DE4020595A1 - Elektrische lampe mit lichtreflektierender schicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Lampe mit Re­ flektorkolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie heute in vielen privaten und gewerblichen An­ wendungsbereichen weit verbreitet ist.

So werden häufig Allgebrauchsglühlampen mit dekorati­ ver silber- oder goldfarbener lichtreflektierender Schicht auf der Kolbenkuppe zur Erzeugung von blend­ freiem Licht eingesetzt. Solche kuppenverspiegelten Lampen sind in vielen Ausführungsformen, z. B. in Birnenform, in Tropfenform oder in Tropfenform mit Spitzkuppe erhältlich.

Reflektorlampen mit pilzförmigem Kolben und einer lichtreflektierenden Schicht auf dem Kolbenhals und/oder dem sockelnäheren Bereich, aber freier Kolben­ kuppe, erzeugen gebündeltes Licht.

Reflektor-Glühlampen werden z. B. für eine wirkungs­ volle und belebende Akzentbeleuchtung verwendet.

Reflektor-Glühlampen, bei denen die Kuppe durch spe­ zielle Pigmentierung des Kolbenglases als Rotfilter ausgebildet ist, und die dadurch im therapeutisch be­ sonders wirksamen kurzwelligen Infrarotbereich strah­ len, sind als Heilwärmestrahler bekannt.

Ultraviolettbestrahlungslampen zur Erzeugung von Be­ sonnungseffekten sind Reflektorlampen, die ein Strahlungsgemisch abgeben, das der natürlichen Son­ nenstrahlung im Hochgebirge entspricht.

Sie enthalten einen Quecksilberhochdruckbrenner und eine Wolframglühwendel; der Kolben ist aus einem Spe­ zialglas, der nur den Strahlungsanteil passieren läßt, der auch im natürlichen Sonnenlicht enthalten ist.

Reflektorlampen für die wachstumsfördernde Bestrahlung von Pflanzen enthalten zur Strahlungserzeugung einen Quecksilberhochdruckbrenner. Die Kolbenkuppe ist hier mit Leuchtstoff beschichtet, der den im Spektrum der Quecksilberhochdruckentladung fehlenden Rotanteil aus der im Ultravioletten vom Brenner abgegebenen Strah­ lung erzeugt.

Seit einiger Zeit sind Reflektor-Entladungslampen be­ kannt, die mit hohem Wirkungsgrad gebündeltes weißes Licht von guter Farbwiedergabe liefern. Die abgegebene Strahlung stammt bei diesen Lampen aus einem Hoch­ druckentladungsbrenner, in dem nicht nur Quecksilber, sondern zusätzlich weitere i. a. in Form ihrer Haloge­ nide eingefüllte Metalle zur Emission von sichtbarer Strahlung angeregt werden.

Bei allen diesen Reflektorlampen wird die lichtreflek­ tierende Schicht bisher auf der Kolbeninnenoberfläche durch thermisches Verdampfen von Aluminium oder Alu­ miniumbronze aus einer durch direkten Stromdurchgang geheizten Wolframverdampferwendel oder einem Wolfram­ verdampferschiffchen im Hochvakuum erzeugt.

Eine einwandfreie und fehlerlose Beschichtung erfor­ dert u. a. saubere, staubfreie Kolben, die deshalb vor der Verarbeitung mit einem Flußsäureansatz gewaschen, gespült und getrocknet werden müssen, da es sonst zu mangelhafter Haftung der Schicht, zu Ungleichmäßig­ keiten in der Schichtdicke und zu Löchern in der Schicht kommen kann.

Wichtig ist außerdem, daß die Temperatur der Ver­ dampferquellen in engen Toleranzen gehalten wird, um die vorgegebenen Schichtdicken zu erhalten und um insbesondere bei den goldfarbenen Aluminiumbronze- Schichten Farbunterschiede zu vermeiden.

Da jeweils nur bestimmte Teile der Kolbeninnen­ oberfläche mit einer lichtreflektierenden Schicht versehen werden sollen, muß durch geeignete Abdeck­ maßnahmen - z. B. durch mechanische Schatter oder in den Kolben bis zu einer bestimmten Höhe eingefülltes inertes Granulat, z. B. Aluminium-Granulat - dafür ge­ sorgt werden, daß die freizuhaltenden Kolbenteile nicht von den verdampften Metallatomen erreicht wer­ den oder es muß nachträglich, z. B. durch chemische Verfahren, die aufgedampfte Beschichtung teilweise wieder abgetragen werden.

So wird z. B. bei kuppenverspiegelten Lampen zur Er­ zielung einer einwandfreien Schicht mit sauberem Rand zunächst der gesamte Kolben auf seiner Innenseite unter Hochvakuum mit einer Metallschicht thermisch be­ dampft und dann in einem anschließenden Arbeitsgang Kolbenhals und Kolben bis auf den Kuppenbereich durch Ablösen der aufgedampften Metallschicht, z. B. mit einem Flußsäureansatz, wieder freigelegt.

Die Weiterverarbeitung der beschichteten Kolben muß nach möglichst kurzer Zwischenlagerung in trockener Atmosphäre erfolgen, da die Metallschichten feuchtig­ keitsempfindlich sind und es leicht zu Verfärbungen und Ablösungen kommen kann.

Bei der Verarbeitung der Kolben zu Lampen sind Glas- Verschmelzungen in offenen Flammen erforderlich. Da die thermisch aufgedampften Metallbeschichtungen sehr temperaturempfindlich sind und leicht unter Verfär­ bung oxidieren, müssen Flammenführung und Inertgas­ spülung mit großer Sorgfalt durchgeführt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei der Fertigung von Reflektorlampen die geschilderten, Kosten verur­ sachenden Probleme zu vermeiden, die bei der Herstel­ lung von lichtreflektierenden Schichten durch ther­ mische Bedampfung der Innenseite vom Lampenkolben und insbesondere bei der Weiterverarbeitung solcher Kolben auftreten und für Lampenkolben eine lichtre­ flektierende Beschichtung von reproduzierbar hoher Qualität bei reduziertem Herstellaufwand zu finden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Eine erfindungsgemäße lichtreflektierende Schicht von ausgezeichneter mechanischer und chemischer Stabili­ tät ist eine Schicht aus Titannitrid. Das gilt ins­ besondere, wenn die Titannitridschicht in einem plas­ magestützten Beschichtungsverfahren aufgebracht worden ist: Die Schichtqualität d. h., die Haftung einer Schicht auf ihrer Unterlage, die Dichte der Schicht und ihre Homogenität nimmt mit steigender Mobilität, d. h., mit steigender Energie der kondensierenden, die Schicht bildenden Teilchen zu (Vergl. "Plasmagestützte Vakuumbeschichtungsverfahren - Verfahrensvarianten und Entwicklungstendenzen", G. Kienel, Vakuum in der Praxis (1990), Nr. 1, S. 16-20). Bei der thermischen Verdampfung haben die kondensierenden Teilchen eine mittlere Energie von nur 0,2 bis 0,3 eV; bei plasma­ gestützten Beschichtungsverfahren werden thermisch im Hochvakuum verdampfte ("Ionenplattieren") oder durch Kathodenzerstäubung ("Sputtern") in die Dampfphase ge­ brachte Teilchen zunächst ionisiert, in einem elektri­ schen Gleich- oder Wechselfeld beschleunigt und kon­ densieren mit mittleren Energien von einigen 10 eV, in reaktiven, plasmagestützten Beschichtungsverfahren unter Reaktion zu einer chemischen Verbindung. So auf­ gebrachte Schichten von z. B. Titannitrid haben eine erstaunlich hohe Haft- und Kratzfestigkeit und sind außerdem beständig gegen Oxidation und Feuchtigkeit. Sie können somit auf die Außenseite des Lampenkolbens aufgebracht werden, da sie Handling und Lampenbetrieb auch in aggressiver Umgebung und bei erhöhter Tempera­ tur unbeschadet überstehen.

Dies hat den großen fertigungstechnischen Vorteil, daß die entsprechende Schicht auf den Kolben der fer­ tig eingeschmolzenen und gesockelten Lampe, also nach Abschluß aller u. U. kritischen Verfahrensschritte, in denen es zu einer Beeinträchtigung oder Schädigung der lichtreflektierenden Schicht kommen könnte, aufge­ bracht werden kann.

Ein weiterer Vorteil ist der Fortfall der aus Gründen des Umwelt- und Arbeitsschutzes problematischen che­ mischen Reinigung der Kolbenoberfläche mit einem Flußsäureansatz vor der Beschichtung, da bei der plas­ magestützten Beschichtung die für die Haftung der Schicht erforderliche Reinigung durch Plasmaätzen in einer Argon-Glimmentladung unmittelbar vor dem Be­ schichtungsvorgang durchgeführt werden kann.

Darüber hinaus ist bei der plasmagestützten Beschich­ tung der Außenseite des Lampenkolbens auch das Frei­ halten bestimmter Kolbenteile von der Beschichtung leicht durch Abdeckschablonen möglich; das bei der thermischen Bedampfung der Kolbeninnenfläche erfor­ derliche umständliche Einfüllen von Granulat zum Ab­ decken der Kolbenkuppe, bzw. das nachträgliche che­ mische Freiätzen von Kolbenbrust und Kolbenhals bei den kuppenverspiegelten Lampen durch einen Flußsäure­ ansatz mit all seinen Problemen für Umwelt- und Ar­ beitsschutz entfällt.

Anders als bei der thermischen Verdampfung im Hoch­ vakuum, bei der die die Schicht bildenden Teilchen gradlinig von der Verdampfungsquelle zum Substrat, dem Lampenkolben gelangen, wird die plasmagestützte Beschichtung z. B. in einer Argon-/Stickstoffatmosphäre bei einem Druck zwischen 5-50 Pa durchgeführt, d. h., bei mittleren freien Weglängen von einigen cm. Die die Schicht bildenden Teilchen erleiden also Stöße auf dem Weg zum Lampenkolben, was dazu führt, daß in gewissen Grenzen auch eine Beschichtung gekrümmter Flächen bei konstanter Schichtdicke und gleichbleibender Schicht­ qualität möglich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Aus­ führungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in Seitenansicht

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Seiten­ ansicht.

Die in Fig. 1 dargestellte kuppenverspiegelte Allge­ brauchsglühlampe 7 (100 W) besteht aus einem mit einem E 27-Schraubsockel 1 versehenen, birnenförmigen, mit einer inerten Gasmischung aus Argon (85-88%) und Stickstoff (15-12%) von etwa 700 hPa Druck ge­ füllten Glaskolben 2. Er enthält eine Glühwendel 3, die auf zwei gasdicht in den Glaskolben einge­ schmolzene Stromzuführungen 4 montiert ist und zu­ sätzlich von zwei Haltern 5 gestützt wird.

Die haft- und kratzfeste lichtreflektierende Schicht auf der Außenseite der Kolbenkuppe 6 besteht aus Ti­ tannitrid, das in einem reaktiven, plasmagestützten Beschichtungsverfahren unter Zerstäubung ("Sputtern") einer Titankathode in einer Argon-/Stickstoffatmosphä­ re aufgebracht wurde. Die goldfarbene Schicht hat eine Dicke von ca. 40 nm; sie zeigte auch nach 2000 Be­ triebsstunden der Lampe keine Veränderung ihres Aus­ sehens.

Die in Fig. 2 dargestellte Reflektorlampe 7′ (150 W) für Allgemeinbeleuchtung besteht aus einem mit einem E 27-Schraubsockel 1′ versehenen, pilzförmigen und mit einer inerten Gasmischung aus Argon (85-88%) und Stickstoff (15-12%) von etwa 1100 hPa Druck ge­ füllten Glaskolben 2′. Er enthält ebenfalls eine Glühwendel 3′ die auf zwei gasdicht in den Glas­ kolben eingeschmolzenen Stromzuführungen 4′ mon­ tiert ist und zusätzlich von zwei Haltern 5′ gestützt wird.

Die haft- und kratzfeste lichtreflektierende Schicht auf der Kolbenaußenseite im sich verjüngenden Kolben­ bereich 6′ besteht aus Titannitrid, das ebenfalls in einem reaktiven, plasmagestützten Beschichtungsver­ fahren unter Zerstäubung einer Titankathode in einer Argon-/Stickstoffatmosphäre aufgebracht wurde. Die goldfarbene Schicht hat auch hier eine Dicke von ca. 40 nm; sie zeigte ebenfalls nach 2000 Betriebsstunden der Lampe praktisch keine Veränderung ihres Aussehens.

Claims (7)

1. Elektrische Lampe (7) mit einem abgedichteten Glas­ kolben (2) der eine Glühwendel (3) und/oder ein Entladungsgefäß mit in den Glaskolben (2) gasdicht eingeschmolzenen Stromzuführungen (4) enthält und mit einer lichtreflektierenden Schicht (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflek­ tierende Schicht (6) eine hohe mechanische und chemische Stabilität besitzt und auf der Außen­ seite des Glaskolbens (2) aufgebracht ist.

2. Elektrische Lampe (7) nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) aus Titannitrid besteht.

3. Elektrische Lampe (7) nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Titannitridschicht eine Schichtdicke zwischen 5 nm und 100 nm besitzt.

4. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) in einem plas­ magestützten Vakuumbeschichtungsverfahren aufge­ bracht wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) auf den Glas­ kolben (2) der fertig eingeschmolzenen Lampe auf­ gebracht wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) durch Sputtern aufgebracht wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Lampe (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Schicht (6) durch Ionen­ plattieren aufgebracht wird.