原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Liu X, Chen M, Zhao J, et al. Unique composite architecture of phosphor-in-glass film coated on different heat-conducting substrates for high-brightness laser lighting. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221027

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9221027

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/387694883_Unique_composite_architecture_of_phosphor-in-glass_film_coated_on_different_heat-conducting_substrates_for_high-brightness_laser_lighting

1、导读

下一代高亮度激光照明面临的关键挑战在于开发具有出色光热性能且成本低廉的静态发光材料。为此，本文在不同导热基板上通过薄膜印刷和低温烧结技术制备了不同复合结构的荧光转换器(PiGF@HCSs)。导热基板显著的影响了PiGF@HCSs 的发光饱和度和荧光转换效率，使得热导率(TC)更高的基板能够承受更高的激光功率密度(LPD)，而反射率更高的基板能够实现更高的光效(LE)。这些发现将为高亮度激光照明和显示中PiGF@HCS的商业应用提供指导思路。

2、研究背景

激光激发荧光粉（LEP）技术是产生激光驱动白光照明的常用方法。为了避免激光的高能量密度所带来的热沉积问题，常用方法是在不同导热基板上烧结PiG薄膜来代替传统的有机荧光转换器。但迄今为止，这些荧光转换器在激光照明中的光热性能的整体比较尚未进行研究。此外，不同的热导基板对荧光转换器中的热传递和光传输有很强的影响，这进一步影响了发光饱和度和荧光粉转换效率，限制了它们在高亮度激光照明中的实际应用。

   本研究提出将YAG荧光玻璃浆料涂覆在不同的导热基板上，通过薄膜印刷和低温烧结技术制备了 PiGF@蓝宝石、PiGF@氧化铝、PiGF@氮化铝和 PiGF@氮化硼-氮化铝的荧光转换器(PiGF@HCSs)。观察了PiGF@HCSs的微观结构和发光性能；研究了不同荧光粉含量的 PiGF@HCSs 的光学性能；测量并比较了不同激光功率密度下 PiGF@HCSs 的发光饱和阈值和工作温度；同时对这些 PiGF@HCSs 的光热性能、可靠性和成本进行了综合分析，展示了其在高亮度激光照明中的应用前景。

3、文章亮点

（1）同时对不同导热基板荧光转换器的光热性能、可靠性和成本进行了综合分析，展示了该荧光转换器在高亮度激光照明中的应用前景。

（2）创新性的将反射率高的BN-玻璃涂层应用于AlN导热基板，在保留了AlN基荧光转换器高饱和阈值的同时解决了其光子吸收严重的问题。

4、研究结果及结论

在本研究中，采用薄膜印刷和低温烧结技术制备了不同导热基板的PiGF@HCS 荧光转换器，如图 1 所示。采用丝网印刷的工艺将YAG荧光玻璃浆料分别均匀地涂覆在蓝宝石、氧化铝和氮化铝基板上，并在120℃下干燥30分钟；随后置于马弗炉中680℃烧结60分钟，并在300℃退火60分钟，制备出不同类型的透射型和反射型 PiGF@HCS转换器。另外，将BN-玻璃浆料印刷在氮化铝基板上，然后在其上表面印刷荧光玻璃浆料，并在相同的工艺条件下进行烧结，制备得到带有BN反射层的PiGF@BN-AlN转换器。

Fig. 1 Preparation process of PiGF@HCS converters for high-brightness laser lighting.

图2 分别展示了不同导热基板的PiGF@HCS转换器的发光性能，结果表明，PiGF@HCS在烧结过程中保持了荧光粉的发光特性。其中，结合了BN反射层的BN-AlN导热衬底反射率高达 98%。BN-AlN导热衬底的高反射率以及优秀的导热能力有利于反射式激光照明中的光子反射和荧光粉有效散热。

Fig. 2 (a) XRD patterns, (b) PLE, PL spectra, (c) fluorescence decay curves of PiGF@HCS converters. (d) Transmittance spectra of sapphire substrate and PiGF@sapphire. (e) Reflectance spectra of Al₂O₃, AlN, BN-AlN substrates, and PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, PiGF@BN-AlN. Insets are the pictures of substrates and corresponding PiGF@HCS converters.

图3展示了PiGF@HCS转换器的微观结构和元素分布。PiGF紧密烧结在不同导热基板表面，未观察到明显的裂纹和分层现象，这有利于实现更高的结合强度和较低的界面热阻；元素分布证明YAG荧光粉在PiGF@HCS 制备过程中保持了完整的晶体结构。

Fig. 3 (a)-(d) Cross-sectional SEM images of PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, and PiGF@BN-AlN, respectively. (e)-(h) EDS mapping images of cross-sectional PiGF@BN-AlN.

如图4，本研究对不同荧光粉浓度的PiGF@HCS转换器的光学性能进行了测量（激光功率密度为9 W/mm²）。其中，在60%的荧光粉浓度下，PiGF@BN-AlN 达到最高的光通量和光效，分别为1808 lm和 201 lm/W。

Fig. 4 (a) EL spectra, (b) LF, LE, (c) CCT, and (d) CRI of PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, and PiGF@BN-AlN converters with different phosphor concentrations under the LPD of 9 W/mm².

图5比较了不同激光功率密度下PiGF@HCS转换器的光学性能（YAG荧光粉浓度为55 wt.%）。分析比较所列各样品的数据指标可以发现，综合性能指标相对较优的样品为PiGF@BN-AlN（发光效率194 lm/W，饱和阈值为21 W/mm²，对应的光通量为3058 lm），

Fig. 5 (a) LF and (b) LE of PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, and PiGF@BN-AlN converters (55 wt.%) under the blue LD with various LPDs.

图6比较了不同激光功率密度下PiGF@HCS转换器的热性能和发光稳定性（YAG荧光粉浓度为55 wt.%）。PiGF@HCS转换器的工作温度在激光驱动 10 分钟前急剧上升，然后在30分钟后趋于稳定；此外，PiGF@HCS转换器在长时间激光驱动后光通量减少较小。结果表明，所制备的PiGF@HCS转换器即使在高激光功率密度激发下也具有很高的发光稳定性。

Fig. 6 (a) Maximum working temperatures of PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, and PiGF@BN-AlN converters (55 wt.%) under the blue LD with various LPDs after a laser driven time of 30 min. (b) Infrared thermal images of PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, and PiGF@BN-AlN converters under the LPD of 9 W/mm². (c) LF decays and temperature changes of PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, and PiGF@BN-AlN converters under each LPD-ST at various laser driven time.

如图7所示，将PiGF@BN-AlN转换器与蓝光LD封装在一起，以实现激光照明光源。该白光光源由PiGF@BN-AlN转换器、蓝光LD、透镜系统、反射杯和散热器组成。该白光光源能够在1500米的距离上产生高准直的冷白光，表明PiGF@HCS 转换器在高亮度激光照明领域具有广阔的应用前景。

Fig. 7 (a) Comprehensive comparison of laser-driven PiGF@sapphire, PiGF@Al₂O₃, PiGF@AlN, PiGF@BN-AlN converters, and their radar comparison graph. (b) Schematic diagram, (c) actual sample, and (d) lighting demonstration of PiGF@BN-AlN based laser lighting source.

5、作者及研究团队简介

彭洋，华中科技大学副教授、博士生导师，IEEE Senior Member、湖北省青年人才、武汉市英才计划、市级创新创业领军人才等。长期从事先进电子制造与半导体芯片封装集成研究，包括发光玻璃陶瓷材料与器件封装制造、航电器件与微系统集成、功率器件与热管理等方面的研究工作。近年来，作为负责人主持国家自然科学基金（青年、面上）、国家重点研发计划子课题、湖北省重点研发计划（优秀结题）、湖北省制造业高质量发展专项等项目。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Laser Photonics Rev.、IEEE EDL/TED、J. Adv. Ceram.等期刊发表论文70余篇，含ESI高被引3篇、封面3篇等，谷歌学术引用2500余次，H指数31；申请国家发明专利40余项；担任多个期刊青年编委、助理编委、专刊客座编辑。

王卿（通讯作者），2023年博士毕业于华中科技大学机械科学与工程学院，随后于华中科技大学能源与动力工程学院从事博士后研究工作。主要从事先进电子封装技术、微纳制造技术、封装热管理与应用等方面的研究工作。近年来，作为负责人主持中国博士后科学基金面上资助、国家重点实验室开放课题项目、湖北省自然科学基金项等。迄今以第一/通讯作者在Journal of Manufacturing Processes、Electrochimica Acta、Journal of Advanced Ceramics等期刊发表论文20余篇。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1. Z. Yu, J. Zhao, Q. Wang, et al. Laser spot associated high-saturation phosphor-in-glass film for transmissive and reflective high-brightness laser lighting. J. Adv. Ceram. 2023, 12, 1821.

2. Y. Peng, Z. Yu, J. Zhao, et al. Unique sandwich design of high-efficiency heat-conducting phosphor-in-glass film for high-quality laser-driven white lighting. J. Adv. Ceram. 2022, 11, 1889.

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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