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CN105393371A - 磷光片 - Google Patents

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CN105393371A
CN105393371A CN201480007867.8A CN201480007867A CN105393371A CN 105393371 A CN105393371 A CN 105393371A CN 201480007867 A CN201480007867 A CN 201480007867A CN 105393371 A CN105393371 A CN 105393371A
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Abstract

公开了一种光线转换器、整合了该光线转换器的灯具和显示器及光线转换器的制造方法。所述光线转换器具有衬底，所述衬底具有设置在该衬底一个表面上的一个区域的第一磷光体颗粒层。所述第一层的厚度大约为一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。在这些实施例中，所述衬底的厚度介于大约5um到大约500um之间，以便具有柔性，并且在这些实施例中，介于大约0.5mm到2mm，其可以形成刚硬外形。磷光体颗粒的单目重量介于大约0.5mg/cm2到大约40mg/cm2。所述衬底可以包括基体层和粘合层。

Description

磷光片
对相关申请的引用
本申请要求申请日为2013年2月9日的美国专利临时申请第61/762,858号的优先权，该临时申请通过引用结合于此。
发明领域
发光二极管(LED)的性能和成本已经得以改观，使得其现在代替了照明应用中的白炽灯、荧光灯、节能灯及卤素灯。与其它光源比较，LED具有许多优点比如寿命长、耐用、功耗低及尺寸小。LED为近单色的光源，并且从UV到可见光到红外光的发射峰均可用。LED的典型带宽小于约50nm。因此，为了模拟白光，有必要产生波长范围大于单个LED发出的波长。该问题具有两个普遍的方案。一个方案是设置成让单个的红、绿、蓝(R,G,B)LED互相接近，然后让包括至少3个LED的一组LED发出的光线散射和/或混合。第二个方案是将短波长(UV或蓝光)LED与宽带荧光化合物或磷光体结合起来，所述荧光化合物或磷光体将部分或全部LED光线转换为更长的波长。
使用单独的R，G，B发光装置引起了许多问题。不同的LED颜色通常由不同的半导体材料制成的LED提供，因此需要不同的工作电压和复杂的驱动电路。因此发射频由3个相对窄色相带组成，结果就是自然日光(大约是从太阳到达地球表面的宽带黑体辐射)的逼近效果差。由于位变异构效应，即色彩可以随着光照波长而变化，因此显色性可能受到破坏。
虽然市场上已经在提供使用了RGBLED的白光家具和装置，一般而言，单个LED+磷光体的方案已经作为一般白光应用中的LED的优选使用方式而出现。仅仅需要单个类型的LED(UV或蓝光)和一个或多个荧光或磷光材料。典型磷光体可以有效地将入射光的至少一部分转换为波长更长的宽带发射。转换后的光线典型地具有带宽为至少100-150nm的从绿到黄的峰值发射。典型的装置配置为将一些未转换的蓝光与宽带黄-绿转换后的光线混合起来，从而比RGBLED产生更接近黑体白光的效果。相对于3-LED装置，综合装置(单个LED+磷光体)可以更小巧，结构更简单，并且成本更低，并且显色性也很优越。
市场上具有许多用于固态发光的磷光材料。磷光体通常为无机粉末，并且基晶体材料中含有最多几个百分点的稀土材料例如铈或铕。一般的基体材料包括石榴石、硅酸盐、氮化物和硫化物。掺杂材料通常研磨为微小尺寸的粉末，以便用于照明场合。
商业装置利用一个或几个混合磷光体将蓝光LED发射的一部分转换为绿、黄、橙色、和红色。来自LED的一些蓝光经由磷光体而发射，并且与黄色磷光体发射混合起来，进而形成了可以感觉到的白光。
可以将基础材料(groundmaterial)与聚合物例如环氧树脂或硅酮混合而制备磷光体，从而形成了可以分布、涂设或印刷到LED表面的湿泥浆。或者，虽然不太常见，可以将湿泥浆涂镀到“遥远的”磷光体板上(与LED隔开一定距离)，或用于形成可以与磷光体颗粒结合的模制塑料部件。
发明摘要
公开了一种光线转换器、整合了该光线转换器的灯具和显示器及光线转换器的制造方法。所述光线转换器具有衬底，所述衬底具有设置在该衬底一个表面上的一个区域的第一磷光体颗粒层。所述第一层的厚度大约为一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。在这些实施例中，所述衬底的厚度介于大约5um到大约500um之间，以便具有柔性，并且在这些实施例中，介于大约0.5mm到2mm，其可以形成刚硬外形。磷光体颗粒的单目重量(screenweight)介于大约0.5mg/cm2到大约40mg/cm2。所述衬底可以包括基体层和粘合层。粘合层可以为发粘表面或聚甲基丙烯酸甲酯或硅酮粘合剂。衬底也可以具有反射层和/或压敏粘合层。
在一些实施例中，磷光体颗粒第二单层设置在衬底的第二侧面上。所述磷光体颗粒第二单层也可以介质中间第二粘合层而设置在第一层上。
在一些实施例中，衬底的折射率基本上与将光源的封装材料的折射率相同。示例性的衬底材料包括聚合物比如PET和硅酮，及刚性材料例如金属和玻璃。
可以选择磷光体颗粒，使得其吸收峰值波长介于大约360nm到大约490nm之间的光线，并且发射出峰值发射波长大于所吸收光线的峰值波长的光线。磷光体颗粒可以包括两种或多种材料，每种材料的峰值发射波长均互相不同。两种或多种材料可以在磷光层内混合起来，设置在单独的磷光层内，或设置在磷光片的单独且分散的区域内。
在一些实施例中，非磷光体光学材料层设置在第一磷光体颗粒层上，其中所述非磷光体光学材料层可以为光子晶体、介电纳米结构和金属表面等离子纳米结构中的一个或多个。
揭露了形成光线转换器的方法。提供一种具有粘合表面的透明、反射性或散射衬底，并且至少一个第一磷光体颗粒层形成于衬底的粘合表面上。所述粘合表面可以通过对衬底加热直到表面发粘而形成，或者通过直接在衬底区域上形成粘合层来形成。在一些实施例中，第二粘合层形成于第一磷光体颗粒层上，并且第二磷光体颗粒层形成于第二粘合层。在一些实施例中，该方法进一步包括在衬底区域上形成第二粘合层，并且在第二粘合层上形成第二磷光体颗粒层。磷光体单层可以通过将磷光体颗粒干喷、雾喷或涂刷到粘合层来形成。在一些实施例中，该方法可以在卷对卷制造流水线上实施。
所揭露的发光装置包括光线转换器。发光装置进一步包括光源，该光源的峰值发射波长介于大约360nm到大约490nm之间。光源可以为LED或激光(可选地沿着光线转换器上的磷光体颗粒的区域扫描)。
附图说明
图1展示了现有技术的磷光体与根据一些实施例的磷光片之间的对照。
图2展示了磷光片中两个磷光材料的三种结构。
图3展示了应用到LED光源的磷光片的五种不同配置。
图4展示了热压成型的磷光片的三个例子。
图5展示了磷光片的折射率匹配的衬底的效果。
图6展示了由450nm的LED光源照明后的各种磷光体的光谱。
图7展示了将各种颜色的磷光片切割并且组装成可用产品的各种方式。
详细描述
在详细描述本发明之前，应当理解：除非另行指明，否则本发明并不限制于特定的光源、磷光体或特定的层叠。也应当理解：文中使用的术语仅仅为描述特定实施例之目的，并非旨在限制本发明的范围。
必须注意：文中和权利要求中使用的单数形式“一个”、“和”及“该”包括复数对象，除非上下文清楚地具有其他含义。因此，例如，当提及“一层”时，其包括两层或多层等。
在提供了数值范围的场合，应当理解：除非上下文清楚地指出其他含义，每个中间值、下限单位的十分之一、该范围的上下限之间及所述范围内的任何其他陈述数值或中间值均在本发明范围内。受制于所述范围内特别排除的极限，这些较小范围的上下限可以独立包含在这些较小范围内，并且也落入本发明范围内。在所述范围包括这些极限的一个或两个的场合，将这些极限的其中一个或两个排除在外的范围也落入本发明范围内。在数字数值之前使用术语“大约”的场合，应当视为数值在数字数值的±10％范围内。在使用了术语“实质上相同”的场合，所比较的两个数量之间的差数在每个数字数值的±10％范围内。
文中使用的术语“荧光”一般是指材料特性，据此，光子或其他粒子在一定能量处被吸收，而在较低能量处(较长的波长)光子以极小或无延时(即，任何延时都对特定的应用无实际后果)的方式被重新发射出去。这种材料可以称为“荧光体”(fluorophor)。
文中使用的术语“磷光”(phosphorescent)一般是指材料特性，据此，光子或其他粒子在一定能量处被吸收，而在较低能量处(较长的波长)光子以延时(即，具有与重新发射过程关联的“延续”或“衰变”)的方式被重新发射出去。这种材料可以称为“磷光体”(phosphor)。在大多数固态照明场合，衰变时间并不重要，而术语“磷光体”通常用来表示是否具有延续。
文中使用的术语“发光”(luminescent)一般是指材料特性，据此，材料可以发射光线。荧光体和磷光体均可以发光，即在从光子、电子或其他能量粒子吸收能量而被激发后发射光线。
文中使用的符号Mx…Ny：D表示磷光体配置物的原子组成，在此，M和N(可能还具有其他原子)表示化学元素，x和y表示基体材料的相对化学计量，而D表示数量最多高达几个百分点的“掺杂剂”。磷光体和荧光体通常通过“阻止”在掺杂剂原子内发生电子跃迁而起作用，而基体材料用于支撑掺杂剂并且扩大已发射光线的带宽。
文中使用的术语“转换效率”是指由、从或通过磷光层发射、反射或传送的总流明相对于蓝光或紫外线的辐射瓦特数的比值，所述蓝光或紫外线作为激励源使用，并且照亮磷光层。根据具体的实例几何形状，具体的测量细节将有所不同。例如，在使用了蓝光LED的图3B的实施例中，可以首先测量没有放置磷光体时的LED输出的辐射瓦特数。然后，可以测量总流明(即，通过磷光片传送的光线加上磷光片转换的且以流明表示的光学)。这两个数字的比值就是转换效率。在此，将转换效率的单位表示为lm/Wrad，即，从光源撞击到磷光体上的给定辐射功率的以流明表示的表现可视亮度。总流明为作为可用照明的白光的测量值。对于蓝光LED而言，光线典型地包括所传送的蓝光加上磷光体转换的光线。对于紫外线LED而言，所传送的光线并不像可见光照明那样有用，因此仅仅测量磷光体转换的光线。
文中所用的术语“CIEx”和“CIEy”指的是国际照明委员会(CommissionInternationaledel′Eclairage或CIE)于1931年建立的色彩标尺(colorscale)中的色彩坐标。可以将光源或表面的表现色彩表达为CIE色品图上的两个坐标。
文中的术语“显色指数”或“CRI”是指与理想或自然光源(例如黑体照明接近通常的日光)对比，光源真实再现各种物体色彩的能力的量化测量值。最高值为100，接近100的数值表示光源能够很好地显色。
文中的术语“相关色温”或“CCT”是指等效黑体辐射源的温度，在相同亮度和观察条件下，其感知的色彩与给定光源非常相似。可以计算得出任何CIE色度坐标的CCT。然而，只有在描述接近白色的光源时，数值才典型地有用。自然日光的CCT的范围在大约5000K到大约6500K的范围内变化。阳光本身在地球表面的CCT大约是5800K。各种室内和摄影光源的CCT通常介于大约3000K到大约6000K之间。
文中使用的术语“目重”是指磷光体颗粒在表面上的面密度。目重的单位是单位面积内的(磷光体)重量，且通常表达为mg/cm2。
文中使用的术语“单层”是指单个颗粒厚度的一层颗粒，并且在衬底表面上为“均匀且浓密的层”。磷光体颗粒单层可以这样制备：将粘合层放置到衬底上，然后放置磷光体颗粒。在接触后，磷光体颗粒以均匀且浓密的层的形式粘附到粘合层上。由于存在颗粒大小分布，因此“均匀且浓密的层”是指颗粒通常互相“紧密靠近”但未展示任何特定的顺序(即，它们不必也六边形密堆积形式设置，比如以均匀的球形颗粒形成的形式)。“紧密靠近”是指相邻颗粒在表面上的平均距离一般小于表面上最大颗粒的最大尺寸。文中使用的术语“大约一个单层”是指单层可以具有一些缺陷，比如不含磷光体颗粒的孔洞或分散位置，在这些分散位置，第二颗粒堆叠到单层的顶部。这些缺陷不会实质性改变所测量的磷光层的目重。
本发明人认识到现有技术中的将磷光体涂设到固态发光装置上的工艺费时费力，并且具有以下缺点：
1.其需要聚合物液体处理，磷光体混合及电镀。
2.其需要聚合物固化(加热或紫外线)。
3.其需要连续搅拌以防止磷光体在液体聚合物内沉积(settling)，进而防止形成不均匀的磷光体涂层。
4.其产生不可循环的液体糊状物(liquidpaste)形式的废料，该废料粘附到混合工具和处理组件上。
5.所涂设的涂层不易取出，并且当涂设的磷光体过多或过少时，可能导致LED无法使用。
6.缺乏针对终端用户的设计灵活性，因为磷光体/聚合物混合物只能涂设并且固化一次(涂设到LED模具上或稍远表面上)。
7.磷光体/聚合物层趋于变厚，并且增加了光线散射。
8.色彩随着角度而出现不一致性，因为混合后的磷光体颗粒随机分布在聚合物上，而不是设置在分散浓密堆积的单层内。
9.相对于衬底表面上的颗粒，嵌入基体内的磷光体颗粒接收到的入射光线的照度较小，因为一些光线在基体-空气边界被反射。照度的减小导致整体光学效率的损失。基体通常也是较差的热导体，并且磷光体的散热效率低下(对于较高功率的装置而言，散热是严重问题，因为最有效的LED/磷光体组合散发的热量仍然超过输入电功率的一半)。
本发明的光线转换器、整合了该光线转换器的灯具及显示器克服了这些缺点。所述光线转换器包括衬底，所述衬底具有设置在该衬底一个表面上的一个区域的第一磷光体颗粒层。所述第一层的厚度大约为一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。在实施例中，所述衬底的厚度介于大约25um到大约500um之间，以便具有柔性，并且在这些实施例中，介于大约0.5mm到2mm，其可以形成刚硬外形。磷光体颗粒的单目重量(screenweight)介于大约0.5mg/cm2到大约40mg/cm2。所述衬底可以包括基体层和粘合层。粘合层可以为发粘表面或聚甲基丙烯酸甲酯或硅酮粘合剂。所述衬底也可以具有反射层和/或压敏粘合层。
光线转换器(或磷光片)包括非常薄、均匀和浓密的发光层，其减小了光线散射，没有角度色彩差异，并且具有可定制化的外形尺寸(formfactor)。所述衬底的厚度介于大约5um到大约500um之间，并且可以大约1mg/CM2到大约50mg/CM2的面密度进行涂设。在一些实施例中，衬底厚度以介于大约25um到大约50um之间。在一些实施例中，衬底厚度以介于大约50um到大约75um之间。在一些实施例中，衬底厚度以介于大约75um到大约100um之间。在一些实施例中，衬底厚度以介于大约100um到大约200um之间。在一些实施例中，衬底厚度以介于大约200um到大约300um之间。在一些实施例中，衬底厚度以介于大约400um到大约500um之间。所形成的磷光层可以密级包装，以便让颗粒通常互相靠近。可以使用单个单颗粒单层，或者在一些实施例中，两个或多个单层或两片或多片可以结合在形成的装置内。可以借助干磷光粉制备光线转换器，而不需要任何磷光体/聚合物混合或处理。磷光体涂设过程几乎不产生废料，并且所有未使用的材料可以回收和再用。可以在与光源分离的情况下制备和测试光线转换器，并且可以定制化切割为各种形状和尺寸，以便直接应用到光源例如LED或遥远表面上。
在一些实施例中，可以借助传统的数字打印(比如喷墨打印)、丝网印刷、模具切割和电镀设备来打印形成光线转换器。
在一些实施例中，粘合衬垫层(adhesivebackinglayer)可以设置到光线转换器上，以便协助粘附到各种表面和光学组件上。光线转换器可以给灯具设计者提供很大程度的自由度。例如，可以将光线转换器直接应用到LED或应用到远离光源的遥远和/或弯曲表面上。
图1展示了与用于照明的现有磷光体比较后的光线转换器的一些实施例的属性。图1A，1C和1E展示了现有技术，而图1B，1D和1F展示了文中揭露的光线转换器的一些实施例。图1A和1B示意性展示了光线转换器的益处。入射光线102从底部射到光线转换器上。现有技术使用了较厚的磷光层，其表现了波导(光管)效应104引起的明显损耗，该效应将入射光的一部分侧向传导通过磷光层，及由图1A所示的材料内的陷阱(trapping)和散射106引起的额外损耗。这些损耗机制减小了净输出108。这些损耗在如图1B所示的薄磷光层内明显减小。相较于现有的与粘结剂(binder)混合的磷光体颗粒涂设形成的磷光体，衬底110的厚度可以为十分之一到二十分之一。陷阱和散射损耗可以忽略，并且大大减小了光管损耗104。图1C和1D分别将现有技术(在聚合物基体内随机分布的磷光体颗粒)的微观图像与具有紧密堆积的颗粒层的薄磷光片进行了比对。图1E和1F示意性展示了紧密堆积的磷光体颗粒结构可以改善色彩随着角度的一致性。穿过了传统磷光体基体的激励光线(比如来自蓝光LED的蓝光)与不同数量的每个磷光体类型(色彩)互相作用，从而使得磷光体颗粒转换的光线不一致。例如，图1E展示了遇到每种类型的不同数量的磷光体颗粒的光线。对比之下，根据本发明的实施例，光线一致地与设置在紧密堆积的单层内的每种磷光体类型的相同数量的颗粒互相作用。图1F展示了遇到每种类型的单个磷光体颗粒的三种光线。图1F所示的多个层可以由单个的单层组装到堆叠的衬底的一个或两个侧面上，或者可以按顺序沉淀粘合层及磷光体颗粒层而形成这些层。
在现有技术中，入射蓝光的吸收及磷光体光线的转换量取决于激励光线的入射角及磷光体基体内的相对通量密度分布。当磷光体作为紧密堆积的颗粒层而设置在衬底表面时，入射光线的吸收及磷光体转换可以与激励光线的入射角及衬底表面下的相对通量密度分布都无关，因为所有的磷光体均在衬底表面上。图F示意性展示了这种效果。蓝光将通常具有相同的磷光体转换效率，而与角度或在磷光片上的位置无关。
光线转换器的实施例的层控制能够实现如图2展示的多种层结构。图2展示了位于磷光片上的两个单层内的两种磷光体的三个非限制性结构例子。图2A展示了随机混合起来且涂设到磷光片上的两种磷光体。图2B展示了两个单层，每个单层具有单个磷光体组分。它们可以涂设到如薄衬底片的两侧，或者由两个薄片形成，每个薄片借助磷光体颗粒单层而涂设到一侧。图2C展示了瓷砖形或图案化的区域，其中，每个瓷砖形或区域具有单一的磷光体组分。显然：这些是两个或多个磷光体在单片上的许多结构的其中三种。此外，在一些实施例中，两个或多个磷光片可以堆叠以形成额外的效果。图2A和2C展示的实施例可以体现为单个单层的形式。
在一些实施例中，可以将光线转化器作为显示器表面使用。例如，光线转化器可以被扫描激光照亮，从而产生图像。可以通过对包含单个磷光体类型的光线转化器进行扫描而产生单色图像。可以通过对包含多种不同色彩的磷光体的光线转化器进行扫描而产生彩色图像。根据应用场合，图案可以为图像自身(图标，字符、文字等)，或可以像彩色阴极射线管那样，设置成像素阵列的形式。
类似地，可以将光线转化器设置在相对于LED的多个位置处。图3展示了布置的例子。图3A展示了光线转化器302直接包裹着单个LED模(die)，可选地借助位于磷光片上方的封装物304实现。这种结构实现了与具有直接涂设到LED模上的磷光体的装置类似的装置。图3B展示了涂设到已经封装好的LED上的光线转换器302。虽然是以扁平的封装表面图示的，类似结构可应用到弯曲的封装表面，比如透镜中使用的弯曲封装表面，以便限制从LED直接发射的光线。图3C和3D展示了遥远磷光体结构的两个例子，在此，光线转换器302设置成远离LED300(即，具有空气间隙306)。远离设置的磷光体结构可以将LED产生的热量散发的设计问题与磷光体光线转换过程产生的热量散发的设计问题分开。远离设置的磷光体也有助于照明设计者创建管型和灯泡型组件，从而取代白炽灯和荧光灯，或创建独特的灯具设计。
在一些实施例中，光线转换器可以热压成型或真空成型为圆形或复杂三维形状，比如图3D和3E显示的形状，及图4A-C显示的额外形状。图3D展示了其上涂设单层磷光体的柱形或球形截面。可以在涂设磷光体前后形成该形状。在一些实施例中，这些三维形状可以由较厚或较薄的柔性衬底(比如0.5-2mm)形成，该衬底具有足够刚度以在成型后保持形状。在一些实施例中，衬底厚度可以介于大约0.5mm到大约0.75mm之间。在一些实施例中，衬底厚度可以介于大约0.75mm到大约1mm之间。在一些实施例中，衬底厚度可以介于大约1mm到大约1.5mm之间。在一些实施例中，衬底厚度可以介于大约1.5mm到大约2mm之间。在一些实施例中，衬底厚度可以介于大约0.5mm到大约0.75mm之间。
在一些实施例中，不是首先形成光线转换器然后将其装配到完工后的装置中，而是将衬底形成于装置内或装置的一部分(比如，作为封装物、透镜、反射器、管体或灯泡表面)，然后将磷光体颗粒单层涂设到装置上或其一部分。可以将单层管体颗粒涂设到任何透明或扩散的散射表面上。在这些实施例中，光线转换器包括形成于装置内的衬底及涂设到该衬底上的磷光体颗粒单层。
在一些实施例中，可以在反射模式中使用光线转换器。可以将光线转换器涂设到反射表面，或，可以将反射层涂设到衬底材料的一侧。图3E展示了远离设置的磷光体的一个例子，其配置成与从磷光体(或磷光体后面的反射表面)反射的光线相互作用。入射光线的一部分可以从磷光片302(或其上安装有磷光片的反射表面308)反射，并且入射光线的一部分由磷光体转换。正如投射磷光片那样，可以在涂设磷光体颗粒、反射层或同时涂设该两者前后，通过热压成型或真空成型来形成圆形或复杂三维形状的反射片。
根据特定场合的需求，光线转换器的衬底可以由多种材料制成。在一些实施例中，在不期望出现高温的场合，可以使用低成本的聚合物比如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和类似聚合物及共聚物。在一些实施例中，可以使用透明烃类橡胶比如聚亚安酯和聚异戊二烯。对于可能超过基于烃类的材料的安全运行温度的高功率装置，可以使用氟化塑料和橡胶及基于硅酮的材料(塑料和橡胶)。
在一些实施例中，衬底材料的折射率可以与光源比如LED上的透镜、遮盖物(covering)或封装物匹配。折射率匹配可以减小或消除光线在中间表面上的折射，并且确保光源发射的光线实质上都到达磷光层。图5解释了该机理。图5A展示了嵌入了具有平坦表面的封装物502内的LED500。反射路径以箭头表示。光线的一部分丢失于封装物内的内反射中，光线的一部分在“逃逸锥”506内发射出去。图5B展示了同样的以磷光片504封装的LED，磷光片504具有与封装物502匹配的衬底折射率。实质上消除了内部反射，并且磷光体表面变成了所示的极其相符的朗伯光源。通过这种方式与不同磷光体构件的组装件已经展现了112-131％的净功率增益(总辐射瓦特输出/辐射蓝光瓦特输入)和124-162％的量子增益(quantumgain)。
在一些实施例中，可以借助柔性或刚性片将光线转换器层压到一侧或两侧，以便在处理和使用过程中保护磷光片。
在一些实施例中，可以将磷光体颗粒涂设到衬底的一侧或两侧。磷光体颗粒可以纯粉末的形式或与适当透明粘结剂混合的形式来涂设。粘结剂的选择仅仅由计划用途限定。例如，在低温时，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯粘合剂，而在较高温度时，基于硅酮的粘合剂可以作为一般用途的粘合剂使用。粘合剂可以作为磷光体颗粒的粘结剂使用，也可以用于将磷光片固定到另一个表面。例如，可以将磷光体颗粒嵌入粘结剂内，所述粘结剂将磷光体颗粒固定到磷光片的一侧，而磷光片的另一侧可以具有透明接触粘合剂，其由可剥离的隔离片(releasesheet)保护，以便将磷光片固定到表面。在一些实施例中，可以在衬底上涂设均匀且发粘的粘合层，并且可以将粉末形式的磷光体干喷、雾喷或涂刷到粘合层。通过研磨磷光材料而制备粉末。在一些实施例中，粉末的平均颗粒尺寸介于大约5um到大约15um之间。任何未粘附到粘合剂上的多余粉末可以被收集和回收。所形成的磷光层可以接近于紧密堆积的单层，虽然堆积密度可能受限于颗粒尺寸、形状和尺寸分布。(通常将磷光体研磨成粉末，该粉末包括的颗粒具有稍微不规则的形状和尺寸分布)
在一些实施例中，通过有序沉淀粘合层和磷光体颗粒单层，可以在衬底的一侧形成两个、三个或更多磷光层。根据计划的用途，连续层都可以涂设到整个衬底，或可以通过将粘合剂涂设到衬底的所选区域上而使得单个层得以图案化。
在一些实施例中，光线转换器的衬底可以利用具有较高导热系数(TC)的材料比如玻璃、石英、蓝宝石(sapphire)和金属(例如用于反射器)来形成。在一些实施例中，具有较高TC的衬底可以直接附设或层压到磷光片的一侧或两侧，以便让极高功率的LED或激光应用具有较佳的磷光体散热性能。
在一些实施例中，可以借助许多光学或热薄膜和结构来涂设或封装暴露的磷光体颗粒，以便增强其在特定场合下的性能。例如，可以将薄氧化铝层涂设到磷光体颗粒的暴露表面上，以便同时避免磷光体受到环境影响，并且改善磷光片的光学和/或热学性能。在另一个例子中，可以将薄硅酮层涂设到磷光体颗粒的暴露表面上，以便同时避免磷光体受到环境影响，并且改善磷光片的光学和/或热学性能。
在一些实施例中，可以用图案化的非-磷光体光学结构来覆盖暴露的磷光体颗粒，以便控制(manipulate)吸收/反射光线，增加光提取(lightextraction)，或对磷光体发射的色彩和带宽进行微调。这些光学结构的例子包括光子晶体、介电纳米结构和金属表面等离子纳米结构。
例子
图6展示了根据本发明实施例的一系列示例性磷光片的净光谱输出。磷光片被峰值波长为450nm的LED光源照亮。表1展示了以流明/瓦特、色彩坐标(CIEx和CIEy)、显色指数(CRI)及相关色温(CCT)表示的以下述方式制备的前三个例子中的每个例子的典型转换效率。
表1
例子1
借助粘合剂将薄聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底涂设到两侧，使得总厚度大约为150-175um。将包含(Y,Gd)3Al5O12:Ce的黄色磷光体涂刷或干喷/雾喷到两个粘合剂表面上，直到完全覆盖，并且没有多余的磷光体颗粒将粘附到表面。将松散的颗粒刷掉或吹掉，并且通过将磷光片放置到蓝光LED的顶部来测试磷光片。所形成的光谱在图6中展示为曲线602，且色彩性能在以上表1中给出。相对辐射的单位是单位波长内的单位面积内的瓦特数。这种光谱曲线为固态照明场合中常常使用的典型光谱曲线。转换效率高，并且显著数量的蓝光未被转换。色温相对较高，但CRI受到限制，因为光谱内的红光相对少，并且色彩为蓝白色。
例子2
借助粘合剂将薄PET衬底涂设到两侧，使得总厚度大约为150-175um。将包含97％的Y3Al5O12:Ce和3％的SrCaSi5N8:Eu的混合(黄色和红色)磷光体涂刷或干喷/雾喷到两个粘合剂表面上，直到完全覆盖，并且没有多余的磷光体颗粒将粘附到表面。将松散的颗粒刷掉或吹掉，并且通过将磷光片放置到蓝光LED的顶部来测试磷光片。所形成的光谱在图6中展示为曲线604，且色彩性能在以上表1中给出。该例子具有较少的残留蓝光，并且相对于例子1，所转换的光线峰值更朝着红光移动。CRI得以改进，虽然色温较低并且转换效率有点低于例子1。
例子3
借助粘合剂将薄PET衬底涂设到两侧，使得总厚度大约为150-175um。将包含SrBaSiO4:Eu的绿色磷光体涂刷或干喷/雾喷到磷光片的一侧，直到完全覆盖，并且没有多余的磷光体颗粒将粘附到表面。将包含SrCaSi5N8:Eu的红色磷光体涂刷或干喷/雾喷到第二粘合层表面或磷光片侧边，直到完全覆盖，并且没有多余的磷光体颗粒将粘附到表面。将松散的颗粒刷掉或吹掉，并且通过将磷光片放置到蓝光LED的顶部来测试磷光片。所形成的光谱在图6中展示为曲线606，且色彩性能在以上表1中给出。使用包含了具有更红输出的磷光片的两个磷光片大大改善了CRI，提供了暖白色和高色温。这些益处通过部分牺牲转换效率而获得。
例子4
借助硅酮粘合剂将薄PET衬底涂设到两侧，使得总厚度大约为150-175um。将PET衬垫片(linersheet)层压到硅酮粘合剂片的每一侧，以便让可剥离的保护片完全覆盖所述粘合剂。在让粘合层保持完整的情况下，使用模切机在衬垫片的一侧或两侧切除特定的图案、字母和/或图形。将模切衬垫的所选部位剥离和移除，进而让下面的粘合层暴露出来。将类似或不同颜色的磷光体和组分比如(Y,Gd,Lu)3Al5O12:Ce,SrBaCaSiO4:Eu,SrBaCaGa2S4:Eu，及/或SrBaCaSi5N8:Eu涂刷、干喷/雾喷到片的暴露出来的所选部位，直到完全覆盖，并且没有多余的磷光体颗粒将粘附到表面。将松散的颗粒刷掉或吹掉。然后，将粘合剂的另一个部位暴露出来，并且将类似或不同的磷光体组分涂设上去，直到完全覆盖，并且没有多余的磷光体颗粒将粘附到表面。将松散的颗粒刷掉或吹掉。该流程可以根据需要在粘合片的其中一侧重复多次，并且使用尽可能不同的磷光体组分或色彩来进行，以便获得需要的色彩图案。不同的片上也可以产生不同的图案和色彩，然后将这些片层压在一起，或层压到第二衬底上，以实现保护和处理之目的。这种图案和色彩并不受限于磷光体，并且也可以包括非发光的白色或黑色光学粉末，以便提高对比度，或让成品片获得一定的综合不透明色。
借助该技术生产的图案和层压片的各种例子展示于图7。图7A展示了通过模切形成的用于抓取-和-放置(pickandplace)组件的黄色磷光体盘。图7B展示了使用了红、绿、蓝磷光体生产的多色符合的样品(比如，背景为蓝色，字母为红色，而箭头为绿色)。图7C展示了具有不同颜色的磷光体交替设置的光线转换器。这种光线转换器可以与比如可寻址或可扫描的光源一起使用，以便产生具有颜色可编程的光线转换器。图7D展示了可旋转的图案盘，其每个扇区具有不同磷光体组分，其可用于产生具有色温可调(如图所示的3000-5500K)的灯具。比如，盘可以放置在一个或多个LED702的前方，并且旋转到一定位置，以便将一个或多个扇区暴露在来自这些LED的光线中。可旋转的图案盘能够让用户通过将盘物理旋转到特定位置而对磷光体转换后的LED色彩进行定制。该盘提供了低成本的动态LED色彩控制，而不必使用多色LED来电子控制灯具颜色，这是业界已知的。
应理解：本发明的一个或多个实施例的描述并不限制各种可选的、修改的和等同的实施例，这些实施例也可以包含本发明通过以下权利要求限定的本意和范围内。此外，在以上详述中，阐述了大量细节以便理解本发明的各个实施例。然而，可以在没有这些细节的情况下实施本发明的一个或多个实施例。在其他情形中，并未详细描述已知的方法、程序和组件，以便不会导致本发明的实施例没必要地变得晦涩难懂。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种光线转换器，包括：
衬底，其具有设置在该衬底一个表面上的一个区域的第一磷光体颗粒层，
其特征在于：所述衬底的厚度介于25um到大约2mm之间，且由一个或多个聚合物组成，
其特征在于：所述第一层的厚度大约为一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。
2.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底的厚度介于大约25um到大约500um之间。
3.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底的厚度介于大约0.5mm到2mm。
4.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述磷光体颗粒的单目重量介于大约0.5mg/cm2到大约40mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底包括基体层和第一粘合层。
6.根据权利要求5所述的光线转换器，其特征在于：所述第一粘合层包括聚甲基丙烯酸甲酯粘合剂。
7.根据权利要求5所述的光线转换器，其特征在于：所述第一粘合层包括硅酮粘合剂。
8.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底进一步包括反射层。
9.根据权利要求1所述的光线转换器，进一步包括位于所述磷光片的一个表面上的压敏粘合层。
10.根据权利要求1所述的光线转换器，进一步包括第二磷光体颗粒层，其特征在于：所述第二磷光体颗粒层设置在所述衬底的第二侧面上，
其中，所述第二磷光体颗粒层的厚度为大约一个单层，并且所述第二磷光体颗粒层中的磷光体颗粒形成了均匀和浓密的层。
11.根据权利要求5所述的光线转换器，进一步包括设置在所述第一磷光体颗粒层上的第二粘合层及设置在第二粘合层上的第二磷光体颗粒层，
其中，所述第二磷光体颗粒层的厚度为大约一个单层，并且所述第二磷光体颗粒层中的磷光体颗粒形成了均匀和浓密的层。
12.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底的折射率实质上与将光源封装起来的材料的折射率相同。
13.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底包括聚合物。
14.根据权利要求13所述的光线转换器，其特征在于：所述聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
15.根据权利要求13所述的光线转换器，其特征在于：所述聚合物包括硅酮。
16.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述聚合物包括玻璃或金属。
17.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底透明、具有反射性或扩散性。
18.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述磷光体颗粒吸收峰值波长介于大约360nm到大约490nm之间的光线，并且发射出峰值发射波长大于所吸收光线的峰值波长的光线。
19.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述磷光体颗粒两种或多种材料，每种材料的峰值发射波长均互相不同。
20.根据权利要求19所述的光线转换器，其特征在于：所述两种或多种材料在磷光层内混合起来。
21.根据权利要求19所述的光线转换器，其特征在于：所述两种或多种材料设置在单独的磷光层内。
22.根据权利要求19所述的光线转换器，其特征在于：所述两种或多种材料设置在磷光片的单独且分散的区域内。
23.根据权利要求1所述的光线转换器，进一步包括非磷光体光学材料层，其设置在所述第一磷光体颗粒层上，其中所述非磷光体光学材料层包括光子晶体、介电纳米结构和金属表面等离子纳米结构中的一个或多个。
24.一种形成光线转换器的方法，包括：
提供一种具有粘合表面的衬底，所述衬底的厚度介于25um到大约2mm之间，且由一个或多个聚合物组成；及
在所述衬底的粘合表面上形成至少一个第一磷光体颗粒层；
其中，所述第一层的厚度为大约一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：通过对所述衬底加热直到表面发粘而形成所述粘合表面。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：通过直接在所述衬底的区域上形成第一粘合层来形成所述粘合表面。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
将第二粘合层形成于所述第一磷光体颗粒层上，并且
在所述第一磷光体颗粒层上的第二粘合层上形成第二磷光体颗粒层。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：在所述衬底的区域上形成第二粘合层，并且
在所述第二粘合层上形成第二磷光体颗粒层。
29.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述第一磷光体颗粒层的形成包括将磷光体颗粒干喷、雾喷或涂刷到所述粘合层。
30.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述形成步骤在卷对卷制造流水线上实施。
31.一种根据权利要求24所述的方法制备的光线转换器。
32.一种包含权利要求1中所述的光线转换器的发光装置，进一步包括光源，所述光源的峰值发射波长介于大约360nm到大约490nm之间。
33.根据权利要求32所述的发光装置，其特征在于：所述光源包括发光二极管。
34.根据权利要求32所述的发光装置，其特征在于：所述光源包括激光。

Claims (34)

1.一种光线转换器，包括：
衬底，其具有设置在该衬底一个表面上的一个区域的第一磷光体颗粒层，
其特征在于：所述第一层的厚度大约为一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。
2.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底的厚度介于大约25um到大约500um之间。
3.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底的厚度介于大约0.5mm到2mm。
4.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述磷光体颗粒的单目重量介于大约0.5mg/cm2到大约40mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底包括基体层和第一粘合层。
6.根据权利要求5所述的光线转换器，其特征在于：所述第一粘合层包括聚甲基丙烯酸甲酯粘合剂。
7.根据权利要求5所述的光线转换器，其特征在于：所述第一粘合层包括硅酮粘合剂。
8.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底进一步包括反射层。
9.根据权利要求1所述的光线转换器，进一步包括位于所述磷光片的一个表面上的压敏粘合层。
10.根据权利要求1所述的光线转换器，进一步包括第二磷光体颗粒层，其特征在于：所述第二磷光体颗粒层设置在所述衬底的第二侧面上，
其中，所述第二磷光体颗粒层的厚度为大约一个单层，并且所述第二磷光体颗粒层中的磷光体颗粒形成了均匀和浓密的层。
11.根据权利要求5所述的光线转换器，进一步包括设置在所述第一磷光体颗粒层上的第二粘合层及设置在第二粘合层上的第二磷光体颗粒层，
其中，所述第二磷光体颗粒层的厚度为大约一个单层，并且所述第二磷光体颗粒层中的磷光体颗粒形成了均匀和浓密的层。
12.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底的折射率实质上与将光源封装起来的材料的折射率相同。
13.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底包括聚合物。
14.根据权利要求13所述的光线转换器，其特征在于：所述聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
15.根据权利要求13所述的光线转换器，其特征在于：所述聚合物包括硅酮。
16.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述聚合物包括玻璃或金属。
17.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述衬底透明、具有反射性或扩散性。
18.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述磷光体颗粒吸收峰值波长介于大约360nm到大约490nm之间的光线，并且发射出峰值发射波长大于所吸收光线的峰值波长的光线。
19.根据权利要求1所述的光线转换器，其特征在于：所述磷光体颗粒两种或多种材料，每种材料的峰值发射波长均互相不同。
20.根据权利要求19所述的光线转换器，其特征在于：所述两种或多种材料在磷光层内混合起来。
21.根据权利要求19所述的光线转换器，其特征在于：所述两种或多种材料设置在单独的磷光层内。
22.根据权利要求19所述的光线转换器，其特征在于：所述两种或多种材料设置在磷光片的单独且分散的区域内。
23.根据权利要求1所述的光线转换器，进一步包括非磷光体光学材料层，其设置在所述第一磷光体颗粒层上，其中所述非磷光体光学材料层包括光子晶体、介电纳米结构和金属表面等离子纳米结构中的一个或多个。
24.一种形成光线转换器的方法，包括：
提供一种具有粘合表面的衬底，及
在所述衬底的粘合表面上形成至少一个第一磷光体颗粒层；
其中，所述第一层的厚度为大约一个磷光体颗粒单层，并且所述第一层中的磷光体颗粒形成了均匀的浓密层。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：通过对所述衬底加热直到表面发粘而形成所述粘合表面。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：通过直接在所述衬底的区域上形成第一粘合层来形成所述粘合表面。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
将第二粘合层形成于所述第一磷光体颗粒层上，并且
在所述第一磷光体颗粒层上的第二粘合层上形成第二磷光体颗粒层。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：在所述衬底的区域上形成第二粘合层，并且
在所述第二粘合层上形成第二磷光体颗粒层。
29.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述第一磷光体颗粒层的形成包括将磷光体颗粒干喷、雾喷或涂刷到所述粘合层。
30.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：所述形成步骤在卷对卷制造流水线上实施。
31.一种根据权利要求24所述的方法制备的光线转换器。
32.一种包含权利要求1中所述的光线转换器的发光装置，进一步包括光源，所述光源的峰值发射波长介于大约360nm到大约490nm之间。
33.根据权利要求32所述的发光装置，其特征在于：所述光源包括发光二极管。
34.根据权利要求32所述的发光装置，其特征在于：所述光源包括激光。
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