KR100824336B1 - 메탈 할라이드 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프는 환경오염물질인 수은을 함유하지 않고서도 종래와 동등 이상의 높은 가시발광효율과 적절한 발광색을 갖고, 동시에 방전 안정성이 뛰어나며, 특히 실용적인 조광기능을 구비한 메탈 할라이드 램프를 제공한다.

본 발명은 발광관(1)의 내부의 방전공간(2)으로 돌출하여 대향하는 한 쌍의 전극(3)을 구비하며, 상기 방전공간(2)에는 수은을 포함하지 않는 메탈 할라이드 램프에 있어서, 상기 방전공간(2)에는 실온에 있어서 7∼20기압에 상당하는 양의 크세논으로 이루어지는 시동 가스를 겸하는 완충 가스와, 적어도 1종류의 금속 할로겐화물을 포함하고, 상기 발광관(1)은 입력전력의 변동에 대하여 전류전압특성에 있어서의 저항계수가 정인 영역을 가지며, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에서, 상기 발광관(1)은 정상상태의 정격전력이하의 전력을 공급되어 구동되는 것을 특징으로 한다.

이것에 의해, 발광관으로의 입력전력을 변동시키더라도, 약화되거나 불균형이 일어나지 않고, 발광색의 변화도 작아지며, 자동차용 램프에 있어서의 실용적인 조광을 가능케 한다. 또한, 상기 발광관의 임피던스가 75Ω이하인 경우 이것에 의해 공급전력을 정격보다도 작게 하여도 방전이 안정되며, 신뢰성이 높은 조광이 가능해진다. 더욱이, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에 있어서, 상기 발광관에 공급되는 전력은, 정상상태의 정격전력의 57%이상으로서, 방전안정성이 양 호하며, 조광에 적합한 전력범위가 한정되며, 상기 발광관으로의 입력전력의 변화에 대해, 전광속이 19%에서 100%의 범위에서 변동하는 것으로, 실용적인 전광속의 변화량이 얻어지며, 상기 발광관으로의 입력전력이 변동하더라도, 발광색이 실질적으로 백색을 유지하는 입력전력의 범위를 가지며, 위화감이 없는 자연스러운 조광이 가능해지는 메탈 할라이드 램프를 제공하는 것이다.

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Description

메탈 할라이드 램프{Metal Halide Lamp}

도 1은 본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프의 실시 형태를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 있어서, 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 합계로 0.4 mg 봉입한 35W 발광관에 대한 것으로서 전체 금속 할로겐화물 중에 차지하는 요오드화 스칸듐의 mo1 백분율에 따른 가시발광효율을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 있어서 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐에 더하여 요오드화 인듐을 첨가한 35W 발광관의 발광색도의 변화를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 있어서 요오드화 인듐의 첨가량이 10.3 mo1%인 경우의 발광관의 발광 스펙트럼 분포를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 있어서, 도 3과 동일한 발광관에서 요오드화 인듐의 첨가비율과 가시발광효율의 관계를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명에 있어서, 도 4와 동일한 발광관에서 발광관의 전류전압특성을 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명에 있어서, 도 4와 동일한 발광관에서 발광관으로의 입력전력과 전체광속의 관계를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명에 있어서, 도 4와 동일한 발광관에서, 발광관의 입력전력을 정격의 35W에서 감소시켜 갔을 때의 발광색의 색도변화를 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명에 있어서, 35W 자동차용 발광관의 광속유지특성을 나타내는 도면이다.

도 10은 종래의 수은을 함유하는 35W 자동차용 수은프리발광관과 본 발명에 따른 35W 자동차용 수은프리발광관의 점등시간에 따른 발광색의 색도변화를 나타내는 도면이다.

도 11 은 본 발명에 따른 자동차용 발광관에 있어서, 시동전력과 초기광속의 관계를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 발광관(석영글래스 또는 세라믹) 2 : 방전공간

3 : 전극 4 : 금속박

5 : 리드 와이어(몰리브덴)

본 발명은 자동차의 전조등 또는 각종 조명용도에 쓰이는 메탈 할라이드 램프(Metal Halide Lamp)에 관한 것이다.

메탈 할라이드 램프 등의 고압방전 램프에서는 수은은 그 자체의 발광 외에 완충 가스로서 발광관의 온도를 높여 발광재료의 증발을 촉진하거나, 발광관 전압을 조정할 목적으로 사용되어 왔다. 그렇지만, 수은은 환경오염물질이기 때문에 해당 제조업자에는 수은을 사용하지 않는 발광관의 개발이 강력히 요구되고 있다.

메탈 할라이드 램프는 발광관 내부에 예를 들면 실온으로 수기압의 크세논 가스를 봉입하는 것으로, 고온의 크세논 아크로부터의 열전달로 발광관 벽의 금속 할로겐화물을 증발시키는 것에 의하여 수은을 전혀 포함하지 않는 발광관(이하 "수은프리발광관(Mercury Free Lamp)"이라 칭한다)의 실현이 가능하다.

수은프리발광관은 열역학적 특성이 비교적 비슷한 금속 할로겐화물을 주된 발광재료로 하기 때문에 종래의 수은을 함유하는 발광관에는 없는 특징이 나타난다.

예를 들면, 수은을 함유하는 메탈 할라이드 램프에서는, 발광관에의 입력전력을 감소시켜 조광동작(調光動作)을 하면 금속 할로겐화물로서 봉입한 금속의 발광이 현저히 감소하는데 대하여, 상대적으로 증기압의 높은 수은의 발광강도는 유지되기 때문에 발광색이 심히 변화된다. 그 것과는 달리, 수은프리발광관에서는 입력전력을 감소시킨 경우에 각 금속에 의한 발광이 거의 같은 비율로 내려가기 때문에 발광색의 변화는 작아진다.

그러나, 종래의 수은프리발광관에도 문제가 있으며, 그것에 대해 일본공개특허공보를 참조하면서 후술한다.

한편, 크세논 등으로 이루어지는 시동가스를 실온에서 수 기압이상의 압력에 상당하는 분량을 봉입하고 시동기간에 정격의 수배에 달하는 전류를 흘리는 순간시동형의 발광관에 있어서는, 발광관을 상온으로부터 시동(이하 "콜드 스타트"로 칭한다)경우에 전극이 일시적으로 고온이 되어 열화하기 쉽다. 또한, 발광관을 석영글래스로 구성하고 텅스텐 등으로 이루어지는 전극을 매설한 구조에 있어서는, 전 극의 매설부분에 침입한 수은이나 금속 할로겐화물이 콜드 스타트에 동반하는 급격한 온도 상승에 의해서 순간적으로 기화하여 전극매설 부분을 파괴한다고 하는 문제가 있었다. 이러한 종류의 발광관의 수명은 실질적으로 점등시간보다도 콜드 스타트의 회수에 의해 결정되었다. 점등과 소등 빈도가 높은 조명의 용도에 있어서 소등을 감광(減光)으로 바꿀 수 있다면 발광관의 수명은 현저히 개선된다.

일본 특개평 6-84496호 공보에는 수은프리발광관의 특징을 이용하여 빛을 조절할 수 있는 고압 금속증기 방전 램프가 개시되어 있다. 그 실시예에 의하면, 요오드화 나트륨을 약20mg, 요오드화 스칸듐을 약4mg, 크세논 가스를 상온에서 약 8기압 봉입한 정격전력 150W의 발광관을 75W에 내려 구동하더라도 발광색이 유지되며, 양호한 색재현성을 얻을 수 있다. 또한, 크세논 가스의 압력(기압)과 전극간 거리(mm)의 곱을 40이상으로 함으로써, 실시예에서는 약 90V의 발광관 전압이 얻어지고 있다.

그렇지만, 본 발명자의 견해에 따르면, 이러한 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐이 조합에서는 고발광효율과 비교적 양호한 색재현성은 얻어지지만, 발광색이 약간 푸른빛을 띠기 때문에 순수한 백색은 얻기 어렵고, 조명으로서의 용도가 제한된다.

또한, 발광관의 전압은 전극강하분, 금속원자에 의한 전자산란작용 및 유리된 할로겐에 의한 전자부착작용 등에 의해 생기는 임피던스의 총화에 의한 것이지만, 상기 실시예에서는, 전자와의 충돌 단면적이 특별히 커서 전압의 발생에 막대한 지장을 주는 수은이 없음에도 불구하고 수은을 함유하는 발광관과 동일한 발광 관 전압을 발생하고 있기 때문에 발광관을 아주 고온으로 동작시켜 금속 할로겐화물의 증기압을 높인다고 생각된다. 이러한 동작상태에 있어서는, 발광관을 구성하는 석영글래스와 금속 할로겐화물와의 반응이 활발해지며 관벽의 실투(失透)나 전극의 열화가 일어나기 쉽다고 하는 문제가 있다.

일본의 특개평 11-238488호 공보에는 할로겐화 나트륨 및 할로겐화 스칸듐 및 희토류금속의 할로겐화물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며 원하는 발광을 하는 제1할로겐화물과, 상대적으로 증기압이 높고 가시역(可視域)으로 발광하기 어려운 Al, Fe, Cd, Zn, Sn, Mn, Cr, Ga, Re, Mg, Co, Ni, Be, Ti, Zr, Hf 등으로 이루어지는 할로겐화물로부터 선택된 제2할로겐화물과, 희가스를 봉입하는 수은은 함유하지 않는 메탈 할라이드방전 램프가 개시되어 있다.

제2할로겐화물은 완충가스로서 작용하며, 수은을 함유하는 경우와 동일한 발광관 전압을 발생시킨다. 발광관 전압을 충분히 높이는 것에 의해 전류를 작게 하며, 조명기구나 배선의 전류 용량의 증대를 막고, 또한 전극손실을 작게 억제하고 램프효율을 향상시킨다. 또한, 조광시의 색변화가 작아지는 것이 기재되어 있다.

그렇지만, 본 발명자의 견해에 따르면, 상기한 제2할로겐화물을 구성하는 금속은 어느것이나 자외역(紫外域)으로 발광하기 때문에 가시역의 발광에는 관여하지 않는다. 그 때문에, 실시예에 기재되어 있는 바와같이, 발광관전압은 수은을 함유하는 발광관에 가까운 값을 갖지만 가시발광효율은 수은을 함유하는 발광관에 비해 낮아지는 것이다.

또한, 제2할로겐화물의 첨가량에 따라서는 점등 중인 할로겐 밀도가 대단히 커지리라고 생각되며, 방전이 불안정하게 되기 쉽고, 조광을 위해 전류나 전력을 제어하면 중도에 꺼지기 쉽다. 특히, 제2할로겐화물의 첨가에 의해 발생하는 자외광의 파장이나 강도에 따라서는 그 차폐가 필요하게 되는 수가 있다.

자동차의 전조등에 대하여 일부의 나라에서 데이타임 런닝 램프(Day Time Runing Lamp, 이하 "DRL"이라 칭한다. )가 법규화 되어 있지만, 현행의 자동차용 메탈 할라이드 램프는 상기한 이유로 감광동작을 할 수 없기 때문 DRL에 적용할 수가 없다.

한편, DRL의 배광은, 원방 시인성(遠方 視認性)이 우수한 주행배광 패턴과 거의 같은 형상이며, 광의 연색성(演色性)을 유지한 채, 주행배광의 광량을 작게한 것이다.

더욱이 각종 조명용도에 있어서, 필요에 따라 광량을 조절함으로써, 에너지 소비를 절감할수 있기 때문에 효율이 좋은 발광을 하기 위해서도 신뢰성이 높은 조광을 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 수은을 전혀 사용하지 않고서 높은 가시발광효율과 적절한 발광색을 갖는 메탈 할라이드 램프를 제공하는 것이다. 동시에, 방전 안정성이 뛰어나며, 특히 실용적인 조광기능을 갖춘 메탈 할라이드 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프는 아 래와 같은 특징을 갖고 있다.

제1항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 발광관의 내부의 방전공간으로 돌출하여 대향하는 한 쌍의 전극을 구비하며 상기 방전공간에는 수은을 포함하지 않는 메탈 할라이드 램프에 있어서, 상기 방전공간에는 실온에 있어서 7∼20기압에 상당하는 량의 크세논으로 이루어지는 시동 가스를 겸하는 완충 가스와, 적어도 1종류의 금속 할로겐화물을 포함한다. 상기 발광관은 입력전력의 변동에 대한 전류전압특성에 있어서 저항계수가 정인 영역을 가지며, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에 있어서, 상기 발광관은 정상상태의 정격전력 이하의 전력을 공급받아 구동되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 발광관에의 입력전력을 변동시키더라도 중도에 약화되거나 정지되는 일이 없으며, 발광색의 변화도 작게 된다.

제2항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에서, 상기 발광관에 공급되는 전력은 정상상태에 있어서의 정격전력의 57% 이상인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 방전 안정성이 양호하고, 조광에 알맞는 전력범위가 한정된다.

제10항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 상기 금속 할로겐화물은 적어도 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 포함하며 상기 요오드화 나트룸에 대한 요오드화 스칸듐의 mol 비는 0.05이상 0.43이하인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해 높은 가시발광효율이 실현된다.

제11항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 적어도 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐, 요오드화 인듐을 포함하며, 상기 요오드화 나트륨에 대한 요오드화 스칸듐 의 mol비는, 0.10이상 0.43이하이며, 전체 금속 할로겐화물 중에서 차지하는 상기 요오드화 인듐의 mol 백분율은 3mol% 이상 12mol% 이하인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 가시발광효율의 저하를 허용범위로 하면서 백색의 발광이 얻어진다.

제12항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 상기 발광관의 단위내용적당(單位內容積) 전체 금속 할로겐화물의 합계의 mo1수는 30μmo1/cc이상 100μmo1/c이하 인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 장시간의 점등에 의한 발광효율의 저하와 색도의 변화를 최소로 함과 동시에, 미증발의 금속 할로겐화물에 의한 차광이나 빛의 착색작용을 억제할 수가 있다.

제13항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 상기 발광관을 실온으로부터 시동시켜 정상상태에 도달하기까지의 기간에 상기 발광관에 정격전력의 300% 이하의 전력을 인가하는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 실용적인 순간 점등이 가능해진다.

제5항에 기재의 메탈 할라이드 램프는, 상기 발광관의 정격전력이 35W이며, 시동직후의 발광관전압이 15V이상 25V이하이며, 정상상태에 있어서의 발광관 전압이 30V이상 50V이하인 것을 특징으로 한다. 이것에 의해 자동차 전조등 등의 용도에 가장 적합한 전기적 특성의 발광관을 얻을 수 있다.

제3항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에서, 상기 발광관으로의 입력전력의 변화에 대하여 전광속(全光束)이 19%부터 100%의 범위로 변동하는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해 실용적인 전광속의 변화량이 얻어진다.

제4항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정 인 영역에서, 상기 발광관으로의 입력전력이 변동하더라도 발광색이 CIE1931xy 색도도(色度圖)상에서 하기 범위의 백색을 유지하는 영역의 입력전력을 공급받아 구동되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해 위화감이 없는 자연스러운 조광이 가능해진다..

x≥ 0.345 y≤ 0.150+0.640x

x≤0.405 y≥0.050+0.750x

이 색도범위는 일본 전구공업회 규격의 자동차 전조등용 HID 광원 JEL215에 있어서, D2S 및 D2R 타입 HID(메탈 할라이드 램프 등의 고휘도 방전램프) 광원의 색도로서 정해진 것과 동일하다. 한편 조광은 옵션이다.

제14항에 기재된 메탈 할라이드 램프는, 직류전류에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해, 구동전원장치를 대폭 간략화 할 수 있다.

또한, 본발명의 메탈 할라이드 램프는 자동차용 전조등으로서의 사용으로 한정되는 것은 아니며 제6항에 기재의 메탈할라이드 램프는 발광관의 내부의 방전공간으로 돌출하여 대향하는 한 쌍의 전극을 구비하며, 상기 방전공간에는 수은을 포함하지 않는 메탈 할라이드 램프에 있어서 상기 방전공간에는 실온에 있어서 7∼20 기압에 상당하는 량의 크세논으로부터 시동가스를 겸하는 완충가스와, 적어도 1종류의 금속화합물을 포함하며, 상기 발광관은 입력전력의 변동에 대하여 임피던스가 75Ω이하인 영역을 가지며, 상기 임피던스가 75Ω이하인 영역에 있어서, 상기 발광관은 정상상태의 정격전력 이하의 전력을 공급받아 구동되는 것을 특징으로 한다. 이것에 의해 발광관으로의 입력전력을 변동시키더라도 중간에 꺼지거나 약화하는 일이 없이 발광색의 변화도 작아진다.

또한 제7항에 기재의 메탈 할라이드 램프는, 상기 임피던스가 75Ω이하의 영역에서 발광관으로의 입력전력이 변화할 때, 상기 발광관으로 공급되는 전력은 정상상태에 있어서의 정격전력의 약 40-100%의 범위에서 변화하고, 이것에 의해 조광하더라도 중간꺼짐이나 약화가 일어나지 않는 방전이 가능해진다.

제8항에 기재의 메탈 할라이드 램프는, 상기 임피던스가 75Ω이하인 영역에 있어서, 상기 발광관으로의 입력전력이 상기 범위에서 변화할 때, 전광속은 15%-100%의 범위에서 변동한다.

제9항에 기재의 메탈 할라이드 램프는 상기 발광관에 공급되는 정격전력은 10-50W 이며, 이것에 의해 조광과 순간 점등의 양쪽에 적합한 발광관의 크기가 규정되며, 상기 정격전력의 10-50W의 발광관의 관전압은 정상상태에서 약 20-65V이며, 이것에 의해 조광동작에 적합한 전압과 전류가 규정된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프(10)의 실시 형태를 도시한 도면이다.

발광관(1)은 석영 유리관으로 성형되며, 내부에 방전공간(2)을 가지며, 상기 방전공간(2)에 일단이 돌출하도록 매설되며 텅스텐 등의 고융점금속으로 이루어지는 한 쌍의 전극(3)을 구비한다. 상기 전극(3)의 상기 방전공간(2)과 반대의 단에는 몰리브덴 등으로 이루어지는 금속박(4)을 용접등의 수단으로 연접하고, 더욱이 상기 금속박(4)의 방전공간과 반대측의 단에는 몰리브덴으로 이루어지는 리드 와이어(5)를 용접 등의 수단으로 연접한다. 상기 방전공간(2) 내부로의 돌출부분을 제외한 상기 전극(3)으로부터 리드 와이어(5)가 있는 부분까지를 핀치 시일등의 방법으로 석영 글래스내로 설치하는 것에 의해 상기 금속박(4)의 주위에서 기밀하게 봉지됨과 동시에 상기 전극(3)으로의 전기전도를 이루고 있다. 리드 와이어(5)는 도시하지 않는 전구의 접속부재 및 구동전원에 접속되어 급전을 행한다. 상기 한 쌍의 전극은 동일한 치수 및 재료로 이루어져, 상기 구동전원은 교류전류를 발광관에 공급한다. 발광관의 내용적(內容積)은 28.0×10^-3cc이다.

상기 방전공간(2)의 내부에는 실온에 있어서 7∼20기압에 상당하는 량의 크세논으로 이루어지는 시동가스를 겸하는 완충 가스를 포함한다. 방전의 시작과 동시에 크세논 가스에 의한 고온의 아크가 형성되며, 크세논의 발광에 의해서 정격광속(定格光束)의 25%를 넘는 광속을 발생한다.

자동차용 35W의 발광관의 경우, 유럽이나 일본의 규격으로 요구되는 정격광속은 3200 lm ± 450 1m이며, 그 25%가 발광관 시동후 1초이내에 동작 개시되는 것이 요구된다. 방전 시작 직후에 발생하는 광속은 크세논 가스의 봉입 압력에 의존하며, 봉입 압력이 실온에서 7기압 미만의 경우에는 상기한 정격광속의 25%에 도달할 수가 없다. 또한, 크세논 가스의 실온에 있어서의 봉입압력이 20기압보다도 커지면, 발광관의 동작중에 있어서의 압력이 120기압을 넘기 때문에 약 240기압의 내압한계에 대하여 충분한 안전율을 확보할 수 없게 된다. 더욱이, 발광관에는 적어 도 1종류의 금속 할로겐화물을 포함하며, 바람직하게는, 적어도 요오드화 나트륨(NaI)과 요오드화 스칸듐(ScI₃)을 포함한다.

도2는 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 합계로 0.4mg 봉입한 35W 발광관에 대해, 모든 금속 할로겐화물 중에서 차지하는 요오드화 스칸듐의 mo1 백분율에 따른 가시발광효율을 나타낸다. 가시발광효율은 요오드화 스칸듐이 약 5 mol% 이상이면 80 lm/W를 넘고, 약 30 mol%의 부근에서 피이크를 이룬다. 발광효율의 상승과정은 요오드화 스칸듐의 증가에 의해 증기압이 높은 복합 할로겐화물(NaScI₄)의 생성이 증가한 것 때문이며, 또한 발광효율의 저하과정은 금속 할로겐화물의 증기압의 상승이 발광관을 구성하는 석영글래스와의 화학반응을 촉진하여 유리된 요오드의 분압을 높이고, 유리된 요오드가 전자를 부착할 수 있기 때문에 아크 플라즈마의 전리도를 저하시켜 발광을 방해한 결과라고 생각된다.

도2에서 요오드화 스칸듐의 비율의 증가에 대하여 가시발광효율이 저하하는 범위는 유리된 요오드의 생성이 활발히 일어나고 있다고 생각되기 때문에 발광관의 수명을 고려하면 바람직하지 못하다. 따라서, 일반적으로 고효율이라 일컬어지는 80 lm/W 이상의 발광관을 얻으려면, 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 포함하는 계에서의 요오드화 스칸듐의 비율은 5∼30 mo1%의 범위, 즉 요오드화 나트륨에 대한 요오드화 스칸듐의 mo1비로 0.05∼0.43의 범위가 적절하다.

상세히 설명하면, 봉입되는 금속 할로겐화물이 (NaI + ScI₃)인 경우에는 (NaI + ScI₃)에 대하여 ScI₃ 의 비율이 5 - 30 mol%가 적합하다.

또한 봉입되는 금속 할로겐화물이 (NaI + ScI₃ + InI)의 경우에는 InI는 발광효율을 저하 시켜버리기 때문에 InI를 함유하는 발광관에서 80 lm/W이상의 발광효율을 얻으려면, NaI과 ScI₃만을 비교해서 (NaI + ScI₃)에 대한 ScI₃ 의 비율은 10 - 30 mol%가 적절하다.

종래의 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 포함하는 계에서의 요오드화 스칸듐의 비율은 10 mol% 이하가 일반적이고, 그 이상 요오드화 스칸듐의 비율을 높이면 요오드 분압의 상승에 의해 방전이 불안정하여 불균형이나 중도에 약화되는 현상이 일어나기 쉽다. 본 발명의 메탈 할라이드 램프로서는, 후술하는 바와 같이 발광관의 임피던스가 낮게 제한되어 있기 때문에 종래의 발광관보다도 전류가 크고, 따라서 전자밀도가 높기 때문에 요오드화 스칸듐을 많게 하더라도 방전은 지극히 안정되어 있다. 본 발명의 메탈 할라이드 램프는 보다 바람직하게는 요오드화 나트륨, 요오드화 스칸듐 및 요오드화 인듐(InI)을 포함한다.

도3은 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐에 부가하여 요오드화 인듐을 첨가한 35W 발광관의 발광색도의 변화를 나타낸다. 금속 할로겐화물의 총량은 0.4mg으로 일정하며, 요오드화 나트륨에 대한 요오드화 스칸듐의 mol 비는 0.35이다. 또한, 도3에서는 모든 금속 할로겐화물 중에서 점유하는 요오드화 인듐의 mol 백분율을 기재했다. 도면 중에 실선으로 둘러싼 영역은 상기한 자동차 전조등용 HID 광원 JEL215에 의해서 규정된 HID 광원의 백색범위이다. 요오드화 인듐이 약 3 mo1% 이상의 비율일 때에 발광색은 백색의 범위에 들어 간다

도4에서는 요오드화 인듐의 첨가량이 10.3 mo1%인 경우의 발광관의 발광 스펙트럼분포를 나타낸다. 인듐은 약 451 nm의 파장을 중심으로 연속 스펙트럼을 발생시키기 때문에 수은의 결여에 의해서 부족하던 청색역의 발광을 보충하며, 양호한 백색발광이 얻어진다.

한편, 도5는 상기와 동일한 발광관에 대해, 요오드화 인듐의 첨가비율과 가시발광효율의 관계를 나타내고 있다. 요오드화 인듐의 첨가에 의해 가시발광효율은 현저히 저하하기 때문에, 80 lm/W 이상의 높은 발광효율을 유지하기 위해서는 요오드화 인듐의 첨가량은 12 mo1% 이하로 제한된다.

이상으로부터, 백색발광과 높은 발광효율을 양립하는 요오드화 인듐의 첨가량은 3∼12 mol%의 범위이다.

발광관의 단위 내용적(單位內容積) 당의 전체 금속 할로겐화물에 있어서의 합계 mol 수는 점등 중에 화학반응 등에 의해 소실하는 분을 고려하면 30 μmo1/cc 이상인 것이 바람직하다.

또한, 점등 중에 미증발로 관벽에 잔류하는 금속 할로겐화물에 의한 차광작용이나 빛의 착색작용을 억제하기 위해서는 전체 금속 할로겐화물은 100 μmo1/cc 이하인 것이 바람직하다.

이상으로부터, 발광관의 단위내용적당의 전금속 할로겐화물의 합계 mol 수는 30 μmo1/cc - 100 μmo1/cc인 것이 바람직하다.

한편, 발광관은 출력전력이 조정 가능한 전원장치에 접속되어 구동된다. 도6은 발광관에 공급하는 전력을 정(正)에서 부터 감소시켰을 때의 전류전압특성을 나 타낸다.

각 측정 포인트의 간격은 대강 1W이다. 또한, 발광관의 정격은 35W이며, 발광관내에는 요오드화 나트륨, 요오드화 스칸듐 및 요오드화 인듐을 포함하며, 요오드화 나트륨에 대한 요오드화 스칸듐의 mol 비는 0.35이며, 전체 금속 할로겐화물 중에서 차지하는 요오드화 인듐의 mol 백분율은 10.3 mol%이며, 발광관의 내용적(內容積)은 28.0×10^-3 cc이며, 전체 금속 할로겐화물의 mo1수는 2.01μmo1이며, 단위용적 중의 금속 할로겐화물의 mo1수는 71.8μmo1/cc 이다. 발광관에는 크세논 가스를 10기압의 압력으로 봉입해 놓는다.

정격전력 35W에서의 전압은 33.5V, 전류는 1.05A이며, 그 상태로부터 전류를 제한함으로써 전력을 줄여 가면 17W까지는 전류의 감소에 대하여 전압도 감소하는 정(正)의 저항특성을 나타냈지만, 17W보다도 더욱 전력을 감소시키면 전류의 감소에 대하여 전압이 상승하는 부(負)의 저항특성을 나타냄과 동시에 방전의 불균일 등의 불안정성이 나타날뿐더러 결국에는 중간에 약해지는 현상을 일으킨다. 이러한 경향은 입력전력이 작아짐에 따라 강해진다.

본 발명자는 수많은 실험 결과, 전류전압특성이 정의 저항특성을 나타내는 영역에서는 방전은 충분히 안정되어 있으며 전력의 감소에 동반하는 불량은 전혀 존재하지 않지만, 부의 저항계수를 나타내는 영역에서는 발광관의 임피던스가 급격히 상승하여 방전이 불안정해지는 경향이 있으며, 양특성의 분기점은 발광관의 정격전력에 대하여 40∼50%의 입력상태에 있는 것을 밝혀내었다. 또한, 발광관의 임 피던스가 75Ω이상으로 되면, 약화현상을 일으키기 쉽다는 사실이 밝혀졌다. 한편, 본 발명에 있어서의 발광관의 임피던스에는 리액턴스성분은 거의 포함되어 있지 않는 순저항으로 간주하더라도 지장이 없다.

요오드화 나트륨과 옥화 스칸듐 이외의 금속 할로겐화물을 봉입하는 경우에도 전류전압특성에 있어서 저항계수가 정인 영역을 찾을 수 있는 재료를 선택하는 것에 의하여, 이 영역에서 발광관에 정격전력이하의 전력을 공급하는 것에 의하여 본 발명을 구현할 수 있다.

도7은 상기와 동일한 발광관에 대해, 발광관으로의 입력전력과 전광속(全光束)의 관계를 나타낸다. 입력전력의 감소에 대하여 전광속은 거의 선모양을 유지하여 감소했다. 상기한 방전이 안정된 정의 저항계수를 나타내는 영역으로 한정하면 전광속의 최소치는 약 550 lm이며, 정격입력에서의 전광속의 약 19%였다. 수많은 실험 결과, 방전이 안정된 상태로 유지되면서 감소할 수 있는 전광속의 최저치는 정격의 약15%였다. 따라서, 충분히 실용적인 조광능력을 가지고 있음이 확인되었다.

한편, 도8은 상기와 동일한 발광관에 대해, 발광관의 입력전력을 정격의 35W에서 감소시켜갈 때의 발광색의 색도변화를 나타낸다. 상기한 전류전압특성 상에서 정의 저항계수를 갖는 전영역에서 백색범위를 채울 수는 없지만, 정격전력의 약 57%인 20W까지의 입력에서는 백색을 유지하고 있다. 따라서, 이 경우는 입력전력을 이 이상의 범위로 함으로써 발광색을 실질적으로 백색으로 유지할 수 있다.

본 발명의 메탈 할라이드 램프는 여러가지 용도에 적용이 가능하지만, 예를 들면 자동차의 전조등 등과 같은 순간 점등성이 요구되는 용도로 사용하는 경우에는, 시동으로부터 정상상태에 도달하기까지의 기간에 있어서 입력전력을 정격보다 크게 함으로써 민첩한 상승동작을 할 수 있다.

자동차 전조등용의 메탈 할라이드 램프의 경우, 정격광속에 대하여 시동으로부터 1초에 25%, 4초에 80%의 광속상승 동작이 요청되고 있다. 그 때문에 종래의 수은을 함유하는 발광관으로서는 콜드 스타트에서의 발광관입력을 정격의 200% 전후까지 높였다. 그렇지만, 수은프리발광관의 경우에는 광속상승동작에 크게 기여하는 수은이 결여되어 있기 때문에 동일한 조건에서는 80%의 광속에 달하는 데 약 6초가 필요했다. 이 문제는 시동기간의 입력전력을 정격의 최대 300%까지 높이는 것에 의해 해결되었다.

도 11은 본발명의 35W 수은프리 자동차용 발광관(요오드화 인듐포함)의 시동전압에 따른 광속 동작개시 특성을 나타낸다. 발광관(1)의 시동후 1초 이내의 전광속, 시동후 4초 이내의 전광속을 나타낸다. 발광관(1)의 시동전압이 90W이상일 때, 4초 광속은 충분히 정격광속의 80%를 초과한다. 또한 발광관(1)의 시동전압이 90W 이상일 때, 즉, 정격전력의 약 250%일 때, 1초광속은 정격광속의 25%를 충분히 초과한다. 시동전압이 정격전력의 약 300%인 약105W를 초과하면, 전극에 손실 마모 등의 악영향을 초래한다.

또한, 본 발명에 의한 수은프리 메탈 할라이드 램프의 35W 발광관에 있어서는, 발광관전압이 시동직후에는 약 15∼25V이며 발광관의 온도 상승에 의해 금속 할로겐화물의 증기압이 높아지고 정상상태에서는 약 30∼50V가 되는 것을 이용하 여, 발광관의 전압을 검출하여 전압의 상승에 대하여 입력전력을 감소시킴으로써 발광관에 과도의 부담을 주지 않고 민첩하게 상승동작이 실현되었다.

더욱이, 발광관의 정격전력에 대하여 40∼300%의 범위로 가변할 수 있는 전원장치를 갖추는 것에 의해 순간 시동동작과 조광동작의 양쪽을 실현할 수가 있다.

또한, 본발명은 소형의 발광관에 적합하며, 정격전력이 10∼50W의 발광관에 특히 바람직하다. 수은프리발광관의 경우, 발광관의 정격전력이 커지면 발광관전압은 그다지 변하지 않고 전류가 커진다. 그 결과, 전극의 소모가 커져 수명이 짧게 된다. 또한, 그 대책으로서 전극을 크게 하면, 열손실이 늘어 효율이 악화하거나 발광관의 제작이 어렵게 되거나 한다. 한편, 발광관의 정격전력이 10W 미만이면, 발광관의 열전도 손실이 상대적으로 커지고, 가시광의 발광효율이 저하한다. 정격10∼50W의 발광관이면 정격전류는 0.5∼1.5A정도이며, 지름 0.10∼0.40 mm 정도의 비교적 가는 전극을 사용하여 양호한 수명특성을 얻을 수 있다.

도 9에 상기 도4의 실시예의 35W 발광관의 광속유지특성을 나타낸다. 본 발명에 의한 수은프리발광관에서는 수은을 함유하는 발광관을 견디어내는 뛰어난 광속유지특성이 얻어지고 있다. 또한, 도10에는 종래의 수은을 함유하는 35W 자동차용 발광관과 상기한 본 발명에 따른 35W 자동차용 수은프리발광관의 점등시간에 따른 발광색의 색도변화를 나타낸다. 도중에 파선으로 둘러싼 영역은, 상기한 자동차 전조등용 HID 광원 JEL215에 의해서 규정된 HID 광원의 백색범위이다. 또한, 그래프 중에 기재한 수치는 점등시간이다.

종래의 예에서는, 시간의 경과와 함께 금속 할로겐화물이 화학반응 등에 의 해 잃게 되면 점차로 수은의 발광이 우세해 지기 때문에 발광색은 파랑색 방향으로 옮겨간다. 그에 대하여, 본발명의 수은프리발광관에서는 각 금속 할로겐화물이 거의 균일하게 감소해 가기 때문에 색도는 실질적으로 변하지 않는다. 또한, 도 10에 “+"표시로 기재한 색도점은 상기한 자동차 전조등용 HID 광원 JEL215규격에 있어서의 색도의 규격중심이고, 본 발명에 따른 수은프리발광관이 대단히 양호한 색도특성을 갖고 있다는 것은 명백할 것이다.

본 발명의 메탈 할라이드 램프의 정상상태에 있어서의 발광관전압은 20V 이상 65V 이하인 것이 바람직하다. 발광관의 최저전압은 전극강하전압으로 결정하고 발광관의 사이즈에 관계없이 대략 15∼20V이다. 그 때문에, 발광관전압이 20V보다도 낮으면 금속 할로겐화물의 증기압에 상당하는 전압을 확보할 수 없고 충분한 발광강도가 얻어지지 않는다. 또한, 발광관전압이 65V보다도 크면 발광관의 임피던스가 75Ω보다 커져, 전류를 제한했을 때에 방전이 불안정하여 꺼지기 쉽기 때문에 광원으로 사용하는 것이 적합하지 않게 된다.

본 발명의 메탈 할라이드 램프는 교류전류뿐 만 아니라 직류전류로 구동할 수 있다. 단지, 직류구동의 경우에는 양극과 음극으로서 기능을 나눠 전극의 설계를 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 음극은 전자를 방출하기 쉽도록 하기 위하여 산화토륨 등을 혼합한 텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다. 음극의 크기는 적합하게 온도가 상승하도록 작게 하는 것이 좋다. 또한, 양극은 전자류(電子流)의 입사에 의해 온도가 상승하기 쉽기 때문에 음극에 비하여 커서 직경은 음극의 2-4배 정도로 하는 것이 좋다. 양극의 재료는 순수텅스텐을 사용하는 것이 바람직하다.

종래의 수은을 함유하는 메탈 할라이드 램프를 직류로 구동하면 할로겐화물로서 봉입한 금속이 음극측으로 치우쳐 발광하며 양극측에서는 수은의 창백한 발광이 현저해지는 색분리의 문제가 있었다. 본 발명의 메탈 할라이드 램프에 있어서는, 수은을 함유하지 않고 있기 때문에 아크의 전역에서 백색의 발광이 얻어지고, 광학계 등에의 적용에 유리하다. 또한, 교류구동으로서는 교류식의 전자안정기로 구동하는 경우 출력회로에 스위칭소자를 필요로 하고 있었지만, 직류구동에서는 이 스위칭소자를 생략할 수 있고 특히 유리하다. 그것에 의하여, 회로를 간략화할 수 있으며, 또한 제조 코스트를 저감할 수 있다.

본 발명의 메탈 할라이드 램프 및 조명장치는 자동차 전조등 뿐 만아니라 여러가지 용도에 적용할 수가 있다. 또한, 본발명에서는 석영유리관을 사용하여 발광관 및 핀치 시일부의 설명을 했지만, 다른 재료로서 그들을 세라믹으로 만든 것도 본 발명에 포함된다.

이상과 같이, 본 발명의 메탈 할라이드 램프는 환경오염물질인 수은을 함유하지 않고, 종래와 동등이상의 가시발광효율과 광속유지특성을 구비하며, 종래에 없는 우수한 색도유지특성을 갖는 것이다.

또한, 본 발명의 메탈 할라이드 램프는 방전 안정성이 뛰어나며, 실용적인 조광기능을 갖춘 조명장치를 실현할 수가 있다. 또한, 순간 시동기능과 감광기능을 구비함으로써 DRL을 겸한 자동차 전조등으로서 사용할 수 있다.

Claims (14)

1. 발광관의 내부의 방전공간으로 돌출하고 대향하는 한 쌍의 전극을 갖추는 메탈 할라이드 램프에 있어서,

   상기 방전공간에는 수은을 포함하지 않고, 실온에 있어서 7∼20기압에 상당하는 량의 크세논으로 이루어지는 시동 가스를 겸하는 완충 가스와, 적어도 1종류의 금속 할로겐화물을 포함하며,

   상기 발광관은 입력전력의 변동에 대한 전류전압특성에 있어서의 저항계수가 정인 영역을 갖고, 상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에 있어서 상기 발광관은 정상상태의 정격전력 이하의 전력이 공급되어 구동되는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에서, 상기 발광관에 공급되는 전력은 정상상태에 있어서의 정격전력의 57% ~ 100%인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에서, 상기발광관에의 입력전력의 변화에 대하여 전광속이 19%부터 100%의 범위로 변동하는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전류전압특성의 저항계수가 정인 영역에서, 발광색이 CIE1931xy 색도도 상에서 아래 범위의 백색을 유지하는 영역의 입력전력을 공급받아 구동되는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.

   x≥ 0.345 y≤ 0.150+0.640x

   x≤0.405 y≥0.050+0.750x
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 발광관의 정격전력이 35W이며, 시동직후의 발광관전압이 15V 이상 25V 이하이며, 정상상태에 있어서의 발광관전압이 30V 이상 50V 이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
6. 발광관의 내부의 방전공간에 돌출하여 대향하는 한쌍의 전극을 구비하는 메탈 할라이드 램프에 있어서,

   상기 방전공간에는 수은을 포함하지 않고, 실온에 있어서 7∼20 기압에 상당하는 량의 크세논으로 이루어지는 시동가스를 겸하는 완충가스와, 적어도 1종류의 금속 할로겐화물을 포함하며,

   상기 발광관은 입력전력의 변동에 대하여 임피던스가 25.9Ω ~ 75Ω인 영역을 가지며, 상기 임피던스가 25.9Ω ~ 75Ω인 영역에서, 상기 발광관은 정상상태의 정격전력 이하의 전력을 공급받아 구동되는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
7. 제6항에 있어서,

   상기 임피던스가 25.9Ω ~ 75Ω인 영역에서, 상기 발광관에 공급되는 전력은 정상상태의 정격전력의 40% ~ 100%인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 임피던스가 25.9Ω ~ 75Ω인 영역에서, 상기 발광관으로의 입력전력의 변화에 대해 전광속이 15% ~ 100%의 범위에서 변동하는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 발광관의 정격전력이 10W이상 50W 이하이며, 상기 발광관의 정상상태의 전압이 20V이상 65V 이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
10. 제1항 또는 제6항에 있어서,

    상기 금속 할로겐화물은 적어도 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐을 포함하며, 상기 요오드화 나트륨에 대한 요오드화 스칸듐의 mol 비는 0.05이상 0.43이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
11. 제1항 또는 제6항에 있어서,

    상기 금속 할로겐화물은 적어도 요오드화 나트륨과 요오드화 스칸듐, 요오드화 인듐을 포함하며, 상기 요오드화 나트륨에 대한 요오드화 스칸듐의 몰비는 0.10 이상 0.43 이하이며, 전체 금속 할로겐화물 중에서 차지하는 상기 요오드화 인듐의 mol 백분율은 3mol%이상 12mol%이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
12. 제1항 또는 제6항에 있어서,

    상기 발광관에 있어서의 단위내용적당 전체 금속 할로겐화물의 합계의 mol 수는 30μmo1/cc이상 100μmo1/cc 이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
13. 제1항 또는 제6항에 있어서,

    상기 발광관을 실온으로부터 시동시켜 정상상태에 도달하기까지의 기간에 상기 발광관에 정격전력의 100% ~ 300%의 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
14. 제1항 또는 제6항에 있어서,

    상기 메탈 할라이드 램프는 직류전류에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.

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