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Georg Knebel «  Matthias Knoll »  Melanie Köhler
Matthias Knoll
On the mercury transport through metal oxide coatings in fluorescent lamps
Supervisor: Prof. Dr. Siegfried Horn [Experimental physics II]
Date of oral examination: 12/15/2008
english
Leuchtstofflampen (Energiesparlampen) sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz sowie ihrer langen Lebensdauer kommt ihnen eine Schlüsselstellung zu. Die Erzeugung sichtbaren Lichts basiert auf Leuchtstoffen, welche die aus einer Quecksilber-Niederdruckentladung generierte ultraviolette (UV) Strahlung in sichtbares Licht konvertieren. Der Einsatz des umweltbelastenden Quecksilbers zur Erzeugung von UV-Strahlung ist problematisch und daher ist eine Reduzierung der eingesetzten Quecksilbermenge wünschenswert. Ein Großteil des eingesetzten Quecksilbers wird während des Lampenbetriebs im Glaskolben gebunden und steht damit der Entladung nicht mehr zur Verfügung. Daher wird in kommerziellen Lampen eine sogenannte Schutzschicht - bestehend aus einem Metalloxid - zwischen dem Leuchtstoff und dem Glas aufgebracht, wodurch der Quecksilbertransport zum Glas verhindert wird. Im Rahmen der Arbeit wurde der Quecksilberverbrauch von Leuchtstofflampen, welche lediglich mit einer solchen Schutzschicht ohne Leuchtstoffbeschichtung versehen waren, systematisch untersucht. Dazu wurden sowohl Lampen mit verschiedenen Metalloxidbeschichtungen eingesetzt als auch Lampen mit verschiedenen Brenndauern, so dass einerseits der Einfluss des jeweiligen Metalloxids und andererseits die Zeitabhängigkeit des Quecksilberverlustes untersucht werden konnte. Verschiedene physikalische Methoden ermöglichten die Untersuchung sowohl der Oberfläche als auch die Analyse der gesamten Schichtdicke der eingesetzten Beschichtungen. Mit der Elektronenspektroskopie für chemische Analysen (ESCA) wurden Quecksilbertiefenprofile im Oberflächenbereich der jeweiligen Beschichtungen erstellt. Hierbei zeigten sich im oberflächennahen Bereich für die verschiedenen eingesetzten Metalloxide - Al2O3, Al2O3 + La2O3, La2O3, Al2O3 + Y2O3 - unterschiedliche Verläufe. Die Tiefenprofile konnten durch eine komplementäre Fehlerfunktion, welche aus den Fick'schen Diffusionsgesetzen hervorgeht, beschrieben werden. Allerdings führt eine solche Auswertung zu zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten. Die Menge des in diesem Oberflächenbereich gebundenen Quecksilbers liegt im Bereich von 0.01 - 0.001 mg. Dagegen zeigten Untersuchungen, welche die gesamte Schutzschicht und die Grenzschicht zwischen Schutzschicht und Glas erfassen, dass die Menge des gebundenen Quecksilbers im Bereich von einigen mg liegt. Insbesondere ist der überwiegende Teil des Quecksilbers in der Grenzschicht zwischen Metalloxid und Glas konzentriert. Daraus wird geschlossen, dass die Anreicherung des Quecksilbers sowohl an der Oberfläche der Beschichtung als auch in der Grenzschicht durch zwei unterschiedliche Transportmechanismen bedingt ist.