CN111712936A - 对光散射进行调谐的多孔微米尺寸颗粒 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种用于对LED的光学功能多孔层中的光散射进行调谐的系统和方法。该层包括具有多个亚微米孔和聚合物基质的非光吸收材料结构。非光吸收材料形成遍及该层或网状板分散的多个微米尺寸多孔颗粒，其中，多个亚微米孔分别位于每个微米尺寸多孔颗粒内或在网状板内形成亚微米孔的互连网络。诸如高折射率硅树脂之类的聚合物基质填充多个亚微米孔，从而在材料之间产生界面。材料之间的折射率差值允许光散射发生在材料的界面处。光散射可以根据温度的函数而减少，从而产生一种用于在LED的关闭状态和打开状态下对光散射进行调谐的系统。

Description

对光散射进行调谐的多孔微米尺寸颗粒

背景技术

发光二极管可以在各种应用中用作白色光源，诸如用于蜂窝电话相机的闪光光源和白炽灯。这种LED在本文中可以称为白色LED。

当LED处于开启状态时，从观看者的角度来看，白色LED可以呈现为发射白光。然而，它们实际上可以由发射非白光的发光半导体结构以及使非白光在观看者看来呈现白色的波长转换结构构成。例如，白色LED可以由被黄色发射磷光体层覆盖的蓝光发射半导体结构形成。由发光半导体结构发射的蓝光的光子可以作为蓝色光子穿过黄色发射磷光体层，或者可以被黄色发射磷光体层转换成黄色光子。最终从LED发射出来的蓝色和黄色光子组合而使得从LED发射的光在观看者看来呈现白色。

也可以跨一系列的暗色调设置而使用LED。然而，例如在高的暗色调设置下呈现为发射较冷的光的LED也可能在低的暗色调设置下呈现为发射较冷的光。类似地，例如在低的暗色调设置下呈现为发射较暖的光的LED也可能在高的暗色调设置下呈现为发射较暖的光。

发明内容

本文描述了一种用于在LED中使用的光学功能多孔结构，以及一种制造这种光学功能多孔结构的方法。光学功能多孔结构包括非光吸收材料结构，其可以是介电结构，包括多个亚微米孔和聚合物基质。非光吸收材料结构本身可以包括多个微米尺寸多孔颗粒。此外，在第一温度下，非光吸收材料结构的折射率不同于聚合物基质的折射率，使得非光吸收材料结构的折射率和聚合物基质的折射率之间的折射率差值将光学功能多孔结构内的多个亚微米孔配置为在第一温度下具有光散射能力。因为非光吸收材料结构的折射率和聚合物基质的折射率之间的折射率差值随着温度的改变而减小，所以多个亚微米孔的光散射能力也随着这些相应的温度改变而变化。

附图说明

图1A是包括发光半导体结构和关态白色材料层的示例发光器件（LED）的图示；

图1B是包括微米尺寸多孔颗粒的示例性关态白色层的图示，该微米尺寸多孔颗粒具有填充有聚合物基质的互连的亚微米孔；

图1C是包括网状板的另一个示例性关态白色层的图示，该网状板具有填充有聚合物基质的互连的亚微米孔；

图2是包括亚微米孔的微米尺寸多孔玻璃珠颗粒的截面的扫描电子显微图，该亚微米孔具有注入在该亚微米孔内的硅；

图3A是在25℃下经滴铸的硅树脂层的示图（照片），该硅树脂层加载有直径为25-45μm且包括亚微米孔的微米尺寸多孔颗粒；

图3B是在200℃下经滴铸的硅树脂层的示图（照片），该硅树脂层加载有直径为25-45μm且包括亚微米孔的微米尺寸多孔颗粒；

图4是作为温度的函数的通过150μm的高折射率硅树脂层的450nm处的光透射的图形表示，该硅树脂层包括25%重量的50μm尺寸的多孔二氧化硅颗粒，其有效孔径为100nm；

图5是填充有硅树脂并包括气隙的微米尺寸多孔颗粒的显微图像；

图6是示出从1202 COB芯片光源生成的光的色点偏移的图形表示，该1202 COB芯片光源的驱动电流引线从10mAmp偏移到400mAmp，1202 COB光源在顶部具有覆盖层，该覆盖层包括微米尺寸多孔颗粒，该微米尺寸多孔颗粒具有填充有聚合物基质的互连的亚微米孔；并且

图7是使用光学功能多孔结构对光散射进行调谐的方法的流程图。

具体实施方式

虽然白色LED在开启状态下可能呈现为发射白光，但是当关闭时，这种LED可能呈现为波长转换材料的颜色。例如，当关闭时，诸如当在商店货架上被观看时，包括黄色发射磷光体层的白色LED可能在观看者看来呈现黄色或绿色。然而，普通消费者可能期望包括白色LED的产品即使在关闭状态下也呈现白色。例如，一个走进商店以购买白色灯泡的人通常将期望白色灯泡实际上呈现白色，并且如果灯泡呈现黄色或绿色，则他可能会认为该灯泡是有缺陷的。同样的情况也可能发生在蜂窝电话消费者身上，他们可能期望相机闪光灯呈现白色。如果LED在关闭状态以及开启状态下都呈现白色，那么这种产品对消费者来说将更有市场。

LED灯的色点的改变也可以是优选的。例如，当LED灯被调暗时，用户可能喜欢在这些较低的暗色调设置下观察较暖的颜色。相反，当LED灯是明亮的时，用户可能喜欢观察较冷的颜色。通过增加驱动电流（这导致温度升高），如果光散射的改变与温度的改变相关，则色点的改变将发生。这部分地是因为例如蓝光比红光更强烈地散射光；因此，通过相对于被散射的红光的量而改变被散射的蓝光的相对量，可以改变从LED发射的所感知的光的色点。

为了针对处于关闭状态的LED提供关态白色外观，或者在灯被调暗时提供更暖的颜色，已经使用白色、无磷光体、惰性材料的微粒。这些微粒通常是亚微米尺寸的微粒，因为这种尺寸的颗粒可以充当特别有效的光散射元件。这种材料的示例包括二氧化钛（TiO₂）和氧化锆（ZrO₂）。这些材料的亚微米尺寸颗粒可以与透明材料（诸如硅树脂）混合，并且被应用在非白色LED表面之上，以使其在例如LED关闭状态下在观看者看来呈现得更白。然而，这种白色、无磷光体、惰性材料的微粒在器件开启时可能保持白色，并且在开启状态下可能导致从LED发射的光的一些散射，从而降低LED的流明输出。

在这些示例中，在任一状态下光散射的幅度取决于光学功能层中亚微米颗粒的浓度，以及亚微米颗粒和透明材料之间的折射率差值。就前者而言，亚微米颗粒的浓度的增加可能增加关闭状态下的光散射。然而，随着这些颗粒的浓度的增加，这可能导致在开启状态下LED的流明输出的降低。此外，在处理材料时可能存在问题。例如，由于混合物的粘度随着亚微米颗粒的浓度的增加而增加，混合材料变得越来越困难。另一个问题可能是由于高颗粒加载而导致最终层太脆。

关于亚微米颗粒的折射率和透明层的折射率之间的折射率差值，它必须足够大，使得来自亚微米颗粒的充足光散射可以发生。相反，折射率差值不能太大，以至于在可能的使用范围内的所有温度下光散射都不会发生。例如，如果透明层的折射率与亚微米颗粒的折射率相比过高，则透明层的折射率的降低可能不足以接近亚微米颗粒的折射率，并且横跨使用范围中的所有温度光散射都将发生。

因为相对于关闭状态，在开启状态下LED的温度可能增加，并且因为增加的光散射可能降低LED的流明输出，所以理想的情况将是光散射随着温度的升高而降低。如上所述，最常用的散射颗粒是TiO₂。然而，TiO₂的折射率较高，而通常使用的透明层材料硅树脂的折射率较低，其中它们之间的折射率差值大于0.5。使用这种材料组合的温度的升高可能导致TiO₂和硅树脂之间甚至更大的折射差值，从而导致开启状态下甚至更大的光散射。因此，使用相对于透明材料具有较低折射率的散射颗粒可能更合适。

这种颗粒的示例是折射率为1.37的MgF₂。其折射率小于但接近于高折射率硅树脂的折射率，硅树脂的折射率可以为1.55。然而，因为两种材料之间的折射率差值仅为0.16，所以将要求高得多的MgF₂浓度以在关闭状态下实现充足的光散射，这可能导致如前所述的处理材料方面的问题。

本文所述的实施例提供了一种白色LED，其在LED开启和关闭状态下在观看者看来均是白色的，还减少或消除了LED开启状态下的散射，使包括这种LED的产品在观看者看来更加美观，而不会影响LED本身的质量或其材料的结构。本文描述的实施例还可以提供LED灯，由此可以调节色点，使得在低的暗色调设置下，色点向较暖的颜色偏移，而在高的暗色调设置下，色点向较冷的颜色偏移。这样的实施例可以依赖于透明材料（其可以是聚合物基质）的折射率和非光吸收材料（其可以是介电材料）的折射率之间的折射率差值。

在实施例中，非光吸收材料结构本身可以包括遍及光学功能层而分散的微米尺寸多孔颗粒，其中微米尺寸多孔颗粒包括颗粒本身内的互连的亚微米孔的网络。在实施例中，非光吸收材料结构可以替代地包括本身包含亚微米孔的网络的多孔介电材料的网状板。在每种情况下，亚微米孔被填充有聚合物基质，从而在聚合物基质和非光吸收材料之间形成以亚微米孔的形状的界面。与LED在开启状态对比关闭状态下或者在低强度对比高强度下的不同温度相组合，依赖于此来形成具有本文公开的性质的LED，其中本文描述的材料的折射率可以根据温度而改变。

在实施例中，在LED关闭状态下，聚合物基质的折射率大于非光吸收材料结构的折射率，从而允许在两种材料之间的界面处发生光散射效应。然而，在LED开启状态下，随着温度的升高，聚合物基质的折射率降低，使得勾勒出亚微米孔的形状的非光吸收材料和填充亚微米孔的聚合物基质之间的折射率差值减小，从而导致通过非光吸收材料到亚微米孔界面的光散射减少或没有光散射。这些特征可以提供一种LED灯，当LED处于关闭状态时，该LED灯在较低温度（诸如室温）下散射光并呈现白色，并且当LED在较高温度下处于开启状态时，该LED灯不散射光或至少减少被散射的光的量，这可以转化为LED灯的输出的增加。

这些折射率性质还可以提供一种LED，其在强度改变时改变光散射。例如，当LED的强度高时，温度可能升高，并且光的散射可能相应地降低。这可以允许LED灯的色点设置的改变。例如，有助于使光的色调更冷并且比红光散射得更强的蓝光，可能会受到温度和光散射能力的这些改变的更大影响。在这种情况下，可能降低光散射的温度的升高，可能导致检测到更多的蓝光，从而使色点的偏移朝向较冷的颜色。相反，当LED的强度低时，温度可能降低，并且光的散射可能相应地增加。在该示例中，温度的降低和光散射的增加可能导致检测到更少的蓝光，从而使色点的偏移朝向较暖的颜色。

在实施例中，非光吸收材料的折射率大于聚合物基质的折射率，使得温度的升高减少光散射。这可能削弱LED灯的色点设置的改变。该实施例可以至少用于例如防止或最小化颜色偏移，否则颜色偏移将随着温度升高而发生，这是不希望的。通过使光散射随着温度的升高而增加，允许颜色变化的减少。该实施例也可以用于在较高的温度时将色点偏移到更暖的颜色。

在实施例中，非光吸收材料结构本身可以包括多个微米尺寸多孔颗粒，该颗粒包括分散在各处的亚微米孔的网络。可替代地，非光吸收材料结构可以包括本身包含亚微米孔的网络的多孔介电材料的网状板。在这些实施例中的每一个中，亚微米孔填充有聚合物基质，从而在聚合物基质和非光吸收材料结构之间形成以大致地亚微米孔的形状的界面。

在这些实施例中的每一个中，在LED关闭状态下，聚合物基质的折射率大于非光吸收材料结构的折射率，从而允许在两种材料之间的界面处发生光散射效应。然而，在LED开启状态下，随着温度的升高，聚合物基质的折射率降低，使得勾勒出亚微米孔的形状的非光吸收材料和填充亚微米孔的聚合物基质之间的折射率差值减小，从而导致通过亚微米孔-介电表面界面的光散射减少或没有光散射。材料的这些相同的固有性质也允许LED灯的色点设置的改变。例如，在低强度下，LED灯可能向较暖的色调偏移，并且在高强度下，LED灯可能向较冷的色调偏移。

尽管非光吸收材料的折射率也可以响应于升高的温度而降低，但是相对于聚合物基质在第一和第二温度下的折射率的改变，第一温度和第二温度之间的折射率的改变较低。固体材料（诸如非光吸收材料）具有低得多的膨胀系数，并且因此作为温度的函数的折射率的改变比例如硅树脂小得多。相应地，温度的改变对聚合物基质的折射率的影响大于对非光吸收材料的影响。关于聚合物基质和非光吸收材料的更多细节在下文描述，并在图2中示出。

进一步考虑到两种材料之间的折射率差值，为了在关闭状态下实现充足的光散射，每种材料的折射率之间的差值需要是某个最小值。值得注意的是，该最小值可能受到诸如光学功能层内光散射颗粒的浓度之类的因素的影响。例如，在材料之间的折射率的差值较小的情况下，光散射颗粒的较大浓度可以帮助补偿材料之间相对较小的折射率差值，以便实现比在利用光散射颗粒的较低浓度的等效折射率差值下更高水平的光散射。然而，在不补偿层的形式的情况下，可以放置在层内的颗粒的浓度是有限制的。相反，为了充分减少开启状态下的光散射，每种材料的折射率之间的差值仅仅可能是某个最大值。如果两种材料之间的折射率差值太大，并且不能在任何合理的温度改变内充分地降低，则在开启状态下不能发生光散射的功能有效降低。

在实施例中，非光吸收材料的折射率和聚合物基质的折射率之间的折射率差值为0.3或更小。在实施例中，非光吸收材料的折射率和聚合物基质的折射率之间的折射率差值为0.2或更小。在实施例中，非光吸收材料的折射率和聚合物基质的折射率之间的折射率差值为0.1或更小。在示例性实施例中，非光吸收材料的折射率和聚合物基质的折射率之间的折射率差值为0.07。

本文描述的特征提供了一种LED，当LED处于关闭状态时，该LED在室温下散射光并呈现白色，并且当LED处于开启状态时，该LED不散射光或减少被散射的光的量。本文描述了其它实施例，诸如调节色点，并且这些实施例依赖于作为温度的函数的折射率的改变和折射率的差值的相同原理。

图1A是包括发光半导体结构115、波长转换材料110和关态白色材料的示例发光器件（LED）100的图示，该关态白色材料可以是包含多个微米尺寸多孔颗粒的光学功能多孔结构105或包含亚微米孔的网状板。接触部120和125可以直接或经由另一结构（诸如底座）耦合到发光半导体结构115，以用于电连接到电路板或其它衬底或器件。在实施例中，接触部120和125可以通过间隙127彼此电绝缘，间隙127可以填充有介电材料。接触部或互连120和125可以例如是焊料、柱凸点或金层。包括多个微米尺寸多孔颗粒的光学功能多孔结构105或包含亚微米孔的网状板与LED接触。

在实施例中，发光半导体结构115发射蓝光。在这样的实施例中，波长转换材料110可以包括例如黄色发射波长转换材料或绿色和红色发射波长转换材料，当由相应磷光体发射的光与由发光结构115发射的蓝光组合时，其将产生白光。在其它实施例中，发光半导体结构115发射UV光。在这样的实施例中，波长转换材料110可以包括例如蓝色和黄色波长转换材料或者蓝色、绿色和红色波长转换材料。可以添加发射其它颜色的光的波长转换材料，以定制从LED 100发射的光的光谱。在实施例中，该LED 100的色点可以基于本文所述的光学功能多孔结构105的性质而偏移。

图1B是光学功能多孔结构105的实施例的放大视图的图示，其中光学功能多孔结构105包括多个微米尺寸多孔颗粒150。遍及每个微米尺寸多孔颗粒150分散的是亚微米孔165的网络（在图2中示出），在该示图中，亚微米孔165填充有聚合物基质180（以白色示出）。多个亚微米孔165形成被非光吸收材料160（以白色示出）包围的互连网络。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以是微米尺寸多孔玻璃珠颗粒。在示例性实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以是微米尺寸多孔二氧化硅颗粒。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150是微米尺寸多孔氟化镁颗粒。

图1C是光学功能多孔结构105的实施例的放大视图的图示，其中光学功能多孔结构105包括由具有多个亚微米孔（未示出）的非光吸收材料160形成的网状板，在该图示中，亚微米孔填充有聚合物基质180。在该实施例中，遍及网状板而形成聚合物基质180的互连网络，在聚合物基质180和围绕它的网状板的非光吸收材料160之间具有界面（类似于图2的界面170）。

图2是示出了示例性微米尺寸多孔颗粒150的截面的扫描电子显微照片。遍及微米尺寸多孔颗粒150分散的是被非光吸收材料160结构包围的亚微米孔165，从而在微米尺寸多孔颗粒150内形成互连网络。在该实施例中，亚微米孔165填充有聚合物基质180。遇到包括亚微米孔165的微米尺寸多孔颗粒150的光将被散射多次，不排除透射，但将其限制为原本会穿过完全透明结构的光的一小部分。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以是微米尺寸多孔玻璃珠颗粒。

在实施例中，聚合物基质180可以是任何光学功能材料，包括硅树脂；耐高温且耐光的基质，诸如光学级硅树脂基质；或任何其它合适的材料，诸如溶胶-凝胶材料、有机改性陶瓷（ormocer）或基于聚硅烷的基质。在示例性实施例中，聚合物基质180可以是高折射率硅树脂。硅树脂的非限制性示例可以包括苯基化硅树脂（即甲基苯基）和填充有高指数纳米颗粒的硅树脂。

在实施例中，聚合物基质180的折射率可以大于网状板网络或微米尺寸多孔颗粒150的非光吸收材料160的折射率。在实施例中，聚合物基质180的折射率可以小于网状板网络或微米尺寸多孔颗粒150的非光吸收材料160的折射率。在实施例中，聚合物基质是室温下折射率范围从至少1.4到1.7的硅树脂。在实施例中，聚合物基质是室温下折射率范围从至少1.46到1.56的硅树脂。在实施例中，硅树脂在室温下的折射率范围从至少1.50到1.56。在实施例中，聚合物基质180的折射率可以随着温度的升高而降低。在实施例中，硅树脂在升高的温度下的折射率可以降低，并且范围是从至少1.46到比针对室温下的折射率所公开的上限温度低的温度。在实施例中，与室温下聚合物基质的折射率相比，聚合物基质的折射率在升高的温度下降低0.1或更少。

如上所述，不仅材料在室温下的折射率影响应当为相应层选择什么材料，而且材料的膨胀系数也对其有影响。例如，固体材料（诸如处于其最终状态的非光吸收材料160）具有低得多的膨胀系数，并且因此与例如硅树脂相比具有作为温度的函数的小得多的折射率的改变。因此，在本文描述的实施例中，温度的改变对聚合物基质180的折射率的影响大于对非光吸收材料160的影响。

在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以包括玻璃珠颗粒，其由包含多孔二氧化硅颗粒的任何材料或折射率小于聚合物基质180的折射率的任何其它合适的材料形成。在示例性实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以是多孔二氧化硅。非玻璃珠微米尺寸多孔颗粒150的非限制性示例是微米尺寸多孔氟化镁颗粒。

微米尺寸多孔颗粒150的下限直径必须足够大，以具有充足量的材料，包括其内的亚微米孔165，使得可以实现充足水平的光散射。相反，微米尺寸多孔颗粒150的上限直径必须足够小，以保持光学功能层尽可能得薄。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150的直径可以大于光学功能层的厚度。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有在3μm至700μm的范围中的直径。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有在3μm至150μm的范围中的直径。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有在50μm至150μm的范围中的直径。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有在3μm至50μm的范围中的直径。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有在10μm至50μm的范围中的直径。在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有在10μm至100μm的范围中的直径。在示例性实施例中，微米尺寸多孔颗粒150可以具有50μm的直径。特别地，可以在最大颗粒的情况下观察到最强效应；然而，还必须考虑光学功能层105的厚度。

关于光学功能层中微米尺寸多孔颗粒150的堆积密度，它优选地尽可能高，以能够在尽可能薄的层中获得尽可能多的散射（其中优选的层厚度可以是50μm、高达100μm、高达200μm或甚至更大）。在实施例中，单分散球体的随机堆积极限是64%的体积。如果使用双模分布，微米尺寸多孔颗粒150之间的空隙可以利用更小尺寸的微米尺寸多孔颗粒150填充起来，从而进一步增加最大堆积比例，例如高达70%或80%。在实施例中，在所使用的微米尺寸多孔颗粒150不是单分散的或者不是完全单分散的情况下，达到40%至55%之间的堆积体积比例。较低的堆积密度也是可能的，但是它将减少关态白色效果，并且还可能需要增加层厚度。

在实施例中，微米尺寸多孔颗粒150的亚微米孔165的尺寸可以具有在50至400nm的范围中的直径。在示例性实施例中，亚微米孔165具有200nm的直径。在实施例中，亚微米孔165具有100nm的直径。

在实施例中，亚微米孔165占据的体积在微米尺寸多孔颗粒150的约0.6cm³/克到1.5cm³/克的范围内。在实施例中，亚微米孔165占据的体积在微米尺寸多孔颗粒150的约0.8cm³/克到1.2cm³/克的范围内。在示例性实施例中，亚微米孔165占据的体积约为微米尺寸多孔颗粒150的0.9cm³/克。至少取决于所使用的材料及其相应性质、针对室温下最佳光散射所要求的微米尺寸多孔颗粒150的数目、以及光学功能多孔结构105的整体性，光学功能多孔结构105内的亚微米孔165占据的体积可以在所提供的范围之外变化。

在实施例中，并且取决于孔尺寸，表面积与孔体积之比可以从约10m²/克至40m²/克。至少取决于所使用的材料及其相应性质、针对室温下最佳光散射所要求的微米尺寸多孔颗粒150的数目、以及光学功能多孔结构105的整体性，光学功能多孔结构105内的亚微米孔165占据的表面积与孔体积之比可以在所提供的范围之外变化。

在其中多孔非光吸收材料160形成网状板的示例中，非光吸收材料160（如图1C中所示），该材料可以由包括多孔二氧化硅颗粒的任何材料或折射率小于聚合物基质180的折射率的任何其它合适的材料形成。对于在LED中的应用，非光吸收材料160应当在高光通量、温度和湿度下稳定。在实施例中，无机材料是优选的。在示例性实施例中，多孔非光吸收材料160的网状板可以由多孔二氧化硅形成。

图3A和3B是光学功能多孔结构105的液滴的显微图像，光学功能多孔结构105包括作为聚合物基质180的硅树脂（如图1B和2中所示）和作为微米尺寸多孔颗粒150的多孔二氧化硅（也如图1B和2中所示）的混合物。通过将溶剂、硅树脂和多孔二氧化硅组合在一起以形成液滴来制备混合物。混合后，蒸发溶剂，并且使液滴在150℃下固化，从而形成光学功能材料105。遍及光学功能材料105的每个液滴分散的是微米尺寸多孔二氧化硅颗粒，其亚微米孔165（如图2中所示）填充有硅树脂。

图3A的图像表示25℃下的液滴样品。多孔二氧化硅颗粒由液滴本身内的多个小颗粒来图示。在该温度下，至少部分地由于多孔二氧化硅和填充亚微米孔165的硅树脂之间的折射率差值，加载有硅树脂的多孔二氧化硅颗粒散射白光（如图2中所示）。

图3B的图像表示200℃下的液滴样品。在该温度下，与在25℃下观察到的加载有硅树脂的多孔二氧化硅颗粒相比，加载有硅树脂的多孔二氧化硅颗粒散射较少的白光。这至少部分地是由于在升高的温度下硅树脂的折射率与多孔二氧化硅的折射率之间的折射率差值减小。

在实施例中，在保持温度恒定的情况下，评估使用折射率与另一种硅树脂的折射率不同的硅树脂的效果。将由直径在25μm至40μm之间且平均亚微米孔尺寸为200nm的多孔二氧化硅珠制成的微米尺寸多孔颗粒150分散在折射率为1.56的硅树脂中，从而形成厚度为200μm的光学功能层，该光学功能层具有在25℃下散射光的多孔结构。如果具有1.46的折射率（更接近于多孔二氧化硅的折射率）的硅树脂被替换，则在25℃下不存在可检测的光散射。（未示出数据。）这种效应至少可以部分地归因于材料之间折射率差值的减小，其中材料之间的折射率差值近似为零。

图4示出了光学功能多孔结构105（如图1A、1B和1C中所示）的能力的定量评估，其包括25%重量的直径为50μm的多孔二氧化硅珠作为微米尺寸多孔颗粒150。有效孔尺寸为100nm的多孔二氧化硅珠的亚微米孔165（如图2中所示）填充有作为聚合物基质180的高折射率硅树脂（如图1B和图2中所示），以根据温度来散射光。波长为450nm并且强度为10W/cm²的光的直接透射在各种温度下透射通过光学功能多孔结构105层，该光学功能多孔结构105层包括分布在各处的微米尺寸多孔二氧化硅珠。确定在每个温度下检测到的透射光的强度。在实施例中，该层上的激光斑的直径为1.3mm，并且通过使用具有放置在该层后方大约2cm处的5mm开口的积分球而发生光检测，该积分球与450nm激光对准。

在第一温度（即30℃）下透射通过该层的光的百分比为0.75%。如图4中所示，确定该强度并且对照其自身将该强度归一化为1.0单位。确定在第二温度下检测到的透射光的强度，针对第一温度下检测到的光的强度而对其进行归一化。对于该层经受的每个后续温度，测量透射光的强度，并且针对第一温度下检测到的透射光的强度而对其进行归一化。如图4中所示，透射通过该层的光的强度随着温度的升高而增加，使得对照该层经受30℃时透射光的强度，当该层经受200℃时透射光的强度是30倍大。甚至在低于200℃的温度下，当温度升高到70℃以上至80℃时，存在透射光的强度的增加。例如，在130℃下，在该实施例中，通过该层的透射光的强度是在30℃下透射光的强度的大约10倍大。

除了折射率改变之外，经常观察到在微米尺寸多孔颗粒150内部存在气隙。图5是光显微图像，示出了微米尺寸多孔颗粒150内存在气隙185（如更宽的箭头所示）。这些在显微镜下是可见的，作为微米尺寸多孔颗粒150内的内部结构。

气隙185也有助于光从用本文所述材料制成的光学功能层105的散射。气隙185可能由于利用聚合物基质180（即，硅树脂）对亚微米孔165的未完全填充而形成，但是它们也可能在例如硅树脂的固化时形成，在亚微米孔165内，之后是随后的冷却。当硅树脂在升高的温度（即150℃）下固化时，硅树脂显著膨胀，因为膨胀系数高。随着温度降低，硅树脂再次收缩，并且如果没有充足交联的硅树脂可以注入回到微米尺寸多孔颗粒150中，则微米尺寸多孔颗粒150中的硅树脂处于应力下，并且可能表现出局部分层或内聚破坏。当该层再次被加热时，例如通过打开LED，硅树脂再次膨胀并完全地或部分地填充气隙185，使得气隙消失。净效应是在两个不同温度下的样品之间的光输出的切换幅度增加。

如上所述，在本文中针对关态白色而描述的具有亚微米孔165的微米尺寸多孔颗粒150或者由非光吸收材料160形成且具有亚微米孔的网状板，可以用于其它应用中。例如，色点调控、灯丝灯和可切换透镜。

关于色点调控，随着温度的升高，可以观察到色点偏移。例如，通过增加驱动电流引线（其使LED的温度增加），LED灯的色点可以偏移到较冷的光颜色。相反，通过减少驱动电流引线（其使温度降低），LED灯的色点可以偏移到更暖的颜色。这至少部分地是由于每种颜色的光散射光的能力不同。例如，蓝光比红光散射得更强；因此，在前述的层中，在温度的升高时，光散射减少，使得发射相对更多的蓝光。在该实施例中，色点偏移到较冷的白光。相反，当温度降低时，光散射增加，使得发射相对较少的蓝光。在该实施例中，色点偏移到较暖的白光。

在实施例中，包括作为微米尺寸多孔颗粒150的多孔二氧化硅（如图1B和图2中所示）的层被沉积到1202 COB芯片上，多孔二氧化硅分散在作为聚合物基质180的硅树脂中（如图1B和图2中所示），1202 COB芯片是提供明亮光并且可以用来代替LED光源的光源。包括本文描述的附加层的1202 COB芯片灯经受10mAmp的驱动电流引线，这与大约25℃的温度相关联。当驱动电流引线增加到400mAmp时，发生到85℃的温度的相应增加。如图6中所示，发生沿着u’轴的色点偏移，u’轴代表初级红光颜色，在25℃下检测到较大量的红光，而在85℃下检测到较少量的红光。

图6还示出了当驱动电流引线从10mAmp偏移到400mAmp时沿着v’轴的相对较小的偏移，v’轴代表初级绿光颜色。然而，不仅沿着v’轴的偏移幅度小于沿着u’轴的偏移幅度，而且绿光检测的改变将影响较暖对比较冷光的程度远小于红光检测的等效偏移将影响较暖对比较冷光的程度。

尽管在该示图中未表示，但是当将包括分散在硅树脂中的多孔二氧化硅的微米尺寸多孔颗粒层放置在1202 COB芯片灯之上时，从生成较多红光到生成较少红光的偏移程度（其分别对应于从较暖光到较冷光的偏移）明显更大。

图7是使用包括多个亚微米孔165的光学功能多孔结构105（如图1B和图2中所示）对光散射进行调谐的方法的流程图700。在实施例中，方法700包括用聚合物基质180（如图2中所示）填充705形成在非光吸收材料160（如图1B、1C和2中所示）内的亚微米孔165（如图2中所示）。在每种情况下，用聚合物基质180填充705亚微米孔165，从而在聚合物基质180和非光吸收材料160之间形成以亚微米孔165的形状的界面170（如图2中所示）。已经在前面描述了非光吸收材料160、微米尺寸多孔颗粒150、网状板网络、多个亚微米孔165和聚合物基质180的性质和特性的实施例。基于材料的性质和组织结构，可以使用本文所述的包括填充有聚合物基质180的亚微米尺寸的孔165的非光吸收材料结构160对光散射进行调谐。

一旦亚微米孔165被聚合物基质180填充705，光学功能多孔结构105就在第一温度下暴露于光710。由于光学功能多孔层105的固有性质和组织结构，包括非光吸收材料160和填充亚微米孔165的聚合物基质之间的折射率差值，光散射在第一温度下发生。

为了对暴露于光做出响应而调谐或改变光散射的相对量，改变温度715，使得光学功能多孔结构105在第二温度下暴露于光720。因为非光吸收材料160和填充亚微米孔165的聚合物基质之间的折射率差值根据温度而改变，所以在第二温度下发生的光散射的量改变。

在实施例中，聚合物基质180的折射率随着温度的升高而降低。只要聚合物基质180的折射率大于非光吸收材料160的折射率，这就导致减少的光散射。在实施例中，SiO₂是形成微米尺寸多孔颗粒150的非光吸收材料160，并且硅树脂被用作填充亚微米孔165的聚合物基质180（如图2中所示）。在该示例中，硅树脂的折射率低于SiO₂的折射率；因此，SiO₂的折射率和硅树脂的折射率之间的折射率差值将随着温度的升高而增加，这将引起增加的光散射。在实施例中，聚合物基质180是聚二甲基硅树脂（PDMS），较低折射率的硅树脂。

在实施例中，如本文所述，通过在微米尺寸多孔颗粒150中存在气隙185（如图5中所示），可以将光进一步调谐超过折射率差值。随着温度的升高，硅树脂固化并显著膨胀，因为它具有高膨胀系数。随着温度的降低，硅树脂再次收缩，并且如果没有充足交联的硅树脂可以被注入回到微米尺寸多孔颗粒150中，则气隙185可能形成，并且微米尺寸多孔颗粒150中的其余硅树脂处于应力下，并且可能表现出局部分层或内聚破坏。除了微米尺寸多孔颗粒150内的材料之间的折射率差值之外，这可能有助于来自用本文所述的材料制成的层的光的散射。当该层再次被加热时，例如通过接通LED，硅树脂再次膨胀并且完全地或部分地填充起气隙185。净效应是切换幅度增加。

在实施例中，如本文所述，光学功能多孔结构105可以用于在LED灯开启时在操作期间使LED灯的色点偏移。这可能在LED的第一温度改变为第二温度时发生。在LED的第二温度下，其中第二温度大于第一温度，光散射可以减少，其在这种情况下将允许例如与红光相比蓝光的光散射的成比例地更大减少。因为在这种情况下将发射更多的蓝光，所以LED的色点偏移到较冷的白光。

在实施例中，该方法也可以用于其它应用中，例如，灯丝灯和可切换透镜。该方法也可以用于其中温度的升高使材料之间的折射率差值增加并且使光散射增加的应用中。

已经详细描述了实施例，本领域技术人员将理解到，给定本说明书，在不脱离本发明概念的精神的情况下，可以对本文描述的实施例做出修改。因此，本发明的范围并不意图局限于所示出和描述的特定实施例。

Claims (15)

1.一种发光器件，包括：

发光半导体器件，所述发光半导体器件在操作中发射初级光；

波长转换结构，所述波长转换结构设置在发光半导体结构上，并且被配置为吸收所述初级光中的至少一些并作为响应而发射比所述初级光更长波长的次级光；

多孔结构，所述多孔结构与所述发光半导体器件相对地设置在所述波长转换结构上，通过对于所述初级光和次级光基本上透明且具有第一折射率的材料来形成，并且包括亚微米孔；以及

聚合物，所述聚合物填充所述多孔结构中的所述亚微米孔，并且在25℃下具有不同于所述第一折射率的第二折射率。

2.根据权利要求1所述的发光器件，其中，在所述发光器件的操作中，次级光和可选地所述初级光中的一些透射通过所述多孔结构，以形成来自所述发光器件的光学输出。

3.根据权利要求2所述的发光器件，其中，在人类观看者看来，所述光学输出呈现白色。

4.根据权利要求1所述的发光器件，其中，在25℃下，在所述发光器件处于关闭状态的情况下，所述聚合物与所述多孔结构形成光学散射界面，当所述多孔结构处于白光外部光照下时，所述光学散射界面使所述多孔结构在人类观察者看来呈现白色。

5.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第二折射率大于所述第一折射率。

6.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述第一折射率大于所述第二折射率。

7.根据权利要求1所述的发光器件，其中：

所述聚合物与所述多孔结构形成光学散射界面，所述光学散射界面散射初级光和次级光；

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值的幅度减小；并且

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述散射界面对所述初级光和次级光的散射随之减少。

8.根据权利要求6所述的发光器件，其中：

在所述发光器件的操作中，次级光和可选地所述初级光中的一些透射通过所述多孔结构，以形成来自所述发光器件的光学输出；

所述光学输出在人类观看者看来呈现白色；并且

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述光学输出的色点向更冷的颜色偏移。

9.根据权利要求1所述的发光器件，其中：

所述聚合物与所述多孔结构形成光学散射界面，所述光学散射界面散射初级光和次级光；

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值的幅度增大；并且

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述散射界面对所述初级光和次级光的散射随之增加。

10.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述多孔结构包括含有亚微米孔的微米尺寸颗粒。

11.根据权利要求1所述的发光器件，其中，所述多孔结构包括含有孔的多孔介电材料的网状板。

12.根据权利要求1所述的发光器件，其中：

在所述发光器件的操作中，次级光和可选地所述初级光中的一些透射通过所述多孔结构，以形成来自所述发光器件的光学输出；

所述光学输出在人类观看者看来呈现白色；并且

在25℃下，在所述发光器件处于关闭状态的情况下，所述聚合物与所述多孔结构形成光学散射界面，当所述多孔结构处于白光外部光照下时，所述光学散射界面使所述多孔结构在人类观察者看来呈现白色。

13.根据权利要求12所述的发光器件，其中：

所述第二折射率大于所述第一折射率；

所述聚合物与所述多孔结构形成光学散射界面，所述光学散射界面散射初级光和次级光；

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值的幅度减小；并且

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述散射界面对所述初级光和次级光的散射随之减少。

14.根据权利要求13所述的发光器件，其中，在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述光学输出的色点向更冷的颜色偏移。

15.根据权利要求12所述的发光器件，其中：

所述第二折射率小于所述第一折射率；

所述聚合物与所述多孔结构形成光学散射界面，所述光学散射界面散射初级光和次级光；

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述第一折射率和所述第二折射率之间的差值的幅度增大；并且

在所述发光器件的操作期间，随着所述多孔结构的温度升高，所述散射界面对所述初级光和次级光的散射随之增加。

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