波长转换材料及其制造方法、波长转换装置以及投影装置与流程

1.本发明是有关于一种材料及其制造方法以及光学装置，且特别是有关于一种波长转换材料及其制造方法、波长转换装置以及投影装置。


背景技术：

2.近年来以发光二极管(light-emitting diode,led)和激光二极管(laser diode)等固态光源为主的投影装置渐渐在市场上占有一席之地。由于激光二极管具有高于约20％的发光效率，为了突破发光二极管的光源限制，因此渐渐发展了以激光光源激发荧光粉而产生投影机所需用的纯色光源。
3.一般而言，现有荧光色轮的制程是将荧光粉混合硅胶(silicone)涂布于荧光色轮的基板上而构成，但硅胶却有不耐高温的特性与低热传导等问题，因此当激光长时间激发荧光色轮时，硅胶无法耐高温而易导致劣化或烧损，将影响此种荧光色轮的发光效率以及可靠度。另一方面，有另一种荧光色轮的制程是以玻璃胶取代硅胶混合荧光粉而构成，以此制程形成的荧光色轮具有较佳的导热率及透光性。然而，一般的荧光粉中存在氧的晶格缺陷，因此荧光粉的荧光转换效率仍然不足且荧光粉的制程中所需的烧结温度较高，操作性不佳。
4.美国专利第9738828号中记载荧光陶瓷成份为y3al5o
12
:ce、lu3(ga,al)5o
12
:ce、mg3al8[sio]3:ce下，荧光陶瓷具有晶界造成荧光的漫射；美国专利第9952491号中记载主相的组成为ce：y3al5o
12
，第二相的组成为ce：yalo3、ceo2、y2o3或ce：y2o3；中华人民共和国专利第104177078号中记载mgal2o4/(ce
x
luyy
1-x-y
)3al5o
12
，其中x与y的取值范围分别为：0.013≦x≦0.015，0.016≦y≦0.018)；中华人民共和国专利第104177079号中记载mgal2o4/(ce
x
sryy
1-x-y
)3al5o
12
，其中x与y的取值范围分别为：0.001≦x≦0.03，0.001≦y≦0.03)。
[0005]“背景技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中的技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中的技术人员所知晓或认知。
发明内容
[0006]
本发明提供一种波长转换材料，具有良好的荧光转换效率。
[0007]
本发明提供一种波长转换材料的制造方法，能够提供具有良好的荧光转换效率的波长转换材料以及能够降低烧结步骤中的烧结温度而操作性佳。
[0008]
本发明提供一种波长转换装置，具有良好的荧光转换效率。
[0009]
本发明提供一种投影装置，具有良好的光学品质。
[0010]
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。
[0011]
为达到上述之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种波长转换材料。波长转换材料包括：第一相，其组成为m3al5(o
1-0.5xfx
)
12
:ce
3+
，其中m为选自由
efficiency，qe)的比较图。
具体实施方式
[0029]
有关本发明之前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图之一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0030]
图1a是本发明一实施例的一种波长转换装置的剖视示意图。图1b是图1a的波长转换装置的俯视图。参照图1a与图1b，本实施例的波长转换装置100具有至少一波长转换光学区wr与光通过区tr，且波长转换装置100包括基板110以及至少一波长转换层10。具体而言，如图1a所示，在本实施例中，至少一波长转换层10位于基板110上，且对应至少一波长转换光学区wr而设置。具体而言，如图1a所示，在本实施例中，波长转换层10包括波长转换材料wm，且对应的配置在波长转换区wr上。
[0031]
在一实施例中，波长转换层10包含多个波长转换区wr，且多个波长转换区wr上配置多种波长转换材料，可分别用来将激发光束转换为多个转换光束，且多个转换光束例如是分别具有绿色、红色、黄色。
[0032]
在本实施例中，波长转换材料wm包括：第一相，其中所述第一相的组成为m3al5(o
1-0.5xfx
)
12
:ce
3+
，其中m为选自由钇(y)、镏(lu)、钆(gd)、铽(tb)、镨(pr)以及钕(nd)所组成的群组中的至少一者，0.012≦x≦0.3。
[0033]
一般而言，形成波长转换材料wm的烧结步骤中多采用还原气氛，主要用于维持荧光活化元素ce价电数为三价(ce
3+
)，故还原制程中就容易形成氧空位(oxygen vacancies)的缺陷，影响荧光转换效率。在本实施例中，波长转换材料wm的第一相中含有氟(即，氟离子)，其中氟离子的离子半径为0.133nm，其与氧离子半径0.140nm相近。因此，氟离子容易取代晶格中的氧离子或填补氧空位，以减少晶格缺陷、增加荧光转换效率。如此，含氟的波长转换材料wm能够使波长转换装置100具有良好的荧光转换效率。
[0034]
更具体而言，在一实施例中，含氟的波长转换材料wm能够提高荧光转换效率5％以上。在另一实施例中，含氟的波长转换材料wm能够提高荧光转换效率7％以上。
[0035]
在一实施例中，波长转换材料wm可还包括第二相，第二相主要由氧化铝组成且可还包括mgal2o4、znal2o4、al6si2o
13
、naalo2、或其组合。mgal2o4、znal2o4、al6si2o
13
、naalo2作为第二相，可以增加波长转换材料wm本身的导热率，以提高荧光转换效率。mgal2o4、znal2o4、al6si2o
13
、naalo2分别为源自于氧化镁、氧化锌、氧化硅以及氧化钠与氧化铝烧结后的成分，其中氧化镁、氧化锌、氧化硅以及氧化钠可以作为助烧剂，降低制程中的烧结温度。波长转换材料wm借由包括al2o3作为第二相，可以增加波长转换材料wm本身的导热率，以提高荧光转换效率。
[0036]
在一实施例中，以波长转换材料wm为100重量％(重量百分比)计，第二相为大于0重量％且小于30重量％。
[0037]
在另一实施中，波长转换层10可还包括结合材料。结合材料的材质没有特别的限制，可依制程或产品需求来对应地选择。结合材料的材质包含玻璃胶、硅胶、或其组合。当结合材料的材质为玻璃胶时，可以提升波长转换层10的导热率及透光性。
[0038]
波长转换材料wm均匀散布于结合材料中，以形成波长转换层10。
[0039]
以下将以图2a及图2b来说明波长转换材料wm的制造方法。波长转换材料wm的制造方法没有特别的限制，例如对前驱物组成物进行等均压制程(isostatic pressing process)或热压烧结制程(hot-press sintering process)。
[0040]
图2a是本发明一实施例的一种波长转换材料的等均压制程的流程图。
[0041]
首先，执行步骤s101，将前驱物组成物所含的组分混合。混合的方式没有特别的限制，例如是以物理混合的方式将前驱物组成物所含的组分均匀地混合。
[0042]
前驱物组成物包括第一金属氧化物、第二金属氧化物、含氟化合物以及含铈化合物。
[0043]
具体而言，在一实施例中，第一金属氧化物为选自由氧化钇(y2o3)、氧化镏(lu2o3)、氧化钆(gd2o3)、氧化铽(tb2o3)、氧化镨(pr2o3)以及氧化钕(nd2o3)所组成的群组中的至少一者。
[0044]
在一实施例中，以前驱物组成物为100重量％计，第一金属氧化物为35重量％至55重量％。
[0045]
在一实施例中，第二金属氧化物包括氧化铝。氧化铝可以使波长转换材料wm产生第二相的al2o3，借此可以增加波长转换材料wm本身的导热率，以提高荧光转换效率。
[0046]
以下说明第一金属氧化物与第二金属氧化物的反应式。在第一金属氧化物为氧化钇(y2o3)，第二金属氧化物为氧化铝(al2o3)的情况下，依据后述的烧结温度的升温，可以包括下述三种反应式：
[0047]
反应式1：2y2o3+al2o3→
y4al2o9(于900～1000℃时)。
[0048]
反应式2：y4al2o9+al2o3→
4yalo3(于1100～1250℃时)。
[0049]
反应式3：3yalo3+al2o3→
y3al5o
12
(于1400～1800℃时)。
[0050]
又，在前驱物组成物包括含氟化合物以及含铈化合物的情况下，含氟化合物以及含铈化合物可以取代第一金属氧化物与第二金属氧化物参与反应。具体而言，含氟化合物中的氟原子可以取代氧原子，含铈化合物的铈原子可以作为掺杂原子进行反应。
[0051]
在另一实施例中，第二金属氧化物包含氧化铝之外，第二金属氧化物还包括氧化镁、氧化锌、氧化硅以及氧化钠、或其组合，其中氧化镁、氧化锌、氧化硅以及氧化钠可以作为助烧剂，降低制程中的烧结温度。前驱物组成物借由包括第二金属氧化物，可以使第二相中进一步生成mgal2o4、znal2o4、al6si2o
13
、naalo2，以增加波长转换材料wm本身的导热率，以提高荧光转换效率。
[0052]
在一实施例中，以前驱物组成物为100重量％计，第二金属氧化物为大于40重量％且小于60重量％。
[0053]
在一实施例中，含氟化合物为碱金族氟化物、碱土族氟化物、或其组合。在另一实施例中，含氟化合物可为氟化钠(naf)、氟化镁(mgf2)、或其组合。值得注意的是，本实施例借由在前驱物组成物添加含氟化合物，能够降低后续烧结步骤中的烧结温度而操作性佳。例如是将后续烧结步骤中的烧结温度由高于1800℃降低至约1700℃，使前驱物组成物在1700℃即可达到液相烧结的效果。更详细而言，碱金族氟化物如氟化钠(naf)的熔点为993℃、碱土族氟化物如氟化镁(mgf2)的熔点为1260℃，其远低于钇铝石榴石(yttrium aluminium garnet，yag)的熔点(1950℃)，因此所添加的添加碱金族氟化物、碱土族氟化物
可于后续烧结步骤中作为助烧剂降低烧结温度。在一实施例中，以前驱物组成物为100重量％计，含氟化合物为0.5重量％至10重量％(重量百分比为0.5％至10％)。
[0054]
在一实施例中，含铈化合物为氧化铈(ceo2)、氟化铈(cef3)、或其组合。在含铈化合物为氟化铈的情况下，氟化铈可同时作为含铈化合物及含氟化合物，而同时发挥铈掺杂以及助烧剂的效果。借此，可以简化前驱物组成物所包含的材料。
[0055]
在一实施例中，以前驱物组成物为100重量％计，含铈化合物为0.3重量％至5重量％。
[0056]
接着，执行步骤s102，对前驱物组成物进行湿式研磨步骤，以使前驱物组成物形成粒径为小于1微米的颗粒。湿式研磨步骤的方式没有特别的限制，例如是将前驱物组成物混合溶剂以机械研磨的方式进行研磨。具体而言，例如是将氧化铝或氧化锆研磨陶瓷球与前驱物组成物、溶剂放置于球磨罐中，并且以球磨机进行研磨混合。溶剂没有特别的限制，只要不与前驱物组成物反应即可。溶剂例如是甲醇、乙醇、异丙醇等醇类溶剂。
[0057]
然后，执行步骤s103，对前驱物组成物进行干燥步骤。干燥步骤的方式没有特别的限制，例如是将前驱物组成物置于烘箱中干燥。干燥的温度及时间没有特别的限制，只要可使于湿式研磨步骤中所使用的溶剂挥发即可。干燥的温度例如是60～80℃。干燥的时间例如是8～16小时。
[0058]
接着，执行步骤s104，对前驱物组成物进行过筛步骤。过筛后的前驱物组成物的颗粒大小例如是300网目(mesh)以下。
[0059]
然后，执行步骤s105，对前驱物组成物进行干压步骤，以形成块状物。干压步骤的方式没有特别的限制，只要可将前驱物组成物形成块状物即可。
[0060]
接着，执行步骤s106，对前驱物组成物的块状物进行冷均压成形步骤。冷均压(cold isostatic pressing，cip)成形步骤的方式没有特别的限制，只要可将块状物的形状固定即可。冷均压成形步骤的压力可为200mpa以上。
[0061]
最后，执行步骤s107，对前驱物组成物的块状物进行真空烧结步骤。在此，真空烧结步骤指的是在真空环境下进行的烧结步骤。真空烧结步骤的方式没有特别的限制，只要可将前驱物组成物形成目标的波长转换材料即可。真空烧结步骤的温度没有特别的限制，例如是大于1700℃。真空烧结步骤的时间没有特别的限制，例如2小时至48小时。
[0062]
图2b是本发明另一实施例的一种波长转换材料的热压烧结制程的流程图。请参照图2b，本实施例的波长转换材料的热压烧结制程与图2a所示的等均压制程类似，二者主要差异之处在于：在热压烧结制程中，在步骤s104之后，执行步骤s205，对前驱物组成物进行加压烧结步骤。加压烧结步骤的方式没有特别的限制，只要可将前驱物组成物形成目标的波长转换材料即可。加压烧结步骤的压力没有特别的限制，例如150mpa至300mpa。加压烧结步骤的温度没有特别的限制，例如是大于等于1600℃。加压烧结步骤的时间没有特别的限制，例如2小时至12小时。加压烧结步骤例如是在还原气氛下进行，其中还原性气体例如是氢气与氩气混合气体或是氢气与氮气混合气体。
[0063]
波长转换材料wm形成波长转换层10的方式没有特别的限制，只要可将波长转换材料wm固定于基板110上即可。举例而言，可将波长转换材料wm与结合材料混合后，固化波长转换材料wm与结合材料而波长转换材料wm固定于基板110上。如此，即可形成前述图1a的波长转换层10。在本实施例中，借由含有氟离子的波长转换材料wm来形成波长转换层10，能够
使波长转换装置100具有良好的荧光转换效率。
[0064]
图3是本发明一实施例的一种投影装置的架构示意图。请参照图1a与图3，投影装置200包括激发光源210、分光单元220、包含波长转换层10的波长转换装置100、光阀250以及投影镜头260。在本实施例中，波长转换层10以及波长转换装置100的结构已在前文中详述，在此不另行赘述。在本实施例中，光阀250例如为数字微镜元件(digital micro-mirror device,dmd)或是硅基液晶面板(liquid-crystal-on-silicon panel,lcos panel)。然而，在其他实施例中，光阀250亦可以是穿透式液晶面板或其他光束调变器。
[0065]
如图3所示，在本实施例中，激发光源210用于发出激发光束50。在本实施例中，激发光源210为激光光源，而激发光束50为蓝光激光光束。举例而言，激发光源210可包括多个排成阵列的蓝光激光二极管(未绘示)，但本发明不局限于此。
[0066]
具体而言，如图3所示，在本实施例中，分光单元220配置于激发光束50的传递路径上，且位于激发光源210与波长转换装置100之间。具体而言，分光单元220可以是部分穿透部分反射元件、分色元件、偏振分光元件或其他各种可将光束分离的元件。举例而言，在本实施例中，分光单元220例如可让蓝色光束穿透，而对其他颜色(如红色、绿色、黄色等)的光束提供反射作用。也就是说，分光单元220可让蓝色的激发光束50穿透，如此一来，激发光束50可穿透分光单元220并入射至波长转换装置100。
[0067]
举例而言，如图1a、图1b与图3所示，波长转换装置100位于激发光束50的传递路径上，且波长转换装置100的至少一波长转换光学区wr用于将激发光束50转换为至少一转换光束60，波长转换装置100的光通过区tr用于使激发光束50通过而传递至后续光学元件。此外波长转换装置100还包括第一致动器mr1，用于使光通过区tr与至少一波长转换光学区wr在不同时间中进入激发光束50的照射范围内，而选择性地使该激发光束50通过或被转换为至少一转换光束60。
[0068]
举例而言，如图3所示，投影装置200还包括滤光模块230，滤光模块230位于激发光束50与转换光束60的传递路径上，并具有滤光光学区(未绘示)与透光区(未绘示)。滤光模块230还包括第二致动器mr2，用于使滤光光学区(未绘示)在不同时间中对应地进入转换光束60的照射范围内，以分别形成红色色光与绿色色光。另一方面，透光区(未绘示)在不同时间中亦会对应地进入被传递至滤光模块230的激发光束50的照射范围内，以形成蓝色色光。如此，即可使激发光束50与转换光束60依时序地被转换成具有多种不同颜色的照明光束70。
[0069]
另一方面，如图3所示，在本实施例中，投影装置200还包括光均匀化元件240，位于照明光束70的传递路径上。在本实施例中，光均匀化元件240包括积分柱，但本发明不局限于此。更详细而言，如图3所示，当照明光束70经由照明系统传递至光均匀化元件240时，光均匀化元件240可使照明光束70均匀化，并使其传递至光阀250。
[0070]
接着，如图3所示，光阀250位于照明光束70的传递路径上，且用于将照明光束70转换成影像光束80。投影镜头260位于影像光束80的传递路径上，以将影像光束80投影至屏幕(未绘示)上，以形成构成影像画面的投影光束90。由于照明光束70会聚在光阀250上后，光阀250依序将照明光束70转换成不同颜色的影像光束80传递至投影镜头260，因此，光阀250所转换出的影像光束80所被投影出的影像画面便能够成为彩色画面。
[0071]
如此一来，投影装置200借由采用了具有良好的荧光转换效率的波长转换装置
100，亦可因此具有良好的光学品质。
[0072]
以下内容将举出波长转换材料的实验例。然而，下文中所列举的实验例并非用以限定本发明，任何所属领域中的技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。
[0073]
实验例1
[0074]
首先，将包括氧化钇(y2o3)48克、氟化钠(naf)1克、氧化铝(al2o3)52克以及氧化铈(ceo2)0.5克的前驱物组成物放置于球磨罐中并添加乙醇200克溶剂以及氧化铝或氧化锆研磨陶瓷球后，接着将上述球磨罐放置于球磨机中研磨混合。接着，将经研磨及混合后的混合有溶剂的前驱物组成物倒出并过筛出研磨陶瓷球至烧杯或烘干器皿。接着，将烧杯或烘干器皿转移于60～80℃烘箱烘干12个小时。接着，以300网目(mesh)的筛网对烘干后前驱物组成物的粉末进行过筛步骤后，以模具对前驱物组成物进行干压后得到块状物。然后，以压力200mpa的冷均压制(cip)成形，以使块状物堆积更紧实。最后，将块状物放置于真空烧结炉中，以烧结温度1700℃保持10小时进行烧结，即可获得实验例1的波长转换材料。
[0075]
比较例1
[0076]
比较例1的波长转换材料是以与实验例1相同的步骤来制备，惟不同处在于：改变前驱物组成物所含的组分及烧结温度(如表1所示)。
[0077]
[表1]
[0078][0079][0080]
图4a及图4b分别是实验例1及比较例1透过低倍率显微镜所拍摄的波长转换材料的外观照片。由图4a及图4b可知，实验例1及比较例1的波长转换材料皆为黄色荧光陶瓷。实验例1的黄色荧光陶瓷呈现类似玻璃态亮黄色，显示烧结致密性与均匀性较佳。比较例1的黄色荧光的部分区域呈现类似玻璃态亮黄色，但大部分区域呈现孔隙多的米黄色，陶瓷烧结致密性与均匀度不佳。
[0081]
图5a及图5b分别是实验例1及比较例1的波长转换材料的表面形态的扫描式电子
显微镜sem影像。在图5a及图5b中，浅色区域为第一相p1，深色域为第二相p2。如表1所述，实验例1的第一相p1为y3al5(o
1-0.5xfx
)
12
:ce
3+
(其中x＝0.05)，第二相p2为氧化铝；比较例1的第一相p1为y3al5o
12
:ce
3+
，第二相p2为氧化铝。
[0082]
另外，借由sem所附带的能量分散型x射线检测器(energy dispersive x-ray detector，以下称为「edx」)对图5a中的取样点m1及取样点m2进行成分分析，其中取样点m1对应于第一相p1，取样点m2对应于第二相p2。图6a及图6b分别是图5a中的取样点m1及取样点m2的能量色散x-射线光谱。由图6a及图6b可进一步确认，实验例1的第一相p1为y3al5(o
1-0.5xfx
)
12
:ce
3+
(其中x＝0.05)，第二相p2为氧化铝。
[0083]
然后，将实验例1及比较例1的波长转换材料直接置于投影机系统进行量测，并分析实验例1及比较例1的波长转换材料的荧光转换效率及量子效率(quantum efficiency，qe)增益。图7是实验例1与比较例1的波长转换材料的荧光转换效率及量子效率增益的比较图。由图7可知，实验例1的波长转换材料的荧光转换效率及量子效率皆比比较例1高。由此可见，实验例1的含氟的波长转换材料能够提高荧光转换效率及增加量子效率。
[0084]
综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，波长转换材料借由添加氟来取代晶格中的氧离子或填补氧空位，以减少晶格缺陷、增加荧光转换效率。又，本发明的实施例的波长转换材料的制造方法亦可借由添加含氟化合物，来降低烧结步骤中的烧结温度。此外，使用了上述的波长转换材料的波长转换装置因此具有良好的荧光转换效率，并且使用了上述的波长转换材料的投影装置具有良好的光学品质。
[0085]
惟以上所述者，仅为本发明之优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即凡依本发明权利要求书及发明内容所作之简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明之权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
[0086]
附图标记说明：
[0087]
10:波长转换层
[0088]
50:激发光束
[0089]
60:转换光束
[0090]
70:照明光束
[0091]
80:影像光束
[0092]
90:投影光束
[0093]
100:波长转换装置
[0094]
110:基板
[0095]
200:投影装置
[0096]
210:激发光源
[0097]
220:分光单元
[0098]
230:滤光模块
[0099]
240:光均匀化元件
[0100]
250:光阀
[0101]
260:投影镜头
[0102]
p1:第一相
[0103]
p2:第二相
[0104]
mr1:第一致动器
[0105]
mr2:第二致动器
[0106]
s101、s102、s103、s104、s105、s106、s107、s205:步骤
[0107]
tr:光通过区
[0108]
wm:波长转换材料
[0109]
wr:波长转换光学区。