常用照明光源光谱分析及其紫外防护方法

，，

（湖南工业大学 理学院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

自2008年我国启动“绿色照明”工程以来，白炽灯逐渐退出历史舞台，取而代之的是节能灯和LED灯。它们与白炽灯相比具有光效高、耗电少、寿命长的特点，被广泛应用于人们生活的方方面面。

LED灯又称发光二极管，是一种将电能转化为光能的半导体器件。其核心部件是一个PN结，当电流通过晶片，PN结正向导通时，N型半导体内的电子与P型半导体内的空穴向对方扩散，在发光层剧烈碰撞复合释放能量产生光子，即发出可见光。PN结的材料决定了发光的波长，也决定了光的颜色。LED白光的晶片中加了一层荧光粉涂层，电子与空穴碰撞复合产生蓝光，其中一部分蓝光直接穿过荧光粉涂层发射出去，另一部分蓝光打在荧光涂层上并与之作用而产生黄光，蓝光与黄光混合而形成白光。从发光原理看LED灯是无紫外辐射的绿色照明灯。

节能灯又称三基色紧凑型荧光灯，通电后发射电子，电子与氩原子发生弹性碰撞，氩原子获得较大的动能后撞击汞原子，使汞蒸气原子电离产生253.7 nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发出可见光。因为紫外线并不能完全被荧光粉吸收，因此，节能灯在使用过程中，灯管内的紫外线会有部分透过玻璃管壁辐射到环境中；加之荧光粉的脱落等因素，节能灯可产生较强的紫外辐射[1]。

由于部分生产厂家为节约成本而降低原材料质量等级，且灯具市场监管不严，使得市场上常用的LED灯和节能灯大部分存在质量问题，会产生紫外辐射。通过对多种品牌、多种型号的LED台灯和节能台灯光源进行光谱扫描，发现它们都具有较强的紫外辐射（紫外光波长范围200～380 nm)，且紫外光能量远大于可见光能量。

诸多研究表明[1-4]，过量的紫外照射可对人体皮肤、眼睛等造成伤害。紫外照射过多会导致皮肤红斑、浮肿、松弛、增厚、色素沉积等，严重时会诱发DNA突变、染色体变异，导致皮肤癌。长期紫外照射还可以导致晶状体混浊，老年性白内障等疾病产生。因此如何对照明灯具进行紫外防护具有十分重要的意义。

2 节能灯和LED灯光源光谱分析

2.1 实验仪器与实验方法

1）实验仪器。主要实验仪器有：组合式多功能光栅光谱仪、电脑、汞灯、多种品牌的节能台灯和LED台灯。

2）实验方法。采用WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪扫描照明灯具的发射光谱，利用汞原子标准光谱（汞灯光谱365.0,404.7,546.1 nm）校正光栅光谱仪波长，以确保测量精度。将入射狭缝和出射狭缝均调至0.5 mm，负高压调至300 V，对不同品牌不同型号的LED台灯和节能台灯分别进行光谱扫描，扫描波长范围为200～660 nm，得到两种不同类型光源的发射光谱，分别见图1和图2。

图1 LED灯（白光）光谱图Fig.1 Spectrum of LED light(white light)

图2 节能灯（白光）光谱图Fig.2 Spectrum of energy-saving lamps(white light)

1.2 实验结果与分析

从实验结果看，两种类型灯光源的光谱图存在很大差异，同类型的光谱图类似，因此只给出两个具有代表性品牌的LED灯和节能灯的发射光谱，如图1和图2所示。图1和图2中光谱峰值数据分别如表1和表2所示。

表1 LED灯光谱峰值数据Table 1 Spectrum peak data of LED lamps

表2 节能灯光谱峰值数据Table 2 Spectrum peak data of energy-saving lamps

从光谱图1和图2可看出，两种类型的光源谱线均为线状，紫外线（波长200～380 nm）部分能量很高，而可见光（波长380～780nm）部分能量相对很弱。

由表1可知，LED灯的谱线中含有紫外线（218.50,265.40,269.60,329.20 nm）、紫色光（440.50 nm），以及绿色光（516.20,550.60,552.90,553.70,554.70,558.40 nm）。由表2可知，节能灯的谱线中含有丰富的紫外线（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）、绿色光（542.50,547.10 nm）、橙色光（612.00 nm）。这些谱线的出现与两种光源的发光原理相关，也与产品的质量相关。分别对LED黄色、红色、蓝色和绿色光进行光谱扫描，同样发现这些有色光源都具有较强的紫外光谱，并且照明灯距离狭缝越近，紫外线辐射越强。由此可知，灯具市场提供给消费者的产品着实令人担忧，因此关于紫外防护材料的研究具有重要意义。

3 紫外防护材料研究

目前，紫外防护的手段主要分为两种：一种是反射，另一种是吸收。这两方面学者们研究较多[5-8]，并得到了许多能吸收和反射紫外线的材料，如TiO2、CeO2、ZnO、纳米Al2O3、纳米FeO等。这些材料主要被用于太阳镜、太阳伞以及汽车玻璃的紫外防护，而真正用于灯具的较少。其主要原因是，灯具的紫外防护材料必须具备可见光透过率高、耐高温、绿色环保、价格低廉且制作工艺简单的特点，其中透光性是最主要的因素。因此，许多学者和企业正致力于透光性好且能有效吸收和反射紫外线材料的研究。

由文献[9-11]可知，研究者大多利用有机物和无机物制作涂料喷涂在节能灯表面，以达到防紫外照射的目的，这些方法或多或少会给环境带来污染，而且喷涂很难做到均匀，紫外防护效果有限。通过对灯具市场的调研发现，目前LED灯具还没有采取任何紫外防护措施（从发光原理上讲，LED灯没有紫外线辐射）。因此，寻找更加简单、更加完善、环境友好、符合照明灯特点的紫外防护材料和方法很有必要。

3.1 氧化锌材料的特点

通过大量的文献[12-20]研究可知，氧化锌储量丰富、价格低廉，无毒无害，激子束缚能高达60 meV，具有很好的化学稳定性和热稳定性。氧化锌具有很好的紫外吸收和可见光高透过性能，室温下禁带宽约为3.37 eV，能吸收波长小于368 nm的紫外线，而对可见光则不吸收，且氧化锌薄膜制作工艺简单，适合大量生产。因此氧化锌可被用做照明灯具的紫外防护材料。

3.2 氧化锌薄膜的制备

氧化锌薄膜的制备方法很多，常用的有磁控溅射法、脉冲激光沉积法、分子束外延法、化学气相沉积法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法[13-15]，本研究采用磁控溅射镀膜法。

经过前期多批次的摸索实验对比发现，磁控溅射镀膜法的溅射工艺是影响氧化锌薄膜的紫外防护效果和可见光透过率的重要因素。通过对多批次实验结果比较，得出其最佳方案如下：室温下采用高纯氧化锌陶瓷靶材，在石英基片上溅射成膜，溅射气压为0.5 Pa，氧氩比为0:8.3，溅射功率为180 W，溅射时间为2 h。

3.2.1 实验材料

实验主要仪器有：高真空多靶磁控溅射镀膜机，JCP-350M2；超声波清洗机，DS-3510DT；薄膜测厚仪，SGC-10；紫外-可见分光光度计，WFZ-26A；组合式多功能光栅光谱仪，WGD-8A。

其他主要材料有：电脑、汞灯、吹风机、石英片等。高纯氧化锌陶瓷靶、高纯氮气、高纯氩气、丙酮、无水酒精、去离子水等。

3.2.2 氧化锌薄膜的制备方法

在实验室中，氧化锌薄膜的制备步骤如下：

1）基片清洗。 将石英基片分别用丙酮、无水酒精超声清洗10 min，每次清洗后均用去离子水漂洗干净残留药品；然后用去离子水超声清洗10 min，以清洁石英基片表面的油污及其他污物；最后用吹风机吹干备用。

2）基片和靶材安装。 将清洁吹干后的石英基片安装于镀膜机的基片台；将高纯氧化锌陶瓷靶材安装于镀膜机腔室靶上，测量靶材与其外壳罩之间的绝缘电阻（大于0.3 MΩ）；符合要求后，关闭腔室门抽真空。

3）溅射镀膜。当腔室真空度小于2.7×10-3Pa时开始启辉溅射，打开基片旋转，确保溅射均匀。选择溅射工艺为室温、溅射功率180 W，溅射气压0.5 Pa，氧氩比0:8.3，溅射时间为2 h。预溅射10 min以除去靶材表面的杂质后开始成膜计时，镀膜2 h后计时结束，关闭镀膜机，真空保压24 h，取出镀膜后的基片，进行薄膜厚度和透过率测试。

3.3 氧化锌薄膜厚度及光学性能测试

光透过率、折射率和消光系数是表达氧化锌薄膜光学性能的重要参数，而薄膜厚度与其光学性能参数密切相关。

采用薄膜测厚仪测量所制备的氧化锌薄膜厚度、折射率和消光系数。测试结果表明，氧化锌薄膜厚度均匀，为 471 nm；当波长为549.00 nm 时，折射率N= 2.722 8，消光系数K=0.087 89；

采用紫外-可见分光光度计测量氧化锌薄膜光透过率，结果如图3和表3所示。

图3 氧化锌薄膜光透过率曲线Fig.3 Light transmittance curves of ZnO film

表3 氧化锌薄膜光透过率测试数据Table 3 Light transmittance test data of ZnO film

从图3和表3可知，所制备的氧化锌薄膜紫外波段透过率很小，波长小于368 nm的紫外线可视作全部吸收；而可见光的透过率很高，平均透过率大于90%。因此，所制备的氧化锌薄膜完全符合照明灯具紫外防护的要求。

3.4 灯光照射狭缝光谱比较实验

为了进一步检验氧化锌薄膜防紫外线的效果，将灯光直接照射光栅光谱仪狭缝与透过氧化锌薄膜后照射狭缝，比较其光谱的变化。仅以节能灯光为例加以描述，对LED灯光完全类似。

1）节能台灯开启10 min后，将节能灯光源放到离光栅光谱仪狭缝20 cm处，光栅光谱仪入射狭缝和出射狭缝均调至0.5 mm，负高压调至300 V，扫描出节能台灯的发射光谱，如图2所示。

2）将镀有氧化锌薄膜的石英基片紧贴在光栅光谱仪入射狭缝上，其他条件与1）完全相同的情况下，重新扫描出节能台灯的发射光谱，如图4所示。

两种情形下光谱图紫外部分所对应的光谱能量峰值比较如表4所示。

表4 两种情形下光谱能量峰值对比Table 4 Comparison of spectral energy peaks in two cases

图4 节能灯光透过氧化锌薄膜后光谱图Fig.4 Spectrum of energy-saving lamps after passing through ZnO film

比较光谱图4与2的能量峰值可以看出，氧化锌薄膜对紫外线的吸收明显。从表4的实验数据可知，氧化锌薄膜吸收紫外线的能量平均为83.4%，很大程度地阻挡了节能灯紫外辐射对人体的伤害。同时，氧化锌薄膜对可见光也有一定的反射和散射作用，使可见光的能量有所减弱，但并不影响阅读效果。

4 结语

对灯具市场上LED灯和节能灯光源的光谱分析，发现这些光源均具有较强的紫外辐射，严重影响人们的身体健康。利用磁控溅射镀膜法，以高纯氧化锌陶瓷靶为靶材，在石英基片上制备了透明、淡黄色氧化锌薄膜，该薄膜对紫外线吸收率高，其中波长为196.00～368.00 nm的紫外线透过率小于1.424%，369.00～380.00 nm的紫外线透过率小于9.828%，而可见光透过率高达90%以上。因此，所制备的氧化锌薄膜可用于照明灯具的紫外防护。