ES2202979T3 - Revestimiento luminiscente para lamparas de descarga de gas. - Google Patents
Revestimiento luminiscente para lamparas de descarga de gas.Info
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Abstract
Se facilita un recubrimiento de fósforo para lámparas de descarga de gas. El recubrimiento de fósforo contiene fósforo de nanotamaño que facilita la adherencia del fósforo primario a la envolvente del cristal. El recubrimiento de fósforo se aplica a la superficie interior de la lámpara de descarga de gas que usa una suspensión acuosa que contiene fósforo el primario, el fósforo de nano tamaño, y ligante orgánico.
Description
Revestimiento luminiscente para lamparas de
descarga de gas.
Esta invención se relaciona con revestimientos
luminiscentes para lámparas de descarga de gas. En particular, esta
invención se relaciona con los materiales aglutinantes usados en
revestimientos luminiscentes para lámparas de descarga de gas.
Ejemplos de métodos de revestimiento luminiscente
para lámparas de descarga de gas se describen en las Patentes US
Nos. 3.551.180, 2.987.414, 4.340.512 y en la Solicitud de Patente
Europea EP 0 479 300 A1. En general, las partículas luminiscentes
contenidas en la capa de revestimiento no se adhieren bien por sí
mismas a las ampollas de vidrio usadas en lámparas de descarga de
gas sin la ayuda de un agente aglutinante adecuado. En las lámparas
fluorescentes, el agente aglutinante consiste en un material
polimérico, tal como óxido de polietileno, y un óxido de aluminio
finamente dividido y de alta área superficial. Un aglutinante de
óxido de aluminio generalmente preferido es Aluminum Oxide C
(suministrado por Degussa) el cual es un óxido de
gamma-aluminio,
\gamma-Al_{2}O_{3}, que tiene un tamaño de
partícula de alrededor de 20 nm. Una suspensión acuosa de
revestimiento que contiene estos agentes aglutinantes y una
sustancia luminiscente estimulable por ultravioletas (UV) se aplica
a la superficie interior de la ampolla de vidrio y se seca para
formar una capa de revestimiento luminiscente. El aglutinante
polimérico se separa de la capa de revestimiento durante una
posterior operación de cocción de la lámpara a elevada temperatura.
El aglutinante de óxido de aluminio no se separa durante las
posteriores etapas de tratamiento y permanece en la capa de
revestimiento luminiscente de la lámpara acabada.
La presencia de óxido de aluminio en la capa
luminiscente no presenta un problema importante para las lámparas
fluorescentes. Por ejemplo, el
\gamma-Al_{2}O_{3} es casi transparente a la
radiación de resonancia de 254 nm generada por la descarga de
mercurio. (El intervalo óptico para
\gamma-Al_{2}O_{3} se encuentra en la
proximidad de 200 nm y cambia a longitudes de onda más largas, >
185 nm, para \gamma- Al_{2}O_{3}). De este modo, el óxido de
aluminio mejora la adherencia de la capa de revestimiento sin
absorber la radiación UV usada para excitar la sustancia
luminiscente. Esta situación cambia, sin embargo, para otros tipos
de lámparas de descarga de gas que utilizan radiación UV que se
presenta en la región de ultravioleta de vacío (VUV), menor de
alrededor de 170 nm (por ejemplo, lámparas de descarga de excimer
de Xe y de gas neón. En dichas lámparas, el óxido de aluminio del
revestimiento luminiscente absorbe la radiación VUV emitida por la
descarga de gas. Al contrario que la sustancia luminiscente del
revestimiento, la radiación VUV absorbida por el
\gamma-Al_{2}O_{3} no es convertida a
radicación visible sino que en su lugar es disipada a través de
procesos de pérdida no-radiativa asociados con el
material en bruto. Por tanto, en las aplicaciones VUV, la presencia
de óxido de aluminio en el revestimiento luminiscente causa una
reducción en la eficacia de la lámpara. Si el aglutinante de óxido
de aluminio se separa del revestimiento luminiscente, la eficacia
de la lámpara aumenta pero el revestimiento se desprende fácilmente
de la ampolla de la lámpara. Por tanto, sería conveniente disponer
de un agente aglutinante que proporcione características de
adherencia similares a las exhibidas por el óxido de aluminio
finamente dividido y de alta área superficial sin causar una
reducción importante en la eficacia de la lámpara.
Un objeto de la invención consiste en evitar los
inconvenientes del estado de la técnica.
Un objeto de la invención consiste en
proporcionar un revestimiento luminiscente que tiene un aglutinante
inorgánico que exhibe características de adherencia comparables a
las del Aluminum Oxide C.
Otro objeto de la invención consiste en
proporcionar una lámpara de descarga de gas que tiene una mayor
eficacia.
De acuerdo con uno de los objetos de la
invención, se proporciona un revestimiento luminiscente para una
lámpara de descarga de gas que comprende una sustancia luminiscente
primaria y un aglutinante inorgánico, comprendiendo el aglutinante
inorgánico una sustancia luminiscente de tamaño nanométrico y
emitiendo la sustancia luminiscente primaria luz visible tras la
estimulación por radiación VUV.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
proporciona una lámpara de descarga de gas que comprende una ampolla
formada por un material transmisor de la luz, teniendo la ampolla
una pared que define un volumen cerrado, conteniendo el volumen
cerrado un relleno de gas, siendo capaz el gas de emitir radiación
VUV cuando es estimulado, y un revestimiento luminiscente que
comprende una sustancia luminiscente primaria y un aglutinante
inorgánico, comprendiendo el aglutinante inorgánico una sustancia
luminiscente de tamaño nanométrico y emitiendo la sustancia
luminiscente primaria luz visible tras la estimulación por radiación
VUV.
De acuerdo con otro aspecto más de la invención,
la sustancia luminiscente de tamaño nanométrico del revestimiento
luminiscente tiene una absorbancia VUV total en un intervalo de
longitudes de onda VUV que es menor que la absorbancia VUV total
del óxido de gamma-aluminio en el mismo intervalo de
longitud de onda.
La figura 1 es un diagrama en sección transversal
de una lámpara de descarga de gas neón.
Para poder entender mejor la presente invención,
junto con otros objetos, ventajas y posibilidades de la misma, se
hace referencia a la presente descripción y reivindicaciones
adjuntas consideradas en combinación con el dibujo anteriormente
descrito.
La principal dificultad encontrada a la hora de
buscar un sustituto para el aglutinante de óxido de aluminio es que
la casi totalidad de los materiales absorben radiación por debajo
de 100 nm. La absorción por la red cristalina matriz en esta región
es más fuerte que aquella de los iones activadores aislados en la
red cristalina y la radiación absorbida se pierde normalmente en
una relajación no-radiativa. De este modo, es casi
imposible encontrar un material que sea tan transparente a la
radiación VUV como lo es el
\gamma-Al_{2}O_{3} a una radiación de 254
nm.
Otra dificultad surge de la falta de
entendimiento de cómo el aglutinante de óxido de aluminio mejora la
adhesión entre la sustancia luminiscente y la ampolla de vidrio.
Existen varias teorías con respecto al papel que juega el óxido de
aluminio en un revestimiento luminiscente. Una de ellas es que, en
la suspensión acuosa de revestimiento, el óxido de aluminio
experimenta un cambio químico, posiblemente una hidratación, que
facilita la unión de las partículas luminiscentes al vidrio. Otra
teoría es que el tamaño de las partículas de óxido de aluminio
mejora la adhesión debido a una mayor interacción de van der Waals
entre las partículas y el vidrio. Dicho proceso de fisisorción
puede entenderse dentro del marco de la teoría de Hamakar de fuerzas
de dispersión (R.J.Hunter, Foundations of Colloid Science,
Clarendon Press, Oxford (1989)).
La entidad solicitante ha comprobado que las
sustancias luminiscentes de tamaño nanométrico que tienen un tamaño
de partícula de alrededor de 10 a 150 nm, con un intervalo
preferido de alrededor de 75 a 125 nm, pueden reemplazar al óxido
de aluminio como agente aglutinante en revestimientos luminiscentes
y proporcionan una mejora en la eficacia de la lámpara. Los
revestimientos luminiscentes que contienen sustancias luminiscentes
de tamaño nanométrico exhiben propiedades de adherencia similares a
las mostradas por los revestimientos que contienen aglutinantes de
óxido de aluminio. Se cree que las sustancias luminiscentes de
tamaño nanométrico pueden mejorar la eficacia de la lámpara de
varios modos, incluyendo: conversión de la radiación VUV absorbida
a luz visible, reducción de la absorción VUV y/o reducción de la
cantidad requerida de aglutinante. En particular, la sustancia
luminiscente de óxido de itrio activado con europio
(Y_{2}O_{3}:Eu) de tamaño nanométrico ha demostrado proporcionar
una adherencia comparable a la del Aluminum Oxide C al mismo tiempo
que proporciona un incremento en la eficacia de la lámpara. Las
sustancias luminiscentes de nano-cristales y
métodos para la producción de materiales
nano-estructurados se describen en las Patentes US
Nos. 5.455.489 y 5.460.701.
Como se ha descrito anteriormente, el
revestimiento de sustancia luminiscente se aplica a la superficie
interior de una lámpara de descarga de gas. Dicho revestimiento se
muestra en la figura 1 la cual ilustra una lámpara de descarga de
gas neón, parcialmente en sección. La lámpara de neón 10 está
constituida por una ampolla tubular 12, un primer electrodo 14, un
relleno de gas neón 22, un segundo electrodo 24 y un revestimiento
luminiscente 26. La lámpara es accionada por una fuente de energía
eléctrica no mostrada. La ampolla tubular 12 puede ser de vidrio
verde o cuarzo y tiene la forma general de un tubo alargado. El
vidrio preferido es un vidrio de alúmina- silicato, un "vidrio
verde", suministrado por Corning Glass Works y conocido como del
tipo 1724. El diámetro interior 16 de la ampolla 12 puede variar
entre 2 y 10 mm, siendo el diámetro interior preferido 16 de
alrededor de 3 a 5 mm. En uno de los extremos de la ampolla tubular
12 se encuentra un primer terminal sellado. El primer terminal
sellado retiene al primer electrodo 14. El primer terminal sellado
preferido es una junta de presión que captura al primer electrodo
14 en la ampolla de vidrio verde. En el extremo opuesto de la
ampolla tubular 12 está situado un segundo terminal sellado. El
segundo terminal sellado puede estar formado de manera que tenga
prácticamente la misma estructura que la primera junta, capturando
a un segundo electrodo 24 formado de manera similar. Con el fin de
generar un color de emisión ámbar, la ampolla de la lámpara está
revestida con sustancia luminiscente 26 que emite luz verde en
respuesta a las líneas de radiación ultravioleta del neón. La
sustancia luminiscente 26 puede unirse a la superficie interior de
la ampolla 12 mediante técnicas convencionales conocidas de
revestimiento en suspensión acuosa. Dependiendo de la aplicación,
la sustancia luminiscente primaria para emitir luz visible en
respuesta al estímulo VUV puede comprender una sola sustancia
luminiscente o una mezcla de sustancias luminiscentes.
Los siguientes ejemplos se ofrecen con fines
ilustrativos y no deberán ser considerados como una limitación de la
invención.
Se evaluaron dos muestras diferentes de sustancia
luminiscente de Y_{2}O_{3}:Eu de tamaño nanométrico. Ambas
muestras exhibían una emisión roja de Eu^{3+} escasamente visible
bajo una radiación de 254 nm. La muestra #1 fue blanqueada por
calentamiento en aire. Sin embargo, todavía mantenía un color gris
evidente en el cuerpo, cuyo color persistió en la suspensión de
revestimiento. El color gris del cuerpo fue eliminado en la etapa
de combustión del aglutinante durante la fabricación de la lámpara.
La muestra #2 fue tratada térmicamente a 1125ºC para promover la
formación de la forma cúbica más fuertemente fluorescente. El
tamaño de partícula de la muestra #2 (alrededor de 120 nm) fue
aproximadamente 50% más grande que el de la muestra #1 (alrededor de
85 nm). Las sustancias luminiscentes de tamaño nanométrico fueron
preparadas usando un método de condensación en fase gaseosa. Aunque
la eficacia de estas sustancias luminscentes es pobre en
comparación con las sustancias luminiscentes comerciales de
Y_{2}O_{3}:Eu de tamaño micrométrico (normalmente
4-6 \mum), otros investigadores han mostrado
sustancias luminiscentes de tamaño nanométrico que tienen eficacias
comparables a las del material en bruto.
Estas muestras luminiscentes de tamaño
nanométrico se emplearon para sustituir el Aluminum Oxide C en una
suspensión de revestimiento acuosa estándar que contiene un agente
aglutinante de óxido de polietileno y una sustancia luminiscente de
granate de itrio-aluminio activado con cerio,
Y_{3}Al_{5}O_{12}:Ce, (Sylvania Tipo 251). La sustitución se
realizó sobre una base molar más que sobre una base en peso. La
suspensión acuosa contiene normalmente alrededor de 5,6% en peso de
Aluminum Oxide C basado en el peso de la sustancia luminiscente. El
Aluminum Oxide C se añade como una suspensión acuosa que incluye
una pequeña cantidad de un dispersante. El equivalente molar de la
sustancia luminiscente de Y_{2}O_{3}:Eu de tamaño nanométrico
que sustituye al Aluminum Oxide C fue, por tanto, de
aproximadamente 12,4% en peso basado en el peso de la sustancia
luminiscente.
Cuando se mezcló con agua, la muestra #1 formó
una pasta, cuya formación puede haber sido realzada por la adición
de un dispersante. Parte del vehículo de óxido de polietileno usado
para ajustar la densidad específica de la suspensión se utilizó
para facilitar la dispersión de esta muestra. No obstante,
posteriormente se observaron coágulos en la suspensión y fue
necesario eliminarlos mediante tamizado en húmedo. La muestra #2 se
comportó de manera más similar a una sustancia luminiscente
convencional, separándose por sedimentación de forma relativamente
rápida tras permanecer en reposo. Aparentemente, el tratamiento
térmico efectuado después de la síntesis hizo que las partículas
fuesen bastante más gruesas para inhibir la formación de una
suspensión similar a la observada para el Aluminum Oxide C. Con
fines comparativos se utilizó una suspensión de revestimiento
luminiscente preparada con Aluminum Oxide C.
Con cada suspensión se revistieron seis modelos
de lámpara (diámetro interior 3 mm). Para evaluar la adhesión de la
capa luminiscente, se llevaron a cabo ensayos de soplado en dos
modelos de cada serie. El aire se insufló a través de los tubos
revestidos a velocidades cada vez mayores hasta que el revestimiento
luminiscente comenzó a desprenderse. En la Tabla 1 se indica la
velocidad del aire que fluye a través del tubo en el primer signo
visible de pérdida sustancia luminiscente. También se indican en la
Tabla 1 datos respecto a las lámparas de descarga de gas neón
preparados a partir de los restantes modelos. Las lámparas se
construyeron de manera similar que aquellas descritas en la Patente
US No. 5.523.655 de Jennato et al. que se incorpora aquí solo con
fines de referencia.
| Lámparas | Agente aglutinante | Ensayo de soplado SCFH | Rendimiento luménico a 20 vatios |
| 805A | Muestra #1 | 45-50 | 280 |
| 805B | Muestra #2 | 25-30 | 280 |
| Estándar | Aluminum Oxide C | 50+ | 230 |
Los resultados de la Tabla 1 demuestran
claramente que el uso de sustancias luminiscentes de tamaño
nanométrico puede producir una adhesión del revestimiento
equivalente a la obtenida con Aluminum Oxide C consiguiendo al
mismo tiempo un incremento en la eficacia de la lámpara. Puesto que
no se detectó emisión de Eu^{3+} de las lámparas que contienen la
sustancia luminiscente de tamaño nanométrico como agente
aglutinante, no es posible atribuir directamente la mayor
luminosidad de estas lámparas a emisiones de las sustancias
luminiscentes de tamaño nanométrico. Más probablemente, el
incremento en la eficacia es el resultado de la menor absorción VUV
por el aglutinante. Las lámparas producidas sin un aglutinante de
Aluminum Oxide C o de sustancia luminiscente de tamaño nanométrico
experimentaron también un incremento en la eficacia similar al de
las lámparas que contienen el aglutinante luminiscente de tamaño
nanométrico. Sin embargo, las capas de revestimiento de dichas
lámparas se adhirieron pobremente al vidrio.
Puesto que la cola de absorción del Aluminum
Oxide C se extiende más allá de 185 nm, una sustancia luminiscente
de tamaño nanométrico elegida adecuadamente puede reducir cualquier
pérdida experimentada en lámparas de descarga de vapor de mercurio
a partir de la absorción de radiación de 185 nm. De este modo,
aunque puede anticiparse que las lámparas que utilizan radiación VUV
se beneficiarán la mayoría de ellas de esta invención, este alcance
de la presente invención no queda limitado a tales
aplicaciones.
Aunque se ha mostrado y descrito todo aquello que
en la actualidad se considera como las modalidades preferidas de la
invención, para el experto en la materia será evidente que pueden
realizarse varios cambios y modificaciones en la misma sin
desviarse por ello del alcance de la invención tal como queda
definida por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (16)
1. Revestimiento luminiscente para una lámpara
de descarga de gas que comprende:
una sustancia luminiscente primaria y un
aglutinante inorgánico, comprendiendo el aglutinante inorgánico una
sustancia luminiscente de tamaño nanométrico y emitiendo la
sustancia luminiscente primaria luz visible tras la estimulación por
radiación VUV.
2. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 1, en donde la sustancia luminiscente de tamaño
nanométrico emite luz visible tras la estimulación por radiación
VUV.
3. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 1, en donde la sustancia luminiscente de tamaño
nanométrico tiene una absorbancia VUV total en un intervalo de
longitudes de onda VUV que es menor que la absorbancia VUV total de
óxido de gamma-aluminio en el mismo intervalo de
longitud de onda.
4. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 1, en donde el revestimiento luminiscente exhibe una
adherencia que es equivalente o mayor que la de un revestimiento
similar en donde la sustancia luminiscente de tamaño nanométrico ha
sido reemplazada por una cantidad molar equivalente de un
aglutinante de óxido de aluminio, consistiendo el aglutinante de
óxido de aluminio en partículas de un óxido de
gamma-aluminio que tiene un tamaño de partícula de
alrededor de 20 nm.
5. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 1, en donde la sustancia luminiscente de tamaño
nanométrico es un óxido de itrio activado con europio.
6. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 5, en donde la sustancia luminiscente primaria es un
granate de itrio-aluminio activado con cerio.
7. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 1, en donde la sustancia luminiscente primaria es
una mezcla de sustancias luminiscentes.
8. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 5, en donde la sustancia de tamaño nanométrico tiene
un tamaño de partícula de 75 a 125 nm aproximadamente.
9. Revestimiento luminiscente según la
reivindicación 8, en donde la sustancia luminiscente de tamaño
nanométrico se produce mediante condensación en fase gaseosa.
10. Procedimiento para la producción del
revestimiento luminiscente según la reivindicación 1, que comprende
las siguientes etapas:
formar una suspensión acuosa de la sustancia
luminiscente primaria, de la sustancia luminiscente de tamaño
nanométrico y de un aglutinante orgánico;
aplicar la suspensión a la lámpara de descarga de
gas para formar una capa de revestimiento;
secar la capa de revestimiento y cocer la capa de
revestimiento para separar el aglutinante orgánico.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en
donde el aglutinante orgánico es óxido de polietileno.
12. Lámpara de descarga de gas (10) que
comprende:
una ampolla (12) formada por un material
transmisor de la luz, teniendo la ampolla una pared que define un
volumen cerrado, conteniendo el volumen cerrado un relleno de gas
(22), siendo el gas capaz de emitir radiación VUV cuando es
estimulado; y
un revestimiento luminiscente (26) que comprende
una sustancia luminiscente primaria y un aglutinante inorgánico,
comprendiendo el aglutinante inorgánico una sustancia luminiscente
de tamaño nanométrico y emitiendo la sustancia luminiscente
primaria luz visible tras la estimulación por radiación VUV.
13. Lámpara según la reivindicación 12, en donde
la pared tiene al menos un electrodo (14, 24) que se extiende a
través de la misma para entrar en contacto con el volumen
cerrado.
14. Lámpara según la reivindicación 12, en donde
la eficacia de la lámpara es equivalente o mayor a la mostrada por
una lámpara similar que tiene un revestimiento luminiscente similar
en donde la sustancia luminiscente de tamaño nanométrico ha sido
sustituida por una cantidad molar equivalente de un aglutinante de
óxido de aluminio, consistiendo el aglutinante de óxido de aluminio
en partículas de óxido de gamma-aluminio que tiene
un tamaño de partícula de alrededor de 20 nm.
15. Lámpara según la reivindicación 12, en donde
la sustancia luminiscente de tamaño nanométrico es un óxido de
itrio activado con europio.
16. Lámpara según la reivindicación 15, en donde
la sustancia luminiscente primaria es un granate de
itrio-aluminio activado con cerio y en donde el
relleno de gas está constituido por neón.
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