具体实施方式

可以参考附图来得到本文所公开的部件、方法和装置的更完整的理解。这些附图仅仅是基于方便和说明本公开的容易性的示意性描述，因此不意图表示装置或装置的各个部件的相对大小和尺寸和/或不意图限定或限制示例性实施方案的范围。

虽然为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但这些术语仅意图指代图中被选择用于说明的实施方案的特定结构，而不意图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，相同的附图标号指代相同功能的部件。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一个”、“一”和“该”也包括复数个对象。

如说明书和权利要求书中所使用的那样，术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“可以”、“含有”及它们的变体在本文中意图用作开放式过渡词、术语或词语，这些词语需要存在指定的组分/步骤且允许存在其他组分/步骤。然而，这种描述还应解释为将合成物或过程描述成“由列举的组分/步骤组成”和“基本上由列举的组分/步骤组成”，这允许仅存在指定的组分/步骤且伴随有可能因这些组分而产生的任何不可避免的杂质，但不包括其他组分/步骤。

本申请的说明书和权利要求书中的数值应当理解为包括：在减少到相同数量的有效数字时是相同的数值；以及与设定值的差值比用于确定值的本申请中所述类型的常规测量技术的实验误差小的数值。

本文所公开的所有范围都包括所述端值，并且可以独立组合(例如，“从2克至10克”的范围包括端值2克和10克以及所有中间值)。

术语“约”和“大约”可以用于包括能够在不改变该值的基本功能的情况下变化的任意数值。当在范围内使用时，术语“约”和“大约”也公开了由两个端值的绝对值限定的范围，例如，“约2至约4”也公开了“从2至4”的范围。通常来说，术语“约”和“大约”可以指的是指示数字的+/-10％。

如本文所用，术语“激发光”和“激发波长”是指随后被转换的输入光，例如由基于激光的照明源或其他光源产生的光。术语“发射光”和“发射波长”是指经转换的光，例如由已暴露于激发光的荧光体产生的所得的光。

如本文所用，术语“无机”是指“无机”物体不含任何碳。为了避免疑问，本公开的术语“无机粘结剂”、“无机粘合剂”和“无机涂层”不包含碳。

作为参考，红色通常指的是波长为约780纳米至约622纳米的光。绿色通常指的是波长为约577纳米至约492纳米的光。蓝色通常指的是波长为约492纳米至约455纳米的光。黄色通常指的是波长为约597纳米至约577纳米的光。然而，以上内容可能取决于上下文。例如，这些颜色有时用于标记各个部分，并使这些部分彼此区分。

本公开涉及包括具有某些组分的反射层的波长转换装置。特别地，反射层包含(A)粘结剂，其可以是有机的或无机的；和(B)反射性纳米颗粒，其粒度为约200纳米至约500纳米，包括约350纳米至约450纳米。这些反射层将在高温(例如，大于200℃或250℃)运行，同时保持其他光学和机械参数，例如总反射率百分比。

可以通过两种方法中的任一种确定反射层是否保持高稳定性。在第一种方法中，将使用反射层的荧光轮置于烘箱中并在250℃进行时效处理。每100小时测试反射率，持续最少500小时，并且观察反射层中是否存在任何裂纹。如果在300小时、400小时和500小时的测定结果之间的反射率变化小于2％，并且反射层中没有裂纹，那么则认为反射层保持高稳定性。在第一种方法中，将使用反射层的荧光轮置于烘箱中并在250℃进行时效处理。每100小时测试荧光轮的转换效率，持续最少500小时，并且观察在反射层中是否存在任何裂纹。如果在300小时、400小时和500小时的测定之间的转换效率的变化小于2％，并且反射层中没有裂纹，那么认为反射层保持高稳定性。只要通过这两种方法中的一种，就可以认为反射层保持高稳定性。

现在转至图1A和图1B，其描绘了本公开的波长转换装置。以荧光轮100的形式示出该波长转换装置。图1A为荧光轮100的示意图，而图1B为荧光轮100的侧视截面图。荧光轮100包括其上形成有反射层120的基底110，其中荧光体层130施加在反射层120上。由本文进一步描述的组合物形成反射层。如本文所示，由附图标记121所标记的无机粘结剂或有机硅(A)和附图标记122所标记的反射性纳米颗粒形成反射层120。

基底110通常是具有高热导率的金属，例如铝或铝合金、铜或铜合金、银或银合金，或者具有高热导率的其他金属。例如，基底也可以由非金属材料或复合材料制成，例如玻璃、蓝宝石或金刚石。基底通常呈盘状或环状。基底表面的光滑度或粗糙度并不重要。然而，期望在其上形成有反射层120的基底表面是清洁的，并且其上没有污渍、油、有机残留物或生物残留物。对于低表面能表面，可通过底漆或通过诸如化学或等离子体蚀刻和臭氧清洁之类的特殊表面处理提高粘合性。

荧光体层130包含至少一种荧光体。合适的荧光体的实例包括钇铝石榴石(YAG)、硅酸盐和氮化物。荧光体的粒度可为约10微米至约30微米。荧光体层通常为环形荧光体段的形式，环形荧光体段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。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段。荧光轮还可以具有一个或以上间隙以使蓝光源光未经转换地通过。

可以通过将基底安装在电动机上以高速旋转使用图1A和图1B的荧光轮100。通常，基底在使用期间旋转，尽管该装置可以在静态(非旋转)配置中使用，但是在这样的情况下，其可能不被称为荧光轮。在图1A中，通过围绕轴线A-A旋转的箭头描述了荧光轮的旋转，轴A-A穿过基底110且垂直于基底110的平面。结果，依次产生不同波长的光。

如图1A和图1B所示，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。由荧光体层产生发射波长的发射光124(即，发射光或转换光)。这样，荧光体层将光谱从第一光谱波长范围的激发光转换为第二、不同光谱波长范围的发射(或再发射)光。当激发波长的光123(例如，激光束蓝光)聚焦在荧光体层上时，发射波长的光124(例如，黄光)将在包括朝向基底的全部方向上发射。反射层120用于将该发射光反射并重定向为远离基底，使得发射光在基底的与接收激发光的一侧相同的一侧上发射。可以(例如，通过透镜)收集发射光并且将发射光用于随后的下游过程。

反射层120包含(A)粘结剂，其可以是有机的或无机的；和(B)粒度为约200纳米至约500纳米的反射性纳米颗粒。在更特定的实施方案中，反射性纳米颗粒的粒度为约350纳米至约450纳米。

对于粘结剂(A)，合适的材料在-45℃至250℃(-49℉至+482℉)的温度范围长时间段(至少20,000小时)内应当是可使用的。期望地，粘结剂可以在高于200℃的温度使用如此长的时间段。粘结剂(A)可为有机粘结剂或无机粘结剂。

有机粘结剂的一个实例为有机硅，例如为反射性树脂的八甲基三硅氧烷。这种有机硅可购自Dow或Sumitomo Chemical。在涂布之前，可将有机硅与有机溶剂混合，有机溶剂可包含甲基硅氧烷。有机溶剂的一个实例为由Dow Corning Corporation以商品名OS-20出售的有机溶剂。这是一种挥发性溶剂，并且用作冲淡剂以调节溶液粘度。将混合的有机硅/溶剂按工艺要求制成均匀的，并且在将混合物投入到混合机进行混合之前，可以添加有机硅油稀释剂以调节粘度。

或者，粘结剂(A)可为具有某些特性的无机粘结剂。期望地，无机粘结剂的热膨胀系数(CTE)为约0.5ppm/℃至约25ppm/℃。在特定实施方案中，无机粘结剂为硅酸钠。硅酸钠是式(Na₂SiO₃)_n的化合物的通用名，并且可供选择地可以被认为是聚合物，如以下式(I)中所示。

硅酸钠具有无水形式和水合形式Na₂SiO₃·nH₂O，其中n＝5、6、8或9。硅酸钠的特征在于二氧化硅(SiO₂)与氧化钠(Na₂O)的重量比。SiO₂:Na₂O的重量比可为2:1至3.75:1。在特定实施方案中，SiO₂:Na₂O的重量比可为约2.5:1至约3.75:1，或约2:1至约3:1。通常以水溶液形式提供硅酸钠。

在其他实施方案中，无机粘结剂可以由除硅酸钠以外的其他无机材料制成。这些无机材料可以为硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐或无机溶胶-凝胶。无机溶胶-凝胶的实例包括由二氧化硅(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)制成的溶胶-凝胶。

在其他示例性实施方案中，无机粘结剂由第一组分和第二组分形成。下表中提供了所使用的无机粘结剂的总溶解固体(TDS)特征：

通过混合第一组分和第二组分，并在约25℃至约30℃的温度下搅拌约2小时至约3小时的时间段，从而制备此类特定的无机粘结剂。第一组分与第二组分之比为约1:1至约7:3。

期望地，无机粘结剂(A)为基本上光学透明的(例如，无机粘结剂的透光率为至少80％、包括90％且高达98％。这是(例如)使用可从Idea获得的光学器件厚度为约0.1毫米至约0.2毫米的分光光度计测定的。相比之下，许多无机粘结剂是不透明的。

在特定实施方案中，本公开的无机粘结剂能够耐受高温(例如，大于200℃、包括300℃或以上、且高达400℃)，具有高透光率(例如，至少98％)，具有高拉伸剪切强度(例如，在300℃时为至少100psi)，能够由灵活的涂布方法(例如，滴涂、丝网印刷、喷涂)进行涂覆，并且具有低固化温度(例如，低于185℃)。

反射层还包含反射性纳米颗粒(B)。据信，反射性纳米颗粒的存在降低了粘结剂(A)的收缩率，从而减少了裂纹和气泡的形成。这避免了组装期间的应力，并提高了反射层与基底的结合强度。理想地，反射性纳米颗粒的热膨胀系数应当尽可能接近粘结剂(A)的热膨胀系数，并且它们的密度也应当尽可能接近，以避免成分的分层。

反射性纳米颗粒的粒度为约200纳米至约500纳米，包括约300nm至约500nm和约350nm至约450nm。反射性纳米颗粒可由纯二氧化钛(TiO₂)或改性TiO₂制成。改性TiO₂纳米颗粒可经有机醇、硅氧烷、氧化铝(A1₂O₃)、二氧化锆(ZrO₂)或二氧化硅(SiO₂)表面改性。在优选的实施方案中，反射性纳米颗粒为纯TiO₂。

(B)反射性纳米颗粒与(A)粘结剂的重量比可为约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)应当与粘结剂(A)混合，然后在使用该混合物前可将其冷藏。例如，纳米颗粒可以与粘结剂混合两次，每次在800rpm混合约2分钟的时间，之后在约4℃冷藏约24小时。期望地，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。

参考图3，其示出用于制备反射性颗粒122和无机粘结剂的混合物从而用于形成反射层120的其他实施方案。在该实施方案中，溶剂200和无机粘结剂材料202在混合杯中以约10比1至约0比1(按重量计；或者可写作约10:1至约0:1)的溶剂与粘结剂之比进行组合，以获得混合液体粘结剂204。

将反射性TiO₂纳米颗粒122添加到混合液体粘结剂204中，纳米颗粒与混合液体之比为约1比10至约1比0.2(按重量计；或者可写作约1:10至约1:0.2)，然后共混两次，每次以800rpm共混2分钟的时间，以形成反射层混合物206。溶剂200可包括(但不限于)水、醇、一种或多种醚、以及它们的各种混合物。作为非限制性实例，在油漆中使用的溶剂可以作为溶剂200用于该过程。将反射层混合物206在4℃的温度冷藏24小时，之后通过滴涂、印刷、喷涂或其他合适的过程将反射层混合物206施加至基底110以形成反射层120。

溶剂与粘结剂之比对反射层混合物206的性质具有影响。添加具有高沸点(例如，沸点＞100℃)的溶剂有助于提供改善的流动性和流平性。如果溶剂与粘结剂之比大于10比1(相当于溶剂过量)，那么反射层和基底之间的粘合不牢固，并且反射层120和荧光粉层130之间的粘合也不牢固。对于反射层120，例如TiO₂的反射性颗粒的粘合不够牢固，反射性颗粒将从反射层脱落，并且造成污染。

纳米颗粒与混合液体之比对反射层也具有影响，因为它影响反射层混合物206的粘度。在纳米颗粒与混合液体之比为1比10的情况下，观察到分层现象或裂纹。当纳米颗粒122部分分离时出现分层，而裂纹意味着反射混合物的粘度太低，为1比10，因此其不能用于滴涂、印刷、喷涂过程，并且导致反射层的反射率降低。另一方面，当纳米颗粒与混合液体之比低于1比0.2时，观察到发生不均匀地分散和聚集，并且也无法用于滴涂、印刷、喷涂过程。

在任何前述实施方案中，可通过将粘结剂(A)和反射性纳米颗粒(B)的混合物施加至基底上形成反射层。可以通过滴涂、喷涂、刷涂、流动、图案涂布或丝网印刷施加混合物。

在通过滴涂或丝网印刷施加混合物的应用中，混合物的合适粘度应当为约0厘泊至约1,500厘泊(cP)，包括约100cP至约800cP，或约100cP至约600cP，约200cP至约500cP，或约1,000cP至约1,500cP。使用Brookfield DVE SLVTJO粘度计或根据ASTM D1084测定粘度。无机粘结剂本身(即没有TiO₂纳米颗粒)的合适粘度也可为约0厘泊至约1,500厘泊(cP)，包括约0cP至约800cP，或约100cP至约800cP。

在一些情况下，预期将通过多轮施加构建反射层。例如，在第一轮中，搅拌粘结剂(A)和反射性纳米颗粒(B)的混合物，然后将其喷涂至基底上，以形成厚度为约0.025mm至约0.075mm的反射层。然后将该第一层在室温下放置约0.5小时，然后在约85℃固化约0.5小时。在第二轮中，再次搅拌粘结剂(A)和反射性纳米颗粒(B)的混合物，然后将其喷涂到第一层的顶部，然后在室温下放置约0.5小时，然后在约85℃固化约0.5小时。这使得最终反射层的总厚度为约0.05mm至约0.15mm。

期望地，将反射层配置为在约380nm至约800nm，更优选地约420nm至约680nm的波长范围内反射。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％。

反射层的总厚度可为约0.05mm至约0.15mm。在特定实施方案中，反射层的厚度为约0.7mm至约0.12mm。可以设定厚度以使在期望波长范围内的光输出的反射率最大化。较厚的层提供较高的反射率，但也可能导致(例如)由于反射层的剥离或裂纹引起的长期失效。因此，可以通过最佳反射率和/或反射率和耐久性之间的某种折衷确定最佳厚度。

反射层通常通过其组分和/或结构而与荧光体层不同(并且可区分)。特别地，反射层的反射性通常比荧光体层显著更强。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)。

包含反射性纳米颗粒的本公开的反射层可在高于200℃的温度保持至少95％的总反射率。该反射层可以在85℃至150℃的相对低的温度固化。该反射层在高激光辐照度和温度下表现出可靠的运行。该反射层也可以灵活地制成各种尺寸、形状和厚度。该反射层还能够耐受高的工作温度，即超过200℃且高达250℃的工作温度。该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配备的激光功率可以从约60瓦至约300瓦、包括超过100瓦。此类装置的工作温度可以达到高于200℃，以实现高发光亮度。

在一些实施方案中，反射层120也可以作为基底110和荧光体层130之间的结合层。可供选择地或附加地，辅助结合层(例如胶或带)也可用于使荧光体层与反射层粘合。这对于由(例如)分散在玻璃中、或晶体中或陶瓷材料中的荧光体颗粒制成的某些固态荧光体层是有用的。

回顾参考图1A和图1C，应当注意反射层120的宽度(在基底上的径向方向测定)可以改变。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。

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。该反射层也可以与固态照明源联合使用，例如在汽车前灯中。

提供以下实施例以说明本公开的方法。实施例仅是说明性的，并且不必意图将本公开限制于本文所述的材料、条件或工艺参数。

实施例

实施例1

制得具有由无机粘结剂和TiO₂纳米颗粒制成的反射层的两个荧光轮。反射层的无机粘结剂由第一组分和第二组分形成。下表中提供了所使用的无机粘结剂的总溶解固体(TDS)特征：

无机粘结剂与TiO₂纳米颗粒的重量比为1:1.7。标记为PT01的第一个轮使用的TiO₂纳米颗粒的粒度为0.4μm至0.45μm(即，400nm至450nm)。标记为PT02的第二个轮使用的TiO₂纳米颗粒的粒度为0.36μm(即，360nm)。

将无机粘结剂和TiO₂纳米颗粒在混合机中混合两次，每次在800rpm混合两分钟的时间，以制备无机散射层材料(ISLM)。

有趣的是，ISLM为剪切稀释流体，即，当搅拌ISLM时，其粘度变小。PT02粉末也容易聚集，导致胶不能被完全吸收。因此将ISLM置于4℃冰箱中24小时以确保无机粘结剂完全被PT02粉末吸收。在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厘泊至1500厘泊(cP)。

使用自动喷涂机(PVA350)施加ISLM。将喷涂气压调节为3.5MPa。将ISLM喷涂在Al盘上两次，以获得湿反射层。将湿层在室温下放置0.5小时，并在85℉固化0.5小时，以获得厚度为0.045mm的反射层。在第一层的顶部施加第二层，以获得总厚度为0.09mm的反射层。在185℉固化反射层0.5小时，以确保该层完全固化。

首先，在不同的反射层厚度测定PT01和PT02荧光轮的漫反射率。PT01荧光轮的结果示于图2A和下表A。PT02荧光轮的结果示于图2B和下表B。从这些结果可以看出，在大于0.08mm(PT01)或0.07mm(PT02)的厚度，反射率稳定在大于94％。

表A.PT01

表B.PT02

接下来，将两个荧光轮PT01和PT02与两个其他荧光轮进行比较。标记为G1的第一比较轮在反射层中仅使用无机粘结剂(即，没有TiO₂纳米颗粒)。标记为G1.5的第二比较轮在反射层中仅使用有机粘结剂(没有TiO₂纳米颗粒)。

在不同厚度进行输出功率测试，比较PT02轮和G1轮。PT02轮的结果示于表C。在最后一栏中，100％是由G1荧光轮获得的结果。

表C.

接下来，进行可靠性测试，在100W和50W比较PT02轮和G1轮。测试条件示于表D。运转3个样品用于各测试。PT02轮的结果示于表E。再次，100％是由G1荧光轮获得的结果。

表D.

表E.

最后，在100W和50W比较PT02轮和G1轮。将样品置于250℃的马弗炉中，并随时间推移测试输出性能。PT02轮的结果示于表F。再次，100％是由G1荧光轮获得的结果。结果示出了PT02轮是稳定的，并且在反射层和荧光体层之间没有出现裂纹。

表F.

在不同厚度进行输出功率测试，比较PT01轮和G1轮。PT01轮的结果示于表G。在最后一栏中，100％是由G1荧光轮获得的结果。

表G.

接下来，进行可靠性测试，在100W和50W比较PT01轮和G1轮。测试条件如上表D所示。每个测试运转3个样品。PT01轮的结果示于表H。再次，100％是由G1荧光轮获得的结果。

表H.

最后，在100W和50W比较PT01轮和G1轮。将样品置于250℃的马弗炉中，并随时间推移测试输出性能。PT01轮的结果示于表I。再次，100％是由G1荧光轮获得的结果。结果示出了PT01轮是稳定的，并且在反射层和荧光体层之间没有出现裂纹。

表I.

实施例2

用不同类型的纳米颗粒进行扩散率测试：TiO₂、A1₂O₃和Al。粘结剂为无机粘结剂。制成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，并且表K提供了三种混合物的扩散率结果。应当注意，由于混合物手工喷涂，因此给定层可以具有不同的厚度。

表J.

表K.

表K的结果表明，当层的厚度超过0.15mm时，A1₂O₃纳米颗粒的扩散率大于94％。然而，A1₂O₃的反射率不稳定(即变化很大)，并且对于相同的反射率，所需的厚度大于TiO₂纳米颗粒的厚度。A1₂O₃也容易破裂。因此，得出结论，TiO₂是用于高反射率层的最佳纳米颗粒。

实施例3

用来自不同供应商的不同TiO₂纳米颗粒以及Al(OH)₃和MgO进行扩散率测试。粘结剂为无机粘结剂。制成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，并且表M提供了五种混合物的扩散率结果。应当注意，MgO颗粒大，并且不能均匀混合。

表L.

表M.

混合物#5可以获得大于94％的扩散率。结果也表明使用0.2μm和0.5μm的TiO₂纳米颗粒可获得大于90％的漫反射率。

已经参考优选实施方案描述了本公开。通过阅读并理解先前的详细描述，本领域技术人员将想到修改和改变。其意在将本发明解释为包括所有此类修改和变更，只要它们在所附权利要求书或其等同内容的范围之内即可。