AT6924U1

AT6924U1 - Kaltkathoden-fluoreszenzlampe mit molybdän-stromdurchführungen

Info

Publication number: AT6924U1
Application number: AT0037003U
Authority: AT
Inventors: Joerg Hinrich Dr Fechner; Franz Dr Ott; Ralf Dienzel; Brigitte Dr Hueber; Wolfram Dr Knabl; Hermann Walser
Original assignee: Plansee Ag; Schott Glas
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-05-25
Also published as: CN100576425C; US20040239253A1; KR20040102331A; TW200507003A; CN1574189A; TWI333669B; US7439676B2; JP2004356098A

Abstract

Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (1) mit Stromdurchführungsstiften (5) aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung, die mit einem Glas der Zusammensetzung 55-75 Gew.% SiO`2, 13-25 Gew.% B`2 O`3, 0-10 Gew.% Al`2 O`3, 5-12 Gew.% Alkalioxide, 0-3 Gew.% Erdalkalioxide, 0-5 Gew.% ZrO`2, 0-10 Gew.% TiO`2 und 0-5 Gew.% Restoxidanteil eine Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) bilden und deren Hohlkathoden (4) aus einem Werkstoff der Gruppe Molybdän, Molybdänlegierung, Niob und Nioblegierung bestehen, können bei Anwendung üblicher Herstellparameter kompakt ausgeführt werden und weisen eine rissfreie, Langzeit-vakuumdichte Quetschdichtung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe, die im wesentlichen aus einem auf der Innenseite mit Leuchtstoff beschichteten Entladungsgefäss aus
Hartglas, das eine UV-Licht emittierende Füllgaskomponente enthält, zwei oder mehreren Hohlkathoden, zwei oder mehreren Stromdurchführungsstiften und zwei oder mehreren Glas-Metall-Einquetschdichtungen, mittels derer die
Stromdurchführungsstifte vakuumdicht mit dem Entladungsgefäss verbunden sind, besteht.

Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen werden als Rückbeleuchtung für Flüssigkristallbildschirme eingesetzt. Eine Niederdruck-Quecksilberentladung erzeugt dabei UV-Strahlung, die durch eine auf der Innenseite des Entladungsgefässes aufgebrachte Leuchtstoffschicht in sichtbares Licht umgewandelt wird. Das Entladungsgefäss besteht üblicherweise aus Hartglas, wie beispielsweise Borosilikatglas, und ist zumeist rohrförmig ausgebildet. Im Bereich der Rohrenden befinden sich Elektroden, die in Abhängigkeit vom Lampentyp unterschiedliche Formen aufweisen. Durch den Einsatz von emissionsfördemden Substanzen, die beispielsweise Ba, Sr, Seltenerd-Metalle oder Yttrium enthalten und auf die Elektrodenoberfläche aufgebracht werden, kann die Elektronenaustrittsarbeit reduziert werden. Die Kontaktierung der Elektroden erfolgt durch

Stromdurchführungsstifte.

Diese werden mit dem Entladungsgefäss durch einen
Einquetsch- oder einen Einschmelzvorgang vakuumdicht verbunden. Dieser Bereich wird als Glas-Metall-Einquetschdichtung bezeichnet. Üblicherweise wird in einem ersten Schritt der Stromdurchführungsstift mit einer Glasperle versehen, die durch das Aufschmelzen eines Glasringes erzeugt wird. Dieser Vorgang wird als
Verglasung bezeichnet. In weiterer Folge wird die Glasperle mit dem
Entladungsgefäss durch einen Einquetsch- oder Einschmelzvorgang verbunden. Für den Glasring zur Erzeugung der Verglasung und für das Entladungsgefäss werden üblicherweise Gläser mit gleicher Zusammensetzung bzw. abgestimmten physikalischen Eigenschaften verwendet. Die Glaszusammensetzung im Bereich der
Glas-Metall-Einquetschdichtung entspricht daher üblicherweise der
Glaszusammensetzung des Entladungsgefässes.

Damit die Spannungen im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung nicht unzulässig hohe Werte erreichen, wodurch
Glassprünge ausgelöst werden können, ist es erforderlich, dass die
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Entladungsgefässes und der
Stromdurchführung ähnlich sind. Als Werkstoff für die Stromdurchführung kommen Fe-Ni-Co Werkstoffe mit niedrigem, an das Glas angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Einsatz. Diese Werkstoffgruppe wird als Kovar bezeichnet. Neben Kovar-Stromdurchführungsstiften werden auch W-Ni Stifte verwendet. Diese bieten den Vorteil einer höheren Wärmeleitfähigkeit verbunden mit einer ausgezeichneten Sputterresistenz gegenüber Hg+-Ionen. Letztere Eigenschaft ist in dem Bereich erforderlich, wo der Stromdurchführungsstift in den Entladungsraum hineinreicht.

Durch Glimmentladung kann es in diesem Bereich zu Materialabtrag kommen. Das abgetragene Material wird in benachbarten Zonen abgeschieden und kann dabei Hg einschliessen, wodurch es zu einer Hg-Verarmung und damit zu einer Verringerung der Leuchtdichte kommt. Wird Material an der

Innenoberfläche des Entladungsgefässes abgeschieden, kommt es zu einer
Schwärzung, die ebenfalls mit einer Verringerung der Leuchtdichte verbunden ist.

Neben W-Ni Stromdurchführungsstiften sind auch Stromdurchführungsstifte aus
Molybdän beschrieben. Stromdurchführungsstifte aus Molybdän werden verbreitet in
Aluminosilikatglas eingeschmolzen. Beispiele dafür sind H4, H7, H8, H9 oder H11
Halogenlampen. Der Al2O3-Gehalt dieser Gläser liegt üblicherweise bei 12 bis
18 Gew. %. Dieser hohe Al2O3-Gehalt bedingt eine hohe Erweichungstemperatur und damit eine Verarbeitungstemperatur, die für eine kostengünstige Herstellung von
Kaltkathodenfluoreszenzlampen zu hoch liegt. Werden Mo-Stromdurchführungen mit den derzeit für W-Ni- bzw.

Kovar-Stiften eingesetzten Gläsern verquetscht bzw. verschmolzen, kommt es zu unzulässig hohen Spannungen im Bereich der
Einquetschdichtung und zu einer nicht ausreichenden Anbindung mit dem Mo-Stift, was in weiterer Folge zum Versagen durch die Bildung von Glassprüngen oder
Leckagen führt. Diese Glassprünge können sofort bei der Herstellung der Lampe entstehen oder erst während des Einsatzes der Lampe als Rückbeleuchtung.

In der JP 11-015147 sind für Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen Stromdurchführungsdrähte aus Molybdän mit einem im Bezug auf den Durchmesser des Entladungsgefässes definierten Durchmesserverhältnis, die vorteilhafterweise mit Pt, Ni oder Au beschichtet sind, zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Entladungsgefässes, zur Unterdrückung von Rissen, die durch das Verschweissen mit Glas resultieren, beschrieben. Eine Glaszusammensetzung ist nicht angegeben.

Neben Kovar und Wolfram sind in der JP 10-257457 auch Molybdän Stromdurchführungen für Fluoreszenzlampen mit Doppelmantelentladungsgefässen vorgeschlagen. Auch hier ist die Glaszusammensetzung nicht angegeben.

Mit der Miniaturisierung der Flüssigkristall-Bildschirme ist auch eine Miniaturisierung der Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen einhergegangen. Dies hat zur Einführung von
Hohlkathoden geführt, wie dies in der JP 1-51148 beschrieben ist. Als Werkstoff für die Hohlkathoden wird üblicherweise Nickel eingesetzt. Die Ni-Hohlkathode ist mit einer Stromdurchführung aus Kovar verschweisst. Für eine weitere Miniaturisierung reicht jedoch die Sputterbeständigkeit von Nickel nicht aus. Deshalb wurden auch für
Hohlkathoden sputterbeständigere Werkstoffe wie Niob, Tantal oder Molybdän vorgeschlagen. Diese werden mit Stromdurchführungsstiften, die aus widerstandsverschweissten Wolfram- und Nickel-Stiften bestehen verbunden.

Auf
Grund des hohen Schmelzpunktes und der intrinsischen Sprödigkeit von Wolfram ist eine Direktverschweissung des Wolfram-Stiftes und der Hohlkathode nur unter grossem Aufwand, beispielsweise durch Verwendung von Laser-Schweissen, möglich.

Daher werden Schweisszusatzwerkstoffe eingesetzt, die mit Wolfram bzw. auch dem
Hohlkathodenwerkstoff unter Bildung von tieferschmelzenden Verbindungen reagieren. Diese Schweisszusatzwerkstoffe enthalten Nickel, Eisen oder Kobalt. Die Verwendung dieser Schweisszusatzwerkstoffe führt jedoch zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit und zu höheren Absputterungen.

Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe, die sowohl Hohlkathoden als auch Stromdurchführungsstifte mit hoher Sputterbeständigkeit aufweisen, wobei die Verbindung von Hohlkathode und Stromdurchführung kostengünstig und zuverlässig durchführbar und der Stromdurchführungsstift rissfrei und vakuumdicht im Bereich der Einquetschdichtung mit dem Entladungsgefäss verbunden ist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Stromdurchführungsstift zumindest im
Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung aus Molybdän oder einer
Molybdänlegierung, die Hohlkathode zumindest teilweise aus einem Werkstoff der
Gruppe Molybdän, Molybdänlegierung, Niob und Nioblegierung besteht und das Glas im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtungen einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,2 - 5,2 x 10-6 K=1(20 C bis 300 C) und folgende Zusammensetzung aufweist : 75 Gew.% Si02, 13 - 25 Gew.% B203,
0 -10 Gew.% A1203, 5 -12 Gew.% Alkalioxide, 0 - 3 Gew.% Erdalkalioxide,
0 - 5 Gew. % Zr02, 0 -10 Gew. % Ti02 und 0 - 5 Gew.% Restoxidanteil. Ein besonders vorteilhafter Bereich ist in Anspruch 4 wiedergegeben.

Stromdurchführungsstifte aus Molybdän und Molybdänlegierungen lassen sich gut mit Hohlkathoden aus Molybdän, Tantal und Niob verschweissen. Damit kann die Menge an Schweisszusatzwerkstoff deutlich verringert werden. Bei Gewährleistung einer ausreichend hohen Prozesskonstanz ist eine zuverlässige Verschweissung auch ohne Verwendung von Schweisszusatzwerkstoffen möglich. Dadurch wird sowohl die Sputterresistenz als auch die Wärmeleitung im kritischen Übergangsbereich Hohlkathode / Stromdurchführung deutlich verbessert. Dies wirkt sich insbesondere bei Verringerung der Umgebungstemperatur und den dadurch resultierenden höheren Strömen günstig auf die Standzeit der Lampen aus.

Bei Verwendung eines Glases mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer Zusammensetzung gemäss Anspruch 1, zumindest im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung, ist es möglich, den Spannungszustand im Verbund Glas / Metall so niedrig zu halten bei ausreichender Anbindung zwischen Glas und Metall, dass weder sofort bei der Herstellung der Lampen noch während des Einsatzes Glassprünge oder sonstige Fehler, die zu Leckagen führen, auftreten. Bei der Herstellung der

Glas-Metall-Einquetschdichtungen kann auf die üblichen, bereits eingeführten
Herstellverfahren zurückgegriffen werden. Die Verglasung des
Stromdurchführungsstiftes kann in einem separaten Schritt durch Aufbringen eines
Glasröhrchens und Aufschmelzen desselben durchgeführt werden.

Die weitere
Verbindung mit dem Entladungsgefäss erfolgt bei ausreichend niedrigen
Temperaturen.

In Abhängigkeit vom Lampentyp können Molybdän-Stromdurchführungsstifte mit einem Durchmesser im Bereich von 0,4 bis 1,2 mm zum Einsatz kommen. Um die
Kosten der Stromdurchführung zu reduzieren, ist es vorteilhaft, einen Molybdänstift mit einem Stift aus Nickel, Eisen oder Kobalt oder einer Basislegierung dieser Metalle durch Widerstandsschweissen zu verbinden. Stromdurchführungsstifte, die aus einer
Werkstoffpaarung gebildet sind, werden üblicherweise als Kombi-Stifte bezeichnet.

Der Mo-Ni (Fe, Kombistift wird Mo-seitig durch Widerstandsschweissen oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren mit der Hohlkathode verschweisst. Die Verglasung erfolgt nur oder zumindest zum grossen Teil im Mo-Bereich. Beim Einsatz der Lampe kommt das Füllgas daher nicht in Kontakt mit dem Ni (Fe, Co) - Teil des Kombi-
Stiftes. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kombi-Stift aus Mo und Ni besteht.

Aus Standardisierungsgründen bei der Glasherstellung ist es günstig, wenn für das Glasröhrchen zur Herstellung der Verglasung und für das Entladungsgefäss Gläser mit identer Zusammensetzung zum Einsatz kommen. Ist diese Notwendigkeit nicht gegeben bzw. wenn prozesstechnisch eine sehr niedrige Verarbeitungstemperatur bei der Herstellung der Einquetschdichtung erforderlich ist, kann es vorteilhaft sein, für die Verglasung im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung und für das Entladungsgefäss unterschiedliche Glassorten zu verwenden. Glaskomponenten wie beispielsweise Ti02, die zur Erhöhung der UV-Beständigkeit des Entladungsgefässes vorteilhaft sind, sind nicht zwingender Bestandteil des Glases im Bereich der

Glas-Metall-Einquetschdichtung.

Ein unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizient zwischen der Verglasung im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung und dem Entladungsgefäss kann auch durch die Anwendung von Übergangsgläsem, die in einer oder mehreren Lagen zwischen Verglasung und Entladungsgefäss eingebracht werden, überwunden werden.

Vorteilhafterweise stehen der Wärmeausdehnungskoeffizient Ó1 des Glases des Entladungsgefässes und der Wärmeausdehnungskoeffizient a2 des Glases im Bereich der Glas-Metall- Einquetschdichtung in folgender Beziehung : o # (Ó1-Ó2)# 5 x 10-8 K-1 Des weiteren kann die Ausschussrate durch undichte Lampen auf ein Niveau im niedrigen ppm Bereich reduziert werden, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient a2 des Glases im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung und der Wärmeausdehnungskoeffizient Ó3 des Stromdurchführungsstiftes folgendes Verhältnis erfüllen:
EMI7.1

Im folgenden Beispiel wird die Erfindung näher erläutert. Dazu zeigt Figur 1 beispielhaft schematisch den Querschnitt einer Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe.

Beispiel Durch das stirnflächenseitige Verbinden von Mo-0,3 Gew.%La203-Stiften -7- und Nickel-Stiften -8- jeweils mit einem Durchmesser von 0,8 mm mittels Gleichstrom-Widerstandsschweissen wurden als Kombistift ausgeführte Stromdurchführungsstifte-5- hergestellt. Nach einer Voroxidationsbehandlung wurde auf die Kombistifte-5- Glasröhrchen mit einem Aussendurchmesser von 1,9 mm und einem Innendurchmesser von 0,85 mm aufgeschoben, im Molybdän-Bereich des Kombistiftes positioniert und mittels eines Gasbrenners aufgeschmolzen. Dabei wurden Glasröhrchen unterschiedlicher Zusammensetzungen, die der

nachstehenden Tabelle zu entnehmen sind, eingesetzt. Der verglaste Kombistift
EMI8.1
Aussendurchmesser von 1,7 mm, einer Höhe von 4 mm und einer Wandstärke von 0,1 mm verschweisst.

Dies erfolgte ebenfalls mittels Gleichstrom-Widerstandsschweissen.

In weitere Folge wurde die so hergestellte Komponente im Bereich der Verglasung -6- mit dem Entladungsgefäss -3-, das innenseitig mit einer Leuchtstoffschicht-2- versehen ist, unter Verwendung der üblichen Produktionsparameter und Gasfüllungstechniken verquetscht. Das Entladungsgefäss wies dabei die gleiche Zusammensetzung wie die Verglasung auf.

Stromdurchführungsstifte-5-, die gemäss Variante 1 verglast wurden, wurden auch mit Entladungsgefässen -3- mit Glaszusammensetzungen gemäss der Varianten 2 bis 4 verquetscht. Alle so hergestellten Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen -1- wiesen eine vakuumdichte, rissfreie Einquetschdichtung auf.
EMI8.2

<tb>

Variante <SEP> 1 <SEP> Variante <SEP> 2 <SEP> Variante <SEP> 3 <SEP> Variante <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb> Si02 <SEP> 68,55 <SEP> 64,2 <SEP> 68,5 <SEP> 69,3
<tb>
<tb>
<tb> B2O3 <SEP> 19 <SEP> 19 <SEP> 17,5 <SEP> 16,4
<tb>
<tb>
<tb> AI203 <SEP> 2,7 <SEP> 2,7 <SEP> 3,8 <SEP> 3,6
<tb>
<tb>
<tb> Na20 <SEP> 0,75 <SEP> 0,7 <SEP> 0,85 <SEP> 0,95
<tb>
<tb>
<tb> K2O <SEP> 7,65 <SEP> 7,5 <SEP> 7,6 <SEP> 7,85
<tb>
<tb>
<tb> Li2O <SEP> 0,65 <SEP> 0,7 <SEP> 0,85 <SEP> 0,85
<tb>
<tb>
<tb> ZnO <SEP> 0,6 <SEP> 0,6
<tb>
<tb>
<tb> Zr02 <SEP> 0,3 <SEP> 0,35
<tb>
<tb>
<tb> AS203 <SEP> 0,1 <SEP> 0,1
<tb>
<tb>
<tb> Ti02 <SEP> 4,5 <SEP> 0,6 <SEP> 0,7
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Tabelle: Zusammensetzung der Glasröhrchen für Verglasung bzw. der Entladungsgefässe

Claims

Ansprüche 1. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1) im wesentlichen bestehend aus einem auf der Innenseite mit Leuchtstoff (2) beschichtetem Entladungsgefäss (3) aus Hartglas, das eine UV-Licht emittierende Füllgaskomponente enthält, zwei oder mehreren Hohlkathoden (4), zwei oder mehreren Stromdurchführungsstiften (5) und zwei oder mehreren Glas-Metall Einquetschdichtungen (6), mittels derer die Stromdurchführungsstifte (4) vakuumdicht mit dem Entladungsgefäss (3) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdurchführungsstift (5) zumindest im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung, die Hohlkathode (4) zumindest teilweise aus einem Werkstoff der Gruppe Molybdän, Molybdänlegierung, Niob und Nioblegierung besteht und das Glas im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtungen (6)

einen Wärmeausdehnungskoeffizient von 4,0 - 5,3 x 10-6 K-1 (20 C bis 300 C) und folgende Zusammensetzung aufweist: Si02 55 - 75 Gew.%, B203 13 - 25 Gew. %, AI203 0 - 10 Gew.%, Alkalioxide 5 - 12 Gew.%, Erdalkalioxide 0 - 3 Gew.%, ZrO2 0 - 5 Gew.%, Ti02 0 -10 Gew.%, wobei der Restoxidanteil 0 - 5 Gew.% beträgt. <Desc/Clms Page number 10>

2. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdurchführungsstift (5) aus einem ersten Bereich (7) aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung und einem zweiten Bereich (8), der zumindest 50 Gew. % Ni, Fe oder Co enthält, besteht, wobei der erste Bereich (7) und der zweite Bereich (8) durch Widerstands- oder Laserschweissen verbunden sind.

3. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdurchführungsstift (5) und die Hohlkathode (4) ohne Verwendung eines Schweisszusatzwerkstoffes durch Widerstands- oder Laserschweissen verbunden sind.

4. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) folgende Zusammensetzung aufweist: Si02 60 - 72 Gew.%, B203 15 - 20 Gew. %, AI203 1 - 5 Gew.%, Alkalioxide 6 -10 Gew.%, Zr02 0,05 - 5 Gew.%, Ti02 0,5 - 10 Gew.%, wobei der Restoxidanteil 0 -1 Gew.% beträgt. <Desc/Clms Page number 11>

5. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaszusammensetzung im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) der Glaszusammensetzung des Entladungsgefässes (3) entspricht.

6. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient Ó1 des Glases des Entladungsgefässes (3) und der Wärmeausdehnungskoeffizient Ó2 des Glases im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) folgendes Verhältnis erfüllen: 0 # (Ó1-Ó2)#5x10-6 K-1 7. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe ( 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient Ó2 des Glases im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) und der Wärmeausdehnungskoeffizient Ó3 des Stromdurchführungsstiftes (5) folgendes Verhältnis erfüllen: EMI11.1 8.

Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdurchführungsstift (5) zumindest im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) partiell oder vollständig mit einem oder mehreren Oxiden der Metalle der Gruppe Li, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Lanthanide, Ti, Zr, Hf, AI, Ga, Si und Pb beschichtet ist. <Desc/Clms Page number 12>

9. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdurchführungsstift (5) zumindest im Bereich der Glas-Metall-Einquetschdichtung (6) aus Mo-La203 besteht.