TWI614917B - 波長轉換裝置 - Google Patents

Abstract

一種波長轉換裝置包含基板、反射元件以及波長轉換元件。反射元件設置於基板上，並包含連續相材料以及複數個奈米顆粒。奈米顆粒分佈於連續相材料內。連續相材料的折射率與奈米顆粒的折射率相異。波長轉換元件設置於反射元件上。反射元件配置以將波長轉換元件傳遞而來之光線反射離開波長轉換元件。

Description

波長轉換裝置

本發明是有關於一種波長轉換裝置，特別是有關於一種色輪裝置。

一般傳統反射式螢光粉色輪，是在一基板上鍍覆一高反射層，再於此高反射層上塗佈螢光粉，藉以利用此反射層將受雷射激發螢光粉的出光反射至前方出光。上述高反射層一般多採用金屬反射層、多層介電層(Dielectric Multi-layer)反射膜、或金屬/介電複合層(Metal/Dielectric Multi-layer)反射膜等光學反射層結構設計。

然而，反射式螢光粉色輪的性能受基板反射率的影響甚大。因此，在設計上述高反射層時，往往需考慮入射光的角度與波長。採用多層介電層的反射結構設計，需挑戰全角度入射及全可見光波段的反射頻譜設計，導致膜層數大幅增加，鍍膜製程繁瑣耗時，膜層信賴性下降且成本大幅提高。由此可知，多層介電層反射膜往往受入射光條件的影響甚大。雖然金屬反射層較無入射角度考量，但其容易氧化、腐蝕，因此穩定度並不佳。

再者，螢光粉係以膠材混塗於高反射層表面上，使得螢光粉出光光子從折射率約為1.4至1.5的膠體環境入射至高反射層，不同於一般空氣(n=1)的環境設計。受布魯斯特角效應(Brewster Angle Effect)影響，大角度的入射光將有部分偏極化光穿透高反射層至底部基板吸收，使得螢光粉色輪的出光量下降。

有鑑於此，本發明之一目的在於提出一種可適用於全入射角度以及全波長頻譜的反射要求的波長轉換裝置。

為了達到上述目的，依據本發明之一實施方式，一種波長轉換裝置包含基板、反射元件以及波長轉換元件。反射元件設置於基板上，並包含連續相材料以及複數個奈米顆粒。奈米顆粒分佈於連續相材料內。連續相材料的折射率與奈米顆粒的折射率相異。波長轉換元件設置於反射元件上。反射元件配置以將波長轉換元件傳遞而來之光線反射離開波長轉換元件。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之連續相材料為一有機介質材料或一無機介質材料。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之有機介質材料為丙烯酸樹脂、矽膠或玻璃類橡膠。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之有機介質材料的折射率為1.3至1.55。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之無機介質材料為透明的氧化物基玻璃。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之無機介質材料包含矽、磷、硼、鉍、鋁、鋯、鋅、鹼金族元素以及鹼土族元素中之至少其一的組合的氧化物。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之無機介質材料的折射率為1.4至1.6。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之波長轉換元件包含無機介質材料。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之反射元件的厚度為10微米至3毫米。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之反射元件的厚度進一步為30微米至500微米。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒的材料包含二氧化矽、氣泡、鉭氧化物、鈦氧化物、氟化鎂以及硫酸鋇中之至少其一。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒的粒徑為50奈米至500奈米。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒的粒徑為100奈米至400奈米。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒在反射元件中的濃度為30 wt%至95 wt%。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒在反射元件中的濃度進一步為50 wt%至90 wt%。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之連續相材料的折射率與奈米顆粒的折射率之間的差值大於等於0.5。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之奈米顆粒包含複數個第一子奈米顆粒以及複數個第二子奈米顆粒。第一子奈米顆粒的折射率大於連續相材料的折射率，並且第二子奈米顆粒的折射率小於連續相材料的折射率。

於本發明的一或多個實施方式中，上述之波長轉換元件為螢光粉層。

綜上所述，本發明的波長轉換裝置的反射元件是將奈米顆粒分佈於連續相材料內，並藉由使連續相材料的折射率與奈米顆粒的折射率相異，使得光線可在兩者之間的介面進行反射。並且，藉由調整奈米顆粒的粒徑與濃度，可類比於習知之多層介電層的反射機制，因此可輕易符合全入射角度與全波長頻譜的反射要求。不僅如此，本發明的波長轉換裝置僅需調配適當配方之反射元件於基板上，即可有效提高波長轉換裝置整體的輸出亮度，因此還具備製程簡單，價格便宜等優點。

以上所述僅係用以闡述本發明所欲解決的問題、解決問題的技術手段、及其產生的功效等等，本發明之具體細節將在下文的實施方式及相關圖式中詳細介紹。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

請參照第1圖，其為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置1的示意圖。

如第1圖所示，於本實施方式中，波長轉換裝置1包含基板10、反射元件12以及波長轉換元件14。反射元件12設置於基板10上，並包含連續相材料120以及複數個奈米顆粒122。奈米顆粒122分佈於連續相材料120內。連續相材料120的折射率與奈米顆粒122的折射率相異。波長轉換元件14設置於反射元件12上。也就是說，基板10、反射元件12與波長轉換元件14三者形成一個三明治堆疊結構。於一些實施方式中，波長轉換元件14為螢光粉層，但本發明的並不以此為限。螢光粉層可受光線(例如，雷射)激發而發光，以作為波長轉換裝置1的發光層。反射元件12配置以將波長轉換元件14傳遞而來之光線反射離開波長轉換元件14。

根據以上結構配置可知，波長轉換裝置1的反射元件12具有奈米顆粒122分佈於連續相材料120內的結構，並連續相材料120的折射率與奈米顆粒122的折射率相異，使得光線可在兩者之間的介面進行反射。並且，若連續相材料120的折射率與奈米顆粒122的折射率的差值越大，則光線在兩者之間的介面的反射率越大，且反射角度也越大。

於一些實施方式中，連續相材料120的折射率與奈米顆粒122的折射率之間的差值大於等於0.5，但本發明並不以此為限。

一般來說，習知的多層介電層反射膜在設計時，若欲反射某波長的光線時，是將膜層厚度設定為欲反射之光線的四分之一波長(quarter wavelength)。根據此概念，若欲使習知的多層介電層反射膜可適用於全入射角度以及全波長頻譜的反射要求，則其膜層的數量實際上往往逼近百層。

相比之下，本發明多個實施方式中的波長轉換裝置1所採用的奈米非連續式反射元件12，是將高折射率的奈米顆粒122分佈於低折射率的連續相材料120內(反之亦然)，並藉由調整奈米顆粒122的粒徑與濃度，以達到類比於習知的多層介電層反射膜的反射機制，並比習知的多層介電層反射膜更輕易地符合全入射角度以及全波長頻譜的反射要求。不僅如此，本發明多個實施方式中的波長轉換裝置1僅需調配適當配方之反射元件12於基板10上，即可有效提高波長轉換裝置1整體的輸出亮度，因此還具備製程簡單，價格便宜等優點。

更具體來說，奈米顆粒122的濃度係用來調整任兩奈米顆粒122間之連續相材料120的距離，再搭配奈米顆粒122的粒徑，可輕易在很薄的厚度之下達到各種厚度組合，進而有效地達到各種波長頻譜的反射。

於一些實施方式中，奈米顆粒122的粒徑為50奈米至500奈米。更具體來說，奈米顆粒122的粒徑為100奈米至400奈米。當奈米顆粒122的粒徑小於400奈米時，可讓可見光無視且可穿透於奈米顆粒122。當奈米顆粒122的粒徑大於100奈米時，可避免奈米顆粒122的表面電漿子與可見光共振吸收。

於一些實施方式中，奈米顆粒122在反射元件12中的濃度為30 wt%至95 wt%。更具體來說，奈米顆粒122在反射元件12中的濃度進一步為50 wt%至90 wt%。

於一些實施方式中，連續相材料120為有機介質材料。舉例來說，有機介質材料為丙烯酸樹脂、矽膠或玻璃類橡膠。於一些實施方式中，有機介質材料的折射率為1.3至1.55。為了增加連續相材料120的折射率與奈米顆粒122的折射率之間的差值，可以在連續相材料120中添加具有高折射率材料(例如TiOx、TaOx等)之奈米顆粒122，或導入具有低折射率材料(例如空氣、氟化鎂、二氧化矽等)之奈米顆粒122。

於一些實施方式中，採用前述有機介質材料所製成之連續相材料120，可藉由膠液塗佈(slurry-coating)製程、滴落(dropping)製程、印刷(printing)製程等方式沉積而成。

於一些實施方式中，奈米顆粒122的材料包含二氧化矽、氣泡、鉭氧化物、鈦氧化物、氟化鎂以及硫酸鋇中之至少其一，但本發明並不以此為限。

於一些實施方式中，反射元件12的厚度為10微米至3毫米。更具體來說，反射元件12的厚度進一步為30微米至500微米，但本發明並不以此為限。

請參照第2圖，其為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置1與鋁板的標準化輸出功率-雷射功率曲線圖。

如第2圖所示，於本實施方式中，與波長轉換裝置1相比較的是鋁含量為95%的鋁板，並且兩者是在相同功率的雷射光源之下進行反射光的亮度實驗。波長轉換裝置1的反射元件12中所採用的連續相材料120為矽膠(折射率約為1.5)。反射元件12中所採用的奈米顆粒122的材料為中空玻璃珠(折射率約為1.0)，奈米顆粒122的厚度約為200奈米，且奈米顆粒122的濃度約為10 wt%至30 wt%。由第2圖可以清楚得知，實驗結果顯示本實施方式中的波長轉換裝置1的反射光的亮度(即標準化輸出功率)比鋁板的反射光的亮度高約5%左右。

請參照第3圖，其為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置1與鋁板的亮度-雷射功率曲線圖。

如第3圖所示，於本實施方式中，與波長轉換裝置1相比較的同樣是鋁含量為95%的鋁板，並且兩者是在相同功率的雷射光源之下進行反射光的亮度實驗。波長轉換裝置1的反射元件12中所採用的連續相材料120為矽膠(折射率約為1.5)。反射元件12中所採用的奈米顆粒122的材料為二氧化鈦(折射率約為2.4)，奈米顆粒122的厚度約為300奈米，且奈米顆粒122的濃度約為30 wt%至50 wt%。由第3圖可以清楚得知，實驗結果顯示本實施方式中的波長轉換裝置1的反射光的亮度比鋁板的反射光的亮度高約10%左右。

此外，本實施方式與第2圖所示的實施方式相比，由於本實施方式的連續相材料120與奈米顆粒122的折射率的差值較大(約為0.9)，所以反射率的增益度以及亮度的增益度皆超過第2圖所示的實施方式，因此更驗證了本發明所宣稱的操作原理(亦即，有關於連續相材料120的折射率與奈米顆粒122的折射率的差值越大，則光線在兩者之間的介面的反射率越大的操作原理)。

由第2圖與第3圖所示的實驗曲線圖以及以上相關實驗數據說明可知，相較於習知的鋁板，本發明多個實施方式中的波長轉換裝置1確實可有效提高整體的輸出亮度。

於一些實施方式中，反射元件12之連續相材料120也可為無機介質材料。舉例來說，無機介質材料可陶瓷氧化物，例如為透明的氧化物基玻璃。更具體來說，無機介質材料包含矽、磷、硼、鉍、鋁、鋯、鋅、鹼金族元素以及鹼土族元素中之至少其一的組合的氧化物，但本發明並不以此為限。於一些實施方式中，無機介質材料的折射率為1.4至1.6。藉由以上述無機介質材料所製成的連續相材料120黏結奈米顆粒122，即可使本發明的波長轉換裝置1適用於較高功率的產品上。

於一些實施方式中，波長轉換元件14也包含前述之無機介質材料。具體來說，如第1圖所示，波長轉換元件14包含黏結劑(binder)140以及螢光粉顆粒142，而黏結劑140可由前述之無機介質材料所製成。藉此，可使本發明的波長轉換裝置1更適用於較高功率的產品上。

於一些實施方式中，採用前述無機介質材料所製成之連續相材料120及/或黏結劑140可藉由塗佈製程而先沉積，再透過一高溫製程以進行燒結或熱熔而成。

於一些實施方式中，基板10可由玻璃、金屬(例如鋁)、陶瓷或半導體材料所製成，但本發明並不以此為限。

於一些實施方式中，波長轉換裝置1為反射式色輪，但本發明並不以此為限。

第4圖為繪示本發明另一實施方式之波長轉換裝置2的示意圖。

如第4圖所示，於本實施方式中，波長轉換裝置2包含基板10、反射元件22以及波長轉換元件14，其中基板10與波長轉換元件14與第1圖所示之實施方式相同，因此在此不再贅述。在此要說明的是，相較於第1圖所示之實施方式，本實施方式中的奈米顆粒222進一步包含複數個第一子奈米顆粒222a以及複數個第二子奈米顆粒222b。第一子奈米顆粒222a的折射率大於連續相材料120的折射率，並且第二子奈米顆粒222b的折射率小於連續相材料120的折射率。也就是說，於本實施方式中，第一子奈米顆粒222a與第二子奈米顆粒222b均勻地分佈於同一連續相材料120中(亦即，共用了同一連續相材料120)。反觀，對於習知的多層介電層反射膜來說，其膜層僅能堆疊，若欲達到與本實施方式類似的反射效果，其堆疊後的膜層厚度必然比本實施方式的反射元件22還大。因此，本實施方式的反射元件22相較於習知的多層介電層反射膜可以減少厚度。

由以上對於本發明之具體實施方式之詳述，可以明顯地看出，本發明的波長轉換裝置的反射元件是將奈米顆粒分佈於連續相材料內，並藉由使連續相材料的折射率與奈米顆粒的折射率相異，使得光線可在兩者之間的介面進行反射。並且，藉由調整奈米顆粒的粒徑與濃度，可類比於習知之多層介電層的反射機制，因此可輕易符合全入射角度與全波長頻譜的反射要求。不僅如此，本發明的波長轉換裝置僅需調配適當配方之反射元件於基板上，即可有效提高波長轉換裝置整體的輸出亮度，因此還具備製程簡單，價格便宜等優點。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並不用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1、2‧‧‧波長轉換裝置
10‧‧‧基板
12、22‧‧‧反射元件
120‧‧‧連續相材料
122、222‧‧‧奈米顆粒
14‧‧‧波長轉換元件
140‧‧‧黏結劑
142‧‧‧螢光粉顆粒
222a‧‧‧第一子奈米顆粒
222b‧‧‧第二子奈米顆粒

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置的示意圖。 第2圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置與鋁板的標準化輸出功率-雷射功率曲線圖。 第3圖為繪示本發明一實施方式之波長轉換裝置與鋁板的亮度-雷射功率曲線圖。 第4圖為繪示本發明另一實施方式之波長轉換裝置的示意圖。

1‧‧‧波長轉換裝置

10‧‧‧基板

12‧‧‧反射元件

120‧‧‧連續相材料

122‧‧‧奈米顆粒

14‧‧‧波長轉換元件

140‧‧‧黏結劑

142‧‧‧螢光粉顆粒

Claims (18)

1. 一種波長轉換裝置，包含： 一基板； 一反射元件，設置於該基板上，該反射元件包含： 一連續相材料；以及 複數個奈米顆粒，分佈於該連續相材料內，其中該連續相材料的折射率與該些奈米顆粒的折射率相異；以及 一波長轉換元件，設置於該反射元件上， 其中該反射元件配置以將該波長轉換元件傳遞而來之光線反射離開該波長轉換元件。
2. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該連續相材料為一有機介質材料或一無機介質材料。
3. 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該有機介質材料為丙烯酸樹脂、矽膠或玻璃類橡膠。
4. 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該有機介質材料的折射率為1.3至1.55。
5. 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該無機介質材料為透明的氧化物基玻璃。
6. 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該無機介質材料包含矽、磷、硼、鉍、鋁、鋯、鋅、鹼金族元素以及鹼土族元素中之至少其一的組合的氧化物。
7. 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該無機介質材料的折射率為1.4至1.6。
8. 如請求項第2項所述之波長轉換裝置，其中該波長轉換元件包含該無機介質材料。
9. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該反射元件的厚度為10微米至3毫米。
10. 如請求項第9項所述之波長轉換裝置，其中該反射元件的厚度進一步為30微米至500微米。
11. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒的材料包含二氧化矽、氣泡、鉭氧化物、鈦氧化物、氟化鎂以及硫酸鋇中之至少其一。
12. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒的粒徑為50奈米至500奈米。
13. 如請求項第12項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒的粒徑為100奈米至400奈米。
14. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒在該反射元件中的濃度為30 wt%至95 wt%。
15. 如請求項第14項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒在該反射元件中的濃度進一步為50 wt%至90 wt%。
16. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該連續相材料的折射率與該些奈米顆粒的折射率之間的一差值大於等於0.5。
17. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該些奈米顆粒包含複數個第一子奈米顆粒以及複數個第二子奈米顆粒，該些第一子奈米顆粒的折射率大於該連續相材料的折射率，並且該些第二子奈米顆粒的折射率小於該連續相材料的折射率。
18. 如請求項第1項所述之波長轉換裝置，其中該波長轉換元件為一螢光粉層。