DE3636676A1

DE3636676A1 - Optischer interferenzfilm

Info

Publication number: DE3636676A1
Application number: DE19863636676
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Hayama; Tsutomu Watanabe; Yooji Yuge; Akira Kawakatsu; Tokuyoshi Saito
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-10-31
Filing date: 1986-10-28
Publication date: 1987-05-07
Also published as: JPH07109758B2; GB2183363A; GB2183363B; JPS62105357A; GB8625947D0

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Interferenzfilm gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zur wahlweisen Abstrahlung und Reflexion von Licht unterschiedlicher Wellenlängen. Dieser Film ist gewöhnlich in einer elektrischen Lampe ent halten.

Es ist eine Lampe bekannt, die einen sichtbares Licht abgebenden und Infrarotlicht reflektierenden Film aufweist, der auf der Oberfläche der Lampe ausgebildet ist. Der Film gibt selektiv sichtbares Licht ab, das von einem Glühfaden der Lampe durch den Film hindurch emittiert wird, der Film reflektiert jedoch selektiv Infrarotstrahlen, die vom Glüh faden emittiert werden. Das reflektierte Infrarotlicht wird zum Glühfaden reflektiert und trägt zu einer weiteren Erwär mung des Glühfadens bei, so daß der Lichtemissionswirkungs grad der Lampe verbessert wird. Außerdem wird der Anteil an außerhalb der Lampe abgegebenem infraroten Licht durch den Film reduziert.

Ein solcher sichtbares Licht abgebender und Infrarot licht reflektierender Film besteht üblicherweise aus Schichten mit niedrigem Brechungsindex, die aus Siliziumoxid (SiO₂) oder ähnlichen Verbindungen bestehen, sowie aus Schichten mit hohem Brechungsindex, die aus Titanoxid (TiO₂) oder ähn lichen Verbindungen bestehen. Die zwei Arten von Schichten sind abwechselnd übereinander angeordnet, um fünf bis sieben Schichten insgesamt zu ergeben. Im allgemeinen kann ein solcher Film selektiv Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches entsprechend der optischen Interferenz zwischen den Schichten abgeben oder reflektieren. Die optische Interferenz des Filmes kann gesteuert werden durch Änderung der Dicke der Schichten. Diese Art von Film wird nachfolgend als optischer Interferenzfilm bezeichnet.

Die oben beschriebene herkömmliche Lampe weist einen Nachteil auf, der darin besteht, daß der optische Inter ferenzfilm gegenüber mechanischen Beanspruchungen und ther mischen Dehnungsbeanspruchungen wenig widerstandsfähig ist. Daher neigt der Film zum Brechen oder zum Heraustropfen aus dem Glaskolben oder zum Abschälen vom Glaskolben nach länge rem Gebrauch der Lampe. Dieses Phänomen tritt sehr häufig bei Halogenlampen auf, die eine hohe Betriebstemperatur auf weisen, bei weißglühenden Lampen, die häufig ein- und aus geschaltet werden und bei Lampen, die einen optischen Inter ferenzfilm mit erhöhter Zahl an Schichten mit hohem und nie drigem Brechungsindex, durch die die Infrarotstrahlreflexion erhöht werden, aufweisen.

Die oben beschriebenen Probleme können verringert werden durch Verwendung einer Konstruktion gemäß japanischer Patent anmeldung Nr. 57-124301. Diese Anmeldung zeigt einen opti schen Interferenzfilm, der gebildet wird aus Schichten mit niedrigem Brechungsindex, beispielsweise Siliziumoxid (SiO₂) oder ähnlichen Verbindungen, und aus Schichten mit hohem Brechungsindex, die wenigstens eine der Verbindungen Aluminium oxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) und Titanoxid (TiO₂) auf weisen. In den Schichten mit niedrigem Brechungsindex ist ein Zusatz wie Zinn (Sn) und/oder Zirkon (Zr) vorhanden. Der Zu satz in den Schichten mit niedrigem Brechungsindex erhöht die Stabilität des Filmes, indem der thermische Ausdehnungsko effizient der Schicht mit niedrigem Brechungsindex näher an den Koeffizienten der Schicht mit hohem Brechungsindex heran gebracht wird.

Dieser bekannte optische Interferenzfilm gemäß erwähnter Patentanmeldung vermag jedoch nicht das Brechen oder Abschälen zu verhindern bei Verwendung auf Halogenlampen mit einem Hart glaskolben, beispielsweise einem Kolben aus Quarzglas oder Borsilikatglas.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optischen Interferenzfilm und ein Verfahren zur Her stellung eines solchen Filmes anzugeben, wodurch die oben be schriebenen Probleme vermieden sind.

Die Aufgabe wird bei einem optischen Interferenz film zur selektiven Abgabe von Licht mit einer Schicht mit hohem Brechungsindex, auf der eine Schicht mit nie drigem Brechungsindex angeordnet ist, dadurch gelöst, daß die Schicht mit hohem Brechungsindex ein Metall oxid und wenigstens eines der Elemente Phosphor, Bor, Arsen, Antimon, Zinn, Zink, Blei, Kalium, Nickel und Kobalt auf weist, und daß die Schicht mit niedrigem Brechungsindex Sili ziumoxid und wenigstens eines der Elemente Phosphor und Bor aufweist.

Ein Verfahren zur Herstellung des optischen Interferenz filmes weist folgende Verfahrensschritte auf:

- Herstellung einer Lösung durch Auflösen einer organo metallischen Verbindung in einem alkoholischen Lösungs mittel,
- Bildung einer dünnen Schicht aus der Lösung auf einem Substrat,
- Trocknung der Schicht auf dem Substrat,
- Erhitzung der Lösung in Luft zur Bildung einer Schicht mit hohem Brechungsindex,
- Bildung einer Kondensations-Polymerlösung durch Auf lösung einer Silizium enthaltenden Verbindung in einem alkoholischen Lösungsmittel,
- Aufbringen einer dünnen Schicht aus der Polymerlösung auf die Schicht mit hohem Brechungsindex,
- Trocknen der Polymerlösungsschicht auf der Schicht mit hohem Brechungsindex zur Bildung eines Verbund stoffes und
- Erhitzung des Verbundstoffes in Luft, um eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex zu bilden, wobei das Ver fahren gekennzeichnet ist durch folgende weitere Schritte:
- Auflösen einer eines der Elemente Phosphor, Bor, Arsen, Antimon, Zinn, Zink, Blei, Kalium, Nickel und Kobalt aufweisenden Verbindung in der Lösung,
- nachfolgendes Auflösen der organometallischen Ver bindung in dem alkoholischen Lösungsmittel,
- Auflösen einer eines der Elemente Phosphor und Bor enthal tenden Verbindung in der Kondensations-Polymerlösung und
- nachfolgende Auflösung der Silizium enthaltenden Ver bindung in dem alkoholischen Lösungsmittel.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Aufgabenlösungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungs gemäß ausgebildete Lampe und

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen auf dem Glaskolben der Lampe ausgebildeten optischen Interferenzfilm.

Die Fig. 1 zeigt eine Lampe, beispielsweise eine Halogen- Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Halogenlampe weist einen rohrförmigen durchsichtigen Glaskolben 1 aus Hartglas, beispielsweise Quarzglas und Borsilikatglas auf. Der Glaskolben 1 ist hermetisch am Sockelende 3 abgedichtet. Das Sockelende 3 weist darin eingebettete Molybdän-Leitungs folien 4 auf, die mit Innenleitern 5 verbunden sind. Die Innenleiter 5 weisen eine zwischen sich aufgehängte Wolfram- Glühfadenwendel 6 auf, derart, daß die Wolfram-Glühfaden wendel 6 im Zentrum des rohrförmigen Glaskolbens 1 positio niert ist. Die Molybdän-Leiterfolien 4 sind außerdem mit einer Kappe 7 verbunden, die außerhalb des abgedichteten Endes 3 des Glaskolbens 1 angebracht ist. Der Glaskolben 1 ist mit einer Mischung aus inertem Gas, beispielsweise einem Argon gas und einem Halogengas gefüllt.

Auf der Außenfläche des Glaskolbens 1 ist ein optischer Interferenzfilm 2 aufgebracht, der sichtbares Licht durch läßt und Infrarotstrahlen reflektiert. Der optische Inter ferenzfilm 2 besteht aus Schichten 21 und 22, die abwechselnd übereinander angeordnet sind zur Bildung wenigstens einer Fünfschichtenanordnung. Jede abwechselnd aufeinanderfolgende Schicht weist einen anderen Brechungsindex bezüglich der be nachbarten Schicht auf. Die erste Schicht, beispielsweise die unterste, dem Glaskolben 1 benachbarte Schicht und die weite ren, mit ungeraden Zahlen bezeichneten Schichten 21 sind Schichten mit hohem Brechungsindex. Die zweite Schicht oder die weiteren mit geraden Zahlen bezeichneten Schichten 22 sind Schichten mit niedrigem Brechungsindex. Die Schichten 21 mit hohem Brechungsindex weisen wenigstens eine Metalloxid substanz, beispielsweise Titanoxid (TiO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅), oder Zirkoniumoxid (ZrO₂) auf sowie wenigstens eine Verbindung aus einer ersten Additivgruppe mit Phosphor (P), Bor (B), Arsen (As), Antimon (Sb), Zinn (Sn), Zink (Zn), Blei (Pb), Kalium (K), Nickel (Ni) und Kobalt (Co). Die Schichten mit niedrigem Brechungsindex weisen Siliziumoxid (SiO₂) mit wenig stens einem Element aus einer zweiten Additivgruppe mit Phos phor (P) und Bor (B) auf.

Die Schichten 21 und 22 mit hohem und niedrigem Brechungs index sind abwechselnd übereinander angeordnet zur Bildung von vorzugsweise neun bis elf Schichten. Zusätzlich wird die Stärke der Schichten 21 und 22 mit hohem und niedrigem Brechungsindex gesteuert, so daß der optische Interferenz film 2 die gewünschte optische Interferenzwirkung hinsicht lich Durchlässigkeit für einen ausreichenden Anteil des sichtbaren Lichtes und hinsichtlich Reflexion eines gewünsch ten Anteils des Infrarotlichtes aufweist. Beispielsweise haben die Schichten 21, 22 mit hohem und niedrigem Brechungsindex nor malerweise eine optische Dicke von 0,2 µm bis 0,4 µm.

Nachfolgend soll ein Verfahren zur Erzeugung des op tischen Interferenzfilmes 2 näher beschrieben werden. Zu nächst wird eine oder werden mehrere organometallische Ver bindungen mit Titan (Ti), Tantal (Ta) oder Zirkon (Zr) in einem alkoholischen Lösungsmittel, beispielsweise Ethanol, aufgelöst zur Bildung einer ersten Zwischenlösung. Beispiels weise kann Titanalkoholat, beispielsweise Tetraisopropoxy- Titan oder Tetramethoxy-Titan als organometallische Verbin dung des Titans (Ti) verwendet werden. Danach wird wenig stens eine in dem alkoholischen Lösungsmittel lösbare Ver bindung aus der ersten Additivgruppe mit Phosphor (P), Bor (B), Arsen (As), Antimon (Sb), Zinn (Sn), Zink (Zn), Blei (Pb), Kalium (K), Nickel (Ni) und Kobalt (Co) der ersten Zwischenlösung zugefügt zur Bildung einer ersten resultieren den Lösung. Ein Glaskolben 1 wird in die erste resultierende Lösung eingetaucht. Nach dem Eintauchen wird der Glaskolben aus der ersten resultierenden Lösung mit einer konstanten Geschwindigkeit herausgezogen, beispielsweise mit einer Ge schwindigkeit 20 cm/min. bis 30 cm/min. Die erste auf dem Glaskolben 1 befindliche Lösung wird dann getrocknet und bei etwa 500°C bis 600°C in Luft über etwa zehn Minuten ausge härtet. Während des Aushärtens wandelt sich Titanalkoxid in Titanoxid um zur Bildung einer Schicht 21 mit hohem Brechungs index.

Danach wird Tetraalkoxysilan in einem alkoholischen Lösungsmittel, beispielsweise Ethanol, aufgelöst. Diese Lösung wird zur Reaktion gebracht, um eine zweite Zwischen lösung eines Tetraalkoxysilan-Kondensationspolymers zu bilden mit einer Siliziumkonzentration von beispielsweise 5 Gew.%. Ferner werden eine Phosphorverbindung und/oder eine Borver bindung, die im alkoholischen Lösungsmittel lösbar sind, der zweiten Zwischenlösung zugefügt, so daß eine zweite resul tierende Lösung erhalten wird. Insbesondere wird Phosphor pentoxid als Phosphorverbindung verwendet. Der mit der Schicht mit hohem Brechungsindex beschichtete Glaskolben 1 wird in die zweite resultierende Lösung eingetaucht. Nach dem Ein tauchen wird der Glaskolben 1 aus der zweiten resultierenden Lösung mit einer konstanten Geschwindigkeit, beispielsweise 30 cm/min. bis 40 cm/min. herausgezogen. Die auf die Schicht 21 mit hohem Brechungsindex aufgebrachte zweite resultierende Lösung wird ebenfalls getrocknet und bei Temperaturen von etwa 500°C bis 600°C in Luft über einen Zeitraum von zehn Minuten ausgehärtet. Während des Aushärtvorganges zersetzt sich Tetraalkoxysilan zu Siliziumoxid (SiO₂) zur Bildung der Schicht 22 mit niedrigem Brechungsindex mit einem zweiten Additiv wie Phosphor (P) und/oder Bor (B), das aus der Phos phorverbindung und/oder der Borverbindung stammt.

Bei einer gemäß obigem Verfahren hergestellten Halogen lampe läßt der optische Interferenzfilm 2 selektiv sichtbares Licht nach außen durch die Lampe hindurch, reflektiert die Infrarotstrahlen aber nach innen, um den Glühfaden aufzu heizen, so daß die Lichtausbeute bzw. der Wirkungsgrad der Lampe erhöht wird.

Bei der Halogenlampe gemäß obigem Beispiel wird der Glaskolben 1 auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt. Die Schichten 22 mit niedrigem Brechungsindex jedoch weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der aufgrund des zweiten Additivs nahe demjenigen der Schichten 21 mit hohem Brechungsindex liegt. Dadurch ist der optische Interferenz film 2 sehr stabil gegenüber thermischen Beanspruchungen.

Außerdem sind die Schichten 21 mit hohem Brechungsindex und die Schichten 22 mit niedrigem Brechungsindex gemäß der vorliegenden Erfindung schwer voneinander zu trennen. Es wird angenommen, daß die ersten und zweiten Additive in den Schichten 21 und 22 mit dem hohen und dem niedrigen Brechungsindex sich mechanisch oder chemisch gegeneinander anziehen. Daher sind die Lampen gemäß der vorliegenden Er findung äußerst langlebig, auch bei häufigem Ein- und Aus schalten, ohne daß ein Brechen oder Abschälen auftritt, auch wenn der optische Interferenzfilm 2 aus zehn und mehr Schichten 21 und 22 besteht. Die nachfolgenden Tabellen zeigen die Ergebnisse von Versuchen bei unterschiedlicher Zahl der Schichten 21 und 22 und bei verschiedenen Additiven.

Die in der Tabelle 1 gezeigten Versuchsergebnisse zeigen den Effekt der vorliegenden Erfindung bei Zugabe von Phosphor (P) zu den Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex. In der Tabelle 1 beträgt der Additivanteil, beispielsweise Phosphor (P) 3 Gew.%, berechnet auf der Basis von Phosphorpent oxid (P₂O₅).

Tabelle 1

Danach wurden die in der Tabelle 2 wiedergegebenen Versuche durchgeführt, um die Wirkung einer Kobalt (Co)- Zugabe zur Schicht mit hohem Brechungsindex und einer Bor (B)-Zugabe zur Schicht mit niedrigem Brechungsindex zu prüfen. In der Tabelle 2 beträgt der Anteil des ersten Additivs, z.B. Kobalt (Co) 3 Gew.%, berechnet auf der Basis von Kobaltoxid (CoO). Der Anteil des zweiten Additivs, bei spielsweise Bor (B) beträgt 3 Gew.%, berechnet auf der Basis von Bortrioxid (B₂O₃).

Tabelle 2

Wie man aus den Tabellen 1 und 2 entnehmen kann, sind die optischen Interferenzfilme 2 gemäß vorliegender Erfindung wesentlich widerstandsfähiger hinsichtlich Brechen und Ab schälen.

Es sind eine Reihe von Modifikationen und Änderungen möglich, ohne daß die vorliegende Erfindung verlassen wird.

Beispielsweise ist es möglich, die vorliegende Erfindung bei einer Reflexionslampe anzuwenden, die einen Interferenz film aufweist, der Infrarotstrahlen durchläßt und sichtbares Licht reflektiert, beispielsweise bei einer Entladungslampe wie einer Metall-Halogenidlampe oder ähnlicher Lampe.

Claims

1. Optischer Interferenzfilm zur selektiven Abgabe von Licht mit einer Schicht (21) mit hohem Brechungsindex, auf der eine Schicht (22) mit niedrigem Brechungsindex angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (21) mit hohem Brechungsindex ein Metalloxid und wenigstens eines der Elemente Phosphor, Bor, Arsen, Anti mon, Zinn, Zink, Blei, Kalium, Nickel und Kobalt aufweist, und daß die Schicht (22) mit niedrigem Brechungsindex Silizium oxid und wenigstens eines der Elemente Phosphor und Bor auf weist.

2. Film nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Metalloxid wenigstens eine der Verbindungen Titanoxid, Tantaloxid und Zirkoniumoxid aufweist.

3. Film nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß mehrere Schichten (21, 22) mit hohem und niedrigem Brechungsindex in wechselnder An ordnung vorgesehen sind.

4. Film nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (21) mit hohem Brechungs index Titanoxid und Phosphor aufweist und die Schicht (22) mit niedrigem Brechungsindex Siliziumoxid und Phosphor.

5. Film nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schicht (21) mit hohem Brechungs index Zirkoniumoxid und Kobalt aufweist und die Schicht (22) mit niedrigem Brechungsindex Siliziumoxid und Bor.

6. Film nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Schichten (21, 22) mit hohem und niedrigem Brechungsindex jeweils eine Stärke von etwa 0,2 µm bis etwa 0,4 µm aufweisen.

7. Film nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anteil an Phosphor in den Schich ten mit hohem und niedrigem Brechungsindex 3 Gew.% beträgt, berechnet auf der Basis von Phosphoroxid.

8. Film nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anteil an Kobalt in der Schicht mit hohem Brechungsindex 2 Gew.% beträgt, berechnet auf der Basis von Kobaltoxid, und daß der Anteil an Bor in der Schicht mit niedrigem Brechungsindex 3 Gew.% beträgt, be rechnet auf der Basis von Boroxid.

9. Film nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß sich die Schicht (21) mit hohem Brechungsindex auf der Oberfläche eines durchscheinenden oder teildurchlässigen Elementes (1) befindet.

10. Film nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das durch lässige Element der hohle Glaskolben einer elektrischen Lampe ist.

11. Film nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Glaskolben aus Quarzglas oder Borsilikatglas besteht, und daß im Glaskolben ein Inert gas oder ein Halogengas enthalten ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines optischen Interferenz filmes mit den Verfahrensschritten:

- Bildung einer Lösung durch Auflösen einer organo metallischen Verbindung in einem alkoholischen Lösungsmittel,
- Bildung einer dünnen Schicht der Lösung auf einem Substrat (1),
- Trocknung der Schicht auf dem Substrat (1),
- Erhitzung der Lösung in Luft zur Bildung einer Schicht (21) mit hohem Brechungsindex,
- Herstellung einer Kondensations-Polymerlösung durch Auflösen einer Silizium enthaltenden Verbindung in einem alkoholischen Lösungsmittel,
- Aufbringen einer dünnen Schicht der Polymerlösung auf die Schicht (21) mit hohem Brechungsindex,
- Bildung eines Verbundstoffes durch Trocknung der Schicht der Polymerlösung auf der Schicht (21) mit hohem Brechungsindex, und
- Bildung einer Schicht (22) mit niedrigem Brechungs index durch Erhitzen des Verbundstoffes in Luft,

gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:

- Auflösung einer eines der Elemente Phosphor, Bor, Arsen, Antimon, Zinn, Zink, Blei, Kalium, Nickel und Kobalt enthaltenden Verbindung in der Lösung,
- nachfolgendes Auflösen der organometallischen Ver bindung in dem alkoholischen Lösungsmittel,
- Auflösen einer eines der Elemente Phosphor und Bor enthaltenden Verbindung in der Kondensations- Polymerlösung,
- nachfolgendes Auflösen der Silizium enthaltenden Verbindung in dem alkoholischen Lösungsmittel.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Auflösen der organo metallischen Verbindung eine Verbindung mit wenigstens einem der Elemente Titan, Tantal und Zirkonium zu dem alko holischen Lösungsmittel hinzugefügt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Zugeben der Verbindung die organometallische Verbindung mit Ethanol gemischt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Erhitzen des Substrates (1) das Substrat einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 600°C über einen Zeitraum von etwa 10 Minuten ausgesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Auflösen der Silizium enthaltenden Verbindung eine Reaktion von Tetraalkoxysilan mit Ethanol durchgeführt wird.