具有增强的无机粘结剂的光转换装置的制作方法

背景技术：
：本公开涉及无机粘结剂，该无机粘结剂具有某些特性，从而使其特别适用于投影显示系统以及在此类系统中使用的光学光转换装置，如荧光轮。特别地，本公开的无机粘结剂在高达400℃的温度下保持了增强的结合强度。有机粘合剂(例如环氧树脂、聚氨酯、有机硅)广泛用于粘结。例如，在有机硅中的荧光体产品中，将荧光体粉末混合到有机硅粘结剂(binder)或粘合剂((adhesive))中，然后以期望的图案进行滴涂或印刷。有机硅由于其高透明度、高结合强度、较低的折射率和合适的粘度而普遍用于金属、玻璃和其他材料的粘结。例如，常用的粘结剂选择为由制造有机硅粘合剂oe-6336，该粘合剂的混合粘度为1,425厘泊(cp)，450nm且厚度为1mm时的透明度为99.6％，折射率为1.4并且在150℃时的热固化时间为60分钟。然而，有机硅粘结剂/粘合剂的热稳定性差。在超过200℃的温度下，有机硅粘合剂会降解，通常开始变黄，并逐渐开始燃烧。这不期望地导致荧光轮的短的使用寿命，并且已经观察到光转换效率由于热猝灭而急剧下降(＞10％@200℃)。在具有高亮度(例如，激光器功率为300w)的应用中，预期荧光轮的运行温度通常大于200℃，因此使得不期望使用有机硅粘合剂。即，有机硅中的荧光体产品不能在高功率激光投影仪中实现长的使用寿命。在此类产品的寿命试验中，已确定安全工作温度应控制在低于150℃。因此，期望提供一种无机粘结剂，其除了具有较高的耐温性(例如，大于200℃、包括300℃或以上、以及高达400℃)之外，还表现出与有机粘结剂相同的期望特性(即，高透明度、高粘合强度、低折射率、以及合适的粘度)。此类无机粘结剂可有利地用于各种应用，如光通道、投影显示系统以及在此类系统中使用的光学光转换装置，如荧光轮。技术实现要素：本公开涉及无机粘结剂，该无机粘结剂可以用于光学光转换装置(例如，荧光轮)的高反射率涂层中或用作接合两个元件的粘合剂。该无机粘结剂具有某些特性，从而使其特别适用于高功率照明系统。例如，在特定实施方案中，无机粘结剂能够耐受高温(例如，大于200℃、包括300℃或以上、以及高达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℃)。在某些情形中，组合物基本上由下列物质组成：从约25重量％至约80重量％的一种或以上填料；从约20重量％至约75重量％的一种或以上无机粘合剂；以及从约0.5重量％至约5重量％的一种或以上分散剂。无机粘合剂可以包含第一组分(例如，半透明液体)和第二组分(例如，透明液体)。第一组分与第二组分之比可以从约1:1至约7:3。可以通过搅拌第一组分和第二组分来制备无机粘合剂。可以将第一组分和第二组分搅拌约2小时至约3小时的时间段。可以在约25℃至约30℃的温度下搅拌第一组分和第二组分。在特定实施方案中，第一组分的粘度从约1mpa·sec至约50mpa·sec，密度从约0.8g/cm3至约1.3g/cm3，并且固体含量大于10％。在一些实施方案中，第二组分的粘度从约0mpa·sec至约50mpa·sec，密度从约0.6g/cm3至约1.0g/cm3，并且固体含量大于10％。在某些情形中，填料的热膨胀系数在无机粘合剂的热膨胀系数的±20％以内(±20％)。填料的密度也可以在无机粘合剂的密度的±20％以内(±20％)。一种或多种填料可以选自由二氧化硅、氧化铝和氧化硼组成的组。填料的形状可以为粒状、薄片状或纤维状。填料的粒度可以从约0.1微米至约50微米。在一些实施方案中，分散剂为有机的(例如，聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸酯、明胶、聚乙烯醇、纤维素、苯乙烯共聚马来酸酐或木质素磺酸盐)。在可供选择的实施方案中，分散剂为无机的(例如，六偏磷酸盐、硅酸盐、多磷酸盐或煅制二氧化硅)。根据本公开的一种形成无机粘结剂的方法，该方法包括：在约60℃至约90℃的温度下进行第一固化约0.2小时至约1小时的时间段，以及随后在约150℃至约200℃的温度下进行第二固化约0.4小时至约2小时的时间段。本文还公开了光转换装置，其包括：具有无机涂层的基材，无机涂层包含：从约20重量％至约80重量％的填料；从约20重量％至约75重量％的无机粘合剂；以及从约0.5重量％至约5重量％的分散剂。在更具体的实施方案中，填料的存在量为约60重量％至约75重量％，并且无机粘合剂的存在量为约20重量％至约35重量％。基材可以是盘状的形式。光转换装置还可以包括设置成使基材围绕垂直于该基材的轴旋转的电动机。在一些实施方案中，填料为荧光体(例如，钇铝石榴石、硅酸盐或氮化物)。荧光体的粒度可以从约10微米至约30微米。在特定实施方案中，填料为粒度从约0.1微米至约150微米的折射性粉末。所得的无机涂层对波长从约380nm至约800nm的光的可以具有高反射率(例如至少80％、至少90％、至少95％、至少98％等)。光转换装置还可以包括施加在基材上的无机涂层上的荧光体层。根据本公开的一种形成光转换装置的方法，该方法包括：通过喷涂、滴涂或丝网印刷将无机涂层涂覆至基材；在约85℃的温度下进行无机涂层的第一固化约0.25小时的时间段，以及随后在约185℃的温度下进行无机涂层的第二固化约0.75小时的时间段。本文还公开了光通道，其包括：通过能够耐受大于200℃的温度的无机粘结剂接合在一起的多个反射器，无机粘结剂包含：从约25重量％至约80重量％的填料；从约20重量％至约75重量％的无机粘合剂；以及从约0.5重量％至约5重量％的分散剂。在特定实施方案中，填料可以为氧化铝。填料的粒度可以从约0.5微米至约10微米。根据本公开的一种形成光通道的方法，该方法包括：在约85℃的温度下进行无机粘结剂的第一固化约0.25小时的时间段，以及随后在约185℃的温度下进行无机粘结剂的第二固化约0.75小时的时间段。在下文更具体地公开了本公开的这些和其他非限制性特征。附图说明以下为附图的简要说明，这些附图是为了说明本文公开的示例性实施方案而提供的，而不为了限制本发明。图1a为根据本公开的第一示例性光学光转换装置的示意图，该光学光转换装置包括基材和涂层。图1b为图1a的第一示例性光学光转换装置的侧视截面图。图2a为根据本发明的第二示例性光学光转换装置的示意图，该光学光转换装置包括基材、高反射率散射层和荧光体层。图2b为图2a的第二示例性光学光转换装置的侧视截面图。图3为根据本公开的光通道的示意图，该光通道包括由粘合剂接合在一起的多个反射器。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。本公开涉及无机粘结剂，该无机粘结剂具有某些特性，从而使其特别适用于高功率照明系统。无机粘结剂是含有多种成分的组合物。一些性能特性，如转换光输出、颜色和寿命，是工作温度的直接函数。在较高的运行温度下，转换光输出可能降低，颜色可能偏移，并且使用寿命可能缩短。在正常的运行条件下，输入功率的约50％至60％作为热量输出，而输入功率的其余部分被转换为光。在高输入功率下，在转换期间产生的热量将造成大于200摄氏度(200℃)、包括300℃或以上、以及高达400℃的高持续温度。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、以及高达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℃)。本公开的无机粘结剂可以用于高功率照明系统，如光学光转换装置(例如，荧光轮)。无机粘结剂可以用于不同的层中以提供高反射率，或提供波长转换层。一般而言，如本文的各种实施方案中所述，无机粘结剂包含以下物质或基本上由以下物质组成：至少一种填料、至少一种无机粘合剂和至少一种分散剂。基于无机粘结剂的重量，无机粘结剂可包含约25重量％至约80重量％的填料，包括约60重量％至约75重量％、或约65重量％至约75重量％的填料。填料可以用于获得由无机粘结剂制成的层所需的功能。例如，填料可以为荧光体以产生波长转换层；或者可以为折射性粉末以产生反射性涂层。可以存在一种或以上不同的填料。基于无机粘结剂的重量，无机粘结剂可包含约20重量％至约75重量％的无机粘合剂，包括约20重量％至约45重量％、或约25重量％至约40重量％的无机粘合剂。基于无机粘结剂的重量，无机粘结剂可包含约0.5重量％至约5重量％的分散剂，包括约1重量％至约4重量％、或约2重量％至约3重量％的分散剂。可以使用一种或以上分散剂，并且这些量适用于经合并的所有分散剂。在具体实施方案中，无机粘结剂基本上由约25重量％至约80重量％的一种或以上填料、约20重量％至约75重量％的一种或以上无机粘合剂和约0.5重量％至约5重量％的一种或以上分散剂组成，这些成分合计为100重量％。在其他特定实施方案中，无机粘结剂基本上由约60重量％至约75重量％的一种或以上填料、约20重量％至约40重量％的一种或以上无机粘合剂和约0.5重量％至约5重量％的一种或以上分散剂组成，这些成分合计为100重量％。向一种或多种无机粘合剂中添加一种或多种填料增强了无机粘结剂的结合强度。特别地，添加一种或多种填料可以降低无机粘结剂的收缩率，减少或防止在固化期间形成气泡或裂纹，从而降低在使用期间的应力的量和/或效果，并且改进无机粘结剂的结合强度。所选择的一种或多种填料的热膨胀系数可以在无机粘合剂的热膨胀系数±20％以内。类似地，为了避免分层，所选择的一种或多种填料的密度可以在无机粘合剂的密度±20％以内。一种或多种填料可具有任何期望的形状，如粒状、薄片状或纤维状。可以使用任何合适的一种或多种填料。例如，特别考虑一种或多种填料可以为二氧化硅、硅酸盐、铝酸盐或磷酸盐或金刚石粉末。填料可以为金属粉末，如铝、铜、银或金粉末。填料可以为氮化物，如氮化铝或氮化硼。填料可以为氧化物，如氧化铝或氧化硼。填料可以为金属氧化物、金属氮化物或金属硫化物。一种或多种填料可以具有任意合适的粒度，如从约0.1微米至约50微米。添加一种或多种分散剂有利于使一种或多种填料分散在整个粘结剂中，从而避免不期望的聚集或沉降。可以使用任何合适的一种或多种分散剂。例如，特别考虑一种或多种分散剂可以为有机分散剂，聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸酯、明胶、聚乙烯醇、纤维素、苯乙烯共聚马来酸酐或木质素磺酸盐。可供选择地，特别考虑一种或多种分散剂可以为无机分散剂，如六偏磷酸盐、硅酸盐、多磷酸盐或煅制二氧化硅。如前所述，无机粘结剂可以用于多种应用，如作为涂层以用于在诸如荧光轮之类的光学光转换装置内形成一个或以上的层。荧光轮用于依次产生不同颜色的光。在荧光轮上使用了诸如荧光体之类的光转换(或波长转换)材料。荧光轮通常具有一些扇形段，这些扇形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扇形段。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。图1a和图1b示出了这样的光转换装置，其包含由无机粘结剂形成的波长转换层。特别地，第一示例性光转换装置是荧光轮100。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包括基材110，将无机粘结剂施加至基材110上以形成波长转换层120。波长转换层为基本上由填料121、无机粘合剂122和分散剂(未示出)组成的无机涂层。在该特定实施方案中，波长转换层基本上由以下物质组成：从约60重量％至约75重量％的填料、从约20重量％至约45重量％的无机粘合剂以及从约0.5重量至约5重量％的分散剂。基材110通常为具有高导热率的金属，例如铝或铝合金、铜或铜合金、或具有高导热率的另外的金属。基本也可以(例如)由玻璃、蓝宝石或金刚石制成。出于说明的目的，将波长转换层120示出为与基材110分离，但在使用中，通过(例如)喷涂、滴涂或丝网印刷将无机粘结剂直接施加至基材110以形成波长转换层。在荧光轮100的该示例性实施方案中，填料为荧光体。合适的荧光体包括钇铝石榴石(yag)、硅酸盐和氮化物。荧光体的粒度可以从约10微米至约30微米。然后，可以将荧光体填料与分散剂一起与无机粘合剂(例如，液态透明无机粘合剂)混合以形成无机粘结剂。可以将无机粘结剂滴涂、喷涂或丝印到基材上，然后进行热固化并固结以形成波长转换层120，比如当基材110的形状为盘状时呈同心图案。可以以逐步方法进行无机涂层120的固化。例如，在该示例性实施方案中，在约75℃至约100℃的温度下进行第一固化步骤约0.1小时至约1小时的时间段，例如0.25小时。随后，在约150℃至约200℃的较高温度下进行第二固化步骤约0.5小时至约1小时的时间段。现在转向图2a和图2b，其描述了另一光学光转换装置。特别地，第二示例性光转换装置为另一荧光轮200。图2a为荧光轮200的示意图，而图2b为荧光轮200的侧视截面图。荧光轮200包括基材210，在基材210上施加无机粘结剂而形成的反射层220，以及施加在基材210上的反射层220上的荧光体层230。无机涂层包括填料221、无机粘合剂222和分散剂(未示出)。特别地，在荧光轮200的该示例性实施方案中，无机涂层基本上由以下物质组成：从约65重量％至约75重量％的填料、从约20重量％至约35重量％的一种或多种无机粘合剂以及从约1重量％至约2重量％的一种或多种分散剂。在荧光轮200的该实施方案中，一种或多种填料包括一种或以上折射性粉末。一种或多种折射性粉末的粒度可以从约0.1微米至约150微米。然后，可以将一种或多种折射性粉末与一种或多种分散剂一起与一种或多种无机粘合剂(例如，液态透明无机粘合剂)混合，以形成无机粘结剂。然后，可以将无机粘结剂滴涂、喷涂或丝网印刷到基材上，然后进行热固化并固结在基材210上(比如当基材210的形状为盘状时呈同心图案)，以制备其上具有高反射层220的基材210。例如，无机涂层220可以对波长从约380nm至约800nm的光具有高反射率。可以以逐步方法进行无机粘结剂的固化。例如，在该示例性实施方案中，在约75℃至约100℃的温度下进行第一固化步骤约0.1小时至约1小时的时间段，例如0.25小时。随后，在约150℃至约200℃(例如185℃)的温度下进行第二固化步骤约0.5小时至约1小时的时间段，例如0.75小时。荧光轮200还包括施加在基材210上的高反射层220上的荧光体层230(例如，荧光体粉末的层)。可以通过(例如)滴涂或丝网印刷来施加荧光体层200。图1a和图1b的荧光轮100以及图2a和图2b的荧光轮200两者都可以通过将基材安装在电动机上以高速旋转而建立。通常，使基材在使用期间旋转，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和图2a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穿过各基材110、210且垂直于各基材110、210的平面。如图1a-1b和图2a-2b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)聚焦在无机涂层上，由无机涂层产生激发波长的发射光124(即，发射光或转换光)。这样，无机涂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)聚焦在无机涂层上时，发射波长的光124(例如，黄光)将发射并将被无机涂层反射，然后可以(例如)通过透镜进行收集。荧光轮可以用包括多个颜色扇形段(这里未示出)的无机涂层制成，各颜色扇形段用于产生具有特定颜色的光，或者可以制成发射任何期望颜色的光。例如，可以将无机涂层配置为吸收蓝光和/或生成黄光和/或绿光。现在参考图3，其描述了采用无机粘结剂作为粘合剂的示例性光通道。光通道轮300包括多个反射器301，将多个反射器301设置成在其间限定中空的通道。施加无机粘结剂305以将反射器接合在一起。无机粘结剂包含一种或以上填料、一种或以上无机胶粘剂和一种或以上分散剂。特别地，在光通道300的该示例性实施方案中，无机粘结剂基本上由以下物质组成：从约60重量％至约75重量％的一种或多种填料、从约20重量％至约45重量％的一种或多种无机粘合剂以及从约2重量％至约3重量％的一种或多种分散剂。在光通道300的该示例性实施方案中，填料为氧化铝(al2o3)。氧化铝填料的粒度可以从约0.5微米至约10微米。然后，可以将氧化铝填料和一种或多种分散剂一起与一种或多种无机粘合剂(例如，液态透明无机粘合剂)合并以形成无机粘结剂305。然后，可以将无机粘结剂305滴涂在相邻的反射器301之间的接合处，以用于接合相邻的反射器301。然后，使无机粘结剂305热固化并固结。可以以逐步方法进行无机粘结剂305的固化。例如，在该示例性实施方案中，在约85℃的温度下进行第一固化步骤约0.25小时的时间段。随后，在约185℃的温度下进行第二固化步骤约0.75小时的时间段。本公开的无机粘结剂/无机粘结剂涂层和粘合剂提供了优于传统的有机硅中的荧光体光转换器的许多优点。例如，无机粘合剂中的荧光体粘结剂涂层可以在高达至少200℃、包括300℃或以上、以及高达400℃的温度下保持光转换效率。该涂层在可见光波长下应具有高透明度；低折射率；高结合强度；高热稳定性(即高tg或最高运行温度)；相对较低的固化/烧结温度；与荧光体的良好相容性/混溶性；和/或合适的粘度。这将增强荧光轮在165℃至400℃的温度下的耐热性。理想地，无机粘结剂为基本上光学透明的(例如，无机粘结剂的透光率为至少80％、至少90％、至少95％或至少98％。这是(例如)通过使用可从perkin-elmer获得的lambda950分光光度计测量的。相比之下，许多有机粘结剂是不透明的。这使得该无机粘结剂能够用于透射式或反射式荧光轮。无机粘结剂可以表现出比常规有机硅粘合剂更大的结合强度。在特定实施方案中，本公开的无机粘结剂的初始结合强度可以为至少100psi、或至少200psi、或从约100psi至约600psi。在应用粘合剂的最高温度(例如在300℃)下，使用两块铝测试板测定该性质，其中在两块板之间放置厚度为0.1mm且结合面积为169mm2的无机粘结剂。已经发现，无机粘合剂通常是长期稳定的，因此这些装置的性能未必会随时间而显著降低。此外，在高的工作温度下，有机材料会表现出一些除气作用。这可能造成光学装置中附近部件的污染。此外，在高功率条件下，无机粘结剂可比传统的有机硅材料更耐用。无机粘结剂在高激光辐照度和温度下表现出可靠的运行。无机粘结剂也可以灵活地制成各种尺寸、形状和厚度。本公开的无机粘结剂还能够耐受高的工作温度，即超过200℃的工作温度。无机粘结剂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大于200℃、包括大于300℃、以及高达400℃，以实现高发光亮度。预期无机粘结剂可以用于荧光轮和激光投影显示系统。无机粘结剂也可以与固态照明源结合使用，例如在汽车前灯中。无机粘结剂可以进一步用作光通道、光漏斗等的粘合剂。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在一个示例性实施方案中，一种或多种无机粘合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合剂的总溶解固体(tds)特征：名称外观粘度(mpa·sec)密度(g/cm3)固体含量第一组分半透明液体1～500.8～1.3>10％第二组分透明液体0～500.6～1.0>10％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，从而制备无机粘合剂。第一组分与第二组分之比为约1:1至约7:3。然后通过将一种或多种填料以及一种或多种分散剂添加到一种或多种无机粘合剂中来制备无机粘结剂。以逐步方法使无机粘结剂固化。在约60℃至约90℃的温度下进行第一固化步骤约0.2小时至约1小时的时间段。随后，在约150℃至约200℃的温度下进行第二固化步骤约0.4小时至约2小时的时间段。由于无机粘结剂的耐高温性，经固化的无机粘结剂在最大应用温度下表现出优异的结合强度。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。当前第1页12