DE102004011976A1 - Illuminant for reflecting infrared radiation, has layer system transparent to visible light and partially surrounding illuminant, where system has three layers, of which two are made up insulator and third is made up of transparent metal - Google Patents

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Bernd Dr. Szyszka
Andreas Dipl.-Phys. Pflug
Volker Dipl.-Phys. Sittinger
Berno Dr. Hunsche
Lars Dr. Bewig
Thomas Küpper
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Abstract

The illuminant has an illuminating body that is surrounded by a bulb (11) e.g. quartz bulb and a hard glass bulb. A layer system is partially surrounding the illuminant and is transparent to visible light. The system that is arranged on an inner side of the bulb includes three layers (20, 30, 40). The layers (20, 40) are made up an insulator or a dielectric, and the layer (30) is made up of a transparent metal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leuchtmittel mit einem Schichtsystem zur Reflektierung abgegebener infraroter Strahlung.The The invention relates to a luminous means with a layer system for Reflecting emitted infrared radiation.

Leuchtmittel erfüllen grundsätzlich den Zweck, in dem für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich eine elektromagnetische Strahlung zur Beleuchtung abzugeben. Der gewünschte Wellenlängenbereich für diese elektromagnetische Strahlung liegt daher zwischen etwa 380 nm und 780 nm. Leuchtmittel sind Bestandteil von Lampen und es gibt sie in verschiedenster Form.Lamp fulfill in principle the purpose in which for the human eye visible wavelength range an electromagnetic To give off radiation for illumination. The desired wavelength range for this electromagnetic radiation is therefore between about 380 nm and 780 nm. Lamps are part of lamps and they are there in different forms.

Damit die Leuchtmittel in den Lampen die elektromagnetische Strahlung abgeben können, wird ihnen Energie zugeführt, insbesondere elektrische Energie, die sie dann in entsprechende abgestrahlte Energie umwandeln. Ein erheblicher Beitrag des Strahlungsflusses entfällt bei praktisch allen Leuchtmitteln in Lampen allerdings auf den nicht für eine Beleuchtung nutzbaren und für das menschliche Auge unsichtbaren Infrarotanteil. Die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung liegt also mehr oder weniger deutlich oberhalb von 780 nm. Diese als Wärmestrahlung emittierte Energie geht dem Leuchtmittel beziehungsweise dem darin befindlichen lichterzeugenden Medium mithin unwiederbringlich und nutzlos verloren.In order to the bulbs in the lamps the electromagnetic radiation can deliver is energy supplied to them, especially electrical energy, which they then into appropriate convert radiated energy. A significant contribution of the radiation flux deleted in virtually all bulbs in lamps but not on the for a lighting usable and for the human eye invisible infrared component. The wavelength of this Electromagnetic radiation is therefore more or less clear above 780 nm. This as heat radiation emitted energy goes to the bulb or in it Consequently, irretrievable and uselessly lost.

Es muss also dem Leuchtmittel wesentlich mehr Energie zugeführt werden, als von ihm in nutzbarer elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich anschließend wieder abgegeben wird.It So much more energy must be supplied to the light source, as of him in usable electromagnetic radiation in the visible range subsequently is discharged again.

Um hier ein energetisch besseres Ergebnis zu erzielen, ist bereits vorgeschlagen worden, diesen Infrarotanteil aus dem emittierten Strahlungsfluss auszukoppeln und wieder in den lichterzeugenden Körper zurückzureflektieren, also die Wärmeenergie in dem Leuchtmittel zu halten beziehungsweise dorthin zurückzuführen.Around It is already here to achieve an energetically better result has been proposed, this infrared fraction from the emitted Decoupling radiation flux and reflecting back into the light-generating body, So the heat energy in to hold the lamp or due there.

Hierzu ist unter anderem von S. A. Spura et al., "A sputtered boost for lamp efficiency", in: Optical Spectra (1980), Seiten 57 bis 60 vorgeschlagen worden, auf dem Leuchtmittel, beispielsweise auf dem Lampenkolben, ein optisches Schichtsystem aufzubringen. Dieser Vorschlag läuft unter dem Schlagwort „Infrared-Reflecting coating" (IRC-System). Es wird also ein Schichtsystem mit wärmereflektierenden Eigenschaften benötigt.For this is among others from S.A. Spura et al., "A sputtered boost for lamp efficiency", in: Optical Spectra (1980), pages 57 to 60 has been proposed on the light source, For example, on the lamp bulb, an optical layer system applied. This proposal is working under the heading "Infrared Reflecting Coating" (IRC system) So is a layer system with heat-reflecting properties needed.

Auf diese Weise kann der Energiebedarf, der für die notwendige Betriebstemperatur des Leuchtmittels beziehungsweise Leuchtkörpers erforderlich ist, signifikant verringert werden, da zumindest hierfür die zurückreflektierte Wärmeenergie eingesetzt werden kann. Es verbessert sich also die Energieeffizienz des Leuchtmittels, ausgedrückt in Lumen pro Watt (Im/W).On This way can save the energy needed for the necessary operating temperature the illuminant or filament is required, significantly be reduced because at least for this the reflected back heat energy can be used. So it improves the energy efficiency of the bulb in lumens per watt (Im / W).

Allerdings werden in solchen Leuchtmitteln mit IRC-System recht hohe Betriebstemperaturen erreicht. Auf dem Lampenkolben können Temperaturen von mehr als 500°C bis zu 1000°C herrschen. Derart hohe Betriebstemperaturen stellen nun wiederum relativ hohe Anforderungen an die thermische Stabilität des Infrarot reflektierenden Schichtsystems. Gewünscht wird ja für die praktische Anwendung, dass die optischen Eigenschaften des gesamten Schichtsystems über die gesamte Lebensdauer der Lampe beziehungsweise des Leuchtmittels weitestgehend konstant bleiben und sich nicht etwa ändern und im Laufe der Lebensdauer eines Leuchtmittels das von diesem abgegebene Licht in der Intensität und im Farbspektrum schwankt.Indeed become in such bulbs with IRC system quite high operating temperatures reached. On the lamp bulb can Temperatures of more than 500 ° C up to 1000 ° C to rule. Such high operating temperatures are now in turn relatively high demands on the thermal stability of the infrared reflective layer system. Desired is yes for the practical Application that the optical properties of the entire layer system over the entire life of the lamp or the bulb remain largely constant and not change and in the course of the life of a lamp emitted by this Light in intensity and varies in color spectrum.

Zu beachten ist ja auch, dass das Schichtsystem einerseits die Infrarotstrahlung in möglichst großem Umfange wieder nach innen zurück reflektieren soll, sodass also das Transmissionsvermögen dieser Schichten insgesamt im infraroten Bereich gering sein sollte.To It is also worth noting that the layer system on the one hand, the infrared radiation in the largest possible extent back inside again should reflect, so so the transmissivity of this Total layers in the infrared region should be low.

Andererseits sollte im sichtbaren Spektralbereich eine möglichst hohe Transmission herrschen, denn andererseits würde ja gerade die elektromagnetische Strahlung in dem Wellenlängenbereich reduziert, der tatsächlich erwünscht ist.on the other hand should in the visible spectral range as high as possible transmission, because otherwise yes, especially the electromagnetic radiation in the wavelength range actually reduced he wishes is.

Die bisher vorgeschlagenen theoretischen Konzepte und Versuchsanordnungen erfüllen zwar jeweils Teile dieser Wünsche, insgesamt ist jedoch bisher noch kein tatsächlich realisierbares, in die Praxis umsetzbares Ergebnis vorgelegt worden.The previously proposed theoretical concepts and experimental arrangements fulfill although parts of these wishes, Overall, however, so far is not actually feasible, in the Practice feasible result has been submitted.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leuchtmittel mit einem Schichtsystem zur Reflektierung infraroter Strahlung vorzuschlagen, mit dem eine bessere Verwirklichung der gesetzten Ziele erreicht werden kann.It is therefore the object of the present invention, a light source to propose with a layer system for reflecting infrared radiation, with which achieves a better realization of the set goals can.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Leuchtmittel mindestens teilweise mit einem für sichtbares Licht transparenten Schichtsystem umgeben wird, das von innen nach außen eine innere Schicht aus einem Isolator, eine zweite Schicht aus einem Metall und eine äußere Schicht aus einem Isolator aufweist.These Task is solved by that the bulbs at least partially with a visible Light transparent layer system is surrounded, the inside out Outside an inner layer of an insulator, a second layer of a metal and an outer layer comprising an insulator.

Dadurch wird überraschend die Problemstellung gelöst. Wie sich in Versuchen bereits herausstellte, lässt sich die Effizienz der Leuchtmittel gegenüber dem unbeschichteten Zustand durch derartige Schichtsysteme um mehr als 20% steigern. Auch eine Beständigkeit über die Lebensdauer der Lampen kann selbst bei Temperaturen von mehr als 600°C erreicht werden.Thereby will be surprising solved the problem. As has been shown in tests, the efficiency of the Opposite bulbs the uncoated state by such layer systems to more increase as 20%. Also a consistency over the Lamp life can be achieved even at temperatures above 600 ° C become.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Leuchtmittel einen Leuchtkörper aufweist, der von einem Kolben, insbesondere einem Quarz- oder Hartglaskolben, umgeben ist, und wenn das Schichtsystem auf der dem Leuchtkörper zugewandten Innenseite des Kolbens angeordnet ist.From It is particularly advantageous if the luminous means has a luminous body, that of a piston, in particular a quartz or hard glass bulb, is surrounded, and when the layer system facing on the filament Inside the piston is arranged.

Dies hat sowohl praktische als auch fertigungstechnische Vorteile. Praktisch kann so sichergestellt werden, dass die Atmosphäre im Inneren des Kolbens, die den Leuchtkörper umgibt und die das Schichtsystem von innen berührt, konstant und darüber hinaus auch entsprechend inert gewählt werden kann.This has both practical and manufacturing advantages. Practically can be ensured so that the atmosphere inside the piston, the the luminous body surrounds and touches the layer system from the inside, constantly and beyond also chosen to be inert can be.

Fertigungstechnisch lässt sich so für den Kolben ein Quarz- oder Hartglas verwenden, das mit dem Schichtsystem in der gewünschten Reihenfolge der Schichten nach einander von außen nach innen (gesehen in der Richtung des optischen Strahls) beschichtet wird. Darüber hinaus ist auch sichergestellt, dass keine mechanischen Beaufschlagungen des Schichtsystems von außen während der Benutzungsdauer eintreten können.manufacturing technology let yourself so for use a quartz or tempered glass with the piston system in the desired Order of the layers after each other from outside to inside (seen in the direction of the optical beam) is coated. Furthermore It is also ensured that no mechanical loading of the layer system from the outside while the duration of use can occur.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Schichtsystem auf der dem Leuchtkörper abgewandten Außenseite des Kolbens angeordnet ist, was insbesondere herstellungstechnische Vereinfachungen mit sich bringt.alternative can also be provided that the layer system facing away from the luminous body outside of the piston is arranged, which in particular manufacturing technology Simplifications.

In einer dritten Alternative kann das Schichtsystem teilweise auf der Außenseite des Kolbens, teilweise auf der Innenseite des Kolbens angeordnet werden, so dass sich das Glas zwischen den Schichten befindet und seinerseits als Schicht genutzt werden kann.In In a third alternative, the layer system may be partially on the outside of the piston, partially placed on the inside of the piston, so that the glass is between the layers and in turn can be used as a layer.

Für sichtbares Licht transparente Schichtsysteme mit einem Aufbau aus den drei Schichten Isolator/Metall/Isolator als solche für andere Zwecke sind bekannt. Sie werden als optische Filtersysteme eingesetzt und dabei abgekürzt als „IMI-Filter" bezeichnet. Kern dieses Dreischichtsystems ist ein durchgängiger Metallfilm. In diesem bewirkt das freie Elektronengas eine sehr starke Infrarotreflektivität, selbst wenn der Film nur wenige Nanometer stark ist. Trotzdem kann durch das Prinzip der sogenannten induzierten „Transmission" gleichzeitig im sichtbaren Spektralbereich eine recht hohe Transmission erzielt werden, wenn der Metallfilm von zwei entsprechenden entspiegelnden dielektrischen Filmen, also Isolatoren, umgeben ist. Die Entspiegelung ist dabei umso effektiver, je höher der Brechungsindex des verwendeten Dielektrikums ist.For visible Light transparent layer systems with a construction of the three Layers insulator / metal / insulator as such for other purposes are known. They are used as optical filter systems and are referred to as "IMI filters" for short This three-layer system is a continuous metal film. In this the free electron gas causes a very strong infrared reflectivity, even if the film is only a few nanometers thick. Nevertheless, through the principle of so-called induced "transmission" at the same time visible spectral range a fairly high transmission can be achieved, when the metal film of two corresponding anti-reflective dielectric Films, so insulators, is surrounded. The anti-reflective coating is included the more effective, the higher is the refractive index of the dielectric used.

Untersucht und für Filter vorgeschlagen wurden bisher vor allem IMI-Filtersysteme auf der Basis von Titandioxid als Dielektrikum beziehungsweise Isolator und von Silber (Ag) als Metall, so dass ein TiO2/Ag/TiO2-Filtersystem entsteht. Die Fachwelt, beispielsweise E. Kusano, J. Kawaguchi, und K. Enjouji, „Thermal stability of heat-reflective films consisting of oxide-Ag-oxide deposited by dc magnetron sputtering" in: J. Vac. Sci. Technol. A 4 (1986), Seiten 2907 bis 2910, ging aber bisher von thermischer Instabilität dieser Schichten aus, sodass schon ihre Herstellung und Nutzung als reguläres Filter eingeschränkt war. Ein Einsatz ausgerechnet in tatsächlich thermisch belasteten Bereichen ist daher noch nicht in Betracht gezogen worden und lag auch fern.So far, IMI filter systems based on titanium dioxide as a dielectric or insulator and of silver (Ag) as metal have been investigated and proposed for filters, so that a TiO 2 / Ag / TiO 2 filter system is produced. The art, for example, E. Kusano, J. Kawaguchi, and K. Enjouji, "Thermal Stability of Heat-reflective Films Exposure of Oxides-Ag-oxides deposited by DC magnetron sputtering" in: J. Vac. Sci. Technol. A 4 (1986), pages 2907 to 2910, but so far based on thermal instability of these layers, so that even their production and use was limited as a regular filter.A use just in actually thermally stressed areas has therefore not been taken into account and was also remote.

Die Erfindung wendet sich von dieser Einschätzung der Fachwelt ab und setzt ein IMI-Schichtsystem gerade bei Leuchtmitteln ein.The Invention turns away from this assessment of the professional world and sets an IMI layer system just for bulbs.

Verschiedene teilweise unterschiedliche, teilweise kombinierbare Möglichkeiten für den Aufbau der drei Schichten haben sich ergeben. Auch einige zusätzliche Schichten neben diesen drei Grundschichten sind für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft.Various partly different, partly combinable possibilities for the Construction of the three layers have resulted. Also some extra Layers next to these three base layers are for certain use cases advantageous.

Als günstig hat sich beispielsweise der Einsatz von transparenten und leitfähigen Oxiden zur Entspiegelung herausgestellt. Diese Materialien weisen freie Ladungsträger auf und ermöglichen somit das ausbilden einer metallischen Bindung zur aufgebrachten Silberschicht. Für derartige IMI-Schichten mit einem Aufbau bestehend etwa aus Floatglas/ITO (50 nm)/Ag (10 nm)/ITO (50 nm) haben sich in Tests spezifische Widerstände von ρ = 5,7 μΩcm ergeben. Durch eine Temperung im Vakuum bei 300°C kann der spezifische Widerstand der Schichten nochmals weiter reduziert werden. Erreicht wird dann ein minimaler spezifischer Widerstand von 3,1 μΩcm. Der spezifische Widerstand ist seinerseits ein Maß für die Geschlossenheit und damit auch für die infrarot reflektierenden Eigenschaften der Silberschicht.When Cheap has, for example, the use of transparent and conductive oxides exposed for anti-reflective coating. These materials have free charge carrier up and enable thus forming a metallic bond to the applied Silver layer. For Such IMI layers with a structure consisting for example of float glass / ITO (50 nm) / Ag (10 nm) / ITO (50 nm) have shown in tests specific resistances of ρ = 5.7 μΩcm. By a heat treatment in vacuo at 300 ° C. The specific resistance of the layers can be reduced even further become. It then reaches a minimum specific resistance of 3.1 μΩcm. The specific one Resistance is in turn a measure of unity and thus also for the infrared reflective properties of the silver layer.

Erfindungsgemäße IMI-Schichtsysteme auf ITO-Basis können eine thermische Stabilität bis hin zu 650°C erreichen und damit eine Temperaturbeständigkeit des Gesamtsystems unterstützen.Inventive IMI layer systems on an ITO basis a thermal stability up to 650 ° C achieve and thus a temperature resistance of the entire system support.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von schwach gebundenen und hochbrechenden Oxiden wie etwa von Nb2O5 oder von TiO2. Die Adhäsion und damit die Benetzbarkeit von Metallen durch Isolatoren mit einem Brechungsindex von n > 2,1 steigt mit dem Brechungsindex an. Verantwortlich dafür sind so genannte Bildladungseffekte. Diese Bildladungen werden vom Substrat im Metall induziert und hängen primär vom Substratmaterial, jedoch kaum vom Metall ab. Die Be netzbarkeit des Substrats nimmt sowohl mit zunehmender Bildungsenthalpie des untersuchten Oxids ab als auch mit dessen steigendem Brechungsindex zu.Another possibility is the use of weakly bound and high refractive index oxides such as Nb 2 O 5 or TiO 2 . The adhesion and thus the wettability of metals by insulators with a refractive index of n> 2.1 increases with the refractive index. Responsible for this are so-called image charge effects. These image charges are induced by the substrate in the metal and depend primarily on the substrate material, but hardly on the metal. The wettability of the substrate decreases both with increasing enthalpy of formation of the investigated oxide and with its increasing refractive index.

Die Benetzbarkeit kann durch erhöhten Ladungsträgertransfer am Interface weiter intensiviert werden. Dafür ist beispielsweise die Konzentration der Löcher im Valenzband des Isolators ein wichtiges Kriterium. Ein Material mit einer möglichst geringen Bandlücke E ist daher von Vorteil. Es ist bekannt, dass E neben der intrinsischen Leitfähigkeit oder der Bildungsenthalpie auch durch hohe Brechungsindizes günstig beeinflusst werden kann.The wettability may be due to increased La Manifold transfer on the interface will be further intensified. For example, the concentration of holes in the valence band of the insulator is an important criterion. A material with the lowest possible band gap E is therefore advantageous. It is known that E, in addition to the intrinsic conductivity or the formation enthalpy, can also be favorably influenced by high refractive indices.

Auch erfindungsgemäße IMI-Schichtsysteme auf der Basis hochbrechender Dielektrika zeigen daher ein verbessertes Benetzungsverhalten bei hoher Temperatur und damit eine verbesserte Temperaturstabilität. Dies gilt beispielsweise auch für Nb2O5 als Dielektrikum.IMI layer systems based on high-index dielectrics according to the invention therefore also exhibit improved wetting behavior at high temperature and thus improved temperature stability. This also applies, for example, to Nb 2 O 5 as a dielectric.

Eine weitere Möglichkeit ist es, zu besonders gut polarisierbaren dielektrischen Schichten zur Entspiegelung der Metallschichten überzugehen, insbesondere zu solchen mit einer polaren Oberfläche wie etwa ZnO oder AlN. Bestimmte oxidische Materialien können über die Wachstumsbedingungen bei der Dünnfilmdeposition so abgeschieden werden, dass in ihrer Oberfläche ein Dipolmoment erhalten bleibt, welches die Benetzung begünstigt. Dies geschieht über eine Terminierung des Films entweder mehrheitlich mit Metall- oder Sauerstoffionen, sodass die betrachtete Oberfläche polare Eigenschaften erhält.A another possibility it is, to particularly well polarizable dielectric layers to the anti-reflection of the metal layers, in particular to those with a polar surface such as ZnO or AlN. Certain oxidic materials can over the Growth conditions in the thin film deposition be deposited so that receive a dipole moment in their surface remains, which favors the wetting. This is done via a Termination of the film either predominantly with metal or oxygen ions, so that the considered surface gets polar properties.

Hierfür haben sich IMI-Schichtsysteme auf ZnO-Basis als besonders vorteilhaft erwiesen.Have for this IMI layer systems based on ZnO are particularly advantageous proved.

Eine Möglichkeit ist auch, bei dem mittleren Metallfilm nicht Silber sondern Metalllegierungen einzusetzen, die ein besonders gutes Benetzungsverhalten aufweisen. Als maßgebliche Größe für den Einfluss des Metalls auf die Benetzbarkeit eines gegebenen Substrats hat sich die Elektronenkonzentration an der Grenze der Wigner-Seitz-Zelle des Metalls erwiesen, die zum Beispiel durch das Auswählen geeigneter Legierungen optimiert werden kann. Die Adhäsion und damit die Benetzbarkeit wird demnach günstig beeinflusst durch einen optimierten Elektronentransfer am Metall/Isolator-Interface. Dies hat die Ausbildung einer Bindung mit verstärkt metallischem Charakter zur Folge. Da der Elektronentransfer auch von den elektrischen Eigenschaften des Isolators abhängt, in erster Linie von dessen Bandlücke sowie der Leitfähigkeit, lässt sich auch über die Auswahl eines geeigneten Isolators die Benetzbarkeit günstig beeinflussen.A possibility is also, in the middle metal film not silver but metal alloys to use, which have a particularly good wetting behavior. As authoritative Size for the influence of the metal on the wettability of a given substrate the electron concentration at the boundary of the Wigner-Seitz cell of the metal obtained, for example, by selecting appropriate Alloys can be optimized. Adhesion and thus wettability is therefore favorable influenced by an optimized electron transfer at the metal / insulator interface. This has the formation of a bond with reinforced metallic character result. Because the electron transfer also depends on the electrical properties depends on the insulator, primarily of its band gap as well as the conductivity, let yourself also over the selection of a suitable insulator favorably influence the wettability.

Ein günstiges Benetzungsverhalten ist nun aber wiederum günstig für eine deutlich höhere thermische Beständigkeit und damit für eine verbesserte Effizienz der beschichteten Leuchtmittel.One favorable Wetting behavior is again favorable for a much higher thermal resistance and for that an improved efficiency of the coated lamps.

Auch der Einsatz von Blockerschichten kann unter Umständen nützlich sein. Vor allem dann, wenn die Temperaturbelastungen nicht allzu lang andauern, ist dies ein brauchbarer Ansatz, unterstützt durch den Einsatz entsprechend inerte Materialien. Hier können zum Beispiel Metallnitride, wie etwa Si3N4 zur Entspiegelung sowie eine Schutzgasfüllung eines fertigbestückten Reflektors von Nutzen sein.The use of blocking layers may also be useful. Especially if the temperature loads do not last too long, this is a useful approach, supported by the use of inert materials. Here, for example, metal nitrides, such as Si 3 N 4 for antireflection coating as well as a protective gas filling of a fully populated reflector can be of use.

Im Folgenden werden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:in the The following are some embodiments with reference to the drawings closer to the invention explained. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels; 1 a first embodiment of a luminous means according to the invention;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels; 2 a second embodiment of a luminous means according to the invention;

3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels; und 3 a third embodiment of a luminous means according to the invention; and

4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels. 4 A fourth embodiment of a luminous means according to the invention.

In 1 wird der grundsätzliche Aufbau eines Leuchtmittels mit einer infrarotreflektierenden Beschichtung (IRC) auf der Basis von Schichtsystemen mit einer Isolatorschicht, einer Metallschicht und einer weiteren Isolatorschicht (IMI-Schichtsystem) dargestellt. Dabei sind zusätzlich zu den drei erwähnten Grundschichten bereits einige weitere Schichten erwähnt. Zu erkennen ist zunächst innen der Leuchtkörper 10, umgeben von einem Kolben aus Glas 11. Der Leuchtkörper 10 ist beispielsweise ein Halogenbrenner mit einer Nennleistung von etwa 50 Watt. Dieser Leuchtkörper 10 wird von einem Lampenkolben 11 umgeben, der etwa aus Quarzglas oder aus Borsilikatglas besteht.In 1 the basic structure of a light source with an infrared reflecting coating (IRC) on the basis of layer systems with an insulator layer, a metal layer and another insulator layer (IMI layer system) is shown. In addition to the three mentioned base layers, several additional layers have already been mentioned. To recognize is first inside the filament 10 surrounded by a glass flask 11 , The luminous body 10 is for example a halogen burner with a nominal power of about 50 watts. This filament 10 is from a lamp bulb 11 surrounded by quartz glass or borosilicate glass.

Ein Schichtsystem 20, 30, 40 umgibt den Leuchtkörper 10. Es befindet sich innerhalb des Kolbens 11. Bei der Herstellung wird es auch auf diesem Glas aufgedampft oder in anderer Form aufgebracht. Von innen aus Richtung Leuchtkörper 10 in Richtung der elektromagnetischen Strahlung nach außen trifft die elektromagnetische Strahlung zunächst auf eine erste Isolatorschicht 20. Es folgt eine Zwischenschicht oder ein Interface 21 und darauf eine Blockerschicht 22.A shift system 20 . 30 . 40 surrounds the filament 10 , It is located inside the piston 11 , During production, it is also vapor-deposited on this glass or applied in another form. From the inside towards the light body 10 in the direction of the electromagnetic radiation to the outside, the electromagnetic radiation first strikes a first insulator layer 20 , This is followed by an intermediate layer or an interface 21 and then a blocker layer 22 ,

Interfaceschicht 21 und Blockerschicht 22 sind nicht in jedem Fall vorhanden.interface layer 21 and blocker layer 22 are not available in every case.

Die nächste, zwingend erforderliche Schicht ist eine Metallschicht 30, beispielsweise eine Silberschicht.The next mandatory layer is a metal layer 30 For example, a silver layer.

Auf diese folgen dann wiederum eine Blockerschicht 42, darauf eine Interface- oder Zwischenschicht 41 und schließlich eine zweite Isolatorschicht 40. Daran schließt sich das Glas des Kolbens 11 an. Hat die elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts auch den Kolben 11 passiert, verlässt sie das Leuchtmittel und tritt in die Umgebung aus.This is then followed by a blocker layer 42 , on it an interface or intermediate layer 41 and finally a second insulator layer 40 , This is followed by the glass of the piston 11 at. Has the electromagnetic radiation with wavelength in the range of visible light also the piston 11 happens, she leaves the bulb and goes out into the environment.

Bei der Herstellung des Systems werden die Schichten natürlich in umgekehrter Reihenfolge auf die dem Leuchtkörper 10 zugewandte Seite des Glases des Kolbens 11 aufgetragen, also zunächst die zweite Isolatorschicht 40, dann die Interface- oder Zwischenschicht 41, dann die Blockerschicht 42, danach die Metallschicht 30 und die zur ersten Isolatorschicht 20 gehörenden Schichten des gesamten Schichtsystems.When manufacturing the system, the layers are naturally applied in reverse order to the luminous element 10 facing side of the glass of the piston 11 applied, so first the second insulator layer 40 , then the interface or interlayer 41 , then the blocker layer 42 , then the metal layer 30 and the first insulator layer 20 belonging layers of the entire layer system.

Das gesamte System kann anhand folgender Kriterien hinsichtlich der optischen Eigenschaften beurteilt werden:
Spezifiziert wird das wie folgt definierte Reflexionsvermögen im infraroten Spektralbereich Rir: Rir(780...2200nm) := ∫S(λ,T=3000K)R(λ)dλ/∫S(λ,T=3000K)dλ (1) The entire system can be judged according to the following criteria regarding the optical properties:
Specified is the reflectivity defined in the infrared spectral range R ir as follows: R ir (780 ... 2200nm) : = ∫S (Λ, T = 3000K) R (Λ) dλ / ∫S (Λ, T = 3000K) dλ (1)

Dabei gilt R(λ):= 1 – T(λ), wobei R(λ) und T(λ) das spektrale Reflexionsvermögen beziehungsweise Transmissionsvermögen und S(λ,T=3000K) die spektrale Flussdichte eines Wolframstrahlers bei einer Temperatur von 3000 K bezeichnen. Gewünscht wird ein Reflexionsvermögen von Rir(780...2200nm) ≥ 75% (2) Where R (λ): = 1 - T (λ), where R (λ) and T (λ) are the spectral reflectivity and S (λ, T = 3000K) is the spectral flux density of a tungsten radiator at a temperature of 3000K describe. A reflectivity of R ir (780 ... 2200nm) ≥ 75% (2)

Bezogen auf die Effizienz des unbeschichteten Leuchtkörpers soll durch die Beschichtung eine Effizienzsteigerung von möglichst Δ(Im/W) > 30% erzielt werden.Based On the efficiency of the uncoated filament should be through the coating an efficiency increase of Δ (Im / W)> 30% can be achieved.

Das virtuelle Transmissionsvermögen im sichtbaren Spektralbereich wird wie folgt definiert: T380...780nm := Φbeschichtet/Φunbeschichtet (3) The virtual transmissivity in the visible spectral range is defined as follows: T 380 ... 780 : = Φ coated / Φ uncoated (3)

Die Größen Φbeschichtet beziehungsweise Φunbeschichtet geben dabei den Strahlungsfluss der Lampe im unbeschichteten beziehungsweise beschichteten Zustand im sichtbaren Spektralbereich an, wobei zunächst die unbeschichtete Lampe auf eine Farbtemperatur von 2900 K eingestellt wird. Die nachfolgenden Tests an beschichteten Lampen werden dann bei gleichem elektrischen Widerstand der Lampe durchgeführt. Gewünscht wird ein Transmissionsvermögen von T380...780nm ≥ 98% (4) The sizes Φ coated or Φ uncoated indicate the radiation flux of the lamp in the uncoated or coated state in the visible spectral range, wherein initially the uncoated lamp is set to a color temperature of 2900 K. The following tests on coated lamps are then carried out with the same electrical resistance of the lamp. A transmittance of T 380 ... 780 ≥ 98% (4)

Zur Untersuchung der Farbneutralität werden die Farbwerte des Lampenspektrums im beschichteten und unbeschichteten Zustand unter ähnlichen Bedingungen, wie bei der Bestimmung des Transmissionsvermögens bestimmt. Im XYZ-Farbraum sind die zulässigen Abweichungen der Farbwerte wie folgt definiert: Δx ≤ 0,005 Δy ≤ 0,005 To study the color neutrality, the color values of the lamp spectrum in the coated and uncoated state are determined under conditions similar to those used to determine the transmittance. In the XYZ color space, the permitted deviations of the color values are defined as follows: Δx ≤ 0.005 Δy ≤ 0.005

2 zeigt eine Ausführungsform, bei der als Isolator 20, 40, jeweils eine Schicht mit transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) als dielektrische Schicht verwendet wird. 2 shows an embodiment in which as an insulator 20 . 40 , a layer of transparent conductive oxides (TCO) is used as a dielectric layer in each case.

In einem tatsächlich getestetem und in etwa in 2 wiedergegebenen Fall wird mit Schichtdicken der Metallschicht 30 (hier wiederum eine Silberschicht) von 12 nm und Isolatorschichten 20, 40 von jeweils 40 nm als Dielektrikum aus den transparenten und leitfähigen Oxiden gearbeitet.In an actually tested and roughly in 2 reproduced case is with layer thicknesses of the metal layer 30 (here again a silver layer) of 12 nm and insulator layers 20 . 40 each made of 40 nm as a dielectric from the transparent and conductive oxides.

Temperexperimente haben dabei ergeben, dass das System auf Quarzglas bis zu einer Temperatur von 650°C temperaturstabil ist. Auf Halogenbrennern als Leuchtkörper 10 wurde eine Effizienzsteigerung von mehr als 15% erreicht.Tempering experiments have shown that the system is temperature stable on quartz glass up to a temperature of 650 ° C. On halogen torches as filament 10 an efficiency increase of more than 15% was achieved.

3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Als Metallschicht ist wiederum Silber gewählt worden, für die Isolatorschichten 20, 40 ist hier eine Basis aus hochbrechenden Oxiden als Dielektrikum gewählt worden. 3 shows an alternative embodiment of the invention. In turn, silver has been chosen as the metal layer for the insulator layers 20 . 40 Here, a base of high refractive index oxides has been chosen as a dielectric.

Eine tatsächlich getestete und in 3 dargestellte Ausführungsform besitzt Schichtdicken der Silberschicht 30 von 14 nm und der Isolatorschichten 20, 40 aus NbOx von jeweils 38 nm.One actually tested and in 3 illustrated embodiment has layer thicknesses of the silver layer 30 of 14 nm and the insulator layers 20 . 40 from NbO x of 38 nm each.

Temperexperimente haben gezeigt, dass das System auf Quarzglas als Kolben 11 bis zu einer Temperatur von 750°C temperaturstabil ist. Auf Halogenbrennern wurde eine Effizienzsteigerung von 20% erreicht.Tempering experiments have shown that the system uses quartz glass as a piston 11 is temperature stable up to a temperature of 750 ° C. On halogen burners an efficiency increase of 20% was achieved.

4 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung. Hier wird als Metallschicht 30 wiederum mit Silber gearbeitet. Zusätzlich werden hochbrechende Oxide, Blockerschichten und polare Interfaceschichten verwendet. Die Schichten sind bei dieser Ausführungsform nicht symmetrisch. Zwischen die Schichten aus der 3 sind hier eine Schicht 40b aus ZnO von 6 nm und auf der anderen Seite eine Schicht 22 aus NiCrOx von 2 nm eingefügt worden. 4 shows a further alternative embodiment of the invention. Here is called metal layer 30 again worked with silver. Additionally, high refractive index oxides, blocking layers and polar interface layers are used. The layers are not symmetrical in this embodiment. Between the layers of the 3 here are a layer 40b ZnO of 6 nm and on the other side a layer 22 made of NiCrO x of 2 nm.

1010
Leuchtkörperilluminant
1111
Kolbenpiston
2020
erste Isolatorschichtfirst insulator layer
2121
Zwischenschicht oder Interfaceinterlayer or interface
2222
Blockerschichtblocker layer
3030
Metallschichtmetal layer
4040
zweite Isolatorschichtsecond insulator layer
40b40b
Schicht aus ZnOlayer from ZnO
4141
Interface- oder ZwischenschichtInterface- or intermediate layer
4242
Blockerschichtblocker layer

Claims (16)

Leuchtmittel mit einem Schichtsystem zur Reflektierung abgegebener infraroter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel mindestens teilweise mit einem für sichtbares Licht transparenten Schichtsystem umgeben wird, dass von innen nach außen eine innere Schicht (20) aus einem Isolator beziehungsweise Dielektrikum versehen ist, dass darüber eine zweite Schicht (30) aus einem transparenten Metall vorgesehen ist, und dass darüber eine Schicht (40) aus einem Isolator beziehungsweise Dielektrikum vorgesehen ist.Illuminant with a layer system for reflecting emitted infrared radiation, characterized in that the illuminant is at least partially surrounded by a visible light transparent layer system that from inside to outside an inner layer ( 20 ) is provided from an insulator or dielectric, that about a second layer ( 30 ) is provided of a transparent metal, and in that a layer ( 40 ) is provided from an insulator or dielectric. Leuchtmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel einen Leuchtkörper (10) aufweist, der von einem Kolben (11) umgeben ist, insbesondere mit einem Quarzkolben oder Hartglaskolben, und dass das Schichtsystem auf der Innenseite des Kolbens (11) angeordnet ist.Illuminant according to claim 1, characterized in that the luminous means a luminous body ( 10 ) of a piston ( 11 ), in particular with a quartz bulb or hard glass bulb, and that the layer system on the inside of the piston ( 11 ) is arranged. Leuchtmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel einen Leuchtkörper (10) aufweist, der von einem Kolben (11) umgeben ist, insbesondere mit einem Quarzkolben oder Hartglaskolben, und dass das Schichtsystem auf der Außenseite des Kolbens (11) angeordnet ist.Illuminant according to claim 1, characterized in that the luminous means a luminous body ( 10 ) of a piston ( 11 ), in particular with a quartz bulb or hard glass bulb, and that the layer system on the outside of the piston ( 11 ) is arranged. Leuchtmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leuchtmittel einen Leuchtkörper (10) aufweist, der von einem Kolben (11) umgeben ist, insbesondere mit einem Quarzkolben oder Hartglaskolben, und dass das Schichtsystem teilweise auf der Innenseite des Kolbens (11) und teilweise auf der Außenseite des Kolbens (11) angeordnet ist.Illuminant according to claim 1, characterized in that the luminous means a luminous body ( 10 ) of a piston ( 11 ), in particular with a quartz bulb or hard glass bulb, and that the layer system partially on the inside of the piston ( 11 ) and partly on the outside of the piston ( 11 ) is arranged. Leuchtmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Isolator- beziehungsweise Dielektrikumsschichten (20, 40) jeweils Schichten aus transparenten leitfähigen Oxiden (TCO) aufweisen.Illuminant according to one of the preceding claims, characterized in that the two insulator or dielectric layers ( 20 . 40 ) each have layers of transparent conductive oxides (TCO). Leuchtmittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die transparenten leitfähigen Oxide (TCO) aus SnO2:Sb, In2O3:Sn (ITO) oder ZnO:Al oder Kombinationen daraus sind.Illuminant according to claim 5, characterized in that the transparent conductive oxides (TCO) of SnO 2 : Sb, In 2 O 3 : Sn (ITO) or ZnO: Al or combinations thereof. Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (20, 40) aus dem Isolatormaterial jeweils hochbrechende Dielektrika aufweisen.Illuminant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the layers ( 20 . 40 ) each of the insulator material have high-indexing dielectrics. Leuchtmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das hochbrechende Dielektrikum ein Oxid aus der Gruppe Nb2O5, Ta2O5, SnO2 oder TiO2 oder aus Kombinationen aus diesen Materialien ist.Illuminant according to claim 7, characterized in that the high-indexing dielectric is an oxide from the group Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , SnO 2 or TiO 2 or combinations of these materials. Leuchtmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (20, 40) aus dem Isolatormaterial polare Dielektrika sind.Illuminant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the layers ( 20 . 40 ) are of the insulator material polar dielectrics. Leuchtmittel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Dielektrikum ZnO oder AlN oder Kombinationen daraus sind.Illuminant according to claim 9, characterized in that that the polar dielectric ZnO or AlN or combinations thereof are. Leuchtmittel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das polare Dielektrikum ZnO als dünne Schicht mit einer Schichtdicke von weniger als 10 nm direkt unterhalb und/oder oberhalb einer Silberschicht in das Schichtsystem eingebracht ist.Illuminant according to claim 10, characterized in that that the polar dielectric ZnO as a thin layer with a layer thickness less than 10 nm directly below and / or above a silver layer is introduced into the layer system. Leuchtmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (30) Silber aufweist, insbesondere zu mehr als 90% aus Silber besteht.Illuminant according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer ( 30 ) Silver, in particular consists of more than 90% of silver. Leuchtmittel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall neben Silber Zusätze aus Platin und/oder Kupfer und deren Mischungen mit Atomkonzentrationen von 10% oder weniger aufweist.Illuminant according to claim 12, characterized in that that the metal in addition to silver additives Platinum and / or copper and their mixtures with atomic concentrations of 10% or less. Leuchtmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Schichten vorgesehen sind.Illuminant according to one of the preceding claims, characterized characterized in that additional Layers are provided. Leuchtmittel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und/oder unterhalb der Metallschicht (30) Blockerschichten (22, 42) auf der Basis von TiOx, NbOx, NiCrOx, AlNxOy, AlMgMoNxOy, SiNx oder Kombinationen oder Legierungen daraus aufweist.Illuminant according to claim 14, characterized in that above and / or below the metal layer ( 30 ) Blocking layers ( 22 . 42 ) based on TiO x , NbO x , NiCrO x , AlN x O y , AlMgMoN x O y , SiN x or combinations or alloys thereof. Leuchtmittel nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Leuchtkörper (10) eine Halogenlampe eingesetzt ist.Illuminant according to one of the preceding claims 2 to 15, characterized in that as luminous body ( 10 ) a halogen lamp is used.
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