CN102709449B - 荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源 - Google Patents

荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源。所述荧光粉色轮包括基板和荧光粉片层；荧光粉片层包括将荧光粉颗粒与有机或无机粘结剂粘结在一起形成的薄片，荧光粉颗粒度D50大于等于20um；所述荧光粉片层覆盖基板一侧面的至少一部分或构成所述基板的至少一部分，且能被激发转换至少一种颜色的受激发光。与现有技术相比，本发明的荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源采用颗粒度D50大于等于20um的荧光粉，这样的荧光粉片层在高激发光功率密度下仍然可以保持较高的效率。

Description

荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源
技术领域
本发明涉及照明和显示用的光源技术领域，特别是涉及一种荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源。
背景技术
目前，荧光粉是半导体照明的核心原材料之一，被广泛应用于LED(LightEmitting Diode)光源和激光光源之中。在LED白光光源中，荧光粉更是具有举足轻重的地位。
图1所示为发表在2005年日本应用物理期刊(Journal of Applied Physics，Japan)第44卷第21期第649～651页的论文《在白色发光二极管中使用微荧光结构和散射放射杯可显著提高荧光效率(Strongly Enhanced Phosphor Efficiencyin GaInN White Light-Emitting Diodes Using Remote Phosphor Configuration andDiffuse Reflector Cup)》一文中提出的多种LED荧光粉封装方法和结构。其中，图1(a)将荧光粉涂敷与芯片表面上，并使用折射率匹配的胶体封装，是现在市场上最常见的方法。图1(b)将荧光粉均匀分布于封装胶体中，可有效避免荧光粉受芯片加热而导致的效率下降和老化。图1(c)将荧光粉层分布于封装胶体的外层，可增加发光均匀性。图1(d)在图1(c)的基础上进行了改进，使用散射放射杯(diffuse reflection cup)以期提高光的萃取效率。
荧光粉本身的特性对不同的封装方式产生不同的影响。例如，对于图1(a)、(c)和(d)所示三种封装方法，荧光粉层的致密性和均匀性越好，则荧光粉效率越高；对于图1(b)来说，分散的封装于胶体中的荧光粉越均匀，荧光粉的效率越高。因此，荧光粉的颗粒度就存在一个优化的过程：颗粒度过小则荧光粉本身的效率过低，而颗粒度过大则会引起涂覆不均匀，或者在胶体中沉降严重。
使用LED激发荧光粉应用于传统光源中的技术比较成熟，传统光源中LED的激发光入射到荧光粉表面的光斑内部的最大光功率密度较小，以蓝光LED为例，目前其最大光功率密度大约为1W/mm2(瓦/平方毫米)，仅对荧光粉涂层的致密性和均匀性有要求；然随着LED产业的不断进步，蓝光LED的发光功率越来越高，当达到3W/mm2时，荧光粉的效率将可能成为瓶颈。
美国专利US 7,547,114 B2提出一种产生高亮度时序色光的方法，该方法将激发光源收集并聚焦于一个荧光粉转盘上激发荧光粉材料发光，并随着转盘的转动产生周期性时序的色光序列。应用该方法，以激光作为激发光源，可以制作出高亮度的投影光源。而该方案的问题是，由于激光的功率密度极高，当激发荧光粉时荧光粉本身会发生饱和效应和热淬灭效应，严重的降低了发光效率。这主要是因为，当前的商业化的荧光粉，其颗粒度是根据LED光源定制，而LED的光功率密度比激光的功率密度低一个数量级以上，因此在针对激光应用时没有达到最优的优化值。
因此，需要提供一种荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源，以解决现有技术中LED光源和激光光源的激发光的高功率密度所存在的上述技术问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源，以满足LED光源和激发光光源的高功率密度需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种荧光粉片层包括将荧光粉颗粒与有机或无机粘接剂粘结在一起形成的薄片，其中荧光粉颗粒度D50大于等于20um。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种荧光粉色轮，其特征在于，所述荧光粉色轮包括基板和荧光粉片层；荧光粉片层包括将荧光粉颗粒与有机或无机粘接剂粘结在一起形成的薄片，荧光粉颗粒度D50大于等于20um；所述荧光粉片层覆盖基板一侧面的至少一部分或构成所述基板的至少一部分，且能被激发转换至少一种颜色的受激发光。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光源，包括激发光源和荧光粉色轮，所述激发光源用于提供激发光；所述荧光粉色轮包括基板和荧光粉片层，荧光粉片层包括将荧光粉颗粒与有机或无机粘接剂粘结在一起形成的薄片，荧光粉颗粒度D50大于等于20um；所述荧光粉片层覆盖基板一侧面的至少一部分或构成所述基板的至少一部分；当所述荧光粉色轮在驱动装置的驱动下周期运动的时候，所述激发光入射到色轮表面的光斑内部的最大光功率密度大于等于15W/mm2。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光源，包括激发光源和荧光粉片层，所述光源用于提供激发光；荧光粉片层包括将荧光粉颗粒与有机或无机粘接剂粘结在一起形成的薄片，荧光粉颗粒度D50大于等于20um，其设置在所述激发光源的传播路径上；所述荧光粉片层与激发光源的位置相对固定，激发光源持续对荧光粉片层的同一区域提供激发光，所述激发光入射到荧光粉片层的光斑内部的最大光功率密度大于等于3W/mm2。
与现有技术相比，本发明的荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源采用颗粒度D50大于等于20um的荧光粉，并将荧光粉颗粒和有机或无机粘接剂粘结在一起形成薄片，这样的荧光粉片层在高激发光功率密度下仍然可以保持较高的效率。
附图说明
图1是现有技术LED荧光粉封装结构示意图。
图2是本发明荧光粉色轮周期性运动时，不同颗粒度的荧光粉在不同光功率密度的激发光源照射下的归一化亮度曲线图。
图3是本发明荧光粉片层的一具体实施方式示意图。
图4是本发明光源的第一实施方式的结构示意图。
图5是本发明光源的第二实施方式的结构示意图。
图6是本发明荧光粉色轮的一具体实施方式示意图。
图7本发明在低功率密度下使用LED光源激发荧光粉时荧光粉的颗粒度与效率关系实验曲线图。
图8本发明光源的第三实施方式的结构示意图。
图9本发明光源的第四实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为了方便起见，下面的说明中使用um代表长度单位微米。
图2所示为本发明荧光粉色轮周期性运动时，不同颗粒度的荧光粉在不同光功率密度的激发光源照射下的归一化亮度曲线图。激发光源包括激光和LED等，本实验以激光为例，但实际应用中不局限于此。
如图2可见，同一颗粒度的荧光粉的亮度和效率随着激发光源的驱动电流的变大而减小，尤其是当激发光源的光功率密度增大到某一个特定阈值时，荧光发光的亮度呈雪崩式的下降。前述光功率密度指激发光入射到荧光粉色轮表面的光斑内部的最大光功率密度。这是由于，随着激发光的亮度不断增强，荧光粉的温度逐渐升高，同时伴随着效率不断下降，而效率的下降进一步增大了荧光粉自身发光时产生的热量，形成一个正反馈的恶性循环；当荧光粉温度高到某一个阈值温度的时候，这个恶性循环形成雪崩效应，最终导致荧光发光亮度的剧烈下降。
图2还反映出不同颗粒度的荧光粉的亮度与激发光功率密度变化曲线不同，其中颗粒度D50指某一个特定颗粒的尺寸，小于该颗粒尺寸的总质量占颗粒总质量的一半。以颗粒度D50分别为10um、15um、20um和30um的荧光粉来说，当激发光功率密度较小，小于10W/mm2时，上述四种颗粒度的荧光粉亮度差别不大；但当激发光功率密度继续增大，颗粒度小的荧光粉亮度明显没有颗粒度大的荧光粉亮度强，当光功率密度超过13W/mm2时，颗粒度D50为10um的荧光粉亮度急剧下降；当光功率密度超过17.5W/mm2时，颗粒度D50为15um的荧光粉亮度急剧下降；前述13W/mm2、17.5W/mm2分别为颗粒度D50等于10um、15um的临界光功率密度，更大颗粒的荧光粉则该临界光功率密度会继续增大。再者，颗粒度会影响荧光粉的温度稳定性和激发功率的稳定性，颗粒度越大，则温度的影响越小，功率的影响也越小；综上所述，增大颗粒度，不仅可以提高雪崩点之前的光效，还可以增大雪崩点的临界光功率密度。
由图2可以得出，对于激发光光功率密度为15W/mm2的激发光源来说，颗粒度D50为15um、20um、30um的荧光粉亮度都在80％以上，但随着激发光功率密度的继续提高，颗粒度D50为15um的荧光粉很快达到临界光功率密度；所以，对于激发光光功率密度大于15W/mm2的激发光源，荧光粉色轮上的荧光粉的颗粒度D50应大于等于20um。
当光功率密度为20W/mm2时，颗粒度D50为30um的荧光粉比颗粒度D50为20um的荧光粉的亮度高20％；因此；颗粒度为30um的荧光粉在这种状况下显然是更好的选择。
在实际应用中，对于亮度的需求是无止境的，因此激发光功率会越来越大，使激发光功率密度也相应变大。对于更大的激发光功率密度，则相应的荧光粉颗粒需要变大。表1所示为激发光功率密度与荧光粉颗粒度之间的关系：
表1不同颗粒度D50的荧光粉对应的激发光临界光功率密度
  颗粒度/um   10   15   20   30   50   100
  临界光功率密度(w/mm2)   13   17   20   25   35   50
由于颗粒度越大，形成方案中的荧光粉涂层的厚度和工艺就越难控制；尤其是当荧光粉的颗粒度D50大于等于20um时，由于受超过平均值的大颗粒的影响，以及荧光粉本身沉降的原因，荧光粉涂层在制作过程中容易出现团聚和不均匀现象，因此荧光粉的颗粒度需要在荧光粉加工制程、荧光粉效率和涂层工艺之间做这种选择。
对于传统的LED光源，由于其激发光光功率密度不高，因此荧光粉颗粒度的选择倾向于使涂层工艺变得简单可控，因此所选用的荧光粉颗粒度都低于20um。
对于高亮光源来说，如表1所示的，只有在所要求的激发功率密度下，荧光粉不发生雪崩式效率下降，该颗粒度的荧光粉才能使用。因此需要根据实际使用的激发光功率密度，选择相应的荧光粉颗粒度，该颗粒度的临界激发光功率密度必须高于实际激发光功率密度。一般来说，高亮度光源所使用的荧光粉的颗粒度D50大于等于20um。
图3所示为本发明荧光粉片层的一具体实施方式，该荧光粉片层13可应用于高亮度光源，是由荧光粉颗粒与无机/有机粘接剂粘结在一起形成的薄片，其中的荧光粉颗粒度D50大于等于20um。所述的有机粘结剂包括硅胶、环氧树脂等；无机粘结剂包括低熔点玻璃、金属氧化物颗粒等。当使用有机粘结剂如硅胶时，可以先将荧光粉与硅胶混合成浆料，再使用印刷的方法制作成片层。当使用无机粘结剂如低熔点玻璃时，可以先将低熔点玻璃粉与荧光粉均匀混合，再使用印刷或静电喷涂的方式均匀分布于一个衬底上，再经过高温烘烤使低熔点玻璃粉融化而形成片层。当使用无机粘接剂如金属氧化物颗粒时，利用该金属氧化物颗粒与周围的荧光粉相互吸附并形成化学键，从而牢固地结合在一起形成荧光粉片层。金属氧化物颗粒可以但不限于是氧化硅、氧化钛等。
在本实施例中，为加强荧光粉对入射光的散射作用及提高荧光粉对激发光的吸收率，还可以在光波长转换材料中混杂散射材料，例如但不限于氧化钛颗粒或氧化铝颗粒。
在本实施例中，优选的，在荧光粉片层中均匀混入适量的分散剂可以缓解由于荧光粉颗粒的沉降而带来的荧光粉片层中荧光粉分布不均匀的问题。
如无特别说明，后文所述荧光粉片层均与前述相同。
图4所述为本发明应用前述荧光粉片层的光源的第一实施方式。光源100包括激发光源10、荧光粉色轮及驱动装置11。
激发光源10包括激光和LED光源，本实施采用激发光功率密度大于15W/mm2的激光，实际应用中不应受此限制。
荧光粉色轮包括圆形、圆盘形或矩形等；本实施方式以圆形为例。荧光粉色轮设置在所述激发光源的传输路径上，包括基板12和荧光粉片层13。本实施例中，荧光粉片层13粘结或贴附在基板12的一个侧面上，覆盖基板12的一部分或全部。所述荧光粉片层包括至少能被激发光源10激发出至少第一种颜色光的第一荧光粉片层，还可以包括能被激发出不同于第一种颜色光的第二、三荧光粉片层等；前述多个荧光粉片层拼接覆盖在基板12的一个侧面上。
驱动装置11可驱动荧光粉色轮周期性运动。例如，驱动装置可以是马达，但实际应用中不应受此限制。所述周期性运动包括圆周运动、线性运动、曲线运动等。
若前述一个或多个荧光粉片层完全覆盖基板12的一侧面，当激发光源为荧光粉色轮提供激发光，驱动装置驱动荧光粉色轮周期性运动时，荧光粉色轮的一侧受该激发光激发，从荧光粉色轮的另一侧依次出射对应于前述荧光粉片层的一种或多种不同于激发光颜色的受激发光。
若前述一个或多个荧光粉片层覆盖基板12的一侧面的一部分，当激发光源为荧光粉色轮提供激发光，驱动装置驱动荧光粉色轮周期性运动时，荧光粉色轮的一侧受该激发光激发，从荧光粉色轮的另一侧依次出射对应于不同荧光粉区域的不同颜色的受激发光和从无荧光粉区域透射的激发光。
图5为本发明应用所述荧光分片层的光源的第二实施方式；第二实施方式的光源为第一实施方式光源的一种改进。仅在荧光粉色轮上远离激发光源的一侧增加反射板14。所述反射板14粘结或贴附在荧光粉色轮上。激发光是从荧光粉层的背向反射板的一侧入射到荧光粉层。荧光粉发光一部分直接从激发侧出射，另一部分入射到该反射板上反射后再从激发侧出射；无荧光粉覆盖区域则直接将激发光反射。
除图4和图5的光源的第一、二实施方式所提到的荧光粉色轮结构外，荧光粉色轮还可设置成由所述荧光粉片层直接构成基板12的至少一部分。如图6所示，基板12包括荧光粉片层区131、132和无荧光粉区120。其中荧光粉片层区包括第一荧光粉片层131和第二荧光粉片层132。第一荧光粉片层131、第二荧光粉片132和无荧光粉区120相互拼接构成基板12，此时基板12即荧光粉色轮；当激发光照射在荧光粉色轮上时，依次出射与第一、二荧光粉片层131、132对应的第一、二受激发光和从无荧光粉区出射激发光。
与图6所示荧光粉色轮结构相类似，荧光粉色轮还可是完全由能激发出不同颜色受激发光的荧光粉片层拼接形成的；当激发光照射在荧光粉色轮上时，对应不同的荧光粉片层依次出射不同颜色的受激发光。
图4和图5仅为光源最简单的两个实施方式，实际应用中，应用本发明荧光粉片层的光源不应受前述两个实施方式的限制，例如，为了提高入射激发光的密度，可在激发光的入射路径上设置第一光收集装置，使入射在荧光粉色轮上的激发光更加集中；为了提高受激发光的亮度，可在受激发光的出射路径上设置第二光收集装置；可根据实际应用的需要，通过增加反射片改变激发光源的位置等等。
前述光源中在驱动装置的驱动下，荧光粉色轮做周期性运动；当激发光源的激发光功率密度大于等于15W/mm2时，需使用颗粒度D50大于等于20um的荧光粉。特别地，当激发光源的激发光功率密度大于等于20W/mm2时，需使用颗粒度D50大于等于30um的荧光粉。
至此为止，前述荧光粉色轮及使用该荧光粉色轮的光源均为激发光源的光功率密度大于15W/mm2，荧光粉色轮可周期性运动的情况。
实际应用中，颗粒度D50大于等于20um的荧光粉片层还可使用在常规光源上，如LED光源。现有的常规光源普遍亮度较低，其使用的激发光源的光功率密度一般低于1W/mm2，使用颗粒度D50大于等于20um的荧光粉涂层完全可以满足需求。而且，虽然荧光粉的效率随颗粒度的增大而增大，但图7所示为低功率密度下使用LED光源激发荧光粉时荧光粉的颗粒度与效率关系实验曲线图表明，当荧光粉的颗粒度大于10um时，其效率的变化并不显著，甚至由于吸收率的降低还会发生稍稍的下降。因此，传统的LED光源不会选择大颗粒荧光粉。
随着LED产业的不断进步，随着光功率密度不断增大，现有技术采用的颗粒度较小的荧光粉涂层不能满足需求；由于荧光粉保持静止而持续被激发光激发，因此其临界激发光功率密度要小得多；当激发光光功率密度大于3W/mm2时，需采用颗粒度D50大于等于20um的荧光粉片层。以下本发明光源的第三、四实施例均为此种情况。
图8所示为本发明光源300的第三实施方式结构示意图，例如应用于LED通用照明领域。荧光粉片层13直接放置于激发光源30表面，激发光源30固定于一导热衬底32上。
图9所示为本发明光源400的第四实施方式结构示意图。所述光源400包括激发光源30、荧光粉片层13和宽口杯41。宽口杯41封装激发光源30和荧光粉片层13，激发光源30位于宽口杯41的底部，荧光粉片层13位于宽口杯41的上部，可与高于宽口杯41放置在杯口外或放于宽口杯41内。本实施例中的激发光源为发射蓝光或UV光的LED光源。所述宽口杯41的内侧壁及底部其它未覆盖区域为反射面，对光线有反射作用，并利用该反射作用收集激发光源30发射出的激发光并使之入射于放置于宽口杯41上部的荧光粉片层13。荧光粉片层13受激发光，其中一部分光直接出射，另一部分光线出射于宽口杯41内。由于宽口杯41的反射内壁，使得这部分受激发光得以最终从出口出射。该实施例中，还可以在宽口杯41和荧光粉片层13之间使用一光隔离装置(未图示)，该装置透射激发光源发出的激发光，同时反射荧光粉片13层发出的受激发光，这样避免了出射于宽口杯41内的受激发光光线在宽口杯41内多次反射造成的损耗，可以进一步提高效率。
与现有技术相比，本发明的荧光粉片层、荧光粉色轮及使用该荧光粉片层的光源采用颗粒度D50大于等于20um的荧光粉，并将荧光粉颗粒和有机或无机粘接剂粘结在一起形成薄片，荧光粉的温度稳定性和激发功率的稳定性提高，颗粒度越大，则温度的影响越小，功率的影响也越小；因此，增大颗粒度，不仅可以提高光效，还可以增大临界光功率密度；且荧光粉颗粒均匀分布位置稳固，不会发生沉降，能够满足功率密度较高的高亮度光源正常工作。

Claims (16)

1.一种光源，其特征在于，所述光源包括：
激发光源，用于提供激发光；
荧光粉色轮，设置在所述激发光源的传播路径上；
所述荧光粉色轮包括：基板；荧光粉片层，所述荧光粉片层覆盖基板一侧面的至少一部分或构成所述基板的至少一部分，且能被激发光激发出至少一种颜色的受激发光；
所述荧光粉片层包括荧光粉颗粒与有机或无机粘接剂，所述有机或无机粘接剂用于将荧光粉颗粒固定在一起并形成薄片，荧光粉颗粒度D50大于等于20μm；
驱动装置，可驱动荧光粉色轮周期性运动；
当所述荧光粉色轮在驱动装置的驱动下周期运动的时候，所述激发光入射到荧光粉色轮表面的光斑内部的最大光功率密度大于等于15W/mm2。
2.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述有机粘结剂包括硅胶或者环氧树脂。
3.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述无机粘结剂，包括金属氧化物颗粒。
4.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述荧光粉片层进一步包括均匀混入所述薄片中防荧光粉颗粒沉淀的分散剂。
5.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述荧光粉片层进一步包括均匀混入所述薄片中的光散射材料。
6.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述激发光源是激光。
7.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述激发光入射到色轮表面的光斑内部的最大光功率密度大于等于20W/mm2时，所述荧光粉颗粒度D50大于等于30μm。
8.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：所述光源进一步包括反射层，所述反射层设置在荧光粉片层的背向所述激发光的一侧。
9.一种光源，其特征在于，所述光源包括：
激发光源，用于提供激发光；
荧光粉片层，设置在所述激发光源的传播路径上；
所述荧光粉片层包括荧光粉颗粒与有机或无机粘接剂，所述有机或无机粘接剂用于将荧光粉颗粒固定在一起并形成薄片，荧光粉颗粒度D50大于等于20μm；
所述荧光粉片层与激发光源的位置相对固定，激发光源持续对荧光粉片层的同一区域提供激发光，所述激发光入射到荧光粉片层的光斑内部的最大光功率密度大于等于3W/mm2。
10.根据权利要求9所述的光源，其特征在于：所述有机粘结剂包括硅胶或者环氧树脂。
11.根据权利要求9所述的光源，其特征在于：所述无机粘结剂，包括金属氧化物颗粒。
12.根据权利要求9所述的光源，其特征在于：所述荧光粉片层进一步包括均匀混入所述薄片中防荧光粉颗粒沉淀的分散剂。
13.根据权利要求9所述的光源，其特征在于：所述荧光粉片层进一步包括均匀混入所述薄片中的光散射材料。
14.根据权利要求9所述的光源，其特征在于：所述光源进一步包括封装激发光源和荧光粉片层的宽口杯，所述宽口杯的内侧壁为反射面，激发光源位于宽口杯的底部，荧光粉片层位于宽口杯的上部。
15.根据权利要求14所述的光源，其特征在于：所述光源进一步包括分光滤光片，分光滤光片位于宽口杯和荧光粉片层之间，透射激发光源发出的激发光，同时反射荧光粉片层发出的受激发光。
16.根据权利要求9所述的光源，其特征在于：所述激发光源是LED。
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