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Dokumentenidentifikation DE102004034369B4 26.04.2007
Titel Halogenlampe
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Scheler, Michael, 07745 Jena, DE;
Stöckl, Wieland, Dipl.-Ing., 07749 Jena, DE;
Uhlig, Hein, Dipl.-Phys., 07747 Jena, DE;
Kaiser, Norbert, Dr.rer.nat.habil., 07745 Jena, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 80339 München
DE-Anmeldedatum 16.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004034369
Offenlegungstag 16.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse G02B 1/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halogenlampe, insbesondere mit einem temperaturbeständigen, silberhaltigen Rückflächenspiegel. Derartige Spiegel werden auch als Beschichtung von Glasscheiben vor der thermischen Verformung/Bearbeitung oder beispielsweise als Reflektoren in Lampen eingesetzt.

Silber hat von allen Metallen die höchste Reflexion für sichtbares Licht. Rückflächenreflektoren für das sichtbare Spektralgebiet bestehen daher vielfach aus einem Glassubstrat, das einseitig mit Silber beschichtet ist. Das zu reflektierende Licht tritt beim Rückflächenreflektor durch die unbeschichtete oder entspiegelte Vorderfläche in das Glassubstrat ein, durchdringt das Glassubstrat und wird an der silberbeschichteten Substratrückfläche reflektiert.

US 5,589,280 A beschreibt Reflektorfilme, welche aus auf Kunststoff-Filmen untergebrachten Metallschichten bestehen. Solche Kunststoff-basierten Reflektorfilme eignen sich zum Beispiel zum Einsatz in Leuchtstoffröhren, wo keine hohen Temperaturen entstehen.

Die optische Leistung (Reflexion) eines Silber-Rückflächenreflektors steht in einem sehr günstigen Verhältnis zu seinem vergleichsweise niedrigen Fertigungsaufwand.

Beschränkend wirken die geringe klimatische und mechanische Stabilität von Silberschichten.

Insbesondere in feuchter, sauerstoff- und schwefelwasserstoffhaltiger Atmosphäre sind ungeschützte Silberschichten nicht klimabeständig, sondern korrodieren und verfärben sich dunkel. Ein sehr weitgehender Schutz der Silberschicht gegenüber Klimaeinwirkung ist bei Silber-Rückflächenspiegeln Stand der Technik: Auf der Lichteintrittsseite schützt das Glassubstrat die Silberschicht vor Klimaeinwirkung und die luftseitige Grenzfläche der Silberschicht kann ohne Rücksicht auf optische Anforderungen mit Deckschichten, Decklacken oder aufgeklebten Deckscheiben versiegelt werden.

Die mechanische Instabilität von Silberschichten besteht einerseits in ihrer geringen Härte und Kratzfestigkeit und andererseits in ihrer schwachen Haftung auf Glas. Die o.g. Versiegelungsmaßnahmen wirken vielfach nicht nur als Klimaschutz, sondern auch als Kratzschutz für die Silber-Reflektorschicht. Sofern die Haftung der Silberschicht auf dem Substrat verbessert werden soll, wird die Substratoberfläche vor Aufbringung der Silberschicht mit einer haftvermittelnden Zwischenschicht belegt. Da diese Zwischenschicht auf der Lichteinfallsseite des Reflektors liegt, ist die Wahl von Material und Dicke dieser Schicht allerdings eingeschränkt durch die Forderung, dass die Zwischenschicht die Reflexion nicht wesentlich senken darf.

Herstellungskosten, Reflexion und Alterungsbeständikeit von herkömmlich aufgebauten Rückflächenspiegeln auf Silberbasis befriedigen, solange diese Spiegel nicht zu hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Herkömmliche Rückflächenspiegel auf Silberbasis versagen, wenn sie anhaltend hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Mit steigender Temperatur werden in Silberschichten Diffusionsprozesse aktiviert, die Silber so transportieren, dass die Korngrößen zunehmen, Löcher und Risse in der Schicht entstehen und anwachsen, sodass ein zunehmender Teil der Substratfläche nicht mehr von Silber bedeckt ist, bis sich schließlich das Silber in voneinander isolierten Inseln zusammenballt (Agglomeration) und die Substratoberfläche nicht mehr zusammenhängend benetzt. Spätestens mit der Agglomeration verliert die Silberschicht ihre hohe Reflexion. Diese Transportprozesse beschleunigen sich mit zunehmender Temperatur und oberhalb 600 °C erfolgt die Agglomeration von Silber-Einfachschichten innerhalb von wenigen Stunden.

Eine weitere Begrenzung für die Temperaturstabilität von Silberschichten ist durch dessen Verdampfung gegeben. Aus dem bekannten Dampfdruck von Silber errechnet sich im Vakuum bei 650 °C ein Schichtabtrag um 20 nm/Stunde. Zwar wird die Abdampf rate an Atmosphäre durch Rückstreuung erheblich vermindert, bei hohen Temperaturen dürfte aber die zunehmende Silberverdampfung wesentlich zum Massetransport beitragen.

In der Literatur sind Maßnahmen beschrieben, die die Beständigkeit von Silberschichten gegenüber hohen Temperaturen bis ca. 600 °C verbessern. Beschrieben sind Beimengungen zu den Silberschichten, sowie Unterschichten oder Deckschichten.

Es ist plausibel, dass Beimengungen die Silberdiffusion behindern können und temperaturstabile Unter- und Deckschichten mit guter Adhäsion zum Silber die Benetzung der Grenzflächen stabilisieren. Mit einigen der beschriebenen Maßnahmen wurden silberbasierte Reflektorschichten thermisch so stabil gemacht, dass sie Temperaturen bis etwa 700 °C mit einer Einwirkungsdauer von Minuten bis zu wenigen Stunden ausgesetzt werden konnten (etwa zur Formgebung des Glassubstrates).

Temperaturen deutlich oberhalb 700 °C erfordern den Ersatz von Silber durch temperaturbeständigere Reflektormetalle, die aber weniger stark reflektieren.

Bei einem Reflektor, der mehr als 2000 Stunden oberhalb 1000 °C gearbeitet hat, wurde auf eine metallische Reflektorschicht ganz verzichtet und die Reflexion wurde durch ein dielektrisches Interferenzsystem aus hochschmelzenden Oxiden erzeugt, was gegenüber einem metallischen Reflektorschichtsystem wesentlich kostspieliger ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halogenlampe zur Verfügung zu stellen, deren Rückflächenspiegel zum Einen auf einem hochreflektierenden und kostengünstigen silberbasierten Reflektorschichtsystem beruht, zum Anderen jedoch sehr temperaturbeständig ist und beispielsweise über mehr als 2000 Stunden Temperaturen oberhalb 600 °C ohne Beeinträchtigung seiner Funktion ausgesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Halogenlampe gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halogenlampe werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Rückflächenspiegel der Halogenlampe derart hergestellt, dass auf einem für das zu reflektierende Licht transparenten Substrat, beispielsweise Glas oder Quarzglas, auf der Rückseite eine Silberschicht aufgebracht wird. Zwischen dem Substrat und der Silberschicht wird jedoch eine Unterschicht eingefügt, die aus einem hochschmelzenden Oxid besteht bzw. dieses enthält und einen höheren Schmelzpunkt als das Silber der Silberschicht aufweist. Auf der dem Substrat abgewandten Seite der Silberschicht wird eine Deckschicht aufgebracht, die aus einem hochschmelzenden Metall, insbesondere Ruthenium, Iridium, Osmium, Palladium, Platin, Rhenium und/oder Rhodium besteht oder diese enthält. Besonders vorteilhaft ist eine Kombination aus einer Unterschicht aus Zirkonoxid und einer Deckschicht aus Ruthenium. Mit einer derartigen hochbrechenden dielektrischen Schicht wie Zirkonoxid ist durch konstruktive Interferenz sogar eine Reflexionserhöhung in ausgewählten Spektralbereichen möglich, während mit metallischen Unterschichten lediglich eine sehr geringe Dicke zulässig wäre, um die Reflexion des Rückflächenspiegels nicht drastisch zu senken.

Zirkondioxid hat eine Schmelztemperatur von 2700 °C und Ruthenium eine Schmelztemperatur von 2300 °C, sodass die Schmelztemperatur der Unterschicht und der Deckschicht höher liegt als die Schmelztemperatur des Silbers.

Vorteilhafterweise kann zwischen die Silberschicht und die Deckschicht eine dünne haftvermittelnde Wolframschicht mit einer Schmelztemperatur von 3400 °C eingefügt werden.

Das vorzugsweise für die Deckschicht verwendete Ruthenium ist chemisch außerordentlich stabil und besitzt unter den Edelmetallen die größte Härte. Es eignet sich also besonders für die Verwendung als Deckschicht.

Das Schichtsystem ist folglich so aufgebaut, dass die Silberschicht mit einer Schmelztemperatur von 961 °C zwischen zwei wesentlich höher schmelzenden Schichten eingelagert ist, die bei 600 °C keine Diffusionseffekte zeigen und damit die Silberschicht stabilisieren.

Der erfindungsgemäße Schichtaufbau besitzt die hohe Reflexion und die niedrigen Fertigungskosten silberbasierter Reflektorsysteme, ist aber gegenüber herkömmlichen silberbasierten Reflektorsystemen durch eine außergewöhnlich hohe Temperaturstabilität ausgezeichnet. Verglichen mit anderen silberbasierten Systemen ergab sich in Vergleichsversuchen bei völlig unzerstörter Silberschicht durchgängig mindestens die doppelte Standzeit.

Im Folgenden wird nun ein Beispiel eines Rückflächenspiegels einer erfindungsgemäßen Halogenlampe beschrieben.

Es zeigt die einzige Figur den Schichtaufbau eines Rückflächenspiegels, wie er für Quarzglaskolben von Halogenlampen mit einer Leistung von 50 W verwendet wurde.

Als Substrat 2 wurde ein Quarzglaskolben verwendet, auf den eine Zirkondioxid-Unterschicht 4 mit einer Dicke von 10 nm aufgebracht wurde. Auf diese Zirkondioxid-Unterschicht 4 wurde eine Silberschicht 3 mit einer Dicke von 600 nm aufgebracht. Dieser folgt eine haftvermittelnde Wolframschicht 5 mit einer Dicke von 65 nm und eine Rutheniumschicht 6 mit einer Dicke von 500 nm. Sämtliche Schichten wurden durch Vakuumbeschichtung (Sputtern bzw. ionengestützte Aufdampfung) aufgebracht.

Das einfallende Licht 1a durchdringt nun den Quarzglaskolben 2 und die Zirkondioxid-Unterschicht 4 und wird an der Oberfläche der Silberschicht 3 als reflektiertes Licht 1b reflektiert.

Im Betrieb erwärmte sich der Kolben der Halogenlampe auf über 600 °C. Die Reflexion des darauf abgeschiedenen Rückflächenspiegels gemäß 1 blieb über eine Betriebsdauer von mehr als 2000 Stunden ohne messbare Beeinträchtigung erhalten.


Anspruch[de]
Halogenlampe mit einem Quarzglaskolben und einem auf dem Quarzglaskolben aufgebrachten Rückflächenspiegel mit einem für das zu reflektierende Licht transparenten Substrat (2) und einer auf seiner Rückseite aufgebrachten Silberschicht (3),

dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen dem Substrat (2) und der Silberschicht (3) zumindest bereichsweise eine erste Zwischenschicht (4) als Unterschicht eingebracht ist, die aus einem hochschmelzenden Oxid besteht oder dieses enthält und einen höheren Schmelzpunkt als Silber aufweist,

und auf der dem Substrat (2) abgewandten Seite der Silberschicht (3) zumindest bereichsweise eine weitere Deckschicht (6) aufgebracht ist, die aus einem der hochschmelzenden Metalle Ruthenium, Iridium, Osmium, Palladium, Platin, Rhenium und/oder Rhodium besteht oder diese enthält.
Halogenlampe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Zwischenschicht (4) Zirkondioxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Ceroxid, Magnesiumoxid und/oder Zinkoxid ist oder enthält. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Zwischenschicht (4) ein dielektrisches Material ist oder enthält. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht (4) eine Dicke zwischen 1 nm und 100 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht (4) eine Dicke zwischen 5 nm und 20 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zwischenschicht (4) eine Dicke von 10 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) eine Dicke zwischen 1 nm und 2000 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) eine Dicke zwischen 100 nm und 1000 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (6) eine Dicke von 500 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der ersten Zwischenschicht (4) Zirkondioxid und das Material der Deckschicht (6) Ruthenium ist oder enthält. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht (3) eine Dicke zwischen 1 nm und 2000 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht (3) eine Dicke zwischen 100 nm und 1000 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Silberschicht (3) eine Dicke von 600 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Silberschicht (3) und der Deckschicht (6) eine Haftvermittlungsschicht (5) angeordnet ist. Halogenlampe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (5) aus Wolfram besteht oder dieses enthält. Halogenlampe nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (5) eine Dicke zwischen 1 nm und 200 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (5) eine Dicke zwischen 10 nm und 100 nm aufweist. Halogenlampe nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (5) eine Dicke von 65 nm aufweist.






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