波长转换装置及其制造方法与流程

1.本发明关于一种光学装置及其制造方法，且特别关于一种波长转换装置及其制造方法。


背景技术：

2.波长转换层可通过将例如硅胶等有机胶与荧光粉混合后，对其加热固化后制成。然而，包括有机胶的波长转换层较不耐高温与热传导性较不佳。基于此，采用无机胶作为波长转换层的材料已是现在的趋势之一，举例而言，可采用无机胶制得荧光玻璃片(phoshpor in glass；pig)或荧光陶瓷片(phoshpor in ceramic；pic)等。其中荧光陶瓷片具有高耐温性、高热传导性、高透光性等优点。荧光陶瓷片制造流程通常包含依序地进行球磨粉碎、配料、混合、成形、干燥以及烧结等制程，且于烧结荧光陶瓷片时多采用静压制程烧结，其不易操作且制造成本高。经过静压制程烧结后的荧光陶瓷片具有平坦的表面，后续于荧光陶瓷片的表面上镀抗反射层，以减少光反射。
[0003]“现有技术”段落只是用来帮助了解本

技术实现要素：
，因此在“现有技术”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现有技术。在“现有技术”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
[0004]
本发明提供一种波长转换装置的制造方法，其制程便利且可降低制造成本，本发明还提供一种波长转换装置，其具有高的光转换效率。
[0005]
本发明的波长转换装置的制造方法包括以下步骤。通过溶胶-凝胶法于基板上形成波长转换材料层，且波长转换材料层包括第一胶状材料以及荧光材料。固化波长转换材料层，从而形成包括多个第一微结构的波长转换层。固化波长转换材料层的步骤包括利用激光照射波长转换材料层。
[0006]
本发明的波长转换装置包含基板及波长转换层。波长转换层在远离基板的表面上包含多个第一微结构，且波长转换层可借由以下方法制成。通过溶胶-凝胶法于基板上形成波长转换材料层，且波长转换材料层包括第一胶状材料以及荧光材料。固化波长转换材料层，从而形成包括多个第一微结构的波长转换层。固化波长转换材料层的步骤包括利用激光照射波长转换材料层。
[0007]
基于上述，本发明的一实施例通过溶胶-凝胶法于基板上形成波长转换材料层。波长转换材料层中的第一胶状材料经激光烧结可熔化而黏结荧光材料以及基板，借此形成波长转换层。在此制程中，波长转换层可固定于基板上，且不需额外使用例如胶带等黏贴物。本发明的方法可增加制程的便利性，且可简化制程及降低制造成本。借由本发明的方法形成的波长转换层包括多个第一微结构，其可容许激光源发出的大部分光束入射至波长转换层，降低光束的反射，因此可增加波长转换层的光转换效率。
附图说明
[0008]
图1为本发明一实施例的波长转换装置的制造方法的流程图。
[0009]
图2a为本发明一实施例的波长转换装置的局部剖面示意图。
[0010]
图2b为本发明另一实施例的波长转换装置的局部剖面示意图。
[0011]
图3为本发明另一实施例的波长转换装置的制造方法的流程图。
[0012]
图4为本发明又一实施例的波长转换装置的局部剖面示意图。
具体实施方式
[0013]
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。本发明也可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。附图中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。另外，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。
[0014]
图1为本发明一实施例的波长转换装置的制造方法的流程图。请参照图1，在步骤s100中，通过溶胶-凝胶法于基板上形成波长转换材料层。在一些实施例中，波长转换材料层包括第一胶状材料以及荧光材料，第一胶状材料例如包含金属氢氧化物，其金属的种类可视进行溶胶-凝胶法的前驱物而定。举例而言，第一胶状材料可例如包括氢氧化铝。荧光材料可例如是无机荧光材料，本发明并无特别限制。在一些实施例中，荧光材料包括多个荧光粒子，其中荧光粒子被激发光束照射后，将产生色光。
[0015]
以下将介绍波长转换材料层借由溶胶-凝胶法而形成的一实施例，如图1所示，步骤s100包含步骤s110、步骤s120、及步骤s130，但本发明不局限于此。
[0016]
请参照图1，在步骤s110中，混合第一无机材料、荧光材料以及第一溶剂，以形成第一前驱物溶液。第一无机材料例如可包含陶瓷前驱物材料。在一些实施例中，第一无机材料包括氯化铝(alcl3)、硝酸铝(al(no3)3)或其组合等金属盐类，但本发明不局限于此。在其他的实施例中，第一无机材料可包括金属烷氧基化合物。第一溶剂可例如是有机溶剂，本发明并无特别限制。
[0017]
在步骤s120中，对第一前驱物溶液进行搅拌，以形成第一凝胶。在搅拌第一前驱物溶液的过程中可进一步进行升温。详细地说，混合第一无机材料、荧光材料以及第一溶剂形成第一前驱物溶液后，可将第一前驱物溶液加热至60℃～100℃且搅拌10分钟至120分钟，第一无机材料可与第一溶剂进行水解反应及缩聚反应，其中水解反应使得第一无机材料中的金属阳离子水解而形成为带有羟基(-oh)的活性单体，缩聚反应使得所述活性单体彼此聚合而脱水，以形成第一胶状材料(溶胶)。第一胶状材料进一步逐渐聚合，从而与荧光材料一起形成第一凝胶，例如陶瓷凝胶。在另一些实施例中，在第一前驱物溶液中可选择性地加入黏着剂，例如可在搅拌过程中添加该黏着剂。黏着剂例如是可溶于第一溶剂的聚合物。举例而言，黏着剂可包括聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚乙烯吡咯烷酮或其组合。
[0018]
在步骤s130中，涂布第一凝胶于基板上。涂布第一凝胶于基板上的方法可例如是进行刮刀成型法、点胶法、印刷成型法或射出成型法。至此，波长转换材料层已形成于基板上。
[0019]
在步骤s200中，固化波长转换材料层，从而形成包括多个第一微结构的波长转换层。在本实施例中，固化波长转换材料层的方式包括利用激光烧结波长转换材料层。详细地说，波长转换材料层经激光照射后，其中的第一胶状材料会熔化变形而黏结荧光材料以及基板，借此形成具有板状结构的波长转换层，但需注意此激光产生的热源的温度不高于荧光材料的熔点。因此，荧光材料不会熔化变形。本实施例的波长转换材料层中的第一胶状材料经激光烧结可熔化而黏结荧光材料以及基板。在上述制程中，波长转换层可固定于基板上，且不需额外使用例如胶带等黏贴物，因此可增加制程的便利性。
[0020]
在一些实施例中，第一胶状材料经激光照射可熔化变形，从而在经激光照射的表面上形成多个第一微结构，且在相邻的两微结构之间可形成第一凹槽。举例而言，当如此制造的波长转换装置应用于投影系统中时，来自光源系统(未显示)的激光源(laser light source)的蓝光照射至波长转换层的表面，由于该表面具有多个第一微结构及位于其间多个第一凹槽，部分蓝光可进入第一凹槽而不被反射，进而可激发波长转换层中的荧光材料以例如发出黄光。由于被反射的蓝光较少，因此可增加波长转换层的光转换效率。基于此，本实施例的波长转换层在未额外设置抗反射层的情况下，亦可具有较佳的抗反射能力，因此可降低制造成本。
[0021]
在一些实施例中，波长转换层的厚度例如是0.1mm-0.5mm。在进一步的实施例中，第一凹槽的深度小于波长转换层的厚度的一半，例如，第一凹槽的深度可小于0.25mm。在一些实施例中，波长转换层的多个第一凹槽可呈阵列排列。
[0022]
在一些实施例中，在步骤200中，利用激光烧结波长转换材料层时，激光的功率、扫描速度、及激光频率等参数可影响所形成的微结构的间距及凹槽的深度。举例而言，利用激光烧结波长转换材料层时，激光的功率较低，则第一凹槽的深度可较浅；激光的扫描速度较低，则微结构的间距可较远。因此，可依据期望的微结构间距及/或凹槽深度，选择激光烧结的相关参数，本发明并未特别限制。
[0023]
在一些实施例中，在利用激光照射波长转换材料层之前，可对波长转换材料层进行热处理，以使第一溶剂至波长转换材料层中挥发。
[0024]
在一些实施例中，波长转换装置的波长转换层的材料可包括无机材料以及荧光材料，且可进一步包括黏着剂。在一些实施例中，波长转换层的无机材料例如可包含氧化铝(al2o3)、氧化钇(y2o3)、氧化镥(lu2o3)、或其组合。所形成的荧光材料例如可包含钇铝氧石榴石、镥铝氧石榴石或其组合。举例而言，当进行溶胶-凝胶法的前驱物为氯化铝时，氯化铝可在第一溶剂中经水解及聚合而形成氢氧化铝凝胶，氢氧化铝凝胶经激光烧结而形成固态氧化铝。黏着剂可例如使波长转换层中的无机材料进一步与荧光材料黏着，其亦使波长转换层可稳固地黏着于基板上。
[0025]
需特别说明的是，本实施例的波长转换装置的制造方法虽然是以上述方法为例进行说明，但本发明的波长转换装置的制造方法并不局限于此。
[0026]
图2a为本发明一实施例的波长转换装置的局部剖面示意图，图2b为本发明另一实施例的波长转换装置的局部剖面示意图。图2a至图2b的实施例沿用图1的实施例的部分内容及标号，且可省略了相同或类似的技术内容说明。
[0027]
请参照图2a，波长转换装置10a包括基板100以及波长转换层200。基板100的材料可例如为铝、铝合金、铜、铜合金、氮化铝或碳化硅，以具有良好的导热率与耐热性。波长转
换层200例如设置于基板100上。在一些实施例中，波长转换层200可包括无机材料以及荧光材料，且还可包括黏结剂。在一些实施例中，波长转换层200的厚度t200为0.1mm-0.5mm。波长转换层200远离基板100的表面202上例如具有多个第一微结构200a1，其中相邻的第一微结构200a1之间具有多个第一凹槽200h1。第一微结构200a1可例如具有火山口的形态，即，在第一微结构200a1的中央具有凹陷，但本发明不局限于此。第一凹槽200h1的深度d1例如小于波长转换层200的厚度t200的一半。例如，第一凹槽200h1的深度d1可小于0.25mm。在一些实施例中，波长转换层200的多个第一微结构200a1及/或第一凹槽200h1可呈阵列排列。
[0028]
本实施例的波长转换装置10a的波长转换层200包括多个第一微结构200a1。当该波长转换装置10a应用于投影系统中时，来自光源系统的激光源的蓝光照射至波长转换层200的具有多个第一凹槽200h1的表面202时，部分的蓝光可进入第一凹槽200h1而不被反射，因此，较多的蓝光可激发波长转换层200中的荧光材料以例如发出黄光，借此可增加本实施例的波长转换层200的光转换效率。基于此，本实施例的波长转换层200在未设置抗反射层的情况下即可具有较佳的抗反射能力，因此可降低制造成本。
[0029]
请参照图2b，本实施例的波长转换装置10b亦包括基板100以及波长转换层200。本实施例的波长转换装置10b与波长转换装置10a的主要差异在于：第一凹槽200h2的深度d2大于第一凹槽200h1的深度d1，且相邻第一凹槽200h2之间的距离大于相邻第一凹槽200h1之间的距离，亦即，相较于第一微结构200a1，,第一微结构200a2的尺寸增加。上述差异的原因形成的原因包含：形成第一凹槽200h2的激光的功率较大且扫描速度较快。类似于波长转换装置10a，本实施例的波长转换装置10b亦具有较高的光转换效率，于此不再赘述。
[0030]
在一些实施例中，在步骤s100及步骤s200之前，可在基板上形成漫反射层，该漫反射层位于基板与波长转换层之间。图3为本发明另一实施例的波长转换装置的制造方法的流程图。请参照图3，在步骤s10中，通过溶胶-凝胶法于基板上形成漫反射材料层。在一些实施例中，漫反射材料层包括第二胶状材料以及漫反射材料。第二胶状材料例如是金属氢氧化物，其金属的种类可视进行溶胶-凝胶法的前驱物而定。举例而言，第二胶状材料可例如包括氢氧化铝。漫反射材料可例如包括多个具有高反射率的白色散射粒子，以利于反射光束。在一些实施例中，漫反射材料可为二氧化钛、氧化铝、硫酸钡、氮化铝或其组合。
[0031]
以下将介绍借由溶胶-凝胶法形成漫反射材料层的实施例，但本发明不局限于此。如图3所示，步骤s10包含步骤s11、步骤s12、及步骤s13，但本发明不局限于此。在步骤s11中，混合第二无机材料、漫反射材料以及第二溶剂，以形成第二前驱物溶液。在一些实施例中，第二无机材料包括氯化铝、硝酸铝或其组合等金属盐类，但本发明不局限于此。在其他的实施例中，第二无机材料可包括金属烷氧基化合物。第二溶剂可例如是有机溶剂，本发明并无特别限制。
[0032]
在步骤s12中，对第二前驱物溶液进行升温及搅拌，以形成第二凝胶。在搅拌第二前驱物溶液的过程中可进一步进行升温。详细地说，在混合第二无机材料、漫反射材料以及第二溶剂形成第二前驱物溶液后，可将第二前驱物溶液加热至60℃～100℃且搅拌10分钟至120分钟，第二无机材料可与第二溶剂进行水解反应以及缩聚反应，其中水解反应使得第二无机材料中的金属阳离子水解而形成为带有羟基(-oh)的活性单体，缩聚反应使得所述活性单体彼此聚合而脱水，以形成第二胶状材料(溶胶)。第二胶状材料会进一步逐渐聚合，从而与漫反射材料形成第二凝胶。在另一些实施例中，在第二前驱物溶液中可选择性地加
入黏着剂。黏着剂例如是可溶于第二溶剂的聚合物。
[0033]
在步骤s13中，涂布第二凝胶于基板上。涂布第二凝胶于基板上的方法类似涂布第一凝胶，在此不加赘述。至此，漫反射材料层已形成于基板上。
[0034]
在步骤s20中，固化漫反射材料层，从而形成包括多个第二微结构的漫反射层。在本实施例中，固化漫反射材料层的方式包括利用激光烧结漫反射材料层，其与固化波长转换材料层的方式类似，在此不加赘述。
[0035]
在一些实施例中，第二胶状材料经激光照射后熔化变形，从而在的表面上形成多个第二微结构，且在相邻的两微结构之间可形成多个第二凹槽。
[0036]
在一些实施例中，第二凹槽的深度小于漫反射层的厚度的一半。即，第二凹槽的深度可例如是小于0.25mm。在一些实施例中，漫反射层具有的第二凹槽可呈阵列排列。在一些实施例中，漫反射层的厚度例如是0.02mm-0.5mm。由于漫反射层包括漫反射材料，其具有高反射率，使得部分的光束进入第二凹槽后可经多次反射后再出射。
[0037]
在另一些实施例中，在利用激光照射漫反射材料层之前，可对漫反射材料层进行热处理，以使第二溶剂至漫反射材料层中挥发。
[0038]
在一些实施例中，漫反射层的材料可包括无机材料以及漫反射材料，且可进一步包括黏着剂。在一些实施例中，漫反射层的漫反射材料可包含二氧化钛、氧化铝、硫酸钡、氮化铝或其组合，漫反射层的无机材料可包含氯化铝、硝酸铝或其组合。举例而言，当进行溶胶-凝胶法的前驱物为氯化铝时，氯化铝可在第一溶剂中经水解及聚合而形成氢氧化铝凝胶，氢氧化铝凝胶经激光烧结而形成固态氧化铝。黏着剂可例如使漫反射层中的无机材料进一步与漫反射材料黏着，其亦使漫反射层可稳固地黏着于基板上。
[0039]
请参照图3，步骤s100’～步骤s200’与步骤s100～步骤s200类似，其主要差异在于步骤s100’～步骤s200’系于漫反射层的表面上形成波长转换材料层。在进一步的实施例中，波长转换材料层可填补漫反射层的第二凹槽。
[0040]
基于上述，本实施例在基板上形成漫反射层，其可反射通过波长转换层的光束，使得较多的光束可返回至波长转换层，从而增加波长转换装置的光转换效率。需特别说明的是，本实施例的波长转换装置的制造方法虽然是以上述方法为例进行说明，但本发明的波长转换装置的制造方法并不局限于此。
[0041]
图4为本发明又一实施例的波长转换装置的局部剖面示意图。图4的实施例沿用图2a与图3的实施例的部分内容及标号，且省略了相同技术内容的说明，关于省略部分的说明可参考前述实施例描述与效果，下述实施例不再重复赘述。
[0042]
请参照图4，本实施例的波长转换装置10c包括基板100、波长转换层200以及设置于基板100与波长转换层200之间的漫反射层300。漫反射层300的远离基板100的表面302上例如可包含多个第二微结构300a，其中相邻两第二微结构300a之间可形成第二凹槽300h。第二微结构300a例如可呈火山口形态，即，在第二微结构300a的中央可凹陷，但本发明不局限于此。第二凹槽的300h深度d3可小于漫反射层300的厚度t300的一半。在一些实施例中，第二凹槽的300h深度d3可小于0.25mm。在一些实施例中，漫反射层300的第二微结构300a及/或第二凹槽300h可呈阵列排列。在一些实施例中，漫反射层300可包括无机材料及漫反射材料，且还可包括黏结剂。在一些实施例中，漫反射层300的厚度t300为0.02mm-0.5mm。
[0043]
综上所述，本发明的波长转换装置的波长转换层包括多个第一微结构及多个第一
凹槽，当光束照射至波长转换层具有多个第一凹槽的表面时，较多的光束可进入第一凹槽而不被反射，从而使得较多的光束可激发波长转换层中的荧光材料，以发出转换光束黄光，借此可增加本实施例的波长转换装置的光转换效率。再者，形成于波长转换层下方的漫反射层可进一步使较多的光束返回至波长转换层，以激发荧光材料，亦可进一步增加本实施例的波长转换装置的光转换效率。本发明的实施例通过溶胶-凝胶法于基板上或漫反射层上形成漫反射层或波长转换材料层，制程的便利性较佳，制程道数较少，及/或制造成本较低。
[0044]
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依照本发明权利要求书及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达到本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索，并非用来限制本发明的权利范围。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。
[0045]
附图标记说明：
[0046]
10a、10b、10c:波长转换装置
[0047]
100:基板
[0048]
200:波长转换层
[0049]
200a1、200a2:第一微结构
[0050]
200h1、200h2:第一凹槽
[0051]
202、302:表面
[0052]
300:漫反射层
[0053]
300a:第二微结构
[0054]
300h:第二凹槽
[0055]
d1、d2、d3:深度
[0056]
s 10、s 11、s 12、s 13、s20、s100、s 100’、s110、s 110’、s120、s120’、s 130、s130’、s200、s200’:步骤
[0057]
t200、t300:厚度。