波长转换装置及其制备方法和发光装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种波长转换装置及其制备方法和应用该波长转换装置的发光装置。
背景技术
现有技术中，固定式波长转换装置封装技术中的主要面临的难点有：
1)荧光陶瓷层背部设置的金属反射层，需要兼顾高的反射率和较薄的厚度，通常的做法是直接将荧光陶瓷层表面抛光后镀金属反射层，但是由于两种材料的物理属性差异，会存在金属反射层易脱落、附着力差的问题；且由于在荧光陶瓷层的折射率较高，使得金属反射层界面处反射率低。
2)荧光陶瓷层与导热基板间的高导热通道和较短的导热路径要求陶瓷和导热基板之间设置的物质热导率高，且设置的层数及厚度较小。
这两点之间存在着一定的内在联系，金属反射层材料的热导率高，层数及厚度越小，界面层的反射率越大越好。
由于在荧光陶瓷层的折射率较高，使得金属反射层界面处反射率低。通常会在荧光陶瓷层材料与金属反射层之间的界面预制一种过渡层。现有技术中，该过渡层的制备方法一般采用磁控溅射、真空蒸镀、化学气相沉积或物理气相沉积等技术。然而，上述技术方法需要昂贵的高纯靶材和设备，且对陶瓷表面洁净度和粗糙度要求较高。
综上，现有的波长转换装置封装技术中，直接将荧光陶瓷层表面抛光后镀金属反射层的技术，存在金属反射层附着力差及荧光陶瓷层与金属反射层界面处反射率低的问题；而采用磁控溅射、真空蒸镀、化学气相沉积或物理气相沉积等技术，在荧光陶瓷层与金属反射层之间的界面预制一种过渡层的方法，需要昂贵的高纯靶材和设备，成本高。
发明内容
本发明提供一种波长转换装置，包括依次层叠设置的基板、金属反射层、纳米二氧化硅低折射率层、荧光陶瓷层及纳米二氧化硅增透层，所述纳米二氧化硅低折射率层和所述纳米二氧化硅增透层为采用溶胶-凝胶方法制备。
本发明还提供一种发光装置，包括光源以及上述的波长转换装置。
本发明还提供一种波长转换装置的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1：提供荧光陶瓷层；
步骤S2：采用溶胶-凝胶方法，于所述荧光陶瓷层的相对两表面形成纳米二氧化硅低折射率层和纳米二氧化硅增透层；
步骤S3：于所述纳米二氧化硅低折射率层远离所述荧光陶瓷层的表面形成金属反射层；
步骤S4：提供基板，使所述基板与所述金属反射层、所述纳米二氧化硅低折射率层、所述荧光陶瓷层及所述纳米二氧化硅增透层为依次层叠设置。
该波长转换装置及其制备方法及发光装置，采用溶胶-凝胶方法低成本制备纳米二氧化硅低折射率层和纳米二氧化硅增透层，其中纳米二氧化硅低折射率层增强了金属反射层与荧光陶瓷层之间的附着力，增强了金属反射层与荧光陶瓷层在二者界面处的光反射效率，纳米二氧化硅增透层可起到增透减反的作用，有利于提升荧光陶瓷层表面的出光效率。
附图说明
图1为本发明一实施例的波长转换装置的剖面示意图。
图2为本发明一实施例的波长转换装置中，金属反射层与荧光陶瓷层之间的附着力百格测试图。
图3为现有技术的波长转换装置中，金属反射层与荧光陶瓷层之间的附着力百格测试图。
图4为本发明一实施例的波长转换装置和现有技术的波长转换装置的发光效率的光谱对比图。
图5为本发明另一实施例的波长转换装置的剖面示意图。
图6为本发明实施例的发光装置的结构示意图。
图7为本发明实施例的波长转换装置的制备方法的流程图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明一实施例提供的波长转换装置100，至少包括依次层叠设置的基板101、金属反射层104、纳米二氧化硅低折射率层105、荧光陶瓷层106及纳米二氧化硅增透层107。所述纳米二氧化硅低折射率层105和所述纳米二氧化硅增透层107为采用溶胶-凝胶方法制备。
本实施例中，光源产生的激发光从纳米二氧化硅增透层107远离基板101的一侧对波长转换装置100进行照射，荧光陶瓷层106将该激发光转换为受激光后从基板101发出。
所述纳米二氧化硅低折射率层105和所述纳米二氧化硅增透层107基本由纳米二氧化硅粒子组成。本文所述的“纳米二氧化硅”是指在三维空间中，二氧化硅粒子至少有一维的尺寸处于纳米尺寸的范围，即该二氧化硅粒子至少有一维的尺寸处于1纳米～100纳米的范围。
本实施例中，采用溶胶-凝胶方法，可实现在荧光陶瓷层106的相对两表面低成本地制备纳米二氧化硅低折射率层105和纳米二氧化硅增透层107，且在采用溶胶-凝胶方法制备纳米二氧化硅低折射率层105和纳米二氧化硅增透层107过程中，通过溶胶的配比和薄层厚度的调配，该纳米二氧化硅低折射率层105和纳米二氧化硅增透层107的折射率可控制在1.30～1.43之间。
本实施例中，金属反射层104的厚度约100nm～300nm，纳米二氧化硅低折射率层105的厚度约100nm～300nm，荧光陶瓷层106的厚度约为100μm～300μm的范围。如此，能够在保证纳米二氧化硅低折射率层105具有足够反射率的情况下，节约成本。
纳米二氧化硅低折射率层105主要有两个作用，一方面，如图2和图3所示，在荧光陶瓷层106的表面形成纳米二氧化硅低折射率层105后，增强了金属反射层104与荧光陶瓷层106之间的附着力；另一方面，该纳米二氧化硅低折射率层105为荧光陶瓷层106与金属反射层104之间提供一个低折射率材料层，增强了金属反射层104与荧光陶瓷层106在二者界面处的光反射效率，从而使得该波长转换装置100的发光效率提升，如图4所示，其流明效率增加了5％左右。
于一实施例中，纳米二氧化硅增透层107的厚度取决于透射光的波长。优选地，纳米二氧化硅增透层107的厚度为透射光的波长的四分之一。本实施例中，纳米二氧化硅增透层107的厚度约100nm～200nm，纳米二氧化硅增透层107位于荧光陶瓷层106远离基板101的表面(即光源产生的激发光照射荧光陶瓷层106的一侧)，可起到增透减反的作用，即，该纳米二氧化硅增透层107减少激发光在荧光陶瓷层106表面的反射率，增加激发光在荧光陶瓷层106的透过率，有利于提升荧光陶瓷层106表面的出光效率。
于一实施例中，基板101具有支撑位于其上的各元件的功能和使荧光陶瓷层106中所产生的热量朝向外部散发的功能。基板101为高导热基板，所述高导热基板的材质可以为，但不限于，铜、铝合金、氮化铝陶瓷及碳化硅陶瓷等。
本实施例中，荧光陶瓷层106为一种可以被激发光激发以产生受激光的陶瓷体。所述荧光陶瓷层106可以为，但不限于，含有纯相YAG：Ce、YAG：Ce类的发光玻璃及YAG：Ce与氧化铝复合的复相陶瓷等。所述金属反射层104为银层。采用磁控溅射技术或真空蒸镀等技术制备所述金属反射层104。优选采用磁控溅射技术制备所述金属反射层104。
请参阅图5，于另一实施例中，波长转换装置400与波长转换装置100的结构基本相同，区别在于：波长转换装置400中，所述基板101和所述金属反射层104之间还设置有用于保护所述金属反射层104的金属保护层103。优选采用磁控溅射技术在金属反射层104上镀制金属保护层103。金属保护层103的材质可以为，但不限于，金、镍及铜等。
此外，波长转换装置400中，所述金属保护层103和所述基板101之间还设置有用于粘结所述金属保护层103和所述基板101的粘结层102。所述粘结层102可以为焊料或导热胶。焊料的材质可以为，但不限于，锡银铜或者锡金铜等。导热胶的材质可以为，但不限于，硅胶或者环氧胶混合高导热填料颗粒，如银胶等。
如图6所示，本发明实施例还提供一种发光装置200，包括用于产生激发光的光源300以及上述的波长转换装置100或波长转换装置400。结合图1，光源300产生的激发光从荧光陶瓷层106远离基板101的一侧照射波长转换装置100，波长转换装置100将激发光转换为受激光后发出。结合图5，光源300产生的激发光从荧光陶瓷层106远离基板101的一侧照射波长转换装置400，波长转换装置400将激发光转换为受激光后发出。光源300可以为半导体激光器、发光二极管等。
该发光装置200可用于投影系统，该投影系统可以采用各种投影技术，例如液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)投影技术、数码光路处理器(DLP，Digital LightProcessor)投影技术。此外，上述发光装置200也可以应用于照明系统，例如舞台灯照明。
请参阅图7，本发明实施例提供的上述波长转换装置的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1：提供荧光陶瓷层；
步骤S2：采用溶胶-凝胶方法，于所述荧光陶瓷层的相对两表面分别形成纳米二氧化硅层；及
步骤S3：于所述纳米二氧化硅低折射率层远离所述荧光陶瓷层的表面形成金属反射层。
步骤S4：提供一基板，并将所述基板与所述金属反射层、所述纳米二氧化硅低折射率层、所述荧光陶瓷层及所述纳米二氧化硅增透层为依次层叠设置。
所述荧光陶瓷层可以为，但不限于，含有纯相YAG(钇铝石榴石)：Ce、YAG：Ce类的发光玻璃及YAG：Ce与氧化铝复合的复相陶瓷等。基板101为高导热基板，所述高导热基板的材质可以为，但不限于，铜、铝合金、氮化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等。
于一实施例中，步骤S1具体包括提供一荧光陶瓷，并将该荧光陶瓷进行双面研磨抛光，使得其厚度在50μm～300μm范围内，其表面粗糙度Ra≤0.050μm。
于一实施例中，步骤S2包括：
步骤S21：采用正硅酸乙酯作为前驱体水解制备纳米二氧化硅溶胶。其中，该步骤S21制备纳米二氧化硅溶胶的配比如下：正硅酸乙酯：100质量份，去离子水：50质量份，盐酸：若干(调节pH值为1.5～3.5范围，优选pH值约为2左右)，乙醇：30质量份，KH560：3％(总质量的3％以内)。
具体地，采用正硅酸乙酯、去离子水、盐酸、乙醇及少量的硅烷偶联剂混合后，在60℃温度条件下，回流搅拌3小时，再陈化处理8小时至12小时，即可得到改进型的纳米二氧化硅溶胶。该步骤S21中，采用的硅烷偶联剂可以为，但不限于，KH560或KH570等。该步骤S21中，制备的纳米二氧化硅溶胶中，二氧化硅的固含量在5％～20％(质量百分比)之间。
步骤S22：将步骤S1中双面抛光过的荧光陶瓷，先后经过丙酮和乙醇超声清洗30min，干燥后将其垂直浸渍在步骤S21或S21’制备的纳米二氧化硅溶胶中，1min～3min后，匀速向上提拉荧光陶瓷，待陶瓷完全露出纳米二氧化硅溶胶的液面后，静置自然干燥。
步骤S23，反复上述浸渍、提拉等步骤，直到荧光陶瓷的相对两表面上形成的纳米二氧化硅层的厚度满足需求为止。
步骤S24，将步骤S23中得到的样品，在45℃烘箱中预干燥30min，然后再放入石英管式炉中，在氦气(或氩气)的气氛中，温度为500℃～1200℃范围处理10min～60min。如此，在所述荧光陶瓷层106的相对两表面形成纳米二氧化硅低折射率层105和纳米二氧化硅增透层107。
于另一实施例中，步骤S2包括下述步骤S21’及上述步骤S22～步骤S24，即，在该另一实施例中，步骤S21’取代了步骤S21。其中，两种制备纳米二氧化硅溶胶的方法相比，步骤S21较步骤S21’工艺简单，但是步骤S21中制备的纳米二氧化硅溶胶中，二氧化硅的固含量较低，需反复涂覆成膜；而步骤S21’虽较步骤S21工艺稍复杂，但是步骤S21’制备的纳米二氧化硅溶胶中，二氧化硅的固含量较高，单次成膜即可。
所述步骤S21’为：采用正硅酸乙酯和纳米气相二氧化硅共同作为前驱体水解制备纳米二氧化硅溶胶。其中，该步骤S21’制备纳米二氧化硅溶胶的配比如下：正硅酸乙酯：0～20质量份；纳米气相二氧化硅：3～15质量份(该纳米气相二氧化硅的BET值在200g/m2～380g/m2范围内，亲水型气相二氧化硅)，优选10质量份；去离子水：120质量份；盐酸：若干(调节pH值为1.5～3.5范围，优选pH值约为2左右)；乙醇：30质量份。
具体地，采用正硅酸乙酯、纳米气相二氧化硅、去离子水、盐酸、乙醇及少量的硅烷偶联剂混合后，在60℃温度条件下，回流搅拌3小时，再陈化处理8小时至12小时，即可得到改进型的纳米二氧化硅溶胶。该步骤S21’中，采用的硅烷偶联剂可以为，但不限于，KH560或KH570等。该步骤S21’中，制备的纳米二氧化硅溶胶中，二氧化硅的固含量在5％～20％(质量百分比)之间。
于一实施例中，步骤S3中具体包括采用磁控溅射技术或真空蒸镀等技术，于所述纳米二氧化硅低折射率层105远离所述荧光陶瓷层106的表面形成金属反射层104。
于一实施例中，可采用磁控溅射技术于所述纳米二氧化硅低折射率层105远离所述荧光陶瓷层106的表面镀制银膜。
于一实施例中，步骤S3之后，还包括于所述金属反射层104远离所述荧光陶瓷层106的表面形成金属保护层103。于一实施例中，采用磁控溅射技术或真空蒸镀等技术，于所述金属反射层104远离所述荧光陶瓷层106的表面形成金属保护层103。较佳地，采用磁控溅射镀制金、镍、铜等作为金属保护层103。
于一实施例中，若所述金属反射层104远离所述荧光陶瓷层106的表面形成金属保护层103，则步骤S4中可具体包括提供焊料或者提供导热胶，将步骤S3后经过镀膜处理的荧光陶瓷的镀设有金属保护层103的一面通过焊料焊接在基板101上或者通过导热胶粘结在基板101上，焊料或导热胶作为粘结层102粘结所述金属保护层103和所述基板101。焊料的材质可以为，但不限于，锡银铜或者锡金铜等。导热胶的材质可以为，但不限于，硅胶或者环氧胶混合高导热填料颗粒，如银胶等。
于另一实施例中，若所述金属反射层104远离所述荧光陶瓷层106的表面未形成金属保护层103，则步骤S4中可具体包括提供焊料或者导热胶，将步骤S3中经过镀膜处理的荧光陶瓷的镀设有金属反射层104的一面通过焊料焊接在基板101上或者通过导热胶粘结在基板101上，使所述基板101与所述金属反射层104、所述纳米二氧化硅低折射率层105、所述荧光陶瓷层106及所述纳米二氧化硅增透层107为依次层叠设置。
以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
