CN102437272B - 波长转换装置和发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长转换装置和发光装置，该波长转换装置包括具有至少一个表面的波长转换体，该波长转换体包括：透明介质和分散于该透明介质中的波长转换材料颗粒。波长转换材料颗粒的导热率大于所述透明介质的导热率。波长转换体还包括分散于透明介质中的导热材料颗粒，导热材料颗粒的导热率大于所述透明介质的导热率。在波长转换体中，对于任意一个波长转换材料颗粒都存在至少一个导热路径，该波长转换材料颗粒位于该导热路径上，该导热路径的一端连接波长转换体的至少一个表面。导热路径由若干个导热单元相连组成，相邻两个导热单元的间距小于两者中粒径较小的粒径值的50％，避免了波长转换体内部的局部温度过高。

Description

波长转换装置和发光装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种波长转换装置和发光装置。

背景技术

在LED(Light Emitting Diode，发光二极管)照明和投影显示行业中，荧光粉被广泛应用。一般的用法是，将荧光粉颗粒与硅胶或环氧树脂均匀混合在一起形成荧光浆料，再将该浆料涂敷于LED表面，固化后形成荧光粉涂层。LED发出的光入射到其表面的荧光粉涂层后被其中的荧光粉吸收，并激发荧光粉发射与激发光波长不同的受激光。在这种结构中，硅胶或环氧树脂起了粘结和固定各荧光粉颗粒的作用。

这种方法的问题在于，每个荧光粉颗粒在受激发光的过程中，由于其波长转换效率不可能是100％，其中所损失的能量都转化为热量。由于荧光粉是分布在硅胶或环氧树脂这类有机介质中的，而这类有机介质的导热率一般都很低，所以很难把荧光粉颗粒产生的热量传导到出来。这就造成了荧光粉颗粒的热量的累积和温度的快速上升，直接影响了荧光粉的发光效率和使用寿命。

美国专利US20110227108A1提出将荧光粉层的表面与一个散热器通过一个导热的通路相连，进而降低荧光粉层的温度的方法；专利US20110073878A1则提出使用一个透明导热材料紧贴荧光粉层表面，再在该透明导热材料的周围固定散热装置，使荧光粉层的热量先传导到透明导热材料，然后再传导到散热装置上。这两个方法都有一个共同的问题，就是只能降低荧光粉层表面的温度，而荧光粉层内部的荧光粉颗粒的热量无法散出。

一个解决的办法是，使用导热良好的无机材料来粘结和固定荧光粉颗粒。专利201010585822、201010585803和200780002531分别提出一种无机陶瓷荧光粉的制作方法。但是这种方法工艺复杂，成本很高。

美国专利US20110069490A1提出一种方法，将导热良好的无机导热材料颗粒掺入到有机介质中以提高平均导热率。这种方法对提高荧光粉层的平均导热率是有帮助的，但是对荧光分片层中的荧光粉颗粒帮助不大。这是因为虽然加入了无机导热材料颗粒，但是荧光粉颗粒依然被有机介质所包裹，其热量依然无法发散出来。如图1所示，荧光分片层100中，荧光粉103和无机导热颗粒101分别分散于透明介质102中。荧光粉颗粒103受激发热后，其发出的热量被透明介质102所封闭，无法传导到无机导热颗粒101上，因此温度也就不能被有效的降低。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是提供一种波长转换装置及发光装置，使得波长转换材料颗粒在工作中温度能够有效传导出。

本发明提出的一种波长转换装置，包括：

波长转换体，具有至少一个表面；该波长转换体包括：

透明介质；

分散于该透明介质中的波长转换材料颗粒，用于吸收激发光并发射受激光；该波长转换材料的导热率大于透明介质的导热率；

分散于透明介质中的导热材料颗粒，该导热材料的导热率大于透明介质的导热率；

任意一个波长转换材料颗粒都存在至少一个导热路径，该波长转换材料颗粒位于该导热路径上，导热路径的一端连接波长转换体的至少一个表面；

导热路径由若干个导热单元相连组成，每个导热单元为波长转换材料颗粒或导热材料颗粒，相邻两个导热单元的间距小于两者中粒径较小的粒径值的50％。

本发明还提出一种发光装置，包括：

上述的波长转换装置；

激发光源，用于发射激发光并将其投射到波长转换装置上。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

在本发明中的波长转换装置中，利用由波长转换材料颗粒和导热材料颗粒所组成的导热路径，可以有效的将每一颗荧光粉发出的热量经过导热路径传导到波长转换体表面。

附图说明

图1是一种现有的荧光粉片层的结构示意图；

图2是本发明的第一实施例的结构示意图；

图3是本发明中两个导热单元的粒径和间距的示意图；

图4是本发明中导热效果与a的关系；

图5是本发明第二实施例的结构示意图；

图6是本发明第三实施例的结构示意图；

图7是本发明第四实施例的结构示意图；

图8是本发明第六实施例的结构示意图；

图8a和8b是本发明第六实施例的两个举例的侧视图；

图9是本发明第七实施例的结构示意图。

具体实施方式

图2是本发明的波长转换装置的工作原理示意图。波长转换装置200包括波长转换体290，该波长转换体290具有两个相对的表面290a和290b。该波长转换体包括透明介质202，和分散于透明介质202中的波长转换材料颗粒以及分散于透明介质202中的导热材料颗粒。波长转换材料颗粒在图中以黑色实心圆圈表示，例如203a、203b、203c和203d。波长转化材料颗粒用于吸收激发光并受激发射受激光，其导热率大于透明介质202的导热率。导热材料颗粒在图中以白色空心圆圈表示，例如201，其导热率大于透明介质的导热率。

其中，透明介质202优选为有机透明材料，例如硅胶或环氧树脂。波长转换材料颗粒优选为荧光粉颗粒，用于吸收入射的激发光，并受激发射与激发光波长不同的受激光，完成入射光和出射光的波长转换。由于激发光或受激光必然会照射到导热材料颗粒，所以优选的导热材料颗粒是透明颗粒或者是白色颗粒，例如钻石颗粒、蓝宝石颗粒、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒、二氧化硅颗粒、玻璃颗粒和二氧化锆颗粒中的一种或几种的混合。值得注意的是，以上对于透明介质、波长转换材料颗粒和导热材料颗粒的材料的说明只是举例，并不限制其它材料的选取。

材料的导热率是材料本身的固有属性，它描述了一种材料传导热能的能力，即导热率越高，材料的导热能力越强。典型的有机透明材料的导热率小于1W/m·K，典型的波长转换材料颗粒的导热率在3W/m·K至20W/m·K之间。而导热材料颗粒的导热率有很大的范围，其中导热率最高的是钻石颗粒，其导热率达到1300W/m·K至2400W/m·K之间。另一种导热材料颗粒氮化铝颗粒的导热率为200W/m·K。可见，波长转换材料颗粒和导热材料颗粒的导热率均远高于有机透明材料的导热率，而导热材料颗粒的导热率往往又比波长转换材料的导热率高。这就使通过添加导热材料颗粒降低波长转换材料颗粒的热量累积成为可能。

在波长转换装置200的工作过程中，由于波长转换材料颗粒的转换效率不可能达到100％，其它没有得到波长转换的光能则变成了热能，使得波长转换材料颗粒在发射受激光的同时不断发出热量。为了将波长转换体290内部的波长转换材料颗粒所发出的热量传导到波长转换体290的表面，在本发明中，对于任意一个波长转换材料颗粒都存在至少一个导热路径，该波长转换材料颗粒位于该导热路径上，该导热路径的一端连接波长转换体290的表面290a或290b。该导热路径由若干个导热单元相连组成，每个导热单元为波长转换材料颗粒或导热材料颗粒。

具体来说，在该实施例中，波长转换材料颗粒203a位于导热路径205上。该导热路径205由六个导热单元相连组成，每个导热单元都是一个导热颗粒201。导热路径205的一端，连接波长转换体290的表面290a。波长转换材料颗粒203a发出的热量会先传导给与之相邻的导热单元，再由该导热单元传导给下一个导热单元，依此类推，最终波长转换材料203a发出的热量会沿着导热路径205传导到波长转换体290的表面290a。

导热路径中的导热单元也可以是波长转换材料颗粒，这是因为波长转换材料颗粒的导热率比透明介质的导热率大得多，热量会自动选择导热率大的路径传播。例如波长转换材料颗粒203b，它位于导热路径204上，由波长转换材料203b发出的热量会沿着导热路径204传导到波长转换体290的表面290b。在导热路径204上，包含六个导热单元，其中五个是导热材料颗粒，还包括另一个波长转换材料颗粒203c。波长转化材料颗粒203c所发出的热量，也会沿着导热路径204传导到表面290b。

对于每一个波长转换材料颗粒来说，可能存在两条或以上的导热路径来同时传导它所发出的热量。例如波长转换材料颗粒203d，它同时位于三条导热路径206、207、208上，它发出的热量的一部分会经过导热路径206传导到波长转换体290的表面290a，其它热量则会沿着导热路径207和208传导到表面290b。

值得说明的是，在本实施例的说明中使用的导热路径的导热单元的个数只是为了方便说明的举例，并不限制其它的导热单元个数的可能性。

显而易见，相邻两个导热单元的间距越小，则导热路径的导热率越高。最优的情况是，相邻两个导热单元相互接触，这样热量可以快速的从接触的地方传导。但是在实际应用中，即使两个导热单元间隔一段距离，导热路径也是可以起到传导热量的作用的，只是导热效果会相应的下降。

图3是两个相邻导热单元相互位置关系的一个举例。其中，导热单元301和302都是球形的，其粒径就是球的直径。导热单元301的粒径是D₁，导热单元302的粒径是D₂。两个导热单元的间距定义为两个导热单元最接近点的间距，在图3中表示为L。定义：

$a=\frac{L}{\mathrm{Min}(D_1,D_2)}=\frac{L}{D_2}$

其中Min(D₁，D₂)的含义是D1和D2中较小一个的数值，从图3中可以明显看出D₂的值小于D₁。

利用模拟计算，可以大致计算出导热路径的导热效果与a之间的关系，如图4所示。可以看出，当相邻两个导热单元的间距等于两者中粒径较小的粒径值的50％，即a＝0.5时，导热路径的导热效果是导热单元相互接触时的一半；进一步的，当相邻两个导热单元的间距等于两者中粒径较小的粒径值的20％，即a＝0.2时，导热路径的导热效果是导热单元相互接触时的约75％。因此，当相邻两个导热单元的间距小于两者中粒径较小的粒径值的50％，即a＜0.5时，导热路径的导热效果好于导热单元相互接触时的一半，这在实际使用中往往是可以满足要求的。

在实际应用中，波长转换材料颗粒和导热材料颗粒一般并不是标准的球形，而是诸如椭球、片状，甚至还可能是不规则形状。此时波长转换材料颗粒和导热材料颗粒的粒径定义为该颗粒的外接圆球的直径。

本发明的波长转换装置中，利用导热路径可以将每一个波长转换颗粒发出的热量传导到波长转换体表面，由该表面将热量散发到波长转换体的外部。优选地，波长转换装置还包括导热衬底，该导热衬底与波长转换体的至少与一个导热路径连接的表面紧密接触，用于把传导到这个波长转换体的表面的热量经过该衬底传导出去。

本发明的第二实施例如图5所示。与第一实施例不同的是，波长转换装置400还包括导热衬底401，该导热衬底包括一个导热面401a，该导热面401a与波长转换体490的一个表面490b紧密接触。在图5中，每一个分散于透明介质402中的波长转换材料颗粒都至少位于一个导热路径上，该导热路径的一端与波长转换体490的表面490b相连。这样，每一个波长转换颗粒所发出的热量都可以经过至少一个导热路径传导到波长转换体490的表面490b上，然后再通过透明介质表面490b与导热衬底的导热面401a的紧密接触传导到导热衬底401上，再经过该导热衬底401传导出去，避免了热量在波长转换材料颗粒上不断累积。为了实现良好的导热功能，导热衬底401的导热率应至少大于透明介质402的导热率。

作为本发明的第三实施例的波长转换装置，导热衬底可以是透明材料的，具体来说可以是一个透明导热平板，例如蓝宝石片等，如图6所示。波长转换体590的一个表面590b与透明导热平板501的导热面501a紧密接触。透明导热平板的另一个面501b的边缘则与散热器503紧密接触，这样波长转换材料颗粒所产生的热量，可以通过导热路径传导到波长转换体590的表面590b，再通过表面590b与表面501a的紧密接触传导到透明导热平板501上，再在透明导热平板501上横向传播，并最终传导到散热器503上。在本实施例中，激发光504从透明导热平板501一侧入射，并穿过透明导热平板501而入射于透明介质502。分布于透明介质502中的波长转换材料颗粒受激产生受激光505。在本实施例的实际应用中，一种更优的波长转换装置还包括在导热衬底501的导热面501a镀有光学镀膜，该光学薄膜用于透射激发光504和反射受激光，使得向导热衬底方向发射的受激光被反射到相反方向，从而使得向上发射的受激光505的亮度得到增强。

作为本发明的第四实施例，导热衬底还可以是一个反射导热衬底，如图7所示。波长转换体690的一个表面690b与反射导热衬底601的导热面601a紧密接触，波长转换体590中的波长转化材料颗粒所发出的热量，可以通过导热路径传导到波长转换体690的表面690b，再通过表面690b与表面601a的紧密接触传导到反射导热衬底601内部，并最终通过反射导热衬底601的另一个表面601b向下传导扩散。反射导热衬底601的表面601a上附着有反射膜，例如直接溅射到表面601a上的介质反射层或蒸发到表面601a上的金属反射层，或者粘贴在表面601a上的反射薄膜。激发光604从波长转换体690的表面690a入射到波长转换体690，并激发波长转换体690中的波长转化材料颗粒使其受激发射受激光。受激光中的一部分直接发射到外部空间中，另一部分入射于反射导热衬底的表面601a，并被表面601a上附着的反射膜反射，并最终出射到外部空间中；受激光中的这两部分光共同形成了波长转换装置的受激光605。

在本实施例中，反射导热衬底的材料具有较高的导热率，所使用的材料可以是金属，例如铜和铝，也可以是陶瓷导热材料，例如氮化铝或氧化铝陶瓷。这只是对于反射导热衬底材料的选取的举例，并不限制其它材料的使用。

在本实施例中，若希望增强波长转换体690中的波长转换材料颗粒的散热效果，则还可以使波长转换体690的表面690a与一个如本发明第三实施例所描述的透明材料的导热衬底紧密接触，同时保证每个波长转换材料颗粒都至少位于两个导热路径上，其中至少一个导热路径的一端与表面690a相连，至少一个导热路径的一端与表面690b相连。这样，每一个波长转换材料颗粒所发出的热量，都可以经过至少两个导热路径传导到波长转换体690的两个表面690a和690b，并进一步的通过两侧的导热衬底传导出去。

值得说明的是，在本发明的前述实施例中，可能使用一个导热衬底对波长转换体的一个表面进行散热，也可能使用两个导热衬底对波长转换体的两个表面同时进行散热。事实上本发明并不限制导热衬底的个数，也不限制波长转换体的几个表面与导热衬底接触，只要波长转换体的表面通过导热路径与波长转换体内的波长转换材料颗粒相连，即该波长转换材料颗粒可以通过该导热路径将热量传导到该表面，那么就可以利用导热衬底对这个表面进行散热。

进一步的，导热衬底只是对波长转换体表面进行散热的方法之一，本发明并不限制使用其它散热方法。对波长转换体表面进行散热的方法有很多种，例如水冷或风冷，就是使用低温的液体或气体流过波长转换体表面对该表面进行降温的方法。

另外，虽然对波长转换体的表面进行散热可以到达更优的散热效果，但是即使不对波长转换体的表面进行散热，由于波长转换体内部的波长转换颗粒的热量可以通过导热路径传导出来，进而促使整个波长转换体的温度趋于均匀，避免了局部过热现象，这同样可以使波长转换体内部的波长转换颗粒的温度有所下降。

在本发明的第三和第四实施例中，导热衬底都是起到被动散热的作用，并不能主动降温。在本发明的第五实施例中，与第四实施例不同的是，导热衬底还可以是热电制冷片。作为公知技术，热电制冷片包括制冷面和制热面两个相对表面，在使用过程中，将制冷面与波长转换体的一个表面紧密接触以对该表面进行主动散热和降温，制热面则与散热装置相连并由该散热装置保证制热面的温度恒定。利用制热面温度恒定和热电制冷片所产生的在制冷面和制热面之间的温差，可以实现对于波长转换体表面的主动降温。与第四实施例相同，在本实施例中的热电制冷片与波长转换体接触的表面也附着有反射膜。

本发明的第六实施例的波长转换装置如图8所示。与第四实施例的不同之处在于，波长转换装置800还包括一驱动装置，驱动波长转换体沿预定的轨迹运动。具体举例来说，导热衬底801和波长转换体890均被切割成具有圆形或者环形的外形，且与一个转动马达803相对固定并跟随马达803转动。本实施例的优点在于，每一个局部的波长转换材料颗粒只有运动到激发光804的照射位置才会被激发并发射受激光805同时发出热量，在其它位置则会迅速的通过导热路径把所产生的热量传导到导热衬底801上，所以相对于第四实施例，本实施例中的波长转换材料颗粒的温度更低。本实施例的波长转换装置的侧视图如图8a所示。

在本实施例中，在导热衬底801上，沿圆周方向可以同时存在两种或以上的波长转换体890x、890y和890z，每一种波长转换体包含有不同种类的波长转换材料颗粒，如图8b所示。随着马达803的转动，不同种类的波长转换材料颗粒依次周期性的被激发光804激发，并产生不同颜色的受激光。一个优选的例子是，波长转换体890x中包含红光波长转换材料，波长转换体890y中包含绿光波长转换材料，波长转换体890z中包含蓝光波长转换材料，这样随着马达803的转动就可以产生红绿蓝三基色的光序列。

作为本发明的第七实施例，本发明的波长转换装置还可以应用于LED照明领域，如图9所示。本实施例包括依次层叠设置的导热基板903、LED芯片904、波长转换体990与导热衬底901，LED芯片904固定于导热基板903上，波长转换体990与LED芯片904的上表面紧密接触。波长转换体990中的波长转换材料颗粒吸收LED发出的光并受激发射受激光，同时发出热量。波长转换材料颗粒发出的热量经过导热路径传导到波长转换体990与LED芯片紧密接触的表面上，并通过LED芯片将热量进一步的传导到导热基板903上。为了实现更优的效果，LED芯片904的周围还有高导热率材料制成的围墙906，波长转换体990的上方还存在如第三实施例所描述的透明材料的导热衬底901，且导热衬底901的四周与围墙906紧密接触。因此，波长转换材料颗粒发出的热量还可以通过导热路径传导到波长转换体990的上表面上，并进一步通过透明材料的导热衬底901传导到高导热率材料制成的围墙906，并最终传导到导热基板903上。

本发明所提出的波长转换装置中，为了有效的为波长转换材料颗粒散热，导热路径的形成是关键。有多种制作方法可以保证导热路径的形成。一种最简单的做法是，将一定比例的波长转换材料颗粒、导热材料颗粒和透明介质均匀混合形成浆料，将这种浆料成型后固化。通过控制三者的比例关系，就可以控制导热路径中相邻两个导热单元的间距。显而易见，波长转换材料颗粒与透明介质的比例越大，导热材料颗粒与透明介质的比例越大，则导热路径上相邻两个导热单元的间距就越小，导热效果就越好。但这种方法的问题在于，当透明介质中的固含量，即波长转换材料颗粒和导热材料颗粒的含量之和过大时，波长转换材料颗粒、导热材料颗粒和透明介质混合而成的浆料的成型性能变差，难以操作。

另一种做法是，先将波长转换材料颗粒与导热材料颗粒均匀混合后用喷枪喷洒于基底上形成颗粒层，再将液态的透明介质渗入到该颗粒层内，使液态的透明介质填充颗粒层中间的空隙，最后真空脱泡和固化。这样做的好处在于，由于重力的作用，颗粒层中的每一个颗粒(包括波长转换材料颗粒和导热材料颗粒)必然有另外一个颗粒与之接触，这样就必然保证了导热路径中每一个导热单元的间距已经达到最小。这种做法加工简单，同时可以达到本发明的最优效果。在这种方法中，颗粒层所在的基底可以是第三实施例中的透明材料的导热衬底，也可以是第四实施例中的反射导热衬底，也可以是第五实施例中的热电制冷片，也可以是第七实施例中的LED芯片。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：

具有至少一个表面的波长转换体；所述波长转换体包括：

透明介质；

分散于所述透明介质中的波长转换材料颗粒，用于吸收激发光并发射受激光；

所述波长转换材料颗粒的导热率大于所述透明介质的导热率；

分散于所述透明介质中的导热材料颗粒，所述导热材料颗粒的导热率大于所述透明介质的导热率；

对于任意一个所述波长转换材料颗粒都存在至少一个导热路径，该波长转换材料颗粒位于所述导热路径上，所述导热路径的一端连接所述波长转换体的所述至少一个表面；

所述导热路径由若干个导热单元相连组成，每个所述导热单元为所述波长转换材料颗粒或所述导热材料颗粒，相邻两个所述导热单元的间距小于两者中粒径较小的粒径值的50%。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述的透明介质为有机透明材料。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述的导热材料颗粒为透明颗粒或白色颗粒。

4.根据权利要求3所述的波长转换装置，其特征在于：所述的导热材料颗粒为钻石颗粒、蓝宝石颗粒、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒、二氧化硅颗粒、玻璃颗粒和二氧化锆颗粒中的一种或几种的混合。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述的导热材料颗粒的导热率大于所述波长转换材料的导热率。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：所述导热路径中相邻两个所述导热单元的间距小于两者中粒径较小的粒径的20%。

7.根据权利要求6所述的波长转换装置，其特征在于：所述导热路径中相邻两个所述导热单元相互接触。

8.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：

还包括导热衬底，所述导热衬底包括一个导热面，所述导热面与所述波长转换体的一个表面紧密接触；至少存在一条导热路径与该表面连接；

所述导热衬底的导热率大于所述透明介质的导热率。

9.根据权利要求8述的波长转换装置，其特征在于：所述导热面上附着有反射膜。

10.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于：所述导热衬底是透明的。

11.根据权利要求10所述的波长转换装置，其特征在于：所述导热衬底的导热面镀有光学镀膜，用于透射所述激发光和反射所述受激光。

12.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于：

还包括一个热电制冷片，所述热电制冷片包括制冷面，所述制冷面与所述波长转换体的一个表面紧密接触；至少存在一条导热路径与该表面连接。

13.根据权利要求12所述的波长转换装置，其特征在于：所述热电制冷片的所述制冷面上附着有反射膜。

14.根据权利要求1至13任一项所述的波长转换装置，其特征在于：

还包括驱动装置，驱动所述波长转换体沿预定的轨迹运动。

15.一种发光装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至14所述的任意一种波长转换装置；

激发光源，用于发射激发光并将其投射到所述波长转换装置的波长转换体上。

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