JP2012533088A - ハイブリッド干渉皮膜、ランプ、及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物理蒸着プロセスによって得られる領域、及び化学蒸着プロセスによって得られる領域を有する、光学干渉多層被膜を開示する。また、こうした被膜を作製する方法、並びに光透過性エンベロープを有するランプも開示する。
【解決手段】光透過性エンベロープの表面の少なくとも一部に、上記の光学干渉多層被膜を設ける。このような被膜をランプに使用すると、ランプのエネルギー効率が有利に改善される。
【選択図】図３

Description

本発明は、主に光学多層被膜に関する。具体的には、本明細書の幾つかの実施例は、物理蒸着プロセスによって得られる領域、及び化学蒸着プロセスによって得られる領域を有する、光学多層被膜に関する。

薄膜光学被膜又はフィルタとよばれることもある光学干渉被膜は、屈折率の異なる２つ以上の材料から成る交互の層を有する。幾つかのこのような被膜又は膜を使用して、紫外線、可視光線、及び赤外線放射等、電磁放射スペクトルの様々な部分からの光放射を選択的に反射又は透過させる。例えば、光学干渉皮膜が、反射体及びランプエンベロープを被覆するために、ランプ産業において一般的に使用されている。光学干渉皮膜が役立つ用途の１つは、光源から発せられた電磁スペクトルの可視光を透過させながら、フィラメント又はアークによって発せられた赤外線エネルギーをフィラメント又はアークに向けて反射させることによって、ランプの照明効率又は有効性を改善することである。このことは、光源がその使用温度を維持するために必要な電気エネルギーの量を減少させる。

光学干渉皮膜は、一般的に２つの異なるタイプの交互の層を有し、そのうちの１つは低い屈折率を有し、他方は高い屈折率を有する。異なる屈折率を有するこれら２つの材料を用いて、ランプエンベロープの表面に設ける光学干渉皮膜を設計できる。場合により、被膜又はフィルタは、光源から発射された可視スペクトル領域の光（一般的に約３８０から約７８０ｎｍの波長）を透過させ、その一方で赤外光（一般的に約７８０から約２５００ｎｍ）を反射させる。戻ってきた赤外光は、ランプの使用中に光源を加熱するので、被膜ランプのルーメン出力は、被覆されていないランプのルーメン出力よりも大幅に高くなる。

白熱及びハロゲンランプの潜在エネルギー規制ができたことに伴って、エネルギー効率の良い製品を開発及び導入することが、ますます重要になっている。この観点から、利得又はエネルギー効率を高めた、改良された光学干渉多層被膜及びその作製方法が開発されている。従来の幾つかの作業では、ランプの光学干渉皮膜を用意するにあたり、低圧化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスを採用している（例えば、共有特許である米国特許第５，４１２，２７４号参照）。従来のその他の幾つかの作業では、例えばマグネトロンスパッタリングプロセス等、物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスを有利に採用している。

米国特許第６４４１５４１号

エネルギー効率の良い製品を開発及び導入するための、新規で改良された方法が依然として必要である。

本発明の一実施例は、光学干渉多層被膜を有する物品に関する。この被膜は、物理蒸着プロセスによって形成された第１領域、及び化学蒸着プロセスによって形成された第２領域を有する。第１領域は、第１の複数の交互の第１及び第２層を有し、第１層は比較的低い屈折率を有し、第２層は第１層よりも比較的高い屈折率を有する。第２領域は、第２の複数の交互の第３及び第４層を有し、第３層は比較的低い屈折率を有し、第４層は第３層よりも比較的高い屈折率を有する。

本発明の更なる実施例は、表面及び光源を有する光透過性エンベロープを有するランプに関する。このエンベロープは、少なくとも部分的に光源を包囲する。光透過性エンベロープの表面の少なくとも一部には、光学干渉多層被膜が設けられており、この被膜は、物理蒸着プロセスによって形成された第１領域、及び化学蒸着プロセスによって形成された第２領域を有する。第１領域は、第１の複数の交互の第１及び第２層を有し、第１層は比較的低い屈折率を有し、第２層は第１層よりも比較的高い屈折率を有する。第２領域は、第２の複数の交互の第３及び第４層を有し、第３層は比較的低い屈折率を有し、第４層は第３層よりも比較的高い屈折率を有する。

本発明の実施例による、底部ＰＶＤ領域及び上部ＣＶＤ領域を有する物品の概略図である。 本発明の実施例による、底部ＣＶＤ領域及び上部ＰＶＤ領域を有する物品の概略図である。 本発明の実施例による、図１の物品の底部多層の概略図である。 本発明の実施例による、図１の物品の上部多層の概略図である。 本発明の実施例による、例示的なランプの概略図である。

下記の詳細な説明から、本発明のその他の特徴及び利点の理解が深まるであろう。

これより、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を更に詳説する。

実施例に従って、比較的厚い（例えば１０ミクロン超の）光学干渉被膜を形成するための、効果が向上した、新種の被膜及びその作製方法を本明細書に開示する。これらの方法は通常、ＣＶＤプロセス及びＰＶＤプロセスの両方を利用する。本開示の実施例によると、各被覆プロセスの好ましい態様を採用することで、各プロセスの問題のある態様を最小化できる。

上述のように、本発明の実施例は光学干渉多層被膜を有する物品に関する。この被膜は、物理蒸着プロセスによって形成された第１領域、及び化学蒸着プロセスによって形成された第２領域を有する。第１領域は、第１の複数の交互の第１及び第２層を有し、第１層は比較的低い屈折率を有し、第２層は第１層よりも比較的高い屈折率を有する。第２領域は第２の複数の交互の第３及び第４層を有し、第３層は比較的低い屈折率を有し、第４層は第３層よりも比較的高い屈折率を有する。通常、第１の複数の層における交互の第１及び第２層は、スペクトル的に少なくとも互いに隣接しており、物理的にも互いに隣接している。更に、第２の複数の層における交互の第３及び第４層は、通常、スペクトル的に少なくとも互いに隣接しており、物理的にも互いに隣接している。

一般的に、第１層及び第３層は「低屈折率」層ともよばれ、５５０ｎｍにおいて約１．３５から約１．７の屈折率を有する。通常、これらの低屈折率層は、セラミック材料、耐火材料、ケイ素、金属又は半金属の酸化物、及び金属又は半金属の窒化物、金属又は半金属のフッ化物、等とは別個に選択される材料を含み得る。金属のフッ化物は、ＭｇＦ₂等の化合物も含み得る。多くの場合、これらの低屈折率層は、ガラス又は石英又はその他の非晶質又は結晶シリカの形態等の、酸化ケイ素を含む。低屈折率材料としては、その低屈折率、低コスト、及び好ましい熱的特性から、１つ以上の形態のＳｉＯ₂が最も一般的に採用される。第１層材料が第３層材料と同じであっても、第１層材料が第３層材料とは異なってもよい。

一般的に、第２層及び第４層は、「高屈折率」材料ともよばれ、５５０ｎｍにおいて約１．７から約２．８の屈折率を有する。通常、このような高屈折率材料は、第１及び第３層よりも比較的高い屈折率を有する、いずれの材料をも含み得る。耐火材料の多くは、高屈折率材料に適している。多くの場合、このような高屈折率材料は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｉｎ、及びＴａ等から成る群より選択される１つ以上の金属の１つ以上の酸化物（又は混合酸化物）とは別個に選択される。第２層材料が第４層材料と同じであっても、第２層材料が第４層材料とは異なっていてもよい。第２及び第４層の組成には、（例えば）（１）２つ以上のこのような金属酸化物の物理的混合物、又は（２）混合金属酸化物と別の金属酸化物との物理的混合物、又は（３）（例えば）その他の可能性の中でもとりわけ、上記の群の中の少なくとも２つの金属の混合金属酸化物を含み得る。具体的に考えられる例として、ＸがＨｆ、Ａｌ、及びＺｒから成る群より選択されるＮｂＴａＸ酸化物、又はＹがＴａ、Ｈｆ、Ａｌ、及びＺｒから成る群より選択されるＮｂＴｉＹ酸化物、又はＺがＴａ、Ｈｆ、及びＺｒから成る群より選択されるＴｉＡｌＺ酸化物を含む。そして、一般的に、第２及び第４層は、光学干渉多層被膜において高屈折率材料として従来一般的に採用されてきたいずれかの材料、並びにその他の高屈折率材料を含み得る。

本発明の実施例によると、第１領域は物理蒸着プロセス（ＰＶＤ）によって形成され、第２領域は化学蒸着プロセス（ＣＶＤ）によって形成される。これらの方法又はその他の方法のいずれかを通じて形成されるその他の領域も、被膜内に存在し得る。一般的に、採用されるＰＶＤプロセスは、熱蒸着、ＲＦ蒸着、電子ビーム蒸着、反応蒸着、ＤＣスパッタリング、ＲＦスパッタリング、マイクロ波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、マイクロ波増強ＤＣマグネトロンスパッタリング、アークプラズマ蒸着、反応スパッタリング、レーザアブレーション、及びこれらの組み合わせ、等から成る群より選択される。通常、採用されるＣＶＤプロセスは、常圧ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ、高真空ＣＶＤ、超高真空ＣＶＤ、エアロゾルＣＶＤ、直接液体注入ＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、プラズマ増強ＣＶＤ、遠隔プラズマ増強ＣＶＤ、原子層ＣＶＤ、熱線ＣＶＤ、有機金属ＣＶＤ、ハイブリッド物理化学蒸着、高速熱ＣＶＤ、気相エピタキシ、及びこれらの組み合わせ、等から成る群より選択される。

周知のように、通常の化学蒸着プロセスでは、１つ以上の揮発性又はガス状の、基板表面上で反応及び／又は分解して所望の堆積物を生成する前駆体（通常は分子前駆体）に、基板が曝露される。ＣＶＤプロセスには様々な異なるタイプがあり、これらは使用圧力の特徴、蒸気の特性、エネルギー入力のタイプ、又はその他の特徴によって、分類される。下記の全ては、本明細書において使用される用語としての、「ＣＶＤ」の範囲に含まれることになる。例えば、幾つかのＣＶＤプロセスは、常圧ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）（化学蒸着が通常は大気圧未満で発生する）、及び、通常は約１０^-6Ｐａ未満で行われる、高真空又は超高真空ＣＶＤを含む。別の形態のＣＶＤにおいて、前駆体は厳密に気体状態にはない。エアロゾルＣＶＤは、液化ガスエアロゾルとして前駆体を採用し、その一方で直接液体注入ＣＶＤ（ＤＬＩＣＶＤ）は、基板に注入及び輸送される液状前駆体を使用する。

幾つかのＣＶＤ法は、マイクロ波プラズマＣＶＤ（ＭＰＣＶＤ）、プラズマ増強（又はプラズマ支援）ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、及び遠隔プラズマ増強ＣＶＤ（ＲＰＥＣＶＤ）等の、エネルギー手段により補助される。その他のタイプのＣＶＤとしては、原子層ＣＶＤ（ＡＬＣＶＤ）、熱線ＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）、有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、ハイブリッド物理化学蒸着（ＨＰＣＶＤ）、高速熱ＣＶＤ（ＲＴＣＶＤ）、気相エピタキシ（ＶＰＥ）、等を含む。これらのそれぞれのタイプのＣＶＤは、必ずしも互いに排他的ではないこととする。したがって、上記ＣＶＤプロセスのうち２つ以上を採用する組み合わせも考えられる。例えば、当該技術分野の当業者に明らかなように、プラズマＣＶＤが遠隔プラズマ増強ＣＶＤを含み得る。同様に、有機金属前駆体を採用する熱線ＣＶＤプロセスも、当業者には容易に想到されるように、ＭＯＣＶＤプロセスとみなすことができる。

多層被膜を蒸着するにあたりＬＰＣＶＤを使用する場合、通常、米国特許第５，１４３，４４５号に記載のようなプロセスを採用する。加えて、共有特許である米国特許第５，４１２，２７４号に示す条件及び前駆体のいずれも、本開示における使用に適しているだろう。更に例示的な化学蒸着及び低圧化学蒸着プロセスが、例えば、米国特許第４，９４９，００５号、第５，１４３，４４５号、第５，５６９，９７０号、第６，４４１，５４１号、及び第６，７１０，５２０号に記載されている。これら記載した特許は全て、関連部分において、参照により本明細書に組み込まれる。

当業者に周知のように、通常の物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスでは、材料が物理的プロセスによって気化され、その後基板において凝縮され、堆積物が生成される。場合によって、気化された材料が、酸化（酸素との反応による）等の反応を受けることがある。多くの場合、堆積物は、物理的手段によって蒸着されるべき材料を蒸気に変換するステップと、蒸気を蒸気源から基板に搬送するステップと、蒸気を基板上で凝縮させるステップと、によって基板上に形成される。一般的に、ＣＶＤプロセスにおいて、気化された材料（通常は金属原子等の原子形態である）を蒸着するにあたり、それ自体を分解する必要はない。このことは、堆積物を形成する前に前駆体（通常は分子）を分解又は反応させる必要があるＣＶＤとは異なる、典型的な要因である。ＰＶＤプロセスはしばしば、蒸気を形成するために必要なエネルギー入力のタイプによって特徴付けられる。本明細書において使用する際、ＰＶＤプロセスは、熱蒸着、ＲＦ蒸着、電子ビーム蒸着、反応蒸着、ＤＣスパッタリング、ＲＦスパッタリング、マイクロ波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、マイクロ波増強ＤＣマグネトロンスパッタリング、アークプラズマ蒸着、反応スパッタリング、レーザアブレーション、等を含む。

これらそれぞれのタイプのＰＶＤは、必ずしも互いに排他的ではない。したがって、上記ＣＶＤプロセスのうち２つ以上を採用する組み合わせも考えられる。例えば、「マグネトロンスパッタリング」は、ＤＣ及びＲＦマグネトロンスパッタリングの両方を含み得ると考えられる。同様に、「ＤＣマグネトロンスパッタリング」は、「マイクロ波増強ＤＣマグネトロンスパッタリング」を含み得ると考えられる。しかし、重複する範囲を有する代替方法を列挙するか否かにかかわらず、当該技術分野の当業者であれば、本方法の本質を明確に理解できよう。

多層被膜を蒸着するにあたりＲＦマグネトロンスパッタリングを使用する場合、関連部分において参照により本願に組み込まれる、米国特許第６，４９４，９９７号に示すプロセスを、適宜採用できる。マグネトロンスパッタリングでは、高エネルギー不活性ガスプラズマを使用して、ターゲットを衝突させる。スパッタリングされた原子は、低温のガラス又は石英筺体上で凝縮する。ＤＣ（直流電流）、パルスＤＣ（４０〜４００ＫＨｚ）、又はＲＦ（無線周波数、１３．６５ＭＨｚ）プロセスを使用できる。

実施例によると、上述のように第１及び第２領域を有する物品は、交互の比較的低い屈折率の層及び比較的高い屈折率の層を有する、少なくとも１つの補助多層領域を更に備える。このような補助領域（もしあれば）が第１領域と物理的に隣接している場合、このような補助領域をＣＶＤによって蒸着できる。このような補助領域（もしあれば）が第２領域と物理的に隣接している場合は、このような補助領域をＰＶＤによって蒸着できる。

実施例によると、物品は、少なくとも１つの基板を更に含む。幾つかの実施例では、第１領域は、第２領域よりも少なくとも１つの基板に近い。その他の幾つかの実施例においては、第２領域が第１領域よりも少なくとも１つの基板に近い。

実施例の概略図を、図１から図４に示す。図１には、基板１１、ＰＶＤによって蒸着された第１領域１２、及びＣＶＤによって蒸着された第２領域１３を有する物品１０を示す。これらの領域は、本図面では物理的に隣接するように描かれているが、本発明はこれらの図面に示すものに限定されることはない。図２には、基板２１、底層としての第２（即ちＣＶＤ）領域２２、及び最上層としての第１（即ちＰＶＤ）領域２３を有する、代替配置物品２０を示す。図３及び図４は、物品１０の領域の更なる詳細を示している。図３において、第１領域は、それぞれ高低の屈折率を有する交互の層１２１、１２２、１２３、１２４で構成されている。図４では、物品１０の第２領域は、それぞれ高低の屈折率を有する交互の層１３１、１３２、１３３、１３４を有している。領域毎に４つの層のみを示しているが、本発明がこれらの実施例に限定されることはない。

本発明の幾つかの実施例では、物品が、第１の複数の交互の第１及び第２層において第１平均界面粗さを有する第１領域、及び第２の複数の交互の第３及び第４層において第２平均界面粗さを有する第２領域を含み、第１平均界面粗さは第２平均界面粗さよりも大きい。一般的に、一領域内のいずれか２つの隣接する層（例えば、第１及び第２層）は、それらの間で完全に原子的に平滑な界面を有していない。通常は層の間に、検出可能な、或る種の界面粗さがある。界面粗さは、ＴＥＭ、ＨＲＴＥＭ、ＳＴＭ、ＳＥＭ等の方法を含む、当該技術分野のいずれの当業者にも周知の方法によって測定可能である。「界面的粗さ」ともよばれる「界面粗さ」は一般的に、ｎｍ又はオングストローム等の長さ単位で測定される。本明細書において使用する際、「界面粗さ」という用語は一般的に、所与の界面の二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さである。

上述のように、第１領域は場合によっては、「第１平均界面粗さ」によって特徴付けられる。「第１平均界面粗さ」は通常、第１部分の全ての（又は実質的に全ての）層にわたるｒｍｓ界面粗さの平均値である。一般的に、第１領域内の実質的に全ての層の間の界面粗さは、定量化及び平均化される。同様に、「第２平均界面粗さ」は通常、第２部分の全ての（実質的に全ての）層にわたるｒｍｓ界面粗さの平均値である。ＰＶＤ法によって蒸着された第１部分を有し、ＣＶＤ法によって蒸着された第２部分を有するハイブリッド被膜の場合、各部分が異なる平均界面粗さを有してもよい。通常の実施例では、第１平均界面粗さは、第２平均界面粗さよりも少なくとも約１０％大きい。別の実施例では、第１平均界面粗さが第２平均界面粗さよりも少なくとも約２０％（例えば、少なくとも約５０％）大きい。特定の実施例では、第１平均界面粗さが約１０ｎｍよりも大きく、より具体的には約２０ｎｍよりも大きい。特定の実施例では、第２平均界面粗さが約１０ｎｍ未満、より具体的には約５ｎｍ未満である。

本発明の幾つかの実施例において、第１領域の第１及び／又は第２層は、実質的に円柱状又は針状の構造を有する金属酸化物粒子を含むことを特徴とする。更に別の実施例では、第１領域の第１及び／又は第２層が更に、これら粒子のうちの少なくとも幾つかの間に空隙がある金属酸化物粒子を含むことを特徴とする。これらの一方又は両方の特徴は、ＰＶＤ法によって蒸着された金属酸化物であることもある。しかし、特定の条件下で、特に約５００℃を超える温度で蒸着する場合は、第１領域がむしろ、実質的に非晶質であってもよいこともある。

幾つかの実施例により、約０．２から約３０ミクロン、又は場合によっては更に大きい合計幾何学的厚みを有する、光学干渉多層被膜を有する物品を提供する。被膜の「合計幾何学的厚み」には、第１及び第２領域が含まれるが、基板は含まれない。別の実施例では、被膜の合計幾何学的厚みが、約１０ミクロンよりも大きい。合計幾何学的厚みのその他の範囲には、約２から約２２ミクロン、又は約８から約１５ミクロンを含む。これらの範囲の端点は、別個に組み合わせ可能であり、約２から約１５ミクロン等の新しい範囲を構成してもよい。被膜全体が比較的厚いと、光学干渉多層被膜が、赤外線放射を反射して可視光放射を透過させるバンドパスフィルタとして機能するように構成される用途において、効率がより高くなる。

通常、第１領域は、被膜の合計幾何学的厚みの約２％から約９８％の幾何学的厚みを有する。幾つかの実施例では、第１領域が被膜の合計幾何学的厚みの約５０％から約９０％の幾何学的厚みを有し、第２領域が被膜の合計幾何学的厚みの約１０％から約５０％の幾何学的厚みを有する。幾つかの構成では、第１領域が、約０．１から約２０ミクロン（例えば約４ミクロン超）、又はより厳密には約１から約１５ミクロンの幾何学的厚みを有する。幾つかの構成では、第２領域が、約０．１から約１０ミクロン、又はより厳密には約１から約７ミクロンの幾何学的厚みを含む。

本発明の実施例によると、被膜は各領域において４から２５０の合計層数を有する。その中間の整数値も全て、具体的に可能である。一領域内の合計層数は、特に重要ではない。より厳密に言うと、一領域内の合計層数は、３０から１５０層の範囲のいずれの整数であってもよい。場合によっては、ＣＶＤによって蒸着された領域が４６層を有し、ＰＶＤによって蒸着された領域は６０層を有してもよい。本開示の幾つかの実施例では、前記の第１、第２、第３、及び第４層の各々は、個別に約２０ｎｍから約５００ｎｍ、又は場合によって約１０ｎｍから約２００ｎｍの、平均厚みを有する。

特定の実施例によると、光学干渉多層被膜は、「ホットミラー」、即ち光源から発射される可視スペクトル領域（一般的には約３８０から約７８０ｎｍの波長）の光を実質的に透過させ、赤外光（一般的には約７８０から約２５００ｎｍ）を実質的に反射する被膜として機能するように、構成される。このような実施例において、光学干渉多層被膜は、約６０％超（より好ましくは、約８０％超）の可視光の平均透過率を有し、電磁スペクトルの赤外領域において少なくとも約３０％（より一般的には、約７０％超）の平均反射率を有する。

本開示の実施例によると、上述のような光学干渉多層被膜を有する物品を作製する方法を提供する。このような方法は、基板を準備するステップと、第１領域及び第２領域を蒸着させる（いずれの順序でもよい）ステップとを含む。第１領域は、複数の交互の第１及び第２層を形成するにあたり、物理蒸着によって蒸着され、第１層は比較的低い屈折率を有し、第２層は第１層よりも比較的高い屈折率を有する。第２領域は、複数の交互の第３及び第４層を形成するにあたり、化学蒸着プロセスによって蒸着され、第３層は比較的低い屈折率を有し、第４層は第３層よりも比較的高い屈折率を有する。第１及び第２領域のいずれか１つは基板に隣接している。本方法では更に、第１及び第２領域の中間に１つ以上の補助領域、又は基板と第１又は第２領域との間に１つ以上の補助領域も、設けてよい。第１及び第２領域の蒸着後、一般的に、約１２時間から約６０時間（例えば４８時間）等の長時間にわたって、約３００℃から約５００℃（例えば約４００℃）等の温度で実行される、焼き鈍しステップを採用する。幾つかの実施例では、基板にランプエンベロープを含む。このようなランプエンベロープは、石英又はガラス等、いずれかの透明又は半透明材料で作製される。基板の形状は、特に限定されないが、例えば円筒形又は楕円形等の形状を含む。

本発明の実施例による被膜は、通常は物品の基板上に設けられるが、光学干渉被膜が望ましい、又は通常使用される、幅広い用途のいずれにも利用可能である。これらは例えば、照明用途（例えば、ランプ）、光導波路、反射体、装飾材料、セキュリティ印刷、等を含む。幾つかの実施例では、この被膜は、電磁スペクトルの一部分を選択的に反射させる一方で、電磁スペクトルの別の部分を透過させるために使用される。例えば、被膜は「コールドミラー」又は「ホットミラー」として使用可能である。「コールドミラー」は、可視光を反射させると同時により波長の長い赤外線エネルギーを通す、光学フィルタである。「ホットミラー」は、赤外線放射を反射させると同時により波長の短い可視光を通す、光学フィルタである。本明細書におけるホットミラーの非限定的用途の１つが、ランプ効率が向上するように、ランプのフィラメントに赤外線熱を戻すことである。

本発明の実施例により、本開示の光学干渉多層被膜を含む、１つ又は複数のランプも提供する。このようなランプは一般的に、表面を有する光透過性エンベロープ、及び光源を備える。このエンベロープは、少なくとも部分的に光源を包囲している。光透過性エンベロープの表面の少なくとも一部には、光学干渉多層被膜が施されている。周知のように、このような光透過性エンベロープは、かなりの光透過性を有し、比較的高温（例えば、約８００℃以上）に耐え得るいずれの材料（例えば、石英、セラミック、ガラス等）でも構成可能である。光源は、白熱光源（例えば、フィラメントの抵抗加熱を通じて光を発するもの）、及び／又は、高輝度放電（ＨＩＤ）源等、電気アーク放電源、及び／又は別のタイプの光源であってもよい。

通常、フィラメントを採用する場合、フィラメントは、周知のように、タングステン等の一般的にコイル状の耐火金属で構成される。ランプに通電するためには、通常、エンベロープ内に配置され、エンベロープを貫通する電流供給導体（又は電気リード線）に接続された、少なくとも１つの電気素子を設ける。通常、エンベロープには、充填ガスが封入される。好適な充填ガスとしては、ランプの寿命、品質、及び／又は性能を向上させるように選択された、いずれのガス又はガス状混合物も含まれる。幾つかの充填ガスは、少なくとも１つの希ガス（クリプトン又はキセノン等）等のイオン化充填ガス、及び／又はハロゲン化アルキル化合物（例えば、臭化メチル）等の揮発性ハロゲン化物質を含み得る。ハロゲン含有ガスが、しばしば採用される。金属ハロゲン化物、水銀、及びこれらの組み合わせを含むもの等、その他の多くの充填組成物も考えられる。

本開示によるランプは、ランプエンベロープの内面又は外面のいずれかに、光学干渉多層被膜を有する。或いは、ランプは、ランプエンベロープの内面及び外面の両方に光学干渉多層被膜を有してもよい。

ここで図５を参照すると、本発明による例示的なランプの概略図が示されている。本図面は、限定を意図されるものでも、縮尺通りの図面でもない。この説明用の実施例では、ランプ３０は、密封された、ガラス質の、光透過性石英エンベロープ３１を有し、その外面は、多層光学干渉皮膜３４で被覆されている。エンベロープ３１には、内部電気リード線３２、３３によって通電可能な、コイル状タングステンフィラメント３２が封入されている。内部電気リード線３２、３３は箔３５、３６に溶接され、外部電気リード線３７、３８はこれらの箔の反対側の端部に溶接されている。エンベロープ３１の内部３９には、ハロゲン又はハロゲン化合物を含むイオン化充填物が配されている。

上述の光学干渉被膜をランプの被膜として使用すると、例えばハロゲンランプ等のランプの効率が有利に改善される。このような改善は、ＬＰＷ（ワットあたりルーメン）の上昇値において明白であろう。百分率で表す場合、ＬＰＷの上昇を「利得」という。本発明の実施例によると、光学干渉膜で被覆した場合のハロゲンランプは、被覆されていないランプと比較して、約２０％から約１５０％、より好ましくは約３３％超、更に好ましくは約１００％から約１５０％の利得を呈する。このような比較は通常、例えば通常使用温度において等、通電されて同じ高温フィラメント温度に達した、同じランプに対して行われる。更に、上述の光学干渉被膜は、最大８００℃以上の温度に曝露された後でさえ、高い構造的及び光学的完全性も呈する。しかも、本発明の実施例による光学干渉被膜で被覆されたランプでは、一致性及び性能安定性が高まり、外観（平滑で透明な被膜表面）が改善する。

本開示の「ハイブリッド」被膜により、ＣＶＤのみ又はＰＶＤのみによって蒸着された被膜の使用における、幾つかの欠点を克服できる。通常、ＣＶＤプロセスは、蒸着可能な被膜の厚みに関して制限を受ける可能性がある。多くの場合、厚いＣＶＤ被膜において、応力が生じる可能性がある。これらの応力発生問題が大きな原因となり、被膜の最大厚は通常、約５から６ミクロン未満に限定される。ＰＶＤプロセスでは、一般的に、応力関連の問題を伴わずに、より厚い被膜（例えば、約１５から１６ミクロンのランプ上の光学干渉多層被膜等）を生成できる。しかし、被膜がこのような厚みに近づくと、界面粗さ及び表面粗さを制御することが難しくなることもある。更に、見通しプロセスとして、ＰＶＤプロセスは、ランプ等、基板への適用において、比較的複雑な機械的操作を必要とすることもある。したがって、ＣＶＤプロセスと比較して、そのバッチ生産性は比較的低く、コストは比較的高い。

対照的に、本「ハイブリッド」被膜により、ＣＶＤ又はＰＶＤのみによって蒸着された被膜では達成が容易ではない、所望の被膜特性を得られる。例えば、特定の例において、ハロゲンランプの「利得」を高く（例えば＞１００％）するためには、少なくとも約１０マイクロメートルの幾何学的厚みを有する光学干渉多層被膜を採用することが望ましい。しかし、本出願人らは、ＣＶＤプロセスのみでは、応力関連の問題が原因で、このような厚い被膜を生成できないことを見出した。ＰＶＤでは、厚い被膜を蒸着できるものの、被膜が厚くなるにつれて、粗さの制御が難しくなることが多い。被膜を（例えば）この２つの領域に分割することにより、ＣＶＤによって蒸着された領域の界面を平滑にし易くなり、残りの領域を、全体的にＰＶＤによって作製された被膜を有する場合と比較して、界面粗さをより良く制御しながら、ＰＶＤプロセスによって蒸着可能である。ハイブリッド被膜により、ＰＶＤのみによって作製されたものと比較して、コスト効率も高めることができる。更に、ＰＶＤ被膜における圧縮応力により、ＣＶＤ部分における引張応力が相殺され、被膜がより割れにくく、剥離しにくくなる。このことは、ＣＶＤ蒸着領域が基板に隣接しており、ともするとＰＶＤ表層の不存在下では剥離したり割れたりするような厚みで蒸着される場合に、特に有利であろう。

本発明の更なる理解を助けるために、以下に例を示す。これらの例は、説明用であり、本発明の特許請求の範囲に対する何らかの限定と解釈されるべきではない。

２つのＤＥＱランプの外側エンベロープ表面を、ＬＰＣＶＤプロセスを通じて、光学干渉多層被膜によって被覆し、それぞれをランプＡ及びＢで表した。ランプＡを、交互のシリカ及びタンタル酸化物の４６層スタックで被覆し、ランプＢを、交互のシリカ及びニオブ−タンタル酸化物の４６層スタックで被覆した。ＬＰＣＶＤで蒸着された全てのスタックは、約４ミクロンの幾何学的厚みを有していた。ランプＡ及びＢの各々を、スパッタリングにより、第２光学干渉多層スタックで更に被覆した。いずれの場合も、第２光学干渉多層スタックを、ホットミラー設計の、３６層の交互のシリカ及びＮｂ−Ｔｉ−Ａｌ酸化物層で構成した。シリカ層のスパッタリング蒸着にあたり、カソード電力を３ｋＷに設定した。アルゴン流量は８０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）、Ｏ₂圧力は２．５×１０^-5ｔｏｒｒ（０．００３３Ｐａ）であった。Ｎｂ−Ｔｉ−Ａｌ酸化物層のスパッタリング蒸着にあたり、カソード電力を４ｋＷに設定した。アルゴン流量は８０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）、Ｏ₂圧力は３．２×１０^-4ｔｏｒｒ（０．０４３Ｐａ）であった。スパッタリングによって蒸着されたスタックは全て、約４ミクロンの幾何学的厚みを有している。各ランプ上の組み合わせハイブリッド被膜は、その後４００℃で４８時間焼き鈍しされた。

例１の手順を採用して、交互にシリカ／ＮｂＴａ酸化物でＬＰＣＶＤを行うことにより、４．５ミクロンの厚みで蒸着された４６Ｌ（層）の、石英エンベロープの外側に、底部被膜を有するＤＥＱハロゲンランプを準備した。上部被膜として、６０Ｌの交互のシリカ／ＮｂＴｉＡｌ酸化物が、ＰＶＤ（スパッタリング）によって、４．５ミクロンの厚みで蒸着された。驚くことに、合計被膜が１０ミクロン近いにもかかわらず、透過率スペクトルは殆ど曇りを示さなかった。更に、ＰＶＤ層が底部被膜に対して保護効果を呈し、このことによって、ＣＶＤによる被膜において、その厚みにもかかわらずランプの使用中に剥がれが観察されないことが、思いがけず見いだされた。最終的に、計算されたＬＰＷ利得は、ＰＶＤ層のない同じＣＶＤ被膜に対して、約１０％であった。

本明細書では、近似表現を用いて、関連する基本的機能を変化させることなく可変である、あらゆる数量表現の修飾が可能である。したがって、「約」「実質的に」等の用語で修飾された値が、記載の厳密な値に限定されない場合もある。数量と関連して用いられる「約」という修飾語は、提示された値を包含するとともに、文脈から明らかな意味も含む（例えば、或る特定の数量の計測誤差の程度を含む）。「任意の」「任意で」とは、これに続いて記述される事象又は状況が生じるか否かにかかわらず、これに続いて特定される材料が存在するか否かにかかわらず、その記述が、当該事象又は状況が生じる場合又は当該材料が存在する場合も、当該事象又は状況が生じない場合又は当該材料が存在しない場合も含むことを意味している。単数名詞は、文脈上特に明記しない限り、複数の指示対象も含む。本明細書に開示する範囲は全て、列挙した端点を包含し、これらは別個に組み合わせ可能である。

本明細書で使用する場合、「〜ように適合される」「〜ように構成される」等の表現は、特定の構造を形成するように、又は特定の結果を得られるように寸法決め、配置、又は作製された要素であることを示している。限られた数の実施例のみに関連して、本発明を詳説したが、本発明がこうした開示の実施例に限定されないことは、明らかである。むしろ、本発明を修正して、上記しなかった変形、改変、置換、又は等価の措置を幾つでも組み込むことができるが、これらも特許請求の範囲内に相当する。また、本発明の様々な実施例を記述したが、本発明の態様が、記述した実施例の一部を含むのみであってもよいことを理解されたい。したがって、本発明が上記の記述によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるとみなされるべきである。

Claims (20)

1. 光学干渉多層被膜を有する物品であって、前記被膜が、
   第１の複数の交互の第１及び第２層を有する第１領域であって、前記第１層が比較的低い屈折率を有し、前記第２層が前記第１層よりも比較的高い屈折率を有する、第１領域と、
   第２の複数の交互の第３及び第４層を有する第２領域であって、前記第３層が比較的低い屈折率を有し、前記第４層が前記第３層よりも比較的高い屈折率を有する、第２領域と、を有し、
   前記第１領域が物理蒸着プロセスによって形成され、前記第２領域が化学蒸着プロセスによって形成される、物品。
2. 前記ＰＶＤプロセスが、熱蒸着、ＲＦ蒸着、電子ビーム蒸着、反応蒸着、ＤＣスパッタリング、ＲＦスパッタリング、マイクロ波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、マイクロ波増強ＤＣマグネトロンスパッタリング、アークプラズマ蒸着、反応スパッタリング、レーザアブレーション、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１に記載の物品。
3. 前記ＣＶＤプロセスは、常圧ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ、高真空ＣＶＤ、超高真空ＣＶＤ、エアロゾルＣＶＤ、直接液体注入ＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、プラズマ増強ＣＶＤ、遠隔プラズマ増強ＣＶＤ、原子層ＣＶＤ、熱線ＣＶＤ、有機金属ＣＶＤ、ハイブリッド物理化学蒸着、高速熱ＣＶＤ、気相エピタキシ、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１に記載の物品。
4. 前記第１領域が、前記第１の複数の交互の第１及び第２層において第１平均界面粗さを有し、前記第２領域が、前記第２の複数の交互の第３及び第４層において第２平均界面粗さを有し、
   前記第１平均界面粗さが前記第２平均界面粗さよりも大きい、請求項１に記載の物品。
5. 前記第１平均界面粗さが、前記第２平均界面粗さよりも少なくとも約１０％大きい、請求項４に記載の物品。
6. 前記第１層及び前記第３層が、セラミック材料、耐火材料、金属又は半金属の酸化物、金属又は半金属のフッ化物、及び金属又は半金属の窒化物とは別個に選択される材料を含む、請求項１に記載の物品。
7. 前記第２及び前記第４層が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、Ｉｎ、及びＴａから選択される１つ以上の金属の１つ以上の酸化物又は混合酸化物とは別個に選択される材料を含む、請求項１に記載の物品。
8. 前記第１領域が、前記被膜の合計幾何学的厚みの約５０％から約９０％の幾何学的厚みを有し、前記第２領域が、前記被膜の前記合計幾何学的厚みの約１０％から約５０％の幾何学的厚みを含む、請求項１に記載の物品。
9. 前記被膜が、６０％超の可視光の平均透過率を有し、電磁スペクトルの赤外領域において少なくとも約３０％の平均反射率を有する、請求項１に記載の物品。
10. ランプであって、
    表面及び光源を有する光透過性エンベロープであって、少なくとも部分的に前記光源を包囲する、エンベロープを備え、
    前記光透過性エンベロープの表面の少なくとも一部には、
    （ａ）第１の複数の交互の第１及び第２層を有する第１領域であって、前記第１層が比較的低い屈折率を有し、前記第２層が前記第１層よりも比較的高い屈折率を有する、第１領域と、
    （ｂ）第２の複数の交互の第３及び第４層を有する第２領域であって、前記第３層が比較的低い屈折率を有し、前記第４層が前記第３層よりも比較的高い屈折率を有する、第２領域と、を有する光学干渉多層被膜が設けられ、
    前記第１領域が化学蒸着プロセスによって形成され、前記第２領域が物理的蒸着プロセスによって形成される、ランプ。
11. 前記光学干渉多層被膜が、前記エンベロープの内面及び外面の一方、又は両方に設けられる、請求項１０に記載のランプ。
12. 前記光源が、フィラメントを含み、
    前記ランプが、通電されて高温フィラメント温度まで達すると、被膜のない、通電されて同じ高温フィラメント温度まで達したランプと比較して、約２０％から約１５０％のＬＰＷ利得を呈する、請求項１０に記載のランプ。
13. 前記エンベロープ内に配置され、且つ、前記エンベロープを貫通する電流供給導体に接続された、少なくとも１つの電気素子を更に有する、請求項１０に記載のランプ。
14. 前記光源が、フィラメント又は電気アークのうちの１つ以上を有する、請求項１０に記載のランプ。
15. 前記エンベロープには、ランプの寿命、品質、及び／又は性能を向上させるように選択された充填ガスが封入されている、請求項１０に記載のランプ。
16. 前記第１領域が、前記第１の複数の交互の第１及び第２層において第１平均界面粗さを有し、前記第２領域が、前記第２の複数の交互の第３及び第４層において第２平均界面粗さを有し、
    前記第１平均界面粗さが前記第２平均界面粗さよりも大きい、請求項１０に記載のランプ。
17. 前記被膜が、６０％超の可視光の平均透過率を有し、前記電磁スペクトルの赤外領域において少なくとも約３０％の平均反射率を有する、請求項１０に記載のランプ。
18. 光学干渉多層被膜を有する物品を作製する方法であって、
    基板を準備するステップと、
    物理蒸着プロセスによって、第１の複数の交互の第１及び第２層を有する第１領域を蒸着させるステップであって、前記第１層が比較的低い屈折率を有し、前記第２層が前記第１層よりも比較的高い屈折率を有する、ステップと、
    化学蒸着プロセスによって、第２の複数の交互の第３及び第４層を有する第２領域を蒸着させるステップであって、前記第３層が比較的低い屈折率を有し、前記第４層が前記第３層よりも比較的高い屈折率を有する、ステップと、を含み、
    前記第１及び第２領域のうちの１つが前記基板に隣接している、方法。
19. 前記ＰＶＤプロセスが、熱蒸着、ＲＦ蒸着、電子ビーム蒸着、反応蒸着、ＤＣスパッタリング、ＲＦスパッタリング、マイクロ波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、マイクロ波増強ＤＣマグネトロンスパッタリング、アークプラズマ蒸着、反応スパッタリング、レーザアブレーション、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ＣＶＤプロセスが、常圧ＣＶＤ、低圧ＣＶＤ、高真空ＣＶＤ、超高真空ＣＶＤ、エアロゾルＣＶＤ、直接液体注入ＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、プラズマ増強ＣＶＤ、遠隔プラズマ増強ＣＶＤ、原子層ＣＶＤ、熱線ＣＶＤ、有機金属ＣＶＤ、ハイブリッド物理化学蒸着、高速熱ＣＶＤ、気相エピタキシ、及びこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１８に記載の方法。