CN103647013A

CN103647013A - 波长转换装置的制造方法和发光装置

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Publication number: CN103647013A
Application number: CN201310514414.1A
Authority: CN
Inventors: 吴震
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明提出一种波长转换装置的制造方法，包括以下步骤：A、将第一波长转换颗粒与粘结剂均匀混合得到第一波长转换浆料；B、将第一波长转换浆料涂覆在基底上形成第一波长转换颗粒层；C、在第一波长转换颗粒层表面喷洒或涂覆第二波长转换颗粒形成第二波长转换颗粒层；D、利用加速度生成装置，使基底及其上的波长转换颗粒层具有加速度a，加速度a至少有一个不小于15m/s2的分量垂直于波长转换颗粒层平面且该分量的方向从基底指向波长转换颗粒层；E、固化或去除粘结剂。利用本发明的制造方法制造的波长转换装置中，加速度a使得每个波长转换颗粒产生了向指向基底的力，从而使得波长转换颗粒之间的距离缩短了，进而提高了波长转换层的导热效果。同时由于两种波长转换颗粒分层设置，可以使得效率达到最大化。

Description

波长转换装置的制造方法和发光装置

技术领域

本发明涉及发光技术领域，特别是涉及一种波长转换装置的制造方法和发光装置。

背景技术

目前在发光技术领域，使用激发光激发波长转换颗粒（例如荧光粉）已经成为普遍应用的技术。然而随着对发光功率的要求越来越高，激发光的功率越来越强，荧光粉的散热问题已经越来越成为制约这种发光技术的瓶颈。

在传统做法中，将波长转换颗粒（例如荧光粉）与硅胶或环氧树脂等透明胶体混合，成型后固化形成波长转换体或波长转换层。这样，每一颗荧光粉被硅胶或环氧树脂等胶体所包裹，荧光粉所发出的热量主要被其周围的胶体吸收，而这些胶体的导热性能很差，不足以将荧光粉发出的热量传导出去，这样就形成了热量在整个结构内部的积累。当激发光功率很高时，波长转换体或层中的温度非常高，这样不仅造成荧光粉效率的下降，还会造成胶体的快速老化、发黄，影响整个发光器件的性能和寿命。

另一方面，目前存在很多对光源的显色指数要求较高的场合，在这些场合中往往需要多种荧光粉同时使用。目前的普遍做法是将两种或以上的荧光粉混合后使用，这样并不能做到效率的最优化。

发明内容

本发明提出一种波长转换装置的制造方法，该波长转换装置包括基底和位于基底表面的波长转换层，波长转换层内包括第一波长转换颗粒和第二波长转换颗粒，包括以下步骤：

A、将第一波长转换颗粒与粘结剂均匀混合得到第一波长转换浆料；

B、将第一波长转换浆料涂覆在基底上形成第一波长转换颗粒层；

C、在第一波长转换颗粒层表面喷洒或涂覆第二波长转换颗粒形成第二波长转换颗粒层；

D、利用加速度生成装置，使基底及其上的波长转换颗粒层具有加速度a，加速度a至少有一个不小于15m/s²的分量垂直于波长转换颗粒层平面且该分量的方向从基底指向波长转换颗粒层；

E、固化或去除粘结剂。

本发明还提出一种发光装置，使用上述的制造方法制造的波长转换装置，该波长转换装置的基底表面对波长转换层发出的光具有反射性；还包括激发光源，激发光源发射的激发光入射于所述波长转换层。

利用本发明的制造方法制造的波长转换装置中，加速度a使得每个波长转换颗粒产生了向指向基底的力，从而使得波长转换颗粒之间的距离缩短了，进而提高了波长转换层的导热效果。同时由于两种波长转换颗粒分层设置，可以使得效率达到最大化。

具体实施方式

经过对现有技术的深入研究发明人发现，造成波长转换颗粒温度过高的本质原因在于，虽然波长转换颗粒本身的导热性并不差，有些甚至还比较高，但是波长转换颗粒之间的空隙比较大，这些空隙主要被不导热的胶体或空气填充，因此每一颗波长转换颗粒所产生的热量无法传递到相邻的其它波长转换颗粒上，更无法传递到波长转换层的表面。为了解决这个问题，发明人尝试提高波长转换颗粒与胶体的比例，使得其混合物的固含量尽量的大，以减小波长转换颗粒之间的间距。然而这样的问题在于，当胶体的比例很低时，波长转换颗粒与胶体的混合物就不再具有流动性而成为粘稠的膏状，而且波长转换颗粒所占的比例越高该混合物的粘度越大，这样不利于对该混合物进行涂覆等操作。当这个混合物到达可以操作的粘度极限时，实验证明，其波长转换颗粒之间的间距仍然较大，每一颗波长转换颗粒的散热效果很不好。

发明人还尝试了其它方法。一种方法是利用水玻璃作为粘结剂形成波长转换颗粒层。具体做法是将波长转换颗粒倒入水玻璃溶液使其沉淀，沉淀后再将上层的溶液倒掉，再烘干形成波长转换颗粒层。理论上波长转换颗粒会由于重力的原因自然相互靠近，然而实际上，每一颗波长转换颗粒的形态都不是标准的球形，而是一些不规则的形状，这些不规则的形状相互交织使得相邻波长转换颗粒的间距较大。依靠重力的自然堆积并不能使得颗粒间的间距达到最小。

另一种方法是利用低熔点玻璃或陶瓷作为波长转换颗粒的承载体，但这种工艺难度很高，发明人反复尝试都难以得到理想的效果。

经过上述的尝试和经验的总结，发明人提出一种全新的波长转换装置的制造方法能够解决以上问题，该波长转换装置包括基底和位于基底表面的波长转换层，波长转换层内包括第一波长转换颗粒和第二波长转换颗粒，波长转换颗粒例如但不限于荧光粉。该制造方法包括以下步骤：

E、固化或去除粘结剂。

值得说明的是，在全文的叙述中，“波长转换颗粒”泛指第一波长转换颗粒和/或第二波长转换颗粒，“波长转换颗粒层”泛指第一波长转换颗粒层和/或第二波长转换颗粒层。

首先利用步骤A、B、C在基底上依次形成第一波长转换颗粒层和第二波长转换颗粒层，此时两个波长转换颗粒层内部的波长转换颗粒为疏松的分布，间距较大。在步骤D中，波长转换颗粒层具有加速度a，即每一个波长转换颗粒都具有该加速度a，加速度a至少有一个不小于15m/s²的分量垂直于波长转换颗粒层平面且该分量的方向从基底指向波长转换颗粒层，这使得每一个波长转换颗粒上都产生一个力，该力至少有一个不小于该颗粒重量的1.5倍的分量垂直于波长转换颗粒层平面且其方向是从波长转换颗粒层指向基底。因此在加速度a的作用下，波长转换颗粒层中的每一个波长转换颗粒有向基底方向运动的趋势，各波长转换颗粒在这个趋势的作用下趋向于向基底方向压缩，颗粒之间的间距变小。

随着a的增大，颗粒之间的间距会进一步的被压缩；当a增大到一定程度时，颗粒之间形成了紧密的接触从而相互的支撑，颗粒之间的距离不再发生变化，达到最为紧密的状态。因此，只要加速度a存在，就会缩短颗粒之间的距离，从而达到提高散热能力的作用。在实际中，a的数值可以根据实验确定，但只要不小于15m/s²，相对于波长转换颗粒本身的重力加速度g（g约等于10m/s²）来说比较大，这样就会有效的缩短颗粒之间的距离。

容易理解，优选的，加速度a本身就垂直于波长转换颗粒层平面且其方向是从基底指向波长转换颗粒层，此时在每一个颗粒上产生的作用力最大。例如在实验中，发明人尝试采用100 m/s²和1000 m/s²的a，都明显的提升了波长转换层的导热性能。

实现加速度a的加速度生成装置有很多种，最典型的就是离心装置，该装置使基底及其上的波长转换颗粒层围绕一个轴心旋转以产生向心加速度a。在这个离心装置中，波长转换颗粒层相对于基底更为靠近轴心，这样产生的加速度a的方向就会满足上述的要求，波长转换颗粒相应的受到离心力的作用会有向基底运动的趋势。另外，线性运动的加速度生成装置也是现有的设备。本发明对于产生加速度a的设备和原理并不构成限制。

步骤A中可以使用硅胶或环氧树脂等有机粘结剂。步骤A中的混合步骤可能包括搅拌、脱泡等动作，这都是常规技术手段，此处不赘述。

在步骤B、C中，两个波长转换颗粒层时依次形成的，这样经过步骤D后，第一波长转换颗粒和第二波长转换颗粒也是大致成两层分布的，这样可以使得波长转换层的效率得到最优化。优选的，第一波长转换颗粒的发光波长比第二波长转换颗粒的发光波长更长。由于发光波长较长的荧光粉的效率较低，发热量较大，因此使发光波长较长的波长转换颗粒更靠近基底有利于其散热，进而使得整个波长转换层的性能得到最优化。

B步骤中将第一波长转换浆料涂覆在基底上有多种做法，例如但不限于丝网印刷，或者直接刷在基底上，或者使用喷枪将第一波长转换浆料喷涂在基底上。在将第一波长转换浆料涂覆在基底上后，浆料中的第一波长转换颗粒大多数是悬浮在浆料中的。如前所述的，为了实现涂覆工艺，在第一波长转换浆料中粘结剂的比例不能太低，这就导致了浆料中的第一波长转换颗粒之间的间距较大。在后面的步骤D中，第一波长转换颗粒会克服粘结剂的浮力而向基底靠拢，颗粒间距被大大压缩。接下来还需要步骤E，固化粘结剂。固化粘结剂的手段根据粘结剂的不同而不同，可能是加热固化，常温放置固化，紫外固化，也可能是紫外和加热的混合固化。

除了硅胶和环氧树脂等能够固化的粘接剂外，有机粘结剂还可能是一种在某种情况下可分解或降解的有机液体，例如硅油。此时在步骤D后，还包括步骤E，去除粘结剂。对于硅油来说，可以在高温下使其氧化变成气体飘散。值得注意的是，这种有机粘接剂在步骤E中并不一定要全部分解掉，如果剩余的残留物对光不吸收也是可以的。因此步骤E中的去除粘接剂指的是将其大部分去除，去除后呈固态，且剩余物不吸收光。

除了有机粘结剂外，步骤A中还可以使用无机粘结剂，例如水玻璃。由上述的描述可知，此处的“粘结剂”并不一定都具有粘结作用，更多的是起到了对波长转换颗粒的载体的作用。

现针对步骤C进行说明。在第一波长转换颗粒层上形成第二波长转换颗粒层有多种方法，此处进行举例说明。例如，可以在第一波长转换颗粒层上喷洒第二波长转换颗粒，这些第二波长转换颗粒会粘附在第一波长转换颗粒层的上表面并逐渐渗入进去，进而形成一个薄层。再例如，将第二波长转换颗粒与粘结剂混合在一起形成第二波长转换浆料，再将第二波长转换浆料喷洒在第一波长转换颗粒层表面。若使用粘结剂，则该粘结剂可以与步骤A中的粘结剂不同或相同，并也在步骤E中固化或去除。当然，也可以使用其它涂覆的方式将第二波长转换浆料涂覆在第一波长转换颗粒层表面。步骤C后，第二波长转换颗粒之间以及第一波长转换颗粒与第二波长转换颗粒之间都有一定的间距，经过步骤D后，这些间距被压缩到最小。

另外值得一提的是，加速度a的另一个好处在于能够促使波长转换浆料中的气泡从浆料中释放出来，达到脱泡的目的。在实际操作中，能够达到脱泡目的的加速度的数值可能低于使颗粒间距缩短的加速度的数值，因此在这种情况下，上述的步骤D中所施加的加速度a可能是一个从小到大的逐渐增大的过程，在这个过程中达到脱泡的目的，在达到最大值后维持一段时间以达到压缩颗粒间距的作用。当然也可能是分为两段，第一段是施加较小的加速度，此时用于脱泡，然后再施加一个较大的加速度a，用于压缩颗粒间距。

为了进一步的提高波长转换层的导热性能，在波长转换层中还包括导热颗粒。导热颗粒可以是氧化铝、氮化铝、金刚石等材料，这些材料不吸光且导热性很好。进一步的，波长转换层中还可能包括石墨烯或碳纤维。石墨烯为片状的导热材料，它沿着片层的横向导热率非常高，而碳纤维是线状导热材料，沿着线的方向其导热率非常高。石墨烯和碳纤维都是柔性的，容易在波长转换颗粒或导热颗粒的作用下发生形变，这有助于它们将各固定形状的颗粒连接在一起，减少颗粒之间的界面热阻。可以理解，不加入导热颗粒而直接加入石墨烯或碳纤维这样的柔性的导热材料显然也是可以的。

因此，在步骤A中，还可以将这些导热颗粒和/或柔性导热材料、第一波长转换颗粒与粘接剂均匀混合得到第一波长转换浆料。同样的道理，在步骤C中，导热颗粒和/或柔性导热材料也可以与第二波长转换颗粒混合后一起被涂覆或喷洒在第一波长转换颗粒层表面形成第二波长转换颗粒层。

在实验中发明人发现，至少部分导热颗粒的粒径小于波长转换粒径时波长转换层的导热效果更好。经过研究发现，这是因为更小的导热颗粒填充于波长转换颗粒之间的空隙中，这样的导热效果最好。另外，适量的增加与波长转换颗粒粒径相近的导热颗粒也可以提高整个波长转换层的热导率。进一步的研究发现，球形或椭球形的波长转换颗粒的堆积效果最为致密，其导热效果也最好，这可以解释为球形或椭球形颗粒之间容易更为紧密的接触。

在实验中发明人发现，若在步骤D与步骤E之间增加步骤F和步骤G，则颗粒之间的间距会更小，散热效果更好：

F、利用加速度生成装置，使基底及其上的波长转换颗粒层具有加速度b，加速度b至少有一个不小于2m/s²的分量垂直于波长转换颗粒层平面且其方向是从波长转换颗粒层指向基底；或者，利用加速度生成装置，使基底及其上的波长转换颗粒层具有加速度d，加速度d至少有一个不小于2m/s²的分量平行于波长转换颗粒层平面；

G、利用加速度生成装置，使基底及其上的波长转换颗粒层具有加速度c，加速度c至少有一个不小于15m/s²的分量垂直于波长转换颗粒层平面且其方向是从基底指向波长转换颗粒层。

这是因为，经过了步骤D后，波长转换颗粒层中的颗粒已经趋于紧凑，但是在有些局部颗粒之间相互的摩擦和位错导致颗粒之间没有更加紧密。步骤F使得颗粒有一个近乎于加速度a反向的加速度b，因此每一个颗粒会受到一个使其远离基底的力。这个力可以使局部颗粒之间的摩擦和位错消除。或者，步骤F使得颗粒有一个近乎平行于波长转换颗粒层的力，这个力会使得局部的颗粒之间发生一定的横向位错。然后再经过步骤G对波长转换颗粒层施加加速度c，加速度c的作用与加速度a的作用相同，而此时局部颗粒之间的摩擦和位错已经由步骤F去除了，因此经过加速度c后颗粒之间的间距就更小。

另外，在步骤B和C之间，还可能包括步骤H：

H、利用加速度生成装置，使基底及其上的第一波长转换颗粒层具有加速度a，加速度a至少有一个不小于15m/s²的分量垂直于第一波长转换颗粒层平面且该分量的方向从基底指向第一波长转换颗粒层。

步骤H能够使得第一波长转换颗粒层中的第一波长转换颗粒先向基底沉降且间距被压缩，然后再进行步骤C，这样更容易制造出厚度较薄、导热更好的波长转换层。

本发明还提出一种发光装置，包括使用上述的制造方法制造的波长转换装置，该波长转换装置的基底表面对波长转换层发出的光具有反射性。还包括激发光源，激发光源发射的激发光入射于波长转换层。波长转换层受激发射的光会有一部分面向基底出射，这部分光会被基底表面所反射并最终从波长转换层的另一侧出射。这样从波长转换层出射的全部光都得以从波长转换层的背向基底的一侧出射，这非常有利于光的收集。这些光包括受激光，或者受激光与剩余的未被吸收的激发光的混合光。

在本发明的另一个实施例中，使用LED芯片作为基底，LED芯片的发光面作为基底的表面，利用上述的方法将波长转换层涂覆于LED芯片的发光面上。这样做的好处在于：首先，LED芯片本身就是一个良好的导热体，它可以帮助波长转换层散热。同时LED芯片本身就能够发射激发光，例如LED芯片发射蓝光，这可激发涂覆于LED芯片发光面上的黄色波长转换层以产生黄光，该黄光与剩余的没有被吸收的蓝光混合将得到白光。

目前，LED芯片发射的光功率约为1W~2W，这样即使其表面的波长转换颗粒的间距不太小热量也不会太大。但随着LED技术的发展，在不远的将来LED发射的光功率可能达到5~10W，此时就必须使用本发明的方法来在LED表面涂覆波长转换层，这样才能有效的把其中的波长转换颗粒所产生的大量的热传导到LED上并最终被LED芯片的导走。

值得一提的，若基底采用LED芯片，则步骤B可以简化为：将第一波长转换浆料滴在基底表面。这是因为，LED芯片的发光面很小，波长转换浆料在其表面会形成一个液滴，这个液滴在步骤D中加速度a的作用下会铺开而覆盖整个LED芯片的发光面，而当该液滴铺开并到达LED芯片边缘后会由于张力的作用停留在LED芯片的边缘而不会流下LED芯片。而即使部分波长转换浆料流下了LED芯片，由于浆料中的波长转换颗粒在加速度a的作用下快速的沉积在LED芯片的发光面上，因此流到LED芯片外部的波长转换颗粒也不多。通过控制波长转换浆料的粘度、加速度a的大小等工艺参数，可以控制波长转换浆料均匀的覆盖在整个LED芯片的发光面上，这样可以实现发光的高均匀性。

因此，由于波长转换浆料在LED芯片发光面上在步骤D中能够自己铺开而覆盖整个LED芯片发光面，这样就不需要将第一波长转换浆料涂在LED芯片发光面上以形成均匀的一层，而只需要将适量的浆料滴在LED芯片发光面表面即可，这当然大大简化了工艺。

可以理解，在前面实施例中提到的技术手段和技术特征，同样可以应用于以LED芯片作为基底的情况，例如添加导热颗粒或柔性导热材料，例如使用步骤F和步骤G来进一步的提高波长转换颗粒的致密度，再例如使用球形或椭球形的波长转换颗粒。

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

1.一种波长转换装置的制造方法，该波长转换装置包括基底和位于基底表面的波长转换层，波长转换层内包括第一波长转换颗粒和第二波长转换颗粒，其特征在于，包括以下步骤：

E、固化或去除粘结剂。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，所述加速度a垂直于波长转换颗粒层平面且其方向是从基底指向波长转换颗粒层。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，第一波长转换颗粒的发光波长比第二波长转换颗粒的发光波长更长。

4.根据权利要求1所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，波长转换层中还包括导热颗粒和/或柔性导热材料，在步骤A中，将导热颗粒和/或柔性导热材料与第一波长转换颗粒和粘接剂均匀混合得到第一波长转换浆料；和/或，波长转换层中还包括导热颗粒和/或柔性导热材料，在步骤C中，导热颗粒和/或柔性导热材料与第二波长转换颗粒混合后一起被涂覆或喷洒在第一波长转换颗粒层表面形成第二波长转换颗粒层。

5.根据权利要求4所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，所述导热颗粒粒径小于波长转换颗粒粒径，且至少部分导热颗粒填充于波长转换颗粒之间的空隙。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，在步骤D和步骤E之间还包括步骤F和步骤G：

7.根据权利要求1所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，在步骤B和步骤C之间，还包括步骤H：

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，波长转换颗粒为球形或椭球形。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的波长转换装置的制造方法，其特征在于，所述加速度生成装置使基底及其上的波长转换颗粒层围绕一个轴心旋转以产生向心加速度a，波长转换颗粒层相对于基底更靠近所述轴心。

10.一种发光装置，其特征在于：

包括使用权利要求1至9所述的制造方法制造的波长转换装置，该波长转换装置的基底表面对波长转换层发出的光具有反射性；

还包括激发光源，激发光源发射的激发光入射于所述波长转换层。