CN103794704A - 波长转换装置和发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种波长转换装置，用于吸收激发光并发射受激光，包括波长转换层，该波长转换层包括波长转换颗粒和第一导热颗粒，二者均匀混合，第一导热颗粒的导热系数高于10W/m.K；其中，第一导热颗粒的粒径D2小于等于波长转换颗粒的粒径D1的0.5倍，且大于等于D1的0.05倍；还包括导热基底，波长转换层紧密贴附于导热基底的表面。本发明利用特定粒径的第一导热颗粒填充波长转换颗粒之间的空隙，有效的提高了波长转换层的导热率，这能够有效的将波长转换颗粒发出的热量导出到波长转换层的表面，在通过导热基底散发出去，从而有效的降低了波长转换层的温度。

Description

波长转换装置和发光装置

 

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，使用激发光激发荧光粉材料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，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，这样就形成了荧光粉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。

 

发明内容

本发明提出一种波长转换装置，用于吸收激发光并发射受激光，包括波长转换层，该波长转换层包括波长转换颗粒和第一导热颗粒，二者均匀混合，第一导热颗粒的导热系数高于10W/m.K；其中，第一导热颗粒的粒径D2小于等于波长转换颗粒的粒径D1的0.5倍，且大于等于D1的0.05倍；还包括导热基底，波长转换层紧密贴附于导热基底的表面。

本发明还提出一种发光装置，包括上述的波长转换装置，还包括激发光源，波长转换装置吸收激发光源发射的激发光并发射受激光。

本发明利用特定粒径的第一导热颗粒填充波长转换颗粒之间的空隙，有效的提高了波长转换层的导热率，这能够有效的将波长转换颗粒发出的热量导出到波长转换层的表面，在通过导热基底散发出去，从而有效的降低了波长转换层的温度。

 

附图说明

图1所示的是本发明的发光装置的实施例的结构示意图。

 

具体实施方式

本发明提出一种发光装置，其结构如图1所示。该发光装置包括波长转换层102，该波长转换层紧密贴附于导热基底101的表面101a上。该发光装置还包括激发光源（图中未画出），激发光源发出的激发光111入射于波长转换层，波长转换层吸收激发光并发射受激光112。在本实施例中，波长转换层所贴附的导热基底的表面101a对受激光具有反射性，这样可以反射波长转换层面向导热基底101发出的光，从而使得所有受激光都向图1中的上方发射。导热基底的表面101a的反射性可以通过在导热基底表面镀反射膜来实现（例如但不限于铝膜、银膜和光学介质膜），也可以通过在导热基底表面贴附镜面反射或散射反射膜来实现，也可能是导热基底本身就具有镜面反射特性或散射反射特性（例如铝导热基底本身表面就具有一定的镜面反射特性，而多孔陶瓷基底本身表面就具有很好的散射反射特性），这都是现有技术，此处不赘述。

波长转换层包括波长转换颗粒，波长转换颗粒吸收激发光并发射受激光。波长转换颗粒例如但不限于荧光粉颗粒。由于波长转换层紧密贴附于导热基底101的表面101a上，波长转换层所发出的热量，一旦传导到表面101a上，就能够迅速的被导热基底101导走，以此来为波长转换层散热。然而这里的关键问题在于，波长转换颗粒所发出的热量如何高效率的传导到表面101a上。

为了解决这个问题，发明人做了大量的研究发现，阻碍波长转换颗粒的热量导出的是波长转换颗粒之间的空隙。这些空隙或者是由空气填充，或者由硅胶等材料填充，无论哪种方式都是对热传导的阻断，因为空气和硅胶的导热系数都很低。波长转换颗粒之间的空隙的形成则是必然的。下面予以详细说明。

假设理想的情况，波长转换颗粒都是等大的球形。多个球形的堆积有至少两种堆积方式，一种是呈正立方堆积，即八个球形颗粒分别位于正立方体的八个顶点且相邻颗粒相切；一种是呈正四面体堆积，即四个球形颗粒分别位于正四面体的四个顶点且相邻颗粒相切。后一种方式球形颗粒的堆积最为紧密。无论哪种堆积方式，颗粒之间都会存在空隙。如果能够加入一种导热颗粒，并使该颗粒刚好填充波长转换颗粒之间的空隙，就必然会提升将波长转换颗粒发出的热量导出的能力。理论上，若波长转换颗粒呈正四面体堆积，则其空隙能够容纳的导热颗粒的直径约为波长转换颗粒直径的0.15倍。

经过计算和实验验证，发明人发现，若规定波长转换颗粒的粒径为D1，导热颗粒的粒径为D2，则当D2小于等于D1的0.5倍且大于等于D1的0.05倍时，整个波长转换层的热导率就会有所提高。而优选的，D2小于等于D1的0.2倍且大于等于D1的0.1倍时，这种波长转换层的热导率最好，此时恰好对应于理论上导热颗粒填充波长转换颗粒空隙的直径范围，这也验证了本发明理论的正确性。

综上所述，本发明利用特定粒径的导热颗粒填充波长转换颗粒之间的空隙，有效的提高了波长转换层的导热率，这能够有效的将波长转换颗粒发出的热量导出到波长转换层的表面，在通过导热基底散发出去，从而有效的降低了波长转换层的温度。

在上面的描述中，都使用一个特定的数值来描述颗粒的粒径。在实际应用中，每一种颗粒中，每一颗颗粒的粒径都不能保证相同，即每一种颗粒都存在一个粒径的分布，这个分布称为这种颗粒的粒度分布。即使如此，为了描述方便，仍然会定义一个颗粒度来表征这个粒度分布的平均粒径。例如在实际中采用中位数颗粒度（常表示为D50），其含义是粒径小于这个颗粒度的颗粒占总质量的50%。实际应用中为了满足不同的需要，存在多个对颗粒度的定义，但总的来说这些定义都表达一种颗粒的平均粒径的概念。从这个角度出发，本发明中的波长转换颗粒的粒径D1和导热颗粒的粒径D2，以及后面将要提到的第二导热颗粒的粒径D3，都是指的这种颗粒的平均的粒径，在实际中则对应于某一种颗粒度的概念，而至于具体使用哪种颗粒度的定义方法则不做限制。

在上面的描述中，波长转换颗粒和导热颗粒都被理想化为球形，实际应用中则可能不是理想的球形，甚至可能是条形、针形等特殊的形状。优选的，波长转换颗粒和导热颗粒是球形，这样的导热效果最好；当然，如果其中之一是球形也是比较好的。不过，即使两者都不是球形，只要导热颗粒对波长转换颗粒的空隙具有填充效果，本发明就具有有益效果。而发明人对不同形态的波长转换颗粒做了对比实验，也证明了球形以外的其他形状的波长转换颗粒发出的热同样可以被导热颗粒导走。

在本发明中，经过实验验证，导热颗粒的导热系数应高于10W/m.K，这样才可能达到为波长转换颗粒有效导热的作用。导热颗粒可以选择金刚石颗粒、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒中的一种或多种的混合。或者，导热颗粒也可能同时具有波长转换特性，能够吸收激发光或波长转换颗粒发射的受激光，并发射辅助受激光。例如导热颗粒与波长转换颗粒是相同的材料，在吸收激发光的同时也发射与波长转换颗粒相同的光。再例如波长转换颗粒受激发射黄光，导热颗粒则是红色荧光粉颗粒，导热颗粒吸收激发光，也可能吸收波长转换颗粒发射的黄光中的绿光成分，并发射红光。

除了导热颗粒外，还可以使用其它形态的导热材料，例如石墨烯和碳纤维。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，这有助于它们将两个导热颗粒或波长转换颗粒连接在一起。

根据上面的讨论可以理解，通过加入更为细小的颗粒可以填补大颗粒的空隙，从而提高整个波长转换层的热导率。那么进一步的，还可以在波长转换层中再加入粒径更小的第二导热颗粒，该第二导热颗粒与波长转换颗粒和第一导热颗粒均匀混合，用于填充导热颗粒与波长转换颗粒之间的空隙。根据计算和实验验证，发明人发现，第二导热颗粒的粒径D3应小于D2的0.6倍且大于D2的0.1倍，此时的波长转换层的热导率将得到进一步的提升。第二导热颗粒可以与上述的导热颗粒是相同的材质，例如都使用金刚石颗粒，当然也可以不同，对此本发明不作赘述。

更进一步的，还可能加入与波长转换颗粒大小接近的第三导热颗粒，第三导热颗粒的导热率大于波长转化颗粒本身的导热率。这样在波长转换颗粒发出的热量传导到波长转换层表面的导热路径上，第三导热颗粒可能部分的替换波长转换颗粒，这使得导热的效果更好。

在实现本发明的实际操作中，波长转换层还可能包括粘结剂，例如有机粘结剂硅胶或环氧树脂，用于将波长转换层中的颗粒粘接成为一个整体。例如将波长转换颗粒、导热颗粒与粘结剂一起混合（如果有第二导热颗粒的话也加入第二导热颗粒一起混合），将混合物充分搅拌、脱泡，再利用丝网印刷或喷涂等方式涂敷于导热基底上，然后再加热固化形成波长转换层。粘结剂还可以是无机粘结剂，例如水玻璃、低熔点玻璃等。值得一提的是，粘结剂并不是必须的，因为当波长转换层中颗粒与颗粒之间的距离足够近时会产生很强的范德华力，自然的将这些颗粒连为一个整体。还有一种可能，就是先使用某种有机粘结剂将不同的颗粒连为一个整体，这样方便搅拌和均匀混合，也方便利用现有工艺将波长转换层涂敷于导热基底上。在将波长转换层涂敷于导热基底上后，高温将该有机粘结剂烧掉，剩余的各种颗粒将连为一体。

在本发明的实际应用中，发明人发现，波长转换颗粒并非总是紧密接触的，是否紧密接触与颗粒之间的松散程度有关，如果使用粘结剂则与波长转换颗粒与粘结剂的比例有关。经过验证，即使波长转换颗粒之间不是紧密接触的，加入小粒径的导热颗粒填充其空隙同样可以起到增强导热的效果。当然，优选的情况是，波长转换颗粒与至少一个相邻的颗粒（无论是另一个波长转换颗粒还是导热颗粒）紧密接触，这样的导热效果最好。在使用粘结剂的情况下，则要求粘接剂不能过多，粘接剂过多则会是波长转换颗粒与其他颗粒之间的距离过大。实际上，在能够有效粘接的前提下，粘接剂越烧越好。

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 (10)

1.一种波长转换装置，用于吸收激发光并发射受激光，其特征在于：

包括波长转换层，该波长转换层包括波长转换颗粒和第一导热颗粒，二者均匀混合，第一导热颗粒的导热系数高于10W/m.K；其中，第一导热颗粒的粒径D2小于等于波长转换颗粒的粒径D1的0.5倍，且大于等于D1的0.05倍；

还包括导热基底，所述波长转换层紧密贴附于导热基底的表面。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于， 所述波长转换层所贴附的导热基底的表面对所述受激光具有反射性。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，D2小于等于D1的0.2倍，且大于等于D1的0.1倍。

4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，波长转换颗粒为球形，和/或第一导热颗粒为球形。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，波长转换层还包括与所述波长转换颗粒和第一导热颗粒均匀混合的第二导热颗粒，第二导热颗粒的粒径D3小于D2的0.6倍，大于D2的0.1倍。

6.根据权力要求5所述的波长转换装置，其特征在于，所述第二导热颗粒与所述第一导热颗粒是相同的材质。

7.根据权力要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述第一导热颗粒为金刚石颗粒、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒中的一种或多种的混合；或者，所述第一导热颗粒也具有波长转换特性，能够吸收激发光或波长转换颗粒发射的受激光，并发射辅助受激光。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换层还包括粘接剂，该粘接剂用于将波长转换层中的颗粒粘接成为一个整体。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换颗粒与至少一个相邻的颗粒紧密接触。

10.一种发光装置，其特征在于：

包括权利要求1至9中任一项所述的波长转换装置，还包括激发光源，所述波长转换装置吸收所述激发光源发射的激发光并发射受激光。