ภาพรวมของวัสดุแสงสว่างพื้นฐาน
การพัฒนาระบบแสงสว่างสมัยใหม่นั้นแยกไม่ออกจากวิวัฒนาการและนวัตกรรมของวัสดุพื้นฐานในการส่องสว่าง ตั้งแต่วัสดุดั้งเดิมดั้งเดิมไปจนถึงวัสดุใหม่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน การประยุกต์ใช้วัสดุส่องสว่างทางวิทยาศาสตร์ได้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของโคมไฟอย่างมีนัยสำคัญ วัสดุเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่เหนือกว่าภายใต้อุณหภูมิและสภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นแรงผลักดันสำคัญต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแสงสว่าง
▣ การจำแนกประเภทวัสดุ
▣ สารตัวเติมและวัสดุปิดผนึก
ในพื้นที่อุณหภูมิต่ำทั่วไป (<140℃) วัสดุแบบดั้งเดิม เช่น เรซินอินดิโก้ ยางนีโอพรีน ยางโฟม EPDM และโฟมโพลียูรีเทนแบบฉีดขึ้นรูป เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย อย่างไรก็ตาม ในพื้นที่อุณหภูมิสูง (>200℃) จำเป็นต้องใช้เรซินซิลิโคนแบบอัดรีด ขึ้นรูป หรือตัด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิธีการทำปฏิกิริยาแบบฉีดขึ้นรูปได้กลายเป็นนวัตกรรมล่าสุด ทำให้ได้ซีลคุณภาพสูงที่ไร้รอยต่อ ฟิลเลอร์แบบดั้งเดิมและแบบใหม่ถูกนำมาใช้ในพื้นที่อุณหภูมิที่แตกต่างกันเพื่อสร้างการเชื่อมต่อเชิงกลและซีล
ตลอดอายุการใช้งานของหลอดไฟ พุตตี้สำหรับฝาครอบหลอดไฟจำเป็นต้องให้การเชื่อมต่อเชิงกลที่เชื่อถือได้ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันและวัสดุหลอดไฟที่แตกต่างกัน วัสดุที่ใช้ยึดฝาครอบหลอดไฟโลหะเข้ากับหลอดแก้วโดยทั่วไปคือส่วนผสมของผงหินอ่อนประมาณ 90% ผสมกับเรซินฟีนอลิก เรซินธรรมชาติ และเรซินซิลิโคน สำหรับการยึดฝาครอบหลอดไฟเซรามิกเข้ากับตัวโคมไฟซิลิกาหลอมเหลว จำเป็นต้องใช้น้ำยาประสานที่มีจุดหลอมเหลวสูง ซึ่งส่วนประกอบหลักคือส่วนผสมของซิลิกาและสารยึดเกาะอนินทรีย์ เช่น โซเดียมซิลิเกต
▣ ก๊าซ ก๊าซหลักที่ใช้ในหลอดไฟ ซึ่งเป็นส่วนประกอบของอากาศ มักได้มาจากการกลั่นแบบลำดับส่วน ก๊าซเหล่านี้ไม่เพียงแต่ใช้เพื่อควบคุมกระบวนการทางกายภาพและทางเคมีต่างๆ เท่านั้น แต่ยังใช้ในการสร้างแสงอีกด้วย ในระหว่างการทำงานของหลอดไฟ สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงจะช่วยเพิ่มปฏิกิริยาทางเคมีของวัสดุหลายชนิดในหลอดไฟอย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายอย่างรุนแรงต่อวัสดุโครงสร้างของหลอดไฟ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ โครงสร้างของหลอดไฟจำเป็นต้องได้รับการปกป้องโดยการควบคุมการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน วิธีการทั่วไปคือการใช้ก๊าซเฉื่อยหรือก๊าซที่ไม่ทำปฏิกิริยาเพื่อรักษาสภาพแวดล้อมการทำงานภายในหลอดไฟ
กระบวนการทางกายภาพ เช่น การระเหยและการสปัตเตอร์ ทำให้อายุการใช้งานของส่วนประกอบสำคัญๆ เช่น ไส้หลอดและอิเล็กโทรดสั้นลง อย่างไรก็ตาม เมื่อหลอดไฟถูกเติมด้วยก๊าซเฉื่อยและมีความหนาแน่นของก๊าซสูงเพียงพอ ความเป็นอันตรายของกระบวนการเหล่านี้จะลดลงอย่างมาก แม้ว่าคริปทอนความหนาแน่นสูงสามารถนำมาใช้ในหลอดไส้บางชนิดเพื่อลดการนำความร้อนและยับยั้งการระเหยของไส้หลอดทังสเตน ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของหลอดไฟ แต่โดยทั่วไปแล้วอาร์กอนจะถูกใช้เป็นก๊าซตัวเติมในการใช้งานจริง
โมเลกุลไนโตรเจนมีความสามารถในการป้องกันการเกิดอาร์กทำลายล้างระหว่างส่วนประกอบที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกันภายในหลอดไฟ ดังนั้น ก๊าซตัวเติมสำหรับหลอดไฟจึงมักประกอบด้วยไนโตรเจนหรือส่วนผสมของไนโตรเจนกับก๊าซเฉื่อยอย่างอาร์กอนและคริปทอน ในหลอดไฟปล่อยประจุแบบแก๊ส ก๊าซโมเลกุลเดี่ยว เช่น อาร์กอน นีออน และซีนอน ถูกใช้เป็นก๊าซเสริมสำหรับการเริ่มต้นการปลดปล่อยประจุ นอกจากนี้ ก๊าซเมทัลฮาไลด์ยังมีบทบาทสำคัญในแหล่งกำเนิดแสงแบบปล่อยประจุแบบแก๊สอีกด้วย
เนื่องจากอุณหภูมิการทำงานของหลอดไฟสูงมาก ส่วนประกอบสำคัญบางอย่างภายในหลอดไฟจึงมีความไวสูงต่อปริมาณก๊าซออกซิไดซ์และก๊าซที่เจือด้วยคาร์บอน เช่น ออกซิเจน คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรคาร์บอน และไอน้ำ ในหลอดไฟส่วนใหญ่ ปริมาณของก๊าซเจือปนที่เป็นอันตรายเหล่านี้มักได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด โดยอนุญาตให้มีปริมาณเพียงไม่กี่ส่วนในล้านส่วนของก๊าซตัวเติมทั้งหมด
▣ วัสดุรับ
ในระหว่างการทำงานของหลอดไฟ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ไส้หลอดและอิเล็กโทรดจะมีอุณหภูมิสูงมาก ส่วนประกอบเหล่านี้มีความไวสูงต่อก๊าซรอบข้าง และทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ไอน้ำ ไฮโดรเจน และไฮโดรคาร์บอนที่ตกค้างได้ง่าย ส่งผลให้ประสิทธิภาพของหลอดไฟลดลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีมาตรการเพื่อกำจัดหรือลดก๊าซตกค้างเหล่านี้ วัสดุ เก็ตเตอร์ จะกำจัดก๊าซตกค้างออกจากหลอดไฟโดยใช้วัสดุโลหะหรือวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ เพื่อรักษาประสิทธิภาพของหลอดไฟ
วัสดุ เก็ตเตอร์ คือวัสดุที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อกำจัดสิ่งเจือปนออกจากเปลือกหรือหลอดของหลอดไฟหลังจากการปิดผนึก โดยทั่วไปวัสดุ เก็ตเตอร์ แบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ วัสดุ เก็ตเตอร์ สำหรับการระเหย (การระเหย เก็ตเตอร์) และวัสดุ เก็ตเตอร์ สำหรับการระเหย (เชิงปริมาตร เก็ตเตอร์) วัสดุ เก็ตเตอร์ สำหรับการระเหยจะใช้หลังจากปิดผนึกอุปกรณ์สุญญากาศแล้ว วัสดุ เก็ตเตอร์ ทำงานโดยการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วหรือทำให้โลหะที่กำลังทำงานกลายเป็นไอทันที ปรากฏเป็นคราบหรือฟิล์มบางๆ บนส่วนประกอบที่เลือกเพื่อกำจัดก๊าซ ในทางกลับกัน วัสดุ เก็ตเตอร์ สำหรับการระเหย (เชิงปริมาตร เก็ตเตอร์) มักถูกบรรจุอยู่ภายในหลอดไฟในรูปแบบของลวดโลหะ ส่วนประกอบโครงสร้าง หรือคราบกึ่งหลวม วัสดุ เก็ตเตอร์ เหล่านี้จะดูดซับก๊าซเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและยังคงมีประสิทธิภาพตลอดอายุการใช้งานของหลอดไฟ
โลหะที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ แบเรียม แทนทาลัม ไทเทเนียม ไนโอเบียม เซอร์โคเนียม และโลหะผสม นอกจากนี้ ฟอสฟอรัส ซึ่งเป็นสารกำจัดก๊าซที่ไม่ใช่โลหะ ยังมีประสิทธิภาพในการกำจัดออกซิเจนและไอน้ำปริมาณเล็กน้อยจากก๊าซเฉื่อยภายในหลอดแก้ว จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายมาเป็นเวลานาน
▣ กระจกและกระจกควอตซ์
กระจกที่ผลิตเชิงพาณิชย์สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ โซเดียม-แคลเซียมซิลิเกต ตะกั่ว-อัลคาไลซิลิเกต และโบโรซิลิเกต กระจกโซเดียม-แคลเซียมซิลิเกตเป็นกระจกที่นิยมใช้มากที่สุดในอุตสาหกรรมแสงสว่าง การเลือกชนิดของกระจกขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านอุณหภูมิ การรักษาความแน่นหนาของอากาศ และประสิทธิภาพทางไฟฟ้า
กระจกตะกั่ว-อัลคาไลซิลิเกตส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนภายในสำหรับหลอดไฟธรรมดาและหลอดฟลูออเรสเซนต์ สำหรับโคมไฟสปอตไลท์ทั่วไปและหลอดดิสชาร์จกำลังสูงที่มีอุณหภูมิการใช้งานสูง จำเป็นต้องใช้กระจกโบโรซิลิเกต กระจกควอตซ์มีความโปร่งใสสูง ทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อนได้ดีเยี่ยม และสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้ โดยมีอุณหภูมิการใช้งานสูงถึง 900 องศาเซลเซียส
ความแน่นหนาของอากาศเป็นตัวชี้วัดสำคัญในการเลือกวัสดุแก้วสำหรับโคมไฟ แก้วต้องมีคุณสมบัติในการปิดผนึกด้วยโลหะที่ปราศจากแรงเค้น เพื่อให้หลอดไฟมีความแน่นหนาของอากาศและมีเสถียรภาพในระยะยาว นอกจากนี้ ค่าความต้านทานไฟฟ้า ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก และการสูญเสียไดอิเล็กทริกของแก้วต้องเป็นไปตามมาตรฐานที่น่าพอใจเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางไฟฟ้า
▣ วัสดุเซรามิก
ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง แก้วที่มีส่วนผสมของซิลิกาจะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายจากไอระเหยของโลหะอัลคาไล ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อนทางเคมี เซรามิกส์ถูกนำมาใช้เพื่อความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและการกัดกร่อน มีความแข็งแรงเชิงกลและเสถียรภาพทางความร้อนสูง
หลอดอะลูมินากึ่งโปร่งใสโพลีคริสตัลไลน์ (พีซีเอ) เป็นส่วนประกอบสำคัญในการผลิตหลอดโซเดียมแรงดันสูง (เอชพีเอส) แม้จะมีความหนาของผนังเพียง 1 มิลลิเมตร แต่ให้ค่าการส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้มากกว่า 90% เซรามิกทั่วไปมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดี ทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อน และเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมตลอดช่วงอุณหภูมิการใช้งาน จึงมักถูกนำมาใช้ทำขั้วหลอดและฐานหลอด
▣ วัสดุสำหรับการควบคุมแสง
แผ่นสะท้อนแสงเป็นส่วนประกอบสำคัญในการควบคุมแสง แบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ การสะท้อนแสงแบบปกติและการสะท้อนแสงแบบกระจาย (กระจาย การสะท้อนกลับ) การเลือกใช้วัสดุควบคุมแสง จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างครอบคลุม เช่น คุณสมบัติทางแสง ความแข็งแรง ความเหนียว ความทนทานต่อความร้อน และความต้านทานต่อรังสีอัลตราไวโอเลต
ฟิล์มสะท้อนแสงอินฟราเรดเป็นวัสดุควบคุมแสงหลักที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของหลอดไฟไส้ได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยการสะท้อนพลังงานอินฟราเรดกลับไปยังไส้หลอด เทคโนโลยีการซ้อนทับออกไซด์หลายชั้นยังถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตฟิล์มสะท้อนแสงอินฟราเรด ซึ่งเคลือบบนพื้นผิวของตัวหลอดไส้หลอดฮาโลเจนผ่านการสะสมไอเคมี ขณะเดียวกัน เทคโนโลยีฟิล์มกรองแสงแบบหลายชั้นก็ถูกนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนสีของแสง การเลือกใช้วัสดุสะท้อนแสงจะช่วยปรับสมดุลคุณสมบัติทางแสง กลไก และความร้อน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของหลอดไฟ