DE4037179A1

DE4037179A1 - Optische interferenzschicht

Info

Publication number: DE4037179A1
Application number: DE4037179A
Authority: DE
Inventors: Akira Kawakatsu; Akiko Saito; Yoji Yuge
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1989-11-24
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1991-05-29
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: KR910010618A; GB2238400A; GB2238400B; KR930009240B1; JPH0773042B2; JPH03165452A; DE4037179C2; GB9025384D0; US5113109A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Interfe renzschichten in Form dünner Schichten oder Filme. Eine derartige Schicht kann an der Außen- oder Innenfläche einer Lampe, beispielsweise einer Halogenlampe aufgebracht wer den, um selektiv Lichtanteile über einen vorgeschriebenen Wellenlängenbereich aus dem optischen Spektrum wahlweise zu reflektieren.

Es ist bekannt, daß in dem von Halogenlampen ausgestrahlten Licht ein kleiner Anteil infraroter Strahlen enthalten ist. In einer derartigen Halogenlampe ist ein Faden bzw. Draht in der Mitte eines Glaskolbens angeordnet und ein optischer Interferenzfilm bzw. eine optische Interferenzschicht ist an der Außenfläche des Kolbens ausgebildet. Die optische Interferenzschicht ist durchlässig gegenüber Strahlen im sichtbaren Bereich, während Infrarotstrahlungen reflektiert werden. In dem von dem Faden ausgestrahlten Licht enthal tene Infrarotstrahlen werden somit durch die optische In terferenzschicht zu dem Faden reflektiert, wodurch der Fa den aufgeheizt wird. Dies führt dazu, daß der Anteil infra roter Strahlen in dem ausgestrahlten Licht abnimmt, und es wird durch die Anordnung der lnterferenzschicht auf einer herkömmlichen Halogenlampe somit die Lichtausbeute verbes sert.

In der japanischen Patentoffenlegungsschrift 62-1 05 357 ist ein Beispiel für eine derartige optische Interferenzschicht angegeben. Die optische Interferenzschicht enthält Schich ten mit hohem und solche mit niedrigem Brechungsindex, die abwechselnd übereinander angeordnet sind; insgesamt sind 9 bis 12 und mehr Schichten angeordnet. Jede Schicht mit hohem Brechungsindex enthält mindestens ein Metalloxid aus gewählt aus der Gruppe umfassend Titanoxid (TiO₂), Tantal oxid (Ta₂O₅) und Zirkoniumoxid (ZrO₂) als Hauptbestandteil, und mindestens einen Zusatz ausgewählt aus der Gruppe um fassend Phosphor (P), Bor (B), Arsen (As), Antimon (Sb), Zinn (Sn), Zink (Zn), Blei (Pb), Kalium (K), Nickel (Ni) und Kobalt (Co). Jede Schicht mit niedrigem Brechungsindex umfaßt Siliziumoxid (SiO₂) als Hauptbestandteil und mindes tens einen Zusatz ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Phosphor (P) und Bor (B).

Bei den oben genannten herkömmlichen optischen Interferenz schichten wird jede Verbindung zwischen Schichten mit hohem und mit niedrigem Brechungsindex durch die Zusätze ver stärkt. Weiter wird durch die Zusätze eine Verzerrung in der optischen Interferenzschicht, die auf den Unterschied hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Schichten mit hohem und denen mit niedrigem Brechungsindex zurückzuführen ist, reduziert. Damit kann eine Rißbildung oder ein Abschälen der optischen Interferenzschicht vermie den werden.

Die genannten Zusätze wirken sich jedoch ungünstig auf die Wärmewiderstandsfähigkeit der optischen Interferenzschicht aus, so daß die Lichtausbeute derartiger Lampen mit der Be triebsdauer spürbar abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische In terferenzschicht mit einer angestrebten hohen Durchlässig keit zu schaffen, ohne daß in nicht akzeptierbarer Weise die Wärmewiderstandseigenschaft der optischen Interferenz schicht abnimmt.

Eine derartige optische Interferenzschicht umfaßt nach ei ner erfindungsgemäßen Ausführungsform zwei Refraktions bzw. Brechungsschichten die einander gegenüberliegend mit einander in Kontakt stehen und jeweils einen unterschied lichen Brechungsindex aufweisen. Die beiden Schichten wer den von einem transparenten bzw. durchlässigen Substrat ge tragen und in der Brechungsschicht mit höherem Brechungsin dex ist mindestens ein Zusatz ausgewählt aus der Gruppe um fassend Silizium (Si) und Tantal (Ta) enthalten.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die optische Interferenzschicht zwei Brechungsschichten auf, die mit un terschiedlichem Brechungsindex einander zugewandt aufeinan derliegend auf einem durchlässigen Substrat angeordnet sind. Die Brechungsschicht mit dem höheren Brechungsindex enthält Titanoxid und mindestens einen Zusatz aus der Grup pe umfassend Antimon (Sb) und Zinn (Sn) mit einem Anteil in bezug auf das Titantoxid vorzugsweise im Bereich von 0,1% bis 30% bezogen auf das Metallatomverhältnis.

Die Brechungsschicht mit dem höheren Brechungsindex kann als glasbildendes Mittel mindestens eine Verbindung aus gewählt aus der Gruppe enthaltend Phosphorverbindungen und Borverbindungen enthalten.

Die Brechungsschicht mit dem höherem Brechungsindex kann weiterhin Titanoxid enthalten; in diesem Fall steht die Menge jedes Zusatzes zu dem Titanoxid in einem Verhältnis vorzugsweise von 0,1 bis 30% basierend auf dem Metallatom verhältnis.

Die optische Interferenzschicht kann sowohl auf der inneren als auch auf der äußeren Oberfläche oder beiden Oberflächen eines Halogenlampenkolbens ausgebildet sein, um Infrarot strahlen zu reflektieren und Strahlen im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums durchzulassen.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Halogenlampe mit einer er findungsgemäßen optischen Interferenzschicht wird mit wei teren Einzelheiten anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ha logenlampe mit einer erfindungsgemäßen optischen Interferenzschicht und

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil der optischen Inter ferenzschicht nach Fig. 1.

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine erfin dungsgemäße optische Interferenzschicht bzw. eine optische Interferenz-Dünnschicht oder ein optischer Interferenzfilm bei einer bekannten Halogenlampe eingesetzt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Halogenlampe 11 einen transparenten bzw. durchlässigen Kolben 13 aus Quarzglas oder einen Aluminosilikatglas auf. Ein Ende des Kolbens 13 ist geschlossen und das andere Ende ist zusammengedrückt, um einen abgedichteten Bereich 15 zu bilden. Ein Paar von Molybdänfolien 17 ist in dem Bereich 15 angeordnet. Ein gewickelter Faden 19 ist als lichtemittierendes Element entlang der Mittelachse des Kolbens 13 angeordnet. Jedes Ende des gewickelten Fadens 19 ist mit einer zugeordneten Folie der beiden Folien 17 über einen von zwei inneren Bleidrähten 21 verbunden. Der Bereich 15 des Kolbens 13 ist in einer Metallkappe 23 befestigt. In dem Kolben 13 ist eine Füllung eingeschlossen, die ein inertes Gas, wie Argon und einen Anteil eines Halogens enthält. Eine optische In terferenzschicht bzw. ein optischer Interferenzfilm 25 ist zumindest auf der inneren oder äußeren Oberfläche, bei spielsweise auf der äußeren Oberfläche des Kolbens 13 ange ordnet. Die optische Interferenzschicht 25 läßt Wellen im sichtbaren Bereich durch und reflektiert Infrarotwellen des optischen Spektrums. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt die optische Interferenzschicht 25 Schichten 27 mit hohem Bre chungsindex, deren Hauptbestandteil Titanoxid (TiO₂) ist und Schichten 29 mit niedrigem Brechungsindex, deren Haupt bestandteil Siliziumoxid (SiO₂) ist. Eine erste der Schich ten 27 mit hohem Brechungsindex ist an der Außenfläche des Kolbens 13 ausgebildet; auf dieser Schicht ist dann eine Schicht 29 mit niedrigem Brechungsindex ausgebildet. Weite re Schichten 27, 29 mit hohem und niedrigem Brechungsindex sind dann abwechselnd ausgebildet, so daß eine aufeinander liegende Anordnung mit der gewünschten Anzahl von Schichten 27, 29 gebildet ist.

Ein Verfahren zum Ausbilden der optischen Interferenz schicht wird im folgenden beschrieben. Zunächst werden in einem Gefäß Titan-Alkoxid und ein Alkoxid mindestens eines metallischen Zusatzes ausgewählt aus der Gruppe umfassend Antimon (Sb), Silizium (Si), Zinn (Sn) und Tantal (Ta) vor bereitet. Ethanol wird zugesetzt und in dem Gefäß gleich mäßig vermischt. Weiter wird in das Gefäß entweder ein acy lierendes oder ein chelatbildendes Mittel zugesetzt, wobei die enthaltene Flüssigkeit bei Raumtemperatur gerührt wird. Durch Erhitzen der Flüssigkeit wird eine Reaktion ausge löst, während für die Flüssigkeit über etwa eine Stunde ein Rückflußzustand aufrechterhalten wird. Ein glasbildendes Mittel wird dann der aus dieser Reaktion hervorgegangenen Flüssigkeit zugefügt. Auf diese Weise wird schließlich eine erste Flüssigkeit für eine Beschichtung erhalten, dessen Dichte bezogen auf ein zusammengesetztes Oxid, 4,5 Gew.-% beträgt. Das genannte glasbildende Mittel kann eine anorga nische oder eine organische Phosphor- oder Borverbindung enthalten, die in einem organischen Lösungsmittel löslich ist. Das beschriebene glasbildende Mittel, wie beispiels weise eine Phosphorverbindung oder eine Borverbindung wird mit einem Anteil von weniger als 10 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5,0 Gew.-%, zu einer Gesamtmenge eines zusammengesetzten Metalloxids basierend auf einer Oxidbasis hinzugefügt.

In einem ersten Beschichtungsvorgang wird der Kolben 13 in die erste Beschichtungsflüssigkeit, die nach den oben be schriebenen Schritten erhalten wird, eingetaucht und mit konstanter Geschwindigkeit nach oben gezogen. Eine Titan oxidschicht, im folgenden mit TiO₂-Film bezeichnet, d. h. eine erste Schicht 27 mit hohem Brechungsindex, wird dann an der Außenfläche des Kolbens 13 angebracht, in dem der Kolben 13 zehn Minuten lang mit einer Temperatur von 400° bis 900°C in Luft erwärmt bzw. gebrannt wird.

Als nächstes wird eine zweite Beschichtungsflüssigkeit um fassend eine Organosiliziumverbindung, beispielsweise Alko xysilan, wie beispielsweise Tetramethoxysilan, Tetraethoxy silan, Tetraisopropoxysilan, Tetrabutoxysilan, Diethoxidi isopropoxysilan und Dichlorodimethoxysilan und/oder ein da raus bestehendes Polymer, vorbereitet.

In dem zweiten Beschichtungsvorgang wird der Kolben 13, an dem die erste Schicht 27 mit hohem Brechungsindex ausgebil det worden ist, in die zweite Beschichtungsflüssigkeit ein getaucht und mit konstanter Geschwindigkeit nach oben gezo gen. Ein Siliziumoxid-Film, d. h. eine Schicht 29 mit nie drigem Brechungsindex, wird dann auf der ersten Schicht 27 mit hohem Brechungsindex aufgebracht, indem der Kolben 13 zehn Minuten lang mit einer Temperatur von 400° bis 900°C gebrannt wird. Die erforderliche vollständige Interferenz schicht 25 wird auf den Kolben 13 aufgebracht, indem die beschriebenen ersten und zweiten Beschichtungsvorgänge wie derholt, vorzugsweise mindestens fünf mal durchgeführt wer den (so daß sich insgesamt mindestens 10 Schichten erge ben).

Das der beschriebenen Ausführungsform zugrundeliegende Prinzip wird detaillierter im folgenden erläutert. Im all gemeinen ist die Kristallstruktur des durch die oben be schriebenen Vorgänge gebildeten TiO₂-Films amorph, anatas oder rutil. Ein amorpher und ein anataser TiO₂-Film haben eine hohe Durchlässigkeit für Licht im sichtbaren Bereich und einen niedrigen Brechungsindex im Vergleich zu einem rutilen TiO₂-Film. Es wird weiterhin die Kristallstruktur des amorphen oder des anatasen TiO₂-Films in diejenige des rutilen TiO₂-Films (des Typs mit hoher Temperaturbeständig keit) geändert, wenn sie unter hoher Temperatur über eine relativ lange Zeitdauer erhitzt wird. Der rutile TiO₂-Film hat eine hohe thermische Stabilität bzw. Wärmebeständigkeit und einen hohen Brechungsindex im Vergleich zu dem anatasen TiO₂-Film. Die Durchlässigkeit des TiO₂-Films im Bereich sichtbarer Strahlung wird jedoch herabgesetzt, wenn die Kristallstruktur des amorphen oder des anatasen TiO₂-Films in die des rutilen TiO₂-Films geändert wird. Bei ent sprechender Kontrolle des Phasenwechsels von dem amorphen oder dem anatasen TiO₂ zu dem rutilen TiO₂ ist es möglich, eine Schicht mit hohem Brechungsindex für eine optische In terferenzschicht zu erzeugen, die eine vorteilhafte Kombi nation in bezug auf einen hohen Brechungsindex und eine hohe Durchlässigkeit für sichtbare Strahlung ergibt.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem die in Fig. 2 dargestellte Schicht 27 mit hohem Brechungsindex Ti tanoxid als Hauptbestandteil aufweist, stellt die Zugabe mindestens eines metallischen Zusatzes, der aus der Gruppe bestehend aus Antimon (Sb), Silizium (Si) und Tantal (Ta) ausgewählt wird, eine Möglichkeit dar, durch die der Pha senwechsel von dem amorphen oder anatasen TiO₂ zu dem ruti len TiO₂ in einer Schicht 27 mit hohem Brechungsindex unter dem Einfluß einer hohen Temperatur gesteuert werden kann. Das Wachstum der Kristallpartikel in der Schicht 27 mit ho hem Brechungsindex kann gleichfalls gesteuert werden. Es kann somit die Abnahme der Durchlässigkeit im Bereich sichtbaren Lichts für die Schicht 27 mit hohem Brechungsin dex gesteuert werden, während für diese Schichten eine hohe Wärmebeständigkeit erreicht wird. Bis zu einem bestimmten Ausmaß vergrößern sich die genannten erwünschten Wirkungen mit einer Vergrößerung des Anteils der zugefügten Metallzu sätze. Ein zu großer Anteil der genannten Metallzusätze kann jedoch dazu führen, daß der Brechungsindex der aus einer Oxidverbindung bestehenden dünnen Schicht 27 in nicht akzeptabler Weise abnimmt. Ein bevorzugter Bereich für die Menge der genannten Metallzusätze (M) im Vergleich mit der Menge des Titans (Ti) in der Schicht 27 mit hohem Bre chungsindex ergibt sich wie folgt, basierend auf dem Metal latomverhältnis

0,1(%) < M/Ti < 30(%).

Für Versuche wurde eine Anzahl von Testlampen vorbereitet, von denen jede mit mehr als zehn übereinander angeordneten Schichten versehen war, die im Wechsel aus einem Titanoxid (TiO₂) mit hohem Brechungsindex und einem Siliziumoxid (SiO₂) mit niedrigem Brechungsindex bestanden. Bei einer ersten Probe für die beschriebenen Lampen wiesen die Schichten mit hohem Brechungsindex keinen Zusatz auf und in zweiten Proben entsprachen die Schichten mit hohem Bre chungsindex herkömmlichen derartigen Schichten mit einem Phosphorzusatz (P) im Verhältnis von 0,5% und 1%. Dritte Proben der Lampen mit herkömmlichen Schichten mit hohem Brechungsindex wiesen einen Borzusatz (B) mit einem Anteil von 1% und 0,5% auf. Vierte Proben der Lampen wiesen Schichten mit hohem Brechungsindex mit Antimon (Sb) als Zu satz mit einem im Bereich von 0,05% bis 40% variierten An teil auf.

Die Ergebnisse von Versuchen sind in den Tabellen I und II dargestellt. In diesen Tabellen ist das Lichtstromverhält nis für jede Probe durch einen Relativwert (%) in bezug auf den anfänglichen Lichtstrom der Probe angegeben, die keine Zusätze enthält und deren Lichtstrom zu 100% angenommen worden ist.

Tabelle I

Tabelle II

Wie aus den Tabellen I und II ersichtlich, hat eine her kömmliche optische Interferenzschicht mit einer Schicht mit hohem Brechungsindex, d. h. einer Titanoxid (TiO₂-Schicht) zu der Phosphor (P) oder Bor (B) zugefügt worden ist, einen relativ niedrigen Brechungsindex (n) und einen relativ niedrigen Lichtstrom. Hinzu kommt, daß der Lichtstrom der artiger optischer Interferenzschichten bzw. Interferenzfil me nach einer Leuchtzeit von 2000 Stunden in großem Ausmaß abnimmt. Optische Interferenzschichten mit Schichten mit hohem Brechungsindex aus Titanoxid denen Antimon (Sb) zu gesetzt worden ist, haben einen relativ hohen anfänglichen Brechungsindex, und der Lichtstrom bleibt nach einer Leuchtzeit von 2000 Stunden auf einem relativ hohen Wert im Vergleich zu den herkömmlichen optischen Interferenzschich ten. Wünschenswertere Ergebnisse wurden dann erreicht, wenn, wie aus Tabelle II ersichtlich, die Schichten mit hohem Brechungsindex mit einer Temperatur von 900°C ge brannt werden.

Bis zu einem gewissen Ausmaß ist der Brechungsindex (n) ei ner Schicht umso größer, je geringer der Anteil des zu der TiO₂-Schicht mit hohem Brechungsindex zugefügten Antimons (Sb) ist. Mit einem sehr geringen Anteil von Antimon (Sb) in der Schicht mit hohem Brechungsindex sind die Ergebnisse jedoch unbefriedigend. Wie ausgeführt, liegt ein erstre benswerter Anteil von Antimon (Sb) in der Schicht mit hohem Brechungsindex im Bereich von 0,1% bis 30%. Ähnliche Wir kungen ergeben sich, wenn Silizium (Si), Zinn (Sn) oder Tantal (Ta) als Metallzusatz der Schicht mit hohem Bre chungsindex zugefügt wird.

Wie beschrieben, ergeben sich bei dem vorliegenden erfin dungsgemäßen Ausführungsbeispiel durch Zusetzen mindestens eines metallischen Zusatzes, der aus der Gruppe bestehend aus Antimon (Sb), Silizium (Si), Zinn (Sn) und Tantal (Ta) ausgewählt wird, zu einer Schicht mit hohem Brechungsindex aus Titanoxid wünschenswerte optische Eigenschaften, wie ein hoher Lichtfluß und eine hohe Wärmebeständigkeit.

Es ist ersichtlich, daß im Rahmen der Erfindung weitere Ausführungsbeispiele oder Modifikationen des beschriebenen Ausführungsbeispiels möglich sind.

Claims

1. Optische Interferenzschicht zur Reflektion von Licht innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs des optischen Spektrums, wobei die Schicht (25) erste und zwei te Brechungsschichten (27, 29) mit unterschiedlichem Bre chungsindex aufweist, die auf einem durchlässigen Substrat (13) im Wechsel angeordnet sind, und wobei die Brechungs schichten (27) mit höherem Brechungsindex aus einem Mate rial hergestellt sind, welches mindestens einen Zusatz ent hält, der aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si) und Tantal (Ta) ausgewählt ist.

2. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (27) mit höherem Bre chungsindex als glasbildendes Mittel mindestens einen Be standteil enthält, der aus der Gruppe umfassend eine Pho sphorverbindung und eine Borverbindung ausgewählt ist.

3. Schicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (27) mit höherem Brechungsindex überwiegend aus Titanoxid besteht, und daß der Anteil des mindestens einen Zusatzes in dieser Schicht (27) im Bereich von 0,1 bis 30% des Titanoxids ausgehend von dem Metallatomverhältnis liegt.

4. Optische Interferenzschicht zur Reflektion von Licht innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs des optischen Spektrums, wobei die Schicht (25) erste und zwei te Brechungsschichten (27, 29) mit unterschiedlichem Bre chungsindex aufweist, die auf einem durchlässigen Substrat (13) angeordnet sind, wobei die Brechungsschichten (27) mit höherem Brechungsindex aus einem Material hergestellt wird, das Titanoxid enthält und mindestens einen Zusatz aufweist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Antimon (Sb) und Zinn (Sn) mit einem Anteil im Verhältnis zu dem Titanoxid im Bereich von 0,1% bis 30% ausgehend von dem Metallatom verhältnis.

5. Lampe umfassend

- einen lichtdurchlässigen Kolben (13),
- einen innerhalb des Kolbens (13) angeordneten Faden (19) um Licht zu erzeugen, und
- eine optische Interferenzschicht (25) um Infrarot strahlen zu reflektieren und um Strahlen im Bereich sicht baren Lichts durchzulassen, die an der inneren und/oder äußeren Seite des Kolbens (13) vorgesehen ist und zwei Ar ten brechender Schichten (27, 29) umfaßt, die unterschied liche Brechungsindizes aufweisen und übereinanderliegend angeordnet sind, wobei
- in dem Material für die Brechungsschicht (27) mit hoherem Brechungsindex mindestens ein Zusatz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silizium (Si) und Tantal (Ta) ent halten ist.

6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (27) mit höherem Bre chungsindex überwiegend aus Titanoxid besteht und die Menge des mindestens eines Zusatzes im Bereich von 0,1% bis 30% derjenigen des Titanoxids ausgehend von dem Metallatomver hältnis liegt.

7. Lampe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schicht (27) mit höherem Brechungsindex als glasbildendes Mittel mindestens eine Verbindung ausgewählt aus der Gruppe umfassend Phosphorver bindungen und Borverbindungen aufweist.