常用照明光源光譜分析及其紫外防護方法

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（湖南工業(yè)大學 理學院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

自2008年我國啟動“綠色照明”工程以來，白熾燈逐漸退出歷史舞臺，取而代之的是節(jié)能燈和LED燈。它們與白熾燈相比具有光效高、耗電少、壽命長的特點，被廣泛應用于人們生活的方方面面。

LED燈又稱發(fā)光二極管，是一種將電能轉化為光能的半導體器件。其核心部件是一個PN結，當電流通過晶片，PN結正向導通時，N型半導體內(nèi)的電子與P型半導體內(nèi)的空穴向對方擴散，在發(fā)光層劇烈碰撞復合釋放能量產(chǎn)生光子，即發(fā)出可見光。PN結的材料決定了發(fā)光的波長，也決定了光的顏色。LED白光的晶片中加了一層熒光粉涂層，電子與空穴碰撞復合產(chǎn)生藍光，其中一部分藍光直接穿過熒光粉涂層發(fā)射出去，另一部分藍光打在熒光涂層上并與之作用而產(chǎn)生黃光，藍光與黃光混合而形成白光。從發(fā)光原理看LED燈是無紫外輻射的綠色照明燈。

節(jié)能燈又稱三基色緊湊型熒光燈，通電后發(fā)射電子，電子與氬原子發(fā)生彈性碰撞，氬原子獲得較大的動能后撞擊汞原子，使汞蒸氣原子電離產(chǎn)生253.7 nm的紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)出可見光。因為紫外線并不能完全被熒光粉吸收，因此，節(jié)能燈在使用過程中，燈管內(nèi)的紫外線會有部分透過玻璃管壁輻射到環(huán)境中；加之熒光粉的脫落等因素，節(jié)能燈可產(chǎn)生較強的紫外輻射[1]。

由于部分生產(chǎn)廠家為節(jié)約成本而降低原材料質量等級，且燈具市場監(jiān)管不嚴，使得市場上常用的LED燈和節(jié)能燈大部分存在質量問題，會產(chǎn)生紫外輻射。通過對多種品牌、多種型號的LED臺燈和節(jié)能臺燈光源進行光譜掃描，發(fā)現(xiàn)它們都具有較強的紫外輻射（紫外光波長范圍200～380 nm)，且紫外光能量遠大于可見光能量。

諸多研究表明[1-4]，過量的紫外照射可對人體皮膚、眼睛等造成傷害。紫外照射過多會導致皮膚紅斑、浮腫、松弛、增厚、色素沉積等，嚴重時會誘發(fā)DNA突變、染色體變異，導致皮膚癌。長期紫外照射還可以導致晶狀體混濁，老年性白內(nèi)障等疾病產(chǎn)生。因此如何對照明燈具進行紫外防護具有十分重要的意義。

2 節(jié)能燈和LED燈光源光譜分析

2.1 實驗儀器與實驗方法

1）實驗儀器。主要實驗儀器有：組合式多功能光柵光譜儀、電腦、汞燈、多種品牌的節(jié)能臺燈和LED臺燈。

2）實驗方法。采用WGD-8A型組合式多功能光柵光譜儀掃描照明燈具的發(fā)射光譜，利用汞原子標準光譜（汞燈光譜365.0,404.7,546.1 nm）校正光柵光譜儀波長，以確保測量精度。將入射狹縫和出射狹縫均調(diào)至0.5 mm，負高壓調(diào)至300 V，對不同品牌不同型號的LED臺燈和節(jié)能臺燈分別進行光譜掃描，掃描波長范圍為200～660 nm，得到兩種不同類型光源的發(fā)射光譜，分別見圖1和圖2。

圖1 LED燈（白光）光譜圖Fig.1 Spectrum of LED light(white light)

圖2 節(jié)能燈（白光）光譜圖Fig.2 Spectrum of energy-saving lamps(white light)

1.2 實驗結果與分析

從實驗結果看，兩種類型燈光源的光譜圖存在很大差異，同類型的光譜圖類似，因此只給出兩個具有代表性品牌的LED燈和節(jié)能燈的發(fā)射光譜，如圖1和圖2所示。圖1和圖2中光譜峰值數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

表1 LED燈光譜峰值數(shù)據(jù)Table 1 Spectrum peak data of LED lamps

表2 節(jié)能燈光譜峰值數(shù)據(jù)Table 2 Spectrum peak data of energy-saving lamps

從光譜圖1和圖2可看出，兩種類型的光源譜線均為線狀，紫外線（波長200～380 nm）部分能量很高，而可見光（波長380～780nm）部分能量相對很弱。

由表1可知，LED燈的譜線中含有紫外線（218.50,265.40,269.60,329.20 nm）、紫色光（440.50 nm），以及綠色光（516.20,550.60,552.90,553.70,554.70,558.40 nm）。由表2可知，節(jié)能燈的譜線中含有豐富的紫外線（203.70,218.50,225.50,226.20,227.10,245.10,272.80,274.40,290.70,294.40,297.70,307.40,354.90,365.90 nm）、紫色光（405.50,436.70 nm）、綠色光（542.50,547.10 nm）、橙色光（612.00 nm）。這些譜線的出現(xiàn)與兩種光源的發(fā)光原理相關，也與產(chǎn)品的質量相關。分別對LED黃色、紅色、藍色和綠色光進行光譜掃描，同樣發(fā)現(xiàn)這些有色光源都具有較強的紫外光譜，并且照明燈距離狹縫越近，紫外線輻射越強。由此可知，燈具市場提供給消費者的產(chǎn)品著實令人擔憂，因此關于紫外防護材料的研究具有重要意義。

3 紫外防護材料研究

目前，紫外防護的手段主要分為兩種：一種是反射，另一種是吸收。這兩方面學者們研究較多[5-8]，并得到了許多能吸收和反射紫外線的材料，如TiO2、CeO2、ZnO、納米Al2O3、納米FeO等。這些材料主要被用于太陽鏡、太陽傘以及汽車玻璃的紫外防護，而真正用于燈具的較少。其主要原因是，燈具的紫外防護材料必須具備可見光透過率高、耐高溫、綠色環(huán)保、價格低廉且制作工藝簡單的特點，其中透光性是最主要的因素。因此，許多學者和企業(yè)正致力于透光性好且能有效吸收和反射紫外線材料的研究。

由文獻[9-11]可知，研究者大多利用有機物和無機物制作涂料噴涂在節(jié)能燈表面，以達到防紫外照射的目的，這些方法或多或少會給環(huán)境帶來污染，而且噴涂很難做到均勻，紫外防護效果有限。通過對燈具市場的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前LED燈具還沒有采取任何紫外防護措施（從發(fā)光原理上講，LED燈沒有紫外線輻射）。因此，尋找更加簡單、更加完善、環(huán)境友好、符合照明燈特點的紫外防護材料和方法很有必要。

3.1 氧化鋅材料的特點

通過大量的文獻[12-20]研究可知，氧化鋅儲量豐富、價格低廉，無毒無害，激子束縛能高達60 meV，具有很好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。氧化鋅具有很好的紫外吸收和可見光高透過性能，室溫下禁帶寬約為3.37 eV，能吸收波長小于368 nm的紫外線，而對可見光則不吸收，且氧化鋅薄膜制作工藝簡單，適合大量生產(chǎn)。因此氧化鋅可被用做照明燈具的紫外防護材料。

3.2 氧化鋅薄膜的制備

氧化鋅薄膜的制備方法很多，常用的有磁控濺射法、脈沖激光沉積法、分子束外延法、化學氣相沉積法、噴霧熱解法、溶膠-凝膠法[13-15]，本研究采用磁控濺射鍍膜法。

經(jīng)過前期多批次的摸索實驗對比發(fā)現(xiàn)，磁控濺射鍍膜法的濺射工藝是影響氧化鋅薄膜的紫外防護效果和可見光透過率的重要因素。通過對多批次實驗結果比較，得出其最佳方案如下：室溫下采用高純氧化鋅陶瓷靶材，在石英基片上濺射成膜，濺射氣壓為0.5 Pa，氧氬比為0:8.3，濺射功率為180 W，濺射時間為2 h。

3.2.1 實驗材料

實驗主要儀器有：高真空多靶磁控濺射鍍膜機，JCP-350M2；超聲波清洗機，DS-3510DT；薄膜測厚儀，SGC-10；紫外-可見分光光度計，WFZ-26A；組合式多功能光柵光譜儀，WGD-8A。

其他主要材料有：電腦、汞燈、吹風機、石英片等。高純氧化鋅陶瓷靶、高純氮氣、高純氬氣、丙酮、無水酒精、去離子水等。

3.2.2 氧化鋅薄膜的制備方法

在實驗室中，氧化鋅薄膜的制備步驟如下：

1）基片清洗。 將石英基片分別用丙酮、無水酒精超聲清洗10 min，每次清洗后均用去離子水漂洗干凈殘留藥品；然后用去離子水超聲清洗10 min，以清潔石英基片表面的油污及其他污物；最后用吹風機吹干備用。

2）基片和靶材安裝。 將清潔吹干后的石英基片安裝于鍍膜機的基片臺；將高純氧化鋅陶瓷靶材安裝于鍍膜機腔室靶上，測量靶材與其外殼罩之間的絕緣電阻（大于0.3 MΩ）；符合要求后，關閉腔室門抽真空。

3）濺射鍍膜。當腔室真空度小于2.7×10-3Pa時開始啟輝濺射，打開基片旋轉，確保濺射均勻。選擇濺射工藝為室溫、濺射功率180 W，濺射氣壓0.5 Pa，氧氬比0:8.3，濺射時間為2 h。預濺射10 min以除去靶材表面的雜質后開始成膜計時，鍍膜2 h后計時結束，關閉鍍膜機，真空保壓24 h，取出鍍膜后的基片，進行薄膜厚度和透過率測試。

3.3 氧化鋅薄膜厚度及光學性能測試

光透過率、折射率和消光系數(shù)是表達氧化鋅薄膜光學性能的重要參數(shù)，而薄膜厚度與其光學性能參數(shù)密切相關。

采用薄膜測厚儀測量所制備的氧化鋅薄膜厚度、折射率和消光系數(shù)。測試結果表明，氧化鋅薄膜厚度均勻，為 471 nm；當波長為549.00 nm 時，折射率N= 2.722 8，消光系數(shù)K=0.087 89；

采用紫外-可見分光光度計測量氧化鋅薄膜光透過率，結果如圖3和表3所示。

圖3 氧化鋅薄膜光透過率曲線Fig.3 Light transmittance curves of ZnO film

表3 氧化鋅薄膜光透過率測試數(shù)據(jù)Table 3 Light transmittance test data of ZnO film

從圖3和表3可知，所制備的氧化鋅薄膜紫外波段透過率很小，波長小于368 nm的紫外線可視作全部吸收；而可見光的透過率很高，平均透過率大于90%。因此，所制備的氧化鋅薄膜完全符合照明燈具紫外防護的要求。

3.4 燈光照射狹縫光譜比較實驗

為了進一步檢驗氧化鋅薄膜防紫外線的效果，將燈光直接照射光柵光譜儀狹縫與透過氧化鋅薄膜后照射狹縫，比較其光譜的變化。僅以節(jié)能燈光為例加以描述，對LED燈光完全類似。

1）節(jié)能臺燈開啟10 min后，將節(jié)能燈光源放到離光柵光譜儀狹縫20 cm處，光柵光譜儀入射狹縫和出射狹縫均調(diào)至0.5 mm，負高壓調(diào)至300 V，掃描出節(jié)能臺燈的發(fā)射光譜，如圖2所示。

2）將鍍有氧化鋅薄膜的石英基片緊貼在光柵光譜儀入射狹縫上，其他條件與1）完全相同的情況下，重新掃描出節(jié)能臺燈的發(fā)射光譜，如圖4所示。

兩種情形下光譜圖紫外部分所對應的光譜能量峰值比較如表4所示。

表4 兩種情形下光譜能量峰值對比Table 4 Comparison of spectral energy peaks in two cases

圖4 節(jié)能燈光透過氧化鋅薄膜后光譜圖Fig.4 Spectrum of energy-saving lamps after passing through ZnO film

比較光譜圖4與2的能量峰值可以看出，氧化鋅薄膜對紫外線的吸收明顯。從表4的實驗數(shù)據(jù)可知，氧化鋅薄膜吸收紫外線的能量平均為83.4%，很大程度地阻擋了節(jié)能燈紫外輻射對人體的傷害。同時，氧化鋅薄膜對可見光也有一定的反射和散射作用，使可見光的能量有所減弱，但并不影響閱讀效果。

4 結語

對燈具市場上LED燈和節(jié)能燈光源的光譜分析，發(fā)現(xiàn)這些光源均具有較強的紫外輻射，嚴重影響人們的身體健康。利用磁控濺射鍍膜法，以高純氧化鋅陶瓷靶為靶材，在石英基片上制備了透明、淡黃色氧化鋅薄膜，該薄膜對紫外線吸收率高，其中波長為196.00～368.00 nm的紫外線透過率小于1.424%，369.00～380.00 nm的紫外線透過率小于9.828%，而可見光透過率高達90%以上。因此，所制備的氧化鋅薄膜可用于照明燈具的紫外防護。