Verfahren zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung umfassend eine Glaskeramik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Leuchtvorrichtung oder von Bauteilen einer Leuchtvorrichtung, insbesondere ausgehend von Glaskeramikgrünglas. Die Glaskeramiken, die aus dem Glaskeramikgrünglas erhalten werden, weisen bevorzugt die Form eines Glaskeramikrohrs auf. Der Einsatz kann in vielfältigen Anwendungsbereichen bzw. in vielfältigen Typen von Lampen erfolgen, beispielsweise im Bereich der allgemeinen Beleuchtung oder der Automobilbeleuchtung bzw. in Temperaturstrahlern, wie Halogenlampen oder Glühlampen bzw. in Hochdruckoder Niederdruckentladungslampen. Insbesondere können die Glaskeramiken auch miniaturisiert zum so genannten „Backlighting" im Zusammenhang mit der Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen eingesetzt werden. Ebenso eignen sich die erfindungsgemäßen Glaskeramiken bevorzugt als Außenkolben für Hochdruck-Metallhalogenid-Entladungslampen z. B. solche, mit Brennern aus Al203 Keramik, wobei der Lampenkolben aus der erfindungsgemäßen Glaskeramik den Raum um den Brenner gegenüber der Außenatmosphäre abtrennt.
Bei herkömmlichen Beleuchtungsquellen wie Glühlampen, Halogenlampen und Gasentladungslampen haben die transparenten Kolben, bevorzugt aus Glas oder transluzenter Keramik in gestreckt zylindrischer oder gedrungen - bauchiger Form, im Wesentlichen zwei unterschiedliche Aufgaben, wie unten beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Lampen bzw. Anwendungen definiert , bei denen der Glaskolben als erste Umhüllende der lichtemittierenden Einheit, beispielsweise des Filamentes, und/oder als hermetisch dichter Körper für Schutz- bzw. Entladungsgase verwandt wird. Diese Anwendungen werden in der vorliegenden Anmeldung als Typ A-Anwendungen bezeichnet.
Anwendungen vom Typ A sind Anwendungen bei denen die Glaskolben die erste Umhüllende der lichtemittierenden Einheit darstellen. Hierunter fallen
insbesondere Lampen des Typs „Glühbirne" oder „Halogenstrahler" in denen eine stromdurchflossene und dadurch stark erhitzte Wolframwendel Licht aussendet, beispielsweise Glühbirnen oder Halogenstrahler. Zur Erhöhung der Lebensdauer sowie Steigerung der Lichtausbeute werden bei derartigen Lampen die Kolben mit „schweren" Gasen wie Krypton, Argon oder Xenon befüllt. Im Falle von
Halogenlampen sind dies Halogenide, welche von der Wendel abdampfendes Wolfram von den kälteren Kolbeninnenwänden wegführen und dieses an der Wolframwendel wieder abscheiden. Dies bezeichnet man als Halogenkreislauf. Mit Hilfe von Halogenzusätzen ist es möglich, innerhalb einer bestimmten Temperaturspanne die Kolbenschwärzung, bedingt durch abdampfende
Wolframatome, und die mit ihr einhergehende Lichtstromabnahme praktisch völlig zu unterbinden. Deshalb kann bei Halogen-Glühlampen die Kolbengröße stark verkleinert werden, wodurch einerseits der Füllgasdruck erhöht werden kann und andererseits der wirtschaftliche Einsatz der teuren Edelgase Krypton und Xenon als Füllgas ermöglicht wird.
In einer alternativen Ausgestaltung einer Anwendung vom Typ A bildet der Glaskolben den Reaktionsraum einer Gasentladung. Der Glaskolben kann zusätzlich als Träger von lichtkonvertierenden Schichten fungieren. Derartige Lampen sind beispielsweise Niederdruck-Fluoreszenzlampen sowie Hochdruck- Gasentladungslampen. In beiden Fällen werden flüssig oder gasförmig eingebrachte Stoffe - oftmals Quecksilber (Hg) und/oder Xenon (Xe) und/oder Neon (Ne), durch Bogenentladung zwischen zwei in den Kolben ragenden Elektroden angeregt und zu stimulierter Emission, meist im UV- Bereich gebracht. Bei Niederdrucklampen, beispielsweise bei Backlightlampen, werden die diskreten UV Linien durch Fluoreszenzschichten teilweise in sichtbare konvertiert. Bei Mitteldruck- und Hochdruckentladungslampen werden die Füllgase unter hohen Druck bis 100 bar oder mehr gesetzt. Durch Stosseffekte sowie Bildung von Molekülen, z. B. von Hg entarten die diskreten Linien zu Emissionsbanden mit der Konsequenz, dass quasi weißes Licht abgegeben wird. Hinzu kommen optisch aktive Stoffe, beispielsweise Halogenide der seltenen Erden, insbesondere Dysprosium - Halogenide, oder Alkali-Halogenide, welche fehlende spektrale
Anteile auffüllen und die Farbechtheit erhöhen Die Abhängigkeit der Weißqualität vom Druck wird in Derra et al. in „UHP- Lampen: Lichtquellen extrem hoher Leuchtdichte für das Projektionsfernsehen", Phys. Bl. 54 (1998) Nr.9 817-820 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Veröffentlichung wird vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mitaufgenommen.
Bei Anwendungen des Types B - dient der Glaskolben als zweite Umhüllende beispielsweise zur thermischen Kapselung der eigentlichen lichtemittierenden Einheit und/oder zum Bruch/ Explosionsschutz bzw. zum Schutz von Materialien und dem Lampenanwender vor schädlichen Strahlen, insbesondere vor UV-. Strahlen.
Anwendungen des Typs B betreffen beispielsweise Hochdruckentladungslampen. Die Brenner von Hochdruckentladungslampen, gefertigt aus Kieselglas oder transluzenter Keramik (z.B. AI2O3, YAG- Keramiken), werden auf möglichst hohen Betriebstemperaturen bis 1000°C bzw. darüber betrieben. Je höher die Betriebstemperaturen sind, desto höher ist der Farbwiedergabeindex und die Wirksamkeit und umso geringer sind Unterschiede der Lichtqualität von Lampe zu Lampe.
Zur thermischen Isolation des Entladungsgefäßes wird um den eigentlichen Reaktionskörper ein zweiter Glas-Hüllkolben gestülpt, wobei der Raum dazwischen meist bzw. im wesentlichen evakuiert ist. Der Hüllkolben ist zudem mit UV blockenden Komponenten dotiert.
Soll eine Hochdruckentladungslampe ohne weitere Schutzvorkehrungen direkt in einer Lampenfassung betrieben werden, d. h. ist die Lampe nicht in eine Leuchte mit Abdeckscheibe integriert, wie von Aufbauten von Niedervolt-Halogenstrahlern bekannt, so werden zwischen Hüllkolben und Entladungskolben weitere zylindrische transparente Elemente eingefügt die als Explosionsschutz dienen sollen.
Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzgebiete ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die verwendeten Kolbengläser für Gläser bei Typ A- und Typ B- Anwendungen.
Typ A-Anwednungen erfordern thermisch sehr stabile Materialien, beispielsweise Gläser, welche sich unter den Belastungen der räumlich nahen Wolframwendel bzw. den hohen Betriebstemperaturen unter Druck, insbesondere der hohe Druck, der sich bei HID (High intenisty discharge) ergibt, nicht verformen. Die Glaskolben stehen zudem unter Innendruck zwischen 2 und ca. 30 bar bei Halogenlampen bzw. bis ca. 100 bar oder mehr bei HID-Lampen. Die Kolben müssen des weiteren chemisch sehr inert sein, d. h., sie dürfen im Kontakt mit den Füllstoffen nicht reagieren. Dies bedeutet, dass keine Komponenten aus dem Glas an die Umgebung abgeben werden dürfen, insbesondere keine Alkalien oder OH-Ionen bzw. H2O. Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die transparenten Materialien dauerhaft hermetisch dicht mit den Zuführungsmetallen verschmolzen werden können. Insbesondere sollen die Glaskolben mit W oder Mo - Metall oder mit Fe- Ni-Co Legierungen (z.B. Kovar.Alloy 42) verschmolzen werden können. Des weiteren sollen die derart verschmolzenen Durchführungen auch gegenüber Temperaturwechselzyklen stabil sein.
Kalte Lampentypen wie Niederdruck-Lampen erfordern vergleichsweise geringere thermische Belastbarkeiten der Durchführungen. Werden derartige Niederdruck- Lampen aber als „Backligh -Lampenkörper eingesetzt, so ergeben sich besondere Anforderungen an die UV-Blockung.
„Backlighf-Lampen sind Niederdruck-Entladungslampen, die miniaturisiert in TFT („thin film transistor")-Displays beispielsweise für Bildschirme, Monitore, TV-Geräte zur Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden können. Hierfür wurden bisher Multikomponenten-Gläser auf Silicatbasis eingesetzt. Bei Verwendung als „Backlighf-Lampe wird an das Abschirmen von UV-Licht durch das Glas der Lampe selbst hohe Anforderungen gestellt, da andere Komponenten
insbesondere solche aus Kunststoff, in den Flachbildschirmen rasch altern und degenerieren.
Bei Typ B-Anwendungen sind die Anforderungen an die Temperaturbelastbarkeit und die chemische Zusammensetzung/Resistenz im allgemeinen niedriger als bei Typ A-Anwendungen. So herrschen beispielsweise bei einer HID Lampe Außenkolbentemperaturen von ca. 300 - 700°C abhängig vom Abstand des Hot- Spots des Brenners vom Kolben. Entsprechend ist der Durchführungsbereich deutlich kälter als das dem Brenner direkt benachbarte Kolbenvolumen. Abhängig von der Leistungsabgabe des Brenners und bei sehr kleinen Abständen des Hotspots von der Kolbeninnenwand können auch durchaus Wandtemperaturen bis 800°C oder darüber vorherrschen.Wie oben beschrieben, sollten diese Kolben eine hohe UV Blockung, insbesondere bei „Backlighf-Anwendungen, aufweisen. Weiterhin stellt sich auch hier das Problem der Dichtigkeit der Durchführung. Es ist jedoch nicht zwingend, dass die Durchführung gegenüber chemischen Reagenzien inert ist.
Als Materialien für Glaskolben bei Anwendungen vom Typ A werden im Stand der Technik Weichgläser für Glühbirnen, alkalifreies Hartglas für Automobil- Halogenlampen bzw. Kieselglas für Halogenlampen oder HID Lampen für die
Allgemeinbeleuchtung bzw. die Studiobeleuchtung verwendet. Diesbezüglich wird auf Heinz G. Pfaender: SCHOTT Glaslexikon, mvg-Verlag, Seiten 122-128 verwiesen oder auch die Patente DE 19747 355 C1 , DE 197 58481 C1 , DE 197 47 354 C1 deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.
Höchstleistungsentladungslampen verwenden alternativ zu Kieselglas im Stand der Technik auch transluzentes Aluminiumoxid, welches bis 1100°C oder darüber belastbar ist. Betreffend Höchstleistungsentladungslampen wird beispielsweise auf die EP 748 780 B1 oder Krell et al: Transparent sintered corundum with high
Hardness and Strength in J. Am. Ceram. Soc. 86(4) 546-553 (2003) verwiesen,
deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.
In kalten Niederdrucklampen kann als Glaskolbenmaterial vergleichsweise weiches Glas, beispielsweise Borosilicatglas, verwandt werden.
Als Materialien der Glaskolben für Typ B-Anwendungen kommt derzeit überwiegend Kieselglas bzw. Multikomponentengläser z. B. des Typs Suprax (SCHOTT Typ 8655 bzw. DURAN-Glass der Fa. SCHOTT GLAS Mainz ) zum Einsatz.
Glaskeramiken mit bevorzugten Eigenschaften zum gezielten Einsatz bei speziellen Anwendungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielhaft seien die prominenten Marken der Anmelderin, Ceran® und Robax®, genannt. Glaskeramiken wie die genannten weisen ein unitäres Spektrum an Eigenschaften auf, welche aus gezielter, kontrollierter, temperaturgesteuerter, partieller Kristallisation resultieren. Abhängig von Zusammensetzung, Art und Weise der Herstellung des Ausgangsglases, das auch „Grünglas" genannt wird, und Anpassung des Temperaturregimes in der Heißnachverarbeitung (welche auch die sogenannte Keramisierung, also die Umwandlung des Grünglases in eine Glaskeramik einschließt) können bei einer Glaskeramik unterschiedliche Kristallphasenarten, kristallographische Spezies mit verschiedener Kristallmorphologie und Größe sowie unterschiedliche Kristallmengen ausgeschieden werden. Dadurch lassen sich insbesondere die thermische Dehnung, mechanische Stabilitäten, der optische „Cut-off", insbesondere im UV- Bereich usw., einstellen. Eine herausragende grundlegende Eigenschaft einer Glaskeramik wie Robax® oder einer Glaskeramik aus anderen chemischen Systemen stellt die hohe thermische Stabilität des Materials dar, welche wesentlich höher ist als die gängiger Multikomponentengläser, insbesondere höher als diejenige des jeweiligen Grünglases.
Während Glaskeramiken bislang in scheibenartiger Form als Kochplatten und Scheiben für Öfen und Kamine Anwendung gefunden haben, gibt es bislang noch keine technische Lösung dafür, diese vorteilhaften Materialien in anderen komplexeren Formen zu fertigen und für andere Anwendungen einzusetzen. Insbesondere Verfahren zur kostengünstigen und reproduzierbaren Herstellung von Glaskeramikrohren in - vor allem für Lampenanwendungen - geeignetem Keramisierungszustand bzw. Geometrie insbesondere Größe ist im Stand der Technik bisher nicht beschrieben worden.
Die Patentschrift DE 37 34 609 C2 betrifft Calciumphosphatglaskeramiken, die auch in Entladungsröhren verwendet werden können. Die Hauptkristallphase in diesen Glaskeramiken ist Apatit, wodurch die Glaskeramik einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, was gemäß der DE 37 34 609 C2 auch gewünscht ist. Die Patentschrift offenbart keine Glaskeramik, die einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als 6 x 10"6/°K aufweist.
Neben dem Nachteil, dass die in der DE 37 34 609 beschriebenen Glaskeramiken mit mindestens 6 ppm/K hochausdehnend sind, sind die caiciumphosphathaltigen Glaskeramiken infolge ihrer geringen chemischen Stabilität im allgemeinen nicht geeignet für Lampenanwendungen. Das betrifft insbesondere solche
Lampenanwendungen, bei denen der Glaskeramikkolben mit reaktiven Füllgasen in Kontakt kommt. Ein weiterer Nachteil dieser Glaskeramik ist, dass zur Herstellung schon des Grünglases besondere schmelztechnische Randbedingungen erfüllt sein müssen, wie z. B. Tiegelauswahl, Rohstoffauswahl etc.
Die Verwendung von Glaskeramiken im Lampenbau ist beispielsweise in GB 1,139,622 beschrieben. Hier wird eine Komposit-Lampe beschrieben bestehend aus einem Glaskeramikteil sowie einem Kieselglas-Fenster. Die Teile sind mit einem Cu-haltigen Lotglas miteinander verbunden. In der GB 1 ,139,622 werden keine Angaben gemacht zur Herstellung von Grünglaskolben oder - körper bzw.
deren Weiterprozessierung. Die Anwendung ist auf UV- und IR-Beleuchtungen beschränkt,. Es gibt keinerlei Offenbarung zur Abschirmung von UV-Strahlung.
Die US 4,045,156 beschreibt den Einsatz von partiell kristallisiertem Glas für Anwendungen in Photoflash- Lampen. Diese Lampen zeichnen sich durch eine höhere Temperaturbeständigkeit, höhere Thermoschockbeständigkeit sowie mechanischer Festigkeit als herkömmliche Glaskolbenlampen aus. Der Ausdehnungskoeffizient liegt maßgeblich bedingt durch das Ausscheiden von Lithium-Disilikat-Kristallen aus entsprechenden Ausgangsgläsern bei ca. 8,0-9,5 ppm/K. Grund hierfür ist, dass in der US 4,045,156 die Glaskeramik im Ausdehnungsverhalten an hochdehnende Durchführungsmetalle - bzw. Legierungen, z. B. Cu führende Ni-Fe-Legierungen, angepasst ist. Die Kristallite der Glaskeramik haben eine Größe im Bereich von 50nm bis 10 μm. Die US 4,045,156 beschreibt weiterhin Verfahrensschritte von Schmelze, Rohrziehen bis hin zu Keramisierungsprozessen. Das voll keramisierte Rohr wird als ausreichend prozessierbar beschrieben. Eine Verfahrensführung zur Herstellung einer kompletten Lampe wird nicht beschrieben, insbesondere nicht wie erreicht werden kann, dass im Bereich der Durchführung eine derartige Lampe ausreichende Dichtigkeit gewährleistet wird.
Die US 3,960,533 beschreibt die Anwendung von transluzent keramisierter Glaskeramik als Abschattung vor dem grellen Wolfram-Filament in einer Glühbirne. Die in der US 3,960,533 verwendete Glaskeramik in der Zusammensetzung der aus der US 4,045,156 bekannten Glaskeramik, jedoch in transluzenter keramisierter Form.
Eine in größeren Mengen Ta205- und/oder Nb2Os- (5 bis 20 Gew.% im Ausgangsglas) umfassende Glaskeramik mit mehr als 50 Vol.-% amorphen Phasen wird in der US 4,047,960 beschrieben. Bei der Verwendung als Teil einer Lampe jedoch ist nachteilig, dass bei Einbringen von erkennbaren Mengen an Ta205- und/oder Nb205das Ausbilden von „Charge-Transfer-Komplexen" in der Glaskeramik zu unerwünschten Verfärbungen führt. In der US 4,047,960 werden
keine Angaben gemacht zum Ziehen der Grüngläser in Rohre sowie deren Weiterverarbeitung zu einem Lampenkörper.
In GB 1260933 werden Glaskeramiken beschrieben die sich für Anwendungen in Na-Dampflampen eignen. Sie sind chemisch sehr stabil gegenüber Natriumdampf und können neben deren Verwendung als Verschlussmaterialien auch als Teile von Lampenkörperverwendet werden. Die Glaskeramik ist Si-frei mit den Hauptkomponenten CaO und AI2O3 und stabil bis ca. 900°C. Die in der GB 1260933 beschriebenen Glaskeramikkörper sind nicht für Na-Hoch- drucklampen geeignet.
Aus der DE 100 17 696 A1 und DE 100 17 701 C2 ist die Verwendung von Glaskeramiken als Abdeckscheiben von Strahlungsquellen von Lampen, insbesondere Halogenstrahlern beschrieben.
Ein Verfahren zur Herstellung von Leuchtmitteln umfassend beispielsweise eine Glaskeramik als Material für den Glaskolben ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Insbesondere ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt geworden, wie ein Verfahren geführt werden muss, um eine hermetisch dichte Durchführung zwischen dem Lampenkolben beispielsweise aus Glaskeramik und einem Durchführungsmaterial - beispielsweise einer Wolfram-Durchführung - zu erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Insbesondere sollen Verfahren angegeben werden mit denen
Leuchtvorrichtung, insbesondere Lampen umfassend Glaskeramiken hergestellt werden können. Im besonderen sollen die Verfahrensführung so erfolgen, dass die Durchführung weitgehend hermetisch dicht sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 13 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 31 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen umfassend die möglichen Einzelprozessschritte vom gezogenen Grünglas hin zu einem Lampenkörper, beschrieben werden. Die Schritte werden im allgemeinen für spezifische Lampentypen aufgezeigt, beschränken sich aber nicht auf diese. Kombinationen der bei den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebenen Schritte können in geeigneter Weise zusammengesetzt werden zum Bau auch anderer Lampen als im Ausführungsbeispiel angegeben.
Es zeigen:
Figur 1 : RAMAN-Spekrum von durchkeramisiertem und glasigem Material
Figur 2: Rohrglas, das zur Herstellung einer „Backlight-Lampe" verwendet werden kann Figur 3a, b Rohrkolben, wie sie zur Herstellung einer HID Lampe verwendet werden können in unterschiedlichen Ausführungsformen.
Mit den hier beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, glaskeramische Materialien im Lampenbau einzusetzen. Insbesondere ist es möglich, hochstabile, transparente und auf sonstige Anforderungen maßgeschneiderte Glaskeramiken zu verwenden, die im Einsatz befindliche herkömmliche Gläser gemäß dem Stand der Technik weit übertreffen. Dies ist neben anderen insbesondere der Falle bei Niederdrucklampen, z. B. Backlightlampen, bei denen Glaskeramiken bspw. Vorteile im Bereich der „UV-Blockung" bei hoher Gesamttransparenz bieten. Gleiches gilt für den Einsatz von Glaskeramiken als Aussenkolben für Hochdruck- Metallhalogenidlampen, z. B. solche mit AI2O3 Keramikbrenner.
Insbesondere können bei Glaskeramiken Eigenschaftskombinationen genützt werden, da Glaskeramiken kontrolliert partiell kristallisierte Gläser sind, welche die vorteilhaften Eigenschaften von Glas in Kombination mit Kristallen nützen. Die
Kristallite sind dabei so klein, beispielsweise < 1 μm, bevorzugt < 200 nm , besonders bevorzugt < 100 nm, so dass das Material wie Glas transparent bleibt, jedoch eine Vielzahl verbesserter Eigenschaften hervorruft, wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hohe chemische Resistenz sowie hohe UV Blockung.
Weiterhin können in Abhängigkeit von der chemischen Ausgangszusammensetzung sowie der Führung der Keramisierung Art, Volumenanteil und Größenverteilung der Kristallite gezielt bezüglich anderer Eigenschaften eingestellt werden. Hierbei ist insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient zu nennen, der z. B an ein Durchführungsmaterial angepasst sein kann. So können mit Glaskeramik thermische Ausdehnungskoeffizienten α2o/3oo zwischen 0 und < x 10"6/K, bevorzugt zwischen 3 x 10"6/K und 5,5 x 10"6/K erreicht werden. Für Verschmelzungen mit Wolfram sind Ausdehnungskoeffizienten zwischen 3,4 x 10"6/K und 4,4 x 10"6/K und für
Verschmelzungen mit Molybdän Ausdehnungskoeffizienten zwischen 4,2 x 10"6/K und 5,3 x 10"6/K besonders bevorzugt. Für Fe-Ni-Co Legierungen sind, je nach Zusammensetzung der Legierung (z. B. KOVAR, Alloy 42) Ausdehnungskoeffizienten zwischen 3,8 x 10"6/K und 5,2 x 10"6/K besonders bevorzugt.
Auch können beispielsweise Li20-SiO2-AI2θ3-Glaskeramiken so hergestellt werden, dass sie einen Ausdehnungskoeffizienten von 0 bis 2 ppm/K bzw. bevorzugt < 1 ppm/K aufweisen. Diese Glaskeramik kann dann problemlos an gängige Lampenglasmaterialien wie SiO2 angepasst, d. h. mit letzterem verschmolzen bzw. gef rittet werden.
Glaskeramiken für den Lampenbau können in der Form von Röhren vorliegen, was insbesondere sinnvoll ist, wenn die Glaskeramik als Teil einer Lampe verwendet wird. Röhren können, sofern erforderlich, in kugelförmige oder ellipsoide Formen überführt werden. Hohlkugeln oder Hohlellipsoide können,
unabhängig von einer vorangegangenen Rohrform, auch direkt durch Blasen und Verpressen hergestellt werden.
Glaskeramikrohre in rohrförmiger bzw. rohrähnlicher Form können auch als Außenkolben in HID (high intensity discharge) Lampen, z. B. Hochdruck-
Metallhalogenid - Entladungslampen, verwandt werden. Unter „rohrförmig" wird in dieser Anmeldung ein Hohlkörper mit einer äußeren Wand und mindestens einer Öffnung verstanden, dessen Querschnitt kreisrund ist, wohingegen „rohrähnlich" entsprechende Querschnitte anderer geschlossener Geometrie, z. B. elliptisch, oval oder verrundet-eckig, bezeichnet.
Anforderungen an die Glaskeramiken für eine Verwendung im Lampenbau sind wie oben aufgezeigt beispielsweise eine gute Temperaturstabilität bei hervorragender Transparenz.
Was die Temperaturstabilität betrifft, so sollte diese höher als die von Hartglas sein. Gängige Gläser, die sich hier eignen und die z. B. vom Typ Aluminosilicatglas sind, weisen Transformationstemperaturen (Tg) im Bereich von 750 °C bis 800 °C auf. Bei solchen Temperaturen liegt das Glas also noch in festem Zustand vor.
Da für Glaskeramiken keine Transformationstemperatur (Tg) bestimmt werden kann, ist es sinnvoll, einen von der Temperatur abhängigen, noch stabilen Zustand anhand der Viskosität der Glaskeramik in Abhängigkeit von der Temperatur zu bestimmen. Eine geeignete Glaskeramik sollte auch bei höheren Temperaturen nicht viskos fließen und Lampenbetriebstemperaturen von > 800 °C, bevorzugt von > 900 °C, und weiter bevorzugt von > 1000 °C standhalten.
Idealerweise setzt das viskose Fließen einer im Lampenbau eingesetzten Glaskeramik erst bei höheren Temperaturen als bei Kieselglas ein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Glaskeramik ähnlich stabil oder noch stabiler als transluzente Keramiken, zum Beispiel solche auf Basis von AI2O3 ist.
Neben der hervorragenden Temperaturstabilität sollen die Glaskeramiken eine hohe Transmission im sichtbaren Bereich (zwischen 380 nm und 780 nm) bei einer Schichtdicke von 0,3 mm aufweisen, beispielsweise > 75 %, bevorzugt > 80 %, besonders bevorzugt > 90 %. Diese Eigenschaft ist bei der Anwendung der Glaskeramiken als Teile einer Lampe von Bedeutung. Ganz besonders bevorzugt sind weiterhin Glaskeramiken, welche bei 1 mm Wanddicke im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 780 nm bevorzugt > 75 %, besonders bevorzugt > 80 % Transmission aufweisen.
Insbesondere bei der Anwendung zur Hintergrundbeleuchtung in TFT Displays spielt eine gute UV-Blockung eine wichtige Rolle. Unter Blockung wird eine Transmission von kleiner 1 % bei einer Schichtdicke von 0,3 mm verstanden. Die Blockung kann erreicht werden für Wellenlängen ≤ 260 nm, bevorzugt ≤ 300 bzw. < 315 bzw. < 365 nm.
Bei Metallhalogenid-Lampen mit Keramikbrennern wird derzeit Kieselglas der Wandstärke ca. 1 -1 ,5 mm als Außenkolbenmaterial verwendet. Zur UV-Blockung wird das Kieselglas mit Ce02 in Gehalten meist < 1 Gew.-% dotiert. Nachteilig ist, dass dadurch das Glas im Bereich der harten energiereichen UV C- und D-
Strahlung unterhalb 300 nm noch Resttransmission in der Größenordnung von 10 % oder mehr aufweist. Mit einem hochtemperaturfesten Multikomponentenmaterial wie Glaskeramik kann dieser Wellenlängenbereich komplett geblockt werden. Glaskeramik stellt daher gegenüber den bislang im Stand der Technik verwandten Gläsern eine verbesserte UV-Blockung sowie eine verbesserte Verschmelzbarkeit bzw. Fügbarkeit mit Durchführungsmetallen zur Verfügung.
Für einige Verwendungen von Glaskeramiken im Lampenbau sollte die Glaskeramik bzw. das Grünglas gut verschmelzbar mit elektrischen
Durchführungen sein, welche je nach Anwendung aus Molybdän, Wolfram oder Legierungen wie Vacon 11® der CRS Holdings Inc., die auch als „Kovar"
bezeichnet wird bestehen. Mit den erfindungsgemäßen Herstellverfahren können derartige Glaskeramiken einen hermetisch dichten Verschluss einer elektrisch und thermisch leitenden Met?"J",''chführung sowie dem Kolbenmaterial ermöglichen und Probleme, die durch unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der thermischen Ausdehnung der Materialien Glas und Metall entstehen, können umgangen werden.
So können thermische Ausdehnungskoeffizienten α2o/3oo zwischen 0 und < 6 x 10"6/K, bevorzugt zwischen 3 x 10"6/K und 5,5 x 10"6/K erreicht werden. Für Verschmelzungen bzw. Fügbarkeit mit Wolfram sind Ausdehnungskoeffizienten zwischen 3,4 x 10"6/K und 4,4 x 10"6/K und für Verschmelzungen bzw. Fügbarkeit mit Molybdän Ausdehnungskoeffizienten zwischen 4,2 x 10"6/ und 5,3 x 10"6/K besonders bevorzugt. Für Fe-Ni-Co Legierungen sind, je nach Zusammensetzung der Legierung (z. B. KOVAR, Alloy 42) Ausdehnungskoeffizienten zwischen 3,8 ppm/K und 5,2 ppm/K besonders bevorzugt.
Hierbei kann die Glaskeramik bevorzugt so gestaltet werden, dass die thermische Ausdehnung des Elektrodenmaterials, bestehend aus Metall, angenähert wird, so dass vorteilhaft erreicht wird, dass auch bei Betriebstemperatur während des Lampenbetriebes keine Undichtigkeiten entstehen.
Für die Anwendung der Glaskeramiken im Lampenbau ist es vorteilhaft, wenn die Materialien chemisch resistent sind, so dass z. B. Vorgänge in einer Lampe dauerhaft nicht beeinflusst werden. Bei der Verwendung in Halogenlampen soll insbesondere eine Störung des Halogenkreislaufes vermieden werden. Die Materialien sollten nicht von Füllstoffen durchdringbar sein, also eine gute Langzeitdichtigkeit aufweisen. Auch sollten heiße, unter Druck stehende Füllstoffe keine Korrosion bedingen.
In einer besonderen Ausführungsform können die Glaskeramiken bei der Verwendung in Lampen zumindest in den obersten Schichten der
Rohrinnenoberfläche, bevorzugt im gesamten Lampenkolbenkörper, alkalifrei sein und höchsten Anforderungen bezüglich der Reinheit entsprechen. Der sogenannte Weißeindruckindex (color rendering index CRI) ist dabei dauerhaft optimal, z. B. CRI > 90, bevorzugt CRI = ca. 100.
Bei der Verwendung von Glaskeramikmaterial bei der Herstellung von Leuchtmitteln, insbesondere Lampen, ist zu berücksichtigen, dass im Vergleich zu herkömmlichen Glaslösungen neben der Herstellung eines Glases z. B. in Rohrform, und ggf. dessen Verschmelzung mit dem Durchführungsmaterial noch ein zusätzliches Temperprogramm hinzukommt.
Die Keramisierung erfolgt prinzipiell in einem mehrstufigen Prozess, der durch Heizrampen und Haltezeiten gekennzeichnet ist. Die Maximalttemperatur liegt bei 1200 °C, die Haltezeiten sind dem optimalen Kristallitwachstum - bezogen auf ein gegebenes Anforderungsprofil optischer und thermischer Zielgrössen - angepasst. Die Kristallitgröße liegt bevorzugt in der Größenordnung von 10 bis 200 nm, der Kristallphasenanteil beträgt bevorzugt mindestens 50 Vol-%, bevorzugt mehr als 60 Vol-% , besonders bevorzugt mehr als 70 Vol-%, insbesondere mehr als 80 Vol-%.
Bevor auf die einzelnen Verfahrensabfolgen detailliert eingegangen wird, werden zunächst allgemein die Eigenschaften von Glaskeramiken beschrieben, die bei der Erfindung Verwendung finden können.
Sollen Glaskeramiken beispielsweise in Rohrform vorliegen, werden mittels dem Fachmann bekannten Keramisierungsprogrammen beispielsweise Grünglasrohre, die zuvor gezogen wurden zu Glaskeramiken umgewandelt. Die Keramisierungsprogramme sind so zu gestalten, dass die erhaltene Glaskeramik für den jeweiligen Einsatz bezüglich der entsprechend erforderlichen Eigenschaften optimiert ist. Die Glaskeramikeigenschaften sind dabei eine Folge insbesondere von Kristallart, -menge, -grösse , sowie der Zusammensetzung und Eigenschaften des Restglases.
Für eine optimale thermische Stabilität kann es sinnvoll sein, den Glasanteil innerhalb der Glaskeramik zu minimieren und/oder die Zusammensetzung der Restglasphase nahe an die reinen Kieselglases einzustellen.
Die Keramisierungsprogramme sind bezüglich der Temperatur- und Zeitregime angepasst und abgestimmt auf gewünschte Kristallphasen, ebenso abgestimmt auf das Verhältnis von Restglasphase und Kristallphasenanteil sowie Kristalllitgröße.
Ferner kann durch das Keramisierungsprogramm der Oberflächenmechanismus bzw. ein Tiefenprofil für bestimmte Elemente eingestellt werden, wodurch im Verlauf der Keramisierung in oberflächennahen Bereichen ein gewünschter Gehalt an Alkalien eingestellt werden kann, auch in Feineinstellung von „alkaliarm" bis „alkalifrei".
Während der Keramisierung kann auch ein Konzentrationsgradient für bestimmte Elemente aufgebaut werden, was durch deren Einbindung in die Kristallphase bzw. deren Verbleib oder Anreicherung in der Restglasphase bewirkt werden kann, insbesondere durch die Ausbildung einer glasigen Oberflächenschicht, deren Dicke durch die Zusammensetzung des Ausgangsglases und die Keramisierungsatmosphäre bestimmt werden kann.
Möglich ist auch die Keramisierung direkt während des Lampenbetriebs („in-situ- Keramisierung") durch Einstellung bestimmter Strom-Spannungs-Zeit-Verläufe, die zu einer Wärmeabstrahlung durch die Lampenwendel führen, mit denen sich entsprechende Keimbildungs- und Kristallwachstumstemperaturen sowie Aufheiz- und Abkühlraten im Lampenkörper erreichen lassen.
Die Zusammensetzung des Ausgangsglases als auch das
Keramisierungsprogramm ist zudem, sofern erforderlich, bezüglich Keimbildungs-
bzw. Kristallentwicklungsregime an das gewünschte Maß der Abschirmung von UV-Strahlung angepasst.
Die UV-Blockungseigenschaften (d. h. die Lage/Steilheit der Absorptionskante) der Glaskeramik können durch eine Reihe von Maßnahmen maßgeschneidert werden: Neben der Einführung von UV-blockenden Zusätzen, wie z. B. Ti02, sind bei Glaskeramiken gegenüber Gläsern weitere Einstellmöglichkeiten gegeben: beispielsweise die Partikelgröße die bezüglich maximaler UV-Streuung angepasst ist, und die Partikelgrößenverteilung. Generell gilt, dass je homogener die Größe der Teilchen ist, desto steiler die UV-Kante ist. Die Glaskeramik kann auch derartig bzgl. Ausgangsglas und Keramisierungsstatus eingestellt sein, dass sich der aktive Dotierstoff Ti ideal auf Restglasphase und Kristallphase verteilt. Je größer die Kristallpartikel sind, desto größer sind die UV-Blockungseigenschaften. Bevorzugt sind Partikelgrößen im Bereich 10 - 100 nm, wobei eine möglichst monomodale Partikelverteilung bevorzugt ist und bevorzugt zumindest 60 % der vorhandenen Teilchen in diesem Größenbereich liegen, wobei bevorzugt der Anteil an Kristallphase am Gesamtvolumen wenigstens 50 Vol.-% und höchstens 90 Vol.-% beträgt.
Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass die Gesamttransmission im Bereich um > 400 nm stark geschwächt wird, und andererseits wird eine steile UV-Kante im Bereich 360 - 400 nm erreicht.
Durch Varianten der Keramisierungsbedingungen kann die UV-Blockung gezielt eingestellt werden. Das keramisierte Rohr ist gegenüber einem nicht keramisierten Rohr derselben Zusammensetzung, also ihrem Grünglasrohr, hinsichtlich der UV- Blockungseigenschaften überlegen. Es ist daher für die erfindungsgemäßen Verwendungen hervorragend geeignet.
Möglich sind auch Keramisierungregime zur Generierung eines hermetisch dichten Überganges vom Glas zu einer elektrischen Durchführung. Hierbei ist denkbar, dass sich durch Schrumpfung des Materials während der Keramisierung
günstige Spannungszustände (axial/radial) ausbilden und damit eine hermetisch dichte Verbindung bereitgestellt wird. Durch Verwendung in ihrer thermischen Ausdehnung angepasster Glaskeramikmaterialien (bevorzugt sowohl im glasigen als auch im keramisierten Zustand) können auch massivere Metalldurchführungen (anstelle sehr dünner Mo-Bleche, eingesetzt z. B. in Halogenlampen auf Basis von Kieselglas) verwendet werden, was auch eine bessere Wärmeableitung aus der Lampe ermöglichen sollte.
Auch kann durch geeignete Keramisierung oder die Anwendung geeigneter Erhitzungsverfahren zur Umformung des Ausgangsglases ein Zustand eingestellt werden, bei welchem die Lampe „sich selbst abdichtet" während des Betriebes.
Bevorzugt verwendet, insbesondere im Bereich der Halogenlampen und Gasentladungslampen, werden im wesentlichen alkalifreie Glaskeramiken (GC), bezeichnet auch als „AF-GC" mit folgenden Zusammensetzungen in Gew-%:
35 - 70, bevorzugt 35 - 60 Si02
14 - 40, bevorzugt 16,5 - 40 Al203
0 - 20, bevorzugt 4-20 MgO, besonders bevorzugt 6-20 MgO 0-15, bevorzugt 0-9 ZnO, besonders bevorzugt 0-4 MgO
0-10, bevorzugt 1-10 Ti02
0-10, bevorzugt 1-10 ZrO2
0-8, bevorzugt 0-2 Ta205
0-10, bevorzugt 0-8 BaO 0 - <8, bevorzugt 0-5 CaO, besonders bevorzugt CaO <0,1 Gew.-%
0-5, bevorzugt 0-4 SrO
0-10, bevorzugt > 4 - 10 B203
0-10, P2O5, bevorzugt < 4 Gew.-% P2O5
0-5 Fe2O3 0-5 CeO2
0-3 Bi203
0-3 WO3
0 - 3 M0O3
0 - 4 übliche Läutermittel wie z. B. Sn02ι CeO2, S0 ι Cl, As2O3ι Sb2O3
Die Glaskeramiken sind charakterisiert durch die Hauptkristallphasen Spinell, Sapphirin, Hochquarzmischkristall (HQMK), alpha-Quarz, Cordierit und entsprechende Mischkristalle (insbesondere Zn-Spinelle/Sapphirine; Mg/Zn- HQMK). Als Hauptkristallphase soll eine Kristallphase bezeichnet werden , deren Anteil an der Summe aller Kristallphasen grösser als 5 Vol.-% ist.
Als Nebenkristallphasen werden diejenigen Kristallphasen bezeichnet , deren Anteil bezüglich der Summe aller Kristallphasen weniger als 5 Vol.-% ausmacht. Als Nebenkristallphasen können llmenite (M2+Ti03), llenorutile (M3+ xTi4+y)O2y+1 ι5x oder Rutile (M4+χTiy02χ+2y) auftreten. Hierbei bezeichnet M ein Metall.
Beispielsweise kann das Metall M aus folgender Gruppe ausgewählt werden:
Fe oder andere Übergangsmetalle wie Cu, Mn, Co, Ni, welche zweiwertige Kationen bilden. Sofern diese Metalle nicht in der Synthese enthalten sind, können diese über die Rohstoffe als Verunreinigung ins Glas eingetragen werden.
Zn, Mg oder andere Erdalkalien, welche zweiwertige Kationen bilden.
Fe, AI, Lanthaniden oder andere Metalle, welche dreiwertige Kationen bilden.
Zr, Hf oder andere Metalle, welche vierwertige Kationen bilden. - Als llmenorutile können auch Metalle vorkommen, welche fünfwertige
Kationen bilden, wie z. B. Nb oder Ta, wie z. B. (Ti, Nb, Fe3+)306 oder (Ti, Ta, Fe3+)3O6
Calciumhaltige Kristallphasen, wie z. B. Anorthit (CaAI2Si2O8) oder Calciumphosphat (insbesondere Apatit), sind aufgrund ihrer bekanntermaßen trübenden Wirkung und geringen chemischen Beständigkeit als Hauptkristallphasen unerwünscht, deren Ausbildung wird durch die Mengen an
Phosphoroxid und Caiciumoxid in der Glaskeramik vermieden. Unerwünscht sind auch Hauptkristallphasen aus Aluminiumniobat und/oder Aluminiumtantalat und/oder Aluminiumniobate-tantalate. Vorzugsweise werden kleiner als 5 Gew.-% an Niob- und/oder Tantaloxid in der Ausgangsschmelze eingesetzt.
Als alkalihaltige Glaskeramiken, bezeichnet als „AH-GC", finden erfindungsgemäß beispielsweise folgende Zusammensetzungen (in Gew-%) auf Oxidbasis Verwendung, beispielsweise beim Einsatz als Niederdruckentladungslampen, insbesondere als „Backlighf-Lampen zur Verwendung in TFT-Displays:
50-70 Si02, bevorzugt 60 - 70 SiO2
17-27 Al203
>0-5 Li20
0-5 Na2O
0-5 K20
0-5 MgO
0-5 ZnO
0-5 Ti02
0-5 Zr02
0-8 Ta205
0-5 BaO
0-5 SrO
0-10 P205
0-5 Fe203
0-5 Ce02
0-3 Bi2O3
0-3 W03
0-3 M0O3
0-4 übliche Läutermittel sind z. B. Sn02, Ce02, S04, Cl, As203,
Die Glaskeramiken sind charakterisiert durch die Hauptkristallphasen HQMK (Hochquarzmischkristall), Keatit.
Beide oben genannten Glaskeramiktypen sind auch besonders bevorzugt einsetzbar als Außenkolben für Metallhalognid-Hochdruck-Entladungslampen. Mtallhalognid-Hochdruck-Entladungslampen mit einem Kieselglaskolben vom Typ CDM-Tc sind beispielsweise auf der Internetseite der Fa. Philips unter www.philips.com beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Schriften wird vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen.
Die nachfolgenden Zusammensetzungen sind als beispielhaft für die angegebenen Glaskeramiken anzusehen.
Beispiel 1:
Beispiel 1 beschreibt Zusammensetzungen von alkalihaltigen Glaskeramiken, die sich bei Rohrzugsversuchen als vorteilhaft erwiesen haben und die in Rohrform im Lampenbau Verwendung finden können:
Anteil Gew. -% Komponente
67,2 Si02
21,4 Al203
3,8 Li20
1,1 MgO
1.7 ZnO
2,2 Ti02
1,7 Zr02
0,2 As203
0,1 K20
0,4 Na20
0,016 Fe203
Summe: 99,8
Thermische Ausdehnung: 3,9 (Ausgangsglas)
[ppm/K] <1 (keramisiert)
Durch Keramisierung ändert sich die thermische Ausdehnung von 3,9 ppm/K für das Grünglas auf einen Wert < 1 ppm/K für das keramisierte Glas, d. h. die Glaskeramik.
Beispiel 2:
Beispiel 2 beschreibt Zusammensetzungen einer alkalifreien Glaskeramik, die in Rohrform für eine Verwendungen im Lampenbau geeignet ist:
Anteil Gew. -% Komponente
58,5 Si02
20,3 Al203
4,2 MgO
8,4 ZnO
3,0 Ti02
5,0 Zr02
0,5 As203
Summe: 99,9
Thermische Ausdehnung: 2,8 (Ausgangsglas)
[ppm/K] 3,8 (keramisiert)
Die thermische Ausdehnung ändert sich durch die Keramisierung von 2,8 ppm/K beim Grünglas auf 3,8 ppm/K bei der Glaskeramik.
Die oben angegebenen Zusammensetzungen sind Zusammensetzungen des Ausgangsglases, die aber auch nach der Keramisierung erhalten bleiben.
Die thermische Stabilität der Glaskeramik kann durch Synthese und unterschiedliche Keramisierungsprogramme modifiziert werden. Zur Beurteilung der Stabilität kann die Viskosität des Materials in Abhängigkeit der Temperatur dienen.
Misst man die Viskosität in Abhängigkeit der Temperatur der verwendbaren alkalihaltigen und alkalifreien Glaskeramiken AH-GC und AF-GC mit der Viskosität von Aluminosilicatglas und Kieselglas so zeigt sich, dass die Glaskeramiken dem Aluminosilicatglas überlegen sind.
Des weiteren kann man durch Anpassung der Keramisierungsbedingungen aus dem gleichen Ausgangsglas Glaskeramiken mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften insbesondere bezüglich der UV-Kantenlage herstellen.
Während Aluminosilicatglas bei Bestrahlung mit UV-Licht unter einer Degeneration leidet, nämlich nach UV-Bestrahlung geringere Transmissionswerte aufweist, ist dies für die erfindungsgemäßen Glaskeramiken nicht der Fall. Während die Transparenz herkömmlichen Glases nach Einwirken von UV-Strahlung nachlässt, ist ein solcher Effekt für die erfindungsgemäß zu verwendenden Glaskeramiken nicht nachweisbar. Betreffend die Herstellverfahren können die Ausgangsgläser der Glaskeramiken mittels Einschmelzen bei einer Temperatur 1 , Läutern bei einer Temperatur 2, wobei die Temperatur 2 höher als die Temperatur 1 ist, und anschließendes Ausarbeiten in einem Tiegel in einem einstufigen Verfahren hergestellt werden.
Möglich ist auch, nach dem Einschmelzen vorzuläutem und abzuschrecken.
Bei einem zweistufigen Verfahren wird in einem ersten Schritt zweistufigen Verfahrens bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise 1650 °C das Einschmelzen durchgeführt, wonach während eines zweiten Schrittes dann wiedereingeschmolzen, nachgeläutert und ausgearbeitet wird. Schritt 1 des zweistufigen Verfahrens sollte in einem Kieselglastiegel durchgeführt werden, wobei Schritt 2 dann im Platintiegel durchführbar ist. Beispielsweise kann bei 1450 °C in einem PtRhι0Tiegel (4 Liter Volumen) mit direkt angesetzter Düse für zwei Stunden das Wiedereinschmelzen, gefolgt von Nachläutern bei 1450 °C für zwölf Stunden und dann bei 1500 °C für vier Stunden durchgeführt werden. Dann wird die Düse mit einem Brenner „frei geschmolzen", wobei ein Teil des Glaskeramik- Ausgangsglases verworfen wird. Anschließend erfolgt die Heißformgebung bei beispielsweise 1475 °C - 1485 °C. Das entstandene Glaskeramikrohr wird mittels einem sich anschließenden Muffelofen bei 1080 °C warm gehalten. Wichtig zum Ausbilden von Rohren ist die sich in der Düse
befindliche Nadel, welche bis zu 10 mm weit aus der Düse herausragen kann. Ein geeigneter Innendurchmesser der Düse kann 35 mm betragen.
Geeignete Rohrabmessungen für die erhaltenen Glaskeramiken sind beispielsweise: Gesamtdurchmesser von 8 mm bei 1 mm Wandstärke und 6 mm Rohrinnendurchmesser, zu erlangen bei Abzugsgeschwindigkeiten von etwa 34 cm/min; Gesamtdurchmesser von 10,5 mm bei 1,2 mm Wandstärke, zu erlangen bei Abzugsgeschwindigkeiten von etwa 16 cm/min; Gesamtdurchmesser von 13,5 mm bei 1,2 - 1 ,4 mm Wandstärke, zu erlangen bei Abzugsgeschwindigkeiten von etwa 10 cm/min. Die Angabe des Gesamtdurchmesser soll hier keineswegs beschränkend für die Verfahrensführung verstanden werden. Durch nur in wenigen Schritten modifizierte Verfahren , insbesondere Anwendung von Ziehgeschwindigkeiten unter 10cm/min und Verwendung optimierter Ziehdüsen, Ziehmuffel und Ziehnadelauslegung ist es auch möglich Außendurchmesser bis 25 mm oder mehr kristallfrei zu prozessieren.
Vorrichtungen, wie in der Deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10348466.3 beschrieben, können zur Herstellung der hier beschriebenen Glaskeramiken verwendet werden.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung eines Leuchtvorrichtung, insbesondere einer Lampe zunächst ein Grünglasrohr gezogen, dieses verjüngt bzw. abgeschmolzen. Sodann das einseitig abgeschmolzene Rohr bestückt und die Durchführung eingeschmolzen. Der nach dem Einschmelzen der Durchführung noch vorliegende Grünglaslampenkörper wird davon anschließend teilweise oder vollständig keramisiert.
Im Einzelnen wird ein Grünglasrohr beispielsweise in einer konventionellen Brennerflamme einseitig verjüngt bzw. - sofern kein Vakuum im Aussenkolben notwendig ist - komplett abgeschmolzen. Die Verjüngung bzw. das Abschmelzen erfolgt entweder durch Erhitzung eines endständigen Rohres des oder durch
Erhitzung in der Rohrmitte und Auseinanderziehen bzw. Auseinanderdrehen des Rohres. Bei geeigneter Wahl der Abschmelzdauer sowie der Geometrie und Gas- und. 02 bzw. Luft- Beaufschlagung der Brennerflamme erfolgt die Abschmelzung ohne Auftreten unkontrollierter Kristallisationserscheinungen, d. h. das Rohr ist auch noch nach dem Abschmelzen im gewünschten grünen Zustand.
Daran anschließend wird beispielsweise bei einer Typ B-Anwendung das einseitig offene Grünglasrohr mit einem Entladungskörper, (im Falle einer HID Lampe geformt aus Kieselglas oder transluzenter Keramik) bestückt und die daran befindlichen Metallzuführungen, ggf. nach Verjüngung des Aussenkolbens, in das Aussenkolbengrünglas eingeschmolzen. Hierbei wird das Grünglas auf geeignete Temperaturen gebracht und beispielsweise mit einer Pressvorrichtung gegen die Metallelektroden gepresst.
Idealerweise im Sinne einer möglichst spannungsfreien Verschmelzung ist das Grünglas in seiner thermischen Ausdehnung an das Metall der Durchführung, - beispielsweise W oder Mo -angepasst. Ist dies nicht der Fall können alternativ dünne Drähte, z. B. mit Durchmesser < 1 mm, bevorzugt < 0,5 mm oder dünne Folien der Dicke < 100 μm mit dem Grünglas spannungsfrei und hermetisch dicht verschmolzen werden. Dies ist auch eine mögliche Maßnahme, sofern durch die Keramisierung eine nicht mit den Metall übereinstimmende Ausdehnung entsteht
Überraschender - und günstigerweise hat das Glas der Zusammensetzung in wie in Beispiel 1 oben angegeben im Grünzustand eine an Wolfram angepasste thermische Ausdehnung und kann mit diesem daher spannungsfrei verschmolzen werden
Ist es notwendig, dass ein Vakuum zwischen Innen- und Aussenkolben anliegt, so kann das noch offene, jedoch verjüngte Rohrende unter Anlegen eines Unterdrucks abgeschmolzen werden.
Nachdem der gesamte Lampenaufbau im Grünglas, d. h. in der glasigen Phase wie zuvor beschrieben hergestellt wurde, wird er keramisiert.
Die Keramisierung des gesamten Lampenaufbaus kann entweder vollständig, oder aber teilweise, d. h. partiell erfolgen. Hierbei ist gemeint dass der Körper lokal im Grünzustand bleibt mit einer Übergangszone in einen vollständig keramisierten Bereich. Letzterer ist durch die Temperatur/zeit-Behandlung partiell kristallisert (s. Definition am Anfang). Die partielle Keramisierung wird insbesondere dann bevorzugt, wenn die Keramisierung ein Glaskeramikmaterial hervorbringt, welches im Grünzustand dicht mit dem Metall verschmolzen war, jedoch durch die
Keramisierung der Ausdehnungskoeffizient des Materials maßgeblich verändert wird. Dies ist beispielsweise bei der Glaskeramik gemäß Ausführungsbeispiel 1 der Fall. Bei der Glaskeramik gemäß Ausführungsbeispiel 1 entspricht der thermische Ausdehnungskoeffizient des Grünglases weitgehend dem Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Durchführung, bspw. Wolfram. Wird das Grünglas keramisiert, so ändert sich der Ausdehnungskoeffizient, wie aus der Tabelle zu Ausführungsbeispiel 1 hervorgeht.
Bei teilweiser nachträglicher Keramisierung wie oben beschrieben erfolgt die Keramisierung bevorzugt in den Bereichen, die nicht die Durchführung ausbilden, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Grünglases weitgehend dem des Metalles der Durchführung entspricht. Allerdings bestehen bei Lampenkörpern, die teilweise keramisiert und im Bereich der Durchführung noch Grünglas aufweisen, am Übergang Grünglas/Glaskeramik Spannungen.
Diese Spannungen lassen sich jedoch durch eine geeignete Prozessführung und Anpassung der Versuchsanordnung so minimieren, dass ein Rohr weiterhin mechanisch beanspruchbar bleibt und ein Bruch vermieden wird.
Wird wie beschrieben nur partiell im Bereich ausserhalb der Verschmelzungszone keramisiert, hat der Lampenkörper im Bereich der Verschmelzung, d. h. der Durchführung den Charakter eines Hartglases (Tg > 650 °C), im heissen Bereich,
jedoch die erforderliche sehr hohe Temperaturstabilität > 800 °C und UV- Blockung, aufgrund der Tatsache, dass dort keramisiertes Material in Form einer Glaskeramik vorliegt.
Bevorzugt betragen bei der oben beschriebenen Keramisierung des
Lampenkörpers die maximale Keramisierungstemperaturen weniger als 1100 °C.
In einer besonderen Ausführungsform wird der Lampenkörper, hier der Lampenkolben um seine Achse während der Keramisierung rotiert. In einer weiteren besonderen Ausführungsform erfolgt dies durch Lagerung der Lampe auf einem Gas- Levitationsbett.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird der Durchführungsbereich während der Keramisierung z. B. durch Anblasen mit Luft oder Einbettung in Wasser partiell gekühlt und der Durchführungsbereich damit im Grünzustand - gehalten.
Wird der gesamte Lampenkörper einschließlich des Durchführungsbereiches keramisiert, wird bevorzugt eine Glaskeramik ausgewählt, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient möglichst gut an die Ausdehnung des
Durchführungsmateriales angepasst ist. Als Beispiel sei hier das Glas der Zusammensetzung gemäß Beispiel 2 erwähnt, dessen keramisierte Form die gewünschte Dehnung von z. B. Wolframdraht aufweist.
Ist der Ausdehnungskoeffizient der Glaskeramik nicht an den des
Durchführungsmaterials angepasst, so kann, analog zum Fall der Verschmelzung von Grünglas mit Metall bei entsprechender Wahl des Verhältnisses Drahtdicke/ Glasdicke eine hermetisch dichte, spannungsarme Durchführung realisiert werden. Es empfiehlt sich ein Verhältnis von Drahtdicke zur Glasdicke von mindestens 1 : 2, günstigerweise mindestens 1 : 5, besonders bevorzugt von mindestens 1 : 10 senkrecht zur Durchführungsrichtung. Dabei ist eine
Verschmelzungslänge von max. 10 mm, bevorzugt von max. 5 mm, besonders bevorzugt von max. 3 mm einzustellen.
Bei Lampen mit zweiseitiger Kontaktierung, z. B. bei HID- Lampen wie bspw. Hochdruck-Metallhalogenid-Entladungslampen, werden beide Seiten des Kolbens - nach Einführen des Entlad ungsgefässes - mit den am Entladungsgefäss angebrachten Metallzuführungen verschmolzen. Um dies zu ermöglichen, wird am Aussenkolben ein Pumpstengel, ggf. ebenfalls aus einem Grünglas, an das Grünglaskolbenrohr angeschmolzen. Nach der Metalleinschmelzung wird über den Pumpstengel Unterdruck im Innenkolben erzeugt und letzterer wieder abgeschmolzen. Die Keramisierung erfolgt in einer Weise wie zuvor beschrieben.
In nachfolgendem Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer Lampe in einer Typ A-Anwendung, bspw. die Herstellung einer Halogenlampe beschrieben, bei der wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen für Typ B-
Anwendungen eine Keramisierung erst nach Einschmelzen der Durchführung partiell oder vollständig erfolgt.
Die Prozesschritte sind dabei analog wie oben am Beispiel von Aussenkolben für HID-Lampen beschrieben mit folgenden Unterschieden: es wird nicht ein Entladungskörper mit Zuführungen eingebracht und eingeschmolzen sondern direkt ein Wolfram- Filament ggf. mit angeschweissten Mo-Draht bzw. Mo-Folie anstelle des Anbringens von Unterdruck über ein noch offenes Ende (einseitige Kontaktierung) bzw. über einen Pumpstengel (zweiseitige
Kontaktierung) werden Halogene - als Flüssigkeiten bei Kühlung des Lampenkörpers bzw. in gasförmigem Zustand unter Druck - in den Lampenkörper eingebracht bzw. eingepresst. Der gefüllte Lampenkolben kann dann wie oben beschrieben komplett oder partiell keramisiert werden.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Vorgehensweise bei der Herstellung von Lampen ist es auch möglich, die Keramisierung vor dem Einbringen der
Durchführung vorzunehmen. Dies soll nachfolgend detailliert am Beispiel von „Backligh -Lampen, also TYP A Anwendungen beschrieben werden. Bei „Backlighf-Lampen ist es möglich wie oben beschrieben nur partiell zu keramisieren.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn nicht die gesamte Lampe in den Keramiserungsprozess einbezogen werden soll, beispielsweise aus Gründen der Innendruckdruckentwicklung bzw. der Füllgasdegradation z. B. bei Halogenlampen oder HID-Lampen. Neben den zuvor genannten ."Backlight"- Lampen empfiehlt sich bei diesen Lampentypen in einer bevorzugten Ausführungsform das Keramisieren einer Lampenkolbens vorder Metalleinschmelzung.
Überraschenderweise wurde gefunden dass sich Grünglasrohre aus Material mit Zusammensetzung gemäss Beispiel 1 partiell keramisieren lassen. Hierzu wurde ein Rohrstück (Außendurchmesser ~ 4 mm bis 14 mm; Wanddicke ca. 0,5 mm) von ca. 300 mm Länge in einen Rohrofen gegeben. Die Heizzone hat eine Ausdehnung von ca. 23 cm, kann jedoch wahlweise verlängert oder verkürzt werden.
Verwendet wird ein Klapp-Rohrofen mit offenen Heizelementen (Länge 200 mm). Der Probenraum wird durch ein Quarzglasrohr (Länge 400 mm) mit eingeschobenem AI2O3- Keramikrohr (Länge 230 mm) gebildet. Das Keramikrohr unterstützt die selektive Heizung der Proben durch dessen Absorberwirkung für die Strahlung der Heizelemente. Zusätzlich sind die Verschlussstopfen im
Quarzglasrohr mit Belüftungslöcher versehen, so dass die Enden der Probe mit kühler Luft umspült werden. Die Ränder der Heizzone werden dadurch relativ scharf, so dass in einem Bereich von 5 mm bis 15 mm , besonders bevorzugt < 10 mm die Temperatur drastisch um bis zu 200°C abfällt. Durch Variation der aussenliegenden Kühlung bzw. Herausstehenlassen der Rohrenden (einseitig/ zweiseitig) aus dem Ofen kann der Gradient noch weiter beeinflusst werden.
Der Übergangsbereich von Glas zu Glaskeramik kann durch Veränderungen des Keramikrohres (Durchmesser, Löcher, Länge) verlängert werden, um Spannungen bei dickwandigen Rohren zu reduzieren. Die Temperaturhomogenität im beheizten Bereich ist dafür sehr hoch und liegt im Bereich von < 20 K, idealerweise < 10 K.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine einseitig oder beidseitig offene Rohrprobe derart im Rohrofen positioniert, dass die offenen Enden/das offene Ende aus der Heizzone herausragt und kontrolliert mit Aussenluft gekühlt werden kann. Nach Durchlaufen des Keramisierungsprogrammes liegt dann im Bereich der Heizzone eine keramisierte, thermisch stabile bzw. stark UV- blockende
Region vor, je nach Führung des Keramisierungsprogramms. Im Gegensatz zum beheizten Teilstück ist/sind das/die endständige(n) Teilstück(e) glasig geblieben. Hier lassen sich, z. B. zur Realisierung einer CCFL- Backlightlampe, nach Aufbringen und Einbrennen der Fluoreszenzschicht, Elektroden einschmelzen.
Der Übergang vom glasigen zum transparent voll durchkeramisiertem Material lässt sich, über RAMAN Spektroskopie nachweisen, wie in Figur 1 dargestellt und unter Fluoreszenzlicht (248 nm) visualisieren. In Figur 1 bezeichnet 10 die Kurve des keramisierten Materials und 11 die des glasigen Materials.
In Figur 2 ist ein Rohrglas, das zur Herstellung einer „Backlighf-Lampe verwendet werden kann, dargestellt.
Der mit 20 bezeichnete Mittenteil ist keramisiert. In die beiden offenen Enden 22.1, 22.2 sind die Metalldrähte 24.1 , 24.2 der Durchführungen bereits eingelegt. Das Grünglas ist so gewählt, dass der Ausdehnungskoeffizient des Grünglases weitgehend mit dem Ausdehnungskoeffizient des Metalldrahtes 24.1, 24.2 übereinstimmt. Durch entsprechende Führung der Keramisierung wird erreicht, dass der Mittelteil 20 der „Backlighf-Lampe eine hohe UV-A-Blockung aufweist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden eine Li20-AI2θ3-Siθ2 Glaskeramik und als Material der Durchführung Wolfram verwandt. Es zeigt sich,
dass bei geeigneter Wahl der Rohrabmessungen mit Durchmesser < 5 mm, bevorzugt < 3 mm sowie eines Ofengradienten von >120 °C der Übergang vom glasigen Endbereich 22.1 , 22.2 zum keramisierten Mittenteil 20 weitgehend spannungsfrei erfolgen kann, was zur Folge hat, dass das Rohr im Übergangsbereich ausreichend bruchfest ist. Soll der Übergangsbereich sehr kurz sein, so lässt sich dies durch lokale Ofenkühlung bzw. durch thermische Isolierung des Endstückes vom zu keramisierenden Reststück bewerkstelligen.
Die oben gemachten Ausführungen beschränken sich nicht auf die beispielhaft gewählten Geometrien oder Lampentypen, sondern die Erfindung ist auch prinzipiell auf andere Abmessungen und Lampentypen anwendbar. Beispielsweise sind auch partiell, sprich lokal keramiserte Rohre mit Aussendurchmessem im Bereich zwischen 10 mm und 20 mm und Wanddicken im Bereich 1 - 2 mm realisierbar.
Beispielsweise können so auch Aussenkolben für einseitig kontaktierte HID Lampen bereitgestellt werden. Die Außenkolben derartiger HID-Lampen im Schnitt sind in den Figuren 3a und 3b gezeigt.
In Figur 3a ist neben dem Außenkolben 1000 auch noch das Brennersystem 1002, das als A^Os-Brenner ausgebildet sein kann, dargestellt. Das Brennersystem 1002 ist an einem Nippel 1004 befestigt. Der Nippel 1004 ergibt sich, wenn der Pumpstengel nach Anlegen des Vakuums, welches im Aussenkolben herrscht, abgeschmolzen wird. Die sogenannte ehemalige Verschmelzstelle fungiert dann als oberer Fixpunkt des Brennersystems 1004, welches gegenüber z. B. einer W- Wendel bei einer Halogenlampe eine deutlich größere Masse hat, so dass eine Fixierung im Außenkolben vorteilhaft ist. Des weiteren sind gezeigt die Zuführdrähte 1006 und Abführdrähte 1008. Die Zuführ- und Abführdrähte sind zwar steif genug um den Brenner zu halten, eine grössere Sicherheit und Reproduzierbarkeit in der Positionierung des Brenners wird aber erhalten, wenn eine Verlängerung 1010 des Abführdrahtes 1008 oben eine Verankerung am Nippel 1004 hat.
Erfindungsgemäß ist der Außenkolben 1000 partiell keramisiert und zwar wird im Bereich des Brennersystems 1002 eine Glaskeramik 1000.1 ausgebildet, wohingegen der Außenkolben 1000 im Bereich der Durchführungen ein Grünglas 1000.2 ist.
Nachdem der Außenkolben 1000 mit einem Brennersystem bestückt wurde, werden die daran befindlichen Metallzuführungen, ggf. nach Verjüngung des Außenkolbens, in das Außenkolbengrünglas 1000.2 eingeschmolzen. Hierbei wird das Grünglas auf geeignete Temperaturen gebracht und beispielsweise mit einer Pressvorrichtung gegen die Metallelektroden gepresst.
In Figur 3b ist ein Außenkolben 1000 ohne eine Halterung 1004 für ein Brennersystem gezeigt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Material vollständig durchkeramisiert sein und dieses bereits komplett transparente durchkeramisierte Material nachträglich mit Metallen verschmolzen werden. Hierzu wird beispielsweise das offene Ende eines einseitig abgeschmolzenen Keramikrohres mit einem Wolfram-Draht in Kontakt gebracht und über einer Gasflamme verschmolzen. Bei Anlegen einer geeigneten wohl ausgelegten Brennerflamme schmilzt die Glaskeramik lokal wieder zum Grünglas auf, das sich beispielsweise im Falle von Li2θ-Al2θ3-Si02 Glaskeramiken hermetisch dicht mit dem Wolfram- Draht verbindet. Die Brennerflamme kann z. B. so ausgelegt sein, dass ein zentraler, sehr heisser punktueller Bereich > 1500 °C eingebettet ist, in einen breiten Brennerschweif, der 700 °C nicht übersteigt. Somit können Übergangsbereiche mit geringen Spannungszuständen erzeugt werden, die ausreichende mechanische Bruchfestigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß muss hierfür die Flamme eine geeignete Charakteristik habe, gekennzeichnet durch einen breite warmen Bereich (T kleiner ca. 700 °C) welcher einen heißen lokalen Bereich umschließt. Durch eine derartige
Flammencharakteristik kann, wie oben beschrieben, eine spannungs- und damit rissfreie Übergangszone gewährleistet werden.
In einer modifizierten Ausführungsform liegt der zu verschmelzende Durchführungsdraht innerhalb des keramisierten Rohres, welches unter
Drehbewegungen unter Verwendung der o. g. Flamme auseinandergezogen und damit verjüngt wird, so dass ich das Glas letztlich an den Draht anschmiegt. Eine Vereinzelung erfolgt als nachfolgender Prozessschritt.
Die Verwendung von keramisierten Rohren kann auch ohne deren direkten Einschmelzung mit Metalldurchführungen erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Basisplatte mit geeigneten Durchführungen bereitgestellt, wobei die Basisplatte beispielsweise aus Hartglas, Kieselglas oder auch aus Glaskeramik hergestellt ist . Die Verbindung zum Kolben kann durch direktes Verschmelzen oder durch Verwendung geeigneter Fritten, keramisierender Lote oder Übergangsgläser erfolgen. Die Trennung des Glaskeramik-Kolbens von der Metalleinschmelzung ist vorteilhaft im Sinne einer hohen Herstellungsausbeute und Prozesssicherheit/-transparenz
Die Keramisierung kann auch im Lampenbetrieb selber erfolgen. Dabei wird z. B die vom Wolfram-Filament abgegebene Wärmestrahlung bei Typ A-Anwendungen bzw. die im Innenbereich eines Außenkolbens bei Typ B-Anwendungen vorherrschende Restwärme genutzt, den Kolben partiell in situ zu keramisieren. Hierzu sollte bspw. vor Auslieferung ein dem externen Keramisierungsprozess entsprechende Lampenbetriebszyklus gefahren werden, um den gewünschten
Keramisierungsgrad an der gewünschten Kolbenstelle zu erreichen. Bei Vorliegen einer geeigneten sensiblen Keimbildungs- bzw. Kristallwachstumskinetik ist auch denkbar, den Grünglas- Lampenkolben im realen Gebrauch ohne Vorgabe von Zyklen konstruktiv „degenerieren" zu lassen.
Alternativ zum Einschmelzen von Elektroden über einer Flamme kann die Einschmelzung auch auf optischem Wege erfolgen. Optische Heizelemente haben
den Vorteil in sehr kurzer Zeit und lokal Glasposten zu erschmelzen, wobei die Erhitzung nicht über Oberflächenerhitzung und Wärmetransport über das Material selbst erfolgt, sondern dieses direkt im Volumen erhitzt wird. Dadurch werden insbesondere bei dicken Proben, Spannungen im Glasposten vermieden. Ein derartiges geeignetes Verfahren stellt die kIR-Technologie dar. Hierbei bezeichnet kIR kurzwellige Infrarot-Strahlung.
Der Stand der Technik zur Anwendung von kIR-Strahlung ist in einer Reihe von Schriften beschrieben. Die DE 199 38 807 beschreibt die Anwendung von klR- Strahlung zur Formung von Glasteilen aus einem Glasposten, jedoch bevorzugt dargestellt an flachen Glasplatten. DE 199 38 808, DE 199 38 811 sowie DE 101 18260 beschreiben die Anwendung von kIR-Strahlung zum Erwärmen von semitransparenten Glaskeramik-Ausgangsgläsern, jedoch ohne Bezug auf runde Formen bzw. Glas-Metalleinschmelzungen.
Die Möglichkeit der Keramisierung von Grünglas mittels kIR-Strahlung wird in DE 100 60 987 beschrieben, in DE 100 62 187 unter zusätzlicher Verwendung einer Levitations- Einrichtung. Letztere verhindert Kratzer auf der Glaskeramik- Oberfläche, welche normalerweise - infolge der Relativbewegung der keramisierenden Platte zur Unterlage - entstehen.
Ein Vorteil der Anwendung von kIR-Strahlung im Vergleich zur Verwendung einer normalen Gasflamme im Zusammenhang mit der Lampenkörperformung wie in dieser Anmeldung beschrieben liegt in der sehr schnellen und lokalen Erwärmung der Glasposten. So kann beispielsweise sehr schnell und lokal eine einfache
Rohrab- oder Durchschmelzung erfolgen ohne dass störende und unkontrollierte Kristallausscheidungen erfolgen.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von optischer Strahlung, wie klR- Strahlung im Bereich Lampenbau, liegt in der gezielten Einstellung von
Spannungszuständen eines Glas/ bzw. Glaskeramik /Metall - Verbundes sowohl im Kaltzustand als auch im Betriebszustand. Eine konventionelle Verschmelzung
erfolgt in der Weise, dass ein Durchführungsdraht oder -blech, wie auch das Glas über Gasbrenner auf eine Temperatur gebracht wird, die eine Verbindung der beiden Partner der Glas/ bzw. Glaskeramik/Metall-Durchführung im wachsweichen Glaszustand ermöglicht. Der Verbund wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Falle der Glaskeramik erfolgt meist danach der Keramisierungsschritt im mehr oder weniger festen Viskositätszustand des Glases.
Sowohl beim Glaseinschmelzen als auch beim Keramisieren können - sofern Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metall und dem Verschmelzungspartner vorliegen - Spannungszustände entstehen die sich in Bruch oder Undichtigkeiten der Verschmelzstelle äußern.
Unter Zuhilfenahme von kIR-Strahlung kann ein derartiger Spannungszustand weitgehend vermieden werden, da beim Bestrahlen eines Glas/Metall-Verbundes bzw. Glaskeramik/Metall-Verbundes, wie es ja die Durchführung darstellt, die klR- Strahlung zwar den Glasposten/Glaskeramikposten erhitzt, den Metalldraht (z. B. Wolfram oder Mo) jedoch nur unwesentlich bzw. - bei kurzen Expositionsdauern - gar nicht. Damit ist ein Freiheitsgrad gegeben der es ermöglicht die Spannungszustände gemäss der nachfolgenden Proportionalität
Spannung ~ Δ α * ΔT
ist über den Parameter ΔT einzustellen.
Hierbei bezeichnet
Δ α den Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Verschmelzpartnern Glas bzw. Glaskeramik in [ppm/K]
sowie
Δ T die Differenz zwischen Endtemperatur und Starttemperatur [K] des Verschmelzungsprozesses.
Der Parameter ΔT ist hierbei der Unterschied der Temperaturen, die im Bereich des Verschmelzens der Durchführung auftritt. Wird zum Beispiel die Durchführung auf eine Temperatur T(verschmelzen) erhitzt und anschließend auf eine Temperatur T (kühlen) abgekühlt, so ist ΔT = T (verschmelzen) - T (kühlen).
Im folgenden wird eine von mehreren Möglichkeiten zur Erreichung eines spannungsfreien Glaskeramik-Metall-Verbundes bei Raumtemperatur anhand einer Li20-AI203-Siθ2 Glaskeramik und Wolfram-Draht als Durchführungsmaterial beschrieben:
Um einen spannungsfreien Glaskeramik/Metall-Verbund unter Verwendung eines ideal vorgekeimten Grünglases zu erhalten, wird der Verbund konventionell bis ca. zu Tg des glasigen Partners erhitzt. Die Keramisierung wird nach Umschalten der Flammenerhitzung auf kIR-Strahlung durchgeführt, wobei das Metall, hier der Wolfram-Draht, sich kaum erhitzt bzw. extern gekühlt wird. Bei der Keramisierung geht das Grünglas in null- dehnende Glaskeramik über, wobei ein Kristallisationsschrumpf in der Größenordnung von < 5 % einsetzt. Dieser Vorgang dauert idealerweise nur kurze Zeit vorzugsweise < 15 min an. Der Verbund wird sehr schnell, idealerweise schockgekühlt , wobei am Ende des Prozessschrittes ein spannungsfreier Metall-Glaskeramik-Verbund einer nullausdehnenden Glaskeramik mit einem W- Draht vorliegt. Wird dieser Verbund auf Betriebsbedingungen erhitzt dichtet sich durch Ausdehnung des W- Drahtes der Verbund weiter ab und wird dadurch für unter Druck stehende Gase im Inneren eines Kolbens besonders dicht.
Ein weitere Vorteil der in dieser Anmeldung genannten Materialien, nämlich insbesondere der alkalihaltigen Glaskeramik (AH-GC), unter die auch Beispiel 2 fällt, ist dass je nach Keramisierungsbedingungen unterschiedliche Kristallphasen
(HQMK) und/oder Keatit bzw. Mischung dieser Phasen erhalten werden. Dies ermöglicht die Einstellung der thermischen Ausdehnung in einem Bereich von 0 bis 2 ppm/K. Auf diese Art ist es möglich, je nach Wahl der Keramisierungsbedingungen, eine an das Material der Durchführung angepasste Dehnung, bspw. eine an die Ausdehnung von W angepasste Dehnung zu erhalten.
Wird anstelle der AH-GC Glaskeramik eine AF-GC Glaskeramik verwandt, unter die eine Glaskeramik gemäß Ausführungsbeispiel 2 fällt, so ist ebenfalls wieder möglich aufgrund unterschiedlicher Keramisierungsbedingungen unterschiedliche Kristallphasen einzustellen und damit auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen 2 bis 6 ppm/K im Bereich der Glaskeramik/Metall-Durchführung.
Diese Ausführungen zeigen, dass es vorteilhaft ist unterschiedliche Bereiche des Körpers der Lampe unterschiedlich zu keramisieren. So kann der Teil des Körpers, der das Leuchtmittel umgibt eine Glaskeramik sein, die transparent ist, im Bereich der Durchführung wird aber durch Nachkeramisierung oder eine andere Art der Keramisierung eine transluzente Glaskeramik erzeugt, die in Ihrem Ausdehnungsverhalten an das Material der Durchführung angepasst ist.