稀土掺杂的单晶体发光材料在电梯应急照明上的应用

赵志伟 洪 波

台州市特种设备检验检测研究院

0 引言

良好的电梯照明不仅为乘客提供了安全，还为电梯作业人员提供了良好的工作环境，电梯紧急照明是在正常照明故障的情况下（如停电等），能立即接通紧急照明源，为电梯提供必要的亮度，避免乘客因不能看清电梯情况及紧急报警装置而发生意外［1］。然而，目前市场上的电梯照明大多采用白炽灯或商用LED节能灯，存在寿命短、光效低、显色指数低等问题，为电梯照明带来一定的隐患［2］。目前稀土发光材料由于出色的发光性能、较长的使用寿命、适应多种恶劣环境等被广泛研究［3-5］。此外，由于发光效率是随着基质材料声子能量的降低而增加的，因此选择合适的基质材料也有助于实现更好的光学性能和实际应用。相较之前有研究提出的采用声子能量高、光效低、寿命短、色衰强的荧光性矿物质替代节能灯的方案，稀土掺杂的单晶体发光材料更具声子能量低、发光效率高的优势，因此，本文首次提出了利用稀土离子掺杂的单晶体发光材料应用于电梯的应急照明。

1 白光LED发展现状

随着节能经济的发展，白光LED发光二极管将成为21世纪新一代节能光源。白光LED发光方法有［6-8］：利用GaN基芯片发 射蓝光并激发Ce3+，YAG荧光粉产生黄光，黄光和蓝光拟合生成白光；通过紫外光辐射InGaN荧光粉发射出红、绿、黄三种颜色的光，这三种颜色的光再通过一定的比例混合产生白光。然而，这两种方法的缺陷有：第一种方法，首先是有机环氧树脂封装后在光的照射下容易老化，使LED使用寿命大大缩短，其次荧光粉和环氧树脂之间的折射率不匹配，导致严重的光散射，进而影响发光效率，再次产生的白光发射色温（CCT）偏高，给眼睛带来不舒适的感觉。第二种方法，由于紫外光具有高能量辐射，会使荧光粉产生光降解，从而影响LED性能。为解决这些问题，目前的全彩色单晶体、透明陶瓷、发光玻璃和玻璃陶瓷等固体材料已实现了上转换白光发射现象，如Tm3+/Ho3+/Yb3+掺杂的铋碲酸盐玻璃［9］、Tm3+/Er3+/Yb3+掺杂的Y2O3透明陶瓷［10］和Tm3+/Tb3+/Yb3+三掺杂Na5Lu9F32单晶上转换组合可调节的多色发射等。为进一步应用于实践，本文首次提出使用稀土掺杂的单晶体发光材料应用于电梯的应急照明。

2 稀土掺杂的单晶体发光材料发光性能

稀土元素有着光、电、磁、超导、催化等多种特性，被誉为“工业黄金”，是21世纪极其重要的战略资源。我国是稀土储量大国，稀土储量约占世界总储量的23%。为推动我国稀土行业快速走出底部并实现高效多功能的应用，我国公布了多项积极的政策。

稀土元素具有的多个电子能级特性为电子能级的跃迁提供了良好的条件。当电子组态内4f轨道中的电子以辐射弛豫的形式从高能级跃迁至低能级时会发射出不同波长的光，由于4f层电子受外层5s25p6的严格屏蔽，使晶格场强度对其影响很小，除Ce3+和Lu3+外都是锐线谱。稀土离子发光原理为：通过电子组态4f65d→4f7（8S7/2）基态之间的跃迁或4f7（6P1）→4f7（8S7/2）相同组态内的电荷迁移和禁戒跃迁完成发光［11-13］。

此外，稀土离子的激发态寿命较长，可发射从紫外光到可见光到红外光区域的各种电磁辐射，故掺杂稀土离子的发光材料有着如发光谱带窄、发射峰强锐、色纯度高、发射波长分布区域宽和转换效率高等光学特性，对照明领域产品的升级换代起着积极的作用。

3 稀土掺杂的单晶体发光材料应用前景

目前，白光LED发光二极管的需求在快速增长，主要原因有：“碳中和”已成为全球热点，白光LED发光二极管的推广使用将有效促进碳排放的减少，是助力我国迈向“碳中和”的有效措施；二是近年来我国对稀土资源的开发利用更加重视，加强了出口控制，传统LED生产厂家生产成本明显提高，促使厂家发生转型，故稀土掺杂的单晶体发光材料在照明领域有着巨大的应用市场和发展前景。

4 稀土掺杂的单晶体发光材料在应急照明上应用的意义

电梯作为一种与人们日常生活息息相关的特种设备，其安全可靠性非常重要，而应急照明是电梯系统中重要的组成部件，如何有效地保障及维护电梯应急照明系统一直是重要的研究热点。我国GB 7588-2003《电梯制造与安装安全规范》规定：“电梯应有自动再充电的紧急照明电源，在正常照明电源中断的情况下，它能至少供1 W灯泡用电1 h”，这就要求紧急照明灯具有较长的使用寿命和稳定的物理化学性质。此外，《特种设备安全监察条例》还明确提出了国家应鼓励特种设备节能技术的研究、开发、示范和推广，促进特种设备节能技术的创新和应用。对市场调查表明，目前电梯应急照明绝大多数是白炽灯或商用LED节能灯，存在寿命短、光效低、显色指数低等问题，而稀土掺杂的单晶体发光材料不但可有效解决这些问题，还可减少维护时间，为乘客提供更好的照明环境，达到良好的节能减排效果和稀土的有效开发利用。

5 结论

稀土掺杂的单晶体发光材料有着出色的发光性能、较长的使用寿命、适应多种恶劣环境等优点，可逐步替代目前的白炽灯或商用LED节能灯作为电梯的应急照明灯，有助于节能减排和有效利用稀土元素，具有巨大的潜力和研究价值。