KR100205834B1 - 자외선 흡수 램프 유리 - Google Patents
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Abstract
특정 양의 세륨 산화물 및 철 산화물을 함유하는 UV 흡수 소다-석회 유리는 종래 기술의 유리에 사용된 것보다 현저히 감소된 양의 CeO2를 사용한다. 각각 0.02 - 0.1 wt.% 양의 세륨 산화물 및 0.02 - 0.06 wt. % 양의 철 산화물이 존재하고, 전형적으로 세륨 산화물 및 철 산화물의 조합된 전체 양은 0.13 wt. %이다. 이러한 유리는 램프에 의해 방출된 광의 컬러에 영향을 미치지 않고, 가시 광선은 투과하면서 280-320 nm 사이의 파장 범위를 갖는 UVB 방사선은 흡수하는 형광 램프 엔벨로프용으로 유용하다.
Description
제1도는 본 발명에 따르는 세륨 산화물 및 철 산화물을 함유한 소다 석회 램프 유리 엔벨로프(envelope)를 갖는 형광 램프를 개략적으로 도시한 도면.
제2a도 내지 제2d도는 고정된 양의 철 산화물 및 다른 양의 세륨 산화물을 함유하는 소다 석회 유리에 관한 파장 함수의 % 투과도를 그래프적으로 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 형광 램프 2 : 유리 엔벨로프
3 : 전극 4,5 : 내부 배선
6 : 유리 밀봉부 7 : 마운트 스템
8 : 베이스 9 : 유리 엔벨로프의 내벽
10 : 광투과 전도층 11 : 인광 물질층
본 발명은 램프 엔벨로프(envelope)로 유용한 UV 흡수 유리에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 320nm 이하의 UV 방사선을 흡수하고 유리내의 UV 흡수 재료로서 철 산화물 및 세륨 산화물 둘 모두를 함유하는 소다 석회 유리(soda-lime glass)에 관한 것이다.
아크 방전시 수은을 갖는 전기 아크 방전 램프는 인간의 눈, 직물, 플라스틱 및 다른 재료들에 해로운 파장 320nm 이하의 자외선(이하, "UV"라 함)을 방출한다. 이러한 램프들에는 형광 램프, 수은등 및 할로겐 금속 램프들이 포함된다. 수은등 및 할로겐 금속 램프와 같은 고강도 아크 방전 등에 관한 한, UV 방출은 UV 방사선을 흡수하는 렌즈들을 갖는 고정물내의 램프 및 램프를 둘러싸는 UV 흡수 재료를 함유한 외부 유리 재킷(jacket)을 사용함으로써 실질적으로 감소되거나 제거된다. 형광 램프에서, 램프 엔벨로프의 내벽에 인접한 1개 또는 그 이상의 형광체 층들과 유리내에 상대적으로 많은 양의 철 산화물을 함유하는 램프 엔벨로프의 조합물(combination)은 이들 램프들에 의해 방출되는 UV방사선을 주위 환경 또는 사람에게 해롭지 않은 만족스로운 레벨까지 충분하게 감소시킨다. 철 산화물은 280-320nm사이의 해로운 UVB 방사선을 포함하는 UV 방사선을 흡수한다. 그러나, 램프 유리내에 유효한 양의 철을 사용하면 유리를 다소 변색시키게 되어, 램프에 의해 방출되는 가시광을 감소시키고 광의 컬러에도 영향을 미친다.
렌즈, 절연체 및 램프 유리 엔벨로프와 같은 다양한 용도로 사용되는 UV 흡수 유리가 공지되어 있고, 티타늄 산화물, 세륨 산화물, 철 산화물, 바나듐 산화물 및 망간 산화물 등과 같은 여러 가지 양의 UV 흡수 물질이 포함된다. 많은 이들 재료들은 미합중국 특허 번호 제2,582,453호에 개시된대로 엷은 녹색 및 갈색 유리를 결과로서 발생시킨다. 바나듐 산화물 및 티타늄 이산화물과 함께 세륨 산화물의 조합물들이 형광 램프 엔벨로프용으로 사용되는 UV 흡수 소다 석회 유리에 유용하다고 미합중국 특허 번호 제2,862,131호 및 제3,148,300호에 개시되어 있다. 그러나, 유리내의 성분으로 바나듐을 사용하면, 바나듐 산화물이 착색된 안과용 렌즈용으로 제안된(미합중국 특허 번호 제2,582,453호) 녹색을 띤 황색 또는 황갈색 컬러를 갖는 유리를 생성시키게 된다는 자체의 문제가 나타난다. 바나듐은 또한 공지되어 있듯이 휘발성이므로 유리 제조 공정동안 주변 공기를 오염시키고, 고온 내열 벽돌의 표면에 결합되어 저 용융 슬래그(slag)를 형성하므로 내화 벽돌을 부식시키고 노(furnace)의 수명을 단축시킨다. 비록 세륨이 UV 방사선을 흡수하지만, 상대적으로 값비싼 재료이므로, 세륨이 특히 본 기술 분야에 개시된 양으로 사용될 때 램프의 비용을 현저히 증가시킬 수 있다. 따라서, 광원에 의해 방출된 가시광(전자기 스펙트럼 중에서 가시광 영역은 약 400-720nm)을 통과시키고, 동시에 아크 방전에 의해 방출되는 280-320nm 사이의 파장을 갖는 UVB 방사선을 제거하거나 실질적으로 감소시키는 램프 엔벨로프로 유용한 UV 흡수 소다 석회 유리에 대한 향상이 여전히 요구된다. 이러한 유리 합성물을 사용하면 램프 제조 비용을 크게 증가시키지 않는다는 장점이 있다.
소다 석회 유리에 특정 양의 철 산화물 및 세륨 산화물을 함유시키면, 유리가 컬러를 띠게 되어 램프에 방출되는 광의 컬러를 변화시키는 것 없이, 광원에 의해 방출되는 UVB 방사선을 여전히 실질적으로 감소시키면서 사용되는 세륨의 양을 감소시킬수 있음이 발견되었다. 그러므로, 본 발명은 세륨 산화물 및 철 산화물 양자 모두의 조합물을 유리 조성의 0.07-0.13wt %, 양호하게는 0.08-0.12wt % 사이의 범위로 함유하는 소다 석회 유리 및 이 유리를 램프 엔벨로프로 사용하는 것에 관한 것이다. 세륨 산화물의 양은 유리 조성의 0.02-0.1 wt %, 양호하게는 0.02-0.07 wt % 사이의 범위이다. 철 산화물의 양은 유리 조성의 0.02-0.06 wt % 사이의 범위이다.
본 발명의 UV 흡수 유리가 형광 램프용 램프 엔벨로프로서 특히 유용한 것이 발견되었다. 그러므로, 다른 실시예에서 본 발명은 아크 방전 광원을 그 내부에 둘러싸는 유리 엔벨로프 및 상기 램프 엔벨로프의 내면에 인접하게 배치된 적어도 1개의 인광 물질층을 포함하는 형광 램프에 관한 것이며, 상기 램프 엔벨로프는 상기 산화물의 각각이 상기 설정된 양으로 상기 유리내에 존재하는 세륨 산화물 및 철 산화물을 함유하는 소다 석회 유리를 포함한다.
제1도를 참조하면, 형광 램프(1)은 본 발명에 따른 소다 석회 유리로 제작된 가늘고 긴 용접 밀봉된 유리 엔벨로프(2)를 포함한다. 램프(1)은 유리 엔벨로프(2)안에 용접 밀봉된 전극(3)을 갖고 있다. 엔벨로프(2)는 비활성 이온화가능 가스(도시되지 않음)와 함께, 방전 유지 충진물(discharge-sustaining fill)인 수은을 함유한다. 전극(3)은 마운트 스템(mount stem)(7)내의 유리 밀봉부(seal)(6)을 통해 밀봉된 유리 엔벨로프의 양쪽 단부에 고정되고, 내부 배선(4 및 5)에 전기적으로 접속된 전기 접측 핀(13 및 14)를 포함하는 지지체(base)(8)의 전기 접촉부까지 연장된 내부 배선(4 및 5)에 접속된다. 불활성 가스는 영족 기체(noble gas)이고, 일반적으로 약 1-4 토르(torr)의 저압 이하의 아르곤 또는 아르곤과 크립톤(krypton)의 혼합물이다. 불활성 가스는 완충제(buffer) 또는 아크 전류를 제한하기 위한 수단으로서 작용한다. 엔벨로프(2)의 내벽(9)상에는, 주석 산화물 자체가 반도체 재료이기 때문에, 전형적으로 소량의 안티몬 또는 플루오르가 도핑(doping)된 주석 산화물로 구성된 광투과 전도층(10)이 배치된다. 전기 전도성 주석 산화물의 사용 및 그 응용 방법은 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 공지되어 있다. 그러나, 많은 형광 램프들에 주석 산화물의 층이 존재하지 않으며, 본 발명은 주석 산화물을 갖는 형광 램프들에만 제한되지는 않는다. 마지막으로, 인광 물질(phosphor)층(11)이 주석 산화물층(10) 상에 배치된다. 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 공지된 바와 같이, 칼슘 할로포스페이트(calcium halophosphate) 인광 물질과 같은, 1개의 인광 물질층 또는 다층의 여러 가지 인광 물질 및 여러 가지 인광 물질의 혼합물이 사용될 수 있다. 동작 시에, 전기 아크 방전이 전극들(3) 사이에서 발생되고, 이에 의해 수은이 이온화되어 UV 방사선을 방출한다. 아크 방전에 의해 방출된 UV 방사선은 인광 물질층(11)에 의해 가시광 방사선으로 변환된 다음 유리 엔벨로프(2) 밖으로 진행한다. 본 발명에 따른 UV 흡수 유리를 유리 엔벨로프(2)로 사용하면, 아크 방전에 의해 방출되어 인광 물질층(11)을 통과하여 유리 엔벨로프(2) 밖으로 진행하는 모든 UVB 방사선을 실질적으로 흡수한다.
다른 실시예에서, 본 발명의 UV 흡수 유리는 수은 아크 방전 램프 또는 할로겐 금속 방전 램프와 같은 UV 방사선을 방출하는 다른 광원에 대한 외부 재킷으로서 사용될 수 있다. 이러한 램프들에 대한 외부 재킷으로의 사용은 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 공지되어 있다.
본 기술 분야에 숙련된 자들은 일반적으로 소다 석회 유리가 본 발명에 실용될 수 있는 상대적으로 넓은 조성 범위를 가질 수 있음을 알고 있다. 대부분의 형광 램프 엔벨로프 제조에 사용되는 전형적인 조성은 배치(batch)로부터 계산된 대로 다음과 같은 무게비 퍼센트일 수 있다.
"어찌할 수 없는 (can't help it)" 불순물로서 원료로부터 배치로 도입된 안티몬 3산화물 및/ 또는 황 3산화물과 같은 소량의 청정제(refining agent)뿐만 아니라 TiO2와 같은 소량의 다른 물질들이 존재할 수 있다. 전형적으로, 이러한 소다 석회 유리는 0.03인치(0.0762cm) 유리 평판을 통과해 진행하는 UV 방사선을 360 nm 부근에서 시작하여, 340 nm 파장에서 약 5%, 307 nm에서는 50%, 287nm이하의 파장에서는 95%를 표시된 바와 같이 흡수하는 강한 UV 흡수 에지(edge)를 가진다. 그러므로, 280nm - 320nm로 나오는 UVB 방사선은 전부가 아니라 일부만이 이 유리를 통과한다. 유리의 철 산화물, 본 경우에는 산화제이철(Fe2O3)의 함유량은 일반적으로 유리 배치를 만드는데 사용된 조성들내의 철의 양에 의해 결정된다.
상기 산화물 조성에 해당되는 소다 석회 유리용으로 적당한 배치는 다음과 같은 중량부이다.
보다 고온 및 저온이 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 공지된 대로 사용될 수 있지만, 배치는 전형적으로는 1350℃ - 1450℃ 사이의 범위의 온도에서 용융된다. 또한, 배치는 산소 분위기(예를 들어, 대기)하에서 용융된다. 상기 배치에 의해 형성된 소다 석회 유리는 다음과 같이 분석된 중량 퍼센트의 조성을 갖는다.
SO3및 Sb2O3는 청정제이고, TiO2는 배치 원료들(ingredients)중의 1개내의 불순물이다. 본 발명의 유리에서는, TiO2의 존재 여부가 유리의 흡수 특성에 영향을 미치지 않는다.
소다 석회 유리의 4개의 개별 배치들은 0.034 wt. %의 Fe2O3를 함유하는 상기된 조성을 가지도록 만들어진다. 제1배치는 CeO2를 갖지 않는다. 제2배치, 제3배치 및 제4배치들은 각각 0.05 wt. %, 0.10 wt. % 및 0.20 wt.% 양의 CeO2를 가진다. 또한, 비록 세륨이 배치 조성에 기초한 CeO2로서 존재하지만, 유리내의 세륨의 원자가는 4+보다는 3+에 가깝다. 제2a도 내지 제2d도에는 30 밀(mils) 또는 0.03 인치(0.0762 cm) 두께의 평판을 사용한 이들 4개의 유리 배치들 각각의 퍼센트(%) 투과도가 파장 함수로서 도시되어 있다. 0.034%의 철 산화물을 함유하고 CeO2는 전혀 함유하지 않는 유리에서 일반적으로 280nm - 320 nm 사이의 파장을 갖는 현저한 양의 UVB가 유리를 통과하여 투과한다. 대조적으로, 0.034%의 철 산화물과 함께 0.05wt.%의 CeO2를 함유하는 유리는 280nm-320nm 사이의 파장을 갖는 현저한 양(예를 들어, 약75%)의 UVB를 흡수한다. CeO2의 양을 0.10%까지 증가시키면, 280nm - 320nm 사이의 파장을 갖는 UVB가 실질적으로 모두 유리에 의해 흡수된다. 세륨 산화물의 양을 0.20%에 이르도록 증가시키더라도, UVB 흡수의 증가는 발생되지 않는다. 철 산화물 및 세륨 산화물이 UVB 방사선 흡수에서 상호 보완된다는 사실에 주목하여야 한다. 따라서, 유리 배치에 부가되는 CeO2의 양은 시작 배치내의 철 산화물 또는 철 산화물 전구물질(precursor)의 분석에 의해 좌우되고, 철 산화물의 양이 증가하면 증가된 양만큼 세륨 산화물의 양이 작아지는 것이 요구되며, 동일한 양의 UVB 방사선 흡수를 달성할 수 있다. 따라서, CeO2및 Fe2O3의 총 조합된 양은 전형적으로 0.12%이고, 보다 전형적으로는 약 0.1%이하이다. 예를 들어, 설명을 목적으로 한 비제한적인 예로서, 상기 유리 조성들은 0.034wt.%양의 Fe2O3를 모두 가지므로 이러한 양의 철 산화물과 함께 만족스러운 양의 UVB 흡수를 달성하기 위해서는 0.05 wt. %의 CeO2양이면 충분하다는 것이 증명되었다. 만일 유리 배치가 0.06 wt. % 양의 Fe2O3를 가지면, 실질적으로 보다 적은 CeO2(예를 들어, 0.03wt.%)가 요구된다. 현재 순수 CeO2의 가격은 파운드당 약 4달러로 CeO2가 없는 유리 배치 조성보다 약 100배 비싸다. 그러므로, UV 흡수에 요구되는 세륨 산화물의 양을 감소시킨 본 발명의 중요성이 쉽게 인식될 것이다.
본 발명의 범위 및 취지를 벗어남이 없이 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 여러 가지 다른 변형이 쉽게 만들어 질 수 있음은 명백하다. 따라서, 본 명세서에 첨부된 특허 청구의 범위는, 상기된 기술에만 제한되지 않고, 본 발명에 귀속하는 모든 특허 가능한 신규성 특징을 포함하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에 숙련된 자에 의해 등가물로서 간주될 수 있는 모든 특징을 포함한다.
Claims (6)
- UV 방사선의 약 25% 이하의 투과도(transmission)를 갖는 소다 석회 유리 엔벨로프(soda-lime glass envelope) 내에 둘러싸인 가시 광선 및 상기 UV 방사선 양자 모두를 방출하는 아크 방전 광원(arc discharge light source)을 갖는 전기 아크 방전 램프(electric arc discharge lamp)에 있어서, 방출된 상기 UV 방사선 중 적어도 일 부분은 280 - 320 nm 사이의 파장을 갖고, 상기 소다 석회 유리는 주로 CeO2의 형태이며 상기 유리 조성(composition)의 0.02 내지 0.1 wt.%의 양으로 존재하는 세륨 산화물(cerium oxide) 및 주로 Fe2O3의 형태이며 상기 유리 조성의 0.02 내지 0.06 wt. %의 양으로 존재하는 철 산화물을 함유하는 전기 아크 방전 램프.
- 제1항에 있어서, 상기 유리 내에 존재하는 상기 세륨 산화물 및 상기 철 산화물의 조합된 양(combined amount)은 상기 유리 조성의 0.07 - 0.13 wt.%범위인 전기 아크 방전 램프.
- 제3항에 있어서, 상기 세륨 산화물은 상기 유리의 0.02 - 0.07 wt. %의 량으로 존재하는 전기 아크 방전 램프.
- 제4항에 있어서, 상기 유리 내에 존재하는 상기 세륨 산화물 및 상기 철 산화물의 상기 조합된 양은 0.08 - 0.12 wt.% 인 전기 아크 방전 램프.
- 소다 석회 유리 엔벨로프 내에 둘러싸인 280nm - 320nm 사이의 UV 방사선을 방출하는 수은 아크 방전 광원을 갖는 형광 램프에 있어서,상기 유리는,SiO265 - 75%Na2O 12 - 20%CaO 4 - 6%MgO 3 - 4%Al2O30.3 - 2.0%K2O 0.3 - 2.0%CeO20.02 - 0.1 %Fe2O30.02 - 0.06%인 중량 퍼센트(weight percent)의 산화물 조성을 포함하는 형광 램프.
- 제6항에 있어서, 상기 유리 내의 상기 세륨 산화물 및 상기 철 산화물의 상기 조합된 양은 0.07-0.13wt.%인 형광 램프.
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