Кухня светотехники. Люминофор

Люминофор (от лат. lumen — свет и греч. phoros — несущий) — это название для большой группы веществ, которые поглощают энергию извне и перерабатывают ее в собственное свечение. Люминофор обеспечивает фосфоресценцию вещества. Фосфоресценция, как и флуоресценция, хемилюминесценция и другие виды свечения, относятся к типам люминесценции — нетеплового свечения в результате поглощения энергии.

Изучение явления люминесценции началось еще в 17 веке. Особый интерес к светящимся в темноте камням и минералам проявляли алхимики, которые лелеяли надежду найти среди них Философский камень — катализатор для преобразования неблагородных металлов в благородные.

В англоязычной среде люминофор нередко называют Phosphor, что может создавать путаницу. Это связано со способностью одноименного химического вещества (в английском языке phosphorus) светиться. Но природа свечения фосфора иная — химическая. Белый фосфор излучает свет в результате реакции окисления под действием кислорода, тогда как фотолюминофоры накапливают, а затем отдают световую энергию. Изначально фосфорами называли все вещества, имеющие собственное свечение.

Считается, что в 1669 году оккультист из Гамбурга Хенниг Бранд (Hennig Brandt) случайно открыл фосфор, проводя опыты с концентрированной человеческой мочой и пытаясь получить из нее золото. После многочасового выпаривания и нагревания он получил крупицы белого вещества, которое светилось в темноте и ярко горело. Ученый сначала дал ему название «холодного огня», а затем phosphorus mirabilis — с латинского «чудотворный носитель света». Кстати, в греческой мифологии имя Фосфор носило божество, олицетворяющее планету Венеру. Он же Люцифер у древних римлян (от lux — «свет», и fero — «несу»). На фото сверху: картина Джозефа Райта «Алхимик, открывающий фосфор», 1771 г.

Еще раньше, более двух тысяч лет назад, в японской, а затем и китайской живописи использовались краски на основе неорганических соединений фосфора. Написанные этими красками картины светились в темноте и, конечно же, считались магическими. Как рассказывается в собрании исторических текстов, изданных в династии Song (960–1279 н. э.), основу фосфоресцирующих красок составляла жидкость, содержащаяся в некоторых перламутровых раковинах.

 
В наше время в технологии изготовления светящихся красок также применяют люминофоры. Современные светогенерирующие пигменты под действием естественного солнечного света или искусственного освещения способны аккумулировать гигантские светосуммы (до 1022 квантов/см3) и сохранять эффект свечения до 24 часов с постепенным снижением интенсивности до следующей подзарядки. Больше всего эти краски «любят» солнечный и ультрафиолетовый свет, а вот светодиоды, даже самые мощные, заряжают их слабо.

Между тем сами светодиоды вряд ли получили бы столь широкое распространение в светотехнике без люминофоров. Дело в том, что полупроводниковый кристалл дает цветной свет, непригодный для общего освещения. Видимый нами свет получают путем объединения в одном корпусе красного, зеленого и синего чипов. Это один способ. А другой — преобразовать синее или ультрафиолетовое излучение в белый свет с помощью люминофора. Применяя различные по химическому составу люминофоры можно получать световой поток различных оттенков. Этот способ более выгоден и эффективен, что и определило его широкое применение в производстве светодиодных светильников и ламп.

Еще более современные источники света, которые сейчас активно совершенствуются, — лазерные — также не могут существовать без люминофора. Принцип работы лазерной фары (это единственное на сегодняшний день применение лазера в освещении в промышленных масштабах) достаточно прост. Лучи лазерных диодов с помощью зеркал направляются на покрытую люминофором линзу, которая преобразует синий световой пучок в мощный световой поток, по спектральному составу очень близкий к естественному свету.

В случае лазеров используется более перспективная технология удаленного люминофора (Remote Phosphor Technology). Преимущества этой технологии огромны. Получаемый световой поток отличается равномерностью спектра и яркости, более комфортен для человеческого глаза. Применение без рассеивателей обеспечивает прирост эффективности на 20-30 %. Изменяя объем и форму пластины или колбы с люминофором можно создавать световые приборы с углом рассеивания до 330⁰. При отсутствии прямого контакта с кристаллом процесс деградации люминофорного покрытия происходит медленнее, а значит повышается срок службы прибора.

Деградация люминофора — основная причина снижения таких качественных характеристик светового потока, как яркость, цветовая температура, цветопередача, контрастность. Также люминофоры влияют на количество потребляемой прибором электроэнергии. В стандартной технологии производства светодиодных чипов фосфоресцирующее покрытие наносится непосредственно на кристалл диода, который имеет свойство нагреваться. В результате со временем люминофорное покрытие просто выгорает, постепенно теряя свои свойства.

Как известно, на срок службы люминофора и кристалла влияют температура и рабочие параметры тока. Как это ни странно, при увеличении силы тока эффективность светодиодного чипа падает. Одна из причин — внутреннее сопротивление. Когда ток небольшой, оно почти не влияет на работу прибора. Но чем больше сила тока, тем больше энергии преобразуется в тепло, а не в свет. Недобросовестные производители светотехники пытаются получить бо′льшую светоотдачу увеличивая силу тока. Такие светильники светят хоть и ярко, но недолго.

В оборудовании RADUGA™ сила подаваемого на модули тока составляет не более 50 % от максимально возможной. В результате температура на кристалле не достигает 80 ˚. В сочетании с эффективным теплоотводом это позволяет гарантировать срок службы 100 тысяч часов.

Впрочем, этот показатель далеко не предел. Современные производители люминофоров постоянно работают над повышением их качественных характеристик. Уже существуют образцы люминофоров на основе иттрий-алюминиевого граната и красных нитридных, которые способны выдерживать температуру до 150 ˚, потеряв при этом всего 5 % производительности.