CN108300473A - 一种波长转换装置及其制备方法、发光装置和投影装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种波长转换装置及其制备方法、发光装置和投影装置，该波长转换装置包括：发光陶瓷和散射颗粒，散射颗粒均匀分散在发光陶瓷中；散射颗粒粒径为10nm～5000nm，散射颗粒在波长转换装置中的体积分数为1％～60％；发光陶瓷为石榴石结构的氧化物陶瓷；发光陶瓷含有掺杂量为0.01％～1％的掺杂离子。该波长转换装置具有高热稳定性，抗光饱和现象的有益效果。

Description

一种波长转换装置及其制备方法、发光装置和投影装置
技术领域
本发明涉及照明和投影技术领域，特别是涉及一种波长转换装置及其制备方法、发光装置和投影装置。
背景技术
随着显示和照明技术的发展，原始的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(Laser Diode，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。
目前荧光粉的封装方式主要为有机硅胶封装和无机玻璃封装两种，这两种封装方式的热导率均较低(1W/(m·K)以下)，且抗热破坏温度不高，硅胶的耐受温度一般在200℃以下，玻璃的耐受温度一般在600℃以下。传统的封装方式已经不能满足目前对于大功率激发光源的应用。
现有技术中的另一种荧光粉的封装方式为陶瓷封装。例如，目前YAG发光陶瓷的封装主要有两种方式，一种是YAG荧光粉与热导粉体Al2O3混合烧结形成复合发光陶瓷，通过氧化铝来调整散射程度，提高发光陶瓷对激发光的吸收概率，但是YAG荧光粉中Ce3+掺杂浓度较高，热稳定性较差，容易在高功率蓝光激发光激发下出现发光饱和现象；另一种是采用氧化铝，氧化钇，氧化铈原料(掺杂浓度3％以上)混合烧结形成纯相发光陶瓷，此方式制备的发光陶瓷热稳定性有所提高，但是仍然存在Ce3+掺杂浓度过高，热稳定性不能满足大功率激发光的应用；同时，此种方式也可以通过造孔剂造孔控制散射程度，但是多孔的结构的发光陶瓷热导率较低，制作薄片时，结构强度较差。因此，如何提高发光陶瓷的热稳定性、避免发光效率饱和现象，同时保证发光陶瓷的良好的机械强度是本领域需要解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种具有高热稳定性、抗光饱和及高机械强度适用于大功率激发光源应用的波长转换装置。
本发明提供一种波长转换装置，包括：
所述波长转换装置包括发光陶瓷和散射颗粒，所述散射颗粒均匀分散在所述发光陶瓷中；所述散射颗粒粒径为10nm～5000nm，所述散射颗粒在所述波长转换装置中的体积分数为1％～60％；所述发光陶瓷为石榴石结构的氧化物陶瓷；所述发光陶瓷含有掺杂量为0.01％～1％的掺杂离子。
优选地，所述发光陶瓷厚度为50um～500um。
优选地，所述发光陶瓷为Ca3(Al，Sc)2Si3O12、(Gd，Tb，Y，Lu)3(Al，Ga)5O12或Y3Mg2AlSi2O12中的至少一种；所述散射颗粒为氧化铝、氧化钇、氧化镧中的至少一种。
优选地，所述掺杂离子为Ce3+；所述发光陶瓷为YAG:Ce3+发光陶瓷，所述散射颗粒为氧化铝。
优选地，所述散射颗粒粒径范围为100nm～1000nm。
本发明还提供一种波长转换装置的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照预定比例配制发光陶瓷原料；配置散射颗粒原料，所述散射颗粒原料粒径为10nm～5000nm；
步骤二：将所述发光陶瓷原料及所述散射颗粒原料在溶剂介质中混合球磨，同时加入粘结剂，使用磨球球磨，将球磨浆料进行干燥，干燥后进行研磨过筛得到粉体；使用钢模对粉体进行单轴压制，压力为5Mpa-50Mpa，保压时间30s至5min；再进行冷等静压，压力为100Mpa-300Mpa，得到预成型件；
步骤三：将得到的预成型件进行高温烧结排胶；将排胶后的生坯在高纯氮气气氛高温烧结，烧结温度为1550℃～1800℃，得到发光陶瓷，将所述发光陶瓷研磨抛光至预定厚度，得到所需结构的波长转换装置。
优选地，所述发光陶瓷原料的粒径为10nm～500nm。
优选地，所述溶剂介质为酒精；所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，分子量170000～250000；所述磨球为氧化铝磨球；所述高温烧结采用管式炉高温烧结；所述预定厚度为50um～500um。
优选地，所述原料为按照YAG：Ce3+发光陶瓷各个组分化学计量比配置的氧化钇、氧化铝和氧化铈；其中，所述YAG：Ce3+发光陶瓷Ce3+掺杂量为0.01％～1％；所述散射颗粒原料为氧化铝、氧化钇、氧化镧中的至少一种，粒径为10nm～5000nm。
本发明还提供一种发光装置，包括激发光源及上述任意一项的波长转换装置。
本发明还提供一种投影装置，包括上述的发光装置。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
本发明所提供的波长转换装置采用掺杂量较低的发光陶瓷，热稳定性高于采用荧光粉制备具有较高掺杂浓度(3％以上)的发光陶瓷；同时热稳定性也高于采用固相烧结方式、较高掺杂浓度(3％以上)的发光陶瓷；对于大功率激发光应用来说，本发明低掺杂浓度的发光陶瓷的光饱和性能高于高掺杂浓度的发光陶瓷。同时，具有一定粒径和体积比的散射颗粒能够散射激发光，提高激发光被转换的概率，实现更高的波长转换效率；并且，散射颗粒具有高于发光陶瓷基体的热导率，能提高波长转换装置的整体热导率，进一步提高波长转换装置的热稳定性。
附图说明
图1为本发明一实施例的波长转换装置的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的波长转换装置的热稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。
实施例
请参阅图1，图1为本发明一实施例的波长转换装置的结构示意图。如图1所示，波长转换装置10包括发光陶瓷12和散射颗粒11，散射颗粒11均匀分散在发光陶瓷12中。
当激发光入射到波长转换装置10后，发光陶瓷12实现对激发光的转换，散射颗粒11对激发光实现散射，散射的激发光改变传播方向，增大了被发光陶瓷的发光中心转换为受激光的概率。从整体上提高了波长转换装置的转换效率。
本实施例中，散射颗粒的粒径为10nm～5000nm，优选的，粒径范围为100nm～1000nm。此粒径的散射颗粒对可见光散射最强，散射效果最好；特别是当散射颗粒为氧化铝时，100nm～1000nm的粒径对可见光的散射效果最好。
本实施例中，发光陶瓷厚度优选为50um～500um，此时发光陶瓷的强度及发光效率都是最佳的。当发光陶瓷厚度过薄时，其强度较差；当发光陶瓷厚度过厚时，其发光损失较大，不利于发光效率的提高，同时由于热阻较高，不利于提高在大功率激发光照射下发光陶瓷的热稳定性。
本实施例中，发光陶瓷含有掺杂量为0.01％～1％的掺杂离子。本领域技术人员应当清楚，掺杂离子的比例是相对于它所替换离子的摩尔比；如1％掺杂浓度的YAG:Ce3+发光陶瓷中，Ce离子和Y离子的摩尔比为1％。本实施例中，由于采用的是直接固相烧结的制备方式，因此制备的波长转换装置的晶粒的粒径较小，相对于采用荧光粉(掺杂离子掺杂浓度高于3％)直接制备的发光陶瓷有更高的致密性和热稳定性。并且，本实施例相对于采用固相烧结并且高浓度(杂离子掺杂浓度高于3％)掺杂的发光陶瓷，同样有高于后者的热稳定性；其原因在于，采用高浓度的掺杂离子的发光陶瓷在制备过程中，烧结陶瓷中容易出现掺杂离子的浓度偏析，掺杂离子聚集在发光陶瓷的晶界处，造成掺杂离子在发光陶瓷中的浓度分布不均一，由此造成高浓度掺杂的发光陶瓷的热稳定性较差。但是掺杂浓度太低，热稳定性虽然好，但是发光强度低。因此，采用本发明掺杂量的掺杂离子，即能够保证较高的发光强度，同时也具有良好的热稳定性和抗光饱和性。本文所述的光饱和现象是指发光陶瓷实现波长转换时激发光功率提高到一定值后受激发光功率不再增加或者开始减小的现象。
本实施例中，发光陶瓷选用石榴石结构的氧化物陶瓷，如：Ca3(Al，Sc)2Si3O12、(Gd，Tb，Y，Lu)3(Al，Ga)5O12或Y3Mg2AlSi2O12中的一种均可。优选地，发光陶瓷为YAG:Ce3+发光陶瓷，其中掺杂离子为Ce3+。本实施例中，散射颗粒为氧化铝、氧化钇、氧化镧中的至少一种。优选地，散射颗粒为氧化铝。上述的散射颗粒均具有良好的热导率，如氧化铝的热导率为30W/(m·K)，而发光陶瓷的热导率为10W/(m·K)，因此能够提高波长转换装置的整体热导率，进而提高波长转换装置的热稳定性；同时，如氧化铝等的散射颗粒在YAG:Ce3+发光陶瓷同时具有粘结相的作用，能提高发光陶瓷的致密度，提高波长转换装置的强度；进一步地，形成的致密表面能为进一步加工提供条件，如可以在波长转换装置的致密表面蒸镀增透膜等。
在一个具体的实施方式中，发光陶瓷选用YAG:Ce3+发光陶瓷，其中Ce3+的掺杂量为0.5％。其发光效率随温度的变化情况如图2所示。同时，选用掺杂量为3％的YAG:Ce3+发光陶瓷作为对比例。如图2所示，掺杂量为3％的YAG:Ce3+发光陶瓷发光效率随着温度的升高发光效率降低比掺杂量为0.5％的YAG:Ce3+发光陶瓷更为明显。因此，作为低浓度掺杂的YAG:Ce3 +发光陶瓷具有更高的热稳定性，更适合于大功率的激发光源的应用。
需要说明的是，由于本发明采用原料直接固相烧结的方式制备发光陶瓷，采用高浓度的掺杂离子的发光陶瓷在制备过程中，烧结陶瓷中容易出现掺杂离子的浓度偏析，掺杂离子聚集在发光陶瓷的晶界处，造成掺杂离子在发光陶瓷中的浓度分布不均一，由此造成高浓度掺杂的发光陶瓷的热稳定性较差，容易出现光饱和现象。
本实施例波长转换装置10的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照预定比例配置发光陶瓷原料，发光陶瓷原料的粒径为10nm～500nm；配置散射颗粒原料，散射颗粒原料粒径为10nm～5000nm。这些原料粒径过小，分散较为困难，原料粒径过大，烧结动力不足，致密度难以提高。
步骤二：将所述发光陶瓷原料及所述散射颗粒原料在溶剂介质中混合球磨，同时加入粘结剂，使用磨球球磨，将球磨浆料进行干燥，干燥后进行研磨过筛得到粉体；使用钢模对粉体进行单轴压制，压力为5Mpa-50Mpa，保压时间30s至5min；再进行冷等静压，压力为100Mpa-300Mpa，得到预成型件；
步骤三：将得到的预成型件进行高温烧结排胶；将排胶后的生坯在高纯氮气气氛高温烧结，烧结温度为1550℃～1800℃，得到发光陶瓷，将所述发光陶瓷研磨抛光至预定厚度，得到所需结构的波长转换装置。
本实施例中，溶剂介质为酒精；粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，分子量170000～250000；磨球为氧化铝磨球；高温烧结采用管式炉高温烧结；研磨抛光的预定厚度为50um～500um。
在一个具体的实施方式中，原料为按照YAG：Ce3+发光陶瓷各个组分化学计量比配置的氧化钇、氧化铝和氧化铈；其中，YAG：Ce3+发光陶瓷Ce3+掺杂量为0.01％～1％；散射颗粒原料为氧化铝，粒径为10nm～5000nm。具体的过程为，称取5.7059g粒径为50nm的Y2O3(纯度99.99％)、4.8094g粒径为50nm的Al2O3(纯度99.99％)，在20g的酒精介质中混合球磨，同时加入0.4g聚乙烯醇缩丁醛(PVB，分子量170000～250000)做陶瓷粘结剂，使用氧化铝磨球球磨4h～12h后，将球磨浆料于70℃进行干燥，干燥结束后将得到的粉末进行研磨过筛，先使用钢模进行单轴压制，压力为5Mpa-50Mpa，保压时间30s至5min，再将预成型件进行冷等静压，压力为100Mpa-300Mpa。将得到的预成型件进行高温烧结排胶，以去除生坯中的有机物(主要为粘结剂等)，排胶温度为600℃～1000℃，时间为4h～10h。将排胶后的生坯在管式炉中进行高温烧结，以得到所需结构的发光陶瓷。烧结时通有高纯氮气气氛(5N)，烧结温度为1550℃～1800℃，时间为2h～12h。本实施方式中，原料中过量的粒径为50nm的氧化铝作为散射颗粒原料。
在另一个具体的实施方式中，称取5.7059g粒径为50nm的Y2O3(纯度99.99％)、4.2941g 50nm的Al2O3(纯度99.99％)和0.4294g粒径2um的Al2O3(纯度99.99％)在20g的酒精介质中混合球磨，同时加入0.4g聚乙烯醇缩丁醛(PVB，分子量170000～250000)做陶瓷粘结剂，使用氧化铝磨球球磨4h～12h后，将球磨浆料于70℃进行干燥，干燥结束后将得到的粉末进行研磨过筛，先使用钢模进行单轴压制，压力为5Mpa-50Mpa，保压时间30s至5min，再将预成型件进行冷等静压，压力为100Mpa-300Mpa。将得到的预成型件进行高温烧结排胶，以去除生坯中的有机物(主要为粘结剂等)，排胶温度为600℃～1000℃，时间为4h～10h。将排胶后的生坯在管式炉中进行高温烧结，以得到所需结构的发光陶瓷。烧结时通有高纯氮气气氛(5N)，烧结温度为1550℃～1800℃，时间为2～12h。本实施方式中，散射颗粒选用了粒径为2um的氧化铝。
本发明还提供了一种发光装置，该发光装置包括激发光源和波长转换装置，其中波长转换装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该发光装置可以应用于投影、显示系统，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)或数码光路处理器(DLP，DigitalLight Processor)投影机；也可以应用于照明系统，例如汽车照明灯；也可以应用于3D显示技术领域中。
本发明还提供了一种投影系统，该投影系统包括发光装置和投影装置，其中所述发光装置可以具有上述发光装置的结构与功能。
以上所述仅为本发明的实施方式，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 (11)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：
所述波长转换装置包括发光陶瓷和散射颗粒，所述散射颗粒均匀分散在所述发光陶瓷中；所述散射颗粒粒径为10nm～5000nm，所述散射颗粒在所述波长转换装置中的体积分数为1％～60％；
所述发光陶瓷为石榴石结构的氧化物陶瓷；
所述发光陶瓷含有掺杂量为0.01％～1％的掺杂离子。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述发光陶瓷厚度为50um～500um。
3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述发光陶瓷为Ca3(Al，Sc)2Si3O12、(Gd，Tb，Y，Lu)3(Al，Ga)5O12或Y3Mg2AlSi2O12中的至少一种；
所述散射颗粒为氧化铝、氧化钇、氧化镧中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述掺杂离子为Ce3+；所述发光陶瓷为YAG:Ce3+发光陶瓷，所述散射颗粒为氧化铝。
5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述散射颗粒粒径范围为100nm～1000nm。
6.一种波长转换装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按照预定比例配制发光陶瓷原料；配置散射颗粒原料，所述散射颗粒原料粒径为10nm～5000nm；
步骤二：将所述发光陶瓷原料及所述散射颗粒原料在溶剂介质中混合球磨，同时加入粘结剂，使用磨球球磨，将球磨浆料进行干燥，干燥后进行研磨过筛得到粉体；使用钢模对粉体进行单轴压制，压力为5Mpa-50Mpa，保压时间30s至5min；再进行冷等静压，压力为100Mpa-300Mpa，得到预成型件；
步骤三：将得到的预成型件进行高温烧结排胶；将排胶后的生坯在高纯氮气气氛高温烧结，烧结温度为1550℃～1800℃，得到发光陶瓷，将所述发光陶瓷研磨抛光至预定厚度，得到所需结构的波长转换装置。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述发光陶瓷原料的粒径为10nm～500nm。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所溶剂介质为酒精；
所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛(PVB)，分子量170000～250000；
所述磨球为氧化铝磨球；
所述高温烧结采用管式炉高温烧结；
所述预定厚度为50um～500um。
9.根据权利要求6～7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述原料为按照YAG：Ce3+发光陶瓷各个组分化学计量比配置的氧化钇、氧化铝和氧化铈；其中，所述YAG：Ce3+发光陶瓷Ce3+掺杂量为0.01％～1％；
所述散射颗粒原料为氧化铝、氧化钇、氧化镧中的至少一种，粒径为10nm～5000nm。
10.一种发光装置，其特征在于，包括激发光源及权利要求1～5中任意一项所述的波长转换装置。
11.一种投影装置，其特征在于，包括如权利要求10所述的发光装置。
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