Luminofor
Obsah boxu
Luminofor je pevná látka, která vykazuje jev luminiscence, což znamená, že emituje světlo, když je vystavena nějaké formě energie. Na rozdíl od inkandescence (světlo z tepla, jako u žárovky), luminofor produkuje světlo "studenou" cestou. Energie, která luminofor excituje (vybudí), může být například ultrafialové záření, proud elektronů (jako v starých televizorech) nebo rentgenové záření. Po dodání energie se elektrony v materiálu dostanou na vyšší energetickou hladinu a při jejich návratu na původní hladinu se přebytečná energie uvolní ve formě fotonu, tedy světla.
Luminofory jsou klíčovou součástí mnoha moderních technologií, od osvětlení (LED žárovky, zářivky) přes zobrazovací techniku (CRT monitory, plazmové televize) až po lékařskou diagnostiku a bezpečnostní prvky. Barva emitovaného světla závisí na chemickém složení základního materiálu a na přítomnosti specifických příměsí, tzv. aktivátorů.
📜 Historie
První pozorování luminiscence u uměle vyrobeného materiálu se datuje do roku 1604, kdy boloňský alchymista Vincenzo Casciarolo objevil tzv. "boloňský kámen" (nečistý síran barnatý). Po nasvícení sluncem tento kámen ve tmě zářil. Tento jev, dnes známý jako fosforescence, fascinoval vědce po staletí.
Systematický výzkum a vývoj luminoforů začal až s objevem katodových paprsků v 19. století. Vědci jako William Crookes si všimli, že sklo Crookesovy trubice zeleně světélkuje, když na něj dopadají elektrony. To vedlo k hledání účinnějších materiálů.
Velký rozmach nastal ve 20. století:
- 30. léta: Vývoj luminoforů na bázi sulfidu zinečnatého a sulfidu kademnatého umožnil vznik prvních komerčních katodových trubic (CRT) pro osciloskopy a později pro televize.
- 40. léta: Vývoj halofosfátových luminoforů pro lineární zářivky, které přinesly efektivní bílé světlo do domácností a kanceláří.
- 60. léta: Objev luminoforů na bázi prvků vzácných zemin, zejména s europiem a terbiem jako aktivátory, umožnil vytvořit jasně červené a zelené barvy pro barevné televize, což výrazně zlepšilo kvalitu obrazu.
- 90. léta a 21. století: S vynálezem výkonné modré LED diody nastala revoluce v osvětlení. Vývoj žlutých luminoforů (nejčastěji YAG:Ce) umožnil kombinací modrého světla z čipu a žlutého světla z luminoforu vytvořit bílé světlo. Tento princip je základem většiny dnešních LED žárovek.
⚛️ Princip funkce
Funkce luminoforu je založena na procesech v jeho krystalové mřížce na úrovni kvantové mechaniky.
1. Excitace: Dopadající energie (např. foton UV záření nebo elektron) je pohlcena materiálem. Tato energie předá elektronu v atomu dostatek síly, aby "přeskočil" ze své základní, stabilní energetické hladiny (valenční pás) na vyšší, nestabilní hladinu (vodivostní pás). 2. Relaxace a emise: Elektron se snaží co nejrychleji vrátit do stabilního stavu. Při tomto "pádu" zpět na nižší energetickou hladinu uvolní přebytečnou energii ve formě fotonu. Vlnová délka (a tedy barva) tohoto fotonu přesně odpovídá energetickému rozdílu mezi oběma hladinami.
Klíčovou roli hrají tzv. aktivátory. Jsou to cizí atomy (příměsi, dopanty) záměrně vnesené do krystalové mřížky základního materiálu v malé koncentraci. Tyto atomy vytvářejí v zakázaném pásu materiálu specifické energetické hladiny, které umožňují efektivní světelnou emisi v požadované barvě. Například v luminoforu ZnS:Ag je základním materiálem sulfid zinečnatý a aktivátorem je stříbro.
Fluorescence vs. Fosforescence
Podle rychlosti emise světla po ukončení excitace se luminofory dělí na dva hlavní typy:
- Fluorescenční: Emise světla je téměř okamžitá (řádově nanosekundy) a ustává ihned po odstranění zdroje energie. Tento jev se využívá v zářivkách a LED.
- Fosforescenční: Emise světla přetrvává sekundy, minuty nebo i hodiny po ukončení excitace. Elektrony jsou dočasně "uvězněny" v tzv. metastabilním stavu a uvolňují se postupně. To je princip svítících hraček, hodinových ručiček nebo nouzového značení.
🔬 Typy luminoforů
Luminofory lze dělit podle několika kritérií.
Podle chemického složení
- Sulfidy: Historicky nejstarší, nejznámější je sulfid zinečnatý (ZnS), často aktivovaný stříbrem (modrá), mědí (zelená) nebo manganem (oranžovo-žlutá). Používaly se v CRT obrazovkách.
- Oxidy: Velmi stabilní a účinné. Příkladem je oxid yttritý (Y₂O₃) aktivovaný europiem (Y₂O₃:Eu³⁺), který produkuje jasně červenou barvu a byl klíčový pro barevné televize.
- Silikáty: Křemičitany různých kovů, často používané v bílých LED.
- Halofosfáty: Například fluorofosforečnan vápenatý, dlouho dominantní materiál pro zářivky. Aktivací antimonem a manganem lze namíchat různé odstíny bílého světla.
- Alumináty: Hlinitany, jako je yttrium-hliníkový granát aktivovaný cerem (Y₃Al₅O₁₂:Ce, zkráceně YAG:Ce). Tento materiál je základem většiny bílých LED. Přeměňuje modré světlo z LED čipu na široké žluté spektrum, což v součtu dává bílé světlo.
- Nitridy: Luminofory na bázi nitridů (např. SiAlON) jsou vyvíjeny pro LED s vysokou barevnou věrností (CRI), zejména pro červenou složku spektra.
Podle barvy emise
Luminofory se vyrábějí pro emisi v celém viditelném spektru. V zobrazovacích zařízeních se používá trojice základních barev:
- Červená: Typicky Y₂O₃:Eu³⁺ nebo Y₂O₂S:Eu³⁺.
- Zelená: Např. ZnS:Cu,Al nebo LaPO₄:Ce,Tb.
- Modrá: Např. ZnS:Ag nebo BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺.
💡 Využití a aplikace
Luminofory jsou všudypřítomné v moderním světě.
Osvětlovací technika
- Zářivky: Vnitřní stěna trubice je pokryta vrstvou luminoforu. Elektrický výboj v parách rtuti uvnitř trubice produkuje neviditelné UV záření. To dopadá na luminofor, který jej přemění na viditelné bílé světlo.
- Bílé LED (WLED): Nejběžnější metoda výroby bílých LED je použití modrého polovodičového čipu (na bázi GaN), který je zalitý ve vrstvě žlutého luminoforu (typicky YAG:Ce). Část modrého světla projde a část je luminoforem přeměněna na žluté světlo. Smícháním obou barev vzniká pro lidské oko bílé světlo.
Zobrazovací technika
- Katodová trubice (CRT): Vnitřní strana stínítka klasických televizorů a monitorů je pokryta maticí bodů ze tří typů luminoforů (červený, zelený, modrý). Elektronové dělo vystřeluje svazky elektronů, které po dopadu na konkrétní bod luminoforu způsobí jeho rozsvícení.
- Plazmový displej (PDP): Každý subpixel je miniaturní komůrka naplněná plynem. Elektrický výboj v plynu vytvoří plazma, které emituje UV záření. To následně excituje příslušný barevný luminofor na stěně komůrky.
Detekce záření
- Scintilátory: Jsou to speciální luminofory, které emitují světelný záblesk (scintilaci) při dopadu vysokoenergetického záření, jako je rentgenové záření, záření gama nebo částice alfa a beta. Používají se v lékařství (CT, PET), jaderné fyzice a bezpečnostních skenerech.
- Rentgenová stínítka: V radiologii se používají zesilovací fólie s luminofory, které přeměňují neviditelné rentgenové záření na viditelné světlo, což umožňuje vytvořit obraz na fotografickém filmu s nižší dávkou záření.
Bezpečnostní prvky
- Mnoho bankovek, pasů a jiných cenných dokumentů obsahuje luminofory viditelné pouze pod UV světlem. Slouží jako ochrana proti padělání.
Značení a spotřební zboží
- Fosforeskující materiály ("glow-in-the-dark") se používají na hračky, nálepky, hodinové ciferníky a ručičky nebo na nouzové únikové značení v budovách.
⚠️ Bezpečnost a toxicita
Starší typy luminoforů obsahovaly toxické těžké kovy, jako je kadmium nebo olovo. S nástupem environmentálních regulací, jako je evropská směrnice RoHS, se od používání těchto látek upustilo. Moderní luminofory, zejména ty na bázi prvků vzácných zemin (yttrium, europium, cer), jsou považovány za mnohem bezpečnější a stabilnější. Přesto je při manipulaci s luminofory v práškové formě nutné dodržovat bezpečnostní opatření, aby se zabránilo vdechnutí jemných částic.
🤔 Pro laiky
Představte si luminofor jako speciální "houbu na energii". Když na tuto houbu zasvítíte neviditelným UV světlem nebo do ní "střelíte" elektronem, houba tuto energii nasaje. Téměř okamžitě nebo postupně ji pak začne uvolňovat, ale už ne v původní formě, nýbrž jako viditelné světlo určité barvy.
- **Rychlé uvolnění (fluorescence):** To je princip zářivky. Jakmile ji vypnete, okamžitě zhasne.
- **Pomalé uvolnění (fosforescence):** To je princip svítících hvězdiček na stropě. "Nabijete" je světlem z lampičky, a když zhasnete, ještě dlouho samy svítí, protože energii uvolňují postupně.
Barva, kterou luminofor svítí, je dána jeho "receptem" – přesným chemickým složením, podobně jako barva jídla závisí na použitých ingrediencích.