TW202214796A

TW202214796A - 耐高溫黏結劑

Info

Publication number: TW202214796A
Application number: TW109138172A
Authority: TW
Inventors: 張文博; 梁安生
Original assignee: 大陸商美題隆精密光學（上海）有限公司
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-04-16
Also published as: WO2022067685A1; US20230279267A1; EP4222229A1; EP4222229A4; CN116419957A; JP2023544991A

Abstract

本申請公開了一種用矽溶膠-凝膠製成的無機黏結劑、以及製造該無機黏結劑的方法。本申請公開了用於在包括螢光輪的光轉換系統中使用該無機黏結劑的技術和系統。具有該無機黏結劑的螢光輪能夠耐高溫，具有高透光率，具有高拉伸剪切強度，可以通過柔性塗覆方法進行塗布，並且具有低固化溫度。

Description

耐高溫黏結劑

本公開涉及具有某些特性的無機黏結劑，這些特性使得所述無機黏結劑適合用於光學光轉換裝置，如用於此類系統中的螢光輪。本公開的無機黏結劑在高達250℃的溫度下保持了增強的黏結強度。

有機黏合劑(例如環氧樹脂、聚氨酯、矽樹脂)廣泛用於黏結。例如，在有機矽內具有螢光體(phosphor-in-silicone)類型的製品中，將螢光體粉末混合到有機矽黏結劑或黏合劑中，然後以所需圖案進行分配(dispensed)或印刷。由於矽樹脂的高透明度、高黏結強度、較低的折射率和適當的黏度，矽樹脂被普遍用於金屬、玻璃和其他材料的黏結。然而，有機矽黏結劑/黏合劑的熱穩定性差。在超過200℃的溫度時，有機矽黏合劑將降解，開始變黃，並逐漸開始燃燒。在具有高亮度(例如，200W的鐳射功率)的應用中，預期螢光輪的運行溫度通常大於200℃，因此使得使用有機矽黏合劑是不可取的。

因此，期望提供一種無機黏結劑，該無機黏結劑除了具有耐高溫性(例如，高達250℃)之外，還表現出與有機黏結劑相同的所需特性(即，高透明度、高黏結強度、低折射率和適當的黏度)。這種無機黏結劑可有利地用於各種應用，如光隧道、投影顯示系統和光學光轉換裝置，如用於此類系統中的螢光輪。

提供本發明內容以便以簡化的形式介紹所選擇的概念，將在以下具體實施方式中進一步描述這些概念。本發明內容不旨在標識所要求保護的主題的關鍵因素或必要特徵，也不旨在用於限制所要求保護的主題的範圍。

本申請公開了無機黏結劑，該無機黏結劑可以用於光學光轉換裝置(例如，螢光輪)的高反射率塗層中、或用作黏合劑以用於接合兩個元件。無機黏結劑具有某些特性，這些特性使得無機黏結劑特別適合用於高功率照明系統。例如，在特定實施方案中，無機黏結劑能夠耐受高溫(例如，高達250℃)，具有高透光率(例如，至少92%)，具有高拉伸剪切強度(例如，在250℃時至少為100psi)，可以通過柔性塗覆方法(例如，滴塗、絲網印刷、噴塗)進行塗布，並且具有低固化溫度(例如，小於200℃)。

在一個示例性實施方案中，提供了一種無機黏結劑，該無機黏結劑包含矽溶膠-凝膠溶液、矽烷偶聯劑、醇溶性溶劑和填料，所述矽溶膠-凝膠溶液包含矽溶膠-凝膠和水。

在另一個示例性實施方案中，提供了一種製造無機黏結劑的方法，該方法包括：將醇溶性溶劑和矽烷偶聯劑添加到容器中，並將醇溶性溶劑和矽烷偶聯劑混合，從而形成第一溶液(例如，第一溶液可為均勻的或不均勻的)；將矽溶膠-凝膠添加到第一溶液中，並將矽溶膠-凝膠和第一溶液混合，從而形成第二溶液；將填料添加到第二溶液中，並將填料和第二溶液混合，直到填料與第二溶液之間的任何化學反應都完成為止，從而形成第三溶液；以及從第三溶液中除去水。

為了實現前述和相關目的，以下描述和附圖闡述了某些說明性方面和實施方案。這些僅指示了可採用一個或以上方面的各種方式中的幾種。當結合附圖考慮時，根據以下詳細描述，本公開的其他方面、優點和新穎特徵將變得顯而易見。

123:激發光

124:發射光

200:光轉換裝置

210:基底層

220:反射層

221:折射顆粒

222:無機黏結劑

230:螢光體層

所要求保護的主題在某些部件和部件的排列中可以採取物理形式，其優選實施方案將在說明書中進行詳細描述並且示出於形成說明書的一部分的附圖中，並且其中：

圖1為製造無機黏結劑的示例性實施方案的方法的流程圖。

圖2為可利用本文所述的黏結劑之一的光學光轉換裝置的示例性實施方案的示意圖。

圖3為圖2的光學光轉換裝置的側視截面圖，該光學光轉換裝置可使用本文所述的黏結劑之一。

現在參照附圖描述所要求保護的主題，其中相同的附圖標記通常用於在全文中指代相同的元件。在以下描述中，出於解釋的目的，闡述了許多具體細節以便提供對所要求保護的主題的透徹理解。然而，顯然，可在沒有這些具體細節的情況下實施所要求保護的主題。在其他情況中，以框圖形式示出結構和裝置以便於描述所要求保護的主題。

參照附圖，在所有的幾個視圖中，相同的附圖標記表示相同或相應的部件。然而，不同視圖中包括類似元件並不意味著給定的實施方案必須包括此類元件，或者所要求保護的主題的所有實施方案都包括此類元件。實例和附圖僅是說明性的，並不意味著限制由權利要求的範圍和精神所限定的所要求保護的主題。

在光轉換應用中使用的黏結劑/黏合劑的材料直接影響光轉換的效率和品質。此類材料可能暴露於高溫，從而使得光轉換裝置的壽命直接受到黏結劑的熱穩定性的影響。因此，光轉換應用需要表現出高熱穩定性，同時表現出諸如高黏結強度和高透明度之類的其他有利特性的材料。

諸如有機矽、環氧樹脂和聚氨酯之類的有機黏結劑由於其高透明度和黏合強度而經常用於光轉換裝置中。然而，這些材料還表現出低的熱穩定性，導致將材料引入超過200℃的溫度時會降解、開始變黃並逐漸燃燒。在具有高亮度的應用(例如，約200W的鐳射功率)中，光轉換裝置的運行溫度可能達到高於200℃的溫度，從而使得對於長期解決方案而言，有機黏結劑是不可取的。

在本公開的一個示例性實施方案中，提供了一種無機黏結劑，該無機黏結劑能夠耐受高溫(例如，大於250℃)，具有高透光率特性(例如，至少92%)，並且具有高拉伸剪切強度(例如，在250℃時至少為100psi)。在這一方面，在一些實施方案中，黏結劑可以通過柔性塗覆方法(例如，滴塗、絲網印刷、噴塗、濺射)進行塗布，並且可具有低固化溫度(例如，小於200℃)。

在一些實施方案中，示例性無機黏結劑可以包括酸性納米膠體矽(例如，pH值為4至5的納米矽溶膠-凝膠)。矽溶膠-凝膠是使用分散在水中的SiO₂納米顆粒形成的無味無毒膠體，其分子式為mSiO₂.nH₂O，並且在該實施方案中，包括4至5的弱酸性pH值。

例如，矽溶膠-凝膠可以是解決耐高溫問題的良好選擇，因為矽溶膠-凝膠是可以在低於200℃的溫度下固化的無機材料。然而，矽溶膠-凝膠可能不適合直接用作黏結劑，因為它與鋁、螢光體、玻璃、陶瓷和其他目標材料的黏結強度低。此外，由於溶劑蒸發，矽溶膠-凝膠會易於破裂、變形或以其他方式表現出不期望的物理性質。此外，與有機矽膠相比，矽溶膠-凝膠的彈性差。

在一個方面，如本文所述，可以通過添加矽烷偶聯劑和/或其他填料來對矽溶膠-凝膠進行改性，以改進黏結穩定性和物理性質。然而，當將矽烷偶聯劑和/或其他填料添加到矽溶膠-凝膠中時，所得的產物會具有不穩定的黏度，這可能是由矽烷偶聯劑的連續化學反應造成的。因此，該溶膠-凝膠黏結劑的黏度會隨時間流逝而提高、和/或溶膠-凝膠黏結劑可在室溫下快速固化並在短時間內變成二氧化矽。矽烷偶聯劑(例如)可包括三甲氧基矽烷、三乙氧基矽烷、矽酸四甲酯、矽酸四乙酯或他們的組合。

在這一方面，通過調節和控制pH值，並通過選擇合適的材料，可以開發出所需的基於矽溶膠-凝膠的黏結劑。例如，諸如MTMS[三甲氧基甲基矽烷(MTMS)之類的矽烷偶聯劑可以作為用於合成毛細管液相色譜(例如，離子凝膠，其中離子液體被限制在矽衍生的網路內)用的具有各種骨架尺寸的整體式矽膠柱(monolithic silica columns)的所需前體而被添加到矽溶膠-凝膠中以改進黏結強度。在這個實例中，添加MTMS後，所得的基於溶膠-凝膠的黏結劑還表現出良好的透光率和成膜性能。在製造過程中，可以將pH值調節到4至5，以減輕由MSTS和填料引起的不穩定黏度，從而通過調節pH值而得到在4℃時具有3至6個月的保存期限的溶膠-凝膠膠水，這意味著化學反應在室溫下緩慢進行。

然而，在這一方面，包含矽烷偶聯劑的矽溶膠-凝膠黏結劑可能易碎的且容易破裂。在一些實施方案中，可以將一種或以上填料添加到基於溶膠-凝膠的黏結劑中以改進所得的膜的韌性。例如，填料可以包括一種或多種類型，包括但不限於微米/納米氟化鈣、微米/納米氟化鎂、微米/納米石英、微米/納米低熔點玻璃粉末、氣相二氧化矽、矽酸鈉、羥基改性的聚合物樹脂、羥基改性的有機矽樹脂、矽烷擴鏈劑、羥基改性的矽油、TEOS和水溶性聚合物樹脂。此外，通過使用旋轉蒸發器和/或添加高沸點溶劑，可以減輕低黏度或者溶劑揮發性的潛在問題。

在這一方面，例如所得的基於溶膠-凝膠的黏結劑的產物在約250℃的溫度下可以具有改進的性能。此外，基於溶膠-凝膠的黏結劑的黏度可以更穩定，具有高透光率，改進的成膜性能和改進的儲存壽命。

在一個方面，如本文所述，可將溶劑添加到基於溶膠-凝膠的黏結劑中以促進偶聯劑在基於溶膠-凝膠的黏結劑內的均勻覆蓋。所得的基於溶膠-凝膠的黏結劑可具有改進的黏附強度。溶劑可為任何合適的溶劑，如醇溶性溶劑。在一些實施方案中，醇溶性溶劑為乙醇、異丙醇、乙二醇、丙二醇或它們的組合。

參照圖1，可通過10所示的一系列步驟製造無機黏結劑。在一個實施方案中，如20所示，可在容器中混合比例為0克至1000克的溶劑和比例為0.5克至1000克的偶聯劑。混合可在約4℃至約20℃、優選在10℃至約20℃的溫度下進行約2分鐘至30分鐘。在一些實施方案中，可以將溶液混合至少直到溶液成為溶劑和偶聯劑的均勻混合物為止。然而，在其他實施方案中，可僅僅將溶液混合期望的時間量以獲得期望的溶液結果，而不管溶液是否均勻。應當理解，時間和溫度可基於溶劑和偶聯劑的量和類型進行調節。例如，溶劑可包括一種或以上低沸點(例如，<150℃)溶劑，例如水、乙醇、異丙醇；以及一種或以上高沸點溶劑(例如，>150℃)，如乙二醇和丙二醇。此外，作為一個實例，偶聯劑可以包括矽酸四甲酯、矽酸四乙酯、三甲氧基矽烷基團、三乙氧基矽烷基團中的一種或以上。

此外，在該示例性的黏結劑製造方法中，如22所示，可將比例為約100克的pH值為4至5的酸性納米矽溶膠-凝膠，如Yuda Chemical的HS-25或LUDOX的HAS膠體二氧化矽，添加到溶劑和偶聯劑的溶液中。可以將矽溶膠-凝膠與溶劑和偶聯劑的溶液在約4℃至約20℃、優選在10℃至約20℃的溫度下混合約1小時至約3小時。應當理解，時間和溫度可基於溶劑、偶聯劑和矽溶膠-凝膠的量和類型進行調節。

此外，如24所示，可將填料添加到混合溶劑、偶聯劑和矽溶膠-凝膠溶液中。作為實例，填料可以包括微米/納米氟化鈣、微米/納米氟化鎂、微米/納米石英、微米/納米低熔點玻璃粉末、氣相二氧化矽(例如，在火焰中產生的、團聚成較大顆粒的熔融成支化結構的無定形二氧化矽的微滴)、矽酸鈉、羥基改性的聚合物樹脂、羥基改性的矽樹脂、矽烷擴鏈劑、羥基改性的矽油、TEOS[原矽酸四乙酯，正式名稱為四乙氧基矽烷，分子式Si(OC₂H₅)₄，其為在水中降解的無色液體)和水溶性聚合物樹脂中的一種或以上。在添加比例為0克至500克的填料之後，可在約4℃至約20℃、優選在10℃至約20℃的溫度將溶劑、偶聯劑、矽溶膠-凝膠和填料的溶液混合約2小時至約48小時，至少直到填料與溶液基本上完全反應，從而形成無機黏結劑的前體。應當理解，時間和溫度可基於溶劑、偶聯劑、矽溶膠-凝膠和填料的量和類型以及所得的前體的所需條件和/或稠度進行調節。

在該實施方案中，如28所示，可通過任何合適的方法測試前體溶液的pH值，並且如果需要，可例如通過向溶液中添加酸或堿來調節前體溶液的pH值以滿足4至5的pH值。酸是pH小於7的溶液，而堿是pH值大於7的溶液。在一個實例中，如果pH值大於約4.5，可添加諸如氫氧化鈉(NaOH)之類的堿，直到溶液的pH值達到約4.5為止。如果溶液的pH值小於約4.5，可添加諸如鹽酸(HCl)之類的酸，直到溶液的pH值達到約4.5為止。

在一些實施方案中，可使用旋轉蒸發器設備來促進除去無機黏結劑222中的至少一些添加溶劑。作為實例，旋轉蒸發器通過蒸發從溶液中除去溶劑。在一些實施方案中，旋轉蒸發器設備可用於從無機黏結劑中除去具有低沸點(例如，小於150℃)的溶劑。例如，溶劑的除去可以產生具有所需黏度的無機黏結劑，以便允許適當地塗布黏結劑，減輕黏結劑靶標材料的沉降，並提供所塗布的黏結劑的穩定性。

參照圖2和圖3，提供了利用無機黏結劑的光轉換裝置200，以將激發光123轉換成發射光124。激發光123為輸入光，或者是從基於鐳射的照明源或其他光源產生的光。激發光123從光源透射並被導向光轉換裝置200，光轉換裝置200通過將激發光123的波長轉換成發射光124的波長，然後將發射光124反射回激發光123的來源，從而將激發光123轉換成發射光124。因為發射光124的波長不同於激發光123，所以發射光123的顏色不同於激發光124。

例如，可將波長為約440nm至約460nm的藍光雷射器用作光源。當藍光作為激發光123暴露於光轉換裝置200時，所得的發射光可為紅色(波長為約780nm至約622nm的光)、綠色(波長為約577nm至492nm的光)或黃色(波長為約597nm至約577nm的光)。

當激發光123照射到光轉換裝置200時，光轉換裝置200的溫度升高。在正常運行條件下，大約50%至60%的激發光123被轉換成熱量，而其餘的激發光123被轉換成發射光124。在激發光123具有高亮度水準(例如，200W的鐳射功率)的應用中，光轉換裝置200可達到高於200℃的溫度。在這些溫度下，具有差的熱穩定性的光轉換裝置開始降解、變黃並且逐漸開始燃燒。這影響了發射光124的強度、顏色品質和光轉換裝置200的壽命。

在本公開的一些實施方案中，提供了具有高熱穩定性的光轉換裝置200。光轉換裝置200包括三個層：基底層210、反射層220和螢光體層230。反射層220位於基底層210和螢光體層230之間。當暴露于激發光123時，螢光體層230中的螢光體被激發並產生發射光124。然後，發射光124被反射層220反射。

在一些實施方案中，光轉換裝置200的基底層210是具有高導熱率的金屬，如鋁或鋁合金、銅或銅合金、或具有高導熱率的另一種金屬。基底層210也可由玻璃、藍寶石或金剛石製成。基底層210具有相對的表面，這些表面中的至少一個具有可以結合至反射層220的表面。

將反射層220直接散佈、噴塗或絲網印刷到基底層210的表面上。在一些實施方案中，反射層220由折射顆粒221、溶劑和無機黏結劑222製成。折射顆粒221的尺寸可為約0.1μm至約150μm，並且可由諸如氧化鈦(TiO₂)之類的任何合適的物質製成。溶劑可由諸如丙二醇之類的任何合適的物質製成。在一些實施方案中，折射顆粒221、溶劑和無機黏結劑222的比例為5：1：2。反射層220具有相對的表面，一個表面結合至基底層210，並且一個表面可結合至螢光體層230。

在其他實施方案中，在一系列步驟中將反射層220直接噴塗到基底層210上。首先將所需量的折射顆粒221、溶劑和無機黏結劑222混合以形成混合物。然後將混合物以第一層噴塗到基底層上，並在60℃的溫度靜置約30分鐘。接下來，在約150℃將第一層固化約20分鐘。然後通過將混合物噴塗到第一層上來塗布混合物的第二層。第二層是分步固化的，首先在約60℃的溫度固化約30分鐘，然後在約150℃的溫度固化約20分鐘，最後在約180℃的溫度固化約1小時。

將螢光體層230直接分散或絲網印刷到反射層220的表面上。在一些實施方案中，螢光體層由螢光體粉、溶劑、分散劑和無機黏結劑製成。螢光體粉末可由顆粒尺寸為約10μm至約30μm的螢光體制成，並且可由任何合適的物質製成，如釔鋁石榴石(YAG)、矽酸鹽和氮化物。溶劑可以由諸如丙二醇之類的任何合適的物質製成。分散劑可由諸如氣相二氧化矽等任何合適的物質製成。在一些實施方案中，螢光體粉末、溶劑、分散劑和無機黏結劑的比例為10：1：0.3：3。

在其他實施方案中，在一系列步驟中將螢光體層230直接絲網印刷到反射層220上。首先將所需量的螢光體粉末、分散劑、增稠劑和無機黏結劑混合以形成混合物。然後將混合物絲網印刷到反射層220上。將混合物分步固化，首先在約150℃的溫度固化約20分鐘，最後在約180℃的溫度固化約1小時。

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