KR100522916B1 - 비대칭 전극을 갖는 무수은 ｈｉｄ 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비대칭 전극을 갖는 무(無)수은 HID(High Intensity Discharge) 램프에 관한 것으로, 특히 전극 쌍의 표면적 비율이 [100:92~100:98]로 비대칭이 되게 하여 전광선속 및 전류밀도를 높이고 개시 전류 및 개시 전압은 낮추면서도, 램프수명에 문제가 없도록 한 차량용 전구를 위한 HID 램프에 관한 것이다.

본 발명에 따른 비대칭 전극을 갖는 무수은 ＨＩＤ 램프는 석영유리로 이루어진 방전발광부; 상기 방전발광부에 봉입된 희가스와 발광물질인 메탈할라이드로 이루어진 충전물; 상기 방전발광부 양단에 노출된 한 쌍의 전극, 상기 전극과 각각 이어져 있고 밀봉부로 감싸인 몰리브덴박판, 그리고 상기 몰리브덴박판과 각각 이어져 있는 외부전류도입 리드선을 포함하는 전극조립체를 포함하여 이루어진 무수은 ＨＩＤ 램프에 있어서, 상기 전극조립체에서 전극의 표면적 비율은 [100:92~100:98]인 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는 상기 전극조립체에서 전극의 표면적 비율은 [100:95~100:97]인 것이, 램프의 밝기 향상을 위하여 바람직하다.

Description

비대칭 전극을 갖는 무수은 ＨＩＤ 램프{MERCURY FREE HID LAMP EQUIPPED WITH ASYMMETRY ELECTRODES}

본 발명은 비대칭 전극을 갖는 무(無)수은 HID(High Intensity Discharge) 램프에 관한 것으로,

특히 전극 쌍의 표면적 비율이 [100:92~100:98]로 비대칭이 되게 하여 전광선속 및 전류밀도를 높이고 개시 전류 및 개시 전압은 낮추면서도, 램프수명에 문제가 없도록 한 차량용 전구를 위한 HID 램프에 관한 것이다.

종래 HID램프의 방전발광부에 봉입되어 사용되는 발광물질인 메탈할라이드와 함께 사용되는 수은으로 인한 환경오염의 문제로 인하여 수은 함유 HID램프는 사양길에 있다.

환경문제 외에 수은 함유 방전램프의 또 다른 문제점은 수은 봉입에 따라 미량의 수산기가 불순물로 포함되는 것으로, 수산기는 고온에서 증기화된 수은과 반응하여 텅스텐 전극의 증발을 램프의 수명을 단축한다는 점에 있다.

이와 같이 HID램프의 개량에 있어 무수은램프의 개발과 함께 램프의 수명을 늘이기 위한 노력이 진행되고 있다.

본 발명이 목적으로 하는 비대칭 전극을 도입한 방전 램프와 관련된 종래기술로는 먼저, 대한민국특허공개 제2004-0070298호(2004.08.06) 『방전 램프』가 있다.

상기 공개특허는 서로 다른 직경 및/또는 소재로 이루어지며, 방전관에 노출된 헤드부와 밀봉된 샤프트부를 갖는 램프에 관한 것으로, 이를 통하여 전극의 타버림(burning off) 및 램프의 급상승(run-up) 거동을 개선하여 램프 수명 연장을 달성하는데 있다.

그러나 상기 공개특허는 대칭형 전극을 기본으로 하고 있어 본 발명과는 차이가 있다.

또 대한민국 특허등록 제0428960호(2004.04.13) 『쇼트아크형 방전램프』가 있는데, 상기 등록특허는 점등시 양극온도의 승온을 가능한 억제하고 양극부재의 조기증발로 인한 발광관의 내벽 흑화를 억제하기 위하여 양극 선단의 일부를 제와하고 노출된 텅스텐 소결층을 형성하여 양극의 표면적 증가와 방열 촉진 효과를 얻을 수 있도록 한 방전램프에 대하여 기재되어 있다.

상기 등록특허는 기본적으로 반도체 제조 중의 포토리소그래피 공정에 사용되는 쇼트아크 방전램프에 관한 것으로, 자외선 노광의 해상도 향상을 위하여 수은의 압력을 떨어뜨려 스펙트럼 폭을 좁히는 것이 필요함에 비하여, 수은 압력이 낮을 경우 전극간 전기저항 감소와 램프 전류가 증가되므로 인한 승온과, 이에 따른 양극 증발량 상승의 결과로 나타나는 램프 수명 단축의 문제를 해결하기 위하여 양극에 미립자화된 텅스텐 소결층을 형성하여 양극표면에 미세 요철부를 생성함으로써 양극 실효 표면적의 증가를 통한 열방사 증대와 이에 따른 양극 증발량 감소를 달성하도록 한 것이다.

그러나 상기 등록특허의 방전램프는 순수한(스펙트럼폭이 좁은) 436nm 또는 365nm 자외선의 얻기 위한 특정 용도에 맞게 개발된 것으로, 차량용 램프 등에서 필수 요소인 램프의 밝기 개선 또는 일정 휘도 보장과는 다소 무관한 것이다.

본 발명은 종래 방전램프가 갖는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이다.

이에 본 발명은 특정 표면적 비율을 갖는 비대칭 전극을 도입을 통하여 휘도 향상, 개시 전압 및 전류의 저하, 수명 향상에 이바지할 수 있는 HID램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 본 발명은 발광물질로써 특정 조성비를 갖는 메탈할라이드 조성물을 제공하여, 색좌표가 백색광원에 가까워 태양광에 보다 근접하게 된 HID램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비대칭 전극을 갖는 무수은 ＨＩＤ 램프는 석영유리로 이루어진 방전발광부; 상기 방전발광부에 봉입된 희가스와 발광물질인 메탈할라이드로 이루어진 충전물; 상기 방전발광부 양단에 노출된 한 쌍의 전극, 상기 전극과 각각 이어져 있고 밀봉부로 감싸인 몰리브덴박판, 그리고 상기 몰리브덴박판과 각각 이어져 있는 외부전류도입 리드선을 포함하는 전극조립체를 포함하여 이루어진 무수은 ＨＩＤ 램프에 있어서, 상기 전극조립체에서 전극의 표면적 비율은 [100:92~100:98]인 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는 상기 전극조립체에서 전극의 표면적 비율은 [100:95~100:97]인 것이, 램프의 밝기 향상을 위하여 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 1에 도시된 HID램프는 석영유리로 이루어진 방전발광부(10)와, 상기 방전발광부(10)에 봉입된 희가스와 발광물질인 메탈할라이드(H)로 이루어진 충전물, 상기 방전발광부(10) 양단에 노출된 한 쌍의 전극(21A)(21B), 상기 전극과 각각 이어져 있고 밀봉부(23A)로 감싸인 몰리브덴박판(23), 그리고 상기 몰리브덴박판과 각각 이어져 있는 외부전류도입 리드선(25)을 포함하는 전극조립체(20)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 방전발광부(10)는 수은을 대체한 할로겐화물을 사용하였을 때 발생하는 이중광원초점효과(양 전극 부근에 두 광원 형성)를 최소화하기 위하여 장병형의 원통구조를 갖고 있다.

상기 전극조립체(20)에서 전극(21A)(21B)은 타버림 현상을 최소화하기 위하여 고융점 재료인 텅스텐이 적합하다.

상기 몰리브덴박판(23) 역시 고융점 소재이고 고온에서의 소성변형으로 인하여 상기 방전발광부(10)를 이루는 석영유리와의 열팽창률 차이를 완충할 수 있는 밀봉부(23A)에 감싸여 있다.

또 상기 희가스는 Xe, Ar, Kr, Ne 중에서 선택되며, 실온에서 최소 4기압 이상을 유지하여야 한다.

본 발명에 따른 HID 램프의 핵심은 전극이 비대칭이라는 것이다. 일반적으로 전극의 면적이 좁을수록 전류밀도가 높고 개시 전압 및 전류가 낮으므로 유리하지만, 반대로 램프의 수명은 짧아진다는 단점을 갖는다. 그러므로 전극의 수명을 연장하면서도 전류밀도를 높이기 위한 많은 노력이 있어 왔고, 본 발명 또한 그 일환으로서 제안된 것으로, 특히 차량용 HID램프 분야에서 수많은 실험을 거치는 과정에서 완성된, 경험에 기반한 것이다.

앞서 설명한 특허등록 제0428960호에 기재된 방전램프에서 양극에 형성한 텅스텐 소결층이 단순한 표면적의 증가가 아니라 요철 형성에 의한 실효 표면적의 증가를 통한 방열효율 향상에 있는 것이어서 본 발명에 따른 비대칭 전극과는 출발 개념에서 차이가 있다.

이러한 비대칭 전극(21A)(21B)의 표면적 비율은 [100:92~100:98], 보다 바람직하기로는 [100:95~100:97]에 특징이 있다.

아울러 본 발명에서는 차량용 HID램프에서 표면적이 더 큰 상기 전극의 직경은 0.2~0.5mm이고, 두 전극 사이의 수평간격은 3~5mm인 것이어야 하는데, 이 또한 이중광원초점효과를 최소화하기 위한 것이다.

또 본 발명에 따른 HID 램프에서 수은의 대체와 함께 광원의 색좌표를 백색광원(5000K~6000K)에 위치하도록 하여 태양광에 근접하게 하기 위하여 발광물질로서 특정 메탈할라이드(H)를 제공한다.

상기 방전발광부(10)에 봉입되는 상기 충전물 중 메탈할라이드는 12족, 13족, 란탄족, Na 또는 Sc을 할로겐화하여 개별적으로 또는 조합하여 구성한 메탈할라이드인 것이 바람직하다.

보다 바람직하기로는 상기 메탈할라이드의 조성비가 [12족 또는 13족, 또는 이들 모두의 할라이드 10~20중량%], [란탄족 할라이드 60~85중량%], 그리고 [Na할라이드 및 Sc할라이드 5~20 중량%]인 것이 좋다.

이 경우 [Na할라이드:Sc할라이드]의 중량비는 [6:4] 내지 [7:3]인 것이 가장 바람직하다.

이러한 특정 조성비를 갖는 메탈할라이드 조성물로 인하여 자동차용 방전램프로서 적합한 백색광원과 전광 선속을 얻을 수 있고, 램프의 점등 전압을 45V(오차범위 ±15V) 정도로 유지할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 비대칭 전극을 갖는 무수은 HID 램프는 다음과 같은 실시예 및 실험예를 통하여 보다 명확하게 이해될 수 있다.

실시예: 자동차용 HID 램프의 제조

다음 표와 같은 재원의 자동차용 HID 램프를 제작하였다.

[표 1] 자동차용 HID 램프의 재원

구 성 요 소	재 원
방전발광부	소재: 석영유리형상: 회전타원체장축길이:6.0~7.0mm단축길이:5.0~6.0mm
전극 A	소재: 텅스텐형상: 단면이 원형길이:5.0~6.0mm직경: 0.3mm
전극 B	직경: 0.288mm(전극 A에 비하여 4% 작다)
전극 C	직경: 0.276mm(전극 A에 비하여 8% 작다)
전극 D	직경: 0.264mm(전극 A에 비하여 12% 작다)
충진가스	Xe, 4기압(실온)
발광물질	[(CdI,InI,TlI 혼합물):(CeI,NdI,DyI,TmI):NaI:ScI3]가 중량비로[15:70:10:5]※ 단, 12족 및 13족 혼합물의 자체 혼합 중량비는 [CdI:InI:TlI] = [25:50:25]이고, 란탄족 혼합물의 자체 혼합 중량비는 [CeI:NdI:DyI:TmI] = [25:10:50:15] 임.
전원	13.5V

제조된 방전램프에서 전극 쌍은 [A&B], [A&C], [A&D]를 각각 가지며, 이하의 실험예에서 비교예로서 전극이 [A&A]인 램프를 제조하였다.

실험예: 자동차용 HID 램프의 제조

상기 실시예에 따른 자동차용 HID 램프에 대하여 다음과 같은 전광선속 비교, 개시 전류 비교, 및 개시 전압 비교 실험을 행하여 본 발명에 따른 비대칭 전극 방전램프의 유리한 점을 확인하였다.

[표 2] 전광 선속(단위 : lm) 비교

구 분	1회 실험	2회 실험	3회 실험	4회 실험	5회 실험	평 균
전극 쌍 [A&A]	2947	2889	3104	3068	3159	3033
전극 쌍 [A&B]	3047	3116	3241	2964	2897	3053
전극 쌍 [A&C]	2978	2781	2907	3075	2798	2907
전극 쌍 [A&D]	2507	2907	2653	2810	2641	2703

[표 3] 개시 전류(단위 : A) 비교

구 분	1회 실험	2회 실험	3회 실험	4회 실험	5회 실험	평 균
전극 쌍 [A&A]	48.10	51.70	52.20	52.50	53.00	51.50
전극 쌍 [A&B]	44.70	43.40	33.30	36.10	34.40	38.38
전극 쌍 [A&C]	43.80	30.70	38.60	31.00	32.40	35.30
전극 쌍 [A&D]	30.50	31.10	38.70	32.30	31.50	32.80

[표 4] 개시 전압(단위 : kV) 비교

구 분	1회 실험	2회 실험	3회 실험	4회 실험	5회 실험	평 균
전극 쌍 [A&A]	27.34	26.41	26.48	27.42	24.45	26.42
전극 쌍 [A&B]	18.52	18.12	21.95	21.09	20.98	20.13
전극 쌍 [A&C]	19.78	22.61	17.89	18.62	20.76	19.90
전극 쌍 [A&D]	20.82	21.91	19.75	17.49	18.46	19.60

상기 표 2 내지 표 4에서 알 수 있는 바와 같이 전광선속과 개시 전류 및 전압 모든 면에서 전극 쌍 [A&B]인 것 즉, 단면이 원형인 전극의 지름 비율, 결국은 표면적 비율이 [100:96]인 것이 휘도와 개시 전력 부분에서 가장 우수한 것으로 밝혀졌다. 그러나 전극 쌍 [A&C]인 전극 지름 비율이 [100:92] 정도인 경우에도 전광선속과 개시 전력의 평균적인 유리함을 고려하여 볼 때 대칭된 전극 쌍을 갖는 램프에 비하여 우수하다 할 수 있으나, 상기 도 2에서 알 수 있듯이 램프 수명 면에서는 전극 쌍 [A&B]와 대칭된 전극 쌍 [A&A]보다 500시간 이후에 급격한 전광선속의 하락이 일어난다는 문제점이 발견되었다(도 2에서 X축은 시간(hour)을, Y축은 전광선속(lm)을 나타낸다).

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 비대칭 전극을 갖는 무수은 ＨＩＤ 램프는 특정 표면적 비율을 갖는 비대칭 전극을 도입을 통하여 휘도 향상, 개시 전압 및 전류의 저하, 수명 향상에 이바지할 수 있는 HID램프를 제공할 수 있으며, 또 발광물질로써 특정 조성비를 갖는 메탈할라이드 조성물을 제공하여, 색좌표가 백색광원에 가까워 태양광에 보다 근접하게 할 수 있다.

이상의 설명에서 무수은 HID램프와 관련된 통상의 공지된 기술을 생략되어 있으나, 당업자라면 이를 당연히 추측추론할 수 있을 것이다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면, 실시예, 그리고 실험예를 통하여 특정 구조와 재원을 갖는 HID 램프를 주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 HID 램프의 개략도,

도 2는 램프수명과 관련된 전광선속 비교그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 방전발광부 H: 메탈할라이드

20: 전극조립체 21A,21B: 전극

23: 몰리브덴박판 23A: 밀봉부

25: 리드선

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 석영유리로 이루어진 방전발광부;

   상기 방전발광부에 봉입된 희가스와 발광물질인 메탈할라이드로 이루어진 충전물;

   상기 방전발광부 양단에 노출된 한 쌍의 전극, 상기 전극과 각각 이어져 있고 밀봉부로 감싸인 몰리브덴박판, 그리고 상기 몰리브덴박판과 각각 이어져 있는 외부전류도입 리드선을 포함하는 전극조립체를 포함하여 이루어진 무수은 H I D 램프에 있어서,

   상기 전극조립체에서 전극의 표면적 비율은 [100:93~100:98]으로 이루어지며,

   표면적이 더 큰 상기 전극의 직경은 0.2~0.5mm이고, 두 전극 사이의 수평간격은 3~5mm이며,

   상기 충전물 중 메탈할라이드는

   12족, 13족, 란탄족, Na 또는 Sc을 할로겐화하여 개별적으로 또는 조합하여 구성한 메탈할라이드이며,

   상기 메탈할라이드의 조성비는

   [12족 또는 13족, 또는 이들 모두의 할라이드 10~20중량%], [란탄족 할라이드 60~85중량%], 그리고 [Na할라이드 및 Sc할라이드 5~20중량%]인 것을 특징으로 하는 비대칭 전극을 갖는 무수은 H I D 램프.
6. 제 5 항에 있어서,

   [Na할라이드:Sc할라이드]의 중량비는 [6:4] 내지 [7:3]인 것을 특징으로 하는 비대칭 전극을 갖는 무수은 ＨＩＤ 램프.