CN103003387A

CN103003387A - 在使用碱性硅酸盐的情况下制造荧光层

Info

Publication number: CN103003387A
Application number: CN2011800331278A
Authority: CN
Inventors: 托比亚斯·格莱茨曼
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: DE102010063756A1; US8987983B2; US20130270992A1; EP2528987B1; EP2528987A1; CN103003387B; WO2012084440A1

Abstract

本发明涉及一种用于制造荧光层或荧光体的方法，该方法包括将液态的碱性硅酸盐-水混合物中的至少一种固态荧光材料的悬浮物放置在基板表面上或者模具中，并且使该悬浮物硬化，从而制造荧光层或荧光体。此外，本发明还涉及在这种方法中使用的悬浮物及其用于制造荧光层或荧光体的应用，以及涉及包含根据本发明制造而成的荧光层或荧光体的光学组件或灯具。

Description

在使用碱性硅酸盐的情况下制造荧光层

技术领域

本发明涉及一种制造荧光层或荧光体的方法，这种方法使用了在一种液体的碱性硅酸盐-水的混合物中的至少一种固态的荧光材料的悬浮物，还涉及该方法中使用的悬浮物及其用于制造荧光层或者荧光体的应用，以及涉及含有这样制造而成的荧光层或荧光体的光学组件或灯具。

背景技术

针对远程荧光粉应用情况，也就是说那些荧光材料（磷光粉）和光源，例如LED、激光器或激光二极管，在空间上分隔的应用场合，要在表面上放置薄的荧光层（基板），利用接合材料机械地固定住，并且连接（空气、浸没等等）到光学系统（透镜、准直仪、等等）上。

使用接合材料是必要的，因为荧光材料大部分是粉末形式的，如果不额外使用接合材料，就不能形成机械性能稳定的层，也就是防磨损并且防刮痕的层。

在使用接合材料构造层或者说稳定层时，问题在于，这些接合材料会与荧光材料相互作用，并且因此能够对光学特性和热特性产生负面影响。此外，这些接合材料本身必须热稳定并且光稳定，并且不能表现出老化特性。出于这个原因，使用一种惰性的、透光的、热稳定且光稳定的接合材料是制造稳定且耐用的荧光层的前提。

荧光材料被功率密度高（几W/mm²）的光源（例如蓝色二极管激光器）激励发光。荧光区域可以具有一种或者多种荧光材料，这些材料能够将进入的激光或激发光至少部分地转换成波长转换或者说转变的光。在进行转变时形成的大量热损耗（Stokes斯托克斯）导致荧光层中的热量输入。如果温度过高，例如由于散热不足，那么可能会导致光学特性发生取决于热量的变化（发射波长、转换效率、热抑制等等），或者最终损坏荧光材料或者荧光层本身。导致荧光层的这种退变的原因可能是荧光材料，也可能是接合材料。出于这个原因，应该这样设计荧光层，即，使得能够最优化地为其散热，从而避免荧光材料和接合材料的热损坏。

目前使用的是硅作为接合基质用于光学技术的激励（例如LED）。它们不允许光功率过高（功率密度达几W/mm²）或者需要更多的工艺耗费（例如需要用荧光粉涂覆的旋转色轮用于减少光作用时间）。

放置过程受到基板材料类型的限制。因此，由于许多塑料和金属材料（例如铝）的熔化温度所限，不能考虑高温过程。能够作为代替使用的导热性良好的陶瓷材料（例如AlN）相反会增加技术性和经济方面的耗费。公知的荧光材料-硅混合物通常被直接放置在金属基板上。这种金属基板还可以额外地具有散热功能。

因此，本发明的目的在于提供一种制造荧光层的方法，这种方法能够克服公知的缺点，并且能够制造出机械性稳定且热稳定的荧光层。

发明内容

在第一方面，根据本发明的目的通过一种用于制造荧光层或者荧光体的方法得以解决，其中，这种方法包括：

-将含有至少一种固态的荧光材料和至少一种碱性硅酸盐的悬浮物

放置在基板表面上或者模具中，用于制造荧光层或荧光体；以及

-使荧光层或荧光体硬化。

在另一方面，本发明以一种光学组件为目标，它包括借助根据本发明的方法制造而成的荧光层。同样地包括在内的有灯具、特别是一种LED灯具、激光器或者色轮，其包括按照根据本发明所述的方法制造而成的荧光层，或者根据本发明的光学组件。

再另一方面，本发明还涉及一种悬浮物，其包含至少一种液态的水状的碱性硅酸盐和一种或者多种固态的荧光材料，以及涉及这种悬浮物的、用于制造荧光层或荧光体的应用。

附图说明

图1示出相对于碱性硅酸盐层式的荧光层（101）或荧光体（101）的形式以及相对于基板（103）（（a）-（k））的类型和形式的不同实施变体。在图1a）和1d）至1k）中，基板（103）是密不透光的，在图1b）中是透光的。同样示出了荧光颗粒（102）在碱性硅酸盐荧光层（101）（（d）-（g））内的分布的实施变体。

图2示出根据本发明的荧光层（201）在反射应用（a）和透射应用（b）中的使用以及一种实施方式，其中，反射性地使用荧光层（201）并且将其直接连接在密不透光的散热体（205）和透光的组件（204）之间（c）。激发光用宽箭头（206）表示，出射光用细箭头（207）表示。基板（203）在图2a）中是密不透光的，在2b）中是透光的。在图2c）中，上面的基板（205）是密不透光的，下面的基板（204）是透光的。

图3示意性示出分布有颗粒（302）的荧光层（301）（a），荧光层从位于下面的基板（303）上脱离（b），以180°旋转（c）并且再粘附到基板表面上（d）。由此能够制造一种光学组件，其中，较大的荧光材料颗粒位于层表面上。基板（303）在图3a）至3d）中是密不透光的。

图4示意性示出一种实施方式的实例，其中，在通风隔板（402）上放置了多个无基板的荧光层作为色轮区段（401），并且按照径向通风原则实现主动散热。

图5示意性示出一种实施方式的实例，其中，荧光层（501）安装在色轮（504）上，并且能够通过荧光层中的表面结构主动散热。作为表面结构的可选方案示例性示出的是沟纹（502）和薄层（503）。

具体实施方式

本发明以以下认识为基础，即，从在液态的水状碱性硅酸盐溶液中的固态荧光材料颗粒的悬浮物中形成对此合适的、机械稳定的、硬性的荧光层，这些荧光层同时具有很好的光学特性。

因此，一方面本发明的目标是一种制造荧光层或荧光体的方法，其中，这种方法具有以下步骤：

-将含有至少一种固态荧光材料和至少一种碱性硅酸盐的悬浮物放置在一个基板表面上或者模具中，用于制造荧光层或荧光体；

-使荧光层或荧光体硬化。

在本发明的不同实施方式中，悬浮物是一种水状悬浮物，并且含有由水和至少一种液态的碱性硅酸盐构成的混合物。此外，这种方法还可以包含以下步骤，即，通过让固态荧光材料悬浮在液态的含有碱性硅酸盐的溶液中制造一种合适的悬浮物。

为了制造这种悬浮物，可以将荧光材料粉末与液态的水状碱性硅酸盐混合。在此，磷酸水玻璃部分、水和固态粉末之间的体积比例对悬浮物的均质性（可处理性）、对得出的荧光层（后来的玻璃部分）的粘度、得出的层厚度、裂痕倾向、干燥性能和光学特性有直接的影响。

已经被发现有利的是，液态的碱性硅酸盐和水在这种混合物中的体积浓度比例为大约1:5至大约5:1，优选地是大约1:3至3:1。因此，在本发明的确定的实施方式中，液态的碱性硅酸盐和水的体积浓度比例为1：3，1:2，2:3，1:1，2:1，3:2或3:1。可以依据颜料层的目标特性（例如玻璃成分、层厚度、稳固性），以及依据荧光材料本身选择采用的比例。上述集中区域上方的纯碱性硅酸盐的部分导致荧光层在干燥时或者加热时会起泡沫。在本发明的上下文中，“大约”表示相应的数值可以向上或者向下偏差大约10%。在一种实施方式中，液态的碱性硅酸盐是一种在水中的、碱性硅酸盐的饱和溶液，然后以上述成分比例进一步用水稀释该溶液。这种饱和溶液例如可以包含7.5-8.5重量百分比的碱性氧化物，例如Na₂O，和25.5-28.5重量百分比的SiO₂（分别酸量滴定地决定）。这种溶液可以有大约1.296至大约1.396g/ml的密度。

至少一种碱性硅酸盐例如可以是硅酸钠或者硅酸钾。同样包含在内的有前述碱性硅酸盐的混合物。这些碱性硅酸盐是通式M₂O·n SiO₂的各种化合物，其中，M是一种碱金属，n在1到4的范围内。在本发明的各种实施方式中，这些碱性硅酸盐作为水中的胶状的、碱性溶液使用，特别是硅酸钠/硅酸钾溶液。这种水状溶液可以通过在温度升高和压力升高的情况下将固态的碱性硅酸盐溶解到水中制成。

至少一种固态的荧光材料也可以是由两种或者更多种不同的荧光材料构成的混合物。在本发明的上下文中，“至少一种”这个概念表示1或者更多，特别是至少2，3，4，5，6，7，8，9，10或者更多。因此，本发明也涉及那些包含2种或更多种（例如2，3或4种）不同的荧光材料的悬浮物。通常情况下使用粉末形式的固态的荧光材料。例如可以通过以下方式制造悬浮物，即，将固态的荧光材料加入由水和碱性硅酸盐构成的混合物中。现有技术中已知许多合适的荧光材料。常见的荧光材料例如有铝、硅、镁、钙、钡、锶、锌、铬、锰、铟、其他的过渡金属、或者稀有金属如钇、轧或镧的硅酸盐、氮化物、氧化物、磷酸盐、硼酸盐、氧氮化物、硫化物、硒化物和卤化物，它们掺有一种活性剂，例如铜、银、铝、锰、锌、锡、铅、铈、铽、钛、锑或铕。在本发明的各种实施方式中，荧光材料是一种氧化的或氮（氧）化的荧光材料，例如石榴石、正硅酸盐、氮（铝）硅酸盐或次氮基正矽酸酯（Nitridoorthosilikat），或者一种卤化物或卤化磷酸盐。合适荧光材料的具体实例有氯磷酸锶（Strontiumchloroapatit）:Eu((Sr,Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu;SCAP),钇铝石榴石：Cer(YAG:Ce)或CaAlSiN₃:Eu。

因此，在本发明的不同实施方式中，荧光材料或者荧光材料混合物与水状的、液态的碱性硅酸盐、也就是碱性硅酸盐和水的混合物的质量比例是大约1:5至大约5：1，优选地为大约1:3至3:1。因此，示例性的浓度比例是3:1，2:1，3:2，1:1，2:3，1:2或1:3。考虑到悬浮物的均质性、沉淀时间和层厚度，这些浓度比例被证明能够特别方便地进行加工处理。

在本发明的不同实施方式中，悬浮物还可以含有其他的组成部分，例如具有光散射特性的颗粒和/或辅助材料。辅助材料例如包括表面活性剂和有机溶媒。光散射颗粒的实例有金氧化颗粒、银氧化颗粒和金属氧化颗粒。

在根据本发明的方法中，可以通过涂浆（Schlaemmen）、印制、喷涂或注射实现将悬浮物放置在表面上或者将其引入模具内。为了制造荧光层，放置还可以包括旋转和/或超声波处理。

其上放置荧光层的基板例如可以是一个散热体或光学组件，例如准直仪。该基板可以由各种各样合适的材料构成，例如塑料、玻璃、陶瓷或者金属。为了构造荧光体，可以使用由所述材料制成的模具。荧光体例如可以是荧光膜。

在本发明的不同实施方式中，通过干燥法实现对荧光层或荧光体的硬化。硬化或者干燥可以在室温下或者在更高的温度下，例如80-150℃，实现。也可以将不同温度下的各个不同的硬化/干燥步骤相互组合。在一种实施方式中，可以在室温下实施的一个干燥步骤后，接着在更高的温度下，例如80至150℃，实施进一步的干燥步骤。在更高的温度下进行的硬化/干燥例如可以在炉中实现。作为代替，可以借助微波或者感应技术为基板或者模具和/或荧光层/荧光体加热。在制造荧光体时，可以在第一个干燥步骤之后将其从模具中脱出，然后，可以选择在更高的温度下，进一步进行干燥。

依据使用的荧光材料，也可以在保护气体（例如N₂或Ar）中或者在真空中实现硬化/干燥。由此能够避免由于氧气在更高的温度下起作用而激活荧光材料。

例如能够通过以下方式获得根据本发明的一种荧光层，即，制造一种悬浮物，它将YAG:Ce作为荧光材料放入液态的碱性硅酸盐-水的混合物（1:1）中，其中，荧光材料与碱性硅酸盐-水的混合物的比例是1:3，然后将悬浮物放置在基板上，在室温下干燥15到30分钟，并且在炉中在80℃硬化大约1小时，然后在220℃硬化大约1小时。

例如能够通过以下方式获得根据本发明的另一种荧光层，即，制造一种悬浮物，它将次氮基正矽酸酯作为荧光材料放入液态的碱性硅酸盐-水的混合物（1:1）中，其中，荧光材料与碱性硅酸盐和水的混合物的比例是2:3，然后将悬浮物放置在基板上，在室温下干燥15到30分钟，并且在80℃的炉中硬化大约1小时，然后在150℃的炉温中硬化2到3小时。

利用根据本发明的、在使用碱性硅酸盐的情况下使荧光材料接合的方法，能够制造出非常坚硬的、机械稳定的荧光材料层，它们的接合剂在荧光材料为多种时在它们的工作温度范围内不会与这些荧光材料相互反应，并且透光、光谱稳定且热稳定。于是不仅能够在基板表面上制成层厚度在50-200μm之间的薄的荧光层，还能够制成未接合的荧光片或者扩展更大（几毫米）的三维物体（光学组件）。图1中示出了荧光层（101）和/或基板（103）的不同形状以及荧光材料颗粒（102）分布的几种可能的实施变体。但是，本发明却不局限于所示的实施变体。

按照层的实现方式（层厚度、玻璃成分），具有荧光材料颗粒（202）的荧光层（201）可以在使用在利用透明的基板（204）实现的透射情况中或者在利用密不透光的基板（203）实现的反射情况中，正如图2中所示的那样。图2还示出一种实施变体，其中，在透明的组件（204），例如光学组件，和散热体（205）之间的荧光层（201）直接连接到光学元件上。

为了尽可能高效地实现从激发光到出射光的转换，必须尽可能最小化激发光的散射光部分。这例如可以通过光耦合到尽可能大的荧光材料颗粒上实现。原则上说可以通过相应的加工流程（研磨）将荧光材料的颗粒大小设定到某个特定的范围内，并且进行挑选。然而，在实践中，总是存在粒子分布。在悬浮物中，较大且较重的颗粒会首先沉淀，较小且较轻的随后沉淀，使得在一定的时间后（此外还依据液体的粘度和颗粒大小）形成一种受重力驱使的颗粒大小分布（小的颗粒在层表面的上部，较大的颗粒在下部）。例如可以进一步利用水状的碱性硅酸盐溶液，使得在敷涂和硬化期间通过一次性地或者多次地旋转基板设定一种颗粒大小分布。作为代替或者附加，可以利用离心器设定这种颗粒大小分布。具有这些荧光材料颗粒（302）的荧光层（301）就能够在干燥和加热成型后从载体（303）上脱离，旋转180°，并且以对光学性能更有利的、更粗糙的粒子分布向上再次放置到基板（303）上，例如通过用碱性硅酸盐粘合。图3中示意性地示出了这样一种方法。

作为代替也可以通过超声波处理影响颗粒分布。其中例如可以借助超声波将更粗糙的荧光材料颗粒振动到层表面上。

本发明同样涉及一种光学组件，其包括根据本发明的方法制成的荧光层。该荧光层或者该光学组件也可以是灯具（特别是LED灯）、激光器或者色轮的组成部分。

在另一个方面，本发明还涉及一种悬浮物，它包括至少一种液态的水状的碱性硅酸盐和一种或多种固态的荧光材料。在此，能够如以上在根据本发明的方法的上下文中给出液态的碱性硅酸盐与荧光材料（混合物）的体积浓度比例以及液态的碱性硅酸盐-水的混合物与荧光材料（混合物）的质量比例。其中，同样能够如以上地定义碱性硅酸盐和荧光材料。

悬浮物还可以包含其他的组成部分，例如具有光散射特性的颗粒或者辅助材料。

此外，本发明还针对根据本发明的悬浮物在基板表面上用于构造荧光层或者用于构造荧光体的使用情况。

利用根据本发明的方法或根据本发明的悬浮物制造而成的荧光层能够以有利的方式用在灯具或LED中，特别是在所谓的远程荧光粉（RemotePhosphor）的应用中，其中，荧光材料在空间上与激发光源分隔开。

通过使用碱性硅酸盐作为热稳定的、化学惰性的、光谱稳定的接合剂，根据本发明制造而成的荧光层在机械稳定性和热稳定性方面非常好，并且能够提高激发光的功率密度。

此外，根据本发明制造而成的荧光层的特征在于良好的光学特性。

此外，使用碱性硅酸盐作为接合剂还能够改善与周围环境的光学联系，因为通过形成荧光层（例如在制造时使用模具或者后续的机械加工）能够影响光耦合或光退耦或者说照射特性（透镜效应）。

取决于碱性硅酸盐和荧光材料的比例，借助本发明的方法制造而成的荧光层可以反射地或者透射地应用（图3）。此外还能够直接地光连接到光学元件上（图3）。

根据本发明的制造方法比较简单，并且基于低加工温度，完全不依赖于基板材料（金属、玻璃、陶瓷、塑料）。

悬浮物液体的低粘度还允许影响荧光材料表面上的粒子分布，例如通过受重力或超声波驱动的颗粒选择（图3）来实现。

为了进一步改良荧光层的光学特性，还可以采用光学玻璃的放置方法（例如抗反射涂层、双向滤色层或滤光层）。

根据本发明制造而成的荧光层的硬度高且机械稳定性非常良好，这就使得在设计以荧光材料为基础的产品时有更多的自由，例如在荧光材料激发时有更高的功率密度以及静态的变体（摒弃色轮解决方案），能够制造不依赖于基板的荧光片或者自支撑应用的、或能够后续粘附到基板上的薄膜（例如具有碱性硅酸盐，亦见图4），能够制造三维结构和物体，例如光学组件。

此外，根据本发明制造而成的荧光层或荧光体可机械地精整。于是例如能够将荧光材料表面结构化，例如具有孔或沟纹（图1（h）），或者可以有针对性地对表面进行打毛。这通过增加表面面积使得更有效地散热并降低功率密度。

在此，例如可以考虑自支撑的变体用于冷却荧光材料底面（图4），或者通过荧光层中的沟纹或翼结构主动散热（图5）。

因此，本发明也涉及色轮（403）的一种实施方式，其中，根据本发明的一个或者多个荧光层（401）从它们的基板上脱离，并且放到径向布置在可旋转轮表面上的通风隔板（402）上，并且被固定住，例如粘住。其中，能够直接地在制造过程中或者通过后续的机械成型获得荧光层的理想形状。图4中示意性地示出了这样一种色轮。

在另一种实施方式中，本发明涉及一种色轮（504），其上安置了根据本发明制造而成的荧光层（501），或者说直接在色轮表面上作为基板制成，其中，为了散热的目的，荧光层配有表面结构。表面结构可以采用沟纹（502）或薄层（503）的形式。图5中示意性地示出了这样一种色轮。

本文引用一些特定的实施方式描述了本发明，但是本发明却不局限于这些实施方式。特别是对于专业技术人员来说能够轻易看出，可以对所描述的发明进行各种各样不同的修改，而不会偏离本发明由所附权利要求确定的内涵和范围。因此，本发明的范围是通过权利要求确定的，其目的是，让本发明将所有落在权利要求的意思范围和等价范围内的修改方案和变体都包括在内。

Claims

1.一种用于制造荧光层或荧光体的方法，其包括：

-将含有至少一种固态的荧光材料和至少一种碱性硅酸盐的悬浮物放置在基板表面上或者模具中，用于制造荧光层或荧光体；

-使所述荧光层或荧光体硬化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述悬浮物还含有水。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，碱性硅酸盐和水的体积浓度比例是大约1:5至大约5:1。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，碱性硅酸盐和荧光材料的质量比例为大约1:5至大约5:1。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述碱性硅酸盐是硅酸钠、硅酸钾或其混合物。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过涂浆、印制、喷涂或注射进行所述悬浮物的放置。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了制造荧光层而放置所述悬浮物的过程包括旋转或超声波处理。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板是散热体或光学组件。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述基板或者所述模具由玻璃、陶瓷或金属制成。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过干燥实现所述硬化。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在升高的温度时实现所述硬化。

12.一种光学组件，包括荧光层或者由荧光层构成，所述荧光层按照根据权利要求1-11中任一项所述的方法制成。

13.一种灯具，包括一个按照根据权利要求1-11中任一项所述的方法制成的荧光层，或者包括一个根据权利要求12所述的光学组件。

14.一种悬浮物，包括至少一种液态的水状的碱性硅酸盐和一种或多种固态荧光材料。

15.一种对根据权利要求14所述的悬浮物的应用，用于在基板表面上构造荧光层或者构造荧光体。