DE102009021235B4

DE102009021235B4 - Entladungslampe mit beschichteter Elektrode

Info

Publication number: DE102009021235B4
Application number: DE102009021235.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Winzek Bernhard
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: WO2010130542A1; US20120062101A1; KR101706143B1; KR20120027352A; JP2012527066A; JP5559313B2; US8710743B2; DE102009021235A1; CN102422381B; CN102422381A

Abstract

Entladungslampe (1) mit- einem Entladungsgefäß (4),- mindestens einer innerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Elektrode (22, 24),- wobei die Elektrode (22) zumindest teilweise mit einer Teilchenverbund-Beschichtung (32) aus einer Matrix-Schicht und in die Matrix-Schicht eingelagerten Partikeln versehen ist und wobei- die Matrix-Schicht aus einem oder mehreren Elementen aus der folgenden Gruppe besteht: ZrO, MgF, SiC, AlN, so dass der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Matrix-Schicht im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm kleiner 0,1 ist und- die Partikel aus Wolfram bestehen, so dass der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Partikel im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm größer 0,1 ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Entladungslampe, insbesondere einer Kurzbogen-Entladungslampe, mit einem Entladungsgefäß und darin angeordneten Elektroden.
Stand der Technik
Beim Betrieb von Entladungslampen wird zwischen den Elektroden ein Plasmaentladungsbogen erzeugt, der elektromagnetische Strahlung abstrahlt. Die Elektroden bestehen zumeist aus Wolfram, da Wolfram ein widerstandsfähiges, erst bei sehr hohen Temperaturen schmelzendes Material ist. Insbesondere bei Kurzbogenlampen, bei denen die Elektroden stark belastet sind, entstehen hohe Elektrodentemperaturen. In der Folge kommt es an den Elektrodenspitzen zur Verdampfung von Elektrodenmaterial, das sich auf der Innenseite des Lampenkolbens niederschlägt und dadurch zur Schwärzung des Kolbens führt. Diese Schwärzung bewirkt zwangsläufig einen unerwünschten Rückgang der Strahlstärke im Laufe der Brenndauer.
Speziell bei der lithographischen Strukturierung von Halbleitern führt ein Rückgang der Strahlstärke aufgrund verlängerter Belichtungszeiten zu verlängerten Produktionszeiten und kann im Extremfall einen vorzeitigen Lampenwechsel erfordern.
Da der Dampfdruck jedes Stoffes mit steigender Temperatur exponentiell zunimmt, lässt sich durch eine Absenkung der Elektrodenspitzentemperaturen der Dampfdruck und folglich der Materialabtrag an den Elektrodenspitzen effizient reduzieren und damit letztlich auch die Kolbenschwärzung verringern. Eine solche Temperaturabsenkung kann durch eine emissionserhöhende Beschichtung der Elektrode erzielt werden.
Aus der WO 00 / 08 672 A1 ist eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe bekannt, die eine dendritische Schicht aus Rhenium oder anderen hochschmelzenden Metallen verwendet. Unter einer dendritischen Schicht versteht man eine Nanostruktur, die von vielen nadelförmigen Aufwachsungen auf der sonst glatten Oberfläche gebildet wird. Die Oberfläche einer solchen dendritischen Schicht erscheint dunkelgrau bis schwarz und erreicht einen Emissionskoeffizienten von über 0,8. Die Betriebstemperaturen können dadurch an einem Anodenplateau um bis zu 500 K gegenüber unbeschichteten Anoden gesenkt werden. Nachteilig an derartigen dendritischen Schichten ist der hohe Aufwand der Herstellung und die damit verbundenen hohen Kosten. Die Auftragung dendritischer Beschichtungen mittels CVD- oder PVD-Technik ist sehr kostspielig. Ferner haben Brenndauertest von hochbelasteten Lampen mit solchen Anodenbeschichtungen ergeben, dass auch die dendritischen Nadelstrukturen im Laufe der Lebensdauer ihre Ausgangsform verlieren und somit die Anode ihre ursprünglich gute Emissivität verliert.
Die DE 29 51 741 A1 offenbart eine Elektrode für eine Entladungslampe, die mit einem Emittermaterial versehen ist. Das Emittermaterial wird auf das Elektrodensubstrat aufgetragen und umfasst unter anderem Yttriumoxid. Dem Emittermaterial kann auch eine geringe Menge Wolframpulver beigemischt sein.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Entladungslampe mit einer verbesserten Elektrode anzugeben, um damit die Lampenlebensdauer zu verlängern. Ein weiterer Aspekt ist die Verringerung der Degradation der von der Lampe emittierten Nutzstrahlung, d.h. je nach Lampentyp Ultraviolett(UV)-Strahlung oder sichtbares Licht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß, mindestens einer innerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Elektrode, wobei die Elektrode zumindest teilweise mit einer Teilchenverbund-Beschichtung aus einer Matrix-Schicht und in die Matrix-Schicht eingelagerten Partikeln versehen ist und wobei die Matrix-Schicht aus einem oder mehreren Elementen aus der folgenden Gruppe besteht: ZrO2, MgF2, SiC, AlN, so dass der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Matrix-Schicht im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm kleiner 0,1 ist, und die Partikel aus Wolfram bestehen, so dass der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Partikel im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm größer 0,1 ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Nach derzeitigem Kenntnisstand wird davon ausgegangen, dass die Inseln der Partikel in der im infraroten Spektralbereich weitgehend transparenten Matrixschicht verteilt sind und so eine „rauhe“ Oberfläche darstellen. Daraus resultiert letztlich - wie angestrebt - ein hoher Emissionskoeffizient.
Die Partikel müssen keine besondere Größenverteilung aufweisen. Die mittlere Partikelgröße ist vorzugsweise kleiner als die Schichtdicke der Matrix. Außerdem bestehen die Partikel aus einem im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich nicht transparenten Werkstoff. Genauer gesagt sollte der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Partikel im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm größer 0,1 sein. Außerdem sollte der Schmelzpunkt der Partikel möglichst hoch sein, bevorzugt größer 2000°C, besonders bevorzugt größer 2500°C. Die Partikel sind aus Wolfram.
Die Matrix-Schicht besteht aus einem im sichtbaren und infraroten Spektralbereich transparentem Werkstoff. Genauer gesagt sollte der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Matrix-Schicht bevorzugt im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm kleiner 0,1 sein, besonders bevorzugt im Spektralbereich zwischen 400 nm und 8 µm kleiner 0,01. Außerdem sollte der Schmelzpunkt des Matrixwerkstoffs möglichst hoch sein, bevorzugt größer 2000°C, besonders bevorzugt größer 2500°C. Geeignete Werkstoffklassen sind unter anderem Oxide, Fluoride, Carbide und Nitride. Die Matrix-Schicht besteht aus einem oder mehreren Elementen aus der folgenden Gruppe: ZrO₂, MgF₂, SiC bzw. AlN. Als besonders geeignet für eine oxidische Matrix-Schicht hat sich ZrO₂ erwiesen, da es eine hohe mechanische Stabilität mit hoher Transparenz verbindet. ZrO₂ besitzt bei ausreichender Schichtdicke und ausreichend hohen Temperaturen einen Emissionsfaktor von 0,85. Bei einer derartigen ZrO₂-Schicht liegt der Emissionsfaktor also signifikant höher als derjenige, der an der Oberfläche von Anoden mit aufgesintertem Wolframpulver zu maximal 0,6 gemessen wurde. Mit abnehmender Schichtdicke sinkt auch der Emissionsfaktor, da die ZrO₂-Schicht für die Infrarotstrahlung zunehmend transparent wird und so die Oberflächeneigenschaften des darunterliegenden Substrats dominieren. Dann wirken die eingelagerten Wolframpartikel wie eine poröse Wolframschicht, deren Emissionsfaktor bei Temperaturen zwischen ca. 1000 und 2500°C bis an 1,0 heranreicht. Die Matrix verleiht dieser Metallstruktur Stabilität. Diese kann durch Zugabe von Y₂O₃ und/oder MgO weiter erhöht werden. Alternativ kann die Matrix-Schicht auch nur aus Y₂O₃ bzw. MgO anstelle von ZrO₂ bestehen.
Die Dicke der Matrix-Schicht liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1 Mikrometer und 1 Millimeter, besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 300 µm. Die Korngröße der Metallpartikel liegt bevorzugt im Bereich zwischen 20 nm und der Dicke der Matrix-Schicht. Der Volumenanteil der Metallpartikel liegt geeigneter Weise im Bereich zwischen 2 und 50%, vorzugsweise zwischen 5 und 30%, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15%.
Die erfindungsgemäße Schicht lässt sich kostengünstig durch Aufsintern herstellen. Dabei können die einzelnen Komponenten vor dem Aufbringen auf den Elektrodenkörper gemischt oder nacheinander aufgetragen werden.
Für das Aufsintern sind handelsübliche Binderlösungen zum Sintern von Metall- und Keramikpulvern möglich. Das Pulver wird mit dem Binder verrührt und aufgetragen. Anschließend wird die Elektrode zum Austreiben des Binders und zum Sintern des Pulvers geglüht. Die Glühtemperatur kann dabei die Sintertemperatur überschreiten, so dass der Werkstoff der Schichtmatrix aufschmelzen kann.
Es ist bevorzugt, den Bereich der Elektrode, der im Lampenbetrieb direkt von der im Plasmabogen ausgesandten Strahlung getroffen wird, nicht mit der Matrixschicht zu beschichten, da die Beschichtung im Plasmabereich unter Umständen beschädigt werden kann.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt:

1 eine erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe mit beschichteter Anode.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Xenon-Kurzbogenlampe (OSRAM XBO^®) erläutert. Bei einer Xenon-Kurzbogenlampe brennt ein Entladungsbogen in einer Atmosphäre von reinem Xenongas (oder Gasgemisch) unter hohem Druck. XBO-Lampen werden beispielsweise bei der klassischen und digitalen Filmprojektion eingesetzt.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer für DC-Betrieb vorgesehenen zweiseitig gesockelten Hochdruckentladungslampe 1 in Kurzbogentechnik. Diese besitzt ein Entladungsgefäß 4 aus Quarzglas mit einem Entladungsraum 6 und zwei diametral am Entladungsgefäß 4 angeordneten, abgedichteten Kolbenschäften 8, 10, deren freie Endabschnitte jeweils mit einer Sockelhülse, die nicht dargestellt ist, versehen werden können. In den Entladungsraum 6 ragen zwei in den Kolbenschäften 8, 10 verlaufende Elektrodensysteme 14, 16, zwischen denen während des Lampenbetriebs eine Gasentladung (Lichtbogen) auftritt. In dem Entladungsraum 6 des Entladungsgefäßes 4 ist eine Xenongasfüllung von typisch 1 bar Kaltdruck eingeschlossen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beidseitigen Elektrodensysteme 14, 16 jeweils mit einer stromzuführenden, stabförmigen Elektrodenhalterung 18, 20 und einer, mit dieser verlöteten, entladungsseitigen Anode 22 bzw. Kathode 24 ausgeführt. Gemäß 1 ist die rechts angeordnete Kathode 24 zur Erzeugung hoher Temperaturen kegelförmig ausgebildet, um eine definierten Bogenansatz und einen ausreichenden Elektronenfluss aufgrund von thermischer Emission und Feldemission (Richardson-Gleichung) zu gewährleisten.
Die thermisch hoch belastete Anode 22 ist zylinderförmig ausgeführt. Zur Verbesserung der thermischen Abstrahlleistung ist die Oberfläche 30 mit Ausnahme der der gegenüberliegenden Kathode bzw. im Betrieb dem Plasmabogen zugewandten Stirnfläche 31 mit einer Teilchenverbund-Beschichtung 32 aus einer ZrO₂-Matrix-Schicht mit eingelagerten Wolfram-Partikel versehen. Dazu wurde eine Pulvermischung aus 10 Vol.% Wolfram und 90 Vol.% ZrO₂ aufgesintert. Diese Teilchenverbund-Beschichtung 32 weist bei der über die gesamte Anode gemittelten Betriebstemperatur der Anode 22 von typisch 1500°C einen Emissionskoeffizienten ε von ca. 0,95 auf, und hat hierdurch eine äußerst hohe Abstrahlung im Vergleich beispielsweise zur unbehandelten Anode, bei der der Emissionskoeffizient ε 0,25 beträgt. Dadurch resultiert eine geringere thermische Belastung der Entladungslampe 1.
Messungen des Einflusses des Wolfram-Gehalts einer Teilchenverbund-Beschichtung mit ZrO₂-Matrix auf den Emissionskoeffizienten ε haben ergeben, das ein Maximum bei ca. 10 Vol.% Wolfram liegt, wobei ε bei Temperaturen zwischen 1000 und 2500°C beinahe 1 beträgt.
Die Erfindung wurde vorstehend zwar am Beispiel einer Xenon-Kurzbogenlampe erläutert. Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung können aber genauso bei Quecksilberdampf-Kurzbogenlampen (OSRAM HBO^®) erzielt werden. Bei einer Quecksilberdampf-Kurzbogenlampe ist das Entladungsmedium Quecksilberdampf und ein oder mehrere Edelgase. HBO-Lampen werden in der Elektroindustrie, beispielsweise Mikrochip und LCD Herstellung eingesetzt.
Zwar ist die Erfindung vorstehend am Beispiel einer mit Gleichstrom(DC) betriebenen Entladungslampe beschrieben worden. Gleichwohl ist die Erfindung nicht auf DC-Entladungslampen beschränkt. Vielmehr tritt die vorteilhafte Wirkung auch bei Wechselstrom(AC)-Entladungslampen in Erscheinung.

Claims

Entladungslampe (1) mit - einem Entladungsgefäß (4), - mindestens einer innerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Elektrode (22, 24), - wobei die Elektrode (22) zumindest teilweise mit einer Teilchenverbund-Beschichtung (32) aus einer Matrix-Schicht und in die Matrix-Schicht eingelagerten Partikeln versehen ist und wobei - die Matrix-Schicht aus einem oder mehreren Elementen aus der folgenden Gruppe besteht: ZrO₂, MgF₂, SiC, AlN, so dass der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Matrix-Schicht im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm kleiner 0,1 ist und - die Partikel aus Wolfram bestehen, so dass der Extinktionskoeffizient k des Werkstoffs für die Partikel im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2 µm größer 0,1 ist.
Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei der Matrix-Schicht Y₂O₃ und/oder MgO zugesetzt ist.
Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Matrix-Schicht im Bereich zwischen 1 Mikrometer und 1 Millimeter liegt.
Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Volumenanteil der Wolframpartikel im Bereich zwischen 2 und 50% liegt.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Volumenanteil der Wolframpartikel im Bereich zwischen 5 und 30% liegt.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Volumenanteil der Wolframpartikel im Bereich zwischen 5 und 15% liegt.
Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Korngröße der Partikel im Bereich zwischen 20 nm und der Dicke der Matrix-Schicht liegt.
Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bereich der Anode, der im Lampenbetrieb direkt von der im Plasmabogen ausgesandten Strahlung getroffen wird, nicht beschichtet ist.
Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Entladungslampe eine Kurzbogen-Entladungslampe ist.