CN110941039B - 光反射材料、反射层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种光反射材料、反射层及其制备方法，所述光反射材料包含玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及有机载体；所述玻璃粉颗粒的粒径≤5μm，所述漫反射颗粒的粒径为0.1μm～0.2μm，所述超细纳米颗粒的粒径为0.01μm～0.05μm。本发明采用粒径大小依次递减一个数量级的玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒作为反射层的原材料，在不降低反射层与基板之间附着力的前提下，增加了反射层内可造成反射或折射的表面面积，从而获得了更优良的反射率。

Description

光反射材料、反射层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光反射材料、反射层及其制备方法，属于照明及显示技术领域。

背景技术

现有技术中，反射型无机发光色轮是一种可用于大功率激光光源装置的波长转换装置，其性能可直接影响激光光源的性能。为了提高无机发光色轮的发光性能，主要途径之一就是提高发光色轮中反射层的反射性能和导热性能。由于无机发光色轮中反射层为多孔结构，提高多孔结构中的反射表面积、细化孔径、降低厚度是提高反射性能和导热性能的主要途径。

玻璃粉是由整块玻璃块体粉碎、研磨而成的粉末，由于玻璃块中玻璃是具有刚性的结晶体，需要极大的外加剪切力(比如球磨)来使之受力粉碎、细化，玻璃粉的制造是一个由粗变细的过程。当粉末细化到一定程度时，比如1μm～2μm，很难再对这些粉末施加足够大的外力(使用大球进行球磨，受力接触面积太小，很多粉末颗粒难以受力；使用小球微球，则剪切力太小)，因此玻璃粉的最小粒径很难小于1μm。漫反射粒子如Al₂O₃、TiO₂等粉末可以使用化学合成法制备，通过控制合成、析出的速率，可以制备出尺寸和形状大小不等的粉体颗粒，目前商业用粉已经可以达到10nm～30nm的超微粉等级。

当使用玻璃粉和漫反射粒子制备反射层时，漫反射粒子和玻璃粉含量均会显著影响反射层的性能：为获得足够高的反射率，需要足够多的漫反射粒子，以获得足够的反射表面；为保证反射层内部结构连续、紧密，并使反射层可以有效附着粘接在基板之上，需要足够多的玻璃粉。然而，反射粒子含量越高，玻璃相就越难以成为连续结构，反射粒子缺少附着粘接的对象，反射层就会越疏松，容易脱落，导热性能也越差；玻璃粉含量越高，反射层的反射率就会因反射粒子的减少而降低，即这两个因素是相互矛盾的。

此外，由于加工工艺的限制，很难将更细小的颗粒分散在玻璃粉+漫反射粒子+有机载体的浆料中，因为这种浆料往往很粘稠，加入超细纳米粉后，由于超细纳米粉的比表面积很大，表面能也很大，有机载体无法有效驱赶超细纳米粉表面的空气，会造成浆料中气泡增多且难以混合，另一方面，超细纳米粉加入量较多时，还会影响烧结过程中玻璃软化后的流动和相互连接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种光反射材料、反射层及其制备方法，通过采用粒径大小依次递减一个数量级的玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒作为反射层的原材料，在不降低反射层与基板之间附着力的前提下，增加了反射层内可造成反射或折射的表面面积，从而获得了更优良的反射率。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种光反射材料，所述光反射材料包含玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及有机载体；所述玻璃粉颗粒的粒径≤5μm，所述漫反射颗粒的粒径为0.1μm～0.2μm，所述超细纳米颗粒的粒径为0.01μm～0.05μm。

优选地，所述漫反射颗粒为TiO₂，所述超细纳米颗粒为第二Al₂O₃，所述玻璃粉颗粒为硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃中的一种或多种。

优选地，所述漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0.3～8):(1～5)。

为抑制团聚现象，所述漫反射颗粒还包含第一Al₂O₃，所述TiO₂和第一Al₂O₃的质量比为(1～6):(0～4)。

优选地，所述第一Al₂O₃和第二Al₂O₃的质量比为(0～4):1。

优选地，所述TiO₂、第一Al₂O₃、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为3:2:1:4。

本发明还提供一种反射层，所述反射层包含超细纳米颗粒、漫反射颗粒以及呈网状结构的玻璃相，所述漫反射颗粒附着在玻璃相形成的网状结构表面，所述超细纳米颗粒分布在玻璃相形成的网状结构表面或者所述漫反射颗粒表面或者所述网状结构的空隙中。

优选地，至少部分所述超细纳米颗粒以团聚的形式分布在玻璃相形成的网状结构的空隙中。

优选地，所述漫反射颗粒为TiO₂，所述超细纳米颗粒为第二Al₂O₃，所述玻璃相由玻璃粉颗粒烧结形成，所述玻璃粉颗粒为硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃中的一种或多种；其中，所述TiO₂的粒径为0.1μm～0.2μm，所述第二Al₂O₃的粒径为0.01μm～0.05μm。

优选地，所述TiO₂、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0.3～8):(1～5)。

为抑制团聚现象，所述漫反射颗粒还包含第一Al₂O₃，所述TiO₂和第一Al₂O₃的质量比为(1～6):(0～4)。

本发明还提供一种反射层的制备方法，所述制备方法包含：

S11：将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨形成第一浆料；

S12：在所述第一浆料中加入玻璃粉颗粒后球磨形成第二浆料；

S13：在所述第二浆料中加入漫反射颗粒后球磨形成反射浆料；

S14：将所述反射浆料刷涂在导热陶瓷基板上烘干；

S15：将发光浆料刷涂在烘干后的所述反射浆料上并烧结，以形成由发光层、反射层以及导热陶瓷基板组成的波长转换装置；

其中，漫反射颗粒包含粒径为0.1μm～0.2μm的第一Al₂O₃和TiO₂，超细纳米颗粒包含粒径为0.01μm～0.05μm的第二Al₂O₃，所述TiO₂、第一Al₂O₃、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0～4):(0.3～8):(1～5)，所述第一Al₂O₃的粒径为0.1μm～0.2μm。

本发明还提供一种反射层的制备方法，所述制备方法包含：

S21：将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨形成第一浆料；

S22：在所述第一浆料中加入玻璃粉颗粒后球磨形成第二浆料；

S23：将漫反射颗粒分三次加入到所述第二浆料中球磨，形成反射浆料；

S24：将所述反射浆料刷涂在导热陶瓷基板上烘干；

S25：烧结烘干后的所述反射浆料，以形成由反射层以及导热陶瓷基板组成的反射板装置；

其中，漫反射颗粒包含粒径为0.1μm～0.2μm的TiO₂，超细纳米颗粒包含粒径为0.03μm的第二Al₂O₃，所述TiO₂、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为1:1:3。

综上所述，本发明采用粒径大小依次递减一个数量级的玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒作为反射层的原材料，在不降低反射层与基板之间附着力的前提下，增加了反射层内可造成反射或折射的表面面积，从而获得了更优良的反射率。

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为具有不同导热陶瓷基板的反射层反射率的对比图；

图2为本发明反射层的显微组织图；

图3为不同结构的反射层反射率的对比图。

具体实施方式

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

本发明提供一种光反射材料，所述光反射材料包含玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及有机载体。所述玻璃粉颗粒的粒径≤5μm，优选玻璃粉颗粒的粒径≤1μm；所述漫反射颗粒的粒径为0.1μm～0.2μm；所述超细纳米颗粒的粒径为0.01μm～0.05μm。

所述玻璃粉颗粒可以是不同软化点的硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃、铝硼硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、钠钙玻璃、石英玻璃中的一种或多种，由于硅酸盐玻璃的膨胀系数低，优选为硅酸盐玻璃；玻璃粉颗粒的折射率可选择现有商业玻璃粉的多种折射率。

所述漫反射颗粒可以为TiO₂、BaSO₄、Y₂O₃、ZrO₂、ZnO等材料中的一种或多种的组合，优选粒径为0.1μm～0.2μm的TiO₂。需要补充的是，当漫反射颗粒全部为TiO₂时，在烧结时TiO₂容易团聚，分散困难，从而阻碍烧结后玻璃相之间的互联，烧结后成品的导热性能和粘接性能会受到影响。

为解决上述问题，所述漫反射颗粒中还可以包含第一Al₂O₃，所述第一Al₂O₃的粒径为0.1μm～0.2μm，根据电阻式分散原理，第一Al₂O₃的加入能够有效抑制团聚现象。

所述超细纳米颗粒可以使用多种类型的超细纳米颗粒，目前已测试的结果表明性能最稳定的为Al₂O₃颗粒，即所述超细纳米颗粒优选为粒径为0.01μm～0.05μm的第二Al₂O₃。

在本发明中，当漫反射颗粒为TiO₂时，漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0.3～8):(1～5)，当漫反射颗粒还包含第一Al₂O₃时，所述TiO₂和第一Al₂O₃的质量比为(1～6):(0～4)。优选地，所述第一Al₂O₃和第二Al₂O₃的质量比为(0～4):1，更优选为，所述TiO₂、第一Al₂O₃、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为3:2:1:4。

所述有机载体选用松油醇、乙基纤维素体系。

所述光反射材料在烧结后可形成反射层。具体来说，可以将光反射材料刷涂在导热陶瓷基板之上，烧结后作为反射结构件，光反射材料形成反射结构件的反射层。进一步地，还可以在反射结构件上继续刷涂荧光粉浆料，烧结后作为反射式荧光结构(固定式和转动式)。经试验得出，上述反射层可对蓝色激光、激光激发的荧光等多种波长的光产生高效的反射效果，因此，所述光反射材料可以用于制备超薄的漫反射层、荧光色轮的反射层、蓝色激光的反射板等结构件。

所述导热陶瓷基板的材质为Al₂O₃、AlN、蓝宝石、SiC或SiN。考虑膨胀系数的匹配和热传导的需求，本发明优选AlN导热陶瓷基板。需要补充的是，导热陶瓷基板的材质的选择会影响光反射材料所形成的反射层的反射率。图1为具有不同导热陶瓷基板的反射层反射率的对比图。用分光光度计测试不同导热陶瓷基板的反射层的反射率，图中横坐标为光线波长，纵坐标为反射率百分比，由于Al₂O₃导热陶瓷基板可以将部分穿透了反射层的长波长光再反射回来，其总体反射率是稍高于AlN氮化铝导热陶瓷基板的。因此，如果热传导压力不大，膨胀系数匹配允许，选用Al₂O₃导热陶瓷基板能够提高反射结构件的反射率。

图2为本发明反射层的显微组织图。如图2所示，所述反射层包含超细纳米颗粒、漫反射颗粒以及玻璃相。具体来说，玻璃粉颗粒在烧结过程中适度软化，相互之间形成三维网状连接的玻璃相结构，呈网状结构相互连接的玻璃相其断面存在1μm～2μm大小的玻璃粉颗粒1；图中黑色箭头所指的为漫反射颗粒，其粒径为0.1μm～0.2μm，所述漫反射颗粒附着在玻璃相形成的网状结构表面；白色箭头所指的是超细纳米颗粒，所述超细纳米颗粒小部分直接分散分布在玻璃相的表面或者漫反射颗粒的表面，大部分以小团聚集即团聚的方式分布在玻璃相形成的网状结构之间的空隙中，即分散分布在玻璃相表面和漫反射颗粒表面的超细纳米颗粒少于空隙中的超细纳米颗粒。

由于光在反射层内部传播时，碰到空隙(内部为空气)以及裸露的玻璃相表面(光会由此传播进入玻璃相内部)时，会继续射入，直至碰到漫反射颗粒时才会被反射或折射，因此，反射层内部的可造成反射或折射的表面越多，其反射率就会越高。也就是说，虽然反射层的厚度能够影响反射率，但真正对反射率其决定性作用的为反射层内部的可造成反射或折射的表面面积及分布。具体来说，经试验得出，反射层厚度从80μm减薄到40μm时，仅有2％的反射率损失；而当漫反射颗粒含量越来越高时，反射层厚度在削减至10μm～20μm后仍保持较高的反射率。上述结构的反射层内部结构更紧致，空隙更小，漫反射颗粒形成的反射/折射表面更多，反射率获得提高，且由于玻璃相的分布均匀，反射层对导热陶瓷基板的附着能力也没有受到影响。本发明中的反射层通过进一步细化反射层的空隙/孔隙结构，可以有效提高反射层结构中漫反射颗粒对空隙、玻璃相表面的遮蔽性能。优选地，本发明中反射层的厚度为30μm-150μm。

本发明还提供一种上述反射层的制备方法，所述制备方法包含：

S11：将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨形成第一浆料；

S12：在所述第一浆料中加入玻璃粉颗粒后球磨形成第二浆料；

S13：在所述第二浆料中加入漫反射颗粒后球磨形成反射浆料；

S14：将所述反射浆料刷涂在导热陶瓷基板上烘干；

S15：将发光浆料刷涂在烘干后的所述反射浆料上并烧结，以形成由发光层、反射层以及导热陶瓷基板组成的波长转换装置。

其中，漫反射颗粒包含粒径为0.1μm～0.2μm的第一Al₂O₃和TiO₂，超细纳米颗粒包含粒径为0.01μm～0.05μm的第二Al₂O₃，所述TiO₂、第一Al₂O₃、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0～4):(0.3～8):(1～5)。优选地，反射层厚度为40μm～80μm。

定义采用上述制备方法制备出的反射层为实施例一，具体来说，在实施例一中，所述球磨工艺中研磨体(如氧化锆磨球)的直径为5mm～20mm，可使用多种尺寸的研磨体进行球磨。在S11中，球磨时间为4h～12h，在S12中，球磨时间为1h～2h，在S13中，球磨时间为2h～8h。在S14中，烘干温度为80℃～150℃，烘干时间为10min～45min，烘干后使得反射浆料表面平整，不开裂，表面粉末颗粒不会剥离掉落。优选地，将反射浆料刷涂成环状，从而使烧结后的波长转换装置为荧光色轮。在S15中，可根据需要采用常压、真空、保护气氛等条件在马弗炉中进行烧结，烧结温度根据玻璃粉的不同可在450℃～1200℃范围内调节，降温过程中可在300℃～800℃范围内进行退火处理，消除各结构层之中和相互之间的内应力。所述发光浆料包含荧光粉颗粒、玻璃粉颗粒以及有机载体，所述荧光粉颗粒使用各类商业LuAG、YAG类荧光粉。

在上述制备方法中，将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨，随后依次加入玻璃粉颗粒、漫反射颗粒后分别球磨，避免了在粘稠的浆料中加入超细纳米颗粒这一工序，有效的防止了超细纳米颗粒分布不均匀的问题。

本发明还提供另一种上述反射层的制备方法，所述制备方法包含：

S21：将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨形成第一浆料；

S22：在所述第一浆料中加入玻璃粉颗粒后球磨形成第二浆料；

S23：将漫反射颗粒分三次加入到所述第二浆料中球磨，形成反射浆料；

S24：将所述反射浆料刷涂在导热陶瓷基板上烘干；

S25：烧结烘干后的所述反射浆料，以形成由反射层以及导热陶瓷基板组成的反射板装置。

其中，漫反射颗粒包含粒径为0.1μm～0.2μm的TiO₂，超细纳米颗粒包含粒径为0.03μm的第二Al₂O₃，所述TiO₂、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为1:1:3。

定义采用上述制备方法制备出的反射层为实施例二，具体来说，在实施例二中，所述球磨工艺中研磨体(如氧化锆磨球)的直径为5mm～20mm，可使用多种尺寸的研磨体进行球磨。在S21中，球磨时间为4h～24h，在S22中，球磨时间为1h～4h，在S23中，球磨时间为2h～8h。在S24中，烘干温度为80℃～150℃，烘干时间为10min～45min，烘干后使得反射浆料表面平整，不开裂，表面粉末颗粒不会剥离掉落。优选地，采用丝网印刷的方式将反射浆料印刷在方形导热陶瓷基板上。在S25中，可根据需要采用常压、真空、保护气氛等条件在马弗炉中进行烧结，烧结温度根据玻璃粉的不同可在450℃～1200℃范围内调节，降温过程中可在300℃～800℃范围内进行退火处理，消除各结构层之中和相互之间的内应力。

由于反射板装置作为全反射部件，不会产生太高的热量传导，只需考虑反射率便可，因此，导热陶瓷基板的材质优选为AlN或Al₂O₃，反射层厚度优选为80μm～150μm，以获得更高反射率。

需要说明的是，也可以采用此方法制备荧光色轮，即在S24中，将反射浆料刷涂成环状，在S25中将发光浆料刷涂在烘干后的所述反射浆料上并烧结，以形成由发光层、反射层以及导热陶瓷基板组成的波长转换装置。此时，由于反射浆料中第二Al₂O₃的含量更高，其反射效果更好，但是由于第二Al₂O₃对玻璃的附着和浸润较差，厚度太厚容易被发光层的收缩影响，也会对发光层的散热有影响，因此，荧光色轮的反射层的厚度优选为20μm～40μm。

用分光光度计测试不同结构中反射层的反射率，图3为不同结构的反射层反射率的对比图。图中横坐标为光线波长，纵坐标为反射率百分比，以白色氧化铝陶瓷反射率为100％，如图3所示，现有技术反射层的厚度为80μm，实施例一反射层-厚的厚度为80μm，实施例一反射层-薄的厚度为50μm，实施例二反射层的厚度为80μm，从图中可以看出，本发明实施例中的反射层的反射率均高于现有技术中的反射层，且本发明实施例二中的反射层的反射率最高。

综上所述，本发明提供一种光反射材料、反射层及其制备方法，通过采用粒径大小依次递减一个数量级的玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒作为反射层的原材料，在不降低反射层与基板之间附着力的前提下，增加了反射层内可造成反射或折射的表面面积，从而获得了更优良的反射率。

Claims (11)

1.一种光反射材料，其特征在于，所述光反射材料包含玻璃粉颗粒、漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及有机载体；所述玻璃粉颗粒的粒径≤5μm，所述漫反射颗粒的粒径为0.1μm～0.2μm，所述超细纳米颗粒的粒径为0.01μm～0.05μm；

所述漫反射颗粒为TiO₂，所述超细纳米颗粒为第二Al₂O₃，所述玻璃粉颗粒为硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的光反射材料，其特征在于，所述漫反射颗粒、超细纳米颗粒以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0.3～8):(1～5)。

3.如权利要求1所述的光反射材料，其特征在于，所述漫反射颗粒还包含第一Al₂O₃，所述TiO₂和第一Al₂O₃的质量比为(1～6):(0～4)。

4.如权利要求3所述的光反射材料，其特征在于，所述第一Al₂O₃和第二Al₂O₃的质量比为(0～4):1。

5.如权利要求3所述的光反射材料，其特征在于，所述TiO₂、第一Al₂O₃、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为3:2:1:4。

6.一种反射层，其特征在于，所述反射层包含超细纳米颗粒、漫反射颗粒以及呈网状结构的玻璃相，所述漫反射颗粒附着在玻璃相形成的网状结构表面，所述超细纳米颗粒至少部分分布在玻璃相形成的网状结构表面或者所述漫反射颗粒表面或者所述网状结构的空隙中；所述漫反射颗粒为TiO₂，所述超细纳米颗粒为第二Al₂O₃，所述玻璃相由玻璃粉颗粒烧结形成，所述玻璃粉颗粒为硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃中的一种或多种；其中，所述TiO₂的粒径为0.1μm～0.2μm，所述第二Al₂O₃的粒径为0.01μm～0.05μm。

7.根据权利要求6所述的反射层，其特征在于，至少部分所述超细纳米颗粒以团聚的形式分布在玻璃相形成的网状结构的空隙中。

8.如权利要求6所述的反射层，其特征在于，所述TiO₂、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0.3～8):(1～5)。

9.如权利要求6所述的反射层，其特征在于，所述漫反射颗粒还包含第一Al₂O₃，所述TiO₂和第一Al₂O₃的质量比为(1～6):(0～4)，所述第一Al₂O₃的粒径为0.1μm～0.2μm。

10.一种反射层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包含：

S11：将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨形成第一浆料；

S12：在所述第一浆料中加入玻璃粉颗粒后球磨形成第二浆料；

S13：在所述第二浆料中加入漫反射颗粒后球磨形成反射浆料；

S14：将所述反射浆料刷涂在导热陶瓷基板上烘干；

S15：将发光浆料刷涂在烘干后的所述反射浆料上并烧结，以形成由发光层、反射层以及导热陶瓷基板组成的波长转换装置；

其中，漫反射颗粒包含粒径为0.1μm～0.2μm的第一Al₂O₃和TiO₂，超细纳米颗粒包含粒径为0.01μm～0.05μm的第二Al₂O₃，所述TiO₂、第一Al₂O₃、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为(1～6):(0～4):(0.3～8):(1～5)。

11.一种反射层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包含：

S21：将超细纳米颗粒与有机载体混合后球磨形成第一浆料；

S22：在所述第一浆料中加入玻璃粉颗粒后球磨形成第二浆料；

S23：将漫反射颗粒分三次加入到所述第二浆料中球磨，形成反射浆料；

S24：将所述反射浆料刷涂在导热陶瓷基板上烘干；

S25：烧结烘干后的所述反射浆料，以形成由反射层以及导热陶瓷基板组成的反射板装置；

其中，漫反射颗粒包含粒径为0.1μm～0.2μm的TiO₂，超细纳米颗粒包含粒径为0.03μm的第二Al₂O₃，所述TiO₂、第二Al₂O₃以及玻璃粉颗粒的质量比为1:1:3。

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