CN111123629A - 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

本发明涉及一种波长转换装置及其制备方法、以及采用该波长转换装置的发光装置和投影装置。该波长转换装置包括依次叠置的基板、漫反射层及红光无机发光层；所述漫反射层由反射粉与有机硅胶混合而成；所述红光无机发光层由红荧光粉与水玻璃混合固化而成。该波长转换装置耐热性好、能够承受更高的光功率密度。

Description

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，尤其涉及一种波长转换装置及其制备方法、以及采用该波长转换装置的发光装置和投影装置。
背景技术
现有技术中，采用硅胶封装荧光粉制作色轮(即波长转换装置)的发光层具有效率高、工艺简单等优点，因而硅胶成为小功率激光光源色轮的首选封装方式。但是随着光源产品的便携化发展趋势，要求光源的体积越来越小，特别是微投光源，因此色轮的体积也需不断减小，这使得色轮的发光层所承受的光功率密度不断提高，导致发光层，尤其是红色段的发光层，也即含有红荧光粉的发光层容易出现开裂发黑现象。
激发光的功率密度过高使色轮中红色段的发光层更容易出现开裂发黑现象的原因在于：含有红荧光粉的发光层由激发光激发产生红荧光的热效应最大，因而封装红荧光粉的硅胶承受的热量最大。目前，硅胶能够在200℃的条件下长期工作，而在250～300℃的条件下只能短时间工作，并且硅胶的导热率只有0.1～0.2W/mK，散热效果不佳，造成含有红荧光粉的发光层中的硅胶容易老化开裂。
发明内容
为解决现有波长转换装置中红色段发光层无法承受更高光功率密度的技术问题，本发明提供一种耐热性好、能够承受更高光功率密度的波长转换装置，其包括依次叠置的基板、漫反射层及红光无机发光层；所述漫反射层由反射粉与有机硅胶混合而成；所述红光无机发光层由红荧光粉与水玻璃混合固化而成。
在一个实施方式中，所述反射粉选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化钇中的一种或多种。
在一个实施方式中，所述红荧光粉为(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+。
在一个实施方式中，所述波长转换装置还包括保护层，所述保护层位于所述无机发光层相背于所述基板的一侧。
在一个实施方式中，所述保护层为有机硅胶膜，所述有机硅胶为苯基硅胶或者甲基硅胶。
本发明还提供一种波长转换装置的制备方法，包括以下步骤：
采用反射粉与有机硅胶的混合物在基板的一侧表面形成漫反射层；
将具有漫反射层的基板放入容器中且基板相背于漫反射层的一侧与容器底部相接触；
向容器中加入一定浓度的硝酸盐溶液；
向容器中加入红荧光粉与水玻璃的混合溶液，静置一段时间使漫反射层表面形成一层含有红荧光粉的沉积膜；及
固化沉积膜使漫反射层表面形成一层含有红荧光粉的固化膜。
在一个实施方式中，所述反射粉选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化钇中的一种或多种。
在一个实施方式中，所述硝酸盐溶液为硝酸钡溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液及硝酸铝溶液中的一种或多种。
在一个实施方式中，所述硝酸盐溶液的浓度为0.05％～0.1％。
在一个实施方式中，所述水玻璃为硅酸钾溶液、硅酸钠溶液中的一种或两种混合。
在一个实施方式中，固化所述沉积膜是通过吸取上层清液并将所述沉积膜进行烘干，使所述基板表面形成一层含有红荧光粉的所述固化膜。
在一个实施方式中，所述烘干包括步骤：先在40～80℃的温度下进行初步烘干，然后在100～200℃的温度下继续烘干。
在一个实施方式中，波长转换装置的制备方法还包括以下步骤：在所述固化膜的表面涂覆一层有机硅胶。
在一个实施方式中，所述有机硅胶为苯基硅胶或者甲基硅胶。
本发明还提供一种发光装置，包括激发光光源及上述任一实施方式中的波长转换装置。
本发明还提供一种投影装置，包括上述发光装置。
本发明提供的波长转换装置采用红光无机发光层替代现有技术中采用硅胶封装红荧光粉制作的红色段发光层，能够承受更大的激发光功率密度，有利于实现减小光源体积的市场需求，此外，获得的出射红光具有更高的色纯度和亮度。本发明提供的波长转换装置的制备方法是在低温下固化水玻璃进行封装，能够保持红荧光粉的效率不损失。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的波长转换装置的结构示意图。
图2为本发明另一实施例提供的波长转换装置的结构示意图。
图3为图1所示的波长转换装置的制备方法的流程图。
图4为本发明实施例提供的波长转换装置与采用硅胶封装荧光粉的色轮的出射红光的光通量及色坐标随激发光功率变化结果。
图5为图4中实施例提供的波长转换装置与采用硅胶封装荧光粉的色轮的出射红光在激发光功率为7.2W时的对比光谱图。
图6为图4中实施例提供的波长转换装置与采用硅胶封装荧光粉的色轮的出射红光在激发光功率为10.7W时的对比光谱图。
图7为图4中实施例提供的波长转换装置与采用硅胶封装荧光粉的色轮的出射红光在激发光功率为12.2W时的对比光谱图。
主要元件符号说明
波长转换装置 100
基板 10
漫反射层 20
红光无机发光层 30
保护层 40
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明一实施例提供的波长转换装置100的结构示意图。本实施例提供的波长转换装置100包括依次叠置的基板10、漫反射层20及红光无机发光层30。在实际应用中，基板10在马达等驱动件的带动下高速旋转，使入射的激发光入射至基板10的不同区域。当激发光入射至红光无机发光层30所在区域时，激发光能够激发红荧光材料产生红荧光，实现光的波长转换。
具体地，基板10选用导热率高的金属板，如铝板、氮化铝板、氧化铝板，此外，为了提高导热率及光反射率，还可以在铝板、氮化铝板及氧化铝板的表面镀银。由于激发光激发荧光材料产生荧光时伴随着大量的热产生，因此，基板10不仅具有承重作用，并在实际应用时高速转动，还应该具有良好的热传导效果，将激发光激发荧光材料产生荧光时伴随产生的热量快速传导扩散。
漫反射层20由反射粉与有机硅胶混合而成。反射粉选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化钇中的一种或多种。有机硅胶可以使用苯基硅胶或甲基硅胶。红光无机发光层30由红荧光粉与水玻璃混合固化而成。红荧光粉优选为(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+。水玻璃的化学式为R2O·nSiO2，式中R2O为碱金属氧化物，n为二氧化硅与碱金属氧化物摩尔数的比值，称为水玻璃的摩数。
需要说明的是，漫反射层20能够对激发光透过红光无机发光层30在基板10上形成的光斑进行一定程度的扩散，以提高红荧光粉的利用效率，增强发光效率。此外，红光无机发光层30在漫反射层20上的粘接力优于直接制作在基板10上。
请参阅图2，图2是本发明另一实施例提供的波长转换装置100的结构示意图。波长转换装置100还包括保护层40，保护层40位于红光无机发光层30相背于基板10的一侧。
具体地，保护层40为有机硅胶膜，可以是苯基硅胶或甲基硅胶，优选为苯基硅胶。
请参阅图3，图3为图1所示的波长转换装置100的制备方法的流程图。该波长转换装置100的制备方法具体包括以下步骤：
S101：采用反射粉与有机硅胶的混合物在基板10的一侧表面形成漫反射层20；
S102：将具有漫反射层20的基板10放入容器中且基板10相背于漫反射层20的一侧与容器底部相接触；
S103：向容器中加入一定浓度的硝酸盐溶液；
S104：向容器中加入红荧光粉与水玻璃的混合溶液并超声分散，静置一段时间使漫反射层20表面形成一层含有红荧光粉的沉积膜；
S105：固化沉积膜使漫反射层20表面形成一层含有红荧光粉的固化膜。
可以理解，漫反射层20表面形成的固化膜即红光无机发光层30，因此，红光无机发光层30采用的是玻璃封装红荧光粉工艺。
具体地，硝酸盐溶液可以为硝酸钡溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液及硝酸铝溶液中的一种或多种，其作用是与水玻璃形成沉淀剂，以增加红光无机发光层30的附着力。较佳地，硝酸盐溶液的浓度为0.05％～0.1％，需要说明的是，硝酸盐溶液浓度过高会降低光效，过低则使红光无机发光层30的附着力变差。
水玻璃可以是硅酸钾溶液或者硅酸钠溶液，还可以是硅酸钾与硅酸钠的混合溶液。本实施例中，水玻璃选用硅酸钾溶液，因为硅酸钾防潮稳定性好。需要说明的是，本实施例是采用沉积法，因此，硅酸钾溶液的浓度影响较大，优选为2～6％，浓度过高不利于分散，过低则导致红光无机发光层30的附着力变差。
步骤S104中，采用超声分散能够使红荧光粉与硅酸钾形成均匀的分散体系，使得沉积膜更为均匀。静置需要有足够的时间使红荧光粉与硅酸钾的混合体系沉积，同时使沉淀剂硅酸钡充分反应生成。
步骤S105中，可以通过吸取上层清液并将沉积膜进行烘干形成一层含有红荧光粉的固化膜。可以理解，上层清液采用吸取的方式需注意防止沉积膜的均匀性被破坏。
具体地，烘干沉积膜包括以下步骤：先在40～80℃的温度下进行初步烘干，然后在100～200℃的温度下继续烘干。其中，在40～80℃的温度下进行初步烘干能够使大部分水分挥发掉，并且在较低的温度下烘干能够保证沉积膜的致密性；在100～200℃的温度下继续烘干能够进一步蒸发水分，使沉积膜固化呈固化膜。本实施例中，沉积膜的烘干过程包括：先在50℃的温度下烘干1小时，然后在150℃的温度下烘干1小时。
进一步地，波长转换装置100的制备方法还包括以下步骤：S106：在固化膜的表面涂覆一层有机硅胶。可以理解，固化膜表面涂覆的一层有机硅胶即保护层40。
需要指出的是，红荧光粉一般为热稳定性较低的氮化物，600℃容易发生氧化分解，并且高温下容易与玻璃熔融液发生化学反应而损失效率，使得玻璃封装方式的应用受到极大的限制。本发明提供的波长转换装置100的制备方法是在100～200℃的低温下固化的水玻璃封装，在此低温下，红光无机发光层30能够保持红荧光粉的效率不损失。
为验证本发明实施例提供的波长转换装置100与现有技术中采用硅胶封装荧光粉色轮的出射红光在光通量及色坐标方面的性能对比情况，将现有技术中采用硅胶封装荧光粉的色轮作为标样，与本发明实施例提供的多个编号分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#的波长转换装置100分别在激发光功率为7.2W、10.7W及12.2W时测量出射红光的光通量及色坐标，结果如图4所示。
具体地，编号为1#、2#、3#的波长转换装置100的样品组成包括基板10、红光无机发光层30及保护层40，其中，基板10选用镀银铝板。需要说明的是，编号为1#、2#、3#的波长转换装置100的制备过程将步骤S101省略，直接把基板10放置于容器中，依次经过步骤S102～S106形成仅包括基板10、红光无机发光层30及保护层40的波长转换装置100。
编号为4#、5#、6#的波长转换装置100的样品组成包括基板10、漫反射层20、红光无机发光层30及保护层40。因此，编号为1#～6#的波长转换装置100具有相同的基板10、红光无机发光层30及保护层40。作为标样的硅胶封装荧光粉色轮与实施例提供的波长转换装置100相比，同样采用镀银铝板，并且在镀银铝板与硅胶封装荧光粉制备的发光层之间设置漫反射底。
进一步地，分别在激发光功率为7.2W、10.7W及12.2W时，将本发明实施例提供的编号为1#、4#的波长转换装置100与作为标样的硅胶封装荧光粉色轮的出射红光的光谱图进行比较，结果分别如图5至图7所示。
综合分析图4至图7显示的结果可知：激发光功率较低时，如光功率为7.2W时，本发明实施例提供的波长转换装置100的光通量相对于硅胶封装荧光粉色轮较低，但是随着激发光功率的提高，如光功率为10.7W及12.2W时，本发明实施例提供的波长转换装置100的光通量高于硅胶封装荧光粉色轮。因此，本发明实施例提供的波长转换装置100更适用于激发光功率密度较大的情况，可用作功率为10W左右的微投光源。
值得注意的是，本发明实施例提供的波长转换装置100的出射红光的色坐标稳定性更好，并且色纯度及亮度更高。此外，编号为4#～6#的波长转换装置100的出射红光的各项性能比标号为1#～3#的波长转换装置100更佳，原因主要在于漫反射层20能够对激发光透过红光无机发光层30在基板10上形成的光斑进行一定程度的扩散，以提高红荧光粉的利用效率，增强发光效率，此外，红光无机发光层30在漫反射层20上的粘接力优于直接制作在基板10上，能够避免镀银铝板的银层高温硫化发黑，使可靠性更高。
进一步地，本发明还提供一种发光装置，该发光装置包括激发光光源及波长转换装置100，其中，波长转换装置100具有上述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)或数码光路处理器投影机(DLP，Digital Light Processor)；也可以应用于照明系统，例如汽车照明灯、舞台灯；还可以应用于3D显示技术领域中。
进一步地，本发明还提供一种投影装置，该投影装置包括上述任一实施例的发光装置。
以上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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (16)

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括依次叠置的基板、漫反射层及红光无机发光层；所述漫反射层由反射粉与有机硅胶混合而成；所述红光无机发光层由红荧光粉与水玻璃混合固化而成。
2.如权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述反射粉选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化钇中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述红荧光粉为(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2 +。
4.如权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换装置还包括保护层，所述保护层位于所述无机发光层相背于所述基板的一侧。
5.如权利要求4所述的波长转换装置，其特征在于，所述保护层为有机硅胶膜，所述有机硅胶为苯基硅胶或者甲基硅胶。
6.一种波长转换装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用反射粉与有机硅胶的混合物在基板的一侧表面形成漫反射层；
将具有漫反射层的基板放入容器中且基板相背于漫反射层的一侧与容器底部相接触；
向容器中加入一定浓度的硝酸盐溶液；
向容器中加入红荧光粉与水玻璃的混合溶液，静置一段时间使漫反射层表面形成一层含有红荧光粉的沉积膜；及
固化沉积膜使漫反射层表面形成一层含有红荧光粉的固化膜。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述反射粉选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化钇中的一种或多种。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸盐溶液为硝酸钡溶液、硝酸钙溶液、硝酸锶溶液及硝酸铝溶液中的一种或多种。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸盐溶液的浓度为0.05％～0.1％。
10.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述水玻璃为硅酸钾溶液、硅酸钠溶液中的一种或两种混合。
11.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，固化所述沉积膜是通过吸取上层清液并将所述沉积膜进行烘干，使所述基板表面形成一层含有红荧光粉的所述固化膜。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述烘干包括步骤：先在40～80℃的温度下进行初步烘干，然后在100～200℃的温度下继续烘干。
13.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：在所述固化膜的表面涂覆一层有机硅胶。
14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述有机硅胶为苯基硅胶或者甲基硅胶。
15.一种发光装置，包括激发光光源及权利要求1～5中任一项所述的波长转换装置。
16.一种投影装置，包括权利要求15所述的发光装置。
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