KR20200099190A - 광 산란을 튜닝하기 위한 다공성 미크론 크기의 입자들 - Google Patents

광 산란을 튜닝하기 위한 다공성 미크론 크기의 입자들 Download PDF

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KR20200099190A
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Abstract

LED의 광학적 기능 다공성 층에서 광 산란을 튜닝하기 위한 시스템 및 방법이 본 명세서에 설명된다. 상기 층은 복수의 서브-미크론 공극 및 폴리머 매트릭스를 갖는 비-흡광 재료 구조를 포함한다. 상기 비-흡광 재료는 상기 층 또는 메시 슬래브 전체에 걸쳐 분산된 복수의 미크론 크기의 다공성 입자를 형성하고, 복수의 서브-미크론 공극은 각각의 미크론 크기의 다공성 입자 내에 위치되거나 각각 메시 슬래브 내의 상호접속된 서브-미크론 공극들의 망을 형성한다. 높은 굴절률 실리콘과 같은 폴리머 매트릭스가 복수의 서브-미크론 공극을 채워 재료들 사이의 계면을 생성한다. 재료들 사이의 굴절률 차이들은 재료들의 계면에서 광 산란이 발생하는 것을 허용한다. 온도의 함수로서 광 산란이 감소되어, LED의 오프 상태 및 온 상태에서 광 산란을 튜닝하기 위한 시스템을 생성할 수 있다.

Description

광 산란을 튜닝하기 위한 다공성 미크론 크기의 입자들
발광 다이오드들은, 셀룰러 전화 카메라용 플래시 소스 및 필라멘트 램프와 같은, 다양한 응용들에서 백색 광원들로서 이용될 수 있다. 그러한 LED들은 본 명세서에서 백색 LED들이라고 지칭될 수 있다.
백색 LED들은 LED들이 온 상태에 있을 때 관찰자의 관점에서 백색 광을 방출하는 것으로 보일 수 있다. 그러나, 그것들은 실제로는 비백색 광을 방출하는 발광 반도체 구조들뿐만 아니라 비백색 광을 관찰자에게 백색으로 보이게 하는 파장 변환 구조들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 백색 LED는 황색 방출 인광체 층에 의해 커버되는 청색 발광 반도체 구조로 형성될 수 있다. 발광 반도체 구조에 의해 방출된 청색 광의 광자들은 청색 광자들로서 황색 방출 인광체 층을 통과하거나 또는 황색 방출 인광체 층에 의해 황색 광자들로 변환될 수 있다. 결국 LED 밖으로 방출되는 청색 및 황색 광자들은 결합하여 LED로부터 방출된 광이 관찰자에게 백색으로 보이게 한다.
LED들은 또한 다양한 딤톤 설정(dimtone setting)들에 걸쳐 사용될 수 있다. 그러나, 예를 들어 높은 딤톤 설정에서 더 차가운 광을 방출하는 것으로 보이는 LED는 낮은 딤톤 설정에서도 더 차갑게 방출하는 것으로 보일 수 있다. 마찬가지로, 예를 들어 낮은 딤톤 설정에서 더 따뜻한 광을 방출하는 것으로 보이는 LED는 높은 딤톤 설정에서도 더 따뜻하게 방출하는 것으로 보일 수 있다.
LED들에서 사용하기 위한 광학적 기능 다공성 구조(optically functional porous structure), 및 그러한 광학적 기능 다공성 구조를 제조하는 방법이 본 명세서에 설명된다. 상기 광학적 기능 다공성 구조는, 복수의 서브-미크론 공극(sub-micron pore) 및 폴리머 매트릭스(polymer matrix)를 포함하는 유전체 구조일 수 있는 비-흡광 재료(non-light absorbing material) 구조를 포함한다. 상기 비-흡광 재료 구조 자체는 복수의 미크론 크기의 다공성 입자로 구성될 수 있다. 또한, 상기 비-흡광 재료 구조의 굴절률은 제1 온도에서 상기 폴리머 매트릭스의 굴절률과는 상이하여, 상기 비-흡광 재료 구조의 굴절률과 상기 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이가 상기 제1 온도에서 광 산란 능력을 갖도록 상기 광학적 기능 다공성 구조 내의 상기 복수의 서브-미크론 공극을 구성하게 된다. 상기 비-흡광 재료 구조의 굴절률과 상기 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이는 온도가 변화함에 따라 감소하기 때문에, 상기 복수의 서브-미크론 공극의 광 산란 능력도 이들 대응하는 온도 변화에 따라 달라진다.
도 1a는 발광 반도체 구조 및 오프 상태 백색 재료 층을 포함하는 예시적인 발광 디바이스(LED)의 다이어그램이다.
도 1b는 폴리머 매트릭스로 채워진 상호접속된 서브-미크론 공극들을 갖는 미크론 크기의 다공성 입자들로 구성된 예시적인 오프 상태 백색 층의 다이어그램이다.
도 1c는 폴리머 매트릭스로 채워진 상호접속된 서브-미크론 공극들을 갖는 메시 슬래브(mesh slab)로 구성된 다른 예시적인 오프 상태 백색 층의 다이어그램이다.
도 2는 서브-미크론 공극들 내에 주입된 실리콘을 갖는 서브-미크론 공극들을 포함하는 미크론 크기의 다공성 유리 비드 입자의 단면의 주사 전자 현미경 사진 예시이다.
도 3a는 25℃에서, 25-45 μm의 직경을 갖고 서브-미크론 공극들을 포함하는 미크론 크기의 다공성 입자들이 로딩된 드롭-캐스팅된 실리콘 층의 예시(사진)이다.
도 3b는 200℃에서, 25-45 μm의 직경을 갖고 서브-미크론 공극들을 포함하는 미크론 크기의 다공성 입자들이 로딩된 드롭-캐스팅된 실리콘 층의 예시(사진)이다.
도 4는 온도의 함수로서 100 nm의 유효 공극 크기를 갖는 25 중량%의 50 μm 크기의 다공성 실리카 입자들을 포함하는 높은 굴절률 실리콘의 150 μm 층을 통한 450 nm에서의 광 투과의 그래픽 표현이다.
도 5는 실리콘으로 채워지고 에어 보이드(air void)들을 포함하는 미크론 크기의 다공성 입자들의 현미경 이미지이다.
도 6은 구동 전류 리드(drive current lead)들이 10 mAmp 내지 400 mAmp로 시프트된 1202 COB 칩 광원으로부터 생성된 광의 색점의 시프트를 예시하는 그래픽 표현이고, 여기서 1202 COB 광원은 폴리머 매트릭스로 채워진 상호접속된 서브-미크론 공극들을 갖는 미크론 크기의 다공성 입자들을 포함하는 최상부의 커버 층을 갖는다.
도 7은 광학적 기능 다공성 구조를 이용하여 광 산란을 튜닝하는 방법의 흐름도이다.
백색 LED들은 온 상태에서는 백색 광을 방출하는 것으로 보일 수 있지만, 그러한 LED들은 오프될 때 파장 변환 재료의 색으로 보일 수 있다. 예를 들어, 황색 방출 인광체 층을 포함하는 백색 LED는 오프될 때, 예컨대 상점 선반 상에서 보일 때, 관찰자에게 황색 또는 녹색으로 보일 수 있다. 그럼에도 불구하고, 통상의 소비자는 백색 LED를 포함하는 제품이 오프 상태에서조차 백색으로 보일 것으로 기대할 수 있다. 예를 들어, 백색 전구(white light bulb)를 구매하기 위해 상점 안으로 걸어 들어가는 사람은 보통 백색 전구가 실제로 백색으로 보일 것으로 기대할 것이고 그것이 황색 또는 녹색으로 보인다면 전구가 결함이 있다고 생각할 수 있다. 카메라 플래시가 백색으로 보일 것으로 기대할 수 있는 셀룰러 전화 소비자의 경우도 마찬가지일 수 있다. 그러한 제품들은 LED가 오프 상태에서뿐만 아니라 온 상태에서도 백색으로 보인다면 소비자에게 더 시장성이 높을 것이다.
LED 조명의 색점의 변화도 선호될 수 있다. 예를 들어, LED 조명들이 어둑해질 때, 사용자는 이들 더 낮은 딤톤 설정들에서 더 따뜻한 색들을 관찰하기를 선호할 수 있다. 반대로, LED 조명들이 밝을 때, 사용자는 더 차가운 색들을 관찰하기를 선호할 수 있다. 구동 전류를 증가시킴으로써 - 이는 온도의 증가로 이어짐 -, 광 산란의 변화가 온도의 변화와 상관된다면 색점의 변화가 발생할 것이다. 이는 부분적으로, 예를 들어, 청색 광이 적색 광보다 더 강하게 광을 산란시키기 때문이다; 따라서, 산란되는 적색 광의 양에 비해 산란되는 청색 광의 상대적 양을 변화시킴으로써, LED로부터 방출된 인지되는 광의 색점을 변화시킬 수 있다.
오프 상태에서 LED들에 대한 오프 상태 백색 외관을 제공하거나, 또는 조명들이 어둑해질 때 더 따뜻한 색들을 제공하기 위해, 백색, 비-인광체, 불활성 재료들의 과립들이 사용되었다. 이들 과립은 종종 서브-미크론 크기의 과립들인데 그 이유는 이러한 크기의 입자들이 특히 효과적인 광 산란 요소들로서 기능할 수 있기 때문이다. 이러한 재료들의 예들은 티타늄 이산화물(TiO2) 및 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함한다. 이들 재료의 서브-미크론 크기 입자들이 실리콘과 같은 투명 재료와 혼합되고, 비백색 LED 표면 위에 도포되어 그것을 예를 들어 LED 오프 상태에서 관찰자에게 더 백색으로 보이게 할 수 있다. 그러나, 그러한 백색, 비-인광체, 불활성 재료들의 과립들은 디바이스가 온인 동안 백색으로 유지될 수 있고 온 상태에서의 LED로부터 방출된 광의 일부 산란을 야기하여, LED의 루멘 출력을 감소시킬 수 있다.
이들 예에서, 어느 한 상태에서의 광 산란의 크기는 광학적 기능 층 내의 서브-미크론 입자들의 농도, 및 서브-미크론 입자들과 투명 재료 사이의 굴절률 차이에 의존한다. 전자와 관련하여, 서브-미크론 입자들의 농도의 증가는 오프 상태에서의 광 산란을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이들 입자의 농도가 증가함에 따라, 이는 온 상태에서 LED의 루멘 출력의 감소로 이어질 수 있다. 또한, 재료들을 처리하는 데 있어서 문제가 있을 수 있다. 예를 들어, 재료들을 혼합하는 것이 점점 더 어려워지는데 그 이유는 서브-미크론 입자들의 농도의 증가와 함께 혼합물의 점도가 증가하기 때문이다. 다른 문제는 높은 입자 로딩으로 인해 최종 층이 너무 부서지기 쉽다는 것일 수 있다.
서브-미크론 입자의 굴절률과 투명 층의 굴절률 사이의 굴절률 차이와 관련하여, 그것은 서브-미크론 입자들로부터의 충분한 광 산란이 발생할 수 있도록 충분히 커야 한다. 반대로, 굴절률 차이는 가능한 사용 범위 내의 모든 온도에서 광 산란이 발생하지 않도록 너무 커서는 안 된다. 예를 들어, 투명 층의 굴절률이 서브-미크론 입자의 굴절률과 비교하여 너무 높으면, 투명 층의 굴절률의 감소가 서브-미크론 입자의 굴절률에 충분히 접근하지 않을 수 있고, 사용 범위 내의 모든 온도에 걸쳐 광 산란이 발생할 것이다.
LED의 온도는 오프 상태에 비해 온 상태에서 증가할 수 있기 때문에, 그리고 증가된 광 산란이 LED의 루멘 출력을 감소시킬 수 있기 때문에, 온도의 증가와 함께 광 산란이 감소되게 하는 것이 이상적일 것이다. 앞서 설명된 바와 같이, 가장 흔히 사용되는 산란 입자는 TiO2이다. 그러나, TiO2의 굴절률은 높은 반면 흔히 사용되는 투명 층 재료인 실리콘의 굴절률은 더 낮고, 그것들 사이의 굴절률 차이는 0.5보다 크다. 이러한 재료들의 조합을 사용한 온도의 증가는 TiO2와 실리콘 사이의 훨씬 더 큰 굴절 차이를 야기하여, 온 상태에서 훨씬 더 큰 광 산란을 초래할 수 있다. 따라서, 투명 재료에 비해 더 낮은 굴절률을 갖는 산란 입자를 사용하는 것이 더 적합할 수 있다.
그러한 입자의 예는 1.37의 굴절률을 갖는 MgF2이다. 그것의 굴절률은 1.55의 굴절률을 가질 수 있는, 높은 굴절률 실리콘의 굴절률보다 작지만, 그에 가깝다. 그러나, 2개의 재료 사이의 굴절률 차이가 단지 0.16이기 때문에, 오프 상태에서 충분한 광 산란을 달성하기 위해서는 훨씬 더 큰 농도의 MgF2가 요구될 것이고, 이는 앞서 설명된 바와 같이 재료들을 처리하는 데 있어서 문제들로 이어질 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시예들은 LED 온 및 오프 상태들 둘 다에서 관찰자에게 백색으로 보일 수 있는 백색 LED를 제공하지만, 그럼에도 또한 LED 온 상태에서의 산란을 감소 또는 제거하여, LED 자체의 품질 또는 그의 재료들의 구조에 영향을 주지 않으면서 그러한 LED들을 포함하는 제품들을 관찰자에게 더 심미적으로 만족스럽게 만든다. 본 명세서에 설명된 실시예들은 또한, 낮은 딤톤 설정에서는, 색점이 더 따뜻한 색들로 시프트하는 반면, 높은 딤톤 설정에서는, 색점이 더 차가운 색들로 시프트하도록 색점이 조정될 수 있는 LED 조명을 제공할 수 있다. 그러한 실시예들은 폴리머 매트릭스일 수 있는 투명 재료의 굴절률과, 유전체 재료일 수 있는 비-흡광 재료의 굴절률 사이의 굴절률 차이에 의존할 수 있다.
일 실시예에서, 비-흡광 재료 구조 자체는 광학적 기능 층 전체에 걸쳐 분산된 미크론 크기의 다공성 입자들로 구성될 수 있고, 여기서 미크론 크기의 다공성 입자들은 입자 자체 내의 상호접속된 서브-미크론 공극들의 망을 포함한다. 일 실시예에서, 비-흡광 재료 구조는 대신에 서브-미크론 공극들의 망을 자체적으로 포함하는 다공성 유전체 재료의 메시 슬래브로 구성될 수 있다. 각각의 경우에 서브-미크론 공극들은 폴리머 매트릭스로 채워져서 폴리머 매트릭스와 비-흡광 재료 사이의 계면을 서브-미크론 공극의 형상으로 형성한다. 이는, 온 상태 대 오프 상태에서의, 또는 낮은 강도 대 높은 강도에서의 LED의 상이한 온도들과 조합하여 - 본 명세서에 설명된 재료들의 굴절률은 온도의 함수로서 변화할 수 있음 - 본 명세서에 개시된 속성들을 갖는 LED를 형성하기 위해 의존된다.
일 실시예에서, 폴리머 매트릭스의 굴절률은 LED 오프 상태에서의 비-흡광 재료 구조의 굴절률보다 커서, 2개의 재료 사이의 계면에서 광 산란 효과가 발생하는 것을 허용한다. 그러나, LED 온 상태에서는, 온도가 증가함에 따라, 폴리머 매트릭스의 굴절률이 감소하여, 서브-미크론 공극들의 형상의 윤곽을 보여주는, 비-흡광 재료의 굴절률과 서브-미크론 공극들을 채우는 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이가 감소하게 되어 결과적으로 비-흡광 재료와 서브-미크론 공극들의 계면에 의한 광 산란이 감소되거나 없어진다. 이들 특징은 LED가 오프 상태에 있을 때 실온과 같은 더 낮은 온도에서 광을 산란시키고 백색으로 보이는, 그리고 LED가 더 높은 온도에서 온 상태에 있을 때 광을 산란시키지 않거나 적어도 산란된 광의 양을 감소시키는 LED 조명을 제공할 수 있고, 이는 LED 조명의 출력의 증가로 해석될 수 있다.
이들 굴절률 속성은 또한 강도의 변화 시에 광 산란을 변화시키는 LED를 제공할 수 있다. 예를 들어, LED의 강도가 높을 때, 온도가 증가할 수 있고 광의 산란이 대응하여 감소할 수 있다. 이는 LED 조명의 색점 설정의 변화를 허용할 수 있다. 예를 들어, 광의 더 차가운 톤들에 기여하는, 그리고 적색 광보다 더 강하게 산란되는 청색 광은, 온도 및 광 산란 능력의 이들 변화에 의해 더 많이 영향을 받을 수 있다. 이 경우에, 광 산란을 감소시킬 수 있는 온도의 증가는 더 많은 청색 광이 검출되는 결과를 야기하여 색점이 더 차가운 색들로 시프트하는 것을 초래할 수 있다. 반대로, LED의 강도가 낮을 때, 온도가 감소할 수 있고 광의 산란이 대응하여 증가할 수 있다. 이 예에서, 온도의 감소 및 광 산란의 증가는 더 적은 청색 광이 검출되는 결과를 야기하여 색점이 더 따뜻한 색들로 시프트하는 것을 초래할 수 있다.
일 실시예에서, 비-흡광 재료의 굴절률은 폴리머 매트릭스의 굴절률보다 커서, 온도의 증가가 광 산란을 감소시키게 된다. 이는 LED 조명의 색점 설정의 변화를 손상시킬 수 있다. 이 실시예는 적어도 예를 들어 온도가 증가함에 따라 바람직하지 않은 그렇지 않으면 발생하게 될 색 시프트를 방지하거나 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 온도가 증가함에 따라 광 산란을 증가시킴으로써 색 변화의 감소를 허용한다. 이 실시예는 또한 색점을 더 높은 온도들로서 더 따뜻한 색들로 시프트하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 비-흡광 재료 구조 자체는 전체에 걸쳐 분산되는 서브-미크론 공극들의 망을 포함하는 복수의 미크론 크기의 다공성 입자로 구성될 수 있다. 대안적으로, 비-흡광 재료 구조는 서브-미크론 공극들의 망을 자체적으로 포함하는 다공성 유전체 재료의 메시 슬래브로 구성될 수 있다. 이들 실시예의 각각에서, 서브-미크론 공극들은 폴리머 매트릭스로 채워져서 폴리머 매트릭스와 비-흡광 재료 구조 사이의 계면을 대략 서브-미크론 공극의 형상으로 형성한다.
이들 실시예 각각에서, 폴리머 매트릭스의 굴절률은 LED 오프 상태에서의 비-흡광 재료 구조의 굴절률보다 커서, 2개의 재료 사이의 계면에서 광 산란 효과가 발생하는 것을 허용한다. 그러나, LED 온 상태에서는, 온도가 증가함에 따라, 폴리머 매트릭스의 굴절률이 감소하여, 서브-미크론 공극들의 형상의 윤곽을 보여주는, 비-흡광 재료의 굴절률과 서브-미크론 공극들을 채우는 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이가 감소하게 되어 그에 의해 결과적으로 서브-미크론 공극들과 유전체 표면의 계면에 의한 광 산란이 감소되거나 없어진다. 재료들의 이들 동일한 고유 속성은 또한 LED 조명의 색점 설정의 변화를 허용한다. 예를 들어, 낮은 강도에서 LED 조명은 더 따뜻한 톤들을 향해 시프트할 수 있고 높은 강도에서 LED 조명은 더 차가운 톤들을 향해 시프트할 수 있다.
비록 비-흡광 재료의 굴절률도 증가된 온도에 응답하여 감소할 수 있지만, 제1 온도와 제2 온도 사이의 굴절률의 변화는 제1 및 제2 온도에서의 폴리머 매트릭스의 굴절률의 변화에 비해 낮다. 비-흡광 재료와 같은 고체 재료들은 훨씬 더 낮은 팽창 계수를 갖고, 따라서 예를 들어 실리콘보다 온도의 함수로서 훨씬 더 작은 굴절률의 변화를 갖는다. 따라서, 온도의 변화는 비-흡광 재료들보다 폴리머 매트릭스의 굴절률에 더 큰 영향을 미친다. 폴리머 매트릭스 및 비-흡광 재료에 관한 더 상세한 사항들은 아래에 설명되고 도 2에 도시되어 있다.
추가로 2개의 재료 사이의 굴절률 차이와 관련하여, 오프 상태에서 충분한 광 산란을 달성하기 위해, 각각의 재료의 굴절률 사이의 차이는 특정 최소일 필요가 있다. 특히, 이 최소는 광학적 기능 층 내의 광 산란 입자들의 농도와 같은 요인들에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 재료들 사이의 굴절률의 차이가 더 작을수록, 더 큰 농도의 광 산란 입자들이 재료들 사이의 굴절률들의 상대적으로 작은 차이를 보상하여 더 낮은 농도의 광 산란 입자들로 동등한 굴절률 차이에서보다 큰 레벨들의 광 산란을 달성하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나, 그의 형태를 보상하지 않고 층 내에 배치될 수 있는 입자들의 농도에는 제한이 있다. 반대로, 온 상태에서의 광 산란을 충분히 감소시키기 위해, 각각의 재료의 굴절률 사이의 차이는 단지 특정 최대일 수 있다. 2개의 재료 사이의 굴절률 차이가 너무 커서 임의의 합당한 온도 변화 내에서 충분히 감소될 수 없다면, 온 상태에서 기능적으로 효과적인 광 산란의 감소가 발생할 수 없다.
일 실시예에서, 비-흡광 재료의 굴절률과 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이는 0.3 이하이다. 일 실시예에서, 비-흡광 재료의 굴절률과 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이는 0.2 이하이다. 일 실시예에서, 비-흡광 재료의 굴절률과 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이는 0.1 이하이다. 예시적인 실시예에서, 비-흡광 재료의 굴절률과 폴리머 매트릭스의 굴절률 사이의 굴절률 차이는 0.07이다.
본 명세서에 설명된 특징들은 LED가 오프 상태에 있을 때 실온에서 광을 산란시키고 백색으로 보이는, 그리고 LED가 온 상태에 있을 때 광을 산란시키지 않거나 산란된 광의 양을 감소시키는 LED를 제공한다. 색점을 조정하는 것과 같은 다른 실시예들이 본 명세서에 설명되고, 굴절률의 차이들과 온도의 함수로서 굴절률들의 변화들의 동일한 원리들에 의존한다.
도 1a는 발광 반도체 구조(115), 파장 변환 재료(110), 및 오프 상태 백색 재료 - 이는 서브-미크론 공극들을 포함하는 복수의 미크론 크기의 다공성 입자 또는 메시 슬래브를 포함하는 광학적 기능 다공성 구조(105)일 수 있음 - 를 포함하는 예시적인 발광 디바이스(LED)(100)의 다이어그램이다. 콘택들(120 및 125)은, 회로 보드 또는 다른 기판 또는 디바이스와의 전기적 접속을 위해, 직접 또는 서브마운트와 같은 다른 구조를 통해, 발광 반도체 구조(115)에 결합될 수 있다. 실시예들에서, 콘택들(120 및 125)은, 유전체 재료로 채워질 수 있는, 갭(127)에 의해 서로 전기적으로 절연될 수 있다. 콘택들 또는 인터커넥트들(120 및 125)은, 예를 들어, 솔더, 스터드 범프들, 또는 금 층들일 수 있다. 서브-미크론 공극들을 포함하는 복수의 미크론 크기의 다공성 입자, 또는 메시 슬래브를 포함하는 광학적 기능 다공성 구조(105)는 LED와 접촉한다.
일 실시예에서, 발광 반도체 구조(115)는 청색 광을 방출한다. 그러한 실시예들에서, 파장 변환 재료(110)는, 예를 들어, 황색 방출 파장 변환 재료 또는 녹색 및 적색 방출 파장 변환 재료들을 포함할 수 있고, 이는 각각의 인광체들에 의해 방출된 광이 발광 구조(115)에 의해 방출된 청색 광과 결합할 때 백색 광을 생성할 것이다. 다른 실시예들에서, 발광 반도체 구조(115)는 UV 광을 방출한다. 그러한 실시예들에서, 파장 변환 재료(110)는, 예를 들어, 청색 및 황색 파장 변환 재료들 또는 청색, 녹색, 및 적색 파장 변환 재료들을 포함할 수 있다. LED(100)로부터 방출된 광의 스펙트럼을 조정하기 위해 다른 색들의 광을 방출하는 파장 변환 재료들이 추가될 수 있다. 일 실시예에서, 이 LED(100)의 색점은 본 명세서에 설명된 광학적 기능 다공성 구조(105)의 속성들에 기초하여 시프트될 수 있다.
도 1b는 광학적 기능 다공성 구조(105)의 일 실시예의 확대도의 다이어그램이고, 여기서 광학적 기능 다공성 구조(105)는 복수의 미크론 크기의 다공성 입자(150)를 포함한다. 각각의 미크론 크기의 다공성 입자(150) 전체에 걸쳐 분산된 것은 서브-미크론 공극들(165)(도 2에 도시됨)의 망이고, 이 서브-미크론 공극들은 이 예시에서 폴리머 매트릭스(180)(백색으로 도시됨)로 채워진다. 복수의 서브-미크론 공극들(165)은 비-흡광 재료(160)((백색으로 도시됨)에 의해 둘러싸인 상호접속된 망을 형성한다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 미크론 크기의 다공성 유리 비드 입자일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 미크론 크기의 다공성 실리카 입자일 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 미크론 크기의 다공성 마그네슘 불화물 입자이다.
도 1c는 광학적 기능 다공성 구조(105)의 일 실시예의 확대도의 다이어그램이고, 여기서 광학적 기능 다공성 구조(105)는 복수의 서브-미크론 공극(도시되지 않음)을 갖는 비-흡광 재료(160)로 형성된 메시 슬래브를 포함하고, 이 서브-미크론 공극들은 이 예시에서 폴리머 매트릭스(180)로 채워진다. 이 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)의 상호접속된 망이 메시 슬래브 전체에 걸쳐 형성되고, 폴리머 매트릭스(180)와 그것을 둘러싸는 메시 슬래브의 비-흡광 재료(160) 사이의 계면(도 2의 계면(170)과 유사함)을 갖는다.
도 2는 예시적인 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 단면을 예시하는 주사 전자 현미경 사진이다. 미크론 크기의 다공성 입자(150) 전체에 걸쳐 분산된 것은 미크론 크기의 다공성 입자(150) 내에 상호접속된 망을 형성하는 비-흡광 재료(160) 구조에 의해 둘러싸인 서브-미크론 공극들(165)이다. 이 실시예에서, 서브-미크론 공극들(165)은 폴리머 매트릭스(180)로 채워진다. 서브-미크론 공극들(165)을 포함하는 미크론 크기의 다공성 입자(150)에 부딪치는 광은 다양하게 산란될 것인데, 이는 투과를 배제하지 않지만, 그것을 그렇지 않으면 완전히 투명한 구조를 통과할 광의 일부만으로 제한한다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 미크론 크기의 다공성 유리 비드 입자일 수 있다.
일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)는 실리콘을 포함하는 임의의 광학적 기능 재료; 광학 등급(optical grade) 실리콘 매트릭스와 같은 온도 및 광 내성 매트릭스; 또는 졸-겔 재료, ormocer(organically modified ceramic), 또는 폴리실리젠(polysilizane) 기반 매트릭스와 같은 임의의 다른 적합한 재료일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)는 높은 굴절률 실리콘일 수 있다. 실리콘의 비제한적인 예들은, 페닐화된 실리콘들(phenylated silicones)(즉, 메틸페닐), 및 높은 굴절률 나노입자들로 채워진 실리콘들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률은 미크론 크기의 다공성 입자(150) 또는 메시 슬래브 망의 비-흡광 재료(160)의 굴절률보다 클 수 있다. 일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률은 미크론 크기의 다공성 입자(150) 또는 메시 슬래브 망의 비-흡광 재료(160)의 굴절률보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 폴리머 매트릭스는 실온에서 적어도 1.4 내지 1.7 범위의 굴절률을 갖는 실리콘이다. 일 실시예에서, 폴리머 매트릭스는 실온에서 적어도 1.46 내지 1.56 범위의 굴절률을 갖는 실리콘이다. 일 실시예에서, 실리콘은 실온에서 적어도 1.50 내지 1.56 범위의 굴절률을 갖는다. 일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률은 온도가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 일 실시예에서, 상승된 온도에서 실리콘의 굴절률은 감소할 수 있고, 실온에서의 굴절률에 대해 개시된 상한 온도보다 낮은 온도에 대해 적어도 1.46으로부터의 범위를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 폴리머 매트릭스의 굴절률은 실온에서의 폴리머 매트릭스의 굴절률과 비교하여 상승된 온도에서 0.1 이하만큼 감소한다.
앞서 설명된 바와 같이, 각각의 층들에 대해 어떤 재료들이 선택되어야 하는지에 영향을 미치는 것은 실온에서의 재료의 굴절률뿐만 아니라, 또한 재료의 팽창 계수이다. 예를 들어, 그의 최종 상태에서의 비-흡광 재료(160)와 같은 고체 재료들은 훨씬 더 낮은 팽창 계수를 갖고, 따라서 예를 들어 실리콘보다 온도의 함수로서 훨씬 더 작은 굴절률의 변화를 갖는다. 따라서, 온도의 변화는 본 명세서에 설명된 실시예들에서 비-흡광 재료들(160)보다 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률에 더 큰 영향을 미친다.
일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 다공성 실리카 입자를 포함하는 임의의 재료 또는 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 임의의 다른 적합한 재료로 형성된 유리 비드 입자들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 다공성 실리카일 수 있다. 비-유리 비드 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 비제한적 예는 미크론 크기의 다공성 마그네슘 불화물 입자이다.
미크론 크기의 다공성 입자(150)의 하한 직경은, 충분한 레벨의 광 산란이 달성될 수 있도록 내부에 서브-미크론 공극들(165)을 포함하는, 충분한 양의 재료를 갖도록 충분히 커야 한다. 반대로, 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 상한 직경은 가능한 한 얇은 광학적 기능 층을 유지할 정도로 충분히 작아야 한다. 일 실시예에서 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 광학적 기능 층의 두께보다 큰 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 3 μm 내지 700 μm 범위의 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 3 μm 내지 150 μm 범위의 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 50 μm 내지 150 μm 범위의 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 3 μm 내지 50 μm 범위의 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 10 μm 내지 50 μm 범위의 직경을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 10 μm 내지 100 μm 범위의 직경을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)는 50 μm의 직경을 가질 수 있다. 특히, 가장 큰 입자들로 가장 강한 효과들이 관찰될 수 있다; 그러나, 광학적 기능 층(105)의 두께도 고려되어야 한다.
광학적 기능 층 내의 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 충진 밀도와 관련하여, 그것은 가능한 한 얇은 층에서 가능한 한 많은 산란을 얻을 수 있기 위해 가능한 한 높은 것이 바람직하다(여기서 선호되는 층 두께는 50 μm, 100 μm까지, 200 μm까지, 또는 훨씬 더 클 수 있다). 일 실시예에서, 단분산 구(monodisperse sphere)들의 랜덤 충진 한계(random packing limit)는 64 vol%이다. 쌍봉 분포(bimodal distribution)가 사용되는 경우, 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 사이의 간극들은 더 작은 크기의 미크론 크기의 다공성 입자들(150)로 채워져서, 최대 충진 분율(packing fraction)을 추가로, 예를 들어 70% 또는 80%까지 증가시킬 수 있다. 사용되는 미크론 크기의 다공성 입자(150)가 단분산이 아니거나, 완전히 단분산이 아닌 일 실시예에서, 40% 내지 55%의 충진 부피 분율(packing volume fraction)들에 도달한다. 더 낮은 충진 밀도도 가능하지만, 그것은 오프 상태 백색 효과를 감소시킬 것이고 또한 층 두께의 증가를 필요로 할 수 있다.
일 실시예에서, 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 서브-미크론 공극(165)의 크기는 50 내지 400 nm 범위의 직경을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 서브-미크론 공극(165)은 200 nm의 직경을 갖는다. 일 실시예에서, 서브-미크론 공극(165)은 100 nm의 직경을 갖는다.
일 실시예에서, 서브-미크론 공극들(165)에 의해 점유된 부피는 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 대략 0.6 cm3/gram 내지 1.5 cm3/gram의 범위 내에 있다. 일 실시예에서, 서브-미크론 공극들(165)에 의해 점유된 부피는 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 대략 0.8 cm3/gram 내지 1.2 cm3/gram의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예에서, 서브-미크론 공극들(165)에 의해 점유된 부피는 미크론 크기의 다공성 입자(150)의 대략 0.9 cm3/gram이다. 광학적 기능 다공성 구조(105) 내의 서브-미크론 공극들(165)에 의해 점유된 부피는, 적어도 사용되는 재료들 및 그들 각각의 속성들, 실온에서 최적의 광 산란을 위해 요구되는 미크론 크기의 다공성 입자들(150)의 수, 및 광학적 기능 다공성 구조(105)의 완전성(integrity)에 따라, 제공된 범위 밖에서 달라질 수 있다.
일 실시예에서, 그리고 공극 크기에 따라, 표면적 대 공극 부피는 대략 10 m2/gram 내지 40 m2/gram일 수 있다. 광학적 기능 다공성 구조(105) 내의 서브-미크론 공극들(165)에 의해 점유된 표면적 대 공극 부피는, 적어도 사용되는 재료들 및 그들 각각의 속성들, 실온에서 최적의 광 산란을 위해 요구되는 미크론 크기의 다공성 입자들(150)의 수, 및 광학적 기능 다공성 구조(105)의 완전성에 따라, 제공된 범위 밖에서 달라질 수 있다.
다공성 비-흡광 재료(160)가 비-흡광 재료(160)(도 1c에 도시된 바와 같은)인 메시 슬래브를 형성하는 예에서, 재료는 다공성 실리카 입자를 포함하는 임의의 재료 또는 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률보다 작은 굴절률을 갖는 임의의 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다. LED에서의 응용을 위해, 비-흡광 재료(160)는 높은 광속(light flux), 온도, 및 습도에서 안정적이어야 한다. 일 실시예에서, 무기 재료들이 선호된다. 예시적인 실시예에서, 다공성 비-흡광 재료(160)의 메시 슬래브는 다공성 실리카로 형성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 폴리머 매트릭스(180)(도 1b 및 도 2에 도시된 바와 같은)로서의 실리콘과 미크론 크기의 다공성 입자들(150)(또한 도 1b 및 도 2에 도시된)로서의 다공성 실리카의 혼합물을 포함하는 광학적 기능 다공성 구조(105)의 액적(droplet)의 현미경 이미지들이다. 그 혼합물은 용매, 실리콘, 및 다공성 실리카를 함께 결합시켜 액적을 형성하는 것에 의해 준비되었다. 혼합 후에, 150℃에서 용매가 증발되고 액적이 경화되어 광학적 기능 재료(105)를 형성하였다. 광학적 기능 재료(105)의 각각의 액적 전체에 걸쳐 분산된 것은 미크론 크기의 다공성 실리카 입자들이고 이들의 서브-미크론 공극들(165)(도 2에 도시된 바와 같은)은 실리콘으로 채워진다.
도 3a의 이미지는 25℃에서의 액적 샘플을 나타낸다. 다공성 실리카 입자들은 액적 자체 내의 복수의 작은 입자에 의해 예시된다. 이 온도에서, 실리콘-로딩된 다공성 실리카 입자들은 적어도 부분적으로 서브-미크론 공극들(165)(도 2에 도시된 바와 같은)을 채우는 실리콘과 다공성 실리카 사이의 굴절률의 차이들로 인해 백색 광을 산란시킨다.
도 3b의 이미지는 200℃에서의 액적 샘플을 나타낸다. 이 온도에서, 실리콘-로딩된 다공성 실리카 입자들은 25℃에서 관찰된 실리콘-로딩된 다공성 실리카 입자들보다 적은 백색 광을 산란시킨다. 이는 적어도 부분적으로 상승된 온도에서의 실리콘의 굴절률과 다공성 실리카의 굴절률 사이의 굴절률 차이의 감소에 기인한다.
일 실시예에서, 온도를 일정하게 유지하면서 다른 실리콘과는 상이한 굴절률을 갖는 실리콘을 사용하는 것의 효과가 평가되었다. 25 μm 내지 40 μm의 직경 및 200 nm의 평균 서브-미크론 공극 크기를 갖는 다공성 실리카 비드들로 만들어진 미크론 크기의 다공성 입자들(150)을 1.56의 굴절률을 갖는 실리콘 내에 분산시켜 25℃에서 광을 산란시킨 다공성 구조를 갖는 200 μm 두께의 광학적 기능 층을 형성하였다. 다공성 실리카의 굴절률에 더 가까운, 1.46의 굴절률을 갖는 실리콘으로 대체되었다면, 25℃에서 검출가능한 광 산란이 없었다. (데이터는 제시되지 않음). 이러한 효과는 적어도 부분적으로 재료들 사이의 감소된 굴절률 차이에 기인할 수 있고, 재료들 사이의 굴절률 차이는 대략 0이었다.
도 4는 미크론 크기의 다공성 입자들(150)로서 50 μm의 직경을 갖는 25 중량%(percent by weight)의 다공성 실리카 비드들을 포함하는, 광학적 기능 다공성 구조(105)(도 1a, 도 1b, 및 도 1c에 도시된 바와 같은)의 능력의 정량적 평가를 예시한다. 100 nm의 유효 공극 크기를 갖는, 다공성 실리카 비드들의 서브-미크론 공극들(165)(도 2에 도시된 바와 같은)은, 온도의 함수로서 광을 산란시키기 위해, 폴리머 매트릭스(180)(도 1b 및 2에 도시된 바와 같은)로서 높은 굴절률 실리콘으로 채워진다. 450 nm의 파장 및 10 W/cm2의 강도를 갖는 광의 직접 투과가, 다양한 온도들에서, 전체에 걸쳐 분포된 미크론 크기의 다공성 실리카 비드들을 포함하는 광학적 기능 다공성 구조(105) 층을 통해 투과된다. 온도들 각각에서 검출된 투과된 광의 강도가 결정된다. 일 실시예에서, 층 상의 레이저 스폿은 직경이 1.3 mm이고 광의 검출은 450 nm 레이저와 정렬되는, 층 뒤에 대략 2 cm에 배치된 5 mm 개구를 갖는 적분구(integrating sphere)의 사용을 통해 발생한다.
제1 온도(즉, 30℃에서 층을 통해 투과된 광의 백분율은 0.75%이다. 이 강도는 도 4에 예시된 바와 같이, 1.0 단위인 것으로 결정되고 자체적으로 정규화된다. 제2 온도에서 검출된 투과된 광의 강도가 결정되고, 이는 제1 온도에서 검출된 광의 강도에 대해 정규화된다. 투과된 광의 강도는 층이 겪는 각각의 후속 온도에 대해 측정되고 제1 온도에서 검출된 투과된 광의 강도에 대해 정규화된다. 도 4에 예시된 바와 같이, 층을 통해 투과된 광의 강도는 온도 증가함에 따라 증가하여, 투과된 광의 강도는 층이 30℃를 겪을 때 투과된 광의 강도에 비해 층이 200℃를 겪을 때 30배 더 높아진다. 200℃아래의 온도에서조차 온도가 70℃위로 80℃까지 증가할 때 투과된 광의 강도의 증가가 존재한다. 예를 들어 130℃에서, 층을 통해 투과된 광의 강도는 이 실시예에서 30℃에서 투과된 광의 강도보다 대략 10배 더 높다.
굴절률 변화와는 별개로, 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내에 내부적으로 에어 보이드들이 존재하는 것이 종종 관찰된다. 도 5는 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내의 에어 보이드들(185)(더 넓은 화살표들에 의해 도시된 바와 같은)의 존재를 예시하는 광 현미경 이미지이다. 이들은 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내의 내부 구조로서 현미경 하에서 가시적이다.
에어 보이드들(185)도 본 명세서에 설명된 재료들로 만들어진 광학적 기능 층(105)으로부터의 광의 산란에 기여한다. 에어 보이드들(185)은 서브-미크론 공극들(165)을 폴리머 매트릭스(180)(즉, 실리콘)로 불완전하게 채운 결과로 형성될 수 있지만, 그것들은 서브-미크론 공극들(165) 내부의, 예를 들어 실리콘의 경화 후에 후속 냉각 시에 형성될 수도 있다. 상승된 온도(즉, 150℃에서 실리콘이 경화될 때, 실리콘은 상당히 팽창하는데, 그 이유는 팽창 계수가 높기 때문이다. 온도가 감소함에 따라, 실리콘이 다시 수축하고, 불충분한 가교 결합된 실리콘이 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내로 다시 주입될 수 있다면, 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내의 실리콘은 응력을 받고 국소적 박리(local delamination) 또는 응집 파절(cohesive failures)을 나타낼 수 있다. 예를 들어, LED를 온으로 스위칭함으로써 층이 다시 가열될 때, 실리콘은 다시 팽창하고 에어 보이드들(185)을 완전히 또는 부분적으로 채워서 에어 보이드들이 사라지게 된다. 순 효과(net effect)는 2개의 상이한 온도에서의 샘플들 간의 광 출력에서의 스위칭 진폭이 증가된다는 것이다.
앞서 설명된 바와, 서브-미크론 공극들(165)을 갖는 미크론 크기의 다공성 입자들(150), 또는 비-흡광 재료(160)로 형성되고, 오프 상태 백색에 대해 본 명세서에 설명된, 서브-미크론 공극들을 갖는 메시 슬래브가 다른 응용들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 색점 조절, 필라멘트 램프들, 및 스위칭 가능 렌즈들.
색점 조절과 관련하여, 온도의 증가에 따라 색점 시프트가 관찰될 수 있다. 예를 들어, 구동 전류 리드들을 증가시킴으로써 - 이는 LED의 온도를 증가시킴 -, LED 조명의 색점은 더 차가운 광 색들로 시프트될 수 있다. 반대로, 구동 전류 리드들을 감소시킴으로써 - 이는 온도를 감소시킴 -, LED 조명의 색점은 더 따뜻한 색들로 시프트될 수 있다. 이는 적어도 부분적으로 광의 각각의 색이 광을 산란시키는 능력들이 상이한 것에 기인한다. 예를 들어, 청색 광은 적색 광보다 더 강하게 산란된다; 따라서, 앞서 설명된 층들에서, 온도의 증가 시에, 광 산란이 감소하여 상대적으로 더 많은 청색 광이 방출된다. 이 실시예에서, 색점은 더 차가운 백색 광으로 시프트한다. 반대로, 온도의 감소 시에, 광 산란이 증가하여 상대적으로 더 적은 청색 광이 방출된다. 이 실시예에서, 색점은 더 따뜻한 백색 광으로 시프트한다.
일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)(도 1b 및 도 2에 도시된 바와 같은)로서 실리콘 내에 분산된, 미크론 크기의 다공성 입자들(150)(도 1b 및 도 2에 도시된 바와 같은)로서 다공성 실리카를 포함하는 층이 1202 COB 칩 상에 퇴적되었고, 이 칩은 밝은 광을 제공하는 그리고 LED 광원 대신에 사용될 수 있는 광원이다. 본 명세서에 설명된 추가 층을 포함하는 1202 COB 칩 조명은 약 25℃의 온도와 연관된 10 mAmp의 구동 전류 리드들을 겪었다. 구동 전류 리드들이 400 mAmp로 증가되었을 때, 85℃까지 대응하는 온도의 증가가 발생하였다. 도 6에 예시된 바와 같이, 주로 적색 광 색을 나타내는 u' 축을 따른 색점 시프트가 발생하였고 85℃에서 더 적은 양의 적색 광이 검출된 데 대해 25℃에서 더 많은 양의 적색 광이 검출되었다.
도 6은 구동 전류 리드들이 10 mAmp에서 400 mAmp로 시프트될 때, 주로 녹색 광 색을 나타내는 v' 축을 따른 상대적으로 더 작은 시프트를 또한 예시한다. 그러나, v' 축을 따른 시프트의 크기가 u' 축을 따른 시프트의 크기보다 작을 뿐만 아니라, 녹색 광 검출의 변화가 더 따뜻한 대 더 차가운 광에 영향을 미칠 정도도 적색 광 검출에서의 동등한 시프트가 더 따뜻한 대 더 차가운 광에 영향을 미칠 정도보다 훨씬 더 작다.
비록 이 예시에서 표현되지는 않았지만, 더 따뜻한 광에서 더 차가운 광으로의 시프트에 각각 대응하는, 더 많은 적색 광의 생성에서 더 적은 적색 광의 생성으로의 시프트의 정도는, 실리콘 내에 분산된 다공성 실리카를 포함하는 미크론 크기의 다공성 입자 층이 1202 COB 칩 조명 위에 배치될 때 상당히 더 크다.
도 7은 복수의 서브-미크론 공극들(165)(도 1b 및 도 2에 도시된 바와 같은)을 포함하는 광학적 기능 다공성 구조(105)를 이용하여 광 산란을 튜닝하는 방법의 흐름도(700)이다. 일 실시예에서, 방법(700)은 비-흡광 재료(160)(도 1b, 도 1c 및 도 2에 도시된 바와 같은) 내에 형성된 서브-미크론 공극들(165)을(도 2에 도시된 바와 같은)을 폴리머 매트릭스(180)(도 2에 도시된 바와 같은)로 채우는 단계 705를 포함한다. 각각의 경우에 서브-미크론 공극들(165)은 폴리머 매트릭스(180)로 채워져서(705) 폴리머 매트릭스(180)와 비-흡광 재료(160) 사이의 계면(170)(도 2에 도시된 바와 같은)을 서브-미크론 공극(165)의 형상으로 형성한다. 비-흡광 재료(160), 미크론 크기의 다공성 입자들(150), 메시 슬래브 망, 복수의 서브-미크론 공극(165), 및 폴리머 매트릭스(180)의 속성들 및 특성들의 실시예들이 앞서 설명되었다. 재료들의 속성들 및 조직 구조에 기초하여, 본 명세서에 설명된 폴리머 매트릭스(180)로 채워진 서브-미크론 크기의 공극들(165)을 포함하는 비-흡광 재료 구조(160)를 이용하여 광 산란이 튜닝될 수 있다.
서브-미크론 공극들(165)이 폴리머 매트릭스(180)로 채워지면(705), 광학적 기능 다공성 구조(105)는 제1 온도에서 광에 노출된다(710). 서브-미크론 공극들(165)을 채우는 폴리머 매트릭스와 비-흡광 재료(160) 사이의 굴절률 차이를 포함하는, 광학적 기능 다공성 층(105)의 고유 속성들 및 조직 구조 때문에, 제1 온도에서 광 산란이 발생한다.
광에의 노출에 응답하여 광 산란의 상대적 양을 튜닝하거나 변경하기 위해, 온도가 변경되고(715), 따라서 광학적 기능 다공성 구조(105)는 제2 온도에서 광에 노출된다(720). 서브-미크론 공극들(165)을 채우는 폴리머 매트릭스와 비-흡광 재료(160) 사이의 굴절률 차이는 온도의 함수로서 변화하기 때문에, 제2 온도에서 발생하는 광 산란의 양이 변화한다.
일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률은 온도가 증가함에 따라 감소한다. 이는, 폴리머 매트릭스(180)의 굴절률이 비-흡광 재료(160)의 굴절률보다 큰 한은, 광 산란의 감소를 야기한다. 일 실시예에서, SiO2가 미크론 크기의 다공성 입자들(150)을 형성하는 비-흡광 재료(160)이고, 서브-미크론 공극들(165)(도 2에 도시된 바와 같은)을 채우는 폴리머 매트릭스(180)로서 실리콘이 사용된다. 이 예에서, 실리콘의 굴절률은 SiO2의 굴절률보다 낮다; 따라서, SiO2의 굴절률과 실리콘의 굴절률 사이의 굴절률 차이는 온도가 증가함에 따라 증가하고, 이는 광 산란의 증가로 이어질 것이다. 일 실시예에서, 폴리머 매트릭스(180)는 더 낮은 굴절률 실리콘인 폴리디메틸실록산(PDMS)이다.
일 실시예에서, 본 명세서에 설명된 바와 같이 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내의 에어 보이드들(185)(도 5에 도시된 바와 같은)의 존재를 통해 굴절률 차이를 넘어서 광이 추가로 튜닝될 수 있다. 온도가 증가함에 따라, 실리콘이 경화되고 상당히 팽창하는데, 그 이유는 그것이 높은 팽창 계수를 갖기 때문이다. 온도가 감소함에 따라, 실리콘이 다시 수축하고, 불충분한 가교 결합된 실리콘이 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내로 다시 주입될 수 있다면, 에어 보이드들(185)이 형성될 수 있고 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내의 나머지 실리콘은 응력을 받고 국소적 박리 또는 응집 파절을 나타낼 수 있다. 이는, 미크론 크기의 다공성 입자들(150) 내의 재료들 사이의 굴절률 차이들에 더하여, 본 명세서에 설명된 재료들로 만들어진 층으로부터의 광의 산란에 기여할 수 있다. 예를 들어, LED를 온으로 스위칭함으로써 층이 다시 가열될 때, 실리콘은 다시 팽창하고 에어 보이드들(185)을 완전히 또는 부분적으로 채운다. 순 효과는 스위칭 진폭이 증가된다는 것이다.
일 실시예에서, 광학적 기능 다공성 구조(105)는, 본 명세서에 설명된 바와 같이 LED 조명들이 온일 때, 동작 동안 LED 조명들의 색점을 시프트하기 위해 사용될 수 있다. 이는 LED의 제1 온도가 제2 온도로 변경됨에 따라 발생할 수 있다. LED의 제2 온도에서 - 제2 온도는 제1 온도보다 큼 -, 광 산란은 감소할 수 있고, 이 경우에 예를 들어 적색 광에 비해 청색 광의 광 산란에서 비례하여 더 큰 감소를 허용할 것이다. 이 경우에 더 많은 청색 광이 방출될 것이기 때문에, LED의 색점은 더 차가운 백색 광으로 시프트한다.
일 실시예에서, 이 방법은 또한 다른 응용들, 예를 들어, 필라멘트 램프들 및 스위칭 가능 렌즈들에서 사용될 수 있다. 이 방법은 또한 온도의 증가가 재료들 사이의 굴절률 차이를 증가시키고 광 산란을 증가시키는 응용들에서 사용될 수 있다.
실시예들을 상세히 설명하였지만, 본 기술분야의 통상의 기술자들은, 본 설명이 주어지면, 본 발명의 개념의 정신을 벗어나지 않고 본 명세서에 설명된 실시예들에 대한 수정들이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 예시되고 설명된 특정 실시예들로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (15)

  1. 발광 디바이스로서,
    동작 중에 1차 광(primary light)을 방출하는 발광 반도체 디바이스;
    상기 발광 반도체 구조 상에 배치된 그리고 상기 1차 광의 적어도 일부를 흡수하고 그에 응답하여 상기 1차 광보다 더 긴 파장의 2차 광(secondary light)을 방출하도록 구성된 파장 변환 구조;
    상기 발광 반도체 디바이스와 반대편에 상기 파장 변환 구조 상에 배치된, 상기 1차 및 2차 광에 실질적으로 투명하고 제1 굴절률을 갖는 재료로 형성된, 그리고 서브-미크론 공극들을 포함하는, 다공성 구조; 및
    상기 다공성 구조 내의 상기 서브-미크론 공극들을 채우고 25℃에서 상기 제1 굴절률과는 상이한 제2 굴절률을 갖는 폴리머를 포함하는, 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 디바이스의 동작 중에 2차 광 및 옵션으로 상기 1차 광의 일부가 상기 다공성 구조를 통해 투과되어 상기 발광 디바이스로부터의 광 출력(optical output)을 형성하는, 발광 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광 출력은 인간 관찰자에게 백색으로 보이는, 발광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 디바이스가 오프 상태에 있는 상황에서 25℃에서 상기 폴리머는 상기 다공성 구조가 백색 광 외부 조명 하에 있을 때 상기 다공성 구조가 인간 관찰자에게 백색으로 보이게 하는 상기 다공성 구조와의 광학적 산란 계면들을 형성하는, 발광 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 큰, 발광 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 큰, 발광 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 1차 및 2차 광을 산란시키는 상기 다공성 구조와의 광학적 산란 계면들을 형성하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 차이의 크기가 감소하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 산란 계면들에 의한 상기 1차 및 2차 광의 산란은 결과적으로 감소하는, 발광 디바이스.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 발광 디바이스의 동작 중에 2차 광 및 옵션으로 상기 1차 광의 일부가 상기 다공성 구조를 통해 투과되어 상기 발광 디바이스로부터의 광 출력을 형성하고;
    상기 광 출력은 인간 관찰자에게 백색으로 보이고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 광 출력의 색점이 더 차가운 색으로 시프트하는, 발광 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 폴리머는 1차 및 2차 광을 산란시키는 상기 다공성 구조와의 광학적 산란 계면들을 형성하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 차이의 크기가 증가하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 산란 계면들에 의한 상기 1차 및 2차 광의 산란은 결과적으로 증가하는, 발광 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 구조는 상기 서브-미크론 공극들을 포함하는 미크론 크기의 입자들을 포함하는, 발광 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 구조는 상기 공극들을 포함하는 다공성 유전체 재료의 메시 슬래브를 포함하는, 발광 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 발광 디바이스의 동작 중에 2차 광 및 옵션으로 상기 1차 광의 일부가 상기 다공성 구조를 통해 투과되어 상기 발광 디바이스로부터의 광 출력을 형성하고;
    상기 광 출력은 인간 관찰자에게 백색으로 보이고;
    상기 발광 디바이스가 오프 상태에 있는 상황에서 25℃에서 상기 폴리머는 상기 다공성 구조가 백색 광 외부 조명 하에 있을 때 상기 다공성 구조가 인간 관찰자에게 백색으로 보이게 하는 상기 다공성 구조와의 광학적 산란 계면들을 형성하는, 발광 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 크고;
    상기 폴리머는 1차 및 2차 광을 산란시키는 상기 다공성 구조와의 광학적 산란 계면들을 형성하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 차이의 크기가 감소하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 산란 계면들에 의한 상기 1차 및 2차 광의 산란은 결과적으로 감소하는, 발광 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 광 출력의 색점이 더 차가운 색으로 시프트하는, 발광 디바이스.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 굴절률은 상기 제1 굴절률보다 작고;
    상기 폴리머는 1차 및 2차 광을 산란시키는 상기 다공성 구조와의 광학적 산란 계면들을 형성하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 차이의 크기가 증가하고;
    상기 발광 디바이스의 동작 동안 상기 다공성 구조의 온도가 증가함에 따라 상기 산란 계면들에 의한 상기 1차 및 2차 광의 산란은 결과적으로 증가하는, 발광 디바이스.
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