Фосфор — це загальний термін для будь-якої речовини, яка може видавати світло при впливі радіації або електричного поля. Це слово походить від грецького "phosphoros", що означає "носій світла". Фосфори зазвичай є напівпровідниками, які мають три енергетичні зони: валентна зона, зона провідності та заборонена зона.
Валентна зона — це найнижча енергетична рівень, де електрони зазвичай присутні. Зона провідності — це найвищий енергетичний рівень, де електрони можуть вільно рухатися. Заборонена зона — це прогалина між валентною та зонами провідності, де не може існувати жодних електронів.
Фосфори можна активувати, додаючи домішки або доданки, які створюють додаткові енергетичні рівні всередині забороненої зони. Ці енергетичні рівні виступають як пастки для електронів або дірок (позитивних зарядів), які стимулюються радіацією або електричним полем. Коли ці електрони або діри повертаються до своїх початкових станів, вони віддають енергію у вигляді фотонів світла.
Як фосфорне покриття перетворює УФ-випромінювання на видиме світло
Процес перетворення УФ-випромінювання на видиме світло за допомогою фосфорного покриття називається флуоресценцією. Флуоресценція відбувається, коли атом або молекула поглинає фотон високоенергетичної радіації та виділяє фотон нижчеенергетичної радіації. Різниця в енергії між поглиненим та виділеним фотонами розсіюється як тепло.
Наступна діаграма ілюструє, як працює флуоресценція у фосфорному покритті, виготовленому з сульфіду цинку (ZnS) з добавкою срібла (Ag) як активаційного компонента.
Модель фосфору сульфіду цинку
A – B: Перескок електрона
B – E: Міграція електрона
E – D: Перескок електрона
D – C: Перескок електрона
A – C: Міграція діри
Фотон УФ-радіації з довжиною хвилі 253,7 нм ударяє фосфорне покриття, стимулюючи електрон від атома сульфуру (S) до атома цинку (Zn). Це створює позитивну диру у валентній зоні та негативний іон (Zn^-) з додатковим електроном у зоні провідності.
Додатковий електрон мігрує від одного іону Zn^- до іншого через кристалічну решітку у зоні провідності.
Тим часом, позитивна дира переміщується від одного атома S до іншого у валентній зоні, доки не досягає атома Ag, який виступає як пастка.
Атом Ag захоплює електрон від іону Zn^- поруч і стає нейтральним (Ag^0). Це виділяє фотон видимого світла з довшою довжиною хвилі, ніж УФ-фотон.
Електрон з атома Ag^0 перескакує назад до атома S, де була створена дира, завершуючи цикл.
Колір видимого світла залежить від різниці енергії між рівнем пастки Ag та рівнем Zn^-. Різні домішки можуть створювати різні рівні пасток, а отже, і різні кольори. Наприклад, мідь (Cu) може створювати зелене світло, марганець (Mn) — помаранчеве світло, а кадмій (Cd) — червоне світло.
Типи та застосування фосфорного покриття
Існує багато типів фосфорного покриття, які можна використовувати у люмінесцентних лампах, залежно від бажаного кольору та якості світла. Деякі типові типи:
Галофосфат: Це суміш галофосфату кальцію (Ca5(PO4)3X) та вольфрамату магнію (MgWO4), де X може бути фтор (F), хлор (Cl) або бром (Br). Він створює біле світло з жовтим або блакитним відтінком, залежно від співвідношення F до Cl або Br. Має низький індекс відтворення кольорів, що означає, що він не може точно відтворювати кольори. Ефективність лампи становить приблизно 60-75 лм/Вт.
Тріфосфор: Це суміш трьох різних фосфорів, кожен з яких видаває основний колір: червоний, зелений та синій. Комбінація цих кольорів створює біле світло з високим індексом відтворення кольорів 80-90 та ефективністю лампи приблизно 80-100 лм/Вт. Тріфосфорні лампи дорожчі за галофосфатні, але пропонують кращу якість кольору та енергоефективність.
Багатофосфор: Це суміш чотирьох або більше фосфорів, кожен з яких видаває різний колір видимого спектру. Мета полягає в створенні гладкого та неперервного спектрального розподілу, що імітує природне денне світло. Багатофосфорні лампи мають найвищий індекс відтворення кольорів понад 90 та ефективністю лампи приблизно 90-110 лм/Вт. Вони також є найбільш дорогими серед люмінесцентних ламп, але надають найкращу якість кольору та візуальний комфорт.
Фосфорне покриття можна наносити різними способами, такими як опулівання, занурювання або електрофоретичне осадження. Товщина та однорідність покриття впливають на вивід світла та якість лампи. Фосфорне покриття може вироблятися з часом через вплив тепла, вологи та УФ-випромінювання, що призводить до зменшення яскравості та зміни кольору.
Фосфорне покриття широко використовується у різних застосуваннях, які потребують високоякісного та енергоефективного освітлення, таких як:
Загальне освітлення: Фосфорне покриття може надавати біле світло з різними температурами кольору та індексами відтворення кольорів, залежно від потреб та переваг користувачів. Наприклад, тепле біле світло (2700-3000 К) підходить для житлових та гостинничих приміщень, тоді як холодне біле світло (4000-5000 К) більш вподобується для офісів та комерційних просторів.
Освітлення виставок: Фосфорне покриття може підвищити вигляд та привабливість продуктів та мистецтва, надаючи яскраві та точні кольори. Наприклад, тріфосфорні або багатофосфорні лампи можна використовувати для демонстрації фруктів, овочів, м'яса, квітів, картин тощо.
Медичне освітлення: Фосфорне покриття може підвищити видимість та діагностику медичних станів, надаючи високоякісне та натуральне світло. Наприклад, багатофосфорні лампи можна використовувати для хірургічних операцій, стоматологічних обстежень, лікування шкіри тощо.
Спеціальне освітлення: Фосфорне покриття може створювати різні ефекти та функції, видаваючи різні кольори або довжини хвилі світла. Наприклад, лампи чорного світла використовують фосфори, які видавають УФ-випромінювання, що може робити певні матеріали світлоспрядущими в темряві. Герміцидні лампи використовують фосфори, які видавають УФ-С випромінювання, що може знищувати бактерії та віруси. Лампи для росту рослин використовують фосфори, які видавають червоне та синє світло, що може стимулювати ріст рослин.
Висновок
Фосфорне покриття є важливим компонентом люмінесцентних ламп, який перетворює УФ-випромінювання на видиме світло. Воно визначає колір та якість світла, виробленого лампою. Існують різні типи фосфорного покриття, які можна використовувати для різних застосувань та цілей. Фосфорне покриття може надавати енергоефективні та високопродуктивні рішення для освітлення, які задовольняють різні потреби та переваги.
