具体实施方式

通过参考附图，可以获得对本文公开的部件、方法和装置的更完整的理解。这些附图仅仅是基于方便和容易地展示本公开的示意图，并且，因此不旨在指示装置或其部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施例的范围。

尽管为了清楚起见，在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代为了在附图中进行说明而选择的实施例的特定结构，并且不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，应当理解的是，相同的附图标记表示具有相同功能的部件。

除非上下文另外明确指出，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数对象。

如说明书和权利要求书中所使用的，本文中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“能够”、“含有”及其变体旨在为开放式的过渡短语、术语或词语，其需要存在指定成分/步骤并允许存在其它成分/步骤。然而，这样的描述应当被解释为同样将组合物或方法描述为“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”，其允许仅存在所命名的成分/步骤，连同可能由其产生的任何不可避免的杂质，并且排除其他成分/步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应理解为包括当简化为相同数量的有效数字时相同的数值，和与设定值相差小于用于确定该数值的本申请中描述类型的常规测量技术的实验误差的数值。

本文公开的所有范围包括列举的端点以及可独立地组合的中间值(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克，以及所有中间值)。

术语“约”和“大约”可以用于包括可以变化而不改变该值的基本功能的任何数值。当与范围一起使用时，“约”和“大约”也公开了由两个端点的绝对值限定的范围，例如“约2至约4”也公开了范围“2至4”。通常，术语“约”和“大约”可以指指定数目加或减10％。

如本文所用的，术语“激发光”和“激发波长”是指随后转换的输入光，例如，由基于激光的照明源或其它光源产生的光。术语“发射光”和“发射波长”是指经转换后的光，例如由已暴露于激发光的荧光体产生的合成光。

如本文所用，术语“无机”是指不含任何碳的“无机”物体。为了避免产生疑问，本公开的术语“无机粘合剂”和“无机涂层”不包含碳。

作为参考，红色通常是指具有约780纳米至约622纳米的波长的光。绿色通常是指具有约577纳米至约492纳米的波长的光。蓝色通常是指具有约492纳米至约455纳米的波长的光。黄色通常是指具有约597纳米至约577纳米的波长的光。然而，这可能取决于上下文。例如，这些颜色有时用于标记各种部件并将这些部件彼此区分。

本公开涉及包括具有特定组成的反射层的波长转换装置。具体地，反射层包括粘合剂(A)，粘合剂可以是有机的或无机的；和反射性纳米粒子(B)，反射性纳米粒子具有约200纳米至约500纳米(包括约350纳米至约450纳米)的颗粒尺寸。这些反射层将在高温(例如，大于200℃或250℃)下工作，同时保持诸如总反射率百分比等其它光学和力学参数。

反射层是否保持较高稳定性可由两种方法中的任一种确定。在第一种方法中，将使用反射层的荧光轮放置在烘箱中，荧光轮在250℃下老化。每100小时测试一次反射率，最少测试500小时，观察反射层中是否存在任何裂纹。如果在第300、400和500小时之间测量的反射率变化小于2％，并且反射层没有裂纹，则认为反射层保持了较高稳定性。在另一种方法中，将使用反射层的荧光轮放置在烘箱中并在250℃下使荧光轮老化。每100小时测试一次转换效率，最少测试500小时，观察反射层中是否存在任何裂纹。如果在第300、400和500小时之间测量的转换效率变化小于2％,并且反射层没有裂纹,则认为反射层保持了较高稳定性。只需通过这两种方法中的一种，反射层就可以被认为保持了较高的稳定性。

请参阅图1A和图1B，其描绘了本公开的波长转换装置。该波长转换装置以荧光轮100的形式示出。图1A是荧光轮100的示意图，图1B是荧光轮100的侧视剖视图。荧光轮100包括其上形成有反射层120的基板110，其中荧光体层130施加在反射层120上。反射层由本文进一步描述的组合物形成。如这里所示，反射层120由标有附图标记121的无机粘合剂或有机硅(A)和标有附图标记122的反射性纳米粒子形成。

基板110通常是具有高导热率的金属，例如铝或铝合金、铜或铜合金、银或银合金、或其它具有高导热率的金属。例如，该基板也可以由诸如玻璃、蓝宝石或金刚石等非金属材料或复合材料制成。基板通常为盘形或环形。基板表面的光滑度或粗糙度并不重要。然而，期望的是，形成有反射层120的基板的表面是清洁的，并且基板上没有污渍、油、有机残留物或生物残留物。对于低表面能表面，可通过涂底漆或通过特殊表面处理(例如化学或等离子体蚀刻或臭氧清洁)，来改进粘合性。

荧光体层130包含至少一种荧光体。适合的荧光体的示例包括钇铝石榴石(YAG)、硅酸盐和氮化物。荧光体可具有约10至约30微米的颗粒尺寸。荧光体层通常为环形荧光体区段的形式，其包含不同类型的荧光体以将激发光转换成绿色、黄色或红色的光。通常，使用蓝光激光器(具有约440nm至约460nm的波长)来激发荧光轮上的荧光体区段。荧光轮还可以具有一个或多个间隙以使蓝光源光未经转换地通过。

可通过将基板安装在电机上以高速旋转来使用图1A和图1B的荧光轮100。通常，在使用期间使基板旋转，尽管该装置也可以在静态(不旋转)结构中使用，在该情况下，该装置可能不被称为荧光轮。在图1A中通过围绕轴线A-A旋转的箭头描绘荧光轮的旋转，该轴线A-A穿过基板110且垂直于基板110的平面表面。因此，顺序地产生不同波长的光。

如图1A和图1B所示，具有来自光源(未示出)(例如，基于激光的照明源)的激发波长的激发光123(即，激发光或输入光)聚焦在荧光体层上。具有发射波长的发射光124(即，发射光或转换光)由荧光体层产生。以这种方式，荧光体层将来自第一光谱波长范围的激发光的光谱转换成第二光谱波长范围的发射光(或再发射)，第一光谱波长范围和第二光谱波长范围具有不同光谱波长范围。当具有激发波长123的光(例如，激光束蓝光)聚焦在荧光体层上时，具有发射波长124的光(例如，黄光)将在所有方向(包括朝向基板)上发射。反射层120用于将该发射光反射并重新定向为远离基板，使得该光在基板的与接收激发光的一侧相同的一侧上发射。发射光可以被收集(例如，通过透镜)并且用于随后的下游过程。

反射层120包括粘合剂(A)，该粘合剂可以是有机的或无机的；和具有约200纳米至约500纳米的颗粒尺寸的反射性纳米粒子(B)。在更具体的实施例中，反射性纳米粒子具有约350纳米至约450纳米的颗粒尺寸。

对于粘合剂(A)来说，适合的材料应该在-45℃至250℃(-49°F至+482°F)的温度范围内长时间(至少20,000小时)地工作。期望的是，粘合剂可以在高于200℃的温度下长时间地工作。粘合剂(A)可以是有机粘合剂或无机粘合剂。

有机粘合剂的一个示例是有机硅，例如一种反射性树脂八甲基三硅氧烷。这种有机硅可从Dow或Sumitomo Chemical公司商购。在涂布之前，可将有机硅与有机溶剂混合，该有机溶剂可包括甲基硅氧烷。有机溶剂的一个示例是Dow Corning Corporation公司出售的OS-20，这是一种挥发性溶剂，用作稀释剂来调节溶液粘度。将混合好的有机硅/溶剂按工艺要求均匀制备，在投入混合机混合前，可以加入硅油稀释剂调节粘度。

可替代地，粘合剂(A)可以是具有某些特性的无机粘合剂。期望的是，无机粘合剂具有约0.5至约25ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。在具体实施例中，无机粘合剂是硅酸钠。硅酸钠是式(Na₂SiO₃)_n化合物的通用名称，也可以认为是聚合物，如下面的式(I)所示。

硅酸钠具有无水形式和水合形式Na₂SiO₃·nH₂O，其中n＝5、6、8或9。硅酸钠的特征可以用二氧化硅(SiO₂)与氧化钠(Na₂O)的重量比来表示。SiO₂:Na₂O可在2:1至3.75:1变化。在具体的实施例中，SiO₂:Na₂O可从约2.5:1至约3.75:1，或从约2:1至约3:1。硅酸钠通常以水溶液形式提供。

在其它实施例中，无机粘合剂可由除硅酸钠以外的其它无机材料制成。这些无机材料可以是硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐或无机溶胶-凝胶。无机溶胶-凝胶的示例包括由二氧化硅(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)制成的溶胶-凝胶。

在另一示例性实施例中，无机粘合剂由第一组分和第二组分形成。所用无机粘合剂的总溶解固体(TDS)特性在下表中提供：

这种特定的无机粘合剂通过将第一组分和第二组分混合并在约25至约30℃的温度下搅拌约2至约3小时的时间来制备。第一组分与第二组分的比例为从约1:1至约7:3。

期望的是，无机粘合剂(A)基本上是光学透明的(例如，无机粘合剂的透光率至少80％，包括90％和至多98％)。例如使用可从Idea Optics获得的厚度为约0.1至约0.2毫米的分光光度计测量。相比之下，许多无机粘合剂是不透明的。

在具体实施例中，本公开的无机粘合剂能够耐高温(例如，大于200℃，包括300℃或更高，或高达400℃的温度)，具有高透光率(例如，至少98％)，具有高拉伸剪切强度(例如，在300℃温度下至少100psi)，可以通过柔性涂覆工艺(例如，分散、丝网印刷、喷涂)应用，并且具有低固化温度(例如，低于185℃)。

反射层还含有反射性纳米粒子(B)。可以认为，反射性纳米粒子的存在降低了粘合剂(A)的收缩率，从而减少了裂纹和气泡的形成。由此避免了组装期间的应力，并提高了反射层与基板的粘接强度。理想地，反射性纳米粒子的热膨胀系数应尽可能接近粘合剂(A)的热膨胀系数，并且它们的密度也应尽可能接近，以避免成分分层。

反射性纳米粒子具有约200纳米至约500纳米(包括约300纳米至约500纳米和约350纳米至约450纳米)的颗粒尺寸。反射性纳米颗粒可由纯二氧化钛(TiO₂)或改性的TiO₂制成。改性的TiO₂纳米粒子可用有机醇、硅氧烷、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)或二氧化硅(TiO₂)进行表面改性。在优选的实施例中，反射性纳米粒子是纯TiO₂。

反射性纳米粒子与(A)粘合剂的重量比可为约1:2.5至约1:0.8(包括约1:2至约1:1)。反射性纳米颗粒(B)应与粘合剂(A)混合，然后在使用前冷藏该混合物。例如，在约4℃温度下冷藏约24小时之前，纳米颗粒可以与粘合剂混合两次，每次在800rpm混合约2分钟。期望的是，反射性纳米颗粒均匀地分散在整个该混合物中，使得反射性纳米颗粒也均匀地分散在整个反射层中。

反射层可以通过将粘合剂(A)和反射性纳米颗粒(B)的混合物施加到基材上而形成。混合物可以通过分散、喷涂、刷涂、流动、图案涂覆或丝网印刷来施加。

在通过分散或丝网印刷施加混合物的应用中，混合物应具有约0至约1,500厘泊(cP)(包括约100cP至约800cP，或约100cP至约600cP，或约200至约500cP，或约1,000cP至约1,500cP)的适合的粘度。使用Brookfield DVE SLVTJO粘度计或根据ASTM D1084测量粘度。无机粘合剂本身(即没有TiO₂纳米粒子)也可具有约0至约1,500厘泊(cP)(包括约0至约800cP，或约100cP至约800cP)的适合的粘度。

在一些情况下，预期将在多个施加回合上构建反射层。例如，在第一回合中，对粘合剂(A)和反射性纳米颗粒(B)的混合物进行搅拌，然后将混合物喷涂到基板上，以形成厚度为约0.025mm至约0.075mm的反射层。然后使第一层在室温下放置约0.5小时，然后在约85℃温度下使该第一层固化约0.5小时。在第二回合中，再次搅拌粘合剂(A)和反射性纳米颗粒(B)的混合物，然后将混合物喷涂到第一层的上面，然后在室温下放置约0.5小时，然后在约85℃温度下固化约0.5小时。上述步骤使反射层最终具有约0.05mm至约0.15mm的总厚度。

期望的是，反射层配置为在约380nm至约800nm的波长范围内反射，更优选地配置为在约420nm至约680nm。反射树脂层的反射率通常为至少(或大于)90％，并且更优选地为至少(或大于)94％、或95％、或96％、或97％、或98％、或99％。

反射层可以具有约0.05mm至约0.15mm的总厚度。在具体实施例中，反射层具有约0.7mm至约0.12mm的厚度。设定厚度是为了在期望波长范围内最大化光输出的反射率。较厚的层提供较高的反射率，但例如由于反射层的剥离或破裂也可能导致长期失效。因此，最佳厚度可以通过最佳反射率和/或反射率与耐久性之间的某种折衷来确定。

反射层通常通过其成分和/或结构与荧光体层进行区分(并且可区分)。特别地，反射层通常比荧光体层的反射性明显更强。荧光体层通常不是反射性的。通常，反射层不包括波长转换材料(例如，荧光体)。

本公开的包含反射性纳米粒子的反射层可在高于200℃的温度下保持至少95％的总反射率。反射层可以在85℃至150℃相对低的温度下固化。反射层在高激光辐照度和温度下显示可靠的操作。反射层也可以灵活地制成各种尺寸、形状和厚度。反射层还能够承受高的工作温度，即超过200℃，高达250℃的工作温度。反射层可以用于高功率激光投影显示系统，其中固态激光投影仪可以配备有约60瓦至约300瓦(包括超过100瓦)的激光功率。这种装置的工作温度可以达到200℃以上，从而具有高发光亮度。

在一些实施例中，反射层120也可以用作基板110和荧光体层130之间的粘结层。可替代地或附加地，辅助粘结层(例如胶水或胶带)也可用于使荧光体层粘附到反射层。这对于某些由例如分散在玻璃、晶体或陶瓷材料中的荧光体粒子制成的固态荧光体层是有用的。

返回参考图1A和图1C，可以注意到反射层120的宽度(在基板上的径向方向测量)可以变化。在图1A中，反射层120的宽度远大于荧光体层130的宽度。然而，如图1C所示，反射层120的宽度也可以大致等于荧光体层130的宽度。通常，反射层120的宽度至少等于荧光体层130的宽度，并且可以大于荧光体层的宽度。

可以预期，本文所述的反射层可以用于荧光轮和激光投影显示系统中。它们也可以与固态照明光源(例如汽车前灯)结合使用。

以下示例用于说明本公开的方法。示例仅是说明性的，并且不旨在用本文中所描述的材料、条件或工艺参数限制本公开。

示例

示例1

制造具有由无机粘合剂和TiO₂纳米粒子构成的反射层的两个荧光轮。反射层的无机粘合剂由第一和第二组分形成。该无机粘合剂的总溶解固体(TDS)的特性在下表中提供：

无机粘合剂与TiO₂纳米粒子的重量比为1:1.7。标记为PT01的第一荧光轮，使用了具有0.4-0.45μm(即400-450nm)的颗粒尺寸的TiO₂纳米粒子。标记为PT02的第二荧光轮，使用具有0.36μm(即360nm)的颗粒尺寸的TiO₂纳米粒子。

将无机粘合剂和TiO₂纳米粒子在混合机中混合两次，每次在800rpm混合两分钟，以制备无机散射层材料(ISLM)。

有趣的是，ISLM起到剪切稀化流体的作用，即，当被搅拌时，其粘度变小。PT02粉末也容易结块，导致胶水不能被完全被吸收。因此将ISLM放置于4℃冰箱中24小时以确保无机粘合剂被PT02粉末完全吸收。24小时后，用手轻轻搅拌ISLM，以确保混合的材料均匀。ISLM的粘度为1000～1500厘泊(cP)。

使用自动喷涂机(PVA350)施加ISLM。将喷涂气压调节到3.5MPa。使ISLM喷涂在Al(铝)盘上两次，以得到湿的反射层。将湿的反射层在室温下放置0.5小时，并在85°F下固化0.5小时，以得到厚度为0.045mm的反射层。在第一层的上施加第二层，以得到总厚度为0.09mm的反射层。反射层在185°F下固化0.5小时，以确保该反射层完全固化。

首先，PT01和PT02荧光轮的漫反射率是在不同的反射层厚度下测量的。在图2A和下表A中示出了PT01荧光轮的结果，在图2B和下表B中示出了PT02荧光轮的结果。从这些结果可以看出，厚度在0.08mm(PT01)或0.07mm(PT02)以上，反射率稳定在大于94％。

表A.PT01

表B.PT02

接着，将两个荧光轮PT01和PT02与两个其它荧光轮进行比较。标记为G1的第一对照轮在反射层中仅使用无机粘合剂(即，没有TiO₂纳米粒子)。标记为G1.5的第二对照轮在反射层中仅使用有机粘合剂(没有TiO₂纳米粒子)。

在不同厚度下进行输出功率测试，比较PT02荧光轮和G1荧光轮。在表C中示出了PT02荧光轮的结果，在最后一列中，100％的结果是由G1荧光轮获得。

表C.

接下来，进行可靠性测试，在100W和50W下比较PT02荧光轮和G1荧光轮。在表D中示出了试验条件。每次试验运行3个样品。在表E中示出了PT02荧光轮的结果。同样，100％的结果是由G1荧光轮获得。

表D.

表E.

最后，在100W和50W下比较PT02荧光轮和G1荧光轮。使样品放置于250℃的马弗炉中，并随时间测试输出性能。在表F中示出了PT02荧光轮的结果。同样，100％的结果是由G1荧光轮获得。结果表明PT02荧光轮稳定，反射层和荧光体层之间没有产生裂纹。

表F.

在不同厚度下进行输出功率测试，比较PT01荧光轮和G1荧光轮。在表G中示出了PT01轮的结果，在最后一列中，100％的结果是由G1荧光轮获得。

表G.

接下来，进行可靠性测试，在100W和50W下比较PT01荧光轮和G1荧光轮。测试条件如上表D所示。每次试验运行3个样品。在表H中示出了PT01荧光轮的结果。同样，100％的结果是由G1荧光轮获得。

表H.

最后，在100W和50W下比较PT01荧光轮和G1荧光轮。使样品放置于250℃的马弗炉中，并随时间测试输出性能。在表I中示出了PT01荧光轮的结果。同样，100％的结果是由G1荧光轮获得。结果表明PT01荧光轮稳定，反射层和荧光体层之间没有裂纹产生。

表I.

示例2

用不同类型的纳米粒子进行扩散率测试：TiO₂、Al₂O₃和Al。粘合剂是无机粘合剂。制备不同厚度的层并测试扩散率(即漫反射率)。表J描述了五种不同的混合物，表K提供了三种混合物的扩散率结果。可以注意到，由于混合物是手工喷涂的，给定层可以具有不同的厚度。

表J.

表K.

表K中的结果表明，当层厚度超过0.15mm时Al₂O₃纳米粒子的扩散率超过94％。然而，Al₂O₃的反射率不稳定(即变化很大)，并且需要Al₂O₃的厚度大于具有相同的反射率的TiO₂纳米粒子的厚度。Al₂O₃也容易开裂。因此，得出结论，TiO₂是用于高反射率层的最佳纳米粒子。

示例3

使用来自不同供应商的不同TiO₂纳米粒子以及Al(OH)₃和MgO进行了扩散率测试。粘合剂是无机粘合剂。制备不同厚度的层并测试扩散率。表L描述了六种不同的混合物，表M提供了五种混合物的扩散率结果。可以注意到，MgO颗粒大，不能均匀混合。

表L.

Table M.

混合物#5可以获得大于94％的扩散率。结果还表明，使用0.2μm和0.5μm的TiO₂纳米粒子可获得大于90％的漫反射率。

本公开的内容已经参考优选实施例进行了描述。在阅读和理解了前面的详细描述之后，其他人可能想到修改和变更。只要上述修改落入所附权利要求或其等同替物的范围内，本公开解释为包括所有的上述类型的修改和变更。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种波长转换装置，包括：

基板；

在所述基板上的反射层，所述反射层包括粘合剂(A)；和具有约200纳米至约500纳米的颗粒尺寸的反射性二氧化钛(TiO₂)纳米粒子(B)；以及

在所述反射层上的波长转换层；

其中，所述反射层热稳定在250℃。

2.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述反射性TiO₂纳米粒子用有机醇、硅氧烷、氧化铝(Al₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)或二氧化硅(SiO₂)进行表面改性。

3.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述反射层具有约0.05mm至约0.15mm的厚度。

4.根据权利要求1所述波长转换装置，其中，所述反射性纳米粒子(B)与所述粘合剂(A)的重量比为约1:2.5至约1:0.8。

5.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述粘合剂(A)包括用二氧化硅或氧化铝制成的无机溶胶-凝胶。

6.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述粘合剂(A)包括八甲基三硅氧烷。

7.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述反射层对波长为约420nm至约680nm的光具有至少95％的反射率。

8.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述荧光体层可以包括分散在玻璃中、或晶体中、或陶瓷材料中的荧光体粒子。

9.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述基板具有盘形形状。

10.根据权利要求1所述的波长转换装置，还包括用于使所述基板旋转的电动机。

11.根据权利要求1所述的波长转换装置，其中，所述基板可以是金属或非金属材料或复合材料的。

12.一种光投影系统，所述光投影系统包括如权利要求1所述的波长转换装置。

13.一种制造波长转换装置的方法，包括：

将组合物施加到基板上以在所述基板上形成反射层，所述组合物包括粘合剂(A)；和具有约200纳米至约500纳米的颗粒尺寸的反射性二氧化钛(TiO₂)纳米粒子(B)；以及

在所述反射层上形成波长转换层；

其中，所述反射层热稳定在250℃。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述组合物具有约0cP至约1500cP的粘度。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括在约85℃至约150℃的温度下固化所述组合物。

16.根据权利要求13所述的波长转换装置，其中，所述粘合剂(A)包括用二氧化硅或氧化铝制成的无机溶胶-凝胶。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，通过分散、喷涂、刷涂、流动、涂布或丝网印刷来施加所述组合物。

18.通过权利要求13所述的方法制造的波长转换装置。

19.一种光投影系统，所述光投影系统包括如权利要求18所述的波长转换装置。