DE10224293A1

DE10224293A1 - Verfahren zur Herstellung von Teilbeschichtungen auf Lampenkolben

Info

Publication number: DE10224293A1
Application number: DE10224293A
Authority: DE
Inventors: Arnd Ritz; Antonius J M Nellissen
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-11
Also published as: WO2003102996A2; JP2005528754A; WO2003102996A3; CN1656587A; AU2003228016A1; US7514856B2; US20050218809A1; AU2003228016A8; EP1514288A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Teilbeschichtungen auf Lampenkolben, wobei funktionelle Schichten im Dünnschichtverfahren aufgebracht werden und das Verfahren zumindest die Schritte umfasst: Aufbringen einer temporären Schicht auf den Bereich des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, Aufbringen der funktionalen Schicht auf die gesamte Oberfläche des Lampenkolbens und Ablösen der temporären Schicht gemeinsam mit der dortigen funktionalen Schicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Teilbeschichtungen auf Lampenkolben, wobei funktionelle Schichten im Dünnschichtverfahren aufgebracht werden.
Funktionelle Schichten im Sinne der Erfindung sind Schichten, deren Hauptfunktion auf das Erreichen einer definierten Parameterveränderung einer Lampe zielt.
Für unterschiedlichste Anwendungen in der Lichttechnik, beispielsweise für Glühlampen oder für Entladungslampen werden die äußeren Oberflächen der Lampenkolben mit funktionalen Schichten versehen. Beispiele solcher funktionaler Schichten sind UV- absorbierende Schichten auf Autolampen oder IR-reflektierende Schichten auf Halogenlampen. Bei diesen genannten Anwendungen ist charakteristisch, dass die Beschichtung die gesamte Fläche des Lampenkolbens bedecken muss oder kann, was die Effektivität der Herstellung dieser Schichten positiv beeinflusst.
Bei anderen Anwendungen kann die primäre Eigenschaft der funktionalen Schicht nur erreicht werden, wenn die beschichteten Bereiche der Oberfläche des Lampenkolbens nicht die gesamte Oberfläche bedecken, d. h. eine sog. Teilbeschichtung benötigt wird. Ein Beispiel für solche Anwendungen mit Teilbeschichtung sind Lampen, bei denen in bestimmten Bereichen die Wärmeabstrahlungseigenschaften partiell verändert werden, um beispielsweise im Betriebszustand der Lampe in einem definierten Bereich des Lampenkolbens eine Temperaturerhöhung zu bewirken. Bei diesen genannten Anwendungen ist oft charakteristisch, dass an die Qualität der Beschichtung bezüglich Konturschärfe und -genauigkeit, Schichtdicke und/oder deren Lage keine erhöhten Anforderungen gestellt werden, da übliche Abweichungen keine signifikante Beeinträchtigungen der Funktionalität der Schicht verursachen.
Für andere Anwendungen sind für das Erreichen der gewünschten Funktionalität der Schicht fertigungstechnisch engere Toleranzen einzuhalten. Als Beispiel für eine solche Anwendung sind Teilverspiegelungen von Lampenkolben zu nennen, die das von der Glühwendel oder dem Entladungsbogen ausgesandte Licht in einen bestimmten Raumwinkel lenken sollen und damit eine Effizienzsteigerung (Lichtausbeute) erreicht wird.

Aus der DE 101 51 267 ist so beispielsweise bekannt, dass eine Effizienzsteigerung (Lichtausbeute) in optischen Projektionssystemen durch die Verspiegelung eines Teiles der äußeren Oberfläche des Entladungsraumes erreicht werden kann. Bei dieser Lösung muss der Rückreflektor, der insbesondere als Schicht ausgebildet ist, zumindest eine Öffnung besitzen, die regelmäßig gegenüber dem Rückreflektor definiert angeordnet ist und den gewünschten Lichtaustritt in Richtung des Hauptreflektors der Hochdruckgasentladungslampe ermöglicht. Die Herstellung einer solchen Öffnung bzw. Teilbeschichtung ist, insbesondere im Rahmen einer industriellen Massenproduktion, technologisch aufwendig.

Aber auch bei Anwendungen mit Beschichtungen des durchstrahlten Teil des Lampenkolbens kann es wünschenswert sein, weitere Teile der Oberfläche des Lampenkolbens, wie z. B. die Lampenenden oder die elektrischen Kontakte, ohne eine Beschichtung zu realisieren. Werden zur Beschichtung Dünnschichtverfahren wie z. B. Bedampfen, Sputtern oder Gasphasenbeschichten eingesetzt, die regelmäßig die gegenüber der Beschichtungsquelle angeordneten Oberflächen beschichten, werden verfahrensbedingt auch die elektrischen Kontakte oder Lampenenden mit beschichtet. Selbst bei Verwendung von Abdeckungen der freizuhaltenden Flächen durch Blenden oder Produkthalter, die ein Beschichten dieser Flächen verhindern sollen, ist kein genauer und scharfer Schichtverlauf der Kontur der funktionalen Schicht erreichbar. Durch Diffusion oder Reflektion des Beschichtungsmaterials, insbesondere während des Beschichtens, sind enge Fertigungstoleranzen im Rahmen einer Massenproduktion oft nicht einzuhalten. Um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten, sind dann zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich, die regelmäßig zusätzlichen Aufwand und entsprechende Ressourcen bedürfen.

Der Begriff "genau", im Zusammenhang mit der Kontur der funktionalen Schicht verwendet, bezeichnet den Grad der Übereinstimmung des tatsächlich beschichteten Bereichs im Vergleich zum gewünschten; "scharf" den Grad der Übereinstimmung des Schichtdickenverlaufs im Bereich der Kontur. Die Kontur besitzt eine hohe Schärfe, wenn nur ein geringer Tappereffekt auftritt, d. h. sich die Schichtdicke nur unmittelbar an der Kontur von der Schichtdicke des angrenzenden Schichtbereiche unterscheidet.

Eine vergleichsweise bessere, aber auch technologisch aufwendigere Lösung der Schichtstrukturierung ist die Verwendung von Blenden, die während des Beschichtens sehr nahe an der zu beschichtenden Oberfläche angeordnet sind. Diese eignen sich für Beschichtungsverfahren, wie z. B. das Sputtern, mit geringer intrinsischer Richtwirkung. Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit und die Schärfe der Schicht besitzt die Verwendung solcher vorgefertigter Blenden insbesondere folgende Nachteile: die Blenden müssen auf das jeweilige Produkt individuell angepasst sein; verfahrensbedingt werden die Blenden mit beschichtet, so dass eine Reinigung oder Austausch erforderlich ist; die Blenden erschweren das Handling zum Be- und Entladen der Beschichtungsvorrichtung und Blenden mit scharfen Kanten im µm-Bereich, die zur Erzielung von scharfen Konturen notwendig sind, sind sehr empfindlich bezüglich Beschädigungen im Rahmen einer industriellen Massenproduktion.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches es ermöglicht, Teilbeschichtungen von Lampenkolben mit hoher Konturenschärfe und -genauigkeit im Rahmen einer industriellen Massenproduktion effektiv herzustellen, und einen Lampenkolben mit einer solchen Teilbeschichtung bereit zu stellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Verfahren zumindest die Schritte umfasst: Aufbringen einer temporären Schicht auf den Bereich des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, nachfolgendes Aufbringen der funktionalen Schicht auf die gesamte Oberfläche des Lampenkolbens sowie Ablösen der temporären Schicht.

Erfindungsgemäß wird eine dünne temporäre Schicht auf den Bereich des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, aufgebracht. Die Kontur dieser Schicht besitzt eine vergleichbare Konturenschärfe und -genauigkeit wie die gewünschte Kontur der funktionellen Schicht und wirkt somit wie eine während des Aufbringens der funktionellen Schicht vollständig auf dem Lampenkolben aufliegende Blende.

Für das Aufbringen der temporären Schicht können alle bekannten Standardverfahren der Dünnschichttechnik verwendet werden, die geeignet sind, auf dreidimensionale Körper Schichten mit der erforderlichen Konturenschärfe und -genauigkeit zeitlich begrenzt aufzubringen.

Das jeweilige Verfahren zur Beschichtung der temporären Schicht sowie das auszuwählende Material dieser Schicht und das Verfahren zum Ablösen der temporären Schicht sind erfindungsgemäß der Art auf einander abzustimmen, dass insbesondere die erforderliche Konturenschärfe und -genauigkeit sowie ein technologisch einfaches Ablösen gewährleistet sind. Die temporäre Schicht kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Blende, die regelmäßig als ein gesondertes Bauteil ausgeführt ist, vergleichsweise dünn dimensioniert sein, da die erforderliche Stützfunktion bzw. mechanische Stabilität dieser Schicht insbesondere durch die darunter liegende Oberfläche des Lampenkolbens realisiert wird. Hierdurch wird eine scharfe Kontur ermöglicht und die Folgen des Tapereffekts weitgehend vermieden.

Für das Ablösen der temporären Schicht können alle bekannten Verfahren, insbesondere solche mit einem Bezug zur Dünnschichttechnik verwendet werden, die geeignet sind, das Ablösen der temporären Schicht von einem dreidimensionalen Körper, insbesondere ohne Beschädigung der in der funktionellen Schicht als Negativ zur Kontur der temporären Schichten entstandenen Kontur, zu realisieren.

Die Auswahl des jeweiligen Ablösemechanismus ist auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Beispielsweise kann das Ablösen durch Auflösen der temporären Schicht in einem Reinigungsbad erfolgen, wobei die funktionale Schicht oder zumindest Teile dieser, die sich auf der temporären Schicht befinden, sich im technologisch einfachsten Fall mit ablösen. Erforderlichenfalls wird das Ablösen in bekannter Art und Weise durch mechanische Krafteinwirkung, Energie- oder Temperaturbeaufschlagung unterstützt oder gefördert.

Neben den drei erfindungswesentlichen Verfahrensschritten kann das beanspruchte Verfahren weitere Verfahrensschritte umfassen, die diesen Verfahrensschritten vor- oder nachgelagert sein können. Solche zusätzlichen Verfahrensschritte sind beispielsweise das gesonderte Vorbereiten der Oberfläche des Lampenkolbens und/oder der temporären Schicht. Je nach verwendetem Material ist eine Behandlung eventuell notwendig, um die Schicht für den nachfolgenden Verfahrensschritt vorzubereiten. Beispielsweise können Temperaturbehandlungen notwendig sein, um die Schicht in ihrer Geometrie zu fixieren oder auszuhärten, um deren Beständigkeit gegen Beschädigungen zu erhöhen. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, die temporäre Schicht zu entgasen, um nachfolgende Vakuumprozesse zu ermöglichen bzw. zu beschleunigen.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemäß Anspruch 2 erreichbar, indem der Schritt Aufbringen einer temporären Schicht auf den Bereich des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, weiterhin beinhaltet, dass nach und/oder während des Aufbringens der temporären Schicht deren Kontur bezüglich Schärfe und Genauigkeit, Schichtdicke, Lage und/oder Formbeständigkeit auf einen vorbestimmten Wert angepasst wird. Diese Anpassung erfolgt regelmäßig durch messtechnisches Erfassen des aktuellen Zustandes der temporären Schicht, Abgleich mit dem gewünschten Zustand und Einleitung entsprechender Maßnahmen zur Korrektur unter Beachtung der gegebenen Toleranzen. Dies ist insbesondere bevorzugt, in dem Fall, wo das gewählte Verfahren zum Aufbringen der temporären Schicht noch nicht die geforderten vorgenannten Parameter erreicht. Dann ist regelmäßig insbesondere überschüssiges Material der temporären Schicht abzutragen. Dies ist beispielsweise im noch flüssigen Zustand möglich, d. h. vor dem Ausdampfen eines enthaltenen Lösungsmittels, oder nach dem Aushärten.

Es ist weiterhin bevorzugt, entsprechende Schaber zum mechanischen Lösen des überschüssigen Materials einzusetzen. Das Ablösen kann alternativ oder zusätzlich durch thermische Beaufschlagung und/oder Energiezufuhr, insbesondere durch Laser, erfolgen.

Die Ausführung gemäß Anspruch 4 bevorzugt, dass das Aufbringen der temporären Schicht insbesondere durch Tauch-, Sprüh-, Druck- oder Dispensertechniken erfolgt.

Eine Tauchbeschichtung, bei dem der Lampenkolben, der mit der erfindungsgemäßen temporären Schicht versehen ist, in das verflüssigte Material der temporären Schicht eingetaucht und nachfolgend wieder herausgezogen wird, ist ein technologisch einfaches und effizientes Verfahren. Das Verfahren eignet sich besonders für Beschichtungen von Lampenenden und elektrischen Kontakten.

Das Aufbringen mittels an sich bekanntem Sprühen ist ebenfalls gut für die industrielle Massenproduktion geeignet, insbesondere in dem Fall, wo die geometrischen Verhältnisse des Lampenkolbens, d. h. es sind beispielsweise keine Hinterschneidungen vorhanden, dies ermöglichen.

Aus dem Stand der Technik bekannte Drucktechniken sind ebenfalls für bestimmte Anwendungsfälle bevorzugt, wobei ein besonderes Augenmerk auf die gezielte Auswahl des diesbezüglich geeigneten Materials für die temporäre Schicht zu legen ist.

Bevorzugt gemäß Anspruch 5 ist, dass auf dem Lampenkolben innerhalb des Bereiches des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, und entfernt von dessen Kontur oder in der temporären Schicht Mittel vorhanden sind, die das spätere Ablösen der temporären Schicht zumindest unterstützen. Der Einsatz der das Ablösen unterstützenden Mittel ist insbesondere auf den im jeweiligen Anwendungsfall ausgewählten Ablösemechanismus abzustimmen. Beispielsweise können auf den vorgenannten Flächen chemische Mittel in geringer Menge aufgetragen sein, die als Katalysator oder Treibmittel den chemischen Ablöseprozess starten und beschleunigen.

Zum schnelleren Ablösen ist weiterhin bevorzugt, dass mechanische Mittel, insbesondere Ultraschall, thermische Beaufschlagung, chemische Mittel, insbesondere Lösungsmittel, und/oder Energiezufuhr, insbesondere durch Laser, verwendet werden.

Als Material für die temporäre Schicht ist bevorzugt, bekannte Materialien der Halbleitertechnik, insbesondere Standardlacke der Halbleitertechnik mit oder ohne Photoempfindlichkeit einzusetzen. Neben den vorgenannten Materialien und deren Mischungen sind im Rahmen der Erfindung weitere Materialien verwendbar, die beispielsweise durch entsprechende Tests auf deren Anwendbarkeit überprüft werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch einen Lampenkolben mit einer Teilbeschichtung hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 7 gelöst.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.

Eine erstes Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Teilbeschichtung einer UHP-Lampe mit einem Kolbendurchmesser von ca. 9 mm, wobei nur die Lampenenden und die elektrischen Kontakte nach einer Behandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens unbeschichtet sind.
Vorbereitend wird die gesamte Oberfläche des Lampenkolbens durch ein übliches Standardreinigungsverfahren, beispielsweise eine Niederdruckplasmareinigung oder ein Entfettungsverfahren unter Einsatz von Tensiden, gereinigt. Für das Aufbringen der temporären Schicht auf die vorgenannten Bereiche des Lampenkolbens wird ein übliches Tauchverfahren benutzt, wobei die Lampenenden und die elektrischen Kontakte in üblicher Art und Weise benetzt werden, so dass sich eine etwa 0,5 bis 100 µm, vorzugsweise ca. 5 bis 20 µm, starke und in sich geschlossene Schicht ausbildet. Nach dem Aushärten der temporären Schicht, die aus einem Novolack besteht, erfolgt das Aufbringen der funktionalen Schicht mit einer Schichtdicke von etwa 0,1 bis 200 µm, vorzugsweise ca. 0,1 bis 10 µm, auf die gesamte Oberfläche des Lampenkolbens durch ein PVD[physical vapour deposition]-Verfahren. Das Aufbringen dieser aus optischen Materialien, wie Siliziumoxid (SiO₂), TiO₂, Ta₂O₅. oder ZrO₂, bestehenden Schicht wird bei einer Verfahrenstemperatur im Niedertemperaturbereich (bis maximal 300°C) realisiert. Die funktionelle Schicht dient als sog. Kaltlichtspiegel und ist als Interferenzfilter ausgebildet, der regelmäßig mehrere Schichten umfasst. Anschließend wird bei einer Temperatur von ca. 35°C die temporäre Schicht in einem Reinigungsbad aufgelöst, wobei zur Reinigung diesbezüglich übliche organische Lösungsmittel eingesetzt werden. Zur Unterstützung des Ablöseprozesses wird der Lampenkolben ca. 120 min in bekannter Art und Weise unter Ultraschall-Einwirkung gesetzt.
UHP-(ultra high performance)Lampen, die zu den Hochdruckgasentladungslampen (HID-[high intensity discharge]Lampen) gehören, werden auf Grund ihrer optischen Eigenschaften u. a. bevorzugt zu Projektionszwecken eingesetzt. Im Sinne der Erfindung umfasst die Bezeichnung UHP-Lampe (Philips) auch UHP-artige Lampen anderer Hersteller.
Eine zweites Ausführungsbeispiel bezieht sich ebenfalls auf eine Teilbeschichtung einer UHP-Lampe mit einem Kolbendurchmesser von ca. 9 mm, wobei die funktionelle Schicht wieder als sog. Kaltlichtspiegel dient und als Interferenzfilter ausgebildet ist.
Diese Verspiegelung ist eine Teilbeschichtung, die einen Teil der äußeren Oberfläche des Entladungsraumes, nämlich den Bereich des Lichtaustrittsfensters, schichtfrei belässt.
Vorbereitend wird die gesamte Oberfläche des Lampenkolbens durch ein übliches Standardreinigungsverfahren, beispielsweise ein Entfettungsverfahren unter Einsatz von Tensiden, gereinigt. Für das Aufbringen der temporären Schicht auf die vorgenannten Bereiche des Lampenkolbens wird hier eine übliche Dispensertechnik benutzt, wobei das Auftragen mittels einer Düse erfolgt. Zum Auftragen der temporären Schicht wird ein Scanschema für die Düse angewandt, bei dem die Lampe um ihre Längsachse rotiert, während die Düse in einer Meridialebene der Lampe diesbezüglich geführt wird. Auf diese Weise wird die zu beschichtende Fläche mit einer Spiralbewegung abgefahren. Nachfolgend erfolgt die Vorbereitung des Auftragens der funktionellen Schicht, indem die Lampe für ca. 30 min bei ca. 90°C in einem Vakuumofen gelagert wird, so dass die temporäre Schicht bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften stabilisiert und das enthaltene Lösungsmittel ausgeschieden und abgesaugt wird. Das Auftragen der funktionellen Schicht und die nachfolgenden Verfahrensschritte erfolgen beispielsweise analog dem ersten Ausführungsbeispiel.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Teilbeschichtungen auf Lampenkolben, wobei funktionelle Schichten im Dünnschichtverfahren aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest die Schritte umfasst,

- Aufbringen einer temporären Schicht auf den Bereich des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist,

- Aufbringen der funktionalen Schicht auf die gesamte Oberfläche des Lampenkolbens und

- Ablösen der temporären Schicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Aufbringen einer temporären Schicht auf den Bereich des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, weiterhin beinhaltet, dass nach und/oder während des Aufbringens der temporären Schicht insbesondere deren Konturschärfe und -genauigkeit und/oder Formbeständigkeit auf einen vorbestimmten Wert angepasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierende Anpassung der Kontur, insbesondere deren Konturschärfe, durch mechanische Mittel, insbesondere Schaber, thermische Beaufschlagung und/oder Energiezufuhr, insbesondere durch Laser, erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der temporären Schicht insbesondere durch Tauch-, Sprüh-, Druck- oder Dispensertechniken erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lampenkolben innerhalb des Bereiches des Lampenkolbens, der im Betriebszustand der Lampe keine funktionale Schicht aufweist, und entfernt von dessen Kontur und/oder in der temporären Schicht Mittel vorhanden sind, die das spätere Ablösen der temporären Schicht zumindest unterstützen.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Ablösen der temporären Schicht weiterhin beinhaltet, dass mechanische Mittel, insbesondere Ultraschall, thermische Beaufschlagung, chemische Mittel, insbesondere Lösungsmittel, und/oder Energiezufuhr, insbesondere durch Laser, verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die temporäre Schicht Standardlacke der Halbleitertechnik mit oder ohne Photoempfindlichkeit verwendet werden.

8. Lampenkolben mit einer Teilbeschichtung hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 7.

9. Lampensystem mit einem Lampenkolben hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 7.