KR100693841B1 - 고압 방전램프 - Google Patents

Abstract

본 발명에 관계되는 고압 방전램프는, 발광관(1)의 방전 용기(2)내에 대향하여 배치된 전극(3, 3)의 선단부가 대략 반구 형상으로 성형되고, 그 선단부에 아크 스폿이 되는 돌기물(10)이 형성되는 고압 방전램프로서, 아크 스폿이 주기적으로 이동하는 아크 점프 현상의 발생을 확실하게 방지하기 위해서, 전극(3, 3)간의 거리 L(mm)과 안정 점등시의 램프 전류 I(A)와의 관계식: 0.3≤L/I≤1.0, 방전 용기(2)내에 봉입하는 브롬화물의 브롬의 몰량 X(mol)과 방전 용기(2)의 내용적 Y(ml)와의 관계식: 1.2×10^-7≤X/Y≤1.1×10^-5, 전극(3)의 대략 반구 형상으로 성형된 선단부의 텅스텐 중량 W(mg)과 램프 전류 I(A)와의 관계식: 9≤W^3/2/I≤65를 전부 충족하는 동시에, 안정 점등시에 있어서의 구형파 점등 주파수를 45Hz 이상으로 했다.

수은, 브롬화물, 희가스, 발광관, 방전 용기, 텅스텐, 전극, 방전, 아크 스폿, 고압 방전램프, 구형파 점등 주파수

Description

고압 방전램프{HIGH-PRESSURE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 수은, 브롬화물 및 희가스를 봉입한 발광관의 방전용기내에 텅스텐으로 이루어지는 한쌍의 전극이 대향하여 배치된 고압 방전램프에 관한 것이며, 특히, 서로 대향하는 양 전극의 선단부가 각각 대략 반구 형상으로 성형되고, 그 선단부에 전극간의 방전에 의해 아크 스폿이 되는 돌기물이 형성되는 쇼트 아크형의 고압 방전램프에 관한 것이다.

투사형 액정 디스플레이나 액정 프로젝터 등의 투사형 화상표시 장치에 설치하는 백라이트는, 직사각형 형상의 스크린에 대해 충분한 휘도, 효율 및 연색성(演色性)을 가지고 균일하게 화상을 투사하는 것이 요구되기 때문에, 그 광원으로서, 고압 수은램프나 메탈할라이드 램프 등의 고압 방전램프가 사용되고 있다.

이 종류의 램프로서는, 텅스텐으로 이루어지는 한쌍의 전극이 대향하여 배치된 발광관의 방전용기내에, 발광 물질인 수은과, 전극으로부터 증발하여 방전 용기의 내면에 부착된 텅스텐을 전극으로 되돌리는 할로겐 사이클 작용을 나타내고 발광관의 흑화를 억제하는 브롬화물 등의 할로겐 화합물과, 점등 시동용 보조 가스가 되는 아르곤, 크립톤, 크세논 등의 희가스를 봉입한 것이 일반적이지만, 점광원에 가까운 고휘도 광원으로 하기 위해서 전극간 거리를 짧게 한 쇼트 아크형의 고압 방전램프는, 전극의 선단부의 온도가 과도하게 상승하기 때문에, 텅스텐의 용융·증발작용이 현저해져서, 전극의 선단부가 변형되거나 손모(損耗)되는 동시에, 증발한 텅스텐이 방전 용기의 내면에 부착되어서 생기는 발광관의 흑화가 조기에 진행되어, 램프 수명이 짧아진다는 문제가 있었다.

또, 전극간 거리를 짧게 하면, 램프의 점등 초기에는 전극의 선단부의 중심부근에 형성되어 있던 아크 스폿(전극의 음극동작시에 전자전류가 방사되는 개소)이, 점등 시간의 경과에 따라 점등 초기와는 다른 위치에 주기적으로(점등 주기마다) 이동한다는 아크 점프 현상이 발생하여, 불과 100시간 정도의 점등으로 투사형 화상표시 장치의 스크린 조도가 30%정도나 저하되거나, 그 스크린 화면상에 휘도변동에 의한 불쾌한 플리커를 일으키는 일이 있다.

즉, 투사형 화상표시 장치의 백라이트의 광원으로서 사용하는 고압 방전램프는, 발광관의 관축과, 그 발광관으로부터 방사되는 광을 반사시키는 오목면 반사경의 중심축을 일치시키는 광축 맞춤이 미리 행해져 있는데, 상기와 같은 아크 점프 현상이 발생하면, 아크 스폿이 점등 주기마다 광축으로부터 벗어나서 무질서하게 이동하기 때문에, 스크린 화면상에 휘도 변동에 의한 불쾌한 플리커를 일으키는 동시에, 스크린 조도의 저하를 초래하는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제를 감안하여, 일본 특개 2001-312997호, 동 2001-325918호 및 동 2002-83538호에는, 전극을 형성하는 텅스텐의 용융·증발작용을 억제하기 위해서, 전극의 선단부를 굵게 하여 열용량을 크게 하는 동시에, 아크 점프 현상의 발생을 억제하기 위해서, 전극의 선단부를 대략 반구 형상으로 성형하여 아크 스폿 이 생기는 개소를 구면 형상의 볼록면으로 형성하는 기술이 개시되어 있다.

또, 상기 일본 특개 2001-312997호에는, 선단부가 대략 반구 형상으로 성형된 한쌍의 전극간에 교류를 일정시간 통전하여 아크방전을 생기게 하고, 그 방전에 의해 양 전극의 선단부에 아크 스폿이 되는 돌기물을 미리 형성함으로써, 전극의 선단부의 열용량을 증대시키는 동시에, 아크 점프 현상의 발생을 방지하려고 하는 기술이 개시되어 있다.

그렇지만, 이 기술의 작용효과에 대해 실험·연구한 바, 램프의 점등 파형이나 점등 주파수, 발광관의 방전 용기내에 봉입하는 브롬화물의 브롬 농도, 전극간 거리와 램프 전류의 크기, 전극의 대략 반구 형상으로 성형된 선단부에서의 텅스텐 중량 등의 여러 조건을 적정하게 조정하지 않으면, 램프의 점등으로부터 불과 수분내에 전극의 선단부에 형성되어 있던 아크 스폿이 되는 돌기물이 소실되어 아크 점프 현상이 조기에 발생하거나, 또는 그 돌기물이 이상 성장하여 전극간 거리가 짧아지거나, 램프 전압이 조기에 저하되어 조도저하를 초래하는 등의 불량이 발생하고, 또한 전극선단부의 변형, 손모나, 발광관의 조기 흑화 등도 생기는 것이 판명되었다.

그래서 본 발명은, 고압 방전램프에서의 상기한 바와 같은 여러 조건을 적정하게 조정함으로써, 전극선단부의 변형, 손모나, 발광관의 조기 흑화를 방지하는 동시에, 전극의 선단부에 형성한 아크 스폿이 되는 돌기물의 소실이나 이상 성장을 억제하고, 아크 점프 현상의 발생을 확실하게 방지하고, 고압 방전램프를 광원으로 하는 투사형 화상표시 장치의 스크린 화면에 플리커가 생기거나, 그 스크린 조도가 저하되는 것을 방지하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은, 수은, 브롬화물 및 희가스를 봉입한 발광관의 방전 용기내에 텅스텐으로 이루어지는 한쌍의 전극이 대향하여 배치되고, 양 전극의 선단부가 각각 대략 반구 형상으로 성형되고, 그 선단부에 전극간의 방전에 의해 아크 스폿이 되는 돌기물이 형성되는 고압 방전램프에 있어서, 양 전극의 전극간 거리를 L(mm), 안정 점등시에 있어서의 램프 전류를 I(A), 발광관의 방전 용기내에 봉입되는 브롬화물의 브롬의 몰량을 X(mol), 발광관의 방전 용기의 내용적을 Y(ml), 각 전극의 대략 반구 형상으로 성형된 선단부의 텅스텐 중량을 W(mg)로 했을 때에, 다음식 1∼3의 조건을 충족하는 것을 특징으로 한다.

식 1: 0.3≤L/I≤1.0

식 2: 1.2×10^-7≤X/Y≤1.1×10^-5

식 3: 9≤W^{3 /2}/I≤65

삭제

본 발명에 의한 고압 방전램프는, 대향하는 전극의 선단부가 각각 대략 반구 형상으로 성형되어 있으므로, 전극간 거리가 가장 짧은 전극의 최선단 개소에 아크 스폿이 되는 돌기물이 형성되게 된다.

그리고, 본 발명자의 실험에 의하면, L/I의 값이 0.3 미만인 경우에는, 전극의 선단부가 손모되어 램프 전압이 조기에 상승하기 때문에, 안정한 방전이 얻어지지 않게 되고, 한편, L/I의 값이 1.0을 초과하면, 전극의 선단부에 형성된 아크 스폿이 되는 돌기물에 할로겐 사이클 작용에 의해 텅스텐이 과잉으로 부착 퇴적되어 그 돌기물이 이상 성장하기 때문에, 전극간 거리가 짧아져서 램프 전압이 조기에 저하되어, 램프 전력 부족에 의한 조도저하를 초래해버리지만, 그 L/I의 값을 0.3∼1.0의 범위내에 선정하면, 전극 선단부의 손모나, 아크 스폿이 되는 돌기물의 이상 성장을 억제할 수 있다.

또, X/Y의 값이 1.2×10^-7 미만인 경우에는, 발광관의 흑화가 조기에 진행되고, 그 값이 1.1×10^-5을 초과하면, 대략 반구 형상으로 성형된 선단부를 지지하고 있는 전극의 근원부분이 조기에 가늘어져서, 전극 낙하가 발생하기 쉬워지는데, X/Y의 값을 1.2×10^-7∼1.1×10^-5의 범위내에 선정하면, 발광관의 조기 흑화와 전극낙하를 방지할 수 있다.

또, W^3/2/I의 값이 9 미만인 경우에는, 전극의 선단부가 조기에 손모되어 급격한 램프 전압의 상승을 초래하고, 그 값이 65를 초과하면, 램프의 시동성능이 악화되는 동시에, 전극의 선단부에 형성된 아크 스폿이 되는 돌기물이, 축소 혹은 소실되거나, 또는 복수 형성되거나 하여, 아크 스폿이 이동하는 아크 점프 현상을 일으킬 우려가 있는데, W^3/2/I의 값을 9∼65의 범위내에 선정하면, 돌기물의 형상이나 크기가 그다지 변화되지 않으므로 아크 점프 현상을 일으킬 우려가 없어, 전극의 선단부가 조기에 손모될 우려도 없다.

또한, 램프를 구형파로 점등하지 않으면, 전극간에 글로우 방전을 일으킬 시간이 존재하므로 발광관의 흑화를 초래하고, 또, 램프의 안정 점등시에 있어서의 점등 주파수가 45Hz 미만인 경우에는, 전극의 음극동작시에 있어서의 냉각시간이 길기 때문에, 전극의 선단에 형성된 아크 스폿이 되는 돌기물이 이상 성장하여 전극간 거리가 짧아져, 램프 전압이 조기에 저하되어 램프 전력부족에 의한 조도저하를 초래하지만, 구형파로 점등시켜, 그 구형파 점등 주파수를 45Hz 이상으로 하면, 발광관의 조기 흑화와 아크 스폿이 되는 돌기물의 이상 성장을 방지할 수 있다.

또, 본 발명은, 안정기의 소형화를 가능하게 하고, 램프의 고휘도·고효율·고연색성을 실현하고, 발광관의 파열을 방지하기 위해서, 발광관의 방전 용기내에 봉입하는 수은량이, 방전 용기의 단위 내용적(ml)당 130∼290mg로 선정되어 있다.

즉, 발광관의 방전 용기내에서의 평균 가스 온도를 2000K로 하여, 램프 점등중에 있어서의 방전 용기의 내압을 기체의 상태 방정식에 의해 산출하면, 발광관의 방전 용기내에 봉입하는 수은량이 130mg/ml 미만인 경우에는, 그 방전 용기의 내압은 계산상 100기압 정도가 되지만, 100기압 부근에서는 수은의 2원자분자가 8% 정도 존재하므로, 실질상은 100기압 이하가 되기 때문에, 램프 전압이 낮아져서 램프 전류를 많이 흘릴 필요가 있으므로, 안정기의 소형화를 꾀하는 것이 곤란하게 된다. 또, 100기압 이하에서는, 전극간에 생기는 아크의 직경방향의 퍼짐을 충분히 억제할 수 없어, 굵고 광출력이 약한 아크가 되기 때문에, 램프와 오목면 반사경을 조합해도 큰 조도는 얻어지지 않고, 바람직한 광색도 얻어지지 않으므로, 고휘도·고효율·고연색성을 실현할 수 없다. 한편, 수은량이 290mg/ml를 초과하면, 램프 점등중에 있어서의 방전 용기의 내압은 계산상 240기압 정도가 되고, 200기압 부근에서는 수은의 2원자 분자가 15%정도 존재하는 것을 고려해도, 실질적으로 200기압 이상에 도달하므로, 발광관에 따라서는 그 내압강도를 초과하여 파열을 일으킬 위험성이 있다.

그래서 본 발명은, 램프의 점등중에 있어서의 발광관의 방전 용기의 내압이 실질적으로 100∼200기압의 범위내에 수습되도록 하기 위해서, 발광관의 방전 용기내에 봉입하는 수은량을 130∼290mg/ml의 범위에 선정하고 있다.

도 1은 본 발명에 관계되는 고압 방전램프의 1예를 도시하는 도면, 도 2는 본 발명에 관계되는 고압 방전램프에 사용하는 전극의 가공형상과 가공전의 형상을 도시하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명의 최량의 실시형태를 첨부 도면에 의해 설명한다.

도 1에 예시한 고압 방전램프는 정격전력 120w의 고압 수은 방전램프이고, 발광관(1)의 중앙부를 구 형상으로 볼록하게 돌출시켜서 이루어지는 방전 용기(2)내에는, 텅스텐으로 이루어지는 한쌍의 전극(3, 3)이 대향하여 배치되는 동시에, 발광 물질인 수은과, 할로겐 사이클 작용을 나타내는 할로겐 화합물인 브롬화수소와, 램프 점등 시동용 보조 가스가 되는 희가스의 아르곤 가스가 봉입되어 있다.

또한, 발광관(1)의 방전 용기(2)의 내용량(Y)은 약 0.06ml, 그 방전 용기(2)내에 봉입하는 수은량은 13mg (단위 내용적 당: 213mg/ml), 브롬화수소의 브롬의 몰량(X)은 3.0×10^-7mol/ml, 아르곤 가스의 봉입량은 1.6×10⁴Pa(상온시)로 각각 선정되어 있다.

발광관(1)은 용융 석영으로 이루어지고, 그 방전 용기(2)는 최대 외경 9.4mm, 최대 내경 4.8mm로 성형되고, 전극(3, 3)을 매설하여 고정하는 방전 용기(2)의 양단에는, 그 양단을 기밀로 실링하는 밀봉부(4, 4)가 형성되어 있다.

밀봉부(4, 4)에는, 각각 각 전극(3)의 근원부와, 그 근원부에 접속한 길이 20mm의 몰리브덴 박(5)과, 이 몰리브덴 박(5)에 접속한 선 직경 0.5mm의 몰리브덴 선(6)이 매설되어 있다.

각 전극(3)은, 먼저, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 고순도 텅스텐으로 이루어지는 외경 0.3mm, 길이 7.0mm의 전극봉(7)의 선단부에, 고순도 텅스텐으로 이루어지는 외경 0.22mm의 코일(8)이, 전극봉(7)의 선단부를 1mm만큼 노출시키도록 하고 그 후단측으로부터 선단측으로 7 턴 치밀하게 감은 후, 그 위에 연속적으로 겹쳐 감기도록 선단측으로부터 후단측으로 5 턴 치밀하게 감겨지고, 내측 권선 부분(t1)과 외측 권선 부분(t2)을 갖는 이중권선 코일의 상태로 된다. 이어서, 각 전극(3)의 전극봉(7)의 선단부에 아크 플라즈마나 레이저 또는 전자 빔 등에 의한 가열 용융가공을 시행하여, 그 선단부와 코일(8)의 일부가, 코일(8)의 외측 권선 부분(t2)을 약 2∼3 턴 남기는 자리까지 가열 용융되고, 그 가열 용융부분이 구 형 상이 되려고 하는 표면 장력 현상에 의해, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이, 각 전극(3)의 선단부가 대략 반구 형상으로 성형되는 동시에, 대략 반구 형상으로 성형되는 전극선단부의 부피비중이, 텅스텐의 이론밀도[19.3]의 93% 이상, 즉 밀도 18.0 이상이 되도록 가공되어 있다.

이 가공에 의해, 각 전극(3)의 전체 길이는 약 6.7mm가 되고, 그 선단부의 대략 반구 형상을 이루는 부분의 텅스텐 중량(W)은 약 10mg이 된다.

그리고, 이렇게 가공된 한쌍의 전극(3, 3)을 발광관(1)의 방전 용기(2)내에 대향하여 배치시켜서 밀봉부(4, 4)에 고정하고, 발광관(1)을 수평상태로 하여, 구형파 주파수 150Hz의 구형파형 전자안정기(9)에 의해, 램프 전력 120W, 램프 전압 90V, 램프 전류(I) 약 1.3A의 조건으로 램프에 도통하고, 발광관(1)의 방전 용기(2)의 하부 외표면 온도가 850∼900℃가 되도록 보온하면서 약 2시간 점등시키면, 전극(3, 3)간의 방전에 의해, 그 방전 아크가 생기는 각 전극(3)의 선단부의 최선단 개소에 텅스텐이 집적되어, 도 2(b)에 파선으로 도시하는 바와 같이, 최대 굵기 약 0.015mm, 길이 약 0.1mm 정도의 돌기물(10)이 형성되고, 이 돌기물(10)이 아크 스폿이 된다.

또, 이 돌기물(10)이 각 전극(3)의 선단부에 형성됨으로써, 최종적으로 전극간 거리(L)가 약 1.0mm가 되도록 설계되어 있다.

이와 같이 하여 완성된 고압 방전램프는, 점등 시간이 수천시간 경과해도, 전극(3, 3)의 선단부에 형성된 돌기물(10)이 축소 혹은 소실되거나, 이상 성장하거나 하는 일이 없고, 그 돌기물(10)의 형상이나 길이가 대략 일정하게 유지되므로, 아크 스폿이 무질서하게 이동하여 아크 점프 현상을 일으킬 우려가 없는 동시에, 전극간 거리가 짧아져서 램프 전압이 조기에 저하될 우려도 없다.

따라서, 이 램프를 투사형 화상표시 장치의 광원으로서 사용하면, 아크 점프 현상에 의한 스크린 화면의 플리커나 스크린 조도의 저하를 일으키는 문제가 확실하게 해소된다.

이상과 같이, 본 발명에 관계되는 고압 방전램프는, 전극의 음극동작시에 전자전류가 방사되는 개소인 아크 스폿이 주기적으로 이동하는 아크 점프 현상을 일으킬 우려가 없으므로, 투사형 액정 디스플레이나 액정 프로젝터 등의 투사형 화상표시장치에 설치하는 백라이트의 광원으로서 유용성이 높은 것이다.

Claims (3)

1. 수은, 브롬화물 및 희가스를 봉입한 발광관의 방전 용기내에 텅스텐으로 이루어지는 한쌍의 전극이 대향하여 배치되고, 양 전극의 선단부가 각각 반구 형상으로 성형되고, 그 선단부에 전극간의 방전에 의해 아크 스폿이 되는 돌기물이 형성되는 고압 방전램프에 있어서,

   양 전극의 전극간 거리를 L(mm),

   안정 점등시에 있어서의 램프 전류를 I(A),

   발광관의 방전 용기내에 봉입하는 브롬화물의 브롬의 몰량을 X(mol),

   발광관의 방전 용기의 내용적을 Y(ml),

   각 전극의 반구 형상으로 성형된 선단부의 텅스텐 중량을 W(mg)로 했을 때에, 다음 식 1∼3의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 고압 방전램프.

   식 1: 0.3≤L/I≤1.0

   식 2: 1.2×10^-7≤X/Y≤1.1×10^-5

   식 3: 9≤W^3/2/I≤65
2. 제 1 항에 있어서, 발광관의 방전 용기내에 봉입하는 수은량이 방전 용기의 단위 내용적(ml)당 130∼290mg인 것을 특징으로 하는 고압 방전램프.
3. 제 1 항에 있어서, 안정 점등시에 있어서의 구형파 점등 주파수가 45Hz 이상인 것을 특징으로 하는 고압 방전램프.

Images