TW202124142A - 波長轉換元件 - Google Patents

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Abstract

一種波長轉換元件包括基板、反射層、無機發光層以及有機發光層。反射層設置於基板上。無機發光層設置於反射層上，並且包括第一螢光材料。有機發光層設置於反射層與無機發光層之間，並且包括第二螢光材料。無機發光層的折射率大於有機發光層的折射率，並且無機發光層的厚度大於有機發光層的厚度。

Description

波長轉換元件
本揭露是有關於一種波長轉換元件。
隨著高強度雷射投影技術的發展，已知一種從光源發射的激發光照射螢光材料的光源裝置。一般來說，例如透明環氧樹脂或矽樹脂的有機膠體，被用作黏著劑以封裝螢光粒子。有機黏著劑塗覆於反射金屬板上，以形成波長轉換元件。
然而，由於有機黏著劑的熱導率低，所以隨著雷射照射波長轉換元件的功率持續增加，有機黏著劑中產生的大量熱量不能快速地傳遞至金屬基板。因此，發光效率降低，且不利地影響波長轉換元件的性能。
本揭露之一技術態樣為一種波長轉換元件。
根據本揭露一實施方式，一種波長轉換元件包括基板、反射層、無機發光層以及有機發光層。反射層設置於基板上。無機發光層設置於反射層上，並且包括第一螢光材料。有機發光層設置於反射層與無機發光層之間，並且包括第二螢光材料。無機發光層的折射率大於有機發光層的折射率，並且無機發光層的厚度大於有機發光層的厚度。
在本揭露一實施方式中，無機發光層的第一螢光材料的濃度在從50重量百分比(wt%)到100重量百分比(wt%)的範圍間。
在本揭露一實施方式中，無機發光層包括第一黏著劑，第一黏著劑係由玻璃、陶瓷或螢光陶瓷製成。
在本揭露一實施方式中，有機發光層包括第二黏著劑與第二螢光粒子。
在本揭露一實施方式中，有機發光層的第二黏著劑係由樹脂或矽樹脂製成。
在本揭露一實施方式中，有機發光層的第二螢光粒子的濃度在從1重量百分比(wt%)到88重量百分比(wt%)的範圍間。
在本揭露一實施方式中，來自有機發光層的螢光的峰值波長大於來自無機發光層的螢光的峰值波長。
在本揭露一實施方式中，無機發光層的厚度在從0.02毫米到1毫米的範圍間。
在本揭露一實施方式中，有機發光層的厚度在從1微米到500微米的範圍間。
在本揭露一實施方式中，有機發光層進一步沿著無機發光層的側壁，延伸至無機發光層的頂面。
在本揭露一實施方式中，波長轉換元件進一步包括抗反射塗膜或微結構，位於無機發光層的頂面上。
在本揭露一實施方式中，有機發光層進一步包括白色功能粒子，其折射率大於1.7且小於3。
在本揭露一實施方式中，白色功能粒子由Al2 O3 、TiO2 、ZnO、ZrO2 或Ta2 O5 製成。
以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
第1圖繪示根據本揭露一實施方式之波長轉換元件100的上視圖，以及第2圖繪示沿第1圖的線2-2之波長轉換元件100的剖面圖。參閱第1圖與第2圖，波長轉換元件100包括基板110、反射層120、無機發光層130以及有機層140。反射層120設置於基板110上。無機發光層130設置於反射層120上，並且包括第一螢光材料。有機層140設置於反射層120與無機發光層130之間。在本實施方式中，無機發光層130的厚度大於有機層140的厚度。在一些實施方式中，有機層140的頂表面及有機層140的底表面分別與無機發光層130及反射層120接觸。在一些實施方式中，有機層140可以由樹脂、矽樹脂或其他適當的材料製成。
在本實施方式中，波長轉換元件100可以是投影機的反射輪，例如3DLP(數位光處理；digital light process)投影機。如第1圖所示，波長轉換元件100在正視圖中具有圓形的形狀。無機發光層130與有機層140在正視圖中具有環形的形狀。在一些實施方式中，基板110可以是圓盤。基板110可以由石英玻璃、石英晶體、藍寶石、光學玻璃或透明樹脂製成，但是本揭露不限於此。
反射層120可以通過濺射或其他適當的方法形成於基板110上，且因此反射層120與基板110的頂表面接觸。再者，反射層120可以由金屬製成，例如可以由銀鏡或鋁鏡製成。在一些實施方式中，反射層120可以包括複數個高反射膜，例如介電反射膜或金屬/介電複合膜。
在一些實施方式中，無機發光層130的第一螢光材料的濃度在從50重量百分比(wt%)到100重量百分比(wt%)的範圍間。無機發光層130的第一螢光材料可以包括第一黏著劑(glue binder)132與螢光粒子134，其中第一黏著劑132配置以封裝螢光粒子134。在一些實施方式中，無機發光層130的第一黏著劑132可以由玻璃、陶瓷或其他適當的材料製成。螢光粒子134可以由釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet；YAG)製成。在其他的實施方式中，無機發光層130的第一螢光材料可以由螢光陶瓷製成，並且無機發光層130可以藉由進行燒結製程來形成。
相較於有機材料，無機發光層130的無機材料係由強原子鍵組成且具有較高的熔點。舉例來說，陶瓷的熔點可高達攝氏約1700度。如此一來，即使當以高能量照射無機發光層130或在高溫下暴露無機發光層130時，無機發光層130的螢光粒子134也不容易受熱衝擊破壞。在一些實施方式中，無機發光層130可以承受高功率的光照射（例如雷射藍光）。無機發光層130的無機材料具有比有機材料較高的導熱率，此導致較佳的耐熱性。
應理解到在以下的實施方式中將不再重複上述元件的連接關係與材料，以及以下將描述與上述不同類型的波長轉換元件有關的其他方面。
第3圖繪示根據本揭露另一實施方式之波長轉換元件100a的剖面圖。如第3圖所示，波長轉換元件100a包括基板110、反射層120、無機發光層130以及有機發光層140a。相較於第2圖中的波長轉換元件100的有機層140，第3圖中的波長轉換元件100a的有機發光層140a進一步包括第二螢光材料。基板110、反射層120與無機發光層130的配置與第2圖所示的實施方式相似，故在以下的說明將不再重複描述。
在本實施方式中，有機發光層140a的第二螢光材料包括第二黏著劑142與螢光粒子144。在一些實施方式中，有機發光層140a的第二黏著劑142是有機材料。如此一來，第二黏著劑142有助於調整波長與光轉換效率。第二黏著劑142配置以封裝螢光粒子144。第二黏著劑142可以由樹脂、矽樹脂或其他適當的材料製成。螢光粒子144可以由釔鋁石榴石(YAG)製成。在一些實施方式中，有機發光層140a可以增加光照射（例如雷射藍光）的利用率。
在本實施方式中，無機發光層130的厚度大於有機發光層140a的厚度。舉例來說，無機發光層130的厚度在從0.02毫米(mm)到1毫米的範圍間，並且有機發光層140a的厚度在從1微米(μm)到500微米的範圍間。為了減少光散射與耐熱性，無機發光層130的厚度可以在從0.05毫米到0.5毫米的範圍間，並且有機發光層140a的厚度可以在從10微米到300微米的範圍間。由於有機發光層140a的厚度足夠薄（例如在從1微米到500微米的範圍間），因此可以避免或忽略溫度的升高。再者，由於有機發光層140a設置於無機發光層130與反射層120之間，熱量不會因包括無機材料的無機發光層130而易於積聚，並且不會產生如降低發光效率之不利影響。
在一些實施方式中，有機發光層140a的螢光粒子144的濃度在從1重量百分比(wt%)到88重量百分比(wt%)的範圍間。再者，來自有機發光層140a的螢光粒子144之激發光的峰值波長大於來自無機發光層130的螢光粒子134之激發光的峰值波長。
第4圖繪示第3圖之波長轉換元件100a反射光線時的示意圖。如第4圖所示，無機發光層130與有機發光層140a具有不同的折射率。當位於無機發光層130與有機發光層140a之間的界面上的第一激發光L1的入射角θ1大於臨界角(critical angle；θc)時，第一激發光L1將通過全反射而被反射回入射端（例如無機發光層130的頂表面）。在全反射的過程中，不會有能量損失。第一激發光L1可視為由螢光粒子134激發的入射光（例如雷射藍光）。再者，當入射光的入射角小於臨界角(θc)時，入射光將進一步進入有機發光層140a，以形成第二激發光L2，並且第二激發光L2被反射層120反射回無機發光層130。由於第二激發光L2的入射角θ2小於臨界角(θc)，不會發生全反射。
通過有機發光層140a的配置，可以利用已激發的螢光與未轉換的光（例如雷射藍光）的一部分來激發具有長波長的螢光粒子144進行轉換。因此，可以增加入射光（例如藍色激光）的使用，來達到調整光轉換波長的功能。再者，由於有機發光層140a的厚度足夠薄，故有機發光層140a不會影響從無機發光層130到基板110的熱傳導。
此外，為了實現上述的全反射，無機發光層130的折射率n1大於有機發光層140a的折射率n2。舉例來說，無機發光層130的第一黏著劑132可以由玻璃、透明陶瓷或螢光陶瓷製成，其中玻璃的折射率約為1.54、透明陶瓷的折射率約為1.76，以及螢光陶瓷的折射率約為1.83。有機發光層140a的第二黏著劑142可以由矽或樹脂製成，其中矽或樹脂任一者的折射率約在從1.4到1.5的範圍間。只要滿足無機發光層130的折射率n1大於有機發光層140a的折射率n2，無機發光層130的第一黏著劑132與有機發光層140a的第二黏著劑142的材料可以根據實際需求選擇。
以3DLP技術為例，相較於第2圖中激發光紅光波段的比例，可提升第3圖中激發光紅光波段的比例，從而增強使用者的視覺體驗。因此，在不犧牲總亮度的情況下，有機發光層140a可設置於無機發光層130與反射層120之間，其有助於改善顯色差異。舉例來說，第3圖中激發光紅光波段的比例可增加約5%（例如從100%增加至105%），以使在光分散之後可提升色彩鮮豔度，並且因此可改善使用者的視覺體驗。在一些實施方式中，相較於第2圖中激發光黃光波段的比例，第3圖中激發光黃光波段的比例可增加從2%到3%的範圍間（例如從100%增加至102.7%）。再者，相較於第2圖中激發光綠光波段的比例，第3圖中激發光綠光波段的比例可增加從1%到2%的範圍間（例如從100%增加至101.6%）。
第5圖繪示根據本揭露另一實施方式之波長轉換元件100b的剖面圖。如第5圖所示，波長轉換元件100b包括基板110、反射層120、無機發光層130、有機發光層140b以及抗反射塗膜(anti-reflective coating film)或微結構150，其中抗反射塗膜也可稱為增透膜。相較於第3圖中的波長轉換元件100a，第5圖中的波長轉換元件100b進一步包括抗反射塗膜或微結構150，以及在第5圖中的波長轉換元件100b的有機發光層140b具有不同的輪廓。基板110、反射層120與無機發光層130的配置與第3圖所示的實施方式相似，故在以下的說明將不再重複描述。
在本實施方式中，有機發光層140b進一步沿著無機發光層130的側壁133延伸至無機發光層130的頂面131。無機發光層130的頂面131的一部分被有機發光層140b覆蓋，而無機發光層130的頂面131的其餘部分被暴露。在一些實施方式中，有機發光層140b的頂面141高於無機發光層130的頂面131。
在本實施方式中，抗反射塗膜或微結構150設置於無機發光層130的頂面131上。換句話說，抗反射塗膜或微結構150覆蓋無機發光層130之暴露的頂面131。如此一來，可以減少入射光（例如在第4圖中的第一激發光L1）在無機發光層130的頂面131上的反射，並且可以提高激發螢光粒子134的效率。
抗反射塗膜或微結構150與無機發光層130接觸在一些實施方式中，抗反射塗膜或微結構150的頂面151被暴露。有機發光層140b的頂面141高於抗反射塗膜或微結構150的頂面151。
第6圖繪示根據本揭露另一實施方式之波長轉換元件100c的剖面圖。如第6圖所示，波長轉換元件100c包括基板110、反射層120、無機發光層130、有機發光層140c以及抗反射塗膜或微結構150。相較於第5圖中的波長轉換元件100b，第6圖中的波長轉換元件100c的有機發光層140c進一步包括白色功能粒子146。基板110、反射層120、無機發光層130以及抗反射塗膜或微結構150的配置與第5圖所示的實施方式相似，故在以下的說明將不再重複描述。
在本實施方式中，有機發光層140c的白色功能粒子146配置以調整激發光（例如在第4圖中的第二激發光L2）的散射路徑。具體來說，白色功能粒子146與有機發光層140c配置以增加散射路徑與導熱率。白色功能粒子146具有比第二黏著劑142較高的折射率與導熱率。在一些實施方式中，白色功能粒子146的折射率大於1.7且小於3。白色功能粒子146的導熱率在從10 W/m·K到30 W/m·K的範圍間。白色功能粒子146可以由氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鈦(TiO2 )、氧化鋅(ZnO)、氧化鋯(ZrO2 )、氧化鉭(Ta2 O5 )或其他適當的材料製成。以下的表一說明白色功能粒子146的示例材料。
  TiO2 ZnO Al2 O3
折射率 2.7 2.0 1.8
導熱率(W/m·K) 10.3 26 30
表一為白色功能粒子146由不同材料製成時，其各自的折射率與導熱率。
雖然本揭露已經將實施方式詳細地揭露如上，然而其他的實施方式也是可能的，並非用以限定本揭露。因此，所附之權利要求的精神及其範圍不應限於本揭露實施方式之說明。
本領域任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之改變或替換，因此所有的這些改變或替換都應涵蓋於本揭露所附權利要求的保護範圍之內。
100:波長轉換元件 100a:波長轉換元件 100b:波長轉換元件 100c:波長轉換元件 110:基板 120:反射層 130:無機發光層 131:頂面 132:第一黏著劑 133:側壁 134:螢光粒子 140:有機層 140a:有機發光層 140b:有機發光層 140c:有機發光層 141:頂面 142:第二黏著劑 144:螢光粒子 146:白色功能粒子 150:抗反射塗膜或微結構 151:頂面 L1:第一激發光 L2:第二激發光 n1:折射率 n2:折射率 θ1:入射角 θ2:入射角 2-2:線
本揭露之態樣可從以下實施方式的詳細說明及隨附的圖式理解。 第1圖繪示根據本揭露一實施方式之波長轉換元件的上視圖。 第2圖繪示沿第1圖的線2-2之波長轉換元件的剖面圖。 第3圖繪示根據本揭露另一實施方式之波長轉換元件的剖面圖。 第4圖繪示當反射光線時第3圖之波長轉換元件的示意圖。 第5圖繪示根據本揭露另一實施方式之波長轉換元件的剖面圖。 第6圖繪示根據本揭露另一實施方式之波長轉換元件的剖面圖。
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100a:波長轉換元件
110:基板
120:反射層
130:無機發光層
132:第一黏著劑
134:螢光粒子
140a:有機發光層
142:第二黏著劑
144:螢光粒子

Claims (13)

  1. 一種波長轉換元件，包含： 一基板； 一反射層，位於該基板上； 一無機發光層，位於該反射層上，該無機發光層包含一第一螢光材料；以及 一有機發光層，位於該反射層與該無機發光層之間，該有機發光層包含一第二螢光材料，其中該無機發光層的一折射率大於該有機發光層的一折射率，且該無機發光層的一厚度大於該有機發光層的一厚度。
  2. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該無機發光層的該第一螢光材料的一濃度在從50重量百分比(wt%)到100重量百分比(wt%)的範圍間。
  3. 如請求項2所述之波長轉換元件，其中該無機發光層包含一第一黏著劑，該第一黏著劑係由玻璃、陶瓷或螢光陶瓷製成。
  4. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該有機發光層包含一第二黏著劑與一第二螢光粒子。
  5. 如請求項4所述之波長轉換元件，其中該有機發光層的該第二黏著劑係由樹脂或矽樹脂製成。
  6. 如請求項4所述之波長轉換元件，其中該有機發光層的該第二螢光粒子的一濃度在從1重量百分比(wt%)到88重量百分比(wt%)的範圍間。
  7. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中來自該有機發光層的螢光的一峰值波長大於來自該無機發光層的螢光的一峰值波長。
  8. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該無機發光層的該厚度在從0.02毫米到1毫米的範圍間。
  9. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該有機發光層的該厚度在從1微米到500微米的範圍間。
  10. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該有機發光層進一步沿著該無機發光層的一側壁，延伸至該無機發光層的一頂面。
  11. 如請求項10所述之波長轉換元件，進一步包含： 一抗反射塗膜或一微結構，位於該無機發光層的該頂面上。
  12. 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該有機發光層進一步包含一白色功能粒子，該白色功能粒子的一折射率大於1.7且小於3。
  13. 如請求項12所述之波長轉換元件，其中該白色功能粒子由Al2 O3 、TiO2 、ZnO、ZrO2 或Ta2 O5 製成。
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