CN109854980B - 激光激发产生白光照明光源用荧光片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光激发产生白光照明光源用荧光片及其制备方法，该荧光片包括由上至下依次设置的微球层、荧光胶层、金属镜面反射层以及基材层，所述金属镜面反射层覆盖于所述基材层表面，所述荧光胶层涂覆于所述金属镜面反射层表面，所述微球层由均匀排列的单层微球构成，各微球底部均粘接在所述荧光胶层上，所述微球的直径为10‑1000微米，所述微球的折射率为1.8‑2.2，所述荧光胶层的厚度与所述微球直径的比为0.01‑0.1。本发明的激光激发产生白光照明光源用荧光片产生的白光的定向性好，发散角小，亮度高，更适应于汽车远光灯等照明场合的的应用。

Description

激光激发产生白光照明光源用荧光片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光照明技术领域，尤其涉及一种激光激发产生白光照明光源用荧光片及其制备方法。

背景技术

随着半导体技术的进步，半导体照明发展迅速，在很多领域，半导体照明已经完全取代了常规照明。在汽车照明领域，汽车近光灯已经完全由LED灯取代了过去的卤素灯。然而，在远光灯应用上，LED灯由于亮度不高，照明效果跟卤素灯、氙灯相比差别不大，优势并不明显，因此，人们开始考虑用更高亮度的半导体激光来设计远光灯。半导体激光器具有高亮度、体积小、寿命长、功率转换效率高等优点，特别是连续大功率紫外，蓝光激光器研制成功，成本日益降低，使得激光应用到显示技术、照明技术成为了可能，更使得激光应用到汽车照明领域的前景一片光明。

基于激光的汽车远光灯的实现方案主要有两种类型：一种为直接的红绿蓝三基色激光合成白光，另一种为单色激光，蓝色或者紫外，激发荧光片形成白光(如图1)。前者亮度高，远光灯投射距离可达极远距离，但色温随温度变化大，光路复杂，成本高，性价比低。后者方案简单，成本低，光束投射距离满足实际远光灯照明需要，比目前LED，氙灯远光灯照明效果好，性价比优势明显。

采用激光激发荧光片方案的关键点是获得高亮度的白光二次光源。由于激光激发荧光片后获得白光具有各向同性的特征，为标准余弦发射体，发散角极大，其亮度因此也远低于激光光源的亮度。然而，远光灯的照明效果又主要取决于光源的亮度，因此，提高激光激发荧光片后发射白光的亮度成为关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光激发产生白光照明光源用荧光片及其制备方法，旨在用于解决现有的激光激发荧光片形成白光的方案获得的白光发散角大，亮度低的问题。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种激光激发产生白光照明光源用荧光片，包括由上至下依次设置的微球层、荧光胶层、金属镜面反射层以及基材层，所述金属镜面反射层覆盖于所述基材层表面，所述荧光胶层涂覆于所述金属镜面反射层表面，所述微球层由均匀排列的单层微球构成，各微球底部均粘接在所述荧光胶层上，所述微球的直径为10-1000微米，所述微球的折射率为1.8-2.2，所述荧光胶层的厚度与所述微球直径的比为0.01-0.1。

进一步地，所述基材层采用高导热系数的材料。

进一步地，所述基材层为金属材料，所述金属镜面反射层由所述基材层表面经过抛光处理得到。

进一步地，所述金属镜面反射层为镀于所述基材层表面的具有镜面反射功能的金属层。

进一步地，所述金属镜面反射层的材料为金或铝。

进一步地，所述荧光胶层的材料为胶原料与荧光粉原料的混合物，所述胶原料为环氧树脂、硅树脂、油墨胶粘剂、紫外固化胶中的一种，所述荧光粉原料为黄色YAG荧光粉、黄色TAG荧光粉、绿色铝酸盐荧光粉、红色硅酸盐荧光粉、红色氮化物荧光粉中的一种或多种。

进一步地，所述微球的材料为SiO₂、PbO、TiO₂、BaO、Bi₂O₃、La₂O₃、ThO₂，Nb₂O₅、Ta₂O₅、Na₂O中的一种金属氧化物或其中多种金属氧化物形成的玻璃相物质。

另一方面，本发明还提供一种上述的激光激发产生白光照明光源用荧光片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将表面覆盖有金属镜面反射层的基材层材料切割成方片，清洗，烘干；

(2)将胶原料与荧光粉原料均匀混合得到荧光胶，将荧光胶均匀涂覆在方片的金属镜面反射层上，加热至半固化状态，得到荧光胶层；

(3)将折射率为1.8-2.2，直径为10-1000微米的微球清洗，烘干；

(4)将多个微球置于平面上获得紧密均匀排列的单层微球层；

(5)将步骤(4)获得的单层微球层转移至荧光胶层上，均匀施加压力，然后热固化荧光胶。

进一步地，所述步骤(2)中荧光胶分两步涂覆、固化，先将荧光胶均匀涂覆在方片的金属反射层上，加热固化，得到荧光胶层一，在制作的荧光胶层一上再次涂覆荧光胶，加热至半固化状态，得到荧光胶层二，荧光胶层一与荧光胶层二合起来为所需要的荧光胶层，荧光胶层一与荧光胶层二的厚度之比为1:1。

进一步地，所述步骤(5)中，通过胶带将单层微球层转移至荧光胶层上，热固化荧光胶后，剥离胶带。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种激光激发产生白光照明光源用荧光片及其制备方法，当激光光束垂直入射到荧光片上时，荧光片表层的微球将入射到每个微球上的激光光束汇聚到该微球底部的荧光胶层中间厚度位置附近，激光激发荧光胶层中的荧光粉发光，该发光为各向同性的自发辐射，荧光胶层背后的金属镜面反射层将后向发光反射成前向发光提高亮度。激光汇聚点激发荧光粉发射的白光以及镜面反射的白光将入射进入微球，通过微球折射，以定向性较高的小角度光束出射，临界角外的光线将进入旁边的微球并折射出射，出射角度也小于入射角度，从而产生的白光的定向性好，发散角小，亮度高，更适应于汽车远光灯等照明场合的的应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光激发荧光片照明装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光激发产生白光照明光源用荧光片的层状结构示意图；

图3为激光入射到微球光线示意图；

图4为单球情况下荧光粉发射白光光线示意图；

图5为多球情况下荧光粉发射白光光线示意图；

图6为微球层结构图；

图7为微球层与荧光胶层结构图；

图8为荧光胶层结构图。

附图标记说明：1-半导体激光器、2-分波片、3-荧光片、4-热沉、31-微球层、311-微球、32-荧光胶层、321-荧光胶层一、322-荧光胶层二、33-金属镜面反射层、34-基材层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光激发产生白光照明光源用荧光片，用于激光激发荧光片照明装置，如图1所示，该装置包括半导体激光器1、分波片2、荧光片3以及热沉4，如图2所示，为本发明实施例提供的荧光片，该荧光片3为层状结构，包括由上至下依次设置的微球层31、荧光胶层32、金属镜面反射层33以及基材层34，所述金属镜面反射层33覆盖于所述基材层34表面，所述荧光胶层32涂覆于所述金属镜面反射层33表面，所述微球层31由均匀排列的单层微球311构成，各微球311底部均粘接在所述荧光胶层32上，各微球紧密排布且高度一致，不存在重叠的现象，如图6和图7所示。所述微球311的直径为10-1000微米，优选为50-100微米，所述微球311的折射率为1.8-2.2，所述荧光胶层32的厚度与所述微球311直径的比为0.01-0.1，优选为0.05。上述参数的选择可以保证激光经过微球311汇聚后，光束焦点位于荧光胶层32厚度的中间位置，从而保证折射的效果，以获得白光的定向性好，发散角小，亮度高，

本发明实施例提供的这种激光激发产生白光照明光源用荧光片的工作原理如下：如图3至图5所示，当激光光束垂直入射到荧光片3上时，荧光片3表层的微球311将入射到每个微球311上的激光光束汇聚到该微球311底部的荧光胶层32中间厚度位置附近，激光激发荧光胶层32中的荧光粉发光，该发光为各向同性的自发辐射，荧光胶层32背后的金属镜面反射层33将后向发光反射成前向发光提高亮度。激光汇聚点激发荧光粉发射的白光以及镜面反射的白光将入射进入微球311，通过微球311折射，以定向性较高的小角度光束出射，临界角外的光线将进入旁边的微球311并折射出射，出射角度也小于入射角度，从而产生的白光的定向性好，发散角小，亮度高，更适应于汽车远光灯等照明场合的的应用。

优化上述实施例，所述基材层34采用高导热系数的材料，例如硅、铜、铝、氮化铝陶瓷等，使得基材层34可以高效散热，避免荧光粉淬灭。

所述金属镜面反射层33的材料为具有镜面反射功能的金属，例如金或铝等。作为实施方式之一，所述金属镜面反射层33和所述基材层34为同一种金属材质，例如铝，所述金属镜面反射层33可以由所述基材层34表面经过抛光处理得到，达到真空镀膜镜面标准，制作较简单。作为另外一种实施方式，所述金属镜面反射层33和所述基材层34为不同材质，所述金属镜面反射层33可以为镀于所述基材层34表面的具有镜面反射功能的金属层，具体采用真空镀膜方法，以基材层34为衬底，在上面沉积具有镜面反射功能的金属层。

细化上述实施例，所述荧光胶层32的材料为胶原料与荧光粉原料的混合物，所述胶原料为环氧树脂、硅树脂、油墨胶粘剂、紫外固化胶中的一种，所述荧光粉原料为黄色YAG荧光粉、黄色TAG荧光粉、绿色铝酸盐荧光粉、红色硅酸盐荧光粉、红色氮化物荧光粉中的一种或多种。

进一步细化上述实施例，所述微球311的材料为SiO₂、PbO、TiO₂、BaO、Bi₂O₃、La₂O₃、ThO₂，Nb₂O₅、Ta₂O₅、Na₂O中的一种金属氧化物或其中多种金属氧化物形成的玻璃相物质，这些材料在激光波长、白光波长范围内都具有较高的透光率。

本发明实施例还提供一种上述的激光激发产生白光照明光源用荧光片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将表面覆盖有金属镜面反射层33的基材层34材料切割成方片，清洗，烘干。

表面具有金属镜面反射层33的基材层34材料可以直接购置或者自行制作，具体制作方法如下：当金属镜面反射层33和基材层34为同一种金属材质，可以将所述基材层34表面经过抛光处理，达到真空镀膜镜面标准，即可得到金属镜面反射层33；当金属镜面反射层33和基材层34为不同材质，可以采用真空镀膜方法，以基材层34为衬底，在上面沉积具有镜面反射功能的金属层，即可得到金属镜面反射层33。

(2)将胶原料与荧光粉原料均匀混合得到荧光胶，将荧光胶均匀涂覆在方片的金属镜面反射层33上，加热至半固化状态，得到荧光胶层32。

荧光胶层32可以一次性涂覆、固化，也可以分两步涂覆、固化，涂覆的方式可以采用覆涂、旋涂或者喷涂的方式。如图8所示，分两步涂覆、固化时，先将荧光胶均匀涂覆在方片的金属反射层上，加热固化，得到荧光胶层一321，在制作的荧光胶层一321上再次涂覆荧光胶，加热至半固化状态，得到荧光胶层二322，荧光胶层一321与荧光胶层二322合起来为所需要的荧光胶层32，且所述荧光胶层一321与所述荧光胶层二322的厚度之比为1:1，方便让微球311底部位于荧光胶层32厚度中间位置上方，从而保证激光经过微球311汇聚后，光束焦点可以位于荧光胶层32厚度的中间位置。

(3)将折射率为1.8-2.2，直径为10-1000微米的微球311清洗，烘干。

(4)将多个微球311置于平面上获得紧密均匀排列的单层微球层31。

微球311排列之后，还可以通过显微镜目检微球311是否为单层排列，无缺陷。

(5)将步骤(4)获得的单层微球层31转移至荧光胶层32上，均匀施加压力，然后热固化荧光胶。

可以通过胶带将单层微球层31转移至荧光胶层32上，热固化荧光胶后，剥离胶带，转移方便。

需要说明的是，上述各步骤的顺序不做限定，可以根据实际情况调换。

下面以两个具体的实施例说明上述制备方法。

实施例1：

(1)购置覆有镜面反射金膜的0.5毫米厚硅片，切割成20毫米乘20毫米的方片作为金属反射层与高导热基材层，清洗，烘干，待用。

(2)将热固化胶与黄色YAG荧光粉均匀混合得到荧光胶，然后将荧光胶旋涂在硅片上，加热固化，得到荧光胶层一，固化后的厚度为5微米，该荧光胶层一的厚度为设计荧光胶层厚度的一半。

(3)购置折射率为1.9，直径为200微米的Pb-Na-Si玻璃相微球，清洗，烘干，待用。

(4)在水平板上振动、挤压获得均匀排列的单层微球层，通过显微镜目检微球为单层排列，无缺陷。

(5)在步骤(2)制作的荧光胶层一上再次旋涂荧光胶，加热至半固化状态，得到荧光胶层二，通过胶带转移步骤(4)获得的单层微球层至荧光胶层二上，均匀施加压力，然后热固化荧光胶，剥离胶带，固化后荧光胶层二厚度为5微米，两次固化后的荧光胶层一与荧光胶层二合起来为所需要的荧光胶层。

实施例2：

(1)购置2毫米厚铝片材，切割成20毫米乘20毫米的方片，抛光成镜面，除油清洗，烘干，待用，抛光、切割后的方形铝片同时为金属反射层与高导热基材层。

(2)将热固化胶与黄色TAG荧光粉、绿色铝酸盐荧光粉均匀混合得到荧光胶，然后将荧光胶旋涂在铝片的抛光面上，加热固化，得到厚度为2微米的荧光胶层一。

(3)购置折射率为2.2，直径为40微米的Ti-Bi-Be玻璃相微球，清洗，烘干，待用。

(4)将微球单层排满容器底面，将单层排满容器底面的微球分散在水相中，利用超声清洗机实现均匀排列，蒸发水相，通过显微镜目检微球为单层排列，无缺陷。

(5)在步骤(2)制作的荧光胶层一上再次旋涂荧光胶，加热至半固化状态，得到荧光胶层二，通过胶带转移步骤(4)获得的单层微球层至荧光胶层二上，均匀施加压力，然后热固化荧光胶，剥离胶带，固化后荧光胶层二的厚度为2微米，两次固化后的荧光胶层一与荧光胶层二合起来为所需要的荧光胶层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种激光激发产生白光照明光源用荧光片，包括荧光胶层以及基材层，其特征在于：还包括设置于荧光胶层上方的微球层以及设置于荧光胶层与基材层之间的金属镜面反射层，所述金属镜面反射层覆盖于所述基材层表面，所述荧光胶层涂覆于所述金属镜面反射层表面，所述微球层由均匀排列的单层微球构成，各微球底部均粘接在所述荧光胶层上，所述微球的直径为10-1000微米，所述微球的折射率为1.8-2.2，所述荧光胶层的厚度与所述微球直径的比为0.01-0.1。

2.如权利要求1所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片，其特征在于：所述基材层采用高导热系数的材料。

3.如权利要求1所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片，其特征在于：所述基材层为金属材料，所述金属镜面反射层由所述基材层表面经过抛光处理得到。

4.如权利要求1所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片，其特征在于：所述金属镜面反射层为镀于所述基材层表面的具有镜面反射功能的金属层。

5.如权利要求1所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片，其特征在于：所述金属镜面反射层的材料为金或铝。

6.如权利要求1所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片，其特征在于：所述荧光胶层的材料为胶原料与荧光粉原料的混合物，所述胶原料为环氧树脂、硅树脂、油墨胶粘剂、紫外固化胶中的一种，所述荧光粉原料为黄色YAG荧光粉、黄色TAG荧光粉、绿色铝酸盐荧光粉、红色硅酸盐荧光粉、红色氮化物荧光粉中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片，其特征在于：所述微球的材料为SiO₂、PbO、TiO₂、BaO、Bi₂O₃、La₂O₃、ThO₂，Nb₂O₅、Ta₂O₅、Na₂O中的一种金属氧化物或其中多种金属氧化物形成的玻璃相物质。

8.一种如权利要求1-7任一所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将表面覆盖有金属镜面反射层的基材层材料切割成方片，清洗，烘干；

(2)将胶原料与荧光粉原料均匀混合得到荧光胶，将荧光胶均匀涂覆在方片的金属镜面反射层上，加热至半固化状态，得到荧光胶层；

(3)将折射率为1.8-2.2，直径为10-1000微米的微球清洗，烘干；

(4)将多个微球置于平面上获得紧密均匀排列的单层微球层；

(5)将步骤(4)获得的单层微球层转移至荧光胶层上，均匀施加压力，然后热固化荧光胶。

9.如权利要求8所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中荧光胶分两步涂覆、固化，先将荧光胶均匀涂覆在方片的金属反射层上，加热固化，得到荧光胶层一，在制作的荧光胶层一上再次涂覆荧光胶，加热至半固化状态，得到荧光胶层二，荧光胶层一与荧光胶层二合起来为所需要的荧光胶层，荧光胶层一与荧光胶层二的厚度之比为1:1。

10.如权利要求8所述的激光激发产生白光照明光源用荧光片的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，通过胶带将单层微球层转移至荧光胶层上，热固化荧光胶后，剥离胶带。

Images