KR100374234B1 - 쇼트아크형수은램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 램프의 벌브내 온도가 상승해도 탄탈이 불순가스를 충분히 흡수할 수 있는 쇼트아크형 수은램프를 제공하는 것으로써, 벌브(1)내에 수은과 희가스가 봉입되고, 상기 벌브(1)내에 각각 리드봉(4)(5)에 지지된 양극(2)과 음극(3)과, 상기 리드봉(4)에 탄탈(9)이 장착된 쇼트아크형 수은램프에 있어서, 상기 탄탈(9)이 장착된 리드봉(4)의 외경을 D1, 상기 양극의 외경을 D2, 상기 양극(2)의 선단으로부터 탄탈(9)의 아크측 단부(9a)까지의 거리를 L이라 했을 때, 이하의 요건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트아크형 수은램프

본 발명은 쇼트아크형 수은램프에 관한 것이다. 특히, 반도체 노광장치나 액정표시장치의 제조장치에 광원으로 이용되는 쇼트아크형 수은램프에 관한 것이다.

일반적으로, 쇼트아크형 수은램프는 발광관중에 한쌍의 전극이 짧은 간격을 두고 대향배치되며, 그 발광이 점광원에 가깝기 때문에 광학시스템과 조합되어 노광장치의 광원에 사용된다.

그러나, 전극은 점등중에 고온이 되므로, 발광관중에 산소나 탄산가스 등의 불순가스가 혼입되어 있으면 가장 고온이 되는 전극선단부에 산화물이나 탄화물이 생성되어 발광관 내부로 증발한다. 그리고, 증발한 물질이 발광관의 내면에 부착되어 흑화를 일으키며, 노광장치 등에서는 조사면에서의 조도의 저하를 초래한다. 또한, 전극의 선단부가 증발하여 변형됨으로써 아크휘점의 편차도 발생한다.

따라서, 발광관내의 불순가스를 흡수하기 위해 전극을 지지하는 리드봉에 게터를 장착하고 있다. 이 게터로서 적용되는 금속은 몇가지가 있으나, 현재 쇼트아크형 수은램프에 사용되는 것으로 대표적인 것은 지르코늄과 탄탈이다. 특히, 탄탈은 게터로서 기능하는 동작온도가 700~1200℃로 비교적 고온이며, 또 증기압이 낮기 때문에 발광관내의 온도가 고온이 되는 이러한 램프에는 가장 적합하였다.

그런데, 최근에는 노광장치의 소형화에 따라 수은램프도 소형화가 요구되고 있다. 이 요구를 만족시키기 위해서는 발광관내의 고온화는 피할 수 없으며, 탄탈이 게터로서 기능하는 온도범위 즉, 700~1200℃ 발광관 내부에 형성할 수 없게 되었다.

그래서, 본 발명은 발광관 내부가 고온화되어도 탄탈이 충분히 불순가스를 충분히 흡수할 수 있는 쇼트아크형 수은램프를 제공하는데 있다.

본 발명에 관한 쇼트아크형 수은램프는 발광관의 내부에 2개의 전극이 각각 리드봉에 지지되어 대향배치되며, 상기 리드봉에는 탄탈이 장착되어 이루어지고, 당해 리드봉의 외경을 D1(mm), 당해 리드봉에 의해 지지되는 전극의 외경을 D2(mm), 당해 전극의 선단에서 상기 탄탈까지의 거리를 L(mm)라고 하였을 때, 이하의 조건을 모두 만족시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄탈은 와이어형상 혹은 시이트형상이며, 용접 혹은 코킹에 의해 상기 리드봉에 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 각각의 리드봉은 각각 지지되어 있는 전극과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 탄탈이 게터로서 작용하는 한계의 온도, 구체적으로는 1300℃ 이상이더라도 특정한 조건하에서는 또 게터작용을 가지고 있음을 발견했다.

이것은 램프 자체가 지금까지 없는 레벨까지 소형화됨으로써 발광관내의 온도가 올라가서 그 이전에는 문제가 되지 않았던 탄탈의 온도범위가 다시 검토된 결과로 확인된 것이다.

그런데, 종래의 램프와 같이 탄탈을 리드봉에 장착하는 위치 등을 특별히 한정하지 않더라도 게터작용을 할 수 있다는 것은 아니며, 탄탈의 온도가 1300℃ 이상의 온도를 초과하는 경우에는 리드봉에의 장착위치나 전극과 리드봉의 관계가 중요하다는 것을 발견했다.

즉, 종래 게터작용을 할 수 있는 한계로 볼 수 있는 1300℃ 이상의 온도범위, 구체적으로는 1300~1700℃까지의 온도범위이더라도 그 사용형태를 연구함으로써 탄탈은 불순가스를 흡수할 수 있는 것이다.

여기서, 사용형태의 연구란, 첫째 전극과 리드봉의 외경비율을 한정하는 것이다. 이것은 전극에서 발생하는 열이 용이하게 리드봉에 전달되지 않도록 하여 리드봉의 온도가 더욱 비약적으로 상승하는 것을 억제하는 점에 있다. 구체적으로는 전극의 외경이 리드봉의 외경보다, 그 비가 1.3보다 큰 것이 필요하다.

또한, 이 조건에 추가하여 탄탈을 리드봉에 장착하는 위치를 규정한다. 구체적으로는 전극의 선단으로부터 탄탈의 아크측 단부까지의 거리를 L, 리드봉의 외경을 D1, 전극의 외경을 D2라고 했을 때,

0.2≤(D2/D1)²/ L≤0.5로 하는 것이다.

이 2개의 조건을 만족하도록 탄탈을 리드봉에 장착함으로써 그 온도를 1300~1700℃의 범위내로 안정시킬 수 있다.

청구항2에 기재된 구성에서는 탄탈이 와이어형상 혹은 시이트형상이므로, 램프의 제조 즉 전극의 조립이 용이하며, 또 취급도 간편해진다. 또한, 탄탈이 이와 같은 형상이면 리드봉에 고정할 때에는 리드봉에 감을 수 있어서 비교적 간단하게 장착된다.

또한, 고정방법은 용접이나 코킹이므로, 탄탈을 리드봉에 강고하게 고정하여그 위치가 어긋나는 일이 없다.

청구항3에 기재한 구성에서는 리드봉은 각각 지지되어 있는 전극과 일체로 형성되어 있으므로, 전극에 리드봉을 끼우는 경우와 달리, 전극과 리드봉의 간극이 없어겨서 불순가스의 잔류라는 문제가 없어진다.

이하, 도면을 이용해서 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

제1도는 반도체 노광장치 등의 광원장치에 조립된 본 발명의 쇼트아크형 수은램프의 설명도이다.

쇼트아크형 수은램프(A)의 벌브(1)는 대략 계란형이며, 벌브(1)내에 양극(2)과 음극(3)이 각각의 리드봉(4)(5)에 지지되어 있다. 이 리드봉(4)(5)은 각각 금속박(6)(7)에 접속된다. 또한, 벌브(1)에는 배기관 잔부(8)가 있으며, 탄탈 와이어(9)가 양극측의 리드봉(4)에 감긴다.

이 탄탈 와이어(9)는 리드봉(4)에 감긴 후에 스폿용접에 의해 강고하게 고정된 것이다. 또한, 탄탈은 와이어형상의 것에 한정되지 않으며, 시이트형상의 것을 내부리드에 감은 것이어도 된다.

이 램프(A)는 예를들면 소비전력 700W와 소비전력 1000W를 번갈아 반복하는, 소위 플래시 점등이 이루어지며, 소비전력 700W의 아이들링상태에서는 점등전압 44V, 점등전류 16A가 되고, 소비전력 1000W의 플래시상태에서는 점등전압 45V, 점등전류 25A가 된다. 램프(A)의 전극간 거리는 예를들면 2.9mm이며, 벌브내부용적은 예를들면 13.4cc이고, 그 내부에 예를들면 수은이 45.5mg/cc, 희가스로서 Ar이 200torr 봉입되어 있다.

다음에, 전극과 리드봉과, 그 리드봉에 장착된 탄탈에 대해 설명한다.

제2도는 제1도에 있어서의 램프(A)의 양극과 그것을 지지하는 리드봉과, 그 리드봉에 장착된 탄탈와이어를 장착한 설명도이다.

양극(2)의 형상은 외경 D2가 8mm, 선단부의 직경이 3mm이고 약 85도의 각도로 원추대형상으로 되어 있으며, 길이방향의 길이는 15mm이다. 이 양극(2)은 텅스텐으로 되어 있다.

리드봉(4)의 형상은 외경(D1)이 4mm이며, 텅스텐으로 되어 있으며 양극(2)과 일체로 형성된다. 즉, 리드봉(4)은 양극(2)과 동일물질로 이루어진다.

탄탈와이어(9)는 상술한 바와 같이 봉(4)에 장고하게 고정된다. 그리고, 아크측의 양극(2) 선단으로부터 아크측의 탄탈 와이어(9)의 단부(9a)(감기 시작한 단부)까지의 거리(L)는 15mm이다.

즉, 상기 D1, D2, L의 관계는 제1조건이 (D2/D1)≥1.3 및 제2조건이 0.2 ≤ (D2/D1)₂/ L ≤ 0.5를 만족하도록 설계되어 있다.

(실험1)

탄탈와이어의 온도와 게터효과의 관계를 조사하는 실험을 행하였다.

제3도는 점등 1000시간후의 방사조도 유지율(%)과 장착위치를 바꾸어서 탄탈와이어의 온도를 변화시켰을 때의 실험데이터이다. 이 실험에 사용한 램프는 제1도에 도시한 램프(A)와 같은 것이다. 탄탈와이어의 온도는 양극 선단부로부터 탄탈와이어의 아크측 단부까지의 거리(L)를 변화시키고, 그 아크측 단부의 온도를 탄탈와이어의 온도로 했다.

제3도에서 탄탈와이어의 온도가 1300~1700℃의 범위내에서는 점등 1000시간이 경과해도 방사조도 유지율이 95% 이상이며, 양호하게 벌브내의 불순가스를 포착하고 있는 것을 나타내고 있다. 그러나, 탄탈와이어의 온도가 1700℃를 초과하면 방사조도 유지율은 급격하게 감소한다.

즉, 탄탈와이어의 온도를 1300~1700℃의 범위로 규정하면 양호하게 게터작용을 행할 수 있다는 것을 알 수 있다.

(실험2)

탄탈와이어의 온도와 전극재료의 증발관계를 조사하는 실험을 행하였다. 그 결과를 제4도에 도시했다.

이 실험에서는 전극재료의 증발을 전극간 거리의 신장(단위 mm)으로 나타냈다. 이 실험에 사용한 2개의 램프는 탄탈와이어의 온도가 1500℃인것과 2000℃인 것이다.

탄탈와이어의 온도가 1500℃인 램프의 경우(곡선a), 점등후 2000시간이 경과하더라도 전극간 거리의 신장이 0.2mm 이하로써, 전극재료의 증발이 억제되고 있음을 알 수 있다. 한편, 탄탈을 와이어의 온도가 2000℃인 램프의 경우(곡선b), 점등후 2000시간이 경과하면 전극간 거리의 신장이 0.3mm 이상이 되어 전극재료의 증발이 심해지는 것을 알 수 있다.

즉, 이 실험에서도 탄탈와이어의 온도가 1500℃이면 탄탈은 벌브내의 불순가스를 양호하게 포착하여 전극재료의 증발을 억제한다는 것을 알 수 있다.

(실험3)

탄탈와이어의 온도와 경시적 방사조도 유지율(%)의 관계를 조사하는 실험을 행하였다. 그 결과를 제5도에 나타냈다.

이 실험에 사용한 2개의 램프는 실험2와 같은 탄탈와이어의 온도가 1500℃인 것과 2000℃인 것이다.

탄탈와이어의 온도가 1500℃인 램프의 경우(곡선a1), 점등후 2000시간이 경과해도 점등초기를 100%로 했을 경우 방사조도 유지율은 여전히 90% 이상으로 양호한 방사조도를 유지하고 있음을 알 수 있다. 한편, 탄탈와이어의 온도가 2000℃인 램프의 경우(곡선b1), 점등후 2000시간이 경과하면 점등초기를 100%로 했을 경우 방사조도 유지율이 90% 이하가 되어 조기에 수명말기 상태가 됨을 알 수 있다.

즉, 이 실험으로부터 명백한 바와 같이, 탄탈와이어의 온도가 1500℃이고, 그 온도가 1300~1700℃의 범위에 들어있으므로, 벌브내의 불순가스가 이 탄탈와이어에 의해 포착되어 전극재료의 증발을 억제하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 이 쇼트아크형 수은램프를 노광장치에 조립한 경우 노광면의 조도유지율이 향상된다.

이상, 본 발명의 쇼트아크형 수은램프는 전극과 리드봉의 외경비율 및 탄탈을 내부리드에 감는 위치를 규정함으로써, 탄탈의 온도를 1300~1700℃의 범위내로 끝낼 수 있어서 양호하게 게터작용시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 양극, 음극 어느쪽이든 상기한 소정의 조건하에 탄탈을 감음으로써 그 효과를 얻을 수 있다.

또, 본 발명은 램프의 소비전력이 500W~5KW인 수은램프에 있어서 널리 적용되는 것인데, 그 중에서 특히 램프의 소비전력이 1KW~2KW인 것에 바람직하게 적용된다.

또한, 본 발명은 실시예에서 설명한 대략 계란형의 발광관에만 한정되는 것이 아니라, 대략 구형상, 대략 럭비볼형상의 종래부터 존재하는 쇼트아크형 수은램프 일반에 널리 적용할 수 있다.

제1도는 본 발명에 따른 쇼트아크형 수은램프의 설명도이다.

제2도는 본 발명에 따른 쇼트아크형 수은램프에 있어서 리드봉에 탄탈을 장착한 상태를 나타낸 설명도이다.

제3도는 탄탈의 온도와 게터효과의 관계를 나타낸 도면이다.

제4도는 탄탈의 온도와 전극재료의 증발을 나타낸 도면이다.

제5도는 탄탈의 온도와 방사조도의 관계를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1: 벌브 2:양극

3:음극 4:리드봉

5:리드봉 6:금속박

7:금속박 8:배기칩

9:탄탈 와이어 9a:탄탈 와이어의 아크측 단부

Claims (3)

1. 발광관의 내부에 2개의 전극이 각각 리드봉에 지지되어 대향배치되며, 상기 리드봉에는 탄탈이 장착되고, 상기 리드봉의 외경을 D1(mm), 상기 리드봉에 의해 지지되는 전극의 외경을 D2(mm), 상기 전극의 선단에서 상기 탄탈까지의 거리를 L(mm)이라 할 때, 이하의 조건을 모두 만족시키는 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄탈은 와이어형상 혹은 시이트형상이며, 용접 혹은 코킹에 의해 상기 리드봉에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.
3. 제1항에 있어서, 상기 각각의 리드봉은 각각 지지되어 있는 전극과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은램프.