CN113701125A

CN113701125A - 透射式波长转换装置及其发光装置

Info

Publication number: CN113701125A
Application number: CN202010437580.6A
Authority: CN
Inventors: 李乾; 张世忠; 陈彬
Original assignee: YLX Inc
Current assignee: YLX Inc
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-11-26

Abstract

本发明保护一种透射式波长转换装置以及采用该波长转换装置的发光装置。该透射式波长转换装置包括透明基板，其具有位于激发光的入射侧的第一主面和位于激发光的出射面的第二主面；发光陶瓷层，其位于所述透明基板的第二主面一侧，所述发光陶瓷层中分散有波长转换材料；高导热粘接层，其设置于透明基板第二主面和发光陶瓷层之间，将两者粘接起来，所述高导热粘接层的热导率大于1W/(m·K)；介质层，其设置在发光陶瓷层的入射侧，能透射激发光而反射从发光陶瓷层射出的受激光。该波长转换装置具有结构简单、发光效率高、整体装置导热性能好等特点。

Description

透射式波长转换装置及其发光装置

技术领域

本发明涉及照明和投影技术领域，特别是涉及一种透射式波长转换装置以及采用该透射式波长转换装置的发光装置。

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，多采用反射式：激发光从发光层的入射面进入，激发其中的波长转换材料发出荧光，荧光入射于远离发光层入射面的反射层而反射回发光层，以确保光沿同一方向出射回去。通常，反射式波长转换装置可以承受相对较高的激发光功率，例如10瓦以上；但是，反射式波长转换装置其内部结构设计相对复杂。相对于反射式，应运而生的是透射式：激发光从透明基板的入射面入射，穿过透明基板进入发光层激发波长转换材料发出荧光，在激发光入射方向上设置一波长选择介质膜，可以透过激光、反射荧光，从而将激发出的荧光自发光层远离透明基板的出射面出射。透射式波长转换装置结构简单，在激光照明和投影领域具有非常实用的使用价值。

现有的透射式波长转换装置中，为了承受较高的激发光功率、获得更高亮度的出射光，发光层优选采用陶瓷来封装波长转换材料；不过在发光陶瓷层具有高的耐热、导热性能的前提下，发光陶瓷层是否能将热量快速传导给透明基板则是影响整个透射式波长转换装置散热能力、进而影响发光层发光效率的关键因素。

因而需要开发一种发光层发光效率高、整体装置散热性能好的透射式波长转换装置。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种结构简单、发光效率高且散热性能好的透射式波长转换装置，适用于激光照明和投影领域。

本发明提供了一种透射式波长转换装置，包括：

透明基板，其具有位于激发光的入射侧的第一主面和位于激发光的出射面的第二主面；

发光陶瓷层，其位于所述透明基板的第二主面一侧，所述发光陶瓷层中分散有波长转换材料；

高导热粘接层，其设置于所述透明基板第二主面和所述发光陶瓷层之间，将两者粘接起来，所述高导热粘接层的热导率大于1W/(m·K)；

介质层，其设置在所述发光陶瓷层的入射侧，能透射激发光而反射从所述发光陶瓷层射出的受激光。

本发明的技术方案中，发光层采用陶瓷封装波长转换材料，其耐热性好、能承受较高的激发光功率，同时具有较高的热导率，发光效率高；并且发光陶瓷层与透明基板之间的高导热粘接层具有较高的热导率，整体装置的导热通道畅通，可以快速有效地将发光陶瓷层的热量传导到透明基板而散发出去。

优选的，所述高导热粘接层为无机玻璃粘接层；本发明的技术方案中采用陶瓷封装波长转换材料作为发光层来提高发光层的热导率和耐热性，而作为本发明透射式波长转换装置发光功率的限制因素-高导热粘接层，在选择具有高热导率的同时，进一步选择耐热性好的玻璃粘接层，可以提高该透射式波长转换装置的承受激发光功率，充分发挥陶瓷封装材料的优势。

优选的，所述高导热粘接层的厚度为10-100微米。

优选的，所述高导热粘接层中还含有散射粒子，其中的散射粒子能够散射激发光，使激发光均匀作用在发光陶瓷层中的波长转换材料上，避免局部功率过高，进一步提高光的利用率和装置的激发光承受功率。散射粒子通常选自MgO、Al₂O₃、TiO₂、CaF₂、ZnO等，散射粒子的平均粒径优选10-500nm，更优选20-200nm。

优选的，所述透明基板可以为透明玻璃或透明陶瓷，优选蓝宝石作为透明基板，蓝宝石具有导热率高、机械强度高的特点，在一些实施例中，采用厚度较薄的蓝宝石作透明基板，其厚度可以为0.2mm甚至更薄；此时，蓝宝石透明基板在能保证足够强度的情况下，也减小了光在透明基板中的传输损失。

优选的，在所述透明基板的第二主面上和/或第一主面上还设置有金属散热部件。金属散热部件增强了装置的导热散热能力，使得装置使用可靠性提升。更优选的，当在透明基板的第二主面上设置有金属散热部件时，可以将金属散射部件的中部设置成通孔，再依序将高导热粘接层、发光陶瓷层设置于通孔中，且发光陶瓷层的横向侧面与通孔的内径相粘接，这样设置除了利用金属散热部件的散热能力外，其还可以吸收发光陶瓷层的侧面发光，解决杂散光的问题，进一步增加发光光斑均匀性。

本发明还提供了一种发光装置，包括激发光源及上述透射式波长转换装置，该发光装置适用于照明和投影领域。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

在本发明的透射式波长转换装置中，发光层采用陶瓷作为封装材料，提高了发光层的耐热性和散热能力，能承受较高的激发光功率，发光效率高；采用高导热的粘接层将发光陶瓷层与透明基板粘接，两者之间导热通道畅通，发光陶瓷层产生的热量可以快速扩散和传递到透明基板而散发出去。本发明的透射式波长转换装置中发光陶瓷层发光性能好、整个装置导热性能优异，能承受大功率激发光的照射而获得高的光效。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明实施例一的透射式波长转换装置的结构示意图。

图2为本发明实施例二的透射式波长转换装置的结构示意图。

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。

请参考图1，本发明提供了一种透射式波长转换装置100，其包括依次叠置的发光陶瓷层101、高导热粘接层102、透明基板103和介质层104。其中，透明基板103具有位于激发光的入射侧的第一主面103a和位于激发光的出射面的第二主面103b；发光陶瓷层101，其位于透明基板103的第二主面103b一侧，将激发光转换成受激光；高导热粘接层102，其设置于透明基板103的第二主面103b和发光陶瓷层101之间，将两者粘接起来，其热导率大于1W/(m·K)；介质层104，图1所示介质层104设置在透明基板103的第一主面103a上，容易理解的是，介质层104也可以设置在透明基板103的第二主面103b与高导热粘接层102之间或高导热粘接层102与发光陶瓷层101之间，即介质层104满足设置在发光陶瓷层101入射侧即可，介质层104用于透射激发光而反射从发光陶瓷层101射出的受激光。

透射式波长转换装置100在实际应用中，以图1所示为例，激发光从透明基板103第一主面103a上镀有介质膜104的一侧入射，穿过透明基板103、高导热粘接层102后照射在发光陶瓷层101中的波长转换材料上，实现光的波长转换。这里，介质膜104透过激发光而反射受激光，从而可以将受激光和/或直接透射的激发光自发光陶瓷层101远离透明基板103的一面出射。透射式波长转换装置100结构简单，在激光照明和投影等场合具有非常实用的使用价值。

在本申请中，发光陶瓷层101中分散有波长转换材料。波长转换材料通过入射的激发光而射出受激光，其成分没有特别限定，例如可以为铝酸盐荧光粉、卤磷酸荧光粉、石榴石系荧光粉或量子点中的一种。特别的，当波长转换材料选择YAG石榴石系荧光粉时，发光陶瓷层101可以为YAG纯相发光陶瓷，也可以为YAG与Al₂O₃粉或AlN粉混合烧制的复相发光陶瓷。需要说明的是，发光陶瓷层101的厚度在激发光可靠地被波长转换材料吸收的厚度范围内越薄越好，这是因为当发光陶瓷层101过厚时，存在光的散射和吸收变得过大、光的出射效率变低的情况。优选的，发光陶瓷层101的厚度约为60-200um，更优选为80-120um。

在本申请中，位于发光陶瓷层101和透明基板103之间的高导热粘接层102的热导率应大于1W/(m·K)。对于高导热粘接层102的厚度来说，一方面需要足够的厚度来保证粘接的可靠性，另一方面也不能过厚而牺牲了粘接层整体的导热性能；优选的，高导热粘接层的厚度为10-100微米。

高导热粘接层102的材料可以为有机高导热硅胶或无机高导热玻璃。特别的，对于高导热粘接层102的材料选用无机高导热玻璃来说，一是要求其热导率大于1W/(m·K)，另一方面考虑的因素是无机高导热玻璃具有相对较高的温度耐受性；在本发明的一些实施方式中，蓝宝石透明陶瓷基板的热导率大约为31-32W/(m·K)，发光陶瓷层的热导率大约为10-16W/(m·K)，两者还具有高的温度耐受性，此时高导热粘接层102选用无机高导热玻璃，其耐受温度可以达到200℃以上，进一步提高了透射式波长转换装置的承受激发光功率，充分发挥陶瓷封装材料的优势。

进一步，高导热粘接层102中还可以添加散射粒子，散射粒子的加入能够散射激发光，使激发光均匀作用在波长转换材料上，避免局部功率过高，进而提高光的利用率和装置的激发光承受功率，散射粒子优选为MgO、Al₂O₃、TiO₂、CaF₂、ZnO中的一种或几种。另外，对于这些散射粒子的粒径来说，其粒径越大，散射性能越差，而粒径越小，则制备成本高、易团聚而难以均匀分散在高导热粘接层102中；在本申请中，散射粒子的平均粒径优选为10-500nm，更优选为20-200nm。

在本申请中，透明基板103可以为激发光透过率高且具有一定机械强度的透明玻璃或透明陶瓷。在一些实施例中，优选蓝宝石作为透明基板，这是考虑到蓝宝石还具有导热率高、机械性能好易加工等特点；另外，使蓝宝石透明基板103的厚度变薄，可以减小激发光在其中的传输损失，但蓝宝石透明基板103的厚度过薄的情况下，其机械强度降低，实用上难以操作，因此优选蓝宝石透明基板103的厚度为0.1-1mm，更优选0.1-0.5mm，最优选0.1-0.3mm。

在本申请中，为了增加透射式波长转换装置的散热能力，还可以设置金属散热部件，金属优选导热性能好的铜、铝等材质，进一步的在金属散热部件上还可以设置散热鳍片以扩大散热面积。金属散热部件可以选择设置在透明基板103的第二主面103b上或者第一主面103a上，也可两侧都有。特别的，在一些实施例中，对于设置在透明基板103的第二主面103b上的金属散热部件来说，将金属散热部件的中部设置成通孔，然后将高导热粘接层102、发光陶瓷层101依序设置在通孔中；需要说明的是，在实际的生产过程中，将高导热粘接层102、发光陶瓷层101的原料依序填涂在通孔成型凝固时，高导热粘接层102中的粘接剂可以溢出到发光陶瓷层101的横向侧面与通孔内径之间可能存在的间隙，又或者在成型之后的间隙中添加高导热银胶而将发光陶瓷层101的横向侧面与通孔内径相粘接。这样设置还可以吸收发光陶瓷层101的侧面发光，解决杂散光的问题，进一步增加发光光斑均匀性。

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一中的透射式波长转换装置100的结构由依次叠置的发光陶瓷层101、高导热粘接层102，透明基板103以及镀在透明基板103第一主面103a上的介质膜104组成。

其中，发光陶瓷层101为YAG纯相陶瓷，其厚度约为80-120um。透明基板103为蓝宝石透明基板，其厚度约为0.2mm。

发光陶瓷层101和蓝宝石透明基板103之间通过高导热粘接层102粘接起来，高导热粘接层102为无机高导热玻璃，高导热粘接层102整体的热导率满足大于1W/(m·K)，耐热温度可以达到200℃以上，其厚度约为10-100微米。

介质膜104为bluepass膜，起到透射激发光而反射从发光陶瓷层101射出的荧光的作用，其通过溅射、蒸镀或电镀等方式镀覆在蓝宝石透明基板103的第一主面103a上。

需要说明的是，采用介质膜104镀覆在蓝宝石透明基板103的第一主面103a上的方式：一是直接镀覆在蓝宝石透明基板103入射侧的表面上时，无其他层的干扰、无需控制镀覆面积与高导热粘接层102或发光陶瓷层101相同的面积，镀覆过程方便、易操作；二是介质膜104镀覆完成后，不需要在其上再粘接其他功能层，对介质膜104不造成损伤；在本发明的其他实施方式中，采用将介质膜104镀覆在蓝宝石透明基板103的第二主面103b与高导热粘接层102之间的技术方案，该技术方案使得介质膜104更接近发光陶瓷层101，改善了反向散射的受激光在蓝宝石透明基板103内部横向扩散的问题。

在本实施例中，激发光自蓝宝石透明基板103镀有bluepass膜的一面入射，透过透明的蓝宝石、高导热粘接层102后入射到发光陶瓷层101，激发发光陶瓷层101内部的荧光粉发出荧光；同时发光陶瓷层101发出的入射到bluepass膜的荧光被反射回发光陶瓷层101，进而与直接透射的激发光自发光陶瓷层101远离蓝宝石透明基板103的一面出射出去。其中，该发光陶瓷层101本身具有高的耐热和导热性能，同时其产生的热量又通过高导热粘接层102快速传导到蓝宝石透明基板103而有效的散发出去，因而本实施例中的透射式波长转换装置具有优异的导热散热能力，发光层的发光效率高。

在另一变形的实施例中，在高导热粘接层102中还可以添加散射粒子，散射粒子可以选择MgO、Al₂O₃、TiO₂、CaF₂、ZnO中的一种或多种，这些散射粒子的平均粒径约为10-200nm。通过在发光陶瓷层101的入射侧的粘接层中分布散射粒子，能够散射激发光，使激发光均匀作用在发光陶瓷层101中的波长转换材料上，避免局部功率过高，进一步提高光的利用率和装置的激发光承受功率。

实施例二

如图2所示，本发明实施例三的波长转换装置200与实施例一中的波长转换装置100相似，同样包括纯相YAG发光陶瓷层201、高导热粘接层202、蓝宝石透明基板203和介质膜204。与实施例一不同之处在于，在蓝宝石透明基板203的第一主面203a和第二主面203b上分别设置有金属散热部件205，金属散热部件205选择导热性能优异的铜或铝材料制成。位于第一主面203a上和第二主面203b上的金属散热部件205的一表面分别与蓝宝石透明基板203层叠接触，同时对于位于第二主面203b上的金属散热部件205来说，其远离蓝宝石透明基板203的另一表面上还设置有散热鳍片，以进一步增加散热面积。

另外，位于第二主面203b上的金属散热部件205的中间部分设置成通孔，然后依序将高导热粘接层202、发光陶瓷层201的原料填涂在通孔中，高导热粘接层202的原料量可以适度过量以溢出到发光陶瓷层201与通孔内径之间的间隙而将两者粘接起来；这样设置后，金属散热部件205还可以吸收发光陶瓷201的侧面发光，解决杂散光的问题，进一步增加发光光斑均匀性。

在本实施例中，通过在蓝宝石透明基板203的第一、第二主面上分别层叠设置金属散热部件205，且位于蓝宝石透明基板203的第二主面203b同一侧的发光陶瓷层201嵌合在相应的金属散热部件205的通孔中；发光陶瓷层201在受激发发出荧光过程中产生的热量，一方面可以通过直接相接触的金属散热部件205导热散发出去，另一方面产生的热量传导到蓝宝石透明基板203后，与蓝宝石透明基板203第一、第二主面相接触的金属散热部件205快速的将热量散发出去。

本发明实施例还提供了一种发光装置，该发光装置包括激发光源和透射式波长转换装置，其中透射式波长转换装置可以具有上述各实施例中的结构与功能。该发光装置可以应用于投影系统，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)或数码光路处理器(DLP，Digital Light Processor)投影机；也可以应用于照明系统，例如汽车照明灯或舞台灯；也可以应用于3D显示技术领域中。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种透射式波长转换装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述高导热粘接层为无机玻璃粘接层。

3.根据权利要求1或2所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述高导热粘接层的厚度为10-100微米。

4.根据权利要求1或2所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述高导热粘接层中还含有散射粒子。

5.根据权利要求4所述的透射式波长转换装置，所述散射粒子为MgO、Al₂O₃、TiO₂、CaF₂、ZnO中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述散射粒子的平均粒径为10-500nm。

7.根据权利要求5所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述散射粒子的平均粒径为20-200nm。

8.根据权利要求1或2所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述透明基板为蓝宝石透明基板。

9.根据权利要求8所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述蓝宝石透明基板的厚度为0.2mm以下。

10.根据权利要求1或2所述的透射式波长转换装置，其特征在于，在所述透明基板的第二主面上设置有金属散热部件。

11.根据权利要求10所述的透射式波长转换装置，其特征在于，所述金属散热部件的中部设置为通孔，所述高导热粘接层和所述发光陶瓷层依序设置于所述通孔中，所述发光陶瓷层的横向侧面与所述通孔的内径相粘接。

12.一种发光装置，包括激发光源及权利要求1-11任一项所述的透射式波长转换装置。