CN105805699A - 波长转换装置的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长转换装置的制备方法。该制备方法包括以下步骤：提供制备有反射层的导热基板；将荧光粉和透明无机粘接剂混合形成浆料；将浆料涂覆在导热基板的反射层上，形成波长转换层生片；以及利用激光对波长转换层生片进行烧结，得到波长转换装置。本发明的上述制备方法，通过将透明无机粘接剂与荧光粉混合形成的浆料涂覆在具有反射层的导热基板上，并利用激光照射的方式进行烧结，使得激光能够穿过透明无机粘接剂在各个荧光粉颗粒处形成发光热源，从而迅速对整体荧光材料层进行同时加热，同时具有反射层的导热基板能够将荧光材料层产生的热量迅速传导出去，降低反射层的温度，因而提高所制备的波长转换装置的可靠性。

Description

波长转换装置的制备方法

技术领域

本发明涉及光电转换技术领域，具体而言，涉及一种波长转换装置的制备方法。

背景技术

随着显示和照明技术的发展，原始的LED或卤素灯泡作为光源越来越不能满足显示和照明高功率和高亮度的需求。采用固态光源如LD(LaserDiode，激光二极管)发出的激发光以激发波长转换材料的方法能够获得各种颜色的可见光，该技术越来越多的应用于照明和显示中。这种技术具有效率高、能耗少、成本低、寿命长的优势，是现有白光或者单色光光源的理想替代方案。

现有技术中的激光激发波长转换材料的光源，为了提高光利用率，多采用反射式——光经过波长转换材料片(即发光层)后入射于反射板(即反射层和基板)，然后被反射回波长转换材料片，避免因波长转换材料片的散射作用而造成光损失，以确保光沿同一方向出射。波长转换材料片一般以硅胶或树脂为填充剂将荧光粉包裹成层，而反射层选择金属反射层，如银反射层。然而，随着人们对光源发光强度需求的不断提高，在大功率激发光照射下，波长转换材料片产生大量的热。硅胶或树脂在此工作环境下迅速劣化，对空气的隔绝能力下降，使空气透过波长转换材料片与反射层接触，导致银反射层发生氧化、硫化反应而降低反射率，进而对波长转换装置的效率产生不利影响。

为了改进波长转换装置的耐热性能，有研究者将硅胶或树脂替换为玻璃粉，利用软化后的玻璃粉将荧光粉包裹成为发光玻璃层。玻璃粉的软化温度较高，在大功率激发光的照射下能够保持稳定，能够对反射镀层起到保护作用，兼具光效和稳定性好的优势。对于此结构，有两种制备方法，一是首先制备由荧光粉和玻璃粉组成的发光玻璃，然后将发光玻璃表面抛光镀银，最后将镀银的发光玻璃锡焊到导热基板上；二是直接在镀银的导热基板上烧结荧光粉与玻璃粉。

然而上述第一种制备方法工序复杂且设备要求高，不适于生产。第二种制备方法中，需要将整个波长转换装置整个放到高温炉中，为保证烧结致密度，一般要求烧结温度400℃以上，镀银层在400℃的高温一般会出现硫化氧化现象，波长转换装置的可靠性降低。因此，仍需要对现有的波长转换装置的制备方法进行改进，以提高产品的可靠性。

发明内容

本发明旨在提供一种波长转换装置的制备方法，减少制备过程中的副反应，从而提高波长转换装置的可靠性。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种波长转换装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供制备有反射层的导热基板；将荧光粉和透明无机粘接剂混合形成浆料；将浆料涂覆在导热基板的反射层上，形成波长转换层生片；利用激光对波长转换层生片进行烧结，得到波长转换装置。

进一步地，荧光粉为吸收激光并发射出比激光波长更长的光的荧光粉。

进一步地，激光为蓝光，荧光粉为吸收激光并发出可见光的荧光粉。

进一步地，无机粘接剂为透光率大于90％的玻璃粉。

进一步地，玻璃粉为软化点在300～700℃之间的低熔点玻璃粉和/或软化点在700～1200℃之间的高熔点玻璃粉。

进一步地，低熔点玻璃粉选自氧化铅体系、氧化铋体系或氧化亚锡体系中的任一种，高熔点玻璃粉选自硅酸盐体系或硼硅酸体系中的任一种。

进一步地，在利用激光对波长转换层生片进行烧结的步骤中，通过调节激光的功率密度和/或调节激光的光斑位置和光斑大小，得到与玻璃粉的软化点相适应的烧结温度。

进一步地，在利用激光对波长转换层生片进行烧结的步骤中，通过平行移动导热基板，利用激光对波长转换层生片进行烧结，得到矩形分布的波长转换装置；或者通过转动导热基板，利用激光对波长转换层生片进行烧结，得到环形分布的波长转换装置。

进一步地，烧结在空气、氮气或惰性气体气氛中进行。

进一步地，导热基板的热导率大于80W/mK。

进一步地，导热基板为金属基板或陶瓷基板；金属基板包括铝基板、铜基板或者铜铝混合基板；陶瓷基板包括氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板或氮化硼陶瓷基板。

进一步地，反射层为银反射层或铝反射层。

应用本发明的技术方案，通过将透明度高的无机粘接剂和荧光粉的混合浆料在导热基板上用激光照射的方式进行烧结，使得激光能够穿过无机粘接剂在各个荧光粉颗粒处形成荧光粉发光热源，迅速对反射层以上的荧光粉材料层加热，同时在烧结结束后通过关闭激光源切断热源，并利用导热基板在烧结过程中及烧结完成后将热量迅速导出，极大的减少了制备过程中波长转换装置的反射层处于高温的时间，防止周围环境对波长转换装置的不利影响，提高了波长转换装置的可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明的一种优选的实施例中波长转换装置的制备方法的示意图；以及

图2示出了本发明的另一种优选的实施例中波长转换装置的制备方法的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如背景技术部分所提到的，现有技术中的波长转换装置的制备方法存在波长转换装置的反射层不能承受高温，导致波长转换装置可靠性低的缺陷，为了改善上述状况，本发明提供了一种波长转换装置的制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供制备有反射层的导热基板；将荧光粉和透明无机粘接剂混合形成浆料；将浆料涂覆在导热基板的反射层上，形成波长转换层生片；利用激光对波长转换层生片进行烧结，得到波长转换装置。

本发明的上述制备方法，通过将透明度较高的无机粘接剂和荧光粉的混合浆料在导热基板上用激光照射的方式进行烧结，使得激光能够穿过无机粘接剂，在各个荧光粉颗粒处形成荧光粉发光热源，迅速对荧光材料层在激光照射方向上同时进行加热，而非仅对层体表面进行加热。而且，本发明的反射层不吸收激光，且反射层及其导热基板的较强的导热作用能够将荧光层产生的热量迅速传导出去，因而降低了反射层的温度，相比于传统加热炉对波长转换装置的整体加热烧结方式，降低了其发生硫化氧化的可能性，提高了波长转换装置的可靠性。

在本发明的上述制备方法中，激光优选为蓝光，荧光粉能够吸收激光，并受激发射出波长更长的光。相比其他激光光源，无机粘结剂对蓝光具有较低的光吸收率，使得激光能够透过无机粘结剂照射到荧光粉上，荧光粉在吸收激光后成为新的发光发热源，对其周围的无机粘接剂进行加热。本发明利用无机粘接剂与荧光粉对激光的光吸收率差异，对处于激光照射区域内的沿波长转换层厚度方向的全部无机粘接剂颗粒同时进行加热，对快速烧结的均匀性产生有利影响。相比之下，传统的激光加工一般采用红外激光，无机粘接剂和荧光粉对其具有相近的吸收效率，使得激光到达波长转换层表面后难以沿层体厚度方向传播，将导致烧结集中发生于层体表面，使得烧结的均匀性较差，甚至可能导致在底层烧结完成前，层体表面先被破坏。具体地，本发明所指的蓝光为波长400nm～480nm的光，该蓝光波长短、穿透性强，相比于波长更短的紫外光对人体的危害较小，相比于波长更长的绿光、红光，更适于激发大部分荧光粉。在本发明的其他实施方式中，也可以选用320nm～500nm的光作为烧结激光，这些激光的共同点在于，无机粘接剂与荧光粉对激光的吸收率有差异。

本发明的一个优选的实施例中，荧光粉为吸收激光发射出可见光的荧光粉。例如(Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺体系的黄色荧光粉、Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺体系的绿色荧光粉和(Sr,Ca)AlSiN₃:Eu²⁺体系的红色荧光粉，该荧光粉对上述波长的激光具有较高的光吸收率且结构稳定，制备出的波长转换装置可以用在照明、投影显示系统中。此外，该荧光粉颗粒对于蓝光激光具有散射作用，能够实现对无机粘接剂更为均匀的加热，提高波长转换装置的可靠性。

在本发明的上述制备方法中，任何透明的无机粘接剂均适用于本发明。在本发明中，优选透明的无机粘接剂为透光率大于90％的玻璃粉，由于透光率较高，使得激光能够透过粘结剂对荧光粉进行加热烧结，同时能够使得荧光粉受激发而发出的受激光在材料间传播，从而使处于任何位置的荧光粉的受热相对均匀。由于粘接剂颗粒的相互接触面有界面热阻，且对光的吸收率高于粘接剂本身对光的吸收率，因此光和热在传播过程中能够迅速穿过融为一体的粘接剂，集中在各个颗粒界面进行加热，从而加速烧结过程和提高烧结均匀性。在本发明一种更优选的实施例中，上述玻璃粉选择软化点在300～700℃之间的低熔点玻璃粉和/或软化点在700～1200℃之间的高熔点玻璃粉。低熔点玻璃粉有利于波长转换装置更快成型，而高熔点玻璃粉可以使最终制成的波长转换装置更致密，上述熔点范围内的玻璃粉具有更高的透光率，从而使荧光粉的受热更加均匀。

在本发明上述制备方法中，任何熔点在上述范围内的玻璃粉均适用于本发明，并不仅限于氧化铅体系、氧化铋体系或氧化亚锡体系中的任一种低熔点玻璃粉，也不仅限于硅酸盐体系或硼硅酸体系中的任一种高熔点玻璃粉。上述体系中的低熔点玻璃粉和高熔点玻璃粉具有透光率高，粘接性好的有益效果。

根据本发明中所使用的玻璃粉的种类以及熔点的不同，在对上述波长转换层生片进行激光烧结的步骤中，本领域技术人员可以通过对激光的功率密度、激光在波长转换层生片表面形成的光斑的位置和大小等参数中的一个或多个进行适当调整，从而得到与所用的玻璃粉的熔点温度相适应的烧结温度。激光的功率密度可以通过调节输入激光发光元件的电流来实现，而激光在波长转换层生片表面形成的光斑的位置和大小可以通过在激光光源与波长转换层生片之间设置几何光学器件来实现调节。

在本发明中，上述激光烧结的烧结气氛可以选择在空气中，也可以在氮气，惰性气体等保护性气体中实施。在保护性气体中进行烧结可以免受其他环境因素的干扰，尽可能的保证烧结的均匀性和稳定性。

本发明中，导热基板的设置使得在烧结结束、关闭激光后，波长转换装置的热量能够迅速的发散，缩短冷却时间，而且在烧结过程中也能够防止波长转换装置热量过分积聚。在本发明的教导下，本领域技术人员可以选择合适的基板作为导热基板。在本发明一种优选的实施例中，所使用的导热基板为热导率大于80W/mK的金属基板或陶瓷基板。这种导热基板能迅速把热量散发出去，降低了反射层的温度，从而使烧结得到的波长转换装置可靠性较高。

上述金属基板可以为铝基板、铜基板或者铜铝混合基板；陶瓷基板可以为氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板或氮化硼陶瓷基板。这些导热基板都具有良好的导热性能。

在本发明上述制备方法中，上述步骤均能提高烧结的均匀性达到使所制备的波长转换装置稳定和可靠性提到的效果。为了进一步提高波长转换层生片在激光烧结过程中的烧结均匀性，在本发明又一种优选的实施例中，上述基板的反射层可以为银反射层或铝反射层。此类金属反射层不吸收蓝光等激光，且反射层及其导热基板的较强的导热作用能够将荧光层产生的热量迅速传导出去，因而降低了反射层的温度，相比于传统加热炉对波长转换装置的整体加热烧结方式，降低了反射层发生硫化、氧化的可能性，从而提高了波长转换装置的可靠性。

上述具有反射层的金属基板或陶瓷基板具有很好的热传导作用，能够将局部快速升温造成的热量迅速传导出去或者反射出去，从而实现波长转换层生片烧结成型的同时，能保证波长转换装置的结构和性能的稳定性。同时，在导热基板上镀一层银反射层，能够通过反射作用将光反射回波长转换层进行双面激光烧结，使波长转换层受热更均匀，进而使所制备的波长转换装置结构更稳定。

在本发明中，当上述陶瓷基板为包含一银反射层的陶瓷基板时，陶瓷基板具有更高的导热性能和更高的光反射性。在本发明又一种优选的实施例中，提供了一种上述镀银陶瓷基板的制备方法，该方法包括以下步骤：对陶瓷基板进行表面抛光处理，得到抛光陶瓷基板；在抛光陶瓷基板表面进行镀银以及镀银保护层处理，得到含银反射层的陶瓷基板。这种方法制备的含银反射层的陶瓷基板兼具了光效高和稳定性好的优势。

在上述对波长转换层生片进行激光烧结的步骤中，还包括调整基板的移动方向和位置的步骤。当制备如图1所示的矩形结构的波长转换装置时，可通过平行移动基板，利用激光对波长转换层生片进行烧结，便可得到矩形分布的波长转换装置。当制备如图2所示的色轮结构的环形波长转换装置时，可通过转动导热基板11，利用激光器31发射的激光32对波长转换层生片进行烧结，从而得到环形分布的波长转换装置。

下面将结合具体的实施例来进一步说明本发明的有益效果。

下面结合图1和图2所示的烧结方式，详细说明矩形波长转换装置和色轮结构的环形波长转换装置的制备方法。

图1所示的波长转换装置包括矩形的导热基板11、导热基板11表面的银反射层12以及荧光层21。激光器31烧结具有升温/降温速度快，烧结温度可控，且可以实现任意大小和形状烧结的特性。

在本实施例中，制备波长转换装置的步骤具体包括：在导热基板11上镀制一层银反射层12；将荧光粉与无机粘接剂玻璃粉与有机溶剂均匀混合搅拌，制得波长转换层浆料；将波长转换层浆料涂覆在银反射层12上，蒸发掉有机溶剂，制得荧光层生片21，此时，荧光层生片21、导热基板11及其上的银反射层12构成波长转换层生片；使激光器31发出的激光光束32以大致垂直于波长转换层生片的方向照射于其表面，调整激光光束32的功率密度和光斑大小，通过平移滑块(图中未示出)平行移动波长转换装置，使激光光束32对波长转换层生片的不同区域进行激光辐照烧结，从而得到具有矩形分布的波长转换装置。在本实施例中，波长转换层生片的先被激光烧结的区域在激光离开该区域后，迅速通过底部的银反射层和导热基板将热量发散掉，在波长转换层生片内，沿纵向(垂直于波长转换层表面的方向)的热阻远小于沿横向(平行于波长转换层表面的方向)的热阻，使得在对波长转换层生片一区域进行激光烧结过程中，对附近区域的热影响较小。

如图2所示为上述实施例的变形实施例，在图2中，波长转换装置包括圆盘状导热基板11、导热基板11表面的环形反射层12以及环形的荧光层21，此外，在导热基板11底部还固定有一个马达41，用于驱动导热基板11沿其中心轴旋转。

本实施例与上述实施例类似，区别仅在于导热基板11的运动方式及反射层12和荧光层21的形状。

在含有银反射层12的导热基板11上涂覆一层透明无机粘结剂与荧光粉的混合浆料，然后调整合适功率密度和光斑大小的激光光束32，通过转动波长转换装置，激光光束32对波长转换层生片进行激光辐照烧结，同时利用激光功率密度可控的特点，调整烧结波长转换层的温度，得到适合的烧结的温度，在烧结过程中通过马达41驱动导热基板11带动反射层12和荧光层21沿中心轴转动，从而得到具有环形结构的波长转换装置。该波长转换装置可以用来作为照明、投影装置的色轮。

从上述实施例可以看出，本发明的实施例通过利用激光烧结的快速升温、降温特性，能够对由较高透明度的无机粘结剂进行封装的荧光粉进行快速烧结，除了能够降低荧光粉与透明无机粘结剂的反应可能性，还使得激光能够均匀地对荧光粉进行加热，烧结均匀性提高，从而能够最大限度实现波长转换装置的高光效和高可靠性。本发明的制备方法简单且可控性强，能够实现对任意形状的波长转换装置的烧结制备，还具有节能、成本低的优点，可实现量化生产。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种波长转换装置的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

提供具有反射层的导热基板；

将荧光粉和透明无机粘接剂混合形成浆料；

将所述浆料涂覆在所述导热基板的所述反射层上，形成波长转换层生片；以及

利用激光对所述波长转换层生片进行烧结，得到所述波长转换装置。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述荧光粉为吸收所述激光并发射出比所述激光的波长更长的光的荧光粉。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述激光为蓝光，所述荧光粉为吸收所述激光并发出可见光的荧光粉。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机粘接剂为透光率大于90％的玻璃粉。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述玻璃粉为软化点在300～700℃之间的低熔点玻璃粉和/或软化点在700～1200℃之间的高熔点玻璃粉。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述低熔点玻璃粉选自氧化铅体系、氧化铋体系或氧化亚锡体系中的任一种，和/或所述高熔点玻璃粉选自硅酸盐体系或硼硅酸体系中的任一种。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在利用激光对所述波长转换层生片进行烧结的步骤中，通过调节激光的功率密度和/或调节激光的光斑位置和光斑大小，得到与所述玻璃粉的软化点相适应的烧结温度。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在利用激光对所述波长转换层生片进行烧结的步骤中，

通过平行移动所述导热基板，利用激光对所述波长转换层生片进行烧结，得到矩形分布的波长转换装置；或者

通过转动所述导热基板，利用激光对所述波长转换层生片进行烧结，得到环形分布的波长转换装置。

9.根据权利要求1或8所述的制备方法，其特征在于，所述烧结在空气、氮气或惰性气体气氛中进行。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导热基板的热导率大于80W/mK。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述导热基板为金属基板或陶瓷基板；所述金属基板包括铝基板、铜基板或者铜铝混合基板；所述陶瓷基板包括氮化铝陶瓷基板、氧化铝陶瓷基板或氮化硼陶瓷基板。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述反射层为银反射层或铝反射层。