KR100538392B1 - 세라믹밀봉장치,이러한밀봉장치를구비한램프,및이러한장치의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PCA(polycrystalline alumina) 밀봉체를 사용하여 새로운 형태의 고밀도 방전(HID) 할로겐화금속 램프용 피이드스루우-플러그 부재를 제공하는 것이다. 램프 하우징의 구성은 PCA 밀봉체와 축선방향으로 경사진 알루미나-금속 서어멧 다층물(alumina-metal cermet mulyi-layers)로 이루어지며, 이러한 다층물은 열팽창계수의 불일치로부터 발생하는 열응력에 기인한 서어멧 또는 PCA의 균열을 제거하도록 특수 설계된 것이다. 충진물은 Na-Sc-I와 같은 할로겐화금속, 할로겐화희토류, Hg, Sn, 및 불활성가스을 포함한다. 직접 시일된 서어멧-피이드스루우와 PCA 용기 조립체는 할로겐화금속 램프가 보다 우수한 광속 출력, 색깔 온도, 및 CRI를 가지면서 높은 벽온도에서 작동되게 한다.

Description

세라믹 밀봉장치, 이러한 밀봉장치를 구비한 램프, 및 이러한 장치의 제조 방법{CERAMIC ENVELOPE DEVICE, LAMP WITH SUCH A DEVICE, AND METHOD OF MANUFACTURE OF SUCH DEVICES}
본 발명은 세라믹 밀봉장치, 그리고 이러한 밀봉장치를 구비한 램프에 관한 것이며, 보다 바람직하게는 단부가 세라믹형 플러그에 의해 폐쇄된 다결정 알루미나 밀봉장치를 구비한 할로겐화금속 램프에 관한 것이다. 특히, 열팽창계수가 점진적으로 변하는 부분 또는 영역 또는 층들을 구비한 하나 이상의 서어멧 플러그(cermet plug)를 갖는 장치에 관한 것이다. 고강도 방전(high intensity discharge ; HID) 할로겐화금속 램프는 효율을 개선시키고, 색 온도(color temperature)를 변화시키고 및/또는 광원의 연색성 지수(color rendering index, CRI)를 상승시키기 위해, 높은 벽 온도에서 작용하도록 구성된다. 일반적으로, 할로겐화금속 램프는 Na과 같은 하나 이상의 금속의 할로겐화물(특히 요오드화물 및 브롬화물)을 포함하는 충진물을 포함한다. 종종 Na는 Sc 또는 Sn과 조합하여 사용된다. 추가적인 첨가물은 Th, Tl, In, 및 Li 가 있다. 또한, 다른 형태의 충진물로는 Tm, Ho, 및 Dy와 같은 희토류 금속을 포함한다. 이러한 충진물을 포함하는 램프는 매우 바람직한 분광 특성을 가지는데, 즉 100 lm/W 이상의 효율, 약 3700 K의 색온도, 및 85 정도의 연색성 지수를 가진다. 어떤 할로겐화금속 첨가물은 낮은 증기압을 가지기 때문에, 용융된 석영 램프 밀봉체는 정상온도 이상에서 작용되어야 한다. 900 내지 1000 ℃ 이상의 벽온도에서, 램프의 수명은 할로겐화금속과 석영 유리로부터 제조된 벽 사이의 상호작용에 의해 제한된다. 석영 유리보다 높은 온도에서 작동될 수 있고 석영 유리보다 화학적 저항성이 큰 아크관(arc tube) 재료를 사용함으로써, 할로겐화금속을 함유하는 램프의 수명을 증가시킬 수 있다.
다결정 알루미나(PCA, polycrystalline alumina)는 고압 나트륨 램프용 나트륨 저항성 밀봉 재료이다. 다결정 알루미나는 석영 유리 보다 고온에서 작동될 수 있으며, 석영 유리 보다 높은 화학적 저항성을 가진다. 다결정 알루미나 용기는 알루미나 플러그에 의해 그의 단부가 폐쇄된다. 가스충진 시일링이 용융성 세라믹 또는 프리트(frit)으로서 언급되는 시일링 유리에 의해 달성된다. 그렇지만, 다결정 알루미나 밀봉장치 내에서의 할로겐화금속의 화학적 성질의 연구로부터 할로겐화금속과 프리트 또는 "할로겐화 저항성" 프리트 간의 반응이 수명을 현저하게 단축시킴을 알 수 있었다. 이러한 프리트의 한 예로는 CaO, Al2O3, BaO, MgO, 및 B2O3 성분을 기초로 한다. 결과적으로, 프리트를 사용하지 않는 시일 방법을 발견하는 것이 매우 바람직하다.
통상적으로, 다결정 알루미나는 니오븀으로 제조된 피이드스루우(feedthrough)를 사용하는데, 이는 그들의 열팽창계수가 유사하기 때문이다. 특히, 충진물이 할로겐화 희토류를 포함하는 경우, 니오븀 피이드스루우와 충진물이 반응하는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점은 플러그와 피이드스루우를 도전성 서어멧으로 제조된 플러그로 동시에 교체함으로써 다소 완화될 수 있다. 이러한 서어멧은 알루미나(아아크관 재료)와 할로겐화 저항성 금속재료인 몰리브덴 또는 텅스텐을 포함하는 복합 소결체이다.
힝(Hing) 등이 출원한 미국 특허 제 4,354,964호에는 도전성 알루미나-4 내지 40 부피%의 금속을 함유하는 금속(즉 텅스텐 또는 몰리브덴) 서어멧이 개시되어 있는데, 이는 할로겐화금속 고강도 방전 램프(metal halide HID lamp)의 다결정 알루미나 밀봉장치 내의 플러그 부재 또는 피이드스루우로서 사용된다. 서어멧은 내화금속봉(전극 또는 전선과 같은)을 구비한다. 이러한 금속봉은 서어멧체에 그린(green) 상태 또는 발화 이전(prefired) 상태에서 끼워지며, 서어멧을 고밀도로 최종 소결하는 동안 동시 발화된다. 이러한 서어멧을 다결정 알루미나 관과 결합시키는 방법은 개시되어 있지 않다. 서어멧과 다결정 알루미나 사이의 열팽창계수의 불일치 또는 서어멧과 텅스텐 또는 몰리브덴 전극 사이의 열팽창계수의 불일치는 동시에 제거될 수 없다. 이러한 열팽창계수의 차는 램프가 온-오프 작동될 때 다결정 알루미나 관 또는 서어멧, 또는 이들 모두에 균열을 발생시키고 누전을 일으킬 수 있다.
이즈미야(Izumiya) 등이 출원한 미국 특허 제 4,731,561호에는 한 단부가 동시 소결된 도전성 알루미나-몰리브덴 또는 텅스텐 서어멧으로 폐쇄된 다결정 알루미나 관을 개시하고 있다. 다결정 알루미나 관의 다른 단부는 프리트 시일된 서어멧으로 둘러 싸여 있다. 서어멧은 백-아킹(back-arcing)을 방지하기 위해 절연층으로 코팅된다.
가지하라(Kajihara) 등이 출원한 미국 특허 제 4,687,969호에는 도전성 서어멧 플러그 외에도 내부를 통과하여 안팎으로 돌출하는 피이드스루우를 갖는 비도전성 서어멧이 개시되어 있다. 다결정 알루미나 관의 한 단부는 동시소결 서어멧을 구비하며, 반면 다결정 알루미나 관의 다른 관은 프리트가 벗겨진 서어멧을 구비한다. 그렇지만, 플러그의 조성이 고정되고 방향 의존성이 아니기 때문에, 서어멧에서의 균열 발생은 방지될 수 없다.
이러한 모든 플러그는 그들의 열팽창계수가 둘러 싸는 부분(즉, 용기)과 실제로는 맞지 않는 문제점이 있다. 이러한 문제점의 해결책으로는 파트로우(Partlow) 등이 출원한 미국 특허 제 4,602,956호에 제안되어 있다. 여기서는 10 내지 30 부피%의 텅스텐 또는 몰리브덴과 나머지가 알루미나로 구성되는 코어와, 이러한 코어와 실질적인 동축선 상에 놓여 있으며 코어를 둘러 싸고 있는 다른 서어멧 성분을 갖는 하나 이상의 층을 포함하고 있는 서어멧 플러그가 개시되어 있다. 이러한 하나 이상의 층은 필수적으로 5 내지 10 부피%의 텅스텐 또는 몰리브덴과 나머지가 알루미나로 구성되어 있다. 이러한 서어멧 플러그는 "할로겐화 저항성" 프리트에 의해 아아크관의 단부벽에 밀폐식으로 시일되어 있다.
그렇지만, 도전성 서어멧 플러그는 미세한 구조를 가지기 때문에 장시간 동안 충분히 가스를 밀봉하지 못한다.
이에 대한 해결책으로는 보다 조밀한 구조를 갖는 비도전성 서어멧 플러그를 제공하는 것이다. 즉, 개별적인 금속 피이드스루우가 요구된다. 번크(Bunk) 등에게 허여된 미국 특허 제 5,404,078호에는 그의 단부가 예컨대 알루미나와 텅스텐 또는 몰리브덴으로 구성된 비도전성 서어멧 플러그로 폐쇄되어 있는 세라믹 용기를 구비한 고압력 방전 램프가 개시되어 있다. 특정의 실시예(도 9)에서, 서어멧 플러그는 다른 비율의 텅스텐을 갖는 동심 부분을 포함한다. 이들 부분들은 점진적으로 열팽창계수를 변화시킨다.
나까야마(Nagayama) 등에게 허여된 유럽 특허 제 650 184호에는 비도전성 서어멧으로 구성된 단부 플러그를 구비한 아아크관이 개시되어 있다. 서어멧 플러그는 축선방향으로 배열된 다른 조성층으로 제조된다. 플러그의 제 1층은 용기의 개방 단부에 일체적으로 부착된다. 금속 피이드스루우는 텅스텐계 봉이다. 피이드스루우와 마지막으로 축선방향으로 배열된 층 사이의 시일링은 다소 복잡한 기술에 의해 형성된다. 그 기술은 플러그의 마지막 층과 직접 접촉된 피이드스루우의 나사부와, 마지막 층의 외부면과 접촉된 외부 금속 디스크(플랜지)와, 플랜지와 마지막층의 외부면에 덮는 플라티늄 또는 유리 납땜물과 같은 밀봉제를 이용한다.
피이드스루우로서 역할하는 봉들 중 하나는 방전 용기내로 충진물을 충진시키기 위한 축선방향 구멍을 구비하고 있다.
에반스(Evans) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,155,758호의 도 14 에는 마찬가지로 축선방향으로 서서히 변하는(graded) 플러그가 개시되어 있다. 그러나, 그 플러그는 도전성 서어멧의 3개층으로 구성된다.
본 발명의 목적은 고압 방전 램프용, 특히 가스기밀 시일을 보다 장시간 지속할 수 있는 할로겐화금속 램프용 세라믹 밀봉 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이러한 장치로 제조된 램프를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 이러한 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
간략하게, 이러한 목적은 다음과 같은 특징을 갖는 세라믹 밀봉 장치에 의 해 달성된다. 즉,
- 제 1단부 및 제 2단부를 구비하며, 종방향 축선을 형성하고, 방전 체적부를 형성하는 반투명 세라믹관과,
- 세라믹관의 제 1단부를 폐쇄하는 적어도 필수적으로 비도전성인 제 1서어멧 단부 플러그와,
- 세라믹관의 제 2단부를 폐쇄하는 적어도 필수적으로 비도전성인 제 2서어멧 단부 플러그로서, 3부분 이상으로 이루어진 다층 구조를 갖는 제 2플러그와,
- 제 1플러그 및 제 2플러그를 각각 통과하는 제 1 및 제 2금속 피이드스루우로서, 각각이 내부 단부 및 외부 단부를 구비하며, 텅스텐, 몰리브덴, 및 레늄 그리고 그 금속들 중 둘 이상을 포함하는 합금으로 이루어진 금속 그룹 중 하나로 제조된 피이드스루우와,
- 제 1 및 제 2피이드스루우의 내측 단부에 각각 위치해 있는 두 전극을 포함하며,
- 다층 구조 플러그의 하나 이상의 부분(층)의 열팽창 계수가 아아크관의 열팽창계수와 피이드스루우의 열팽창계수 사이의 값을 가지며,
- 상기 다층 구조 플러그는 제 1 및 최종 부분(층)을 포함하고 서로 상이한 열팽창계수를 갖는 4개 이상의 축선방향으로 배열된 부분(층)을 포함하는 구성을 가지며, 제 1부분(층)은 방전 체적부에 대해 최내부에 위치하고, 최종 부분(층)은 방전 체적부에 대해 최외부에 위치하며,
- 다층 구조 플러그는 플러그의 최내부가 아아크관에 직접 소결되고 플러그의 최외부가 피이드스루우에 직접 소결되는 방식으로 아아크관과 피이드스루우 모두에 직접 소결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 인접하는 모든 부분들(관과 이에 관련된 피이드스루우를 포함) 사이의 열팽창계수의 차이는 1.0×10-6/K 미만이다. 이는 열응력과 균열을 최소화한다.
제 2피이드스루우는 통상적으로 관 또는 파이프이며, 이러한 제 2피이드스루우는 다층 구조물과 접촉하고 있다. 그렇지만, 분리된 충진물 보어가 사용될 때, 제 2피이드스루우의 다른 실시예는 바람직하게는 핀 또는 봉이다.
제 1피이드스루우는 (공지된) 단일구조 플러그와 조합된 봉일 수 있으며, 또는 제 2피이드스루우와 유사할 수도 있다. 따라서, 제 1플러그는 단일층 또는 다층 구조물일 수 있다.
상기 특징들은 다음과 같은 작용을 한다: 즉, 서서히 변화하는(graded) 서어멧 단부 플러그는 약간 상이한 열팽창계수를 갖는 부분 또는 영역 또는 층을 포함한다. 열팽창계수는 플러그의 최외부로부터 플러그의 최내부로 감소한다. 최외부는 방전 체적부로부터 축선방향으로 가장 멀리 떨어진 부분을 의미하며, 최내부는 방전 체적부로부터 축선방향으로 가장 인접한 부분을 의미한다.
최내부 영역은 알루미나 아아크관의 단부의 내벽 또는 분리된 알루미나 삽입 부재와 접촉하는 외측면(반경방향에서 볼 때)을 구비하고 있다. 최내부 영역의 열팽창계수는 알루미나 아아크관 또는 삽입 부재의 열팽창계수와 잘 매칭(matching)된다. 다른 한편으로, 최외부 영역의 열팽창 거동은 피이드스루우와 양호하게 매칭된다. 최외부 영역(반경방향 기준)의 내측면은 피이드스루우와 접한다. 플러그의 중간 부분은 최내부 및 최외부 영역의 열팽창계수의 차이를 점진적으로 연결시키는 전이 영역으로서의 역할을 한다.
바람직하게는, 모든 중간 부분이 피이드스루우와 접촉하는 것은 아니다. 이는 두가지 방법에 의해 달성될 수 있다. 그 첫 번째는 중간 영역의 내부 직경을 최외부의 직경보다 크게하는 것이다. 보다 양호한 방법은 모든 부분의 내부 직경(외부 직경)을 동일하게 제조하는 것이다. 그렇지만, 피이드스루우는 단지 외부 부분의 일부(3개 까지)만을 관통한다. 피이드스루우는 열적으로 적합하지 않는 내부 부분을 관통해서는 안된다.
다른 중요한 특징은 다층 구조물의 전체 길이가 가능한 한 짧아야 한다는 것으로(바람직하게는 5mm 이하), 이는 후에 균일한 밀도의 구조물이 얻어질 수 있기 때문이다.
상이한 영역에서의 상이한 특징은 서어멧을 준비하는 초기 단계에서 알루미나 분말에 상이한 양의 금속 분말(바람직하게는 텅스텐 또는 몰리브덴)을 혼합함으로써 달성된다. 놀랍게도, 몰리브덴 피이드스루우와 조합하여 텅스텐을 포함하는 플러그가 가장 양호하다.
여러 가지 방법으로, 상이한 열팽창계수를 갖는 플러그의 부분(층)들을 제공할 수 있다.
하나의 방법으로, 상이한 부분들의 조성이 제 1성분으로서의 알루미나와 제 2성분으로서의 금속, 바람직하게는 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함하도록 하는 것이다. 이들 부분들의 조성은 알루미나에 첨가된 금속의 비율이 상이하다.
다른 방법으로, 상이한 부분들의 조성이 예컨대 질화알루미늄 및 산화질화알루미늄과 같은 상이한 성분을 사용하는 것이다. 질화알루미늄의 열팽창계수는 주어진 값(예컨대 미국 특허 제 5,075,587호 참조)인 반면, 산화질화알루미늄의 열팽창계수는 그의 성분, 즉 알루미나와 질화알루미늄의 비율에 따라 달라진다. 이는 텅스텐 또는 몰리브덴 중 하나와 알루미나의 성분으로부터 제조된 서어멧과 유사하다.
바람직한 실시예에서, 플러그는 원통형 디스크와 같이 형성되고, 동일한 외부직경(가능한 한 최내부를 제외하고)을 가지며 축선방향으로 증가되는 열팽창계수를 갖는 동심 부분으로 제조된다.
플러그의 부분들의 열적 특성을 단계적으로 변화시키는 대신에, 플러그의 열팽창계수를 축선방향으로 매끄럽게 변화시킬 수도 있다. 이러한 실시예는 부분의 수를 무한대로 가정한 것이다.
바람직한 다른 실시예에서, 플러그는 중심 보어를 구비한 원통형 층상 구조물이다. 이러한 보어는 일정하거나 가변적인 직경을 가질 수 있다. 피이드스루우에 인접하는 최외층만이 피이드스루우와 가스 기밀 접촉되어 있다. 다른 층들은 피이드스루우로부터 떨어져 있다. 최내층의 외측면은 용기 단부와 접촉하고 있다.
이러한 실시예에서 모세관 현상을 피하기 위해, 피이드스루우와 플러그의 층들(피이드스루우와 접촉하는 최외부층을 제외한) 사이의 거리는 적어도 1mm인 것이 유리하다. 이러한 거리는 모든 층들에 동일할 수도 있다.
특히 중요한 것은 플러그의 최내층과 피이드스루우 사이의 거리인데, 바람직하게는 3mm 이상이다. 따라서, 이러한 공간 내에 전극을 설치할 수 있도록 한다.
유리한 구조물은 망원경형 다층 구조 플러그이며, 이때 부분들 또는 층들과 피이드스루우 사이의 거리는 최내부층으로부터 최외부층까지 단계적으로 감소된다.
특히 바람직한 실시예에서, 다층 구조 플러그는 내경 및 외경이 일정한 원통형 층상 구조물이다. 이는 4개 또는 5개 영역으로 구성된다. 피이드스루우는 최외부를 통과하고 이에 인접하는 중간 부분들을 통과할 수도 있지만 방전부에 인접하는 내부 부분들은 관통하지 않는 파이프이다. 최내부는 일반적으로 환형으로서 용기 단부 또는 세라믹 삽입 단부와 접촉하며, 용기와 유사하거나 동일한 조성을 갖는다. 다층 구조 구조물은 삽입 부재내에 통상적으로 0.5mm의 리셋스가 형성되어 있는 것이 유리하다.
축선방향으로 서서히 변하는 시일부 개념의 이점은, 플러그의 작은 부분만이 바람직하게는 최내층만이 아아크관의 단부에 위치하는 경우에, 시일부의 온도 부하가 최소화되고, 가스 기밀성이 최적화된다는 것이다. 선택적으로, 최내층은 아아크관의 단부내에서 완전히 둘러싸이거나 또는 일부분만이 둘러싸여진다.
최내층과 용기 단부 사이의 "시일부"의 길이는 0.8mm 이상이다. 전형적인 값은 1 내지 2mm이다. 유사한 시일부의 길이가 최외층과 피이드스루우 사이에서도 바람직하다.
본 발명의 서어멧은 금속 입자(바람직하게는 몰리브덴 또는 텅스텐)가 삽입되어 있는 알루미나 기질로 구성된다. 이들 입자들은 대략적으로 볼형태이다. 알루미나 기질과 금속 입자의 서로 상이한 열팽창계수의 거동이 중요한 특징이라는 것이 판명되었다.
텅스텐의 양을 함수로 한 알루미나-텅스텐 서어멧의 평균 열팽창은, 예를 들어 "Nerderlandse Keramische Verenigung(1977)"사가 출간한 세라믹 공학 제 9권 135∼142 페이지에 K.J de Vries이 쓴 제목 "조밀 소결된 서어멧 재료의 물리적 성질과 미세구조 사이의 관계"에 공지되어 있다. 따라서, 주어진 열팽창에 대해 요구되는 텅스텐의 비율이 결정될 수 있다.
현미경적 응력이 알루미나 기질내에서 텅스텐 입자들과의 계면에서 발생된다. 이러한 응력은 마이너리티 파트너(minority partner)의 크기가 감소함에 따라 감소된다. 마이너리티 파트너는 종종 분산질 또는 분산상으로서 언급된다. 일부 영역에서는 이러한 마이너리티 파트너가 알루미나이며, 다른 영역에서는 금속(텅스텐)이다.
따라서, 50 부피% 이하의 텅스텐을 함유하는 알루미나-텅스텐 서어멧의 경우에도, 매우 미세한 입자 크기의 텅스텐 분말이 바람직하다. 전형적인 평균 입자 크기는 0.6 내지 0.9㎛이다.
실제로, 알루미나 기질 내의 매우 미세한 텅스텐 입자를 제조하기 위해, 수용성 암모늄 텅스테이트(ammonium tungstate)와 같은 텅스텐 전구체(precursor)가 사용될 수 있다. 텅스텐 전구체는 물에서 용해되어 알루미나 분말과 혼합될 수 있으며, 하소(calcine)되어 미세한 텅스텐 입자로 변환될 수 있다. 이와 유사한 기술이 나노상(nanophase) WC-Co 복합 분말을 제조하는데 사용되었는데, 이는 L.E.Mc Candlish, B.K.Kim, 및 B.H.Kear 등이 1990년판 책명 "고성능 복합물" 의 227 내지 237 페이지에 기술한 제목 "화학적으로 처리된 나노상 WC-Co 복합물의 특성 및 성질(Characterization and Properties of Chemically Processed Nanophase WC-Co Composites"에 개시되어 있다.
반대로, 50 부피%보다 많은 텅스텐을 함유하는 알루미나-텅스텐 서어멧에 대해서는, 매우 미세한 알루미나 입자 크기를 얻기 위해 질화알루미늄과 같은 알루미나 전구체(수용성)가 사용될 수 있다. 전형적인 평균 입자 크기는 0.4 내지 0.9㎛이다.
(1) 분산상의 균일한 분포;
(2) 분산상의 미세 입자 크기;
(3) 균열 또는 뒤틀림이 없는 서어멧을 제조하기 위해 이웃하는 층들과 양립할 수 있는(compatible) 압분체밀도(green density)와 열 수축;
(4) 금속 피이드스루우와 서어멧 플러그 사이의, 그리고 서어멧 플러그와 PCA 아아크관 사이의 직접적인 결합을 형성하기 위한 압분체밀도와 열 수축 거동;
과 같은 특성을 갖는 서어멧을 제조하기 위해 적절한 시작 재료를 선택하는 것은 매우 중요하다.
이러한 서어멧 플러그의 전형적인 치수 범위는,
- 외경 : 3.0 내지 4.0mm(제 1부분이 더 큰 직경을 가지는 경우)
- 축선방향을 따라 서서히 변하는 플러그의 전체 길이 : 10mm 까지, 바람직하게는 5mm 까지이다.
최내측 영역의 축선방향 두께는 1.0 내지 3.0mm 가 바람직하다. 최외측 영역을 포함하는 각각의 중간 영역의 축선방향 두께는 바람직하게는 0.3 내지 1.5mm이다.
피이드스루우는 바람직하게는 관형이다. 피이드스루우는 다음과 같은 범위의 치수를 갖는 관이다.
- 0.9 내지 1.6mm의 외경
- 0.6 내지 1.2mm의 내경
- 10 내지 15mm의 전체 길이
- 최대 0.25mm, 바람직하게는 0.1mm정도의 벽두께
최외측 부분 또는 영역 또는 층이 50 부피% 이상의 금속을 함유하는 것이 유리하다. 이와 같이 금속을 많이 함유하는 것은 관련 피이드스루우와 상기 부분을 직접 소결하는 것에 더하여 이들 본체들을 용접할 수 있도록 한다. 따라서, 부가적인 용접을 행함으로써, 직접 소결한 부분이 누설되는 경우에도 두 본체들 사이의 결합이 개선된다.
온도 부하가 감소된 바람직한 실시예에서, 다층 구조 구조물은 고온 방전 체적부로부터 소정 거리만큼 떨어져서 위치되며, 추가된 중공의 원통형 부재(바람직하게는 알루미나 모세관)는 용기 단부와 다층 구조 구조물 사이에 위치한다. 이러한 구성은 다층 구조 구조물의 작동 온도를 약 200℃ 만큼 감소시킬 수 있다. 중공의 부재(모세관)와 다층 구조 구조물 사이의 기밀식 연결은 바람직하게는 두 부재의 접촉 영역을 둘러 싸는 부싱 요소에 의해 달성된다.
바람직한 실시예에서, 축선방향으로 서서히 변하는 플러그라는 개념은 방전 용기를 배기 및 충진하기 위해 제 2 다층 구조 플러그 내에 별도의 충진 보어를 사용하는 특별한 충진 기술을 적용할 수 있도록 허용한다. 이러한 실시예에서, 충진 홀 또는 보어의 직경은 관형 피이드스루우의 직경에 의해 한정되지 않는다. 보어는 축선방향으로 정렬되어 있지만 축선에 대해 편심으로 위치된다. 보어는 봉(이하 스톱퍼라 함)에 의해 충진된 후에 폐쇄된다. 따라서, 방전 용기는 부식 및 온도 변화에 저항할 수 있다. 이러한 플러그를 구비한 램프는 장시간 동안 가스 기밀성을 유지할 수 있고, 우수한 유지보수성을 가지게 된다. 이는 플러그가 유리 프리트 또는 세라믹 시일링 재료를 사용하지 않으면서 방전 용기의 단부에 그리고 피이드스루우에 결합될 뿐만 아니라 상기 재료를 사용하지 않으면서 스톱퍼가 충진 보어를 폐쇄할 수 있기 때문이다. 이는 매우 정교한 배열을 통해 달성될 수 있다.
플러그의 최외층 또는 최외부가 용접될 수 있는 조성을 갖는 것은 중요한 특징이다. 이러한 요구를 충족시키기 위해, 최외층은 50 부피% 보다 많은 금속을 함유해야 한다. 이러한 층은 필수적으로 도전성일 필요는 없다.
아아크관 장치를 제조하는 동안, 플러그의 제 1부분은 이미 기술한 동시소성에 의해 아아크관에 결합된다. 서어멧 플러그가 아아크관의 단부에서 일단 동시소성되면, 방전 체적부는 충진홀을 통해 펌핑되고, 분출되며, 충진된다. 이후, 스톱퍼가 충진홀에 삽입되고, 최외부의 외측면에서 서어멧 플러그에 용접된다. 따라서, 밀봉결합이 달성된다.
봉 또는 스톱퍼는 금속(바람직하게는 몰리브덴 또는 텅스텐) 또는 서어멧 재료로 제조될 수 있다. 바람직하게는 플러그의 최외층과 동일한 재료로 제조된다.
표준 용접 기술, 즉 저항 용접, 레이저 용접, 전자 비임 용접, 또는 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG 용접) 등이 사용될 수 있다.
연구한 바에 의하면, 플러그는 대개 강한 비도전성을 띠게 된다. 바람직한 실시예에서, 플러그는 금속 함유량이 많은 최외층과 함께 사용될 수 있다. 선택적으로, 이러한 층은 도전성 서어멧으로 제조될 수 있다. 기껏해야 인접하는 층(최종 중간층)이 도전성이며, 이와 대조적으로 방전 체적부에 인접하는 다른 모든 층들은 비도전성이다. 이러한 구성을 본 명세서에서는 "비도전성 플러그"라 명명한다.
본 발명의 주요 장점은 다음과 같다.
- 시일부에 프리트가 함유되지 않음에도 불구하고 양호하고 신뢰성 있는 시일링 기술, 즉 직접 소결을 사용할 수 있다.
- 펌핑 및 충진이 용이하도록 충진홀을 충분히 크게 할 수 있다.
- 이러한 형태의 시일링은 어떠한 와트량의 램프 및 어떠한 크기의 방전 용기에 대해서도 행해질 수 있다.
방전 용기의 바람직한 조성은 산화마그네슘, 가능하게는 산화이트륨 또는 산화지르코늄이 도핑된 PCA이다. 이러한 조성은 또한 중공형에 적합하고 전술한 부싱 요소에 바람직하다. 대조적으로, 다층 구조 구조물의 알루미나 분말의 바람직한 조성은 순수 알루미나(높은 텅스텐 함유량을 갖는 외부 영역에 바람직함) 또는 산화마그네슘이 도핑된 알루미나(낮은 텅스텐 함유량을 갖는 내부 영역에 바람직함)이다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 150W의 전력을 갖는 할로겐화금속 방전 램프(1)를 개략적으로 도시하고 있다. 이러한 램프는 석영 유리로 제조된 원통형 외부 밀봉체(2)를 구비하는데, 이러한 밀봉체(2)의 단부는 시일되어 있으며, 베이스(4)가 제공되어 있다. 세라믹 밀봉 장치(5)는 밀봉체(2)에 둘러 싸여 있는 방전 용기 또는 아아크관으로서 작용한다. 중앙 종축선(A)을 형성하는 세라믹 아아크관 장치(5)는 알루미나로 제조된다. 이는 예컨대 원통형관(도시되지 않음)으로 형성될 수도 있고, 또는 도시된 바와 같이 중앙이 외부로 볼록한 형태로 형성될 수도 있다. 두 단부에서 원통형 단부 부분(6a,6b)으로 형성된다. 두 개의 전류 피이드스루우(7a,7b)가 단부 부분(6a,6b)에 위치한 세라믹형(서어멧) 단부 플러그(8a, 8b)에 각각 끼워맞춤된다.
제 1전류 피이드스루우(7a)는 제 1단부 부분(6a)에 위치한 제 1단부 플러그(8a) 내로 직접 소결된 몰리브덴 핀이다. 플러그는 유럽 특허 공개 공보 제 609,477호에 이미 공지된 바와 같이 복합 재료(알루미나와 텅스텐)로 구성된 세라믹 단일체이다.
제 2전류 피이드스루우(7b)는 제 2단부 부분(6b)에 위치한 제 2단부 플러그(8b) 내로 직접 소결된 몰리브덴관이다. 이때 플러그는 다층 구조 플러그이다. 전극(9)이 피이드스루우(7a,7b)의 내부 팁에 위치되어 있다.
아아크 방전의 플라즈마 칼럼과 서어멧 플러그(8a,8b) 사이의 아아킹 발생으로 인한 흑화(darkening) 및 누설을 방지하기 위해 서어멧 단부 플러그(8a,8b)의 내측면에 순수 알루미나와 같은 절연층(10)을 도포하는 것이 유리하다.
아아크관(5)은 수은 뿐만 아니라 아르곤과 같은 불활성 점화가스 및 희토류 요오드화물과 같은 할로겐화금속을 첨가물로서 포함한다.
램프를 제조하는 동안, 제 2관형 피이드스루우(7b)는 아아크관(5)을 배기하고 충진하기 위한 펌핑 및 충진 개구로서 역할을 한다. 이러한 기술은 공지되어 있다(상기한 인용문헌 참조). 이후 피이드스루우(7b)는 폐쇄된다.
도 2는 아아크관(5)의 제 2단부(6b)의 확대도이다. 서어멧 단부 플러그(8b)는 축선방향으로 배열되어 있는 7개의 링형 부분 또는 영역(11a∼11g)으로 구성되어 있다. 첫 번째 최내 영역(11a)의 내면은 방전 체적부와 접하고 있다. 최내 영역(11a)은 순수 알루미나로 제조된다. 인접하는 제 1중간 영역(11b)는 15 부피%의 텅스텐 및 나머지 알루미나로 제조된다. 다른 영역의 조성은 상기한 원리를 따른다. 텅스텐의 비율은 최외 영역을 향하면서 증가한다. 영역(11c)은 22% 텅스텐을 함유하며, 영역(11d)은 27% 텅스텐, 영역(11e)은 32% 텅스텐, 영역(11f)는 37% 텅스텐, 영역(11g)는 40% 텅스텐을 함유하고 있다.
7개의 영역으로 구성된 경우에, 각 영역의 조성의 바람직한 범위는 다음과 같다.
- 최내링 영역(11a)(제 1층) : 100 부피% 알루미나
- 인접하는 중간 영역(11b) : 10 내지 20% 텅스텐, 나머지 알루미나
- 제 2중간 영역(11c) : 20 내지 25% 텅스텐, 나머지 알루미나
- 제 3중간 영역(11d) : 25 내지 30% 텅스텐, 나머지 알루미나
- 제 4중간 영역(11e) : 30 내지 35% 텅스텐, 나머지 알루미나
- 제 5중간 영역(11f) : 35 내지 40% 텅스텐, 나머지 알루미나
- 최외링 영역(11g)(최종 층) : 40 내지 43% 텅스텐, 나머지 알루미나
최외링 영역(11g)의 열적 거동은 피이드스루우로서 역할하는 몰리브덴관(7b)의 열적 거동과 매칭한다. 링 영역(11g)는 몰리브덴관(7b)에 직접 소결된다. 반대로, 다른 영역들(11a∼11f)은 몰리브덴관(7b)과 접촉하지 않는다. 약 50㎛의 폭을 갖는 작은 갭(14)이 관(7b)과 플러그 영역(11a∼11f) 사이에 형성된다.
도 3은 열팽창율의 절대치(0℃와 비교한 백분율) 대 관형 피이드스루우(7b)(몰리브덴, 곡선 A), 최외링 영역(11g)(알루미나, 곡선 B), 및 두 중간 층(30% 텅스텐을 함유한 알루미나, 곡선 C; 20% 텅스텐을 함유한 알루미나, 곡선 D)의 온도를 도시하고 있다. 이는 몰리브덴으로 제조된 피이드스루우와 조합하는 금속 성분으로서 텅스텐을 함유하는 서어멧을 사용하는 특별한 기술이다. 텅스텐은 몰리브덴보다 열팽창계수가 현저하게 낮다. 몰리브덴에 비해 소량인 텅스텐으로도 특정한 영역에서 원하는 열팽창계수에 충분히 도달할 수 있기 때문에, 텅스텐을 알루미나에 첨가함으로써 링 영역들의 원하는 특성을 보다 용이하게 얻을 수 있다.
도 4는 상이한 온도(T)에서의 열팽창율의 절대치(0℃와 비교한 백분율) 대 상이한 서어멧 단부 플러그 영역들에 대한 텅스텐 비율을 도시하고 있다. 이 도면에서, 약 40%의 텅스텐 비율(나머지 알루미나)은 고온하에서 순수 몰리브덴 피이드스루우(화살표)와 유사한 열적 특성을 가진다. 인접하는 링 영역들 사이의 절대 팽창율의 차이는 매우 작다. 6개의 영역들(11a∼11g)들은 화살표로 표시되어 있다.
축선방향으로 서서히 변하는 시일부의 제 2실시예가 도 5에 도시되어 있다. 단부 플러그 또는 단부 폐쇄 부재(25)는 6개의 부분(25a∼25f)으로 구성되어 있다. 단부 플러그(25)의 최외부(25f)는 몰리브덴으로 제조된 관형 피이드스루우(26)에 직접 결합되는 반면, 최내부(25a)는 다결정 알루미나(PCA) 아아크관의 단부 부분(6b)에 직접 소결된다. 최내부(25a)는 중산모(top hat) 형태를 가진다. 이는 최내부가 용기 단부 부분(6b)에 삽입되지만, 방사형으로 연장하는 림(27)이 단부 부분(6b)의 외면 상에 놓여 있음을 의미한다. 피이드스루우(26)와 면(面)하는 부분(25a)의 내측 방사형 표면(24)과 피이드스루우(26) 사이의 거리는 약 5mm 이다. 제 1플러그 영역 내의 링형 체적부(28)는 전극(29)을 둘러 싸고 있다. 중간 부분(25b∼25e)은 피이드스루우(26)에 대해 약 100㎛의 갭 또는 작은 링형 모세관만을 남긴다.
최내링 영역(25a)에 사용되는 "중산모(top hat)"형태의 결합은 다음과 같다. 먼저, 서어멧 단부 플러그(25)와 피이드스루우(26)는 함께 예비가열되며, 따라서 조립체가 형성된다. 이러한 조립체는 다결정 알루미나관(반투명성을 주기 위해 예비가열되거나 이미 소결된)의 제 2개방 단부 상에 장착되고, 최외링층(25f)과 금속 피이드스루우(26)(텅스텐 또는 몰리브덴) 사이와, 최내링층(25a)과 PCA관의 단부 부분(6b) 사이를 동시에 결합하기 위해 완전한 조립체가 고온으로 가열된다.
일반적으로, 서어멧 플러그 또는 단부 폐쇄 부재(25)는 몰리브덴 또는 텅스텐 관형(다른 실시예에서는 봉형) 피이드스루우(26)에 의해 점유된 중심 홀을 갖는 원통형 층상 구조물이며, 이는 축선방향으로 위치된 텅스텐 또는 몰리브덴 전극(29)(아아크관 내측)과 전선(아아크관 외측)에 축선방향으로 연결되어 있다. 중공의 원통형 서어멧은 다층 구조의 서어멧으로 구성되는데, 알루미나-금속 부피비는 축선 방향을 따라 내부를 향하면서 증가한다. 금속 상의 농도는 낮은 함량의 첫 번째 최내층(바닥)(25a)으로부터 거의 100%의 최종 최외층(상부)(25f)으로 증가한다. 서어멧의 상부층(높은 수준의 금속상을 함유하는)은 피이드스루우(26)에 직접 결합되는(직접 소결함에 의해 결합되는) 반면, 본질적으로 알루미나로 구성된 서어멧의 제 1바닥층(25a)(매우 낮은 수준의 금속상을 함유하는)은 타원형 또는 원통형의 PCA 아아크관에 직접 결합된다. 이들 두 소결 연결(직접 결합)은 밀봉을 달성할 뿐만 아니라 금속 피이드스루우 및 PCA 관과의 거의 완벽한 열팽창율 매칭을 달성한다.
도 5의 특별한 예는 6층 구조물이다. 서어멧 부분 또는 층(25f∼25a)(상부로부터 바닥으로)의 열팽창계수는 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 7.5×10-6/℃ 로 나타난다. 상부층(25f)은 순수 텅스텐 피이드스루우(26)의 열팽창계수(4.8×10-6/℃)와 거의 정확하게 일치하며, 바닥층(25a)은 PCA관의 단부 부분(6b)의 열팽창계수(8×10-6/℃)에 거의 근접해 있다. 층마다의(layer-by-layer) 적층 기술이 사용된다면, 각 부분 또는 층(25b∼25e)의 축선방향 두께는 소결된 상태에서 0.2mm 만큼 얇아질 수 있다. 분사 기술을 사용하면, 층의 두께는 0.01mm로 감소될 수 있다(알. 와다나베, 에이. 가와사끼 등이 책명 "Elsevier Science"의 1992년판의 197∼208 페이지에 기술한 제목 "Recent Developement of Functionally Gradient Materials for Special Application to Space Plane"을 참조).
단부 부분과 피이드스루우에 각각 충분히 긴 접촉 영역을 제공할 수 있도록, 상부 및 바닥층(25f,25a)의 축선방향 두께는 대략적으로 아아크관(5)의 벽두께(0.5∼0.8mm)이어야 한다. 층들의 열팽창계수는 다음의 텅스텐의 부피% 에 대응한다 : 70, 52, 38, 24, 15, 및 6 부피%. 텅스텐의 중량%는 92, 84, 75, 60, 45, 및 25 중량%이다.
다른 실시예에서, 플러그는 보다 많은 부분, 영역 또는 층으로 분할된다. 따라서, 인접하는 부분들 사이의 열팽창 거동의 차이는 보다 더 작아지게 된다. 부분의 수가 10, 12, 또는 그 이상으로 증가될 수 있다.
바람직한 실시예(도 6)에서, 플러그(18)의 층 또는 영역들은 망원경 형태로 배열되어 있다. 이는 각 영역과 피이드스루우(26) 사이의 거리가 최내 영역(18a)으로부터 최종 중간 영역(18d)까지 점차 감소함을 의미한다. 최외 영역(18e)은 다시 피이드스루우(26)에 직접 소결된다.
이러한 실시예에서, 피이드스루우(26)는 몰리브덴으로 제조된다. 최외층(18e)은 AlN층(몰리브덴의 열팽창계수 5.0×10-6/℃에 가장 근접하는 5.7×10-6/℃의 열팽창계수를 갖는)으로 제조되는데, 이는 몰리브덴 피이드스루우(26)에 인접하여 있다. AlN층(18e)과 PCA관의 단부 부분(6b) 사이의 중간 또는 전이층(18b∼18d)과 최내층(18a)은 알루미나와 질화알루니늄의 비율을 변화시킨 산화질화알루미늄으로 제조된다. 산화질화알루미늄의 열팽창계수는 질소의 함유량에 따라 달라지는데, 5AlN·9Al2O3에 대해 7.8×10-6/℃ 이다.
AlN이 몰리브덴과 양립될 수 있고, AlN-Mo 서어멧이 알려져 있다는 사실(M. Tanake, A. Kawasaki, 및 R. watanabe 등의 Funtai Oyobi Funmatsu Yakin, Vol. 39 No. 4, 309-313, 1992 의 "Thermomechanical Properties of SiC-AlN-Mo Functionally Gradient Composites" 참조)로부터, 실시예는 장점을 가지게 된다. 따라서, 피이드스루우와 접촉하는 최외층이 순수 AlN 대신에 AlN-Mo 서어멧으로 제조된다. 최외층에 인접하는 제 1중간층은 순수 AlN으로 제조되거나 AlN과 몰리브덴 사이의 상이한 비율을 갖는 서어멧으로 제조된다.
다른 실시예에서, 서어멧 영역은 금속 탄화물 및 금속 붕산화물과 같은 비금속 성분 및 알루미나로 구성된다. 이러한 성분의 예로는 텅스텐 탄화물 및 텅스텐 붕산화물이 있다(이즈미야 등에게 허여된 미국 특허 제 4,825,126호 참조).
다른 바람직한 실시예(도 7)에서, 35W의 램프의 구성은 도 2의 구성과 유사하다. 제 2플러그(32)는 축방향으로 나란히 놓인 4개의 비도전성 영역(32a∼32d)으로 구성된다. 최외층(32d)에서 텅스텐의 양(60 부피%)이 용접을 할 수 있을 정도로 충분히 많기 때문에, 용접부(33)가 최종층 외면에 형성되어 몰리브덴관(34)을 최종층(32d)에 연결한다.
축선방향으로 서서히 변하는 시일부의 전형적인 치수는 35W 의 할로겐화금속 램프의 경우에 다음과 같다.
아아크관은 14mm의 길이를 갖는다. 각 단부는 5mm의 플러그에 의해 폐쇄된다. 플러그는 70 중량%의 텅스텐, 50 중량%의 텅스텐, 30 중량%의 텅스텐, 및 10 중량%의 텅스텐을 가지며 축선방향으로 배열된 4개의 영역으로 구성된다. 바닥 영역 또는 부분은 부분적으로 2mm까지 관 단부내로 삽입된다. 제 1단부는 0.3mm의 직경, 16mm의 전체 길이를 갖는 몰리브덴 봉을 피이드스루우로서 구비하며, 제 2단부는 1.0mm의 외부 직경, 0.8mm의 내부 직경을 갖는 몰리브덴 관을 피이드스루우로서 구비한다. 제 2단부에만 서서히 변하는 시일부 플러그가 제공되어 있고, 제 1단부로는 성분이 서서히 변하는 시일부 플러그의 바닥 부분과 동일한 성분을 갖는 균질한 플러그를 사용한다. 이러한 바닥 부분은 10 중량%의 텅스텐, 나머지는 알루미나를 함유하고 있다.
금속-서어멧 결합의 밀봉은 고용체층 형성에 기초한다.
특별히 바람직한 실시예에서(도 8a 및 도 8b), 제 2플러그(35)는 축선 방향으로 서서히 변하는 4개의 층으로 구성된다. 최내층(35a)은 10 부피%(일반적으로는 5 내지 15 부피%)의 몰리브덴과 나머지는 알루미나를 포함한다. 제 1층(35a)은 방전 용기의 제 2단부(6b)에 삽입되어 직접 소결된다. 제 1중간층(35b)은 30 부피%(일반적으로는 25 내지 35 부피%)의 몰리브덴과 나머지는 알루미나를 포함한다. 제 2중간층(35c)은 45 부피%(일반적으로는 40 내지 50 부피%)의 몰리브덴과 나머지는 알루미나를 포함한다. 최외층(35d)은 65 부피%(일반적으로는 60 부피% 이상)의 몰리브덴(또는 텅스텐)과 나머지는 알루미나를 포함한다. 축선방향으로 위치한 피이드스루우(36)는 300㎛의 직경을 갖는 몰리브덴 봉이다. 플러그(35)내에서 횡방향으로 위치된 충진홀(37)은 피이드스루우(36)와 평행하다. 충진홀은 650㎛의 직경을 갖는다.
도 8a 는 방전 체적부가 배기된 후 충진물이 삽입된 상태를 도시하고 있다. 봉형 스톱퍼(38)가 홀(37)내에 삽입될 예정이다. 스톱퍼(38)는 바람직하게는 몰리브덴으로 제조되거나 다량의 몰리브덴 또는 텅스텐을 함유한 서어멧으로 제조된다. 스톱퍼가 플러그의 최외층(35d)과 동일한 조성을 갖는 것이 가장 바람직하다.
스톱퍼가 홀(37)내로 삽입된 후(도 8b), 용접 연결부(39a)가 스톱퍼의 외부 단부와 플러그의 최외층(35d)의 외부면(40) 사이에 형성된다. 또한, 유사한 용접 연결부(39b)가 피이드스루우(36)의 외부 단부와 플러그의 최외층(35d)의 외부면(40) 사이에 형성된다.
플러그의 제조는 각 층에 대한 분말 혼합물을 준비함으로써 시작된다. 예컨대, 암모늄 텅스테이트 또는 몰리브데이트와 같은 텅스텐 전구체가 물에서 용해될 수 있으며, 폴리비닐 알코올 및/또는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 바인더로 소정의 비율로 알루미나 분말과 혼합될 수 있다. MgO와 같은 소결 보조제(물에 용해될 수 있는 질화마그네슘으로부터 추출한)가 포함될 수 있다. 선택적으로, 미세한 텅스텐 또는 몰리브덴 분말(미국 펜실베이나 토완다에 거주하는 오스람 실바니아로부터 제조된, 0.8㎛의 평균 입자 직경을 갖는 M-10W 분말, 또는 M-20(1.3㎛), M-37(3㎛), M-55(5.2㎛), 및 M-65(12㎛)와 같은 다른 형태의 분말)이 물에 분산되어 있는 알루미나 분말과 혼합될 수 있으며, 균일한 혼합물을 제조하기 위해 볼 밀(ball mill)작업될 수 있다. 수득된 혼합물은 분사건조되거나 오븐에서 건조될 수 있다. 건조된 혼합물은 진동 밀과 같은 밀을 사용하여 분쇄된다. 금속 전구체인 경우, 혼합물은 전구체가 금속 입자로 분해되는 온도(수소, 또는 진공, 또는 불활성가스에서 1000℃)로 가열된다.
이후, 혼합물 분말은 코어 봉을 구비한 다이에서 주어진 압분체밀도로 압축된다(40 ksi에서). 연속층을 위한 분말이 준비되고, 다이에 넣어져서 다량의 텅스텐을 함유하는 최종층이 추가될 때까지 다시 압축된다. 전체 조립체는 10 내지 45 ksi에서 압축된 후 다이로부터 배출된다. 중공의 원통형 그린(green) 몸체가 수소 또는 진공 불활성 가스 하에서 상대적으로 낮은 온도로 예열되어서, 치수가 수축되지 않도록 바인더를 제거하고 소정의 강도를 제공한다.
도 10은 도 7과 유사한 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 10은 35W 할로겐화금속 램프의 제 2용기 단부를 다시 도시하고 있다. 제 2다층 구조 플러그(32')는 이미 도 7를 참조하여 설명한 것과 동일한 조성을 갖는 4개의 축선방향으로 배열된 영역(32'a 내지,32'd)으로 구성된다. 그렇지만, 제 2피이드스루우로서 역할하는 몰리브덴 관(34')은 단지 3개의 외부층(32'b 내지 32'd)만을 관통한다. 몰리브덴관은 이들 3개층에 직접 소결된다. 이러한 실시예에서 치수는 다음과 같다. 4개층의 소결 두께는 최내 영역(32'a)에 대해 약 1.7mm, 인접하는 중간 영역(32'b)에 대해 0.5mm, 제 2중간 영역(32'c)에 대해 0.4mm, 최외 영역(32'd)에 대해 0.7mm 이다.
도 11은 단부가 PCA로 제조된 디스크형 삽입 부재(42)에 의해 폐쇄된 PCA 방전 용기(41)를 도시하고 있다. 삽입 부재(42)의 중앙 보어에서, 다층 구조 구조물(43)이 상이한 조성의 5개 영역으로 배열되어 있다. 서어멧 분말은 다음의 소결 두께를 가지는 서서히 변하는 서어멧을 나타낸다. 즉, 10 중량%의 텅스텐과 나머지는 800ppm 산화마그네슘을 함유하는 알루미나로 구성된 최내 영역(43a)은 1.5mm이고, 30 중량%의 텅스텐과 나머지로서 800ppm 산화마그네슘을 함유하는 알루미나로 구성된 인접하는 중간 영역(43b)은 0.6mm이며, 50 중량%의 텅스텐과 나머지는 800ppm 산화마그네슘을 함유하는 알루미나로 구성된 제 2중간 영역(43c)은 0.5mm이고, 70 중량%의 텅스텐과 나머지 순수 알루미나로 구성된 제 3중간 영역(43d)은 0.8mm이며, 90 중량%의 텅스텐과 나머지가 순수 알루미나로 구성된 최외 영역(43e)은 0.7mm 이다. 서서히 변하는 서어멧 구조물(42)은 조립되고, 건식성 수소하에서 1 내지 2시간동안 1500 내지 1600℃로 가열됨으로써 피이드스루우(44)로서 역할하는 몰리브덴 관과 결합된다. 피이드스루우(44)는 3개의 외부층(43c∼43e)을 관통하고, 두 내부층(43a,43b)에 접촉하지 않는다.
제 1고착 방법은 방전 용기(41) 및 삽입 부재(42)(외경 6.5mm, 내경 2.5mm 및 길이 2.5mm)와 함께 제 1서어멧-피이드스루우 시스템을 동시소성하는 것을 포함한다. 삽입 부재는 습식성 수소하에서 약 한시간 동안 1300 내지 1400℃에서 가열함으로써 형성된다. 다층 구조 구조물과 삽입 부재 사이의 시일부 길이는 약 1 내지 1.3mm 이다. 다층 구조 구조물은 삽입 부재 안쪽에 약 0.8mm 정도 리셋스되어 있다. 이러한 제 1고착 가열은 일단부가 폐쇄된 구조물을 형성한다. 다른 단부는 제 2피이드스루우-서어멧 시스템을 단부에 삽입하고, 제 2고착 가열을 행함으로써 폐쇄된다. 이후, 전체 조립체는 습식성 수소하에서 몇 시간동안 1900℃에서 최종 소결된다.
도 13에는 삽입 부재와 방전 용기의 PCA, 그리고 몰리브덴 관 뿐만 아니라 다층 구조 구조물의 상이한 부분들에 대한 열팽창계수가 도시되어 있다. 다층구조 서어멧 구조물의 전형적인 작동 온도를 700℃로 가정하면, 인접하는 부분들의 열팽창계수 사이의 차이가 1.0×10-6/℃ 임을 알 수 있다.
도 12는 감소된 온도 부하를 갖는 다른 실시예를 도시하고 있다. 다시, 용기(41)는 그의 단부에 디스크형 삽입 부재(42)를 구비하고 있다. 이들 모두는 PCA로 제조된다. 피이드스루우 시스템은 3개의 부재로 구성된다. 균일한 모세관(45)이 삽입 부재(42)의 중앙 보어 내로 삽입된다. 모세관(45)은 다층 구조 구조물에 의해 연장된다. 이들 사이의 접촉 영역은 PCA 부싱 부재(47)에 의해 둘러 싸여 있다. 피이드스루우(48)는 몰리브덴 관이다.
구조물(46)은 5개의 층(또는 4개의 층)으로 구성된 다층 구조 서어멧이다. 최내층(46a)은 10 중량%의 텅스텐을 함유하며, 1.7mm의 길이를 갖는다. 제 1인접하는 중간층(46b)은 30 중량%의 텅스텐을 함유하며, 0.7mm의 길이를 갖는다. 제 2인접하는 중간층(46c)은 50 중량%의 텅스텐을 함유하며, 0.5mm의 길이를 갖는다. 각각의 경우에 나머지 성분은 800ppm 산화마그네슘을 함유하는 알루미나이다. 제 3인접하는 중간층(46d)은 70 중량%의 텅스텐을 함유하며, 0.8mm의 길이를 갖는다. 최외층(46e)은 90 중량%의 텅스텐을 함유하며, 0.7mm의 길이를 갖는다.
피이드스루우관(48)은 단지 3개의 외부층(46c∼46e)만을 관통하며, 내부층(46a,46b)과 접촉하지 않는다. 전극 시스템(도시되지 않음)은 피이드스루우(48)의 내부 단부에 부착된다. 이러한 피이드스루우는 종래에 공지된 기술에 의해 폐쇄된다. 이러한 특징들은 상기에서 인용한 종래 기술에 개시되어 있다.
이러한 실시예의 제조 공정은 다음과 같다. 제 1고착 가열은 피이드스루우 및 예열된 부싱을 서서히 변하는 서어멧과 함께 동시소성한다. 부싱은 5.3mm의 외부 직경과 3mm의 내부 직경을 가지며, 5mm의 길이를 갖는다. 부싱은 몇 시간동안 800 내지 900℃에서 예열된다.
고착 가열은 습식성 수소하에서 최대 한시간동안 약 1100 내지 1200℃의 온도에서 행해진다. 서서히 변하는 서어멧과 부싱 사이의 시일부 길이(소결된 상태에서)는 약 1.5mm 이다. 서서히 변하는 서어멧은 부싱 내측에 약 2.5mm 정도 리셋스되어 있다. 제 1고착 가열은 일단부 구조물을 형성한다.
동시소성 후에 부싱의 내부 직경이 2.8mm의 모세관 외부 직경과 끼워맞춤되도록, 서어멧과 부싱을 고착시키기 위한 가열 온도가 선택된다. 모세관, 방전 용기, 및 삽입 부재는 이미 조립체로 최종적으로 소결되었다. 그 후에, 고착된 앞쪽의 두 부분이 용기의 양 단부에서 모세관과 함께 조립된다. 전체 유닛은 습식성 수소하에서 고온(약 1800℃ 내지 1950℃)으로 최대 30분 동안 최종 소결되어, 부싱에 의해 모세관과 서어멧 사이를 밀봉 결합시킨다.
도 9에는 축선방향으로 서서히 변하는 서어멧을 제조하는 방법이 도시되어 있다.
제 1단계(도 9a)에서, 원통형 프레싱 형체(20)는 "PVA"와 같은 유기 바인더로 제조된 순수 알루미나 현탁액으로 충진되어 있다. 피스톤(22)을 소정 범위만큼 후퇴시킨 후, 90%의 알루미나와 10%의 텅스텐으로 구성된 현탁액(21b)으로 형체(20)를 충진시킨다(도 9b). 이러한 공정은 최종 현탁액{도 9c에서 6번째 층(21)}이 충진될 때까지 여러번 반복된다. 최종 현탁액은 60%의 알루미나와 40%의 텅스텐으로 구성되며, 그의 열적 거동은 관의 거동과 매칭된다. 충진하는 동안, 피스톤은 점차 아래로 이동된다.
이후, 서어멧 플러그의 압축이 부가 피스톤(화살표)에 의해 행해진다(도 9d). 이후, 홀(23)이 적절한 직경으로 "압분체(green)" 서어멧 내로 형성되며, 이에 의해 몰리브덴 관{홀(23)내로 삽입될}에 대한 서어멧의 최대 수축비가 달성된다(도 9e). 이후, 플러그가 예열된다.
선택적으로, 서어멧 분말이 코어 봉을 포함하는 다이 내로 70 중량% 텅스텐, 50 중량% 텅스텐, 30 중량% 텅스텐, 20 중량% 텅스텐, 및 10 중량% 텅스텐으로 차례로 장입된다. 각 분말이 장입되고, 다이에서 대략적인 높이가 연속적으로 조절된다. 상부 및 하부 펀치가 모든 층이 장입된 후에 가해진다. 40 ksi의 단축 압력이 가해진다. 이후, 펀치가 제거되고, 압축된 서어멧이 코어 봉으로부터 분리된다. 서어멧 디스크의 ID(내경)는 더 드릴 가공될 수 있으며, 따라서 내부층(21a∼21f)의 ID 보다 약간 더 크게 된다.
서서히 변하는 서어멧의 모든 영역을 관통하는 피이드스루우를 구비한 실시예에 있어서는 추가적인 공정이 필수적이다. 금속관(영역(21g)과 대조적으로)의 열적 거동과 매칭되지 않는 다층 구조 구조물 또는 플러그의 영역(21a∼21f)과 몰리브덴 관 사이의 기밀한 접촉을 방지하기 위해, 5개의 영역들이 첫 번째보다 약간 더 큰 직경의 드릴을 사용하여 드릴가공된다(도 9f). 넓어진 홀(24)은 피이드스루우가 삽입된 후에 갭을 제공하는데, 이러한 갭은 갭 내측에 충진물이 응축되는 것을 방지하기 위해 가능한 한 작아야 한다(전형적으로 50㎛). 이후, 플러그는 예열된다.
텅스텐 또는 몰리브덴 관 또는 봉이 예열된 다층의 중공의 원통형 서어멧의 홀 내에 삽입된다. 갭(14)을 갖는 플러그/피이드스루우 유닛이 도 2에 도시되어 있다.
피이드스루우/플러그 조립체는 예열(1200 내지 1500℃)되거나, 또는 수소 분위기하에서 상대적으로 고온(즉, 1800 내지 2000℃)에서 예열되고 소결되어서, 상부층(다량의 텅스텐 또는 몰리브덴을 함유하는)과 금속 피이드스루우 사이에 소정의 간섭 결합(예를 들어 4 내지 18%)을 형성한다. 가열하는 동안, 상부층은 텅스텐관 또는 몰리브덴 봉 각각에 대항하여 수축되어서, 프리트가 존재하지 않는 밀봉결합을 형성한다. 텅스텐/몰리브덴 부분과 압분체 또는 예열된 다층 서어멧 사이의 간격과 관련하여 모든 층의 치수적 수축(금속 및 알루미나 상의 입자 크기의 최적화 및 압축 압력을 통해)을 디자인하는 것이 중요한데, 이는 상부층과 텅스텐/몰리브덴 부분 사이의 간섭 결합의 형성이 다른 층에 의해 방해되지 않도록 하기 위함이다.
예열되고 소결된 서어멧-피이드스루우 조립체는 완전한 조밀체를 형성하기 위해 고온(즉 1800℃)에서 선택적으로 고온 등방 가압(hot-isostatically-pressed)될 수 있다. 이후, 소결되거나 고온 등방 가압되고 서서히 변하는(graded) 텅스텐/몰리브덴 피이드스루우-그레이디드(graded; 서서히 변하는) 서어멧 플러그 부재는 예열된 PCA 관내에 또는 예열된 타원형 PCA 관의 수축부 내에 놓이게 된다.
PCA관은 MgO, MgO + 산화지르코늄, 또는 MgO + 산화에르븀과 같은 소결 보조제가 도핑된 알루미나 분말의 압분체를 예열(1000 내지 1500℃)함으로써 제조될 수 있다. 예열된 PCA 밀봉체의 양 단부는 소정의 거리에서 고밀도 피이드스루우-그레이디드 서어멧을 구비한다. 수소 또는 질소-수소 분위기에서 1800 내지 2000℃로 전체 조립체를 소결하는 동안, (1) 다층 구조 플러그의 바닥층과 PCA 관 사이의 간섭 결합, (2) 마주보는 전극들의 팁들 사이의 특정한 캐비티 길이를 얻기 위해, PCA 관은 반투명성 및 치수적 수축되도록 고밀도화된다. 만일 PCA관의 일단부에서, 텅스텐/몰리브덴 피이드스루우가 봉이라면, 이러한 소결공정은 일단부가 폐쇄된 밀봉체를 형성한다. 동시소성하는 동안 서어멧의 바닥층과 PCA관 사이의 직접 결합을 위한 간섭의 정도는 그들 사이의 간격, 예열 온도, 소결 수축에 의해 결정된다.
이후, 다양한 할로겐화금속을 포함하는 램프 충진물과 충진 가스가 피이드스루우-서어멧 밀봉체의 한단부에서 몰리브덴/텅스텐 관형 피이드스루우를 통해 밀봉체에 첨가될 수 있다. 몰리브덴/텅스텐 관은 할로겐화-저항성 몰리브덴/텅스텐 피이드스루우가 장착된 PCA로 제조된 아아크 밀봉체(서서히 변하는 서어멧에 의해 폐쇄된)를 달성하기 위해 레이저(Nd-YAG 또는 CO2) 용접 기술을 사용하여 시일될 수 있다.
바람직한 실시예에서 바닥층은 모자형태를 가지고 있다. 예열된 서어멧-피이드스루우가 PCA관의 개방 단부 상에 장착될 수 있으며, 전체 조립체는 상부층과 텅스텐/몰리브덴, 그리고 바닥층과 PCA 사이의 수축 결합을 동시에 형성하기 위해 고온으로 가열된다.
순수 알루미나와 같은 절연 코팅이 서어멧 밀봉체의 내면에 적용되어서, 플라즈마 칼럼과 서어멧 사이의 아아킹을 방지하고, 흑화 및 누설을 방지한다.
이러한 시일의 가스기밀성을 좀 더 보정하기 위해, 프리트가 상부층(축선방향으로 서서히 변하는 시일부의 경우)의 외면(방전용기로부터 떨어진) 또는 최외층(방사형으로 서서히 변하는 시일부의 경우)의 외면에 적용될 수 있다.
바람직한 PCA 아아크관은 500ppm MgO가 도핑되고 가능하면 약 350ppm Y2O3 가 첨가된 알루미나로 제조된다. 바람직하게, 이러한 세라믹의 결정립 크기는 기계적 강도를 개선시키기 위해 가능한 한 작아야 한다(1㎛ 미만).
피이드스루우가 만일 관형이라면, 플러그의 내측면(방전부와 접하는)과 동일한 높이가 되거나 또는 바람직하게는 함몰된다.
최내/바닥층과 PCA 아아크관 사이의 결합부의 길이는 가능한 짧게 하는 것이 유리하다. 적절하게는 PCA 아아크관의 벽두께만큼 작게 결합 계면의 길이를 선택하는 것이다.
물론, 본 발명의 원리는 다른 서어멧 재료와 함께 또다른 세라믹형태(예컨대 Y2O3)로 제조된 아아크관을 사용하는 다른 개념에 관한 것일 수 있다.
물론, 아아크관의 일체형 단부를 사용하는 대신에, 분리된 세라믹 링형 단부 부재가 사용될 수도 있다.
바람직하게, 다층 구조 플러그의 최내측 바닥 영역만이 아아크관의 단부내로 삽입된다. 이 경우 바닥 영역의 축선방향 길이가 충분히 길어야 한다.
본 발명의 구성은 서어멧의 열팽창계수의 기울기를 완만하게 하여, PCA 아아크관과 금속 피이드스루우를 연결한다. 이는 램프의 온-오프 작동 과정뿐만 아니라 플러그-피이드스루우 조립체의 제조 싸이클에서 냉각 과정에서 발생하는 열응력을 최소화하기 위해 요구된다.
방사형으로 서서히 변하는(graded) 서어멧 단부 플러그가 프레스 가공과 스프레이 가공을 포함하는 여러 기술에 의해 제조될 수 있다.
프레스 가공은 축선방향 다층 구조물을 형성할 수 있다. 알루미나-금속(Mo/W) 분말 혼합물은 폴리비닐 알코올 및/또는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 유기 바인더를 사용하여 수용성 알루미나 현탁액과 금속 분말을 볼 밀링함으로써 제조될 수 있다. 암모늄 텅스테이트와 같은 금속 전구체는 알루미나 분말이 첨가된 물속에서 용해될 수 있다. 볼-밀 가공된 슬러리는 오븐 건조 또는 분사 건조될 수 있다. 만일 금속 전구체가 사용된다면, 혼합물은 고온(예를 들어 1000℃)에서 열분해되어 금속 입자를 형성한다. 금속 분말이 사용된다면, 최내층을 위한 건조된 혼합물이 코어 봉을 갖는 다이에 첨가될 수 있다. 그 후에, 상기 코어 봉이 제거되고 보다 작은 코어 봉으로 교체된다. 다음 층을 위해 구성된 분말 혼합물이 코어 봉과 다이 사이의 공동에 부가된다. 연속하는 분말 혼합물로 상기 장입 작업을 반복하여 최종 압축물을 형성하고, 그 결과 축선방향으로 적층된 다층의 최종 압분체가 형성된다. 이후, 압분체 구조물은 배출되고, 바인더를 제거하기 위해 진공, 수소, 또는 아르곤 분위기하에서 비교적 저온(1000 내지 1500℃)으로 예열된다. 예열하는 동안, 서어멧의 내부 직경은 예열 온도에 따라 0 내지 10% 정도 수축될 수도 있다. 다층이 균일하게 수축하도록, 적절한 입자 크기의 알루미나 및 금속 분말, 그리고 슬러리 내에 장입되는 고체물들을 선택하는 것이 중요하다.
분사는 축선방향 다층 구조물을 형성하는 다른 방법이다. 알루미나-금속(Mo/W) 분말 혼합물은 폴리비닐 알코올,폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리옥스와 같은 유기 바인더를 사용하여 수용성 알루미나 현탁액과 금속 분말을 볼 밀링함으로써 제조될 수 있다. 암모늄 텅스테이트와 같은 금속 전구체는 알루미나 분말이 첨가된 물속에서 용해될 수 있다. 볼-밀링 가공된 슬러리는 회전하는 다공성 중합체 맨드럴(mandrel) 상에 분사될 수 있다. 분사는 이중 제트 분사기, 초음파 분사기, 또는 정전기적 분사기를 사용하여 달성된다. 형광성 램프 유리관 상에 인(phosphors) 슬러리를 분사하는 것과 같이 수성 혼합물이 W/Mo 관/봉에 고착되고 부착되도록, 바인더의 양과 슬러리의 고체 장입량이 선택된다. 분사 공정을 행하는 동안 맨드럴을 약간 가열하는 것은 분말 혼합물이 금속에 보다 강하게 접착되도록 하고, 분말 혼합물 그 자체의 응집을 강화시킨다. 연속층의 분사와 증착은 금속의 양이 감소되는 슬러리로 수행되어, 축선방향으로 기울기가 형성된다. 층들의 두께는 전술한 와타나베와 가와사키(Watanabe 및 Kawasaki)의 인용문에 따라 0.01mm 만큼 얇을 수 있다.
압분체는 저온 등방 압축될 수 있으며, 이후 맨드럴을 연소시키고 바인더를 제거하여 축선방향으로 서서히 변하는 서어멧을 제조하기 위해, 수소, 질소-수소, 또는 진공 하에서 비교적 저온으로 예열될 수 있다. 예열하는 동안, 서어멧의 ID는 예열 온도에 따라 0 내지 10% 정도 수축될 수도 있다. 다층이 균일하게 수축하도록, 적절한 입자 크기의 알루미나 및 금속 분말, 슬러리 내에 장입될 고체물, 저온 가압 공정의 단계를 선택하는 것이 중요하다.
이후, W/Mo 관/봉이, 예열되고 축선방향으로 서서히 변하는 서어멧의 중앙 홀에 놓이게 된다. (1) 서어멧을 소결시키고, (2) 금속 피이드스루우와 서어멧 사이의 간섭 결합을 형성하기 위해, 전체 조립체는 수소 또는 질소-수소 분위기 하에서 고온(1800 내지 2000℃)으로 가열된다. 간섭의 정도는 일반적으로 4 내지 10% 정도인데, 이는 소결하는 동안의 치수적 수축과 예열된 서어멧의 ID와 금속 피이드스루우의 OD(외경) 사이의 간격에 따라 달라진다. 선택적으로, 소결된 서어멧-피이드스루우 조립체는 잔존하는 기공을 감소시키기 위해 고온에서 고온 등방 가압될 수도 있다.
소결된 서어멧-피이드스루우 조립체는 예열된 PCA 관 내측 또는 예열된 타원형 PCA 벌브의 직선 부분의 내측에 놓이게 된다. PCA는 MgO 또는 MgO + 산화지르코늄이 도핑된 알루미나로 구성된다. 전체 조립체는 PCA를 반투명하게 고밀도화하기 위해 수소 또는 질소-수소 분위기 하에서 소결된다. 소결하는 동안, PCA는 간섭 결합을 형성하기 위해 서어멧의 OD에 대항하여 수축한다. 직접 결합에서 간섭의 정도는 PCA의 수축과 서어멧 및 예열된 PCA의 ID 사이의 간격에 따라 달라진다. PCA의 소결시에 전극 팁들 사이의 간격이 램프에 대한 특정 캐비티 길이로 수축되도록, 예열된 PCA의 양 단부는 소결된 서어멧-피이드스루우를 구비해야 한다. PCA의 한단부에 위치한 소결 단부 구조물의 피이드스루우가 봉이라면, PCA 소결 단계는 밀봉되게 시일된 피이드스루우를 포함하는 일단부 폐쇄형 밀봉체를 제조할 것이다.
최외층과 W/Mo관, 그리고 최내층과 PCA 사이의 간섭 결합을, 예열된 서서히 변하는(graded) 서서히 변하는 서어멧이 거의 완전한 밀도로 응집되고 PCA가 반투명하게 소결되는 하나의 소결단계에서, 동시에 달성할 수 있다.
피이드스루우-서어멧 밀봉체의 한단부의 몰리브덴/텅스텐 관형 피이드스루우를 통해, 다양한 할로겐화금속, 수소 및 충진 가스를 포함하는 램프 충진물이 밀봉체에 첨가될 수 있다. 몰리브덴/텅스텐 관은 할로겐화-저항성 몰리브덴/텅스텐 피이드스루우가 장착된 PCA로 제조된 아아크 밀봉체(서서히 변하는 서어멧에 의해 폐쇄된)를 달성하기 위해 레이저(Nd-YAG 또는 CO2) 용접 기술을 사용하여 시일될 수 있다. 이러한 기술은 공지되어 있다.
용접가능한 경우에 제 2플러그의 최종층은 도전성 또는 비도전성일 수 있다.
본 발명에 따르면, 조밀한 구조를 갖는 개별적인 금속 피이드스루우를 제공함으로써 가스기밀 시일을 보다 장시간 지속할 수 있으며, 시일부에 프리트가 함유되지 않음에도 불구하고 양호하고 신뢰성 있는 시일링 기술, 즉 직접 소결을 사용할 수 있고, 충진홀을 펌핑 및 충진이 용이하도록 충분히 크게 할 수 있으며, 이러한 형태의 시일링은 어떠한 와트량의 램프 및 어떠한 크기의 방전 용기에 대해서도 행해질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 세라믹 아아크관을 구비한 램프를 개략적으로 도시한 부분 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 아아크관의 제 1단부의 상세도.
도 3은 상이한 서어멧 부분에 대한 열팽창 대 온도의 다이아그램.
도 4는 서어멧 부분에서 상이한 텅스텐 비율에 대한 상이한 온도에서의 열팽창값을 도시한 다이아그램.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 아아크관의 제 2단부의 확대도.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 아아크관의 제 2단부의 확대도.
도 7은 본 발명의 제 4실시예에 따른 아아크관의 제 2단부의 확대도.
도 8은 본 발명의 제 5실시예에 따른 아아크관의 제 2단부의 확대도.
도 9는 프레스 기술을 사용하여 축선방향으로 서서히 변하는 서어멧에 대한 제조 단계를 개략적으로 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 제 6실시예에 따른 아아크관의 제 2단부의 확대도.
도 11은 본 발명의 제 7실시예를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 제 8실시예를 도시한 도면.
도 13은 열팽창계수(K-1) 대 온도(℃)의 관계를 도시한 다이아그램.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 방전 램프 2 : 밀봉체
4 : 베이스 5 : 세라믹 밀봉 장치
7a,7b,26,36,44,48 : 피이드스루우 8a,8b,18,32,35 : 단부 플러그
10 : 절연층 27 : 림
37 : 충진홀 38 : 스톱퍼
41 : 방전 용기 42 : 삽입 부재

Claims (25)

  1. 고압 방전 램프용 세라믹 밀봉 장치로서,
    - 제 1단부 및 제 2단부를 구비하며, 종방향 축선을 형성하고, 방전 체적부를 형성하는 반투명 세라믹관과,
    - 상기 세라믹관의 상기 제 1단부를 폐쇄하는 적어도 필수적으로 비도전성인 제 1서어멧 단부 플러그와,
    - 상기 세라믹관의 상기 제 2단부를 폐쇄하는 적어도 필수적으로 비도전성인 제 2서어멧 단부 플러그로서, 적어도 3부분 이상으로 이루어진 다층 구조를 갖는 제 2서어멧 단부 플러그와,
    - 상기 제 1플러그 및 상기 제 2플러그를 각각 통과하는 제 1 및 제 2금속 피이드스루우로서, 각각이 내부 단부 및 외부 단부를 구비하며, 텅스텐, 몰리브덴, 및 레늄 그리고 그 금속들 중 적어도 둘 이상을 포함하는 합금으로 이루어진 금속 그룹 중 하나로 제조된 피이드스루우와,
    - 상기 제 1 및 제 2피이드스루우의 내측 단부에 각각 위치해 있는 두 전극을 포함하며,
    - 상기 다층 구조 플러그의 적어도 하나 이상의 부분의 열팽창 계수가 상기 세라믹 아아크관의 열팽창계수와 상기 피이드스루우의 열팽창계수 사이의 값을 가지며,
    - 상기 다층 구조 플러그는 제 1 부분 및 최종 부분을 포함하여 서로 상이한 열팽창계수를 갖는 적어도 4개 이상의 축선방향으로 배열된 부분들을 포함하는 구성을 가지며, 상기 제 1부분은 상기 방전 체적부에 대해 최내부에 위치하고, 상기 최종 부분은 상기 방전 체적부에 대해 최외부에 위치하며,
    - 상기 다층 구조 플러그의 상기 제 1 부분은 상기 세라믹 아아크관에 직접 소결되고 상기 플러그의 상기 최종 부분은 상기 관련된 피이드스루우에 직접 소결되는 방식으로 상기 세라믹 아아크관과 상기 피이드스루우 모두에 직접 소결되는 세라믹 밀봉 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상이한 부분들의 조성은 상기 금속의 비율에서 차이가 나는 세라믹 밀봉 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 상이한 부분들의 조성은 상이한 조성물을 사용하는 세라믹 밀봉 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 플러그는 중앙 보어를 구비한 원통형 층상 구조이며, 적어도 상기 제 2피이드스루우에 인접해 있는 상기 최외측 최종 층이 상기 피이드스루우와 가스 기밀 접촉하고 있는 세라믹 밀봉 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 최외층 만이 상기 피이드스루우와 가스 기밀 접촉하고 있으며, 상기 피이드스루우와 상기 제 2플러그의 층들(상기 최종층을 제외한) 사이의 거리가 적어도 1mm 이상인 세라믹 밀봉 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 피이드스루우는 상기 플러그 내에 수용되며, 상기 최외층으로부터 시작하여 상기 모든 영역 또는 층들이 아닌 단지 일부 층들만을 관통하는 세라믹 밀봉 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 방전 체적부로부터 상기 층까지의 거리가 증가할 수록, 상기 층들과 상기 제 2피이드스루우 사이의 거리는 망원경식으로 또는 완만한 곡선형으로 감소하는 세라믹 밀봉 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 최내층만이 적어도 부분적으로 상기 아아크관의 단부에 위치되어 있는 세라믹 밀봉 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 2플러그가 축선방향으로 위치한 적어도 5개 이상의 부분으로 이루어진 세라믹 밀봉 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 제 2플러그의 첫 번째 최내측 부분이 "중산모" 구조를 가지는 세라믹 밀봉 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제 2피이드스루우가 관형인 세라믹 밀봉 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 용기 단부는 다층 구조물을 위한 중앙 보어를 구비한 디스크형 삽입 부재에 의해 폐쇄되며, 바람직하게 상기 다층 구조물이 상기 삽입 단부 내에 수용되어 있는 세라믹 밀봉 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 제 2플러그의 마지막 최외측 부분이 적어도 50 부피% 이상의 금속을 함유하는 세라믹 밀봉 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제 2플러그의 마지막 최외측 부분이 용접가능한 세라믹 밀봉 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제 2피이드스루우가 상기 제 2플러그의 마지막 최외측 부분에 용접되는 세라믹 밀봉 장치.
  16. 제 12항에 있어서, 별도의 충진 홀 또는 보어가 상기 제 2플러그에 형성되어 있는 세라믹 밀봉 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 용접가능한 재료로 제조된 스톱퍼가 상기 충진 홀 또는 보어에 끼워맞춤되는 세라믹 밀봉 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 스톱퍼가 상기 제 2플러그의 최종 부분의 외측면에 용접되는 세라믹 밀봉 장치.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 아아크관의 세라믹 재료는 산화이트륨에 추가하여 산화마그네슘이 도핑된 알루미나로 이루어진 세라믹 밀봉 장치.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 서서히 변하는 서어멧 몸체의 적어도 상기 최외측 영역은 순수 알루미나로 제조되고, 적어도 상기 최내측 영역은 산화마그네슘이 도핑된 알루미나로 제조되는 세라믹 밀봉 장치.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 다층 구조물은 상기 방전부와 접하는 측부에서 중공형 부재에 연결되어 있으며, 상기 연결 영역은 부싱에 의해 둘러 싸여 있는 세라믹 밀봉 장치.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 제 1플러그가 단일체 또는 상기 다층 구조 플러그와 유사한 다층 구조체인 세라믹 밀봉 장치.
  23. 제 1항에 있어서, 상기 다층 구조물(상기 아아크관과 이와 관련된 피이드스루우를 포함)의 인접하는 부분들 사이의 열팽창계수의 차가 약 1.0×10-6/K 인 세라믹 밀봉 장치.
  24. 제 1항에 따른 세라믹 밀봉체를 구비한 램프.
  25. 서어멧 플러그를 제조하는 방법으로서,
    상기 플러그가 적층 기술 또는 분사 기술에 의해 제조되는 서어멧 플러그 제조 방법.
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