KR20070098783A

KR20070098783A - 전기 램프 및 간섭막

Info

Publication number: KR20070098783A
Application number: KR1020077007816A
Authority: KR
Inventors: 마고 반 그루텔; 한스 반 스프랑; 요한 마라
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-10-05
Also published as: CN101015035A; WO2006027724A1; US20090236960A1; DE602005004798T2; EP1792328A1; EP1792328B1; ES2301048T3; JP2008512702A; ATE386337T1; DE602005004798D1

Abstract

전기 램프는 광원(2)이 배열되는 투광 램프 용기(1)를 갖는다. 램프 용기의 적어도 일부는 가시광선 방사의 투과를 허용하고 적외선 방사를 반사하기 위한 간섭막(5)이 제공된다. 간섭막은 SiO₂ 및 TiO₂의 복수의 제1 교번층 또는 SiO₂, TiO₂ 및 Ta₂O₅의 복수의 제2 교번층을 갖는다. 제1 복수의 교번층 내의 TiO₂층은 상대적으로 얇은 SiO₂ 간층을 TiO₂층에 삽입함으로써 많아도 75 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, SiO₂ 간층은 적어도 1 ㎚ 내지 많아도 7.5 ㎚의 기하학적 두께를 갖는다. 제2 복수의 교번층 내의 TiO₂층은 상대적으로 얇은 Ta₂O₅ 간층을 TiO₂층에 삽입함으로써 많아도 25 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, Ta₂O₅ 간층은 적어도 1 ㎚ 내지 많아도 5 ㎚의 기하학적 두께를 갖는다.

전기 램프, 간섭막, 간층, 가시광선, 적외선

Description

전기 램프 및 간섭막{ELECTRIC LAMP AND INTERFERENCE FILM}

본 발명은 광원이 배열되는 투광 램프(light-transmitting lamp) 용기, 및 가시광선 방사의 투과를 허용하고 적외선 방사를 반사하기 위한 간섭막을 포함한 전기 램프에 관한 것이다. 간섭막은 고굴절률 재료로서 복수의 산화 티타늄층 및 저굴절률 재료로서 산화 실리콘층을 포함한다.

또한, 본 발명은 전기 램프에서 이용하기 위한 간섭막에 관한 것이다.

서로 다른 굴절률을 갖는 2개 이상의 재료의 교번층을 포함하는, 간섭 필터로도 공지되어 있는 박막 광 간섭 코팅은 당해 기술분야에서 널리 공지되어 있다. 이와 같은 간섭막 또는 코팅은 자외선, 가시광선 및 적외선(IR; infrared) 방사와 같은 전자기 스펙트럼의 여러 부분으로부터의 빛 방사를 선택적으로 반사하고/반사하거나 투과시키는데 이용된다. 조명 산업에서는, 이들 간섭막을 채용하여, 리플렉터(reflector)와 램프 엔벌로프(lamp envelope)를 코팅하고 있다. 이들 박막 광 코팅이 유용한 것임을 알게 된 하나의 응용은 필라멘트 또는 아크에 의해 방출되는 전자기 스펙트럼의 가시광선 부분을 투과시키면서 필라멘트 또는 아크에 의해 방출되는 적외선 방사를 다시 필라멘트 또는 아크로 반사함으로써 백열 및 아크 램프의 조명 효율 또는 효능을 개선하는 것이다. 이는 필라멘트 또는 아크에 공급될 필요 가 있는 전기 에너지의 양을 낮추어 그 동작 온도를 유지한다. IR 방사를 투과시키기를 원하는 다른 램프 응용에서, 이와 같은 필터는 필라멘트 또는 아크에 의해 방출되는 자외선 및 가시광선 부분과 같은 스펙트럼의 단파장 부분을 반사하고 주로 적외선 부분을 투과시켜, 가시광선 방사가 거의 없거나 전혀 없는 열 방사를 제공할 수 있다.

광 코팅 또는 광 (간섭) 필터로도 지칭되고, 간섭막이 500℃를 초과하는 고온에 노출되는 응용에 이용되는, 광 간섭막은 티타니아(이산화 티타늄, Ti0₂, 루틸(rutile) Ti0₂의 경우 n=2.7), 니오비아(오산화 니오브, Nb₂O₅, n=2.35), 지르코니아(산화 지르코늄, n=2.3), 탄탈라(오산화 탄탈, Ta₂O₅, n=2.2) 및 실리카(산화 실리콘, SiO₂, n=1.45)와 같은 내화 금속 산화물의 교번층으로 이루어졌고, 여기서 실리카는 저굴절률 재료이고, 티타니아, 니오비아, 지르코니아 또는 탄탈라는 고굴절률 재료이다(각 굴절률의 값은 파장 λ = 550 ㎚에서 주어진다). 할로겐 램프 응용에 있어서, 이들 간섭막은 광원(필라멘트 또는 아크)을 포함한 석영 램프 용기의 외부 표면상에 제공된다. 외부 표면 및 이에 따른 간섭막은 800℃ 내지 900℃의 범위에 있는 동작 온도에 도달할 수 있다.

간섭막 또는 코팅은 증착 또는 (반응성) 스퍼터링 기술을 이용함으로써 또한 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD)과 저압 화학 기상 증착(low-pressure chemical vapor deposition; LPCVD) 공정에 의해 제공된다. 통상, 이들 증착 기술은 균열이 생기는 경향이 있고 필터 설계를 엄격히 제한하는 상대적으로 두꺼운 층을 생성한다.

고온에서 석영 기판을 갖는 고굴절률 층 재료의 상 안정성, 산화 상태 및 열 팽창 부정합은 중요한 사항이다. 여기에서 변경은 예를 들어, 열 부정합으로 인한 간섭막의 디라미네이션(delamination)을 일으키거나, 간섭막에서 바람직하지 않은 정도의 빛 산란 및/또는 빛 흡수를 일으킬 수 있다. 통상, 고굴절률 재료는 (통상, 250℃ 아래의) 실온에 상대적으로 가까운 온도에서 증착되고, 비정질(amorphous) 또는 미정질층으로서 증착된다. 통상, 굴절률이 가장 높은 층은 예를 들어, 전기 램프 수명(통상, 수천 시간) 동안 550℃보다 높은 온도에서 결정화를 겪는다. 결정화는 빛 산란을 통해 코팅의 광 투명도를 저해할 수 있는 결정 입자 성장을 필요로 한다. 또한, (물리적) 층 증착 공정 동안 및 고온에서의 램프 동작 동안 모두에서, 통상, 산소-결핍으로 인해 바람직하지 않은 빛 흡수를 일으키기 때문에, 고굴절률 층 재료는 산소-결핍되지 않도록 주의해야 한다.

현재, 산화 티타늄 및 산화 실리콘을 포함한 광 다층 간섭막은 특히, 콜드-미러 리플렉터(cold-mirror reflector)용 및 동작 온도가 약 650℃보다 낮은 소형 저와트수 할로겐 램프용으로 여러 회사에 의해 이용되고 있다. 이들 간섭막은 700℃보다 높은 온도에서 흐려지는(산란하는) 경향이 있다는 것이 공지되어 있다. 각각의 층 재료의 상대적으로 큰 굴절률 차이로 인해 필터 설계 시 상대적으로 적은 층과 전체적으로 더 얇은 막 스택을 이용하여 적당한 IR 반사를 실현할 수 있어, 간섭막의 증착 동안 시간을 덜 필요로 하기 때문에, 산화 티타늄 및 산화 실리콘에 기초한 IR 반사 간섭막의 이용은 비용면에서 바람직하다. 그럼에도, 550 ㎚에서 굴절률 n=2.3인 TiO₂가 저온 할로겐 램프에 널리 이용되고 있지만, TiO₂/SiO₂ 간섭막이 700℃를 초과하는 온도에 노출되는 경우, 산란, 흡수 및/또는 코팅 균열/디라미네이션 현상을 갖는 상술한 문제 때문에, 현재까지 고온(예를 들어, 할로겐) 전기 램프의 어떤 고굴절률 TiO₂/SiO₂ IR-반사 다층 간섭막도 상용화되지 않았다. 이 온도 범위 부근 및 그 이상의 온도에서는, 비정질 상에서 결정질 상으로의 내부 상전이 및/또는 서로 다른 결정질 상 간의 내부 상전이가 일어나고, 특히 널리 공지된 아나타제(anatase) 및 루틸 타입의 미세결정(crystallite)이 산란하는 미세결정을 생성하고 부피 변화를 일으킨다. 또한, 이들 전이는 다층 스택이 노출되는 온도-의존형 기계적 응력에 영향을 주어, 계속해서 층 균열 및/또는 디라미네이션을 일으킬 수 있다.

본 발명의 목적은 서문에서 설명된 타입의 전기 램프에, 가시광선 방사의 투과를 허용하고 IR 방사를 반사하기 위한 간섭막 - 간섭막은 고굴절률 재료로서 산화 티타늄층 및 저굴절률 재료로서 산화 실리콘을 포함하고, 상기 간섭막은 상승한 온도에서 개선된 성능을 나타냄 - 을 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 본 발명의 목적은,

광원이 배열되는 투광 램프 용기를 포함하고,

램프 용기의 적어도 일부에는 가시광선 방사의 투과를 허용하고 적외선 방사를 반사하기 위한 간섭막이 제공되고,

간섭막은 제1 복수의 산화 실리콘 및 산화 티타늄의 교번층 또는 제2 복수의 산화 실리콘, 산화 티타늄 및 산화 탄탈의 교번층을 포함하고,

제1 복수의 교번층 내의 산화 티타늄층은 상대적으로 얇은 산화 실리콘 간층(interlayer)을 산화 티타늄층에 삽입함으로써 최대 75 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, 산화 실리콘 간층은 1 ㎚ 내지 7.5 ㎚의 기하학적 두께를 갖고,

제2 복수의 교번층 내의 산화 티타늄층은 상대적으로 얇은 산화 탄탈 간층을 산화 티타늄층에 삽입함으로써 최대 25 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, 산화 탄탈 간층은 1 ㎚ 내지 5 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 전기 램프에 의해 달성된다.

상대적으로 얇은 산화 실리콘층 또는 상대적으로 얇은 산화 탄탈층을 산화 티타늄층에 삽입함으로써, 온도 안정형의, 고굴절률 산화 티탄층이 얻어진다. 이 방법으로, 상대적으로 높은 온도(700℃ 이상)에서 동작하는 광 간섭막에서 고굴절률 재료로서 아주 적합한 나노라미네이트(nano-laminate)가 생성된다. 제한된 두께를 갖는 고굴절률 재료로서 산화 티타늄층을 포함하며 산화 티타늄층에 삽입되는 얇은 산화 실리콘층 또는 탄탈층을 갖는 간섭막을 구비한 전기 램프는 상승한 온도에서 개선된 성능을 나타낸다.

본 발명에 따르면, 산화 티타늄층에서 루틸 타입의 미세결정의 성장은, 상대적으로 얇은 산화 실리콘층 또는 산화 탄탈층을 산화 티타늄층에 삽입함으로써 방해를 받는다. 또한, 본 발명의 발명자는 아나타제에서 루틸로의 상전이가 아나타제와 루틸의 소정의 혼합시 동결(freeze)된다는 것을 발견하였다.

산화 티타늄을 포함한 공지된 간섭막에서는, 상대적으로 큰 입자가 상승한 온도에서 성장하는 경향이 있다. 이들 입자의 크기는 간섭막에서 산화 티타늄층의 두께에 의해 한정되는 것으로 공지되어 있고, 통상, 산화 티타늄층의 평면에서 관찰 시 산화 티타늄층 두께의 2배 또는 3배를 초과하지 않는다. 고굴절률 재료로서 산화 티타늄을 채용한 공지된 간섭막에서는, 80 ㎚보다 큰 입자 크기가 관찰되므로, 빛 산란으로 인한 간섭막의 뚜렷한 저하(degradation)를 일으킨다. 또한, 고굴절률 재료로서 산화 티타늄을 갖는 공지된 간섭막에서는, 상승한 온도(약 550℃ 이상)에서 아나타제 상이 루틸 상으로 변화되어 산화 티타늄층의 밀도를 증가시킨다. 상승한 온도(약 700℃ 이상)에서 공지된 산화 티타늄층 내의 루틸 결정의 과도한 성장은 간섭막의 일정한 구조를 교란하고, 바람직하지 않은 빛 산란을 일으킨다.

상대적으로 얇은 산화 실리콘층들 또는 상대적으로 얇은 산화 탄탈층들 사이에 산화 티타늄층을 삽입하고 개개의 산화 티타늄층의 두께를 제한함으로써, 뛰어나고 바람직한 고온 특성을 갖는 안정한 산화 티타늄층이 얻어진다. 제1 복수의 교번층을 갖는 간섭막에서, 산화 티타늄층은 많아도 75 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, 1 ㎚ 내지 약 7.5 ㎚의 범위에 있는 기하학적 두께를 갖는 산화 실리콘 간층이 산화 티타늄층에 삽입된다. 제2 복수의 교번층을 갖는 간섭막에서, 산화 티타늄층은 많아도 25 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, 1 ㎚ 내지 약 5 ㎚의 범위에 있는 기하학적 두께를 갖는 산화 탄탈 간층이 산화 티타늄층에 삽입된다.

간층이 고굴절률 재료를 포함한 나노라미네이트의 유효 굴절률에 영향을 주기(낮추기) 때문에, 간층은 상대적으로 작은 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명에 따른 전기 램프의 바람직한 실시예는 제1 복수의 교번층에서 산화 티타늄층이 많아도 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖고 산화 실리콘 간층이 약 3 ㎚ 내지 약 5 ㎚의 범위에 있는 기하학적 두께를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 전기 램프의 다른 바람직한 실시예는 제2 복수의 교번층에서 산화 티타늄층이 많아도 15 ㎚의 기하학적 두께를 갖고 산화 탄탈 간층이 약 3 ㎚보다 작거나 같은 기하학적 두께를 갖는 것을 특징으로 한다. 산화 티타늄층이 약 15 ㎚보다 작거나 같은 층 두께를 갖는 경우, 그 층의 표면 거칠음은 대부분 방지된다. 또한, 산화 티타늄 입자는 간층을 통해 더 이상 쪼개질 수 없다.

산화 티타늄층에 삽입되는 이들 상대적으로 얇은 간층 때문에, 나노라미네이트는 매우 높은 "평균" 굴절률을 여전히 갖는다. 이와 같은 간섭막이 70시간 동안 800℃에서 유지되는 경우에도 동일한 광 외관(optical appearance)과 굴절률을 유지한다는 것을 실험으로 증명하였다. 이 굴절률은 증착된 재료에 존재하는 아나타제 시드(seed)의 양에 의존하여 (550 ㎚의 파장에서) n=2.3에서 n=2.7까지 변할 수 있다. 산화 티타늄층에서 결정의 입자 성장은 고굴절률 재료층 내의 간층의 존재에 의해 방해를 받고, 이는 광 산란을 방해한다. 산화 실리콘 또는 산화 탄탈의 간층은 산화 티타늄층에서 입자-성장 억제제(inhibitor)로서 작용한다.

고온에서 간섭막의 안정성을 더 개선하도록 부가 수단을 취할 수 있다. 본 발명에 따른 전기 램프의 바람직한 실시예는 예를 들어, 적어도 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 간섭막과 램프 용기 간에 붕소 및/또는 형광체 산화물(phosphored oxide)로 다량 도핑된 산화 실리콘과 같은, 접착층이 제공되는 것을 특징으로 한다. 이 수단은 (갑작스러운) 간섭막의 균열 및/또는 그 램프 용기의 디라미네이션을 상쇄시킨다. 본 발명에 따른 전기 램프의 다른 바람직한 실시예는 램프 용기로부터 떨어져 마주보는 측면에 있는 간섭막에는 적어도 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 산화 실리콘층이 제공되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 캐핑층(capping layer)은 간섭막의 열하를 제한한다. 간섭막의 공기 측 상의 산화 실리콘 "캐핑"층은 특히 상승한 온도에서 간섭막을 보호한다.

제2 복수의 교번층의 경우, 상대적으로 작은 산화 탄탈의 간층이 간섭막의 필터 설계 시 도입된다. 산화 티타늄층 내의 간층으로서 산화 탄탈의 도입으로 인해, 간섭막은 3개의 층 재료를 포함하게 된다. 간층용 재료로서 이용되는 것과 별도로, 산화 탄탈층은 산화 티타늄의 굴절률과 산화 실리콘의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 "완전한" 층을 증착하는데 이용될 수도 있다. 이 방법으로, "완전한" 층은 산화 티타늄과 산화 실리콘의 굴절률의 중간 굴절률을 갖는 층 재료로서 작용할 수 있다. 이와 같은 3개의 서로 다른 굴절률을 갖는 층들을 포함한 간섭막은 간섭막의 설계 시 고차(higher order) 대역 억제에 유리하게 이용될 수 있다. 가시광선 방사의 투과를 허용하고 적외선 방사를 반사하는 간섭막의 경우, 가시 범위(약 400 ㎚ 내지 약 750 ㎚)에서 피크를 교란함 없이 가시 범위에서 충분히 넓은 윈도를 얻기 위해서는 고차 대역 억제를 필요로 한다.

본 발명의 이들 및 다른 양태는 이하 설명되는 실시예를 참조하여 명확하게 알 수 있고 명료하게 된다.

본 발명의 도면에서:

도 1은 본 발명에 따른 간섭막이 제공되는 전기 백열 램프의 단면도.

도 2는 표 ⅠA와 표 ⅠB에 설명된 IR 반사 광 간섭막의 계산된 반사율을 도시.

도 3A는 표 ⅡA와 표 ⅡB에 설명된 IR 반사 광 간섭막의 계산된 반사율을 도시.

도 3B는 표 ⅡB에 설명된 IR 반사 광 간섭막의 계산된 반사율을 도시.

도 4는 800℃에서 70시간 동안 어닐링 후 TiO₂/Ta₂O₅ 층 스택의 TEM 사진.

도 5는 도 4에 도시된 것과 같은 TiO₂/Ta₂O₅ 층 스택의 하이-앵글 애뉼러 다크-필드(high-angle annular dark-field) TEM 사진.

본 발명의 도면은 단순히 개략적인 것으로 일정한 비율로 도시하지 않았다. 특히, 일부 치수는 명료함을 위해 심하게 과장되어 도시되어 있다. 도면에서 동일 구성 요소는 가능한 한 같은 참조 부호로 표시되어 있다.

도 1에서, 전기 램프는 광원(2)으로서 백열 본체를 수용하는 석영 유리로 이루어진 램프 용기(1)를 포함한다. 램프 용기(1)로부터 외부로 돌출되는 전류 전도체(3)는 광원(2)에 연결된다. 램프 용기(1)는 예를 들어, 브롬화 수소와 같은 할로겐을 포함하는 가스로 채워진다. 램프 용기(1)의 적어도 일부는 적어도 산화 실리콘과 산화 티타늄의 복수의 층을 포함한 간섭막(5)으로 코팅된다. 간섭막(5)은 가시광선 방사의 투과를 허용하고 적외선(IR) 방사를 반사한다. 도 1의 예에서, 램프 용기(1)는 외부 전구(4)에 장착되고, 이 외부 전구(4)는 전류 전도체(3)가 전기적으로 연결되는 램프 캡(6)에 의해 지지된다. 도 1에 도시된 전기 램프는 적어도 2500 시간의 서비스 수명을 갖는 60 W 전원-동작(mains-operated) 램프이다.

제1 실시예

석영 상의 다층 SiO₂/TiO₂ 광 스택 설계에서 간섭막(제1 복수의 교번층)의 제1 실시예는 750 ㎚＜λ＜2000 ㎚ 구간의 범위 내에 있는 IR 빛을 가능한 많이 반사하면서 400 ㎚＜λ＜750 ㎚의 파장 범위 내에 있는 모든 가시광선을 완전히 전송하기 위한 목적으로 구성되었다. 공지된 간섭막의 반사율과 동등한, 적외선 빛의 반사율을 갖는 상대적으로 적은 수의 층을 갖는 간섭막이 출발 지점이었다. 그 결과는 표 ⅠA에 도시된 것과 같은 25개 층의 SiO₂/TiO₂ 광 간섭막 스택이다.

[표 ⅠA]

<저굴절률 재료로서 SiO₂ 및 고굴절률 재료로서 TiO₂를 포함한 25개 층 IR-반사 간섭막의 출발 설계>

표 ⅠA의 간섭막은 1904 ㎚의 전체 스택 두께를 갖는다.

표 ⅠA의 IR 간섭막의 출발 설계시, 2개의 추가 층이 간섭 스택의 끝과 처음에 도입되었다. (참조 부호가 1인) 제1 층은 램프 용기로부터 떨어져 마주보는 측 면에 있는 간섭막에 도입되는 적어도 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 SiO₂층이다. 간섭막에는 적어도 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 산화 실리콘층이 제공된다. 이와 같은 캐핑층은 간섭막의 열하를 제한한다. 대기 측 간섭막의 산화 실리콘 "캐핑"층은 특히 상승한 온도에서 간섭막의 기계적 보호를 제공한다. 표 ⅠA의 예에서, 이 캐핑 SiO₂층은 80 ㎚보다 두꺼운 두께를 갖는다. (참조 부호가 25인) 제2 층은 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 간섭막과 램프 용기 간의 SiO₂ 접착층이다. 이 SiO₂ 접착층은 (갑작스러운) 간섭막의 균열 및/또는 그 램프 용기로부터의 디라미네이션을 상쇄시킨다. 접착층은 산화 붕소와 산화 인에서 선택된 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 산화 붕소 및/또는 산화 인으로 도핑된 산화 실리콘층은 막 내의 응력을 감소시킨다는 것이 공지되어 있다. 이 도핑은 이산화 실리콘의 점도를 감소시킨다. 접착층의 도핑 레벨이 전중량의 몇 %보다 높을 필요가 없으므로, 이 층은 예를 들어, 전중량의 95% 내지 98%와 같은 상대적으로 높은 이산화 실리콘 함유량을 여전히 갖는다.

표 ⅠA의 25개 층 출발 설계에서 시작하는 후속 단계로서, 산화 실리콘의 상대적으로 얇은 간층이 더 얇은 산화 티타늄층 내에 도입된다. 이를 위해, 50 ㎚보다 두꺼운 두께를 갖는 표 ⅠA의 출발 설계시 모든 TiO₂층은 적어도 2개의 TiO₂층으로 쪼개지면서, 이들 2개의 TiO₂층 간에 상대적으로 얇은 SiO₂ 간층을 도입한다. 표 ⅠA의 예에서, 참조 부호가 2, 4, 6, 10, 16 및 22인 TiO₂층은 2개의 TiO₂층으로 쪼개지고, 그 사이에 4 ㎚ SiO₂ 간층이 도입된다. 39개 층 TiO₂/SiO₂ 간섭막을 포함하는 결과적으로 생성된 설계는 그 자체로 공지되어 있는 컴퓨터 최적화를 이용함으로써 개선되어, 표 ⅠB에 도시된 것과 같은 최적화된 설계를 생성한다.

[표 ⅠB]

<저굴절률 재료로서 SiO₂ 및 고굴절률 재료로서 TiO₂를 포함한 최적화된 39개 층 IR-반사 간섭막>

TiO₂층의 두께는, 4 ㎚ SiO₂ 간층을 더 두꺼운 TiO₂층에 삽입하면서 50 ㎚로 제한된다.

표 ⅠB의 간섭막은 표 ⅠA의 간섭막의 전체 두께와 거의 같은 1915 ㎚의 전체 스택 두께를 갖는다.

표 ⅠB에서 알 수 있는 바와 같이, TiO₂/SiO₂/TiO₂의 나노라미네이트는 많아 도 50 ㎚의 두께를 갖는 2개의 TiO₂층 간에 4 ㎚ SiO₂ 간층으로 형성되었다(표 ⅠB에서 층 그룹 2-3-4, 6-7-8, 10-11-12, 18-19-20, 26-27-28 및 34-35-36 참조). 상대적으로 얇은 산화 실리콘층을 산화 티타늄층에 도입함으로써, 온도 안정형의 고굴절률 산화 티타늄층이 얻어진다. 이들 나노라미네이트는 (700℃ 이상의) 상대적으로 고온에서 동작하는 광 간섭막에서 고굴절률 재료로서 매우 적합하다. 두께가 제한된 고굴절률 재료로서 산화 티타늄층을 포함하며 산화 티타늄층 내에 얇은 산화 실리콘층을 갖는 간섭막을 구비한 전기 램프는 상승한 온도에서 개선된 성능을 나타낸다. 이 방법으로, 산화 티타늄층에서 루틸 타입의 미세결정의 성장은 상대적으로 얇은 산화 실리콘층을 산화 티타늄층 내에 도입함으로써 방해를 받는다. 또한, 아나타제에서 루틸로의 상전이는 아나타제와 루틸의 소정의 혼합시 동결된다.

도 2는 표 ⅠA(25개 층; 참조 부호가 "25"인 파선)와 표 ⅠB(39개 층; 참조 부호가 "39"인 실선)에서 설명되는 IR-반사 광 간섭막의 파장 λ(㎚ 단위)의 함수로서 계산된 반사율 R(% 단위)을 도시한다. 39개 층 TiO₂/SiO₂ 간섭막(표 ⅠB)의 전체적인 성능은 출발 25개 층 TiO₂/SiO₂ 간섭막(표 ⅠA)의 전체적인 성능과 사실상 같다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따라, 램프 용기(1)의 해당 부분은 예를 들어, 반응성 스퍼터링에 의해 표 ⅠB에 따른 간섭막(5; 도 1 참조)으로 덮인다. 본 발명에 따른 간섭막(5)은 전기 램프의 서비스 수명 동안 손상되지 않은 상태를 유지하고, 그 초기 특성을 보유한다.

제2 실시예

SiO₂로 이루어진 기판상의 다층 SiO₂/TiO₂ 광 스택 설계시 간섭막의 제2 실시예(제2 복수의 교번층)는 750 ㎚＜λ＜2000 ㎚ 구간의 범위 내에 있는 IR 빛을 가능한 많이 반사하면서 400 ㎚＜λ＜750 ㎚의 파장 범위 내에 있는 모든 가시광선을 완전히 투과시키기 위한 목적으로 구성되었다. 표 ⅠA에 설명된 것과 같은 간섭막이 출발 지점이었다.

본 발명의 간섭막의 제2 실시예에 따르면, 얇은 산화 탄탈층이 두꺼운 산화 티타늄층에 도입된다. 이는 제3 층 재료를 이용할 수 있음을 의미한다. 간층용 재료로서 산화 탄탈을 이용하는 것과 별도로, 산화 티타늄의 굴절률과 산화 실리콘의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 "완전한" 층을 증착하기 위해, 산화 탄탈층을 이용할 수도 있다. 이 방법으로, 이 "완전한" 층은 산화 티타늄과 산화 실리콘의 굴절률의 중간 굴절률을 갖는 층 재료로서 작용할 수 있다. 이와 같은 3개의 서로 다른 굴절률을 갖는 층들을 포함하는 간섭막은 출발 설계의 반사율과 동등한 반사율을 갖는 훨씬 더 간단한 필터 설계를 얻기 위해 유리하게 이용될 수 있다. 또한, 중간 굴절률을 갖는 층은 간섭막의 설계시 고차 대역을 억제하는데 이용될 수 있다.

중간 굴절률을 갖는 제3 층 재료를 도입한 효과는 표 ⅡA에서 일 예로서 나타나 있다.

[표 ⅡA]

<저굴절률 재료로서 SiO₂, 고굴절률 재료로서 TiO₂ 산화물 및 중간 굴절률 재료로서 Ta₂O₅를 포함한 19개 층 IR-반사 간섭막>

표 ⅡA의 간섭막은 표 ⅠA의 간섭막의 전체 두께와 거의 같은 1893 ㎚의 전체 스택 두께를 갖는다.

층 개수가 25(표 ⅠA)에서 19(표 ⅡA)로 감소하더라도, SiO₂와 TiO₂의 굴절 률의 중간 굴절률을 갖는 Ta₂O₅층을 포함한 필터 설계의 반사율은 원래 25개 층 설계(표 ⅠA)의 반사율과 유사하다.

도 3A는 표 ⅠA(25개 층; 참조 부호가 "25"인 파선)와 표 ⅡA(19개 층; 참조 부호가 "19"인 실선)에서 설명된 IR-반사 광 간섭막의 파장 λ(㎚ 단위)의 함수로서 계산된 반사율 R(% 단위)을 도시한다. 19개 층 TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂ 간섭막(표 ⅡA)의 전체적인 성능은 출발 25개 층 TiO₂/SiO₂ 간섭막(표 ⅠA)의 성능과 사실상 같다는 것을 알 수 있다.

19개 층 TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂ 간섭막(표 ⅡA)에서 시작하는 후속 단계로서, 상대적으로 얇은 산화 탄탈 간층이 더 두꺼운 산화 티타늄층에 도입된다. 이를 위해, 표 ⅡA의 출발 설계시 모든 TiO₂층은 적어도 2개의 TiO₂층으로 쪼개지면서, 이들 2개의 TiO₂층 간에 상대적으로 얇은 Ta₂O₅ 간층을 도입한다. 표 ⅡA의 예에서, 참조 부호가 2, 4, 6, 9, 13 및 17인 TiO₂층은 15 ㎚의 최대 두께를 갖는 2개의 TiO₂층의 몇몇 그룹으로 쪼개지고, 그 사이에 2 ㎚ Ta₂O₅ 간층이 도입된다. 결과적으로 생성된 설계는 그 자체로서 공지되어 있는 컴퓨터 최적화를 이용함으로써 개선되어, 표 ⅡB에 도시된 것과 같은 67개 층 TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂ 간섭막 설계를 생성한다.

[표 ⅡB]

<저굴절률 재료로서 SiO₂, 고굴절률 재료로서 TiO₂ 및 중간 굴절률 재료로서 Ta₂O₅를 포함한 최적화된 67개 층 IR-반사 간섭막>

TiO₂층의 두께는 2 ㎚ Ta₂O₅ 간층을 더 두꺼운 TiO₂ 층에 도입하면서 15 ㎚로 제한된다.

표 ⅡB의 간섭막은 표 ⅠA와 표 ⅡA의 간섭막의 전체 두께와 거의 같은 1902 ㎚의 전체 스택 두께를 갖는다.

표 ⅡB에서 알 수 있는 바와 같이, 많아도 15 ㎚의 두께를 갖는 2개의 TiO₂층 간에 2 ㎚ Ta₂O₅ 간층이 도입되는, TiO₂/Ta₂O₅/TiO₂의 나노라미네이트가 형성되었다(표 ⅡB에서 층 그룹 2 - 10, 12 - 22, 24 - 32, 35 - 49, 53 - 57 및 61 - 65 참조). 상대적으로 얇은 산화 탄탈층을 산화 티타늄층에 도입함으로써, 온도 안정형의, 고굴절률 산화 티타늄층이 얻어진다. 이들 나노라미네이트는 (700℃ 이상의) 상대적으로 고온에서 동작하는 광 간섭막 내의 고굴절률 재료로서 매우 적당하다. 제한된 두께를 갖는 고굴절률 재료로서 산화 티타늄층을 포함하며 산화 티타늄층 내에 얇은 산화 탄탈층을 갖는 간섭막을 구비한 전기 램프는 상승한 온도에서 개선된 성능을 나타낸다. 이 방법으로, 산화 티타늄층에서 루틸 타입의 미세결정 의 성장은 상대적으로 얇은 산화 탄탈층을 산화 티타늄 내에 도입함으로써 방해를 받는다. 또한, 아나타제에서 루틸로의 상전이는 아나타제와 루틸의 소정의 혼합시 동결된다.

도 3B는 표 ⅡB(67개 층; 참조 부호가 "67"인 실선)에서 설명되는 IR-반사 광 간섭막의 파장 λ(㎚ 단위)의 함수로서 계산된 반사율 R(단위 %)을 도시한다. 67개 층 TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂ 간섭막(표 ⅡB)은 도 3A에 도시된 바와 같은 출발 25개 층 TiO₂/SiO₂ 간섭막(표 ⅠA) 및 19개 층 TiO₂/Ta₂O₅/SiO₂ 간섭막(표 ⅡA)과 사실상 같은 전체적인 성능을 갖는다.

램프 용기(1)의 해당 부분은 예를 들어, 반응성 스퍼터링에 의해 본 발명의 제2 실시예에 따라 표 ⅡB에 따른 간섭막(5)으로 피복된다. 본 발명에 따른 간섭막(5)은 손상되지 않은 상태를 유지하고, 전기 램프의 서비스 수명 동안 그 초기 특성을 유지한다.

예를 들어, 도 4는 70시간 동안 800℃에서 어닐링 후 TiO₂/Ta₂O₅층 스택의 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진을 도시한다. 이 사진의 왼쪽 아래 코너에 있는 바는 50 ㎚의 길이를 지시한다. 각각의 TiO₂층은 약 10 ㎚의 두께를 갖고, Ta₂O₅ 간층은 약 2 ㎚의 두께를 갖는다. 그 층의 평면 내의 TiO₂/Ta₂O₅ 결정은 약 50 ㎚의 입자 크기를 갖는다.

도 5는 도 4에 도시된 TiO₂/Ta₂O₅ 스택의 하이-앵글 애뉼러 다크-필드(high- angle annular dark-field; HAADF) TEM 사진이다. 이 사진에서, TiO₂ 영역의 경계에 있는 흰색 선은 Ta₂O₅를 지시한다. Ta₂O₅ 경계층은 원래 조성이 유지되는 층의 작고 상대적으로 평탄한 부분으로 TiO₂를 제한한다는 것을 알 수 있다. Ta₂O₅ 경계층을 통과하는 어떤 큰 TiO₂ 미세결정도 볼 수 없다.

상술한 실시예는 본 발명을 한정하기보다는 예시하는 것이 아니고, 당해 기술분야의 당업자는 첨부된 청구항의 범위로부터 일탈함이 없이 다수의 다른 실시예를 설계할 수 있게 된다는 것에 주목해야 한다. 본 발명의 청구항에서, 괄호 안에 위치하는 어떤 참조 부호도 본 발명의 청구항을 한정하는 것으로서 해석되지 않아야 한다. 동사 "포함한다" 및 그 활용은 청구항에 기재된 것 이외의 구성 요소나 단계의 존재를 배제하지 않는다. 구성 요소 앞의 관사 "a"나 "an"은 복수의 그와 같은 구성 요소의 존재를 배제하지 않는다. 본 발명은 몇몇의 별개 구성 요소를 포함하는 하드웨어의 의해, 및 적절히 프로그램된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있다. 몇몇의 수단을 열거하는 장치 청구항에서, 이들 몇몇의 수단은 하나의 같은 하드웨어 항목에 의해 구현될 수 있다. 소정의 수단을 서로 다른 독립항에서 인용한다는 단순한 사실은 이들 수단을 조합하여 유리하게 이용할 수 없다는 것을 의미하지 않는다.

Claims

전기 램프로서,

광원(2)이 배열되는 투광 램프 용기(1)를 포함하고,

상기 램프 용기(1)의 적어도 일부에는 가시광선 방사의 투과를 허용하고 적외선 방사를 반사하기 위한 간섭막(5)이 제공되고,

상기 간섭막(5)은 제1 복수의 산화 실리콘 및 산화 티타늄의 교번층, 또는 제2 복수의 산화 실리콘, 산화 티타늄 및 산화 탄탈의 교번층 중 어느 한쪽을 포함하고,

상기 제1 복수의 교번층 내의 산화 티타늄층은 상대적으로 얇은 산화 실리콘 간층(interlayer)을 산화 티타늄층 내에 삽입함으로써 최대 75 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, 상기 산화 실리콘 간층은 1 ㎚ 내지 7.5 ㎚의 기하학적 두께를 갖고,

상기 제2 복수의 교번층 내의 산화 티타늄층은 상대적으로 얇은 산화 탄탈 간층을 산화 티타늄층 내에 삽입함으로써 최대 25 ㎚의 기하학적 두께를 갖고, 상기 산화 탄탈 간층은 1 ㎚ 내지 5 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 전기 램프.
제1항에 있어서,

상기 제1 복수의 교번층 내의 산화 티타늄층은 최대 50 ㎚의 기하학적 두께를 갖고,

상기 산화 실리콘 간층은 3 ㎚ 내지 5 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 전기 램 프.
제1항에 있어서,

상기 제2 복수의 교번층 내의 산화 티타늄층은 최대 15 ㎚의 기하학적 두께를 갖고,

상기 산화 탄탈 간층은 최대 3 ㎚의 기하학적 두께를 갖는 전기 램프.
제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 램프 용기(1)에는 상기 램프 용기(1)와 상기 간섭막(5) 간에 배치되는 접착층이 제공되고,

상기 접착층은 적어도 50 ㎚의 두께를 갖는 전기 램프.
제4항에 있어서,

상기 접착층은 산화 붕소와 산화 인에서 선택되는 산화물을 포함하는 전기 램프.
제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 램프 용기로부터 떨어져 마주보는 측면에 있는 상기 간섭막(5)에는 적어도 50 ㎚의 두께를 갖는 산화 실리콘층이 제공되는 전기 램프.