Fosforo è un termine generale per qualsiasi sostanza in grado di emettere luce quando esposta a radiazioni o campi elettrici. Deriva dalla parola greca “phosphoros”, che significa “portatore di luce”. I fosfori sono solitamente semiconduttori, che hanno tre bande energetiche: banda di valenza, banda di conduzione e banda proibita.
La banda di valenza è il livello energetico più basso in cui gli elettroni sono normalmente presenti. La banda di conduzione è il livello energetico più alto in cui gli elettroni possono muoversi liberamente. La banda proibita è il divario tra la banda di valenza e quella di conduzione, dove non possono esistere elettroni.
I fosfori possono essere attivati aggiungendo impurità o dopanti, che creano livelli energetici addizionali all'interno della banda proibita. Questi livelli energetici agiscono come trappole per elettroni o buchi (cariche positive) che sono eccitati da radiazioni o campi elettrici. Quando questi elettroni o buchi tornano ai loro stati originali, rilasciano energia sotto forma di fotoni di luce.
Come il Rivestimento Fosforescente Converte la Radiazione UV in Luce Visibile
Il processo di conversione della radiazione UV in luce visibile mediante il rivestimento fosforescente si chiama fluorescenza. La fluorescenza si verifica quando un atomo o molecola assorbe un fotone di radiazione ad alta energia e ne emette uno a bassa energia. La differenza di energia tra i fotoni assorbiti ed emessi viene dissipata sotto forma di calore.
Il seguente diagramma illustra come funziona la fluorescenza in un rivestimento fosforescente composto da solfuro di zinco (ZnS) dopato con argento (Ag) come attivatore.
Modello Fosforescente dello Zolfo di Zinco
A – B :- Salto dell'elettrone
B – E :- Migrazione dell'elettrone
E – D :- Salto dell'elettrone
D – C :- Salto dell'elettrone
A – C :- Migrazione del buco
Un fotone di radiazione UV con una lunghezza d'onda di 253,7 nm colpisce il rivestimento fosforescente ed eccita un elettrone da un atomo di zolfo (S) a un atomo di zinco (Zn). Ciò crea un buco positivo nella banda di valenza e un ione negativo (Zn^-) con un elettrone in più nella banda di conduzione.
L'elettrone in più migra da un ione Zn^- a un altro attraverso la rete cristallina nella banda di conduzione.
Nel frattempo, il buco positivo si sposta da un atomo di S a un altro nella banda di valenza fino a raggiungere un atomo di Ag, che agisce come trappola.
L'atomo di Ag cattura l'elettrone dall'ione Zn^- vicino e diventa neutro (Ag^0). Questo rilascia un fotone di luce visibile con una lunghezza d'onda maggiore del fotone UV.
L'elettrone dall'atomo di Ag^0 salta indietro all'atomo di S dove era stato creato il buco, completando il ciclo.
Il colore della luce visibile dipende dalla differenza di energia tra il livello di trappola dell'Ag e il livello Zn^-. Diversi dopanti possono creare diversi livelli di trappola e quindi diversi colori. Ad esempio, il rame (Cu) può produrre luce verde, il manganese (Mn) può produrre luce arancione e il cadmio (Cd) può produrre luce rossa.
Tipi e Applicazioni del Rivestimento Fosforescente
Esistono molti tipi di rivestimento fosforescente che possono essere utilizzati nelle lampade fluorescenti, a seconda del colore e della qualità della luce desiderata. Alcuni tipi comuni sono:
Halofosfato: Si tratta di una miscela di halofosfato di calcio (Ca5(PO4)3X) e tungstato di magnesio (MgWO4), dove X può essere fluoruro (F), cloro (Cl) o bromuro (Br). Produce luce bianca con un tinta giallastra o bluastra, a seconda del rapporto tra F e Cl o Br. Ha un indice di resa del colore basso, il che significa che non riesce a riprodurre i colori in modo accurato. L'efficacia della lampada è di circa 60-75 lm/W.
Tri-fosforo: Si tratta di una miscela di tre fosfori diversi, ciascuno che emette un colore primario rosso, verde e blu. La combinazione di questi colori produce luce bianca con un alto indice di resa del colore di 80-90 e un'efficacia della lampada di circa 80-100 lm/W. Le lampade a tri-fosforo sono più costose delle lampade a halofosfato, ma offrono una migliore qualità del colore e un'efficienza energetica superiore.
Multi-fosforo: Si tratta di una miscela di quattro o più fosfori, ciascuno che emette un colore diverso dello spettro visibile. L'obiettivo è creare una distribuzione spettrale liscia e continua che imiti la luce naturale del giorno. Le lampade a multi-fosforo hanno il più alto indice di resa del colore, superiore a 90, e un'efficacia della lampada di circa 90-110 lm/W. Sono anche il tipo più costoso di lampade fluorescenti, ma forniscono la migliore prestazione cromatica e comfort visivo.
Il rivestimento fosforescente può essere applicato in diversi modi, come spruzzatura, immersione o deposizione elettroforetica. Lo spessore e l'uniformità del rivestimento influenzano l'uscita luminosa e la qualità della lampada. Il rivestimento fosforescente può anche degradarsi nel tempo a causa dell'esposizione al calore, all'umidità e alla radiazione UV, causando una riduzione della luminosità e uno spostamento del colore.
Il rivestimento fosforescente è ampiamente utilizzato in varie applicazioni che richiedono illuminazione di alta qualità ed efficiente dal punto di vista energetico, come:
Illuminazione generale: Il rivestimento fosforescente può fornire luce bianca con diverse temperature di colore e indici di resa del colore, a seconda delle esigenze e preferenze degli utenti. Ad esempio, la luce bianca calda (2700-3000 K) è adatta per ambienti residenziali e ospitalità, mentre la luce bianca fredda (4000-5000 K) è preferita per uffici e spazi commerciali.
Illuminazione per esposizioni: Il rivestimento fosforescente può migliorare l'aspetto e l'attrattività dei prodotti e delle opere d'arte fornendo colori vividi e accurati. Ad esempio, le lampade a tri-fosforo o multi-fosforo possono essere utilizzate per esporre frutta, verdura, carni, fiori, dipinti, ecc.
Illuminazione medica: Il rivestimento fosforescente può migliorare la visibilità e la diagnosi di condizioni mediche fornendo luce di alta qualità e naturale. Ad esempio, le lampade a multi-fosforo possono essere utilizzate per procedure chirurgiche, esami dentistici, trattamenti cutanei, ecc.
Illuminazione specializzata: Il rivestimento fosforescente può creare vari effetti e funzioni emettendo colori o lunghezze d'onda di luce diverse. Ad esempio, le lampade a luce nera utilizzano fosfori che emettono radiazioni UV che possono far brillare certi materiali al buio. Le lampade germicide utilizzano fosfori che emettono radiazioni UV-C che possono uccidere batteri e virus. Le lampade per la crescita utilizzano fosfori che emettono luce rossa e blu che possono stimolare la crescita delle piante.
Conclusione
Il rivestimento fosforescente è un componente essenziale delle lampade fluorescenti che converte la radiazione UV in luce visibile. Determina il colore e la qualità della luce prodotta dalla lampada. Esistono diversi tipi di rivestimento fosforescente che possono essere utilizzati per diverse applicazioni e scopi. Il rivestimento fosforescente può fornire soluzioni di illuminazione efficienti ed ad alte prestazioni per varie esigenze e preferenze.
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