DE602005004798T2

DE602005004798T2 - Elektrische lampe und interferenzbeschichtung

Info

Publication number: DE602005004798T2
Application number: DE602005004798T
Authority: DE
Inventors: Margot Van Grootel; Hans Van Sprang; Johan Marra
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: DE602005004798D1; EP1792328A1; JP2008512702A; KR20070098783A; EP1792328B1; ATE386337T1; WO2006027724A1; CN101015035A; US20090236960A1; ES2301048T3

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Lampe mit einem lichtdurchlässigen Lampengefäß, in dem eine Lichtquelle angeordnet ist, und einem Interferenzfilm, um Strahlung sichtbaren Lichts durchzulassen und Infrarotstrahlung zu reflektieren. Der Interferenzfilm umfasst eine Vielzahl von Titanoxidschichten als hochbrechendes Material und Siliciumoxidschichten als niedrigbrechendes Material.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Interferenzfilm zur Verwendung in einer elektrischen Lampe.
Optische Dünnfilm-Interferenzbeschichtungen, auch bekannt als Interferenzfilter, mit abwechselnden Schichten aus zwei oder mehr Materialien, die unterschiedliche Brechzahlen haben, sind im Stand der Technik wohl bekannt. Derartige Interferenzfilme oder Beschichtungen werden genutzt, um selektiv Lichtstrahlung aus verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums, wie z. B. Ultraviolett-, sichtbare und Infrarot-(IR-)Strahlung, zu reflektieren und/oder durchzulassen. Diese Interferenzfilme werden in der Beleuchtungsindustrie eingesetzt, um Reflektoren und Lampenumhüllungen zu beschichten. Eine der Anwendungen, bei denen diese optischen Dünnfilm-Beschichtungen sich als nützlich erwiesen haben, ist die Verbesserung des Beleuchtungswirkungsgrades oder der Lichtausbeute von Glüh- und Lichtbogenlampen durch Reflektieren von von einem Glühdraht oder Lichtbogen emittierter Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) zurück zu dem Glühdraht oder dem Lichtbogen, während der von dem Glühdraht oder Lichtbogen emittierte Anteil sichtbaren Lichtes aus dem elektromagnetischen Spektrum durchgelassen wird. Dies verringert die Menge an elektrischer Energie, die dem Glühdraht oder Lichtbogen zugführt werden muss, um seine Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Bei anderen Lampenanwendungen, bei denen das Durchlassen von IR-Strahlung erwünscht ist, können derartige Filter die kürzeren Wellenlängenanteile des Spektrums reflektieren, wie z. B. von einem Glühdraht oder Lichtbogen emittierte Anteile von Ultraviolettlicht und sichtbarem Licht und primär den Infrarotanteil durchlassen, um Wärmestrahlung mit wenig oder keiner Strahlung sichtbaren Lichtes zu verschaffen.
Optische Interferenzfilme, auch als optische Beschichtungen oder optische (Interferenz-)Filter bezeichnet, die für Anwendungen verwendet werden, bei denen der Interferenzfilm hohen Temperaturen oberhalb von 500°C ausgesetzt ist, sind aus abwechselnden Schichten aus refraktären Metalloxiden hergestellt worden, wie z. B. Titania (Titandioxid, TiO₂, n = 2,7 für Rutil-TiO₂), Niobia (Niobpentoxid, Nb₂O₅, n = 2,35), Zirkonia (Zirconiumoxid, n = 2,3), Tantala (Tantalpentoxid, Ta₂O₅, n = 2,2) und Silica (Siliciumoxid, SiO₂, n = 1,45), wobei Silica das niedrigbrechende Material und Titania, Niobia, Zirkonia oder Tantala das hochbrechende Material ist (die Werte der jeweiligen Brechzahlen sind bei einer Wellenlänge λ = 550 nm angegeben). Bei Halogenlampenanwendungen werden diese Interferenzfilme an der Außenfläche des die Lichtquelle (Glühdraht oder Lichtbogen) enthaltenden Quarz-Lampengefäßes angebracht. Die Außenfläche, und somit der Interferenzfilm, kann Betriebstemperaturen im Bereich von 800°C bis 900°C erreichen.
Interferenzfilme oder Beschichtungen werden mit Hilfe von Verdampfungs- oder (reaktiven) Sputtertechniken und auch mittels chemischer Abscheidung aus der Dampfphase (CVD) und chemischer Dampfabscheidung bei Niederdruck (LPCVD) aufgebracht. Mit diesen Abscheidetechniken werden im Allgemeinen relativ dicke Schichten erzeugt, die zum Zerspringen neigen und die den Filterentwurf ernsthaft einschränken.
Phasenstabilität, Oxidationszustand und Fehlanpassung der Wärmeausdehnung der hochbrechenden Schichtmaterialien an das Quarzsubstrat bei höheren Temperaturen geben Anlass zu Besorgnis. Änderungen darin können zu Abblättern des Interferenzfilms führen, beispielsweise durch Wärmefehlanpassung, oder können ein unerwünschtes Maß an Lichtstreuung und/oder Lichtabsorption in den Interferenzfilm einbringen. Die hochbrechenden Materialien werden normalerweise bei Temperaturen relativ nahe der Raumtemperatur (typischerweise unter 250°C) abgeschieden und als amorphe oder mikrokristalline Schichten aufgebracht. Im Allgemeinen unterliegen die meisten hochbrechenden Schichten bei Temperaturen oberhalb von 550°C, beispielsweise während der elektrischen Lampenlebensdauer (typischerweise mehrere tausend Stunden), einer Kristallisation. Kristallisation beinhaltet Kristallkornwachstum, was die optische Transparenz der Beschichtung durch Lichtstreuung stören kann. Zudem muss sowohl während des (physikalischen) Schichtabscheidungsprozesses als auch beim Lampenbetrieb bei hohen Temperaturen dar auf geachtet werden, dass bei dem hochbrechenden Schichtmaterial kein Sauerstoffmangel auftritt, weil dies im Allgemeinen zu unerwünschter Lichtabsorption führt.
Optische Mehrschicht-Interferenzfilme, die Titanoxid und Siliciumoxid umfassen, werden derzeit von verschiedenen Unternehmen insbesondere auf Kaltlichtspiegelreflektoren und auf kleinen Halogenlampen niedriger Leistung bei einer Betriebstemperatur unterhalb ungefähr 650°C verwendet. Es ist bekannt, dass diese Interferenzfilme dazu neigen, oberhalb von 700°C trübe zu werden (Streuung). Die Verwendung von auf Titanoxid und Siliciumoxid basierenden Infrarot (IR) reflektierenden Interferenzfilmen wird aus Kostengruden vorgezogen, weil der relativ große Unterschied in den Brechzahlen der jeweiligen Schichtmaterialien die Verwendung relativ weniger Schichten in dem Filterentwurf und einen insgesamt dünneren Schichtstapel zum Realisieren adäquater IR-Reflexion erlaubt, wobei weniger Zeit bei der Abscheidung des Interferenzfilms benötigt wird. Dennoch sind – obwohl TiO₂ mit einer Brechzahl n = 2,3 bei 550 nm gewöhnlich für Niedertemperatur-Halogenlampen verwendet wird – wegen der oben genannten Probleme mit Streuung, Absorption und/oder Zerspringen/Abblättern der Beschichtung, wenn der TiO₂/SiO₂-Interferenzfilm Temperaturen oberhalb von 700°C ausgesetzt wird, bisher keine hochbrechenden, IR reflektierenden TiO₂/SiO₂-Mehrschicht-Interferenzfilme auf elektrischen Hochtemperaturlampen (z. B. Halogenlampen) auf den Markt gebracht worden. In der Nähe und oberhalb dieses Temperaturbereichs treten innere Phasenübergänge von amorph nach kristallin und/oder zwischen unterschiedliche kristallinen Phasen auf, insbesondere die wohlbekannten Anatas- und Rutil-Kristallittypen, die Streuung von Kristalliten erzeugen und Volumenänderungen einbringen. Zudem beeinflussen diese Übergänge die temperaturabhängigen mechanischen Spannungen, denen der Mehrschicht-Stapel ausgesetzt ist, was anschließend Zerspringen und/oder Abblättern der Schicht hervorrufen kann.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine elektrische Lampe der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit einem Interferenzfilm, um Strahlung sichtbaren Lichtes durchzulassen und IR-Strahlung zu reflektieren, wobei der Interferenzfilm Titanoxidschichten als hochbrechendes Material und Siliciumoxid als niedrigbrechendes Material umfasst, welcher Interferenzfilm bei höheren Temperaturen eine bessere Leistung aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Lampe gelöst, mit:

– einem lichtdurchlässigen Lampengefäß, in dem eine Lichtquelle angeordnet ist,
– wobei mindestens ein Abschnitt des Lampengefäßes mit einem Interferenzfilm versehen ist, um Strahlung sichtbaren Lichtes durchzulassen und Infrarotstrahlung zu reflektieren,
– wobei der Interferenzfilm entweder eine erste Vielzahl von abwechselnden Schichten aus Siliciumoxid und Titanoxid oder eine zweite Vielzahl von abwechselnden Schichten aus Siliciumoxid, Titanoxid und Tantaloxid umfasst,
– wobei die Titanoxidschichten in der ersten Vielzahl von abwechselnden Schichten durch Einfügen von relativ dünnen Siliciumoxid-Zwischenschichten in die Titanoxidschichten eine geometrische Dicke von höchstens 75 nm aufweisen, wobei die Siliciumoxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 7,5 nm haben,
– wobei die Titanoxidschichten in der zweiten Vielzahl von abwechselnden Schichten durch Einfügen von relativ dünnen Tantaloxid-Zwischenschichten in die Titanoxidschichten eine geometrische Dicke von höchstens 25 nm aufweisen, wobei die Tantaloxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 5 nm haben.

Durch das Einbringen von relativ dünnen Schichten aus Siliciumoxid oder relativ dünnen Schichten aus Tantaloxid in die Schichten aus Titanoxid werden temperaturstabile, hochbrechende Schichten aus Titanoxid erhalten. Auf diese Weise wird ein Nanolaminat erzeugt, das als hochbrechendes Material in optischen Interferenzfilmen, die bei relativ hohen Temperaturen (oberhalb von 700°C) arbeiten, sehr geeignet ist. Eine elektrische Lampe mit einem Interferenzfilm, der Titanoxidschichten als hochbrechendes Material umfasst, die eine begrenzte Dicke haben, und mit dünnen Schichten aus Siliciumoxid oder Tantal, die in die Titanoxidschichten eingefügt sind, weist bei höheren Temperaturen eine bessere Leistungsfähigkeit auf.
Gemäß der Erfindung wird das Wachstum der Kristallite vom Rutiltyp in den Schichten aus Titanoxid durch das Einbringen der relativ dünnen Schichten aus Siliciumoxid oder aus Tantaloxid in die Schichten aus Titanoxid behindert. Außerdem fanden die Erfinder heraus, dass der Phasenübergang von Anatas in Rutil bei einer gewissen Mischung aus Anatas und Rutil gestoppt wird.
Bei den bekannten Interferenzfilmen, die Titanoxid umfassen, neigen relativ große Körner dazu, bei höheren Temperaturen zu wachsen. Es ist bekannt, dass die Größe dieser Körner in Interferenzfilmen durch die Dicke der Titanoxidschicht begrenzt wird und im Allgemeinen unterhalb zwei- oder dreimal der Dicke der Titanoxidschicht bleibt, in der Ebene der Schicht gesehen. Bei den bekannten Interferenzfilmen, die Titanoxid als hoch brechendes Material nutzen, werden Korngrößen von mehr als 80 nm beobachtet, was zu sichtbarer Verschlechterung des Interferenzfilms aufgrund von Lichtstreuung führt. Zudem wandelt sich bei den bekannten Interferenzfilmen mit Titanoxid als hochbrechendes Material die Anatasphase bei höheren Temperaturen (oberhalb von ungefähr 550°C) in die Rutilphase um, was zu einer erhöhten Dichte der Titanoxidschicht fuhrt. Übermäßiges Wachstum von Rutilkristallen in den bekannten Schichten aus Titanoxid bei höheren Temperaturen (oberhalb von ungefähr 700°C) stört die regelmäßige Struktur des Interferenzfilms und bringt unerwünschte Lichtstreuung ein.
Durch Einkapseln der Schichten aus Titanoxid zwischen relativ dünnen Schichten aus Siliciumoxid oder relativ dünnen Schichten aus Tantaloxid und durch Begrenzen der Dicke der einzelnen Schichten aus Titanoxid werden stabile Schichten aus Titanoxid erhalten, die hervorragende und wünschenswerte Hochtemperatureigenschaften aufweisen. In Interferenzfilmen mit der ersten Vielzahl von abwechselnden Schichten haben die Titanoxidschichten eine geometrische Dicke von höchstens 75 nm, während Siliciumoxid-Zwischenschichten mit einer geometrischen Dicke im Bereich von 1 nm bis ungefähr 7,5 nm in die Titanoxidschichten eingefügt sind. In Interferenzfilmen mit der zweiten Vielzahl von abwechselnden Schichten haben die Titanoxidschichten eine geometrische Dicke von höchstens 25 nm, während Tantaloxid-Zwischenschichten mit einer geometrischen Dicke im Bereich von 1 nm bis ungefähr 5 nm in die Titanoxidschichten eingefügt sind.
Die Zwischenschichten sollten vorzugsweise eine relativ geringe Dicke haben, weil die Zwischenschichten die effektive Brechzahl des Nanolaminats, das das hochbrechende Material umfasst, beeinflussen (verkleinern). Hierzu ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Lampe dadurch gekennzeichnet, dass die Titanoxidschichten in der ersten Vielzahl von abwechselnden Schichten eine geometrische Dicke von höchstens 50 nm und die Siliciumoxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke im Bereich von ungefähr 3 nm bis ungefähr 5 nm haben. Eine alternative, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Lampe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Titanoxidschichten in der zweiten Vielzahl von abwechselnden Schichten eine geometrische Dicke von höchstens 15 nm haben und die Tantaloxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke haben, die kleiner oder gleich ungefähr 3 nm ist. Eine Oberflächenrauheit der Schichten wird weitgehend verhindert, wenn die Titanoxidschichten Schichtdicken haben, die kleiner oder gleich ungefähr 15 nm sind. Außerdem können Körner aus Titanoxid nicht mehr durch die Zwischenschicht hindurch brechen.
Aufgrund dieser in die Schichten aus Titanoxid eingebrachten relativ dünnen Zwischenschichten hat das Nanolaminat noch immer einer sehr hohe „mittlere" Brechzahl. Experimente haben gezeigt, dass solche Interferenzfilme die gleiche optische Erscheinung und die gleiche Brechzahl behalten, wenn sie 70 Stunden lang auf 800°C gehalten werden. Diese Brechzahl kann von n = 2,3 bis n = 2,7 variieren (bei einer Wellenlänge von 550 nm), je nach der Menge Anataskeime in dem primär abgeschiedenen Material. Das Kornwachstum von Kristallen in den Schichten aus Titanoxid wird durch das Vorhandensein der Zwischenschichten in den Schichten aus hochbrechendem Material blockiert und dies verhindert optische Streuung. Die Zwischenschichten aus Siliciumoxid oder Tantaloxid wirken in den Titanoxidschichten als Kornwachstumshemmstoffe.
Um die Stabilität des Interferenzfilms bei höheren Temperaturen weiter zu verbessern, können zusätzliche Maßnahmen getroffen werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Lampe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lampengefäß zwischen dem Lampengefäß und dem Interferenzfilm mit einer Haftschicht versehen ist, beispielsweise einem Siliciumoxid, das stärker mit Bor dotiert ist, und/oder Phosphoroxid, die eine geometrische Dicke von mindestens 50 nm hat. Diese Maßnahme wirkt einem (plötzlichen) Zerspringen des Interferenzfilms und/oder seinem Abblättern vom Lampengefäß entgegen. Eine andere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Lampe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Interferenzfilm an einer dem Lampengefäß abgewandten Seite mit einer Schicht aus Siliciumoxid versehen ist, die eine geometrische Dicke von mindestens 50 nm hat. Eine derartige Abdeckschicht begrenzt die Verschlechterung des Interferenzfilms. Die Siliciumoxid-„Abdeck"-Schicht an der Luftseite des Interferenzfilms verschafft einen Schutz des Interferenzfilms, insbesondere bei höheren Temperaturen.
Im Fall der zweiten Vielzahl von abwechselnden Schichten werden relativ kleine Zwischenschichten aus Tantaloxid in den Filterentwurf des Interferenzfilms eingebracht. Als Folge des Einbringens von Tantaloxid als Zwischenschicht in Schichten aus Titanoxid umfasst der Interferenzfilm drei Schichtmaterialien. Außer als Material für die Zwischenschicht können Schichten aus Tantaloxid auch zum Abscheiden „ganzer" Schichten mit einer Brechzahl zwischen der von Titanoxid und der von Siliciumoxid verwendet werden. Auf diese Weise können die „ganzen” Schichten als Schichtmaterial mit einer Brechzahl wirken, die zwischen der Brechzahl von Titanoxid und der von Siliciumoxid liegt. Derartige Interferenzfilme, die Schichten mit drei unterschiedlichen Brechzahlen umfassen, können vorteilhaft verwendet werden, um beim Entwurf von Interferenzfilmen höhere Ordnungen zu unterdrücken. Für Interferenzfilme, die Strahlung sichtbaren Lichtes durchlassen und Infrarotstrahlung reflektieren, ist eine Unterdrückung von Banden höherer Ordnung notwendig, um ein genügend breites Fenster im sichtbaren Bereich (von ungefähr 400 nm bis ungefähr 750 nm) zu erhalten, ohne störende Spitzen im sichtbaren Bereich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Glühlampe, die mit einem Interferenzfilm versehen ist;
2 den berechneten Reflexionsgrad der in den Tabellen IA und IB beschriebenen IR reflektierenden optischen Interferenzfilme;
3A den berechneten Reflexionsgrad der in den Tabellen IA und IIA beschriebenen IR reflektierenden optischen Interferenzfilme;
3B den berechneten Reflexionsgrad der in Tabelle IIB beschriebenen IR reflektierenden optischen Interferenzfilme;
4 ein TEM-Bild eines Stapels aus TiO₂/Ta₂O₅-Schichten nach 70-stündigem Tempern bei 800°C und
5 ein Weitwinkel-Dunkelfeld-TEM-Bild des in 4 gezeigten Stapels aus TiO₂/Ta₂O₅.
Die Zeichnung ist rein schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere sind der Deutlichkeit halber einige Abmessungen stark übertrieben dargestellt. Wo möglich, haben in der Zeichnung gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
In 1 umfasst die elektrische Lampe ein Lampengefäß 1 aus Quarzglas, das einen Glühkörper als Lichtquelle 2 beherbergt. Aus dem Lampengefäß 1 nach außen tretende Stromleiter 3 sind mit der Lichtquelle 2 verbunden. Das Lampengefäß 1 ist mit einem ein Halogen, beispielsweise Bromwasserstoff, enthaltenden Gas gefüllt. Mindestens ein Teil des Lampengefäßes 1 ist mit einem Interferenzfilm 5 beschichtet, der eine Vielzahl von Schichten aus mindestens Siliciumoxid und Titanoxid umfasst. Der Interferenzfilm 5 lässt sichtbare Strahlung hindurchtreten und reflektiert infrarote (IR-)Strahlung. Bei dem Beispiel von 1 ist das Lampengefäß 1 in einem Außenkolben 4 montiert, der von einem Lampensockel 6 getragen wird, mit dem die Stromleiter 3 elektrisch verbunden sind. Die in 1 gezeigte elektrische Lampe ist eine netzbetriebene 60-W-Lampe mit einer Betriebslebensdauer von mindestens 2500 Stunden.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform eines Interferenzfilms (erste Vielzahl von abwechselnden Schichten) in einem optischen Mehrschicht-SiO₂/TiO₂-Stapelentwurf auf Quarz wurde mit dem Ziel aufgebaut, alles sichtbare Licht im Wellenlängenbereich von 400 nm < λ < 750 nm vollständig durchzulassen, während das IR-Licht im Bereich von 750 nm < λ < 2000 nm so viel wie möglich reflektiert wird. Der Ausgangspunkt war ein Interferenzfilm mit einer relativ kleinen Zahl Schichten mit einem Reflexionsgrad von infrarotem Licht, der mit dem der bekannten Interferenzfilme vergleichbar ist. Das Ergebnis ist ein 25-schichtiger optischer Interferenzfilmstapel mit SiO₂/TiO₂ wie in Tabelle IA gezeigt.
Tabelle IA:

Ausgangsentwurf eines 25-schichtigen, IR reflektierenden Interferenzfilms mit SiO₂ als niedrigbrechendes Material und TiO₂ als hochbrechendes Material.

Schicht	Material	Ausgangsentwurf Dicke (nm)
Medium	Luft	-
1	SiO₂	83
2	TiO₂	84
3	SiO₂	166
4	TiO₂	91
5	SiO₂	164
6	TiO₂	88
7	SiO₂	173
8	TiO₂	19
9	SiO₂	17
10	TiO₂	162
11	SiO₂	15
12	TiO₂	14
13	SiO₂	155
14	TiO₂	9
15	SiO₂	16
16	TiO₂	83
17	SiO₂	24
18	TiO₂	11
19	SiO₂	311
20	TiO₂	11
21	SiO₂	25
22	TiO₂	93
23	SiO₂	25
24	TiO₂	11
25	SiO₂	50
Substrat	Quarz	-

Der Interferenzfilm von Tabelle IA hat eine totale Stapeldicke von 1904 nm.
In dem Ausgangsentwurf des IR-Interferenzfilms von Tabelle IA sind am Ende und am Anfang des Interferenzstapels zwei zusätzliche Schichten eingebracht. Eine erste Schicht (mit 1 bezeichnet) ist eine SiO₂-Schicht mit einer geometrischen Dicke von mindestens 50 nm, die in den Interferenzfilm an einer dem Lampengefäß abgewandten Seite eingebracht ist. Der Interferenzfilm ist mit einer Schicht aus Siliciumoxid versehen, die eine geometrische Dicke von mindestens 50 nm hat. Eine derartige Abdeckschicht begrenzt die Verschlechterung des Interferenzfilms. Die Siliciumoxid-„Abdeck"-Schicht an der Luftseite des Interferenzfilms verschafft einen mechanischen Schutz des Interferenzfilms, insbesondere bei höheren Temperaturen. In dem Beispiel von Tabelle IA hat diese SiO₂-Abdeckschicht eine Dicke von mehr als 80 nm. Eine zweite Schicht (mit 25 bezeichnet) ist eine SiO₂-Haftschicht zwischen dem Lampengefäß und dem Interferenzfilm, die eine geometrische Dicke von 50 nm hat. Diese SiO₂-Haftschicht wirkt (plötzlichem) Zerspringen des Interferenzfilms und/oder seinem Abblättern vom Lampengefäß entgegen. Die Haft schicht umfasst vorzugsweise ein aus Boroxid und Phosphoroxid gewähltes Oxid. Es ist bekannt, dass mit Boroxid und/oder Phosphoroxid dotierte Siliciumoxidschichten Spannungen in dem Film vermindern. Die Dotierstoffe verringern die Viskosität des Siliciumdioxids. Das Dotierungsniveau der Haftschicht braucht nicht größer als einige Gew.-% zu sein, sodass diese Schicht noch immer einen verhältnismäßig hohen Siliciumdioxidgehalt aufweist, beispielsweise 95 bis 98 Gew.-%.
Als anschließender Schritt werden, ausgehend von dem 25-Schichten-Ausgangsentwurf von Tabelle IA, relativ dünne Zwischenschichten aus Siliciumoxid in die dickeren Schichten aus Titanoxid eingebracht. Hierzu werden alle TiO₂-Schichten in dem Ausgangsentwurf von Tabelle IA, die eine Dicke von mehr als 50 nm haben, in mindestens zwei TiO₂-Schichten aufgespalten, während eine relativ dünne SiO₂-Zwischenschicht zwischen diesen beiden TiO₂-Schichten eingebracht wird. In dem Beispiel von Tabelle IA werden die mit 2, 4, 6, 10, 16 und 22 bezeichneten TiO₂-Schichten in zwei TiO₂-Schichten mit dazwischen einer 4 nm dicken SiO₂-Zwischenschicht aufgespalten. Der resultierende Entwurf mit einem 39-schichtigen TiO₂/SiO₂-Interferenzfilm wird mit Hilfe von Computeroptimierungen, die an sich bekannt sind, verfeinert, was zu dem in Tabelle IB gezeigten, optimierten Entwurf führt.
Tabelle IB:
Optimierter 39-schichtiger IR reflektierender Interferenzfilm mit SiO₂ als niedrigbrechendes Material und TiO₂ als hochbrechendes Material.

Die Dicke der TiO₂-Schichten ist auf 50 nm begrenzt, während 4 nm dicke SiO₂-Zwischenschichten in die dickeren TiO₂-Schichten eingebracht werden.

Schicht	Material	optimierter Entwurf Dicke (nm)
Medium	Luft	-
1	SiO₂	85
2	TiO₂	49
3	SiO₂	4
4	TiO₂	27
5	SiO₂	172
6	TiO₂	46
7	SiO₂	4
8	TiO₂	34
9	SiO₂	170
10	TiO₂	30
11	SiO₂	4
12	TiO₂	50
13	SiO₂	177
14	TiO₂	18
15	SiO₂	21
16	TiO₂	54
17	SiO₂	5
18	TiO₂	50
19	SiO₂	4
20	TiO₂	50
21	SiO₂	18
22	TiO₂	14
23	SiO₂	154
24	TiO₂	12
25	SiO₂	18
26	TiO₂	40
27	SiO₂	4
28	TiO₂	31
29	SiO₂	24
30	TiO₂	11
31	SiO₂	322
32	TiO₂	13
33	SiO₂	25
34	TiO₂	45
35	SiO₂	4
36	TiO₂	39
37	SiO₂	26
38	TiO₂	11
39	SiO₂	50
Substrat	Quarz	-

Der Interferenzfilm von Tabelle IB hat eine totale Stapeldicke von 1915 nm, was ungefähr gleich der totalen Dicke des Interferenzfilms von Tabelle IA ist.
Wie aus Tabelle IB hervorgeht, sind Nanolaminate aus TiO₂/SiO₂/TiO₂ mit 4 nm dicken SiO₂-Zwischenschichten zwischen zwei TiO₂-Schichten, die eine Dicke von höchstens 50 nm haben, gebildet worden (siehe Schichtgruppen 2-3-4, 6-7-8, 10-11-12, 18-19-20, 26-27-28 und 34-35-39 in Tabelle IB). Durch Einbringen relativ dünner Schichten aus Siliciumoxid in die Schichten aus Titanoxid werden temperaturstabile, hochbrechende Schichten aus Titanoxid erhalten. Diese Nanolaminate sind sehr geeignet als hochbrechendes Material in optischen Interferenzfilmen, die bei relativ hohen Temperaturen arbeiten (oberhalb von 700°C). Eine elektrische Lampe mit einem Interferenzfilm, der Titanoxidschichten als hochbrechendes Material umfasst, die eine begrenzte Dicke haben, und mit dünnen Schichten aus Siliciumoxid in den Titanoxidschichten weist bei höheren Temperaturen eine verbesserte Leistungsfähigkeit auf. Auf diese Weise wird das Wachstum der Rutil-Kristallite in den Schichten aus Titanoxid durch das Einbringen der relativ dünnen Schichten aus Siliciumoxid in die Schichten aus Titanoxid behindert. Zusätzlich wird der Phasenübergang von Anatas nach Rutil bei einer gewissen Mischung aus Anatas und Rutil gestoppt.
2 zeigt den berechneten Reflexionsgrad R (in %) als Funktion der Wellenlänge λ (in nm) der in Tabelle IA (25-schichtig; mit „25" bezeichnete gestrichelte Linie) und Tabelle IB (39-schichtig; mit „39" bezeichnete ausgezogene Linie) beschriebenen IR reflektierenden optischen Interferenzfilme. Man kann erkennen, dass die Gesamtleistungsfähigkeit des 39-schichtigen TiO₂/SiO₂-Interferenzfilms (Tabelle IB) praktisch die gleiche ist wie die des 25-schichtigen TiO₂/SiO₂-Ausgangsinterferenzfilms (Tabelle IA).
Der relevante Teil des Lampengefäßes 1 ist beispielsweise mit Hilfe von reaktivem Sputtern mit dem Interferenzfilm 5 von Tabelle IB (siehe 1) gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung bedeckt worden. Der erfindungsgemäße Interferenz film 5 blieb intakt und behielt seine anfänglichen Eigenschaften während der gesamten Betriebslebensdauer der elektrischen Lampe.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform eines Interferenzfilms (zweite Vielzahl von abwechselnden Schichten) in einem optischen Mehrschicht-SiO₂/TiO₂-Stapelentwurf auf einem Substrat aus SiO₂ wurde mit dem Ziel aufgebaut, alles sichtbare Licht innerhalb des Wellenlängenbereichs von 400 nm < λ < 750 nm vollständig durchzulassen, während das IR-Licht in dem Bereich von 750 nm < λ < 2000 nm so viel wie möglich reflektiert wird. Der Ausgangspunkt war der gleiche Interferenzfilm wie in Tabelle IA beschrieben.
Gemäß der zweiten Ausführungsform des Interferenzfilms werden dünne Schichten aus Tantaloxid in die dicken Titanoxidschichten eingebracht. Dies bedeutet, dass ein drittes Schichtmaterial zur Verfügung steht. Außer dass Tantaloxid als Material für die Zwischenschicht eingesetzt wird, können Schichten aus Tantaloxid auch genutzt werden, um „ganze" Schichten mit einer Brechzahl zwischen der von Titanoxid und der von Siliciumoxid abzuscheiden. Auf diese Weise können die „ganzen" Schichten als Schichtmaterial mit einer Brechzahl wirken, die zwischen der Brechzahl von Titanoxid und der von Siliciumoxid liegt. Solche Interferenzfilme, die Schichten mit drei unterschiedlichen Brechzahlen umfassen, können vorteilhaft verwendet werden, um viel einfachere Filterentwürfe zu erhalten, mit einem Reflexionsgrad, der dem des Ausgangsentwurfs vergleichbar ist. Zusätzlich können Schichten mit einer Zwischenbrechzahl verwendet werden, um in dem Entwurf von Interferenzfilmen höhere Ordnungen zu unterdrücken.
Die Auswirkung des Einbringens eines dritten Schichtmaterials mit einer Zwischenbrechzahl wird beispielhaft in Tabelle IIA gezeigt.
Tabelle IIA:

19-schichtiger IR reflektierender Interferenzfilm mit SiO₂ als niedrigbrechendes Material, TiO₂-Oxid als hochbrechendes Material und Ta₂O₅ als Material mit einer Zwischenbrechzahl.

Schicht	Material	Dicke (nm)
Medium	Luft	-
1	SiO₂	83.4
2	TiO₂	83,5
3	SiO₂	165,0
4	TiO₂	90,4
5	SiO₂	159,1
6	TiO₂	87,3
7	SiO₂	169,8
8	Ta₂O₅	61,5
9	TiO₂	138,5
10	Ta₂O₅	45,2
11	SiO₂	141,8
12	Ta₂O₅	39,7
13	TiO₂	55,9
14	Ta₂O₅	50,1
15	SiO₂	307,3
16	Ta₂O₅	52,7
17	TiO₂	63,8
18	Ta₂O₅	48,4
19	SiO₂	50,0
Substrat	SiO₂	-

Der Interferenzfilm von Tabelle IIA hat eine totale Stapeldicke von 1893 nm, was ungefähr gleich der totalen Dicke des Interferenzfilms von Tabelle IA ist.
Obwohl die Anzahl Schichten von 25 (Tabelle IA) auf 19 (Tabelle IIA) reduziert ist, ist der Reflexionsgrad des Filterentwurfs, der Schichten aus Ta₂O₅ mit einer Brechzahl zwischen der von SiO₂ und der von TiO₂ umfasst, ähnlich dem des ursprünglichen 25-Schichten-Entwurfs (Tabelle IA).
3A zeigt den berechneten Reflexionsgrad R (in %) als Funktion der Wellenlänge λ (in nm) der in Tabelle IA (25-schichtig; mit „25" bezeichnete gestrichelte Linie) und Tabelle IIA (19-schichtig; mit „19" bezeichnete ausgezogene Linie) beschriebenen IR reflektierenden optischen Interferenzfilme. Man kann erkennen, dass die Gesamtleistungsfähigkeit des 19-schichtigen TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂-Interferenzfilms (Tabelle IIA) prak tisch die gleiche ist wie die des 25-schichtigen TiO₂/SiO₂-Ausgangsinterferenzfilms (Tabelle IA).
Als anschließender Schritt werden, ausgehend von dem 19-schichtigen TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂-Interferenzfilm (Tabelle IIA), relativ dünne Zwischenschichten aus Tantaloxid in die dickeren Schichten aus Titanoxid eingebracht. Hierzu werden alle TiO₂-Schichten in dem Ausgangsentwurf von Tabelle IIA in mindestens zwei TiO₂-Schichten aufgespalten, während eine relativ dünne Ta₂O₅ Zwischenschicht zwischen diesen beiden TiO₂-Schichten eingebracht wird. In dem Beispiel von Tabelle IIA werden die mit 2, 4, 6, 9, 13 und 17 bezeichneten TiO₂-Schichten in mehrere Gruppen aus zwei TiO₂-Schichten aufgespalten, die eine maximale Dicke von 15 nm haben, mit dazwischen einer 2 nm dicken Ta₂O₅-Zwischenschicht. Der resultierende Entwurf wird mit Hilfe von an sich bekannten Computeroptimierungen verfeinert, was zu einem Entwurf eines 67-schichtigen TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂-Interferenzfilms führt, wie in Tabelle IIB gezeigt.
Tabelle IIB:
Optimierter 67-schichtiger, IR reflektierender Interferenzfilm mit SiO₂ als niedrigbrechendes Material, TiO₂-Oxid als hochbrechendes Material und Ta₂O₅ als Material mit einer Zwischenbrechzahl.

Die Dicke der TiO₂-Schichten ist auf 15 nm begrenzt, während in die dickeren TiO₂-Schichten 2 nm dicke Ta₂O₅-Zwischenschichten eingebracht sind.

Schicht	Material	optimierter Entwurf Dicke (nm)
Medium	Luft	-
1	SiO₂	83,6
2	TiO₂	15,0
3	Ta₂O₅	2,0
4	TiO₂	15,0
5	Ta₂O₅	2,0
6	TiO₂	15,0
7	Ta₂O₅	2,0
8	TiO₂	15,0
9	Ta₂O₅	2,0
10	TiO₂	15,0
11	SiO₂	164,2
12	TiO₂	8,2
13	Ta₂O₅	2,0
14	TiO₂	15,0
15	Ta₂O₅	2,0
16	TiO₂	15,0
17	Ta₂O₅	2,0
18	TiO₂	15,0
19	Ta₂O₅	2,0
20	TiO₂	15,0
21	Ta₂O₅	2,0
22	TiO₂	15,0
23	SiO₂	160,3
24	TiO₂	18,3
25	Ta₂O₅	2,0
26	TiO₂	15,0
27	Ta₂O₅	2,0
28	TiO₂	15,0
29	Ta₂O₅	2,0
30	TiO₂	15,0
31	Ta₂O₅	2,0
32	TiO₂	15,0
33	SiO₂	170,6
34	Ta₂O₅	62,1
35	TiO₂	15,0
36	Ta₂O₅	2,0
37	TiO₂	15,0
38	Ta₂O₅	2,0
39	TiO₂	15,0
40	Ta₂O₅	2,0
41	TiO₂	15,0
42	Ta₂O₅	2,0
43	TiO₂	15,0
44	Ta₂O₅	2,0
45	TiO₂	15,0
46	Ta₂O₅	2,0
47	TiO₂	15,0
48	Ta₂O₅	2,0
49	TiO₂	15,0
50	Ta₂O₅	47,6
51	SiO₂	150,6
52	Ta₂O₅	43,4
53	TiO₂	15,0
54	Ta₂O₅	2,0
55	TiO₂	15,0
56	Ta₂O₅	2,0
57	TiO₂	15,0
58	Ta₂O₅	52,1
59	SiO₂	313,1
60	Ta₂O₅	56,0
61	TiO₂	15,0
62	Ta₂O₅	2,0
63	TiO₂	15,0
64	Ta₂O₅	2,0
65	TiO₂	15,0
66	Ta₂O₅	53,4
67	SiO₂	50,0
Substrat	SiO₂	-

Der Interferenzfilm von Tabelle IIB hat eine totale Stapeldicke von 1902 nm, was ungefähr gleich der totalen Dicke der Interferenzfilme von Tabelle IA und IIA ist.
Wie aus Tabelle IIB hervorgeht, sind Nanolaminate aus TiO₂/Ta₂O₅/TiO₂ mit 2 nm dicken Ta₂O₅-Zwischenschichten zwischen zwei TiO₂-Schichten, die eine Dicke von höchstens 15 nm haben, gebildet worden (siehe Schichtgruppen 2–10, 12–22, 24–32, 35–49, 53–57 und 61–65 in Tabelle IIB). Durch Einbringen relativ dünner Schichten aus Tantaloxid in die Schichten aus Titanoxid werden temperaturstabile, hochbrechende Schichten aus Titanoxid erhalten. Diese Nanolaminate sind sehr geeignet als hochbrechendes Material in optischen Interferenzfilmen, die bei relativ hohen Temperaturen arbeiten (oberhalb von 700°C). Eine elektrische Lampe mit einem Interferenzfilm, der Titanoxidschichten als hochbrechendes Material umfasst, die eine begrenzte Dicke haben, und mit dünnen Schichten aus Tantaloxid in den Titanoxidschichten weist bei höheren Temperaturen eine verbesserte Leistungsfähigkeit auf. Auf diese Weise wird das Wachstum der Rutil-Kristallite in den Schichten aus Titanoxid durch das Einbringen der relativ dünnen Schichten aus Tantaloxid in die Schichten aus Titanoxid behindert. Zusätzlich wird der Phasenübergang von Anatas nach Rutil bei einer gewissen Mischung aus Anatas und Rutil gestoppt.
3B zeigt den berechneten Reflexionsgrad R (in %) als Funktion der Wellenlänge λ (in nm) der in Tabelle IIB beschriebenen IR reflektierenden optischen Interferenzfilme (67-schichtig; mit „67" bezeichnete ausgezogene Linie). Der 67-schichtige TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂-Interferenzfilm (Tabelle IIB) hat praktisch die gleiche Gesamtleistungsfähigkeit wie der 25-schichtige TiO₂/SiO₂-Ausgangsinterferenzfilm (Tabelle IA) und der 19-schichtige TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂-Interferenzfilm (Tabelle IIA), wie in 3A gezeigt.
Der relevante Teil des Lampengefäßes 1 ist beispielsweise mit Hilfe von reaktivem Sputtern mit dem Interferenzfilm 5 (siehe 1) von Tabelle IIB gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung bedeckt worden. Der erfindungsgemäße Interferenzfilm 5 blieb intakt und behielt seine anfänglichen Eigenschaften während der gesamten Betriebslebensdauer der elektrischen Lampe.
Als Beispiel zeigt 4 ein mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erstelltes Bild eines Stapels von TiO₂/Ta₂O₅-Schichten nach 70-stündigem Tempern bei 800°C. Der Strich in der unteren linken Ecke des Bildes gibt eine Länge von 50 nm an. Jede TiO₂-Schicht hat eine Dicke von ungefähr 10 nm und die Ta₂O₅-Zwischenschichten haben eine Dicke von ungefähr 2 nm. Die TiO₂/Ta₂O₅-Kristalle in der Ebene der Schicht haben eine Korngröße von ungefähr 50 nm.
5 ist ein Weitwinkel-Dunkelfeld(HAADF)-TEM-Bild (HAADF: high-angle annular dark-field) des in 4 gezeigten Stapels aus TiO₂/Ta₂O₅. In diesem Bild geben die weißen Linien an den Grenzen der TiO₂-Gebiete Ta₂O₅ an. Man kann erkennen, dass Ta₂O₅-Grenzschichten das TiO₂ auf kleine, relativ flache Teile der Schicht einschränken, in denen die ursprüngliche Zusammensetzung erhalten bleibt. Es sind keine großen TiO₂-Kristallite sichtbar, die in die Ta₂O₅-Grenzschichten eindringen.
Es sei bemerkt, dass die oben genannten Ausführungsformen die Erfindung veranschaulichen und nicht einschränken und dass Fachkundige imstande sein werden, viele alternative Ausführungsformen zu entwerfen, ohne vom Rahmen der angehängten Ansprüche abzuweichen. Zwischen Klammern gesetzte Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht als den Anspruch einschränkend aufgefasst werden. Verwendung des Verbs „umfassen" und seiner Beugungsformen schließt das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte als derjenigen, die in einem Anspruch angegeben sind, nicht aus. Der Artikel „ein" oder „eine" vor einem Element schließt das Vorhandensein einer Vielzahl solcher Elemente nicht aus. Die Erfindung kann mit Hilfe von Hardware, die mehrere einzelne Elemente umfasst, sowie mit Hilfe eines geeignet programmierten Computers implementiert werden. Bei dem mehrere Mittel aufzählenden Geräte-Anspruch können mehrere dieser Mittel durch ein und dasselbe Hardware-Element verkörpert werden. Die reine Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen genannt werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft verwendet werden kann.

Claims

Elektrische Lampe mit: – einem lichtdurchlässigen Lampengefäß (1), in dem eine Lichtquelle (2) angeordnet ist, – wobei mindestens ein Abschnitt des Lampengefäßes (1) mit einem Interferenzfilm (5) versehen ist, um Strahlung sichtbaren Lichtes durchzulassen und Infrarotstrahlung zu reflektieren, – wobei der Interferenzfilm (5) entweder eine erste Vielzahl von abwechselnden Schichten aus Siliciumoxid und Titanoxid oder eine zweite Vielzahl von abwechselnden Schichten aus Siliciumoxid, Titanoxid und Tantaloxid umfasst, – wobei die Titanoxidschichten in der ersten Vielzahl von abwechselnden Schichten durch Einfügen von relativ dünnen Siliciumoxid-Zwischenschichten in die Titanoxidschichten eine geometrische Dicke von höchstens 75 nm aufweisen, wobei die Siliciumoxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 7,5 nm haben, – wobei die Titanoxidschichten in der zweiten Vielzahl von abwechselnden Schichten durch Einfügen von relativ dünnen Tantaloxid-Zwischenschichten in die Titanoxidschichten eine geometrische Dicke von höchstens 25 nm aufweisen, wobei die Tantaloxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke von mindestens 1 nm und höchstens 5 nm haben.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, bei der die Titanoxidschichten in der ersten Vielzahl von abwechselnden Schichten eine geometrische Dicke von höchstens 50 nm und die Siliciumoxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke von mindestens 3 nm und höchstens 5 nm haben.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, bei der die Titanoxidschichten in der zweiten Vielzahl von abwechselnden Schichten eine geometrische Dicke von höchstens 15 nm und die Tantaloxid-Zwischenschichten eine geometrische Dicke von höchstens 3 nm haben.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Lampengefäß (2) zwischen dem Lampengefäß (2) und dem Interferenzfilm (5) mit einer Haftschicht versehen ist, die eine Dicke von mindestens 50 nm hat.
Elektrische Lampe nach Anspruch 4, bei der die Haftschicht ein aus Boroxid und Phosphoroxid gewähltes Oxid umfasst.
Elektrische Lampe nach Anspruch 1, 2 oder 4, bei der der Interferenzfilm (5) an einer dem Lampengefäß abgewandten Seite mit einer Schicht aus Siliciumoxid versehen ist, die eine Dicke von mindestens 50 nm hat.