Seibert, Volker (Freiherr-vom-Stein-Strasse 20, Ober-Olm, D-55270, DE)
Bürkle, Roland (Am Eselborn 15, Nieder-Olm, D-55268, DE)
Kassner, Reinhard (Kalandstr. 1A, Alfeld, D-31061, DE)
CARL-ZEISS-STIFTUNG trading as SCHOTT GLAS (Hattenbergstraße 10, Mainz, D-55122, DE)
Carl-zeiss-stiftung (Heidenheim an der Brenz, D-89518, DE)
Nattermann, Kurt (Am Sportfeld 12, Ockerheim, D-55437, DE)
Seibert, Volker (Freiherr-vom-Stein-Strasse 20, Ober-Olm, D-55270, DE)
Bürkle, Roland (Am Eselborn 15, Nieder-Olm, D-55268, DE)
Kassner, Reinhard (Kalandstr. 1A, Alfeld, D-31061, DE)
| 1. | Flächenstrahler mit einer Frontscheibe und einem Rückteil, wobei die Frontscheibe mittels Distanzelementen beabstandet zu dem Rückteil gehalten ist, wobei in dem Zwischenraum zwischen der Frontscheibe und dem Rückteil eine gasförmige Füllung eingebracht ist, die unter einem Druck steht, der geringer ist, als der atmosphärische Umgebungsdruck, und wobei wenigstens die Frontscheibe aus einem Glaswerkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontscheibe und/oder das Rückteil als zumindest bereichsweise thermisch oder chemisch vorgespannte Glasscheibe ausgebildet ist. |
| 2. | Flächenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, bei der die Viskosität des Glasmaterials der thermisch vorgespannten Frontscheibe und/oder des Rückteils 13,6 dPas beträgt (TG Temperatur) größer als 550°C ist. |
| 3. | Flächenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Wandstärke der thermisch vorgespannten Frontscheibe und/oder des Rückteils 1,5mm bis 2,1mm beträgt und/oder die thermische Vorspannung größer oder gleich 60MPa ist. |
| 4. | Flächenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Wandstärke der chemisch vorgespannten Frontscheibe und/oder des Rückteils gruger 0,5mm beträgt und/oder mit einer chemischen Vorspannung von mehr als 160MPa vorgespannt ist. |
| 5. | Flächenstrahler mit einer Frontscheibe und einem Rückteil, wobei die Frontscheibe mittels Distanzelementen beabstandet zu dem Rückteil gehalten ist, wobei in dem Zwischenraum zwischen der Frontscheibe und dem Rückteil eine gasförmige Füllung eingebracht ist, die unter einem Drucl< steht, der geringer ist, als der atmosphärische Umgebungsdruck, und wobei die Frontscheibe aus einem Glaswerkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontscheibe und/oder das Rückteil als Glasscheibe ausgebildet ist, die zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung bestehend aus einem duktilen Polymermaterial versehen ist. |
| 6. | Flächenstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als Film ausgebildet ist und aus einem Silikon, einem Polyurethanoder einem Polymermaterial ausgewählt aus der Gruppe der Ormoceren besteht. |
| 7. | Flächenstrahler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke größer 6, hum hat. |
| 8. | Flächenstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich zwischen 6, um und 50, um liegt. |
| 9. | Flächenstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anbindung der Beschichtung auf der Oberfläche der Glasscheibe ein Haftvermittler, vorzugsweise Dimethoxydmethylsilan oder Hexa methyldisliazan verwendet ist. |
| 10. | Flächenstrahler nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasscheibe zumindest bereichsweise thermisch oder chemisch vorgespannt ist. |
| 11. | Flächenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Frontscheibe und dem ebenfalls als Glasscheibe ausgebildeten Rückteil wellenförmige Distanzelemente angeordnet sind, wobei die Wellenlinie parallel zur Flächenerstreckung der Frontscheibe verläuft. |
Transmissive LCDs benötigen leuchtstarke Hintergrundbeleuchtungen mit homogener Leuchtdichte, geringer Dicke, niedriger Bruchrate bei Montage und Handling und mit hoher Langzeitfestigkeit. Die Forderung nach hoher und homogener Leuchtdichte und geringer Wärmeentwicklung erfüllen Entladungs- lampen mit einer Edelgasfüllung unter Unterdruck. Diese Lampen lassen sich auch als Flächenstrahler gestalten.
Die wesentlichen mechanischen Komponenten von solchen Flächenstrahlern sind die Front-und Rückscheibe und Distanzelemente, um die Front-und Rückscheibe auf Abstand zu halten. Front-und Rückscheiben aus Glas werden bevorzugt. Es ist bekannt, Rückscheiben aus Glas mit reflektierenden Schichten bzw. Folien zu versehen.
Es sind Flächenstrahler im Stand der Technik bekannt, bei denen der Ent- ladungsstrom durch"gefaltete"Kanäle zwischen Front-un Rückscheibe fließt, was eine Betriebsspannung von mehreren 100 V erfordert (Firmenschrift"Flat Candle Backlights Products for 4"Diagonal LCD"). Es sind auch Flächenstrahler bekannt, bei denen der Strom direkt von der Rück-zur Frontscheibe fließt. Solche Flächenstrahler werden für LCD-Anwendungen mit Betriebsspannungen von nur ca. 10 V betrieben.
Ein wesentlicher Nachteil von Flächenstrahlern mit einer Unterdruckfüllung ist die große Dicke und das hohe Gewicht. Die Dicke ergibt sich aus der Mindest- Entladungsstrecke und aus der Dicke der Glasscheiben für die Front-und Rückscheibe. Die Scheibendicke resultiert aus Festigkeitsanforderungen.
Stand der Technik sind Flächenstrahler mit ca. 2,5 mm dicken Front-und Rückscheiben, die durch Distanzelemente mit im Wesentlichen gleichmäßigen Abstand von 40 bis 50 mm auf Abstand gehalten werden. Fig. 1 zeigt in perspektivischer Sicht einen Schnitt durch einen bekannten Flächenstrahler, bei dem die Front-und Rückscheibe und paraliele, durchgängige, streifenförmige Distanzelemente zu erkennen sind. Es hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von dünneren Glasscheiben für die Front-oder Rückscheibe, z. B zur Gewichts- ersparnis oder zur Verminderung der Flächenstrahlerdicke folgende Probleme auftreten : -zu hohe mechanische Spannungen in den Scheiben -zu starke Durchbiegung der Scheiben zwischen Distanzelementen -Knicken, Umkippen oder Abreißen der Distanzelemente Als wesentliches Problem werden die mechanischen Spannungen in den Scheiben durch den atmosphärischen Außendruck angesehen. Die Zugspannung an den
Scheibenaußenflächen skaliert näherungsweise wie a x a (w/t) 2, wobei t die Scheibendicke und w den Abstand der Distanzelemente bezeichnet. Man sieht, dass man bei Verringerung der Scheibendicke auch den Abstand der Distanzelemente reduzieren muß. Man geht davon aus, dass bei einer Scheibendicke von t= 2,5 mm ein Abstand der Distanzelemente von wenigstens w= 40 bis 50 mm erforderlich ist, um die Zugspannung auf der Scheiben- außenfläche unter etwa 10 MPa (erwartete Dauerfestigkeit von Glas) zu halten. Bei einer Scheibendicke von 1,1 mm wäre also ein Abstand der Distanzelemente von weniger als 20 mm erforderlich. Dadurch entsteht ein höher Fertigungsaufwand und eine Verminderung der Lichtausbeute durch die vielen Distanzelemente. Diese Vermutung verhinderte bisher die Herstellung von Flächenstrahlern mit dünneren Front-oder Rückscheiben oder mit größerem Abstand der Distanzelemente.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Flächenstrahler der eingangs erwähnten Art eine Gewichtsreduzierung zu erreichen.
Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Frontscheibe und/oder das Rückteil als zumindest bereichsweise thermisch oder chemisch vorgespannte Glasscheibe ausgebildet ist.
Mit thermisch oder chemisch vorgespannten Glasscheiben lassen sich wesentlich größere Distanzelement-Abstände erreichen als bei den bekannten Flächen- strahlern. Tabelle 1 zeigt, welchen Höchstabstand für die Distanzelemente w in Abhängigkeit der Scheibendicke t erreicht werden kann und welche Oberflächen- druckvorspannung in den Glasscheiben mindestens (o\, imj erreicht werden muß.
Tabelle 1 ohne Beschichtung mit Beschichtung t (mm) w (mm) Qvlmin (MPa) Wmex (mm)vlmin MPa) 2,1 105 120 120 120 1,985 100 100 100 1,7 68 80 82 80 1, 5 52 60 65 60 Vorspannungen von mehr als 100 MPa in dünnen Glasscheiben lassen sich nur mit hochdehnenden Gläsern (thermischer Ausdehnungskoeffizienta20300> 7x 10-6 1/°C) oder in Gläsern mit einem hohen TG (TG > 550°C ; TG ist die Temperatur, bei der die Viskosität des Glases 10136dPas beträgt) erreichen. Die Verwendung von Gläsern mit hohem TG hat den weiteren Vorteil, dass dann die Flächenstrahler- körper bei den Fertigungsprozessen hohen Temperaturen ausgesetzt werden können. Gläser mit hohem TG werden deshalb bevorzugt. Dennoch ist das thermische Vorspannen von dünnen Glasscheiben sehr aufwendig.
Für niedrigdehnende Gläser bzw. für Scheiben mit einer Dicke von weniger als 1,5 mm zeigt thermisches Vorspannen nur noch wenig positiven Effekt. Für dünne Glasscheiben wird daher das chemische Vorspannen mit den an sich bekannten Verfahren bevorzugt.
Die Kombination chemisches Vorspannen und Beschichten mit duktilen Polymer- schichten führt dabei zu einer weiteren Festigkeitssteigerung. Das Beschichten muß nach dem Vorspannen erfolgen.
Mit chemisch vorgespannten Glasscheiben lassen sich wesentlich größere Distanzelement-Abstände erreichen als bei den bekannten Flächenstrahlern bei ausreichender Festigkeit der Flächenstrahler. Tabelle 2 zeigt, welcher Distanz- element-Abstand w in Abhängigkeit der Scheibendicke t erreicht werden kann und welche Oberflächendruckvorspannung in den Glasscheiben mindestens ((Jv1min) erreicht werden muß.
Tabelle 2 ohne Beschichtung mit Beschichtung t (mm) w (mm) #v1min(MPa) Wmax(mm) #v1min MPa) 1,5 95 200 105 200 1,3 81 200 89 200 1,1 70 200 76 200 0,9 55 200 61 200 0,7 42 180 46 180 0, 5 28 160 32 160 Es wurde gefunden, dass die Festigkeit der Flächenstrahler wesentlich erhöht werden kann, wenn man die Standfestigkeit der Distanzelemente dadurch erhöht, dass mann statt gerader Distanzelemente gewellte Distanzelemente verwendet.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, dass die Frontscheibe und/oder das Rückteil als Glasscheibe ausgebildet ist, die zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung bestehend aus einem duktilen Polymermaterial versehen ist.
Zur Beschreibung der Erfindung wird von Flächenstrahlern mit rechteckiger Grundfläche und gleichmäßiger Dicke ausgegangen, die Anleitungen dieser Erfindung können aber auch auf andere Flächenstrahlerformate angewendet werden. Daher werden diese in die Erfindung einbezogen.
Zur Beschreibung der Erfindung wird von parallelen streifenartigen Distanz- elementen ausgegangen, die parallel zu einer Flächenstrahlerkante durchgängig verlaufen. Die Anleitungen dieser Erfindung sind aber auch für beliebige Ausgestaltungen, insbesondere auf segmentierte Distanzelemente (Fig. 3) und Punkt-Distanzelemente (Fig. 4) oder gewellte Distanzelemente (Fig. 5) anwendbar.
Daher werden diese in die Erfindung einbezogen.
Es wurde gefunden, dass man auch mit Front-und Rückscheiben aus Glas mit einer Dicke von weniger als 2,5 mm eine ausreichende Festigkeit für Flächen- strahler erreicht, wenn man die Glasscheiben mit Kunststoffschichten laminiert.
Versuche zeigen, dass man durch Laminieren der als Front-und Rückscheibe verwendeten Glasscheiben auf der Außenfläche mit dünnen, duktilen Poiymer- filmen eine ausreichende Flächenfestigkeit von Flächenstrahlern erreicht. Dazu eignen sich dünne Beschichtungen aus Silikonen, Polyurethan oder Polymeren aus der Gruppe der Ormoceren. Silikonbeschichtungen werden wegen ihrer hohen Temperaturbeständigkeit (bis 200°C) und hohen Beständigkeit gegenüber vielen organischen Lösungsmittein und wäßrigen Lösungen bevorzugt.
Die Polymerfilme werden schon bei Schichtdicken ab ca. 6, um wirksam. Prinzipiell nimmt die festigkeitssteigernde Wirkung der Schichten mit wachsender Dicke zu.
AOb einer Dicke von 50, um ist diese Zunahme jedoch nicht mehr signifikant. Der Dickenbereich von 6 bis 50, um wird bevorzugt, weil dann die Elastizität des Verbundes nur wenig beeinträchtigt wird und der Schrumpf der Polymerfilme nur
zu geringen Spannungen in den Glasscheiben führt. Aus fertigungstechnischen Gründen kann dennoch die Aufbringung von dickeren Schichten, etwa bis 200, um, sinnvoll sein.
Zur Verbesserung der Haftung der meist unpolaren Polymere auf der polaren Glasoberfläche können zusätzliche Haftvermittler eingesetzt werden, die durch eine reaktive Verbindung von OH-Gruppen der Glasoberfläche mit ihren unpolaren Seitenketten eine unpolare Glasoberfläche mit guten Hafteigenschaften für unpolare, organische Polymere schaffen. Geeignete Haftvermittler sind z. B.
Dimethoxydimethyxsilan oder Hexamethyldisilazan.
Die festigkeitssteigernde Wirkung der Polymerbeschichtungen ist eigentlich eine Festigkeitskonservierung. Die Schichten verhindern, dass bei Transport, Montage oder Handhabung der Glasscheiben festigkeitsmindernde Mikrodefelcte in der Ober- flache der Glasscheiben entstehen. Diese Wirkung entfaltet sich daher insbe- sondere dann, wenn die Beschichtungen frühzeitig, bevorzugt unmittelbar nach dem Ziehen der Glasscheiben und stärker bevorzugt vor dem Schneiden der Glasscheiben (z. B. zum Konfektionieren von Scheiben auf Flächenstrahlermaße) erfolgt.
Mit den vorstehend beschichteten Glasscheiben lassen sich wesentlich größere Distanzelement-Abstände erreichen als bei den bekannten Flächenstrahlern, ohne dass deren Festigkeit sinkt. Tabelle 3 zeigt beispielhaft, welche Distanzelement- Abstände w in Abhängigkeit von der Scheibendicke t erreicht werden können.
Tabelle 3 t (mm) w (mm) 2,1 75 1,9 65 1,7 54 1,5 48 1,3 37 1,1 31 0,9 25 0,720 Eine vorteilhafte Variante kann sich ergeben, wenn die Polymerschicht bei einer Temperatur aufgebracht wird, die über der Betriebstemperatur des Flachenstrahlers liegt. Dadurch wird erreicht, dass die Polymerschicht auf der Scheibe unter permanenter Druckspannung steht und damit kratzfest wird.
Beschichtungen mit Polymerfilmen haben den Nachteil, dass die beschichteten Glasscheiben bei nachfolgenden thermischen Behandlungen keinen hohen Temperaturen mehr ausgesetzt werden dürfen. In der Regel muß die Temperatur deutlich unter 200°C bleiben. Diese Einschränkung ist inakzeptabel, wenn z. B. die Scheiben bei der Montage der Flächenstrahler verlötet werden müssen oder wenn im montierten Flächenstrahler Getterungen erfolgen müssen.
In diesem Fall kann man die Vorteile der Erfindung dadurch nutzen, dass man die Scheiben unmittelbar nach ihrer Herstellung mit einem abwaschbaren Schutzfilm
versiegeit. Dieser temporäre Schutzfilm wird vor den entsprechenden Temperatur- behandlungen abgewaschen. Danach erfolgt ggf. wieder eine temporäre Ver- siegelung oder gleich die Aufbringung der erfindungsgemäßen, permanenten Beschichtungen.
Versuche zeigen, dass man mit Scheiben ab 1,5 mm Dicke durch starkes Anblasen mit kalter Luft oder Tauchen in (51 oder ölüberschichtetes Wasser eine thermische Vorspannung erzielen kann, die die Festigkeit der Flächenstrahler wesentlich erhöht. Das thermische Vorspannen sollte nach dem Schneiden der Glasscheiben (z. B. zum Konfetkionieren von Scheiben auf Flächenstrahlermaße) erfolgen.
Die Kombination thermisches Vorspannen und Beschichten mit duktilen Polymerschichten führt zu einer weiteren Festigkeitssteigerung. Das Beschichten muß nach dem Vorspannen erfolgen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert : Ausführungsbeispiel 1 Die Rückscheibe eines an sich fertiggestellten und schon funktionsfähigen Flächenstrahlers wird nach dem letzten Ausheizprozeß mit dem zwei- komponentigen Silikonpolymer dünn besprüht, so dass eine durchgängige Benetzungsschicht entsteht. Die Schicht polymerisiert dann. Die Menge des verwendeten Silikonpolymers ist so eingestellt, dass sich eine Dicke der Polymerschicht von 40 bis 45, um ergibt.
Ausführungsbeispiel 2 Ein Flächenstrahler mit einem Format 320 x 360 mm soll eine 1,1 mm dicke chemisch vorgespannte Frontscheibe erhalten. Für die Frontscheibe wird das Glas D263 verwendet (Bezug : DESAG AG in Grünenplan). 1,1 mm dicke Scheiben aus diesem Glas werden für 16 h in ein 450°C heißes KNO3-Bad getaucht, um sie durch den"Na-K-Tausch"vorzuspannen. Dadurch wird eine Vorspannung von mehr als 230 MPa in einer 80, um tiefen Oberflächenschicht erzeugt. Es wurde beobachtet, dass durch die nachfolgenden Prozesse bei der Herstellung der Flächenstrahler ein Teil der Vorspannung wieder"ausgewaschen"wird als bleibender Wert wird aber eine Vorspannung von mehr als 200 MPa beobachtet.
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