折射率匹配的复合材料和包含其的光源的制作方法
【专利说明】折射率匹配的复合材料和包含其的光源
[0001] 对相关申请的交叉引用 本申请要求2012年10月19日提交的美国临时申请No. 61/716, 141的权益。
[0002] 领域 本公开大体上涉及复合材料，更特别涉及包括至少一种核壳粒子组合体和至少一种填 料的复合材料。
[0003] 背景 发光二极管（下文称作"LED"或"LEDs"）可以生成在光谱特定区域中的可见光或不可 见光。根据LED的材料组成，来自LED的光输出可以是例如蓝光、红光、绿光、不可见的紫外 光（UV)和/或近紫外光。当希望构造产生与LED的输出颜色不同的发射颜色的LED光源 时，已知利用光致发光将来自LED的具有第一波长或波长范围的光输出（即"初始光"或"激 发光"）转换成具有第二波长或波长范围的光（即"二次光"或"发射光")。
[0004] 光致发光通常涉及用波长转换材料，如荧光粉或荧光粉混合物吸收较高能量的初 始光。初始光的吸收可以将该波长转换材料激发至较高能态。当波长转换材料回到较低能 态时，其发射通常具有与初始光不同和更长的波长/波长范围的二次光。二次光的波长/ 波长范围取决于所用波长转换材料的类型。因此，可以通过波长转换材料的适当选择获得 所需波长/波长范围的二次光。这一过程可以被理解为"波长降频转换"，与包括波长转换 材料，如荧光粉的波长转换结构结合以产生二次光的LED可以被描述为"荧光粉转换LED" 或"波长转换LED"。
[0005] 在已知构造中，将LED管芯，如III-氮化物管芯置于反光杯套件（package)和体 积中，并在该管芯表面上直接沉积由波长转换材料构成或包括波长转换材料的共形层或薄 膜。在另一已知构造中，可以在固体自立平面结构，如陶瓷板、含填料的聚合物材料(例如含 荧光粉粒子填料的聚合物基质)、单晶板或薄膜结构中提供波长转换材料。这种板在本文中 可以被称作"波长转换板"。在任何情况下，例如通过涂布、晶片键合、烧结、胶合等直接粘 贴到LED管芯上的含波长转换材料的结构可以被理解为是"芯片级转换"构造或"CLC"。或 者，远离LED管芯安置的含波长转换材料的结构可以被理解为是"远程转换"构造。
[0006] 聚合物-荧光粉复合材料已被提出用作LED光源中的波长转换结构。这种复合材 料通常包括分散或以其它方式加载在聚合基质，如有机硅中的一种或多种波长转换材料， 如荧光粉(例如黄色荧光粉、绿色银光粉、红色荧光粉等）的粒子。在许多情况中，此类复合 材料中所用的聚合物具有1. 3至1. 6的折射率，而波长转换荧光粉填料具有1. 7至1. 9的 折射率。聚合基质和填料之间的折射率差异可造成光在聚合物-荧光粉复合材料内的明显 散射并可能由于高的全内反射（TIR)而造成荧光粉-聚合物界面处的光损失。因此，这种 聚合物-荧光粉复合材料的光学透明度低，并可能使这种复合材料不适合用作照明系统中 的波长转换材料。
[0007] 此外，在波长转换材料，如荧光粉将初始光转换成二次光时，生成热(例如Stokes 热)。由于它们的相对较低的热导率，聚合物-荧光粉复合材料不能充分除去荧光粉粒子在 转换过程中生成的热。这可能使荧光粉粒子过热，以致可能降低它们的效力。过热还可能 造成荧光粉粒子和/或聚合基质材料的降解。
[0008] 因此，尽管已知的聚合物-荧光粉复合材料可用于一些用途，但由于它们的低光 学透明度和/或低热导率，它们在照明用途中的效用有限。
[0009] 附图简述 应该参考下列详述，它们应联系下列附图阅读，其中类似数字代表类似部件： 图1以横截面图解根据本公开的示例性核壳粒子。
[0010] 图2以横截面图解根据本公开的示例性核壳粒子组合体。
[0011] 图3是具有20纳米的核直径和可变壳厚度的核壳粒子的核体积分数vs.壳厚度 的曲线图。
[0012] 图4是包括具有二氧化钛核和聚（甲基丙烯酸甲酯）壳的核壳粒子的核-壳组合 体的计算折射率vs.核体积分数的曲线图。
[0013] 图5A和5B图解根据本公开的示例性复合材料的结构。
[0014] 图6A和6B以横截面图解包括根据本公开的复合材料的发光二极管（LED)光源。
[0015] 为了充分理解本公开，应该参考与上述附图相联系的下列详述，包括所附权利要 求书。尽管联系示例性实施方案描述了本公开，但本公开无意局限于本文中阐述的具体形 式。要理解的是，如果情况暗示或合宜，预计可作出各种省略和用对等物替代。还应理解的 是，除非另行明示，本文所用的措辞和术语是为了描述而不应被视为限制。
[0016] 详述 本文所用的术语"大约"在与数值或范围结合使用时是指所列数值或范围的+/_ 5%。
[0017] 有时可能使用数值范围描述本公开的一个或多个方面。除非本文中另有说明，任 何列举的范围应被解释为包括所示端点之间的任何迭代值，就像明确列举了这些迭代值一 样。此类范围还应被解释为包括落在这些迭代值和/或所列端点内或之间的任何和所有范 围，就像在本文中明确列举了这些范围一样。
[0018] 除非另有规定，提到荧光粉、LED或转换材料的颜色通常是指其发射颜色。因此， 蓝色LED发射蓝光，黄色荧光粉发射黄光，诸如此类。
[0019] 本文所用的术语"核壳粒子"是指具有无机核和附着在该核上的聚合壳的粒子。
[0020] 术语"核壳粒子组合体"在本文中用于表示由互相机械或化学结合的许多核壳粒 子形成的材料。在一些实施方案中，本文所述的核壳粒子组合体由例如通过在各粒子的聚 合壳中的聚合物链的缠结互相机械结合的许多核壳粒子形成。或者或另外，本文所述的核 壳组合体可通过相邻粒子的成分，例如聚合壳中的聚合物之间的共价和/或离子键合形 成。尽管本公开设计了核壳粒子组合体仅由核壳粒子形成的实施方案，但在一些实施方案 中该核壳粒子组合体除一种或多种类型的核壳粒子外还可含有残留量的一种或多种分散 剂。例如，核壳粒子组合体可含有少于或等于大约5重量％，如少于或等于大约1%，或甚至 少于或等于〇. 5重量％的分散剂。在一个非限制性的实施方案中，本文所述的核壳粒子组 合体由或基本由核壳粒子构成。
[0021] 本文所用的"基本由核壳粒子构成"是指核壳粒子组合体可包括不影响该核壳粒 子组合体的折射率的组分。此类组分应被理解为不同于可添加到核壳粒子组合体中以形成 根据本公开的复合材料并且可能影响或不影响整个复合材料的折射率的填料和其它材料。
[0022] 考虑到上述术语，本公开的一个方面涉及包括基质和填料的复合材料。该基质包 括至少一种核壳粒子组合体，且该填料包括至少一种改变或以其它方式影响该复合材料的 一种或多种性质的材料。例如，该填料可包括至少一种波长转换材料(例如用于将光源发出 的初始光转换成二次光)。或者或另外，该填料可具有所需热性质，如热导率。在任何情况 下，填料在添加到核壳粒子组合体中时可能影响所得复合材料的所需性质，如波长转化能 力、热导率、它们的组合等。
[0023]如下文详细论述，可通过控制构成核壳粒子组合体的组分核壳粒子的一个或多个 物理和/或化学参数来调节本文所述的核壳粒子组合体的折射率。结果，可以调节本文所 述的核壳粒子组合体的折射率以接近、匹配或基本匹配该复合材料中所用的一种或多种填 料的折射率。由此，本公开的复合材料可能表现出所需性质(例如归因于填料)，同时保持或 基本保持该核壳粒子组合体的一种或多种光学性质，如其光学透明度。
[0024]现在参照图1，其以横截面图解根据本公开的示例性核壳粒子的结构。如所示，核 壳粒子100包括核101和壳102。在此实例中，壳102据显示包括许多聚合物链103,它们 物理和/或化学结合到核101的表面(未标记）上。尽管聚合物链103优选共价键合到核 101的表面上，但也可能利用其它机制使聚合物链103键合或附着到核101上。例如，聚合 物链103可以离子键合到核102上。或者或另外，可通过用含有聚合物链103的材料涂布 核101来形成壳102,所述材料随后例如通过与这种表面的物理和/或机械相互作用留在核 101的表面上。
[0025] 无论核壳粒子100的性质和构造如何，本文所述的核壳粒子可具有如图1中进一 步图示的直径(或粒径）D。根据本公开可以使用任何直径D的核壳粒子。在一些实施方案 中，直径D可以小于或等于大约100纳米，如小于或等于大约75、小于或等于大约50纳米、 小于或等于大约25纳米或甚至小于或等于大约10纳米。
[0026] 直径D可以是核101的半径r与壳102的厚度t的总和。尽管图1将核壳粒子 100描绘为包括具有比核101的半径r小的厚度t的壳，但这种构造只应被视为示例性的。 实际上可以使用具有任何半径r或厚度t的核壳粒子。在一些实施方案中，选择半径r和 厚度t以使核101的计算体积分数和/或壳102的体积分数落在所需范围内。实际上，如 下文联系图3和4详细论述，核101的体积分数(和因此壳102的体积分数）可影响核壳粒 子的折射率，因此也可影响根据本公开的核壳粒子组合体的折射率。
[0027]为了图解，图1将核壳粒子100图解为包括球形核101和壳102的大致球形粒子。 尽管本公开设计了符合图1中所示的构造的核壳粒子，但应该理解的是，其它构造也有可 能。例如，核101可能具有非球形，如圆柱形、纤维形、不规则形状、椭圆形、薄片形、杆形或 椭球形、它们的组合等。
[0028]此外，尽管壳102的厚度如图1中所示围绕核101均匀，但这种构造只是为了举例 说明而非必须的。实际上，壳102可能具有围绕核101的周界局部变化的厚度，以产生具有 不规则壳厚度的核壳粒子。在任何情况下，壳102的厚度可能取决于聚合物链103的长度 和/或沉积在核101上的聚合材料(含有聚合物链103)的量。在图1中图解了这一概念， 其中以虚线显示边界104。在一些实施方案中，壳102的厚度围绕核101均匀或基本均匀。 在这样的情况下，可以形成聚合物链103以使它们具有相同或基本相同的长度和因此相同 或基本相同的分子量。
[0029] 壳102的厚度t可以为例如大约1至大约60纳米。在一些实施方案中，壳102的 厚度t为大约10至大约50纳米、大约10至大约40纳米或甚至大约10至大约30纳米。
[0030] 核壳粒子100整体可具有任何所需形状。例如，核壳粒子100可具有圆柱形、纤维 形、不规则形状、椭圆形、薄片形、杆形、球形或椭球形、它们的组合等。
[0031] 非限制性地，核壳粒子100优选为球形或椭球形。
[0032] 核101可以由任何合适的无机材料，例如但不限于具有大于或等于大约1. 5、大于 或等于大约1. 7、大于或等于大约2. 0、或甚至大于或等于大约2. 4的折射率的无机材料制 成。此类材料的非限制性实例包括氮化铝、氧化铝、蹄化镉、钛酸钡、二氧化钛、二氧化错