成的另一黏結體可用於將磷光體層堆疊黏結至LED及/或高折射率囊封劑。磷光體層堆疊，例如，可包含發射黃綠色光之磷光體及發射紅色光之磷光體以發射暖白色光。

或者或此外，可將磷光體-黏結劑混合物塗覆於呈所謂之遠程磷光體組態之發光裝置之另一結構上，其中LED及磷光體係彼此分開(如藉由空氣隙)。

由於波長轉化材料與本發明之實施例之組成之間之經轉化之光之折射率匹配，故特定磷光體材料之反射係數得以降低，藉此增加自波長轉化構件之光提取。圖2藉由比較銳鈦礦TiO₂ MTMS 1與YAG:Ce之折射率曲線顯示就經轉化之光而言幾乎與磷光體匹配之組成之一實例。TiO₂含量之輕微降低會進一步使此匹配最優化。此外，由於本發明之實施例之組成之高色散會使未經轉化之光之折射率失配(例如，450 nm之藍色LED光，藉由比較銳鈦礦TiO₂ MTMS 1與YAG:Ce磷光體之折射率曲線證實此失配)，未經轉化之光之散射下降較少，因此仍提供經轉化與未經轉化光之色彩混合能力。

因此，於此等實施例中，高色散之益處係令第一波長之光較第二較長波長之光更大程度地散射。然而，為獲得此益處，應針對組成之色散及磷光體顆粒之色散來考慮組成與磷光體之間之折射率差異應，以使第一波長出現失配。就此等實施例之目的而言，組成就第二波長而言之折射率與待匹配之磷光體顆粒之折射率相差至大+0.1，及至小僅-0.01。圖3至5顯示本發明之實施例之發光裝置。

圖3顯示一發光裝置1，其包含覆晶型LED 5及一般為1×1 mm及具有約100至150 μm之厚度之陶瓷磷光體塊7。該發光裝置1可具有如圖1a或圖1b之裝置之相同特徵，包括包含本發明之實施例之組成之黏結體8。此外，圖3之裝置包含至少一反光片域13，其包含與LED 1之橫向側鄰接佈置之反射材料。

圖4顯示一發光裝置1，其包含藉由包含本發明之實施例之組成之黏結體8附接有呈圓頂形式之光學構件10之覆晶型LED 5。光學構件10具有半球形狀。光學構件10可包含諸如YAG或藍寶石之陶瓷材料，或高折射率玻璃。視需要，光學構件10可含有諸如孔之散射元件。就第一波長而言，形成高折射率黏結體8之組成之折射率可與光學構件10之折射率匹配，或該組成之折射率可略大於光學構件之折射率。可將高折射率黏結體8僅佈置於光學構件與LED之間，且諸如習知矽酮黏結體之習知填充劑或黏結材料11可填充光學構件10與基台2之間之任何剩餘空間。該習知填充劑或黏結材料可為透明或可包含散射元件。或者，可將包含本發明之實施例之組成之高折射率黏結體8塗覆於面向LED 5之光學構件10及基台2之整個區域。

圖5顯示一側向發光裝置1，其包含藉由包含本發明之實施例之組成之黏結體8附接有陶瓷體7之覆晶型LED 5。陶瓷體7實質上透明。陶瓷體7可未摻雜及可包含多晶型氧化鋁(Al₂O₃)、藍寶石或YAG，或高折射率玻璃。或者，陶瓷體7可包含一摻雜劑，因此形成陶瓷磷光體，諸如YAG:Ce。此外，發光裝置1包含可反射由LED 5發射並視需要藉由陶瓷磷光體7轉化之光之頂反光片12，以使光可經由LED及/或陶瓷體之橫向側離開裝置。

圖6說明本發明之實施例之組成於用於將YAG:Ce磷光體黏結至GaN時之有利作用。此圖顯示自GaN透射至黏結體之與本發明之實施例之TiO₂甲基聚矽氧烷組成及黏結體厚度為5 μm之習知矽酮黏結體之入射角成函數關係之光之計得數據。此計算係針對450 nm之光進行。GaN之折射率係2.422，TiO₂甲基聚矽氧烷組成之折射率係1.854，及習知矽酮黏結體之折射率係1.431。

自圖6可見，TiO₂甲基聚矽氧烷組成使臨界角自約36°轉變至約54°。此外可改良高達臨界角之光透射率。因此本發明之實施例之組成較習知光學黏結體可顯著地改良自GaN層之光提取。

實例

TiO ₂ 奈米顆粒填充之矽酸甲酯黏結體之製備

將甲基三甲氧基矽烷分別添加至銳鈦礦或金紅石型TiO₂奈米顆粒之酸性水分散液中。藉由蒸發移除過量溶劑以提高黏度。將所得之黏性流體分散於LED上以形成一層體及視需要進一步加熱以移除更多溶劑。然後將待黏結至LED之光學組分塗覆於黏結層並於150至200℃之溫度下於15至60分鐘內進一步乾燥該層及退火以固化成固體層黏結體。

TiO ₂ 奈米顆粒填充之甲基聚矽氧烷黏結體之製備

將甲基聚矽氧烷(矽酮樹脂)溶解於TiO₂奈米顆粒之異丙醇分散液中。藉由蒸發移除過量溶劑以增加黏度。所得之組成於塗覆後展現再流特性。於室溫下呈乾燥狀態之固體，且當加熱至70℃以上之溫度時會變黏/流化。

於蒸發部份溶劑後，將所得之黏性流體分散於LED上以形成一層體並乾燥以移除更多溶劑。隨後將待黏結至LED之光學組件塗覆於黏結層並將該黏結體加熱至至少70℃之溫度以獲得光學及機械接觸。隨後於約200℃下最後固化黏結體15至60分鐘。

或者，可將組成以具有極小溶劑量之流體分散或塗覆於待黏結之組件中之一者上。於溫和溫度，例如50至120℃下可進一步乾燥黏結體以移除過量溶劑。隨後將第二光學組件附結至第一組件。隨後於約200℃下最後固化黏結體15至60分鐘以獲得永久黏性結合。

如又一替代方案，將組成以塗層塗覆於光學組件，例如陶瓷磷光體晶圓上。該塗覆可藉由旋塗、刮刀塗覆、噴塗、篩網印刷、幕塗、澆鑄或模板印刷實施。於塗覆後，於例如50至120℃下乾燥黏結層以移除過量溶劑。由於黏結組成於室溫下係固體且非黏性，故可將光學組件切割成所學尺寸。隨後將黏結組成加熱至至少70℃之溫度及將光學組件應用於LED。隨後於約200℃下最後固化黏結體15至60分鐘。

TiO ₂ 奈米顆粒填充之矽酮黏結體之製備

將二甲苯用作溶劑，將聚矽氧烷矽酮流體溶於TiO₂奈米顆粒之非極性分散液中。使用分散劑以穩定分散液中之TiO₂顆粒。該分散液係藉由在添加有分散劑的二甲苯中研磨初始顆粒具有<50 nm粒徑之TiO₂奈米粉末而製得。所得之分散液呈半透明。矽酮樹脂係單組份矽酮類。或者，可使用二組分矽酮類及可將兩組分或其中一者與TiO₂分散液混合。於分散後，藉由蒸發移除大部份溶劑及使用所得之TiO₂填充之矽酮流體以使LED與陶瓷磷光體接觸。於二組分矽酮且其中一組分添加有奈米顆粒之情況中，添加第二組分然後黏結。最後於150℃下，固化黏結體1小時。

或者，TiO₂分散液亦可藉由令TiO₂奈米顆粒粉末與矽酮樹脂及分散劑混合獲得。可添加某溶劑以降低黏度。

本文中所述之組成可用於將陶瓷元件光學黏結至LED。亦可將該組成用作特定磷光體，特定言之，遠程磷光體類型之照明裝置之塗層或黏結劑。以黏結體、塗層或黏結劑包含本發明組成之照明裝置可用於閃存模組、汽車頭及尾燈模組、信號發射設備、投影設備及一般照明中。

熟習本技藝者將瞭解本發明不以任何方式受限於上述較佳實施例。相反，可於後附專利申請範圍內進行若干修改及變化。例如，本發明之實施例之組成可用於將任何兩高折射率光學元件黏結在一起，例如，兩陶瓷磷光層或磷光體，例如，YAG:Ce磷光體及BSSNE磷光體，其與適宜LED光源組合可提供暖白色光。可將此等磷光體中之任一者或其他光學元件黏結至LED。

1．．．發光裝置

2．．．基台

3．．．電接點

4．．．接觸墊片

5．．．LED

6．．．生長基板

7．．．陶瓷波長轉化體

8．．．光學黏結體

10．．．光學構件

11．．．黏結材料

12．．．頂反光片

13．．．反光片域

圖1a至b示意地顯示本發明之實施例之發光裝置。

圖2係展示關於本發明之實施例之組成及其他材料之取決於波長之折射率。

圖3示意地顯示本發明之實施例之發光裝置。

圖4示意地顯示本發明之實施例之發光裝置。

圖5示意地顯示本發明之實施例之發光裝置。

圖6顯示分別與於包含本發明之實施例之組成之黏結體與習知矽酮黏結體之入射角成函數關係之自GaN至磷光體之黏結層之光透射之圖。

圖7係顯示組成中含各種體積比例之黏結劑之折射率值之圖。

(無元件符號說明)

Claims

一種包含黏結劑(binder)材料及具有100nm或更小之平均粒徑(particle diameter)之奈米顆粒(nanoparticles)之組成(composition)，該組成具有就第一波長之光而言之至少1.65之第一折射率(n₁)及就第二波長之光而言之介於1.60至2.2之第二折射率(n₂)，其中該第一折射率(n₁)比該第二折射率(n₂)高，及其中該第一及第二折射率可藉由調整該等奈米顆粒對該黏結劑材料之體積比(volume ratio)而調諧(tuned)。
如請求項1之組成，其中該第一波長係介於350至500nm之間及該第二波長係介於550至800nm之間。
如請求項1之組成，其中該第一折射率(n₁)為至少1.80及該第二折射率(n₂)係介於1.70至1.90之間。
如請求項1之組成，其中該第一折射率(n₁)與該第二折射率(n₂)之差為至少0.03，該第一波長為約450nm或更小，及該第二波長為約570nm或更大。
如請求項1之組成，其中該第一折射率(n₁)與該第二折射率(n₂)之差為至少0.04，該第一波長為約450nm或更小，及該第二波長為約570nm或更大。
如請求項1之組成，其中該等奈米顆粒包含選自由TiO₂、ZrO₂、Y₂O₃、經Y₂O₃安定之ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅、TeO₂、BaTiO₃及SiC組成之群中之至少一者。
如請求項1之組成，其中奈米顆粒之體積含量係佔該組成之體積之15至75%。
如請求項1之組成，其中奈米顆粒：黏結劑體積比係介於15：85至99：1之間。
如請求項1之組成，其中該黏結劑材料包含矽酸鹽、烷基矽酸酯及/或烷基聚矽氧烷。
如請求項1之組成，其具有黏附特性。
一種發光(illumination)裝置(1)，其包含：一半導體層狀結構(5)，其經調整以發出第一波長之光及包含具有就該第一波長而言之折射率n_a1之透明層；一陶瓷構件(7)，其經佈置與該透明層鄰接以接收透過(via)該透明層由該半導體層狀結構(5)發出之該第一波長之光，該陶瓷構件(7)具有就該第一波長而言之折射率n_b1；及一黏結區域(bonding region)(8)，其提供於該半導體層狀結構(5)之該透明層與該陶瓷構件(7)之間且與該透明層及該陶瓷構件(7)直接接觸，該黏結區域(8)包含如請求項1所定義之組成，其中該組成之該第一折射率(n₁)與該等折射率n_a1及n_b1中之較低者匹配。
如請求項11之發光裝置，其中該組成之該第一折射率n₁係在該等折射率n_a1及n_b1中之該較低者之+0.01至-0.1內。
如請求項11之發光裝置，其中該陶瓷構件(7)係一經調整以將該第一波長之光轉化成第二波長之光及具有就該第二波長而言之折射率n_b2之波長轉化構件，及其中該組成之該第二折射率(n₂)比該波長轉化構件(7)之該折射率n_b2低。
一種發光裝置，其包含：一半導體層狀結構，其經調整以發出第一波長範圍之光及包含具有就該第一波長而言之折射率n_a1之透明層；一波長轉化(converting)構件，其經佈置以接收透過該透明層由該半導體層狀結構發射之該第一波長範圍之光，該波長轉化構件包含：(i)一波長轉化材料，經調整以將該第一波長之光轉化為第二波長範圍之光，及具有就該第一波長而言之折射率n_b1及就該第二波長而言之折射率n_b2，及(ii)將如請求項1之組成作為該波長轉化材料之黏結劑，其中該組成之第二折射率(n₂)與該折射率n_b2匹配且第一折射率(n₁)比該折射率n_b1高。
如請求項14之發光裝置，其中該組成之該第二折射率n₂係在該折射率n_b2之+0.10至-0.01內。
一種藉由高折射率光學黏結體(bond)將第一基體(body)黏結至第二基體之方法，其包含：將如請求項1所定義之組成或其前驅體(precursor)分佈(dispensing)於該第一或第二基體上；經由該組成或前驅體使該第一及第二基體接觸；及將該組成或前驅體置於固化條件下及使該組成或前驅體固化。