JP7224355B2 - Porous, micron-sized particles for tuning light scattering - Google Patents
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Description
発光ダイオードは、携帯電話用カメラのためのフラッシュ光源およびフィラメント・ランプのようなさまざまな用途において白色光源として使用されうる。そのようなLEDは、本明細書では白色LEDと称されることがある。 Light emitting diodes can be used as white light sources in various applications such as flash light sources and filament lamps for mobile phone cameras. Such LEDs are sometimes referred to herein as white LEDs.
白色LEDは、LEDがオン状態にあるときに、観察者の視点から白色光を発するように見えてもよい。しかしながら、それらのLEDは、実際には、非白色光を放射する発光半導体構造、および非白色光を観察者にとって白色に見せる波長変換構造から構成されていることがある。たとえば、白色LEDは、黄色発光する蛍光体層で覆われた青色発光する半導体構造から形成されてもよい。発光半導体構造によって放出される青色光の光子は、青色光子として黄色発光する蛍光体層を通過するか、または黄色発光する蛍光体層によって黄色光子に変換されうる。LEDから最終的に発される青色光子と黄色光子が組み合わさって、LEDから発される光が観察者にとって白色に見えるようになる。 A white LED may appear to emit white light from an observer's point of view when the LED is in an ON state. However, these LEDs may actually consist of a light-emitting semiconductor structure that emits non-white light and a wavelength-converting structure that makes the non-white light appear white to an observer. For example, a white LED may be formed from a blue-emitting semiconductor structure covered with a yellow-emitting phosphor layer. Photons of blue light emitted by the light-emitting semiconductor structure can pass through the yellow-emitting phosphor layer as blue photons or be converted to yellow photons by the yellow-emitting phosphor layer. The combination of the blue and yellow photons ultimately emitted from the LED makes the light emitted from the LED appear white to an observer.
LEDはまた、ある範囲のディムトーン(dimtone)設定にわたって使用できる。しかしながら、たとえば、高いディムトーン設定でより冷たい光を発するように見えるLEDは、低いディムトーン設定でもより冷たい光を発するように見えることがある。同様に、たとえば、低いディムトーン設定でより暖かい光を発するように見えるLEDは、高いディムトーン設定でもより暖かい光を発するように見えることがある。 LEDs are also available over a range of dimtone settings. However, for example, an LED that appears to emit cooler light at high dimtone settings may appear to emit cooler light at low dimtone settings. Similarly, for example, an LED that appears to emit a warmer light at low dimtone settings may appear to emit a warmer light at high dimtone settings.
LEDにおいて使用するための光学的に機能する多孔質構造、およびそのような光学的に機能する多孔質構造を作製する方法が、本明細書に記載される。光学的に機能する多孔質構造は、複数のサブミクロン細孔およびポリマー基質〔マトリクス〕を含む誘電体構造であってもよい非吸光性材料構造を含む。非吸光性材料構造自体は、複数のミクロン・サイズの多孔質粒子から構成されてもよい。さらに、第1の温度において非吸光性材料構造の屈折率はポリマー基質の屈折率とは異なり、非吸光性材料構造の屈折率とポリマー基質の屈折率との間の屈折率差が、光学的に機能する多孔質構造内の複数のサブミクロン孔を、第1の温度において光散乱能力を有するように構成する。非吸光性材料構造の屈折率とポリマー基質の屈折率との間の屈折率差は、温度の変化に伴って減少するので、複数のサブミクロン孔の光散乱能力も、これらの対応する温度変化に伴って変化する。 Described herein are optically functional porous structures for use in LEDs and methods of making such optically functional porous structures. The optically functional porous structure comprises a non-absorbing material structure which may be a dielectric structure comprising a plurality of submicron pores and a polymer matrix. The non-absorbing material structure itself may be composed of a plurality of micron-sized porous particles. Further, at the first temperature the refractive index of the non-absorbing material structure differs from the refractive index of the polymer matrix, and the refractive index difference between the refractive index of the non-absorbing material structure and the refractive index of the polymer matrix is the optical A plurality of sub-micron pores within the porous structure functioning as are configured to have light scattering capability at a first temperature. Since the refractive index difference between the refractive index of the non-absorbing material structure and the refractive index of the polymer matrix decreases with changes in temperature, the light-scattering ability of multiple submicron pores is also affected by these corresponding temperature changes. change with
白色LEDは、オン状態で白色光を発するように見えことがあるが、そのようなLEDは、オフにされたときは、波長変換材料の色であるように見えることがある。たとえば、黄色発光する蛍光体層を含む白色LEDは、店舗の棚上で見るときのように、オフにされているときは、観察者に対して黄色または緑色に見えることがある。それにもかかわらず、一般の消費者は、白色LEDを含む製品がオフ状態でも白く見えることを期待することがありうる。たとえば、白色電球を購入するために店にはいる人は、通例、白色電球が実際に白色に見えることを期待し、電球が黄色または緑色に見える場合には、電球が欠陥であると考えることがありうる。携帯電話の消費者にも同じことが言えることがあり、消費者はカメラのフラッシュが白く見えることを期待することがある。そのような製品は、LEDがオフ状態においてもオン状態と同じように白色に見えれば、消費者にとって、より売れやすいであろう。 White LEDs may appear to emit white light in the on state, but such LEDs may appear to be the color of the wavelength converting material when turned off. For example, a white LED that includes a yellow emitting phosphor layer may appear yellow or green to an observer when turned off, such as when viewed on a store shelf. Nonetheless, a typical consumer may expect products containing white LEDs to appear white even in the off state. For example, a person who goes into a store to buy a white light bulb usually expects the white light bulb to actually appear white, and if the bulb appears yellow or green, assumes the bulb is defective. can be The same may be true for mobile phone consumers, who may expect camera flashes to appear white. Such products would sell better to consumers if the LEDs looked as white in the off state as they did in the on state.
LED光の色点の変化が好ましいこともありうる。たとえば、LEDライトが暗くされるとき、ユーザーは、これらの、より低いディムトーン設定で、より暖かい色を観察することを好むことがありうる。反対に、LEDライトが明るいときは、ユーザーは、より低温の色を観察することを好むことがある。駆動電流を増加させると、それは温度上昇につながり、光散乱の変化が温度変化と相関する場合には、色点の変化が生じる。これは、部分的には、たとえば青色光が赤色光よりも光を強く散乱するため、散乱される赤色光の量に対する散乱される青色光の相対量を変化させることによって、LEDから放射される知覚される光の色点が変化する可能性があるためである。 A change in the color point of the LED light may be desirable. For example, when the LED lights are dimmed, users may prefer to see warmer colors at these lower dim tone settings. Conversely, when the LED light is bright, users may prefer to see cooler colors. Increasing the drive current leads to an increase in temperature, resulting in a change in color point if the change in light scattering correlates with temperature change. This is due in part to changing the relative amount of scattered blue light to the amount of red light emitted from the LED, for example because blue light scatters light more strongly than red light. This is because the perceived color point of the light may change.
オフ状態のLEDについてオフ状態で白色の外観を提供するために、または照明が暗く調光されたときに、より暖かい色を提供するために、白色の、非蛍光体の、不活性材料の顆粒が使用されてきた。これらの顆粒は、しばしばサブミクロン・サイズの顆粒である。これは、このサイズの粒子が特に有効な光散乱要素として機能しうるからである。そのような材料の例は、二酸化チタン(TiO2)および酸化ジルコニウム(ZrO2)を含む。これらの材料のサブミクロン・サイズの粒子は、シリコーンのような透明材料と混合され、非白色LED表面上に塗布されて、たとえばLEDオフ状態で、観察者にとって、より白色に見えるようにすることができる。しかしながら、白色の、非蛍光体の、不活性材料のそのような顆粒は、デバイスがオンの間、白色のままであることがあり、オン状態でLEDから放射される光の若干の散乱を生じ、LEDのルーメン出力を低下させることがある。 Granules of white, non-phosphor, inert material to provide a white appearance in the off state for LEDs in the off state, or to provide a warmer color when the illumination is dimmed to dark has been used. These granules are often submicron sized granules. This is because particles of this size can serve as particularly effective light scattering elements. Examples of such materials include titanium dioxide ( TiO2 ) and zirconium oxide ( ZrO2 ). Sub-micron sized particles of these materials can be mixed with transparent materials such as silicones and applied over non-white LED surfaces to make them appear whiter to an observer, e.g. in the LED off state. can be done. However, such granules of white, non-phosphor, inert material may remain white while the device is on, resulting in some scattering of the light emitted by the LED in the on state. , can reduce the lumen output of the LED.
これらの例では、いずれの状態における光散乱の大きさも、光学的に機能する層におけるサブミクロン粒子の濃度、およびサブミクロン粒子と透明材料との間の屈折率差に依存する。前者に関しては、サブミクロン粒子の濃度の増加は、オフ状態での光散乱を増加させうる。しかしながら、これらの粒子の濃度が増加するにつれて、これは、オン状態におけるLEDのルーメン出力の減少をもたらしうる。さらに、材料の加工に問題があるかもしれない。たとえば、混合物の粘度がサブミクロン粒子の濃度の増加とともに増加するにつれて、材料の混合はますます困難になる。もう一つの問題は、最終的な層が、高い粒子添加のために、あまりにも脆いことでありうる。 In these examples, the magnitude of light scattering in either state depends on the concentration of submicron particles in the optically functional layer and the refractive index difference between the submicron particles and the transparent material. Regarding the former, increasing the concentration of submicron particles can increase off-state light scattering. However, as the concentration of these particles increases, this can lead to a decrease in the lumen output of the LED in the ON state. Additionally, there may be problems in processing the material. For example, mixing of materials becomes increasingly difficult as the viscosity of the mixture increases with increasing concentration of submicron particles. Another problem can be that the final layer is too brittle due to high particle loading.
サブミクロン粒子の屈折率と透明層の屈折率との間の屈折率差に関しては、サブミクロン粒子からの十分な光散乱が生じうるように、差が十分大きくなければならない。反対に、屈折率差は、可能な使用範囲内のすべての温度において光散乱が生じないように、大きすぎてはならない。たとえば、透明層の屈折率がサブミクロン粒子の屈折率と比較して非常に高かったら、透明層の屈折率の低下は、サブミクロン粒子の屈折率に十分に近づかない可能性があり、使用範囲内のすべての温度にわたって光散乱が生じてしまうであろう。 Regarding the refractive index difference between the refractive index of the submicron particles and the refractive index of the transparent layer, the difference must be large enough so that sufficient light scattering from the submicron particles can occur. Conversely, the refractive index difference should not be too large so that light scattering does not occur at all temperatures within the possible range of use. For example, if the refractive index of the transparent layer was very high compared to the refractive index of the submicron particles, the lowering of the refractive index of the transparent layer may not be sufficiently close to the refractive index of the submicron particles, and the range of use Light scattering will occur over all temperatures within.
LEDの温度は、オン状態ではオフ状態に比べて上昇する可能性があり、また、光散乱の増加は、LEDのルーメン出力を低下させる可能性があるため、温度の上昇に伴って光散乱を減少させることが理想的であろう。前述のように、最も一般的に使用される散乱粒子はTiO2である。しかしながら、TiO2の屈折率は高く、一方、一般的に使われる透明層材料であるシリコーンの屈折率は低く、両者の屈折率差は0.5より大きい。材料のこの組み合わせを使用すると温度の上昇は、TiO2とシリコーンとの間のさらに大きな屈折率差をもたらし、オン状態での光散乱をさらに大きくすることがありうる。よって、透明材料に対してより低い屈折率を有する散乱粒子を使用することがより好適でありうる。 Since the temperature of an LED can increase in the on state compared to the off state, and increased light scattering can reduce the lumen output of the LED, light scattering increases with increasing temperature. Ideally it should be reduced. As mentioned above, the most commonly used scattering particles are TiO2 . However, the refractive index of TiO2 is high, while the refractive index of silicone, a commonly used transparent layer material, is low, and the refractive index difference between the two is greater than 0.5. Using this combination of materials, an increase in temperature can result in a larger refractive index difference between TiO 2 and silicone, leading to greater light scattering in the on-state. Therefore, it may be more suitable to use scattering particles with a lower refractive index relative to transparent materials.
そのような粒子の例は、屈折率1.37を有するMgF2である。その屈折率は、屈折率1.55をもちうる高屈折率シリコーンよりも小さいが、それに近い。ただし、2つの材料の間の屈折率差はわずか0.16であるため、オフ状態で十分な光散乱を達成するためには、ずっと高い濃度のMgF2が必要とされ、これは、前述のような材料の加工における問題をもたらす可能性がある。 An example of such particles is MgF2 with a refractive index of 1.37. Its refractive index is smaller than, but close to, high index silicone, which can have a refractive index of 1.55. However, since the refractive index difference between the two materials is only 0.16, a much higher concentration of MgF2 is required to achieve sufficient light scattering in the off-state, which is similar to It can lead to problems in processing the material.
本明細書に記載される実施形態は、LEDのオン状態およびオフ状態の両方において観察者にとって白色に見えうるが、それでいてLEDのオン状態における散乱を低減または解消しうる白色LEDを提供する。それにより、LED自体の品質またはその材料の構造に影響することなく、そのようなLEDを含む製品を観察者にとって、審美的により快いものにする。本明細書に記載される実施形態は、低いディムトーン設定では、色点がより暖かい色にシフトし、一方、高いディムトーン設定では、色点がより冷たい色にシフトするように、色点が調整できるLED光を提供することもできる。そのような実施形態は、ポリマー基質であってもよい透明材料の屈折率と、誘電体材料であってもよい非吸光性材料の屈折率との間の屈折率の差に依拠してもよい。 Embodiments described herein provide white LEDs that may appear white to an observer in both the ON and OFF states of the LED, yet may reduce or eliminate scattering in the ON state of the LED. This makes products containing such LEDs more aesthetically pleasing to the observer, without affecting the quality of the LEDs themselves or the structure of their materials. The embodiments described herein adjust the color point such that at low dimtone settings the color point shifts to warmer colors, while at high dimtone settings the color point shifts to cooler colors. It can also provide an adjustable LED light. Such embodiments may rely on the refractive index difference between the refractive index of a transparent material, which may be a polymer matrix, and the refractive index of a non-absorbing material, which may be a dielectric material. .
ある実施形態では、非吸光性材料構造自体は、光学的に機能する層全体に分散したミクロン・サイズの多孔質粒子で構成されてもよく、ミクロン・サイズの多孔質粒子は、粒子自体の中の相互接続されたサブミクロン孔のネットワークを含む。ある実施形態では、非吸光性材料構造は、代わりに、それ自体がサブミクロン孔のネットワークを含む多孔性誘電体材料のメッシュ・スラブから構成されてもよい。それぞれの場合において、サブミクロン孔はポリマー基質で満たされ、ポリマー基質と、サブミクロン孔の形状の非吸光性材料との間の界面を形成する。これは、オン状態対オフ状態、または低強度対高強度におけるLEDの異なる温度と組み合わされて(本稿に記載される材料の屈折率は温度の関数として変化しうる)、本稿に開示される特性を有するLEDを形成するために頼りにされる。 In some embodiments, the non-absorbing material structure itself may be composed of micron-sized porous particles dispersed throughout the optically functional layer, the micron-sized porous particles within the particles themselves. contains a network of interconnected submicron pores. In some embodiments, the non-absorbing material structure may instead consist of a mesh slab of porous dielectric material that itself contains a network of submicron pores. In each case, the submicron pores are filled with the polymer matrix forming an interface between the polymer matrix and the non-absorbing material in the shape of the submicron pores. This, combined with the different temperatures of the LED in the on versus off state, or low versus high intensity (the refractive index of the materials described in this article can vary as a function of temperature), results in the properties disclosed in this article. relied on to form LEDs with
ある実施形態では、ポリマー基質の屈折率は、LEDオフ状態における非吸光性材料構造の屈折率よりも大きく、2つの材料の間の界面で光散乱効果が生じることを許容する。しかしながら、LEDオン状態では、温度が上昇するにつれて、ポリマー基質の屈折率が低下し、サブミクロン孔の形状の輪郭を描く非吸光性材料とサブミクロン孔を満たすポリマー基質との間の屈折率差が減少し、その結果、サブミクロン孔界面への非吸光性材料による光散乱が減少するか、なくなる。これらの特徴は、LEDがオフ状態にあるときには室温などの、より低い温度で光を散乱し、白色に見え、LEDが高い温度でオン状態にあるときには、光を散乱しない、または少なくとも散乱される光の量を減少させる(これはLED光の出力の増加につながる可能性がある)LED光を提供しうる。 In some embodiments, the refractive index of the polymer matrix is greater than the refractive index of the non-absorbing material structure in the LED off state, allowing light scattering effects to occur at the interface between the two materials. However, in the LED-on state, as the temperature increases, the refractive index of the polymer matrix decreases, leading to a refractive index difference between the non-absorbing material delineating the shape of the submicron pore and the polymer matrix filling the submicron pore. is reduced, resulting in reduced or no light scattering by non-absorbing materials to submicron pore interfaces. These features scatter light at lower temperatures, such as room temperature, when the LED is in the off state and appear white, and do not scatter light, or at least are scattered, when the LED is in the on state at a higher temperature. LED light can be provided that reduces the amount of light (which can lead to an increase in LED light output).
これらの屈折率特性はまた、強度の変化が光散乱を変化させるLEDを提供しうる。たとえば、LEDの強度が高い場合、温度が上昇し、光の散乱がそれに応じて減少することがある。これは、LEDライトの色点設定の変更を許容しうる。たとえば、赤色光よりも強く散乱される、より冷たい光のトーンに寄与する青色光は、これらの温度および光散乱能力の変化により、より影響を受ける可能性がある。この場合、光散乱を減少させうる温度上昇の結果、より多くの青色光が検出されることになり、より冷たい色への色点のシフトを引き起こす可能性がある。反対に、LEDの強度が低いときは、温度が低下することがあり、光の散乱が対応して増加することがある。この例では、温度の低下および光散乱の増加の結果、検出される青色光がより少なくなり、色点がより暖かい色にシフトする可能性がある。 These refractive index properties can also provide LEDs in which changes in intensity change light scattering. For example, if the intensity of the LED is high, the temperature will increase and light scattering may decrease accordingly. This may allow changing the color point setting of the LED lights. For example, blue light, which contributes to cooler light tones that are scattered more strongly than red light, may be more affected by changes in their temperature and light scattering capabilities. In this case, an increase in temperature, which can reduce light scattering, can result in more blue light being detected, causing a shift of the color point to cooler colors. Conversely, when the intensity of the LED is low, the temperature may drop and light scattering may correspondingly increase. In this example, a decrease in temperature and an increase in light scattering can result in less blue light being detected, shifting the color point to warmer colors.
ある実施形態では、非吸光性材料の屈折率はポリマー基質の屈折率よりも大きく、温度の上昇が光散乱を減少させる。これは、LEDライトの色点設定の変更を損うことがある。この実施形態は、少なくとも、たとえば、普通なら温度が上昇するにつれて生じるであろう望ましくない色のシフトを防止または最小化するために使用されうる。温度が上昇するにつれて光散乱を増加させることによって、色の変化を減少させることができる。この実施形態は、温度が高くなるにつれて、色点をより暖かい色にシフトさせるためにも使用されうる。 In some embodiments, the refractive index of the non-absorbing material is greater than the refractive index of the polymer matrix, and increasing temperature reduces light scattering. This can impair changing the color point setting of LED lights. This embodiment can at least be used, for example, to prevent or minimize undesirable color shifts that would otherwise occur as temperature increases. Color change can be reduced by increasing light scattering as the temperature increases. This embodiment can also be used to shift the color point to warmer colors as the temperature increases.
ある実施形態では、非吸光性材料構造自体は、全体を通じて分散しているサブミクロン孔の網目を含む複数のミクロン・サイズの多孔質粒子から構成されていてもよい。あるいはまた、非吸光性材料構造は、それ自体がサブミクロン孔の網目を含む多孔質誘電体材料のメッシュ・スラブから構成されてもよい。これらの実施形態のそれぞれにおいて、サブミクロン孔はポリマー基質で満たされ、ポリマー基質と、ほぼサブミクロン孔の形状である非吸光性材料構造との間の界面を形成する。 In some embodiments, the non-absorbing material structure itself may be composed of a plurality of micron-sized porous particles containing a network of sub-micron pores dispersed throughout. Alternatively, the non-absorbing material structure may itself consist of a mesh slab of porous dielectric material containing a network of submicron pores. In each of these embodiments, the submicron pores are filled with a polymer matrix to form an interface between the polymer matrix and a non-absorbing material structure that is approximately in the shape of the submicron pores.
これらの実施形態のそれぞれにおいて、ポリマー基質の屈折率は、LEDオフ状態における非吸光性材料構造の屈折率よりも大きく、2つの材料の間の界面で光散乱効果が生じることを許容する。しかしながら、LEDオン状態では、温度が上昇するにつれて、ポリマー基質の屈折率が低下し、サブミクロン孔の形状の輪郭を描く非吸光性材料とサブミクロン孔を満たすポリマー基質との間の屈折率差が減少し、その結果、サブミクロン孔‐誘電体表面界面による光散乱が減少するか、なくなる。材料のこれらの同じ固有の特性はまた、LED光の色点設定の変化を許容する。たとえば、低輝度では、LED光は、より暖かい色調に向かってシフトしてもよく、高輝度では、LED光は、より冷たいトーンに向かってシフトしてもよい。 In each of these embodiments, the refractive index of the polymer matrix is greater than the refractive index of the non-absorbing material structure in the LED off state, allowing light scattering effects to occur at the interface between the two materials. However, in the LED-on state, as the temperature increases, the refractive index of the polymer matrix decreases, leading to a refractive index difference between the non-absorbing material delineating the shape of the submicron pore and the polymer matrix filling the submicron pore. is reduced, resulting in reduced or no light scattering by the submicron pore-dielectric surface interface. These same inherent properties of the material also allow for varying color point settings of the LED light. For example, at low brightness the LED light may shift towards warmer tones and at high brightness the LED light may shift towards cooler tones.
非吸光性材料の屈折率も、温度の上昇に応じて低下しうるが、第1の温度と第2の温度との間の屈折率の変化は、第1の温度および第2の温度におけるポリマー基質の屈折率の変化と比較して低い。非吸光性材料のような固体材料は、たとえばシリコーンよりもはるかに低い膨張係数をもち、よって、温度の関数としてはるかに小さな屈折率の変化をもつ。よって、温度の変化は、非吸光性材料よりもポリマー基質の屈折率に対して、より大きな影響を及ぼす。ポリマー基質および非吸光性材料に関するさらなる詳細は、以下に説明され、図2に示される。 The refractive index of non-absorbing materials can also decrease with increasing temperature, but the change in refractive index between the first and second temperatures is similar to that of the polymer at the first and second temperatures. Low compared to the change in refractive index of the substrate. A solid material, such as a non-absorbing material, has a much lower coefficient of expansion than, for example, silicone, and thus a much smaller change in refractive index as a function of temperature. Thus, changes in temperature have a greater effect on the refractive index of polymer matrices than non-absorbing materials. Further details regarding polymer matrices and non-absorbing materials are described below and shown in FIG.
さらに、2つの材料間の屈折率差に関して、オフ状態で十分な光散乱を達成するためには、各材料の屈折率間の差がある最小である必要がある。注目すべきことに、この最小値は、光学的に機能する層内の光散乱粒子の濃度のような要因によって影響されうる。たとえば、材料間の屈折率の差がより小さい場合は、光散乱粒子の、より高い濃度が、材料間の屈折率の比較的小さな差を補償し、光散乱粒子の、より低い濃度での等価な屈折率差におけるよりも、より大きなレベルの光散乱を達成する助けとなることができる。しかしながら、その形を補償することなく層内に入れられる粒子の濃度には限界がある。逆に、オン状態での光散乱を十分に低減するためには、各材料の屈折率間の差は、たったある最大値でありうる。2つの材料の間の屈折率差が大きすぎ、任意の合理的な温度変化内で十分に減少できない場合、オン状態において、光散乱の機能的に有効な減少は生じえない。 Furthermore, with respect to the refractive index difference between the two materials, there should be a minimum difference between the refractive indices of each material in order to achieve sufficient light scattering in the off-state. Notably, this minimum value can be influenced by factors such as the concentration of light scattering particles in the optically functional layer. For example, if the difference in refractive index between materials is smaller, a higher concentration of light scattering particles will compensate for the relatively small difference in refractive index between materials, equivalent to a lower concentration of light scattering particles. It can help achieve greater levels of light scattering than at even refractive index differences. However, there is a limit to the concentration of particles that can be placed in a layer without compensating for its shape. Conversely, to sufficiently reduce ON-state light scattering, the difference between the refractive indices of each material can be only some maximum value. If the refractive index difference between the two materials is too large to be sufficiently reduced within any reasonable temperature change, no functionally effective reduction of light scattering can occur in the on-state.
ある実施形態では、非吸光性材料の屈折率とポリマー基質の屈折率との間の屈折率の差は、0.3以下である。ある実施形態では、非吸光性材料の屈折率とポリマー基質の屈折率との間の屈折率の差は、0.2以下である。ある実施形態によると、非吸光性材料の屈折率とポリマー基質の屈折率との間の屈折率の差は、0.1以下である。ある例示的な実施形態では、非吸光性材料の屈折率とポリマー基質の屈折率との間の屈折率の差は、0.07である。 In some embodiments, the refractive index difference between the refractive index of the non-absorbing material and the refractive index of the polymer matrix is 0.3 or less. In some embodiments, the refractive index difference between the refractive index of the non-absorbing material and the refractive index of the polymer matrix is 0.2 or less. According to an embodiment, the refractive index difference between the refractive index of the non-absorbing material and the refractive index of the polymer matrix is 0.1 or less. In one exemplary embodiment, the refractive index difference between the refractive index of the non-absorbing material and the refractive index of the polymer matrix is 0.07.
本明細書に記載される特徴は、LEDがオフ状態にあるときには室温で光を散乱し、白色に見え、LEDがオン状態にあるときには散乱される光の量を減少させるLEDを提供する。他の実施形態、たとえば、色点の調整が、本明細書に記載される、屈折率の差および温度の関数としての屈折率の変化の同じ原理に依拠する。 The features described herein provide an LED that scatters light at room temperature when the LED is in the OFF state, appears white, and reduces the amount of light scattered when the LED is in the ON state. Other embodiments, such as color point adjustment, rely on the same principles of refractive index difference and refractive index change as a function of temperature described herein.
図1Aは、発光半導体構造115と、波長変換材料110と、オフ状態で白色の材料とを含む例示的な発光デバイス(LED)100を示す図である。オフ状態白色材料は、サブミクロン孔を含む、複数のミクロン・サイズの多孔質粒子またはメッシュ・スラブを含む、光学的に機能する多孔質構造105であってもよい。接点120および125は、回路基板または他の基板またはデバイスへの電気的接続のために、直接的にまたはサブマウントのような他の構造を介して、発光半導体構造115に結合されてもよい。諸実施形態において、接点120および125は、誘電体材料で充填されてもよいギャップ127によって互いに電気的に絶縁されてもよい。接点または相互接続部120および125は、たとえば、はんだ、スタッドバンプ、または金層であってもよい。サブミクロン孔を含む、複数のミクロン・サイズの多孔質粒子またはメッシュ・スラブを含む光学的に機能する多孔質構造105は、LEDと接触している。
FIG. 1A shows an exemplary light emitting device (LED) 100 including a light emitting semiconductor structure 115, a
ある実施形態では、発光半導体構造115は青色光を放射する。かかる諸実施形態では、波長変換材料110は、たとえば、黄色発光波長変換材料、または緑および赤色発光波長変換材料を含んでいてもよく、それが、それぞれの蛍光体によって発される光が発光構造115によって発される青色光と組み合わさるときに白色光を生成する。他の実施形態では、発光半導体構造115はUV光を放射する。かかる諸実施形態では、波長変換材料110は、たとえば、青および黄色波長変換材料または青、緑および赤色波長変換材料を含んでいてもよい。LED 100から放射される光のスペクトルを調整するために、他の色の光を放射する波長変換材料が追加されてもよい。ある実施形態では、本明細書に記載される光学的に機能する多孔質構造105の特性に基づいて、このLED 100の色点がシフトされてもよい。
In some embodiments, light emitting semiconductor structure 115 emits blue light. In such embodiments,
図1Bは、光学的に機能する多孔質構造105のある実施形態の拡大図であり、光学的に機能する多孔質構造105は、複数のミクロン・サイズの多孔質粒子150を含む。各ミクロン・サイズの多孔質粒子150全体にわたって、サブミクロン孔165(図2に示される)のネットワークが分散されており、孔にはこの図では、ポリマー基質180(白色で示される)が充填されている。複数のサブミクロン孔165は、非吸光性材料160によって囲まれた相互接続されたネットワークを形成する(白色で示される)。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、ミクロン・サイズの多孔質ガラスビーズ粒子であってもよい。ある例示的な実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、ミクロン・サイズの多孔質シリカ粒子であってもよい。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150はミクロン・サイズの多孔質フッ化マグネシウム粒子である。
FIG. 1B is an enlarged view of an embodiment of an optically functional
図1Cは、光学的に機能する多孔質構造105のある実施形態の拡大図であり、光学的に機能する多孔質構造105は、複数のサブミクロン孔(図示せず)を有する非吸光性材料160で形成されたメッシュ・スラブを含み、孔にはこの図では、ポリマー基質180が充填されている。この実施形態では、ポリマー基質180の相互接続されたネットワークがメッシュ・スラブ全体にわたって形成され、ポリマー基質180と、それを取り囲むメッシュ・スラブの非吸光性材料160との間の界面(図2の界面170に類似)を有する。
FIG. 1C is an enlarged view of an embodiment of an optically functional
図2は、例示的なミクロン・サイズの多孔質粒子150の断面を示す走査電子顕微鏡写真である。ミクロン・サイズの多孔質粒子150を通じて、サブミクロン孔165が分散している。サブミクロン孔165は、非吸光性材料160構造によって囲まれ、ミクロン・サイズの多孔質粒子150内に相互接続されたネットワークを形成する。この実施形態では、サブミクロン孔165は、ポリマー基質180で満たされる。サブミクロン孔165を含むミクロン・サイズの多孔質粒子150に遭遇する光は、多重散乱される。透過は排除されないが、それがなければ完全に透明な構造を通過するであろう光の一部のみに限られる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、ミクロン・サイズの多孔質ガラスビーズ粒子であってもよい。
FIG. 2 is a scanning electron micrograph showing a cross-section of an exemplary micron-sized
ある実施形態では、ポリマー基質180は、シリコーンを含む任意の光学的に機能する材料;光学グレードのシリコーン基質のような耐熱性および耐光性基質;またはゾル‐ゲル材料、有機的に修飾されたセラミック(オルモセル(ormocer))、またはポリシリザン系基質のような任意の他の好適な材料であってもよい。ある例示的な実施形態では、ポリマー基質180は、高屈折率シリコーンであってもよい。シリコーンの非限定的な例は、フェニル化シリコーン(すなわち、メチルフェニル)、および高屈折率ナノ粒子を充填したシリコーンを含みうる。
In some embodiments,
ある実施形態によると、ポリマー基質180の屈折率は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150またはメッシュ・スラブ・ネットワークの非吸光性材料160の屈折率よりも大きくてもよい。ある実施形態では、ポリマー基質180の屈折率は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150またはメッシュ・スラブ・ネットワークの非吸光性材料160の屈折率よりも小さくてもよい。ある実施形態では、ポリマー基質は、室温で少なくとも1.4~1.7の範囲の屈折率を有するシリコーンである。ある実施形態では、ポリマー基質は、室温で少なくとも1.46~1.56の範囲の屈折率を有するシリコーンである。ある実施形態では、シリコーンは、室温で少なくとも1.50~1.56の範囲の屈折率を有する。ある実施形態では、ポリマー基質180の屈折率は、温度が上昇するにつれて低下しうる。ある実施形態では、シリコーンの屈折率は上昇した温度で低下してもよく、室温での屈折率について開示された上限温度よりも低い温度まで少なくとも、1.46から範囲を有することができる。ある実施形態では、ポリマー基質の屈折率は、室温でのポリマー基質の屈折率と比較して、高温で0.1以下減少する。
According to some embodiments, the refractive index of the
上述したように、室温での材料の屈折率だけでなく、材料の膨張係数も、それぞれの層のためにどの材料が選ばれるべきかに影響を与える。たとえば、固体材料、たとえば、その最終状態にある非吸光性材料160は、たとえばシリコーンよりも、はるかに低い膨張係数をもち、よって、温度の関数としての、はるかに小さな屈折率の変化をもつ。よって、温度の変化は、本明細書に記載される実施形態において、非吸光性材料160よりも、ポリマー基質180の屈折率に対して、より大きな影響を及ぼす。
As mentioned above, not only the material's refractive index at room temperature, but also the material's coefficient of expansion influences which materials should be chosen for each layer. For example, a solid material, eg,
ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、多孔質シリカ粒子を含む任意の材料、またはポリマー基質180の屈折率より小さな屈折率を有する任意の他の好適な材料から形成されたガラスビーズ粒子を含んでもよい。ある例示的な実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、多孔質シリカであってもよい。非ガラスビーズのミクロン・サイズの多孔質粒子150の非限定的な例は、ミクロン・サイズの多孔質フッ化マグネシウム粒子である。
In some embodiments, micron-sized
ミクロン・サイズの多孔質粒子150の下限直径は、十分なレベルの光散乱が達成できるように、サブミクロン孔165を中に含む十分な量の材料を有するために十分な大きさでなければならない。逆に、ミクロン・サイズの多孔質粒子150の上限直径は、光学的に機能する層をできるだけ薄く維持するのに十分小さくなければならない。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、光学的に機能する層の厚さよりも大きな直径を有することができる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、3μm~700μmの範囲の直径を有しうる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、3μm~150μmの範囲の直径を有しうる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、50μm~150μmの範囲の直径を有しうる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、3μm~50μmの範囲の直径を有しうる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、10μm~50μmの範囲の直径を有しうる。ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、10μm~100μmの範囲の直径を有しうる。ある例示的な実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150は、50μmの直径を有してもよい。特に、最も強い効果は、最大の粒子で観察されうるが、光学的機能層105の厚さも考慮されなければならない。
The lower diameter limit of micron-sized
光学的に機能する層におけるミクロン・サイズの多孔質粒子150の充填密度に関しては、できるだけ薄い層(好ましい層の厚さは、50μm、最大100μm、最大200μm、またはそれ以上でありうる)において、できるだけ多くの散乱を得ることができるよう、できるだけ大きいことが好ましい。ある実施形態では、単分散球のランダム充填限界は64vol%である。二峰分布が使用される場合、ミクロン・サイズの多孔質粒子150間の空隙が、より小さなサイズのミクロン・サイズの多孔質粒子150で満たされてもよく、最大充填率を、たとえば70%または80%まで増加させる。使用されるミクロン・サイズの多孔質粒子150が単分散ではない、または完全に単分散ではない実施形態では、40%と55%の間の充填体積分率に達する。より低い充填密度も可能であるが、それはオフ状態の白色効果を減少させ、また、層の厚さを増加させることをも必要とすることがありうる。
Regarding the packing density of the micron-sized
ある実施形態では、ミクロン・サイズの多孔質粒子150のサブミクロン孔165のサイズは、50~400nmの範囲の直径を有しうる。ある例示的な実施形態では、サブミクロン孔165は、200nmの直径を有する。ある実施形態では、サブミクロン孔165は100nmの直径をもつ。
In some embodiments, the size of the sub-micron pores 165 of the micron-sized
ある実施形態では、サブミクロン孔165によって占められる容積は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150のグラム数に対して約0.6cm3/g~1.5cm3/gの範囲内である。ある実施形態では、サブミクロン孔165によって占められる容積は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150に対して約0.8cm3/g~1.2cm3/gの範囲内である。ある例示的な実施形態では、サブミクロン孔165によって占有される容積は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150に対して約0.9cm3/gである。光学的に機能する多孔質構造105内のサブミクロン孔165によって占められる容積は、少なくとも、使用される材料およびそれらのそれぞれの特性、室温での最適な光散乱に必要なミクロン・サイズの多孔質粒子150の数、および光学的に機能する多孔質構造105の完全性(integrity)に依存して、与えられた前記範囲の外で変化してもよい。
In some embodiments, the volume occupied by submicron pores 165 is in the range of about 0.6 cm 3 /g to 1.5 cm 3 /g for grams of micron-sized
ある実施形態では、孔サイズに依存して、孔容積に対する表面積は、約10m2/g~40m2/gであり得る。光学的に機能する多孔質構造105内のサブミクロン孔165によって占められる孔容積に対する表面積は、少なくとも、使用される材料およびそれらのそれぞれの特性、室温での最適な光散乱に必要なミクロン・サイズの多孔質粒子150の数、および光学的に機能する多孔質構造105の完全性に依存して、与えられた前記範囲の外で変化してもよい。
In some embodiments, depending on the pore size, the surface area to pore volume can be from about 10 m 2 /g to 40 m 2 /g. The surface area to pore volume occupied by submicron pores 165 within the optically functional
多孔質非吸光性材料160がメッシュ・スラブ、非吸光性材料160を形成する例(図1Cに示される)では、材料は、多孔質シリカ粒子、またはポリマー基質180の屈折率よりも低い屈折率をもつ任意の他の好適な材料を含む任意の材料から形成されてもよい。LEDにおける適用のために、非吸光性材料160は、高い光束、温度、および湿度で安定であるべきである。ある実施形態では、無機材料が好ましい。ある例示的な実施形態では、多孔質非吸光性材料160のメッシュ・スラブは、多孔質シリカから形成されてもよい。
In the example where porous
図3Aおよび3Bは、ポリマー基質180(図1Bおよび2に示される)としてのシリコーンおよびミクロン・サイズの多孔質粒子150(やはり図1Bおよび2に示される)としての多孔質シリカの混合からなる光学的に機能する多孔質構造105の液滴の顕微鏡像である。混合物は、溶媒、シリコーン、および多孔質シリカを一緒に組み合わせて、小滴を形成することによって調製された。混合後、溶媒を蒸発させ、小滴を150°Cで硬化させ、光学的に機能する材料105を形成した。光学的に機能する材料105の各液滴の全体にわたって、ミクロン・サイズの多孔質シリカ粒子が分散されており、ミクロン・サイズの多孔質シリカ粒子のサブミクロン孔165(図2に示される)はシリコーンで満たされたる。
Figures 3A and 3B show an optical mixture of silicone as the polymer matrix 180 (shown in Figures 1B and 2) and porous silica as the micron-sized porous particles 150 (also shown in Figures 1B and 2). 10 is a microscopic image of a droplet of functional
図3Aの画像は、25°Cでの液滴試料を表わす。多孔質シリカ粒子は、液滴自体内の複数の小粒子によって示されている。この温度では、シリコーンを添加した多孔質シリカ粒子は、少なくとも部分的には、多孔質シリカとサブミクロン孔165(図2に示される)を満たすシリコーンとの間の屈折率の差に起因して、白色光を散乱する。 The image in Figure 3A represents the droplet sample at 25 °C. Porous silica particles are indicated by multiple small particles within the droplet itself. At this temperature, the silicone-loaded porous silica particles exhibit a , scatters white light.
図3Bの画像は、200°Cでの液滴試料を表わす。この温度では、シリコーンを添加した多孔質シリカ粒子は、25°Cで観察されるシリコーンを添加した多孔質シリカ粒子よりも少ない白色光を散乱する。これは、少なくとも部分的には、高温での、多孔質シリカの屈折率とシリコーンの屈折率との間の屈折率差の減少による。 The image in Figure 3B represents the droplet sample at 200 °C. At this temperature, the silicone-loaded porous silica particles scatter less white light than the silicone-loaded porous silica particles observed at 25°C. This is due, at least in part, to the reduction in refractive index difference between the refractive indices of porous silica and silicone at elevated temperatures.
ある実施形態では、温度は一定に保って、他のシリコーンの屈折率とは異なる屈折率を有するシリコーンを使用する効果が評価される。25μm~40μmの直径および約200nmの平均サブミクロン孔サイズをもつ多孔質シリカビーズからなるミクロン・サイズの多孔質粒子150が、屈折率1.56を有するシリコーン中に分散され、25°Cで光を散乱する多孔質構造を有する厚さ200μmの光学的に機能する層を形成した。多孔質シリカの屈折率に近い屈折率1.46を有するシリコーンが代用されると、25°Cでは検出可能な光散乱はなかった。(データは図示せず。)この効果は、少なくとも部分的には、材料間の屈折率差の減少に帰することができ、ここで、材料間の屈折率差は、ほぼゼロであった。
In one embodiment, the temperature is held constant and the effect of using a silicone with a refractive index different from that of other silicones is evaluated. Micron-sized
図4は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150として50μmの直径を有する多孔質シリカビーズを25重量%含む、光学的に機能する多孔質構造105(図1A、1B、および1Cに示される)の能力の定量的評価を示す。有効孔サイズ100nmを有する多孔質シリカビーズのサブミクロン孔165(図2に示される)は、(図1Bおよび図2に示される)ポリマー基質180としての高屈折率シリコーンで満たされ、温度の関数として光を散乱する。波長450nmおよび強度10W/cm2を有する光の直接透過は、ミクロン・サイズの多孔質シリカビーズを全体的に分散して含む光学的に機能する多孔質構造105の層を通して、さまざまな温度で透過される。各温度で検出された透過光の強度が測定される。ある実施形態では、層上のレーザー・スポットは直径1.3mmであり、光の検出は、450nmレーザと整列されている、層の約2cm後ろに配置された5mmの開口を有する積分球の使用を通じて行なわれる。
FIG. 4 shows an optically functional porous structure 105 (shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C) containing 25% by weight of porous silica beads having a diameter of 50 μm as micron-sized
第1の温度(すなわち、30°C)で層を透過した光のパーセントは、0.75%である。この強度は、決定され、自分自身に対して規格化されて、図4に示されるように1.0単位となる。第2の温度で検出された透過光の強度が決定され、これは、第1の温度で検出された光の強度に対して規格化される。透過した光の強度は、層が曝されるその後の各温度について測定され、第1の温度で検出された透過光の強度に対して規格化される。図4に示されるように、層を透過する光の強度は、温度が上昇するにつれて増加し、層を200°Cに曝されるときの透過光の強度は、層が30°Cに曝されるときの透過光の強度の30倍の高さである。200°C未満の温度でも、温度が70°Cを超えて80°Cに上昇すると、透過光の強度が増加する。たとえば、130°Cにおいて、層を通過する透過光の強度は、この実施形態において30°Cで透過される光の強度の約10倍の高さである。
The percentage of light transmitted through the layer at the first temperature (
屈折率の変化とは別に、空気ボイドがミクロン・サイズの多孔質粒子150の内部に存在することがしばしば観察される。図5は、ミクロン・サイズの多孔質粒子150内の空気ボイド185(太いほうの矢印によって示される)の存在を示す光学顕微鏡像である。これらは、ミクロン・サイズの多孔質粒子150内の内部構造として、顕微鏡の下で見える。
Apart from refractive index variations, air voids are often observed to exist inside micron-sized
空気ボイド185も、本明細書に記載される材料で作製される光学的に機能する層105からの光の散乱に寄与する。空気ボイド185は、ポリマー基質180(すなわち、シリコーン)によるサブミクロン孔165の不完全な充填の結果として形成されることがあるが、たとえば、サブミクロン孔165の内側のシリコーンの硬化とその後の冷却の際にも形成されうる。シリコーンが高温(すなわち、150°C)で硬化するとき、膨張係数が高いため、シリコーンはかなり膨張する。温度が低下するにつれて、シリコーンは再び収縮し、ミクロン・サイズの多孔質粒子150に不十分な架橋されたシリコーンが注入して戻されることがあると、ミクロン・サイズの多孔質粒子150中のシリコーンは応力を受け、局所的な剥離または凝集破壊(cohesive failure)を示す可能性がある。層が、たとえばLEDのスイッチを入れることによって再び加熱されるとき、シリコーンは再び膨張し、空気ボイド185を完全にまたは部分的に満たし、空気ボイドが消失する。正味の効果は、2つの異なる温度での試料間の光出力の切り換え振幅が増加することである。
Air voids 185 also contribute to scattering of light from optically
前述したように、オフ状態での白色のための本明細書で記述された、サブミクロン孔165を有するミクロン・サイズの多孔質粒子150、または非吸光性材料160から形成され、サブミクロン孔を有するメッシュ・スラブは、他の用途で使用されてもよい。たとえば、色点制御、フィラメント・ランプ、切り換え可能レンズである。
As previously described, the micron-sized
色点制御に関しては、温度の上昇に伴って色点シフトが観測できる。たとえば、駆動電流リード(drive current leads)を増加させることがLEDの温度を上昇させ、それによって、LED光の色点をより冷たい光色にシフトさせることができる。逆に、駆動電流リードを減少させることが温度を低下させ、それによって、LED光の色点をより暖かい色にシフトさせることができる。これは、少なくとも部分的には、光の各色が光を散乱する能力が異なるためである。たとえば、青色光は、赤色光よりも強く散乱されるので、前述の層において、温度が上昇すると光散乱が減少し、相対的に、より多くの青色光が放射される。この実施形態では、色点は、より冷たい白色光にシフトする。逆に、温度が低下すると、光散乱は増加し、相対的に、より少ない青色光が放出される。この実施形態では、色点は、より暖かい白色光にシフトする。 Regarding color point control, a color point shift can be observed with increasing temperature. For example, increasing the drive current leads can increase the temperature of the LED, thereby shifting the color point of the LED light to cooler light colors. Conversely, decreasing the drive current lead lowers the temperature, which can shift the color point of the LED light to warmer colors. This is at least in part because each color of light has a different ability to scatter light. For example, blue light is scattered more strongly than red light, so in the aforementioned layers, increasing temperature reduces light scattering and relatively more blue light is emitted. In this embodiment, the color point shifts to cooler white light. Conversely, as the temperature decreases, light scattering increases and relatively less blue light is emitted. In this embodiment, the color point shifts to warmer white light.
ある実施形態では、ポリマー基質180(図1Bおよび図2に示される)としてシリコーン中に分散された、ミクロン・サイズの多孔質粒子150(図1Bおよび図2に示される)としての多孔質シリカを含む層を、1202 COBチップ上に堆積させた。このチップは、明るい光を提供し、LED光源の代わりに使用できる光源である。本明細書に記載される追加層を含む1202 COBチップ・ライトは、約25°Cの温度に関連付けられた10 mAmpの駆動電流リードに曝された。駆動電流リードが400 mAmpまで増加させると、対応して85°Cへの温度上昇が生じた。図6に示されるように、主として赤色光の色を表すu'軸に沿った色点のシフトが起こった。25°Cではより多くの赤色光が検出され、85°Cではより少ない量の赤色光が検出された。 In one embodiment, porous silica as micron-sized porous particles 150 (shown in FIGS. 1B and 2) dispersed in silicone as the polymer matrix 180 (shown in FIGS. 1B and 2). The containing layer was deposited on a 1202 COB chip. This chip is a light source that provides bright light and can be used in place of LED light sources. A 1202 COB chip write including the additional layers described herein was subjected to a drive current lead of 10 mAmp associated with a temperature of approximately 25°C. Increasing the drive current lead to 400 mAmp caused a corresponding temperature rise to 85°C. As shown in FIG. 6, a color point shift occurred along the u′ axis, which is primarily representative of the color of red light. More red light was detected at 25°C and less red light was detected at 85°C.
図6はまた、駆動電流リードが10mAmpから400mAmpにシフトされるとき、主に緑の光色を表わすv'軸に沿った、相対的により小さなシフトをも示している。しかしながら、v'軸に沿ったシフトの大きさは、u'軸に沿ったシフトの大きさよりも小さいだけでなく、緑色光検出の変化が、より暖かい光対より冷たい光に影響する度合いも、赤色光検出の等価なシフトが、より暖かい光対より冷たい光に影響する度合いよりもはるかに小さい。 FIG. 6 also shows a relatively smaller shift along the v' axis, representing predominantly green light color, as the drive current lead is shifted from 10 mAmp to 400 mAmp. However, not only is the magnitude of the shift along the v' axis smaller than that along the u' axis, but also the degree to which changes in green light detection affect warmer versus cooler light is The equivalent shift in red light detection is much less than it affects warmer versus cooler light.
この図には示されていないが、より暖かい光からより冷たい光へのシフトに対応する、より多い赤色光の発生からより少ない赤色光の発生へのシフトの度合いは、シリコーン中に分散された多孔質シリカを含むミクロン・サイズの多孔質粒子層が1202 COBチップ・ライト上に配置された場合には、かなり増大する。 Although not shown in this figure, the degree of shift from more red light generation to less red light generation corresponding to the shift from warmer to cooler light was distributed in the silicone. A significant increase occurs when a layer of micron-sized porous particles containing porous silica is placed on the 1202 COB chip light.
図7は、(図1Bおよび図2に示される)複数のサブミクロン孔165を含む光学的に機能する多孔質構造105を用いて光散乱を調整する方法の流れ図700である。ある実施形態では、本方法700は、非吸光性材料160(図1B、1C、および図2に示される)内に形成されたサブミクロン孔165(図2に示される)をポリマー基質180(図2に示される)で充填するステップ705を含む。各場合において、サブミクロン孔165は、ポリマー基質180で充填され、ポリマー基質180とサブミクロン孔165の形状の非吸光性材料160との間に界面170(図2に示される)を形成する。非吸光性材料160、ミクロン・サイズの多孔質粒子150、メッシュ・スラブ・ネットワーク、複数のサブミクロン孔165、およびポリマー基質180の特性および特徴の実施例は上記で述べてある。材料の特性および組織構造に基づいて、本明細書中に記載されるポリマー基質180で充填されたサブミクロン・サイズ孔165を含む非吸光性材料構造160を使用して、光散乱が調整されうる。
FIG. 7 is a flow diagram 700 of a method for tuning light scattering using an optically functional
ひとたびサブミクロン孔165がポリマー基質180で満たされる(705)と、光学的に機能する多孔質構造105は、第1の温度で光に曝される(710)。非吸光性材料160とサブミクロン孔165を満たすポリマー基質との間の屈折率差を含む、光学的に機能する多孔質層105の内在的な特性および組織構造のために、第1の温度では光散乱が生じる。
Once submicron pores 165 are filled with polymer matrix 180 (705), optically functional
光に対する曝露に応答した光散乱の相対量を調整または変更するために、温度が変更され(715)、光学的に機能する多孔質構造105が第2の温度で光に曝される(720)。非吸光性材料160とサブミクロン孔165を満たすポリマー基質との間の屈折率差は、温度の関数として変化するので、第2の温度で生じる光散乱の量が変化する。
To adjust or change the relative amount of light scattering in response to exposure to light, the temperature is changed (715) and the optically functional
ある実施形態では、ポリマー基質180の屈折率は、温度が上昇するにつれて低下する。ポリマー基質180の屈折率が非吸光性材料160の屈折率より大きい限り、これは光散乱を減少させる。ある実施形態では、SiO2が、ミクロン・サイズの多孔質粒子150を形成する非吸光性材料160であり、シリコーンが、サブミクロン孔165(図2に示される)を満たすポリマー基質180として使用される。この例では、シリコーンの屈折率は、SiO2の屈折率よりも低いので、SiO2の屈折率とシリコーンの屈折率との間の屈折率の差は、温度の上昇とともに増加し、光散乱の増加につながる。ある実施形態では、ポリマー基質180は、低屈折率シリコーンであるポリジメチルシロキサン(PDMS)である。
In some embodiments, the refractive index of
ある実施形態では、光は、本明細書に記載されるように、ミクロン・サイズの多孔質粒子150における空気ボイド185(図5に示される)の存在を通じて、屈折率差を超えてさらに調整されることができる。温度が上昇すると、シリコーンは硬化し、高い膨張係数を有するのでかなり膨張する。温度が低下するにつれて、シリコーンは再び収縮し、不十分な架橋シリコーンがミクロン・サイズの多孔質粒子150に再注入されることがある場合、空気ボイド185が形成されることがあり、ミクロン・サイズの多孔質粒子150内の残りのシリコーンは応力を受け、局所的な剥離または凝集破壊を示すことがある。これは、ミクロン・サイズの多孔質粒子150内の材料間の屈折率差に加えて、本明細書に記載される材料で作られた層からの光の散乱に寄与しうる。層が、たとえば、LEDのスイッチを入れることによって再び加熱されると、シリコーンは再び膨張し、空気ボイド185を完全にまたは部分的に満たす。正味の効果は切り換えの振れ幅が増加することである。
In some embodiments, the light is further tuned beyond the refractive index difference through the presence of air voids 185 (shown in FIG. 5) in the micron-sized
ある実施形態では、光学的に機能する多孔質構造105は、本明細書に記載されているように、LEDライトがオンであるとき、動作中にLEDライトの色点をシフトさせるために使用されてもよい。これは、LEDの第1の温度が第2の温度に変化するときに生じることがある。LEDの第2の温度(第2の温度は第1の温度よりも大きい)では、光散乱が減少することがあり、これはこの場合、たとえば、赤色光に対して青色光の光散乱が比例的に、より大きく減少することを許容する。この場合、より多くの青色光が放射されるため、LEDの色点は、より冷たい白色光にシフトする。
In an embodiment, the optically functional
ある実施形態では、この方法は、他の用途、たとえば、フィラメント・ランプおよび切り換え可能レンズにおいて使用されてもよい。この方法は、温度の上昇が材料間の屈折率差を増加させ、光散乱を増加させる用途に使用されてもよい。 In some embodiments, the method may be used in other applications, such as filament lamps and switchable lenses. This method may be used in applications where increasing temperature increases the refractive index difference between materials, increasing light scattering.
実施形態を詳細に説明してきたが、当業者は、本発明の概念の精神から逸脱することなく、本明細書に記載した実施形態に修正が加えられてもよいことを理解するであろう。よって、本発明の範囲は、図示および記述された特定の実施形態に限定されることは意図されていない。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様1〕
動作中に一次光を放射する発光半導体デバイスと;
前記発光半導体構造上に配置され、前記一次光の少なくとも一部を吸収し、応答して前記一次光よりも長波長の二次光を放射するように構成された波長変換構造と;
前記発光半導体デバイスとは反対側で前記波長変換構造上に配置され、前記一次光および二次光に対して実質的に透明な材料から形成され、第1の屈折率を有し、サブミクロン孔を含む多孔質構造と;
前記多孔質構造における前記サブミクロン孔を満たし、25°Cで第1屈折率とは異なる第2の屈折率を有するポリマーとを有する、
発光デバイス。
〔態様2〕
当該発光デバイスの動作において、二次光および任意的には前記一次光の一部が、前記多孔質構造を透過して、当該発光デバイスからの光出力を形成する、態様1に記載の発光デバイス。
〔態様3〕
前記光出力が、人間の観察者にとって白色に見える、態様2に記載の発光デバイス。
〔態様4〕
当該発光デバイスがオフ状態にある25°Cにおいて、前記ポリマーが、前記多孔質構造との光学的散乱界面を形成し、前記多孔質構造が白色光の外部照明下にあるときに、前記多孔質構造が人間の観察者に白色に見えるようにする、態様1に記載の発光デバイス。
〔態様5〕
前記第2の屈折率が、前記第1の屈折率より大きい、態様1に記載の発光デバイス。
〔態様6〕
前記第1の屈折率が、前記第2の屈折率より大きい、態様1に記載の発光デバイス。
〔態様7〕
前記ポリマーは、一次光および二次光を散乱する前記多孔質構造との光学的散乱界面を形成し;
前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との差の大きさは、当該発光デバイスの動作中に前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて減少し;
その結果、当該発光デバイスの動作中、前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、前記散乱界面による前記一次光および二次光の散乱が減少する、
態様1に記載の発光デバイス。
〔態様8〕
当該発光デバイスの動作中に、二次光および任意的には前記一次光の一部が前記多孔質構造を透過し、当該発光デバイスからの光出力を形成し;
前記光出力は人間の観察者にとって白く見え;
当該発光デバイスの動作中に前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、前記光出力の色点がより冷たい色にシフトする、
態様6に記載の発光デバイス。
〔態様9〕
前記ポリマーは、一次光および二次光を散乱する前記多孔質構造との光学的散乱界面を形成し;
前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との差の大きさは、当該発光デバイスの動作中に前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて増加し;
その結果、当該発光デバイスの動作中、前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、前記散乱界面による前記一次光および二次光の散乱が増加する、
態様1に記載の発光デバイス。
〔態様10〕
前記多孔質構造が、前記サブミクロン孔を含むミクロン・サイズの粒子を含む、態様1に記載の発光デバイス。
〔態様11〕
前記多孔質構造が、前記孔を含む多孔質誘電体材料のメッシュ・スラブを含む、態様1に記載の発光デバイス。
〔態様12〕
当該発光デバイスの動作中に、二次光および任意的には前記一次光の一部が前記多孔質構造を透過し、当該発光デバイスからの光出力を形成し;
前記光出力は人間の観察者にとって白く見え;
当該発光デバイスがオフ状態にある25°Cにおいて、前記ポリマーが、前記多孔質構造との光学的散乱界面を形成し、前記多孔質構造が白色光の外部照明下にあるときに、前記多孔質構造が人間の観察者に白色に見えるようにする、
態様1に記載の発光デバイス。
〔態様13〕
前記第2の屈折率が前記第1の屈折率より大きく;
前記ポリマーは、一次光および二次光を散乱する前記多孔質構造との光学的散乱界面を形成し;
前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との差の大きさは、当該発光デバイスの動作中に前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて減少し;
その結果、当該発光デバイスの動作中、前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、前記散乱界面による前記一次光および二次光の散乱が減少する、
態様12に記載の発光デバイス。
〔態様14〕
前記光出力の色点が、当該発光デバイスの動作中に前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、より冷たい色にシフトする、態様13に記載の発光デバイス。
〔態様15〕
前記第2の屈折率が前記第1の屈折率より小さく;
前記ポリマーは、一次光および二次光を散乱する前記多孔質構造との光学的散乱界面を形成し;
前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との差の大きさは、当該発光デバイスの動作中に前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて増加し;
その結果、当該発光デバイスの動作中、前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、前記散乱界面による前記一次光および二次光の散乱が増加する、
態様12に記載の発光デバイス。
Although embodiments have been described in detail, those skilled in the art will appreciate that modifications may be made to the embodiments described herein without departing from the spirit of the inventive concept. Accordingly, the scope of the invention is not intended to be limited to the particular embodiments illustrated and described.
Some aspects are described.
[Aspect 1]
a light-emitting semiconductor device that emits primary light during operation;
a wavelength converting structure disposed on the light emitting semiconductor structure and configured to absorb at least a portion of the primary light and, in response, emit secondary light of a longer wavelength than the primary light;
a submicron pore disposed on the wavelength converting structure opposite the light emitting semiconductor device, formed from a material substantially transparent to the primary light and secondary light, having a first refractive index, and having a submicron pore a porous structure comprising;
a polymer that fills the submicron pores in the porous structure and has a second refractive index different from the first refractive index at 25°C;
luminous device.
[Aspect 2]
A light emitting device according to aspect 1, wherein in operation of said light emitting device secondary light and optionally a portion of said primary light are transmitted through said porous structure to form a light output from said light emitting device. .
[Aspect 3]
3. The light emitting device of aspect 2, wherein the light output appears white to a human observer.
[Aspect 4]
At 25° C. when the light-emitting device is in the off state, the polymer forms an optically scattering interface with the porous structure, and when the porous structure is under external illumination with white light, the porous structure A light emitting device according to aspect 1, wherein the structure causes the structure to appear white to a human observer.
[Aspect 5]
Aspect 1. The light emitting device of Aspect 1, wherein the second refractive index is greater than the first refractive index.
[Aspect 6]
Aspect 1. The light emitting device of Aspect 1, wherein the first refractive index is greater than the second refractive index.
[Aspect 7]
the polymer forms an optical scattering interface with the porous structure that scatters primary and secondary light;
the magnitude of the difference between the first refractive index and the second refractive index decreases as the temperature of the porous structure increases during operation of the light emitting device;
As a result, during operation of the light emitting device, the scattering of the primary and secondary light by the scattering interface decreases as the temperature of the porous structure increases.
A light emitting device according to aspect 1.
[Aspect 8]
during operation of the light emitting device, secondary light and optionally a portion of the primary light are transmitted through the porous structure to form a light output from the light emitting device;
said light output appears white to a human observer;
As the temperature of the porous structure increases during operation of the light emitting device, the color point of the light output shifts to cooler colors.
A light emitting device according to aspect 6.
[Aspect 9]
the polymer forms an optical scattering interface with the porous structure that scatters primary and secondary light;
the magnitude of the difference between the first refractive index and the second refractive index increases as the temperature of the porous structure increases during operation of the light emitting device;
Consequently, during operation of the light emitting device, as the temperature of the porous structure increases, the scattering of the primary and secondary light by the scattering interface increases.
A light emitting device according to aspect 1.
[Aspect 10]
2. The light emitting device of Claim 1, wherein said porous structure comprises micron-sized particles containing said submicron pores.
[Aspect 11]
Aspect 1. The light emitting device of Aspect 1, wherein the porous structure comprises a mesh slab of porous dielectric material containing the pores.
[Aspect 12]
during operation of the light emitting device, secondary light and optionally a portion of the primary light are transmitted through the porous structure to form a light output from the light emitting device;
said light output appears white to a human observer;
At 25° C. when the light-emitting device is in the off state, the polymer forms an optically scattering interface with the porous structure, and when the porous structure is under external illumination with white light, the porous structure cause the structure to appear white to a human observer,
A light emitting device according to aspect 1.
[Aspect 13]
said second refractive index is greater than said first refractive index;
the polymer forms an optical scattering interface with the porous structure that scatters primary and secondary light;
the magnitude of the difference between the first refractive index and the second refractive index decreases as the temperature of the porous structure increases during operation of the light emitting device;
As a result, during operation of the light emitting device, the scattering of the primary and secondary light by the scattering interface decreases as the temperature of the porous structure increases.
13. A light emitting device according to aspect 12.
[Aspect 14]
14. The light emitting device of Claim 13, wherein the color point of the light output shifts to cooler colors as the temperature of the porous structure increases during operation of the light emitting device.
[Aspect 15]
said second refractive index is less than said first refractive index;
the polymer forms an optical scattering interface with the porous structure that scatters primary and secondary light;
the magnitude of the difference between the first refractive index and the second refractive index increases as the temperature of the porous structure increases during operation of the light emitting device;
Consequently, during operation of the light emitting device, as the temperature of the porous structure increases, the scattering of the primary and secondary light by the scattering interface increases.
13. A light emitting device according to aspect 12.
Claims (21)
前記発光半導体デバイス上に位置され、前記一次光の少なくとも一部を吸収し、その吸収に応答して前記一次光よりも長波長の二次光を放射するように構成された波長変換構造と;
前記発光半導体デバイスとは反対側で前記波長変換構造上に位置され、前記一次光および二次光に対して透明な材料から形成され、第1の屈折率を有し、サブミクロン孔を有する多孔質構造と;
前記多孔質構造における前記サブミクロン孔を満たし、25°Cで第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有するポリマーとを有する発光デバイスであって、
前記発光半導体デバイスに駆動電流が流れない状態で、25°Cにおいて白色光の外部照明下では、前記多孔質構造が前記多孔質構造と前記ポリマーとの間の界面からの光散乱を示し、前記ポリマーは人間の観察者にとって白色に見える、
発光デバイス。 a light emitting semiconductor device configured to emit primary light in response to a drive current flowing through the light emitting semiconductor device;
a wavelength converting structure positioned on the light emitting semiconductor device and configured to absorb at least a portion of the primary light and emit secondary light of a longer wavelength than the primary light in response to the absorption;
positioned on the wavelength converting structure opposite the light emitting semiconductor device and formed of a material transparent to the primary and secondary light, having a first refractive index and having a porous structure with submicron pores; quality structure;
and a polymer filling the submicron pores in the porous structure and having a second refractive index different from the first refractive index at 25°C, wherein
With no drive current flowing through the light-emitting semiconductor device and under external illumination of white light at 25° C., the porous structure exhibits light scattering from the interface between the porous structure and the polymer; the polymer appears white to a human observer,
luminous device.
前記発光半導体デバイス上に位置され、前記一次光の少なくとも一部を吸収し、その吸収に応答して前記一次光よりも長波長の二次光を放射するように構成された波長変換構造と;
前記発光半導体デバイスとは反対側で前記波長変換構造上に位置され、前記一次光および二次光に対して透明な材料から形成され、第1の屈折率を有し、サブミクロン孔を有する多孔質構造と;
前記多孔質構造における前記サブミクロン孔を満たし、25°Cで第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有するポリマーとを有する発光デバイスであって、
第1の屈折率と第2の屈折率の差の大きさは温度の上昇とともに減少し、前記多孔質構造と前記ポリマーとの間の界面からの光散乱は前記多孔質構造の温度の上昇とともに減少する、
発光デバイス。 a light emitting semiconductor device configured to emit primary light in response to a drive current flowing through the light emitting semiconductor device;
a wavelength converting structure positioned on the light emitting semiconductor device and configured to absorb at least a portion of the primary light and emit secondary light of a longer wavelength than the primary light in response to the absorption;
positioned on the wavelength converting structure opposite the light emitting semiconductor device and formed of a material transparent to the primary and secondary light, having a first refractive index and having a porous structure with submicron pores; quality structure;
and a polymer filling the submicron pores in the porous structure and having a second refractive index different from the first refractive index at 25°C, wherein
The magnitude of the difference between the first refractive index and the second refractive index decreases with increasing temperature, and light scattering from the interface between the porous structure and the polymer increases with increasing temperature of the porous structure. Decrease,
luminous device.
前記発光半導体デバイス上に位置され、前記一次光の少なくとも一部を吸収し、その吸収に応答して前記一次光よりも長波長の二次光を放射するように構成された波長変換構造と;
前記発光半導体デバイスとは反対側で前記波長変換構造上に位置され、前記一次光および二次光に対して透明な材料から形成され、第1の屈折率を有し、サブミクロン孔を有する多孔質構造と;
前記多孔質構造における前記サブミクロン孔を満たし、25°Cで第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有するポリマーとを有する発光デバイスであって、
第1の屈折率と第2の屈折率の差の大きさは温度の上昇とともに減少し、前記多孔質構造と前記ポリマーとの間の界面からの光散乱は前記多孔質構造の温度の上昇とともに減少する、
前記多孔質構造は、前記発光半導体デバイスを前記駆動電流が流れ、そこから前記一次光が放射される状態において、(i)前記二次光の少なくとも一部、または(ii)前記二次光の少なくとも一部および前記一次光の一部のいずれかが、当該発光デバイスからの光出力として、前記多孔質構造を透過し、
前記発光半導体デバイスを前記駆動電流が流れ、そこから前記一次光が放射される状態で、前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて、前記光出力の色点がより冷たい色にシフトする、発光デバイス。 a light emitting semiconductor device configured to emit primary light in response to a drive current flowing through the light emitting semiconductor device;
a wavelength converting structure positioned on the light emitting semiconductor device and configured to absorb at least a portion of the primary light and emit secondary light of a longer wavelength than the primary light in response to the absorption;
positioned on the wavelength converting structure opposite the light emitting semiconductor device and formed of a material transparent to the primary and secondary light, having a first refractive index and having a porous structure with submicron pores; quality structure;
and a polymer filling the submicron pores in the porous structure and having a second refractive index different from the first refractive index at 25°C, wherein
The magnitude of the difference between the first refractive index and the second refractive index decreases with increasing temperature, and light scattering from the interface between the porous structure and the polymer increases with increasing temperature of the porous structure. Decrease,
The porous structure, in a state in which the driving current flows through the light-emitting semiconductor device and the primary light is emitted therefrom, (i) at least a portion of the secondary light, or (ii) a portion of the secondary light. at least a portion and/or a portion of the primary light is transmitted through the porous structure as light output from the light emitting device;
light emission wherein the color point of the light output shifts to cooler colors as the temperature of the porous structure increases with the drive current flowing through the light emitting semiconductor device and the primary light emitted therefrom. device.
前記発光半導体デバイス上に位置され、前記一次光の少なくとも一部を吸収し、その吸収に応答して前記一次光よりも長波長の二次光を放射するように構成された波長変換構造と;
前記発光半導体デバイスとは反対側で前記波長変換構造上に位置され、前記一次光および二次光に対して透明な材料から形成され、第1の屈折率を有し、サブミクロン孔を有する多孔質構造と;
前記多孔質構造における前記サブミクロン孔を満たし、25°Cで第1の屈折率とは異なる第2の屈折率を有するポリマーとを有する発光デバイスであって、
前記発光半導体デバイスに駆動電流が流れない状態で、25°Cにおいて白色光の外部照明下では、前記多孔質構造が前記多孔質構造と前記ポリマーとの間の界面からの光散乱を示し、前記ポリマーは人間の観察者にとって白色に見え、
前記第1の屈折率と前記第2の屈折率との差の大きさは温度が上昇するにつれて増加し、前記多孔質構造と前記ポリマーとの間の界面からの光散乱は前記多孔質構造の温度が上昇するにつれて増加する、
発光デバイス。 a light emitting semiconductor device configured to emit primary light in response to a drive current flowing through the light emitting semiconductor device;
a wavelength converting structure positioned on the light emitting semiconductor device and configured to absorb at least a portion of the primary light and emit secondary light of a longer wavelength than the primary light in response to the absorption;
positioned on the wavelength converting structure opposite the light emitting semiconductor device and formed of a material transparent to the primary and secondary light, having a first refractive index and having a porous structure with submicron pores; quality structure;
and a polymer filling the submicron pores in the porous structure and having a second refractive index different from the first refractive index at 25°C, wherein
With no drive current flowing through the light-emitting semiconductor device and under external illumination of white light at 25° C., the porous structure exhibits light scattering from the interface between the porous structure and the polymer; The polymer appears white to a human observer,
The magnitude of the difference between the first index of refraction and the second index of refraction increases with increasing temperature, and light scattering from the interface between the porous structure and the polymer increases increases with increasing temperature,
luminous device.
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