CN110118312A - 波长转换装置 - Google Patents

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王艳刚
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Abstract

本发明的目的是一种波长转换装置，其包括：基板；漫反射层，其位于所述基板上；以及发光层，其位于所述漫反射层上；其中，所述发光层用于接收激发光的照射并将激发光转换为波长不同于激发光的受激光，所述漫反射层用于反射穿过所述发光层的所述激发光和所述受激光，其中，在所述发光层中，使用有机硅胶封装第一荧光粉颗粒，其中，在所述漫反射层中包含有第一玻璃粉与漫反射颗粒的混合物。

Description

波长转换装置
技术领域
本发明涉及一种波长转换装置。
背景技术
在照明显示区域里，激光光源是近年来的研发热点。由于红色激光和绿色激光的光电转换效率低，导致红色激光和绿色激光的成本一直居高不下，而且由于其散热不良且和光斑较散的问题严重，因此用于发出红绿蓝色激光的激光光源迟迟无法被市场接受。
基于此，使用激光远程激发荧光粉以获得可见光的技术应运而生，并迅速地发展了起来，成为当前激光显示市场的主流。
在现有技术中，在制造激光光源中的光学转换装置即荧光色轮时，主要是通过使用硅胶封装荧光粉来制备该荧光色轮。这种色轮往往采用银膜/铝膜高反射基板作为反射底板。然而，由于金属膜在大功率激光的条件下工作寿命较低，因此逐渐进化为采用硅胶封装反射粒子来制备漫反射层，从而替代使用金属膜作为光反射层。另外，由于重量和硅胶附着的问题，一般都使用铝制基板作为反射底板。这种色轮称为有机色轮，其特点在于发光效率高，但由于有机物能够承受的激光功率有限，很容易被烧毁或由于迅速老化而降低功能，因此总的光通量往往不高。
为了使有机色轮能够承受更大功率激光的照射，以获得更高的总光通量，现有技术使用玻璃封装荧光粉来制造无机色轮。在无机色轮中，通过使用玻璃封装荧光粉形成发光层，通过使用玻璃封装漫反射粒子形成反射层，采用氮化铝陶瓷作为基板。发光层、反射层和陶瓷基板通过共同烧结而结合在一起。在无机色轮中均采用高耐热性的无机材料，可以承受大功率激光照射，因此能够获得更高的总光通量。
然而，技术人员对中高功率的激光光源进行测试后发现，无机荧光色轮的发光效率要比有机色轮低许多，其性能低的主要原因在于无机色轮中的发光层。在无机荧光色轮中，通过玻璃来封装发光层中的荧光粉。与有机色轮发光层中用于封装的硅胶材料相比，玻璃的优点是耐热性高，缺点是烧结过程中容易产生气泡，且透光性能明显弱于硅胶。所以无机荧光色轮中发光层的光萃取性能要弱于有机色轮中的发光层，从而导致无机色轮的发光效率要低于有机色轮。
因此，目前期望能够提供一种结合了有机色轮和无机色轮中优点的波长转换装置。
发明内容
基于上述目的，本发明期望提供一种波长转换装置，其包括：基板；漫反射层，其位于所述基板上；以及发光层，其位于所述漫反射层上；其中，所述发光层用于接收激发光的照射并将激发光转换为波长不同于激发光的受激光，所述漫反射层用于反射穿过所述发光层的所述激发光和所述受激光，其中，在所述发光层中，使用有机硅胶封装第一荧光粉颗粒，其中，在所述漫反射层中包含有第一玻璃粉与漫反射颗粒的混合物。
本发明提供一种复合型波长转换装置，其中，采用了使用有机硅胶封装的发光层、无机漫反射层与无机陶瓷基板，由此得到的波长转换装置既具有使用了有机硅胶的发光层高光效的特点，又具有无机漫反射层与无机陶瓷基板的高热导率和高耐热性能，由此能够制备出适用于中高功率激光光源且具有高光效的波长转换装置。
应当理解，本发明的有益效果不限于上述效果，而可以是本文中说明的任何有益效果。
附图说明
图1是本发明中波长转换装置实施例1的结构示意图。
图2是说明表层富集致密玻璃层的多孔漫反射层结构的示意图。
图3是本发明中波长转换装置的实施例2的结构示意图。
图4是本发明中波长转换装置的实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图详细说明根据本发明的各具体实施例。需要强调的是，附图中的所有尺寸仅是示意性的并且不一定是按照真实比例图示的，因而不具有限定性。
如图1所示，本发明的波长转换装置101包括基板201、漫反射层202和发光层203，其中，基板201为环形或扇形，漫反射层202设置在基板201上，且发光层203位于漫反射层202上。电动机102与基板201的中心相连接，从而驱动波长转换装置旋转。下文中对波长转换装置的各部分进行详细说明。
发光层203
发光层203是波长转换装置101中用于接收激发光的照射并将激发光转换为波长不同于激发光的受激光的部分。这里的激发光可以为固态光源发出的光，如LED光、激光二极管光、激光器光，也可以为本发明的申请日前公开的任何其他光源光。
在发光层203中，通过有机硅胶来封装荧光粉颗粒，从而获得有机发光层。其中，荧光粉颗粒的粒径为2-20μm，优选为15-17μm。该荧光粉可以是黄色、绿色、橙色、红色等各类商用荧光粉中的一种，或两种以上的混合粉。
当发光层203包括用于发出不同颜色光的多个色段时，该不同色段中所使用的有机硅胶材料是不同的。例如：在用于发出绿光的绿色色段中，当荧光粉为绿色LuYAG荧光粉时，硅胶材料选择与该绿色LuYAG荧光粉相匹配的高折射率透明硅胶a。将该透明硅胶a和该绿色LuYAG荧光粉颗粒配置为浆料，经过搅拌、脱泡和陈化处理后，通过印刷或刷涂的方式形成为发光层202一个扇形或圆环形发光层的一个分段，在经过低温固化、高温固化两个阶段后，获得发光层202的绿色色段。
同理，在用于发出黄光的黄色色段中，当荧光粉为黄色YAG荧光粉时，硅胶材料选择与黄色YAG荧光粉相匹配的低折射率透明硅胶b。然而本发明并不限于此，在另一实施方式中，硅胶a和硅胶b也可以是同样具有高折射率的透明硅胶或同样具有低折射率的透明硅胶。
由于现有技术中使用玻璃封装荧光粉，但玻璃发光层的烧结性能限制了该无机发光层的光效性能。这是因为，当通过玻璃粉和荧光粉混合后烧结形成发光层时，烧结后的内部气孔难以去除。
而在本发明的波长转换装置中使用有机硅胶来封装荧光粉颗粒，因此在制备过程中可通过在真空环境下围绕一个中心点以类似于行星旋转的方式搅动混合了荧光粉的有机硅胶，从而能够使其固化后的透光性能比无机发光层更优秀。
漫反射层202
漫反射层202中包含有漫反射颗粒和粘结剂，漫反射颗粒为漫反射层中具有反射功能的颗粒，而粘接剂用于粘结散射颗粒以形成漫反射层202。
粘结剂包括玻璃无机粘结剂。在本实施例中，将漫反射颗粒与无机粘结剂按比例混合后烧结得到漫反射层。
漫反射颗粒通常表观为白色粉末/颗粒，为盐类、氧化物或氮化物粉末，包括例如氧化铝、二氧化钛、氮化铝、氧化镁、氮化硼、氧化锌、氧化锆、硫酸钡等超白单体粉末颗粒，或者至少两种上述粉末颗粒的混合体，用于对光进行散射/反射。此外，这些漫反射材料基本上不会对光进行吸收，并且性质稳定，不会在高温下氧化或分解。
在本发明中，例如可采用Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒作为漫反射颗粒，并使用硅酸盐玻璃粉颗粒和乙基纤维素作为漫反射颗粒的有机载体。其中，Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒的粒径为0.05μm-0.5μm，优选为0.1-0.2μm，玻璃粉的粒径为1-3μm，优选为2μm。Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒的质量比值为1:5-1:1，优选为1:2-1:1。Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒总量与玻璃粉的质量比值优选为1:1～1:2。
虽然上述说明中记载了使用Al2O3纳米颗粒和TiO2纳米颗粒的混合物作为漫反射颗粒，但也可以仅使用其中的一种颗粒作为漫反射颗粒。
漫反射层202具有多孔结果，其内部孔隙最小尺寸为0.1-0.2μm，该最小内部孔隙尺寸与Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒的粒径相同。该最大内部孔隙尺寸为1-5μm。
在现有技术中，由于漫反射层具有多孔结构，在其表面刷涂发光层浆料并进行固化时，高温会使漫反射层孔隙中的气体侵入有机发光层中，或富集于反射层和发光层的界面中，造成气泡缺陷。
而在本发明中，由于采用的玻璃粉颗粒粒径是无机漫反射颗粒粒径的5-10倍，具有这种结构的漫反射层在烧结过程中，熔融的玻璃液相会加强流动性，并通过虹吸作用在反射层的表面富集，形成一层致密的表层玻璃结构。
如图2所示，当硅胶发光层浆料刷涂在漫反射层202上并加热固化时，漫反射层内部的受热挥发气体会因为致密玻璃表层的阻挡而从漫反射层的侧面逃逸挥发，因此不会导致发光层的边界和内部产生气泡。
另外，由于本发明中采用了无机漫反射层，因此其在热导率和耐热性能方面都优于现有技术中硅胶漫反射层。而且漫反射层通过烧结与基板结合在一起，其界面热导率较高，因此本发明中的波长转换装置比有机色轮能够承受更高强度的激光照射。
基板201
基板201包括陶瓷基板、金属基板以及陶瓷金属混合基板，根据漫反射层材料的不同而选择使用不同的基板。基板一方面作为反射层和发光层的承载板，另一方面作为发光层的散热结构。
其中金属基板包括但不限于铜基板、铜合金基板、铝基板。
陶瓷基板为致密结构的基板，不具有多孔结构，并例如由氧化铝、蓝宝石、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氮化硼或者氧化铍等陶瓷材料构成。这些陶瓷材料的热导率在80W/(m·K)以上，且熔点基本上在2000℃以上，因此陶瓷基板在实现导热的同时，还可以耐受较高的温度。当然，在对陶瓷基板的热导率要求不是很高的场合中，陶瓷基板也可以采用其他种类的陶瓷板制成。
陶瓷金属混合基板包括例如铝-氮化铝基板。
下面说明制造本发明中波长转换装置的工艺过程：
首先，将漫反射颗粒与有机载体的混合浆料进行充分混合之后，通过丝网印刷法印刷在基板201上，印刷的混合浆料厚度为约50～120μm。然后在加热台或烘箱中使表面干燥之后，放入马弗炉中烧结，烧结温度为650～980℃，由此在基板201的表面上获得漫反射层202。
接着，将有机硅胶和荧光粉颗粒的浆料经过搅拌、脱泡和陈化处理后，印刷或刷涂在漫反射层202层上。在该印刷或刷涂的过程中，可以将同一颜色的荧光粉刷成一个完整的圆环，也可以刷成圆环中的一段为黄色、一段为红色等的分段式硅胶发光层。然后，经过低温固化、高温固化两个阶段，由此在漫反射层202上获得发光层203。
在完成上述两个工艺过程之后，就完成了波长转换装置的制备。
基于上述内容，本发明中的波长转换装置采用了有机硅胶发光层与无机漫反射层相结合的结构，从而能够同时获得高光效的特征以及高热导率和高耐热性能，适用于中高功率激光光源。
另外，由于在本发明的漫反射层中，玻璃粉颗粒粒径是无机漫反射颗粒粒径的5-10倍，从而能够在漫反射层的表面形成一层致密的表层玻璃结构。该玻璃结构能够阻挡漫反射层内部的挥发气体，使该挥发气体从漫反射层的侧面逃逸，而不会影响发光层的边界和内部。
图3是本发明中波长转换装置的实施例2的结构示意图。该实施例2与实施例1的区别在于：在漫反射层202和发光层203之间设置有玻璃层202a。在说明实施例2时，将漫反射层202中使用的玻璃粉称为第一玻璃粉，将玻璃层202a中使用的玻璃粉称为第二玻璃粉。
如实施例1中所述，在漫反射层的表面能够形成一层致密的表层玻璃结构。具体来说，在上述实施例1中通过控制漫反射层202中包含的玻璃粉的颗粒和漫反射颗粒的粒径大小，在漫反射层表面形成一致密玻璃层。
然而，在上述实施例1中实际形成的玻璃层的连续性和平整度并不十分理想，也不能满足在印刷或涂刷发光层203时在连续性和平整度方面的制备要求。因此，在实施例2中，可在漫反射层202的表面上额外设置一层玻璃层，即将第二玻璃粉的颗粒和有机载体混合并通过丝网印刷等方式在漫反射层202的表面上还形成有玻璃层202a。在此，为了避免二次烧结对漫反射层202的内部结构的影响，需要选择第二玻璃粉使其软化点温度和烧结温度小于漫反射层202中第一玻璃粉的软化点温度和烧结温度。
玻璃层202a是设置在漫反射层202的表面上的平整、稳定且连续的玻璃层，用以隔绝漫反射层202中孔隙对发光层203的影响。另外为了减少玻璃层202a对导热效果的影响，玻璃层202a的厚度可设置为10-20μm。下面具体说明形成实施例2中波长转换装置的工艺过程。
首先，形成漫反射层202：将漫反射颗粒与包含有第一玻璃粉颗粒的有机载体的混合浆料进行充分混合之后，通过丝网印刷法印刷在基板201上，印刷的混合浆料厚度约为50～120μm。然后在加热台或烘箱中使印刷有混合浆料的基板201的表面干燥之后，放入马弗炉中烧结，烧结温度为650～980℃，由此在基板201的表面上获得漫反射层202。
其次，形成玻璃层202a：配置硅酸盐的第二玻璃粉的颗粒和有机载体的混合浆料，其中，第二玻璃粉的颗粒粒径优选为1μm，且软化点比漫反射层202中的第一玻璃粉低50～100℃。通过丝网印刷法将该混合浆料刷涂在漫反射层202的表面上，刷涂的混合浆料的厚度约为20～30um。在加热台或烘箱中使刷涂有该混合浆料的漫反射层202的表面干燥之后，放入马弗炉中烧结，烧结温度为550～880℃，即比形成漫反射层202的烧结温度低大约50～100℃，从而在漫反射层202上获得玻璃层202a。考虑到烧结之后会收缩，因此烧结后玻璃层202a的厚度约为10～20μm。
在本发明的一个变形例中，可在形成玻璃层202a之后增加平坦化步骤，即对玻璃层202a进行平整度处理，使得玻璃层202a的表面平整度更好，进一步提高与发光层203的粘接可靠性。
接着，形成发光层203：将有机硅胶和荧光粉颗粒的浆料经过搅拌、脱泡和陈化处理后，印刷或刷涂在玻璃层202a上。在该印刷或刷涂的过程中，可以将同一颜色的荧光粉刷成一个完整的圆环，也可以刷成圆环中的一段为黄色、一段为红色等的分段式硅胶发光层。然后，经过低温固化、高温固化两个阶段，由此在所述玻璃层202a上获得发光层203。
在本实施例2中，通过在漫反射层202和发光层203之间设置有玻璃层202a，能够进一步提高漫反射层202的表面的平整度、稳定性及连续性，从而在发光层203的烧结过程中能够通过该玻璃层202a进一步隔绝漫反射层202中的孔隙对发光层203的影响。
图4是本发明中波长转换装置的实施例3的结构示意图。该实施例3与实施例1的区别在于：在漫反射层202和发光层203之间设置有无机玻璃发光层202b。在说明实施例3时，将漫反射层202中使用的玻璃粉称为第一玻璃粉，将无机玻璃发光层202b中使用的玻璃粉称为第二玻璃粉，同时，将发光层203中使用的荧光粉称为第一荧光粉，将无机玻璃发光层202b中使用的荧光粉称为第二荧光粉。
在此实施例3中，由于在漫反射层202的表面上设置了无机玻璃发光层202b，使得无需在漫反射层202的表面上析出玻璃层就能够隔绝漫反射层202中孔隙对发光层203的影响。而且该无机玻璃发光层202b还能够解决长波长荧光粉的耐热性和导热性。
下面具体说明形成实施例3中波长转换装置的工艺过程。
首先，形成漫反射层202：将Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒、第一硅酸盐玻璃粉颗粒、乙基纤维素有机载体的第一混合浆料充分混合之后，通过丝网印刷法印刷在荧光陶瓷上，其中，印刷的混合浆料厚度为约50～120μm。然后在加热台或烘箱中60-150℃使印刷有该第一混合浆料的表面干燥，由此获得未烧结的漫反射层202。
接着，形成无机玻璃发光层202b：将第二硅酸盐玻璃粉颗粒、第二荧光粉、乙基纤维素有机载体的第二混合浆料充分混合之后，通过丝网印刷法将该第二混合浆料刷涂在表面已经干燥的未烧结的漫反射层202上，然后在烘箱中以80-150℃的温度使印刷有该第二混合浆料的漫反射层202的表面干燥，由此形成未烧结的无机玻璃发光层202b。
将以上制备的样品放入马弗炉中烧结，烧结温度为650～980℃，由此获得由下至上依次为基板201、无机漫反射层202层、无机玻璃发光层202b的结构。
然后，形成发光层203：将硅胶和第一荧光粉颗粒配置为浆料，在对浆料进行搅拌、脱泡和陈化处理后，将浆料印刷或刷涂在无机玻璃发光层202b上。然后，经过低温固化、高温固化两个阶段，获得发光层203。
形成漫反射层202时，所使用的Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒的粒径为优选为0.2μm，所使用的第一玻璃粉颗粒的粒径优选为1-3μm。Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒的质量比值为2:3，Al2O3纳米颗粒、TiO2纳米颗粒总量与第一玻璃粉的质量比值优选为1:1。
在形成无机玻璃发光层202b时，所使用的第二玻璃粉与第二荧光粉的质量比优选为1:1以上。这是因为高玻璃粉含量能够保证发光层203中玻璃的完全浸润，能够使发光层203的表面光滑、无气泡或孔隙。
在本实施例3中所使用的第一荧光粉和第二荧光粉的粒径为2-20μm，优选为15-17μm。其中，第一荧光粉和第二荧光粉的组合分为下述两种组合：
1).第一荧光粉是用于发出短波长光的黄色荧光粉，其用于制备发光层203，第二荧光粉是用于发出长波长光的黄色荧光粉，其烧结形成无机玻璃发光层202b。
使用该组合的目的在于，第一荧光粉发出短波长光的发光性能更好，其通过硅胶封装，能够获得更好的发光效果，第二荧光粉发出发热量高的长波长光，适于形成耐热性和导热性更好的无机玻璃发光层202b。
2).第一荧光粉是红色荧光粉，其用于制备发光层203，第二荧光粉是黄色或绿色荧光粉，其烧结形成无机玻璃发光层202b。使用该组合的原因在于，目前红色荧光粉难以和玻璃烧结在一起，但黄色或绿色荧光粉可以和玻璃烧结在一起。在颜色调配的不同需求下，该组合可以有更好的适应性。
在实施例3中，由于在无机漫反射层202的表面上覆盖了有无机玻璃发光层202b，因此无需在该漫反射层202的表面上析出玻璃层就能够漫反射层内部的挥发气体。在本实施例3中，优选使漫反射层202与无机玻璃发光层202b的结合表面紧密结合。
形成漫反射层202的第一玻璃粉和形成无机玻璃发光层202b的第二玻璃粉可为同一种玻璃粉。如果该第一玻璃粉和第二玻璃粉使用不同种类的玻璃粉，则第二玻璃粉的软化点不高于第一玻璃粉的软化点。
通过该实施例3的构造，设置在漫反射层202和发光层203之间的无机玻璃发光层202b能够隔绝漫反射层202中孔隙对发光层203的影响，而无需在漫反射层202的表面上析出玻璃层。
在图3所示的实施例2和图4所示的实施例3中，除与玻璃层202a和玻璃发光层202b相关的特征之外，也可以使用实施例1中的相关特征。例如基板201可包括陶瓷基板、金属基板以及陶瓷金属混合基板等关于基板201中的特征。再例如，印刷或刷涂发光层203时，可将同一颜色的荧光粉刷成一个完整的圆环，也可以刷成圆环中的一段为黄色、一段为红色等的分段式硅胶发光层。再例如，漫反射层202可使用Al2O3纳米颗粒和TiO2纳米颗粒的混合物或其中的一种颗粒作为漫反射颗粒。
上述举例说明仅是示例性的，实施例2和3中还可采用在说明实施例1时详细说明且不与该实施例2和3中特征相冲突的其他特征，只要该实施例1-3中特征的组合不背离本发明的精神，都应当考虑落入本发明的范围内。
本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其他因素，可以在本发明随附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合以及改变。

Claims (13)

1.一种波长转换装置，其包括：
基板；
漫反射层，其位于所述基板上；以及
发光层，其位于所述漫反射层上；
其中，所述发光层用于接收激发光的照射并将激发光转换为波长不同于激发光的受激光，所述漫反射层用于反射穿过所述发光层的所述激发光和所述受激光，
其中，在所述发光层中，使用有机硅胶封装第一荧光粉颗粒，
其中，在所述漫反射层中包含第一玻璃粉与漫反射颗粒。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述第一玻璃粉与所述漫反射颗粒的粒径比为1:5-1:10。
3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其还包括：设置在所述漫反射层和所述发光层之间的玻璃层，所述玻璃层包含第二玻璃粉。
4.根据权利要求3所述的波长转换装置，其中，所述第二玻璃粉的软化点比所述第一玻璃粉的软化点低50～100℃。
5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其还包括：设置在所述漫反射层和所述发光层之间的玻璃发光层，所述玻璃发光层包括第三玻璃粉和第二荧光粉。
6.根据权利要求5所述的波长转换装置，其中，所述第三玻璃粉与所述第二荧光粉的质量比为1:1以上。
7.根据权利要求5所述的波长转换装置，其中，所述第一荧光粉发出的受激光的波长比所述第二荧光粉发出的受激光的波长长。
8.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述漫反射颗粒的粒径为0.05μm-0.5μm，优选为0.1-0.2μm，所述第一玻璃粉的粒径为1-3μm，优选为2μm。
9.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述漫反射层的内部孔隙的最小尺寸为0.1-0.2μm，最大尺寸为1-5μm。
10.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述第一荧光粉颗粒的粒径为2-20μm，优选为15-17μm。
11.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述漫反射颗粒与所述第一玻璃粉的质量比值为1:1～1:2。
12.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述发光层为同一颜色的荧光粉形成的一个完整圆环，或为由不同颜色的段组成的分段式发光层。
13.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，当所述发光层包括多个颜色色段时，不同色段中所使用的所述有机硅胶的材料相同或不同。
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