EP0464446A2 - Elektrische Lampe mit lichtreflektierender Schicht - Google Patents

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EP0464446A2
EP0464446A2 EP91109916A EP91109916A EP0464446A2 EP 0464446 A2 EP0464446 A2 EP 0464446A2 EP 91109916 A EP91109916 A EP 91109916A EP 91109916 A EP91109916 A EP 91109916A EP 0464446 A2 EP0464446 A2 EP 0464446A2
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reflecting layer
light
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electric lamp
layer
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Jürgen Preissner
Peter Stadahl
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Osram GmbH
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    • H01J9/20—Manufacture of screens on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted or stored; Applying coatings to the vessel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J61/02—Details
    • H01J61/30—Vessels; Containers
    • H01J61/35—Vessels; Containers provided with coatings on the walls thereof; Selection of materials for the coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/28—Envelopes; Vessels
    • H01K1/32—Envelopes; Vessels provided with coatings on the walls; Vessels or coatings thereon characterised by the material thereof
    • H01K1/325—Reflecting coating

Definitions

  • the invention relates to an electric lamp with reflector bulb according to the preamble of claim 1, as is widely used in many private and commercial applications today.
  • mirrored lamps are in many embodiments, e.g. Available in pear shape, in teardrop shape or in teardrop shape with pointed tip.
  • Reflector lamps with a mushroom-shaped bulb and a light-reflecting layer on the bulb neck and / or the area near the base, but with a free bulb tip, produce focused light.
  • Reflector bulbs are e.g. used for effective and invigorating accent lighting.
  • Reflector incandescent lamps in which the dome is designed as a red filter due to special pigmentation of the bulb glass, and which thereby radiate in the therapeutically particularly effective short-wave infrared range, are known as medicinal heat radiators.
  • Ultraviolet radiation lamps for producing tanning effects are reflector lamps which emit a radiation mixture which corresponds to the natural solar radiation in the high mountains.
  • the bulbs contain a high pressure mercury burner and a tungsten filament; the bulb is made of a special glass that only allows the radiation component that is also contained in natural sunlight to pass through.
  • Reflector lamps for the growth-promoting radiation of plants contain a high-pressure mercury burner for generating radiation.
  • the tip of the piston is coated with phosphor, which generates the red component missing from the radiation emitted by the burner in the ultraviolet in the spectrum of the high-pressure mercury discharge.
  • reflector discharge lamps which deliver bundled white light with good color rendering with high efficiency.
  • the radiation emitted by these lamps comes from a high-pressure discharge burner in which not only mercury but also other i.a. metals filled in the form of their halides are excited to emit visible radiation.
  • the light-reflecting layer has hitherto been produced on the inner surface of the bulb by thermal evaporation of aluminum or aluminum bronze from a tungsten evaporator filament heated by direct current passage or a tungsten evaporator boat in a high vacuum.
  • a flawless and flawless coating requires, among other things. clean, dust-free pistons, which must therefore be washed, rinsed and dried with a hydrofluoric acid preparation before processing, as this can lead to poor adhesion of the layer, unevenness in the layer thickness and holes in the layer.
  • the temperature of the evaporator sources is kept within narrow tolerances in order to maintain the specified layer thicknesses and to avoid color differences, particularly in the case of the gold-colored aluminum bronze layers.
  • suitable covering measures e.g. inert granules filled by mechanical shaders or in the flask up to a certain height, e.g. Aluminum granules - ensure that the piston parts to be kept free are not reached by the evaporated metal atoms or it must be subsequently, e.g. by chemical processes, some of the evaporated coating is removed again.
  • the entire bulb is first thermally vapor-coated with a metal layer under high vacuum, and then in a subsequent step the bulb neck and bulb are removed up to the dome area by detaching the vapor-deposited metal layer, e.g. with a Hydrofluoric acid batch, exposed again.
  • the coated pistons must be further processed in a dry atmosphere after short storage, as the metal layers are sensitive to moisture and discoloration and detachment can easily occur.
  • a light-reflecting layer according to the invention of excellent mechanical and chemical stability is a layer made of titanium nitride. This applies in particular if the titanium nitride layer was applied in a plasma-assisted coating process is:
  • the layer quality, ie the adhesion of a layer to its base, the density of the layer and its homogeneity increases with increasing mobility, ie with increasing energy of the condensing particles forming the layer cf. "Plasma-assisted vacuum coating processes - process variants and development trends ", G. Kienel, Vacuum in Practice (1990), Mr. 1, pp. 16-20).
  • the condensing particles In thermal evaporation, the condensing particles have an average energy of only 0.2 to 0.3 eV; in plasma-assisted coating processes, particles which are vaporized thermally in a high vacuum ("ion plating") or vaporized by cathode sputtering (“sputtering”) are first ionized, accelerated in an electrical DC or AC field and condensed with average energies of a few 10 eV, in reactive, plasma-assisted coating process in reaction to a chemical compound. Layers of titanium nitride applied in this way have an astonishingly high level of adhesion and scratch resistance and are also resistant to oxidation and moisture. They can therefore be applied to the outside of the lamp bulb, since they can withstand handling and lamp operation even in an aggressive environment and at a low temperature.
  • Another advantage is the elimination of the chemical cleaning of the piston surface, which is problematic for reasons of environmental protection and occupational safety, with a hydrofluoric acid preparation before the coating, since in the case of the plasma-assisted coating, the cleaning required for the adhesion of the layer by plasma etching in an argon glow discharge immediately before the coating process can be carried out.
  • the plasma-supported coating is carried out, for example, in an argon / nitrogen atmosphere at a pressure between 5-50 Pa, ie with mean free path lengths of a few cm.
  • the particles forming the layer therefore suffer impacts on the way to the lamp bulb, which means that, within certain limits, it is also possible to coat curved surfaces with a constant layer thickness and constant layer quality.
  • the dome-mirrored general-purpose incandescent lamp 7 (100 W) shown in FIG. 1 consists of a pear-shaped lamp provided with an E 27 screw base 1 and having an inert gas mixture of argon (85-88%) and nitrogen (15-12%) of approximately 700 hPa Pressure-filled glass bulb 2. It contains an incandescent filament 3 which is mounted on two current leads 4 which are melted gas-tight in the glass bulb and is additionally supported by two holders 5.
  • the adhesive and scratch-resistant light-reflecting layer on the outside of the piston crown 6 consists of titanium nitride, which was applied in a reactive, plasma-assisted coating process with sputtering ("sputtering") of a titanium cathode in an argon / nitrogen atmosphere.
  • the gold-colored layer has a thickness of approx. 40 nm; even after 2000 hours of operation of the lamp, it showed no change in its appearance.
  • the reflector lamp 7 '(150 W) for general lighting shown in FIG. 2 consists of a mushroom-shaped E 27 screw base 1' and an inert gas mixture of argon (85-88%) and nitrogen (15-12%) from about 1100 hPa pressure-filled glass bulb 2 '. It also contains one Incandescent filament 3 ', which is mounted on two power supply lines 4' which are melted gas-tight in the glass bulb and is additionally supported by two holders 5 '.
  • the adhesive and scratch-resistant light-reflecting layer on the outside of the piston in the tapering piston region 6 ' consists of titanium nitride, which was also applied in a reactive, plasma-assisted coating process with atomization of a titanium cathode in an argon / nitrogen atmosphere.
  • the gold-colored layer also has a thickness of approx. 40 nm here; it also showed practically no change in its appearance after 2000 hours of operation of the lamp.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Formation Of Various Coating Films On Cathode Ray Tubes And Lamps (AREA)

Abstract

Zur Vermeidung von problematischen Verfahrensschritten wird bei der Fertigung von Reflektorlampen die Herstellung der lichtreflektierenden Schicht (6) statt durch thermische Bedampfung der Kolbeninnenoberfläche mit Aluminium oder Aluminiumbronze durch plasmagestützte Vakuumbeschichtung der Kolbenaußenoberfläche mit z.B. Titannitrid vorgenommen. Die so aufgebrachte lichtreflektierende Schicht (6) ist sehr haft- und kratzfest und auch bei erhöhter Temperatur beständig gegen Oxidation und Feuchtigkeitsangriff.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Lampe mit Reflektorkolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie heute in vielen privaten und gewerblichen Anwendungsbereichen weit verbreitet ist.
  • So werden häufig Allgebrauchsglühlampen mit dekorativer silber- oder goldfarbener lichtreflektierender Schicht auf der Kolbenkuppe zur Erzeugung von blendfreiem Licht eingesetzt. Solche kuppenverspiegelten Lampen sind in vielen Ausführungsformen, z.B. in Birnenform, in Tropfenform oder in Tropfenform mit Spitzkuppe erhältlich.
  • Reflektorlampen mit pilzförmigem Kolben und einer lichtreflektierenden Schicht auf dem Kolbenhals und/oder dem sockelnäheren Bereich, aber freier Kolbenkuppe, erzeugen gebündeltes Licht.
  • Reflektor-Glühlampen werden z.B. für eine wirkungsvolle und belebende Akzentbeleuchtung verwendet.
  • Reflektor-Glühlampen, bei denen die Kuppe durch spezielle Pigmentierung des Kolbenglases als Rotfilter ausgebildet ist, und die dadurch im therapeutisch besonders wirksamen kurzwelligen Infrarotbereich strahlen, sind als Heilwärmestrahler bekannt.
  • Ultraviolettbestrahlungslampen zur Erzeugung von Besonnungseffekten sind Reflektorlampen, die ein Strahlungsgemisch abgeben, das der natürlichen Sonnenstrahlung im Hochgebirge entspricht.
  • Sie enthalten einen Quecksilberhochdruckbrenner und eine Wolframglühwendel; der Kolben ist aus einem Spezialglas, der nur den Strahlungsanteil passieren läßt, der auch im natürlichen Sonnenlicht enthalten ist.
  • Reflektorlampen für die wachstumsfördernde Bestrahlung von Pflanzen enthalten zur Strahlungserzeugung einen Quecksilberhochdruckbrenner. Die Kolbenkuppe ist hier mit Leuchtstoff beschichtet, der den im Spektrum der Quecksilberhochdruckentladung fehlenden Rotanteil aus der im Ultravioletten vom Brenner abgegebenen Strahlung erzeugt.
  • Seit einiger Zeit sind Reflektor-Entladungslampen bekannt, die mit hohem Wirkungsgrad gebündeltes weißes Licht von guter Farbwiedergabe liefern. Die abgegebene Strahlung stammt bei diesen Lampen aus einem Hochdruckentladungsbrenner, in dem nicht nur Quecksilber, sondern zusätzlich weitere i.a. in Form ihrer Halogenide eingefüllte Metalle zur Emission von sichtbarer Strahlung angeregt werden.
  • Bei allen diesen Reflektorlampen wird die lichtreflektierende Schicht bisher auf der Kolbeninnenoberfläche durch thermisches Verdampfen von Aluminium oder Aluminiumbronze aus einer durch direkten Stromdurchgang geheizten Wolframverdampferwendel oder einem Wolframverdampferschiffchen im Hochvakuum erzeugt.
  • Eine einwandfreie und fehlerlose Beschichtung erfordert u.a. saubere, staubfreie Kolben, die deshalb vor der Verarbeitung mit einem Flußsäureansatz gewaschen, gespült und getrocknet werden müssen, da es sonst zu mangelhafter Haftung der Schicht, zu Ungleichmäßigkeiten in der Schichtdicke und zu Löchern in der Schicht kommen kann.
  • Wichtig ist außerdem, daß die Temperatur der Verdampferquellen in engen Toleranzen gehalten wird, um die vorgegebenen Schichtdicken zu erhalten und um insbesondere bei den goldfarbenen Aluminiumbronze-Schichten Farbunterschiede zu vermeiden.
  • Da jeweils nur bestimmte Teile der Kolbeninnenoberfläche mit einer lichtreflektierenden Schicht versehen werden sollen, muß durch geeignete Abdeckmaßnahmen -z.B. durch mechanische Schatter oder in den Kolben bis zu einer bestimmten Höhe eingefülltes inertes Granulat, z.B. Aluminium-Granulat- dafür gesorgt werden, daß die freizuhaltenden Kolbenteile nicht von den verdampften Metallatomen erreicht werden oder es muß nachträglich, z.B. durch chemische Verfahren, die aufgedampfte Beschichtung teilweise wieder abgetragen werden.
  • So wird z.B. bei kuppenverspiegelten Lampen zur Erzielung einer einwandfreien Schicht mit sauberem Rand zunächst der gesamte Kolben auf seiner Innenseite unter Hochvakuum mit einer Metallschicht thermisch bedampft und dann in einem anschließenden Arbeitsgang Kolbenhals und Kolben bis auf den Kuppenbereich durch Ablösen der aufgedampften Metallschicht, z.B. mit einem Flußsäureansatz, wieder freigelegt.
  • Die Weiterverarbeitung der beschichteten Kolben muß nach möglichst kurzer Zwischenlagerung in trockener Atmosphäre erfolgen, da die Metallschichten feuchtigkeitsempfindlich sind und es leicht zu Verfärbungen und Ablösungen kommen kann.
  • Bei der Verarbeitung der Kolben zu Lampen sind Glas-Verschmelzungen in offenen Flammen erforderlich. Da die thermisch aufgedampften Metallbeschichtungen sehr temperaturempfindlich sind und leicht unter Verfärbung oxidieren, müssen Flammenführung und Inertgasspülung mit großer Sorgfalt durchgeführt werden.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei der Fertigung von Reflektorlampen die geschilderten, Kosten verursachenden Probleme zu vermeiden, die bei der Herstellung von lichtreflektierenden Schichten durch thermische Bedampfung der Innenseite vom Lampenkolben und insbesondere bei der Weiterverarbeitung solcher Kolben auftreten und für Lampenkolben eine lichtreflektierende Beschichtung von reproduzierbar hoher Qualität bei reduziertem Herstellaufwand zu finden.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
  • Eine erfindungsgemäße lichtreflektierende Schicht von ausgezeichneter mechanischer und chemischer Stabilität ist eine Schicht aus Titannitrid. Das gilt insbesondere, wenn die Titannitridschicht in einem plasmagestützten Beschichtungsverfahren aufgebracht worden ist: Die Schichtqualität, d.h., die Haftung einer Schicht auf ihrer Unterlage, die Dichte der Schicht und ihre Homogenität nimmt mit steigender Mobilität, d.h., mit steigender Energie der kondensierenden, die Schicht bildenden Teilchen zu (Vergl. "Plasmagestützte Vakuumbeschichtungsverfahren - Verfahrensvarianten und Entwicklungstendenzen", G. Kienel, Vakuum in der Praxis (1990), Hr. 1, S. 16 - 20). Bei der thermischen Verdampfung haben die kondensierenden Teilchen eine mittlere Energie von nur 0,2 bis 0,3 eV; bei plasmagestützten Beschichtungsverfahren werden thermisch im Hochvakuum verdampfte ("Ionenplattieren")oder durch Kathodenzerstäubung ("Sputtern")in die Dampfphase gebrachte Teilchen zunächst ionisiert, in einem elektrischen Gleich- oder Wechselfeld beschleunigt und kondensieren mit mittleren Energien von einigen 10 eV, in reaktiven, plasmagestützten Beschichtungsverfahren unter Reaktion zu einer chemischen Verbindung. So aufgebrachte Schichten von z.B. Titannitrid haben eine erstaunlich hohe Haft- und Kratzfestigkeit und sind außerdem beständig gegen Oxidation und Feuchtigkeit. Sie können somit auf die Außenseite des Lampenkolbens aufgebracht werden, da sie Handling und Lampenbetrieb auch in aggressiver Umgebung und bei erköhter Temperatur unbeschadet überstehen.
  • Dies hat den großen fertigungstechnischen Vorteil, daß die entsprechende Schicht auf den Kolben der fertig eingeschmolzenen und gesockelten Lampe, also nach Abschluß aller u.U. kritischen Verfahrensschritte, in denen es zu einer Beeinträchtigung oder Schädigung der lichtreflektierenden Schicht kommen könnte, aufgebracht werden kann.
  • Ein weiterer Vorteil ist der Fortfall der aus Gründen des Umwelt- und Arbeitsschutzes problematischen chemischen Reinigung der Kolbenoberfläche mit einem Flußsäureansatz vor der Beschichtung, da bei der plasmagestützten Beschichtung die für die Haftung der Schicht erforderliche Reinigung durch Plasmaätzen in einer Argon-Glimmentladung unmittelbar vor dem Beschichtungsvorgang durchgeführt werden kann.
  • Darüber hinaus ist bei der plasmagestützten Beschichtung der Außenseite des Lampenkolbens auch das Freihalten bestimmter Kolbenteile von der Beschichtung leicht durch Abdeckschablonen möglich; das bei der thermischen Bedampfung der Kolbeninnenfläche erforderliche umständliche Einfüllen von Granulat zum Abdecken der Kolbenkuppe, bzw. das nachträgliche chemische Freiätzen von Kolbenbrust und Kolbenhals bei den kuppenverspiegelten Lampen durch einen Flußsäureansatz mit all seinen Problemen für Umwelt- und Arbeitsschutz entfällt.
  • Anders als bei der thermischen Verdampfung im Hochvakuum, bei der die die Schicht bildenden Teilchen gradlinig von der Verdampfungsquelle zum Substrat, dem Lampenkolben gelangen, wird die plasmagestützte Beschichtung z.B. in einer Argon-/Stickstoffatmosphäre bei einem Druck zwischen 5 - 50 Pa durchgeführt, d.h., bei mittleren freien Weglängen von einigen cm. Die die Schicht bildenden Teilchen erleiden also Stöße auf dem Weg zum Lampenkolben, was dazu führt, daß in gewissen Grenzen auch eine Beschichtung gekrümmter Flächen bei konstanter Schichtdicke und gleichbleibender Schichtqualität möglich ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
    • Figur 1
    ein Ausführungsbeispiel in Seitenansicht
    Figur 2
    ein weiteres Ausführungsbeispiel in Seitenansicht.
  • Die in Figur 1 dargestellte kuppenverspiegelte Allgebrauchsglühlampe 7 (100 W) besteht aus einem mit einem E 27-Schraubsockel 1 versehenen, birnenförmigen, mit einer inerten Gasmischung aus Argon (85 - 88 %) und Stickstoff (15 - 12 %) von etwa 700 hPa Druck gefüllten Glaskolben 2. Er enthält eine Glühwendel 3, die auf zwei gasdicht in den Glaskolben eingeschmolzene Stromzuführungen 4 montiert ist und zusätzlich von zwei Haltern 5 gestützt wird.
  • Die haft- und kratzfeste lichtreflektierende Schicht auf der Außenseite der Kolbenkuppe 6 besteht aus Titannitrid, das in einem reaktiven, plasmagestützten Beschichtungsverfahren unter Zerstäubung ("Sputtern") einer Titankathode in einer Argon-/Stickstoffatmosphäre aufgebracht wurde. Die goldfarbene Schicht hat eine Dicke von ca. 40 nm; sie zeigte auch nach 2000 Betriebsstunden der Lampe keine Veränderung ihres Aussehens.
  • Die in Figur 2 dargestellte Reflektorlampe 7' (150 W) für Allgemeinbeleuchtung besteht aus einem mit einem E 27-Schraubsockel 1' versehenen, pilzförmigen und mit einer inerten Gasmischung aus Argon (85 - 88 %) und Stickstoff (15 - 12 %) von etwa 1100 hPa Druck gefüllten Glaskolben 2'. Er enthält ebenfalls eine Glühwendel 3', die auf zwei gasdicht in den Glaskolben eingeschmolzenen Stromzuführungen 4' montiert ist und zusätzlich von zwei Haltern 5' gestützt wird.
  • Die haft- und kratzfeste lichtreflektierende Schicht auf der Kolbenaußenseite im sich verjüngenden Kolbenbereich 6' besteht aus Titannitrid, das ebenfalls in einem reaktiven, plasmagestützten Beschichtungsverfahren unter Zerstäubung einer Titankathode in einer Argon-/Stickstoffatmosphäre aufgebracht wurde. Die goldfarbene Schicht hat auch hier eine Dicke von ca. 40 nm; sie zeigte ebenfalls nach 2000 Betriebsstunden der Lampe praktisch keine Veränderung ihres Aussehens.

Claims (7)

  1. Elektrische Lampe (7) mit einem abgedichteten Glaskolben (2), der eine Glühwendel (3) und/oder ein Entladungsgefäß mit in den Glaskolben (2) gasdicht eingeschmolzenen Stromzuführungen (4) enthält und mit einer lichtreflektierenden Schicht (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) eine hohe mechanische und chemische Stabilität besitzt und auf der Außenseite des Glaskolbens (2) aufgebracht ist.
  2. Elektrische Lampe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) aus Titannitrid besteht.
  3. Elektrische Lampe (7) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Titannitridschicht eine Schichtdicke zwischen 5 nm und 100 nm besitzt.
  4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) in einem plasmagestützten Vakuumbeschichtungsverfahren aufgebracht wird.
  5. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) auf den Glaskolben (2) der fertig eingeschmolzenen Lampe aufgebracht wird.
  6. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) durch Sputtern aufgebracht wird.
  7. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) durch Ionenplattieren aufgebracht wird.
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