CN1331187C

CN1331187C - 具有紫外反射层的荧光灯

Info

Publication number: CN1331187C
Application number: CNB038123851A
Authority: CN
Inventors: T·杰斯特; W·梅尔; C·R·隆达; V·D·希尔登布兰德
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: US20050242702A1; CN1656595A; EP1512167A1; JP4500162B2; JP2005527953A; AU2003232965A1; US7205710B2; WO2003100821A1

Abstract

描述了一种紫外反射层和一种荧光灯，其包含具有内表面的灯管、在该灯管内的用于产生紫外辐射的装置、具有当被紫外辐射照射时能产生可见光的发光材料的光发射层以及位于光发射层与灯管内表面之间的所述紫外反射层，其中该紫外反射层包含金属磷酸盐和/或金属硼酸盐，所述金属选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al或其结合。在该紫外反射层中使用的磷酸盐或硼酸盐可以任意地掺杂Tb³⁺和/或Dy³⁺活化剂，以进一步提高UV辐射转化成可见光的量子产率。

Description

具有紫外反射层的荧光灯

本发明涉及一种紫外反射层以及荧光灯，该荧光灯包含具有内表面的灯管以及在该灯管内的具有用于产生紫外辐射的装置或具有当被紫外辐射照射时能产生可见光的发光材料的光发射层。所述紫外反射层置于光发射层与灯管内表面之间，其中该紫外反射层包含金属磷酸盐和/或金属硼酸盐，所述金属选自钪、钇、镧、钆、镥、铝或其结合。

荧光灯“低压汞蒸汽放电灯”通常具有注有汞和稀有气体的灯管，在灯工作期间，在该灯管中保持气体放电。遗憾的是，汞蒸汽放电发射的辐射大部分在紫外区，发射的最强光谱线(the most intense lines)位于254nm(85％的辐射)和185nm(12％的辐射)。紫外辐射需通过位于涂在灯管内表面上的涂层的发光材料转换为可见光。当被紫外辐射照射时，该发光材料(主要是磷光体的混合物)涂层发射可见光。

由于汞蒸汽放电的紫外线能被灯管的玻璃吸收，所以发光材料层必须足够厚以避免紫外辐射的传输，或至少限定发光材料层在合理的范围。否则，荧光灯的效率将低于可接受的效率。在荧光灯中，通常使用1.8mg/cm²(60％覆盖范围)-3.0mg/cm²(100％覆盖范围)重的发光材料涂层。

由于发光材料显著地影响灯的制造成本，因此需要不断的减少涂层重量。人们通过减少发光材料的粒度尝试解决这个问题，但在许多情况下，这种方法都受限于量子产额的减少。

人们已尝试在荧光层下面提供紫外反射层。具有该反射层，则通过发光层的紫外辐射被紫外反射层反射回到荧光层。拥有该紫外反射层，则可以实现重量更低的荧光涂层。

美国专利No.5,602,444描述了一种在玻璃灯管和荧光层之间具有紫外反射隔离层的荧光灯，该荧光层由γ氧化铝和α氧化铝混合物组成。

美国专利No.5,552,665描述了一种具有主要由γ氧化铝制成的紫外反射隔离层的荧光灯，该γ氧化铝具有小于约0.5μm初始晶体粒度。

但是，氧化铝表现出一些缺点，第一，由于其仅仅7.0eV(180nm)的带隙(band gap)，因此它在185nm具有相对高的吸收，这降低了灯的效率。第二，由氧化铝颗粒物组成的层通常表现出较差的机械韧性。在小型荧光灯(CFLs)的制造中，由于在涂敷具有紫外反射层和发光层的灯管之后，经涂敷的灯玻璃需在相对高的温度下进一步加工，如进行弯曲，以获得CFL灯的典型形式，因此较高的机械稳定性是必需的。如果紫外反射层不是足够的稳定，它将在这些进一步的加工步骤中从玻璃上剥落，置于其上的上层荧光层也将剥落。

因此，在荧光灯中需要高效率的材料用于紫外反射层，这样可以容易地加工出高机械韧性和稳定性的荧光灯。

本发明的另一目的是提供一种紫外反射层，作为反射层的主要功能，该紫外反射层能以发光的形式重新发射少量的能量(来源于部分吸收的紫外辐射)，从而有利于增加灯的整体效率。

通过在独立的主要权利要求中所描述的荧光灯，可以解决上面的问题。

本发明的优选实施方案在独立权利要求特征和从属权力要求特征的综合中得以公开。

根据本发明，提供了一种包含金属磷酸盐和/或金属硼酸盐的紫外反射层，所述金属选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al或其结合。优选地，提供了一种包含二元正磷酸盐MePO₄和/或二元正硼酸盐MeBO₃的紫外反射层，所述金属Me选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al。

另外，提供一种荧光灯，该荧光灯包含具有内表面的灯管、在该灯管内的具有用于产生紫外辐射的装置、具有当被紫外辐射照射时能产生可见光的发光材料的光发射层以及位于光发射层与灯管内表面之间的所述紫外反射层。其特征在于，该紫外反射层包含金属磷酸盐和/或金属硼酸盐，所述金属选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al或其结合。

在本发明中，惊讶地发现，一些稀土和特定的镧系金属离子的金属磷酸盐和/或金属硼酸盐与主族元素Al的磷酸盐或硼酸盐一样也特别适合用于紫外反射层。金属例如Sc、Y、La、Gd、Lu和Al的磷酸盐和硼酸盐具有大的带隙，因此它们没有表现出大量的在紫外区的吸收。

另外，可以基本上无缺陷的制备用于本发明的磷酸盐和硼酸盐，这是很重要的，否则可能存在显著的吸收，甚至在低于带隙的能量下由所谓“Urbach tail”导致吸收。这些物质允许制备粒径在约10-300nm之间的超细颗粒物，这将允许制备与可见光区相比在紫外区表现出显著改善的散射特性的层。

本发明的用于荧光灯的紫外层可以分别由结构MePO₄或MeBO₃的二元正磷酸盐或二元正硼酸盐组成，或由它们的结合组成，所述金属选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al。在本发明中，还可以使用三元磷酸盐(Me1_1-xMe2_x)PO₄或三元硼酸盐(Me1_1-xMe2_x)BO₃，其中金属Me₁和Me₂分别独立地选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al，且x是零和一之间的任何数(0＜x＜1)。

这些物质的带隙足够高以至它们在185nm仅表现出非常小的吸收，并且在254nm实际中无相关吸收。

对等离子体辐射的有效散射的最佳粒径取决于待反射光的波长以及媒介和散射物质之间衍射系数的差异。为了达到最佳的反射效率，粒径需超过待反射的辐射波长。例如，由于LaPO₄和YPO₄的衍射系数分别为1.79和1.77(和Al₂O₃的衍射系数(1.77)非常相似)以及在185nm的低汞放射线须被反射，因此至少约185nm的粒径可用于紫外反射层，优选约200nm。但是，实际中可使用具有一定粒径分布范围的物质，这些物质通常通过平均粒径分布来表征。因此，平均粒径低于185nm的物质也可以使用。在本发明的荧光灯中，紫外反射层由平均粒径低于500nm的颗粒物构成，优选50nm-400nm，最优选50nm-300nm。也可以使用其它合适的平均粒径范围，例如50nm至2000nm，优选150nm-1000nm，更优选170nm-500nm，这取决于使用的磷酸盐或硼酸盐的具体类型。

为了提高散射特性，紫外反射层还可以由两种粒径的混合物构成，其中第一种颗粒物的平均粒径在10和50nm之间，优选10-30nm，并且第二种颗粒物的平均粒径在100和500nm之间，优选100-300nm，最优选100-200nm。

通常涂敷涂层重量在0.05-5mg/cm²范围的紫外反射层，例如直接涂敷在灯管内表面，优选重量范围为0.15-3mg/cm²，更优选0.3-2mg/cm²，最优选约0.5mg/cm²。根据本发明，也可以使用重量在0.1-0.5mg/cm²或0.3-0.8mg/cm²涂层。

可以使用在先技术中公知的任何适当的工艺(例如美国专利No5,552,665(US5,552,665)公开的方法)将紫外反射层涂敷在基底上，例如涂敷在灯管上。通常，通过所使用的金属磷酸盐或硼酸盐的水悬浮液或分散系来涂敷紫外反射层，例如涂敷在灯管的内表面。可选择地，如果需要，可使用有机溶剂如乙酸丁酯或者有机溶剂与水的混合液中的悬浮液或分散系。可以添加传统的添加剂或辅助剂而不改变紫外反射层的最终特性，例如添加稳定剂、分散剂、表面活性剂、增稠剂、消泡剂、粘结剂或粉末调节剂等等。通常用作悬浮液添加剂的实例是纤维素衍生物、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇或环氧丙烷。涂敷了悬浮液或分散系之后，加热所涂敷的基底例如玻璃管，由此去除溶剂和辅助剂，留下紫外反射层。另外，通过在先技术中公知的类似技术可以涂敷光发射层。

根据本发明的荧光灯光发射层由发光材料组成，该材料当被紫外辐射照射时能产生可见光。该发光材料可以是在先技术中公知的任何适用于荧光灯光发射层的材料。通常，用作光发射层的发光材由主晶格组成，该主晶格掺杂了百分之几的活化剂。该主晶格通常是无机含氧物质如氧化物、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐、硫酸盐、锗酸盐或硅酸盐。该活化剂是金属离子，通常是稀土金属离子，如Eu²⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺，但也可以是主族元素离子如Bi³⁺、Pb²⁺或Sb³⁺或者是过渡金属元素离子如Mn²⁺或Mn⁴⁺。在本发明中，光发射层优选包括下列发光材料或材料混合物之一：

Ca₅(PO₄)₃(F，Cl):Sb，Mn

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，LaPO₄:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，CeMgAl₁₁O₁₉:Tb，Y₂O₃:Eu

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，GdMgB₅O₁₀:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，Mn，LaPO₄:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，Mn，CeMgAl₁₁O₁₉:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu，Mn，GdMgB₅O₁₀:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

(Ba，Sr，Ca)₅(PO₄)₃(F，Cl):Eu，LaPO₄:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

(Ba，Sr，Ca)₅(PO₄)₃(F，Cl):Eu，CeMgAl₁₁O₁₉:Tb，Y₂O₃:Eu

(Ba，Sr，Ca)₅(PO₄)₃(F，Cl):Eu，GdMgB₅O₁₀:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

LaPO₄:CeTb，Y₂O₃:Eu

CeMgAl₁₁O₁₉:Tb，Y₂O₃:Eu

GdMgB₅O₁₀:Ce，Tb，Y₂O₃:Eu

BaSi₂O₅:Pb

LaPO₄:Ce，BaSi₂O₅:Pb

SrAl₁₂O₁₉:Ce，BaSi₂O₅:Pb

Y₃Al₅O₁₂:Ce

LaB₃O₆:Gd，Bi

SrB₄O₇Eu

(Y，Gd)PO₄:Ce

或Mg₄GeO₅，₅F:Mn

可以使用平均粒径约0.5-10μm的这些材料。光发射层的发光材料吸收低压蒸汽放电发射的UV辐射并且将其转化为可见光。颜色和光强度主要取决于使用的发光材料的类型。

灯管上光发射层的最佳厚度约为5-50μm，但也可以是20μm厚。一方面，该层应该足够厚以吸收足够的紫外辐射，但另一方面，该层足够薄以高效传输位于光发射层内部的颗粒物产生的可见光辐射。

在根据本发明的荧光灯中，光发射层被涂敷在UV层上，该光发射层重约0.5-5.0mg/cm²，优选1.0-3.5mg/cm²，最优选1.5-3.0mg/cm²。

虽然本发明的反射材料具有较大的带隙，如LaPO₄和GdPO₄分别具有8.2eV和8.3eV的带隙，但只有少量的紫外能量被该反射材料吸收，尤其是来自Hg的185nm的射线。为了进一步提高灯的总体效率，通过适当地活化磷酸盐或硼酸盐物质产生发光，这些能量也可以任意地至少部分转化为可见光。

在特定的本发明的优选实施方案中，UV反射层还包含活化剂，该活化剂引起反射层以发光的形式重新发射能量(该能量来源于部分吸收的汞的185nm射线)。该活化剂须选自于那些在254nm处基本上无任何吸收但在185nm处至少吸收一些能量的物质，经由能量转移，该物质通过发光重新发射这些能量。在本发明中使用的作为UV反射层的金属磷酸盐或硼酸盐虽然具有较大的带隙，但其在185nm区表现出一些小量的吸收。这些能量可用来帮助活化剂产生另外的可见光，因此当被适当的活化剂激化时，UV反射层还具有发光的能力。

根据本发明的另一方面，已经发现，由于掺杂Tb³⁺和/或Dy³⁺的金属磷酸盐和金属硼酸盐能够重新发射从汞的185nm射线吸收的能量但不会被254nm射线激发，因此Tb³⁺和/或Dy³⁺适合作为活化剂用于此目的。这种激发可用于进一步提高具有本发明的UV反射层的荧光灯能量的产生。因此，用于本发明的紫外反射层的金属磷酸盐和硼酸盐可以任意的掺杂Tb³⁺和/或Dy³⁺活化剂，从而进一步提高UV辐射转化为可见光的量子产率。

因此，在本发明的优选实施方案中，紫外反射层和/或荧光灯包含由颗粒物组成的UV反射层，所述颗粒物包含MePO₄:Tb、MeBO₃:Tb、(Me1_1-xMe2_x)PO₄:Tb和/或(Me1_1-xMe2_x)BO₃:Tb，或它们的混合物，其中Me、Me₁和Me₂分别独立地选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al，且0＜x＜1。

通过相似的生产方法以及使用相同的元件和组分，可以构造本发明的荧光灯，该荧光灯可类似于在先技术的任何其它荧光灯。通常，所述荧光灯包含细长的玻璃管(1)或具有管状截面的光传输灯管，如图1所示。其中管的内表面涂敷紫外反射层(2)，该反射层包含Sc、Y、La、Gd、Lu或Al的金属磷酸盐或金属硼酸盐。在该反射层上涂置由发光材料构成的光发射层(3)。密封灯的末端并且在灯管内配置用于产生紫外辐射的装置。通过灯管内的持续放电的填充气体(4)实现最终目的，该填充气体通常是惰性气体如氩在低压下结合少量的汞。另外，在该灯中还配置两个用于提供放电的电极构件(图中未示出)。

图2是两个实施例材料与传统使用的Al₂O₃在紫外区的反射的比较图示，所述实施例材料用作根据本发明的紫外反射层。两种材料LaPO₄和YBO₃实际中在Hg低压发射光谱的射线254nm处表现出全反射。另外，LaPO₄和YBO₃在185nm射线处的反射与传统使用的Al₂O₃相比约高10-20％。因此，鉴于典型的在先技术的材料，根据本发明使用的材料在反射性能上更为优越。

根据本发明，使用Sc、Y、La、Gd、Lu或Al的金属磷酸盐或硼酸盐作为荧光灯中UV反射层的材料具有一些重要的优点：

这些材料在可见光区具有非常高的反射，因此它们具有良好的外观，并且可容易地与Al₂O₃或其它反射材料如BaSO₄媲美。另外，金属磷酸盐或硼酸盐表现出非常小的汞的消耗，因此诸如随着时间光发射逐渐减少等问题将不会出现在这些组件中。然而，最重要的优点是磷酸盐和硼酸盐可作为助熔剂，由于这些物质能够熔融到灯管的玻璃表面，从而导致紫外反射层在高温加工中的极好的机械稳定性和韧性。这是因为根据本发明使用的金属磷酸盐和硼酸盐的熔点接近在玻璃弯曲和加工操作中玻璃软化的温度(约580℃)。由于其可能至少部分地熔化并融合到玻璃中，所以本发明的紫外反射层抗划伤，并且当用于小型荧光灯(CFLs)的制造时，其在高温弯曲操作中表现出显著提高的抗剥落特性。相反，铝具有超过2000℃的熔点，并且在弯曲和加工过程中不能与玻璃表面相融合。另外，在玻璃加工操作的温度下，小粒径的铝在烧结过程中有结晶化的趋势，这进一步降低了反射性能。

现在进一步通过下列实施方案和实施例阐述本发明，其仅用于说明的目的，并不表示对上文以及附加的权利要求中所述的发明范围的任何限制。

实施例

1.具有LaPO₄作为UV反射层的荧光灯。

用LaPO₄颗粒物的水悬浮液涂敷玻璃管，由于标准软玻璃通常用于荧光灯管，因此所述玻璃管由标准软玻璃构成。调节涂层重量至约0.5mg/cm²。

经测定，该灯的反射性能在254nm处的反射为60％。同时，在600nm处的反射仅为20％，该结果可以和传统使用的Al₂O₃所达到的性能相比。

2.具有YBO₃作为UV反射层的荧光灯。

用YBO₃颗粒物的水悬浮液涂敷玻璃管，由于标准软玻璃通常用于荧光灯管，因此所述玻璃管由标准软玻璃构成。调节涂层重量至约1.0mg/cm²。

经测定，该灯的反射性能在254nm处的反射为90％。而且，在600nm处的反射仅为35％，该结果可以和传统使用的Al₂O₃所达到的性能相比。

Claims

1.一种紫外反射层，其特征在于，该紫外反射层包含金属磷酸盐和/或金属硼酸盐，所述金属选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al或其结合。

2.根据权利要求1所述的紫外反射层，其特征在于，该紫外反射层包含二元正磷酸盐MePO₄和/或二元正硼酸盐MeBO₃，所述金属Me选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al。

3.根据权利要求1所述的紫外反射层，其特征在于，该紫外反射层包含三元磷酸盐(Me1_1-xMe2_x)PO₄和/或三元硼酸盐(Me1_1-xMe2_x)BO₃，其中金属Me1和Me2分别独立地选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al，且0＜x＜1。

4.根据权利要求1的紫外反射层，其特征在于，该紫外反射层中的颗粒物平均粒径在50nm和400nm之间。

5.根据权利要求1的紫外反射层，其特征在于，该紫外反射层由两种平均粒径分别为10-50nm、100-300nm的颗粒物的混合物构成。

6.一种荧光灯，该荧光灯包含具有内表面的灯管、在该灯管内的用于产生紫外辐射的装置、具有当被紫外辐射照射时能产生可见光的发光材料的光发射层以及位于光发射层与灯管内表面之间的紫外反射层，其特征在于，所述紫外灯包含根据权利要求1所述的紫外反射层。

7.金属磷酸盐和/或金属硼酸盐作为在荧光灯中的紫外反射层的用途，其中，所述金属选自Sc、Y、La、Gd、Lu和Al或其结合。