Fósforo es un término general para cualquier sustancia que pueda emitir luz cuando se expone a radiación o campos eléctricos. Proviene de la palabra griega “phosphoros”, que significa “portador de luz”. Los fósforos son generalmente semiconductores, que tienen tres bandas de energía: banda de valencia, banda de conducción y banda prohibida.
La banda de valencia es el nivel de energía más bajo donde los electrones están normalmente presentes. La banda de conducción es el nivel de energía más alto donde los electrones pueden moverse libremente. La banda prohibida es el espacio entre la banda de valencia y la banda de conducción, donde no pueden existir electrones.
Los fósforos pueden activarse añadiendo impurezas o dopantes, que crean niveles de energía adicionales dentro de la banda prohibida. Estos niveles de energía actúan como trampas para electrones o huecos (cargas positivas) que se excitan por radiación o campos eléctricos. Cuando estos electrones o huecos regresan a sus estados originales, liberan energía en forma de fotones de luz.
Cómo el recubrimiento de fósforo convierte la radiación UV en luz visible
El proceso de convertir la radiación UV en luz visible mediante el recubrimiento de fósforo se llama fluorescencia. La fluorescencia ocurre cuando un átomo o molécula absorbe un fotón de radiación de alta energía y emite un fotón de radiación de menor energía. La diferencia de energía entre el fotón absorbido y el emitido se disipa como calor.
El siguiente diagrama ilustra cómo funciona la fluorescencia en un recubrimiento de fósforo hecho de sulfuro de zinc (ZnS) dopado con plata (Ag) como activador.
Modelo de Fósforo de Sulfuro de Zinc
A – B :- Salto de Electrón
B – E :- Migración de Electrón
E – D :- Salto de Electrón
D – C :- Salto de Electrón
A – C :- Migración de Hueco
Un fotón de radiación UV con una longitud de onda de 253.7 nm golpea el recubrimiento de fósforo y excita un electrón de un átomo de azufre (S) a un átomo de zinc (Zn). Esto crea un hueco positivo en la banda de valencia y un ion negativo (Zn^-) con un electrón extra en la banda de conducción.
El electrón extra migra de un ion Zn^- a otro a través de la red cristalina en la banda de conducción.
Mientras tanto, el hueco positivo se mueve de un átomo de S a otro en la banda de valencia hasta que llega a un átomo de Ag, que actúa como trampa.
El átomo de Ag captura el electrón del ion Zn^- cercano y se vuelve neutral (Ag^0). Esto libera un fotón de luz visible con una longitud de onda mayor que la del fotón UV.
El electrón del átomo de Ag^0 salta de vuelta al átomo de S donde se creó el hueco, completando el ciclo.
El color de la luz visible depende de la diferencia de energía entre el nivel de trampa de Ag y el nivel de Zn^-. Diferentes dopantes pueden crear diferentes niveles de trampa y, por lo tanto, diferentes colores. Por ejemplo, el cobre (Cu) puede producir luz verde, el manganeso (Mn) puede producir luz naranja y el cadmio (Cd) puede producir luz roja.
Tipos y Aplicaciones del Recubrimiento de Fósforo
Existen muchos tipos de recubrimiento de fósforo que se pueden utilizar en lámparas fluorescentes, dependiendo del color y la calidad de la luz deseada. Algunos tipos comunes son:
Halofosfato: Esta es una mezcla de halofosfato de calcio (Ca5(PO4)3X) y tungstato de magnesio (MgWO4), donde X puede ser fluor (F), cloro (Cl) o bromo (Br). Produce luz blanca con un tono amarillento o azulado, dependiendo de la relación de F a Cl o Br. Tiene un índice de reproducción cromática bajo, lo que significa que no puede reproducir los colores con precisión. La eficacia de la lámpara es de aproximadamente 60 a 75 lm/W.
Tri-fósforo: Esta es una mezcla de tres fósforos diferentes, cada uno emitiendo un color primario de rojo, verde y azul. La combinación de estos colores produce luz blanca con un alto índice de reproducción cromática de 80 a 90 y una eficacia de lámpara de aproximadamente 80 a 100 lm/W. Las lámparas de tri-fósforo son más caras que las de halofosfato, pero ofrecen mejor calidad de color y eficiencia energética.
Multi-fósforo: Esta es una mezcla de cuatro o más fósforos, cada uno emitiendo un color diferente del espectro visible. El objetivo es crear una distribución espectral suave y continua que imite la luz natural del día. Las lámparas de multi-fósforo tienen el índice de reproducción cromática más alto, superior a 90, y una eficacia de lámpara de aproximadamente 90 a 110 lm/W. También son el tipo más caro de lámparas fluorescentes, pero proporcionan el mejor rendimiento cromático y comodidad visual.
El recubrimiento de fósforo se puede aplicar de diferentes maneras, como por aspersión, inmersión o deposición electroforética. El grosor y la uniformidad del recubrimiento afectan la salida y la calidad de la luz de la lámpara. El recubrimiento de fósforo también puede degradarse con el tiempo debido a la exposición al calor, la humedad y la radiación UV, resultando en una reducción de la luminosidad y un cambio de color.
El recubrimiento de fósforo se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones que requieren iluminación de alta calidad y eficiente en energía, como:
Iluminación general: El recubrimiento de fósforo puede proporcionar luz blanca con diferentes temperaturas de color e índices de reproducción cromática, dependiendo de las necesidades y preferencias de los usuarios. Por ejemplo, la luz blanca cálida (2700 a 3000 K) es adecuada para entornos residenciales y de hospitalidad, mientras que la luz blanca fría (4000 a 5000 K) es preferida para oficinas y espacios comerciales.
Iluminación de exhibición: El recubrimiento de fósforo puede mejorar la apariencia y atractivo de productos y obras de arte proporcionando colores vivos y precisos. Por ejemplo, las lámparas de tri-fósforo o multi-fósforo se pueden usar para exhibir frutas, verduras, carnes, flores, pinturas, etc.
Iluminación médica: El recubrimiento de fósforo puede mejorar la visibilidad y el diagnóstico de condiciones médicas proporcionando luz de alta calidad y aspecto natural. Por ejemplo, las lámparas de multi-fósforo se pueden usar para procedimientos quirúrgicos, exámenes dentales, tratamientos de piel, etc.
Iluminación especial: El recubrimiento de fósforo puede crear diversos efectos y funciones emitiendo diferentes colores o longitudes de onda de luz. Por ejemplo, las lámparas de luz negra usan fósforos que emiten radiación UV que puede hacer que ciertos materiales brillen en la oscuridad. Las lámparas germicidas usan fósforos que emiten radiación UV-C que puede matar bacterias y virus. Las lámparas de crecimiento usan fósforos que emiten luz roja y azul que pueden estimular el crecimiento de las plantas.
Conclusión
El recubrimiento de fósforo es un componente esencial de las lámparas fluorescentes que convierte la radiación UV en luz visible. Determina el color y la calidad de la luz producida por la lámpara. Existen diferentes tipos de recubrimiento de fósforo que se pueden usar para diferentes aplicaciones y propósitos. El recubrimiento de fósforo puede proporcionar soluciones de iluminación eficientes y de alto rendimiento para diversas necesidades y preferencias.
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