KR20120107100A - 고온 적용례 및 램프용 옥사이드 다층 - Google Patents
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Abstract
NbTaZr 옥사이드를 포함하는 고 굴절률 물질을 사용하는 광간섭 다층 코팅이 본원에 개시되어 있다. 이러한 코팅은 고온에서 유리한 광학적 및 물리적 특성들의 유지를 강화시킨다. 또한 본원에는 광-투과성 엔벨로프를 포함하는 램프로서, 상기 광-투과성 엔벨로프의 표면의 적어도 일부에 전술한 광간섭 다층 코팅이 제공되어 있는 램프가 개시되어 있다. 상기 코팅은 램프에 사용되는 경우 유리하게, 이러한 램프에 개선된 에너지 효율을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 광학 다층 코팅에 관한 것이다. 특히, 본원의 일부 실시양태는, 고온 내성을 갖는 광학 다층 코팅, 및 램프 및 기타 적용례에서 그의 용도에 관한 것이다.
종종 박막 광코팅 또는 필터로서도 지칭되는 광간섭 코팅은, 상이한 굴절지수의 2종 이상 물질의 교대되는(alternating) 층들을 포함한다. 일부 이러한 코팅 또는 필름은 전자기 스펙트럼의 다양한 부분으로부터의 광선, 예를 들어 자외선, 가시광선, 적외선을 선택적으로 반사 또는 투과시키기 위해서 사용되어 왔다. 예를 들어, 광간섭 코팅은 반사기 및 램프 엔벨로프를 코팅하기 위해서 램프 산업에서 일반적으로 사용되어 왔다. 광간섭 코팅이 유용한 하나의 적용례는, 광원으로부터 방출된 전자기 스펙트럼의 가시광선을 투과하면서, 필라멘트 또는 아크를 향하여 후방으로 (예를 들어, 필라멘트 또는 아크에 의해) 방출된 에너지를 반사시킴으로써, 램프의 조명 효율 또는 에피커시(efficacy)를 개선시키는 것이다. 이는, 광원이 그의 작업 온도를 유지하기 위하여 필요한 전기 에너지의 양을 감소시킨다.
광간섭 코팅은 일반적으로 2종의 상이한 유형의 교대되는 층들을 포함하되, 그 중 하나는 낮은 굴절률을 갖고, 다른 하나는 높은 굴절률을 갖는다. 상이한 굴절률을 갖는 이러한 2종의 물질을 사용하여, 램프 엔벨로프의 표면에 침착될 수 있는 광간섭 코팅이 고안될 수 있다. 일부 경우, 코팅 또는 필터는 광원으로부터 방출된 가시광선 스펙트럼 영역에서 광을 투과하면서, 이는 적외선을 반사한다. 되돌아간 적외선은 램프 작동 동안 광원을 가열하고, 그 결과, 코팅된 램프의 루멘 출력이 비코팅된 램프의 루멘 출력에 비해 상당히 크다.
백열 램프 및 할로겐 램프에 대한 잠재적 에너지 규제의 출현으로 인하여, 에너지 효율 제품을 개발 및 도입하는 것이 상당히 중요해졌다.
본 발명의 하나의 실시양태는, 복수개의 교대되는 제 1 및 제 2 층을 포함하는 광간섭 다층 코팅에 관한 것으로, 제 1 층은 상대적으로 낮은 굴절률을 갖고, 제 2 층은 제 1 층에 비해 상대적으로 높은 굴절률을 갖는다. 상기 제 2 층은, 적어도 Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비를 충족시키는 NbTaZr 옥사이드를 포함한다.
본 발명의 추가의 실시양태는, 표면을 갖는 광-투과성 엔벨로프 및 하나 이상의 광원을 포함하되, 상기 엔벨로프가 적어도 부분적으로 하나 이상의 광원을 둘러싸는, 램프에 관한 것이다. 광-투과성 엔벨로프 표면의 적어도 일부에는 광간섭 다층 코팅이 제공된다. 코팅은 복수개의 교대되는 제 1 및 제 2 층을 포함하고, 제 1 층은 비교적 낮은 굴절률을 갖고, 제 2 층은 제 1 층보다 비교적 높은 굴절률을 갖는다. 제 2 층은 Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비를 충족시키는 NbTaZr 옥사이드를 적어도 포함한다.
본 발명의 다른 특징부 및 장점은 하기 상세한 설멍으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명의 실시양태는, 첨부된 도면을 참고로 하여 본원에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시양태에 따른 실시예의 램프의 개략도이다.
도 2는, 비교예 물질의 스펙큘러 투과도의 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 실시양태에 따른 실시예 물질의 스펙큘러 투과도의 그래프이다.
도 4a 내지 4c는, 본 발명의 실시양태에 따른 실시예 물질에 대한 X-선 결정성 데이터이다.
도 5는 비교예 물질 및 실시예 물질의 현미경 사진을 나타낸다.
도 1은, 본 발명의 실시양태에 따른 실시예의 램프의 개략도이다.
도 2는, 비교예 물질의 스펙큘러 투과도의 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 실시양태에 따른 실시예 물질의 스펙큘러 투과도의 그래프이다.
도 4a 내지 4c는, 본 발명의 실시양태에 따른 실시예 물질에 대한 X-선 결정성 데이터이다.
도 5는 비교예 물질 및 실시예 물질의 현미경 사진을 나타낸다.
실시양태에 따르면, 복수개의 교대되는 제 1 및 제 2 층을 포함하는 광간섭 다층 코팅이 제공된다. 제 1 층은 상대적으로 낮은 굴절률을 갖고, 제 2 층은 상기 제 1 층에 비해 상대적으로 높은 굴절률을 갖는다. 특징적으로, 상기 제 2 층들 중 일부 또는 전부는 적어도 약간의 NbTaZr 옥사이드를 포함한다. 일부 실시양태에서, 제 2 층의 전부가 실질적으로 완전히 NbTaZr 옥사이드로 구성된다.
본 발명의 실시양태에 따른 코팅은, 광간섭 코팅이 바람직하거나 전형적으로 사용되는 임의의 폭넓은 범위의 적용례를 위해 사용될 수 있다. 이들에는, 예를 들어 조명 적용례(예를 들어, 램프), 광도파로, 반사기, 장식용 재료, 보안 인쇄 등이 포함된다. 본 발명의 실시양태에 따른 코팅의 고온 내성으로 인하여, 이것은 고온 내성을 요구하는 많은 적용례, 예를 들어 레이저 적용례 또는 기타 고온 광학물질(예를 들어, 고속 비행기 또는 미사일)에서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 코팅은 전자기 스펙트럼의 한부분을 선택적으로 반사하면서, 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 투과하도록 구성된다. 예를 들어, 코팅은 "콜드 미러(cold mirror)" 또는 "핫 미러(hot mirror)"로서 사용될 수 있다. "콜드 미러"는 가시광선을 반사하는 광 필터이면서 동시에 보다 긴 적외선 에너지가 필터를 통과하도록 한다. "핫 미러"는, 적외선을 반사시키는 광 필터이면서, 동시에 보다 짧은 파장인 가시광선이 필터를 통과하도록 한다. 본원의 핫 미러의 하나의 비-제한적인 적용례는, 램프 효율을 증가시키기 위해서 램프의 필라멘트로 적외선 열을 되돌리는 것이다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 사용된 NbTaZr 옥사이드의 화학적 조성은 동시에 Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비 둘다를 충족시킬 것이다. NbTaZr 옥사이드내 나머지 금속은 실질적으로 Zr일 수 있다. 보다 구체적인 실시양태에서, 사용된 NbTaZr 옥사이드는, 약 5 < Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 약 80 > Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비 둘다를 동시에 충족시킬 수 있다. 역시, NbTaZr 옥사이드내 나머지 금속은 실질적으로 Zr일 수 있다. 또다른 보다 구체적인 실시양태에서, NbTaZr 옥사이드는 약 5 < Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 10; 약 75 > Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 65; 및 약 20 < Zr/(Nb+Ta+Zr) < 약 25의 원자비를 충족시킬 수 있다.
사용된 NbTaZr 옥사이드는 혼합 금속 옥사드로 지칭될 수 있다. 본원에서 사용되는 경우, "혼합 금속 옥사이드"는 금속 옥사이드의 혼합물, 금속 옥사이드의 고체 용액, 금속 옥사이드의 화학량론 또는 비화학량론 화합물, 또는 전술한 것들의 조합으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 단지 예로서, "NbTaZr 옥사이드"는, (1) 니오븀 옥사이드, 탄탈 옥사이드, 및 지르코늄 옥사이드를 포함하는 혼합물; (2) Nb2O5, Ta2O5 및 ZrO2의 고체 용액; (3) NbaTabZrcOd(여기서, a, b 및 c는 양의 실수이고 d=2.5a+2.5b+2c(Nb가 5가인 경우)이거나 d=1.5a+2.5b+2c(Nb가 3가인 경우)이다); (4) 산소-결핍 비-화학량론적 화합물인 NbaTabZrcOd-δ(여기서 a, b, c, d는 전술한 바와 같고, δ는 약 0.2 미만이다); (5) 산소-과량의 비화학량론적 화합물 NbaTabZrcOd+δ(여기서, a, b, c, d 및 δ는 전술한 바와 같다) 또는 전술한 물질의 조합 등 중 임의의 하나 이상을 지칭하기 위한 것이다. 예를 들어, "NbTaZr 옥사이드"는 개별적인 옥사이드의 별개의 분자들(예를 들어, 혼합물로서)을 포함하거나, Nb/Ta/Zr 매트릭스의 옥사이드일 수 있다.
언급한 바와 같이, 광간섭 다층 코팅의 제 1 층은 비교적 낮은 굴절률을 가져서, 종종 "저 지수" 층으로 지칭된다. 이러한 제 1 층들은 일반적으로 제 2 층에 적어도 스펙트럼적으로 인접하고, 보다 전형적으로는 제 2 층에 물리적으로 인접하다. 항상 필수적인 것은 아니지만, 제 1 및 제 2 층들이 둘다 교대되고 인접하는 것이 전형적이다. 일반적으로, 저 지수 층들은, 550nm의 파장을 갖는 광에서 측정시, 약 1.35 내지 약 1.7의 굴절률을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 전형적으로, 이러한 저 지수 층들은 세라믹 물질, 내화물, 실리콘, 금속 또는 메탈로이드의 옥사이드, 금속 또는 메탈로이드의 니트라이드; 금속 또는 메탈로이드의 플루오라이드 등을 포함할 수 있다. 금속의 플루오라이드는 MgF2와 같은 화합물을 포함할 수 있다. 종종, 이러한 저 지수 층들은 실리콘 옥사이드, 예를 들어 유리 또는 석영, 또는 무정형 또는 결정성 실리카의 기타 형태를 포함할 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 저 지수 물질은, 그의 낮은 굴절률, 낮은 가격, 및 유리한 열적 특성으로 인하여, 하나 이상의 형태의 SiO2(실리카)이다.
일반적으로, 제 2 층들(종종 "고 지수" 층들로서 지칭됨)은 550nm에서 약 1.7 내지 약 2.8의 굴절률을 갖는 물질로 구성된다. 전술한 제 2 층의 NbZrTa 옥사이드 이외에, 추가 고 지수 물질들은 Ti, Hf, W, Mo, 및 In 등으로 구성된 군 중에서 선택된 하나 이상의 금속의 하나 이상의 옥사이드(또는 혼합된 옥사이드) 중에서 독립적으로 선택될 수 있다.
실시양태에 따르면, 광간섭 다층 코팅은, 약 0.001㎛ 내지 약 25㎛의 기하학적(geometrical) 두께를 가질 수 있다. 보다 전형적으로, 기하학적 두께는, 약 1 내지 약 20㎛; 또는 약 3 내지 약 18㎛일 수 있다. 이러한 코팅 두께의 측정은 어떠한 기판의 두께도 일반적으로 포함하지 않는다. 비교적 두꺼운 전체 코팅은, 광간섭 다층 코팅이 적외선을 반사하고 가시광선을 투과하는 대역 필터로서 작용하도록 구성된 적용례의 경우 높은 효율을 유도할 수 있다.
개별적인 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층은 전형적으로 약 20nm 내지 약 500nm, 또는 종종 약 10nm 내지 약 200nm의 두께를 가질 수 있다. 실시양태에 따르면, 광간섭 다층 코팅은 임의의 개수의 층들, 보다 구체적으로는 총 개수가 약 4 내지 약 250개의 층들을 포함하는 임의의 정수의 층을 가질 수 있다. 여기서의 모든 정수 값들이 구체적으로 고려된다. 상이한 적용례는 상이한 개수의 층들을 요구할 것이고, 각각의 개별적인 제 1 및 제 2 층들의 두께도 상이할 것이다. 일부 구체적인 실시양태에서, 광간섭 다층 코팅은 약 11㎛의 기하학적 두께를 갖는 총 약 120개 층들을 가질 수 있거나, 약 18㎛의 기하학적 두께를 갖는 총 약 210개의 개수를 가질 수 있다.
특정 실시양태에 따르면, 광간섭 다층은 핫 미러로서 작용하고, 즉, 이는 광원으로부터 방출된 가시광선 스펙트럼 영역에서 광을 투과하면서 적외선 광을 반사한다. 이러한 실시양태에서, 광간섭 다층 코팅은 400 내지 750nm 파장의 가시광선에서 약 60% 초과의 평균 투과도를 가질 수 있다. 핫 미러로서 구성되는 경우, 광간섭 다층은 적외선 영역에서 하기와 같은 평균 반사도를 가질 수 있다: 800 내지 1500nm 파장의 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서는 약 50% 초과; 1500 내지 2500nm 파장의 적외선 영역에서 약 40% 초과; 및 2500 내지 3500nm 파장의 적외선 영역에서 약 30% 초과.
특정 실시양태에서, 광간섭 다층 코팅은, 가시광선을 투과하고, 스펙트럼의 자외선 영역의 일부를 반사하는 능력을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 코팅은, 60% 초과의 가시광선에서의 평균 투과도를 제공하고, 300 내지 370nm 파장의 전자기 스펙트럼의 자외선 영역에서 약 30% 초과(또는 심지어 약 60% 초과)의 평균 반사도를 제공하도록 구성될 수 있다.
광간섭 코팅의 고 지수 층의 경우 본원에서 개시된 고 굴절지수 물질을 사용함으로써, 잦은 온도 변화, 구체적으로 800℃ 이상으로의 증가를 포함하는 변화에 내성을 가질 수 있는 물질이 수득될 수 있다. 이러한 고온 내성의 하나의 징후는, 본 발명의 실시양태에 따른 코팅이 종종 과도한 박리 또는 크랙화로 문제되지 않는다는 점이다. 예를 들어, 광간섭 다층 코팅은 제 2(고 지수) 층 또는 제 1 층 또는 둘다의 유의미한 기계적 열화 없이 상온으로부터 약 800 ℃ 이상의 반복 사이클을 전형적으로 가능하게 할 수 있다. 개선된 온도 내성의 다른 징후는 본 발명의 실시양태에 따른 코팅이, 심지어 약 800℃ 이상(예를 들어, 약 825℃)의 초고온에 노출될 때도, 가시광선 영역에서의 과도한 광 산란에 시달리지 않는다는 점이다.
본 발명의 실시양태에 따른 다층 코팅은, 코팅 물질을 침착시키기 위해 공지된 임의의 적합한 침착 기법에 의해 침착될 수 있다. 예를 들어, 다층 코팅은, 물질적 증착 공정(PVD) 또는 화학적 증착 공정(CVD)에 의해 침착될 수 있다. 일반적으로, 사용된 PVD 공정은, 열적 증발; RF 증발; 전자빔 증발; 반응성 증발; DC 스퍼터링; RF 스퍼터링; 마이크로파 스퍼터링; 마그네트론 스퍼터링; 마이크로파-강화된 DC 마그네트론 스퍼터링; 아크 플라즈마 침착; 반응성 스퍼터링; 레이저 삭마; 및 이들의 조합 등 중에서 선택될 수 있다. 전형적으로, 사용된 CVD 공정은, 대기압 CVD; 저압 CVD; 고 진공 CVD; 초고 진공 CVD; 에어로졸-보조된 CVD; 직접적인 액체-주입 CVD; 마이크로파 플라즈마-보조된 CVD; 플라즈마-강화된 CVD; 원격 플라즈마-강화된 CVD; 원자층 CVD; 고온 와이어 CVD; 금속-유기 CVD; 하이브리드 물리적-화학적 증착; 신속한 열적 CVD; 증기상 에피택시; 및 이들의 조합 등으로 구성된 군 중에서 선택될 수 있다.
일반적으로 이해되는 바와 같이, 전형적인 화학적 증착 공정에서, 기판은 하나 이상의 휘발성 또는 가스형 전구체(일반적으로, 분자 전구체)에 노출되고, 이 전구체들이 기판 표면 상에서 반응 및/또는 분해되어 목적하는 침착물을 생성한다. 매우 다양한 상이한 유형의 CVD 공정이 존재하며, 이러한 CVD 공정은 이들의 작업 압력, 증기 특성, 에너지 주입의 유형의 특징들 또는 다른 특징들에 의해 분류될 수 있다. 하기 모든 것은 본원에서 사용된 "CVD" 공정의 범주에 포함되어야 한다. 예를 들어, 일부 CVD 공정은 대기압 CVD; 저압 CVD(LPCVD)(여기서 화학적 증착은 전형적으로 대기압-미만에서 발생한다); 일반적으로 약 10-6 Pa 미만에서 수행되는 고- 또는 초고 진공 CVD를 포함한다. CVD의 다른 형태에서, 전구체는 엄격하게 가스상이지 않고, 에어로졸-보조된 CVD는 액체-가스 에어로졸로서 전구체를 사용하면서, 직접적인 액체-주입 CVD(DLICVD)는, 기판으로 주입되고 수송되는 액상 전구체를 사용한다. 일부 CVD 방법은 에너지 수단, 예를 들어 마이크로파 플라즈마-보조된 CVD(MPCVD), 플라즈마-강화된 (또는 플라즈마-보조된) CVD(PECVD), 및 원격 플라즈마-강화된 CVD(RPECVD)에 의해 보조된다. 다른 유형의 CVD는 원자층 CVD(ALCVD), 고온 와이어 CVD(HWCVD), 금속-유기 CVD(MOCVD); 하이브리드 물리적-화학적 증착(HPCVD), 고속 열적 CVD (RTCVD), 증기상 에피택시(VPE) 등을 포함할 수 있다. 이러한 개별적인 유형의 CVD는 항상 상호 배타적이지는 않으며, 따라서 하나 초과의 전술한 CVD 공정을 조합하는 것도 고려된다.
LPCVD가 다층 코팅을 침착시키기 위해서 사용되는 경우, 이것은 전형적으로 미국특허 제 5,143,445 호에서 기술한 바와 같은 공정을 사용할 수 있다. 선택적으로, 공동으로 소유하는 미국특허 제 5,412,274 호에서 나타낸 조건 및 전구체는 본 발명의 개시내용에서 사용하기에 적합할 수 있다. 추가로, 예시적인 화학적 증착 및 저압 화학적 증착 공정이, 예를 들어 미국특허 제 4,949,005 호, 제 5,143,445 호, 제 5,569,970 호, 제 6,441,541 호, 및 제 6,710,520 호에 기술되어 있다. 이러한 언급된 특허 모두는 적절한 부분에서 본원에서 참고로 인용된다.
전형적인 물리적 증착(PVD) 공정에서 당 분야의 숙련자들에 의해 일반적으로 이해되는 바와 같이, 물질은 물리적 공정에 의해 증발되고, 그 후, 기판에 응축되어 침착물을 형성한다. 종종, 증발된 물질은 (산소와의 반응에 의해) 산화와 같은 반응을 경험할 수 있다. 종종, 침착될 물질을 물리적 수단에 의해 증기로 전환시키는 단계, 그의 공급원으로부터 증기를 기판으로 수송하는 단계, 및 상기 기판 상에서 증기를 응축시키는 단계에 의해 기판 위에 침착된다. 본원에서 사용되는 경우, PVD 공정은, 열적 증발, RF 증발, 전자빔 증발, 반응성 증발, DC 스퍼터링, RF 스퍼터링, 마이크로파 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링, 마이크로파-강화된 DC 마그네트론 스퍼터링, 아크 플라즈마 침착, 반응성 스퍼터링, 레이저 삭마 등을 포함할 수 있다.
이러한 개별적인 유형의 PVD는 항상 상호 배타적이지 않으며, 따라서 전술한 PVD 공정을 하나 초과 사용하는 조합도 고려된다. 예를 들어, "마그네트론 스퍼터링"은 DC 및 RF 마그네트론 스퍼터링 둘다를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 유사하게, "DC 마그네트론 스퍼터링"은 "마이크로파-강화된 DC 마그네트론 스퍼터링"을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. RF 마그네트론 스퍼터링이 다층 코팅을 침착시키기 위해 사용되는 경우, 본원에서 적절한 부분에 참고로 인용하는 미국특허 제 6,494,997 호에 공지된 방법을 적절하게 사용할 수 있다. 마그네트론 스퍼터링은, 표적에 퍼붓기 위하여 에너지 불활성 가스 플라즈마가 사용되는 경우이다. 스퍼터링 원자는 찬 유리 또는 석영 하우싱 위에서 응축된다. DC(직류), 펄스화 DC(40 내지 400 KHz), 또는 RF(라디오파, 13.65 MHz) 공정이 사용될 수 있다.
스퍼터링이 사용되는 경우, 혼합된 금속 옥사이드인 고 굴절률 층을 형성하기 위해서, 사용된 금속의 합금 및/또는 금속의 혼합물을 보유하는 단일 표적(target)이 사용될 수 있다. 다르게는, 각각 하나 이상의 금속을 보유하는 다중 표적도 사용될 수 있다. 추가로, 금속 옥사이드 또는 기타 화합물을 함유하는 하나 이상의 표적도 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 스퍼터링 작업은 전형적으로 산소/아르곤 대기에서 수행된다. 코팅의 의도된 용도가 광원 또는 램프를 위한 대역필터로서 작용하는 것인 경우, 코팅되는 기판은 전형적으로 램프의 광-투과성 엔벨로프를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 광간섭 다층 코팅이 기판에 침착될 수 있다. 이러한 기판은, 하나 이상의 유리, 석영, 용융 실리카 또는 실질적으로 투명한 세라믹 등 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있다. 실질적으로 투명한 세라믹을 포함하는 기판이 사용되는 경우, 이는 하나 이상의 다결정성 알루미나, 사파이어 및 YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 등으로 구성된 물질 중에서 선택될 수 있다. 기판의 하나의 예는 석영 또는 유리 또는 전술한 명칭의 기판 물질 중 임의의 것과 같은 임의의 투명하거나 불투명한 물질로 제조된 램프 엔벨로프일 수 있다. 기판의 형태는 구체적으로 제한되지 않지만, 예를 들어 원통형 또는 타원형 등의 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 본 발명의 광간섭 다층 코팅을 비롯한 램프 또는 램프들도 제공된다. 이러한 램프들은 일반적으로 표면을 갖는 광-투과성 엔벨로프, 및 광원을 포함하고, 여기서 엔벨로프로 광원의 적어로 일부를 둘러싼다. 광-투과성 엔벨로프의 표면의 적어도 일부에 전술한 바와 같은 광간섭 다층 코팅이 제공된다. 일반적으로 공지된 바와 같이, 광-투과성 엔벨로프는 적절한 정도로 광-투과성인 임의의 물질로 구성될 수 있고, 비교적 고온(예를 들어, 약 800℃ 초과)을 견딜 수 있고; 예를 들어, 이것은 유리, 석영, 용융 실리카, 또는 실질적으로 투명한 세라믹, 또는 전술한 임의의 기판 물질로 구성될 수 있다.
광원은 백열성 광원(예를 들어, 이들 중 하나는 필라멘트의 저항성 가열을 통해 광을 제공한다)일 수 있고/있거나, 이는 전기 아크 방전 광원, 예를 들어 고-밀도 방전(HID) 광원일 수 있고/있거나 이는 또다른 유형의 광원일 수 있다. 일반적으로, 필라멘트가 사용되는 경우, 이는 공지된 바와 같이 일반적으로 코일 형태인 내화성 금속, 예를 들어 텅스텐 등으로 구성된다. 램프에 동력을 공급하기 위하여, 엔벨로프 내에 정렬되고 엔벨로프를 통해 연장된 전류 공급 전도체(또는 전기 도선(electrical lead))에 연결되어 있는 하나 이상의 전기 소자가 제공된다.
일반적으로, 엔벨로프는 충전 가스를 둘러싼다. 바람직한 충전 가스는, 램프 수명, 품질 및/또는 성능을 촉진시키도록 선택된 임의의 가스 또는 가스상 혼합물을 포함한다. 일부 충전 가스는 이온성 충전 가스, 예를 들어 하나 이상의 희가스(예를 들어, 크립톤 또는 제논) 및/또는 증발가능한 할로겐 물질, 예를 들어 알킬 할라이드 화합물(예를 들어, 메틸 브로마이드)을 포함할 수 있다. 할로겐-함유 가스가 종종 사용될 수 있다. 많은 다른 충전 조성물, 예를 들어 금속 할라이드, 수은 및 이들의 조합물을 포함할 수 있는 것도 고려된다.
본원과 관련된 램프는 램프 엔벨로프의 내면 또는 외면 둘다에 광간섬 다층 코팅을 가질 수 있다. 다르게는, 램프는 램프 엔벨로프의 내면 및 외면 둘다에 광간섭 다층 코팅을 가질 수 있다.
도 1을 보면, 본 발명의 실시양태에 따른 예시적인 램프의 개략도가 도시되어 있다. 이것은 제한하고자 하는 것이 아니며, 축척에 따른 도면이 아니다. 이러한 예시적인 실시양태에서, 램프(10)는 기밀하게 밀봉되고 유리체인 광-투과성 석영 엔벨로프(11)를 포함하되, 상기 엔벨로프의 외면은 광간섭 다층 코팅(12)으로 코팅되어 있다. 엔벨로프(11)는 내부 전기 도선(14, 14')에 의해 동력-공급될 수 있는 코일화 텅스텐 필라멘트(13)를 둘러싼다. 내부 전기 도선(14,14')은 호일(15, 15')에 용접되어 있고, 외부 전기 도선(16,16')은 호일의 반대쪽 말단에 용접되어 있다. 엔벨로프(11)의 내부(17)에, 할로겐 또는 할로겐 화합물을 포함하는 이온성 충전체(11)가 배치되어 있다.
전술한 광간섭 코팅은, 램프 상의 코팅으로서 사용되는 경우, 유리하게는 이러한 램프에 대해 개선된 에너지 효율을 제공할 수 있다. 이러한 개선은 LPW(와트 당 루멘)에 대한 증가된 값에서 나타낼 수 있다. %로 표현하는 경우, LPW의 증가는 "증가분"으로서 지칭된다. 본 발명의 실시양태에 따라 광간섭 필름으로 코팅되는 경우, 할로겐 램프는 비코팅된 램프에 비해 약 20% 내지 약 150%(예를 들어, 약 90% 내지 약 95%)의 증가분을 나타낼 수 있다. 이러한 비교는 전형적으로, 동일한 고온 필라멘트 온도, 예를 들어 일반적인 작업 온도로 동력-공급되는 동일한 램프 상에서 수행된다.
하나 이상의 광원이 필라멘트를 포함하는 실시양태인 경우, 코팅은 400 내지 750nm 파장의 가시광선에서 약 60% 초과의 평균 투과도를 갖고 800 내지 1500nm 파장의 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 약 50% 초과의 평균 반사도를 갖도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광원이 전기 아크 또는 방전체를 포함하는 실시양태에서, 코팅은 60% 초과의 가시광선의 평균 투과도를 제공하고 300 내지 370nm 파장의 전자기 스펙트럼의 자외선 영역에서는 약 30% 초과의 평균 반사도를 제공하도록 구성될 수 있다.
추가로, 전술한 광간섭 필름은 또한 심지어 고온 노출 이후에, 높은 구조적 및 광학적 일체성을 나타낼 수 있다. 본 발명의 실시양태는 제 1 및 제 2 층의 유의미한 기계적 열화 없이 상온 내지 약 750℃ 이상 사이의 반복 사이클을 가능하게 할 수 있는 광간섭 다층 코팅을 갖는 램프를 제공할 수 있다. 본 발명의 실시양태에 따라 코팅된 램프는 전형적으로 약 4일 동안 약 800℃에서 코팅을 어닐링한 후, 400 내지 750nm 파장의 가시광선에서 약 5% 미만의 투과도 손실을 나타낼 수 있다.
보다 추가로, 본 발명의 실시양태에 따른 광간섭 코팅으로 코팅된 램프는 개선된 점조도 및 성능 안정성을 나타낼 수 있고, 개선된 외관(평활하고 투명한 코팅면)을 가질 수 있다.
본 발명의 추가의 이해를 증진시키기 위하여, 하기 실시예가 제공된다. 이러한 실시예들은 예시적인 것이고, 주장하는 발명의 범주에 대해 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 추론되지 말아야 한다.
실시예
비교예 1과 2, 및 실시예 3
이러한 비교 실험들의 목적은, 각각의 유형의 코팅에 대해 동일한 조건을 사용하여 이온 충격 하에서 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 침착된 두꺼운 다층 코팅(120; IR를 반사하기 위해 구성된 대역 필터, 약 11㎛의 기하학적 두께)의 최대 열적 안정성 온도를 측정하는 것이다. 샘플은 1.27 cm x 2.54 cm x 1 mm의 석영 인곳 상에 침착시키고, 여기서 실리카는 저 지수 물질로서 사용된다. 시험을 위한 온도 조건은 하기와 같다: 계속 증가하는 온도에서 각각 4시간 동안 공기 오븐에서 베이킹; 550 내지 800℃ 온도 범위; 및 매 25℃씩 계속 높임. 즉, 샘플을 공기 오븐에서 4시간 동안 550℃로 유지하고, 그다음 시험하고, 그다음 온도를 25℃ 증가분으로 증가시키고, 공기 오븐에서 다시 4시간 동안 유지하고, 그다음 시험하고, 그다음 온도를 25℃ 증가분으로 증가시켰다.
이러한 실시예에서, 침착된 그대로의 물질의 바람직한 광학적 및 물리적 특성들을 유지하는 능력의 측면에서, 열 안정성이 시험된다. 광학 및 물리적 특성들은, (1) 각각의 온도에서 측정된 광도계 효율(PE, 스펙큘러 및 구 둘다에서); (2) 각각의 온도에서의 명시야 현미경술(50X 배율); 및 (3) 먼저 "침착된 그대로" 측정되고, 그다음 코팅 손상 직전에 측정되고, 그다음 손상 후 측정되는 x-선 회절(XRD)의 측면에서 평가되었다. 침착된 그대로의 필름과 관련하여, 400 내지 500nm의 PE(스펙큘러) 투과도 강하가 1% 미만이면, 코팅은 측정된 소정의 온도에서 "열적으로 안정한 것"으로서 긍정적인 등급을 받는다. XRD 및/또는 현미경에 따라 측정된 온도에서 코팅이 무정형인 경우, 코팅은 긍정적인 등급을 받는다. 코팅이 물리적으로 기판 상에서 손상되지 않은 채로 유지되는 경우, 코팅은 긍정적인 등급을 받는다.
표 1에서 나타낸 바와 같이, 실리카 및 NbTa 옥사이드의 다층(비교예 1)은 이러한 기준하에서 625℃에서 손상되는 반면, 실리카 및 Ta 옥사이드의 다층(비교예 2)는 이러한 기준하에서 675℃에서 손상되었다. 대조적으로, 저 지수 물질로서 실리카를 사용하고 고 굴절률 층으로서 NbTaZr 옥사이드를 사용하는 다층(실시예 3)은 800℃까지 열적으로 안정화되었다. NbTaZr 옥사이드는 금속 기준으로(즉, 산호는 배제함) 8.9 원자%의 Nb, 69.5 원자%의 Ta, 및 21.6 원자%의 Zr로 구성되었다.
[표 1]
NbTa 옥사이드 및 Ta 옥사이드 물질이 (각각 625℃ 및 675℃에서 시작할 때) 손상되었기 때문에, 이들은 고온에서 시험하지 못하였고, 따라서 표 1에서 빈 칸으로 처리하였다.
도 2는, 고 지수 층을 위해 NbTa 옥사이드를 사용하는 물질(비교예 1)의 스펙큘러 투과도에 대한 그래프이다. 도 2의 실선은 침착된 그대로의 상태의 물질에 대한 투과도 데이터를 나타내는 반면, 점선은 625℃에서 4시간 이후의 동일한 물질을 나타낸다. 가시광선 영역에서의 온도 노화된 물질에 대한 투과도 강하를 표시하였다. 특히, 침착된 그대로의 상태에 비해 노화된 물질에서 400 내지 500nm의 영역에서의 평균 투과도가 16.4% 강하하였다. 대조적으로, 도 3은 고 지수 층으로서 NbTaZr 옥사이드를 사용하는 물질(실시예 3)의 스펙큘러 투과도에 대한 그래프이다. 이러한 도면에서, 실선은 침착된 그대로의 물질을 지칭하는 반면, 점선은 온도-노화된(4시간 동안 800℃에 노출된) 물질이다. 가시광선 영역에서의 투과도는 가시광선 영역에서 거의 0의 감소분을 나타내며, 이는 온도 안정성이 현저함을 나타낸다.
광학 필름의 투과도는 광을 산란시키는 경향이 있는 결정들의 존재 또는 부재에 따라 크게 좌우되는 것으로 고려된다. 따라서, 층들에 대한 무정형 조성물이 일반적으로 바람직하다. 도 4는, 침착된 그대로(도 4a), 800℃에서 노화시(도 4b) 및 825℃에서 노화시(도 4c) 실시예 3의 NbTaZr 옥사이드 물질에 대한 X-선 결정성 그래프이다. 물질은 도 4b의 X-선 결정도에서 정의된 구조의 결핍으로 나타내는 바와 같이, 800℃에서 실질적으로 무정형 상태를 유지한다. 단지 825℃에서 결정성이 상당히 발달되지는 않는다(도 4c).
비교예 1과 2, 및 실시예 3의 광간섭 다층 코팅의 현미경 사진(50배 명시 야상 결과)이 도 5에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 675℃에서 노화시킨 후, 비교예 1 및 2의 물질에서는 상당한 크랙화가 발달하기 시작하는 반면, 실시예 3의 물질에는 크랙이 없었다. 크랙은, 800℃까지 가열하지 않는 한, 실시예 3의 물질에서 발달하지 않는 것으로 관찰되었다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 관련된 기본 함수의 변화를 유발하지 않으면서 변할 수 있는 임의의 정량적인 표현들을 개조하기 위해서, 어림 용어가 적용될 수 있다. 따라서, 예를 들어 "약" 및 "실질적으로"와 같은 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 일부 경우에 언급된 정확한 값으로 한정되지 않을 수 있다. 양과 관련하여 사용된 수식어 "약"은 언급된 값을 포함하고, 문맥에 의해 언급된 의미를 포함한다(예를 들어, 특정 양의 측정과 관련된 오차를 포함한다). "선택적" 또는 "선택적으로"란, 그 이후에 기술된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생할 수 없거나, 후속적으로 지시된 물질이 존재하거나 존재하지 않을 수 있음을 의미하고, 상기 설명이 사건 또는 상항이 발생하지 않거나 물질이 존재하지 않는 경우 및 사건 또는 환경이 발생하거나 물질이 존재하는 경우를 포함한다. 단수형은 문맥상 다르게 언급되지 않는 한, 복수개 지시 대상을 포함한다. 본원에서 개시된 모든 범위들은 언급된 종말점을 포함하며 독립적으로 조합가능하다.
본원에서 사용되는 경우, "개조", "구성" 등의 표현은, 명시된 구조를 형성하거나 명시된 결과를 달성하기 위하여 사이징되거나 배열되거나 제조된 요소를 지칭한다. 본 발명은 제한된 개수의 실시양태와 관련하여 상세하게 기술하고 있지만, 본 발명은 이러한 개시된 실시양태로 한정하고자 하는 것이 아님을 용이하게 이해하여야만 한다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 진의 및 범주와 상응하지만, 본원에서 기술하지 않는 임의의 개수의 변형, 개조, 치환 또는 동등한 배열을 도입하기 위하여 변형될 수 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시양태가 기술되어 있지만, 본 발명의 양태는 단지 일부의 언급된 실시양태만을 포함할 수 있음이 이해되어야만 한다. 따라서, 본 발명은 전술한 기재에 의해 한정되지 않을 뿐만 아니라 첨부된 청구의 범위의 범주에 의해서만 한정된다.
Claims (20)
- 복수개의 교대되는(alternating) 제 1 및 제 2 층을 포함하는 광간섭 다층 코팅으로서, 이때
상기 제 1 층이 상대적으로 낮은 굴절률을 갖고, 상기 제 2 층이 상기 제 1 층에 비해 상대적으로 높은 굴절률을 갖고,
상기 제 2 층이, Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비를 충족시키는 NbTaZr 옥사이드를 포함하는,
광간섭 다층 코팅. - 제 1 항에 있어서,
상기 NbTaZr 옥사이드내 나머지 금속이 실질적으로 Zr인, 광간섭 다층 코팅. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 층이, 약 5 < Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 10 및 약 75 > Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 65 및 약 20 < Zr/(Nb+Ta+Zr) < 약 25의 원자비를 충족시키는 NbTaZr 옥사이드를 포함하는, 광간섭 다층 코팅. - 제 1 항에 있어서,
상기 코팅이 약 1 내지 약 20㎛의 기하학적(geometrical) 두께를 갖는, 광간섭 다층 코팅. - 제 1 항에 있어서,
상기 코팅이 4 내지 250개의 총 층수를 갖는, 광간섭 다층 코팅. - 제 1 항에 있어서,
상기 코팅이 400 내지 750nm 파장의 가시광선에서 약 60% 초과의 평균 투과도를 갖는, 광간섭 다층 코팅. - 제 6 항에 있어서,
상기 코팅이 800 내지 1500nm 파장의 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 약 50% 초과의 평균 반사도를 갖는, 광간섭 다층 코팅. - 제 6 항에 있어서,
상기 코팅이 1500 내지 2500nm 파장의 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 약 40% 초과의 평균 반사도를 갖는, 광간섭 다층 코팅. - 제 6 항에 있어서,
상기 코팅이 2500 내지 3500nm 파장의 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 약 30% 초과의 평균 반사도를 갖는, 광간섭 다층 코팅. - 표면을 갖는 광-투과성 엔벨로프, 및
하나 이상의 광원
을 포함하는 램프로서,
상기 엔벨로프가 상기 하나 이상의 광원을 적어로 부분적으로 둘러싸고,
상기 광-투과성 엔벨로프의 표면의 적어도 일부에 광간섭 다층 코팅이 제공되어 있고,
상기 광간섭 다층 코팅은 복수개의 교대되는 제 1 및 제 2 층을 포함하고,
상기 제 1 층이 상대적으로 낮은 굴절률을 갖고, 상기 제 2 층이 상기 제 1 층에 비해 상대적으로 높은 굴절률을 갖고,
상기 제 2 층이, Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비를 충족시키는 NbTaZr 옥사이드를 포함하는,
램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 층이, 약 5 < Nb/(Nb+Ta+Zr) < 약 30; 및 약 80 > Ta/(Nb+Ta+Zr) > 약 50의 원자비를 충족시키는 NbTaZr 옥사이드를 포함하는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원이 필라멘트를 포함하고,
상기 코팅이 400 내지 750nm 가시광선에서 약 60% 초과의 평균 투과도를 갖고, 800 내지 1500nm 파장의 전자기 스펙트럼의 적외선 영역에서 약 50% 초과의 평균 반사도를 갖는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 코팅이, 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층의 유의미한 기계적 열화 없이, 상온 내지 약 750℃에서 반복 사이클을 가능하게 할 수 있는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 코팅이, 약 4일 동안 약 800℃에서 어닐링한 이후에, 400 내지 750nm 파장의 가시광선에서 약 5% 미만의 투과도 손실을 나타내는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원이 필라멘트를 포함하고,
상기 램프가, 고온 필라멘트 온도로 동력-공급되는 경우, 상기 코팅 없이 동일한 고온 필라멘트 온도로 동력-공급되는 동일한 램프에 비해, 약 20% 내지 약 150%의 LPW 증가분(gain)을 나타내는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 램프가 하나 이상의 전기 소자를 추가로 포함하고, 상기 전기 소자가 상기 엔벨로프 내에 정렬되고 상기 엔벨로프를 통해 연장되어 있는 전류 공급 전도체에 연결된, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 광원이 전기 아크 또는 방전체(discharge)를 포함하고,
상기 코팅이 가시광선에서 60% 초과의 평균 투과도를 제공하고 300 내지 370nm 파장의 전자기 스펙트럼의 자외선 영역에서 약 30% 초과의 평균 반사도를 제공하는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 엔벨로프가, 할로겐-함유 가스를 포함하는 충전 가스를 둘러싸는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 엔벨로프가 유리, 석영, 용융 실리카, 및 실질적으로 투명한 세라믹 중 하나 이상을 포함하는, 램프. - 제 10 항에 있어서,
상기 광간섭 다층 코팅이 상기 엔벨로프의 내면 및 외면 중 하나 또는 둘다에 제공된, 램프.
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