CN114321825A - 应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜及具有荧光膜的荧光片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜以及荧光膜组成的荧光片，荧光膜包括荧光颗粒、无机粘结材料和透明导热颗粒，无机粘结材料填充于荧光颗粒和透明导热颗粒之间的空隙处；透明导热颗粒和荧光颗粒呈立体网状结构分布，荧光颗粒、透明导热颗粒以及无机粘结剂按照质量百分比为1:0.8‑1.2:0.45‑1.65的比例制备而成。荧光片由荧光膜和透明导热基板构成。本发明公开的荧光膜通过在荧光颗粒中掺杂透明导热颗粒可以有效的传导荧光颗粒的热量，并结合无机粘结材料将热量传导至高导热透明导热基板上，形成低热阻的散热通道，相比较现有的荧光片，对温度的耐受力更好，导热率高，耐受更大的激光光功率，适用于汽车超远程照明的大功率的激光照明。

Description

应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜及具有荧光膜 的荧光片

技术领域

本发明涉及大功率激光照明领域，特别是涉及汽车超远程照明的激光蓝转白光源。具体地说，涉及一种应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜及具有荧光膜的荧光片。

背景技术

新型高档汽车照明中，除近光、远光外，还配有超远距灯光。超远距灯光的实现是通过激光蓝光转白光实现的。汽车灯的超远距中心光强的要求，以及其工作环境（80-90度的环境温度和有限的灯具空间）对激光蓝转白提出了更高的功率密度要求：即实现蓝色激光转换成白色光的波段的荧光片单位面积可承受更高的激光功率密度。也就是需要将激光束中410-485nm蓝色波段的光线转换为410nm-700nm白光的波长。荧光片的性能直接影响激光照明的效果。荧光片也是汽车激光照明中的核心。

其中，荧光膜一般由有机粘结材料和荧光粉颗粒构成，荧光粉颗粒对激光束中的蓝光波段内的光进行转换，产生激发光，激发光的波段位于高于蓝光波段的黄光和红光区间，然后再将激发光和未激发的蓝光一同发射出荧光膜外部。然而，荧光颗粒产生激发光时由于荧光粉激发态和光致发光（PL）的能量差所产生的斯托克斯位移，以及不完美的量子效率会产生热量，而当热量通过有机粘结剂无法有效快速的向外部散热时，荧光颗粒会发生波长位移以及热饱和（热淬灭）现象，此时荧光颗粒的温度会更加急剧的上升，最终温度能够达到540℃及以上。当荧光颗粒的温度极高时，会使周围的有机粘结剂碳化，碳化后的材料的光通过率急剧的下降，从而导致透光性能的降低，直至完全失效。

现有的波长转换的荧光膜的结构如图1、图2所示，荧光膜由荧光粉、有机粘结材料组成。其中荧光膜坐落在透明导热基板上，有机粘结材料主要为光学透明的，耐温性好的硅胶构成，如折射率为1.41的甲基硅胶，其中硅胶的导热率低，一般在0.2w/m.k左右。

另外，激光照明中对硅胶除了要求较高的导热特性外，还要求具有极好的折射率，其中硅胶的折射率在1.41-1.51之间，而组成荧光膜的荧光粉的最低折射率要达到1.83及以上，所以根据斯涅尔定律，荧光粉产生的激发光的一部分会发生全反射而无法有效的从荧光颗粒中射出，从而造成荧光膜发光效率低；并且光线的光能量在荧光膜中的滞留而转换成热量也会进一步的增加荧光膜温度的升高，最终使其失效；所以现有的荧光膜的寿命都比较短。

参阅图3，图3是现有的波长转换荧光膜的另一种结构示意图，现有技术针对荧光膜导热差、易失效、寿命短以及透光率低的问题提出了一种解决方案，在该方案中荧光膜采用荧光粉和无机玻璃载体形成玻璃陶瓷，即PiG方案（Phosphor in Glass），其中玻璃陶瓷为非透明状态，主要用于反射式发光。由于无机玻璃的导热率有限，一般在1w/m.k左右,荧光粉工作时产生的热量，没有高导热通道，这种玻璃陶瓷荧光膜的荧光粉在激光应用中很容易饱和而失效。直接导致荧光膜所应用的产品功率有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，旨在解决现有激光照明技术耐受的光功率低、寿命短、透光性能低的技术问题。

其中，所述激光波长转换荧光膜包括：

荧光颗粒、无机粘结材料以及透明导热颗粒，其中，所述无机粘结材料填充于所述荧光颗粒和所述透明导热颗粒之间的空隙处；所述透明导热颗粒和所述荧光颗粒呈立体网状结构分布，所述荧光颗粒、所述透明导热颗粒以及所述无机粘结剂按照质量百分比为1:0.8-1.2:0.45-1.65的比例制备而成。

本发明的另一目的在于提供一种具有所述激光波长转换荧光膜的荧光片，所述荧光片包括：荧光膜和透明导热基板，透明导热基板上设置有蓝光通透膜；另一侧面设置有增透膜，所述增透膜用于提高410nm~485nm段光的通过率。

其中，蓝光通透膜设置于所述激光波长转换荧光膜与所述透明导热基板之间，蓝光通透膜包括用于使400nm~470nm段光通过的通带和用于使500nm~780m段光截止的截止带。使得透明导热基板在410-485nm波段光的透光率为≥98%，在500-780nm波段光的透光率为≤1%。

本发明公开的荧光膜通过在荧光颗粒中掺杂透明导热颗粒可以有效的传导荧光颗粒的热量，并结合无机粘结材料将热量传导至高导热透明导热基板上，形成一个低热阻的散热通道。相比较现有的荧光片，本发明对温度的耐受力更好，导热率高，耐受更大的激光光功率，适用于大功率的激光照明。

同时本发明采用与荧光颗粒折射率相近的透明导热颗粒和透明无机粘结材料能够最大限度的降低不同光折射率材料之间光传递时发生的全反射的能量损耗，极大地提高了荧光片的透光率。

另外，本发明通过在透明导热基板与荧光膜接壤面镀上蓝光通透膜（410nm~485nm段光通过和500nm~780m段光截止），以及另一面镀上增透膜（400nm~700nm），使得透明导热基板在410-485nm波段光的透光率为≥98%，在500-780nm波段光的透光率为≤1%。通过本技术方案能够有效的降低了激光发出的蓝光穿过透明导热基板的光的损失，提升了被激发光的出光效率，由此提升了荧光片的出光效率。

还有，采用无机材料有效而非有机的硅胶材料，提高了荧光体的寿命。摆脱了采用有机材料作为荧光膜载体所引入的高温下有机材料长期使用的黄化光衰、老化脆裂脱落。

附图说明

图1至图3是现有技术中荧光片的结构示意图；

图4是本发明的荧光膜结构示意图；

图5是本发明荧光膜中的间隙的微观检测示意图；

图6本发明的荧光片工作过程示意图；

图7是本发明荧光片散热示意图。

说明书标号：100、荧光片；200、荧光膜；10、荧光颗粒；20、透明导热颗粒；30、无机粘结材料；40、蓝光通透膜；50、透明导热基板；60、增透膜；A、间隙。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:

请参考图4、图6和图7，本发明公开一种荧光片100，所述荧光片100包括应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜200和透明导热基板50。

其中，所述透明导热基板50上方设置有蓝光通透膜40；所述蓝光通透膜40设置于所述激光波长转换荧光膜200与所述透明导热基板50之间，所述蓝光通透膜40包括用于使410nm～485nm段光通过的通带和用于使500nm～780nm段光截止的截止带。

在本实施方式中，所述通带用于使410nm～485nm的蓝色光通过进入所述荧光膜200，所述截止带用于使500nm～780m波段光截止，也就是用于反射被激发后的黄光和红光波段的光投向白光出光方向，防止投射到激光器一端，使得透明导热基板在410-485nm波段光的透光率为≥98%，在500-780nm波段光的透光率为≤1%，可以最大限度的提升出光效率。

在本实施方式中，蓝色光通过蓝光通透膜40进入荧光膜200中，在荧光膜200中在荧光颗粒10的作用下，受激发产生激发光白光，并射出，从而实现了光色转换的目的。

进一步地，所述透明导热基板50包括Al₂O₃单晶材料蓝宝石片、AlN单晶材料氮化铝片、或C单晶钻石片中的任意一种。

在本实施方式中，Al₂O₃单晶材料蓝宝石片、AlN单晶材料氮化铝片、或C单晶钻石片具有优异的高导热率，能够快速的将来自于荧光膜200上的热量传导和提供散热通道，形成低热阻通道，从而防止荧光膜200因为温度上升而失效的情况发生。

其中，选用的Al₂O₃单晶材料蓝宝石片的导热率为25w/m.k左右、AlN单晶材料氮化铝片为240w/m.k左右、C单晶钻石片2000w/m.k左右。

进一步地，所述透明导热基板50远离所述荧光膜200的另一侧面设置有增透膜60，所述增透膜60用于提高410nm～485nm段光的通过率。

在本实施方式中，增透膜60提升了来自透明导热基板50另一侧的激光光束中410nm～485nm波段的蓝色光的入射率，有效防止蓝色激光到达荧光膜200的能量损耗。

通过上述透明导热基板双面镀膜的方法，使得透明导热基板在410-485nm波段光的透光率为≥98%，在500-780nm波段光的透光率为≤1%。有效的降低了激光发出的蓝光穿过透明导热基板的光的损失，提升了被激发光的出光效率。由此提升了荧光片100的出光效率。在另外一种实施方式中，所述透明导热基板50优选的为具有超高导热率的蓝宝石片，所述蓝宝石片的厚度设置0.25mm-0.5mm之间。

其中，当蓝宝石片厚度太薄（<0.25mm），蓝宝石片容易碎，并且工艺操作困难；同时过薄的蓝宝石片的横向导热率小，使得整个蓝宝石片的导热率不高；当蓝宝石片的厚度过厚（>0.5mm），会增加成本；关键的是，过厚的蓝宝石片对导热率影响并没有随着厚度的增加而提高，相反是维持在相同或近似的水平。

本发明中所述激光波长转换荧光膜200，其包括荧光颗粒10、无机粘结材料30和透明导热颗粒20构成。

其中，所述无机粘结材料30填充于所述荧光颗粒10和所述透明导热颗粒20之间的空隙处；所述透明导热颗粒20和所述荧光颗粒10呈立体网状结构分布。

在本实施方式中，采用立体网状结构的透明导热颗粒20和荧光颗粒10的分布方式，由于透明导热颗粒20的的导热率高于荧光颗粒10的导热率，其掺入荧光颗粒10制备的荧光膜200中，可以形成更多高效的导热通道。热量的传递方式包括荧光颗粒10到透明导热颗粒20之间、荧光颗粒10之间、透明导热颗粒20之间、以及上述颗粒和无机粘结材料30之间的相互传递。由于更多更高效的导热通道的存在，降低了荧光粉的工作温度，从而降低其热淬灭的可能性。

所述荧光颗粒10、所述透明导热颗粒20以及所述无机粘结材料30按照质量百分比为1：0.8-1.2：0.45-1.65的比例制备而成。

在本实施方式中，所述荧光膜200的厚度为45-75μm之间。

所述无机粘结材料30的熔点在200-1000℃之间，折射率在1.53-2.0之间，导热系数不小于0.7w/m.k。

在本实施方式中，根据斯涅尔定律，当光从高折射率介质射向低折射率介质时，有个全反射临界角。超过临界角的光无法透射到低折介质，从而有部分光被反射回高折射率介质中。当两种介质的折射率越接近，临界角就越大，全反射光就越少，出光效率就越高。本发明由于采用了高折射率的无机粘结材料30（折射率为1.55～2.0）作为荧光粉膜的载体，通过选择折射率可以和荧光粉颗粒（1.83）和导热晶体（1.77）的折射率接近的无机粘结材料30，如无机粘结材料30为1.62、1.8折射率的低温玻璃，降低了由于全反射光引起的出光损失，最大限度提升了荧光片100的出光效率，等价于降低荧光颗粒10的部分转换热能，提升了荧光片100发光的效率。

参阅图5，在本发明的实施方式中，所述无机粘结材料30在所述间隙A处的填充，使得荧光膜200的空洞率小于2.5%。

其中，荧光颗粒10、透明导热颗粒20紧密接触堆磊，构成三维空间网状结构。颗粒间的间隙A被透明无机粘结材料30填充满，荧光膜200的空洞率小于2.5%。颗粒间的紧密接触堆磊构成的三维网状结构，配合小于2.5%的空洞率可以很好的构成荧光粉发热的散热通道。

在本实施方式中，当无机粘结材料30（如玻璃 1w/m.k）占比较多，透明导热颗粒20以及荧光颗粒10间没有紧密接触，那么相对低导热率的无机粘结材料30就会成为隔导热的瓶颈。并且，激光可以直线穿过透明的无机粘结材料30而导致漏激光，对人眼形成安全风险；另一个极端，当无机粘结材料30介质少，透明导热颗粒20以及荧光颗粒10颗粒间的间隙A没有被无机粘结材料30填满，导致空洞率变大，未填充无机粘结材料30的空洞也成为导热瓶颈，并且，光行进也受阻于间隙A，造成出光效率降低。

在本发明中，无机粘结材料30为低温玻璃。所述低温玻璃粉末浆料在与荧光颗粒10和透明导热颗粒20混合后，经过烧结的方式与透明导热基板50结合。烧结后可有效的提高荧光膜200和所述透明导热基板50的粘结度，使得荧光片100整体具有更好的导热特性，同时，还可以保证荧光膜200本身的强度。

选用低温玻璃最佳熔点的选择，是考虑到1）挥发含碳物质的烘烤温度。荧光膜200涂敷中需要用到含碳有机辅助剂，这种辅助剂最终会碳化发黑，为了更有效的在短时间内（<20分钟）使得碳与中的氧气发生氧化反应，形成CO、CO2的气体而被挥发，需要大于500℃以上的烤箱高温；2）防止蓝光通透膜40失效。当温度过高（>800℃），蓝宝石片上的蓝光通透膜40有可能与蓝宝石片发生剥离而失效。

在本发明的实施方式中，所述低温玻璃包括Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO、SiO₂-B₂O₃-ZnO、PbO-B₂O₃-SiO₂ 、Bi₂O₃-Sb₂O₃-ZnO、BaO-B₂O₃-ZnO、SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃中的至少一种或者多种的组合形成。

在本发明的一种实施方式中，所述透明导热颗粒20由Al₂O₃氧化铝颗粒、AlN氮化铝颗粒、h-BN六方氮化硼颗粒、C单晶材料、钻石颗粒中的一种或者多种的组合形成，其中，所述透明导热颗粒20的D50范围为1-25μm。

在本另一种实施方式中，透明导热颗粒20可以是单一种颗粒，且同一种D50粒径，或单一种颗粒，且几种不同D50粒径的组合。优选为单一粒径D50 10um-15um，或3-5um小颗粒和10um-20um大颗粒组合。透明导热颗粒20太大，如粒径超过25um，容易形成颗粒间大间隙A，激光易未有被颗粒阻挡而从荧光片100上漏出，形成对人眼的危害。如粒径太小，激光经过荧光膜200的时候被荧光颗粒10和无机粘结材料30颗粒阻挡太多，造成光散射太大，导致蓝色出光效率下降，最终导致荧光片100白光出光效率降低。

在本发明的实施方式中，所述荧光颗粒10由可被410-485nm蓝色波段光激发的单一光色荧光粉或多种光色荧光粉的组合构成，包括但不限于受激发产生黄光的黄粉、产生绿光的绿粉、产生黄绿光的黄绿粉以及产生红光的红粉中的一种或者多种的组合。

其中，所述黄粉包括：YAG黄粉（Y₃Al₅O₁₂：Ce₃₊）、LSN黄粉（La₃Si₆N₁₁：Ce₃₊）和LYSN黄粉（（La，Y）₃Si₆N₁₁：Ce₃₊）中的至少一种；所述绿粉包括LuAg绿粉（Lu₃Al₅O₁₂：Ce₃₊）；所述黄绿粉包括GYAG黄绿粉（Y₃（Al，Ga）₅O₁₂：Ce₃₊）；所述红粉包括：CASN红粉（CaAlSiN₃：Eu₂₊）和SCASN红粉（（Sr，Ca）AlSiN₃：Eu₂₊）中的至少一种。

其中，荧光颗粒10的优选尺寸为：粒径D50范围为1μm-50μm。

在第一种实施例中，所述荧光粉颗粒，为单一YAG黄粉（Y₃Al₅O₁₂：Ce₃₊）颗粒，进入激发态所吸收的波长为435～475nm；当荧光片100色温在3000K-7500K的时候，荧光粉颗粒、透明导热晶体颗粒、透明无机粘结材料30的质量比例为1 ： 1.2：0.65，产生其荧光膜200厚度为45-75um。

在第二种实施方式中，所述荧光粉颗粒，为红粉和黄粉的组合。所述红粉包括CASN红粉（CaAlSiN₃：Eu₂₊）或SCASN红粉（（Sr，Ca）AlSiN₃：Eu₂₊）中的一种或两种的混合物；所述黄粉为YAG黄粉（Y₃Al₅O₁₂：Ce₃₊）、LSN黄粉（La₃Si₆N₁₁：Ce₃₊）或LYSN黄粉（（La，Y）₃Si₆N₁₁：Ce₃₊）中的一种或几种的混合物。当荧光片100色温在3000K-7500K的时候，红粉、黄粉的质量比例为0～9.7%：90.3%～100%；荧光粉颗粒组合、透明导热晶体颗粒、透明无机粘结材料30的质量比例为1 ： 1.2 ： 0.45，其荧光膜200厚度为45-75um。

在第三种实施方式中，所述荧光粉颗粒，为红粉和绿粉的组合。所述红粉包括CASN红粉（CaAlSiN₃：Eu₂₊）或SCASN红粉（（Sr，Ca）AlSiN₃：Eu₂₊）中的一种或两种的混合物；所述绿粉包括GYAG绿粉（Y₃（Al，Ga）₅O₁₂：Ce₃₊）、LuAg绿粉（Lu₃Al5O₁₂：Ce₃₊）或LuYAG绿粉（Ce：Lu₃Al₅O₁₂）中的一种或至少两种的混合物。当荧光片100色温在3000K-7500K的时候，红粉、绿粉的质量比为0.7%～9.7%：90.3%～99.3%。荧光粉颗粒组合、透明导热晶体颗粒、透明无机粘结材料30的质量比例为0.8：0.45：0.65，其荧光膜200厚度为45-75um。

本发明比现有的荧光粉（15w/m.k）加硅胶（0.2 w/m.k）的方案，提升至少5倍以上的导热率。比现有的玻璃陶瓷荧光片PiG方案，也提高了热导率。提升功率密度1.5倍以上，提升了荧光片100的亮度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (12)

1.一种应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，包括荧光颗粒以及无机粘结材料，其特征在于，所述荧光膜还包括透明导热颗粒，其中所述无机粘结材料填充于所述荧光颗粒和所述透明导热颗粒之间的空隙处；所述透明导热颗粒和所述荧光颗粒呈立体网状结构分布，所述荧光颗粒、所述透明导热颗粒以及所述无机粘结剂按照质量百分比为1:0.8-1.2:0.45-1.65的比例制备而成。

2.如权利要求1所述的应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，其特征在于，所述无机粘结材料的熔点在200-1000℃之间，折射率在1.53-2.0之间，导热系数不小于0.7w/m.k。

3.如权利要求1所述的激光波长转换荧光膜，其特征在于，所述无机粘结材料在所述间隙处填充，荧光膜中的空洞率小于2.5%。

4.如权利要求3所述的应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，其特征在于，所述无机粘结材料为低温玻璃，所述低温玻璃由Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO、SiO₂-B₂O₃-ZnO、PbO-B₂O₃-SiO₂ Bi₂O₃-Sb₂O₃-ZnO、BaO-B₂O₃-ZnO、SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃中的至少一种或者多种的组合形成。

5.如权利要求1至4任意一项所述的应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，其特征在于，所述透明导热颗粒由Al₂O₃氧化铝颗粒、AlN氮化铝颗粒、h-BN六方氮化硼颗粒、C单晶材料、钻石颗粒中的一种或者多种的组合形成，其中，所述透明导热颗粒D50范围为1-25μm。

6.如权利要求5所述的应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，其特征在于，所述荧光颗粒由可被410-485nm蓝色波段光激发的单一光色荧光粉或多种光色荧光粉的组合构成，包括受激发产生黄光的黄粉、产生绿光的绿粉、产生黄绿光的黄绿粉以及产生红光的红粉中的一种或者多种的组合。

7.如权利要求6所述的应用于汽车超远程照明的激光波长转换荧光膜，其特征在于，所述黄粉包括：YAG黄粉(Y₃Al₅O1₂:Ce₃₊)、LSN黄粉(La₃Si6N₁₁:Ce₃₊)和LYSN黄粉((La,Y)₃Si₆N₁₁:Ce₃₊)中的至少一种；所述绿粉包括LuAg绿粉(Lu₃Al₅O₁₂:Ce₃₊)；所述黄绿粉包括GYAG黄绿粉(Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce₃₊)；所述红粉包括：CASN红粉(CaAlSiN₃:Eu₂₊)和SCASN红粉((Sr,Ca)AlSiN₃:Eu₂₊)中的至少一种。

8.一种荧光片，其特征在于，所述荧光片包括：

如权利要求1至7任意所述的激光波长转换荧光膜；

透明导热基板，所述透明导热基板上方设置有蓝光通透膜；

其中，所述蓝光通透膜设置于所述激光波长转换荧光膜与所述透明导热基板之间，所述蓝光通透膜包括用于使410nm~485nm波段光通过的通带和用于使500nm~780nm波段光截止的截止带。

9.如权利要求8所述的荧光片，其特征在于，所述透明导热基板包括Al₂O₃单晶材料蓝宝石片、AlN单晶材料氮化铝片、或C单晶钻石片中的任意一种。

10.如权利要求9所述的荧光片，其特征在于，所述透明导热基板远离所述荧光膜的另一侧面设置有波长400nm~700nm增透膜，所述增透膜用于提高410nm~485nm波段光的通过率。

11.如权利要求8至10任意一项所述的荧光片，其特征在于，所述透明导热基板为蓝宝石片，所述蓝宝石片的厚度为0.25mm-0.5mm之间。

12.如权利要求8至10任意一项所述的荧光片，其特征在于，所述透明导热基板在410-485nm波段光的透光率为≥98%，所述透明导热基板在500-780nm波段光的透光率为≤1%。

Images