具有單層螢光體塗層的螢光燈的製作方法
2023-05-15 19:41:16
專利名稱：具有單層螢光體塗層的螢光燈的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及螢光燈，並且更明確地涉及一種具有單層螢光體塗層的低壓汞蒸氣放電螢光燈。
背景技術：
螢光燈通常包含至少一個螢光體層和可選地包含獨立的阻擋層。在一個或多個螢光體層與玻璃管之間塗有通常為氧化鋁或二氧化矽的阻擋層，以增加流明保持、增加螢光體的利用率、減少汞的消耗、減少端部變色和改善燈的外觀。
當前，用於螢光燈的螢光體塗層包括兩層。第一層被塗在與玻璃管最接近處，並且是滷代磷酸鹽的螢光體，其具有與製成的燈相同的相關色溫(CCT)。該螢光體的生產較廉價。然而，該滷代磷酸鹽的顯色指數(CRI或RA)較低。例如，發「Warm White(暖白光)」的滷代磷酸鹽(CCT約為3000K)具有約50的CRI，而發「Cool White(冷白光)」的滷代磷酸鹽(CCT約為4000K)具有約60的CRI。在滷代磷酸鹽塗層乾燥後第二層被塗在該第一層之上，並且一般為紅光發射螢光體、綠光發射螢光體和藍光發射螢光體三種稀土螢光體混合物。被銪(Eu3+)活化的氧化釔(Y2O3)(YEO)為典型的紅光發射螢光體。用鈰和鋱活化的磷酸鑭(LAP)或用鋱活化的鋁酸鈰鎂(CAT)經常用於綠光發射螢光體。諸如用銪(Eu2+)活化的鍶、鈣、鋇的氯磷灰石(SECA)或用銪(Eu2+)活化的鋁酸鋇鎂(BAM)的藍光發射螢光體被用做稀土螢光體混合物中的第三種螢光體。用於三磷混合物的稀土物質是較昂貴的，因而儘可能少用此物質是所需的。通過在滷代磷酸鹽層的頂部且靠近放電的位置施加稀土螢光體，不均勻的放電的UV光量被該層吸收，並由此使用較少的稀土螢光體是需要的。該三磷混合物具有比滷代磷酸鹽更高的CRI，一般約為82。
例如，通常以SP或70系列標註的T12的燈(如具有1.5英寸，約35毫米，的螢光燈)通過塗敷4.5-5.5g/4英尺長度(約3.2到3.9mg/cm2管體表面積)的滷代磷酸鹽塗層來產生，其具有在約4000K色溫下的約70-75的顯色指數(CRI)。隨後，在T12的燈上塗敷約1.0g/4英尺長度(約0.7mg/cm2管體表面積)的三磷混合物的薄層。因為其CRI值在70出頭並且色溫約為4000K，此燈通常被標註為740。該燈具有良好的發光效率，一般為每瓦特78-80流明(LPW)。約百分之五十的放電的紫外光(UV)被最裡面的稀土螢光體層吸收，剩餘的放電的紫外光被滷代磷酸鹽塗層吸收。在T12的燈上使用較厚的三磷混合物塗層，如1.8-2g/4英尺長度(約1.3到1.4mg/cm2管體表面積)，可獲得更高的CRI，一般約為80。該燈被標註為840或SPX40。
許多現存的用於螢光燈製造的生產過程不具有有效地施加兩個螢光體塗層的能力。每個塗敷步驟需要大量的設備和工作。即使當雙塗敷過程為可利用時，由於在第二層塗敷步驟期間第一層和第二層之間的互相影響，雙塗層過程也是困難的。例如，當施加第二層塗層時，部分第一塗層可能被洗刷掉，除非在此方式下使第一塗層乾燥以使其很好地粘附在玻璃上。
美國專利No.5,838,100披露了用於螢光燈的單層螢光體塗層，該螢光燈包括含有三種稀土螢光體的螢光體混合物，該混合物具有至少20％重量百分比的氧化鋁。氧化鋁散射紫外光且允許使用更低的三螢光體塗層重量。然而，其用來提供所需的CRI的三磷混合物的數量高於常規的雙塗層系統。因此，該單塗層在生產上較昂貴。
本發明提供了一種新的並改進的螢光體塗層和使用的方法，該方法克服了上面提到的問題及其它的一些問題。
發明內容
在本發明的示例性實施例中，提供了一種汞蒸氣放電燈。該燈包括殼體和用於提供電弧的裝置。殼體內密封了維持放電的汞的填充物和惰性氣體。含螢光體的塗層塗敷在殼體的內部。該含螢光體的塗層包括螢光體混合物，其包括發射藍-綠光的滷代磷酸鹽、發射紅光的螢光體和發射綠光的螢光體。
在本發明的另一個示例性實施例中，提供了一種形成燈的方法。該方法包括形成螢光體混合物。該螢光體混合物包括發射藍-綠光的滷代磷酸鹽、發射紅光的螢光體和發射綠光的螢光體。包含螢光體的混合物的塗層形成在殼體的壁面上。殼體內密封有填充物。該填充物包括汞和惰性氣體。
在本發明的又一個示例性實施例中，提供了一種提供光源的方法。該方法包括僅在殼體的表面上塗敷單層的螢光體層。該螢光體層包括螢光體混合物，其包括發射白光的滷代磷酸鹽、發射藍-綠光的滷代磷酸鹽、發射紅光的螢光體和發射綠光的螢光體。電弧在殼體內發生，由此產生光。光的一部分通過螢光體塗層被轉換為不同波長的光，以使由殼體發射出的光具有至少70的顯色指數(CRI)。
本發明的至少一個示例性實施例的一個優點在於形成的單層螢光體塗層具有高的顯色指數。
在閱讀和理解下面的優選實施例的詳細說明時，對於在本技術領域內的普通技術人員，本發明的更進一步的優點是顯而易見的。
圖1是本發明的螢光燈的局部剖面的側視圖。
圖2是本發明的三磷混合物在390-750nm波長範圍內的光譜能量分布圖。
圖3是本發明的適合與三磷混合物混合的發冷白光的滷代螢光體在390-750nm波長範圍內的光譜能量分布圖。
具體實施例方式
圖1顯示了典型的低壓汞蒸氣放電螢光燈10。可意識到的是不同的螢光燈可與本發明一起使用，其包括單或雙端部燈、曲形或直管燈、和無電極燈。螢光燈10具有由玻璃或其它適當的材料形成的透光管或殼體12，其具有圓形的橫截面。含螢光體的塗層16(未按比例示出)設置在玻璃殼體的內表面14。該燈通過分別接附在管體端部的燈頭18，20密封。兩個分隔開的電極22，24分別安裝在燈頭18，20上。優選為由汞和惰性氣體形成的維持放電的填充物26被密封在玻璃管內。該惰性氣體一般是在低壓下的氬或氬與其它惰性氣體的混合物，其結合了少量的汞，以提供低蒸汽壓力的工作方式。
如前所述，含螢光體的塗層16優選為使用在低壓汞蒸氣放電燈中，但是也可使用在高壓汞蒸氣放電燈中。該塗層可用在本技術領域內已知的具有電極的螢光燈中以及用在本技術領域內已知的無電極螢光燈中，其中用於提供電弧的裝置為提供高頻電磁能或電磁輻射的結構。
在本技術領域內已知的是，螢光體改變衝擊螢光體的光譜的波長，以使燈的發射光譜能被調節。諸如光譜紫外區內的無用的光可被轉換為在可見光譜區內的有用的光。含螢光體的塗層16包含被選擇以實現所需顏色質量的螢光體微粒的混合物，以其顯色指數(CRI或RA)的形式來表示該顏色品質。顯色指數是對被光源照明物體的心理生理顏色的程度的測量值，該光源與用於規定條件的基準光源相一致。實際上，CRI是光源的光譜分布與白熾(黑體)光源的光譜分布相比較的優劣程度的測量，白熾光源的光譜分布具有在紅外線區(700nm以上)和紫外線區(400nm以下)之間的普朗克(Planckian)分布。通常，以螢光體混合物為特徵的螢光體具有離散的光譜，其將給出顏色與光譜峰部相配的物體良好的色彩重現，而給出顏色位於光譜峰部之間的物體較差的色彩重現。通過結合具有互補的光譜，可實現在全部光譜上的良好的色彩重現。
含螢光體的塗層16優選為包括至少三種螢光體混合物，更優選為包括四種螢光體混合物。第一種螢光體是螢光體的滷代磷酸鹽或其它發射白光的較廉價的螢光體，在這裡稱為發射白光的滷代物(Halo)。滷代磷酸鹽包括至少一種滷素成分，其優選為氯或氟，或它們的混合物。適當的螢光體的滷代磷酸鹽包括用銻(3+)和錳(2+)活化的氟氯磷酸鈣，或者在本技術領域內已知的另一種螢光體的滷代磷酸鹽。調節滷代磷酸鹽中氟化物與氯化物的比例和錳的量，以給出在本技術領域內已知的燈的所需顏色。該白光發射Halo具有如下通式Ca5-x-y(PO4)3F1-z-yClzOyMnxSby，其中0.03＜x＜0.22；0.03＜y＜0.07；和0.02＜z＜0.2。
例如對於730」的燈，使用稱為發「Warm White(暖白光)」的具有約3000K的色溫的滷代磷酸鹽。對於740」的燈，使用稱為發「Cold White(冷白光)」的滷代磷酸鹽。Cold White(冷白光)具有約4100K的色溫。Cold White具有兩個明顯的光譜峰。一個峰部是在約480nm處並具有約80-100nm的1/2寬度。另一個峰部是在約580nm處並具有約70nm的1/2寬度。Warm White(暖白光)具有兩個同樣的光譜峰，但是由於更高的含Mn的比例，在580nm的峰部更強烈。也使用White(發白光)的滷代磷酸鹽。其具有3500K的色溫。上述滷代磷酸鹽具有與最終製成的燈相同(或近似相同)的相關色溫。由此披露的白光發射的滷代磷酸鹽可包括50-90％重量百分比的混合物，更優選地是包括60-80％重量百分比的混合物4，最優選地是包括約80％重量百分比的螢光體混合物。
螢光體混合物也包括在這裡一般稱為三磷混合物的螢光體的組合物，但是該三磷混合物可包含少於三種螢光體或多於三種螢光體。該三磷混合物包括具有互補發射光譜的螢光體的組合物，當混合在一起時，該組合物提供了高的CRI，優選為80以上，更優選為85以上，且最優為約90或更高。該三磷混合物優選為包括至少一種稀土螢光體，優選為兩種或更多種稀土螢光體混合物。第一種稀土螢光體優選為諸如用銪(3+)活化的氧化釔(YEO)的紅光發射螢光體。該螢光體具有在約611nm處及小於10nm的1/2寬度的峰部。混合物中第二種稀土螢光體優選為綠光發射螢光體。適當的綠光發射螢光體是被鋱活化的螢光體，例如用鈰(3+)和鋱(3+)活化的磷酸鑭(LAP)、用鋱(3+)活化的鋁酸鈰鎂(CeMgAl11O19Tb3+)(CAP)、或用鋱和鈰活化的五硼酸釓鎂。LAP具有諸如在約545nm處及小於10nm的1/2寬度的峰部。該三磷混合物可額外地或可替代地包括其它的稀土螢光體，例如，諸如用銪(Eu2+)活化的鍶、鈣、鋇的氯磷灰石(SECA)或用銪(Eu2+)活化的鋁酸鋇鎂(BAM)的藍光發射螢光體。SECA具有在約447nm處及約50nm的1/2寬度的峰部。
螢光體的YEO具有如下通式(Y(1-x)Eux)2O3，其中0＜x＜0.1優選的是，0.02＜x＜0.7螢光體的LAP具有如下通式(La(1-x-y)CexTby)PO4，其中0.1＜x＜0.6；0＜y＜0.25優選的是，0.2＜x＜0.4；0.1＜y＜0.2螢光體的SECA具有如下通式(Sr(1-x-y-x}BaxCayEuz)10(PO4)6Cl2，其中0＜x＜0.3；0＜y＜0.2；0＜z＜0.2，優選的是，0.2＜x＜0.4；
0.01＜y＜0.1；0.005＜z＜0.015三磷混合物中的另一種螢光體是諸如用銻(3+)活化的滷代磷酸鈣(例如氟磷酸鈣)的藍-綠光發射螢光體。該藍-綠光發射滷代磷酸鹽在下文中稱為Blue Halo。Blue Halo(發藍光的滷代物)具有以下通式Ca5-y(PO4)3F1-yOySby，其中0.03＜y＜0.07。
由於Blue Halo(發藍光的滷代物)不含錳或大致不含錳，因而其不同於含錳的白光發射Halo。儘管上面的公式也顯示了不含氯，但可出現少量的氯以替代Blue Halo中的一部分氟。
做為滷代磷酸鹽，Blue Halo(發藍光的滷代物)的螢光體具有較廉價的優點。然而，不同於混合物中的其它滷代磷酸鹽，其具有與稀土螢光體結合以得到較高CRI的能力。當使用Blue Halo時，僅需要更少量的稀土螢光體以達到所需的螢光體混合物的總CRI。諸如YEO、LAP、和Blue Halo的三磷混合物共同達到約90的較高的CRI。因此，與雙塗層的740燈相比，為達到70出頭的CRI，在單塗層混合物中僅需要約30％的YEO/LAP/Blue Halo混合物，剩餘的成分為White Halo(發白光的滷代物)。
Blue Halo是具有在約480nm處及約100nm的1/2寬度的峰部的寬波段發射螢光體。其也可替代LAP或其它綠光發射稀土螢光體的一部分。因此，與常規的三磷混合物相比，可減少混合物中綠光發射螢光體的數量。由於其寬闊的峰部，Blue Halo也可被用來替代一部分或全部諸如SECA或BAM的常規的藍光發射螢光體。SECA具有在約447nm處及50nm的1/2寬度的峰部。
Blue Halo優選為包括約10-50％重量百分比的三磷混合物，更優選為包括20-40％重量百分比的三磷混合物，最優為包括約30％重量百分比的三磷混合物。在全部三磷混合物中Blue Halo的量根據在整個混合物中三磷混合物的量的不同而不同。例如，當三磷混合物佔的30％重量百分比時，Blue Halo優選為佔整個螢光體混合物的3-15％。
因而，該螢光體混合物優選地包括滷代磷酸鹽，其具有兩個寬帶峰部，一個峰部是在約570-590nm處並具有約70nm的1/2寬度。另一個峰部是在約470-490nm處並具有約100nm的1/2寬度；紅光發射螢光體，其具有在600-620nm處的主峰，更優選地是在約611nm處，並且該主峰具有小於100nm的1/2寬度，更優選地是小於50nm，更優選地是小於30nm，且最優地是約10nm或更小；綠光發射螢光體，其具有在535-555nm處的峰部，更優選地是在約545nm，並且該主峰具有小於100nm的1/2寬度，更優選地是小於50nm，更優選地是小於30nm，且最優地是約10nm或更小；滷代磷酸鹽，其具有在約470-490nm處及約100nm的1/2寬度的寬帶峰部；和藍光發射螢光體，其是可選的，其具有在470-510nm處的峰部，更優選地是在約480nm，並且該主峰具有小於100nm的1/2寬度，更優選地是小於50nm，更優選地是小於30nm，且最優地是約10nm或更小。
該塗層的優選的實施例包括三磷混合物，其包括約49％YEO、約21％LAP、和約30％Blue Halo。由該三磷混合物單獨形成的塗層具有89的CRI和約77流明/瓦特的光輸出量。該混合物可與白光發射halo結合，例如螢光體混合物的10-50％重量百分比的含量為標準Cool White或Warm White的滷代磷酸鹽，剩餘的為白光發射halo，更優選地是該滷代磷酸鹽佔約25-35％重量百分比的含量，最優地是約30％重量百分比。
圖2是一光譜能量分布圖，該光譜能量分布在包括約49％YEO、約21％LAP、和約30％Blue Halo的三磷混合物的390-750nm波長範圍內以watts/nm表示。圖3是Cool White螢光體在390-750nm波長範圍內的光譜能量分布圖，該Cool White螢光體適合與三磷混合物混合以形成用於燈塗層的螢光體混合物。
除螢光體混合物外，含螢光體塗層16還可包含其它成分，例如氧化鋁。含螢光體塗層16優選地是不含二氧化矽。
含螢光體塗層16設置在下面所述的燈上。該螢光體微粒或粉末在攪拌器中通過重量被混合約兩小時，以提供粉末混合物。然後將得到的粉末分散在帶有分散劑的水溶劑中，該分散劑為諸如聚丙烯酸銨，和諸如壬基苯基-乙氧基化物的非離子型表面活性劑。然後加入增稠劑，一般為聚環氧乙烷，和可選的本技術領域內已知的其它分散劑、表面活性劑、和增稠劑。所得到的懸浮液一般約為5-20重量百分比的螢光體粉、0.5-3重量百分比的分散劑、0.05-0.3重量百分比的表面活性劑、和1-5重量百分比的增稠劑。隨後將該懸浮液做為塗層施加在玻璃管的內部並加熱以乾燥該塗層。在加熱階段，使粘合劑和除了螢光體以外的其它成分脫離，剩下螢光體塗層。施加該含螢光體塗層，以使塗層(「塗層重量」)中螢光體的重量約為4.5-6g螢光體/4英尺長的T12管(3.1-4.2mg/cm2管壁)，更優選地是，約5g螢光體/4英尺長的T12管(約3.5mg/cm2管壁)。
設計上述的單塗層以替代常規所用的雙塗層系統。值得注意的是，所公布的三磷混合物可在沒有白光發射halo的情況下施加。
儘管單塗層16在不需要附加的塗層的情況下具有提供良好的顯色指數的能力，可預料的是，在玻璃殼體的內部，該燈可具有一個或多個附加的螢光體塗層(未示出)。然而，當使用附加的螢光體塗層時，塗層16優選為最接近電弧的塗層。此外，該附加的塗層可包括一層吸收或反射紫外線的塗層。例如，在含螢光體塗層16和玻璃管12之間，該燈可具有一層氧化鋁或二氧化矽。
下面的無限制性的實例更進一步地對本發明的不同方面進行說明。
實例T12燈被塗敷以雙塗層系統或單塗層系統以提供4100K的標稱色溫。塗層重量以螢光體的重量/4英尺長的T12管來表示。通過將得到的重量乘以一約0.7的係數，該重量可轉換為mg/cm2管壁來表示。圖1顯示出了所得的結果。x和y是顏色坐標。
正如由表1所看到的，用單塗層系統可實現良好的色澤穩定性(CRI＝73)，其相似於或略高於雙塗層燈的顯色指數(CRI＝71)。在單塗層中稀土螢光體的總重量為1.15g，其僅略高於雙塗層過程中使用的稀土螢光體的重量(1.00g)。兩種燈的流明/瓦特值是非常相近的。因此，可了解的是，在一點不增加材料成本的情況下，可使用單塗層替代雙塗層系統，並且通過消除第二塗層的操作實現了有效處理成本的節省。
表1
本發明已根據優選的實施例被描述。顯而易見的是，在閱讀和理解前述的詳細說明時，將發生其它的修改和變型。可預見到的是，在所附的權利要求或其等效文件的範圍內，本發明被解釋為包括所有那些在其可出現的範圍內的修改和變型。
權利要求
1.一種汞蒸氣放電燈(10)，其包括殼體(12)；用於提供電弧的裝置；密封於所述殼體內的維持電弧的汞的填充物(26)和惰性氣體；和塗敷在所述殼體內側的含螢光體的塗層(16)，所述含螢光體塗層包括螢光體混合物，其包括發射藍-綠光的滷代磷酸鹽；發射紅光的螢光體；和發射綠光的螢光體。
2.根據權利要求1所述的燈(10)，其特徵在於，所述螢光體混合物還包括發射白光的滷代磷酸鹽。
3.根據權利要求1所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射藍-綠光的滷代磷酸鹽具有通式Ca5-y(PO4)3F1-yOySby，其中0.03＜y＜0.07。
4.根據權利要求2所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射白光的滷代磷酸鹽具有通式Ca5-x-y(PO4)3F1-x-yClzOyMnxSby，其中0.03＜x＜0.22；0.03＜y＜0.07；和0.02＜z＜0.2。
5.根據權利要求1所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射紅光的螢光體和發射綠光的螢光體中的至少一個包括稀土螢光體。
6.根據權利要求5所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射綠光的螢光體是鋱活化的螢光體，其從包括由鈰(3+)和鋱(3+)活化的磷酸鑭(LAP)、由鋱(3+)活化的鋁酸鈰鎂(CAP)、和由鋱和鈰活化的五硼酸釓鎂的組中選擇。
7.根據權利要求5所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射紅光的螢光體包括由銪(3+)活化的氧化釔(YEO)。
8.根據權利要求5所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射紅光的螢光體和所述發射綠光的螢光體都是稀土螢光體，並且所述發射藍-綠光的滷代磷酸鹽與所述稀土螢光體的比例是10∶9到1∶1。
9.根據權利要求8所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射藍-綠光的滷代磷酸鹽與所述稀土螢光體的比例是1∶5到2∶5。
10.根據權利要求9所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射藍-綠光的滷代磷酸鹽與所述稀土螢光體的比例約是3∶10。
11.根據權利要求2所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射白光的滷代磷酸鹽佔所述螢光體混合物的50-90％重量百分比。
12.根據權利要求11所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射白光的滷代磷酸鹽佔所述螢光體混合物的60-80％重量百分比。
13.根據權利要求12所述的燈(10)，其特徵在於，所述發射白光的滷代磷酸鹽約佔所述螢光體混合物的70％重量百分比。
14.根據權利要求2所述的燈(10)，其特徵在於，所述含螢光體的塗層(16)是塗敷在所述殼體(12)內側的唯一的螢光體塗層。
15.根據權利要求2所述的燈(10)，其特徵在於，所述含螢光體的塗層(16)具有至少70的顯色指數(CRI)。
16.根據權利要求1所述的燈(10)，其特徵在於，所述螢光體混合物不含發射藍光的稀土螢光體。
17.一種形成燈(10)的方法，其包括形成螢光體混合物，所述螢光體混合物包括發射藍-綠光的滷代磷酸鹽、發射紅光的螢光體和發射綠光的螢光體；形成塗層，該塗層包括在殼體(12)壁面上的該螢光體混合物；和將填充物(26)密封在該殼體內，所述填充物包括汞和惰性氣體。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於所述螢光體混合物還包括發射白光的滷代磷酸鹽。
19.一種提供光源(10)的方法，其包括在殼體(12)的表面上僅塗敷單層的螢光體塗層(16)，所述螢光體塗層包括螢光體混合物，所述螢光體混合物包括發射白光的滷代磷酸鹽、發射藍-綠光的滷代磷酸鹽、發射紅光的螢光體、和發射綠光的螢光體；和在該殼體內起弧，由此產生光，至少一部分光通過該螢光體塗層被轉換為不同波長的光，以使由殼體發射出的光具有至少70的顯色指數(CRI)。
全文摘要
一種包括塗層(16)的螢光燈(10)，塗層(16)包括與稀土螢光體組合的發射藍－綠光的滷代磷酸鹽，該稀土螢光體例如為發射紅光的稀土螢光體和發射綠光的稀土螢光體。發射藍－綠光的滷代磷酸鹽替代了部分或全部的發射藍光的稀土螢光體，該發射藍光的稀土螢光體通常用於一種設計成具有較高顯色指數(CRI)的燈。該螢光體的組合物優選為與發射白光的滷代磷酸鹽以約1∶3的比例混合，其提供了適合於燈的單塗層的混合物。在沒有增加稀土螢光體的使用量的情況下，該單塗層的燈具有與用常規的雙螢光體層塗敷處理相近的CRI。
文檔編號C09K11/80GK1440046SQ0310631
公開日2003年9月3日 申請日期2003年2月21日 優先權日2002年2月21日
發明者T·F·索勒斯, J·B·楊斯馬 申請人:通用電氣公司