CN112180663A - 光转换轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光转换轮，其包括至少一种无机转换材料，用于至少部分地将第一波长的光转换成第二波长的光；和至少一个转换基底，其特征在于，所述转换器基底在20–300℃的范围的热膨胀系数CTEKS为4‑18×10‑61/K，优选地5‑15×10‑61/K，特别优选地5‑10×10‑61/K，并且在20℃的导热系数为至少50W/mK，优选地100W/mK，特别优选地150W/mK。本发明还涉及用于制造光转换轮的方法及其用途。

Description

光转换轮
技术领域
本发明涉及光转换轮，所述光转换轮包括至少一种无机转换材料，用于至少部分地将第一波长的光转换成第二波长的光；和至少一个转换基底，其特征在于，所述转换基底在20-300℃的热膨胀系数CTEKS为4×10-6-18×10-61/K、优选地5×10-6-15×10-6 1/K、特别优选地5×10-6-10×10-6 1/K，并且在20℃的导热系数为50W/mK、优选地100W/mK、特别优选地150W/mK。
本发明还涉及一种用于制造所述光转换轮的方法及其用途。
背景技术
光转换组件由光转换材料和转换基底构成。光转换材料典型地是光致发光材料，也称为荧光体(phosphor)、光转换器或者荧光转换器，其吸收第一波长的光并发射第二波长的光。在此情况下，光转换材料由具有第一波长的初级辐射光源激发。在此情况下，来自初级辐射光源的光由光转换材料至少部分地转换成具有第二波长的二次辐射并发射出去。除了机械稳定性，转换基底还用于散热以及光反射。
已知的光致发光转换器包含在黏结材料中的荧光体(“黏结剂中的荧光体”–PIB)，例如，其中，黏结材料可以是硅酮(“硅酮中的荧光体”–PIS)或者玻璃(“玻璃中的荧光体”–PIG)。可替换地，光致发光转换器可以是陶瓷光致发光转换器。在此情况下，陶瓷可以完全由荧光体构成，使得不需要黏结材料。虽然弹性PIS材料能够例如通过印刷方法直接施加至转换基底，但是由陶瓷或者玻璃组成的刚性转换环通常通过粘接来施加。
光转换器适用于静态或者动态布置。光转换器的动态应用构成快速旋转的所谓转换轮，使得转换材料移动通过来自初级辐射源的光点。
已知的转换轮由具有中心孔的圆形铝板作为转换轮基底和光转换材料构成。在此情况下，光转换材料可以是环状的或者由环段组成。
WO 2016/161557 A1描述了例如包含陶瓷转换材料的转换轮。除了多孔陶瓷转换材料，还包括在转换材料背向激发光一侧上的高反射层以及在面向激发光一侧上的填充层，填充层设置有至少一个光学层，例如抗反射层。
这种类型的转换轮通常用作投影器中的光源的部分，但也适用于其他高功率光源。在这种光源中，它们连接至通常以至少7200r/min旋转的电动机。通过使蓝色发射激光辐射到光致发光转换器上，光致发光转换器然后将蓝色光转换成黄色或者绿色光来产生光并且将其发射。在此情况下，部分的入射光能转换成转换材料中的热。激光功率为几百瓦时，可以获得的温度远超过100℃。热需要尽可能有效地从转换器中散发出来，以避免光转换材料中温度过分升高，因为在转换材料中，转换效率随温度的升高而降低。在此，该效应可归因于所谓的“热猝灭”。
尤其可能成为问题的是，取决于转换材料，转换器的热量会导致转换材料的破坏。
在静态应用中，转换器不移动。在此，转换器的热量也会导致转换材料的破坏。在此尝试通过联接至转换材料的散热片来散发光转换处理期间产生的热。例如由金属、如铜或铝组成或由陶瓷、如氮化铝或氧化铝组成的具有良好导热系数的材料能够用作散热片。
肖特公司的专利申请DE 10 2015 113 562 A1公开了静态转换器-散热片复合材料，其中，光转换材料通过用作散热片的金属连接连接至转换基底。所述的光学转换器包括铜基底，例如，通过Au/Ag焊料将光学转换材料施加至铜基底。
如所解释的，转换器的热量会导致转换材料或转换器本身的破坏。由于所选择的转换基底和光转换材料具有不同的热膨胀系数，因此在光转换器的加热期间，特别是在转换轮的加热期间，会产生应力，该应力会导致转换器损坏。特别是如果陶瓷转换材料经受拉应力，则存在破坏的风险。例如对于工作温度T，如果光转换器在温度T0<T时没有应力，并且如果转换基底的热膨胀系数大于陶瓷转换材料的热膨胀系数，则会出现这种破坏。此外，在粘接的转换组件的情况下，高的工作温度会导致用于连接转换基底和转换材料的粘合剂层失效。这种失效可能是粘合强度的降低，结果转换材料从转换基底脱落。例如，在用硅酮粘接的情况下，观察到这种失效机制。在用环氧树脂粘接的情况下，粘合剂会发生变色，结果，由于吸收了所产生的部分光，因此降低了转换组件的转换效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供没有上述缺点的光转换器。特别地，意图是提供即使在高温下也具有高的热稳定性的转换器。
该目的通过光转换轮实现，光转换轮包括至少一种无机转换材料，用于至少部分地将第一波长的光转换成第二波长的光；和转换基底，其特征在于，转换基底的热膨胀系数CTEKS为4×10-6至18×10-6 1/K、优选地5×10-6至15×10-6 1/K、特别优选地5×10-6至10×10-6 1/K，并且在20℃的导热系数为至少50W/mK、优选地100W/mK、特别优选地150W/mK。
已经发现，即使在高温下，这种类型的转换轮在转换基底与转换材料之间也具有相对较低的热应力，所述热应力低于转换材料的断裂强度。
在本发明的含义内，热膨胀系数(CTE)描述了在温度变化的情况下材料尺寸的变化，并且基于特定物质的热膨胀效应。具体参考线性热膨胀系数α，其根据以下公式(I)定义：
Figure BDA0002566806340000031
在本发明的含义内，热膨胀系数根据DIN 51045(1998)确定。转换轮包括至少一个转换基底。合适的转换基底原则上可以是应用于转换轮的具有足够机械和热负荷能力的所有材料。
根据本发明，转换基底的热膨胀系数CTEKS为4×10-6至18×10-6 1/K、优选地5×10-6至15×10-6 1/K、特别优选地5×10-6至10×10-6 1/K。根据本发明，规定的CTE指代20-300℃范围内的膨胀系数。
在本发明的一个优选的实施例中，转换基底包含至少一种陶瓷K1、至少一种金属M1或者至少一种陶瓷-金属复合材料KM。
在本申请的含义内并且如以下更详细描述的，“陶瓷K1”和“陶瓷K2”是这样的材料，其包含一种或多种无机的非金属固体材料或者由其组成。特别优选地，陶瓷K1是无机、非金属及多晶的材料。
在本发明的含义内并且如以下更详细描述的，“金属M1”、“金属M2”、“金属M2A”和“金属M2B”是金属材料，其包含一种或多种金属和/或半金属或者由一种或者多种金属和/或半金属组成。其还包含由两种或多种不同的金属和/或半金属组成的合金，还包含有由两种或多种金属和/或半金属组成的层压材料和材料复合物。
优选的陶瓷K1选自由氮化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝、碳化铝、碳化硅、AlSiC、AlSi、氧化铍和CuC及其两种或多种的混合物组成的组；优选地，至少一种陶瓷K1是氮化铝。
根据本发明的金属M1除了金属本身之外还包括由两种或多种不同的金属组成的合金，以及由两种或多种不同的金属组成的层压材料。
优选的金属M1选自由金属铁、钨、钼、铬、铜、金、钴、镍、硅或者其两种或多种组成的合金组成的组，以及层压材料或者其他材料复合物、如Cu/MoCu/Cu(PMC)、WCu、Cu/Mo/Cu/Mo/Cu(S-CMC)或Cu/Mo/Cu(CMC)，优选地是铁、铜、或铬、钼、钨或其两种或多种组成的合金，特别优选地是铁、镍或铜，特别优选地是铁。
优选的材料复合物的一个实例是钨-铜(WCu)。其是具有异质结构的复合材料。通过压制和烧结钨粉，例如生产多孔坯料(blank)，然后将其浸入液态铜中以封闭剩余的孔，来生产WCu。
本领域技术人员清楚，基本包含一种金属或由两种或多种金属组成的合金的金属M1还可以包含金属和/或非金属添加剂和/或杂质，例如4wt％的碳。
在其它优选的实施例中，转换基底包含陶瓷-金属复合材料KM，陶瓷-金属复合材料KM优选地包含至少一种陶瓷K2以及至少一种金属M2。
在此情况下，选择至少一种陶瓷K2和至少一种金属M2以及所得复合材料中K2和M2的比例(例如通过相应材料的层厚度)，使得所得复合材料KM的导热系数和CTE在根据本发明的范围内。
优选地，至少一种陶瓷K2选自氮化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝、碳化铝、碳化硅、AlSiC、AlSi、氧化铍、CuC和氧化铝组成的组的陶瓷，优选地是氧化铝和氮化铝，特别优选地是氧化铝。
优选的金属M2选自铝、铁、钨、钼、铬、铜、金、钴、镍、硅或者其两种或多种组成的合金，层压材料如Cu/MoCu/Cu(PMC)、WCu、Cu/Mo/Cu/Mo/Cu(S-CMC)或Cu/Mo/Cu(CMC)，优选地是铁、铜、铬、钼、钨或其两种或多种组成的合金，特别优地是铁、镍或铜。
优选地，至少一种金属M2是铜。
在一个优选的实施例中，陶瓷-金属复合材料KM是层复合材料，也就是说，具有具体厚度d1的第一材料的第一层上施加了具有具体厚度d2的至少一额外的第二层，第二层的材料不同于第一材料。优选地，层复合材料包括至少两层，特别优选地至少三层，非常特别优选地是三层。在本发明的含义内，这种由三层组成的复合材料在下文中也称为“夹层复合材料"。
在一个优选的实施例中，陶瓷-金属复合材料KM是夹层复合材料，优选地包括由第一金属M2A组成的第一层、接着是由陶瓷K2组成的第二层以及由第二金属M2B组成的第三层，其中，金属M2A和M2B相同或不同。金属M2A和M2B优选地是相同的。在此情况下，M2A和M2B优选地是Cu或Al，特别优选地Cu。优选地，陶瓷K2是氮化铝或者氧化铝，特别优选地氧化铝。这种类型的夹层复合材料是商业可获得的，例如为Rogers公司的陶瓷基底
Figure BDA0002566806340000055
如以上解释的，根据本发明的转换基底的热膨胀系数CTEKS为4×10-6至18×10-61/K、优选地5×10-6至15×10-61/K、特别优选地5×10-6至10×10-61/K。根据本发明，规定的CTE指代20-300℃范围内的膨胀系数。
在本发明的含义内，热膨胀系数(CTE)描述了在温度变化的情况下材料尺寸的变化，并且基于特定物质的热膨胀效应。具体参考线性热膨胀系数α，其根据以下公式(I)定义：
Figure BDA0002566806340000051
在转换基底包括多于一种的材料的实施例中，表述“热膨胀系数”指的是整个转换基底的平均热膨胀系数。
如果转换基底是例如陶瓷-金属层复合材料，所述陶瓷-金属层复合材料由包括陶瓷K2的至少一层和包括金属M2的至少一层组成，则平均热膨胀系数
Figure BDA0002566806340000052
如下计算：
Figure BDA0002566806340000053
其中，符号含义如下：
Figure BDA0002566806340000054
是转换基底的热膨胀系数CTEKS的平均值；
αK2是陶瓷K2的热膨胀系数[1/K]；
αM2是金属M2的热膨胀系数[1/K]；
EK2是陶瓷K2的弹性模量[GPa]；
EM2是金属M2的弹性模量[GPa]；
dK2是陶瓷K2的层厚度[m]；
dM2是金属M2的层厚度[m]。
如果在该实例中复合材料总层数多于两层，例如为具有层顺序Cu-氧化铝-Cu的夹层结构，则dM2指代由两个单独Cu层厚度所得的总铜层厚度。
本领域技术人员清楚，取决于使用的不同材料，公式能够根据期望进行扩展。在这方面，包括两个金属层M2A和M2B以及一个陶瓷层K2的复合材料的平均CTEKM可以如下计算：
Figure BDA0002566806340000061
其中，符号含义如下：
Figure BDA0002566806340000062
是转换基底的平均热膨胀系数CTEKS的平均值；
αK2是陶瓷K2的热膨胀系数[1/K]；
αM2A是金属M2A的热膨胀系数[1/K]；
αM2B是金属M2B的热膨胀系数[1/K]；
EK2是陶瓷K2的弹性模量[GPa]；
EM2A是金属M2A的弹性模量[GPa]；
EM2B是金属M2B的弹性模量[GPa]；
dK2是陶瓷K2的层厚度[m]；
dM2A是金属M2A的层厚度[m]；
dM2B是金属M2B的层厚度[m]。
在本发明的一个优选的实施例中，选择转换基底和至少一种转换材料，使得至少一种转换材料的热膨胀系数CTEKM和至少一个转换基底的热膨胀系数CTEKS之间的差为：
CTEKM-CTEKS＝-5×10-6 1/K至2×10-6 1/K，优选地-3.5×10-6 1/K至2×10-6 1/K。
根据本发明，因此至少一个转换基底的CTEKS高于至少一种转换材料的CTEKM，优选地差值达5×10-6 1/K，优选地差值达3.5×10-6 1/K，并且比CTEKM低，差值达2×10-6 1/K。
至少一种光转换材料优选地是热膨胀系数CTEKM在6.5×10-6至8.5×10-6 1/K范围的转换材料，优选地是陶瓷光转换材料。
根据本发明，转换基底的导热系数为至少50W/mK、优选地100W/mK、特别优选地150W/mK。
导热系数优选地通过激光闪光法根据ASTM E 1461-01(2001)来确定。
如果转换基底是包含多于一种材料的基底，则具体的导热系数指的是转换基底的平均导热系数。
如果转换基底是例如由陶瓷K2和金属M2组成的陶瓷-金属层复合材料，则平均导热系数
Figure BDA0002566806340000071
根据以下公式计算：
Figure BDA0002566806340000072
其中，符号含义如下：
Figure BDA0002566806340000073
是陶瓷-金属复合材料KM的平均导热系数；
λK2是陶瓷K2的导热系数[W/mK]；
λM2是金属M2的导热系数[W/mK]；
dK2是陶瓷K2的层厚度[m]；
dM2是金属M2的层厚度[m]。
本领域技术人员清楚，取决于使用的不同材料，公式能够根据期望进行扩展。在这方面，包括由M2A和M2B组成的两个金属层以及一个陶瓷层K2的复合材料的平均导热系数
Figure BDA0002566806340000074
可以如下计算：
Figure BDA0002566806340000075
其中，符号含义如下：
Figure BDA0002566806340000076
是陶瓷-金属复合材料KM的平均导热系数；
λK2是陶瓷K2的导热系数[W/mK]；
λM2A是金属M2A的导热系数[W/mK]；
λM2B是金属M2B的导热系数[W/mK]；
dK2是陶瓷K2的层厚度[m]；
dM2A是金属M2A的层厚度[m]；
dM2B是金属M2B的层厚度[m]。
如果在该实例中复合材料的总层数多于两层，例如为具有层顺序Cu-氧化铝-Cu的夹层结构，则dM2指代两个单独Cu层厚度所得的总铜层厚度。
选择各层的厚度，使得获得根据本发明的平均导热系数和平均CTE的陶瓷-金属复合材料。
转换基底相对较小的厚度可以对转换轮的重量和惯性矩产生积极的影响，由此可以为转换轮选择更弱(weaker)进而通常更成本有效的电动机。然而，转换基底的厚度选择过小具有不利影响，因为由此降低转换基底中的横向散热进而降低冷却能力。为了提高冷却能力尤其是在相对薄的转换基底的情况下，散热片例如能够安装在转换轮的后侧。在当前情形中，转换轮的后侧优选地指代转换轮未施加转换材料的一侧。例如，在DE 10 2014102 350 A1中描述了这种包含散热片的转换轮。下面提及的转换基底的总厚度没有考虑这些。
转换基底通常的总厚度小于3mm、优选地小于2.5mm、特别优选地小于2.0mm并且优选地小于1.75mm，且大于0.3mm、优选地大于0.5mm、特别优选地大于1.0mm。在一个特别优选的实施例中，至少一个转换基底的总厚度小于或者等于1.5mm。
根据本发明，光转换器包括至少一种无机转换材料。转换材料用作至少部分地将第一波长的入射激发光转换成第二波长的光。
合适的转换材料包括陶瓷转换材料(下文也称为光电陶瓷(optoceramic))或者这样的转换材料，其中荧光体颗粒嵌入无机基质中，优选地“玻璃中的荧光体”(PIG)、“陶瓷中的荧光体”(PIC)或者“无机物中的荧光体”(PII)。
优选地，无机转换材料是陶瓷转换材料，下文还称为“光电陶瓷”，特别优选地掺杂石榴石荧光体。合适的陶瓷转换材料及其制备例如描述于肖特公司的专利申请DE 10 2013100 832和EP 3505503中。
根据本发明的陶瓷转换材料优选地是单相、多孔、优选多晶的光电陶瓷，其包括陶瓷相A3B5O12，其中A选自元素Y、Gd、Lu及其组合组成的组，B选自元素Al、Ga及其组合组成的组，光电陶瓷包含Ce作为至少一个活性元素，其中，光电陶瓷的密度优选地<97％。
特别优选地，包括铈掺杂钇铝石榴石(Ce：YAG)、铈掺杂镥铝石榴石(Ce：LuAG)或者铈掺杂钆/钇铝石榴石(Ce：Gd/YAG)。在铈掺杂钆/钇铝石榴石(Ce：Gd/YAG)中，晶格中优选0-20％的Ya原子被Gd替换。
由具有成分A3B5O12的铈掺杂陶瓷相生产掺杂石榴石荧光体，其中，A选自Y、Gd、Lu及其两种或多种的组合组成的组，B选自Al、Ga及其两种或多种的组合组成的组。
为了生产陶瓷元件，在一个实施例中，氧化物形式的A2O3、B2O3和CeO2用作原料，其中，A和B如上限定。在此情况下，优选地选择所使用的物质的量，以获得式(III)的化合物：
(A1-x,Cex)3B5O12 (III)，
其中，0.0005>x>0.05。换句话说，0.05至5％的A类原子被铈替换。
这样的铈浓度确保陶瓷转换材料的高转换效率，并且与材料中的孔的散射协调，以获得初级源光足够的贯穿深度。
在另一实施例中，A3B5O12用作原料并添加合适量的CeO2。
在根据本发明的转换轮的一个优选的实施例中，至少一种转换材料可以以整环(monolithic ring)的形式施加在转换基底上。在此情况下，整环优选地为圆形形状。
在根据本发明的转换轮的另一实施例中，至少一种转换材料可以以一个或多个环段的形式(还称为环形段)施加在转换基底上。如果施加多于一个的段，各个段可以相同或不同。
在一个优选实施例中，仅单个段施加至转换基底，其优选地是具有至少180°、优选至少270°的角度的段。与其相比，完整环的角度是360°。
在另一优选实施例中，施加多个段，例如6至14个段，它们的尺寸可以相同或不同。
至少一个转换材料的层厚度通常小于500μm，例如10至500μm、优选地50μm至500μm、更优选地80μm至250μm、特别优选地180μm至250μm。在其它优选的实施例中，转换材料的层厚度为100至200μm。
在根据本发明的转换轮的一个优选的实施例中，至少一种无机转换材料与至少一个转换基底通过连接层彼此连接。连接层优选地由至少一种粘合剂、至少一种玻璃、至少一种陶瓷粘合剂或至少一种金属焊料化合物形成。
在本发明的一个实施例中，连接层直接与转换材料和转换基底邻接。
在其它实施例中，转换基底在其朝向转换组分的表面的至少一部分上涂覆有其它层，尤其是高反射层，如以下更详细描述的。在该实施例中，连接层直接与转换材料和高反射层相邻。
在其它实施例中，转换材料在面向转换基底的一侧上包括高反射层。在该实施例中，连接层与高反射层和转换基底邻接。
关于相应转换器构造的要求，例如关于连接层的透明度，光致发光转换器领域的技术人员能够选择连接层。
在根据本发明的转换轮的一个优选的实施例中，连接层在至少20℃、优选地至少35℃、优选地至少55℃、优选至少70℃的温度下形成。
在一个优选的实施例中，连接层由至少一种粘合剂形成。合适的粘合剂是有机粘合剂，其具有用于相应转换器的具体应用和具体构造的合适性质，例如，关于热稳定性、导热系数、透明度和固化行为。
在一个优选的实施例中，包括填充的以及非填充的环氧树脂和硅酮。
在一个优选的实施例中，至少一种粘合剂是填充的粘合剂。
在另一优选的实施例中，至少一种粘合剂是非填充的粘合剂。
合适的非填充的粘合剂的实例尤其是Wacker的硅酮粘合剂Elastosil RT601、Delo的环氧树脂粘合剂或BASF、Lanxess或Dow Chemical的相关产品。
基于粘合剂的连接层通常具有5至70μm、优选地10至60μm，更优选地20至50μm、特别优选地30至50μm的层厚度。
在其它优选的实施例中，连接层是玻璃，优选地选自焊料玻璃或薄玻璃。
在本发明的含义内，焊料玻璃包括具有小于或者等于750℃、优选地小于或者等于560℃的相对低的软化点的特殊玻璃。原则上，可以使用各种形式的玻璃焊料，例如粉末、液体介质中或者嵌入基质中的糊剂，其施加至转换基底或者转换部件。可以通过挤出、丝网印刷、喷涂或者以松散粉末形式来进行施加。转换器的各部件随后结合于一起。
在一个优选的实施例中，使用包含玻璃粉末例如PbO-、Bi2O3-、ZnO-、SO3-或者硅酸盐基玻璃、特别优选地硅酸盐基玻璃的糊剂。
在本申请的含义内，薄玻璃是最大厚度小于或者等于50μm并且软化点小于或者等于750℃、优选地小于或者等于560℃的薄玻璃。这种类型的玻璃位于转换部件和转换基底之间，并且在足够高的温及足够高的压力下压制在一起。合适的薄玻璃尤其是硼硅玻璃，例如从肖特公司获得的
Figure BDA0002566806340000101
基于玻璃的连接层通常具有15至70μm、优选地20至60μm、特别优选地30至50μm的层厚度。
在另一优选的实施例中，转换材料通过金属焊料化合物连接至转换基底。
在本发明的含义内，金属焊料化合物是由两种或多种金属组成的合金。合适的金属焊料化合物的熔点低于根据本发明的光转换轮的各个组成部分的熔点或分解点。在此意义上，组成部分认为是例如至少一种转换材料、至少一个转换基底以及其他可选的组成部分，例如，高反射层。
金属焊料化合物的熔化点优选地在150℃至450℃之间、更优选地在180℃至320℃之间、特别优选地在200℃至300℃之间。
合适的金属焊料化合物是例如银焊料和金焊料，优选地Ag/Sn、Ag/Au及Au/Sn焊料。
优选地，相应的焊料连接可以通过加热包括转换组分和转换基底的组件来产生，尤其是也可以通过局部加热，尤其通过机械热接触，例如通过与优选地热控加热元件接触，例如从而与加热体接触，加热体本身是感应加热的。
这使得能够实现快速且准确分配的热量输入，其是时间上有利的并且在热方面非常精确，特别是对于制造而言。
可替换地或者另外地，相应的焊料连接能够通过加热包括转换部件和转换基底的组件来产生，还通过局部加热，尤其是通过辐射、聚焦热辐射、激光辐射，尤其是脉冲激光辐射。
如果在降低的环境压力下通过加热包括转换部件和转换基底的组件来产生相应的焊料连接，尤其是直到产生相应的焊料连接之前降低的环境压力占主导，这会产生特别紧密且均匀的焊料连接，其中，即使光转换器、散热片和组件剩余部分的表面的不平整也能很好地深润，进而通过焊料连接更完全地连接。
在本文中，表述“产生焊料连接”是指合金的熔点已经降低至相应的焊料已经固化，这意味着在每种情况下，其强度超过焊料的室温拉伸强度的50％，其中室温是指接近300K。
可以从肖特公司的申请DE 10 2015 113 562 A1获得有关各种焊料连接的类型和产生的更多详细信息，该申请通过引用并入本文。
在另一优选的实施例中，转换材料通过陶瓷粘合剂连接至转换基底。
这种类型的陶瓷粘合剂通常基本不含有机成分并且具有高的热稳定性。优选地，选择陶瓷粘合剂，使得所得连接层的热膨胀系数还有机械性能(例如杨氏模量)适应转换基底和/或转换材料的对应性质。
合适的陶瓷粘合剂由无机的、优选粉状、固体的和液体介质、优选水制成。无机固体可以是例如MgO-、SiO2-、TiO2-、ZrO2-和/或Al2O3-基固体。优选地，包括SiO2-和/或Al2O3-基固体，特别优选地Al2O3-基固体。粉状固体可另外包含其他粉状组分，例如支持陶瓷粘合剂固化的粉状组分。作为实例，在这种情况下可以包括硼酸、硼酸盐或碱金属硅酸盐，例如硅酸钠。
根据本发明的陶瓷粘合剂在使用前可以直接由粉状固体和水混合，然后在室温下固化。
在此情况下，固体优选的平均粒径d50为1至100μm、优选地10至50μm。优选地，陶瓷粘合剂的热膨胀系数为5×10-6-15×10-6 1/K、特别优选地6×10-6-10×10-6 1/K。合适的陶瓷粘合剂例如由Resbond 920或Resbond 940HT(PolytecPT股份有限公司)生产。
基于陶瓷粘合剂的连接层通常具有50至500μm、优选地100至350μm、特别优选地150至300μm的层厚度。
二次光在转换材料中局部各向同性地发射，使得例如在反射布置的情况下，二次光的光分量不在有用的方向上而是在转换基底的方向上发射。为了也能够使用这些光分量，转换器可以包括至少一个镜面反射和/或漫反射这些光分量的高反射层。
在本发明的含义内，高反射层优选地具有率为至少90％、优选地至少92％、更优选地至少95％、特别优选地98％的总反射率。总反射由镜面反射和漫反射造成。
为了本发明的目的，具体的总反射优选指的是波长380nm至780nm、特别优选地450至750nm的光分量。
在一个优选的实施例中，转换基底本身用作至少一个高反射层。在本发明的这些实施例中正是如此，其中转换基底具有足够高的总反射率，例如漫反射氧化铝作为陶瓷-金属复合材料KM的最上层或作为根据本发明的夹层复合材料的部分暴露的中心层。
在转换基底和转换材料通过陶瓷粘合剂连接的实施例中，优选地，陶瓷粘合剂用作至少一个高反射层。在本发明的这些实施例中正是如此，其中陶瓷粘合剂具有足够高的总反射率，例如如果使用Al2O3基陶瓷粘合剂。为了甚至进一步改善转换材料的后侧的反射，还可以在转换材料和陶瓷粘合剂之间插入高反射层，例如通过在转换材料的后侧具有高反射层的介电涂层。
在其他实施例中，转换器还包括至少一个高反射层作为附加层。
本领域技术人员清楚，相对于初级光束，至少一个高反射层方便地位于至少一种转换材料的后面。
如以上解释的，光转换器优选地包括至少一个将转换材料连接至转换基底的连接层。
关于在包括连接层的光转换器中至少一个高反射层的定位，导致光转换器的各种布置。
在第一优选的实施例中，至少一个高反射层施加于转换基底的表面的至少一部分上。为了使由转换材料发射的光分量能够在足够程度上实际到达高反射层，在该实施例中有利的是，位于转换材料和高反射层之间的连接层是透明层。
在本发明的含义内，“透明”指的是层相对于发射的光分量具有至少80％、优选地至少90％、特别优选地至少95％、更特别优选地至少98％的(纯)透过率。
在这些实施例中，至少一个连接层相应优选地是透明的连接层，优选地玻璃或者透明粘合剂，特别优选地透明的硅酮或者透明的环氧树脂。
优选地，转换基底至少70％、优选地至少80％、优选地至少90％、特别优选地至少99％的表面覆盖有至少一个高反射层，至少一个高反射层位于至少一个转换材料的区域的下方。进一步优选地，转换基底面向转换材料的整个表面覆盖有至少一个高反射层。还优选的是，高反射层的某些部分延伸到覆盖有转换材料的区域上，以实现尽可能完全的反射。
当然，转换基底面向转换材料的整个表面或者基本上整个表面可以覆盖有至少一个高反射层。
在第二优选实施例中，至少一个高反射层位于至少一种转换材料的表面的至少一部分上。清楚的是，所述层位于转换材料背向初级光束入射侧的一侧上。换句话说，该层位于转换材料面向转换基底的一侧上。在该实施例中，连接层位于至少一个高反射层和至少一个转换基底之间。
优选地，至少一个转换材料背向光束的至少70％、优选地至少80％、更优选地至少90％、特别优选地至少99％的面积覆盖有至少一个高反射层。在一个特别优选的实施例中，100％的面积覆盖有至少一个高反射层。
至少一个高反射层可以通过喷涂、粘接、气相沉积施加于待涂覆的表面的至少一部分上。
至少一个高反射层优选地是银层、Cr/Ag层或者银基层。在所述Cr/Ag层的情形下，Cr尤其作为用于反射性Ag组分的粘合促进剂。合适的银基层可获得自例如来自Alanod的
Figure BDA0002566806340000141
并且具有98％的总反射率。在例如德国专利申请DE102015114095中描述了对应的银基层。
如果至少一个高反射层(优选地银层、Cr/Ag层或者银基层)施加于具有过高粗糙度的转换基底上，则会导致反射损失。在至少一个高反射层直接施加在基底上的实施例中，优选地在施加高反射层之前抛光转换基底。在此情况下，转换基底的整个表面能够是平滑的或者抛光的，或者优选地仅随后覆盖有至少一个高反射层和转换材料的表面部分是平滑的或者抛光的。抛光可以例如通过机加工方法实现，例如通过金刚石车削。优选地，由于转换基底的表面是光滑的，实现了总反射中漫射比例小于20％、优选地小于10％、特别优选地小于5％。
由于总反射是由漫反射和镜面(或定向)反射的总和，因此以这种方式能够实现高的镜面反射。由漫反射构成的总反射那部分例如通过借助积分或乌布利希球的反射测量来确定，其中，封闭的球(除光入口之外)用于测量总反射，而由样品镜面反射的以倾斜方式并入的光能够通过球体中的开口离开以测量漫反射。
陶瓷转换材料还可以包括附加层，例如抗反射层、平滑层或者保护层，以便使根据本发明的光转换轮适应相应应用并提高性能。
根据本发明的光转换器是动态转换器，即所谓的转换轮。
在转换轮的情形下，光致发光材料施加至旋转载盘，旋转载盘支持转换组件的冷却。激发光通过高孔口光学单元激发惯常设计的转换器，通过高孔口光学单元还收集光致发光。然而，如果光致发光时间显著长于激发的转换器区域从照射及收集光学单元的区域移动的时间，则不再能收集大部分的发光。然而，也可以通过相适应的光学单元或者通过较低的切向速度选择性地抵消这种影响。
根据本发明的转换轮优选地以反射操作，其中，激发优选地通过激光二极管实现。
本发明还包括根据本发明的光转换轮的制造。在本文中，以上提到的优选的实施例以对应方式应用。
光转换轮的制造包括以下步骤：
a)提供转换基底；
b)可选地将至少一个高反射层施加在转换基底的表面的至少一部分上；
c)可选地将至少一个连接层施加至步骤a)或b)的转换基底(12)和/或至少一种转换材料(14)；
d)将步骤a)、b)或c)的转换基底(12)连接至至少一种转换材料。
转换基底通常设置成最终轮的形式。然而，作为其替换，当然还可以在步骤b)、c)或d)中任一个之后使基底成为期望的最终形式。
如果根据本发明的方法包括上述步骤b)，在此情况下将至少一个高反射层施加在转换基底的表面的至少一部分上。高反射层施加至转换基底面向所获得的转换轮中的转换材料的表面。
在一个实施例中，转换基底的整个表面涂覆有至少一个高反射层。
在另一实施例中，至少一个转换基底位于所获得的转换轮中的转换材料下方的表面的部分被涂覆。
如以上关于根据本发明的光转换材料解释的，至少一个高反射层可以通过喷涂、粘接或气相沉积施加至至少一个转换材料的待涂覆表面的至少一部分上。
根据本发明的方法的步骤c)包括，将连接层施加至步骤a)或b)的转换基底和/或至少一种转换器材料。
在根据本发明的方法的一个优选的实施例中，连接层施加至至少一种转换器材料。在根据本发明的方法的另一实施例中，至少一个连接层施加至至少一个转换基底。
本领域的技术人员根据选择的连接层及其固化行为来设定在根据本发明的方法的步骤c)和d)期间的温度。
在一个优选的实施例中，根据本发明的方法包括步骤a)、b)和d)。
在另一优选的实施例中，根据本发明的方法包括步骤a)、c)和d)。优选地，在该实施例中使用转换材料，其中，面向转换基底的表面至少部分地涂覆、优选地完全涂覆有高反射层，和/或转换基底本身具有足够的反射率。
在一个特别优选的实施例中，所述方法包括步骤a)、b)、c)和d)。
根据本发明的光转换器用于动态光学应用中。优选地，光转换器用作高功率激光投影器中的转换轮。
附图说明
基于优选的实施例并参考附图，以下更详细地描述本发明。
图1和图2示出了根据本发明的光转换轮(10)通常的示意构造。
图3至图7示出了根据本发明的转换轮(10)的各个实施例的侧视图。
图8示出了根据本发明的转换基底通常的示意构造。
在以下对优选的实施例的详细描述中，各个实施例中的相同附图标记分别表示相同或作用相同的组件。就存在明显的功能偏差而言，将分别参考所涉及的实施例对它们进行详细解释。
具体实施方式
首先参考图1，其示出了根据各个实施例的转换轮10的俯视图，转换轮10包括转换基底12和转换材料14。转换材料以整环的形式施加。作为其替换，转换材料14还可以以多个单段的形式或者以不完整环的形式施加至转换基底12。如果转换材料14以两个或多个段的形式施加，则各个段可以包含相同的转换材料14，或者作为其替换，由不同的转换材料14组成。
图2示出了示意性说明的转换轮10的完整截面图，转换轮10包括转换基底12和转换材料14。
图3示出了根据本发明的转换轮10的第一实施例的截面图。除了转换基底12、连接层16和转换材料14，该实施例还包含高反射层18。根据本发明的第一实施例，高反射层18施加在转换材料14上并且位于转换轮10中的转换材料14和连接层16之间。转换基底12和转换材料14对应于以下结合图5进一步描述的转换基底和转换材料。连接层16由粘合剂形成。由于在该实施例中连接层16不必满足关于其透明度的特定要求，所以其可以可替换地由非透明材料形成，例如金属焊料。高反射层18是银层。
图4示出了根据本发明的转换轮10的第二实施例的截面图。除了转换基底12、连接层16和转换材料14，该实施例还包含高反射层18。高反射层18施加在转换基底上12并且位于转换轮10中的转换基底12和连接层16之间。转换基底12、转换材料14和高反射层18对应于结合图3和图5描述的转换基底、转换材料和高反射层。连接层16是由透明粘合剂组成的透明连接层16。
图5示出了根据本发明的转换轮10的第三实施例的截面图。在此转换材料14借助连接层16施加至转换基底12。在此情况下，转换基底12是氮化铝。作为其替换，其他陶瓷K1也可以用作转换基底，例如氮化硅、砷化镓、氮化镓、碳化铝、碳化硅、AlSiC、AlSi、氧化铍或者CuC，只要对于相应应用它们具有足够的总反射率。转换材料14由光电陶瓷组成。作为其替换，例如，也能够使用其他荧光体，诸如，“玻璃中的荧光体”、“无机物中的荧光体”或者“陶瓷中的荧光体”。转换基底12和转换材料14通过连接层16彼此连接。在根据本发明的转换轮10的生产期间，以薄玻璃
Figure BDA0002566806340000171
形式使用的玻璃用作连接层16。然而，在根据本发明的转换轮10的该实施例中，可替换地也可以使用具有足够透明度的其他材料来形成连接层16，尤其是使用粘合剂，如环氧树脂或者硅酮粘合剂。
图6示出了根据本发明的转换轮10的第四实施例的截面图。转换轮由转换材料14和转换基底12构成，它们通过连接层16彼此连接。根据本发明的第四实施例的转换基底12是陶瓷-金属层复合材料。陶瓷-金属层复合材料由第一基底层20、第二基底层22和第三基底层24构建为层式结构。第一基底层和第三基底层是铜层，而第二基底层22由氧化铝组成。可替换地，第二基底层22能够由氮化铝组成。连接层16由透明的粘合剂形成。此外，在优选的实施例(未示出)中，根据本发明的第四实施例的转换轮10可以包括高反射层18，其直接施加在第三基底层24上。可替换地，在其它优选的实施例中，高反射层18可以施加至转换材料14，使得高反射层18位于连接层16和转换材料14之间。高反射层18由银形成。在另一实施例中，转换基底12面向转换材料14的一侧包括抛光区域13，如果对于所选应用抛光区域13的总反射不足，则高反射层18可选地施加在抛光区域13上。
图7示出了根据本发明的转换轮10的第五实施例的截面图。转换轮由转换材料14和转换基底12构成，它们通过连接层16彼此连接。根据本发明的第五实施例的转换基底12是金属、陶瓷或者陶瓷-金属层复合材料。连接层16由起漫反射器作用的陶瓷粘合剂形成。
图8示出了转换基底12的一个实施例的俯视图。转换基底具有抛光区域13，其中，相比于非抛光区域，抛光区域13的粗糙度降低，由此其总反射增加。在示出的实施例中，抛光区域13对应于随后施加连接层16和转换材料14的区域。优选地，还施加高反射层18，尤其是Ag基层，其中，高反射层位于转换基底12的抛光区域13和透明的连接层16、如更透明的粘合剂之间。然而，如果抛光区域具有足以用于此目的的反射率，则也可以省略高反射层18。
附图标记列表
10 转换轮；
12 转换基底；
13 转换基底的抛光区域；
14 转换材料；
16 连接层；
18 高反射层；
20 第一基底层；
22 第二基底层；
24 第三基底层。

Claims (11)

1.一种光转换轮(10)，包括至少一种无机转换材料(14)，用于至少部分地将第一波长的光转换成第二波长的光；和转换基底(12)，其特征在于，所述转换基底(12)的热膨胀系数CTEKS为4×10-6-18×10-6 1/K，优选地5×10-6-15×10-6 1/K，特别优选地5×10-6-10×10-61/K，并且在20℃的导热系数为至少50W/mK，优选地100W/mK，特别优选地150W/mK。
2.根据权利要求1所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述至少一种转换材料(14)以整环的形式施加在所述转换基底上；和/或所述至少一种转换材料(14)以环段的形式施加在所述转换基底(12)上。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述转换基底(12)包含至少一种陶瓷K1、至少一种金属M1或者至少一种陶瓷-金属复合材料KM；
优选地，所述至少一种陶瓷K1选自氮化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝、碳化铝、碳化硅、AlSiC、AlSi、氧化铍、CuC及其两种或多种的混合物组成的组，优选氮化铝；和/或
所述至少一种金属M1选自铁、镍和铜组成的组，优选铁；和/或
所述至少一种陶瓷-金属复合材料KM包括至少一种陶瓷K2和至少一种金属M2，其中，所述至少一种陶瓷K2优选地选自氮化硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝、碳化铝、碳化硅、AlSiC、AlSi、氧化铍、CuC和氧化铝组成的组，优选氧化铝合氮化铝，并且所述至少一种金属M2优选地选自铁、镍和铜组成的组，优选铜。
4.根据权利要求3所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述陶瓷-金属复合材料KM是夹层复合材料，优选地包括由第一金属M2A组成的第一层、接着是由陶瓷K2组成的第二层以及由第二金属M2B组成的第三层，其中，金属M2A和M2B相同或不同，优选相同。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述至少一种陶瓷K2是氧化铝，并且所述至少一种金属M2或M2A和M2B是铜。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述至少一种无机转换材料(14)与所述转换基底(12)通过连接层(16)彼此连接，其中，所述连接层(16)优选地由至少一种粘合剂、至少一种玻璃、至少一种陶瓷粘合剂或至少一种金属焊料化合物形成，
优选地，所述连接层(16)在至少20℃、优选地至少35℃、优选至少55℃的温度形成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述至少一种无机转换材料(14)是单相多孔的光电陶瓷，所述光电陶瓷包括陶瓷相A3B5O12，其中A选自元素Y、Gd、Lu及其组合的组，B选自元素Al、Ga及其组合的组，所述光电陶瓷包含Ce作为至少一种活性元素，其中，所述光电陶瓷的密度优选地<97％。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述转换轮还包括至少一个高反射层(18)，其中，所述至少一个高反射层(18)优选地包含银层、Cr/Ag层或者银基层，优选银层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光转换轮(10)，其特征在于，所述至少一种转换材料的热膨胀系数CTEKM和所述转换基底的热膨胀系数CTEKS之间的差为：
CTEKM-CTEKS＝-5×10-6 1/K至2×10-6 1/K，优选地-3.5×10-6 1/K至2×10-6 1/K。
10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的光转换轮(10)的方法，包括以下步骤：
a)提供转换基底(12)；
b)可选地将至少一个高反射层(18)施加于所述转换基底(12)的表面的至少一部分上；
c)可选地将连接层(16)施加于步骤a)或b)的至少一个转换基底(12)和/或至少一种转换器材料(14)；
d)将所述转换基底(12)连接至所述至少一种转换材料(14)。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的光转换轮(10)在动态光学应用中的用途，优选地在高功率激光投影器中的用途。
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