JP7296951B2 - 改良された無機結合剤を伴う光変換デバイス - Google Patents

Description

本開示は、投影ディスプレイシステムおよびそのようなシステムにおいて使用される蛍光体ホイール等の光学光変換デバイスにおける使用のためにそれらを特に好適にする、ある特性を保有する、無機結合剤に関する。特に、本開示の無機結合剤は、４００℃までの温度における、向上された接合強度を維持する。

有機接着剤（例えば、エポキシ、ポリウレタン、シリコーン）は、接合のために広く使用されている。例えば、蛍光体含有シリコーン製品では、蛍光体粉末が、シリコーン結合剤または接着剤中に混合され、次いで、所望されるパターンで分注または印刷される。シリコーンは、その高い透明度、高い接合強度、より低い屈折率、および適切な粘性に起因して、金属、ガラス、および他の材料を接合するために人気を博している。例えば、人気を博している結合剤選択肢は、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（Ｒ） ＯＥ－６３３６、すなわち、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ（Ｒ）によって製造される、シリコーン接着剤であり、これは、１，４２５センチポアズ（ｃＰ）の混合粘性、４５０ｎｍにおいて９９．６％の透明度、および１ｍｍの厚さ、１．４の屈折率、および１５０℃において６０分の熱硬化時間を有する。

しかしながら、シリコーン結合剤／接着剤は、不十分な熱安定性を有する。２００℃を超える温度において、シリコーン接着剤は、分解し、典型的には、黄色くなり始め、徐々に燃焼し始めるであろう。これは、望ましくないことに、蛍光体ホイールのための短い運用寿命につながり、光変換効率が、熱消失に起因して急激に（＞１０％＠２００℃）低下することが観察されている。高輝度（例えば、３００Ｗのレーザパワー）を伴う用途では、蛍光体ホイールの動作温度は、概して、２００℃を上回ることが予期され、したがって、シリコーン接着剤の使用を望ましくないものにする。すなわち、蛍光体含有シリコーン製品は、高パワーレーザプロジェクタでは長い稼働寿命を達成することはできない。そのような製品のための寿命試験では、安全な作用温度が、１５０℃を下回るように制御されるべきことが、確立された。

したがって、より高い温度抵抗（例えば、２００℃超（３００℃以上を含み、最高４００℃））に加えて、有機結合剤の同一の望ましい特性（すなわち、高い透明度、高い接合強度、低い屈折率、および適切な粘性）を呈する、無機結合剤を提供することが、望ましいであろう。そのような無機結合剤は、有利には、光トンネル、投影ディスプレイシステム、およびそのようなシステム内で使用される、蛍光体ホイール等の光学光変換デバイス等の、種々の用途において採用され得る。

本開示は、光学光変換デバイス（例えば、蛍光体ホイール）のための高反射率コーティング内で、または２つの要素を継合するために使用される接着剤として使用され得る、無機結合剤に関する。無機結合剤は、高パワー照明システムにおける使用のためにそれらを特に好適にする、ある特性を保有する。例えば、特定の実施形態では、無機結合剤は、高温（例えば、２００℃超（３００℃以上を含み、最高４００℃））に耐えることが可能であり、高い光透過率（例えば、少なくとも９８％）を有し、高い引張／剪断強度（例えば、３００℃において少なくとも１００ｐｓｉ）を有し、可撓性コーティングプロセス（例えば、分注、シルク印刷、噴霧）によって適用されることができ、かつ低い硬化温度（例えば、１８５℃未満）を有する。

ある構成では、組成物は、約２５～約８０重量％の１つ以上の充填剤と、約２０～約７５重量％の１つ以上の無機接着剤と、約０．５～約５重量％の１つ以上の分散剤とから本質的に成る。

無機接着剤は、第１の成分（例えば、半透明液体）と、第２の成分（例えば、透明液体）とを含むことができる。第１の成分対第２の成分の比は、約１：１～約７：３であることができる。無機接着剤は、第１の成分および第２の成分を撹拌することによって調製されることができる。第１の成分および第２の成分は、約２時間～約３時間の期間にわたって撹拌されることができる。第１の成分および第２の成分は、約２５℃～約３０℃の温度において撹拌されることができる。特定の実施形態では、第１の成分は、約１ｍＰａ・ｓｅｃ～約５０ｍＰａ・ｓｅｃの粘性、約０．８ｇ／ｃｍ^３～約１．３ｇ／ｃｍ^３の密度、および１０％を上回る固体含有量を有する。いくつかの実施形態では、第２の成分は、０ｍＰａ・ｓｅｃ～約５０ｍＰａ・ｓｅｃの粘性、約０．６ｇ／ｃｍ^３～約１．０ｇ／ｃｍ^３の密度、および１０％を上回る固体含有量を有する。

ある構成では、充填剤の熱膨張係数は、無機接着剤の熱膨張係数の２０％以内（±２０％）である。充填剤の密度もまた、無機接着剤の密度の２０％以内（±２０％）であり得る。

充填剤は、シリカと、酸化アルミニウムと、ボラゾンとから成る群から選択されることができる。充填剤は、顆粒状、薄片状、または繊維状の形状を有することができる。充填剤は、約０．１～約５０ミクロンの粒子サイズを有することができる。

いくつかの実施形態では、分散剤は、有機物（例えば、ポリビニルピロリドン、ポリアクリレート、ゼラチン、ポリビニルアルコール、セルロース、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸、またはリグノスルホン酸塩）である。代替実施形態では、分散剤は、無機物（例えば、ヘキサメタリン酸塩、ケイ酸塩、ポリリン酸塩、またはヒュームドシリカ）である。

本開示による無機結合剤を形成する方法は、約６０℃～約９０℃の温度において、約０．２時間～約１時間の期間にわたって、第１の硬化を実施するステップと、その後、約１５０℃～約２００℃の温度において、約０．４時間～約２時間の期間にわたって、第２の硬化を実施するステップとを含む。

また、本明細書に開示されるものは、光変換デバイスであり、該光変換デバイスは、無機コーティングを有する基材を備え、無機コーティングは、約２０～約８０重量％の充填剤と、約２０～約７５重量％の無機接着剤と、約０．５～約５重量％の分散剤とを含む。より具体的な実施形態では、充填剤は、約６０～約７５重量％の量で存在し、無機接着剤は、約２０～約３５重量％の量で存在する。

基材は、ディスクの形状であることができる。光変換デバイスはさらに、基材に対して法線方向の軸の周囲で基材を回転させるように配列される、モータを備えることができる。

いくつかの実施形態では、充填剤は、蛍光体（例えば、イットリウムアルミニウムガーネット、ケイ酸塩、または窒化物）である。蛍光体は、約１０～約３０ミクロンの粒子サイズを有することができる。

特定の実施形態では、充填剤は、約０．１ミクロン～約１５０ミクロンの粒子サイズを有する、屈折粉末である。結果として生じる無機コーティングは、約３８０ｎｍ～約８００ｎｍの波長を有する光に関して高い反射率（例えば、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９８％等）を有することができる。光変換デバイスはさらに、基材上の無機コーティングにわたって適用される、蛍光体層を備えることができる。

本開示に従って光変換デバイスを形成する方法は、噴霧、分注、またはシルク印刷によって基材に無機コーティングを適用するステップと、約８５℃の温度において、約０．２５時間の期間にわたって、無機コーティングの第１の硬化を実施するステップと、その後、約１８５℃の温度において、約０．７５時間の期間にわたって、無機コーティングの第２の硬化を実施するステップとを含む。

本明細書にさらに開示されるものは、２００℃を上回る温度に耐えることが可能である無機接着剤によってともに継合される、複数の反射器であって、無機接着剤は、約２５～約８０重量％の充填剤と、約２０～約７５重量％の無機接着剤と、約０．５～約５重量％の分散剤とを含む、複数の反射器を備える、光トンネルである。

特定の実施形態では、充填剤は、酸化アルミニウムであることができる。充填剤は、約０．５ミクロン～約１０ミクロンの粒子サイズを有することができる。

本開示に従って光トンネルを形成する方法は、約８５℃の温度において、約０．２５時間の期間にわたって、無機接着剤の第１の硬化を実施するステップと、その後、約１８５℃の温度において、約０．７５時間の期間にわたって、無機接着剤の第２の硬化を実施するステップとを含む。

本開示のこれらおよび他の非限定的な特性が、下記により具体的に開示される。

以下は、図面の簡単な説明であり、これは、本明細書に開示される例示的実施形態を例証する目的のために提示され、それを限定する目的で提示されているものではない。

図１Ａは、基材と、コーティングとを含む、本開示による第１の例示的光学光変換デバイスの概略図である。

図１Ｂは、図１Ａの第１の例示的光学光変換デバイスの側面断面図である。

図２Ａは、基材と、高反射率の散乱層と、蛍光体層とを含む、本開示による第２の例示的光学光変換デバイスの概略図である。

図２Ｂは、図２Ａの第２の例示的光学光変換デバイスの側面断面図である。

図３は、接着剤によってともに継合される複数の反射器を含む、本開示による光トンネルの概略図である。

本明細書に開示される、構成要素、プロセス、および装置のより完全な理解が、添付図面の参照によって得られ得る。これらの図は、単に、本開示を実証する利便性およびその容易性に基づく略図であり、したがって、本デバイスまたはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示すこと、および／または例示的実施形態の範囲を定義または限定することは意図されない。

具体的な用語が、明確化のために以下の説明において使用されるが、これらの用語は、図面における例証のために選択される実施形態の特定の構造のみを指すことが意図され、本開示の範囲を定義または限定することは意図されない。図面および下記の以下の説明では、同様の数字表示は、同様の機能の構成要素を指すことを理解されたい。

文脈が明確に別様に指示しない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、複数の指示物を含む。

本明細書および請求項において使用されるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（～を備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（～を含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（～を有する）」、「ｈａｓ（～を有する）」、「ｃａｎ（～することができる）」、「ｃｏｎｔａｉｎ（～を含有する）」、およびそれらの変形例は、本明細書で使用されるように、明示された含有物／ステップの存在を要求し、かつ他の含有物／ステップの存在を可能にする、非制約的な移行句、用語、または単語であることが意図される。しかしながら、そのような説明は、列挙される含有物／ステップ「から成る」および「から本質的に成る」ものとして組成またはプロセスを説明するものとも解釈されるべきであり、これは、そこから生じ得る任意の不可避的な不純物に加えて、明示された含有物／ステップのみの存在を可能にし、他の含有物／ステップを除外する。

本願の明細書および請求項内の数値は、値を決定するために、同一の数の有効数字まで丸められると同一になる数値と、述べられる値から、本願に説明されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ異なる数値とを含むものとして理解されるべきである。

本明細書に開示される全ての範囲は、列挙される端点を含み、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム～１０グラム」の範囲は、端点、すなわち２グラムおよび１０グラムと、全ての中間値とを含む）。

用語「約」および「およそ」は、その値の基本機能を変化させることなく変動し得る、任意の数値を含むために使用されることができる。ある範囲と併用されると、「約」および「およそ」はまた、２つの端点の絶対値によって定義される範囲も開示し、例えば、「約２～約４」はまた、「２～４」の範囲も開示する。概して、用語「約」および「およそ」は、示される数の±１０％を指し得る。

本明細書で使用されるように、用語「励起光」および「励起波長」は、その後変換される入力光、例えば、レーザベースの照明源または他の光源によって生産される光を指す。用語「放射光」および「放射波長」は、変換された光、例えば、励起光に暴露されている蛍光体によって生産された、結果として生じる光を指す。

本明細書で使用されるように、用語「無機」は、「無機」物体が、いかなる炭素も含有しないことを意味する。疑義の回避のために、本開示の用語「無機結合剤」、「無機接着剤」、「無機コーティング」、および「無機接着剤」は、炭素を含有しない。

参考のために、赤色は、通常、約７８０ナノメートル～約６２２ナノメートルの波長を有する光を指す。緑色は、通常、約５７７ナノメートル～約４９２ナノメートルの波長を有する光を指す。青色は、通常、約４９２ナノメートル～約４５５ナノメートルの波長を有する光を指す。黄色は、通常、約５９７ナノメートル～約５７７ナノメートルの波長を有する光を指す。しかしながら、これは、文脈に依存し得る。例えば、これらの色は、時として、種々の部品を標識し、それらの部品を相互から区別するために使用される。

本開示は、高パワー照明システムにおける使用のためにそれらを特に好適にするある特性を保有する無機結合剤に関する。無機結合剤は、複数の含有物を含有する組成物である。変換光出力、色、および寿命等のいくつかの性能特性は、動作温度の直接的関数である。より高い動作温度において、変換光出力が、減少し得、色が、偏移し得、稼働寿命が、減少され得る。通常の動作条件下では、入力パワーの約５０％～６０％が、熱として出力される一方、入力パワーの残りは、光に変換される。高入力パワーにおいて、変換の間の熱生成が、摂氏２００度（２００℃）を上回る（３００℃以上を含み、最高４００℃）高い持続温度を引き起こすであろう。

特定の実施形態では、本開示の無機結合剤は、高温（例えば、２００℃超（３００℃以上を含み、最高４００℃）に耐えることが可能であり、高い光透過率（例えば、少なくとも９８％）を有し、高い引張／剪断強度（例えば、３００℃において少なくとも１００ｐｓｉ）を有し、可撓性コーティングプロセス（例えば、分注、シルク印刷、噴霧）によって適用されることができ、かつ低い硬化温度（例えば、１８５℃未満）を有する。

本開示の無機結合剤は、光学光変換デバイス（例えば、蛍光体ホイール）等の高パワー照明システム内で使用されることができる。無機結合剤は、異なる層内で使用され、高い反射率を提供する、または波長変換層を提供することができる。

本明細書の種々の実施形態において説明されるように、極めて一般的には、無機結合剤は、少なくとも１つの充填剤と、少なくとも１つの無機接着剤と、少なくとも１つの分散剤とを含む、またはそれらから本質的に成る。

無機結合剤は、無機結合剤の重量に基づいて、約２５～約８０重量％の充填剤を含んでもよく、約６０重量％～約７５重量％または約６５重量％～約７５重量％の充填剤を含む。充填剤は、無機結合剤から作製される層の所望される機能を得るために、使用されることができる。例えば、充填剤は、波長変換層を生産するための蛍光体であることができる、または反射コーティングを生産するための屈折粉末であることができる。１つ以上の異なる充填剤が、存在し得る。

無機結合剤は、無機結合剤の重量に基づいて、約２０重量％～約７５重量％の無機接着剤を含んでもよく、約２０重量％～約４５重量％または約２５重量％～約４０重量％の無機接着剤を含む。

無機結合剤は、無機結合剤の重量に基づいて、約０．５重量％～約５重量％の分散剤を含んでもよく、約１重量％～約４重量％または約２重量％～約３重量％の分散剤を含む。１つ以上の分散剤が、使用されることができ、これらの量は、結合される分散剤全体に適用される。

具体的な実施形態では、無機結合剤は、約２５～約８０重量％の１つ以上の充填剤と、約２０～約７５重量％の１つ以上の無機接着剤と、約０．５～約５重量％の１つ以上の分散剤とから本質的に成り、これらの含有物の合計は、１００重量％である。

他の特定の実施形態では、無機結合剤は、約６０～約７５重量％の１つ以上の充填剤と、約２０～約４０重量％の１つ以上の無機接着剤と、約０．５～約５重量％の１つ以上の分散剤とから本質的に成り、これらの含有物の合計は、１００重量％である。

無機接着剤への充填剤の添加は、無機結合剤の接合強度を向上させる。特に、充填剤の添加は、無機結合剤の収縮率を低下させ、固化の間の気泡または亀裂の形成を低減または防止し、それによって、使用の間の応力の量および／または影響を減少させ、無機結合剤の接合強度を改良させることができる。充填剤は、無機接着剤の熱膨張係数の２０％以内である、熱膨張係数を有するように選定されることができる。同様に、層化を回避するために、充填剤は、無機接着剤の密度の２０％以内である、密度を有するように選定されることができる。充填剤は、顆粒状、薄片状、または繊維状の形状等の任意の所望される形状を有してもよい。任意の好適な充填剤が、使用されることができる。例えば、具体的には、充填剤は、シリカ、ケイ酸塩、アルミン酸塩、またはリン酸塩、またはダイヤモンド粉末であり得ることが想定される。充填剤は、アルミニウム、銅、銀、または金粉末等の金属粉末であり得る。充填剤は、窒化アルミニウムまたはボラゾン等の窒化物であり得る。充填剤は、酸化アルミニウムまたは酸化ホウ素等の酸化物であり得る。充填剤は、金属酸化物、金属窒化物、または金属硫化物であり得る。充填剤は、約０．１ミクロン～約５０ミクロン等の任意の好適な粒子サイズであることができる。

分散剤の添加は、結合剤全体を通して充填剤を分散させ、それによって、望ましくない凝集または沈降を回避するために有益である。任意の好適な分散剤が、使用されることができる。例えば、具体的には、分散剤は、ポリビニルピロリドン、ポリアクリレート、ゼラチン、ポリビニルアルコール、セルロース、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸、またはリグノスルホン酸塩等の有機分散剤であり得ることが想定される。具体的には、代替として、分散剤は、ヘキサメタリン酸塩、ケイ酸塩、ポリリン酸塩、またはヒュームドシリカ等の無機分散剤であり得ることが想定される。

前述に説明されるように、無機結合剤は、コーティング等の種々の用途において採用され、蛍光体ホイール等の光学光変換デバイス内に１つ以上の層を形成することができる。蛍光体ホイールが、異なる色の光を連続的に生成するために使用される。蛍光体等の光変換（または波長変換）材料が、蛍光体ホイール上で使用される。蛍光体ホイールは、通常、励起光を緑色、黄色、または赤色に変換するための異なるタイプの蛍光体を含有する、いくつかのファン区画を有する。典型的には、青色光レーザ（約４４０ｎｍ～約４６０ｎｍの波長を有する）が、蛍光体ホイール上の蛍光体区画を励起するために使用される。蛍光体ホイールはまた、変換されていない状態で青色源光を通過させるための、１つ以上の間隙を有することができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、無機結合剤から形成される波長変換層を含む、そのような光変換デバイスを図示する。特に、第１の例示的光変換デバイスは、蛍光体ホイール１００である。図１Ａは、蛍光体ホイール１００の概略図であり、図１Ｂは、蛍光体ホイール１００の側面断面図である。蛍光体ホイール１００は、その上に無機結合剤が適用され、波長変換層１２０を形成する、基材１１０を含む。波長変換層は、充填剤１２１と、無機接着剤１２２と、分散剤（図示せず）とから本質的に成る、無機コーティングである。本特定の実施形態では、波長変換層は、約６０～約７５重量％の充填剤と、約２０～約４５重量％の無機接着剤と、約０．５～約５重量％の分散剤とから本質的に成る。

基材１１０は、典型的には、高い熱伝導性を有する金属、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、または高い熱伝導性を有する別の金属である。基材はまた、例えば、ガラス、サファイア、またはダイヤモンドからも作製され得る。例証の目的のために、波長変換層１２０は、基材１１０から離して示されているが、使用時、無機結合剤は、例えば、噴霧、分注、またはシルク印刷によって基材１１０に直接適用され、波長変換層を形成する。

蛍光体ホイール１００の本例示的実施形態では、充填剤は、蛍光体である。好適な蛍光体は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）と、ケイ酸塩と、窒化物とを含む。蛍光体は、約１０～約３０ミクロンの粒子サイズを有することができる。分散剤に加えて、蛍光体充填剤が、次いで、無機接着剤（例えば、液体透明無機接着剤）と結合され、無機結合剤を形成することができる。無機結合剤は、基材上に分散、噴霧、またはシルク印刷され、次いで、熱硬化および固化され、基材１１０がディスク形状にあるとき、同心パターン等の波長変換層１２０を形成することができる。無機コーティング１２０の硬化は、段階的プロセスにおいて実施されることができる。例えば、本例示的実施形態では、第１の硬化ステップが、約７５℃～約１００℃の温度において、約０．１時間～約１時間、例えば、０．２５時間の期間にわたって実施される。第２の硬化ステップが、その後、約１５０℃～約２００℃のより高い温度において、約０．５～約１時間の期間にわたって実施される。

ここで図２Ａおよび図２Ｂに目を向けると、別の光学光変換デバイスが、描写される。特に、第２の例示的光変換デバイスは、別の蛍光体ホイール２００である。図２Ａは、蛍光体ホイール２００の概略図であり、図２Ｂは、蛍光体ホイール２００の側面断面図である。蛍光体ホイール２００は、その上に無機結合剤が適用され、反射層２２０を形成し、蛍光体層２３０が、基材２１０上の反射層２２０にわたって適用される、基材２１０を含む。無機コーティングは、充填剤２２１と、無機接着剤２２２と、分散剤（図示せず）とを含む。特に、蛍光体ホイール２００の本例示的実施形態では、無機コーティングは、約６５～約７５重量％の充填剤と、約２０～約３５重量％の無機接着剤と、約１重量％～約２重量％の分散剤とから本質的に成る。

蛍光体ホイール２００の本実施形態では、充填剤は、１つ以上の屈折粉末を含む。屈折粉末は、約０．１ミクロン～約１５０ミクロンの粒子サイズを有することができる。分散剤に加えて、屈折粉末は、次いで、無機接着剤（例えば、液体透明無機接着剤）と結合され、無機結合剤を形成することができる。無機結合剤は、次いで、基材上に分散、噴霧、またはシルク印刷され、次いで基材２１０がディスク形状にあるとき、同心パターン等で基材２１０上で熱硬化および固化され、その上に高い反射率の層２２０を伴う、基材２１０を調製することができる。例えば、無機コーティング２２０は、約３８０ｎｍ～約８００ｎｍの波長を有する、高い光反射率を有することができる。無機結合剤の硬化は、段階的プロセスにおいて実施されることができる。例えば、本例示的実施形態では、第１の硬化ステップは、約７５℃～約１００℃の温度において、約０．１時間～約１時間、例えば、０．２５時間の期間にわたって実施される。第２の硬化ステップが、その後、約１５０℃～約２００℃、例えば、１８５℃の温度において、約０．５時間～約１時間、例えば、０．７５時間の期間にわたって実施される。

蛍光体ホイール２００はさらに、基材２１０上の高い反射率の層２２０にわたって適用される、蛍光体層２３０（例えば、蛍光体粉末層）を含む。蛍光体層２００は、例えば、分注またはシルク印刷によって適用されることができる。

図１Ａおよび図１Ｂの蛍光体ホイール１００、および図２Ａおよび図２Ｂの蛍光体ホイール２００は両方とも、高速で回転するモータ上に基材を搭載することによって作成されることができる。典型的には、基材は、使用の間に回転されるが、本デバイスは、静的（非回転）構成においても使用されることができ、この場合、これは、蛍光体ホイールとしては公知ではない場合がある。蛍光体ホイールの回転は、図１Ａおよび図２Ａにおいて、各基材１１０、２１０を通過し、各基材１１０、２１０の平面に対して法線方向の軸Ａ－Ａの周囲で回転する矢印によって描写される。

図１Ａ－１Ｂおよび図２Ａ－２Ｂに示されるように、光源（図示せず）（例えば、レーザベースの照明源）からの励起波長（すなわち、励起または入力光）の励起光１２３が、無機コーティング上に集束され、励起波長（すなわち、放射または変換される光）の放射光１２４が、無機コーティングによって生成される。このように、無機コーティングは、光スペクトルを第１の範囲のスペクトル波長の励起光から、第２の、異なる範囲のスペクトル波長の放射（または再放射）光に変換する。励起波長１２３の光（例えば、レーザビームの青色光）が、無機コーティング上に集束すると、放射波長１２４の光（例えば、黄色光）が、放射し、無機コーティングによって反射され、次いで、例えば、レンズによって集光されることができる。蛍光体ホイールは、そのそれぞれが、特定の色を伴う光を生成するために使用される、複数の色区画（本明細書に図示せず）を含む、無機コーティングで作製されることができる、または任意の所望される色を放射するように作製されることができる。例えば、無機コーティングは、青色光を吸光し、および／または黄色光および／または緑色光を生成するように構成されてもよい。

ここで図３を参照すると、接着剤として無機結合剤を採用する、例示的光トンネルが、描写される。光トンネルホイール３００は、それらの間に中空のトンネルを画定するように配列される複数の反射器３０１を含む。無機結合剤３０５が、反射器をともに継合させるように適用される。無機結合剤は、１つ以上の充填剤と、１つ以上の無機接着剤と、１つ以上の分散剤とを含む。特に、光トンネル３００の本例示的実施形態では、無機結合剤は、約６０～約７５重量％の充填剤と、約２０～約４５重量％の無機接着剤と、約２重量％～約３重量％の分散剤とから本質的に成る。

トンネル３００の本例示的実施形態では、充填剤は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）である。酸化アルミニウム充填剤は、約０．５～約１０ミクロンの粒子サイズを有することができる。分散剤に加えて、酸化アルミニウム充填剤は、次いで、無機接着剤（例えば、液体透明無機接着剤）と結合され、無機結合剤３０５を形成することができる。無機結合剤３０５は、それを継合するために、隣接する反射器３０１間の接合部に分注されることができる。無機結合剤３０５は、次いで、熱硬化および固化される。無機結合剤３０５の硬化は、段階的プロセスにおいて実施されることができる。例えば、本例示的実施形態では、第１の硬化ステップが、約８５℃の温度において、約０．２５時間の期間にわたって実施される。第２の硬化ステップが、その後、約１８５℃の温度において、約０．７５時間の期間にわたって実施される。

本開示の無機結合剤／無機結合剤コーティングおよび接着剤は、従来の蛍光体含有シリコーン光コンバータに優る、多くの利点を提供する。例えば、蛍光体含有無機接着剤コーティングは、少なくとも２００℃（３００℃以上を含み、最高４００℃）温度において光交換効率を維持することができる。コーティングは、可視波長における高い透明度、低い屈折率、高い接合強度、高い熱安定性（すなわち、高いＴｇまたは最高動作温度）、比較的に低い硬化／焼結温度、蛍光体との良好な適合性／混和性、および／または望ましい粘性を有するべきである。これは、１６５℃～４００℃の温度における蛍光体ホイールの熱耐久性を向上させるであろう。

望ましくは、無機結合剤は、実質的に光学的に透明である（例えば、無機結合剤は、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９８％の光透過率を有する）。これは、例えば、Ｐｅｒｋｉｎ－Ｅｌｍｅｒから入手可能である、Ｌａｍｂｄａ ９５０分光光度計を使用することによって測定される。対照的に、多くの有機結合剤が、不透明である。これは、無機結合剤が、透過型または反射型蛍光体ホイールにおいて使用されることを可能にする。

無機結合剤は、従来のシリコーン接着剤より高い接合強度を呈し得る。特定の実施形態では、本開示の無機結合剤は、少なくとも１００ｐｓｉ、または少なくとも２００ｐｓｉ、または約１００ｐｓｉ～約６００ｐｓｉの初期接合強度を有し得る。この性質は、２つのアルミニウム試験プレートを使用して、無機結合剤が、０．１ｍｍの厚さおよび１６９平方ｍｍの接合面積におけるその２つのプレートの間に設置された状態で、接着剤が適用される最高温度、例えば、３００℃で測定される。

無機接着剤は、通常、長期間にわたって安定しており、したがって、これらのデバイスの性能は、必ずしも経時的に有意に劣化するわけではないことが見出されている。また、有機材料は、高い動作温度においていくらかのガス放出を呈し得る。これは、光学デバイス内の近傍の構成要素の汚染をもたらし得る。加えて、無機結合剤は、高パワー条件において、従来のシリコーン材料より耐久性があり得る。それらは、高レーザ照射および温度下での信頼性の高い動作を呈する。それらはまた、種々のサイズ、形状、および厚さに柔軟に作製されることができる。本開示の無機結合剤はまた、高い動作温度、すなわち、２００℃を超過する動作温度に耐えることも可能である。それらは、ソリッドステートレーザプロジェクタが、１００ワットを超過するものを含む、約６０ワット～約３００ワットのレーザパワーを装備し得る、高パワーレーザ投影ディスプレイシステムにおいて使用されることができる。そのようなデバイスの動作温度は、２００℃超（３００℃超を含み、最高４００℃）に到達し、高発光輝度を可能にすることができる。

無機結合剤は、蛍光体ホイールおよびレーザ投影ディスプレイシステム内で使用され得ることが想定される。それらはまた、ソリッドステート照明源、例えば、自動車用ヘッドライトとも併用されることができる。それらはさらに、光トンネル、採光筒、および同等のための接着剤として使用されることができる。

以下の実施例は、本開示のプロセスを例証するために提供される。実施例は、例証的にすぎず、必ずしも、本開示をその中に記載される材料、条件、またはプロセスパラメータに限定することが意図されるわけではない。

（実施例１）
一例示的実施形態では、無機接着剤が、第１および第２の成分から形成された。使用される無機接着剤の総溶解固形分（ＴＤＳ）特性が、以下の表に提供される。

無機接着剤が、第１の成分および第２の成分を混合し、約２５～３０℃の温度において、約２～約３時間の期間にわたって撹拌することによって調製された。第１の成分対第２の成分の比は、約１：１～約７：３であった。

無機結合剤が、次いで、充填剤と、分散剤とを無機接着剤に添加することによって調製された。無機結合剤は、段階的プロセスにおいて硬化された。第１の硬化ステップが、約０．２～約１時間の期間にわたって、約６０～約９０℃の温度において実施された。第２の硬化ステップが、その後、約０．４～約２時間の期間にわたって、約１５０～約２００℃の温度において実施された。硬化された無機結合剤が、無機結合剤の高い温度抵抗に起因して、最高印加温度において優れた接合強度を呈することが、示された。

本開示は、好ましい実施形態を参照して説明されている。修正および改変が、前述の詳細な説明を熟読および理解することに応じて、当業者に想起されるであろう。本開示は、添付の請求項またはそれらの均等物の範囲内に該当する限りにおいて、そのような修正および改変全てを含むものとして解釈されることが意図される。
例えば、本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
無機結合剤から形成される層を備える光変換デバイスであって、前記無機結合剤は、
約２５～約８０重量％の充填剤と、
約２０～約７５重量％の無機接着剤と、
約０．５～約５重量％の分散剤と
を含む、光変換デバイス。
（項目２）
前記無機接着剤は、第１の成分と、第２の成分とから作製され、前記第１の成分対前記第２の成分の比は、約１：１～約７：３である、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目３）
前記無機接着剤は、前記第１および第２の成分を約２５～約３０℃の温度において約２時間～約３時間の期間にわたって撹拌することによって調製される、項目２に記載の光変換デバイス。
（項目４）
前記第１の成分は、半透明な液体であり、前記第２の成分は、透明な液体である、項目２に記載の光変換デバイス。
（項目５）
前記第１の成分は、約１～約５０ｍＰａ・ｓｅｃの粘性、約０．８～約１．３ｇ／ｃｍ^３の密度、および１０％を上回る固体含有量を有し、
前記第２の成分は、約０～約５０ｍＰａ・ｓｅｃの粘性、約０．６～約１．０ｇ／ｃｍ^３の密度、および１０％を上回る固体含有量を有する、
項目１－４のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目６）
前記充填剤の熱膨張係数は、前記無機接着剤の熱膨張係数の２０％以内であり、前記充填剤の密度は、前記無機接着剤の密度の２０％以内である、項目１－５のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目７）
前記充填剤は、ケイ酸塩と、アルミン酸塩と、リン酸塩と、ダイヤモンド粉末と、金属粉末と、窒化物と、酸化物と、金属硫化物とから成る群から選択され、前記充填剤は、顆粒状、薄片状、または繊維状の形状、および約０．１ミクロン～約５０ミクロンの粒子サイズを有する、項目１－６のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目８）
前記分散剤は、ポリビニルピロリドンと、ポリアクリレートと、ゼラチンと、ポリビニルアルコールと、セルロースと、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸と、リグノスルホン酸塩とから成る群から選択される有機分散剤であり、
前記分散剤は、ヘキサメタリン酸塩と、ケイ酸塩と、ポリリン酸塩と、ヒュームドシリカとから成る群から選択される無機分散剤である、
項目１－７のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目９）
前記無機結合剤は、２００℃を上回る温度に耐えることが可能であり、少なくとも９８％の光透過率を有し、かつ３００℃において少なくとも１００ｐｓｉの高い引張／剪断強度を有する、項目１－８のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目１０）
項目１に記載の光変換デバイスの層を形成する方法であって、前記方法は、
約６０℃～約９０℃の温度において、約０．２時間～約１時間の期間にわたって、第１の硬化を実施することと、
その後、約１５０℃～約２００℃の温度において、約０．４時間～約２時間の期間にわたって、第２の硬化を実施することと
を含む、方法。
（項目１１）
光変換デバイスであって、
基材と、
前記基材上への無機コーティングであって、前記無機コーティングは、
約２５～約８０重量％の充填剤と、
約２０～約７５重量％の無機接着剤と、
約０．５～約５重量％の分散剤と
を含む、無機コーティングと
を備える、光変換デバイス。
（項目１２）
前記基材は、ディスクの形状であり、さらに、前記基材に対して法線方向の軸の周囲で前記基材を回転させるように配列されるモータを備える、項目１１に記載の光変換デバイス。
（項目１３）
前記充填剤は、イットリウムアルミニウムガーネットと、ケイ酸塩と、窒化物とから成る群から選択される蛍光体であり、前記蛍光体は、約１０ミクロン～約３０ミクロンの粒子サイズを有する、項目１１－１２のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目１４）
前記充填剤は、約０．１ミクロン～約１５０ミクロンの粒子サイズを有する屈折粉末である、項目１１に記載の光変換デバイス。
（項目１５）
前記無機コーティングは、約３８０ｎｍ～約８００ｎｍの波長を有する光に関して少なくとも８０％の反射率を有する、項目１４に記載の光変換デバイス。
（項目１６）
前記基材上の前記無機コーティングにわたって適用される蛍光体層をさらに備える、項目１４－１５のいずれかに記載の光変換デバイス。
（項目１７）
項目１１に記載の光変換デバイスを形成する方法であって、前記方法は、
前記基材に前記無機コーティングを適用することと、
約８５℃の温度において、約０．２５時間の期間にわたって、前記無機コーティングの第１の硬化を実施することと、
その後、約１８５℃の温度において、約０．７５時間の期間にわたって、前記無機コーティングの第２の硬化を実施することと
を含む、方法。
（項目１８）
光トンネルであって、
２００℃を上回る温度に耐えることが可能である無機結合剤によってともに継合される複数の反射器であって、前記無機結合剤は、
約２５～約８０重量％の充填剤と、
約２０～約７５重量％の無機接着剤と、
約０．５～約５重量％の分散剤と
を含む、複数の反射器
を備える、光トンネル。
（項目１９）
前記充填剤は、約０．５ミクロン～約１０ミクロンの粒子サイズを有する酸化アルミニウムである、項目１８に記載の光トンネル。
（項目２０）
項目１８に記載の光トンネルを形成する方法であって、前記方法は、
約８５℃の温度において、約０．２５時間の期間にわたって、前記無機結合剤の第１の硬化を実施することと、
その後、約１８５℃の温度において、約０．７５時間の期間にわたって、前記無機結合剤の第２の硬化を実施することと
を含む、方法。

Claims (18)

1. 無機結合剤から形成される層を備える光変換デバイスであって、前記無機結合剤は、
   ２５～７５重量％の充填剤であって、前記充填剤が、ケイ酸塩と、アルミン酸塩と、リン酸塩と、ダイヤモンド粉末と、金属粉末と、窒化物と、酸化物と、金属硫化物とから成る群から選択される充填剤と、
   ２０～７５重量％の無機接着剤と、
   ０．５～５重量％の分散剤であって、前記分散剤が、ポリビニルピロリドンと、ポリアクリレートと、ゼラチンと、ポリビニルアルコールと、セルロースと、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸と、リグノスルホン酸塩とから成る群から選択される有機分散剤であるか、または前記分散剤が、ヘキサメタリン酸塩と、ケイ酸塩と、ポリリン酸塩と、ヒュームドシリカとから成る群から選択される無機分散剤である、分散剤と
   を含み、
   前記無機結合剤は、３００℃において少なくとも１００ｐｓｉの高い引張／剪断強度を有する、
   光変換デバイス。
2. 前記無機接着剤は、第１の成分と第２の成分とから作製され、前記第１の成分対前記第２の成分の重量比は、１：１～７：３である、請求項１に記載の光変換デバイス。
3. 前記第１の成分は、半透明な液体であり、前記第２の成分は、透明な液体である、請求項２に記載の光変換デバイス。
4. 前記第１の成分は、１～５０ｍＰａ・ｓｅｃの粘性、０．８～１．３ｇ／ｃｍ^３の密度、および１０％を上回る固体含有量を有し、
   前記第２の成分は、０～５０ｍＰａ・ｓｅｃの粘性、０．６～１．０ｇ／ｃｍ^３の密度、および１０％を上回る固体含有量を有する、
   請求項２および３のいずれかに記載の光変換デバイス。
5. 前記充填剤の熱膨張係数は、前記無機接着剤の熱膨張係数の２０％以内であり、前記充填剤の密度は、前記無機接着剤の密度の２０％以内である、請求項１－４のいずれかに記載の光変換デバイス。
6. 前記群から選択される前記充填剤は、酸化アルミニウム、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）蛍光体、ボラゾン、アルミニウム粉末、銅粉末、銀粉末、金粉末、窒化アルミニウム、または酸化ホウ素のうちの少なくとも１つを含み、前記充填剤は、顆粒状、薄片状、または繊維状の形状、および０．１ミクロン～５０ミクロンの粒子サイズを有する、請求項１－５のいずれかに記載の光変換デバイス。
7. 前記無機結合剤は、２００℃を上回る温度に耐えることが可能であり、かつ少なくとも９８％の光透過率を有する、請求項１－６のいずれかに記載の光変換デバイス。
8. 請求項１に記載の光変換デバイスの層を形成する方法であって、前記方法は、
   ６０℃～９０℃の温度において、０．２時間～１時間の期間にわたって、第１の硬化を実施することと、
   その後、１５０℃～２００℃の温度において、０．４時間～２時間の期間にわたって、第２の硬化を実施することと
   を含む、方法。
9. 光変換デバイスであって、
   基材と、
   前記基材上への無機コーティングであって、前記無機コーティングは、
   ２５～７５重量％の充填剤であって、前記充填剤が、ケイ酸塩と、アルミン酸塩と、リン酸塩と、ダイヤモンド粉末と、金属粉末と、窒化物と、酸化物と、金属硫化物とから成る群から選択される充填剤と、
   ２０～７５重量％の無機接着剤と、
   ０．５～５重量％の分散剤であって、前記分散剤が、ポリビニルピロリドンと、ポリアクリレートと、ゼラチンと、ポリビニルアルコールと、セルロースと、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸と、リグノスルホン酸塩とから成る群から選択される有機分散剤であるか、または前記分散剤が、ヘキサメタリン酸塩と、ケイ酸塩と、ポリリン酸塩と、ヒュームドシリカとから成る群から選択される無機分散剤である、分散剤と
   を含む、無機コーティングと
   を備え、
   前記無機コーティングは、３００℃において少なくとも１００ｐｓｉの高い引張／剪断強度を有する、
   光変換デバイス。
10. 前記基材は、ディスクの形状であり、さらに、前記基材に対して法線方向の軸の周囲で前記基材を回転させるように配列されるモータを備える、請求項９に記載の光変換デバイス。
11. 前記充填剤は、イットリウムアルミニウムガーネットと、ケイ酸塩と、窒化物とから成る群から選択される蛍光体であり、前記蛍光体は、１０ミクロン～３０ミクロンの粒子サイズを有する、請求項９－１０のいずれかに記載の光変換デバイス。
12. 前記充填剤は、０．１ミクロン～１５０ミクロンの粒子サイズを有する屈折粉末である、請求項９に記載の光変換デバイス。
13. 前記無機コーティングは、３８０ｎｍ～８００ｎｍの波長を有する光に関して少なくとも８０％の反射率を有する、請求項１２に記載の光変換デバイス。
14. 前記基材上の前記無機コーティングにわたって適用される蛍光体層をさらに備える、請求項１２－１３のいずれかに記載の光変換デバイス。
15. 請求項９に記載の光変換デバイスを形成する方法であって、前記方法は、
    前記基材に前記無機コーティングを適用することと、
    ８５℃の温度において、０．２５時間の期間にわたって、前記無機コーティングの第１の硬化を実施することと、
    その後、１８５℃の温度において、０．７５時間の期間にわたって、前記無機コーティングの第２の硬化を実施することと
    を含む、方法。
16. 光トンネルであって、
    ２００℃を上回る温度に耐えることが可能である無機結合剤によってともに継合される複数の反射器であって、前記無機結合剤は、
    ２５～７５重量％の充填剤であって、前記充填剤が、ケイ酸塩と、アルミン酸塩と、リン酸塩と、ダイヤモンド粉末と、金属粉末と、窒化物と、酸化物と、金属硫化物とから成る群から選択される充填剤と、
    ２０～７５重量％の無機接着剤と、
    ０．５～５重量％の分散剤であって、前記分散剤が、ポリビニルピロリドンと、ポリアクリレートと、ゼラチンと、ポリビニルアルコールと、セルロースと、スチレン－ｃｏ－無水マレイン酸と、リグノスルホン酸塩とから成る群から選択される有機分散剤であるか、または前記分散剤が、ヘキサメタリン酸塩と、ケイ酸塩と、ポリリン酸塩と、ヒュームドシリカとから成る群から選択される無機分散剤である、分散剤と
    を含む、複数の反射器
    を備え、
    前記無機結合剤は、３００℃において少なくとも１００ｐｓｉの高い引張／剪断強度を有する、
    光トンネル。
17. 前記充填剤は、０．５ミクロン～１０ミクロンの粒子サイズを有する酸化アルミニウムである、請求項１６に記載の光トンネル。
18. 請求項１６に記載の光トンネルを形成する方法であって、前記方法は、
    ８５℃の温度において、０．２５時間の期間にわたって、前記無機結合剤の第１の硬化を実施することと、
    その後、１８５℃の温度において、０．７５時間の期間にわたって、前記無機結合剤の第２の硬化を実施することと
    を含む、方法。

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