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Die
Erfindung betrifft ein Leuchtmittel mit einem Schichtsystem zur
Reflektierung abgegebener infraroter Strahlung.
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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.
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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.
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Es
muss also dem Leuchtmittel wesentlich mehr Energie zugeführt werden,
als von ihm in nutzbarer elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich
anschließend
wieder abgegeben wird.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wendet sich von dieser Einschätzung der Fachwelt ab und setzt
ein IMI-Schichtsystem gerade bei Leuchtmitteln ein.
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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.
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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.
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Erfindungsgemäße IMI-Schichtsysteme
auf ITO-Basis können
eine thermische Stabilität
bis hin zu 650°C
erreichen und damit eine Temperaturbeständigkeit des Gesamtsystems
unterstützen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Hierfür haben
sich IMI-Schichtsysteme auf ZnO-Basis als besonders vorteilhaft
erwiesen.
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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.
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Ein
günstiges
Benetzungsverhalten ist nun aber wiederum günstig für eine deutlich höhere thermische
Beständigkeit
und damit für
eine verbesserte Effizienz der beschichteten Leuchtmittel.
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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.
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Im
Folgenden werden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels;
und
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Leuchtmittels.
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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.
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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.
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Interfaceschicht 21 und
Blockerschicht 22 sind nicht in jedem Fall vorhanden.
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Die
nächste,
zwingend erforderliche Schicht ist eine Metallschicht 30,
beispielsweise eine Silberschicht.
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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.
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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.
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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)
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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)
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Bezogen
auf die Effizienz des unbeschichteten Leuchtkörpers soll durch die Beschichtung
eine Effizienzsteigerung von möglichst Δ(Im/W) > 30% erzielt werden.
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Das
virtuelle Transmissionsvermögen
im sichtbaren Spektralbereich wird wie folgt definiert: T380...780nm := Φbeschichtet/Φunbeschichtet (3)
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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)
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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
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2 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der als Isolator 20, 40, jeweils eine Schicht
mit transparenten leitfähigen
Oxiden (TCO) als dielektrische Schicht verwendet wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 10
- Leuchtkörper
- 11
- Kolben
- 20
- erste
Isolatorschicht
- 21
- Zwischenschicht
oder Interface
- 22
- Blockerschicht
- 30
- Metallschicht
- 40
- zweite
Isolatorschicht
- 40b
- Schicht
aus ZnO
- 41
- Interface-
oder Zwischenschicht
- 42
- Blockerschicht