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CN105322433B - 波长转换装置及其相关发光装置 - Google Patents

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CN105322433B CN201410230623.8A CN201410230623A CN105322433B CN 105322433 B CN105322433 B CN 105322433B CN 201410230623 A CN201410230623 A CN 201410230623A CN 105322433 B CN105322433 B CN 105322433B
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Abstract

本发明公开了一种波长转换装置及其相关发光装置，该波长转换装置包括依次叠置的基板、反射层、发光层；发光层包含波长转换材料和第二粘结剂，反射层包含反射粒子、辅助粒子和第一粘结剂，其中反射粒子用于对光进行反射，辅助粒子用于填充所述反射粒子间的缝隙，第一粘结剂用于将反射粒子和辅助粒子粘结成层。反射层既保证了较高的反射率，又实现了较低的厚度，从而使得发光层产生的热量更好的通过反射层传递到基板，避免了发光层温度过高而造成的光转换效率下降。

Description

波长转换装置及其相关发光装置
技术领域
本发明涉及显示和照明领域，特别涉及一种波长转换装置及其相关发光装置。
背景技术
随着显示和照明技术的发展，原始的LED或卤素灯泡作为光源越来越不能满足显示和照明高功率和高亮度的需求。采用固态光源如LD(Laser Diode，激光二极管)发出的激发光以激发波长转换材料的方法能够获得各种颜色的可见光，该技术越来越多的应用于照明和显示中。这种技术具有效率高、能耗少、成本低、寿命长的优势，是现有白光或者单色光光源的理想替代方案。
现有技术中的激光激发波长转换材料的光源，为了提高光利用率，多采用反射式——光经过波长转换材料片(即发光层)后入射于反射板(即反射层和基板)，然后被反射回波长转换材料片，以确保光沿同一方向出射，避免因波长转换材料片的散射作用而造成的光损失。现有技术中反射板主要采用金属作为基板，如铝、铝合金、铜等，由金属基材和高反射膜层叠置而成，其中高反射膜层一般采用高纯铝或者高纯银作为镀层；波长转换材料片采用硅胶或树脂类透明有机物作为封装介质，将波长转换材料颗粒与硅胶/树脂混合在一起，然后再涂覆于金属基板之上形成发光层。然而，硅胶/树脂对空气的隔绝能力差，空气容易透过波长转换材料层与基板上的反射层接触，使得该反射层与空气产生接触。当反射层材料选用银时，银原子很容易与大气中的硫化氢、氧气等发生硫化、氧化反应，从而使反射层的反射率和热稳定性急剧降低，甚至发生银层发黑的现象，使反射层失效；而对于铝反射层来说，铝的稳定性高于银，但是反射率不高，其相对于银层吸收更多的光并转化为热量。
由于金属反射层的上述缺陷，发明人寻求一种热稳定性高、反射率高的反射层，发现白色无机材料如氧化铝等金属氧化物具有较高的反射率，且其耐高温，能够满足大功率激光照射的热稳定性。然而，为达到较高的反射率(如达到对可见光90％以上的折射率)，需要反射层具有足够大的厚度，而反射层厚度的增加会导致反射层导热效果降低，进而导致波长转换装置的发光层因热量积累而发光效率下降，因此一种反射率高、厚度小的反射层亟待开发。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种波长转换装置，该波长转换装置具有一种反射率高、厚度薄的反射层。
本发明提供了一种波长转换装置，包括依次叠置的基板、反射层、发光层，反射层包含反射粒子、辅助粒子和第一粘结剂，反射粒子用于对光进行反射，辅助粒子用于填充反射粒子间的缝隙，第一粘结剂用于将反射粒子和辅助粒子粘结成层；发光层包含波长转换材料和第二粘结剂。
优选地，反射粒子为氧化铝，辅助粒子为氧化钛。
优选地，辅助粒子占反射层的质量分数为40～75％，反射粒子占反射层的质量分数为0.5～30％。
优选地，氧化钛的粒径为0.02～1μm，氧化铝的粒径为0.01～1μm，优选地，氧化钛的粒径为0.2～0.5μm，氧化铝的粒径为0.02～0.7μm。
优选地，反射层厚度小于70μm，反射层对可见光的反射率大于95％，更优选地反射层厚度小于30μm，反射层对可见光的反射率大于95％。
优选地，反射层的孔隙率小于35％。
优选地，第一粘结剂为第一玻璃粉，第一玻璃粉占反射层的质量分数为20～50％。
优选地，第一玻璃粉为SiO2-B2O3-RO，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种。
优选地，反射层为通过将反射粒子、辅助粒子、第一玻璃粉和有机载体混合后烧结成型的，有机载体为乙基纤维素、萜品醇、丁基卡必醇三者的混合液或硅油，反射层中有机载体残余物的质量分数为0.001％～0.1％。
优选地，第二粘结剂为第二玻璃粉，选自SiO2-B2O3-RO、SiO2-TiO2-Nb2O5-R’2O、ZnO-P2O5中的一种或多种，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种，R’选自Li、Na、K中的一种或多种。
优选地，第一粘结剂为硅胶或树脂，辅助粒子为经偶联剂处理的氧化钛，偶联剂包括硅烷偶联剂、原硅酸乙酯。
优选地，第二粘接剂为硅胶或树脂。
优选地，波长转换材料占发光层的体积分数为30～75％，第二粘结剂占发光层的体积分数为25～70％，更优选地波长转换材料占发光层的体积分数为35～55％，第二粘结剂占发光层的体积分数为45-65％。
优选地，发光层厚度为50～300μm。
优选地，基板为氮化铝基板；或基板为金属基板。
优选地，波长转换装置还包括增透膜，位于发光层远离反射层的一侧。
优选地，波长转换装置还包括玻璃层，由第三玻璃粉组成，位于发光层与增透膜之间。
优选地，玻璃层的厚度为20～50μm。
本发明还提供了一种发光装置，包括激发光源，优选地，还包括上述任一项的波长转换装置。
与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：
本发明中，通过在波长转换装置的反射层中采用反射粒子、辅助粒子和第一粘结剂的组成结构，利用反射粒子对光进行反射，利用辅助粒子填充所述反射粒子间的缝隙，填补了反射粒子之间的空隙，减小了光对反射层的入射深度，既保证了反射层较高的反射率，又实现了反射层厚度小，进而使得波长转换装置既有高的光利用率，又有良好的散热。
附图说明
图1为本发明的波长转换装置的实施例一的结构示意图；
图2为本发明的波长转换装置的实施例二的结构示意图；
图3为本发明的波长转换装置的实施例三的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明实施例进行详细说明。为描述清楚，下文所描述的“上”“下”均指的图中的上下。
实施例一
请参见图1，图1为本发明的波长转换装置的实施例一的结构示意图，如图所示，波长转换装置100包括基板130、发光层110、反射层120。其中，反射层120包含反射粒子、辅助粒子和第一粘结剂，发光层110包含波长转换材料和第二粘结剂。
正如背景技术介绍的，发光层发出的光入射于反射层后，经反射返回发光层，发光层产生的热量经反射层传导至基板，然后发散出去。
波长转换装置100中，反射层120有两个功能，一是光反射，二是热量传导。反射层120需具有较高的反射率，以保证光利用率；反射层120还需具有良好的导热性，反射层越薄，其导热效果越好。
上述反射层120中，包含反射粒子、辅助粒子和第一粘结剂。其中，反射粒子是指具有高反射特性，尤其对400～800nm波长范围的可见光具有90％以上反射率的粒子，这些粒子的粒径在2μm内；具有这种特性的反射粒子可以是氧化铝、硫酸钡、氧化锌、氮化硼等。
辅助粒子是指具有良好遮盖能力，分散性好、不易团聚，从而能与反射粒子充分混合、弥散的粒子，该特性使得反射粒子能够充分铺开均匀、从而无需反射粒子太大厚度即可实现良好的反射率。单独由辅助粒子组成的反射层的反射率很低，不能满足反射层的功能要求，然而只需要添入相对于辅助粒子20％质量百分比的反射粒子，即可将辅助粒子层原本只有80～85％的反射率，提高到95％以上(反射层等厚情况下)。辅助粒子的粒径通常在1μm内，具有这种特性的辅助粒子可以是氧化钛等。
在本实施例中，反射粒子为氧化铝(Al2O3)，辅助粒子为氧化钛(TiO2)。氧化铝对可见光有优良的反射率，纯的氧化铝层对可见光的反射率可达到90％，然而由于氧化铝各颗粒间的空隙大，光线会绕过氧化铝颗粒透射，因此需要堆叠较厚的氧化铝层才能够达到上述反射率，而氧化铝层厚度越大，层体的导热性能越差。氧化钛本身具有一定的反射率，尤其对波长大于550nm的光具有较好的反射率，然而氧化钛对波长小于480nm的光反射率不佳，不能满足反射层反射率的性能需求。将氧化铝和氧化钛后结合发现，该混合反射层极易成膜，氧化钛填补了氧化铝颗粒间的空隙，同时利用自身的反射特性保证从氧化铝颗粒之间部分穿过的光被反射回去。因此使得该混合层能够在较薄的厚度下达到较高的反射率。此外，氧化钛相对于氧化铝，与软化后的粘接剂(如玻璃粉)具有更好的浸润性，不易在内部形成封闭气泡。
在一种优选的实施方式中，该反射层的孔隙率小于35％，当反射层的孔隙率较大时，反射层呈一种松散的结构，其厚度大，且孔隙的导热率极低，从而导致整个反射层的导热效果不佳。
在反射层120中，当氧化铝的量过多或者氧化钛的量过少时，反射层120不够致密，其需要较厚的厚度才能达到足够的反射率；而当氧化铝过少或氧化钛的量过多时，光在反射层120的颗粒表面的反射率不够高，也无法达到所需的反射率。经实验证明，反射层120中的氧化铝的质量分数为0.5～30％，反射层120中的氧化钛的质量分数为40～75％，使得反射层既有良好的反射率，又有较薄的厚度。
在反射层120中，反射粒子的粒径越大，其反射性能越差，而反射粒子粒径越小，其越难分散、越容易团聚。与此同时，辅助粒子需根据反射粒子的粒径大小，与其相匹配才能达到填充减薄的功能，即辅助粒子与反射粒子的粒径大小相差较小。在一种优选的实施方式中，氧化铝的粒径为0.01～1μm，更优选地为0.02～0.7μm，氧化钛的粒径为0.02～1μm，更优选地为0.2～0.5μm。
本实施例中，反射层120厚度越大，反射层的热阻越大，本领域技术人员可以根据本发明的教导设定反射层120的厚度。在一种优选的实施方式中，反射层120的厚度大于70μm，对可见光的反射率大于95％，更优选地，反射层120的厚度在30～70μm之间，对可见光的反射率仍能大于95％。当反射层厚度超过70μm后，厚度对反射率的影响不明显，而当反射层厚度小于20μm时，反射率开始明显下降。本发明能够做到在保证反射率满足反射层功能正常的情况下，实现厚度薄从而实现反射层120热阻小，降低了材料成本、减小了光波长转换装置的质量。
本实施例的反射层120中，除反射粒子和辅助粒子，还包含第一粘结剂。第一粘结剂用于将反射粒子和辅助粒子粘结成层。由于反射粒子和辅助粒子本身不具有粘结性，即使能够拼接堆叠成层，但是在外力作用下或在运动中也会松散破坏，第一粘结剂的作用就在于将反射粒子和辅助粒子的结构固定。
在本实施例中，反射层120中的第一粘结剂为树脂或硅胶。树脂和硅胶受热变为流动性的半固体，可以渗透到反射粒子和辅助粒子形成的空隙中，并在反射粒子和辅助粒子的外围包覆成层。在一种优选的实施方式中，预先使用原硅酸乙酯对氧化钛进行表面处理，使其与硅胶或树脂的相容性更好，从而有利于硅胶或树脂对其的包覆；用硅烷偶联剂也可以达到同样的效果，硅烷偶联剂一端为有机基团，一端为无机，可以有效的连接氧化钛和硅胶。
本实施例中，发光层110包含波长转换材料和第二粘结剂，其中第二粘结剂为树脂或硅胶。由于发光层110和反射层120使用同类型的材料作为粘结剂，有利于二者的结合。第一粘接剂和第二粘接剂可以是相同的树脂或硅胶，也可以是不同的树脂或硅胶。
本实施例中，基板130为金属基板，可以是铜板、铝板或铝合金板，其能够耐受一定温度，并且导热性能优秀、机械加工方便，在低功率激光光源(＜50W)工作条件下具有优良的性能。基板130也可以选择导热性好的陶瓷基板，相对于金属基板，陶瓷基板具有更好的耐热性能，能够适应中高功率激光光源的工作条件。
本发明实施例一的一个变形实施例如图1所示，其中，波长转换装置100的结构与实施例一相同，其区别在于，波长转换装置100中发光层110、反射层120和基板130的组成材料与实施例一中的不同。
本实施例中的反射层120中所含的第一粘结剂为第一玻璃粉。相对于树脂和硅胶，玻璃粉具有更好的耐热性，能够满足波长转换装置高温处理流程工艺的要求。在本实施例中，第一玻璃粉优选为SiO2-B2O3-RO(R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种)。该类玻璃粉具有优秀的光学性能，减少了光在反射层中传播时的损耗，从而减少了在反射层上产生的热量；此外，该类玻璃粉在高于软化点200℃范围内的流动性不大，保证了反射层120在经历高温处理的工程中保持原来的平整形貌，不会因为玻璃液的流动而变形、起翘、鼓包等。
本实施例中，第一玻璃粉占反射层120总质量的20～50％。玻璃粉少于20％时，不足以包覆所有的反射粒子和辅助粒子，不利于反射层的粘结成型，而玻璃粉多于50％时，反射粒子和辅助粒子过于分散，不利于反射层对入射光的反射。
本实施例中，反射层120是由反射粒子、辅助粒子、第一玻璃粉和有机载体混合后烧结成型的。有机载体用于反射层浆料的配制，使反射粒子、辅助粒子和第一玻璃粉在液相中得到充分的混合与分散，同时使浆料具有一定的流动性，以便反射层在基板上的刷涂和成型。有机载体需满足对反射粒子、辅助粒子和第一玻璃粉的浸润性，此外有机载体必须是高温处理阶段被完全分解、排出。本实施例中的有机载体为乙基纤维素、萜品醇和丁基卡必醇的混合液，此外，有机载体还可以为硅油。经大量实验测试，乙基纤维素、萜品醇和丁基卡必醇的混合液或硅油具有良好的浸润性和分散性，此有机载体可以在360～420℃下几乎完全分解排出，但是有可能有部分有机载体被包覆在反射粒子、辅助粒子和玻璃粉中无法排出，并在后续的高温处理过程中与反射粒子、辅助粒子或第一玻璃粉发生副反应，因此反射层中有部分有机载体残余物，其质量分数为0.001～0.1％。
本实施例中，发光层110中的第二粘结剂为第二玻璃粉。第二玻璃粉选择透明度高，光吸收率小，高导热率的玻璃粉。透明度高是为了便于光的射入和射出；光吸收率小是尽可能地减少光在发光层内多次反射后的损失；高热导率是利于热量的传导，降低发光层的工作温度。第二玻璃粉可以选择SiO2-B2O3-RO、SiO2-TiO2-Nb2O5-R’2O、ZnO-P2O5中的一种或多种，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种，R’选自Li、Na、K中的一种或多种。
本实施例中，反射层120中的第一粘结剂和发光层110中的第二粘结剂都选用玻璃粉，有利于两层的结合，同时也保证了波长转换装置100整体耐高温。
本实施例的发光层110中，波长转换材料所占的体积分数过大，第二玻璃粉所占的体积分数过小，会导致发光层不易粘结成层；而波长转换材料所占的体积分数过小，会导致其发光效率低。在本发明中，为兼顾发光层的发光效率和成型，波长转换材料占发光层的体积分数为30～75％，第二粘结剂占发光层的体积分数为25～70％。在一种优选的实施方式中，波长转换材料占发光层的体积分数为35～55％，第二粘结剂占发光层的体积分数为45-65％。
本实施例的发光层110为满足发光效率，需具有一定的厚度，使得光在发光层中的传播距离足以充分进行波长转换，但发光层110又不能太厚，否则其自身导热性差、散热差。在本实施例中，发光层110的厚度为50～300μm。
本实施例中，基板130为氮化铝陶瓷基板，其具有良好的导热性和机械强度，使其在高温下不分解、形变小，氮化铝与氧化钛和氧化铝的热膨胀系数差值小，而且氮化铝基板耐高温，能够适应中高功率的激光光源(＞100W)。在本实施例中，基板130为流延法制备而成的，其相对密度大于95％，热导率大于150W/mK。此外，基板130还可以是氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铍等陶瓷材料，该种材料的基板具有与氮化铝基板相同或相似的性能。
实施例二
请参见图2，图2为本发明的波长转换装置的实施例二的结构示意图。本实施例波长转换装置200中的发光层210、反射层220和基板230与实施例一中的相同，本实施例不再赘述。与实施例一不同的是，如图2所示，该波长转换装置200还包括玻璃层260和增透膜250。
玻璃层260位于发光层210上，由第三玻璃粉组成。由于发光层210表面可能有少量波长转换材料颗粒突出，在这种表面上镀膜可能导致膜层凹凸不平，而若将发光层磨平抛光后镀膜，则有可能在磨平抛光过程中破坏发光层。纯玻璃极易磨平抛光，并得到平整光滑的表面，有利于镀膜的实现。由于玻璃层260过薄会导致层厚均匀性难以控制，而玻璃层260过厚会影响光的通透，经实验测量，厚度在20～50μm的玻璃层260既能保证均匀性又不影响光的通透(对光的透射影响小于1％)。
增透膜250位于玻璃层260上，用于减少界面的光反射，增强光的透射，可以有效的提高光利用率。增透膜的材料选择可以为SiO2或MgF2，厚度为50～150nm。
本发明中，加入玻璃层260是一个优选的方案，也可以在发光层210上直接镀制增透膜250，但是正如上文所述，这样直接镀膜可能导致膜层凹凸不平。
实施例三
请参见图3，图3为本发明的波长转换装置的实施例三的结构示意图。本实施例波长转换装置300中的发光层310、反射层320和基板330与实施例一中的相同，本实施例不再赘述。与实施例一不同的是，本实施例还包括驱动装置340，具体地，本实施例中的驱动装置340为一个马达。本实施中的基板330为一个圆形基板，承载圆环形的反射层320和发光层310。驱动装置340与基板330固定连接，当驱动装置340转动时，带动基板330和其上的反射层320和发光层310一同转动，从而避免激发光源的激发光长时间照射发光层上的一点而导致发光层310上的发光点处的波长转换材料淬灭。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种波长转换装置，包括依次叠置的基板、反射层、发光层，其特征在于，
所述反射层包含反射粒子、辅助粒子和第一粘结剂，所述反射粒子用于对光进行反射，所述辅助粒子用于填充所述反射粒子间的缝隙，所述第一粘结剂用于将反射粒子和辅助粒子粘结成层，所述辅助粒子占所述反射层的质量分数为40～75％，所述反射粒子占所述反射层的质量分数为0.5～30％；
所述发光层包含波长转换材料和第二粘结剂。
2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其特征在于，所述反射粒子为氧化铝，所述辅助粒子为氧化钛。
3.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述氧化钛的粒径为0.02～1μm，所述氧化铝的粒径为0.01～1μm。
4.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述氧化钛的粒径为0.2～0.5μm，所述氧化铝的粒径为0.02～0.7μm。
5.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述反射层厚度小于70μm，所述反射层对可见光的反射率大于95％。
6.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述反射层厚度小于30μm，所述反射层对可见光的反射率大于95％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述反射层的孔隙率小于35％。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述第一粘结剂为第一玻璃粉，所述第一玻璃粉占所述反射层的质量分数为20～50％。
9.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，所述第一玻璃粉为SiO2-B2O3-RO，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，所述反射层为通过将所述反射粒子、辅助粒子、第一玻璃粉和有机载体混合后烧结成型的，所述有机载体为乙基纤维素、萜品醇、丁基卡必醇三者的混合液或硅油，所述反射层中有机载体残余物的质量分数为0.001％～0.1％。
11.根据权利要求8所述的波长转换装置，其特征在于，所述第二粘结剂为第二玻璃粉，选自SiO2-B2O3-RO、SiO2-TiO2-Nb2O5-R’2O、ZnO-P2O5中的一种或多种，其中R选自Mg、Ca、Sr、Ba、Na、K中的一种或多种，R’选自Li、Na、K中的一种或多种。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，所述第一粘结剂为硅胶或树脂，所述辅助粒子为经偶联剂处理的氧化钛，所述偶联剂包括硅烷偶联剂、原硅酸乙酯。
13.根据权利要求12所述的波长转换装置，其特征在于，所述第二粘结剂为硅胶或树脂。
14.根据权利要求1、11或13所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换材料占所述发光层的体积分数为30～75％，所述第二粘结剂占所述发光层的体积分数为25～70％。
15.根据权利要求1、11或13所述的波长转换装置，其特征在于，所述波长转换材料占所述发光层的体积分数为35～55％，所述第二粘结剂占所述发光层的体积分数为45-65％。
16.根据权利要求1、11或13所述的波长转换装置，其特征在于，所述发光层厚度为50～300μm。
17.根据权利要求2所述的波长转换装置，其特征在于，所述基板为氮化铝基板；或
所述基板为金属基板。
18.根据权利要求1至6中任一项所述的波长转换装置，其特征在于，还包括增透膜，位于所述发光层远离所述反射层的一侧。
19.根据权利要求18所述的波长转换装置，其特征在于，还包括玻璃层，由第三玻璃粉组成，位于所述发光层与所述增透膜之间。
20.根据权利要求19所述的波长转换装置，其特征在于，所述玻璃层的厚度为20～50μm。
21.一种发光装置，包括激发光源，其特征在于，还包括如权利要求1至20中任一项所述的波长转换装置。
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