DE69218387T2

DE69218387T2 - Niederdruckquecksilberentladungslampe

Info

Publication number: DE69218387T2
Application number: DE69218387T
Authority: DE
Inventors: Leeuw Dagobert Michel De; Godefridus Peter Jozef Geelen; Cornelis Adrianus Hen Mutsaers; Martin Ouwerkerk
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-12-29
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2012-12-30
Also published as: ES2100275T3; EP0550937A2; EP0550937A3; US5422538A; JP3850042B2; DE69218387D1; JPH05343034A; EP0550937B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Niederdruck-Quecksilberentladungslampe mit sehr guter Farbwiedergabe und mit einem Farbort (xL, yL) auf oder nahe dem Planckschen Kurvenzug, die mit einer gasdichten, strahlungsdurchlässigen, Quecksilber und Edelgas enthaltenden Umhüllung versehen ist und mit einer Leuchtschicht, die folgendes umfaßt:
- einen mit zweiwertigem Europium aktivierten, ersten Leuchtstoff mit einer Emission hauptsächlich im blauen Bereich des sichtbaren Teils des Spektrums,
- einen mit zweiwertigem Mangan aktivierten, zweiten Leuchtstoff mit zumindest einer Emissionsbande hauptsächlich im roten Bereich des sichtbaren Spektrums und
- einen dritten Leuchtstoff mit einer Emission hauptsächlich im gelben Bereich des sichtbaren Spektrums.
Unter dem Ausdruck "sehr gute Farbwiedergabe" in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen soll verstanden werden, daß der allgemeine Farbwiedergabe-Index R(a,8) (Mittelwert der Farbwiedergabe-Indizes von acht Testfarben, wie von der Internationalen Beleuchtungskommission (IEC) definiert: IEC-Publikation Nr.13.2 (TC-3.2), 1974) einen Wert von zumindest 90 hat.
Die Farbe sichtbarer Strahlung wird durch die Farbkoordinaten (x, y), die den Farbpunkt im Farbdreieck (siehe IEC-Publikation Nr.15 (E-1.3.1), 1971) definieren, charakterisiert. Niederdruck-Quecksilberdampflampen für Allgemeinbeleuchtungszwecke sollten Licht emittieren, das als "weiß" bezeichnet werden kann. Weiße Strahlung wird in dem Farbdreieck bei auf dem Planckschen Kurvenzug liegenden Farbpunkten gefunden. Dieser Kurvenzug, auch Linie des schwarzen Körpers genannt, und im weiteren mit Kurve P bezeichnet, enthält die Farbpunkte der von einem vollkommenen schwarzen Körper bei verschiedenen Temperaturen (der sogenannten Farbtemperatur) emittierten Strahlung. Eine gegebene Farbtemperatur wird nicht nur einem bestimmten Punkt auf der Kurve P. zugeordnet, sondern auch der Strahlung mit Farbkoordinaten, die auf einer die Kurve P in diesem Punkt schneidenden Linie liegen (siehe die genannte IEC-Publikation No. 15). Wenn diese Strahlung einen Farbpunkt nahe der Kurve P hat, wird auch diese Strahlung als weißes Licht mit dieser gegebenen Farbtemperatur betrachtet. In der vorliegenden Beschreibung und Ansprüchen soll unter dem Ausdruck "ein Farbpunkt nahe der Kurve P" verstanden werden, daß der Abstand des Farbpunktes zum Punkt auf der Kurve P mit der gleichen Farbtemperatur höchstens 20 MPCD beträgt. MPCD (minimal wahrnehmbarer Farbunterschied) ist die Einheit des Farbunterschiedes, siehe die Veröffendichung von J.J. Rennilson in Optical Spectra, Oktober 1980, S. 63. Zusätzlich zu den an die Leuchtschicht hinsichtlich der Farbtemperatur des von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ausgestrahlten Lichtes und der Farbwiedergabe zu stellenden Anforderungen ist es auch erforderlich, daß die Leuchtschicht Substanzen umfaßt, die eine geringe Kurzzeitlichtabnahme aufweisen (d.h. die Stoffe nehmen keinen oder nur wenig Schaden bei Bestrahlung mit kurzwelliger Ultraviolett- Strahlung, insbesondere Strahlung von 185 nm).
Niederdruck-Quecksilberdampflampen, die weißes Licht ausstrahlen und eine sehr gute Farbwiedergabe haben, sind aus den europäischen Patenten EP-A- 0114441 und EP-A-0124175 bekannt. Mit Antimon und/oder Mangan aktiviertes Calciumhalophosphat wird häufig als dritter Leuchtstoff verwendet. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Anforderungen hinsichtlich der Farbe des von der Niederdruck-Quecksilberdampflampe ausgestrahlten Lichtes und der Farbwiedergabe in der bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe nur in Kombination mit einer verhältnismäßig geringen Lichtausbeute der Niederdruck-Quecksilberdampflampe erfüllt werden können.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Niederdruck-Quecksilberendadungslampe zu verschaffen, deren Farbwiedergabe sehr gut ist, während gleichzeitig die Lichtausbeute der Niederdruck-Quecksilberdampflampe verhältnismäßig hoch ist.
Eine erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberdampflampe ist hierzu dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leuchtstoff durch die Formel
Sr(2-x-y)MxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y,
definiert wird, mit 0,0005 ≤ y ≤ 0,05, M Barium und/oder Calcium, und 0,01 ≤ x
≤ 0,1.
Es hat sich gezeigt, daß eine erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberentladungslampe günstige Eigenschaften hinsichtlich des Farbpunktes des von der Niederdruck-Quecksilberentladungslampe ausgestrahlten Lichtes, der Farbwiedergabe, Lichtausbeute, und der Qualitätsabnahme der Leuchtschicht sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Belastungen hat. Unter einer hohen Belastung wird hier verstanden, daß die von der Niederdruck-Quecksilberdampflampe in der Entladungssäule aufgenommene Leistung größer als 500 W pro m² Oberfläche der Leuchtschicht ist. Die Farbwiedergabe einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe ist auch sehr gut, wobei die Lichtausbeute verhältnismäßig hoch ist. Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe im Vergleich zu der bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe ist die Möglichkeit, die Leuchtstoffmenge in der Leuchtschicht der Niederdruck-Quecksilberdampflampe erheblich zu verringern. In der bekannte Niederdruck-Quecksilberdampflampe erlegt der verhältnismäßig große mittlere Durchmesser der Halophosphatteilchen der Menge an Leuchtstoff, mit der eine gleichmäßige Beschichtung der Wandung der Niederdruck-Quecksilberdampflampe erreicht werden kann, eine Untergrenze auf. Der mittlere Teilchendurchmesser von Sr(2-x-y)MxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y, im weiteren als OSE bezeichnet, kann jedoch erheblich kleiner gewählt werden als der von Calciumhalophosphat.
Es sei bemerkt, daß mit zweiwertigem Europium aktivierte Stoffe, die ein Grundgitter Me&sub2;SiO&sub4; haben, wobei Me hauptsächlich Sr und zusätzlich Ca oder Ba ist, als Leuchtstoffe an sich aus Bull. Ac. Sci. UdSSR 38 (1974) 41 bekannt sind. In diesem Schriftstück wird jedoch die Verwendung solcher Leuchtstoffe in einer Niederdruck- Quecksilberentladungslampe mit sehr guter Farbwiedergabe nicht erwähnt.
Wenn y einen niedrigeren Wert als 0,0005 hat, hat der Leuchtstoff eine zu geringe Absorption für die austretende Strahlung, so daß für praktische Zwecke ungenügende Lichtströme erhalten werden. Für Werte von y größer als 0,05 tritt in solchem Maße Konzentrationslöschen auf, daß ebenfalls unzureichende Lichtströme erhalten werden. Solche Zusammensetzungen von OSE sind daher für eine Verwendung in einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nicht geeignet.
Der Leuchtstoff Sr(2-x-y)MxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y (x =0) hat ein monoklines Gitter und eine Emissionsbande hauptsächlich im grünen Teil des sichtbaren Spektrum mit einer maximalen Emission bei einer Wellenlänge von 547 nm. Wenn ein Teil der Sr&spplus;²-Ionen in dem Gitter durch Ca&spplus;²-Ionen oder Ba&spplus;²-Ionen ersetzt wird, ist dieses Kristallgitter jedoch orthorhombisch, und die Wellenlänge, bei der die Emissionsbande dieses Maximum erreicht, hängt von dem Ca&spplus;²- oder Ba&spplus;²-Ionengehalt (x) ab. Es hat sich gezeigt, daß x größer als 0,01 sein muß, um eine gute Stabilisierung des orthorhombischen Kristallgitters des Leuchtstoffes OSE zu erhalten. Wenn x auch kleiner als 0,1 gewählt wird, hat die Emissionsbande eine solche Lage, daß diese Zusammensetzung von OSE in hohem Maße zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe geeignet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe wird y zwischen 0,015 und 0,025 gewählt. Für diesen Eu&spplus;²-Aktivatorgehalt im dritten Leuchtstoff wurde eine gute Quantenausbeute (Anzahl von einem Leuchtstoff ausgestrahlter Photonen sichtbaren Lichtes pro absorbiertem Ultraviolett-Photon) gefunden. Wenn der Aktivatorgehalt erhöht wird, nimmt die Empfindlichkeit des Leuchtstoffes gegenüber Oxidation stark zu, was die Verarbeitbarkeit des Leuchtstoffes negativ beeinflußt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe wird x zwischen 0,01 und 0,03 gewählt. Wie bereits erwähnt, ist es für eine gute Stabilisierung des orthorhombischen Kristallgitter wünschenswert, daß x größer als 0,01 ist. Wenn x auch kleiner als 0,03 gewählt wird, liegt das Maximum der Emissionsbande bei einer Wellenlänge von ungefähr 570 nm. Diese Lage der Emissionsbande führt zu einer ausgezeichneten Farbwiedergabe, wenn der Leuchtstoff als dritter Leuchtstoff in einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe verwendet wird.
Bei bekannten Niederdruck-Quecksilberentladungslampen mit sehr guter Farbwiedergabe und einer verhältnismäßig niedrigen Farbtemperatur (≤ 3000 K) des von der Niederdruck-Quecksilberdampflampe ausgestrahlten Lichtes hat es sich häufig als notwendig erwiesen, eine vierte, und eventuell selbst eine fünfte Komponente in der Leuchtschicht aufzunehmen, um die verhältnismäßig niedrige Farbtemperatur zu realisieren. Eine solche weitere Komponente in der Leuchtschicht kann beispielsweise einen Teil des in dem Plasma der Niederdruck-Quecksilberdampflampe erzeugten blauen Lichtes absorbieren, so daß eine niedrigere Farbtemperatur erhalten wird. Häufig sind die weiteren Komponenten der Leuchtschicht jedoch Stoffe, die sehr schwierig mit den ersten Komponenten der Leuchtschicht zu homogenisieren sind. Dies führt in der Praxis zu einem schwer steuerbaren Lampenherstellungsprozeß. Da der Leuchtstoff OSE blaues Licht absorbiert, hat es sich als möglich erwiesen, erfindungsgemäße Niederdruck- Quecksilberdampflampen mit verhältnismäßig niedriger Farbtemperatur herzustellen, bei denen die Leuchtschicht nur drei Leuchtstoffe umfaßt. Die oben genannten Nachteile können somit vermieden werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampe mit zweiwertigem Europium aktiviertes Strontiumaluminat (SAE) oder Bariumaluminat (BAE) als ersten Leuchtstoff zu verwenden. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, mit zweiwertigem Mangan und mit dreiwertigem Gadolinium aktiviertes Cer-Magnesium-Pentaborat (CBM) als zweiten Leuchtstoff zu verwenden. Für manche Anwendungen ist es wünschenswert, daß das Cer-Magnesium-Pentaborat außerdem mit Terbium (CBTM) aktiviert ist, so daß der zweite Leuchtstoff nicht nur eine Emissionsbande hauptsächlich im roten Bereich des sichtbaren Spektrums hat, sondern auch eine Emissionsbande hauptsächlich im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Durch Verwendung geeignet gewählter Kombinationen dieses ersten und zweiten Leuchtstoffes hat es sich als möglich erwiesen, erfindungsgemäße Niederdruck- Quecksilberdampflampen über einen sehr weiten Bereich von Farbtemperaturen des von der Niederdruck-Quecksilberdampflampe ausgestrahlten Lichtes herzustellen, wobei die Leuchtschicht keine weiteren Komponenten als den ersten, den zweiten und den dritten Leuchtstoff enthielt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand einer Tabelle näher erläutert werden.
Tabelle I zeigt die Lichtausbeute (η) in Lumen/Watt und den allgemeinen Farbwiedergabe-Index R(a,8) als Funktion der Farbtemperatur des von der Niederdruck- Quecksilberdampflampe ausgestrahlten Lichtes für sowohl bekannte Niederdruck-Quecksilberdampflampen als auch erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberdampflampen. /29, /35, und /54 verweisen auf entweder mit Antimon und Mangan aktiviertes Calciumhalophosphat oder eine Mischung aus mit Antimon aktiviertem Calciumhalophosphat und mit Antimon und Mangan aktiviertem Calciumhalophosphat. Die verschiedenen Zahlen beziehen sich auf verschiedene Zusammensetzungen. MZS ist mit Mangan aktiviertes Zinksilicat; YAG ist mit Cerium aktiviertes Yttrium-Aluminiumgranat und HB ist mit Antimon aktiviertes Calciumhalophosphat. BAM ist mit zweiwertigem Europium aktiviertes Barium-Magnesium-Aluminat. Alle anderen Komponenten der in Tabelle I aufgelisteten Leuchtschichten sind oben bereits beschrieben worden.
Man kann erkennen, daß die Leuchtschicht der bekannten Niederdruck- Quecksilberdampflampe mit einer Farbtemperatur von 2700 K (dritte Zeile von Tabelle I) aus fünf Komponenten zusammengesetzt ist. Die Leuchtschichten der erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampen mit der gleichen Farbtemperatur (erste zwei Zeilen von Tabelle I) umfassen jedoch nur drei Komponenten, so daß der Herstellungsprozeß dieser Niederdruck-Quecksilberdampflampen viel besser steuerbar ist. Man kann auch erkennen, daß die erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampen eine bessere Lichtausbeute und zusätzlich eine verbesserte Farbwiedergabe aufweisen, selbst wenn CBTM durch das preiswertere CBM ersetzt wird.
Die Leuchtschicht der bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe mit einer Farbtemperatur von 3000 K (sechste Zeile von Tabelle I) ist aus vier Komponenten zusammengestellt. Da die Leuchtschichten der erfindungsgemäßen Niederdruck- Quecksilberdampflampen mit einer Farbtemperatur von 3000 K (vierte und fünfte Zeile von Tabelle I) nur drei Komponenten umfassen, bieten diese Niederdruck-Quecksilberdampflampen auch die Vorteile eines besser steuerbaren Lampenherstellungsprozesses und einer höheren Lichtausbeute im Vergleich zu der bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe mit einer Farbtemperatur von 3000 K.
Wenn die Farbtemperatur der Niederdruck-Quecksilberdampflampe 3800 K beträgt, umfassen sowohl die Leuchtschicht der erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampen (siebte und achte Zeile von Tabelle I) als auch die Leuchtschicht der bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe (neunte Zeile von Tabelle I) drei Komponenten. Die erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberdampflampen weisen eine verbesserte Lichtausbeute auf, wobei die Farbwiedergabe im Vergleich zur bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe gleich bleibt, sowohl, wenn die Leuchtschicht CBTM umfaßt als auch, wenn die Leuchtschicht CBM umfaßt.
Die Leuchtschicht der bekannten Niederdruck-Quecksilberdampflampe mit einer Farbtemperatur von 5000 K (zwölfte Zeile von Tabelle I) umfaßt vier Komponenten. Man kann erkennen, daß erfindungsgemäße Niederdruck-Entladungslampen mit einer Farbtemperatur von 5000 K, deren Leuchtschicht nur drei Komponenten umfaßt (zehnte und elfte Zeile von Tabelle I), eine höhere Lichtausbeute aufweisen als die bekannte Niederdruck-Entladungslampe, aber zugleich einen geringfügig niedrigeren allgemeinen Farbwiedergabe-Index. Wenn ein sehr hoher Wert des allgemeinen Farbwiedergabe-Index gewünscht wird, kann dies dadurch erreicht werden, daß eine geeignete vierte Komponente der Leuchtschicht der erfindungsgemäßen Niederdruck-Entladungslampe hinzugefügt wird. Diese vierte Komponente ist in beiden in der Tabelle gegebenen Beispielen BAM (dreizehnte und vierzehnte Zeile von Tabelle I). Diese Beispiele veranschaulichen, daß die Hinzufügung einer vierten Komponente nicht nur einen weiteren Anstieg der Lichtausbeute einer erfindungsgemäßen Niederdruck-Entladungslampe bewirkt, sondern daß auch der Wert des allgemeinen Farbwiedergabe-Index dem bekannten Niederdruck-Entladungslampe entspricht.
Die letzten beiden Zeilen von Tabelle I beziehen sich auf erfindungsgemäße Niederdruck-Endadungslampen mit der sehr hohen Farbtemperatur von 6500 K. Man kann erkennen, daß die Verwendung von OSE in der Leuchtschicht die Herstellung von Niederdruck-Entladungslampen mit einer sehr hohen Lichtausbeute, sehr guten Farbwiedergabe und einer sehr hohen Farbtemperatur möglich macht. TABELLE I
*: Nicht erfindungsgemäß, zum Vergleich

Claims

1. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe mit sehr guter Farbwiedergabe und mit einem Farbort (xL, yL) auf oder nahe dem Planckschen Kurvenzug, die mit einer gasdichten, strahlungsdurchlässigen, Quecksilber und Edelgas enthaltenden Umhüllung versehen ist und mit einer Leuchtschicht, die folgendes umfaßt:

- einen mit zweiwertigem Europium aktivierten, ersten Leuchtstoff mit einer Emission hauptsächlich im blauen Bereich des sichtbaren Teils des Spektrums,

- einen mit zweiwertigem Mangan aktivierten, zweiten Leuchtstoff mit zumindest einer Emissionsbande hauptsächlich im roten Bereich des sichtbaren Spektrums und

- einen dritten Leuchtstoff mit einer Emission hauptsächlich im gelben Bereich des sichtbaren Spektrums,

dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leuchtstoff durch die Formel

Sr(2-x-y)MxSiO&sub4;:Eu&spplus;²y,

definiert wird, mit 0,0005 ≤ y ≤ 0,05, M Barium und/oder Calcium, und 0,01 ≤ x ≤ 0,1.

2. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0015 ≤ y ≤ 0,025.

3. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 0,01 ≤ x ≤ 0,03.

4. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht außer den genannten drei Leuchtstoffen keine weiteren Leuchtstoffe umfaßt.

5. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leuchtstoff mit zweiwertigem Europium aktiviertes Strontiumaluminat umfaßt.

6. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leuchtstoff mit zweiwertigem Europium aktiviertes Bariumaluminat umfaßt.

7. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leuchtstoff mit zweiwertigem Mangan und dreiwertigem Gadolinium aktiviertes Cer-Magnesium-Pentaborat umfaßt.

8. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Cer-Magnesium-Pentaborat zusätzlich mit dreiwertigem Terbium aktiviert ist.