TWI694133B - 藉由使用表面奈米結構來強化光泵磷光體的輸出 - Google Patents

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Abstract

要將此臨時專利申請案的揭示作為整體且以其整體內容（包括所有文字、請求項及繪圖）來考慮。

Description

藉由使用表面奈米結構來強化光泵磷光體的輸出
下文關於磷光體技術、波長轉換技術及相關技術，且關於光電子、光子及使用相同技術的類似應用，例如（但不限於）投影顯示器（例如數位光處理（DLP））、汽車照明等等。
磷光體構件已知是用於轉換光波長，通常是從較短波長下轉換至一或更多個較長波長。在通用的方法中，磷光體材料被分散在透明或半透明的黏合材料（例如環氧樹脂、聚矽氧等等）中，該透明或半透明材料接著被固化以形成固態的磷光體構件。磷光體構件被雷射、發光二極體（LED）或其他泵激光源激發或「泵激」以發射磷光。磷光體構件可為靜態的，亦即在運作期間是不移動的。在另一應用中，磷光體構件安裝在旋轉的輪（亦即磷光體輪設備）的外輪緣附近，如此有效地在較大的面積上分佈來自泵激光束的加熱。磷光體輪設備亦有利地可藉由在沿磷光體輪的輪緣安置的不同磷光體構件（亦即不同的弧區段）中使用不同磷光體來提供不同色彩的（或一般而言是不同磷光頻譜的）時序。亦可藉由在相鄰磷光體弧區段之間留下弧形間隙提供零發射的時期。該磷光體輪可例如用以針對數位光處理（DLP）投影器或其他DLP顯示設備提供順序的紅、綠及藍光。
某些改良被揭露在本文中。
要將此臨時專利申請案的揭示作為整體且以其整體內容（包括所有文字、請求項及繪圖）來考慮。
如本文中所使用的且在本領域中亦是傳統的，例如為「光譜」、「光學」、「波長」、「頻率」、「光」、「光束」等等的用語不限於可見光譜，反而對於給定的濾波器而言可延伸進紅外及/或紫外光譜區域或完全在該等區域內。
使用磷光體構件必定將光學損失引進（磷光）光產生系統，例如磷光體構件之表面處的泵激光束反射損失以及磷光體構件裡面之泵激光束及磷光的吸收。泵激光束反射損失一般可藉由增加泵激光束功率（例如以較高的光功率輸出運行泵激雷射）來補償。然而，由磷光體進行之波長轉換之後的損失更難以補償。如此是因為稱為磷光體消光的現象，其中磷光在某個泵激光束功率處到達尖峰，在該泵激光束功率以上，磷光輸出在進一步增加光泵功率的情況下減少。相信磷光體消光至少部分地是由於加熱效應，且可藉由改良磷光體構件的散熱來限制磷光體消光；儘管如此，對於給定的散熱佈置而言，磷光體消光在可在磷光體構件裡面產生的磷光強度上施加了上限。
為了進一步改良外部磷光輸出，已知將抗反射（AR）塗層安置至磷光體構件的表面上。AR塗層減少表面處的磷光反射損失，因此將外部的磷光輸出升高至更接近內部磷光位準的位準。
然而，本文中認識到的是，使用AR塗層對於某些類型的磷光體構件而言可能是有問題的。AR塗層在施加至硬的平滑的表面時是最有效的。在藉由注射成型形成之主體材料（例如矽氧樹脂）的情況下，表面可能為多孔的、具有低硬度（口語上是「軟的」）、相對於AR塗層材料具有不良的化學相容性及/或具有相對高的粗糙度。該等因素可能導致不良地將AR塗層黏合至磷光體構件的表面，及/或可能導致造成的AR塗層是不均勻的且具有不良的扁平度而導致降級的抗反射效能。
在本文中所揭露的實施例中，藉由安置在磷光體構件之磷光發射表面處之經設計的表面奈米結構來減少磷光反射損失。在說明性的實施例中，該等表面奈米結構一般在形狀上是錐形的，且具有小於磷光之波長的側向尺度。在如此表面奈米結構存在的情況下，磷光與介面不作為從磷光體構件的
Figure 02_image001
到空氣的
Figure 02_image003
的截形折射率改變而交互作用；反而是作為有效折射率上的逐漸改變而交互作用，該改變在表面奈米結構的高度上從
Figure 02_image001
到1.00逐漸改變。一般而言，較高的表面奈米結構提供從
Figure 02_image001
到1.00的更漸進的有效轉變，且在較大的頻帶上提供強化的磷光轉換。
對於近紫外光、可見光或近紅外光範圍中的光而言，自由空間波長是300 nm到1-2微米的數量級。適當的奈米結構側向尺度因此是數十到數百奈米的數量級（亦即數百分之一到數十分之一微米）。藉由各式各樣的製造方法來輕易製造該等表面奈米結構，例如光刻法、雷射寫入、化學蝕刻等等。在磷光體構件是藉由注射成型來製造的某些實施例中，是藉由將表面奈米結構併進模具來在注射成型期間一體製造表面奈米結構。因此，可藉由低成本及高產量的技術來製造表面奈米結構。
確實，主體材料的低硬度可簡化表面奈米結構的形成；而低硬度可使得AR塗層沉積是困難的或不可能的。類似地，小於經設計表面奈米結構之尺度的表面多孔性或粗糙度實際上促進了有效折射率的所需的逐漸轉變；而該多孔性或粗糙度對於沉積平滑及均勻的AR塗層而言是有問題的。又進一步地，是藉由使用所揭露的表面奈米結構來消除AR塗層黏合問題以促進磷光體構件之外的磷光耦合。
現參照圖1，說明性的磷光體輪設備10包括以銅、銅合金、鋁合金等等製造的金屬碟或「輪」12。一或更多個磷光體構件14附接至輪12的外周邊，亦即附接於輪12的外輪緣處或附近。說明性的磷光體構件14具有弧形區段的形狀因子，以便順應磷光體輪10的圓形輪緣；然而，要了解的是，此為說明性應用，且更一般而言磷光體構件可具有任何形狀因子，且可用在磷光體輪中或用作靜態磷光體構件。說明性磷光體輪10包括六個相等尺寸的磷光體構件14；然而，可採用更多或更少的磷光體構件（包括少至包括輪緣的整個360o 的單一的環形磷光體構件）。雖然通常繪示及標示說明性的六個磷光體構件14，將理解的是，不同的磷光體構件可包括不同的磷光體（例如用以發射不同色彩的磷光）及/或在相鄰的磷光體構件（弧區段）之間可能存在間隙。運作時，例如藉由將馬達的馬達軸（未圖示）連接至中心軸16及操作馬達以使用所繪示的順時針方向CW旋轉磷光體輪10（亦設想逆時針旋轉），金屬輪12在中心軸16周圍旋轉。與旋轉同步地，泵激光施加至局部區域–此舉圖解地藉由施用說明性泵激雷射束點L的雷射18指示於圖1中。在金屬輪12旋轉時，其順序地使得磷光體構件14與雷射束L接觸以發射磷光。將輕易理解的是，可依DLP顯示應用中的需要，藉由合適地選擇各種磷光體構件14的磷光體，可產生各種色彩時序，例如紅-綠-藍-紅-綠-藍。雖然繪示泵激雷射18，可藉由另一光源（例如發光二極體（LED）、具有聚焦光學件的鹵素燈等等）來產生泵激光束L。
繼續參照圖1，區段S-S圖解地繪示一個磷光體構件14之一部分的橫截面及其針對金屬輪12的附接。注意的是，層厚度及側向尺度在圖1的圖解的區段S‑S中（或本文中的其他繪圖中）並非依比例繪製。磷光體構件14包括磷光體微粒141 （例如一或更多個磷光體粉末；在本文中亦稱為「磷光體」），例如（藉由非限制性說明的方式）嵌入（亦即分散）在主體材料142 中的釔鋁石榴石（YAG）、鈰摻雜YAG（YAG:Ce）、鎦YAG（LuYAG）、矽酸鹽基的磷光體、矽鋁氮氧化物（SiAlON）磷光體等等，該主體材料對於泵激光束及磷光兩者而言合適地在光學上是透射的。某些合適的主體材料包括矽氧樹脂、透明或半透明的熱塑性樹脂等等。如本領域中習知地，該等說明性主體材料被輕易地注射成型以形成由模具所定義之所需形狀的磷光體構件14。一般而言，主體材料142 定義磷光體構件14的形狀。
可選地，可將一或更多個背側反射塗層20施用於磷光體構件14的背表面。例如，反射塗層20可為介電或金屬或混合式介電/金屬鏡塗層20。（如本文中所使用的用語「前側」表示磷光體構件14發射磷光的側邊，而如本文中所使用的的用語「背側」表示磷光體構件14附接至散熱器12的側邊（其中，再次地，在說明性實例中，磷光體輪10的金屬輪12充當磷光體構件14的散熱器））。在說明性實施例中，泵激光束L亦施用於前側，此舉一般是方便的佈置；然而，係替代性地設想施用來自背側（例如通過支撐散熱器中的開口）的泵激光束。介電鏡塗層20被設計為反射磷光，且可選地亦被設計為反射泵激光束L。可藉由濺鍍沉積、熱蒸發、噴塗等等來施用反射塗層20。亦設想忽略反射塗層20，及/或提供其他光學塗層，例如波長選擇性過濾塗層、光散射塗層、菲涅耳透鏡等等。
磷光體構件14（包括可選的背側反射塗層20）藉由合適的黏著材料22黏著至散熱器12（例如說明性金屬輪12）。某些設想的黏著材料包括環氧樹脂、黏膠、焊料、黏合性矽氧樹脂（可選地為包括分散的光反射微粒（例如分散的氧化鋁微粒）的反射性矽氧樹脂材料）等等。若黏著材料22對於磷光而言是充分反射的（例如反射性矽氧樹脂），則設想忽略單獨的反射塗層20，因為黏著材料22可供應提供背側反射以強化光輸出效率的功能。在焊接的情況下，可焊接金屬疊（未圖示）可沉積在磷光體構件14的背側上（或反射塗層20的背側上，若有提供）以促進有效的焊接。亦設想以用於將磷光體構件14固定至散熱器的機械固定物（未圖示）替代，在該情況下，黏著材料22可被忽略或由導熱膠等等替換以提供針對散熱器的改良的熱傳導。
繼續參照圖1且進一步參照圖2及3，磷光體構件14包括磷光體構件14之前側上（或形成於該前側中）的表面奈米結構24，磷光從該前側發射（亦即該表面奈米結構安置在磷光發射表面25上）。具體參照圖2，該圖圖示磷光體構件14的隔離圖（其中忽略任何背側反射塗層20），且更具體參照圖2中所示的插圖A，表面奈米結構24為錐形的或具有錐形的尖梢。如圖3的透視圖中所見，說明性表面奈米結構24形成二維圖樣。
說明性的表面奈米結構具有二個維度上的側向尺度T，及垂直尺度（高度）H。在某些實施例中，表面奈米結構在兩個維度上是週期性的，使得側向尺度T可被視為二維週期性表面奈米結構的側向週期；然而，不需要週期性來針對強化磷光光功率輸出提供有效折射率的所需逐漸轉變。類似地，說明性表面奈米結構24具有均勻的高度H，但再次地，此舉對於在表面奈米結構24的高度H上提供有效折射率上的所需逐漸改變以供通過磷光發射表面25來強化磷光光功率輸出而言不是需要的。
在某些實施例中，表面奈米結構被非週期性地分佈在兩個維度上（而不是如圖3中地在兩個側向尺度上是週期性的）。在該等實施例中，側向尺度T合適地為相鄰表面奈米結構之間的統計平均間隔，且相鄰表面奈米結構間之間隔的變異值較佳地是相對小的（例如T的變異值實質上小於T本身）。在某些實施例中，表面奈米結構具有不均勻的高度（而不是具有均勻的高度）。在該等實施例中，垂直尺度H合適地為統計平均高度，且高度變異值較佳地是相對小的（例如H的變異值實質上小於H本身）。在某些實施例中，側向間隔及高度兩者如剛剛所描述地是隨機的。
關於側向尺度T，此側向尺寸較佳地在二維圖樣的兩個方向上是大約相同的。然而，在某些實施例中，設想側向尺度T在兩個方向上是不同的（例如沿磷光發射表面25在定義的相互正交的x及y方向上是不同的值Tx 及Ty ）。一般而言，將想要Tx 及Ty 是至少大約相等的。若Tx 及Ty 彼此非常不同，則如此可能導致光學發射異向性–然而，對於某些應用而言，該發射異向性可能是想要的。
對於近紫外光、可見光或近紅外光範圍中的磷光，自由空間波長是300 nm至數微米的數量級，使得奈米構造側向尺度T較佳地是包括性地在50 nm及2微米之間。一般而言，T應小於磷光波長。高度H決定一距離，有效折射率在該距離上從磷光體構件14之主體材料142 的折射率
Figure 02_image001
（例如對於一般主體材料而言是1.3‑2.0的數量級，雖然此範圍外面的
Figure 02_image001
的值是被設想的）向空氣的折射率
Figure 02_image003
逐漸改變。一般而言，較大的H值是較佳的；然而，若H太大，則非常高的表面奈米結構可能易受損傷。在某些合適的實施例中，H至少為100 nm。在某些實施例中，H是包括性地在100 nm至20微米的範圍中，雖然此範圍外面的H值是被設想的。
參照圖4及5，表面奈米結構可具有圖1‑3之說明性表面奈米結構24之尖銳地豎起的錐形形狀以外的尖頭形狀。例如，圖4圖示另一實施例，其中表面奈米結構24r是錐形的但具有圓頭的尖峰，或（取決於詳細的曲線）為圓頭的凸緣。圖5圖示另一實施例，其中表面奈米結構24fc在形狀上為截頭圓錐形且具有扁平的頂部。亦將理解的是，表面奈米結構可具有各種旋轉對稱性或可不具有旋轉對稱性。例如，表面奈米結構可為圓錐、六側（六邊的）錐體、不規則錐體等等。
參照圖6，在一個說明性製造實施例中，磷光體構件14是藉由注射成型來製造的，且表面奈米結構24是藉由併入所需表面奈米結構的模具來在注射成型期間一體形成的。圖6圖示用於使用蛤殼形模具來形成具有表面奈米結構24之磷光體構件14的說明性實例，該模具包括前側模件30及背側模件32。前側模件30包括定義表面奈米結構24的奈米特徵34。為了執行注射成型，兩個模件30、32被放在一起，且模製材料（亦即主體材料142 ，例如具有分散的磷光體141 的矽氧樹脂）透過開口36注射進模具。（注射開口36圖示在背側模件32中，但附加性或替代性地可在前側模件中。）一般在高溫（相較於室溫~25o C）下執行注射成型，使得材料是流進奈米特徵34且順應該等奈米特徵的流動材料（例如黏滯流體）以定義表面奈米結構24。材料在閉合的模具中冷卻以形成磷光體構件14，其中奈米特徵34定義表面奈米結構24。圖6圖示完成注射成型之後的模具30、32，其中蛤殼形模具30、32被開啟以移除模製的磷光體構件14。在某些注射成型程序中，可執行後續的固化程序以硬化注射成型的磷光體構件14。
表面奈米結構是以注射成型程序一體形成的圖6的方法是方便的。然而，其他方法可用以形成表面奈米結構，例如光刻法、雷射寫入、化學或電化學蝕刻等等。表面奈米結構24是以定義磷光體構件14之形狀的相同主體材料142 製造，且表面奈米結構24為磷光體構件14之整體形狀的部分。因此，將不同材料黏著至磷光體構件14是沒有問題的，如同針對必須黏著至磷光體構件之AR塗層的情況。在另一製造方法中，表面奈米結構24被設想為製造在單獨的薄膜（未圖示）上，該薄膜可以主體材料142 或不同材料製造，該不同材料的折射率被良好地配匹於主體材料的折射率。具有表面奈米結構的此膜接著附接至磷光發射表面25。若膜是以主體材料製造，則將膜附接至磷光發射表面25有利地是確保化學相容性的黏結程序。無論製造方法，在表面奈米結構24包括主體材料142 的實施例中，其可或可不包括分散的磷光體141 。例如，在圖6的實施例中，表面奈米結構24將本質上包括磷光體141 ，該等奈米結構與磷光體構件14的其餘部分一體地注射成型；而若表面奈米結構24是製造在單獨的主體材料膜上，則該膜可可選地不包括分散的磷光體。
在說明性實施例中，不存在安置在磷光發射表面25上的抗反射（AR）塗層。此情況一般是較佳的，因為表面奈米結構24一般是與磷光體構件結合而被最有效地採用，對於該等磷光體構件而言，在磷光發射表面25上形成AR塗層是不容易的。然而，設想例如藉由將AR塗層安置在表面奈米結構24上方來將AR塗層與表面奈米結構24結合。
將理解的是，各種以上所揭露的及其他的特徵及功能或其替代方案可理想地結合進許多其他不同系統或應用。將進一步理解的是，可藉由本領域中具技藝者在將來作出其中之各種目前未預見或未理解的替代方案、更改、變化或改良，其亦欲由以下請求項所包括。
10‧‧‧磷光體輪設備12‧‧‧金屬輪14‧‧‧磷光體構件141‧‧‧磷光體微粒142‧‧‧主體材料16‧‧‧中心軸18‧‧‧泵激雷射20‧‧‧反射塗層22‧‧‧黏著材料24‧‧‧表面奈米結構24fc‧‧‧表面奈米結構24r‧‧‧表面奈米結構25‧‧‧磷光發射表面30‧‧‧前側模件32‧‧‧背側模件34‧‧‧奈米特徵36‧‧‧注射開口A‧‧‧插圖H‧‧‧垂直尺度L‧‧‧泵激光束S-S‧‧‧線T‧‧‧側向尺度
圖1圖解地繪示磷光體輪設備，該設備包括沿輪緣安置之弧區段之形式的六個磷光體構件。圖1的區段S‑S圖示磷光體構件中之一者的一部分的橫截面，其包括用以強化磷光輸出的表面奈米結構。
圖2圖解地圖示圖1之區段S-S之磷光體構件的隔離圖，具有表面奈米結構之若干部分的放大圖。
圖3圖解地圖示圖1及2之磷光體構件之表面奈米結構的透視圖。
圖4及5圖解地圖示表面奈米結構的替代實施例。
圖6圖解地圖示在某些說明性製造實施例中適用於形成參照圖1‑3所述之說明性磷光體構件的模具，在該等實施例中，是在注射成型程序期間一體形成表面奈米結構。
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10‧‧‧磷光體輪設備
12‧‧‧金屬輪
14‧‧‧磷光體構件
141‧‧‧磷光體微粒
142‧‧‧主體材料
16‧‧‧中心軸
18‧‧‧泵激雷射
20‧‧‧反射塗層
22‧‧‧黏著材料
24‧‧‧表面奈米結構
25‧‧‧磷光發射表面
L‧‧‧泵激光束
S-S‧‧‧線

Claims (15)

  1. 一種磷光體構件，包括：一主體材料，定義該磷光體構件的形狀；及一或更多個磷光體，分散在該主體材料中，該一或更多個磷光體回應於一光學泵激光束而發射磷光；其中該磷光體構件具有一磷光發射表面，該磷光發射表面具有包括該主體材料的表面奈米結構；其中該等表面奈米結構具有不均勻的高度。
  2. 如請求項1所述之磷光體構件，其中該表面奈米結構為尖頭錐形表面奈米結構、截頭圓錐形表面奈米結構、或圓頭的凸緣表面奈米結構。
  3. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，其中該等表面奈米結構提供有效折射率上的一逐漸改變，該逐漸改變強化通過該磷光發射表面的磷光透射。
  4. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，其中該等表面奈米結構具有至少100奈米的一統計平均垂直高度。
  5. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，其中該等表面奈米結構具有100奈米及20微米之間的一統計平均垂直高度。
  6. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構 件，其中不在該磷光發射表面上安置抗反射塗層。
  7. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，更包括：一反射塗層，安置在與該磷光發射表面相對之該磷光體構件的一背表面上。
  8. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，其中該主體材料為矽氧樹脂。
  9. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，其中該主體材料為一透明或半透明熱塑性樹脂。
  10. 如請求項1-2中的任何一者所述之磷光體構件，其中分散在該主體材料中的該一或更多個磷光體包括釔鋁石榴石(YAG)、鈰摻雜YAG(YAG：Ce)、鎦YAG(LuYAG)、矽酸鹽基的磷光體及矽鋁氮氧化物(SiAlON)中的一或更多者。
  11. 一種磷光體輪設備，包括：一金屬輪，具有一中心軸，該金屬輪可透過該中心軸旋轉；及如請求項1-10中的任何一者所闡述之磷光體構件中的一或更多者，沿該金屬輪的一輪緣安置且固定至該金屬輪；其中各磷光體構件為一弧形區段磷光體構件，或磷光體構件中的該一或更多者以一單一環形磷光體構件 組成。
  12. 一種製造一磷光體構件的方法，包括以下步驟：藉由將具有一或更多個分散的磷光體的一主體材料注射進該模具，來將該磷光體構件注射成型，其中該模具定義該注射成型的磷光體構件的形狀；其中該模具包括定義該注射成型磷光體構件之一磷光發射表面上之表面奈米結構的奈米特徵；其中該等表面奈米特徵具有不均勻的高度。
  13. 一種用於製造一磷光體構件的模具，包括：第一及第二模具蛤殼形構件；其中該第一模具蛤殼形構件包括定義一磷光體構件之一磷光發射表面上之表面奈米結構的奈米特徵，該磷光體構件是藉由使用該模具進行的注射成型來形成的；其中該等表面奈米特徵具有不均勻的高度。
  14. 一種光發射方法，包括以下步驟：將一泵激光束施用於一磷光體構件，其中分散在該磷光體構件之一主體材料中的一或更多個磷光體回應於一光學泵激光束而發射磷光；及通過該磷光體構件的一磷光發射表面透射該磷光； 及使用包括該主體材料的表面奈米結構來強化該透射，該等表面奈米結構安置在該磷光發射表面上；其中該等表面奈米結構具有不均勻的高度。
  15. 如請求項14所述之光發射方法，其中該強化步驟包括：在該磷光發射表面處提供有效折射率上的一逐漸改變，該改變在該等表面奈米結構的高度上從該主體材料的一折射率向1.00的一折射率逐漸改變。
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