KR100876491B1 - 중공 음극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 게터 재료(21;31;41;41') 층으로 코팅된 내부 표면, 외부 표면 또는 두 표면 모두의 적어도 일부를 갖는 중공 음극(20;30;40)에 관한 것이다. 본 발명의 중공 음극의 제조 방법이 또한 설명된다.

Description

중공 음극{HOLLOW CATHODE}

본 발명은 방전 램프용 통합 게터를 가진 중공 음극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

가시광 또는 자외선이 발생할 수 있는 방사선의 방출이 가스 매체에서 전기 방전의 결과로 발생하는 모든 램프를 방전 램프로 정의한다. 방전은 램프의 대향하는 단부에 배치된 두 개의 전극에 인가된 전위차로 인해 발생되고 지속된다.

램프용 음극은 다양한 형태, 예를 들어 필라멘트 또는 나선형으로 감겨진 필라멘트 또는 기타 형상을 가질 수 있다. 특히 바람직한 음극 형태는 중공 음극이다: 중공 음극은 통상적으로 방전 영역과 마주하는 단부가 개방되고 반대 단부가 폐쇄된 중공 실린더의 형태이다. 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, 다른 음극 형태에 비해 중공 음극에 의해 얻을 수 있는 장점은 "광" 방전에 필요한 저전위차(약 5-10%)이며; 다른 장점은 음극에 의한 "스퍼터링" 현상의 밀도가 더 낮다는 것, 즉, 이웃한 부분(이웃한 부분들 중 램프의 유리벽의 증착은 밝기를 감소시킴)에 증착가능한 음극 재료로부터의 원자 또는 이온 방출의 밀도가 더 낮다는 것이다. 중공 음극을 갖는 램프의 예는 예를 들어 미국특허(US4,437,038, 4,461,970, 4,578,618, 4,698,550, 4,833,366 및 4,885,504) 및 일본 특허 공개(2000-133201)에 개시되어 있다.

이러한 기술 분야에서, 사용 기간동안 램프의 적절한 동작을 보장하기 위해, 방전 기체를 형성하는 혼합물의 조성 균일성(composition consistency)을 보장하는 것이 필요하다. 이러한 혼합물은 통상적으로 아르곤 또는 네온과 같은 하나 또는 몇몇 희귀 가스, 및 대부분의 경우 수 밀리그램의 수은으로 주로 형성된다. 이러한 혼합물의 조성은, 제조 공정에서 램프에 잔류하는 불순물, 및 램프를 형성하거나 램프벽으로부터 내부로 투과하는 재료에 의해 시간에 따라 발생하는 불순물로 인해 원하는 조성으로부터 변화될 수 있다. 이러한 혼합물에 존재하는 불순물은 다양한 방식으로 램프의 작용에 해를 가할 수 있다: 예를 들어, 산소 또는 산소처리된 종은 수은과 작용하여 산화수은(HgO)을 형성할 수 있으며, 그 결과 금속의 기능을 방해하며, 수소는 방전 발생을 어렵게 하거나(결론적으로 램프의 발광을 어렵게 함) 램프의 전기적 동작 파라미터를 변경시켜서 에너지 소비를 증가시킬 수 있다.

이러한 불순물을 감소시키기 위해, 램프에 게터 재료를 도입하는 것이 공지되었다. 게터 재료는 화학 반응 동안 불순물을 고정시키는 기능을 하므로, 가스 매체로부터 불순물을 제거한다. 이러한 목적에 사용되는 가스 재료는 예를 들어, 미국 특허 US3,203,901에 개시된 지르코늄-알루미늄 합금; 미국특허 US4,306,887에 개시된 지르코늄-철 합금; 미국특허 US4,312,669에 개시된 지르코늄-바나듐-철 합금; 및 미국특허 US5,961,750에 개시된 지르코늄-코발트-미시 금속 합금(미시 금속(mischmetal)은 희토류 금속임)이다. 이러한 재료는 통상적으로 지지부에 고정된 재료의 파우더로 형성된 게터 장치의 형태로 램프에 도입된다. 통상적으로, 램프용 게터 장치는 롤링에 의해 파우더가 고정되는, 편편하거나 다양하게 접혀진 지지 금속 스트립의 축소 사이즈로 형성되며; 램프용 게터 장치의 예는 US5,825,127에 개시된다.

알려진 바와 같이, 몇몇 경우에 게터 장치가 간단하게 램프로 삽입되는 게터 재료 충진(fill)에 의해 형성되지만, 이는 램프의 다른 구성 성분에 고정될 경우 바람직한데, 그 이유는 비고정형 게터는 통상적으로 램프의 가열 영역에 존재하지 않으며, 따라서, 게터의 가스 흡수율이 떨어지며, 더욱이 이는 광 방출을 방해할 수 있다. 결과적으로 장치는 예를 들어 음극 지지부에 대해 (통상적으로 점용접에 의해) 거의 언제나 고정되는 반면, 몇몇 경우, 적절한 지지부가 램프에 부가되지만, 모든 경우 추가의 단계가 램프의 제조 공정에 요구된다. 게다가, 2-3 밀리미터 이하의 직경을 갖는 액정 스크린을 백라이팅하는데 사용되는 매우 작은 직경을 갖는 램프가 있으며: 이 경우, 램프 내의 게터 장치의 적절한 배치를 찾기가 어려우며, 장치의 조립 과정이 매우 어렵게 될 수도 있다.

본 발명의 목적은 게터링 작용을 하여 전술한 문제점을 극복하게 하는 방전 램프용 중공 음극을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 일단부가 개방되고 타단부가 폐쇄된 중공 실린더형 부분에 의해 형성된 중공 음극과 관련한 제1 특징을 갖는 본 발명에 의해 달성될 수 있으며, 실린더형 표면의 적어도 외부 또는 내부 부분에 게터 재료 층이 존재한다.

도1은 게터 재료로 코팅되지 않은 중공 음극을 갖는 방전 램프의 단부의 절단면도이다.

도2 내지 도4는 본 발명에 따른 중공 음극의 가능한 다양한 실시예의 단면도이다.

도5는 본 발명에 따른 중공 음극을 얻기 위한 모드를 도시한 도면이다.

본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 설명된다.

도1은 가장 통상의 형태를 나타내는, 게터 층으로 구성된 어떠한 코팅도 없는 중공 음극을 구비한 램프(10)의 단부를 절단한 도면이다. 음극은 금속으로 만들어지며 폐단부(13) 및 개방 단부(14)를 갖는 실린더형 중공 음극으로 구성된다. 단부(13)에는 통상적으로 금속 와이어에 의해 형성된 부분(15)이 고정되며; 이 부분은 예를 들어 부분(16)을 밀봉하기 위해 열에 의해 부드러워지게 된 경우 유리에 부분(15)을 삽입함으로써 램프의 폐단부에 통상적으로 고정된다. 부분(15)은 지지부(12), 및 부분(12)을 외부 전원에 연결시키기 위한 전기 도전체의 이중 역할을 만족시킨다. 부분(12 및 15)은 단일 조각을 형성할 수 있지만, 보다 통상적으로 예를 들어 열 밀봉에 의해 또는 기계적으로 부분(15) 주위에 부분(12)을 압축함으로써 서로에 부착된 두 부분이다.

도2 내지 도4는 진보적인 음극의 서로 다른 실시예로써, 소위 게터 층으로 코팅된 표면의 일부를 갖는다. 특히, 도2는 게터 층(21)이 부분(12)의 외부 표면 의 일부에만 존재하는 중공 음극(20)을 도시하며; 도3은 게터 층(31)이 부분(12)의 내부에만 존재하는 중공 음극(30)을 도시하며; 도4는 두 개의 게터 층(41, 41')이 부분(12)의 외부면의 일부 및 내부면의 일부에 존재하는 중공 음극(40)을 도시한다.

당업자에게 명백하듯이, 도면으로 비록 몇몇 실시예가 도시되었지만, 게터 재료를 가진 부분(12)의 두 표면(내부 및 외부)의 코팅은 전체 또는 부분일 수도 있다: 예를 들어, 도2의 경우, 층(21)은 전체적으로 부분(12)의 외부 표면을 코팅하며, 도4의 경우, 내부 표면의 부분 코팅, 및 외부 표면의 전체 코팅 또는 소정의 다른 코팅의 조합이 발생할 수 있다.

부분(12)은 통상적으로 니켈로 만들어지며, 일본 특허 출원 2000-133201에 따라, 감소된 스퍼터링 현상을 보이는 탄탈룸, 몰리브덴 또는 니오븀과 같은 내열성 금속으로 구성될 수 있다.

게터 층은 가스와 높은 반응성을 갖는 것으로 알려진 금속 중 하나로 만들어질 수도 있는데, 이러한 금속은 본질적으로 티타늄, 바나듐, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 하프늄 및 탄탈룸이며; 이들 중에서 티타늄 및 지르코늄의 사용이 바람직하다. 택일적으로, 게터 합금을 사용할 수 있는데, 통상적으로 합금은 예를 들어 앞서 언급한 특허에서 사용한 합금과 같은, 전이 금속들 및 알루미늄 사이에서 선택된 하나 이상의 성분을 갖는 지르코늄 또는 티타늄에 기초한다.

게터 재료 층은 이를 생성하는데 사용되는 기술(이하에서 상세히 설명) 및 부분(12)의 직경에 따라, 수 마이크론(㎛)과 수백 마이크로미터 사이로 구성된 두께를 가질 수 있다: 부분(12)이 1밀리미터의 직경을 갖는 중공 음극의 경우, 게터 재료가 가스 불순물을 흡수하는 기능을 효과적으로 충분히 충족시킬 수 있는 한, 게터 층의 두께가 가능하면 작을수록 바람직하다.

게터 재료들의 일함수가 부분(12)을 생성하는데 사용된 금속의 일함수 값을 초과하지 않고, 결과적으로 음극의 전자 방출 파워가 감소되지 않는 것이 관찰되었기 때문에, 게터 재료의 층은 음극의 기능을 변경시키지 않는다.

본 발명의 제2특징에서, 본 발명은 게터 재료의 층을 갖는 음극을 생성하기 위한 소정의 방법과 관련한다. 제1 실시예에 따라, 게터 재료의 층은 음극 증착에 의해 생성될 수 있으며, 이러한 기술은 기술 분야에서 "스퍼터링"과 같은 박층 제조로 더 잘 알려져 있다. 공지된 바와 같이, 이러한 기술에서, 코팅될 지지부(이 경우, 음극 중공) 및 통상적으로 층을 형성하기 위해 의도되는 재료로 구성된 "타겟"으로 알려진 실린더형 몸체부가 적절한 챔버에 배치된다; 챔버는 배기되고, 이어 통상적으로 아르곤인 희귀 가스가 약 10^-2∼10^-3mbar의 압력으로 재충전되며; 지지부와 타겟(후자는 음극 전위로 유지됨) 사이의 전위차가 공급됨으로써 아르곤에서 플라즈마가 Ar⁺이온의 형태로 생성되며, 이는 전계에 의해 타겟을 향해 가속되어, 충격에 의해 타겟을 부식시키는데, 타겟에서 이탈된 입자(이온, 원자 또는 원자의 "클러스터")가 이용 가능한 표면에 증착되며; 지지부의 이들 표면들 중 하나에는 박층이 형성되며; 보다 구체적인 사용의 원리 및 조건을 위해, 매우 다양한 관련 문헌이 참조된다. 예를 들어, 티타늄 또는 지르코늄과 같은 단일 금속으로 형성된 게터 층은 표준 기술 절차에 의해 형성될 수 있다. 이러한 기술에 의한 합금층의 제조는 게터 재료의 타겟을 제조하는데 있어서의 어려움 때문에 복잡할 수가 있는데, 이러한 문제점은 출원인 명의의 국제 특허 출원 WO02/00959에 설명된 타겟을 참조하여 극복될 수 있다. 시간 단위로 증착되는 층 두께의 관점에서 스퍼터링 기술의 생산성은 그리 높지 않아서, 이러한 기술은 약 20㎛ 두께 이하의 게터 층이 생성될 때 바람직하고, 그리하여 결국 좁은 직경을 갖는 음극의 경우 바람직할 수도 있다. 부분(12)의 표면의 부분적 코팅은 이 경우 증착 동안 적절한 모양을 갖추고 있으며 표면의 일부를 선택적으로 커버링하는 부분(12)의 지지 소자를 사용함으로써 마스킹에 의존하여 달성될 수 있다. 타입(40)의 음극의 생산과 관련하여 이러한 수단의 예가 도5에 도시되어 있다: 이 경우, 증착동안, 부분(12)은 상기 부분의 실린더형 표면(내부 및 외부)의 일부를 마스킹하는 소자(50)에 의해 지지된다; 도면에서 화살표는 증착될 재료의 입자의 진행 방향을 나타낸다; 증착의 종료시점에서, 게터가 증착되지 않은 부분은 부분(15)에 고정하기 위해 사용되는 반면, 게터로 코팅된 부분은 방전이 발생하는 램프 영역과 마주한다.

본 발명에 따라 게터 층으로 코팅된 음극의 제조를 위한 방법은 전기영동(electrophoresis)에 의한 것이다; 이러한 방식의 게터 재료층의 생성 원리는 출원인 명의의 미국특허 US 5,242,559에 개시되어 있다. 이 경우, 공지된 바와 같이, 액체상태의 게터 재료의 세밀한 입자의 현탁액이 준비되고, 코팅될 지지부(12)가 현탁액에 잠겨진다; 코팅될 지지부와 보조 전극(보조 전극도 현탁액에 확실하게 잠겨짐) 사이에 전위차를 적절히 인가함으로써, 지지부를 향해 게터 재료의 입자의 이동이 발생하며; 이어, 이 얻어진 증착은 열처리를 통해 경화된다. 이 경우, 부분(12)의 부분적 코팅 또는 완전한 코팅은 현탁액에 상기 부분을 부분적으로 또는 전체적으로 간단히 담금으로써 얻어질 수 있다; 이 경우, 또한 소자(50)의 경우에 설명한 바와 유사하게, 부분(12)의 적절한 지지부를 사용함으로써, 내부 또는 외부의 두 표면 중 하나를 선택적으로 코팅하는 것이 가능하다. 이러한 기술은 스퍼터링에 의한 게터 층보다 더 두꺼운 게터 층을 생성하는데 적합하며, 간단하고 신속하게 수백 ㎛의 두께를 갖는 층을 형성할 수 있다.

결론적으로, 부분(12)이 일본 출원 2000-133201에 설명된 바와 같이 내열성 금속으로 구성될 경우, 코팅은 증착될 게터 재료 또는 합금의 성분에 대응하는 성분을 갖는 용융조에 간단히 담금으로써 실행될 수 있다; 사실상, 티타늄 및 지르코늄은 각각 약 1650 및 1850℃에서 각각 용융되며, 앞서 언급된 지르코늄 기재 합금은 약 1500℃ 이하에서 용융되는 반면, 몰리브덴은 약 2600℃에서 용융되며, 니오븀은 약 2470℃에서 용융되며, 탄탈룸은 약 3000℃에서 용융되므로, 소정의 변화없이 게터 금속 또는 합금의 용융조에서 이러한 금속으로 구성된 부분을 담그는 것이 가능하다. 또한 이 경우, 용융조에 부분(12)을 전체적으로 또는 부분적으로 담금으로써, 게터 층을 갖는 부분 또는 전체 코팅이 얻어질 수 있다.

Claims (11)

1. 제 1 단부(13)가 폐쇄되고 대향하는 단부(14)가 개방된 실린더형 중공 부분(12)으로 구성된 중공 음극(20;30;40)으로서,

   상기 실린더형 중공 부분에서 실린더형 표면의 내부 및 외부에 게터 재료(21;31;41;41')의 층이 제공되고, 상기 실린더형 표면의 내부 및 외부는 방전이 발생하는 램프 영역과 마주하고, 상기 게터 재료의 층은 음극 증착에 의해 형성된,

   중공 음극.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 실린더형 중공 부분은 금속으로 구성된 것을 특징으로 하는 중공 음극.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속은 니켈, 몰리브덴, 탄탈룸 또는 니오븀 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 중공 음극.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 게터 재료의 층은 티타늄, 바나듐, 이트륨, 지르코늄, 니오븀, 하프늄 및 탄탈룸 중에서 선택된 금속으로 구성되거나, 전이 금속들과 알루미늄 중에서 선택된 하나 이상의 성분을 갖는 지르코늄 기재 합금, 또는 전이 금속들과 알루미늄 중에서 선택된 하나 이상의 성분을 갖는 티타늄 기재 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 중공 음극.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 게터 재료의 층은 0보다 크고 20㎛ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 중공 음극.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 실린더형 중공 부분의 내부 및 외부 표면의 부분적 코팅은 지지 소자(50)를 사용하여 상기 음극 증착 동안 상기 부분을 마스킹함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 음극.
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