KR100497645B1 - 고압방전램프용전극구조및그제조방법 - Google Patents

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Abstract

중간부에 불룩한 부분을 갖는 발광 튜브로 구성된 밸브, 및 서로 대향하여 배치된 양극과 음극을 포함하며 높은 전류 입력을 유지하며 사용되는 고압 방전 램프용 전극의 구조에 있어서, 음극은 전자 방출 물질로 도핑된 높은 용융 온도의 금속으로 구성되며, 방전이 발생하는 쪽으로 테이퍼부를 가지며, 테이퍼부의 경사부는 테이퍼부에서 침탄처리를 거치며, 비처리 부분은 침탄처리부에 연속되는 테이퍼부의 선단부에 형성된다.

Description

고압 방전 램프용 전극 구조 및 그 제조 방법
본 발명은 높은 전류 입력을 유지하며 사용되는 고압방전 램프용 전극과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 용이하게 설계될 수 있고 안정적으로 장기간에 걸쳐 사용될 수 있는 전극의 구성과 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체에 배선하기 위해 패턴을 형성하는 경우에, 자외선을 조사하는 높은 입력의 방전 램프가 광원으로 사용된다. 그와 같은 방전 램프를, 예를 들어, 확대되어진 반도체 웨이퍼, 또는 액정 패널의 노출 부위와 축소되어진 노출 패턴에 적용하기 위해, 낮은 입력과 높은 입력이 교대로 반복되며 노출은 높은 입력 시에 수행되는 섬광 방식이 사용되는 것은 공지되어 있다.
또한, 짧은 아크형 수은 방전 램프가 축소된 노출 패턴에 적용되는 것이 제안되었으며, 이 램프는 좁은 1/2의 대역폭을 갖는 수은 발광 라인인 i선이 효과적으로 방출되도록 많은 전류와 방전 램프를 구성하는 감소된 양의 수은을 이용한다.
그러나, 종래의 방전 램프의 구조는 다음과 같은 단점들을 갖는다.
섬광 방식의 방전 램프 또는 많은 전류를 이용하는 방전 램프의 경우에, 음극이 방전 과정 중에 심한 손상을 입으며, 음극이 현저하게 소모되며, 음극의 소모로 인해, 방전 램프의 튜브 벽이 흑화된다. 게다가, 변형으로 인해, 양극과 음극 사이의 거리가 변화되며, 이에 의해 아크 방전의 위치가 변화되어 방전 램프로 사용될 수 없게 만든다.
더욱이, 섬광 방식에서, 음극과 양극 사이에서 방전된 아크의 세기가 크게 변화됨으로 인해, 결함을 갖는 노출이 발생되며, 아크의 불안정한 상태는 어렵게 조절될 수 있을 뿐이다. 더욱이, 아크를 안정되도록 조절하는데 사용되는 전력공급장치는 복잡한 구조를 가지며, 고가이다.
한 가지 방법이 독일 특허 출원 제 P 372327.1호로부터 공지되었으며, 이 방법에서, 예를 들면, 탄화물로 만들어진 다공성 막이 음극의 소모을 억제하도록 음극의 선단부로 갈수록 막의 두께가 점점 감소되는 방식으로 음극의 선단부를 제외한 음극의 일부를 덮고 있다. 그러나, 소정의 부위에서 음극을 처리하는 작업과 덮개에 흡수된 가스를 방출시키는 단계를 포함하는 이 방법은 상당한 노력이 요구되며, 그 작업이 복잡하다. 더욱이, 초기 방전 시작 시점에 탄화물로 피복된 음극의 피복물 부분으로부터 이상 방전이 관찰되었다. 이상 방전이 발생하면, 탄화물 피복물이 용융 비산된다. 이것은 탄화물을 방전 램프의 내측 유리면에 부착시키는 문제를 야기한다.
또한, 또 한 가지 방법이 일본 공개 공보 제4-137349호로부터 공지되었으며, 이 방법에서 탄소 분말이 음극 상에 탄화된 부분을 형성하도록 음극에 분산되어 가해진다. 그러나, 이 방법에서 탄소 분말이 음극으로 사용되도록 음극의 표면 상에 분산되어 가해진 상태에서 탄화가 이루어지므로, 음극의 표면 상에 형성된 탄소가 방전 램프의 발광 과정 중에 흩어지며, 역효과를 나타낸다. 음극 상에 부착된 탄소에 포함된 불순물(예를 들면, 탄소의 표면 상의 칼륨과 산화물들)들이 방전 램프의 사용 수명을 단축시킨다.
본 발명은 상술한 문제들을 해결하기 위하여 안출되었으며, 본 발명의 목적은 방전 램프가 다량의 전류를 사용하는 경우에도 전극의 소모와 손상을 가능한 한 최소한으로 억제할 수 있어 램프의 발광이 안정된 상태로 오랜 시간 동안 지속될 수 있는 고압 방전 램프용 전극 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 전극을 용이하게 제조할 수 있고, 전원의 제어부가 단순화될 수 있고, 탄소에 의한 처리가 방전 램프의 사용 수명에 역효과를 미치지 않고 수행될 수 있는 방전 램프용 전극 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 양극을 침탄처리함으로써 장시간 사용할 수 있는 고압 방전 램프용 전극 구조를 제공하는 것이다.
상기 문제들을 해결하는 본 발명은 높은 전류 입력을 유지하며 사용되는 고압 방전 램프용 전극 구조이며, 이 방전 램프는 중간부에 불룩한 부분을 갖는 발광 튜브로 구성된 밸브, 및 서로 대향하여 배치된 양극과 음극을 포함하며, 상기 음극은 전자 방출 물질로 도핑되며 높은 용융 온도를 갖는 금속으로 구성되며, 방전이 일어나는 쪽으로 테이퍼부를 가지며, 상기 테이퍼부의 경사부는 상기 테이퍼부에서 침탄처리를 거치며, 비처리 부분은 침탄처리부에 연속되는 테이퍼부의 선단부에 형성되어 있다.
음극은 테이퍼부와 이에 연속되는 실린더부로 구성될 수 있으며, 침탄처리부는 테이퍼부로부터 실린더부의 소정 부분까지 형성된다.
또한, 양극은 선단부에 비처리부, 및 상기 비처리부에 연속되며 침탄처리에 의해 형성된 침탄처리부를 포함하는 것이 유리하다.
침탄처리부는 탄소 분포가 변화되도록 형성될 수 있으며, 그리고/또는 금속 내부에 형성될 수 있다.
탄소처리부는 전극의 표면으로부터 소정 깊이로 형성된 탈탄부를 매개로 형성되는 것과 전극이 텅스텐으로 만들어진 경우에, 침탄처리부는 텅스텐 카바이드(W2C)인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 고압 방전 램프용 전극을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 다음 단계들을 포함한다. 그 단계들은:
흑연이 결합된 소결 매체를 포함하는 도포액을 방전 램프의 음극 또는 음극 및 양극에서 선단부를 제외한 부위에 가하고 상기 매체를 건조하는 제1단계;
불순물을 제거하기 위해 도포액에 포함된 불순물을 제거하기에 적합한 온도와 진공에서 도포액에 대한 예비 열처리를 수행하는 제2단계;
소결 매체를 전극 상으로 소결하기 위해 불활성 가스 내에서 도포액을 소결하기에 적합한 온도에서 도포액을 가열하는 제3단계;
소결된 도포액을 제거하는 제4단계; 및
침탄처리층을 원하는 깊이로 형성시키기에 적합한 침탄처리 온도와 진공에서 도포 매체가 제거된 전극을 가열하는 제5단계이다.
상기 제5단계는 침탄처리층을 원하는 깊이로 형성시키기에 적합한 침탄처리 온도와 진공에서 도포 매체가 제거된 전극을 가열하여, 이에 의해 전극 표면으로부터 소정 깊이로 탄소를 제거하는 단계와 표면 탈탄처리에 의해 형성된 탈탄부를 매개로 침탄처리부를 형성하는 단계로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예가 도면을 참조하여 설명된다.
도 1a는 고압 방전 램프의 전체 구성을 보여주는 전면도이고, 도 1b는 고압 방전 램프의 전극부가 연장된 전면도와 이의 부분 전단면도이다. 도 2는 다른 구현예에 따른 고압 방전 램프의 전극부를 보여주는 확대 전면도이다. 도 3은 또 다른 구현예에 따른 고압 방전 램프의 전극부의 주요부를 보여주는 도면이다. 도 4a와 도 4b는 각각 또 다른 구현예에 따른 고압 방전 램프의 전체 구성을 보여주는 전면도, 및 그 전극부를 보여주는 확대 전면도이다. 도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전극의 주요부를 보여주는 도면이다. 도 6은 방전 램프의 변동 계수를 보여주는 그래프이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 짧은 아크형 고압 방전 램프(1)은 밸브(2), 밸브(2) 내에 서로 대향하여 배치된 양극(3)과 음극(6), 및 밸브(2)의 양단에 제공된 체결구(clasp)(8)(9)로 구성된다. 본 발명에 따른 전극 구조에 적용될 수 있는 고압 램프들은 1,000W 내지 7,000W 범위의 높은 소비 전력을 사용하는 램프들이다. 이 구현예에서, 고압 방전 램프(1)의 소비 전력은 약 1,750W이다.
밸브(2)는 중간부에 불룩한 부분을 가지며, 발광 튜브(2a), 및 발광 튜브(2a)의 양측에 위치하여 실린더형으로 연장된 밀폐 튜브(2b)들로 구성된다. 밸브(2) 내에는 소정량의 수은이 포함되며, 상온에서 소정 압력을 갖는 불활성 가스가 포함된다. 또한, 밸브(2)의 발광 튜브(2a) 내에는, 양극(3)과 음극(6)이 일정 거리를 갖고 서로 대향하는 상태로 배치된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 음극(6)은 높은 용융 온도의 금속, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 및 그 합금으로 만들어지며, 원뿔형을 갖는 테이퍼부(6a), 테이퍼부(6a)에 연결된 실린더부(6b), 및 선단부를 제외한 테이퍼부(6a)를 침탄처리하여 형성된 침탄처리부(6c)로 형성된다. 금속 박(5)은 지지 부재(7)를 경유하여 실린더부(6b)에 연결되어 있다. 금속 박(5)은 전형적으로 몰리브덴으로 만들어 진다.
음극(6)은 이산화토륨과 같은 전자 방출 물질로 미리 도핑된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 음극의 침탄처리부(6c)는 테이퍼부(6a)의 직경과 무관하게 테이퍼부의 외측부(테이퍼부(6a)의 표면에 인접한 부분) 중 선단부를 제외한 부분에 탄소가 일정한 두께로 침투됨으로써 형성되고, 이로서 일정한 두께를 갖는 침탄처리층이 형성된다. 이와 같은 사항은 이하의 다른 실시예에서도 마찬가지이다. 상기 침탄처리층은 음극 내에 수 미크론 내지 수십 미크론의 두께로 형성된다. 음극(6)이 텅스텐으로 만들어지는 경우, 침탄처리부(6c)는 텅스텐 카바이드(W2C)로 구성된다.
비처리부(6B)의 길이는 전극에 가해지는 전력에 달려 있으며, 비처리부(6B)는 전극들 사이에 발생된 아크 방전으로 온도가 극도로 증가하는 부분이다.
여기서 사용된 "침탄처리"라는 용어는 전극의 금속 표면 상 또는 전극 금속 내의 탄소량이 증가되는 처리를 의미하며, 탄화된 층의 커버가 단지 전극의 표면에만 제공되며 종래 기술에서 설명된 탄화와는 구별된다. 음극 상 및/또는 음극 내에 형성된 침탄처리층의 깊이와 치수는 불순물이 음극의 표면에 흡수되거나 부착되는 것이 방지되는 한 특별히 제한되어서는 안된다.
음극(6)의 침탄처리부(6c)는 돌출부(6a)의 직경에 무관하게 일정한 두께로 형성된다.
침탄처리부(6c)를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들면, 다음의 방법이 적용될 수 있다.
[제1단계: 도포 매체를 가하고 건조하기]
알칼리 물유리 또는 세라믹과 같은 소결 매체에 혼합된 흑연을 갖는 도포 매체(액)는 비처리부(6B)를 제외한 테이퍼부(6a)에 가해지고, 그 다음 자연스럽게 건조된다. 물에 혼합된 소결 매체로서 규산 칼륨을 중량으로 약 10%를 갖는 물유리를 사용하는 것이 선호되지만, 세라믹과 같은 무기 물질이 소결 매체로 이용될 수 있다. 규산 칼륨의 사용으로 다음에 설명되는 소결 처리 중에 소결된 고체 물질을 효과적으로 분리해낼 수 있다.
[제2단계: 도포액을 예열하기]
결과적으로, 자연스럽게 건조된 도포 매체가 부착되는 음극(6)은 진공, 예를 들면, 5 × 10-5Torr의 감소된 압력에서 약 15분의 시간에 걸쳐 도포 매체에 함유된 불순물을 분리하기에 적합한 온도(예를 들면, 규산 칼륨을 중량으로 약 10%를 함유하는 상기에 언급한 물유리가 사용되는 경우에, 가스 제거를 위한 약 800℃)에서 가열된다. 이 단계에서 가열 온도, 및 진공도와 같은 가열 조건은 규산 칼륨이 함유된 경우 그 농도, 및 사용된 소결 매체의 종류와 농도에 달려 있다. 예열은 불순물을 분리해내도록 사용되는 도포 매체에 적합한 조건하에서 수행된다. 일반적으로, 예열은 600 내지 1,000℃의 온도에서 5 내지 30분 동안 수행되는 것이 바람직하다.
[제3단계: 소결 처리]
소결 처리는 아르곤(Ar)과 크세논(Xe)과 같은 불활성 가스 분위기에서 1,500 내지 1,700℃의 온도에서 15 내지 60분 동안 수행된다. 상기에 언급한 경우에, 불활성 가스는 함유된 불순물이 제거되는 도포 매체의 소결 온도가 되는 온도에 있게 된다. 이 경우, 열처리는 1,600℃에서 약 30분 동안 수행된다. 소결 온도와 소결 시간은 도포 매체에 달려 있으며, 소결은 소결 온도와 소결 시간이 사용되는 도포 매체에 적합한 조건하에서 수행된다.
[제4단계: 고체 물질의 제거]
상기와 같이 소결이 수행될 때, 음극(6)에 형성된 막은 고체 상태로 완전히 소결된다. 고체 물질은, 예를 들면, 쪽집게에 의해 음극(6)으로부터 완전히 벗겨지고 제거된다. 이 작업에서, 탄소는 음극(6) 내에서 약간 침탄처리된다.
[제5단계: 침탄처리]
마지막으로, 침탄처리되는 침탄처리부(6C)의 두께에 상응하여, 진공에서의 열처리가 수행된다. 이 경우, 침탄처리는 약 1,900℃의 온도에서 약 30분의 시간동안 도포 매체를 가열함으로써 수행된다. 이 침탄처리는 탄소가 확실하게 음극(6) 내로 분산되며 이에 의해 균일한 탄소 분포를 갖는 침탄처리부(6c)를 형성하거나, 또는, 표면으로부터 수 미크론 부분에 침탄처리부를 형성하며, 이와 동시에 표면용 도포 매체인 물유리가 완전히 제거될 수 있다.
침탄처리를 수행함에 있어, 침탄처리 층의 두께는 가열 온도와 가열 시간에 의해 제어될 수 있으므로, 침탄처리층의 두께는 원하는 두께로 제어될 수 있다. 결과적으로, 침탄처리는 안정된 방식으로 수행될 수 있다.
따라서, 탄소 침지부(6c)를 갖는 음극(6)을 포함하는 고압 방전 램프가 1,000W 이상의 높은 전류에서 사용될 때, 방전으로 인해 고온 상태에 있는 음극(6) 내에 형성된 토륨 원자는 입자계를 따라 분산되어 표면 상에 단일 원자층을 형성한다. 이 단일 원자층은 전기적 이중층을 형성하며, 이는 음극(6)의 표면의 작용 기능을 감소시킨다. 더욱이, 탄소 침지부(6c)의 위치에서, 토륨의 감소가 가속되며, 동시에, 토륨의 증류가 억제된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 음극(6)은 테이퍼부(6a)에 위치한 하나의 침탄처리부(6c) 및 연속적으로 형성된 실린더부(6b)에 위치한 다른 침탄처리부(6d)로 구성된다. 상술한 바와 같이 실린더부(6b) 상에 침탄처리부(6d)를 가짐으로써, 안정성이 개선되고, 이와 동시에 소모에 의한 손상이 최소한으로 억제된다. 즉, 침탄처리된 음극표면이 다공성의 상태가 되어 표면적이 증가되어 온도상승을 억제하여 음극소모와 손상을 억제하므로, 안정성이 개성되는 것으로 생각된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 침탄처리부(6c)가 탄소의 분포가 선단부 쪽으로 더 성기어 지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 침탄처리부(6c)와 선단부의 경계는 완전한 조화를 이루므로, 강도에서 탁월하며, 개선된 전기 저항과 열 전도도를 가지며, 훨씬 더 안정적으로 사용될 수 있는 고압 방전 램프가 얻어질 수 있다. 다시 말해서, 침탄처리부와 선단부 사이에 명확한 경계가 있는 경우에 양쪽 부위의 물리적 성질의 차이로 인해 고온과 상온 사이의 온도변화 등의 사용조건에서 균열이나 절단이 발생되지만, 탄소의 분포가 점진적으로 변화하는 경우에 이러한 균열과 절단 등이 억제되어, 실질적으로 강도를 우수하게 하는 효과르 얻게되어 사용수명이 연장된다. 또한, 음극을 텅스텐으로 제조한 경우, 음극의 침탄처리한 표면에 텅스텐 카바이드(WC와 W2C)가 형성되는데, 텅스텐 카바이드(WC와 W2C)는 텅스텐(W)에 비해 융점이 낮고, 전기저항이 높고, 전기전도율이 낮다. 따라서, 단면적이 점차 작아지는 음극의 선단부 쪽으로 성기게 침탄처리하는 것이 동일한 정도로 침탄처리하는 것에 비해, 선단부의 침탄처리부에서의 증발을 억제하여 안정성이 개선될 뿐만 아니라, 전기저항과 전기전도율도 개선된다.
도 3에 도시된 바와 같은 상태로 침탄처리부(6c)를 형성하기 위하여, 다른 농도의 흑연이 혼합된 소결 매체인 알칼리 물유리는 선단부를 제외한 음극(6)에 가해지며, 상술한 소결 공정은 반복된다. 침탄처리부(6c)에서 탄소 분포가 변화되는 구현예에서, 침탄처리부(6c)가 깊이 방향으로 갈수록 탄소 분포가 성기어지는 방식으로 또는 탄소 분포가 표면 쪽으로부터 순차적으로 성기고, 빽빽하고, 성기도록 설정되는 방식으로 침탄처리부(6c)를 구성하는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명의 다른 구현예가 도 4를 참조하여 설명된다.
고압 방전 램프(10)로는 소비 전력이 5KW인 짧은 아크형의 수은 증기 방전 램프가 도시되어 있다. 이 고압 방전 램프(10)는 석영 유리와 같은 자외선 통과 물질로 만들어지며, 중간부에 형성된 불룩한 부분(15)을 갖는 밸브(17), 불룩한 부분(15)의 양단에 위치한 밀폐 튜브(16)들, 및 발광 공간 내에 서로 대향하여 배치된 양극(13)과 음극(11), 등으로 구성된다.
체결구(8)(9)들은 밀폐 튜브(16)들의 단부들에 위치하며, 체결구(8) 또는 체결구(9)와 막대(11)(13)들 사이의 공간은 약 0.02mm의 두께를 갖는 몰리브덴 박(미도시)으로 연결된다.
밸브(17) 내에서, 수은과 불활성 가스로 작용하는 크세논 가스 또는 아르곤 가스가 혼합된다.
양극(13)은 텅스텐으로 만들어지며, 평평한 단부(19)의 중심에는 구형 오목부(20)가 위치한다. 예를 들면, 오목부(20)는 10mm의 직경과 2mm의 깊이를 갖는다. 양극(13)과 음극(11)사이의 거리는 4mm이다.
양극(13)의 측면 상에는 침탄처리를 거친 침탄처리부(13a)가 침탄처리부(13a)의 탄소 분포가 균일하게 되는 방식으로 형성된다. 음극(11)의 경우에, 침탄처리부(11c)는 선단부(11B)을 제외한 돌출부(11a) 상에 형성된다. 침탄처리부(11c)의 형성 방법은 도 1에서 설명된 것과 동일하기 때문에 설명이 생략된다.
도 1 내지 도 4에 도시된 구현예에서, 침탄처리부는 음극의 금속 표면으로부터 금속의 내부까지 형성된다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 침탄처리부는 금속 내부에만 있을 수도 있다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 침탄처리부(6c)는 금속 표면(26A)으로부터 거리 D 만큼 이격되어 형성될 수 있고, 비처리부(26B)는 음극(26)의 선단부에 형성된다. 침탄처리부는 음극(26)의 테이퍼부(26a)의 경사면을 따라 경사면 내부로 금속 표면(26A)으로부터 거리 D(예를 들면, 약 3μm)에 형성된다. 결과적으로, 침탄처리부(26c)는 전극의 표면(26A) 상에 노출되지 않는다.
이 경우에, 침탄처리부(26c)는, 침탄처리가 고온에서 긴 시간 동안(예를 들면, 약 2,000℃에서 60분 동안) 수행된다는 조건에서, 전술한 본 발명의 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 도 5에 설명한 구현예에서, 침탄처리부(26c)는 음극(26)의 테이퍼부(26a) 내에 형성되지만, 그러나, 또한 침탄처리부가 실린더부 내에 형성되며 그리고/또는 양극과 음극의 침탄처리부가 전극 금속 내에 형성되는 것과 같은 다양한 구현예가 가능한 것은 물론이다.
도 5에 도시된 바와 같이 음극(26)을 형성하는 경우에, 침탄처리부(26c)는 표면 탈탄처리에 의해 금속 표면으로부터 소정 깊이에 형성된 탈탄부(26c)를 매개로 형성될 수 있다. 또한, 음극(26)이 텅스텐으로 만들어진 경우에 침탄처리부(26c)는 텅스텐 카바이드(W2C)로 구성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 탈탄부(26e)는 금속 표면으로부터 깊이 "D"에 형성된다. 탈탄부는 텅스텐 카바이드(W2C)로부터 탄소(C)를 제거하는 표면 탈탄처리에 의해 형성된다. 표면 탈탄처리는 소정 시간보다 더 긴 시간 동안 더 높은 온도에서 침탄처리 과정을 수행함으로써 야기될 수 있다. 그와 같은 처리에 의해, 텅스텐 카바이드(W2C)의 일 성분인 탄소(C)가 금속 표면으로부터 거리 D로 침투한 위치로 스며들고, 그러므로, 금속 표면으로부터 거리 D의 범위 내에는 어떤 탄소(C)도 존재하지 않는다. 침탄처리부(26)에서 탄소 분포는 균일하거나 균일하지 않을 수 있다.
비처리부(26B)의 길이는 전극에 인가되는 전력에 달려 있으며, 비처리부(26B)는 전극들 사이에 생성된 아크 방전으로 인해 극도로 온도가 증가되는 부분이다(이 경우, 길이는 약 4mm이다).
실험예
본 발명은 이제 실험예들과 비교예들을 참조하여 설명된다. 그러나, 본 발명이 이에 국한되지 않는다는 것을 주목해야 한다.
실험예 1과 2, 및 비교예 1 내지 3
(전극의 제조)
직경 6mm와 길이 100mm를 가지며 중량으로 98%의 텅스텐과 중량으로 2%의 이산화토륨을 포함하는 실린더형 합금의 선단부는 음극을 형성하기 위하여 원뿔형으로 절삭된다. 중량으로 약 10%의 규산 칼륨을 함유하는 수성의 탄소 분산액은 음극에서 선단부로부터 3mm 내지 11mm의 위치에 도포되었고, 자연스럽게 건조시켰다. 건조 후에, 도포된 부위는 진공에서 수성의 분산액에서 가스를 제거하기 위하여 800℃의 온도와 진공도 5 × 10-5Torr에서 15분에 걸쳐 예열되었고, 그 후에 소결 처리가 약 1,600℃와 아르곤 분위기에서 30분 동안 수행되었다. 이 작업은 음극을 덮고 있는 필름을 소결하고 고체화시켰다. 이 고체는 쪽집게에 의해 음극으로부터 완전히 벗겨졌다. 이 처리에서, 탄소가 음극의 표면 상에 약간 침탄처리된 것이 관찰되었다. 침탄처리는 음극의 침탄처리가 표면에서 약 3μm 깊이까지 확실히 이루어지도록 약 1,900℃의 온도와 진공도 5 × 10-5Torr에서 30분 동안에 걸쳐 더 수행되었다. 이에 의해 침탄처리부를 갖는 실험예 1의 음극이 만들어졌다.
처리되지 않은 음극이 비교예 1의 음극으로 사용되었다.
처리되지 않은 음극이 비교예 2의 음극을 제조하기 위해 독일 특허 출원 P. 3723271.1에 설명된 바와 같이 처리되었다.
처리되지 않은 음극이 비교예 3의 음극을 제조하기 위해 일본 공개 공보 제4-137349호에 설명된 바와 같이 처리되었다.
(양극의 제조)
실험예 1와 비교예 1 내지 3에 관해서는, 순수 텅스텐으로 만들어진 양극이 사용된다. 실험예 2에서, 상술한 순수 텅스텐으로 만들어진 양극은 음극의 경우에서와 같이 침탄처리되었다.
(고압 방전 램프의 제조)
실험예 1과 2 및 비교예 1내지 3에서와 같이 제조된 음극들과 양극들은 도 1에 도시된 바와 같이 고압 방전 램프에 서로 대향하여 배치된다. 상술한 바와 같이 얻어진 고압 방전 램프들은 다음과 같이 시험되었다.
램프의 사용 수명, 도 6에 도시된 바와 같고 다음 식 1에 정의된 아크 강도에서의 변동, 초기 자외선 조도를 100%로 볼 때 수평 자외선 조도의 유지 비율, 및 자외선 배광 적산값의 유지 비율을 시험하기 위해 약 1,750W의 일정 전력이 고압 방전 램프에 연속적으로 입력되었다. 인가된 전류는 약 70A였다.
평균 아크 강도의 변동:
고압 램프로부터 방출된 빛은 아크의 강도에 비례하며, 이 빛은 몇 가지 변동을 포함한다. 변동의 정도는 도 6에 도시된 바와 같이 변화되고 바뀌어진다. 아크 강도의 평균은 "평균 아크 강도"로 정의되며, 평균 아크 강도의 변동은 다음 식 1에 의해 계산된다:
평균 아크 강도의 변동 = b/a × 100(%)
여기서, a는 평균 아크 강도를 나타내며, b는 아크 강도의 최대 변동폭을 나타낸다.
평균 아크 강도의 변동은 그 값이 낮아질수록, 방전 램프는 더 안정적으로 작동한다는 것을 보여주는 지표이다.
초기 자외선 조도에 대한 수평 자외선 조도의 유지 비율 및 자외선 배광 적산값의 유지 비율:
램프는 오랜 시간 동안 사용됨에 따라 더 어두워진다. 어두워지는 정도를 정량적으로 결정하는 방법으로, 초기 자외선 조도에 대한 수평 자외선 조도의 유지 비율 및 자외선 배광 적산값의 유지 비율이 사용된다.
초기 자외선 조도에 대한 수평 자외선 조도의 유지 비율은 램프의 노화를 보여주는 지표이며, 미사용 램프의 조도와 비교하여 사용된 램프가 수평 방향으로 조도를 어떻게 유지하는가에 의해 결정된 조도 유지 비율을 의미한다. 100%에 가까운 값이 더 좋다.
램프에서 방출된 빛은 수평 방향뿐만 아니라, 모든 방향으로 존재한다. 모든 방향으로 방출된 빛의 조도의 유지 비율은 자외선 배광 적산값의 유지 비율이라 칭한다. 예를 들면, 고압 방전 램프의 발광점이 타원 거울의 제1초점에 위치할 때, 방출된 모든 빛은 모아질 수 있다(집광 또는 광 집적으로 칭하여 진다). 자외선 배광 적산값의 유지 비율은 제2초점에 모아진 빛의 조도의 유지 비율을 의미한다. 이 경우에, 자외선의 파장은 자외선 배광 적산값의 유지 비율을 얻기 위하여 결정되었다. 이것은 100%에 가까울수록 더 좋다.
[표 1]
표 1로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 침탄처리된 음극을 사용한 고압 방전 램프는 종래의 음극을 사용한 램프들과 비교하여 현저히 긴 사용 수명을 가진 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 따른 전극들은 사용 수명의 과정 중에 안정적인 조도로 빛을 발할 수 있음을 나타내는 동시에, 본 발명에 따라 침탄처리된 전극들은 종래의 전극들과 비교하여 현저히 높은 유지 비율을 가진다. 특히, 본 발명에 따라, 음극과 양극을 모두 침탄처리하는 경우에, 그 효과는 현저한 것으로 밝혀졌다.
실험예 3과 4 및 비교예 4 내지 6
이 실험예들과 비교예들은 도 4에 도시된 5KW의 짧은 아크형 방전 램프용 전극들에 관련되어 있다. 음극이 중량으로 98%의 텅스텐과 중량으로 2%의 이산화토륨을 포함하며, 12mm의 직경과 100mm의 길이를 가지며 선단부가 원뿔로 절삭되었다는 것을 제외하고는 음극들은 실험예 1과 2 및 비교예 1 내지 3과 같이 처리되었다. 양극으로서, 직경이 10mm이고 깊이가 2mm인 오목부를 갖는 순수 텅스텐이 사용되었다. 실험예 3 및 비교예 4 내지 6에서, 양극은 처리되지 않았지만, 실험예 4에서 양극은 실험예 2에서와 같이 처리되었다.
실험예 3과 4 및 비교예 4 내지 6에서 각각 얻어진 음극과 양극은 도 5에 도시된 고압 방전 램프 내에 4mm의 거리를 갖고 서로 대향하여 배치되었으며, 약 40mg/cc의 수은이 램프 내에 포함되었고, 방전 전류는 100A였다. 램프 작동 조건은 실험예 1과 2 및 비교예 1 내지 3에서와 같이 시험되었고, 이들 실험예들과 비교예들에서와 같은 결과가 얻어졌다. 사용 수명은 음극만 침탄처리된 실험예 3에서 750시간이었고, 양쪽 전극이 침탄처리된 실험예 4에서 1,000시간이었고, 아무런 처리도 되지 않은 비교예 4에서 250시간이었고, 음극이 상기에 언급한 독일 특허 출원에 따라 처리된 비교예 5에서 400시간이었고, 음극이 상기에 언급한 일본 특허 출원 공보에 따라 처리된 비교예 6에서 400시간이었다.
실험예 5과 6 및 비교예 7 내지 9
이들 실험예들과 비교예들은 도 5에 도시된 바와 같이 구성된 1750 와트의 짧은 아크형 방전 램프의 구현예를 보여준다. 12mm의 직경과 100mm의 길이를 가지며, 중량으로 98%의 텅스텐과 2%의 이산화토륨를 함유하는 실린더형 합금의 선단부는 음극을 형성하도록 원뿔형으로 절삭되었다. 텅스텐 카바이드(W2C)로 구성된 침탄처리부(26c)는 금속 표면으로부터 거리 D(3μm)에 존재하는 탈탄부(26e)를 개재하여 형성된다. 실험예 5와 6에서 침탄처리부(26c)는 침탄처리 과정이 더 높은 온도에서 더 긴 시간 동안(이 경우 약 2000℃에서 60분 동안) 수행되었다는 것을 제외하고는 실험예 1과 2에서와 동일한 조건하에서 형성되었다. 비교예들에서, 표 2에 나타낸 음극들과 양극들은 비교예 1 내지 3에서와 같이 마련된다.
상술한 바와 같이 생산된 양극들과 음극들은 도 1a에 도시된 바와 같이, 고압 방전 램프에서 4mm의 거리를 가지고 서로 대향하여 배치되었다. 약 40mg/cc의 수은이 그 내부에 혼입되었다. 100A의 방전 전류가 흘려졌으며, 작동 상태는 실험예 1과 2와 비교예 1 내지 3에서 같이 시험되었다. 그 결과는 표 2에 표시되어 있다. 표 2로부터, 본 발명에 따라 침탄처리를 거친 음극을 사용한 고압 방전 램프가 종래의 기술에 따라 처리된 음극 또는 처리되지 않은 음극을 사용한 고압 방전 램프와 비교하여 현저히 긴 수명을 가진다는 것이 입증되었다. 또한, 표 2로부터, 본 발명에 따라 침탄처리된 전극들은 종래의 전극들에 비하여 수명 기간 동안 안정적인 조도를 가지며 빛을 낼 수 있음을 보이며 현저히 높은 유지 비율을 가진다는 것을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따라, 음극과 양극 모두를 침탄처리한 경우에, 그 효과는 훨씬 큰 것으로 밝혀졌다. 게다가, 실험예 1과 2와 비교하여, 실험예 5와 6은 작은 변동율, 초기 자외선 조도에 대한 높은 수평 자외선 조도 유지 비율, 및 자외선 배광 적산값의 유지 비율을 나타낸다. 이것은 침탄처리부(26c)가 탈탄부(26e)를 개재하여 배치된 음극을 구성함으로써, 금속 표면에 남아있는 불순물들이 확실하게 방지된다는 것에 의해 추론될 수 있다.
[표 2]
이들 결과들로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따라 침탄처리된 음극을 사용하는 고압 방전 램프는 탁월한 사용 수명을 가지며, 사용 수명 과정 중에 안정적으로 빛을 발한다는 것이 밝혀졌다. 특히, 양쪽 전극이 침탄처리된 경우에, 그 효과가 현저하였다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 유리한 효과를 가진다.
선단부를 제외하고 고압 방전 램프의 음극을 침탄처리함으로써, 방전 램프는 많은 양의 전류를 유지하면서 켜질 수 있을 때, 음극의 소모와 손상은 최소한으로 억제될 수 있다. 더욱이, 방전 램프는 안정적인 변동율(아크 안정성)을 가지고 장기간에 걸쳐 사용될 수 있다.
침탄처리부가 음극의 돌출부와 실린더부에 제공된 경우에, 방전 램프는 더 안정적인 변동율을 가지고 장기간에 걸쳐 사용될 수 있다. 아울러, 음극이 침탄처리를 거친 경우에, 많은 양의 전류가 흐르는 경우에도 방전 램프는 안정적인 변동율을 가지며 장기간에 걸쳐 사용될 수 있다.
침탄처리된 층은, 탄소 분포를 유지하거나 변화시키면서, 금속 표면과 연속되도록 또는 금속 표면으로부터 일정한 거리에 일정한 두께로 용이하게 형성될 수 있으므로, 침탄처리의 제어와 이의 조절은 용이하게 수행될 수 있다.
음극 또는 음극 및 양극의 하나 이상의 침탄처리부가 금속 내부에 위치하여 형성될 경우, 남은 불순물은 확실하게 방지된다. 금속 표면에 존재하는 탈탄부를 개재하여 전극 내의 위치에 형성된 침탄처리부인 텅스텐 카바이드(W2C)의 경우에, 전극의 흑화는 최소로 억제될 수 있으며, 동시에 방전 램프는 안정적으로 연장된 시간에 걸쳐 빛을 발할 수 있다.
더욱이, 소결되는 도포 매체를 사용하고, 도포매체를 제거하고 그 다음 침탄처리를 수행하고, 선택적으로 탈탄처리를 수행함으로써 탄소처리부가 음극과 양극 중 적어도 어느 하나에 형성되는 경우에, 음극의 소모와 손상이 최소한으로 억제되고 안정적인 변동율로 장기간에 걸쳐 사용될 수 있는 고압 방전 램프가 제조될 수 있다.
도 1a는 고압 방전 램프의 전체 구성을 보여주는 전면도이고, 도 1b는 고압 방전 램프의 전극부가 연장된 전면도와 이의 부분 전단면도;
도 2는 다른 구현예에 따른 고압 방전 램프의 전극부를 보여주는 확대 전면도;
도 3은 또 다른 구현예에 따른 고압 방전 램프의 전극부의 주요부를 보여주는 도면;
도 4a와 도 4b는 각각 또 다른 구현예에 따른 고압 방전 램프의 전체 구성을 보여주는 전면도, 및 그 전극부를 보여주는 확대 전면도;
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 전극의 주요부를 보여주는 도면; 그리고,
도 6은 방전 램프의 변동 계수를 보여주는 그래프이다.

Claims (11)

  1. 높은 전류 입력을 유지하면서 사용되며, 중간부에 불룩한 부분을 갖는 발광 튜브로 구성된 밸브, 및 서로 대향하여 배치된 양극과 음극을 포함하는 고압 방전 램프용의 전극 구조에 있어서,
    상기 음극은 전자 방출 물질로 도핑된 높은 용융 온도의 금속으로 구성되며, 방전이 발생하는 쪽으로 테이퍼부를 가지며, 상기 테이퍼부는 그 선단부를 제외한 외측부에 탄소가 침투된 침탄처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음극은 테이퍼부, 및 이에 연속되는 실린더부로 구성되며, 침탄처리부는 테이퍼부로부터 실린더부까지 형성되는 것을 특징으로 하는 높은 전류 입력을 유지하며 사용되는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 양극이 선단부에 있는 비처리부, 및 상기 비처리부에 연속되며 침탄처리에 의해 형성된 침탄처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 침탄처리부가 변화하는 탄소 분포를 가진 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 침탄처리부가 전극 금속 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  6. 제1항에 있어서, 탄소처리부가 전극의 표면으로부터 소정 깊이로 형성된 탈탄부를 매개로 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  7. 제1항, 제2항, 또는 제6항에 있어서, 전극이 텅스텐으로 만들어지고, 침탄처리부가 텅스텐 카바이드(W2C)인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  8. 흑연이 결합된 소결 매체를 포함하는 도포액을 방전 램프의 음극 또는 음극 및 양극에서 선단부를 제외한 부위에 가하고 상기 매체를 건조하는 제1단계;
    불순물을 제거하기 위해 도포액에 포함된 불순물을 제거하기에 적합한 온도와 진공에서 도포액에 대한 예비 열처리를 수행하는 제2단계;
    소결 매체를 전극 상으로 소결하기 위해 불활성 가스 내에서 도포액을 소결하기에 적합한 온도에서 도포액을 가열하는 제3단계;
    소결된 도포액을 제거하는 제4단계; 및
    침탄처리층을 원하는 깊이로 형성시키기에 적합한 침탄처리 온도와 진공에서 도포 매체가 제거된 전극을 가열하는 제5단계를 포함하여 구성되는 고압 방전 램프용 전극을 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제5단계는 침탄처리층을 원하는 깊이로 형성시키기에 적합한 침탄처리 온도와 진공에서 도포 매체가 제거된 전극을 가열하여, 이에 의해 전극 표면으로부터 소정 깊이로 탄소를 제거하는 단계와 표면 탈탄처리에 의해 형성된 탈탄부를 매개로 침탄처리부를 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극을 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 높은 용융온도의 금속은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 및 그 합금인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극의 구조.
  11. 제8항에 있어서, 상기 도포액은 규산 칼륨을 중량으로 약 10%를 함유한 물유리이고, 이때, 제2단계의 예비열처리는 5 × 10-5 Torr의 압력 하에서 600 내지 1,000℃의 온도로 5 내지 30분 동안 수행되고, 제3단계의 소결 처리는 불활성 분이기에서 1,500 내지 1,700℃의 온도에서 15 내지 60분 동안 수행되고, 제5단계의 열처리는 진공에서 약 1,900℃의 온도로 약 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 전극을 제조하는 방법.
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