专利名称：荧光灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及荧光灯。更特别地，它涉及具有磷光体涂层的荧光灯，所述涂层基本上不含碳酸盐。
背景技术：
本领域中公知的是利用稀土混合磷光体系统的荧光灯。例如在美国专利5,045,752、4,088,923、4,335,330、4,847,533、4,806,824、3,937,998和4,431,941中公开了传统的稀土磷光体混合物。典型地，利用常规的稀土磷光体混合物的稀土磷光体层包括发红、绿和蓝光的稀土磷光体的混合物，从而生成三磷光体混合物。
在常规三磷光体体系中，基于它们的特殊的色彩发光特性而选择特殊的发红、绿和蓝光磷光体以及它们的重量百分比，使得当组合在一起时，它们各自的色彩发光产生具有用于预定用途的适当的显色特性(CRI)的期望颜色的光输出。
发红光的磷光体通常主要是氧化钇基类物质，例如通常缩写为YEO的由铕(Eu3+)活化的氧化钇。发绿光的磷光体可以是通常缩写为LAP的由铈(Ce3+)和铽(Tb3+)活化的磷酸镧，其次优选通常缩写为CAT的由铽(Tb3+)活化的铝酸铈、镁，更其次优选通常缩写为CBT的由铈(Ce3+)和铽(Tb3+)活化的五硼酸钆、镁。发蓝光磷光体通常主要是例如由铕(Eu2+)活化的卤代磷酸钙、锶、钡的钙基类。较少优选地，蓝色磷光体可以是由铕(Eu2+)活化的铝酸钡镁。可选择地，其它的发红、绿和蓝光的稀土磷光体是公知的并且可以基于可操作性以及费用考虑而选择。
除了上面所述的三磷光体体系之外，包括其它数量的稀土磷光体的稀土磷光体混合物比如具有4种或者5种稀土磷光体的体系也是公知的并且可以被采用。仍然更进一步的，可以采用具有稀土磷光体混合物和不是很昂贵的卤代磷光体的磷光体层。
实际上在所有的稀土磷光体混合物以及包含稀土和卤代磷光体两者的混合物中，有必要或希望其中包括发红光稀土磷光体。如上所述最常用的发红光稀土磷光体是氧化钇基的。尽管其它发红光稀土磷光体也是公知的，氧化钇类的磷光体高度被优选，这是因为它们卓越的红色放光特性，其中包括色彩亮度和在红色光谱中所得到的CRI。
制造荧光灯的工艺包括在灯的玻璃罩的内侧表面用想要的磷光体的浆料进行涂覆。之后对浆料进行干燥或者加热从而分解或者蒸发液体浆料成分，留下干燥的磷光体涂层。
将浆料制为磷光体(通常以粉末形式被提供)的含水浆料悬浮液。含水浆料必须具有充分的粘度以便在干燥之前有效并均匀地涂覆玻璃罩的内表面。按照惯例，含有羧基酸(COOH)基团的丙烯酸增稠剂用于增加或者调整浆料的粘性。然而，当采用氧化钇基稀土磷光体的时候，微溶于水的氧化钇和丙烯酸分子中的COOH基团发生反应，产生交联阶，其可以有效交联丙烯酸分子，产生浆料的凝胶或者絮凝产物。结果浆料基本上“胶凝”，不再是液体或者可流动的状态。
为了克服上述的复杂性，在磷光体浆料中包含氧化钇基红磷光体的时候采用不具有COOH基团的其它聚合增稠剂。这种情况下，所选的增稠剂是聚环氧乙烷(PEO)。PEO是含水体系的高效增稠剂，在调节用于涂覆到荧光灯的玻璃罩上的磷光体浆料的粘性的应用上已经取得很大的成功。然而，通常PEO包含痕量的碳酸盐，尤其是碳酸钙微粒，这是由于PEO制造工艺导致的。通常可利用的PEO包含0.2到大约1重量百分比的碳酸钙。
在PEO增稠剂中碳酸钙小量的存在对于灯制造业来讲是公知的，直到现在都被认为对于灯产品和/或性能是无害的。然而，本发明人令人惊讶并且意想不到地发现，这种在PEO增稠剂中碳酸钙的小量存在导致碳酸钙存在于最终的磷光体层中，并且在最终完成的荧光灯中导致较低的流明效率和流明保持。因此，本领域中需要利用氧化钇基发红光稀土磷光体、但在磷光体层内不包含碳酸钙的荧光灯。
发明内容
提供了一种荧光灯，其包括具有内表面的透光罩，放电装置、邻近所述罩的内表面设置的磷光体层、以及密封在罩内的水银和惰性气体填充气。磷光体层包括氧化钇基发红光稀土磷光体，并且其基本上不具有那些在800℃的温度以产生氧原子或者氧分子的方式而不稳定或者变得不稳定的含氧物质。
提供了另外一种荧光灯，其包括具有内表面的透光罩、放电装置、邻近所述罩的内表面设置的磷光体层、以及密封在罩内的水银和惰性气体填充气。磷光体层包括氧化钇基发红光稀土磷光体，且荧光灯通过包括以下步骤的工艺制得a)选择磷光体，包括氧化钇基发红光稀土磷光体，并根据干燥的固体重量混合磷光体以形成固体磷光体混合物；b)混合固体磷光体混合物和一定量的水以及一定量的非电离增稠剂，以形成含水磷光体浆料，其中非电离增稠剂基本上不含碳酸盐；c)用含水磷光体浆料在罩的内表面或者中间阻挡层上进行涂覆，以在其上产生磷光体浆料涂层；以及d)烘烤被涂覆的罩，从而蒸发或者分解浆料的非磷光体组分并且留下磷光体从而提供磷光体层。
还提供了一种制造荧光灯的方法，其包括以下步骤a)选择磷光体，包括氧化钇基发红光稀土磷光体，并根据干燥的固体重量混合磷光体，以形成固体磷光体混合物；b)混合固体磷光体混合物和一定量的水以及一定量的非电离增稠剂，以形成含水磷光体浆料，其中非电离增稠剂基本上不含那些在800℃的温度以产生氧原子或者氧分子的方式而不稳定或者变得不稳定的含氧物质；c)在灯罩的内表面上或其附近提供含水磷光体浆料涂层；以及d)烘烤其上具有磷光体浆料涂层的罩，从而蒸发或者分解磷光体浆料涂层的非磷光体组分并且留下磷光体，从而提供磷光体层。
图1示出了根据本发明的具有改进的无碳酸盐稀土磷光体层的荧光灯。
具体实施例方式
在下面的描述中，当给出一个优选的范围比如5到25(或者5-25)，这意味优选至少为5，且分别和独立地优选不超过25。文中所用的“荧光灯”是在本领域中已知的任何水银蒸汽放电荧光灯，包括具有电极的荧光灯以及无电极荧光灯，其中放电装置包括通过电磁信号的传送适合激活水银蒸汽原子的无线电发射机。另外文中所用的“T8灯”是本领域中已知的荧光灯，优选为线型，优选额定长度为48英寸，并具有1英寸的额定外径(8乘1/8英寸，这就是“T8”中“8”的得来缘由)。其次优选T8荧光灯为2、3、6或者8英尺长，其次优选一些其它长度。
图1示出根据本发明的水银蒸汽放电荧光灯10。尽管图1中的灯是线性的，但是本发明并不限于线性灯，并且可以被应用于任何其它形状的荧光灯。荧光灯10具有透光玻璃管或者罩12，其具有圆形剖面。灯被贴附到两端的基座20密封，并且在具有电极的灯(如在图1中所示)内，一对间隔的电极结构18分别装在基座20上。持续放电的水银和惰性气体填充气体22被密封在玻璃管内。优选惰性气体为氩气或者氩气和氪气的混合气体，其次优选一些其它的惰性气体或者气体混合物。惰性气体和少量的水银蒸汽提供了低蒸气压的操作模式。
优选水银蒸汽具有4-6μm汞柱的分压，即大致为25℃时的水银蒸汽压。在所例示的实施方式中，荧光灯10具有阻挡层14以及磷光体层16。阻挡层14是包括可以有效阻止在灯工作期间被激发或者被激活的水银离子进入到玻璃罩12之中的材料的任选层。优选阻挡层材料也有效地将紫外(UV)射线反射回磷光体层16，以将其如本领域中所公知地被转换成可见光。适当的阻挡层材料包括氧化铝，比如氧化铝微粒，优选基本上等比例的α和γ氧化铝微粒的混合物。优选的氧化铝阻挡层具有0.05-3mg/cm2的涂覆厚度，优选大约0.12-0.15mg/cm2。优选氧化铝微粒具有15-800nm的平均粒径尺寸，优选20-600nm，更优选20-400nm，特别优选22-30nm，更加优选25-200nm，最优选30-100nm。
其次优选或者可供选择的是，阻挡层14(如果存在)可以是氧化硅、氧化钇、二氧化铪、氧化锆、氧化矾或者氧化铌阻挡层，其次优选它们的某些化合物或者混合物。
优选磷光体层16是稀土磷光体层，比如现有技术中的稀土三磷光体层，具有发红、绿、蓝光的稀土磷光体。发红光的磷光体是氧化钇基红磷光体，最优选通常缩写为YEO的被铕(Eu3+)活化的氧化钇。最优选发绿光的磷光体是通常缩写为LAP的被铈(Ce3+)和铽(Tb3+)活化的磷酸镧，其次优选通常缩写为CAT的被铽(Tb3+)活化的铝酸铈、镁，更次优选通常缩写为CBT的被铈(Ce3+)和铽(Tb3+)活化的钆、镁的五硼酸盐。发蓝光磷光体最优选为被铕(Eu2+)活化的钙、锶、钡氯磷灰石(choroapatite)。其次优选蓝色磷光体可以是被铕(Eu2+)活化的钡、镁的铝酸盐。可选择地，其它的发绿和蓝光的稀土磷光体是公知的并且可以基于可操作性以及费用考虑而选择。
除了上面稀土三磷光体体系外，磷光体层16可以包括其它数目的稀土磷光体，比如二、四或者五稀土磷光体，或者甚至大于五种稀土磷光体。另外，磷光体层16可以是稀土磷光体和卤代磷光体的混合物；所要求的就是磷光体层16必须包括至少一种氧化钇基发红光稀土磷光体。优选磷光体层16具有1-5mg/cm2的涂层厚度。
正如在下面更加充分所描述的，本发明中很重要的是磷光体层16不含或者基体上不含那些在800℃或者900℃的温度相对不稳定或者变得相对不稳定的含氧物质。换句话说，任何(或者基本上任何)存在在磷光体层中的含氧类别必须可以在800，优选在810，优选820，优选830，优选840，优选850，优选860，优选870，优选880、890、900、920、940、960、980、1000℃或者更高的温度对裂化(分子分解或者分子的单个原子的分裂)表现出稳定性，该裂化产生或者导致原子或者分子态的氧。
正如上面所提到的，氧化钇(用于氧化钇基发红光磷光体)微溶于水并产生Y3+(水溶)。如果含有COOH的常规丙烯酸增稠剂用在含水磷光体浆料中，COOH基团在溶液中电离以产生[丙烯酸]-COO-和H+(或者更精确的说是H3O+)。在含水的磷光体浆料中，所电离的COO-部分和容易反应的Y3+离子反应，有效地产生交联丙烯酸分子，其可以引起整个浆料胶凝化。这就是当氧化钇基发红光稀土磷光体包括在磷光体浆料中时常规的丙烯酸增稠剂不能被使用的原因。确信的是对于在含水溶液中电离的任意的高分子量增稠剂，都可以观察到类似的交联反应。因此，当采用氧化钇基发红光磷光体的时候，选择用于调节浆料粘性的增稠剂必须是非电离的种类；也就是，一种水溶性的使得其在含水浆料中可以融解，但是不在溶液中电离以产生可与溶剂化Y3+离子发生反应使得增稠剂分子交联化的带负电部分。
用于调节磷光体浆料粘性的最常选用的非电离增稠剂是聚环氧乙烷(PEO)。优选PEO以重量百分比浓度为1-10，优选为2-9，更优选3-8，优选4-7，优选4.5-6，最优选大约5加入到含水磷光体浆料中。PEO在分子量从1000到100000到1000000g/mol以及以上范围的很宽的范围内是有用的，它们基体上是无毒的，并且它们是相对便宜和易得的。此外，在通常的用于干燥磷光体浆料并在玻璃罩12的表面上的位置最后留下磷光体涂层(磷光体层16)的烘烤或者退火加工期间(下面所述)，PEO很容易分解。
所提供的用于稠化浆料的悬浮液的高分子量PEO种类(比如100000g/mol以及以上)是很细的白色固体粉末。通常，PEO粉末还包含从0.2到大约1重量百分比的碳酸钙。
为了产生用于特定应用的磷光体浆料，首先选择特定的磷光体，并基于固体重量混合以形成固体磷光体混合物。该混合物之后和其它的在现有技术中公知的常规成分一起被加入到水中，并被搅拌以达到基本均匀。还加入增稠剂以提供给浆料基体充分的粘性从而得到稳定的悬浮液，其具有遍布在浆料中的均匀分布的固体磷光体微粒，还为均匀涂覆玻璃罩的表面提供适当的粘性。正如已经描述的，当氧化钇基发红光稀土磷光体被采用时，优选增稠剂为PEO。
一旦制备了浆料，将其用于涂覆玻璃罩12的内表面或者如果阻挡层14(如果存在)。浆料提高的粘性(优选至少1000，优选10000，优选100000cP)确保了浆体在涂覆表面上的基体均匀的涂覆。一旦用浆料涂覆，被涂覆的玻璃罩12就要被进行退火或者在烘箱中进行烘烤处理，目的是蒸发或者分解浆料中的非磷光体成分并留下磷光体以提供磷光体层16。烘烤处理在大约600℃进行大约30秒。在烘烤处理期间很重要的是必须注意维护不使温度明显升高到大于600℃，这是因为在大约650℃玻璃罩(由碱石灰玻璃制得)开始熔化。
烘烤处理的600℃的温度对于由磷光体浆料蒸发水和分解PEO是足够的；磷光体直到900℃或者以上是稳定的，因此不会受到烘烤处理的影响。然而，PEO中的碳酸钙(在方解石晶相中)也会被留在磷光体层16中，因为碳酸钙(方解石)直到900℃不发生分解。结果磷光体层16中包含约0.1-0.5重量百分比的碳酸钙。
确信的是，尽管不一定，但是PEO中的碳酸钙的存在是由于用于生产PEO的催化过程；例如，固体碳酸钙是或者形成用于生产PEO的催化剂的成分，并且碳酸钙和固体PEO产品混合在一起。PEO和碳酸钙都是很细的白色固体粉末，因此不容易简单地通过物理或者机械方法分离。
在磷光体层中的碳酸钙的存在在荧光灯工业中长期被公知，并且一直认为并不对灯的性能产生有害影响。然而，和这种传统的观念相反，本发明人惊讶并且没有预料到地发现在磷光体层中的碳酸钙对于差的灯性能起到了不可忽视的作用。
进行了一个测试以比较利用传统的含有碳酸钙的PEO增稠剂制得的在磷光体层中具有氧化钇基发红光稀土磷光体的传统荧光灯，和根据本发明以相同的方法除了利用不含有碳酸钙的PEO制得的类似荧光灯。两个灯都是T8荧光灯并且都是以基本上如上所述的传统方法制备。随后两个灯都被进行测试，以在并行比照中比较初始流明，和1000和8000流明维持量。在实施测试时，传统和本发明的灯两者都被进行相同方式的循环点亮和关闭直到灯总共工作8000小时，测量LPW维持量并在1000和8000分别记录。循环点亮和关断是根据照明工程学会(IlluminatingEngineering Society，IES)标准测试方法IESNALM40-2001以连续3小时打开20分钟关断的循环而进行的。下面将结果在表1中示出
表1传统的灯和本发明的灯的比较 灯(类型/色温)
正如在表1中和整个本申请中所用的，每瓦的初始流明(初始LPW)指的是荧光灯的流明效率，在第一次启动之后立即被计算，作为由灯消耗的每瓦功率对应的从所测量的灯中发出的光的流明数。还是用在表1中和整个本申请中，LPW维持量指的是在启动之后在一定时间测量的以流明-每瓦(LPW)计的灯的流明效率比上初始流明的比率；例如在表中的1000LPW维持量是在1000小时的循环操作之后荧光灯所测得的LPW比上同一个灯的初始LPW的比率。LPW维持量提供了荧光灯在整个灯的寿命中持续其初始流明效率的能力的指示，表示为初始LPW的百分比。
正如可以从表1中看到的，利用不含有碳酸钙的PEO增稠剂制得的本发明的灯显示出98.8的1000LPW维持量，相比之下利用含有0.5重量％碳酸钙的PEO制得的传统的灯仅为97.6。这表示在1000的流明维持量中有了1.2％的增长，这是仅由于从PEO增稠剂中忽略了碳酸钙而导致的实质性改进。这是相当令人意外和意想不到的结果，特别是考虑到传统的观点是磷光体层中的碳酸钙对灯的性能没有有害的影响。优选地，根据本发明在磷光体层16中基本上不含有碳酸钙的灯具有至少97.8％的1000LPW维持量，优选98.0％，优选98.2％、98.4％、98.6％、98.8％、99.0％、99.2％、99.4％、99.6％、99.7％、99.8％或者99.9％。
仍旧参见表1，在传统和本发明的灯之间进行的8000LPW维持量的比较结果甚至更令人惊讶。在8000小时，利用不含有碳酸钙的PEO制得的本发明的灯显示出95.5的流明维持量，相比之下利用含有0.5重量％碳酸钙的PEO制得的传统的灯仅为92.3。结果是8000小时的流明维持量相对传统灯有了3.7％的增长。这是仅由于从PEO增稠剂中免除了碳酸钙而导致的实质性改进，这再次和传统观念中认为碳酸钙不对灯的性能产生消极影响正好相反。优选地，根据本发明在磷光体层16中基本上不含有碳酸钙的灯具有至少92.5％的8000LPW维持量，优选92.6％，优选92.8％、93.0％、93.2％、93.4％、93.6％、93.8％、94.0％、94.2％、94.4％、94.6％、94.8％、95.0％、95.2％、95.4％、95.6％、95.8％、96.0％、96.2％、96.4％、96.6％、96.8％、97.0％、97.2％、97.4％、97.6％、97.8％、或者98.0％。
在磷光体层16中不具有碳酸钙的根据本发明的荧光灯的1000和8000LPW维持量的如此显著的提高，对于本领域的普通技术人员长期所认为的碳酸钙对于灯的性能是良性的这个事实来说，是一个很令人惊讶和意想不到的结果。
不希望被特定的理论束缚，确信碳酸钙作用的机制如下述进行以降低灯的性能。在操作期间，在电极18之间的电弧放电能够在玻璃罩12内的蒸汽空间产生在超过800-900℃的温度。在这些温度，碳酸钙可以分解或者碎裂，导致在灯内的蒸汽空间产生氧原子和/或分子氧。在放电温度，高度活化的汞蒸汽离子几乎瞬间就和存在的氧发生反应，产生水银氧化物(HgO和/或Hg2O)，其是黑色或呈褐色固体。该水银氧化物在罩12的内表面沉淀，导致灯污浊并降低灯的流明输出。流明维持量随时间而变差的原因就是有附加的水银氧化物形成并在灯工作时随着时间沉淀在灯罩12上。
除了不利地影响了灯的输出(总流明和LPW)，在灯罩上的水银氧化物的沉积另有两种不利影响。第一个就是当灯更脱色时，显示出增加的另人不快的外观。在荧光灯在其灯架上保持可见的某些照明应用中，减少的观赏性对于灯的消费者来说是重要的问题。其次，也许更重要的另一不利影响就是，当活化的水银继续和氧发生反应产生水银氧化物时，气相中水银被耗尽从而水银必须被从液相中新蒸发的水银代替。这种水银损耗机制的结果就是在制灯时必须有额外的附加液体水银提供给荧光灯，以确保存在足够的水银，以在整个灯的寿命中补充氧化的水银蒸气。很明显，在灯中需要越少的水银越好。因此，根据本发明通过免除PEO增稠剂中的碳酸钙，所需要添加到荧光灯中的水银的量可以不牺牲灯的寿命或者性能而被最小化。实际上，根据本发明，就流明维持量而言实际增进了性能，同时仍可以向灯中提供较低量的水银。
根据本发明上述的水银消耗机制，在灯工作期间电弧放电产生的高能(不稳定)水银蒸汽离子将和任何在灯的蒸汽空间内存在的氧原子或分子发生反应。因此，为了避免水银损耗，磷光体层不含氧或者基本上不含含氧物质是很重要的，该含氧物质直到800到900到1000℃、优选更高的温度断裂不稳定。尤其，在磷光体层16中应避免碳酸化物质比如碳酸盐。通过采用不含碳酸盐的PEO增稠剂，在最后完成的磷光体层16中将没有碳酸盐，比如碳酸钙。
尽管本发明参照优选实施方式被描述，需要理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，不脱离本发明的范围可以得出不同的变形以及得到可以替换一定部件的等效部件。此外，根据本发明的原则不脱离其实际的范围可以得出许多变形，其适于特定的情况或者材料。因此，意味着本发明不是被限定在所公开的作为最优模式完成以实现本发明的特定的实施方式中，本发明将包括那些落入在附加的权利要求书的范围之内的所有实施方式。
图中符号说明10 水银蒸汽放电荧光灯12 透光罩14 阻挡层16 磷光体层18 电极20 基体22 填充气体
权利要求
1.一种荧光灯(10)，包括具有内表面的透光罩(12)、放电装置、邻近所述罩(12)的内表面设置的磷光体层(16)、以及密封在所述罩(12)内的水银和惰性气体填充气体(22)，所述的磷光体层(16)包括氧化钇基发红光稀土磷光体，并且所述的磷光体层(16)基体上不含那些在800℃的温度以产生原子或者分子氧的方式而不稳定或者变得不稳定的含氧物质类。
2.根据权利要求1所述的荧光灯(10)，所述的磷光体层(16)基体上不含那些在850℃的温度以产生原子或者分子氧的方式而不稳定或者变得不稳定的含氧物质类。
3.根据权利要求1所述的荧光灯(10)，具有至少97.8％的1000LPW维持量。
4.根据权利要求1所述的荧光灯(10)，具有至少92.5％的8000LPW维持量。
5.根据权利要求1所述的荧光灯(10)，所述的磷光体层(16)基体上不含碳酸钙。
6.根据权利要求1所述的荧光灯(10)，所述的磷光体层(16)基体上不含碳酸盐。
7.根据权利要求1所述的荧光灯(10)，所述的发红光稀土磷光体包括被(Eu3+)活化的氧化钇。
8.一种荧光灯(10)，其包括具有内表面的透光罩(12)、放电装置、邻近所述罩(12)的内表面设置的磷光体层(16)、以及密封在所述的罩(12)内的水银和惰性气体填充气体(22)，所述的磷光体层(16)包括氧化钇基发红光稀土磷光体，所述的荧光灯(10)通过包括以下步骤的工艺制得a)选择磷光体，包括所述的氧化钇基发红光稀土磷光体，并根据干燥的固体重量混合所述的磷光体以形成固体磷光体混合物；b)混合所述的固体磷光体混合物和一定量的水以及一定量的非电离增稠剂，以形成含水磷光体浆料，其中所述的非电离增稠剂基本上不含碳酸盐；c)用含水磷光体浆料在所述的罩(12)的内表面或者中间阻挡层上进行涂覆，以在其上提供磷光体浆料涂层；以及d)烘烤被涂覆的罩，从而蒸发或者分解浆料的非磷光体组分并且留下磷光体，从而提供所述的磷光体层(16)。
9.根据权利要求8所述的荧光灯(10)，所述的非电离增稠剂是聚环氧乙烷。
10.根据权利要求8所述的荧光灯(10)，所述的烘烤步骤在约600℃进行。
全文摘要
荧光灯提供了一种荧光灯(10)，其具有包括氧化钇基发红光稀土磷光体的磷光体层(16)。由含水磷光体浆料制备，并将其涂覆到灯的玻璃罩(12)的内表面，之后在烘箱中进行烘烤处理，目的是蒸汽化或者分解浆料中的非磷光体成分并留下制得的磷光体层(16)。磷光体浆料含有非电离增稠剂，优选聚环氧乙烷，但是不包括任何碳酸钙或者碳酸盐。磷光体层(16)包括氧化钇基发红光稀土磷光体。
文档编号H01J61/42GK1591767SQ20041008328
公开日2005年3月9日 申请日期2004年5月21日 优先权日2003年5月22日
发明者J·B·詹斯马 申请人:通用电气公司