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Die Erfindung betrifft eine Bräunungsvorrichtung,
mit der das von Quecksilberdampflampen ausgesendete bläuliche UV-Licht
in helles, weißes
Licht umgewandelt wird, ohne dass dadurch die bräunende Wirkung des UV-Lichts
wesentlich beeinträchtigt
wird.
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Bekanntlich werden UV-Bestrahlungsvorrichtungen
zur kosmetischen und therapeutischen Behandlung der Haut eingesetzt.
Es sind hierfür
kleinflächige
Gesichtsstrahler sowie Vorrichtungen bekannt, in denen die Bestrahlung
einer liegenden oder stehenden Person von einer oder mehreren Seiten
erfolgen kann. Besonders Bräunungsliegen
mit einer Liegefläche
und einer darüber
angebrachten Haube werden zur Ganzkörperbräunung eingesetzt.
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Moderne Bräunungsvorrichtungen sind im
allgemeinen mit 6 Quecksilberdampf-Niederdrucklampen bei Geräten zur
Gesichtsbräunung
und mit bis zu 50 Quecksilberdampf-Niederdrucklampen bei Bräunungsliegen
ausgestattet, wobei die Lampen hauptsächlich UV-A- und 0,5 bis 5%
UV-B-Strahlung aussenden. So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
38 25 535 eine UV-Bestrahlungsvorrichtung mit einer Gasentladungsquelle
und einem Leuchtstoff bekannt, welcher den kurzwelligen UV-Strahlungsanteil
der von der Gasentladungsquelle erzeugten Strahlung absorbiert und
eine langwelligere UV-Strahlung aussendet. Dabei wird ein flächiger transparenter
Träger
mit einem herkömmlichen
Leuchtstoff beschichtet, der die kurzwellige UV-Strahlung im Bereich von etwa 185 nm
und 254 nm stark absorbiert und eine langwellige UV-Strahlung mit
einem Spektrum aussendet, welches in einem Wellenlängenbereich
von etwa 310 nm bis 360 nm einen steilen Energiezuwachs und dann
bis etwa in den Bereich von 440 nm eine Energieabnahme aufweist.
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Die für diese Anwendung typischerweise
eingesetzten CLEO-Lampen (Natural, Swift, Advantage) enthalten einen
oder zwei Leuchtstoffe aus der Gruppe SrAl12O19:Ce (SAC), LaPO4:Ce
(LAP) und BaSi2O5:Pb (BSP).
Diese Leuchtstoffe senden ausschließlich UV-Strahlung aus, wobei
deren Spektrum von den Hg-Linien bei 405, 435 und 546 nm überlagert
wird. Das ergibt ein bläuliches
Licht der Bräunungsvorrichtung,
welches von der die Bräunung
suchenden Person als unangenehm empfunden wird, weil die eigene
Haut als kühl
und weiß und
damit als ungesund und unnatürlich
erscheint.
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Es hat deshalb auch schon den Versuch
gegeben, das bläuliche
Licht der Quecksilberdampflampen dadurch zu überdecken, dass einige Rotlicht
ausstrahlende Lampen, die mit dem Leuchtstoff Y2O3:EU (YOX) ausgestattet waren, in die Bräunungsvorrichtung
zu integrieren. Dieser Versuch hat jedoch keinen besonderen Erfolg
gehabt, weil das dabei entstehende Licht eine Mischung aus rotem
und blauem Licht war und so eine Pinkfarbe erzeugte.
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Es stellte sich deshalb die Aufgabe,
eine Bräunungsvorrichtung
zu entwickeln, die nicht mehr das unangenehme bläuliche Licht, sondern gelbes
oder weißes
Licht ausstrahlt, ohne dass dabei die bräunende Wirkung der UV-Strahlung
merklich vermindert wird.
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Gegenstand der Erfindung ist deshalb
eine Bräunungsvorrichtung,
bei der die das UV-Licht
aussendenden Quecksilberdampflampen oder die diese Lampen abdeckenden,
transparenten Kunststoffplatten mit einem oder mehreren organischen
oder anorganischen Fluoreszenzfarbstoffen dotiert oder bedeckt sind,
welche das von den Hg-Lampen
ausgesendete bläuliche
Licht partiell absorbieren, in ein langwelligeres, gelbliches oder
orangefarbenes Licht umwandeln und dadurch eine helles weißes Licht
erzeugen.
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Die Umwandlung des von den Hg-Lampen
ausgesendeten bläulichen
Lichts in ein langwelligeres, weißes Licht kann durch spezielle
organische oder anorganische Fluoreszenzfarbstoffe erreicht werden,
die das Hg-Licht im Lichtwellenbereich von 400 bis 550 nm absorbieren
und in gelbliches oder orangefarbenes Licht mit einer Wellenlänge von
550 bis 650 nm umwandeln. Durch Vermischung des bläulichen
und der gelblichen bzw. orange Lichtanteile entsteht ein helles,
weißes
Licht.
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Als organische Fluoreszenzfarbstoffe
haben sich vor allem die Cumarin- oder Perylenfarbstoffe bewährt, wie
sie beispielsweise aus der europäischen
Patentschrift
EP 0 422 474 bekannt
sind. Werden diese Fluoreszenzfarbstoffe in transparente Kunststoffplatten,
die beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bestehen können, aufgetragen
oder in dem Kunststoff gelöst,
dann verändert
sich das ausgesendete Lichtspektrum, ohne dass der Bräunungseffekt
wesentlich vermindert wird.
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PMMA-Platten zeigen eine gleichmäßige Durchlässigkeit
von sichtbarem und UV-Licht bis etwa 290 nm. Durch die Dotierung
eines organischen Fluoreszenzfarbstoffes in die PMMA-Platte, der
die blauen Hg-Linien bei 405 und 435 nm absorbiert, kann das Emissionsspektrum
weitgehend beeinflusst werden, so dass entweder ein kaltes, ein
warm-weißes
oder sogar ein orangerotes Licht entsteht, je nachdem, welches Emissionsspektrum
der eingesetzte Fluoreszenzfarbstoff aufweist. Diese Maßnahme erhöht die Helligkeit
des von der Bräunungsvorrichtung
ausgestrahlten Lichtes erheblich, da das Lumenäquivalent des weißen Lichts
(~ 300 lm/W) viel höher
ist als das Lumenäquivalent
einer Strahlung von 405 nm (0,4 lm/W) und 435 nm (12 lm/W). Eine
typische Bräunungsliege
umfasst 50 Bräunungslampen,
wobei jede eine Leistung von 160 W aufweist. Das ergibt einen Stromverbrauch
von 8 kW. Eine Fluoreszenzlampe wandelt ca. 3,3% der aufgenommenen elektrischen
Leistung in sichtbare Hg-Linien bei 405, 435 und 546 nm um. Deshalb
entstehen etwa 260 W sichtbares Licht, was nur etwa 3000 Im entspricht.
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Die Umwandlung der genannten Hg-Linien
in ein Spektrum weißen
Lichts mit 300 lm/W ergibt jedoch 54.000 lm unter der Voraussetzung,
dass die Photolumineszenzguantenausbeute des Farbumwandlers etwa bei
100% liegt und dass der Energieverlust (durchschnittliche Stokes-Verschiebung)
70% beträgt.
Die unter der Marke Lumogen® im Handel erhältlichen
organischen Perylen-Fluoreszenzfarbstoffe zeigen nach Lösung in
PMMA oder Polystyrol (PS) einen Wirkungsgrad über 90%. Dementsprechend wird
eine Bräunungsliege
so stark beleuchtet, dass das einen durchaus positiven Einfluss
auf die Stimmung der zur Bräunung
vorgesehenen Person hat, da bekanntlich helles Licht, den Melatonin-Spiegel
im Blut senkt. Personen, die sich der erfindungsgemäßen Bräunungsvorrichtung
aussetzen, werden also eine erhebliche Verbesserung ihrer Stimmungslage
erfahren, wenn sie die Augen offen halten und dabei eine Sonnenbrille
tragen, die für
Strahlung oberhalb von 380 nm durchlässig ist. Die Verminderung
des Melatonin-Spiegels wird durch die Augen gesteuert und ist ganz
besonders bei Strahlungen im Bereich zwischen 410 und 430 nm wirksam.
Selbstverständlich kann
die Helligkeit des Lichtes einer erfindungsgemäßen Bräunungsvorrichtung um so stärker erhöht werden, je
größer der
Anteil des UV-Lichts ist, der in sichtbares Licht umgewandelt wird.
Dabei vermindert sich die Bräunungskraft
der Strahlung etwas, jedoch kann auf diesem Weg eine erfindungsgemäße Bräunungsvorrichtung
erhalten werden, bei der die Beleuchtungsstärke mehr als 100.000 lm beträgt.
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Die Erfindung wird durch die l bis 7 näher erläutert.
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l zeigt
ein Transmissionsspektrum von 100ppm Lumogen F Orange 240 in PMMA;
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2 zeigt
ein Transmissionsspektrum von 100ppm Lumogen F Rot 300 in PMMA;
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3 zeigt
den Effekt der Anwendung einer mit Lumogen F Orange 300 dotierten
PMMA-Schicht auf den Farbpunkt einer CLEO-Performance Lampe;
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4 zeigt
das Lampenspektrum einer CLEO-Advantage Lampe und das Spektrum einer
erfindungsgemäßen Lampe,
die mit einer mit YAG:Ce dotierten SiO2-Schicht überzogen
ist;
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5 zeigt
die Verminderung der UV-A-Strahlung verschiedener CLEO-Lampen als
Funktion des Gehaltes an YAG:Ce in der Leuchtstoff-Schicht (in Gew.%);
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6 zeigt
das Lampenspektrum einer CLEO-Professional Lampe und das Spektrum
einer erfindungsgemäßen Lampe,
die mit einer mit YAG:Ce dotierten SiO2-Schicht überzogen
ist;
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7 zeigt
die Verminderung der UV-A-Strahlung verschiedener CLEO-Lampen als
Funktion der optischen Schichtdicke von YAG:Ce.
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Für
die erfindungsgemäße Bräunungsvorrichtung
haben sich die folgenden Lumogen
®-Farbstoffe als besonders
geeignet erwiesen:
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Alle Lumogen-Farbstoffe können leicht
in PMMA oder anderen Polymeren wie Polyethylen, Polycarbonat, Polystyrol,
PVC in einer Konzentration bis 0,5% gelöst werden, wobei polare Polymere
wie PMMA besser geeignet sind als nicht-polare Kunststoffe (Polyethylen).
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Ein Fluoreszenzfarbstoff mit einem
Absorptionsspektrum, wie es in 1 dargestellt
ist, ist für
die Anwendung in einer Bräunungsvorrichtung
besonders gut geeignet, weil er nicht nur die blauen bzw. grünen Hg Linien
umwandelt, sondern auch transparent in dem UV-Bereich ist, in dem
der Hauptanteil der UV-Strahlung erfolgt. In Abhängigkeit von der Absorption
der PMMA-Platte, die leicht verändert
werden kann, ist eine Durchlässigkeit
der Platte von >80%
im UV-Bereich erreichbar. Die Quecksilberlinien bei 405 und 436
nm, die für
das bläuliche
Licht der Bräunungseinrichtung
verantwortlich sind, werden erfindungsgemäß in großem Umfang zur Farbumwandlung
verwendet. Im Ergebnis wirkt also die UV-Strahlung der fluoreszierenden
Lampen zusammen mit dem Emissionsspektrum der Lumogen-Farbstoffe
auf die sich bräunende
Person ein. Damit wird ein Lichtspektrum erreicht, das die menschliche
Haut in einem angenehmeren Licht erscheinen lässt und den persönlichen
Eindruck der sich bräunenden
Person über
den erreichten Bräunungseffekt
verbessert.
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Bräunungsvorrichtungen, die an
Stelle des bisher üblichen
bläulichen
Hg-Lichts eine weiße,
bräunende
Strahlung aussenden, sind aber auch durch den Einsatz von anorganischen
Fluoreszenzfarbstoffen realisierbar. Auch mit anorganischen Fluoreszenzfarbstoffen
lassen sich die bläulichen
Hg-Linien teilweise in gelbes Licht umwandeln, wodurch sich ein
weißes
Lampenlichtspektrum ergibt. Dieses Ziel kann entweder durch die
Anwendung eines einzelnen gelben Fluoreszenzfarbstoffes oder durch
Anwendung einer Mischung von Fluoreszenzfarbstoffen, bestehend aus
einem roten und einem grünen
Fluoreszenzfarbstoff, erreicht werden.
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Zur Erzeugung eines gelben Lichts
ist ein Fluoreszenzfarbstoff der Zusammensetzung (Y1-x-yGdx)3 (Al1-wGaw)5O1
2 : Cey(YAG:Ce) geeignet.
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Die Mischung eines grünen mit
einem roten Fluoreszenzfarbstoff kann durch eine Mischung von SrGa2S4 : Eu (grün 535 nm)
mit (Sr1-xCax)S
: Eu mit 0 < x < 1 (rot 610 bis
650 nm) hergestellt werden.
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Der sichtbares Licht ausstrahlende
Fluoreszenzfarbstoff kann entweder auf den Glaskörper der Quecksilberdampflampe
oder auf eine diese Lampen abdeckende, transparente Kunststoffplatte
aufgetragen werden. Besonders zweckmäßig ist es, den anorganischen
Fluoreszenzfarbstoff in das polymere Material zu dotieren oder in
eine SiO2-Schicht zu geben, die nach dem
Sol-Gel-Verfahren aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) hergestellt
werden kann.
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Hierdurch wird die Helligkeit der
Bräunungsvorrichtung
in gleicher Weise wie bei der vorstehend genannten Anwendung organischer
Fluoreszenzfarbstoffe erheblich erhöht. Die Wirkung der Umwandlung
der bläulichen
Hg-Linien durch die Anwendung von Y
3Al
5O
12:Ce als ein Bestandteil
der Mischung der Leuchtstoffe wird durch die folgende Tabelle gezeigt:
Tabelle
1:
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Die Wirkung der Zugabe YAG:Ce zu
der Mischung der UV-Leuchtstoffe gemäß der Beschreibung einer CLEO
Professional S Lampe ist in Tabelle 1 als Funktion der YAG:Ce-Konzentration
dargestellt.
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Aus der vorstehenden Tabelle geht
hervor, dass die Zugabe von 4 bis 6% YAG:Ce ausreicht, um eine angenehme
Farbtemperatur im Bereich von 4.000 bis 4.500 K zu erreichen, wobei
eine Farbwiedergabe von über
40 erreicht werden kann.
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Die Verminderung des UVA-Lichtes
beträgt
weniger als 20%, und zwar auch bei hohen YAG:Ce-Gehalten (5 bis
8%), da YAG:Ce im UVA-Bereich kaum absorbiert.
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Ein ähnlicher Effekt wird auch erreicht,
wenn der anorganische Fluoreszenzfarbstoff auf den Glaskörper der
Hg-Lampe in Form eines Dotierungsmittels einer SiO2-Schicht
oder einer Polymerschicht aufgetragen wird.
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Die Wirkung einer auf den Glaskörper- einer
Hg-Lampe aufgetragenen YAG:Ce-Schicht,
wobei die Hg-Lampe den Spezifikationen einer CLEO Professional S-Lampe
entspricht, ist in Tabelle 2 als Funktion der wirksamen YAG:Ce-Schichtdicke
dargestellt.
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Die Erfindung wird durch die folgenden
Beispiele näher
erläutert:
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Beispiel 1
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Tischgerät mit sechs
CLEO Performance-Lampen die mit einer Lumogen F orange 240 enthaltenden
PMMA-Schicht bedeckt sind
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PMMA wurde in einer Aceton-Toluolmischung
gelöst
und Lumogen F orange in einer Menge zwischen 0,05 und 0,02 Gewichtsprozent,
bezogen auf PMMA, hinzugegeben. Sechs 20 W CLEO Natural-Lampen wurden
mit einem Sandstrahl aufgeraut und danach mit der PMMA/Lumogen F
Orange 240-Lösung
beschichtet. Nach der Beschichtung wurde getrocknet und die Lampenbirnen
in ein Tischbräunungsgerät eingeschraubt.
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Die Farbe des Tischbräunungsgerätes verschiebt
sich von x = 0,23, y = 0,25 (CLEO Perfomance) auf x = 0,28, y =
0,33 bei Schichtdicke 1 (=50μm)
oder x = 0,31, y = 0,36 bei Schichtdicke 2 (=100 μm) (siehe
die Punkte 2 und 3 in 3).
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Die Wirkung der Beschichtung auf
die Spezifikationen der Bräunungseinheit
wird durch die folgende Tabelle gegeben.
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Aus dieser Tabelle ergibt sich, dass
die Beschichtung zu einer Verminderung der UVA- und UVB-Strahlung führt. Dementsprechend sind die
Erythem-Werte, also zahlenmäßige Angaben,
die die durch das einwirkende UV-Licht entstehende Hautreizung ausdrücken, bei
der Anwendung der erfindungsgemäß beschichten Lampenbirnen
etwas geringer als bei den zum Stand der Technik gehörenden,
unbeschichteten CLEO-Lampen.
Gleichzeitig ist jedoch aus der rechten Spalte zu entnehmen, dass
die Unterschiede in der UV-Strahlung sowie in der Hautreizung in
der Größenordnung
von etwa 10% liegen und damit zeigen, dass eine ausreichende Hautbräunung auch
noch mit den beschichten Lampenbirnen zu erzielen ist, die den großen Vorteil
aufweisen, kein bläuliches,
sondern helles, weißes
Licht auszustrahlen.
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Bespiel 2
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Bräunungslampe die mit einer lumineszierenden
Schicht ausgerüstet
ist welche LaPO4:Ce, BaSi2O5:Pb und 5% Y3Al5O12:Ce enthält
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Eine Butylacetat-Suspension, enthaltend
ein Gemisch aus 75% BaSi2O5:Pb,
20% LaPO4:Ce und 5% Y3Al5O12:Ce wurde hergestellt
und durch ein 36 μm
Maschensieb gegeben. Entsprechend dem als Flow-coaten bekannten
Verfahren wird die Suspension auf die Innenwand eines typischen
Weichglasrohres, wie es für
die Herstellung von Fluoreszenzlampen verwandt wird, aufgetragen.
Die Viskosität
der Suspension wird so eingestellt, dass die entstehende Schicht
der Fluoreszenzfarbstoffe ein durchschnittliches Schichgewicht zwischen 0,5
und 3,0 mg/cm2 aufweist.
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Nach dem Beschichten werden die organischen
Bestandteile durch Erhitzen auf 550 bis 600°C erwärmt. Die Lampenbirne wird dann
mit einigen mbar Argon und mit 1 bis 50 mg Quecksilber gefüllt. Zum Schluss
werden die Elektroden in die Lampe eingeführt und die Lampenbirne versiegelt.
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Die Verschiebung des Lampenspektrum
einer CLEO Advantage-Lampe durch eine eifindungsgemäße Lampe,
die mit einer mit YAG:Ce dotierten SiO2-Schicht
bedeckt ist, wird durch 4 verdeutlicht.
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Der Einfluss der Menge des YAG:Ce
Additivs in der Leuchtstoffschicht auf die Verminderung der ausgesendeten
UV-Strahlung wird in 5 dargestellt.
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b) Bräununsglampe mit einer Fluoreszenzfarbstoffschicht
enthaltend LaPO4 und SrAl12O16:C9 und bedeckt
mit einer SiO2-Schicht, die Y3Al5O12:Ce enthält
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Auf eine CLEO Professional-Lampe
wird mit dem Dip- oder Flow-coating-Verfahren eine SiO2-Schicht aufgetragen.
Die Beschichtungssuspension ist durch Säurehydrolyse aus Tetraethylorthosilikat
(TEOS) hergestellt worden. So wird ein SiO2-Gel
erhalten, dem einige Gewichtsprozente Y3Al5O12:Ce hinzugefügt werden. Nach
Beendigung der Beschichtung wird die Schicht durch eine Hitzebehandlung
fixiert und dabei die organischen Bestandteile entfernt.
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Die Verschiebung des Spektrums einer
CLEO Professional-Lampe durch eine erfindungsgemäße, mit einer YAG:Ce dotierten
SiO2-Schicht bedeckten Lampe, wird in 6 gezeigt.
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Die Verminderung der UVA-Strahlung
mit der Dicke der Schicht von YAG:Ce auf verschiedenen Lampen ist
in 7 gezeigt.
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Die erfindungsgemäße Bräunungsvorrichtung strahlt somit
kein bläuliches
Licht, sondern ein angenehmes gelbliches oder weißes Licht
aus, ohne dass dadurch die bräunende
Wirkung der UV-Strahlung merklich vermindert ist.