فسفور یک عبارت عمومی برای هر ماده‌ای است که می‌تواند نور تابیده کند وقتی به تابش یا میدان‌های الکتریکی مواجه می‌شود. این واژه از کلمه یونانی "phosphoros" که به معنای "آورنده نور" است، گرفته شده است. فسفرها معمولاً نیمه‌رسانا هستند که سه باند انرژی دارند: باند ارزشی، باند هدایت و باند ممنوع.
باند ارزشی کمترین سطح انرژی است که الکترون‌ها در آن معمولی حضور دارند. باند هدایت بالاترین سطح انرژی است که الکترون‌ها می‌توانند در آن آزادانه حرکت کنند. باند ممنوع شکاف بین باند ارزشی و باند هدایت است که در آن هیچ الکترونی وجود ندارد.
فسفرها با افزودن آلودگی‌ها یا دوپانت‌ها فعال می‌شوند که سطوح انرژی اضافی در باند ممنوع ایجاد می‌کنند. این سطوح انرژی به عنوان فخ‌ها برای الکترون‌ها یا حفره‌ها (بارهای مثبت) که توسط تابش یا میدان‌های الکتریکی برانگیخته می‌شوند، عمل می‌کنند. زمانی که این الکترون‌ها یا حفره‌ها به حالت اصلی خود بازمی‌گردند، انرژی را به صورت فوتون‌های نور آزاد می‌کنند.
چگونه پوشش فسفوری تشعشعات UV را به نور قابل مشاهده تبدیل می‌کند
فرآیند تبدیل تشعشعات UV به نور قابل مشاهده توسط پوشش فسفوری به نام فلورسانس نامیده می‌شود. فلورسانس زمانی رخ می‌دهد که یک اتم یا مولکول فوتونی از تابش با انرژی بالا جذب کرده و فوتونی با انرژی پایین‌تر تابیده می‌کند. تفاوت انرژی بین فوتون‌های جذب شده و تابیده شده به صورت گرما پخش می‌شود.
نمودار زیر نحوه عملکرد فلورسانس در یک پوشش فسفوری از سولفید روی (ZnS) با افزودن نقره (Ag) به عنوان فعال‌کننده را نشان می‌دهد.
مدل فسفری سولفید روی
A – B :- پرش الکترون
B – E :- مهاجرت الکترون
E – D :- پرش الکترون
D – C :- پرش الکترون
A – C :- مهاجرت حفره
فوتونی از تشعشعات UV با طول موج ۲۵۳٫۷ نانومتر پوشش فسفوری را ضربه می‌زند و الکترونی از اتم سولفور (S) به اتم روی (Zn) برانگیخته می‌کند. این عمل یک حفره مثبت در باند ارزشی و یک یون منفی (Zn^-) با الکترون اضافه در باند هدایت ایجاد می‌کند.
الکترون اضافه از یک یون Zn^- به یک یون دیگر از طریق شبکه بلوری در باند هدایت مهاجرت می‌کند.
در حالی که حفره مثبت از یک اتم S به یک اتم دیگر در باند ارزشی حرکت می‌کند تا به اتم Ag برسد که به عنوان فخ عمل می‌کند.
اتم Ag الکترونی از یون Zn^- نزدیک خود را جذب می‌کند و خنثی (Ag^0) می‌شود. این عمل فوتونی از نور قابل مشاهده با طول موج بیشتر از فوتون UV را آزاد می‌کند.
الکترون از اتم Ag^0 به اتم S که حفره در آن ایجاد شده بود، پرش می‌کند و چرخه را کامل می‌کند.
رنگ نور قابل مشاهده به تفاوت انرژی بین سطح فخ Ag و سطح Zn^- بستگی دارد. دوپانت‌های مختلف می‌توانند سطوح فخ مختلف ایجاد کنند و بنابراین رنگ‌های مختلفی تولید کنند. برای مثال، مس (Cu) می‌تواند نور سبز تولید کند، منگنز (Mn) می‌تواند نور نارنجی تولید کند و کادمیم (Cd) می‌تواند نور قرمز تولید کند.
نوع‌ها و کاربردهای پوشش فسفوری
نوع‌های مختلفی از پوشش فسفوری می‌توانند در لامپ‌های فلورسنت استفاده شوند، بسته به رنگ و کیفیت مورد نظر نور. برخی از نوع‌های رایج عبارتند از:
هالوفوسفات: این یک مخلوط از هالوفوسفات کلسیم (Ca5(PO4)3X) و تنگستات مغناسیم (MgWO4) است، که X می‌تواند فلوئور (F)، کلر (Cl) یا بروم (Br) باشد. این نوع نور سفید با رنگ زردی یا آبی تولید می‌کند، بسته به نسبت F به Cl یا Br. این نوع دارای شاخص رنگی کم است، یعنی رنگ‌ها را دقیقاً نمایش نمی‌دهد. کارایی لامپ حدود ۶۰ تا ۷۵ lm/W است.
تری‌فسفور: این یک مخلوط از سه فسفور مختلف است، هر یک نور رنگ اصلی قرمز، سبز و آبی تولید می‌کند. ترکیب این رنگ‌ها نور سفید با شاخص رنگی بالای ۸۰ تا ۹۰ و کارایی لامپ حدود ۸۰ تا ۱۰۰ lm/W تولید می‌کند. لامپ‌های تری‌فسفور گران‌تر از لامپ‌های هالوفوسفات هستند، اما کیفیت رنگ و کارایی انرژی بهتری ارائه می‌دهند.
چند فسفور: این یک مخلوط از چهار یا بیشتر فسفور است، هر یک نور رنگ مختلفی از طیف مرئی تولید می‌کند. هدف ایجاد یک توزیع طیفی صاف و پیوسته است که نور طبیعی روز را میموند. لامپ‌های چند فسفور شاخص رنگی بالای ۹۰ و کارایی لامپ حدود ۹۰ تا ۱۱۰ lm/W دارند. این نوع لامپ‌ها گران‌ترین نوع لامپ‌های فلورسنت هستند، اما بهترین عملکرد رنگ و راحتی بصری را ارائه می‌دهند.
پوشش فسفوری می‌تواند به روش‌های مختلفی مانند پاشش، غوطه‌وری یا رسوب‌دهی الکتروفورتیک اعمال شود. ضخامت و یکنواختی پوشش بر روی خروجی نور و کیفیت لامپ تأثیر می‌گذارد. پوشش فسفوری می‌تواند به مرور زمان به دلیل مواجهه با گرما، رطوبت و تشعشعات UV تخریب شود، که منجر به کاهش روشنایی و تغییر رنگ می‌شود.
پوشش فسفوری در کاربردهای مختلفی که نیاز به نور با کیفیت بالا و کارایی انرژی دارند، مانند:
نور عمومی: پوشش فسفوری می‌تواند نور سفید با دمای رنگ و شاخص رنگی مختلف تولید کند، بسته به نیازها و ترجیحات کاربران. برای مثال، نور سفید گرم (۲۷۰۰ تا ۳۰۰۰ K) برای محیط‌های مسکونی و مهمان‌نوازی مناسب است، در حالی که نور سفید سرد (۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ K) برای دفاتر و فضاهای تجاری ترجیح داده می‌شود.
نور نمایش: پوشش فسفوری می‌تواند ظاهر و جاذبه محصولات و آثار هنری را با ارائه رنگ‌های زنده و دقیق بهبود بخشد. برای مثال، لامپ‌های تری‌فسفور یا چند فسفور می‌توانند برای نمایش میوه‌ها، سبزیجات، گوشت‌ها، گل‌ها، نقاشی‌ها و غیره استفاده شوند.
نور پزشکی: پوشش فسفوری می‌تواند با ارائه نور با کیفیت و شبیه به نور طبیعی، دید و تشخیص وضعیت‌های پزشکی را بهبود بخشد. برای مثال، لامپ‌های چند فسفور می‌توانند برای عمل‌های جراحی، معاینه‌های دندانپزشکی، درمان‌های پوست و غیره استفاده شوند.
نور تخصصی: پوشش فسفوری می‌تواند با انتشار رنگ‌ها یا طول‌های موج مختلف نور، اثرات و کاربردهای مختلفی ایجاد کند. برای مثال، لامپ‌های نور سیاه از فسفرهایی استفاده می‌کنند که تشعشعات UV را منتشر می‌کنند که می‌تواند برخی مواد را در تاریکی موجب گریز شود. لامپ‌های جریانی از فسفرهایی استفاده می‌کنند که تشعشعات UV-C را منتشر می‌کنند که می‌تواند باکتری‌ها و ویروس‌ها را کشته کند. لامپ‌های رشد از فسفرهایی استفاده می‌کنند که نور قرمز و آبی را منتشر می‌کنند که می‌تواند رشد گیاهان را تحریک کند.
نتیجه‌گیری
پوشش فسفوری یک مؤلفه ضروری لامپ‌های فلورسنت است که تشعشعات UV را به نور قابل مشاهده تبدیل می‌کند.
