(57)【要約】光変換デバイスが、開示される。光変換デバイスは、基材と、波長変換素子（１１１）とを含む。波長変換素子（１１１）は、ケイ酸ナトリウム等の無機結合剤を含む。また、開示されるものは、蛍光体ホイールと、そのような蛍光体ホイールを含む、光エンジンである。さらに開示されるものは、約６０Ｗ〜約３００Ｗのパワーを有する、レーザと、光変換デバイスとを備える、高パワーレーザ投影ディスプレイシステムである。無機結合剤の使用は、合理的なコストにおける高い熱安定性を可能にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光体ホイールであって、
ディスクの形状の基材と、
前記基材に対して法線方向の軸の周囲で前記基材を回転させるように配列されたモータと、
前記基材上に配置された波長変換素子であって、前記波長変換素子は、励起波長の光を吸収し、放射波長の光を生成するように構成され、かつ無機結合剤と、蛍光体とを含む、波長変換素子
を備える、蛍光体ホイール。
【請求項２】
前記無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムを含む、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項３】
ＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの比は、約２：１〜約３．７５：１である、請求項２に記載の蛍光体ホイール。
【請求項４】
前記無機結合剤は、ケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、および無機ゾルゲルから成る群から選択される無機材料を含む、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項５】
前記蛍光体対前記無機結合剤の重量比は、約１：１〜約５：１である、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項６】
前記無機結合剤は、実質的に光学的に透明である、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項７】
前記無機結合剤は、少なくとも８０％の光透過率を有する、請求項６に記載の蛍光体ホイール。
【請求項８】
前記無機結合剤は、２００℃を上回る温度に耐えることが可能である、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項９】
前記無機結合剤は、少なくとも１００ｐｓｉの接合強度を有する、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項１０】
前記無機結合剤は、約１００℃〜約５００℃の硬化温度を有する、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項１１】
前記無機結合剤は、約０ｃＰ〜約２，０００ｃＰの粘性を有する、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項１２】
前記波長変換素子は、約０．０５ｍｍ〜約３ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項１３】
前記無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムを含む、請求項１に記載の蛍光体ホイール。
【請求項１４】
光エンジンであって、
請求項１に記載の前記蛍光体ホイールと、
前記励起波長の光に前記蛍光体ホイールの前記波長変換素子を暴露させるように配列された光源と
を備える、光エンジン。
【請求項１５】
蛍光体ホイールを作製するための方法であって、
無機結合剤と、蛍光体とを含む波長変換素子をディスクの形状の基材に適用すること、
前記基材に対して法線方向の軸の周囲で前記基材を回転させるようにモータを配列することと
を含む、方法。
【請求項１６】
前記波長変換素子は、分注、噴霧、ブラシ塗布、またはシルク印刷によって前記基材に適用される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記無機結合剤を硬化させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記無機結合剤は、約１００℃〜約５００℃の温度において硬化される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムを含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、投影ディスプレイシステム、およびそのようなシステムにおいて使用される、蛍光体ホイール等の光学的光変換デバイスに関する。本開示はまた、概して、ソリッドステートデバイス、およびそれによって提供される、照明に関する。本デバイスは、無機結合剤を使用する、波長変換素子を含む。これらは、異なる色の光または異なる波長の光を生産するための、光学デバイスにおいて使用される。
【背景技術】
【０００２】
蛍光体ホイールは、デジタル光処理（ＤＬＰ）技術を使用する、投影ベースまたは他の画像生成システム等の、種々の光学デバイスにおいて使用される。蛍光体ホイールは、モータに結合されると、ロータとして作用する円筒体である、ハブ部分を備える。通常は、金属プレートまたは基材である、光学的に活性な半径方向部分が、ハブ部分に取り付けられる、またはそれと統合される。光学的に活性な半径方向部分上の波長変換材料（蛍光体）が、入射励起光とは異なる波長の放射光を生成する。青色レーザ照明源が、多くのレーザプロジェクタにおいて一般的に使用される。
【０００３】
ソリッドステート照明は、一般的には、熱放射（例えば、白色光）または蛍光発光とは対照的に、ソリッドステート電界発光によって放射される光を指す。ソリッドステート光は、一般的には、青色光を生産する。しかしながら、他の色もまた、有用であり／所望され得る。
【０００４】
蛍光体等の波長変換材料が、典型的には、２つの方法のうちの一方で提供される。第１に、蛍光体含有シリコーン製品では、蛍光体粉末が、シリコーン結合剤または接着剤の中に混合され、次いで、所望されるパターンで分注または印刷される。シリコン結合剤は、その高い透明度、高い接合強度、より低い屈折率、および適切な粘性に起因して人気を博している。例えば、人気を博している結合剤選択肢は、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ（登録商標）  ＯＥ−６３３６、すなわち、Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ（登録商標）によって製造される、シリコーン接着剤であり、これは、１，４２５センチポアズ（ｃＰ）の混合粘性、４５０ｎｍにおいて９９．６％の透明度、および１ｍｍの厚さ、１．４の屈折率、および１５０℃において６０分の熱硬化時間を有する。
【０００５】
しかしながら、シリコーン結合剤／接着剤は、不十分な熱安定性を有する。２００℃を超える温度において、シリコーン接着剤は、分解し、典型的には、黄色くなり始め、徐々に燃焼し始めるであろう。これは、望ましくないことに、蛍光体ホイールのための短い運用寿命につながり、光変換効率が、熱消失に起因して急激に（＞１０％＠２００℃）低下することが観察されている。１９５℃を上回る温度における蛍光体ホイールにおいて、蛍光体含有シリコーン層が、約１，０００時間後に亀裂することもまた、見出されている。約１８５℃の低下された温度においては、蛍光体性能は、２０，０００時間後にいかなる亀裂も伴わずに、１０％の減少のみを呈することが見出された。高輝度（例えば、レーザパワー最高３００Ｗ）を伴う用途では、蛍光体ホイールの温度は、概して、２００℃を上回ることが予期され、したがって、シリコン接着剤の使用を望ましくないものにする。すなわち、蛍光体含有シリコーン製品は、高パワーレーザプロジェクタでは長い稼働寿命を達成することはできない。そのような製品のための寿命試験では、安全な作用温度が、１５０℃を下回るように制御されるべきことが、確立された。したがって、蛍光体ホイール等の光学光変換デバイスの上での、またはそのための反射層としての有機結合剤（例えば、シリコーン）の使用は、そのような有機結合剤の温度上限に起因して、望ましくない。
【０００６】
第２に、蛍光体含有セラミック製品では、蛍光体が、セラミック結合剤と混合され、焼結され、固体の蛍光体含有セラミック製品を作製する。蛍光体含有セラミック製品は、最高３００℃の良好な動作温度を有する。しかしながら、焼結温度は、１，０００℃をはるかに超え、結果として、そのような製品もまた、非常に高コストである。
【０００７】
したがって、効率および動作寿命の有意な低減を伴わず、かつ任意の他の有意なパラメータまたは性能変化を伴わない、高パワー、高温の源（例えば、高パワーレーザ投影システム）における使用に好適である、光変換デバイスを提供することが、望ましいであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、高パワー、高温の源における使用に好適である、光学光変換デバイスに関する。手短に述べると、無機結合剤が、蛍光体と併用され、波長変換素子を作製する。特定の実施形態では、無機結合剤は、（例えば、２００℃を超過する）高パワー照明システムの高い動作温度に耐えることが可能である、ケイ酸ナトリウムである。
【０００９】
特定の実施形態では、波長変換素子は、無機結合剤と、蛍光体（通常、粉末の形態である）とを含む。基材は、環状ディスクであることができる。環状ディスクは、金属材料等の反射材料から作製されることができる、または反射コーティングを有する、非金属材料または複合材料から作製されることができる。例えば、反射材料／反射コーティングは、金属材料、誘電材料、またはそれらの組み合わせから作製されることができる。
【００１０】
無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムであることができる。ケイ酸ナトリウム中のＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの比は、約２：１〜約３．７５：１であってもよい。波長変換素子内の蛍光体対無機結合剤の重量比は、約１：１〜約５：１であってもよい。
【００１１】
無機結合剤は、実質的に光学的に透明であり得る（例えば、無機結合剤は、９０％〜最高９８％を含む、少なくとも８０％の光透過率を有し得る）。無機結合剤は、２００℃を上回る温度に耐えることが可能であり得る。無機結合剤は、エージングさせる前に、少なくとも１００ｐｓｉの（またはそれより高い）初期接合強度を有し得る。接合強度は、高温のエージングの間に、徐々に低下するであろう。エージングさせた後でも、接合強度は、２０ｐｉを上回るべきである。無機結合剤は、約１００℃〜約５００℃の硬化温度を有し得る。無機結合剤は、約０センチポアズ（ｃＰ）〜約２，０００ｃＰの粘性を有し得る。波長変換素子は、約０．０５ミリメートル（ｍｍ）〜約０．３ｍｍの厚さを有し得る。
【００１２】
光変換デバイスは、蛍光体ホイール、光エンジン、自動車用ヘッドライト、または他の照明デバイスにおいて使用され得る。蛍光体ホイールは、基材の平面に対して法線方向の軸の周囲で回転可能であってもよい。この場合、アセンブリはさらに、基材をこの軸の周囲で回転させる、モータを含んでもよい。光エンジンはまた、励起波長の光を波長変換素子に印加するように配列された光源（例えば、レーザベースの照明源）を含んでもよい。
【００１３】
また、本明細書の種々の実施形態において開示されるものは、蛍光体ホイールを作製するための方法であり、本方法は、無機結合剤と、蛍光体とを含む、波長変換素子を基材に適用するステップを含む。
【００１４】
無機結合剤は、ある実施形態では、分注、噴霧、ブラシ塗布、またはシルク印刷によって基材に適用されることができる。無機結合剤は、熱硬化またはハイブリッド硬化（熱およびＵＶ硬化）によって硬化されることができる。無機結合剤は、約１００℃〜約５００℃の温度で硬化されることができ、２００℃を上回る温度に耐えることが可能であり得る。
【００１５】
本明細書の種々の実施形態においてさらに開示されるものは、約６０Ｗ〜約３００Ｗのパワーを有するレーザと、蛍光体ホイールであって、該蛍光体ホイールは、随意の基材と、波長変換素子とを備え、該波長変換素子は、励起波長の光を吸収し、放射波長の光を生成するように構成され、かつ無機結合剤と、蛍光体とを含む、蛍光体ホイールとを備える、レーザ投影ディスプレイシステムである。無機結合剤は、２００℃を上回る温度に耐えることが可能であり得る。
【００１６】
本開示のこれらおよび他の非限定的な特性が、下記により具体的に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下は、図面の簡単な説明であり、これは、本明細書に開示される例示的実施形態を例証する目的のために提示され、それを限定する目的でもたらされているものではない。
【００１８】
【図１】図１Ａは、従来の反射型蛍光体ホイールの平面図である。図１Ｂは、それを通る光学経路を示す、側面図である。
【００１９】
【図２】図２Ａは、従来の透過型蛍光体ホイールの平面図である。図２Ｂは、それを通る光学経路を示す、側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書に開示される、構成要素、プロセス、および装置のより完全な理解が、添付図面の参照によって得られることができる。これらの図は、単に、本開示を実証する利便性およびその容易性に基づく略図であり、したがって、本デバイスまたはその構成要素の相対的サイズおよび寸法を示し、および／または例示的実施形態の範囲を定義または限定することは意図されない。
【００２１】
具体的な用語が、明確化のために以下の説明において使用されるが、これらの用語は、図面における例証のために選択される実施形態の特定の構造のみを指すことが意図され、本開示の範囲を定義または限定することは意図されない。図面および下記の以下の説明では、同様の数字表示は、同様の機能の構成要素を指すことを理解されたい。
【００２２】
文脈が明確に別様に指示しない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、複数の指示物を含む。
【００２３】
本明細書および請求項において使用されるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（〜を備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（〜を含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（〜を有する）」、「ｈａｓ（〜を有する）」、「ｃａｎ（〜することができる）」、「ｃｏｎｔａｉｎ（〜を含有する）」、およびそれらの変形例は、本明細書で使用されるように、明示された原料／ステップの存在を要求し、かつ他の原料／ステップの存在を可能にする、非制約的な移行句、用語、または単語であることが意図される。しかしながら、そのような説明は、列挙される原料／ステップ「から成る」および「から本質的に成る」ものとして組成またはプロセスを説明するものとしても解釈されるべきであり、これは、そこから生じ得る任意の不可避的な不純物に加えて、明示された原料／ステップのみの存在を可能にし、他の原料／ステップを除外する。
【００２４】
本願の明細書および請求項内の数値は、値を決定するために、同一の数の有効数字まで丸められると同一になる数値と、述べられる値から、本願に説明されるタイプの従来の測定技法の実験誤差未満だけ異なる数値とを含むものとして理解されるべきである。
【００２５】
本明細書に開示される全ての範囲は、列挙される端点を含み、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、端点、すなわち、２グラムと、１０グラムと、全ての中間値とを含む）。
【００２６】
用語「約」および「およそ」は、その値の基本機能を変化させることなく変動し得る、任意の数値を含むために使用されることができる。ある範囲と併用されると、「約」および「およそ」はまた、２つの端点の絶対値によって定義される範囲も開示し、例えば、「約２〜約４」はまた、「２〜４」の範囲も開示する。概して、用語「約」および「およそ」は、示される数の±１０％を指し得る。
【００２７】
本明細書で使用されるように、用語「励起光」および「励起波長」は、その後変換される入力光、例えば、レーザベースの照明源または他の光源によって生産される光を指す。用語「放射光」および「放射波長」は、変換された光、例えば、励起光に暴露されている蛍光体によって生産された、結果として生じる光を指す。
【００２８】
参考のために、赤色は、通常、約７８０ナノメートル〜約６２２ナノメートルの波長を有する光を指す。緑色は、通常、約５７７ナノメートル〜約４９２ナノメートルの波長を有する光を指す。青色は、通常、約４９２ナノメートル〜約４５５ナノメートルの波長を有する光を指す。黄色は、通常、約５９７ナノメートル〜約５７７ナノメートルの波長を有する光を指す。しかしながら、これは、文脈に依存し得る。例えば、これらの色は、時として、種々の部品を標識し、それらの部品を相互から区別するために使用される。
【００２９】
本開示は、シリコーン結合剤より良好である熱性質を提供し、セラミック結合剤よりコストが有意に低い、無機結合剤を使用する、蛍光体ホイール等の光変換デバイスに関する。
【００３０】
蛍光体ホイールが、異なる色の光を連続的に生成するために使用される。蛍光体等の光変換（または波長変換）材料が、蛍光体ホイール上で使用される。蛍光体ホイールは、通常、励起光を緑色、黄色、または赤色に変換するための異なるタイプの蛍光体を含有する、いくつかのファン区画を有する。典型的には、青色光レーザ（約４４０ｎｍ〜約４６０ｎｍの波長を有する）が、蛍光体ホイール上の蛍光体区画を励起するために使用される。蛍光体ホイールはまた、変換されていない状態で青色源光を通過させるための、１つ以上の間隙を有することができる。蛍光体ホイールは、２つの基本的構造、すなわち、反射型と、透過型とを有する。
【００３１】
反射型蛍光体ホイールでは、青色光レーザの励起光は、蛍光体を刺激する前に基材を通過しない。図１Ａおよび図１Ｂは、反射型蛍光体ホイールの典型的構造を示す。蛍光体の粉末が、結合剤と混合され、基材１１２上に堆積される、蛍光体混合物を作製する。いくつかの実施形態では、基材は、随意である。
【００３２】
蛍光体ホイールの基材は、存在するとき、典型的には、高い熱伝導性を有する金属、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金、銅または銅合金、または高い熱伝導性を有する別の金属である。基材はまた、例えば、ガラス、サファイア、またはダイヤモンドからも作製され得る。基材は、所望されるとき、ミラーまたは反射コーティングを含むことができる、または反射材料から作製されることができる。例えば、反射材料／反射コーティングは、金属材料、誘電材料、またはそれらの組み合わせから作製されることができる。金属材料の実施例は、前述で同定された金属および金属合金を含む。誘電材料の実施例は、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、硫化亜鉛、および二酸化チタンを含む。
【００３３】
規定または所望される温度において硬化した後、蛍光体混合物は、基材に緊密に接合される、波長変換素子１１１の形態になる。図１Ａに図示されるように、３つの波長変換素子、すなわち、緑色区画１１１ａ、赤色区画１１１ｂ、および黄色区画１１１ｃが、存在する。これらの３つの区画は、（平面図から）円形基材１１２の周囲に位置する。ここに示されていないものは、基材を通過し、反射されない、青色の励起光のための区画である。図１Ｂに図示されるように、基材１１２は、次いで、モータ１１３に搭載され、蛍光体ホイール１１０を得る。蛍光体ホイールでは、基材は、使用の間、回転される。また、基材は、静的な（すなわち、固定された、非回転の）構成において使用され得ることも想定される。例えば、波長変換素子は、ヒートシンクとして作用する基材に直接接合されることができる。
【００３４】
図１Ｂに図示されるように、基材１１２が、軸Ａ−Ａを中心として回転されるにつれて、励起青色光１１４ａが、赤色および緑色蛍光体１１１を刺激し、放射光１１４ｂが、基材１１２によって反射され、次いで、後続の光学システムによって収集される。このように、励起光は、放射される光を得るように蛍光体を刺激するために、基材１１２を通過しない。
【００３５】
蛍光体ホイールの第２のタイプは、透過型蛍光体ホイールである。透過型蛍光体ホイールでは、励起光は、蛍光体を刺激する前に基材を通過する。図２Ａおよび図２２Ｂは、典型的な透過型蛍光体ホイール構造を示す。再び、３つの波長変換素子２１１、すなわち、緑色区画２１１ａ、赤色区画２１１ｂ、および黄色区画２１１ｃが、ここに、図示される。しかしながら、反射基材の代わりとして、透過型蛍光体ホイールでは、基材２１２全体が、青色ダイクロイック膜でコーティングされる、透明基材である。概して、ガラス、ダイヤモンド、またはサファイアが、基材材料として使用される。青色光は、基材を通過し得る一方、蛍光体によって放射される、赤色、緑色、および黄色（ＲＧＹ）光は、反射される。
【００３６】
図２Ｂに図示されるように、励起青色光２１４ａは、最初に、基材を通過し（すなわち、蛍光体ホイールの背面側から透過され）、次いで、蛍光体２１１を刺激する。放射光２１４ｂが、後続の光学システムによって収集される。
【００３７】
変換光出力、色、および寿命等のいくつかの性能特性は、動作温度の直接的関数である。より高い動作温度において、変換光出力が、減少し得、色が、偏移し得、蛍光体ホイールの寿命が、減少され得る。通常の動作条件下では、入力パワーの約５０％〜６０％が、熱として出力される一方、入力パワーの残りは、光に変換される。高入力パワーにおいて、変換の間の熱生成が、摂氏２００度（２００℃）を上回る高温を引き起こすであろう。
【００３８】
波長変換素子を作製するための蛍光体のための望ましい結合剤は、理想的には、いくつかの性質の組み合わせを有するべきである。結合剤は、可視波長における高い透明度、低い屈折率、高い接合高度、高い熱安定性（すなわち、高いＴｇまたは最大動作温度）、比較的に低い硬化／焼結温度、蛍光体との良好な適合性／混和性、および／または望ましい粘性を有するべきである。これは、１６５℃〜３００℃の温度における蛍光体ホイールの熱耐久性を向上させるであろう。
【００３９】
本開示では、蛍光体ホイールの蛍光体区画等の波長変換素子は、蛍光体と、無機結合剤とを含む。用語「無機」は、結合剤がいかなる炭素も含有しないことを意味する。
【００４０】
波長変換素子はまた、１つ以上の充填剤と、１つ以上の無機材料と、１つ以上の分散剤とを含むことができる。
【００４１】
無機材料への充填剤の添加は、無機結合剤の接合強度を向上させる。特に、充填剤の添加は、波長変換素子を作製するために使用される組成の収縮率を低下させ、固化の間の気泡または亀裂の形成を低減または防止し、それによって、使用の間の応力の量および／または影響を減少させ、組成の接合強度を改良させることができる。充填剤は、無機材料の熱膨張係数に可能な限り近い（例えば、それと実質的に同等である）熱膨張係数を有するように選定されることができる。同様に、層化を回避するために、充填剤は、無機材料の密度に可能な限り近い（例えば、それと実質的に同等である）密度を有するように選定されることができる。充填剤は、顆粒状、薄片状、または繊維状の形状等の任意の所望される形状を有してもよい。任意の好適な充填剤が、使用されることができる。例えば、具体的には、充填剤は、シリカ、ケイ酸塩、アルミン酸塩、またはリン酸、またはダイヤモンド粉末であり得ることが想定される。充填剤は、アルミニウム、銅、銀、または金粉末等の金属粉末であり得る。充填剤は、窒化アルミニウムまたはボラゾン等の窒化物であり得る。充填剤は、酸化アルミニウムまたは酸化ホウ素等の酸化物であり得る。充填剤は、金属酸化物、金属窒化物、または金属硫化物であり得る。
【００４２】
分散剤の添加は、結合剤全体を通して充填剤を分散させ、それによって、望ましくない凝集または沈降を回避するために有益である。任意の好適な分散剤が、使用されることができる。例えば、具体的には、分散剤は、ポリビニルピロリドン、ポリアクリレート、ゼラチン、ポリビニルアルコール、セルロース、スチレン−ｃｏ−無水マレイン酸、またはリグノスルホン酸塩等の有機分散剤であり得ることが想定される。具体的には、代替として、分散剤は、ヘキサメタリン酸塩、ケイ酸塩、ポリリン酸、またはヒュームドシリカ等の無機分散剤であり得ることが想定される。
【００４３】
望ましくは、無機結合剤は、約０．５〜約２５ｐｐｍ／℃の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。特定の実施形態では、無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムである。ケイ酸ナトリウムは、化学式（Ｎａ２ＳｉＯ３）ｎの化合物のための一般名であり、代替として、以下の化学式（Ｉ）に見られるように、ポリマーと見なされることができる。
【化１】
2020537761.tif 000003
【００４４】
ケイ酸ナトリウムは、無水形態および水和形態の両方Ｎａ２ＳｉＯ３・ｎＨ２Ｏ（式中、ｎ＝５、６、８、または９）を有する。ケイ酸ナトリウムは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）対酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）の重量比によって特徴付けられることができる。ＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの重量比は、２：１から３．７５：１まで変動し得る。特定の実施形態では、ＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの重量比は、約２．５：１〜約３．７５：１または約２：１〜約３：１である。ケイ酸ナトリウムは、典型的には、水溶液として提供される。
【００４５】
他の実施形態では、無機結合剤は、ケイ酸ナトリウム以外にも、他の無機材料から作製されることができる。これらの無機材料は、ケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、または無機ゾルゲルであり得る。無機ゾルゲルの実施例は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から作製される、ゾルゲルを含む。
【００４６】
蛍光体および無機結合剤が、典型的には、ともに混合され、次いで、所望される面積内で基材に適用されるペーストを形成する。蛍光体対無機結合剤の重量比は、約１：１〜約５：１であり、すなわち、約１：１〜約３：１および約１：１〜約２：１を含む、無機結合剤より多くの蛍光体が、存在し得る。
【００４７】
ペーストの適用が、次いで、例えば、ペーストの分注、噴霧、ブラシ塗布、またはシルク印刷によって実施されることができる。ペーストが分注またはシルク印刷によって適用されるべき用途では、ペーストは、約０〜約２，０００センチポアズ（ｃＰ）、または約１００ｃＰ〜約２，０００ｃＰ、または約０〜約２，５００ｃＰ、または約１００ｃＰ〜約２，５００ｃＰを含む、約０〜約５，０００ｃＰの好適な粘性を有するべきである。粘性は、Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ  ＤＶＥ  ＳＬＶＴＪ０粘度計を使用して、またはＡＳＴＭ  Ｄ１０８４に従って測定される。無機結合剤自体（すなわち、蛍光体を含まない）はまた、約０〜約２，０００センチポアズ（ｃＰ）または約１００ｃＰ〜約８００ｃＰを含む、約０〜約５，０００ｃＰの適切な粘度を有し得る。
【００４８】
ペーストが、次いで、硬化され、波長変換素子を得る。硬化は、従来のシリコーン接着剤のためのものより低い、約１００℃〜約５００℃の温度における熱硬化によって実施されることができる。
【００４９】
結果として生じる波長変換素子は、典型的には、約０．０５ｍｍ〜約０．３ｍｍの厚さを有し得る。厚さは、図１Ａの軸Ａ−Ａの方向に測定される。
【００５０】
望ましくは、無機結合剤は、実質的に光学的に透明である（例えば、無機結合剤は、９０％〜最高９８％を含む、少なくとも８０％の光透過率を有する）。これは、例えば、約０．１〜約０．２ミリメートルの厚さにおいて、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒから入手可能である、Ｌａｍｂｄａ  ９５０分光光度計を使用することによって測定される。対照的に、多くの無機結合剤が、不透明である。これは、無機結合剤が、透過型または反射型蛍光体ホイールにおいて使用されることを可能にする。
【００５１】
特定の実施形態では、無機結合剤は、基材に適用される反射層またはコーティングに適用されることができる。反射層は、前述に議論されており、金属材料、誘電材料、またはそれらの組み合わせから作製されることができる。誘電ミラーは、当技術分野において公知である。反射層が、金属材料であるとき、これは、通常、基材を作製するために使用される金属と異なる金属から作製される。
【００５２】
さらなる実施形態では、平滑化層が、波長変換素子上に適用されることができる。平滑化層は、最終デバイスを損傷させ得る研磨等の機械的プロセスの使用を伴わずに、最終デバイスの面粗度を低減させる機能を果たす。これは、散乱を低減させ、波長変換効率を改良し、所望される方向に結果として生じる光を指向するための能力を改良する。平滑化層は、ポリマーであり得る、またはタングステン、ニッケル、またはコバルトのような金属、または炭化ホウ素または炭化ケイ素等の炭化物等の材料から作製されることができる。
【００５３】
付加的な保護コーティングもまた同様に、本デバイスに適用されることができる。そのようなコーティングは、種々の用途に関して所望されるように、透明、反射防止、またはスペクトル選択コーティングであり得る。
【００５４】
そのような層／コーティングの任意の組み合わせが、存在し得ることが想定される。例えば、本開示による蛍光体ホイールは、基材、基材に適用される反射コーティング、反射コーティング上に適用される波長変換素子、無機結合剤上に適用される平滑化層、および平滑化層上に適用される保護コーティングを用いて設計されることができる。
【００５５】
無機結合剤、特に、ケイ酸ナトリウムは、従来のシリコーン接着剤より高い接合強度を呈し得る。特定の実施形態では、本開示の無機結合剤は、少なくとも１００ｐｓｉ、または少なくとも２００ｐｓｉ、または約１００ｐｓｉ〜約６００ｐｓｉの初期接合強度を有し得る。この性質は、２つのアルミニウム試験プレートを使用して、無機結合剤が、０．１ｍｍの厚さおよび１６９平方ｍｍの接合面積におけるその２つのプレートの間に設置された状態で、接着剤が適用される最高温度、例えば、３００℃で測定される。
【００５６】
無機材料は、通常、長期間にわたって安定しており、したがって、これらのデバイスの性能は、必ずしも経時的に有意に劣化するわけではないことが見出されている。また、有機材料は、高い動作温度においてあるガス放出を呈し得る。これは、光学デバイス内の近傍の構成要素の汚染をもたらし得る。加えて、無機結合剤は、高パワー条件において、従来のシリコーン材料より耐久性であり得る。それらは、高レーザ照射および温度下での信頼性の高い動作を呈する。それらはまた、種々のサイズ、形状、および厚さに柔軟に作製されることができる。本開示の無機結合剤はまた、高い動作温度、すなわち、２００℃を超過する動作温度に耐えることも可能である。それらは、ソリッドステートレーザプロジェクタが、１００ワットを超過するものを含む、約６０ワット〜約３００ワットのレーザパワーを装備し得る、高パワーレーザ投影ディスプレイシステムにおいて使用されることができる。そのようなデバイスの動作温度は、２００℃を上回るものに到達し、高発光輝度を可能にすることができる。
【００５７】
無機結合剤は、蛍光体ホイールおよびレーザ投影ディスプレイシステム内で使用され得ることが想定される。それらはまた、ソリッドステート照明源、例えば、自動車用ヘッドライトとも併用されることができる。
【００５８】
以下の実施例は、本開示のプロセスを例証するために提供される。実施例は、例証的にすぎず、必ずしも、本開示をその中に記載される材料、条件、またはプロセスパラメータに限定することが意図されるわけではない。
【実施例】
【００５９】
（実施例１）
ケイ酸ナトリウムが、無機結合剤として、蛍光体とともに、蛍光体ホイール内で使用された。無機結合剤は、２．５：１のＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの重量比を有していた。無機結合剤単独（すなわち、純粋）は、６００ｃＰの粘性を有していた。蛍光体と無機結合剤を結合させることによって形成される、ペーストの粘性は、２，０００ｃＰであった。ペーストは、５００ｐｓｉの初期接合強度を有していた。ペーストは、次いで、２００℃において４時間にわたって硬化された。蛍光体ホイールが、次いで、試験された。蛍光体区画は、３００℃まで熱的に安定しており、９８％の光透過率を有していた。
【００６０】
無機結合剤としてケイ酸ナトリウムを使用する、本蛍光体ホイールの放射光効率が、有機シリコーン結合剤を使用する蛍光体ホイール（すなわち、比較実施例）と比較された。新しい蛍光体ホイールは、比較実施例のものよりわずか３％下回る効率を有していた。
（実施例２）
【００６１】
ケイ酸塩が、無機結合剤として、蛍光体とともに、蛍光体ホイール内で使用された。無機結合剤単独（すなわち、純粋）は、２００ｃＰの粘性を有していた。蛍光体と無機結合剤を結合させることによって形成される、ペーストの粘性は、１，５００ｃＰであった。ペーストは、２００ｐｓｉの初期接合強度を有していた。ペーストは、次いで、８５℃において０．３時間にわたって、次いで、１８５℃において０．７５時間にわたって硬化された。蛍光体ホイールが、次いで、試験された。蛍光体区画は、４００℃まで熱的に安定しており、９８％の光透過率を有していた。この新しい蛍光体の放射光効率は、比較実施例のものよりわずか４％下回っていた。
（実施例３）
【００６２】
一例示的実施形態では、無機結合剤中で使用される無機材料が、第１および第２の成分から形成された。使用される無機材料の総溶解固形分（ＴＤＳ）特性が、以下の表に提供される。
【表１】
2020537761.tif 000004
【００６３】
無機材料が、第１の成分および第２の成分を混合し、約２５〜３５℃の温度において、約２〜約３時間の周期にわたって撹拌することによって調製された。第１の成分対第２の成分の比は、約１：１〜約７：３であった。
【００６４】
無機結合剤が、次いで、充填剤と、分散剤とを無機材料に添加することによって調製された。無機結合剤は、段階的プロセスにおいて硬化された。第１の硬化ステップが、約０．２〜約１時間の周期にわたって、約６０〜約９０℃の温度において実施された。第２の硬化ステップが、その後、約０．４〜約２時間の周期にわたって、約１５０〜約２００℃の温度において実施された。硬化された無機結合剤が、無機結合剤の高い温度抵抗に起因して、最高印加温度において優れた接合強度を呈することが、示された。
【００６５】
本開示は、例示的実施形態を参照して説明されている。修正および改変が、前述の詳細な説明を熟読および理解することに応じて、当業者に想起されるであろう。本開示は、添付の請求項またはそれらの均等物の範囲内に該当する限りにおいて、そのような修正および改変全てを含むものとして解釈されることが意図される。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
光変換デバイスであって、
波長変換素子であって、上記波長変換素子は、励起波長の光を吸収し、放射波長の光を生成するように構成され、かつ無機結合剤と、蛍光体とを含む、波長変換素子
を備える、光変換デバイス。
（項目２）
上記無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムを含む、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目３）
ＳｉＯ２：Ｎａ２Ｏの比は、約２：１〜約３．７５：１である、項目２に記載の光変換デバイス。
（項目４）
上記無機結合剤は、ケイ酸塩、アルミン酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、および無機ゾルゲルから成る群から選択される無機材料を含む、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目５）
上記蛍光体対上記無機結合剤の重量比は、約１：１〜約５：１である、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目６）
上記無機結合剤は、実質的に光学的に透明である、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目７）
上記無機結合剤は、少なくとも８０％の光透過率を有する、項目６に記載の光変換デバイス。
（項目８）
上記無機結合剤は、２００℃を上回る温度に耐えることが可能である、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目９）
上記無機結合剤は、少なくとも１００ｐｓｉの接合強度を有する、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目１０）
上記無機結合剤は、約１００℃〜約５００℃の硬化温度を有する、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目１１）
上記無機結合剤は、約０ｃＰ〜約２，０００ｃＰの粘性を有する、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目１２）
上記波長変換素子は、約０．０５ｍｍ〜約３ｍｍの厚さを有する、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目１３）
基材をさらに備え、上記基材は、その上に上記波長変換素子が搭載され、上記基材は、ディスクの形状であり、さらに、上記基材に対して法線方向の軸の周囲で上記基材を回転させるように配列されたモータを備える、項目１に記載の光変換デバイス。
（項目１４）
光エンジンであって、
項目１に記載の上記光変換デバイスと、
上記励起波長の光に上記光変換デバイスを暴露させるように配列された光源と
を備える、光エンジン。
（項目１５）
蛍光体ホイールを作製するための方法であって、
無機結合剤と、蛍光体とを含む波長変換素子を基材に適用すること
を含む、方法。
（項目１６）
上記波長変換素子は、分注、噴霧、ブラシ塗布、またはシルク印刷によって上記基材に適用される、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
上記無機結合剤を硬化させることをさらに含む、項目１５に記載の方法。
（項目１８）
上記無機結合剤は、約１００℃〜約５００℃の温度において硬化される、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
上記無機結合剤は、ケイ酸ナトリウムを含む、項目１５に記載の方法。
（項目２０）
レーザ投影ディスプレイシステムであって、
約６０Ｗ〜約３００Ｗのパワーを有するレーザ光と、
蛍光体ホイールであって、上記蛍光体ホイールは、
基材と、
波長変換素子であって、上記波長変換素子は、励起波長の光を吸収し、放射波長の光を生成するように構成され、かつ無機結合剤と、蛍光体とを含む、波長変換素子と
を備える、蛍光体ホイールと
を備える、レーザ投影ディスプレイシステム。
【図１Ａ】
2020537761.tif 000005
【図１Ｂ】
2020537761.tif 000006
【図２Ａ】
2020537761.tif 000007
【図２Ｂ】
2020537761.tif 000008
【国際調査報告】
2020537761.tif 000009
2020537761.tif 000010