KR100717701B1

KR100717701B1 - 유전체 배리어 방전 램프, 유전체 배리어 방전 장치 및이들의 사용 방법

Info

Publication number: KR100717701B1
Application number: KR1020057005751A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 하타세; 신고 에자키
Original assignee: 가부시키가이샤 지에스 유아사 코포레이션
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2007-05-11
Also published as: WO2005076315A1; KR20060034618A; TWI344663B; TW200527475A; CN1765002B; CN1765002A; JP2005222714A

Abstract

본 발명은, 방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어 방전 램프에 관한 것으로서, 방전 가스는, Xe 및 Ar을 함유하는 동시에 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비가 0.20 이상 0.80 이하이다.

방전 가스, 방전 램프, 유전체 배리어, 방전 용기, 분압비.

Description

유전체 배리어 방전 램프, 유전체 배리어 방전 장치 및 이들의 사용 방법{DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE LAMP, DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE EQUIPMENT AND METHOD OF USING THEM}

본 발명은, 유전체 배리어(barrier) 방전 램프, 유전체 배리어 방전 장치, 및 이들의 사용 방법에 관한 것이다.

유전체 배리어 방전 램프로서는, Xe(크세논) 등을 방전 용기에 충진한 것이 널리 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특개평 8(1996)-87989호 공보 참조).

Xe₂ 엑시머로부터 방사(放射)되는 중심 파장이 172nm의 진공 자외선을 이용하는 램프에서는, 광출력이 반드시 충분한 것은 아니므로, 보다 고출력화가 요구되고 있다.

물론, 방전 용기 내에 충진하는 Xe의 압력을 높이면, 여기(勵起) 상태에 있는 1개의 Xe^*원자(*는 전자(電子) 여기 상태를 의미함)와 바닥부를 가지는 상태에 있는 2개의 Xe 원자 사이에서 일어나는 삼체 충돌 반응(Xe^*＋Xe＋Xe→Xe₂＋Xe)에 의해 생성되는 Xe₂ 엑시머의 밀도가 증가하므로 172nm의 광출력은 증가한다. 그러나 한편, 압력의 증가에 따라 전자는 Xe 원자나 Xe^＋이온 등에 충돌할 확률이 높아진다. 그 결과, 모처럼 전자가 전계로부터 에너지를 얻어도 충돌에 의한 에너지 로스가 증가한다. 따라서, 전자의 평균 에너지가 저하되므로, 전리(電離) 효율(전자가 단위 길이 진행되는 동안 Xe 원자를 전리하는 회수)이 저하된다. 이것은 방전을 개시하기 위해 필요한 전압(램프 시동 전압)이 증가하는 것을 의미하고, 이것에 따라, 전원 장치 등의 개량이 필요하다. 따라서, 순(純)Xe가스에 있어서 밀봉압을 증가시키는 것은 유효한 방법은 아니었다. 이와 같은 사정에 의해, 종래는, 방전 용기 내의 전체 압력과 방전 갭 길이의 곱이, 2250 Torr·mm 이하인 유전체 배리어 방전 램프만이 사용되어 왔다. 따라서, 충분한 광출력을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, Xe를 포함하는 가스가 밀봉된 방전 용기를 사용한 램프에 있어서, 램프 시동 전압의 상승을 수반하지 않고, 광출력을 증가시킨 유전체 배리어 방전 램프 및 유전체 배리어 방전 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명자들은, 이러한 문제점을 해결하고자 유전체 배리어 방전 램프 및 유전체 배리어 방전 장치를 개발하기 위해 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 방전 용기에 충진하는 방전 가스를, Xe와 Ar의 혼합 가스로 하고, 또한 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비 P_Xe/(P_Xe＋P_Ar)를 0.20 이상 0.80 이하로 함으로써, 램프 시동 전압의 상승을 수반하지 않고, 방사 강도를 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.

본 발명은, 이 지견에 따라 이루어진 것이다. 즉, 본 발명에 의한 제1 발명은, 방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어 방전 램프로서, 상기 방전 가스는, Xe 및 Ar을 함유하는 동시에, 상기 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비가 0.20 이상 0.80 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 제2 발명은, 방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어 방전 램프와, 상기 전극 사이에 교류 전압을 인가하는 전원 장치를 구비한 유전체 배리어 방전 장치로서, 상기 방전 가스는, Xe 및 Ar을 함유하는 동시에, 상기 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비가 0.20 이상 0.80 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 방전 가스를 Xe와 Ar의 혼합 가스로 하는 동시에, 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비 P_Xe/(P_Xe＋P_Ar)를 0.20 이상, 또한 0.80 이하로 함으로써, 램프 시동 전압의 상승을 수반하지 않고, 방사 강도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예이며, 유전체 배리어 방전 램프를 구비한 유전체 배리어 방전 장치를 나타낸 단면도이다.

도 2는 충진 기체의 전체 압력과 방사 강도(UV 172nm)의 관계를 나타낸 그래 프이다.

도 3은 충진 기체의 전체 압력과 최소 램프 시동 피크 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 4는 분압비와 최대 밀봉압의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5는 분압비와 설계 가능한 최대 방사 강도(UV 172nm)의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하에, 실시예를 예로 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1에, 본 발명의 실시예인, 유전체 배리어 방전 장치를 나타낸다. 이 유전체 배리어 방전 장치는, 유전체 배리어 방전 램프(10)(이하, 단지 「램프(10)라고 함)와 인버터 장치(20)를 구비하고 있다. 램프(10)는, 예를 들면 합성 석영제의 방전 용기(11)(예를 들면, 사이즈 약 350mm×약 40mm×약 13mm, 두께 약 2mm)를 구비하고, 그 내부인 방전 공간(13)에는 방전 가스가 충진되어 있다. 방전 용기(11)에는, 한쌍의 전극(14, 15)이 형성되어 있다. 전극(15)은 메쉬형이므로, 방전에 의해 방사되는 광이 투과할 수 있다. 이들 양 전극(14)과 (15) 사이에는, 트랜스(27)를 통하여, 인버터 장치(20)가 접속되어 있다. 그리고, 인버터 장치(20)는 트랜스(27)의 1차 코일(27P)에 접속되고, 상기 램프(10)의 양 전극(14, 15)은 트랜스의 2차 코일(27S)에 접속되어 있다. 트랜스(27)와 인버터 장치(20)는, 엑시머 전원(30)을 구성하고 있다.

상기 구성의 램프에 있어서, Xe₂ 엑시머 분자로부터 방사되는 중심 파장이 172nm의 스펙트럼의 방사 강도를 도 2에 나타낸다. 자외선의 방사에 있어서는, 방전 갭 길이를 약 9mm로 하였다. 이 방전 갭 길이의 값은, 방전 용기의 두께(전극 사이 거리와 같음) 약 13mm로부터 방전 용기의 두께의 2배인 약 4mm를 제함으로써 구해진다. 램프 시동 시에 전극 사이에 인가하는 피크 전압(램프 시동 피크 전압) V_sp를 16kV, 시동 후(점등 중)에 전극 사이에 인가하는 피크 전압(램프 피크 전압) V_p를 6kV, 주파수 f를 30kHz 일정으로 하였다. 인가 전압 파형은 상승 하강 모두 0.5㎲의 직사각형파로 하였다. 또한, 방전 용기(11) 내의 Xe－Ar 혼합 가스의 전체 압력(밀봉압)을 변화시키는 동시에, 그 각각의 전체 압력에 있어서, Xe－Ar 혼합 가스의 분압비(P_Xe/(P_Xe＋P_Ar))를, 0.10, 0.15, 0.20, 0.35, 0.50, 0.70, 0.80, 1.00의 8종류로 하였다. 또, 방사 강도는, 진공 자외 분광기 및 광전자 증배관(增倍管)을 사용하여, N₂ 분위기 하에서 측정했다.

이 결과로부터, 어느 분압비(P_Xe/(P_Xe＋P_Ar)= 0.10~1.00)에 있어서도, 혼합 가스의 전체 압력(밀봉압)을 증가시키는 것에 의해 방사 강도가 증가하는 것을 알았다. 이것은, 전체 압력(밀봉압)의 증가와 함께, Xe₂ 엑시머 분자의 밀도가 증가하기 때문이다. 또 전체 압력(밀봉압)이 일정한 조건에서는, 분압비가 0.50~ 1.00의 범위에서 거의 같은 방사 강도를 얻을 수 있는 것을 알았다.

다음에, 각 분압비(P_Xe/(P_Xe＋P_Ar)에 있어서, 전체 압력(밀봉압)을 변화시킨 경우에, 램프를 시동시키기 위해 필요한 최소의 피크 전압, 즉 최소 램프 시동 피크 전압 V_{sp min}이 어떻게 변화하는지를 검토했다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 어느 분압비에 있어서도 전체 압력(밀봉압)을 증가시키는 것에 의해 V_{sp min}가 상승하는 것을 알았다. 그리고, 이것은, 불꽃 방전에 있어서의 파센의 법칙(Paschen's law)과 유사한 것이다. 파센의 법칙이란, 자속 방전을 개시하기 위한 전압(불꽃 전압)이, 밀봉압 p와 방전 갭 길이 d와의 곱 pd의 함수로 표현되는 것으로 하는 이론이다. 불꽃 전압은, 어느 pd값에서 극소로 된다. 일반적으로, 불꽃 방전이 극소로 되는 점(파센 미니멈)보다도 pd값이 큰 영역에서는, pd값의 증가에 따라 불꽃 전압도 증가한다. 도 3에 나타낸 전체 압력의 범위는, 이 영역에 상당한다.

또, 이 도 3에 나타낸 바와 같이, Ar의 분압을 0에서 0.80까지 증가시킴에 따라, 즉 분압비(P_Xe/(P_Xe＋P_Ar))를 1.00에서 0.20까지 작게 함에 따라, V_{sp min}이 저하되는 것을 알았다. 그러나, V_{sp min}은, 분압비(P_Xe/(P_Xe＋P_Ar))가 0.20에 있어서 최소가 되고, 또한 분압비를 작게 하면 증가하는 것을 알았다.

이상의 결과를 정리하면, 다음과 같이 된다. 방전 공간 내에서의 혼합 가스의 전체 압력(밀봉압)을 증가시켜 가면, 방사 강도는 증가하여 가고(도 2 참조), V_{sp min}도 증가한다. 또, V_{sp min}는, 분압비(P_Xe/(P_Xe＋P_Ar))를 1.00에서 0.20까지 작게 하면 저하되고, 분압비가 0.20에 있어서 극소치를 취한다(도 3 참조).

그런데, 램프의 전원 장치에 대하여는, 그 비용, 사이즈 등의 제약때문에, 공급 가능한 전압에 제한이 있다. 따라서, 단지 램프의 방사 강도를 증가시키는 것만 아니고, 램프 시동시에 있어서 전극 사이에 인가하는 피크 전압 V_sp를 상승시키지 않고 램프를 시동할 수 있는 것이 요구되고 있다.

그래서, V_sp를 상승시키지 않고, 방사 강도를 증가시킬 수 있는 램프를 제공하기 위한 검토를 행하였다.

도 4는, 램프의 시동시에 전극 사이에 인가하는 피크 전압(V_sp)을 일정하게 한 경우에, 방전을 개시시킬 수 있는 최대 밀봉압을 혼합 가스의 분압비에 대하여 나타낸 그래프이다. 도 4는, 도 3의 그래프로부터 도출된 것이다.

도 4의 그래프는, 구체적으로는, 도 3으로부터 다음과 같이 이끌어낼 수 있다. 여기서는, V_sp = 8kV의 경우를 예로 설명한다. 먼저, 도 3에 나타낸 파선(破線)과 9개의 그래프선(분압비 0.00 ~ 1.00의 선)과의 교점, 구체적으로는 분압비 1.00, 0.80, 0.70, 0.50, 0.35, 0.20, 0.15, 0.10, 0.00의 경우의 전체 압력값을 구한다(그리고, 이들 값은, 각 분압비에 있어서 V_sp= 8kV시에 램프의 시동이 가능한 최대 밀봉압을 나타내고 있다). 이같이 하여 얻어진 9개의 데이터를 x축을 분압비, y축을 최대 밀봉압으로 하여 그래프에 플롯했다. 이 도 4의 그래프로부터, 분압비가 0.2부근에서 최대 밀봉압이 극대값을 취하는 것을 알 수 있었다.

다음에, 이같이 하여 구한 도 4의 그래프와 도 2의 그래프로부터, V_sp= 8kV, V_p= 6kV에 있어서의 설계 가능한 최대 방사 강도를 구하면 도 5와 같이 된다.

도 5에 의하면, 방사 강도가, 분압비 0.40부근에서 극대가 되는 것이 알 수 있다. 또, 분압비를 0.20 이상 0.80 이하의 범위로 함으로써, 종래의 Xe가 100% 밀봉된 램프에 비해 현저하게 방사 강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 분압비를 0.20 이상 0.80 이하의 범위, 바람직하게는, 0.27 이상 0.7 이하의 범위로 하면, V_sp의 상승을 동반하지 않고, 바꾸어 말하면 V_sp를 일정하게 해도, 방사 강도를 향상시킬 수 있는 것을 알았다.

방전 갭 길이가 약 9mm인 경우, 방전 가스로서 Xe 만이 이용된 종래예에서는, 방전 가스의 전체 압력이 250 Torr 이하인 유전체 배리어 방전 램프만 이용할 수 있었다. 이것은, 도 3의 Xe의 분압비가 1.00인 경우의 결과로부터 보다 이해할 수 있다. 즉, 종래의 유전체 배리어 방전 램프에서는, 방전 가스의 전체 압력과 방전 갭 길이의 곱이, 250 Torr×9mm = 2250 Torr·mm 이하의 것만 이용되어 왔다. 이에 대하여, 본 발명과 같이 Xe에 Ar을 혼합한 경우에는, 방전 가스의 전체 압력이 350 Torr 이상의 영역이 사용 가능해진다(도 2 및 도 3 참조). 즉, 방전 가스의 전체 압력과 방전 갭 길이의 곱이, 350 Torr×9mm= 3150 Torr·mm 이상의 것이 사용 가능해진다. 본 발명에서는, 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비를 0.20 이상 0.80 이하로 하는 것과, 방전 가스의 전체 압력과 방전 갭 길이과의 곱을 3150 Torr·mm 이상으로 하는 것을 조합시킴으로써, 램프 시동 전압의 상승을 수반하지 않고, 특히 현저하게 방사 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 방전 갭 길이가 약 9mm인 경우, 방전 가스의 전체 압력이 400 Torr 이상인 것이 바람직하다(도 3 참조). 즉, 방전 가스의 전체 압력과 방전 갭 길이과의 곱이, 400 Torr×9mm = 3600 Torr·mm 이상인 것이 바람직하다.

결론으로서, 본 발명에 의해, 방사 강도를 중시한 램프의 설계나, 전원 장치(인버터, 트랜스 등)의 간략화가 가능해진다.

＜다른 실시예＞

본 발명은 상기 설명 및 도면에 의해 설명한 실시예에 한정되지 않고, 예를 들면 다음과 같은 실시예도 본 발명의 기술적 범위에 포함되고, 또한 하기와 같이 이외에도 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 변경하여 실시할 수 있다.

(1) 상기 실시예에서는, 유전체 배리어 방전 램프(10)로서, 특정 형상, 특정 사이즈의 것을 나타냈으나, 유전체 배리어 방전 램프의 형상·사이즈 등에 대하여는 특히 한정되지 않는다.

(2) 상기 실시예에서는, 특정한 방전 갭 길이 d, 주파수 f, 피크 전압 V_p에 대하여 나타냈으나, 이들 값은 특히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 d=3~ 30mm, f= 10kHz~240kHz, V_p= 2kV~24kV의 범위에서 변화시킨 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.

(3) 상기 실시예에서는, 특정한 전압 파형에 관해서 나타냈으나, 전압 파형에 관해서는 특히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 정현파(正弦波)에 있어서 d= 3~30mm, f= 10kHz~240kHz, V_p= 2kV~24kV의 범위에서 변화시킨 경우에도 직사각형파 와 같은 효과를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다.

그리고, 희(希)가스 이외의 가스상 물질로서 Hg를 Xe－Ar 혼합 가스에 공존시키는 경우, 램프 점등시에 있어서의, Hg의 분압을 P_Hg, 방전 가스의 전체 압력을 P로 할 때, P_Hg/P의 비를 0.001% 미만으로 함으로써, 본 발명의 효과는 대폭 향상된다. 이것은, 다음의 이유에 의한다. Xe의 여기 에너지보다 Hg의 여기 에너지 쪽이 작다. 따라서, 전자 에너지가 Hg의 여기에 우선적으로 소비되므로, 여기되는 Xe의 수가 대폭 적어지게 된다. 그 결과, Xe2 엑시머의 밀도가 대폭 저하되므로, 172nm의 광출력이 대폭 저하되기 때문이다. 한편, Xe와 Ar 이외의 희가스의 추가 혼합의 경우, 172nm인 자외선 강도의 저하는 거의 볼 수 없다. 따라서, 특히 Hg를 공존시키는 경우에는, P_Hg/P의 비가 0.001% 미만이 되도록 하는 것이 바람직하다. 본원의 청구의 범위에 기재된 「수은의 분압비가 0.001% 미만이다」라는 것은, 전혀 수은을 포함하지 않는 경우를 포함한다.

본 출원은, 2004년 2월 3일 출원의 일본국 특허 출원 2004-026513에 근거한 것이며, 이들 내용은 여기에 참조된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 방전 가스를 Xe와 Ar의 혼합 가스로 하는 동시에, 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비 P_Xe/(P_Xe＋P_Ar)를 0.20 이상, 또한 0.80 이하로 함으로써, 램프 시동 전압의 상승을 수반하지 않고, 방사 강도를 향상시킬 수 있다.

Claims

방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어(barrier) 방전 램프로서,

상기 유전체 배리어 방전 램프는, Xe₂ 엑시머로부터 방사되는 자외선 중 중심 파장이 172nm인 것을 발광하고,

상기 방전 가스는, Xe 및 Ar을 함유하고, 상기 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비(分壓比)가 0.20 이상 0.80 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
삭제
제1항에 있어서,

상기 방전 가스의 전체 압력과 상기 방전 용기의 방전 갭 길이의 곱이, 3150 Torr·mm 이상 6750 Torr·mm 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 방전 가스의 전체 압력과 상기 방전 용기의 방전 갭 길이의 곱이, 3600 Torr·mm 이상 6750 Torr·mm 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유전체 배리어 방전 램프의 점등시에 있어서의, 상기 방전 용기 내의 상기 방전 가스의 전체 압력에 대한, 상기 방전 가스 중의 수은의 분압비가 0.001% 미만인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어 방전 램프와, 상기 전극 사이에 교류 전압을 인가하는 전원 장치를 구비한 유전체 배리어 방전 장치로서,

상기 유전체 배리어 방전 램프는, Xe₂ 엑시머로부터 방사되는 자외선 중 중심 파장이 172nm인 것을 발광하고,

상기 방전 가스는, Xe 및 Ar을 함유하고, 상기 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비가 0.20 이상 0.80 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
삭제
제6항에 있어서,

상기 방전 가스의 전체 압력과 상기 방전 용기의 방전 갭 길이의 곱이, 3150 Torr·mm 이상 6750 Torr·mm 이하인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
제6항에 있어서,

상기 방전 가스의 전체 압력과 상기 방전 용기의 방전 갭 길이의 곱이, 3600 Torr·mm 이상 6750 Torr·mm 이하인 것을 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
제6항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유전체 배리어 방전 램프의 점등시에 있어서의, 상기 방전 용기 내의 상기 방전 가스의 전체 압력에 대한, 상기 방전 가스 중의 수은의 분압비가 0.001% 미만인 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프.
방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어 방전 램프의 사용 방법으로서,

상기 방전 가스는, Xe 및 Ar을 함유하고, 상기 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비가 0.20 이상 0.80 이하이고,

상기 사용 방법에 있어서는, Xe₂ 엑시머로부터 방사되는 자외선 중 중심 파장이 172nm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프의 사용 방법.
방전 가스가 충진된 방전 용기에 한쌍의 전극이 설치된 유전체 배리어 방전 램프와, 상기 전극 사이에 교류 전압을 인가하는 전원 장치를 구비한 유전체 배리어 방전 장치의 사용 방법으로서,

상기 방전 가스는 Xe 및 Ar을 함유하며, 상기 방전 용기 내의 Xe와 Ar의 합계압에 대한 Xe 분압비가 0.20 이상 0.80 이하이고,

상기 사용 방법에 있어서는, Xe₂ 엑시머로부터 방사되는 자외선 중 중심 파장이 172nm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 유전체 배리어 방전 램프의 사용 방법.