DE60022422T2 - Kurzbogen-Entladungslampe - Google Patents

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Description

  • Technischer Hintergrund der Erfindung
  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Kurzbogen-Entladungslampen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Kurzbogen-Entladungslampen, welche zur Belichtung von Flüssigkristallen, Farbfiltern und Druckträgern verwendet werden.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Kurzbogen-Entladungslampen sind wohlbekannt als Lichtquellen für eine Belichtung, welche beim Herstellungsverfahren von Flüssigkristallen, beim Herstellungsverfahren von Farbfiltern und beim Herstellungsverfahren von Druckträgern verwendet wird. Bei diesen Kurzbogen-Entladungslampen ist typischerweise Quecksilber in deren Leuchtröhren abgedichtet, so dass beim Betrieb das Quecksilber UV-Strahlung ausstrahlt, wie beispielsweise im Japanischen Patent Nr. 2-256150 gezeigt wird.
  • Zur ordnungsgemäßen Belichtung des Flüssigkristall-Substrats oder Farbfilters wird ca. 200 mJ UV-Energie benötigt. Anders ausgedrückt, bei einer Beleuchtungsintensität auf der Belichtungsfläche von 10 mW/cm2 dauert die Belichtung 20 Sekunden.
  • Folglich wurden Wege zur Verkürzung der Belichtungszeit als eine Methode in Betracht gezogen, um die Produktivität beim Belichtungsvorgang zu erhöhen. Das heißt, es wurde eine stärkere Lampe zur Ausstrahlung der UV-Strahlung gesucht, um die Beleuchtungsintensität auf der Belichtungsfläche zu erhöhen.
  • In den letzten Jahren geht der Trend hin zu größeren Flüssigkristallanzeigegeräten. Der Bedarf nach einer höheren Produktivität und niedrigeren Kosten haben somit dazu geführt, dass solche Mittel wie das Multi-Planfräsen unter Verwendung größerer Substrate verwendet werden. Das heißt, nachdem die Substrate größer wurden, hat auch die Belichtungsfläche entsprechend zugenommen, wodurch die Verwendung stärkerer Lampen zur Ausstrahlung der UV-Strahlung nötig wurde.
  • Für die Belichtung von Flüssigkristallen und Druckträgern wird UV-Strahlung verwendet, die als g-Strahlen, h-Strahlen und i-Strahlen bekannt ist. Die Intensität der von den Lampen ausgestrahlten UV-Strahlung wurde erhöht, indem große Mengen von Quecksilber in den Leuchtröhren abgedichtet wurden.
  • Gegenwärtig werden Lampen in der Klasse mit 8 kW als Lichtquellen zur Belichtung verwendet, bei welchen ca. 15 mg/cm3 Quecksilber in den Leuchtröhren abgedichtet wurde.
  • Für zukünftige Produktivitätserhöhungen oder Erhöhungen der Substratgröße wird es nötig sein, zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber in der Leuchtröhre abzudichten, um die Intensität des ausgestrahlten UV-Lichts zu verstärken.
  • Bei solchen Lampen, in welchen sich zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber befindet, muss der Lampe eine höhere Leistung zugeführt werden, um das gesamte Quecksilber in den Leuchtröhren zu verdampfen. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Anodentemperatur zu erhöhen, und der Stromfluss beträgt im Allgemeinen zumindest 50 A.
  • Andererseits wird die UV-Strahlung, welche von derartigen Kurzbogen-Entladungslampen ausgestrahlt wird, durch Spiegel und Linsen innerhalb der Belichtungsvorrichtung auf die Belichtungsfläche gebündelt. Daher ist es wünschenswert, dass der Lichtbogen-Leuchtfleck ziemlich klein ist, um eine gute Konvergenz der UV-Strahlung zu erzielen. Als Folge davon wird als strukturelle Maßnahme zur Verkleinerung des Lichtbogen-Leuchtflecks bei Entladungslampen der Abstand zwischen den Elektroden, zwischen der Kathode und der Anode, verkleinert.
  • Wenn zum Verdampfen der großen Menge Quecksilber, welches in der Leuchtröhre abgedichtet ist, die Eingangsleistung vergrößert wird, gibt es dennoch unvermeidlich einen großen Stromfluss zur Kathode, was entsprechend zu einer Temperaturerhöhung der Kathode führt.
  • Wenn man ferner zur Verkleinerung des Lichtbogen-Leuchtflecks den Abstand zwischen den Elektroden verkleinert, verkleinert sich auch der Raum, in dem sich die Energie konzentriert, was entsprechend die Kathodentemperatur noch mehr erhöht.
  • Ein Problem bestand daher darin, dass mit der Erhöhung der Kathodentemperatur die von der Lampe ausgestrahlte UV-Strahlung zu streuen beginnt, so dass das ausgestrahlte Belichtungslicht nicht gleichmäßig ist. Wenn die Kathodentemperatur sich erhöht, verdampft außerdem die Spitze der Kathode, und das Wolfram, aus welchem die Kathode besteht, haftet an der Innenwand der Leuchtröhre und schwärzt diese. Infolge aller dieser Faktoren wird die Menge der UV-Strahlung, welche durch die Leuchtröhre tritt, schnell reduziert und die Intensität der von der Kurzbogen-Entladungslampe ausgestrahlten UV-Strahlung fällt ab. Letztendlich muss die Kurzbogen-Entladungslampe sehr häufig ausgewechselt werden und bietet nur eine sehr kurze Lebensdauer.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe wird durch Anspruch 1 festgelegt.
  • Die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe vermeidet die Nachteile der vorstehend beschriebenen Entladungslampen. Die vorliegende Erfindung stellt eine Kurzbogen-Entladungslampe mit einer langen Lebensdauer und minimaler Streuung der von der Lampe ausgestrahlten UV-Strahlung bereit. Dies wird erfindungsgemäß erzielt durch eine Unterdrückung der Temperaturerhöhung der Kathode.
  • Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme schließt die Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eine Anode und eine Kathode ein, welche in einer Leuchtröhre einander gegenüberliegend angeordnet sind. In der Leuchtröhre sind ein Edelgas und zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber abgedichtet. Wenn die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe mit Elektrizität mit einem Stromwert von größer/gleich 50 A betrieben wird, beträgt das Verhältnis Y/X größer/gleich 500 (W/mm), wobei X festgelegt ist als der Abstand zwischen den Elektroden, zwischen der Anode und der Kathode, in Millimetern und Y festgelegt ist als die Eingangsleistung in Watt. Die Außenoberfläche der Kathode weist, die Spitze ausgenommen, eine Wärmeabgabeschicht aus gesintertem Wolframpulver auf.
  • Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Kathode auf einer Außenoberfläche, die Spitze ausgenommen, mit Rillen versehen sein und über den Rillen mit einer Wärmeabgabeschicht aus Wolfram.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung deutlicher ersichtlich werden, wenn diese in Zusammenhang mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Darstellung der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
  • 2 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Kathode gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, welches in der Kurzbogen-Entladungslampe von 1 verwendet wird.
  • 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Kathode gemäß einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
  • 4 ist eine diagrammatische Darstellung von Versuchsdaten, welche veranschaulichen, wie sich die Kathodentemperatur ändert bei Veränderungen eines Leistungswertes zwischen den Elektroden, mit einer und ohne eine Wärmeabgabeschicht auf der Kathode.
  • 5 ist eine diagrammatische Darstellung von Versuchsdaten, welche veranschaulichen, wie sich die Aufrechterhaltung der Beleuchtungsintensität ändert mit der Länge der Betriebsdauer bei erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampen und herkömmlichen Kurzbogen-Entladungslampen.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 1 veranschaulicht eine Kurzbogen-Entladungslampe 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche hier nachfolgend erläutert wird. Wie deutlich zu sehen ist, schließt die Kurzbogen-Entladungslampe 10 in diesem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Anode 2 und eine Kathode 3 ein, welche in einer vorzugsweise aus Quarzglas bestehenden Leuchtröhre 1 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Anode 2 und die Kathode 3 treten jeweils durch ihre Dichtung 4 hindurch und sind mit Stromzufuhr-Basen 5 elektrisch verbunden.
  • In der Leuchtröhre 1 kann eine gewisse Menge eines Edelgases wie beispielsweise Xenon, Krypton oder Argon abgedichtet sein. In der Leuchtröhre 1 ist auch Quecksilber abgedichtet, welches zur Erzeugung von UV-Strahlung verwendet wird. Die Anode 2 und die Kathode 3 bestehen vorzugsweise aus Wolfram, und wie in 1 bis 3 zu sehen ist, ist die Spitze der Kathode 3 kegelförmig, um die elektrische Entladung zu verbessern.
  • Um die Kathode 3 kann eine Wärmeabgabeschicht 6 vorgesehen sein, ausgenommen an deren Spitze in der gezeigten Art und Weise, um die Temperaturerhöhung der Kathode 3 zu unterdrücken. Die Wärmeabgabeschicht 6 kann aus Wolframpulver mit einer Dicke von 3,5 bis 5,0 μm bestehen, welches auf die Außenoberfläche der Kathode 3 gesintert wurde.
  • Konkreter ist, wie in 2 am deutlichsten gezeigt wird, die Wärmeabgabeschicht 6 auf einer Außenoberfläche der Kathode 3 gebildet, von einem Punkt, welcher von der Spitze 11 mit einem Abstand B entfernt ist, bis zur Rückseite 12 der Kathode 3. Der Außendurchmesser A beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann 15 mm betragen, und der Abstand B kann 5 mm betragen. Der Grund dafür, dass die Wärmeabgabeschicht 6 die Spitze 11 der Kathode 3 nicht bedeckt, liegt darin, dass eine solche Abdeckung die Lichtbogen-Entladung der Kathode 3 stören würde.
  • Da ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Kathode in 3 veranschaulicht wird, sind zur Klarheit die gleichen Teile mit den gleichen Nummern bezeichnet wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Wie deutlich zu sehen ist, schließt die Kathode 3, wie in 3 gezeigt wird, kreisförmige Rillen 31 ein, welche auf der Außenoberfläche der Kathode 3 gebildet werden, von einem Punkt aus, welcher von der Spitze 11 mit einem Abstand B entfernt ist, bis zur Rückseite 12 der Kathode 3. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass anstelle der kreisförmigen Rillen 31 die Kathode 3 alternativ mit einer spiralförmigen Rille (nicht dargestellt) auf der Außenoberfläche versehen werden kann. Der Außendurchmesser A beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann 15 mm betragen, der Abstand B kann 5 mm betragen und die Steigung der Rillen kann in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegen. Wie zu sehen ist, wird vorzugsweise eine Wärmeabgabeschicht 6, welche Wolframpulver mit einer Dicke von 3,5 bis 5,0 μm sein kann, über die Rillen 31 gesintert.
  • Durch ein Versehen mit derartigen Rillen, ob sie nun kreisförmig oder spiralförmig sind, kann man den Flächeninhalt der Wärmeabgabeschicht 6 vergrößern und hierdurch den Wärmeabgabeeffekt vergrößern.
  • In der Leuchtröhre 1 der erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe 10, wie in 1 dargestellt, ist zur Verstärkung der Intensität der ausgestrahlten UV-Strahlung auch eine große Menge Quecksilber abgedichtet. Konkret enthält diese vorzugsweise größer/gleich 15 mg/cm3, und kann, noch konkreter, ca. 25 mg/cm3 Quecksilber enthalten.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Menge des in der Leuchtröhre 1 abgedichteten Quecksilbers größer/gleich 15 mg/cm3 beträgt, ist wie vorstehend beschrieben wurde, eine große Leistungszufuhr nötig, um die Temperatur der Anode 2 zu erhöhen, damit das gesamte Quecksilber in der Leuchtröhre 1 verdampft. Folglich sollte der Strom, für den die Lampe ausgelegt ist, vorzugsweise größer/gleich 50 A sein.
  • Beim in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Kurzbogen-Entladungslampe 1 eine Eingangsleistung von 4300 W mit einem Nennstromwert von ca. 70 A aufweisen.
  • Wie in 1 zu sehen ist, kann außerdem der Abstand X zwischen den Elektroden, welcher der Abstand zwischen der Anode 3 und der Kathode 2 der Kurzbogen-Entladungslampe 10 ist, ca. 5 mm betragen, so dass der Leistungswert zwischen den Elektroden (festgelegt als die Eingangsleistung dividiert durch den Abstand zwischen der Anode und der Kathode) ca. 860 (W/mm) beträgt.
  • Verschiedene, hier nachstehend erläuterte Versuche wurden durchgeführt, um das Verhältnis zwischen dem Leistungswert zwischen den Elektroden (W/mm) und der Kathodentemperatur zu untersuchen. Unter Verwendung von Kurzbogen-Entladungslampen 10 des in 1 dargestellten Typs wurde ein Versuch durchgeführt, indem der Leistungswert zwischen den Elektroden verändert wurde durch Veränderung des Abstandes zwischen den Elektroden X und/oder der Eingangsleistung W, und indem Lampen mit und ohne Wärmeabgabeschicht über der Kathode 3 untersucht wurden, um das Verhältnis dieser Faktoren zur Kathodentemperatur zu untersuchen. Die Kathodentemperatur ist hierbei die Temperatur, welche an der Spitze 11 der Kathode 3 gemessen wird.
  • Das Versuchsergebnis wird in 4 gezeigt, wobei die Ordinatenachse die Kathodentemperatur darstellt und die Abszissenachse den Leistungswert zwischen den Elektroden (W/mm) darstellt. Zusätzlich zeigt die Kurve B von 4 das Kathodentemperaturverhältnis bei einer Kathode, welche nicht mit einer Wärmeabgabeschicht versehen ist. Wie zu sehen ist, erreichte die Temperatur der Kathodenspitze 11 ca. 2900 °C bei einem Leistungswert zwischen den Elektroden von 500 (W/mm). Es wurde ersichtlich, dass die Temperatur der Kathodenspitze 3 rasch ansteigt bei einer Zunahme des Leistungswertes zwischen den Elektroden (W/mm). Insbesondere, wenn der Leistungswert zwischen den Elektroden 500 (W/mm) überschritt, wies die Kathodenspitze 11 eine ausgesprochen hohe Temperatur von 2900 °C auf. Bei der Belichtung von Flüssigkristallsubstraten (nicht dargestellt) in diesem Zustand, trat eine Streuung der UV-Strahlung auf, welche von der Kurzbogen-Entladungslampe ausgestrahlt wird. Infolgedessen war die Belichtung der belichteten Flüssigkristallsubstrate ungleichmäßig.
  • In 4 stellt die Kurve A das Kathodentemperaturverhältnis bei einer Kathode dar, welche mit einer Wärmeabgabeschicht 6 auf der Kathode 3 versehen ist. Wie deutlich zu sehen ist, besteht die Tendenz, dass die Temperatur an der Spitze 11 der Kathode 3 mit der Erhöhung des Leistungswerts zwischen den Elektroden (W/mm) ansteigt, aber das Ausmaß dieses Anstiegs ist sehr gering im Vergleich zum Anstieg der Kurve B, welche eine Kathode ohne die vorstehend erläuterte Wärmeabgabeschicht darstellt.
  • Wie diese Ergebnisse deutlich machen, ist es möglich, die Wärme, die sich an der Kathodenspitze 11 aufbaut, abzugeben, indem eine Wärmeabgabeschicht 6 vorgesehen wird. Man kann somit die Temperatur der Kathode 3 selbst, und insbesondere der Kathodenspitze 11, welche die höchste Temperatur aufweist, wirksam unterdrücken. Infolgedessen ist die Streuung der UV-Strahlung, welche von der Kurzbogen-Entladungslampe ausgestrahlt wird, minimal, so dass bei Verwendung dieser Lampe als Lichtquelle in Belichtungsvorrichtungen die Belichtung von Flüssigkristallsubstraten oder von anderen behandelten Substanzen gleichmäßig ist.
  • Als nächstes wurde die Veränderung der Beleuchtungsintensität im Lauf der Betriebszeit bei Kurzbogen-Entladungslampen 10 des in 1 dargestellten Typs gemessen, sowohl mit als auch ohne Wärmeabgabeschichten 6 auf der Kathode 3. In 5 sind die Versuchsergebnisse dargestellt. In 5 stellt die Ordinatenachse den Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtungsintensität in Prozent (%) und die Abszissenachse die Betriebszeit in Stunden (h) dar.
  • In 5 ist die Veränderung der Beleuchtungsintensität bei einer Kurzbogen-Entladungslampe ohne Wärmeabgabeschicht durch die Kurve B dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, fiel die Beleuchtungsintensität nach einem Betrieb von 700 Stunden auf 77 % ab. Im Gegensatz dazu wurden die Änderungen der Beleuchtungsintensität bei einer Kurzbogen-Entladungslampe 10 mit einer Wärmeabgabeschicht 6, wie durch Kurve A gezeigt, nach einem Betrieb von 700 Stunden bei hohen 87 % Beleuchtungsintensität aufrechterhalten. Es wurde daher gezeigt, dass bei einem solchen Ausführungsbeispiel der Kurzbogen-Entladungslampe es selbst nach einer langen Betriebsdauer nur zu einem geringen Abfall der Beleuchtungsintensität kommt. Dies bedeutet folglich, dass die Kurzbogen-Entladungslampe eine lange Lebensdauer haben würde.
  • Die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe ist daher in der Lage, mittels der Wärmeabgabeschicht 6 Wärme von der Kathode 3 aktiv abzugeben, wodurch die Temperaturer höhung der Spitze 11 der Kathode 3 wirksam unterdrückt wird und ebenfalls das Verdampfen der Kathodenspitze 11 unterdrückt wird. Dementsprechend würde die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe 10 eine lange Lebensdauer haben und eine Schwärzung der Leuchtröhre 1 durch das Verdampfen der Kathode 3 unterdrücken können und würde eine hohe Beleuchtungsintensität auch nach einer lange Betriebsdauer aufrechterhalten.
  • Infolgedessen gibt die vorliegende Erfindung eine Kurzbogen-Entladungslampe an, welche die vorstehend erläuterten Nachteile vermeidet und für eine lange Lebensdauer bei minimaler Streuung der von der Lampe ausgestrahlten UV-Strahlung sorgt. Wie vorstehend erläutert, wird dies erreicht durch Unterdrückung des Temperaturanstiegs in der Kathode.
  • Obgleich verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben wurden, ist die Erfindung selbstverständlich nicht hierauf beschränkt. Die Erfindung ist daher nicht beschränkt auf die dargestellten und vorstehend beschriebenen Einzelheiten, sondern schließt auch alle solchen Änderungen und Modifizierungen ein, die innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen, wie sie durch die anhängigen Ansprüche festgelegt ist.

Claims (7)

  1. Kurzbogen-Entladungslampe (10), welche umfasst: eine Leuchtröhre (1), in welcher zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber abgedichtet sind; eine Anode (2), welche in der Leuchtröhre (1) angeordnet ist; eine Kathode (3), welche in der Leuchtröhre (1) angeordnet ist, wobei die Kathode (3) der Anode (2) gegenüberliegend angeordnet ist; und eine Wärmeabgabeschicht (6), welche im Wesentlichen die gesamte Außenoberfläche der Kathode (3) bedeckt, ausgenommen an der Spitze (11) der Kathode (3); wobei die Wärmeabgabeschicht (6) aus gesintertem Wolframpulver besteht und wobei ein Leistungswert zwischen den Elektroden, welcher durch ein Verhältnis X/Y festgelegt ist, zumindest 500 W/mm beträgt, wenn die Kurzbogen-Entladungslampe (10) mit Elektrizität mit einem Stromwert von zumindest 50 A versorgt wird, wobei X festgelegt ist als der Abstand in mm zwischen der Anode (2) und der Kathode (3), und Y festgelegt ist als die Eingangsleistung in Watt, mit welcher die Kurzbogen-Entladungslampe (10) versorgt wird.
  2. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die Wärmeabgabeschicht (6) eine Dicke in einem Bereich zwischen 3,5 μm und 5,0 μm aufweist.
  3. Kurzbogen-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Außenoberfläche der Kathode (3) eine Rille einschließt.
  4. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 3, wobei die Rille auf der Außenoberfläche der Kathode (3) eine Vielzahl von kreisförmigen Rillen (31) ist.
  5. Kurzbogen-Entladungslampe nach Anspruch 3, wobei die Rille auf der Außenoberfläche der Kathode (3) eine spiralförmige Rille ist.
  6. Kurzbogen-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Rille auf der Außenoberfläche der Kathode (3) eine Steigung in einem Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm aufweist.
  7. Kurzbogen-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in der Leuchtröhre (1) zumindest 25 mg/cm3 Quecksilber abgedichtet sind.
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