ES2301048T3 - Lampara electrica y pelicula de interferencia. - Google Patents
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Abstract
Lámpara eléctrica que comprende: - un recipiente (1) de lámpara transmisor de luz en el que está dispuesta una fuente (2) de luz, - estando dotada al menos una porción del recipiente (1) de lámpara con una película (5) de interferencia para permitir el paso de la radiación de luz visible y reflejar la radiación infrarroja, - comprendiendo la película (5) de interferencia o bien una primera pluralidad de capas alternantes de óxido de silicio y óxido de titanio o bien una segunda pluralidad de capas alternantes de óxido de silicio, óxido de titanio y óxido de tántalo, - teniendo las capas de óxido de titanio en la primera pluralidad de capas alternantes un espesor geométrico de como máximo 75 nm al insertar capas intermedias de óxido de silicio relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio, teniendo las capas intermedias de óxido de silicio un espesor geométrico de al menos 1 nm y como máximo 7,5 nm, - teniendo las capas de óxido de titanio en la segunda pluralidad de capas alternantes un espesor geométrico de como máximo 25 nm al insertar capas intermedias de óxido de tántalo relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio, teniendo las capas intermedias de óxido de tántalo un espesor geométrico de al menos 1 nm y como máximo 5 nm.
Description
Lámpara eléctrica y película de
interferencia.
La invención se refiere a una lámpara eléctrica
que comprende un recipiente de lámpara transmisor de luz, en el que
está dispuesta una fuente de luz, y a una película de interferencia
para permitir el paso de la radiación de luz visible y reflejar la
radiación infrarroja. La película de interferencia comprende una
pluralidad de capas de óxido de titanio como material con alto
índice de refracción y capas de óxido de silicio como material con
bajo índice de refracción.
La invención se refiere además a una película de
interferencia para su uso en una lámpara eléctrica.
Los recubrimientos de interferencia óptica de
película delgada, también conocidos como filtros de interferencia,
comprenden capas alternantes de dos o más materiales que tienen
diferentes índices de refracción se conocen bien en la técnica.
Tales recubrimientos o películas de interferencia se usan para
reflejar y/o transmitir de manera selectiva radiación de luz de
diversas porciones del espectro electromagnético, tal como radiación
ultravioleta, visible e infrarroja (IR). Estas películas de
interferencia se emplean en la industria de la iluminación para
recubrir reflectores y fundas de lámpara. Una aplicación en la que
se ha encontrado que estos recubrimientos ópticos de película
delgada son útiles es en la mejora de la eficacia de iluminación o
eficacia de lámparas incandescentes o de arco al reflejar la
radiación infrarroja (IR) emitida por un filamento o arco de vuelta
al filamento o arco mientras que transmite la porción de luz visible
del espectro electromagnético emitido por el filamento o arco. Esto
reduce la cantidad de energía eléctrica que es necesario suministrar
al filamento o arco para mantener su temperatura de funcionamiento.
En otras aplicaciones de lámpara, en las que se desea transmitir
radiación IR, tales filtros pueden reflejar las porciones de menor
longitud de onda del espectro, tales como las porciones de luz
ultravioleta y visible emitidas por un filamento o arco y transmitir
principalmente la porción infrarroja con el fin de proporcionar
radiación térmica con poca o ninguna radiación de luz visible.
Las películas de interferencia óptica, también
denominadas recubrimientos ópticos o filtros (de interferencia)
ópticos y usadas para aplicaciones en las que la película de
interferencia estará expuesta a altas temperaturas superiores a
500ºC, se han fabricado de capas alternantes de óxidos de metal
refractarios tales como titania (dióxido de titanio, TiO_{2},
n=2,7 para TiO_{2} rutilo), niobia (pentóxido de niobio,
Nb_{2}O_{5}, n=2,35), zirconia (óxido de zirconio, n=2,3),
tantalia (pentóxido de tántalo, Ta_{2}O_{5}, n=2,2) y sílice
(óxido de silicio, SiO_{2}, n=1,45), en las que el sílice es el
material con bajo índice de refracción y la titania, niobia,
zirconia o tantalia es el material con alto índice de refracción
(los valores de los respectivos índices de refracción se facilitan
a una longitud de onda \lambda = 550 nm). En aplicaciones de
lámparas halógenas, estas películas de interferencia se aplican
sobre la superficie externa del recipiente de lámpara de cuarzo que
contiene la fuente de luz (filamento o arco). La superficie externa,
y por tanto la película de interferencia, puede alcanzar
temperaturas de funcionamiento en el intervalo de desde 800ºC hasta
900ºC.
Los recubrimientos o las películas de
interferencia se aplican usando evaporación o técnicas de
pulverización catódica (reactiva) y también mediante procesos de
deposición química en fase vapor (CVD) y deposición química en fase
vapor a baja presión (LPCVD). Estas técnicas de deposición producen
generalmente capas relativamente gruesas que tienden a agrietarse y
que limitan gravemente el diseño del filtro.
La estabilidad de fase, el estado de oxidación y
el desequilibrio de expansión térmica de los materiales de capa con
alto índice de refracción con el sustrato de cuarzo a temperaturas
mayores es un tema de preocupación. Los cambios en este caso pueden
provocar la delaminación de la película de interferencia, por
ejemplo, debido a un desequilibrio térmico, o pueden introducir un
grado indeseado de dispersión de la luz y/o absorción de la luz en
la película de interferencia. Los materiales con alto índice de
refracción se depositan normalmente a temperaturas relativamente
próximas a la temperatura ambiente (normalmente inferior a 250ºC) y
se depositan como capas amorfas o microcristalinas. Generalmente,
la mayoría de las capas con alto índice de refracción experimentan
cristalización a temperaturas superiores a 550ºC, por ejemplo,
durante la vida de la lámpara eléctrica (normalmente varios miles
de horas). La cristalización implica el crecimiento del grano de
cristal, que puede afectar a la transparencia óptica del
recubrimiento a través de la dispersión de la luz. Además, ha de
tenerse cuidado, tanto durante el proceso de deposición de capas
(físico) como durante el funcionamiento de la lámpara a altas
temperaturas, de que el material de capas con alto índice de
refracción no debe convertirse en deficiente en oxígeno, porque
esto conduce generalmente a una absorción de luz indeseada.
Las películas de interferencia de múltiples
capas ópticas que comprenden óxido de titanio y óxido de silicio se
usan actualmente por diversas empresas, en particular, en
reflectores de espejo frío y en pequeñas lámparas halógenas de bajo
voltaje con una temperatura de funcionamiento inferior a
aproximadamente 650ºC. Se sabe que estas películas de interferencia
tienden a convertirse en turbias (dispersión) por encima de los
700ºC. El uso de películas de interferencia que reflejan infrarrojo
(IR) a base de óxido de titanio y óxido de silicio se prefiere por
motivos de coste, porque la diferencia relativamente grande en los
índices de refracción de los respectivos materiales de capas
permite el uso de relativamente pocas capas en el diseño del filtro
y un conjunto de películas más delgado en global para realizar una
reflexión de IR adecuada, requiriendo menos tiempo durante la
deposición de la película de interferencia. No obstante, aunque el
TiO_{2} con un índice de refracción n=2,3 a 550 nm se usa
comúnmente para lámparas halógenas de baja temperatura, hasta ahora
no se ha comercializado ninguna película de interferencia de
múltiples capas que refleja IR de TiO_{2}/SiO_{2} con alto
índice en lámparas eléctricas (por ejemplo halógenas) de alta
temperatura debido a los problemas mencionados anteriormente con
los fenómenos de dispersión, absorción y/o
agrietamiento/delaminación del recubrimiento cuando la película de
interferencia de TiO_{2}/SiO_{2} se expone a temperaturas
superiores a 700ºC. Alrededor y por encima de este intervalo de
temperatura, se producen transiciones de fase interna de amorfa a
cristalina y/o entre diferentes fases cristalinas, en particular el
tipo de unidades cristalinas de anatasa y rutilo bien conocidas,
creando unidades cristalinas de dispersión e induciendo cambios de
volumen. Además, estas transiciones afectan a las tensiones
mecánicas que dependen de la temperatura a las que está expuesto el
conjunto de múltiples capas, lo que puede inducir posteriormente al
agrietamiento de las capas y/o a la delaminación.
Es un objeto de la invención proporcionar una
lámpara eléctrica del tipo descrito en el párrafo inicial con una
película de interferencia para permitir el paso de la radiación de
luz visible y reflejar la radiación IR, comprendiendo la película
de interferencia capas de óxido de titanio como material con alto
índice de refracción y óxido de silicio como material con bajo
índice de refracción, mostrando dicha película de interferencia un
rendimiento mejorado a temperaturas elevadas. Según la invención,
este objeto se consigue mediante una lámpara eléctrica que
comprende:
un recipiente de lámpara transmisor de luz, en
el que está dispuesta una fuente de luz,
estando dotada al menos una porción del
recipiente de lámpara con una película de interferencia para
permitir el paso de la radiación de luz visible y reflejar la
radiación infrarroja,
comprendiendo la película de interferencia o
bien una primera pluralidad de capas alternantes de óxido de silicio
y óxido de titanio o bien una segunda pluralidad de capas
alternantes de óxido de silicio, óxido de titanio y óxido de
tántalo,
teniendo las capas de óxido de titanio en la
primera pluralidad de capas alternantes un espesor geométrico de
como máximo 75 nm al insertar capas intermedias de óxido de silicio
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio, teniendo
las capas intermedias de óxido de silicio un espesor geométrico de
al menos 1 nm y como máximo 7,5 nm,
teniendo las capas de óxido de titanio en la
segunda pluralidad de capas alternantes un espesor geométrico de
como máximo 25 nm al insertar capas intermedias de óxido de tántalo
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio,
teniendo las capas intermedias de óxido de tántalo un espesor geométrico de al menos 1 nm y como máximo 5 nm.
teniendo las capas intermedias de óxido de tántalo un espesor geométrico de al menos 1 nm y como máximo 5 nm.
Al introducir capas de óxido de silicio
relativamente delgadas o capas de óxido de tántalo relativamente
delgadas en las capas de óxido de titanio, se obtienen capas de
óxido de titanio con alto índice de refracción termoestables. De
esta manera, se crea un producto nanolaminado que es muy adecuado
como material con alto índice de refracción en películas de
interferencia óptica que funcionan a temperaturas relativamente
altas (superiores a los 700ºC). Una lámpara eléctrica con una
película de interferencia que comprende capas de óxido de titanio
como material con alto índice de refracción que tienen un espesor
limitado y con capas delgadas de óxido de silicio o tántalo
insertadas en las capas de óxido de titanio muestra un rendimiento
mejorado a temperaturas elevadas.
Según la invención, el crecimiento del tipo de
unidades cristalinas de rutilo en las capas de óxido de titanio se
ve impedido por la introducción de las capas de óxido de silicio
relativamente delgadas o de óxido de tántalo en las capas de óxido
de titanio. Además, los inventores encontraron que la transición de
fase de anatasa a rutilo se detiene a una cierta mezcla de anatasa y
rutilo.
En las películas de interferencia conocidas que
comprenden óxido de titanio, tienden a crecer granos relativamente
grandes a temperaturas elevadas. Se sabe que el tamaño de estos
granos está limitado en las películas de interferencia por el
espesor de la capa de óxido de titanio y, en general, no supera dos
o tres veces el espesor de la capa de óxido de titanio cuando se
observa en el plano de la capa. En las películas de interferencia
conocidas que emplean óxido de titanio como material con alto
índice de refracción, se observan tamaños de grano superiores a 80
nm, dando lugar a una degradación visible de la película de
interferencia debido a la dispersión de la luz. Además, en las
películas de interferencia conocidas con óxido de titanio como
material con alto índice de refracción, la fase de anatasa a
temperaturas elevadas (superiores a aproximadamente 550ºC) se
transforma en la fase de rutilo conduciendo a un aumento de la
densidad de la capa de óxido de titanio. Un crecimiento excesivo de
cristales de rutilo en las capas de óxido de titanio conocidas a
temperaturas elevadas (superiores a aproximadamente 700ºC) altera
la estructura regular de la película de interferencia e induce una
dispersión de la luz indeseada.
Al encapsular las capas de óxido de titanio
entre capas de óxido de silicio relativamente delgadas o capas de
óxido de tántalo relativamente delgadas y al confinar el espesor de
las capas individuales de óxido de titanio, se obtienen capas
estables de óxido de titanio que tienen propiedades de alta
temperatura deseables y excelentes. En las películas de
interferencia con la primera pluralidad de capas alternantes, las
capas de óxido de titanio tienen un espesor geométrico de como
máximo 75 nm mientras que las capas intermedias de óxido de silicio
que tienen un espesor geométrico en el intervalo de desde 1 nm hasta
aproximadamente 7,5 nm se insertan en las capas de óxido de
titanio. En las películas de interferencia con la segunda pluralidad
de capas alternantes, las capas de óxido de titanio tienen un
espesor geométrico de como máximo 25 nm mientras que las capas
intermedias de óxido de tántalo que tienen un espesor geométrico en
el intervalo de desde 1 nm hasta aproximadamente 5 nm se insertan en
las capas de óxido de titanio.
Las capas intermedias deberían tener
preferiblemente un espesor relativamente pequeño, porque las capas
intermedias influyen en (reducen) el índice de refracción eficaz
del producto nanolaminado que comprende el material con alto índice
de refracción. Con este fin, una realización preferida de la lámpara
eléctrica según la invención se caracteriza porque las capas de
óxido de titanio en la primera pluralidad de capas alternantes
tienen un espesor geométrico de como máximo 50 nm y las capas
intermedias de óxido de silicio tienen un espesor geométrico en el
intervalo de desde aproximadamente 3 nm hasta aproximadamente 5 nm.
Una realización preferida alternativa de la lámpara eléctrica según
la invención se caracteriza porque las capas de óxido de titanio en
la segunda pluralidad de capas alternantes tienen un espesor
geométrico de como máximo 15 nm y las capas intermedias de óxido de
tántalo tienen un espesor geométrico que es inferior o igual a
aproximadamente 3 nm. La rugosidad superficial de las capas se
evita en su mayor parte si las capas de óxido de titanio tienen
espesores de capa que son inferiores o iguales a aproximadamente 15
nm. Además, los granos de óxido de titanio ya no pueden atravesar la
capa intermedia.
Debido a estas capas intermedias relativamente
delgadas introducidas en las capas de óxido de titanio, el producto
nanolaminado todavía tiene un índice de refracción "promedio"
muy alto. Experimentos han mostrado que tales películas de
interferencia mantienen el mismo aspecto óptico e índice de
refracción cuando se mantienen a 800ºC durante 70 horas. Este
índice puede variar desde n=2,3 hasta n=2,7 (a una longitud de onda
de 550 nm), dependiendo de la cantidad de simientes de anatasa
presentes en el material tal como se ha depositado. El crecimiento
de grano de los cristales en las capas de óxido de titanio está
bloqueado por la presencia de las capas intermedias en las capas de
material con alto índice de refracción y esto evita la dispersión
óptica. Las capas intermedias de óxido de silicio u óxido de tántalo
actúan como inhibidores del crecimiento de grano en las capas de
óxido de titanio.
Pueden tomarse medidas adicionales para mejorar
adicionalmente la estabilidad de la película de interferencia a
mayores temperaturas. Una realización preferida de la lámpara
eléctrica según la invención se caracteriza porque el recipiente de
lámpara está dotado con una capa de adhesión, por ejemplo una más
grande de óxido de silicio dopada con óxido fosforado y/o de boro,
entre el recipiente de lámpara y la película de interferencia que
tiene un espesor geométrico de al menos 50 nm. Esta medida
contrarresta el agrietamiento (repentino) de la película de
interferencia y/o su delaminación del recipiente de lámpara. Otra
realización preferida de la lámpara eléctrica según la invención se
caracteriza porque la película de interferencia en un lado opuesto
al recipiente de lámpara está dotada con una capa de óxido de
silicio que tiene un espesor geométrico de al menos 50 nm. Una capa
de revestimiento de este tipo limita el deterioro de la película de
interferencia. La capa "de revestimiento" de óxido de silicio
en el lado al aire de la película de interferencia proporciona la
protección de la película de interferencia, en particular a
temperaturas elevadas.
En el caso de la segunda pluralidad de capas
alternantes, se introducen capas intermedias de óxido de tántalo
relativamente pequeñas en el diseño del filtro de la película de
interferencia. La consecuencia de la introducción de óxido de
tántalo como capa intermedia en capas de óxido de titanio es que la
película de interferencia comprende tres materiales de capa. Además
de usarse como material para la capa intermedia, las capas de óxido
de tántalo también pueden usarse para depositar capas
"completas" que tienen un índice de refracción entre el del
óxido de titanio y el del óxido de silicio. De esta manera, las
capas "completas" pueden actuar como una capa material con un
índice de refracción intermedio con respecto al del óxido de titanio
y óxido de silicio. Tales películas de interferencia que comprenden
capas con tres índices de refracción diferentes pueden usarse
ventajosamente para suprimir órdenes superiores en el diseño de
películas de interferencia. Para las películas de interferencia que
permiten el paso de la radiación de luz visible y reflejan la
radiación infrarroja, la supresión de órdenes superiores de bandas
es necesaria con el fin de obtener un intervalo suficientemente
amplio en el rango visible (desde aproximadamente 400 nm hasta
aproximadamente 750 nm) sin alterar los picos en el rango
visible.
Estos y otros aspectos de la invención resultan
evidentes a partir de y se aclararán con referencia a las
realizaciones descritas a continuación en el presente documento.
En los dibujos:
la figura 1 es una vista en sección transversal
de una lámpara incandescente eléctrica dotada con una película de
interferencia según la invención;
la figura 2 muestra la reflectancia calculada de
las películas de interferencia óptica que reflejan IR descritas en
las tablas IA y IB;
la figura 3A muestra la reflectancia calculada
de las películas de interferencia óptica que reflejan IR descritas
en las tablas IA y IIA;
la figura 3B muestra la reflectancia calculada
de las películas de interferencia óptica que reflejan IR descritas
en la tabla IIB;
la figura 4 es una imagen de TEM de un conjunto
de capas de TiO_{2}/Ta_{2}O_{5} tras recocer a 800ºC durante
70 horas, y
la figura 5 es una imagen anular de TEM de campo
oscuro de alto ángulo del conjunto de TiO_{2}/Ta_{2}O_{5} tal
como se muestra en la figura 4.
Las figuras son puramente esquemáticas y no
están dibujadas a escala. Particularmente, algunas dimensiones se
muestran en una forma muy exagerada con fines de claridad. Los
componentes similares en las figuras se designan en la medida de lo
posible con los mismos números de referencia.
En la figura 1, la lámpara eléctrica comprende
un recipiente 1 de lámpara de cristal de cuarzo que aloja un cuerpo
incandescente como fuente 2 de luz. Los conductores 3 actuales que
emiten desde el recipiente de lámpara 1 hacia el exterior están
conectados a la fuente 2 de luz. El recipiente 1 de lámpara está
cargado con un gas que contiene halógeno, por ejemplo, bromuro de
hidrógeno. Al menos una parte del recipiente 1 de lámpara está
recubierta con una película 5 de interferencia que comprende una
pluralidad de capas de al menos óxido de silicio y óxido de
titanio. La película 5 de interferencia permite el paso de la
radiación visible y refleja la radiación infrarroja (IR). En el
ejemplo de la figura 1, el recipiente 1 de lámpara está montado en
una bombilla 4 externa, que está soportada por un casquillo 6 de
lámpara con el que están conectados eléctricamente los conductores
3 de corriente. La lámpara eléctrica mostrada en la figura 1 es una
lámpara alimentada por la red de 60 W que tiene una vida útil de al
menos 2500 horas.
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Primera
realización
Se estableció una primera realización de una
película de interferencia (primera pluralidad de capas alternantes)
en un diseño de conjunto óptico de SiO_{2}/TiO_{2} de múltiples
capas sobre cuarzo con el objetivo de transmitir completamente toda
la luz visible dentro del rango de longitudes de onda desde 400 nm
<\lambda< 750 nm mientras que refleja tanto como sea
posible la luz IR dentro del rango del intervalo desde 750 nm
<\lambda< 2000 nm. El punto de partida era una película de
interferencia con un número de capas relativamente pequeño que
tiene una reflectancia de luz infrarroja comparable con la de las
películas de interferencia conocidas. El resultado es un conjunto
de películas de interferencia óptica de SiO_{2}/TiO_{2} de 25
capas tal como se muestra en la tabla IA.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
La película de interferencia de la tabla IA
tiene un espesor de conjunto total de 1904 nm.
En el diseño de partida de la película de
interferencia de IR de la tabla IA, se han introducido dos capas
adicionales al final y al principio del conjunto de interferencia.
Una primera capa (con el número de referencia 1) es una capa de
SiO_{2} que tiene un espesor geométrico de al menos 50 nm
introducida en la película de interferencia en un lado opuesto al
recipiente de lámpara. La película de interferencia está dotada con
una capa de óxido de silicio que tiene un espesor geométrico de al
menos 50 nm. Una capa de revestimiento de este tipo limita el
deterioro de la película de interferencia. La capa "de
revestimiento" de óxido de silicio en el lado al aire de la
película de interferencia proporciona la protección mecánica de la
película de interferencia, en particular a temperaturas elevadas.
En el ejemplo de la tabla IA, esta capa de revestimiento de
SiO_{2} tiene un espesor superior a 80 nm. Una segunda capa (con
el número de referencia 25) es una capa de adhesión de SiO_{2}
entre el recipiente de lámpara y la película de interferencia que
tiene un espesor geométrico de 50 nm. Esta capa de adhesión de
SiO_{2} contrarresta el agrietamiento (repentino) de la película
de interferencia y/o su delaminación del recipiente de lámpara. La
capa de adhesión preferiblemente comprende un óxido elegido de
óxido de boro y óxido de fósforo. Se sabe que las capas de óxido de
silicio dopadas con óxido de boro y/o óxido de fósforo reducen las
tensiones en la película. Los agentes de dopado reducen la
viscosidad del dióxido de silicio. El nivel de dopado de la capa de
adhesión no es necesario que sea superior a un pequeño % en peso,
de modo que esta capa todavía tiene un contenido en dióxido de
silicio comparativamente alto, por ejemplo, del 95% al 98% en
peso.
Como una etapa posterior partiendo del diseño de
partida de 25 capas de la tabla IA, se introducen capas intermedias
de óxido de silicio relativamente delgadas en las capas de óxido de
titanio más gruesas. Con este fin, todas las capas de TiO_{2} en
el diseño de partida de la tabla IA que tienen un espesor superior a
50 nm se dividen en al menos dos capas de TiO_{2} mientras que se
introduce una capa intermedia de SiO_{2} relativamente delgada
entre estas dos capas de TiO_{2}. En el ejemplo de la tabla IA,
las capas de TiO_{2} con los números de referencia 2, 4, 6, 10,
16 y 22 se dividen en dos capas de TiO_{2} con una capa intermedia
de SiO_{2} de 4 nm entre ellas. El diseño resultante que
comprende una película de interferencia de TiO_{2}/SiO_{2} de
39 capas se refina usando optimizaciones informáticas, que se
conocen por sí mismas, dando como resultado el diseño optimizado tal
como se muestra en la tabla IB.
La película de interferencia de la tabla IB
tiene un espesor de conjunto total de 1915 nm, que es
aproximadamente el mismo que el espesor total de la película de
interferencia de la tabla IA.
Tal como puede observarse a partir de la tabla
IB, se han formado productos nanolaminados de
TiO_{2}/SiO_{2}/TiO_{2} con capas intermedias de SiO_{2} de
4 nm entre dos capas de TiO_{2} que tienen un espesor de como
máximo 50 nm (véanse los grupos de capas
2-3-4,
6-7-8,
10-11-12,
18-19-20,
26-27-28 y
34-35-39 en la tabla IB). Al
introducir capas de óxido de silicio relativamente delgadas en las
capas de óxido de titanio, se obtienen capas de óxido de titanio
con alto índice de refracción termoestables. Estos productos
nanolaminados son muy adecuados como material con alto índice de
refracción en películas de interferencia óptica que funcionan a
temperaturas relativamente altas (superiores a 700ºC). Una lámpara
eléctrica con una película de interferencia que comprende capas de
óxido de titanio como material con alto índice de refracción que
tiene un espesor limitado y con capas delgadas de óxido de silicio
en las capas de óxido de titanio muestra un rendimiento mejorado a
temperaturas elevadas. De esta manera, el crecimiento del tipo de
unidades cristalinas de rutilo en las capas de óxido de titanio
está impedido por la introducción de las capas de óxido de silicio
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio. Además, la
transición de fase de anatasa a rutilo se detiene a una cierta
mezcla de anatasa y rutilo.
La figura 2 muestra la reflectancia calculada R
(en %) como una función de la longitud de onda \lambda (en nm) de
las películas de interferencia óptica que reflejan IR descritas en
la tabla IA (de 25 capas; línea discontinua con el número de
referencia "25") y tabla IB (de 39 capas; línea continua con el
número de referencia "39"). Puede observarse que el
rendimiento global de la película de interferencia de
TiO_{2}/SiO_{2} de 39 capas (tabla IB) es prácticamente la
misma que el de la película de interferencia de TiO_{2}/SiO_{2}
de 25 capas de partida (tabla IA).
La parte relevante del recipiente 1 de lámpara
se cubre con la película 5 de interferencia según la tabla IB
(véase la figura 1) según la primera realización de la invención por
medio de, por ejemplo, pulverización catódica reactiva. La película
5 de interferencia según la invención permaneció intacta y conservó
sus propiedades iniciales a lo largo de la vida útil de la lámpara
eléctrica.
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Segunda
realización
Se estableció una segunda realización de una
película de interferencia (segunda pluralidad de capas alternantes)
en un diseño de conjunto óptico de SiO_{2}/TiO_{2} de múltiples
capas sobre un sustrato de SiO_{2} con el objetivo de transmitir
completamente toda la luz visible dentro del rango de longitudes de
onda desde 400 nm <\lambda< 750 nm mientras que refleja
tanto como sea posible la luz IR dentro del rango del intervalo
desde 750 nm <\lambda< 2000 nm. El punto de partida fue el
mismo que para la película de interferencia tal como se describió en
la tabla IA.
Según la segunda realización de la película de
interferencia, se introducen capas delgadas de óxido de tántalo en
las capas de óxido de titanio gruesas. Esto implica que está
disponible un tercer material de capa. Además de usar óxido de
tántalo como material para la capa intermedia, también pueden usarse
capas de óxido de tántalo para depositar capas "completas" que
tienen un índice de refracción entre el del óxido de titanio y el
del óxido de silicio. De esta manera, las capas "completas"
pueden actuar como un material de capa que tiene un índice de
refracción intermedio con respecto al índice de refracción del óxido
de titanio y del óxido de silicio. Tales películas de interferencia
que comprenden capas que tienen tres índices de refracción
diferentes pueden usarse ventajosamente para obtener diseños de
filtro mucho más simples con una reflectancia comparable a la del
diseño de partida. Además, las capas que tienen un índice de
refracción intermedio pueden usarse para suprimir los órdenes
superiores en el diseño de películas de interferencia.
El efecto de introducir un tercer material de
capa que tiene un índice de refracción intermedio se muestra a modo
de ejemplo en la tabla IIA.
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La película de interferencia de la tabla IIA
tiene un espesor de conjunto total de 1893 nm, que es
aproximadamente el mismo que el espesor total de la película de
interferencia de la tabla IA.
Aunque el número de capas se reduce de 25 (tabla
IA) a 19 (tabla IIA), la reflectancia del diseño de filtro que
comprende capas de Ta_{2}O_{5} que tienen un índice de
refracción intermedio con respecto a las de SiO_{2} y TiO_{2} es
similar a la del diseño de 25 capas original (tabla IA).
La figura 3A muestra la reflectancia calculada R
(en %) como una función de la longitud de onda \lambda (en nm) de
las películas de interferencia óptica que reflejan IR descritas en
la tabla IA (de 25 capas; línea discontinua con el número de
referencia "25") y tabla IIA (de 19 capas; línea continua con
el número de referencia "19"). Puede observarse que el
rendimiento global de la película de interferencia de
TiO_{2}/Ta_{2}O_{5}/SiO_{2} de 19 capas (tabla IIA) es
prácticamente el mismo que el de la película de interferencia de
TiO_{2}/SiO_{2} de 25 capas de partida (tabla IA).
Como etapa posterior partiendo de la película de
interferencia de TiO_{2}/Ta_{2}O_{5}/SiO_{2} de 19 capas
(tabla IIA), se introducen capas intermedias de óxido de tántalo
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio más
gruesas. Con este fin, se dividen todas las capas de TiO_{2} en el
diseño de partida de la tabla IIA en al menos dos capas de
TiO_{2} mientras se introduce una capa intermedia de
Ta_{2}O_{5} relativamente delgada entre estas dos capas de
TiO_{2}. En el ejemplo de la tabla IIA, las capas de TiO_{2}
con los números de referencia 2, 4, 6, 9, 13 y 17 se dividen en
varios grupos de dos capas de TiO_{2} que tienen un espesor
máximo de 15 nm y con una capa intermedia de Ta_{2}O_{5} de 2 nm
entre ellas. El diseño resultante se refina usando optimizaciones
informáticas, que se conocen por sí mismas, dando como resultado un
diseño de interferencia de TiO_{2}/Ta_{2}O_{5}/SiO_{2} de 67
capas tal como se muestra en la tabla IIB.
El espesor de las capas de TiO_{2} está
limitado a 15 nm mientras se introducen capas intermedias de
Ta_{2}O_{5} de 2 nm en las capas de TiO_{2} más gruesas
La película de interferencia de la tabla IIB
tiene un espesor de conjunto total de 1902 nm, que es
aproximadamente el mismo que el espesor total de las películas de
interferencia de las tablas IA y IIA.
Tal como puede observarse a partir de la tabla
IIB, se han formado productos nanolaminados de
TiO_{2}/Ta_{2}O_{5}/TiO_{2} con capas intermedias de
Ta_{2}O_{5} de 2 nm entre dos capas de TiO_{2} que tienen un
espesor de como máximo 15 nm (véanse los grupos de capas
2-10, 12-22, 24-32,
35-49, 53-57 y 61-65
en la tabla IIB). Al introducir capas de óxido de tántalo
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio, se obtienen
capas de óxido de titanio con alto índice de refracción
termoestables. Estos productos nanolaminados son muy adecuados como
material con alto índice de refracción en películas de interferencia
óptica que funcionan a temperaturas relativamente altas (superiores
a 700ºC). Una lámpara eléctrica con una película de interferencia
que comprende capas de óxido de titanio como material con alto
índice de refracción que tiene un espesor limitado y con capas
delgadas de óxido de tántalo en las capas de óxido de titanio
muestra un rendimiento mejorado a temperaturas elevadas. De esta
manera, el crecimiento del tipo de unidades cristalinas de rutilo en
las capas de óxido de titanio está impedido por la introducción de
las capas de óxido de tántalo relativamente delgadas en las capas de
óxido de titanio. Además, la transición de fase de anatasa a rutilo
se detiene a una cierta mezcla de anatasa y rutilo.
La figura 3B muestra la reflectancia calculada R
(en %) como una función de la longitud de onda \lambda (en nm) de
las películas de interferencia óptica que reflejan IR descritas en
la tabla IIB (de 67 capas; línea continua con el número de
referencia "67"). La película de interferencia de
TiO_{2}/Ta_{2}O_{5}/SiO_{2} de 67 capas (tabla IIB) tiene
prácticamente el mismo rendimiento global que la película de
interferencia de TiO_{2}/SiO_{2} de 25 capas de partida (tabla
IA) y la película de interferencia de
TiO_{2}/Ta_{2}O_{5}/SiO_{2} de 19 capas (tabla IIA) tal como
se muestra en la figura 3A.
La parte relevante del recipiente 1 de lámpara
se cubre con la película 5 de interferencia (véase la figura 1)
según la tabla IIB según la segunda realización de la invención por
medio de, por ejemplo, pulverización catódica reactiva. La película
5 de interferencia según la invención permaneció intacta y conservó
sus propiedades iniciales a lo largo de la vida útil de la lámpara
eléctrica.
A modo de ejemplo, la figura 4 muestra una
imagen de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de un
conjunto de capas de TiO_{2}/Ta_{2}O_{5} tras recocer a 800ºC
durante 70 horas. La barra en la esquina inferior izquierda de la
imagen indica una longitud de 50 nm. Cada capa de TiO_{2} tiene un
espesor de aproximadamente 10 nm y las capas intermedias de
Ta_{2}O_{5} tienen un espesor de aproximadamente 2 nm. Los
cristales de TiO_{2}/Ta_{2}O_{5} en el plano de la capa tienen
un tamaño de grano de aproximadamente 50 nm.
La figura 5 es una imagen de TEM de campo oscuro
anular de alto ángulo (HAADF) del conjunto de
TiO_{2}/Ta_{2}O_{5} tal como se muestra en la figura 4. En
esta imagen, las líneas blancas sobre los límites de las zonas de
TiO_{2} indican Ta_{2}O_{5}. Puede observarse que las capas
de límite de Ta_{2}O_{5} confinan el TiO_{2} a partes
pequeñas relativamente planas de la capa en la que se conserva la
composición original. No son visibles unidades cristalinas de
TiO_{2} grandes que penetren en las capas de límite de
Ta_{2}O_{5}.
Debe observarse que las realizaciones
mencionadas anteriormente ilustran más que limitan la invención, y
que los expertos en la técnica podrán diseñar muchas realizaciones
alternativas sin apartarse del alcance las reivindicaciones
adjuntas. En las reivindicaciones, cualquier signo de referencia
colocado entre paréntesis no debe interpretarse como limitante de
la reivindicación. El uso del verbo "comprender" y sus
conjugaciones no excluye la presencia de elementos o etapas
distintos de los especificados en una reivindicación. El artículo
"un" o "una" precediendo a un elemento no excluye la
presencia de una pluralidad de tales elementos. La invención puede
ponerse en práctica por medio de un soporte físico que comprende
diversos elementos definidos, y por medio de un ordenador
programado adecuadamente. En la reivindicación de dispositivo que
enumera varios medios, varios de estos medios pueden realizarse por
uno y el mismo elemento del soporte físico. El mero hecho de que
ciertas medidas se enumeren en reivindicaciones dependientes
diferentes entre sí no indica que una combinación de estas medidas
no pueda usarse con ventaja.
Claims (6)
1. Lámpara eléctrica que comprende:
- un recipiente (1) de lámpara transmisor de luz
en el que está dispuesta una fuente (2) de luz,
- estando dotada al menos una porción del
recipiente (1) de lámpara con una película (5) de interferencia para
permitir el paso de la radiación de luz visible y reflejar la
radiación infrarroja,
- comprendiendo la película (5) de interferencia
o bien una primera pluralidad de capas alternantes de óxido de
silicio y óxido de titanio o bien una segunda pluralidad de capas
alternantes de óxido de silicio, óxido de titanio y óxido de
tántalo,
- teniendo las capas de óxido de titanio en la
primera pluralidad de capas alternantes un espesor geométrico de
como máximo 75 nm al insertar capas intermedias de óxido de silicio
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio, teniendo
las capas intermedias de óxido de silicio un espesor geométrico de
al menos 1 nm y como máximo 7,5 nm,
- teniendo las capas de óxido de titanio en la
segunda pluralidad de capas alternantes un espesor geométrico de
como máximo 25 nm al insertar capas intermedias de óxido de tántalo
relativamente delgadas en las capas de óxido de titanio, teniendo
las capas intermedias de óxido de tántalo un espesor geométrico de
al menos 1 nm y como máximo
5 nm.
5 nm.
2. Lámpara eléctrica según la reivindicación 1,
en la que las capas de óxido de titanio en la primera pluralidad de
capas alternantes tienen un espesor geométrico de como máximo 50 nm
y las capas intermedias de óxido de silicio tienen un espesor
geométrico de al menos 3 nm y como máximo 5 nm.
3. Lámpara eléctrica según la reivindicación 1,
en la que las capas de óxido de titanio en la segunda pluralidad de
capas alternantes tienen un espesor geométrico de como máximo 15 nm
y las capas intermedias de óxido de tántalo tienen un espesor
geométrico de como máximo 3 nm.
4. Lámpara eléctrica según la reivindicación 1,
2 ó 3, en la que el recipiente (2) de lámpara está dotado con una
capa de adhesión entre el recipiente (2) de lámpara y la película
(5) de interferencia, teniendo la capa de adhesión un espesor de al
menos 50 nm.
5. Lámpara eléctrica según la reivindicación 4,
en la que la capa de adhesión comprende un óxido elegido de óxido de
boro y óxido de fósforo.
6. Lámpara eléctrica según la reivindicación 1,
2 ó 4, en la que la película (5) de interferencia en un lado opuesto
al recipiente de lámpara está dotada con una capa de óxido de
silicio que tiene un espesor de al menos 50 nm.
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