TWI739009B - 波長轉換元件、投影裝置及波長轉換元件的製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種波長轉換元件，包括基板、波長轉換層以及漫反射層。波長轉換層配置於基板上方。漫反射層配置於基板及波長轉換層之間。漫反射層包括無機接著劑及多個漫反射粒子，多個漫反射粒子混合於無機接著劑。無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑。本發明另提供一種使用上述的波長轉換元件的投影裝置，以及提供一種上述的波長轉換元件的製造方法。
Description
本發明是關於一種顯示裝置，特別是關於一種波長轉換元件、使用此波長轉換元件的投影裝置以及波長轉換元件的製作方法。
投影裝置所使用的光源種類隨著市場對投影裝置亮度、色彩飽和度、使用壽命、無毒環保等等要求，從超高壓汞燈（UHP lamp）、發光二極體（light emitting diode, LED）進化到雷射二極體（laser diode, LD）。
目前高亮度的紅色雷射二極體及綠色雷射二極體的成本過高，為了降低成本，通常採用藍色雷射二極體激發螢光粉轉輪上的螢光粉來產生黃光、綠光，再經由色輪（filter wheel）將所需的紅光過濾出來，再搭配藍色雷射二極體發出的藍光，而構成投影畫面所需的紅、綠、藍三原色。
螢光粉轉輪為目前採用雷射二極體為光源的投影裝置中極為重要的元件。然而，習知螢光粉轉輪的螢光粉層為使用高透光矽膠混合螢光粉，由於高透光矽膠導熱性差且耐溫性低，故無法因應高功率的雷射投影裝置的需求。此外，習知螢光粉轉輪中，漫反射材料需經大於400℃的高溫固化而形成漫反射層，固化後的漫反射層具有較多孔隙，會造成螢光粉轉輪反射率的下降。
本「先前技術」段落只是用來幫助瞭解本發明內容，因此在「先前技術」中所揭露的內容可能包含一些沒有構成所屬技術領域中具有通常知識者所知道的習知技術。此外，在「先前技術」中所揭露的內容並不代表該內容或者本發明一個或多個實施例所要解決的問題，也不代表在本發明申請前已被所屬技術領域中具有通常知識者所知曉或認知。
本發明提供一種波長轉換元件，可提升反射率。
本發明提供一種波長轉換元件的製作方法，可提升波長轉換元件的反射率。
本發明提供一種投影裝置，可提升影像亮度。
本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。
為達上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本發明一實施例所提供的波長轉換元件包括基板、波長轉換層以及漫反射層。波長轉換層配置於基板上方。漫反射層配置於基板及波長轉換層之間。漫反射層包括無機接著劑及漫反射粒子，漫反射粒子混合於無機接著劑。無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑。
在本發明的一實施例中，上述之無機接著劑為醇溶性無機接著劑，醇溶性無機接著劑的成分包含矽氧烷以及金屬氧化物。
在本發明的一實施例中，上述之無機接著劑為水溶性無機接著劑，水溶性無機接著劑的成分包括矽溶膠、磷酸鹽、玻璃膠及水玻璃至少其中之一。
在本發明的一實施例中，上述之波長轉換元件更包括中間介質層，配置於基板及漫反射層之間。
在本發明的一實施例中，上述之中間介質層的材料包括矽膠、環氧樹脂或導熱膠。
在本發明的一實施例中，上述之漫反射層的導熱係數小於或等於中間介質層的導熱係數。
在本發明的一實施例中，上述之漫反射粒子的材料包括二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、氮化硼及二氧化鋯至少其中之一。
在本發明的一實施例中，上述之漫反射層與波長轉換層在平行於基板的方向上的寬度比為0.7～1.5。
在本發明的一實施例中，上述之無機接著劑的固化溫度為200℃～300℃。
在本發明的一實施例中，上述之波長轉換層包括磷玻璃（phosphor in glass, PIG）、磷光體陶瓷（phosphor in ceramic, PIC）、多晶螢光片、單晶螢光片或磷矽膠（phosphor in silicon, PIS）。
在本發明的一實施例中，上述之波長轉換元件為波長轉換輪，基板為轉盤。
為達上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本發明一實施例所提供的投影裝置包括照明系統、光閥及投影鏡頭。照明系統適於提供照明光束。光閥配置於照明光束的傳遞路徑上，以將照明光束轉換成影像光束。投影鏡頭配置於影像光束的傳遞路徑上。其中照明系統包括激發光源及上述之波長轉換元件。激發光源適於提供激發光束。波長轉換元件配置於激發光束的傳遞路徑上，波長轉換元件的波長轉換層適於將激發光束轉換成轉換光束，而照明光束包括轉換光束。
為達上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本發明一實施例所提供的波長轉換元件的製作方法包括：將漫反射層形成於波長轉換層的表面，以及將漫反射層黏接於基板。漫反射層包括無機接著劑及漫反射粒子，漫反射粒子混合於無機接著劑。無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑。
在本發明的一實施例中，上述之將漫反射層形成於波長轉換層的表面的方法包括：將漫反射層塗布或印刷於波長轉換層的表面，以及使漫反射層在200℃～300℃的溫度下進行固化。
在本發明的一實施例中，上述之將漫反射層黏接於基板的方法包括藉由中間介質層將漫反射層黏接於基板。
本發明實施例的波長轉換元件中，漫反射層包括無機接著劑及漫反射粒子，無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑，由於使用上述配方的無機接著劑，其固化溫度僅為200℃～300℃，相較於習知材料的固化溫度需大於400℃，本發明實施例的漫反射層可改善高溫（＞400℃）燒結產生的細小孔隙及易吸附液體的特性，因此可提升波長轉換元件的反射率。本發明實施例的波長轉換元件的製作方法由於使用上述的無機接著劑，因此可以製作出上述的波長轉換元件。本發明實施例的投影裝置因使用上述的波長轉換元件，因此可提升影像亮度。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
圖1是本發明一實施例的波長轉換元件的示意圖。請參考圖1，本實施例的波長轉換元件100包括基板110、波長轉換層120以及漫反射層130。波長轉換元件100例如為片狀元件，但不以此為限，在其他實施例中，波長轉換元件100也可以是波長轉換輪，而基板110例如為轉盤。波長轉換層120配置於基板110上方。漫反射層130配置於基板110及波長轉換層120之間。漫反射層130例如包括無機接著劑及漫反射粒子，漫反射粒子混合於無機接著劑。無機接著劑例如包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑，且無機接著劑的固化溫度為200℃～300℃。
上述的基板110材料例如為金屬，但不以此為限，金屬例如包括鋁、鋁合金、銅、銅合金、氮化鋁、碳化矽等。
上述的波長轉換層120例如包括磷玻璃（phosphor in glass, PIG）、磷光體陶瓷（phosphor in ceramic, PIC）、多晶螢光片、單晶螢光片或磷矽膠（phosphor in silicon, PIS），但不以此為限。
上述的醇溶性無機接著劑的成分例如包含矽氧烷以及金屬氧化物。金屬氧化物中所使用的金屬例如為鋁、鈦、鋯等。
上述的水溶性無機接著劑的成分例如包含矽溶膠、磷酸鹽、玻璃膠、以及水玻璃至少其中之一。此類水溶性無機接著劑的性質例如為在固化前呈現透明液態，黏度小於1000cps，光線的穿透率大於90％。
上述的漫反射粒子的材料例如為白色粒子，並包括二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、氮化硼及二氧化鋯至少其中之一。
圖2是本發明一實施例的光線於波長轉換元件上所形成的光斑的示意圖。請參考圖1及圖2，在將上述的波長轉換層120及漫反射層130配置於基板110上時，波長轉換層120及漫反射層130在平行於基板110的方向A上的寬度D（本實施例中兩層的寬度相同，因此僅以D代表兩層的寬度）皆需大於光線於波長轉換元件100上形成的光斑S的長軸B（圖2中以最上層的波長轉換層120示意），使得光線能照射於波長轉換元件100上，以提升光的利用率。
本實施例中的漫反射層130包括無機接著劑及漫反射粒子，無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑，上述配方的無機接著劑中具有羥基（-OH），在固化升溫的過程中，約在200℃～300℃的情況下，相鄰的羥基會脫水並形成鍵結。舉例而言，水溶性無機接著劑中的矽溶膠的膠體粒子表面具有大量的矽醇基（Si-OH），在升溫的過程中，膠體粒子會互相靠近，矽醇基中相鄰的羥基會脫水而形成-Si-O-Si-鍵，達到固化的效果。此種方式的固化溫度僅為200℃～300℃，相較於習知材料的固化溫度需大於400℃，本發明實施例的漫反射層130可改善高溫（＞400℃）燒結產生的細小孔隙及易吸附液體的特性，因此可提升波長轉換元件100的反射率。以本發明實施例而言，漫反射層130對於波長為400nm～700nm的光線的反射率為大於或等於92％。
圖3A是習知的高溫燒結的漫反射層的掃描式顯微鏡（SEM）影像圖。圖3B是本發明一實施例的漫反射層的掃描式顯微鏡影像圖。請參考圖3A及圖3B，比較兩圖，本實施例的漫反射層130的孔隙少於習知的漫反射層的孔隙，使光線入射至漫反射層130時較易被反射，因此本實施例的漫反射層130可提升波長轉換元件100的反射率。
為達到上述的漫反射效果，上述的漫反射層130在垂直於基板110的方向C上的厚度例如為0.03mm～0.15mm，漫反射粒子的粒徑例如為5nm～500nm。此外，上述的無機接著劑佔漫反射層130的體積比例如為10％～80％，重量百分比例如為30％～70％。
圖4是本發明一實施例的波長轉換元件的製造方法的流程示意圖。請參考圖1及圖4，本實施例之波長轉換元件100的製造方法包括以下步驟：進行步驟S101：將上述的漫反射層130形成於波長轉換層120的表面。具體而言，例如是將漫反射層130塗布或印刷於波長轉換層120的表面，再使漫反射層130在200℃～300℃的溫度下進行固化。
接著，進行步驟S102：將漫反射層130黏接於基板110。具體而言，上述的波長轉換元件100例如更包括中間介質層140，並藉由中間介質層140塗布於或印刷於漫反射層130的表面，將漫反射層130黏接於基板110。
上述的中間介質層140的材料例如包括矽膠、環氧樹脂或導熱膠。為達到上述較佳的漫反射效果，使用矽膠或環氧樹脂時，其厚度例如小於或等於0.05mm；使用導熱膠時，其厚度例如小於或等於0.15mm，並且漫反射層的導熱係數需小於或等於中間介質層140的導熱係數，使得入射光線的高能量產生的熱能能夠被導熱膠傳導，達到散熱效果。
在製造上述的波長轉換元件100時，漫反射層130與波長轉換層120在平行於基板110的方向A上的寬度D可以是相同或不同，然而為達到較佳的漫反射效果，漫反射層130與波長轉換層120兩者的寬度比範圍例如為0.7～1.5。此外，在包括中間介質層140的實施例中，中間介質層140在平行於基板110的方向A上的寬度D例如需大於漫反射層130的寬度D，以使漫反射層130黏接於基板110後波長轉換元件100的整體結構更為穩固，或者，中間介質層140在平行於基板110的方向A上的寬度D例如需大於上述的光斑S的長軸B，以達到散熱效果。以下將舉例說明不同實施例中的塗布情況。
請先參考圖1，圖1的波長轉換元件100中，波長轉換層120、漫反射層130及中間介質層140在平行於基板110的方向A上的寬度D（以下簡稱為寬度）例如為相同。圖5A是本發明另一實施例的波長轉換元件的示意圖。圖5B是本發明又一實施例的波長轉換元件的示意圖。請參考圖5A及圖5B，在漫反射層130a的寬度D1小於波長轉換層120的寬度D2的實施例中（圖5A），將中間介質層140a塗布於漫反射層130a時，例如中間介質層140a的周邊可延伸包覆漫反射層130a的兩側邊並直接塗布於波長轉換層120，使得波長轉換層120能更穩固的黏接於基板110，讓波長轉換元件100a的整體結構更穩定。而在漫反射層130b的寬度D3大於波長轉換層120b的寬度D4的實施例中（圖5B），漫反射層130b塗布於波長轉換層120b時，漫反射層130b的周邊例如可包覆波長轉換層120b的兩側邊，如此亦能讓波長轉換元件100b的整體結構更穩定。
圖10是本發明一實施例的投影裝置的方塊示意圖。請參考圖10，在本實施例中，上述的波長轉換元件100例如為波長轉換輪，其中的基板110例如為轉盤。本實施例的投影裝置1包括照明系統10、光閥20及投影鏡頭30。照明系統10適於提供照明光束L1。照明系統10包括激發光源11及上述的波長轉換元件100（波長轉換輪）。激發光源11適於提供激發光束Le。波長轉換元件100配置於激發光束Le的傳遞路徑上，且包括波長轉換區（圖未示）。波長轉換區包括上述的波長轉換層120及漫反射層130，波長轉換元件100的波長轉換區適於將激發光束Le轉換成轉換光束Lp，而照明光束L1即包括轉換光束Lp，但不限於此。照明系統10可更包括其他光學元件，例如：合光元件、色輪、光均勻化元件及聚光透鏡，以使照明光束L1傳遞至光閥20。光閥20配置於照明光束L1的傳遞路徑上，以將照明光束L1轉換成影像光束L2。光閥20可以是穿透式光閥或反射式光閥，其中穿透式光閥可以是液晶顯示面板，而反射式光閥可以是數位微鏡元件（digital micro-mirror device, DMD）或矽基液晶面板（liquid crystal on silicon panel, LCoS panel）。依不同的設計架構，光閥的數量可為一個或多個。投影鏡頭30配置於影像光束L2的傳遞路徑上，且用於使影像光束L2投射出投影裝置1。
圖10中是以圖1的波長轉換元件100為例，但波長轉換元件100可替換成上述任一實施例的波長轉換元件。
本實施例的投影裝置1由於使用上述的可提升反射率的波長轉換元件100、100a、100b，因此可提升影像亮度。舉例而言，將使用材料為磷玻璃的波長轉換層加本發明實施例的漫反射層130的波長轉換元件100以及使用材料為磷玻璃的波長轉換層加習知漫反射層的波長轉換元件進行積分球亮度量測，本發明實施例的波長轉換元件100相較於使用習知漫反射層的波長轉換元件，亮度可以提升約3％。
綜上所述，本發明實施例的波長轉換元件中，漫反射層包括無機接著劑及漫反射粒子，無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑，由於使用上述配方的無機接著劑，其固化溫度僅為200℃～300℃，相較於習知材料的固化溫度需大於400℃，本發明實施例的漫反射層可改善高溫（＞400℃）燒結產生的細小孔隙及易吸附液體的特性，因此可提升波長轉換元件的反射率。本發明實施例的波長轉換元件的製作方法由於使用上述的無機接著劑，因此可以製作出上述的波長轉換元件。本發明實施例的投影裝置因使用上述的波長轉換元件，因此可提升影像亮度。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。此外，本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名元件（element）的名稱或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限。
1‧‧‧投影裝置10‧‧‧照明系統11‧‧‧激發光源20‧‧‧光閥30‧‧‧投影鏡頭100、100a、100b‧‧‧波長轉換元件110‧‧‧基板120、120b‧‧‧波長轉換層130、130a、130b‧‧‧漫反射層140、140a‧‧‧中間介質層A‧‧‧平行方向C‧‧‧垂直方向B‧‧‧長軸D、D1、D2、D3、D4‧‧‧寬度L1‧‧‧照明光束L2‧‧‧影像光束Le‧‧‧激發光束Lp‧‧‧轉換光束S‧‧‧光斑S101、S102‧‧‧步驟
圖1是本發明一實施例的波長轉換元件的示意圖。 圖2是本發明一實施例的光線於波長轉換元件上所形成的光斑的示意圖。 圖3A是習知的高溫燒結的漫反射層的掃描式顯微鏡（SEM）影像圖。 圖3B是本發明一實施例的漫反射層的掃描式顯微鏡影像圖。 圖4是本發明一實施例的波長轉換元件的製造方法的流程示意圖。 圖5A是本發明另一實施例的波長轉換元件的示意圖。 圖5B是本發明另一實施例的波長轉換元件的示意圖。 圖6是本發明一實施例的投影裝置的方塊示意圖。
100‧‧‧波長轉換元件
110‧‧‧基板
120‧‧‧波長轉換層
130‧‧‧漫反射層
140‧‧‧中間介質層
A‧‧‧平行方向
C‧‧‧垂直方向
D‧‧‧寬度
Claims (16)
- 一種波長轉換元件，包括：一基板；一波長轉換層，配置於該基板上方；以及一漫反射層，配置於該基板及該波長轉換層之間，該漫反射層包括一無機接著劑及多個漫反射粒子，該多個漫反射粒子混合於該無機接著劑，該無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑，其中該無機接著劑的固化溫度為200℃~300℃。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該無機接著劑為該醇溶性無機接著劑，該醇溶性無機接著劑的成分包含矽氧烷以及金屬氧化物。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該無機接著劑為該水溶性無機接著劑，該水溶性無機接著劑的成分包括矽溶膠、磷酸鹽、玻璃膠及水玻璃至少其中之一。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該波長轉換元件更包括一中間介質層，配置於該基板及該漫反射層之間。
- 如請求項4所述之波長轉換元件，其中該中間介質層的材料包括矽膠、環氧樹脂或導熱膠。
- 如請求項5所述之波長轉換元件，其中該漫反射層的導熱係數小於或等於該中間介質層的導熱係數。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該多個漫反射粒子的材料包括二氧化鈦、二氧化矽、氧化鋁、氮化硼及二氧化鋯至少其中之一。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該漫反射層與該波長轉換層在平行於該基板的一方向上的寬度比為0.7~1.5。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該波長轉換層包括磷玻璃(phosphor in glass,PIG)、磷光體陶瓷(phosphor in ceramic,PIC)、多晶螢光片、單晶螢光片或磷矽膠(phosphor in silicon,PIS)。
- 如請求項1所述之波長轉換元件，其中該波長轉換元件為一波長轉換輪，該基板為一轉盤。
- 一種投影裝置，包括一照明系統、一光閥及一投影鏡頭，該照明系統適於提供一照明光束，該光閥配置於該照明光束的傳遞路徑上，以將該照明光束轉換成一影像光束，該投影鏡頭配置於該影像光束的傳遞路徑上，其中該照明系統包括：一激發光源，適於提供一激發光束；以及一波長轉換元件，配置於該激發光束的傳遞路徑上，該波長轉換元件的該波長轉換層適於將該激發光束轉換成一轉換光束，而該照明光束包括該轉換光束，且其中該波長轉換元件包括：一基板；一波長轉換層，配置於該基板上方；以及一漫反射層，配置於該基板及該波長轉換層之間，該漫反射層包括一無機接著劑及多個漫反射粒子，該多個漫反射粒子混合於該無機接著劑， 該無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑，其中該無機接著劑的固化溫度為200℃~300℃。
- 一種波長轉換元件的製作方法，包括：將一漫反射層形成於該波長轉換層的一表面，使該漫反射層在200℃~300℃的溫度下進行固化，該漫反射層包括一無機接著劑及多個漫反射粒子，該多個漫反射粒子混合於該無機接著劑，該無機接著劑包括醇溶性無機接著劑或水溶性無機接著劑；以及將該漫反射層黏接於一基板。
- 如請求項12所述之波長轉換元件的製作方法，其中該無機接著劑為該醇溶性無機接著劑，該醇溶性無機接著劑的成分包含矽氧烷以及金屬氧化物。
- 如請求項12所述之波長轉換元件的製作方法，其中該無機接著劑為該水溶性無機接著劑，該水溶性無機接著劑的成分包括矽溶膠、磷酸鹽、玻璃膠及水玻璃至少其中之一。
- 如請求項12所述之波長轉換元件的製作方法，其中將該漫反射層形成於該波長轉換層的該表面的方法包括：將該漫反射層塗布或印刷於該波長轉換層的該表面。
- 如請求項12所述之波長轉換元件的製作方法，其中將該漫反射層黏接於該基板的方法包括藉由一中間介質層將該漫反射層黏接於該基板。
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