TWI632323B - 波長轉換裝置及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明保護一種波長轉換裝置及其製備方法，包括依次疊置的發光層、反射層和金屬散熱層，反射層與金屬散熱層通過鍵合層連接，鍵合層爲(Cu,Al)O2 層，反射層通過(Cu,Al)O2 鍵合層與金屬散熱層連接，使得反射層中的熱量能夠快速傳遞到金屬散熱層散失掉，這種連接方式不僅導熱高、厚度薄而且連接牢固，能够耐受波長轉換裝置工作中的高溫，從而使波長轉換裝置在大功率發光下保持高效穩定的出光。本發明還要求保護包括該波長轉換裝置的發光裝置和投影系統，以及波長轉換裝置的製備方法。

Description

波長轉換裝置及其製備方法
本發明係關於光學技術領域，尤其是指一種波長轉換裝置及其製備方法。
隨著顯示和照明技術的發展，原始的鹵素燈泡作爲光源越來越不能滿足顯示和照明之高功率和高亮度等需求。採用固態光源如LD（Laser Diode，雷射二極體）發出的雷射光以激發波長轉換材料的方法能夠獲得各種顔色的可見光，該技術越來越多的應用於照明和顯示中。這種技術具有效率高、能耗少、成本低、壽命長的優勢，是現有白光或者單色光光源的理想替代方案。
由於反射式波長轉換裝置效率高，被廣泛的應用於照明顯示裝置中，根據反射層材料的不同，其主要分爲兩種結構：一是金屬鏡面反射層，二是漫反射層。
首先，對於金屬鏡面反射結構，其耐候性能差，容易在高溫下出現硫化氧化使得可靠性較低。
其次，對於漫反射層結構，一般以散射顆粒和玻璃粉組成，其反射率的熱穩定性遠高於金屬鏡面反射層，但是自身導熱性差，這將導致發光層産生的熱量難以通過漫反射層發散出去，導致熱量聚集，進一步使得發光層産生的熱量無法發散，從而降低了光源可靠性並同時降低了發光層的發光效率，導致光源效率低。而對於以散射顆粒和空隙組成的漫反射層結構，與上述散射顆粒和玻璃粉的方案相同，空隙的存在大大的增加了漫反射層的熱阻，其導熱效果很差，同樣會導致光源效率低。
因此需要一種新的波長轉換裝置結構，能够同時具有良好的反射和熱穩定性，從而在大功率發光的情况下保持高效穩定的出光。
針對上述現有技術中波長轉換裝置耐溫性差和散熱差的缺陷，本發明提供一種耐高溫、散熱良好的波長轉換裝置。
是以，為了達到上述之發明目的，本發明所提供之一種波長轉換裝置，係包括： 一發光層； 一反射層；以及 一金屬散熱層； 其中，該發光層、該反射層以及該金屬散熱層係依次地疊置，並且，該反射層與該金屬散熱層係透過一鍵合層而連接，且該鍵合層爲(Cu,Al)O2 層。
優選地，該鍵合層爲CuAlO2 層。
優選地，該鍵合層的厚度係介於1μm至10μm之間。
優選地，該反射層爲陶瓷反射層，且該陶瓷反射層爲氧化鋁陶瓷反射層、氧化鋁氮化硼複合陶瓷反射層或氧化鋁氧化鋯複合陶瓷反射層。
優選地，該反射層的厚度係介於50μm至3000μm之間，且該反射層之較佳厚度係介於100至1500μm之間。
優選地，該金屬散熱層爲銅散熱層或銅鋁合金散熱層。
優選地，更包括有一金屬鍍層，且該金屬鍍層係貼鍍於該金屬散熱層之表面，並且，該金屬鍍層爲鎳鍍層、金鍍層或鎳金雙鍍層。
優選地，該發光層係包括有波長轉換材料與黏接劑，且該波長轉換材料爲螢光粉、奈米發光材料或量子點，而該黏接劑爲玻璃。
優選地，該玻璃爲SiO2 -B2 O3 -RO、SiO2 -TiO2 -Nb2 O5 -R’2 O、ZnO-P2 O5 中的一種或多種，其中R選自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一種或多種，R’選自Li、Na、K中的一種或多種。
優選地，該波長轉換裝置係可應用於一發光裝置之中。
優選地，該發光裝置係可應用於一投影系統之中。
此外，本發明更提出一種製備波長轉換裝置的方法，係包括下列步驟： (1)獲取含氧化鋁的陶瓷反射層和含銅的金屬散熱層，採用直接敷銅法或真空擴散法將該陶瓷反射層與該金屬散熱層封接爲一體，並於該陶瓷反射層與該金屬散熱層之間形成(Cu,Al)O2 層之鍵合層； (2)於該金屬散熱層表面鍍製金屬鍍層；以及 (3)於該陶瓷反射層遠離於該金屬散熱層的表面上燒結形成發光層。
優選地，該發光層係包括有波長轉換材料與黏接劑，且該波長轉換材料爲螢光粉、奈米發光材料或量子點，並且該黏接劑爲玻璃，而該燒結形成發光層的溫度大於或等於該玻璃的軟化點溫度。
優選地，該金屬鍍層爲鎳鍍層、金鍍層或鎳金雙鍍層。
優選地，該直接敷銅法的溫度係不低於步驟(3)之中的燒結溫度，並且，該真空擴散法的溫度係不低於步驟(3)之中的燒結溫度。
與現有技術相比，本發明包括如下有益效果：反射層通過(Cu,Al)O2 鍵合層與金屬散熱層連接，使得反射層中的熱量能够快速傳遞到金屬散熱層散失掉，這種連接方式不僅導熱高、厚度薄而且連接牢固，能够耐受波長轉換裝置工作中的高溫，從而使波長轉換裝置在大功率發光下保持高效穩定的出光。
必正如背景技術所述，現有的波長轉換裝置要使用耐高溫的漫反射層做爲反射層，則會因漫反射層散熱差而導致熱量積累，使得波長轉換裝置工作在高溫下發光效率降低。
發明人意圖將反射層與金屬散熱層結合在一起，以實現將反射層的熱量快速散失，然而常規的機械固定、黏接等方法或者界面熱阻大，或者不能承受高溫，或者結合不牢固，無法適應波長轉換裝置長時間高功率下的工作。
此外，還要考慮在以反射層爲基板製備發光層的過程中，反射層與金屬散熱層的連接結構的熱穩定性問題，發光層的製備方法爲將波長轉換材料與玻璃在玻璃的軟化點溫度以上加熱燒結後冷卻成形，一般透過率高的玻璃的軟化點都在700℃以上。與此同時，普通的焊接連接法中，目前應用成熟的銀、錫焊的焊接溫度約爲700~800℃，那麽在發光層的製備過程中，將不可避免的影響反射層與金屬散熱層的連接結構的穩定性。
基於此，本發明提供了一種波長轉換裝置，以克服上述問題，將反射層和金屬散熱層以(Cu,Al)O2 層鍵合層連接，(Cu,Al)O2 層可以以很薄的厚度實現牢固的連接，而且導熱性能良好，並且能够使波長轉換裝置在大功率發光下保持穩定。此外，(Cu,Al)O2 層的製備溫度（或者破壞其穩定性的溫度）高於一般透過率高的玻璃的軟化點，那麼在製備發光層過程中不會對(Cu,Al)O2 層産生破壞。
以上是本發明的核心思想，爲使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和實施方式對本發明實施例進行詳細說明。
本發明結合結構示意圖進行描述，爲便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限製本實用發明的範圍。為了能夠更清楚地描述本發明所提出之波長轉換裝置及其製備方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之各種較佳實施例。
請參見圖1，圖1爲本發明實施例一的波長轉換裝置的結構示意圖，該結構示意圖爲波長轉換裝置的剖面圖，以便於清楚表達各層構成。如圖1所示，波長轉換裝置包括發光層101、反射層102和金屬散熱層103，其中，反射層102與金屬散熱層103之間係透過鍵合層104連接。在波長轉換裝置工作狀態下，激發光源發出激發光照射發光層101的光入射面，産生受激光並放出大量的熱量。部分受激光穿過發光層101，入射到反射層102，被反射層102反射回發光層101並最終從發光層101的光入射面出射。而發光層101産生的熱量到達反射層102後，經鍵合層104擴散到金屬散熱層103並最終散失到周圍環境中。
本實施例之技術中，反射層102爲陶瓷反射層，該層主要起兩個作用，一是用以反射該發光層101所産生的光，二是將發光層101産生的熱量迅速傳導到金屬散熱層103，因此要求反射層102既有較高的光反射率又有較高的熱導率。此外，反射層102還具有承載發光層101的作用，要求反射層102與發光層101的熱膨脹係數盡可能的接近，進而可以使得黏接力較强。
爲實現上述作用，反射層102選擇含有氧化鋁的陶瓷反射層作爲反射層，該陶瓷反射層爲純氧化鋁陶瓷反射層，在本發明的其他實施方式中，陶瓷反射層也可以爲氧化鋁複合陶瓷反射層，例如氧化鋁氮化硼複合陶瓷反射層、氧化鋁氧化鋯複合陶瓷反射層等，其中，氧化鋁氧化鋯複合陶瓷中的氧化鋯可以提高氧化鋁陶瓷的結構韌性並提高反射層的反射率，是一種更優的技術方案。
本實施例中，反射層102的厚度優選爲50μm至3000μm之間，在此區間內根據結構大小的需要而變動，反射層厚度低於50μm則無法滿足反射率的要求，而厚度高於3000μm則無法滿足散熱的要求，更優選地，反射層的厚度係可以選擇爲100μm至1500μm之間為佳。
本實施例之中，金屬散熱層103爲含銅的金屬散熱層，例如銅散熱層，其導熱性能好，成本低。此外，金屬散熱層103也可以選擇銅鋁合金散熱層，鋁的抗熱震性能更好，使得波長轉換裝置的熱穩定性更優。
另外，本實施例之中，鍵合層104爲(Cu,Al)O2 層，在低氧氣壓情况下，含氧化鋁的陶瓷反射層與含銅的金屬層在其界面高溫熔融形成共晶液實現兩者之間的鍵合，具體來說，銅在微量氧環境下，在其表面形成氧化亞銅，氧化亞銅在接近銅的熔點的高溫下與氧化鋁形成氧化銅鋁的共晶液(Cu,Al)O2 ，從而實現氧化鋁與銅的連接，實現反射層102與金屬散熱層103的結合。在本發明的一個實施方案中，該鍵合層104爲CuAlO2 層，此爲(Cu,Al)O2 層的一個特殊實例。
本實施例中， (Cu,Al)O2 之鍵合層104在很薄的厚度下實現反射層102與金屬散熱層103的結合，優選地，鍵合層104的厚度係介於1μm至10μm之間。若鍵合層104厚度小於1μm，則導致結合力太弱，黏接力太低，而到鍵合層104厚度大於10μm，則鍵合層104在長大的過程中産生的自身缺陷增多，同樣導致黏接力下降。
此外，在本實施例所提出之技術中，發光層101包括波長轉換材料和黏接劑，其中波長轉換材料是指能够將入射到該材料的光轉換成不同波長的出射光的材料，例如螢光粉、奈米發光材料和量子點。黏接劑通過黏接作用使波長轉換材料成爲層結構，本實施例之中，黏接劑爲玻璃，具體的，該玻璃材料爲玻璃爲SiO2 -B2 O3 -RO、SiO2 -TiO2 -Nb2 O5 -R’2 O、ZnO-P2 O5 中的一種或多種，其中R選自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一種或多種，R’選自Li、Na、K中的一種或多種，該類玻璃材料的熱膨脹係數與氧化鋁接近，可以有效避免波長轉換裝置在工作或製造過程中因各層熱膨脹係數不同而産生的破壞。
發光層101通過將波長轉換材料與玻璃黏接劑混合後，在反射層102的表面燒結而成，在燒結過程中，玻璃黏接劑軟化呈液態或半固半液態，形成連續體，將波長轉換材料包覆其中。發光層101的燒結溫度低於鍵合層104的形成溫度，因此在製備發光層101的過程中，不會對鍵合層104産生破壞。
在本實施例之中，波長轉換裝置還包括金屬鍍層105，如圖1所示，該金屬鍍層105貼鍍於金屬散熱層103的表面，在實施例一之中，金屬鍍層105貼鍍於金屬散熱層103的底面。在該實施例的一個變形實施例中，如圖2所示，金屬鍍層105貼鍍於金屬散熱層103的除了與鍵合層104連接的其他表面上。該金屬鍍層105用於防止金屬散熱層103氧化，尤其防止在發光層101的製備燒結過程中，較高的溫度（玻璃黏接劑軟化點溫度）下金屬散熱層103的氧化。
金屬鍍層105可以爲鎳鍍層、金鍍層或者在鍍鎳的基礎上鍍金的鎳金雙鍍層。在製備發光層101過程中，由於燒結溫度較高，金屬鍍層105不可避免的發生揮發現象，因此金屬散熱層103表面的金屬鍍層105可能會呈不連續分布或僅存小範圍分布，這是本發明所希望看到的，因爲金屬鍍層105的導熱性不如銅金屬散熱層。金屬鍍層105僅作爲波長轉換裝置在製備過程中防氧化層而發揮作用。
本實施例提供的波長轉換裝置，利用(Cu,Al)O2 之鍵合層104連接反射層102和金屬散熱層103，不僅導熱高、厚度薄而且連接牢固，能够耐受波長轉換裝置工作中的高溫，從而使波長轉換裝置在大功率發光下保持高效穩定的出光。
本發明的另一個實施例還提供了一種發光裝置，該發光裝置包括激發光源和上述實施例提供的波長轉換裝置，激發光源照射波長轉換裝置的發光層101，激發波長轉換材料産生不同波長的受激光，從而實現提供多色光用於照明或者顯示。
其中，激發光源可以爲固態光源，例如發光二極體光源和雷射二極體光源，尤其對於雷射二極體光源，發光功率高，配合本發明的波長轉換裝置，能够發出高亮度的多色光。而本發明的波長轉換裝置優異的散熱性、熱穩定性和低光損耗（即高光反射率）能够滿足大功率激光光源的應用。
本發明之波長轉換裝置係可應用於投影系統中，且該投影系統包括上述發光裝置，除此之外還包括分光合光系統、對光線進行調製的光調製系統以及光投影系統等。
本發明還提供了一種上述實施例中的波長轉換裝置的製備方法，如圖3所示，其具體步驟係包括有：
步驟(S01)，獲取含氧化鋁的陶瓷反射層和含銅的金屬散熱層，採用直接敷銅法或真空擴散法將陶瓷反射層與金屬散熱層封接爲一體，在陶瓷反射層與金屬散熱層之間形成(Cu,Al)O2 層鍵合層；步驟(S02)，在金屬散熱層表面鍍製金屬鍍層；以及步驟(S03)，在陶瓷反射層遠離金屬散熱層的表面上燒結形成發光層。
其中，步驟(S01)當中所述製備(Cu,Al)O2 層鍵合層的方法中，直接敷銅法具體操作方式如下：首先，在微量氧氣氣氛下，銅表面氧化成氧化亞銅，然後置於含氧化鋁的陶瓷反射層上，在略低於銅熔點的溫度範圍內，銅與氧化鋁形成(Cu,Al)O2 共晶液，以實現氧化鋁與銅的封接；並且，真空擴散法具體爲：將含氧化鋁的陶瓷反射層和含銅的金屬散熱層表面經過清洗拋光處理，將兩層緊壓，然後在銅的熔點的附近溫度範圍內施加高壓一段時間，其界面處的原子相互滲透形成(Cu,Al)O2 層，實現氧化鋁與銅的封接。
於步驟(S02)之中，利用化學電鍍的方法在金屬散熱層表面鍍製金屬鍍層，金屬鍍層爲鎳鍍層、金鍍層或鎳金雙鍍層，用於防止在後續步驟中金屬散熱層表面被氧化。
而在步驟(S03)之中，首先用物理或化學方法清潔含氧化鋁的陶瓷反射層遠離金屬散熱層的表面，然後以該陶瓷反射層爲基板，將波長轉換材料與黏接劑的漿料塗覆其上，燒結形成發光層。波長轉換材料爲螢光粉、奈米發光材料或量子點，物理化學性能溫度，不會在燒結過程中産生變化，而黏接劑爲玻璃，燒結形成發光層的溫度大於等於玻璃的軟化點溫度，使得玻璃具有一定的流動性，將各顆粒間的空氣擠出，形成連續體，將波長轉換材料包裹其中成爲穩定的層體。
其中，該步驟(S03)之中的燒結溫度低於步驟(S01)中形成(Cu,Al)O2 層的溫度，因此(Cu,Al)O2 層可以在燒結形成發光層過程中保持穩定。
步驟(S01)至步驟(S03)係按照上述排列次序進行，其中，步驟(S01)中製備(Cu,Al)O2 層鍵合層的溫度最高，若先進行步驟(S02)或步驟(S03)，則會導致金屬鍍層完全揮發或發光層形變。步驟(S02)作爲防止金屬散熱層被步驟(S03)氧化的工序，自然在步驟(S03)之前。在進行步驟(S03)過程中，金屬鍍層部分揮發，而(Cu,Al)O2 層鍵合層保持穩定。
本實施例製備波長轉換裝置的方法製備出的波長轉換裝置結構穩定、熱穩定性好、散熱性能好，能够耐受波長轉換裝置工作中的高溫，從而使波長轉換裝置在大功率發光下保持高效穩定的出光。
本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
以上所述僅爲本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。
＜本發明＞
101‧‧‧發光層
102‧‧‧反射層
103‧‧‧金屬散熱層
104‧‧‧鍵合層
105‧‧‧金屬鍍層
S01~S03‧‧‧步驟
圖1係本發明實施例一的波長轉換裝置的結構示意圖； 圖2係本發明另一實施例的波長轉換裝置的結構示意圖；以及 圖3係本發明之製備波長轉換裝置的方法流程圖。

Claims (14)

  1. 一種波長轉換裝置，係包括：一發光層；一反射層；以及一金屬散熱層；其中，該發光層、該反射層以及該金屬散熱層係依次地疊置，並且，該反射層與該金屬散熱層係透過一鍵合層而連接，且該鍵合層為(Cu,Al)O2層，該鍵合層的厚度係介於1μm至10μm之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換裝置，其中，該鍵合層為CuAlO2層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換裝置，其中，該反射層為陶瓷反射層，且該陶瓷反射層為氧化鋁陶瓷反射層、氧化鋁氮化硼複合陶瓷反射層或氧化鋁氧化鋯複合陶瓷反射層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之波長轉換裝置，其中，該反射層的厚度係介於50μm至3000μm之間，且該反射層之較佳厚度係介於100至1500μm之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換裝置，其中，該金屬散熱層為銅散熱層或銅鋁合金散熱層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換裝置，其中，更包括有一金屬鍍層，且該金屬鍍層係貼鍍於該金屬散熱層之表面，並且，該金屬鍍層為鎳鍍層、金鍍層或鎳金雙鍍層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換裝置，其中，該發光層係包括有波長轉換材料與黏接劑，且該波長轉換材料為螢光粉、奈米發光材料或量子點，而該黏接劑為玻璃。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之波長轉換裝置，其中，該玻璃為SiO2-B2O3-RO、SiO2-TiO2-Nb2O5-R’2O、ZnO-P2O5中的一種或多種，其中R選自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一種或多種，R’選自Li、Na、K中的一種或多種。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述之波長轉換裝置，其中，該波長轉換裝置係可應用於一發光裝置之中。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之波長轉換裝置，其中，該發光裝置係可應用於一投影系統之中。
  11. 一種製備波長轉換裝置的方法，係包括下列步驟：(1)獲取含氧化鋁的陶瓷反射層和含銅的金屬散熱層，採用真空擴散法將該陶瓷反射層與該金屬散熱層封接為一體，並於該陶瓷反射層與該金屬散熱層之間形成(Cu,Al)O2層之鍵合層；(2)於該金屬散熱層表面鍍製金屬鍍層；以及(3)於該陶瓷反射層遠離於該金屬散熱層的表面上燒結形成發光層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製備波長轉換裝置的方法，其中，該發光層係包括有波長轉換材料與黏接劑，且該波長轉換材料為螢光粉、奈米發光材料或量子點，並且該黏接劑為玻璃，而該燒結形成發光層的溫度大於或等於該玻璃的軟化點溫度。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製備波長轉換裝置的方法，其中，該金屬鍍層為鎳鍍層、金鍍層或鎳金雙鍍層。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之製備波長轉換裝置的方法，其中，該真空擴散法的溫度係不低於步驟(3)之中的燒結溫度。
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