DE602004003916T2

DE602004003916T2 - Glühkörper für lichtquellen mit hohem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE602004003916T2
Application number: DE602004003916T
Authority: DE
Inventors: Daniele Strada Torino 50 PULLINI; Piermario Repetto; Leonid Strada Torino 50 DOSKOLOVICH; Stefano Bernard; Vito Lambertini; Piero Perlo; Davide Capello; Mauro Strada Torino 50 BRIGNONE; Nello Li Pira
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2024-02-28
Also published as: EP1599892B1; ITTO20030166A1; JP2006520074A; WO2004079773A3; DE602004003916D1; AU2003289669A8; ES2277242T3; WO2004079897A2; WO2004079897A3; WO2004079773A2; AU2003289669A1; CN1748283A; EP1599892A2; US20060076868A1; ATE349772T1; US7800290B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Emitter für Glühlichtquellen, der insbesondere als ein Filament oder ein Plättchen geformt ist, der in der Lage ist, durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden.
Hintergrund der Erfindung
Wie es bekannt ist, sind herkömmliche Glühlampen mit einem Wolfram (W)-Filament versehen, welches durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht wird. Die Effizienz von herkömmlichen Glühlampen ist durch das Plancksche Gesetz, welches die spektrale Intensität I (λ) der Strahlung, welche von dem Wolfram-Filament der Lampe bei der Gleichgewichtstemperatur T emittiert wird, beschreibt, und durch Wärmeverluste durch Leitung und Konvektion beschränkt. Die Energie, die von dem Wolfram-Filament in dem sichtbaren Bereich des elektrischen Spektrums abgestrahlt wird, ist proportional zu dem Integral der Kurve I (λ) zwischen λ₁ = 380 nm und λ₂ = 780 nm und beträgt höchstens gleich 5–7 % der Gesamtenergie.
Gemäß dem Kirchoffschen Gesetz ist im thermischen Gleichgewicht die elektromagnetische Strahlung, die von einem Körper bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert wird, gleich der emittierten elektromagnetischen Strahlung. Eine direkte Konsequenz dieses Gesetzes ist es, dass das spektrale Emissionsvermögen "ε" einer Oberfläche mit dem spektralen Absorptionsvermögen "α" übereinstimmt. Das spektrale Absorptionsvermögen "α" ist wiederum mit dem spektralen Reflexionsvermögen "ρ" und dem spektralen Transmissionsvermögen "τ" über das Verhältnis α = 1 – τ – ρ verbunden und ergibt somit ein Verhältnis 1 – ε = τ + ρ. Für ein opakes Material ist τ im Wesentlichen null und das spektrale Reflexionsvermögen ρ stimmt mit (1 – ε) überein; man beachte jedoch, dass jegliches Material für hinreichend kleine Werte der Dicke ein spektrales Transmissionsvermögen τ aufweist, welches von 0 verschieden ist.
Das Verhältnis τ + ρ = 1 – ε besagt implizit, dass, wenn die Oberfläche eines opaken Körpers bei einer gegebenen Wellenlänge ein niedriges spektrales Reflexionsvermögen besitzt, das entsprechende spektrale Emissionsvermögen sehr hoch sein wird; umge kehrt, wenn das spektrale Reflexionsvermögen hoch ist, das entsprechende Emissionsvermögen niedrig sein wird.
Das Emissionsvermögen, das Absorptionsvermögen, das Transmissionsvermögen und das Reflexionsvermögen sind Funktionen nicht nur von der Wellenlänge, sondern ebenso von der Temperatur T und von dem Winkel des Einfalls/der Emission ί, jedoch sind obige Vehältnisse für jegliches T, jegliche Wellenlänge und jeglichen Winkel günstig, da sie aus rein thermodynamischen Überlegungen herrühren. Im Allgemeinen kann das Verhältnis τ + ρ = 1 – ε somit umgeschrieben werden zu τ(λ, T, θ) + ρ(λ, T, θ) = 1 – ε(λ, T, θ)
Die Kurven für das Reflexionsvermögen und das spektrale Transmissionsvermögen bei einer gegebenen Temperatur T, aus der die Werte für das Absorptionsvermögen und das Emissionsvermögen bei dieser Temperatur abgeleitet werden, kann a priori über die optischen Konstanten (immer bei der Temperatur T) des Materials oder der Materialien, welche den Emitter bilden, für eine gegebene Geometrie des Emitters und für jeglichen Winkel des Einfalls/der Emission berechnet werden.
Die optischen Konstanten des Materials sind der reelle Wert n und der imaginäre Wert k des Brechungsindexes; die Werte von n und k sind für die meisten bekannten Materialien experimentell gemessen worden und in der Literatur verfügbar. Im Allgemeinen gibt es keine Werte für n und k, die für die Temperaturen verfügbar sind, die für Glühquellen interessant sind. Die Berechnung des Reflexionsvermögens und des Transmissionsvermögens, die in dem Rest der Beschreibung und in den darauf bezogenen Figuren präsentiert werden, bezieht sich auf optische Konstanten, die bei Umgebungstemperatur gemessen werden; die obigen Betrachtungen haben jedoch eine allgemeine Gültigkeit und sie können leicht auf den Fall hoher Temperaturen übertragen werden.
In einer herkömmlichen Glühquelle wird Strahlung durch ein Wolframfilament ausgesendet, dessen Betriebstemperatur bei ungefähr 2800 K liegt; die emittierte Strahlung folgt dem Gesetz des schwarzen Körpers, dessen entsprechendes Spektrum durch das Planck-Verhältnis gegeben wird. Das Filament kann mit guter Näherung als ein grauer Körper angesehen werden, d. h. mit konstantem Emissionsvermögen über das gesamte interessierende Spektrum. Per Definition ist ein schwarzer Körper ein grauer Körper mit einem Emissionsvermögen ε(λ, T, θ), das unabhängig von λ und von θ und gleich 100 % (Maximalwert) ist. Das Emissionsspektrum eines grauen Körpers kann durch Multiplizieren des Schwarzkörperspektrums I (λ) (durch das Planck-Verhältnis gegeben) für einen Emissionsvermögenswert von ε (T) erhalten werden. Für einen nicht grauen Körper muss Planck's Kurve, Planck's I (λ) stattdessen mit einer spektralen Emissionsvermögenskurve ε(λ, T, θ) multipliziert werden.
Das spektrale Emissionsvermögen von Wolfram ist im Allgemeinen eine Funktion der Temperatur; es ist empirisch gezeigt worden, dass das mittlere Emissionsvermögen von Wolfram dem folgenden Verhältnis folgt ε_m(T) = – 0,0434 + 1,8524 × 10^–4 × T – 1,954 × 10^–8 × T².
Bei niedrigen Temperaturen kann die Kurve für das spektrale Emissionsvermögen leicht durch Messen des Reflektionsspektrums von Wolfram und Anwenden des Verhältnisses ε(λ, T, θ) = 1 – ρ(λ, T, θ) hergeleitet werden; bei Glühtemperaturen wird diese Art der Messung nicht mehr durchführbar, da das Spektrum des Reflexionsvermögens und das Spektrum der Emission offensichtlich gemischt sind.
Bei der Temperatur von 2800 K liegt das mittlere Emissionsvermögen von Wolfram bei ungefähr 30 %, welches einem mittleren Reflexionsvermögen von ungefähr 70 % entspricht. Bei 2800 K liegt die Spitze in dem Emissionsspektrum bei einer Wellenlänge, die etwas größer als 1 Mikron ist, welches voraussetzt, dass der Großteil der Strahlung in Form von Infrarot emittiert wird.
Insbesondere wird für einen grauen Körper bei einer Temperatur von 2800 K etwas weniger als 10 % der Strahlung in dem sichtbaren Spektrum (380–780 nm) emittiert, während über 20 % in dem nahen Infraroten (780–1100 nm) emittiert wird.
In der Tat ist das Wolframfilament kein wirklicher grauer Körper, sondern es hat ein spektrales Emissionsvermögen, das mehr oder weniger in dem sichtbaren Spektrum konstant ist, und das signifikant dahingehend tendiert, im nahen Infraroten abzunehmen, wie es leicht aus den Kurven für das Reflexionsvermögen und das spektrale Emissionsvermögen ersichtlich ist, die in 1 gezeigt sind. In dem Diagramm von 1 stellen die Kurven CRW bzw. CEW das Reflexionsvermögen und das Emissionsvermögen von Wolfram bei Umgebungstemperatur für verschiedene Wellenlängen in dem sichtbaren und dem nahen infraroten Spektrum dar.
Dieses führt dazu, dass die Effizienz eines Wolframelements, d. h., der Quotient zwischen der sichtbaren Strahlung und der insgesamt emittierten Strahlung, wesentlich größer als die eines grauen Körpers ist; der Vorteil ist sogar noch bedeutender, wenn das spektrale Emissionsvermögen bei Umgebungstemperatur betrachtet wird. 2 vergleicht die Planck-Kurve bei 2800 K, als CP bezeichnet, mit der spektralen Leistung, die von einem Wolframfilament 2800 K emittiert wird; das Diagramm zeigt für Wolfram sowohl die experimentell gemessenen Werte (Kurve PM), als auch die Werte, die unter Verwendung der optischen Konstanten von Wolfram bei Umgebungstemperatur berechnet wurden (Kurve PC).
Gemäß der US-A-4,196,368 kann die Effizienz einer Glühbirne durch Modifizieren der Oberflächenmikrostruktur eines Glühfilaments dahingehend verbessert werden, dass das Emissionsvermögen in dem sichtbaren Bereich des Spektrums erhöht wird und/oder die Emission von Energie außerhalb des sichtbaren Bereichs des Spektrums unterdrückt wird; eine ähnliche Lösung ist ebenso in der DE-A-198 45 423 offenbart.
Eine andere Art zur Verbesserung der Effizienz, die in der US-A-4,196,368 vorgeschlagen worden ist, ist es, das Filament mit einem dünnen feuerfesten Material zu beschichten, um das Verdampfen des Filaments zu unterdrücken. Ähnlich schlägt die GB-A-2 032 173 das Beschichten des Filaments mit einem feuerfesten oder keramischen Material vor, um das Schwärzen einer Lampenhülle aufgrund des Verdampfen des Materials von dem Filament einer Glühlampe zu verhindern oder zu verringern.
Zusammenfassung der Erfindung
Basierend auf dem Obigen zielt die vorliegende Erfindung darauf, einen Emitter für Glühquellen zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, durch einen Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden, der eine größere Effizienz als Filamente für Glühlampen aufweist, welche durch herkömmliche Techniken erhalten werden.
Der Begriff "Effizienz der Lichtquellen" bezeichnet das Verhältnis zwischen der sichtbaren Komponente der elektromagnetischen Ladung (d. h. der Komponente zwischen 380 nm und 780 nm) und der Summe von der sichtbaren Komponente und der Nahinfrarotkomponente (d. h. der Komponente zwischen 780 nm und 2300 nm).
Dieses Ziel wird durch einen Emitter für Glühlichtquellen entsprechend Anspruch 1 erreicht. Der Emitter ist dazu in der Lage, durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden, und er ist mit einem Mittel zur Maximierung des Absorptionsvermögens α(λ) für ein λ, das zu dem sichtbaren Bereich des Spektrums gehört, und für das Minimieren des Absorptionsvermögens α(λ) für ein λ, das zu dem infraroten Bereich des Spektrums gehört, auf eine solche Weise versehen, das bei gleicher Betriebstemperatur T das Verhältnis zwischen der Strahlung, die in dem sichtbaren Bereich des Spektrums emittiert wird, und der Strahlung, die in dem infraroten Bereich des Spektrums des Emitters emittiert wird, größer als das selbe Verhältnis für ein herkömmliches Glühfilament ist.
Das zuvor genannte Mittel umfasst eine Nanostruktur, welche auf zumindest einer Oberfläche des Emitters ausgebildet ist, die eine geordnete Reihenfolge von Mikrovorsprüngen und/oder von Mikrohohlräumen aufweist, und die dauerhaft in einer dielektrischen Matrix aus feuerfestem Material, wie Aluminium, Yttrium, Zirkonium oder jeglichem anderen Oxid mit hohem Schmelzpunkt, eingekapselt ist.
Die Nanostrukturierung der Emitteroberfläche soll eine relative Erhöhung in dem Emissionsvermögen (oder Abnahme in dem Reflexionsvermögen) in dem sichtbaren Bereich des Spektrums zu einem höheren Grade als die relative Zunahme in dem Emissionsvermögen (oder Abnahme in dem Reflexionsvermögen) in dem infraroten Bereich des Spektrums erbringen.
Die zuvor genannte Matrix aus feuertestem Oxid hat hingegen die zweifache Funktion von:

i) Beschränken des atomaren Verdampfens des Materials, aus dem der Emitter gebildet ist, oder seiner Nanostruktur, bei einer hohen Betriebstemperatur, welches für die "Einkerbungs"-Effekte des Emitters verantwortlich ist, die seine Lebensdauer unter Betriebsbedingungen verringert und ebenso für die Abflachungseffekte der Nanostruktur; die genannte Verdampfung, die umso größer ist, je höher die Betriebstemperatur ist, würde dahingehend tendieren, die Oberflächenstruktur des Emitters abzuflachen, wodurch seine Leistungsfähigkeit über die Zeit und seine Vorteile hinsichtlich der Erhöhung der Effizienz verringert werden würden;
ii) Beibehalten der morphologischen Struktur des Emitters oder seiner Nanostruktur, selbst wenn das Material, aus dem er gebildet ist, einer Zustandsänderung, insbesondere einem Schmelzen, aufgrund seiner Verwendung unter Bedingungen der Betriebstemperatur, die seinen Schmelzpunkt überschreitet, unterliegt.

Der zuvor genannte Punkt ii) hat seine besondere Bedeutung, da er es ermöglicht, Materialien zu verwenden, welche in Gegenwart oder Abwesenheit von einer oberflächlichen Strukturierung selbst bei Betriebstemperaturen, welche den Schmelzpunkt überschreiten, ein spektrales Emissionsvermögen aufweisen, welches in dem sichtbaren Bereich besonders hoch und in dem infraroten niedrig ist; für solche Materialien würde, trotz der guten Eigenschaften des spektralen Emissionsvermögens, die Leuchteffizienz ansonsten durch ihre Verwendung bei einer niedrigen Temperatur beschränkt sein (wie es gut bekannt ist, wächst die sichtbare Komponente, die von einem grauen Körper ausgesendet wird, wenn die Temperatur anwächst, wobei das Maximum bei T von ungefähr 6000 K, der Oberflächentemperatur der Sonne, erreicht wird).
Um das spektrale Absorptionsvermögen des Emitters in dem sichtbaren Bereich zu erhöhen und die spektrale Absorption in dem infraroten Bereich zu minimieren, ist die Wahl des Materials, aus dem der Emitter hergestellt wird, zumindest genauso wichtig wie die Morphologie der Mikrostruktur, die auf dem Emitter erhalten wird.
Lediglich beispielhaft weist ein Material, wie Gold, ein spektrales Emissionsvermögen bei Raumtemperatur auf, das besonders geeignet dazu ist, einen effizienten Emitter zu erhalten, da das spektrale Reflexionsvermögen in dem nahe infraroten Bereich sehr hoch ist und plötzlich in dem sichtbaren Bereich des Spektrums abnimmt (daher resultiert die gelbe Farbe aufgrund der hohen Absorption in dem blauen Bereich). Man betrachte in dieser Hinsicht 1, in der die Kurve CRAu das Reflexionsvermögen einer Goldfolie darstellt, welches in dem nahen infraroten Bereich deutlich größer ist, als das ebenen Wolframs, wie es in der Kurve CRW dargestellt ist, und mit einem deutlich schärferen Absinken in den sichtbaren Bereich im Vergleich zu Wolfram; in der genannten 1 stellt die Kurve CEAu das Emissionsvermögen derselben Goldfolie dar. Die Effizienz (wie zuvor definiert) eines ebenen Wolframemitters bei 2000 K liegt bei ungefähr 6 %, während diejenige eines ebenen Goldemitters bei ungefähr 8 % liegt (Oberflächentemperatur von 2000 K, größer als die des Schmelzpunktes von Gold).
Wie gesagt, besteht ein Element der Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung darin, die Oberfläche des Emitters zu strukturieren, welcher vorzugsweise in Plättchenform mit parallelen Flächen vorliegt, der jedoch ebenso in Form eines Drahtes vorliegen kann, zylindrisch oder mit einer anderen Querschnittsfläche, wobei die dreidimensionale Mikrostruktur eine Periodizität unterhalb der sichtbaren Wellenlänge und dergestalt aufweist, dass die Absorption selektiv, hauptsächlich in dem sichtbaren Bereich des Spektrums, erhöht wird. Dieses ermöglicht es, bei gleichen Gleichgewichtstemperaturen den Teil der Strahlung zu erhöhen, der in dem sichtbaren Bereich emittiert wird, wobei der Teil, der in dem infraroten Bereich emittiert wird, weniger erhöht wird als der sichtbare Teil, und wodurch die Leuchteffizienz des Emitters erhöht wird. Allgemein gesprochen liegen die Abmessungen des Emitters gemäß der Erfindung sowohl hinsichtlich der Gesamtdicke als auch der Tiefe/Höhe der Mikrovorsprünge oder der Mikrohohlräume in der Ordnung von zehn oder einhundert Nanometern. Die Größe und Periodizität der Mikrostruktur werden gemäß dem reellen und imaginären Brechungsindex eines verwendeten Materials, der Betriebstemperatur und der zu erhaltenden Kurve des spektralen Reflexionsvermögens bestimmt.
Es sollte berücksichtigt werden, dass die Kurve des spektralen Reflexionsvermögens nicht nur von der Struktur des zur Verfügung gestellten Antireflektionsgitters abhängt, sondern ebenso von dem Einfallswinkel und der Polarisation des Lichts. Die Antireflektions-Mikrostruktur gemäß der Erfindung kann als eine Funktion eines bestimmten Einfallswinkels (typischerweise des senkrechten Einfalls) und eines Polarisationszustandes optimiert werden, was bedeutet, dass die Kurve des Reflexionsvermögens in der Tat lediglich für einen bestimmten Einfallswinkel optimiert wird. Das Gitter kann jedoch ebenso hinsichtlich der Gitterkonstanten, der Höhe und Form der Mikrovorsprünge oder der Mikrohohlräume auf eine solche Weise optimiert werden, dass die Winkelempfindlichkeit des Gitters minimiert wird.
Speziell bevorzugte Eigenschaften des Emitters gemäß der vorliegenden Erfindung, wie auch Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtungen, die den Emitter verwenden, werden in den angehängten Ansprüchen dargelegt, welche als ein integraler Bestandteil der vorliegenden Beschreibung zu verstehen sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zusätzliche Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden leicht aus der folgenden Beschreibung offensichtlich, welche mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, welche lediglich als nicht beschränkende Beispiele zur Verfügung gestellt werden, offensichtlich, worin:
1 ist ein Diagramm, welches das Reflexionsvermögen (Kurve CRW) und das Emissionsvermögen (Kurve CEW) von Wolfram bei Umgebungstemperatur für verschiedene Wellenlängen in dem sichtbaren und dem Nahinfrarotspektrum verglichen mit dem spektralen Reflexionsvermögen (Kurve CRAu) und dem Emissionsvermögen (Kurve CEAu) von Gold darstellt;
2 ist ein Diagramm, welches die Planck-Kurve bei 2800 K (Kurve CP) mit der spektralen Leistung vergleicht, welche von einem Wolframfilament bei 2800 K emittiert wird; für Wolfram zeigt das Diagramm sowohl experimentell gemessene Werte (Kurve PM) als auch die Werte, die unter Verwendung der optischen Konstanten von Wolfram bei Umgebungstemperatur berechnet werden (Kurve PC);
3 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils eines Emitters, welcher auf der Oberfläche mit einem eindimensionalen Brechungsgitter, d. h. mit periodischen Erhöhungen entlang einer einzelnen Richtung, versehen ist;
4 und 5 sind schematische perspektivische Darstellungen von jeweiligen Bereichen von zwei Emittern, welche auf der Oberfläche mit jeweiligen zweidimensionalen Brechungsgittern, d. h. mit periodischen Erhöhungen entlang von zwei zueinander senkrechten Richtungen auf der Oberfläche des Emitters, versehen sind;
6 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Bereichs eines weiteren Emitters, welcher auf der Oberfläche mit einem zweidimensionalen Brechungsgitter mit rhombischer Symmetrie versehen ist, welches durch periodische Hohlräume entlang von zwei nicht senkrecht aufeinander stehenden Richtungen auf der Oberfläche des Emitters ausgebildet ist;
7 ist ein Diagramm, welches das spektrale Emissionsvermögen von ebenem Wolfram (Kurve CEW) und das von Wolfram, welcher durch ein Gitter derart, die in 3 gezeigt ist, nanostrukturiert ist (Kurve CEW'), vergleicht;
8 ist ein Diagramm, welches das spektrale Emissionsvermögen von ebenem Gold (Kurve CEAu) und das von Gold vergleicht, welches mit einem Gitter der Art nanostrukturiert ist, welche in 3 gezeigt ist (Kurve CEAu');
9 ist ein Diagramm, das das relative Anwachsen in dem spektralen Emissionsvermögen als eine Funktion der Wellenlänge für eine Wolfram-Emitter-Nanostruktur mit einem Gitter der Art zeigt, welche in 3 gezeigt ist;
10 ist ein Diagramm, welches das relative Anwachsen in dem spektralen Emissionsvermögen als eine Funktion der Wellenlänge für einen Goldemitter zeigt, welcher mit einem Gitter der Art nanostrukturiert ist, welche in 3 gezeigt ist;
11 und 12 sind schematische Schnittansichten von jeweiligen Bereichen des Emitters in Übereinstimmung mit zwei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die auf der Oberfläche mit jeweiligen zweidimensionalen Beugungsgittern versehen sind, und die in einem feuerfesten Oxid eingekapselt sind;
13 ist eine schematische Darstellung eines Emitters entsprechend der Erfindung, welcher durch einen nanostrukturierten Träger (W), der durch eine dünne Schicht (Au) eines Materials, nicht notwendigerweise mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Gold, Silber, Kupfer, beschichtet ist, und durch zumindest eine obere Einkapselungsschicht, die durch ein feuerfestes Oxid (OR) gebildet wird, ausgebildet ist;
14 ist eine schematische Darstellung eines Emitters gemäß der Erfindung, in dem die Nanostruktur in einer Schicht (Au) ausgebildet ist, die aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Gold, Silber, Kupfer, ausgebildet ist, welche auf einem ebenen Substrat (W) aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram, ausgebildet ist und ebenso, zumindest oberflächlich, in einer Schicht aus feuertestem Oxid (OR) eingekapselt ist;
15 ist eine schematische Darstellung eines Emitters gemäß der Erfindung, in dem das Nanostruktur-Gitter auf feuerfestem Oxid (OR) erhalten wird, und das genannte Gitter oberflächlich von einer Schicht (Au) von Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie Gold, Silber, Kupfer, beschichtet ist, wobei die Schicht mit niedrigem Schmelzpunkt ihrerseits von einer zusätzlichen Schicht aus feuerfestem Oxid beschichtet ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Wie zuvor erläutert, wird das Anwachsen in der Effizienz der sichtbaren Strahlung mittels einer geeigneten Mikrostruktur der Oberlfläche des Glühemitters erhalten; die genannte Mikrostruktur ist dahingehend wirksam, das Reflexionsvermögen ρ in dem sichtbaren Bereich des Spektrums zu verringern, wobei das Reflexionsvermögen ρ in dem nahen infraroten Bereich zu einem geringeren Maße verringert wird, um die Emissionseffizienz in dem sichtbaren Bereich zu erhöhen.
Das gewünschte Antireflektionsverhalten kann sowohl mit einem eindimensionalen Gitter, d. h. mit periodischen Vorsprüngen entlang einer einzelnen Richtung auf der Oberfläche des Filaments, als auch mit einem zweidimensionalen Beugungsgitter, d. h. mit periodischen Vorsprüngen entlang zweiter orthogonaler Richtungen, die nicht notwendigerweise parallel zueinander sind, auf der Oberfläche des Filaments erreicht werden. Zu diesem Zwecke bezeichnet in 3 das Bezugszeichen F einen Teil eines Emitters, der auf der Oberfläche ein Beugungsgitter R durch periodische Mikrovorsprünge R1 entlang einer einzelnen Richtung ausgebildet aufweist; in dem Fall, der in den 4 und 5 gezeigt ist, weist der Teil F des Emitters gemäß der Erfindung hingegen auf der Oberfläche ein Beugungsgitter R auf, welches durch periodische Mikrovorsprünge R2 entlang zweier orthogonaler Richtungen ausgebildet ist. Es sollte bemerkt werden, dass die Antireflektionsstruktur R auch eine davon verschiedene Symmetrie, wie eine rhombische, hexagonale oder andere Art von Symmetrie, aufweisen könnte.
In den 3–5 bezeichnet das Bezugszeichen h die Tiefe oder Höhe der Vorsprünge R1, R2, das Bezugszeichen D bezeichnet die Breite der Vorsprünge und P die Periode des Gitters R; der Füllfaktor für dieses Gitter R ist in dem Fall der 3 als das Verhält nis D/P, in dem Fall von 4 als das Verhältnis D²/P² und in dem Fall von 5 als das Verhältnis πD²/(4 P²) definiert.
6 zeigt einen Teil F eines Emitters, dessen oberflächliches Beugungsgitter R hingegen durch Mikrohohlräume R ausgebildet ist, die periodisch entlang zweier orthogonaler Richtungen, die nicht notwendigerweise parallel zueinander sind, sind; in der Substanz weist die Antireflektionsstruktur, wie sie in 6 dargestellt ist, eine Form auf, die komplementär zu der Form der Struktur ist, die in 5 gezeigt ist.
Im Allgemeinen kann das Antireflektionsgitter gemäß der Erfindung ebenso ein Mehrfachniveau sein oder mit einem stufenlosen Profil ausgebildet sein, wodurch es ermöglicht wird, die Freiheitsgrade zu erhöhen, um das Gitter zu optimieren und die Effizienz weiter zu erhöhen.
Das Beugungsgitter R ist permanent in einer Schicht aus feuerfestem Oxid, z. B. Yttriumoxid, eingekapselt; das Vorhandensein der genannten Schicht aus Oxid hat mehrere Vorteile:

– sie ermöglicht es, die Effizienz des Emitters weiter zu erhöhen, wobei sie selbst als eine Antireflektionsbeschichtung wirkt, die in der Lage ist, die Antireflektionseigenschaften des Beugungsgitters R zu komplementieren;
– sie kann es ermöglichen, dass das Filament unter weniger ausgeprägten Vakuumbedingungen oder prinzipiell sogar in Luft ohne das Auftreten des Phänomens der Oxidation des Emitters F arbeitet;
– sowohl unter Vakuum- als auch Inertgasatmosphärenbedingungen ermöglicht das Vorhandensein der Oxidbeschichtung es, die Verdampfungsrate des Materials zu verringern, welches den Emitter bildet, und verlängert so die mittlere Lebenszeit der Quelle und erhält die Form der Mikrostruktur R;
– sie erlaubt es, gemäß der vorliegenden Erfindung, Materialien, wie Gold, zu verwenden, deren optische Konstanten besser für das Herstellen von Hocheffizienzemittern geeignet sind, selbst wenn die Betriebstemperaturen den Schmelzpunkt des Materials selbst überschreiten (jedoch weiterhin niedriger als der Schmelz punkt des feuertesten Oxids sind), durch Einkapseln der genannten Materialien und Gewährleisten, dass die strukturelle Morphologie des Emitters F beibehalten wird.

Aus der vorhergehenden Beschreibung und aus den 7 und 9 (in denen die Kurve CEW das spektrale Emissionsvermögen von ebenem Wolfram und die Kurve CEW die von Wolfram, das gemäß der Erfindung nanostrukturiert ist, darstellt) ist es leicht ersichtlich, dass durch das Antireflektionsnanostrukturieren des Emitters F bei gleichen Betriebstemperaturen T das Verhältnis zwischen der Strahlung, die in dem sichtbaren Bereich des Spektrums emittiert wird, und der Gesamtstrahlung, die in dem sichtbaren und infraroten Bereich des Spektrums emittiert wird, für einen Emitter gemäß der Erfindung größer als das selbe Verhältnis mit Hinsicht auf den Fall eines herkömmlichen Glühfilaments ist, welches mit Hinsicht auf die Lichtquelleneffizienz offensichtliche Vorteile sind. Insbesondere ermöglicht die Antireflektionsstruktur R, wenn der vorgeschlagene Emitter ein spektrales Absorptionsvermögen α(λ, T) bei einer Betriebstemperatur T und für eine Wellenlänge λ aufweist (wobei das Absorptionsvermögen mit dem spektralen Reflexionsvermögen ρ(λ, T) und dem spektralen Transmissionsvermögen τ(λ, T) durch das Verhältnis α(λ) gleich 1 – ρ(λ, T) – τ(λ, T) verbunden ist) es, das Absorptionsvermögen α(λ) für λ aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums zu maximieren, wohingegen das Absorptionsvermögen α(λ) für λ aus dem infraroten Bereich des Spektrums zu einem geringeren Grad erhöht wird.
Die Mikrostruktur R ist somit dazu geeignet, das spektrale Emissionsvermögen des Emitters F zu ändern, wobei der Teil des emittierten sichtbaren Lichts erhöht wird, und somit die Leuchteffizienz der Lampe oder Lichtquelle, welche den genannten Emitter enthält. In dieser Hinsicht wird angenommen, dass die Mikrovorsprünge R1, R2 oder die Mikrohohlräume C die elektromagnetische Strahlung in dem sichtbaren Spektrum des Emitters F maximieren, ohne in anderen spektralen Bereichen das Reflexionsvermögen zu verringern, in der Tat möglicherweise sogar dieses zu erhöhen.
Wie oben erläutert, basiert die Wirkung der Mikrostruktur R auf dem Kirchoffschen Gesetz, gemäß dem unter Bedingungen des thermischen Gleichgewichts die elektromagnetische Strahlung, die von einem Körper bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert wird, gleich der emittierten elektromagnetischen Strahlung ist. Eine direkte Konsequenz aus diesem Gesetz ist es, dass, wenn die Oberfläche eines Körpers ein niedriges spektrales Reflexionsvermögen bei einer gegebenen Wellenlänge aufweist, das entsprechen de spektrale Emissionsvermögen sehr hoch sein wird; und umgekehrt, dass, wenn das spektrale Reflexionsvermögen hoch ist, das entsprechende Emissionsvermögen niedrig sein wird.
Die Abhängigkeit des spektralen Reflexionsvermögens von dem Winkel und von dem Polarisationszustand wirkt sich auf eine vergleichbare Winkelabhängigkeit des spektralen Emissionsvermögens auf der Grundlage der obigen Betrachtungen aus. Somit wird hinsichtlich der Strahlung, welche von dem oberflächlich mikrostrukturierten Emitter bei einer bestimmten Wellenlänge ausgesendet wird, die entsprechende Strahlungskeule nicht lambertartig sein (konstante Strahlung wie im Fall einer nicht strukturierten Quelle), sondern sie wird dem Winkelverhalten des Gitters, wie es durch die Mikrostruktur R gegeben ist, folgen. Außerdem wird die emittierte Strahlung einen Grad an Polarisation und Kohärenz anders als die Strahlung, die von einer Glühquelle gemäß dem Stand der Technik emittiert wird, aufweisen.
Die oben beschriebenen Vorteile können im größeren Maße mit Hilfe von nanostrukturierten Emittern erhalten werden, welche aus Materialien hergestellt sind, die geeignetere optische Konstanten als Wolfram besitzen.
In dieser Hinsicht betrachte man z. B. 8, in welcher das spektrale Emissionsvermögen von ebenem Gold (Kurve CEAu) mit demjenigen von Gold verglichen ist, das mit einem Beugungsgitter R entsprechend der Erfindung nanostrukturiert ist, und 10, welche ein relatives Anwachsen in dem spektralen Emissionsvermögen als eine Funktion der Wellenlänge für einen Goldemitter zeigt, der entsprechend der Erfindung nanostrukturiert ist.
An diesem Punkt sollte man sich daran erinnern, dass viele Materialien mit niedrigeren Schmelzpunkten als Wolfram, wie Gold, Silber, Kupfer, vorteilhaftere Emissionseigenschaften als Wolfram besitzen, auch wenn ihr niedriger Schmelzpunkt normalerweise ihren Gebrauch bei Betriebstemperaturen ausschließt, bei denen die sichtbare Emission effizient ist (> 1500 K); wie oben erwähnt, muss der Körper, um eine vorteilhafte Schwarzkörperemission zu erhalten (d. h. eine mit einer größeren sichtbaren Emission), bei der höchstmöglichen Temperatur genommen werden (maximale Effizienz oberhalb von 5000 K). In dem Fall von Emittermaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt kann das Material selbst schmelzen oder zumindest deformiert werden, wenn der Strom, der das Glühen hervorbringt, fließt, welches den Verlust der Gitterform mit sich bringt, die in der Lage ist, die Emissionseffizienz zu erhöhen, bis der Emitter vollständig zerstört ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird daher ein feuertestes Oxid verwendet, um das Filament, das mit dem Gitter versehen ist, auf eine solche Weise einzukapseln, das das Aufweichen oder sogar der Übergang in einen flüssigen Zustand von dem nanostrukturierten Leitermaterial nicht das Zerstören des Gitters und letztlich des Emitters mit sich bringt. Das feuerfeste Oxid, welches bei der Temperatur des Glühens des Emitters (1500K–2000 K in Abhängigkeit von dem Material) nicht deformierbar wird, bildet in der Tat eine komplementäre Matrix zu dem Antireflektionsgitter aus und ist damit in der Lage, die Form desselben selbst dann beizubehalten, wenn das Material, aus dem der Emitter gebildet ist, deformiert oder verflüssigt wird. Auf diese Weise ist die Leistungsfähigkeit des Gitters gewährleistet, und es wird, wie oben erläutert, das Verhalten der a priori entworfenen Emission beibehalten.
Der Emitter oder ein Teil davon wird mit einem Leiter oder Halbleiter mit niedrigem Schmelzpunkt ausgebildet, der jedoch optische Konstanten besitzt, die dazu geeignet sind, die Effizienz des Emitters durch eine geeignete Nanostrukturierung signifikant zu erhöhen. Das Leitermaterial von besonderem Interesse ist in diesem Sinne z. B. Gold, Silber und Kupfer.
Wie es leicht aus einem Vergleich der 7–8 und 9–10 gesehen werden kann, sind die Effekte der Oberflächenmikrostruktur des Emitters für eine Effizienzerhöhung bei Gold deutlich signifikanter als bei Wolfram. Die Effizienz eines Wolframemitters, welcher geeignet strukturiert und durch Yttriumoxid beschichtet ist, liegt bei 2000 K bei ungefähr 8 % (d. h. 20 % relativer Anwach), wohingegen ein strukturierter Goldemitter, der in Yttrium eingekapselt ist, so dass er in der Lage ist, seine strukturelle Morphologie selbst oberhalb des Schmelzpunktes zu erhalten, seine Effizienz im Vergleich zu ebenem Gold um über 200 % erhöht, wodurch eine Effizienz von 25 % erreicht wird.
Die 11 und 12 sind Teil- und schematische Ansichten von zwei Emitern F gemäß der vorliegenden Erfindung, welche sich zwischen jeweiligen Elektroden H erstrecken.
In dem Fall von 11 weist der Emitter F eine Antireflektionsstruktur R der Art auf, die in 5 gezeigt ist, welche aus im wesentlichen zylindrischen Mikrovorsprüngen oder Pfeilern R2 gebildet wird, wohingegen in dem Fall von 12 die Struktur R von der Art ist, die in 6 gezeigt ist, welche durch Mikrohohlräume C gebildet wird, die einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Emitter F ist auf eine solche Weise strukturiert, dass ein zweidimensionales Beugungsgitter, welches z. B. aus Gold hergestellt ist, erhalten wird, indem der elektrische Strom, welcher das Glühen bewirkt, fließt. Die Elektroden H sind hingegen aus einem Leitermaterial mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram und Ähnliches, oder aus einem Halbleitermaterial, wie Kohlenstoff und Ähnliches, hergestellt. Das Material des Emitters F mit niedrigem Schmelzpunkt, welches von dem Strom durchflossen wird, erreicht hohe Temperaturen; in dem beispielhaften Fall, in dem das interessierende Material Gold ist, wird z. B. die Strahlung von dem Emitter bei einer Betriebstemperatur von etwa 1900–2000 Grad Kelvin emittiert. Wie zuvor erläutert, würde bei solchen Temperaturen das Goldgitter verflüssigt werden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird daher die Schicht aus feuerfestem Oxid bereitgestellt, welche durch das Bezugszeichen OR in den 11 und 12 bezeichnet ist, welche den Emitter F vollständig bedeckt, wobei sie seinem Profil in dem strukturierten Teil R folgt; in anderen Worten ist das feuerfeste Oxid R das perfekte weibliche Pendant 8 (in dem Fall der Struktur mit Mikrovorsprüngen R2) oder das perfekte männliche Pendant (in dem Fall der Struktur mit Mikrohohlräumen C) des Beugungsgitters R.
Das Oxid OR mit hoher Schmelztemperatur kann z. B. ein Oxid auf Keramikbasis, Thorium, Cerium, Yttrium, Aluminium, Zirkoniumoxid sein.
Wenn das Metallgitter R deformiert und/oder geschmolzen wird, erhält die Oxidmatrix OR das Phasenprofil des Gitters R, d. h. sie gewährleistet, dass seine Form beibehalten wird, selbst wenn das Gittermaterial, welches den Emitter bildet, den Flüssigkeitszustand erreicht.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden eine oder mehrere Kehlungen oder Hohlräume G zur Verfügung gestellt, die auf dem Material des Emitters F offen sind, z. B. in Entsprechung mit einer oder mehreren Elektroden, wie es schematisch in 11 gezeigt ist, oder innerhalb der Struktur des feuerfesten Oxids sind, wie es in 12 schematisch gezeigt ist. Solche Hohlräume oder Kehlungen G werden zur Verfügung gestellt, um mit dem Material des Emitters F, dessen Volumen sich bei hohen Temperaturen ausdehnen kann, gefüllt zu werden; die genannten Kehlungen G dienen somit da zu, Ablösungsphänomene zwischen dem Oxid OR und dem Material des Emitters sowie ein Zerreißen der Vorrichtung zu verhindern.
In den zuvor vorgeschlagenen Implementationen kann die Mikrostruktur R direkt aus dem Material erhalten werden, aus dem der Emitter F gebildet ist.
Ein erstes mögliches Verfahren stellt eine Vorlage, die aus porösem Aluminium (porösem Aluminiumoxid) hergestellt ist, zur Verfügung. Zu diesem Zweck wird ein Aluminiumfilm mit einer Dicke von der Ordnung eines Mikrons mit Hilfe von Sputtering oder thermischen Verdampfen auf einem geeigneten Substrat, das z. B. aus Siliziumglas hergestellt ist, abgeschieden, und es wird danach einem Anodisierungsprozess unterzogen.
Der Prozess der Anodisierung des Aluminiumfilms kann unter Verwendung verschiedener elektrolytischer Lösungen in Abhängigkeit von der Größe und dem Abstand der Aluminiumporen, die zu erhalten sind, ausgeführt werden.
Die Aluminiumschicht, die mit Hilfe der ersten Anodisierung des Aluminiumfilms erhalten wird, weist eine irreguläre Struktur auf; um eine hoch gleichförmige Struktur zu erhalten, ist es notwendig, nachfolgende Anodisierungsprozesse auszuführen und insbesondere zumindest

i) eine erste Anodisierung des Aluminiumfilms;
ii) einen Schritt des Reduzierens durch Ätzen des ungleichförmigen Aluminiumfilms, welcher mit Hilfe von Säurelösungen (wie CrO₃ und H₃PO₄) ausgeführt wird;
iii) eine zweite Anodisierung des Aluminiumfilms, welche von dem übrig gebliebenen Teil von Aluminium, welches nicht mit Hilfe des Ätzens entfernt worden ist, ausgeht.

Der Ätzschritt nach ii) oben ist wichtig, um auf den übrig gebliebenen Teil des ungleichförmigen Aluminiums bevorzugte Gebiete des Wachsens des Aluminiums selbst in dem zweiten Anodisierungsschritt zu bilden.
Das Ausführen der aufeinander folgenden Operation des Ätzens und Anodisierens mehrere Male ermöglicht es, dass die poröse Aluminiumstruktur sich verbessert, bis sie in hohem Maße gleichförmig wird.
Wenn die gleichmäßige Aluminiumvorlage erhalten worden ist, wird sie mit dem gewünschten Emittermaterial, z. B. mit Hilfe von Magnetron-Sputtering (DC oder RF) infiltriert, d. h. auf eine solche Weise, dass die Aluminiumstruktur als eine Form für den strukturierten Bereich des Emitters F dient.
In dem Fall eines Wolframemitters kann die Aluminiumstruktur danach auf eine solche Weise eliminiert werden, dass sie durch ein feuerfestes Oxid ersetzt wird, dessen Schmelzpunkt höher als der von Aluminium ist und das mit Hilfe von RF-Sputtering abgeschieden werden kann. Umgekehrt kann in dem Fall eines Emitters, der aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt ist und wenn die Betriebstemperatur des Filamentes unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium gehalten wird, die Aluminiumstruktur, welche transparent ist, beibehalten werden, um zu gewährleisten, dass die Form des Gitters R bei den Betriebstemperaturen des Emitters selbst beibehalten wird; in diesem Fall wird auf den Teil des Emitters F, der nicht strukturiert und durch das poröse Aluminium geschützt ist, ein feuerfestes Oxid abgeschieden, um einen global geschlossenen Container für das Emittermaterial bereitzustellen.
Ein anderer möglicher Herstellungsprozess startet mit einem Filament oder mit einer ebenen Schicht aus dem gewählten Material und ätzt die Mikrostruktur R unter einer Wellenlänge unter Verwendung von irgendeinem der bekannten Nanomusterungsverfahren (Elektronenstrahl oder FIB oder einfache Advanced-Fotolithografie). In dem Fall eines Materials mit niedrigem Schmelzpunkt wird der so erhaltene Emitter durch ein feuerfestes Oxid, z. B. mit Hilfe von Sputtering, CVD, Elektroabscheiden, beschichtet.
In anderen Ausführungsformen kann der Emitter F gemäß der Erfindung durch mehrere, untereinander verschiedene Materialien ausgebildet werden. Zum Beispiel kann, wie in 13, das Trägermaterial des Emitters ein Leiter mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Wolfram, bezeichnet als W, sein, wobei die Mikrostruktur R direkt auf dem genannten Material erhalten wird; auf der genannten Mikrostruktur wird eine dünne und gleichförmige Schicht aus Leiter- oder Halbleitennaterial mit niedrigem Schmelzpunkt und vorteilhafteren optischen Eigenschaften im Vergleich zu Wolfram, wie Gold, das mit dem Bezugs zeichen Au bezeichnet ist, zur Verfügung gestellt; die Schicht Au ermöglicht es, das Profil des Mikrovorsprungs R beizubehalten, während gewünschtere Emissionseigenschaften von Gold ausgenutzt werden; die Schicht aus feuerfestem Oxid OR ermöglicht es, die Form der Struktur unter Bedingungen einer Betriebstemperatur beizubehalten, welche die Schmelztemperatur der Schicht mit niedrigem Schmelzpunkt Au übersteigt. Diese Ausführungsform kann ebenso mit einer Schicht aus feuerfestem Oxid OR auf der Schicht des Materials W mit hohem Schmelzpunkt versehen werden, um seine Verdampfung und/oder Oxidation zu verhindern.
In einer zusätzlichen bevorzugten Konfiguration, die in 14 gezeigt ist, kann die Mikrostruktur R auf einer Schicht aus Leiter- oder Halbleitermaterial mit niedrigem Schmelzpunkt erhalten werden, das hinsichtlich der optischen Eigenschaften vorteilhaft ist, wie Gold, das mit dem Bezugszeichen Au bezeichnet ist, wobei die genannte Schicht Au, welche das Gitter R trägt, das auf einer Schicht aus Leitermaterial mit hohem Schmelzpunkt erhalten wird, wie Wolfram, welches mit dem Bezugszeichen W bezeichnet ist; in dieser Ausführungsform ermöglicht es eine erste Schicht OR aus feuertestem Oxid, dass die Form der Mikrostruktur R unter Bedingungen der Betriebstemperatur erhalten bleibt, welche die Schmelztemperatur der Schicht mit niedrigem Schmelzpunkt Au, in der die Mikrostruktur selbst ausgebildet ist, überschreitet. In diesem Fall kann ebenso eine zweite Schicht aus feuertestem Oxid OR auf der Schicht aus Material mit hohem Schmelzpunkt W bereitgestellt werden, um seine Verdampfung und/oder Oxidation zu verhindern.
Sowohl in der Konfiguration von 13 als auch in derjenigen von 14 wird der elektrische Strom sowohl durch das Material mit hohem Schmelzpunkt W als auch durch das Material mit niedrigem Schmelzpunkt Au transportiert.
In einer zusätzlichen bevorzugten Konfiguration, die in 15 gezeigt ist, kann die Mikrostruktur R direkt auf einer Schicht aus feuertestem Oxid OR erhalten werden; auf der Schicht OR, in welcher die Struktur R ausgebildet ist, wird eine dünne gleichförmige Schicht aus Leiter- oder Halbleitermaterial mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Gold, das mit dem Bezugszeichen Au bezeichnet ist, bereitgestellt; die Schicht Au, die auf der Mikrostruktur R, die in dem Oxid OR ausgebildet ist, erhalten wird, dient hier direkt als ein Emitter oder Träger von elektrischem Strom; eine zweite Schicht aus feuerfestem Oxid OR, welche die Schicht Au beschichtet, ermöglicht es, die Form der Struktur unter Be dingungen einer Betriebstemperatur beizubehalten, welche die Schmelztemperatur der Schicht mit niedrigem Schmelzpunkt überschreitet.
Natürlich können die Konstruktionsdetails und die Ausführungsformen, ohne das Prinzip der Erfindung zu verändern, stark demgegenüber variieren, was hierin lediglich beispielhaft beschrieben und illustriert worden ist, ohne dadurch den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.
Der Emitter F, der hierin beschrieben ist, kann verwendet werden, um Glühlichtquellen verschiedener Art zu erhalten und insbesondere für die Produktion von Lichtvorrichtungen für motorisierte Fahrzeuge. Die Erfindung ist ebenso für die Anwendung für den Zweck des Erhaltens einer ebenen Matrix von Mikroquellen von Glühlicht geeignet, wobei jede der letzteren mit einem jeweiligen Filament oder Emitter in Übereinstimmung mit der Erfindung versehen ist.

Claims

Ein Emitter für Glühlichtquellen, der in der Lage ist, durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden, wobei auf zumindest einer Oberfläche des Emitters (F) eine Mikrostruktur (R) bereitgestellt wird, die wirksam ist, die Absorptionsfähigkeit für Wellenlängen, die zu dem sichtbaren Bereich des Spektrums gehören, zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, dass – die genannte Mikrostruktur (R) zumindest teilweise aus einem Material (W; Au; W, Au) gebildet ist, dessen Schmelztemperatur niedriger als eine Betriebstemperatur des Emitters (F) ist, und – zumindest ein wesentlicher Teil des Emitters (F), der die genannte Mikrostruktur (R) einschließt, mit einem feuerfesten Oxid (OR) oder einem Oxid mit einer hohen Schmelztemperatur beschichtet ist, wobei das genannte Oxid wirksam ist, ein Profil der genannten Mikrostruktur (R) in dem Fall der Deformation oder Zustandsänderung des genannten Materials (W; Au; W, Au) zu erhalten, die aus der Verwendung des Emitters (F) bei Betriebstemperaturen folgt, die die Schmelztemperatur des genannten Materials (W; Au; W, Au) überschreiten.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Oxid (OR) wirksam ist, ein Profil der genannten Mikrostruktur (R) ebenso vor den Effekten des Verdampfens des jeweiligen Materials (W; Au; W, Au) zu schützen.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter (F) beinahe vollständig, insbesondere mit Ausnahme von bestimmten Bereichen zur Verbindung mit Anschlüssen (H), mit dem genannten Oxid (OR) beschichtet ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur (R) aus einem Leiter, Halbleiter oder Verbundmaterial (W; Au; W, Au) hergestellt ist, dessen optische Konstanten in Kombination mit der Form der Mikrostruktur (R) so sind, dass eine höhere Leuchtemissionseffizienz als für ein klassisches Glühfilament ermöglicht wird, wobei die genannte Effizienz als das Verhältnis von dem Anteil der sichtbaren Strahlung, welcher bei der Betriebstemperatur in dem Bereich von 380 nm–780 nm ausgestrahlt wird, und dem Anteil der Strahlung, welcher bei der selben Temperatur in dem Bereich von 380 nm–2300 nm ausgestrahlt wird, definiert ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Material (Au) aus einem Leiter, einem Halbleiter und einem Verbundmaterial ausgewählt wird, dessen Schmelztemperatur niedriger als die Betriebstemperatur des Filaments (F) ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zumindest einer ersten Schicht eines Leitermaterials (W), das bei einer höheren Temperatur als der Betriebstemperatur des Emitters (F) schmilzt, wie Wolfram, und einer zweiten Schicht eines Materials (Au), das aus einem Leiter, einem Halbleiter und einem Verbundmaterial ausgewählt wird, dessen Schmelztemperatur niedriger als die Betriebstemperatur des Emitters (F) ist, gebildet wird.
Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur (R) zumindest teilweise aus einem Material gebildet wird, das aus Gold, Silber und Kupfer ausgewählt wird.
Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Oxid (OR) aus keramischen Basisoxiden, Thorium, Cerium, Yttrium, Aluminium oder Zirkoniumoxid ausgewählt wird.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur (R) mithilfe einer Oberflächenmikrostruktur des Emitters (F), d.h. mit dem selben Material, aus dem der Emitter gebildet ist, erhalten wird.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur ein Beugungsgitter (R) umfasst, das zumindest eine Mehrzahl von Mikrovorsprüngen (R1, R2) oder eine Mehrzahl von Mikrohohlräumen (C) aufweist, wobei die Abmessungen (h, D) der Mikrovorsprünge (R1, R2) oder der Mikrohohlräume (C) und die Periode (P) des Gitters (R) so sind, dass sie – die Emission sichtbarer elektromagnetischer Strahlung von dem Material (W; Au; W, Au), aus dem zumindest die Mikrostruktur (R) gebildet ist, erhöhen, und/oder – die Emission infraroter elektromagnetischer Strahlung von dem Material (W; Au; W, Au), aus dem zumindest die Mikrostruktur (R) gebildet ist, verringern, und/oder – die Emission der infraroten elektromagnetischen Strahlung von dem Material (W; Au; W, Au), aus dem zumindest die Mikrostruktur gebildet ist, zu einem geringeren Grade mit Hinsicht auf die Zunahme in dem sichtbaren Emissionsvermögen erhöhen.
Ein Emitter, wie in Anspruch 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gitter (R) erhalten wird durch ein – erstes Leitermaterial (W), das bei einer höheren Temperatur als der Betriebstemperatur des Emitters (F) schmilzt, wobei das erste Material einen strukturierten Teil besitzt, – eine Beschichtungslage (Au), die zumindest den strukturierten Teil des genannten ersten Materials (W) bedeckt, wobei die Beschichtungslage aus einem zweiten Matenal (Au) besteht, das aus einem Leiter, einem Halbleiter oder einem Verbundmaterial ausgewählt ist, der oder das bei einer niedrigeren Temperatur als der Betriebstemperatur des Emitters (F) schmilzt, wobei die Beschichtungslage (Au) hinreichend dünn ist, so dass sie das Profil des strukturierten Teils des ersten Materials (W) nachbildet, um damit das genannte Gitter (R) zu bilden, und das zweite Material (Au) eine größere Emissionseffizienz als das erste Material (W) besitzt, wobei die genannte Effizienz als das Verhältnis von dem Anteil der sichtbaren Strahlung, welcher bei der Betriebstemperatur in dem Bereich von 380 nm–780 nm ausgestrahlt wird, und dem Anteil der Strahlung, welcher bei der selben Temperatur in dem Bereich von 380 nm–2300 nm ausgestrahlt wird, definiert ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass – das genannte Gitter (R) auf der Oberfläche einer Schicht (Au) eines ersten Leiters, Halbleiters oder Verbundmaterials erhalten wird, dessen Schmelztemperatur niedriger als die Betriebstemperatur des Filaments (F) ist, – die genannte Schicht (Au) auf einem zweiten Leitermaterial (W) positioniert ist, dessen Schmelztemperatur höher als die Betriebstemperatur des Emittters (F) ist, wobei das erste Material (Au) eine größere Emissionseffizienz als das zweite Material (W) aufweist, wobei die genannte Effizienz als das Verhältnis von dem Anteil der sichtbaren Strahlung, welcher bei der Betriebstemperatur in dem Bereich von 380 nm–780 nm ausgestrahlt wird, und dem Anteil der Strahlung, welcher bei der selben Temperatur in dem Bereich von 380 nm–2300 nm ausgestrahlt wird, definiert ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gitter (R) erhalten wird durch – eine Schicht aus dem genannten Oxid (OR), das einen strukturierten Teil besitzt, – eine Beschichtungslage (Au), die zumindest den strukturierten Teil der genannten Schicht aus dem Oxid (OR) bedeckt, wobei die Beschichtungslage aus einem Material (Au) besteht, das aus einem Leiter, einem Halbleiter oder einem Verbundmaterial ausgewählt ist, der oder das bei einer niedrigeren Temperatur als der Betriebstemperatur des Emitters (F) schmilzt, wobei die Beschichtungslage (Au) hinreichend dünn ist, so dass sie das Profil des strukturierten Teils der genannten Schicht aus Oxid (OR) nachbildet, um damit das genannte Gitter (R) zu bilden, und wobei die Beschichtungslage (Au) wiederum durch eine Einkapselungsschicht beschichtet ist, die aus dem genannten Oxid (OR) gebildet ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kehlung oder ein Hohlraum (G) bereitgestellt wird, die oder der auf dem Material, das den Emitter (F) bildet, offen ist und in zumindest den genannten Elektroden (H) oder dem genannten Oxid (OR) ausgebildet ist, wobei der Hohlraum oder die Hohlräume (F), die bereitgestellt werden, so wirksam sind, dass sie einen Teil des genannten Materials als ein Ergebnis der Volumenausdehnungen desselben aufnehmen und/oder Ablösungsphänomene zwischen dem genannten Oxid (OR) und dem genannten Material und/oder Brüche des Komplexes, der durch das genannte Material, das genannte Oxid (OR) und die genannten Elektroden (H) gebildet wird, verhindrnm.
Ein Emitter, wie in Anspruch 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodizität der Mikrovorsprünge (R1, R2) oder der Mikrohohlräume (C) von der Ordnung der Wellenlänge der sichtbaren Strahlung ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodizität der Mikrovorsprünge (R1, R2) oder der Mikrohohlräume (C) zwischen 0,2 und 1 Mikron liegt.
Ein Emitter, wie in Anspruch 10 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe oder Tiefe der Mikrovorsprünge (R1, R2) oder der Mikrohohlräume (C) zwischen 0,2 und 1 Mikron liegt.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur (R) binär, d.h. zwei Niveaus aufweisend, ist.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur (R) mehrere Niveaus aufweist, d.h. einen Vorsprung mit mehr als zwei Niveaus besitzt.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Mikrostruktur (R) einen stufenlosen Vorsprung hat.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass er bei einer niedrigeren Temperatur als der Schmelztemperatur des genannten Oxids (OR) arbeitet.
Ein Emitter, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass er als ein Filament oder ein ebenes Plättchen, das unter der Wellenlänge des sichtbaren Lichts strukturiert ist, konfiguriert ist, und dadurch, dass die genannte Mikrostruktur (R) ein zweidimensionales Gitter aus absorbierendem Material (k > 1) ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Emitters, der in der Lage ist, durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden, die Schritte umfassend: a) Bilden einer Vorlage aus porösem Aluminium; b) Infiltrieren der Vorlage aus porösem Aluminium mit einem Material, das bestimmt ist, den Emitter (F) zu bilden, auf eine solche Weise, dass die Aluminiumstruktur als eine Form für zumindest einen Teil einer Antireflexionsmikrostruktur (R) des Emitters (F) dient, wobei das genannte Material (Au) eine Schmelztemperatur besitzt, die niedriger als die Betriebstemperatur ist, bei der der Emitter (F) verwendet werden soll, c) Abscheiden eines feuerfesten Oxids (OR) auf den Teil des Emitters (F), der dazu bestimmt ist, sich zwischen zwei jeweiligen Anschlüssen (H) auszudehnen, wobei das genannte Oxid (OR) wirksam ist, ein Profil der genannten Mikrostruktur (R) in dem Fall der Deformation oder Zustandsänderung des jeweiligen Materials (Au) zu erhalten, die aus der Verwendung des Emitters (F) bei Betriebstemperaturen folgt, die die Schmelztemperatur des genannten Materials (Au) überschreiten, wobei die Voriage aus porösem Aluminium beibehalten wird oder sonst vor dem Schritt c) entfernt wird.
Ein Verfahren, wie in Anspruch 23 beansprucht, in dem der Schritt a) das Abscheiden eines Aluminiumfilms mit einer Dicke in der Ordnung von 1 Mikron auf einem geeigneten Substrat und die nachfolgende Anodisierung desselben umfasst, wobei die Anodisierung zumindest umfasst: – eine erste Phase der Anodisierung des Aluminiumfilms; – eine Phase des Reduzierens des ungleichmäßigen Aluminiumfilms, der als Ergebnis der ersten Anodisierungsphase erhalten wird; – eine zweite Phase der Anodisierung des Aluminiumfilms beginnend mit dem übriggebliebenen Teil des ungleichmäßigen Aluminiums, das durch die genannte Reduzierungsphase nicht entfernt worden ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Emitters, der in der Lage ist, durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden, die Schritte umfassend: – Bereitstellen eines dünnen oder plättchenartigen Elements des Materials, aus dem der Emitter (F) herzustellen ist, wobei das Material eine Schmelztemperatur besitzt, die niedriger als die Temperatur ist, bei der der Emitter (F) verwendet werden soll; – Ätzen des genannten Elements, um eine Antireflexionsmikrostruktur (R) auszubilden, und Beschichten des Emitters (F), in dem die Antireflexionsmikrostruktur (R) mit einem feuerfesten Oxid (OR) ausgebildet worden ist, wobei das genannte Oxid (OR) wirksam ist, ein Profil der genannten Mikrostruktur (R) in dem Fall der Deformation oder Zustandsänderung des jeweiligen Materials (Au) zu erhalten, die aus der Verwendung des Emitters (F) bei Betriebstemperaturen folgt, die die Schmelztemperatur des genannten Materials (Au) überschreiten.
Eine Glühlichtquelle, die einen Lichtemitter umfasst, der in der Lage ist, durch den Durchgang von elektrischem Strom zum Glühen gebracht zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Emitter (F) so ist, wie es in einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 beansprucht ist.
Eine Leuchtvorrichtung, insbesondere für Motorfahrzeuge, eine oder mehrere Lichtquellen (1), wie in Anspruch 26 beansprucht, umfassend.
Eine ebene Matrix von Mikroquellen von Glühlicht, von denen jede jeweils einen Emitter (F) wie in einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22 beansprucht umfasst.