CN202549931U

CN202549931U - 波长转换装置和发光装置

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Publication number: CN202549931U
Application number: CN2012201768804U
Authority: CN
Inventors: 李屹
Original assignee: Appotronics Corp Ltd
Current assignee: Shenzhen Appotronics Corp Ltd; Shenzhen Appotronics Technology Co Ltd
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2022-04-24

Abstract

本实用新型提出一种波长转换装置和发光装置，该波长转换装置包括波长转换材料层，该波长转换材料层包括相对的第一表面和第二表面。该波长转换材料层用于吸收入射于第一表面的激发光并发射与激发光具有不同波长的受激光。波长转换装置还包括热电制冷装置，该热电制冷装置包括制冷面和制热面，波长转换材料层的第二表面设置于热电制冷装置的制冷面上。在本实用新型提出的波长转换装置中，利用热电制冷装置的制冷可以将波长转换材料层的表面温度降低到环境温度以下，进而有效降低了波长转换材料层内部的波长转换材料的温度。

Description

波长转换装置和发光装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别是涉及一种波长转换装置和发光装置。

背景技术

在LED(Light Emitting Diode，发光二极管)照明和投影显示行业中，波长转换材料被广泛应用。一般的用法是，将波长转换材料颗粒与硅胶或环氧树脂均匀混合在一起形成荧光浆料，再将该浆料涂敷于LED表面，固化后形成波长转换材料涂层。LED发出的光入射到其表面的波长转换材料涂层后被其中的波长转换材料吸收，并激发波长转换材料发射与激发光波长不同的受激光。在这种结构中，硅胶或环氧树脂起了粘结和固定各波长转换材料颗粒的作用。

这种方法的问题在于，每个波长转换材料颗粒在受激发光的过程中，由于其波长转换效率不可能是100％，其中所损失的能量都转化为热量，这就造成了波长转换材料颗粒的热量的累积和温度的快速上升，直接影响了波长转换材料的发光效率和使用寿命。

专利200810065225.X公开了一种降低波长转换材料工作温度的方法。在这种方法中，波长转换材料片层与一个金属导热基板连接，波长转换材料片层发出的热量可以传导到该金属导热基板上并最终散失掉。这种方法的问题在于，使用金属导热基板散热时，金属导热基板的温度受限于环境温度，因此波长转换材料上的温度不可能下降得很低。

如图5所示，波长转换材料片层501与金属导热基板502紧密连接于平面502a。现考察荧光粉片层501中的一个薄层509的温度。薄层509发出的热量，先在波长转换材料片层501内部传播，其传播距离为波长转换材料层到平面502a的距离L。热量传导到平面502a后，经过金属导热基板502传播到空气中。最理想的情况是，金属导热基板502被其它散热装置(图中没有画出)充分散热，其温度就等于环境温度T₀。因此根据热传导定律，薄层509的温度T₁可以表示为：

T₁＝T₀+ΔT

(1)

＝T₀+r(L，α)·P

其中ΔT为薄层509的温度与平面502a的温度的温差，它可以表示为r(L，α)与P的乘积，其中r(L，α)是薄层509到平面502a之间的热阻，它是距离L与荧光粉片层材料的平均导热系数α的函数；P是薄层509发出的热功率。

可见，r(L，α)和P越大，温差ΔT就越大，薄层509的温度就越高。而波长转换材料片层一般由波长转换材料和有机粘结剂组成，其中有机粘结剂的导热系数很低，例如最常用的透明硅胶的导热系数小于1W/m·K。这就使得薄层509到平面502a之间的热阻往往很大；尤其是当薄层位于波长转换材料片层501的远离金属导热基板的表层时，由于L取最大值，热量传导的距离最远，因此热阻最大。

经过实际测量，一个0.2mm的波长转换材料片层的上表面到金属导热基板的热阻大约为5-6℃/W。对于一般的LED应用来说，发热功率低于5W，此时薄层509的温度与平面502a的温差为25-30℃。考虑环境温度为25℃，薄层509的温度为50-55℃，对于大多数波长转换材料来说属于正常工作范围。

然而，随着技术的发展和高亮度光源的需求的增加，目前普通LED的亮度已经难以满足一些特殊应用场合的需求，例如投影光源。此时就需要提高波长转换材料的激发功率来提高光源亮度。而提高激发功率的同时波长转换材料的发热量必然提高。当薄层509的发出的热功率为30W时，薄层509的温度与平面502a的温差将达到150-180℃。依然考虑环境温度为25℃，则薄层509的温度为175-205℃。在这样的温度下工作，波长转换材料的可靠性难以保证。

实用新型内容

本实用新型解决的主要技术问题是提供一种波长转换装置及发光装置，解决波长转换材料的工作温度过高的问题。

本实用新型提出的一种波长转换装置，包括：

波长转换材料层，该波长转换材料层包括相对的第一表面和第二表面；

该波长转换材料层用于吸收入射于第一表面的激发光并发射与激发光具有不同波长的受激光；

热电制冷装置，该热电制冷装置包括制冷面和制热面；

波长转换材料层的第二表面设置于热电制冷装置的制冷面上。

本实用新型还提出一种发光装置，包括：

上述的波长转换装置；

激发光源，用于发射激发光并将其投射到波长转换装置的波长转换材料层的第一表面上。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

在本实用新型中的波长转换装置中，利用热电制冷装置的制冷可以将波长转换材料层的表面温度降低到环境温度以下，进而有效降低了波长转换材料层内部的波长转换材料的温度。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施例的结构示意图；

图3是本实用新型第三实施例的结构示意图；

图4是本实用新型第四实施例的结构示意图；

图5是现有技术中采用金属导热基板的波长转换装置的结构示意图。

具体实施方式

图1是本实用新型的波长转换装置的工作原理示意图。波长转换装置100包括波长转换材料层101，该波长转换材料层101包括相对的第一表面101a和第二表面101b。波长转换材料层101用于吸收入射于第一表面101a的激发光103并发射与激发光具有不同波长的受激光104。波长转换装置100还包括热电制冷装置102，该热电制冷装置102包括制冷面102a和制热面102b。波长转换材料层101的第二表面102b设置于热电制冷装置102的制冷面102a上。

波长转换材料层中包括波长转换材料。最常用的波长转换材料是荧光粉，例如YAG荧光粉，它可以吸收蓝光并受激发射黄色的受激光。波长转换材料还可能是量子点、荧光染料等具有波长转换能力的材料，并不限于荧光粉。

在很多情况下，波长转换材料往往是粉末状或颗粒状的，难以直接形成波长转换材料层。此时就需要使用一种粘接剂把各个波长转换材料颗粒固定在一起，并形成特定的形状，如片层状。最常用的方法是将波长转换材料分散于一种粘结剂中，利用粘结剂作为载体来承载波长转换材料并形成特定的形状。

最常用的粘结剂是有机透明粘接剂，例如硅胶和环氧树脂。做法是将波长转换材料与有机透明粘接剂充分混合，使波长转换材料均匀分散于有机透明粘接剂之中形成荧光浆料，然后将该荧光浆料均匀涂覆于一个衬底表面形成荧光浆料涂层，然后在一定温度下使有机透明粘结剂固化形成波长转换材料层。

实际上，粘结剂并不限于有机透明粘结剂，也可以是无机粘结剂，例如水玻璃、二氧化硅颗粒、二氧化钛颗粒等。无机粘结剂与波长转换材料充分混合后，可以利用颗粒间的范德华力和分子间的作用力把相邻的波长转换材料颗粒粘接在一起，起到固定和成型的作用。

热电制冷装置是利用固体的热电效应，通过加在正负两个电极之间的电势差在制冷面和制热面之间产生一定的温度差的制冷装置，其中制冷面的温度低于制热面的温度。制冷面与制热面之间的温度差取决于热电制冷装置的额定制冷功率以及加在其正负两个电极之间的电势差和电流的大小。最常用的热电制冷装置是半导体制冷片，其制冷面与制热面之间的温度差从几摄氏度到上百摄氏度不等。

在本实施例中，波长转换材料层101的第二表面101b与热电制冷装置102的制冷面102a紧密接触。波长转换材料层101中的波长转换材料受激发光的同时所产生的热量，会首先在波长转换材料层101中传导到第二表面101b，然后通过第二表面101b与制冷面102a的紧密接触传导到制冷面102a。如背景技术中所描述的，由于热阻的存在，波长转换材料层101中任意位置都与第二表面101b以及制冷面102a存在温差。波长转换材料层101中任意位置p的温度T_p可以表示为：

T_p＝T_101b+ΔT₁

(2)

＝(T_102a+ΔT₂)+ΔT₁

其中T_101b表示第二表面101b的表面温度，ΔT₁表示任意位置p与第二表面101b之间的温度差；T_102a表示制冷面102a的表面温度，ΔT₂表示第二表面101b与制冷面102a之间的温度差。由定义容易看出，T_101b＝T_102a+ΔT₂。

其中，ΔT₁与所传导的热功率的值成正比，与任意位置p与第二表面101b之间的热阻成正比；ΔT₂则与所传导的热功率的值成正比，与第二表面101b与制冷面102a之间的热阻成正比。任意位置p与第二表面101b之间的热阻与波长转换材料层的材料有关，而第二表面101b与制冷面102a之间的热阻与两个表面之间的接触情况有关。因此，在所传导的热功率、波长转换材料层的材料和第二表面101b与制冷面102a之间接触情况都不变的情况下，ΔT₁和ΔT₂都是确定的值，此时T_102a的值直接影响T_p的大小。

通过挑选合适的热电制冷装置和控制热电制冷装置正负极两端的电压和电流，可以控制该热电制冷装置102的制冷面102a和制热面102b之间的温度差Δt，即Δt＝T_102b-T_102a，其中T_102b是制热面102b的温度。此时任意一点p的温度T_p可以进一步的表示为：

T_p＝T_102b-Δt+ΔT₁+ΔT₂ (3)

在本实施例中，假设第二表面101b与制冷面102a之间充分接触，这样ΔT₂的值可以忽略不计。而根据热电制冷装置的性质，其制冷面与制热面之间的温度差Δt在额定范围内可以通过调整热电制冷装置的正负两极之间的电势差和电流来调节。在本实施例中，作为一个举例，将Δt调整为80摄氏度。

在公式(3)中，与背景技术中公式(1)相似的，ΔT₁＝r·P，其中r是任意一点p到第二表面101b的热阻，P为热功率值。对于p位于波长转换材料层101的第一表面101a的情况，r＝5-6℃/W，P＝30W，此时ΔT₁为150-180℃。

根据一般的工程散热的知识可以知道，制热面102b的温度T_102b是可以控制的，例如使用额外的散热装置对其进行散热，在散热最优的情况下，则其温度最低为室温，设为25℃。

至此，通过公式(3)可以简单计算出，在本实施例中波长转换材料层101的第一表面101a温度T_101a的温度大约是95-125℃。与背景技术中的方案对比可以看出，本实用新型采用制冷的方式取代了原有的简单散热的方式，使波长转换材料层的表面温度可以降低到环境温度以下，甚至远远低于环境温度，使得波长转换材料层内部的温度得以降低。

在本实施例中，波长转换材料层101的第二表面101b与热电制冷装置102的制冷面102a紧密接触，使得ΔT₂的大小可以忽略不计。在实际操作中，一种最容易实现的方法是，将波长转换材料与粘结剂混合形成的荧光浆料，直接涂覆于制冷面102a表面，粘结剂固化后形成的波长转换材料层直接粘附于制冷面102a上，在形成紧密接触的同时两者相互固定连接。

在实际操作中，波长转换材料层101的第二表面101b与热电制冷装置102的制冷面102a之间还可能存在导热介质层，热量通过该导热介质层从波长转换材料层101的第二表面101b传导到制冷面102a上。例如，可以使用导热胶水将波长转换材料层101粘贴于热电制冷装置102的制冷面102a上，此时导热胶水填充于波长转换材料层101与热电制冷装置102的制冷面102a之间，实现了导热介质层的功能。由于导热胶水层的厚度很小，一般小于50微米，这使得其热阻很小，进而由导热胶水所产生的ΔT₂也很小。

导热介质层还可以是一种高导热材料片，例如金属材料片或导热陶瓷材料片。该高导热材料片的两个表面分别与波长转换材料层101的第二表面101b和热电制冷装置102的制冷面102a紧密接触以传导热量。

值得说明的是，由于热电制冷装置102本身不透明，因此激发光103只能从波长转换材料101的远离热电制冷装置102的第一表面101a入射，同样的，受激光104也只能从波长转换材料101的第一表面101a出射。考虑到波长转换材料层受激发光是各向同性的，其产生的受激光可以分为两个部分，第一部分受激光会直接从第一表面101a发射到外部空间，第二部分受激光则会向热电制冷装置102的方向发射。因此在优选的实施例中，热电制冷装置102的制冷面102a上附着有反射层。第二部分受激光入射到该反射层后被反射并从第一表面101a发射到外部空间，与第一部分受激光一起共同形成受激光104.

可以有多种办法在制冷面102a上形成反射层。可以直接使用溅射的方法在制冷面102a上形成金属反射膜或介质反射膜，也可以将反射镜直接粘附于制冷面102a表面，也可以将镀有反射薄膜的金属片粘附于制冷面102a表面，该金属片可以同时起到反射层和导热介质层的作用。

为了进一步的增强散热效果，波长转换材料层101还包括分散于粘结剂中的导热材料，该导热材料用于传导波长转换材料发出的热量，进而可以有效降低波长转换材料层内部与第二表面101b之间的温度差ΔT₁。从公式(3)可以看出，这对降低波长转换材料层内部的温度是有帮助的。优选的，这种导热材料是透明或白色的无机材料颗粒，例如钻石颗粒、蓝宝石颗粒、氮化铝颗粒、氧化铝颗粒、二氧化硅颗粒、玻璃颗粒和二氧化锆颗粒中的一种或几种的混合。

在本实用新型的上述说明中，假设热电制冷装置102的制热面102b可以得到充分散热，并与环境温度相同。在实际操作中，为了达到这一点，需要对制热面102b进行散热处理，最常见的散热处理方法是使用散热装置。

本实用新型的第二实施例如图2所示。该实施例与第一实施例的不同之处在于，该实施例还包括散热装置205。散热装置205包括一个散热面205a，热电制冷装置202的制热面202b被设置于该散热面205a上，并与散热面205a紧密接触。该散热装置205用于传导热电制冷装置202的制热面202b上的热量。在本实施例中，散热装置205是一个散热器，它由高导热的金属材料加工而成。由于散热器材料的导热系数很高，由散热面205a传导的热量可以在散热器内部快速传导扩散至散热器的其它表面，并通过这些表面与空气的接触把热量传播到外界。在优选的实施例中，可以使用风扇来增加空气流动，以增强散热器表面与空气的热交换，提高散热效果。这属于公知技术，此处不再赘述。

在实际应用中，除了散热器外，还存在多种形式的散热装置。例如热管散热技术，就是利用热管中的液体的挥发将热管第一端的热量快速传导到热管第二端以实现对热管第一端的散热。如果使用热管散热技术来实现本实用新型的散热装置，则热管第一端所连接的平面为散热面。散热装置还可以是另一个热电制冷装置，其制冷面就是该散热装置的散热面。

进一步的，对制热面202b进行散热处理的方法并不限于使用散热装置，例如还可以使用水冷或风冷，即控制低温的液体或气体使其流过制热面202b并对该表面进行降温。这同样属于公知技术，此处不再赘述。

在本实用新型的第三个实施例中，与第一实施例不同的是，还包括驱动装置，用于驱动热电制冷装置，使波长转换材料层与激发光发生相对运动，如图3所示。其中，波长转换材料层301与热电制冷装置302相互固定连接。驱动装置(图中未画出)是一个线性运动马达，可以带动热电制冷装置302和与其固定连接的波长转换材料层301沿图中的水平方向往复运动，激发光303的位置保持静止。本实施例的优点在于，每一个局部的波长转换材料颗粒只有运动到激发光303的照射位置才会被激发并发出热量，在其它位置则会由于热电制冷装置302的作用而迅速的冷却，所以相对于第一实施例，本实施例中的波长转换材料层的温度更低。

作为本实用新型的第四个实施例，本实用新型还提供一种发光装置，如图4所示。与第一实施例不同的是，本实施例中的发光装置400还包括激发光源407，用于发射激发光403并将其投射到波长转换装置100的波长转换材料层的第一表面101a上。波长转换材料层吸收激发光403并受激发射受激光404a。

由于激发光403和受激光404a位于波长转换材料层的同侧，因此受激光404a的发射方向面向激发光源407。如果受激光404a入射于激发光源407的表面，激发光源407势必会对受激光404a造成吸收和散射损失，这对于发光装置的发光亮度存在不利影响。因此在本实施例中，作为优选的方法，还包括设置于激发光源407与波长转换装置100之间的光路上的导光装置408，该导光装置408同时引导波长转换装置发出的受激光404a与激发光403的光路分离。

具体来说，在本实施例中，导光装置408是一个分光滤光片，其特性在于可以透射激发光403同时反射受激光404a。激发光403从激发光源407发出后以透射的方式被引导入射于波长转换材料层的第一表面101a，受激光404a则在入射到导光装置408后被反射形成出射光404b而与激发光403的光路相分离，进而避免了受激光入射于激发光源所造成的损失。

在实际应用中，导光装置408还可以用其它的形式实现，例如使用反射激发光同时透射受激光的分光滤光片，此时激发光以反射的方式被引导入射于波长转换材料层，受激光则会透射导光装置而与激发光的光路分离。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种波长转换装置，其特征在于，包括：

热电制冷装置，该热电制冷装置包括制冷面和制热面；

2.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：波长转换材料层的第二表面与热电制冷装置的制冷面紧密接触。

3.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：还包括位于波长转换材料层的第二表面与热电制冷装置的制冷面之间的导热介质层。

4.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：波长转换材料层与热电制冷装置相互固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：热电制冷装置是半导体制冷片。

6.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：波长转换材料层包括粘结剂和与粘结剂相混合的波长转换材料。

7.根据权利要求6所述的一种波长转换装置，其特征在于：波长转换材料层还包括分散于粘结剂中的导热材料，该导热材料用于传导波长转换材料发出的热量。

8.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：热电制冷装置的制冷面上附着有反射层。

9.根据权利要求1所述的一种波长转换装置，其特征在于：

还包括用于传导热电制冷装置制热面上的热量的散热装置，该散热装置包括一个散热面，热电制冷装置的制热面设置于该散热面上。

10.根据权利要求4所述的一种波长转换装置，其特征在于：

还包括驱动装置，用于驱动热电制冷装置，使波长转换材料层与激发光发生相对运动。

11.一种发光装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至10所述的任意一种波长转换装置；

12.根据权利要求11所述的一种发光装置，其特征在于：

还包括设置于激发光源与波长转换装置之间的光路上的导光装置，用于引导激发光投射到波长转换装置的波长转换材料层的第一表面上，同时引导波长转换装置的波长转换材料层发出的受激光与激发光的光路分离。