KR100926354B1 - 평판형 및 관형의 엑시머 램프, 및 그 제조방법 - Google Patents
평판형 및 관형의 엑시머 램프, 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
평판형 및 관형 엑시머 램프와, 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 평판형 엑시머 램프는, 배면부가 배면기판, 배면기판의 상부에 형성되는 배면측 전극, 배면측 전극의 상부에 형성되는 소정 두께의 나노 다공성 유전체, 및 나노 다공성 유전체의 상부에 형성되는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 포함하여 이루어지며, 전면부는 합성석영으로 이루어진 자외선 투명 유전체, 광 취출층, 및 자외선 투명 유전체의 상부에 형성되는 전면측 전극을 포함하여 이루어진다. 또한, 배면부 및 전면부 사이에 스페이서가 개재되어 배면부 및 전면부와 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하며, 방전공간에는 방전가스가 봉입된다. 이것은 관형 엑시머 램프의 제조에도 응용될 수 있으며, 이들의 제작에 있어 스페이서를 겸한 폐쇄요소를 용융접합, 프릿 접합, 및 저온 무기물 접합재를 이용한 실링방법을 이용하여 램프의 성능 향상 및 경제성을 높일 수 있다.
평판형, 관형, 엑시머 램프, 나노 다공성 유전체, 스페이서
Description
본 발명은 평판형 및 관형의 엑시머 램프, 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유전체 장벽 방전에 의하여 자외광을 방사하는 평판형 및 관형의 엑시머 램프, 및 그 제조방법에 관한 것이다.
엑시머(Excimer)는 여기상태에서 존재하는 이량체를 말한다. 예를 들어, 제논(Xe) 가스가 고 에너지 충격을 받으면 외각 전자가 기저 상태에서 여기되고, 그 여기 상태에서 에너지를 방출한 후 제논 원자는 다시 기저 상태로 돌아오는데, 이때 방출하는 에너지의 파장이 147nm 이다. 만일, 제논의 압력이 충분히 높다면 여기된 제논 원자는 2원자 분자인 다이머(dimer)를 형성하며, 이는 아주 짧은 시간 내에 다시 원자상태로 회귀하며 172nm의 빛을 높은 효율로 방출한다.
일반적인 저압 수은 UV 램프는 253.7nm와 184.9nm 파장의 빛이 나오는데, 짧은 파장의 184.9nm가 154.7kcal/mol의 에너지로 유기 불순물을 분해한다. 하지만, 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Display) 기판, 웨이퍼(wafer) 표면, PVC(Polyvinyl Chloride), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), PET(Polyehylene Terephthalate), PS(Polystyrene), 금속 리드 프레임 등의 표면에는 주로 이중결합 또는 삼중결합을 갖는 불순물이 분포되어 있어, 일반의 저압 UV(Ultraviolet)로 결합 에너지가 145.5kcal/mol인 C=C 결합이나, 190kcal/mol인 C=O 결합 등을 끊는 것은 불가능하다. 따라서, 일반 UV 램프보다 에너지 준위가 높은 단파장의 자외선(UV)을 집중적으로 조사할 수 있는 엑시머 램프는 액정 디스플레이, 웨이퍼, 유기 발광 다이오드(OLED : Organic Light Emitting Diodes) 등의 디스플레이 산업, 및 금속, 엔지니어링 플라스틱 산업에서 중요하게 사용되고 있다.
또한, 엑시머 램프에 이용되는 크세논 등의 희가스 혹은 이들의 할로겐화물들의 방전은 200nm 이하의 진공자외선부터 UV-A, UV-B, 및 UV-C에 이르는 넓은 영역에서 다양한 파장과 집중된 좁은 파장 폭의 고출력 자외선을 방출하여 건식세정, 표면개질, 감광성수지의 경화, 살균 및 의료분야에 다양하게 사용된다.
엑시머 램프로는 관형 및 평판형의 유전체 장벽방전 엑시머 램프가 알려져 있으며, 평판형 엑시머 램프는 관형의 엑시머 램프에 비하여 자외광의 균일성과 투사효율이 높고 두께가 얇아 이를 이용한 응용 장비의 제작에 있어 구조를 단순화 할 수 있는 장점이 있음에도 불구하고, 낮은 내 충격성과 높은 가격으로 인하여 이의 활용도가 높지 않다.
또한, 자외선 엑시머 램프의 제조에는 자외선 영역의 투과성이 우수한 고순도 합성 석영의 사용이 필수적인데, 합성 석영은 용융점이 1,585℃로 매우 높아 이 의 가공에는 고온작업이 필요하다. 특히, 관형 엑시머 램프의 경우 일반적으로 합성 석영재를 용융 접합시키는데, 합성 석영의 열팽창계수는 약 5ㅧ10-7 /K로 파이렉스 유리나 금속 등의 다른 재질에 비하여 매우 낮기 때문에 저가의 다른 부재와 함께 사용할 수 없으며, 엑시머 램프의 제조시 이에 따른 관 내부의 오염, 방전 갭 유지 등과 같은 정밀작업의 난점, 취약한 용접부의 높은 파손 위험성 등의 어려운 점이 많으며, 고 순도 합성 석영은 매우 고가의 재료이므로 제조비용을 높이는 원인이 될 뿐만 아니라, 고도로 숙련된 작업자의 기술이 필요하여 양산하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 일반적인 엑시머 램프는 광 취출부 쪽의 금속전극이 단순히 금속망이나 금속선으로 감겨져 있어 유전체와의 밀착력이 떨어져 방전을 불균일하게 하며, 아울러 방전효율을 저하시키는 원인이 된다. 특히, 유전체인 합성 석영과 금속전극은 열팽창계수의 차이가 크기 때문에 램프 작동 시 발생하는 열에 의해 전극의 밀착성은 현저하게 떨어지며, 따라서 유전체와 전극 사이의 강한 접합수단이 요구된다.
또한, 엑시머 램프의 방출 자외광이 200nm 이하의 진공자외선일 경우에 많은 오존을 발생시키기 때문에, 광 취출부 쪽의 외부전극은 내산화성 금속을 사용함에도 불구하고 산화가 일어나 전극이 단락되거나 산화물 가루가 비산되어 작업물의 오염을 유발시키는 문제점이 있다.
더불어, 엑시머 램프의 성능향상과 더 넓은 범위의 응용을 위해서는 램프의 출력 및 효율이 향상되어야 하며, 이를 위하여 램프의 방전 구조 및 방전 특성의 개선과 아울러 생성된 자외광의 효율적인 취출이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 제조비용을 낮출 뿐만 아니라 보다 저온의 상태에서 접합 및 실링 공정작업이 가능하며, 출력 및 효율이 향상된 평판형 및 관형의 엑시머 램프, 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평판형 엑시머 램프는, 배면기판, 상기 배면기판의 상부에 형성되는 배면측 전극, 상기 배면측 전극의 상부에 형성되는 소정 두께의 나노 다공성 유전체, 및 상기 나노 다공성 유전체의 상부에 형성되는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 포함하여 이루어진 배면부; 합성석영으로 이루어진 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 형성되는 전면측 전극을 포함하여 이루어진 전면부; 상기 배면부 및 상기 전면부 사이에 개재되어 상기 배면부 및 상기 전면부와 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 배면기판의 하부에 상기 배면측 전극과의 방전으로 표면방전을 유도하기 위한 배면측 유도전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기의 평판형 엑시머 램프는, 배면기판, 상기 배면기판의 상부에 형성되는 배면측 전극, 상기 배면측 전극의 상부에 형성되는 소정 두께의 나노 다공성 유전체, 및 상기 나노 다공성 유전체의 상부에 형성되는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 포함하여 이루어진 배면부; 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 형성되는 전면측 전극을 포함하여 이루어진 전면부; 상기 배면부 및 상기 전면부 사이에 개재되어 상기 배면부 및 상기 전면부와 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법에 있어서, 상기 배면부는 상기 배면기판으로 기능하는 파이렉스 유리 위에 알루미늄 호일을 정전 접합한 후, 산 용액에서 양극산화를 실시하여 전극 및 유전체를 일체형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 전면부는 합성석영으로 구현되는 유전체의 상부에 금 또는 백금을 프린팅하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전면부 및 상기 배면부는 저온 실 프릿 접합으로 밀봉되거나, 상기 전면부 및 상기 배면부의 사이에 실리카 졸을 사용하거나, 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해 시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하여 접합 및 밀봉될 수도 있다.
또는, 상기 전면부는 합성석영으로 구현되는 유전체의 상부에 퍼하이드로폴 리사일라젠을 가수분해 시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하며, Mo, W, Zr을 포함하는 밸브금속을 접합하여 형성될 수도 있다.
또한, 상기 전면부는 상기 전면측 전극의 상부에 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해 시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하여 보호막을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전면부는 상기 전면측 전극을 양극산화시켜 표면에 산화막을 형성한 후에 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 접합하여 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 전면부는 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 포함하는 무기물을 폴리사일라젠 또는 폴리사일록산을 이용하여 균일하게 도포하여 접착시켜 자외선 광취출율을 향상시킨다.
또는, 상기 전면부는 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 Cytop, Teflon AF 등과 같은 자외선을 투과하는 불소계 고분자를 마이크로 렌즈나 프리즘 쉬트로 형성하여 자외선 광취출율을 향상시킬 수도 있다.
또한, 상기 자외선 반사체는 상기 나노 다공성 유전체의 세공 내부에 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al;Li, SnO2, TiO2 및 ZnO 등의 도체나 반도체 물질 또는 MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, KCL, CsI, Cs2SO4 및 다이아몬드 중 적어도 하나를 삽입 또는 코팅한 후, 그 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 균일하게 도포하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 배면부에 세라믹 방열체를 스프레이 코팅하는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관형 엑시머 램프의 제1 실시예는, 내측관; 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 외벽에 형성된 전면측 전극을 포함하는 외측관; 상기 내측관 및 상기 외측관의 사이에 개재되어 상기 내측관 및 상기 외측관과 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하며, 상기 내측관의 외벽에는 내측 외부전극이 형성되고, 상기 내측관의 내벽에는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기의 제1 실시예에 따른 관형 엑시머 램프는, 내측관; 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 외벽에 형성된 전면측 전극을 포함하는 외측관; 상기 내측관 및 상기 외측관의 사이에 개재되어 상기 내측관 및 상기 외측관과 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 관형 엑시머 램프의 제조방법에 있어서, 상기 내측관의 외벽에는 내측 외부전극을 형성하고, 상기 내측관의 내벽에는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 형성하는 것을 특징으로 하는 관형 엑시머 램프의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 내측관은 그 내벽에 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al:Li, SnO2, TiO2, MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, KCl, CsI, Cs2SO4, 다이아몬드 중 적어도 하나를 코팅하고 건조한 후, 그 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 도포하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스페이서는 상기 내측관 및 상기 외측관의 사이에 석영재로 제작된 도넛형의 폐쇄요소를 실 프릿 또는 용융 접합으로 밀봉하여 형성되는 것이 바람직하다.
또는, 상기 스페이서는 상기 내측관 및 상기 외측관의 사이에 실리카 졸을 사용하거나, 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해 시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하며, 석영재로 제작된 도넛형의 폐쇄요소를 접합 및 실링하여 형성될 수도 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 관형 엑시머 램프의 제2 실시예는, 내측 전극, 상기 내측 전극의 상부에 형성된 소정 두께의 나노 다공성 유전체, 및 상기 나노 다공성 유전체의 상부에 형성된 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 포함하는 내부 전극부; 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 외벽에 형성된 전면측 전극을 포함하는 외측관; 상기 내부 전극부 및 상기 외측관의 사이에 개재되어 상기 내부 전극부 및 상기 외측관과 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 관형 엑시머 램프의 제2 실시예는, 내부 전극부; 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 외벽에 형성된 전면측 전극을 포함하는 외측관; 상기 내부 전극부 및 상기 외측관의 사이에 개재되어 상기 내부 전극부 및 상기 외 측관과 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 관형 엑시머 램프의 제조방법에 있어서, 상기 내부 전극부는 내측 전극의 상부에 소정 두께의 나노 다공성 유전체가 형성되고, 상기 나노 다공성 유전체의 상부에 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체가 형성되는 것을 특징으로 하는 관형 엑시머 램프의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 내부 전극부는 관형, 봉형, 또는 코일형의 금속전극의 외측부에 양극산화법을 이용하여 비규칙적인 나노 다공 배열을 갖는 유전체층을 형성한 후, 상기 유전체층 위에 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al;Li, SnO2, TiO2, MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, KCl, CsI, Cs2SO4, 다이아몬드 중 적어도 하나를 코팅하고 건조한 후, 그 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 도포하여 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 전면측 전극은 폴리사일록산 또는 폴리사일라젠 용액이 코팅된 금속전극을 상기 자외선 투명 유전체의 외벽에 일정 간격으로 감은 후, 자외선을 조사하거나 열을 가하여 접합과 아울러 보호막을 형성한다.
또한, 상기 외측관은 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 포함하는 무기물을 폴리사일라젠 또는 폴리사일록산을 이용하여 균일하게 도포하여 접착시켜 자외선 광취출율을 향 상시키는 것이 바람직하다.
또는, 상기 외측관은 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 Cytop, Teflon AF 등과 같은 자외선을 투과하는 불소계 고분자를 마이크로 렌즈나 프리즘 쉬트로 형성하여 자외선 광취출율을 향상시킬 수도 있다.
이로써, 평판형 및 관형의 엑시머 램프는 그 제조비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 보다 저온의 상태에서 접합 및 실링 공정작업이 가능하며, 안정된 방전조건의 확립과 높은 광취출 구조를 통하여 광출력 및 효율이 향상된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 평판형 및 관형의 엑시머 램프, 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 평판형 엑시머 램프의 구성을 설명하기 위하여 도시된 입체도이고, 도 2는 도 1의 평판형 엑시머 램프의 측단면도이다.
도면을 참조하면, 평판형 엑시머 램프는 배면부(10) 및 전면부(20)를 포함하며, 배면부(10) 및 전면부(20)의 사이에는 스페이서(30)가 개재되어 방전간격을 유지시키고, 배면부(10) 및 전면부(20)와 함께 밀폐된 방전공간(40)을 형성한다.
여기서, 배면부(10)는 배면기판(12), 배면기판(12)의 상부에 형성되는 배면 측 전극(14), 배면기판(12)의 하부에 형성되는 배면측 유도전극(15), 배면측 전극(14)의 상부에 형성되는 소정 두께의 나노 다공성 유전체(16), 및 나노 다공성 유전체(16)의 상부에 형성되며 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체(18)를 포함한다.
또한, 전면부(20)는 자외선 투명 유전체(22), 및 자외선 투명 유전체(22)의 상부에 형성되는 전면측 전극(24)을 포함한다. 도 1에는 배면부(10) 및 전면부(20)에 배치되는 전극이 판형 전극체로 구현된 것으로 도시하였지만, 배면부(10) 및 전면부(20)에 배치되는 전극은 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 판형 전극체 및 선형 전극체의 조합으로 구현될 수 있으며, 또한 도 3c에 도시한 바와 같이, 선형 전극체만으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 각각의 선형 전극체는 서로 직교하는 형태로 구현되는 것이 바람직하다.
배면부(10)는 배면기판(12)으로 기능하는 세척된 파이렉스 유리 위에 배면측 전극(14)으로 사용될 약 20~50 마이크론 두께의 알루미늄 호일을 정전 접합한다. 그 후, 10~30 마이크론 두께의 나노 다공성 알루미나가 형성되도록 산 용액에서 양극산화를 실시하여 내구성 및 방전특성이 우수한 전극 및 유전체 일체형의 나노 다공성 전극부를 형성할 수 있다.
또한, 나노 다공성 유전체(16)의 세공 내부에 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al;Li, SnO2, TiO2 및 ZnO 등의 도체나 반도체 물질 또는 MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, KCL, CsI, Cs2SO4 및 다이아몬드 등과 같은 2차 전자 방출물질을 삽입하거나 세공구조를 변화시킴으로써 방전특성을 개선할 수 있는데, 이에 대한 특성 및 제조방법에 관한 상세한 설명은 본 출원인의 선행 특허(등록번호 10-0737953호 및 10-0592070호)에 상세하게 개시되어 있으므로 이하에서는 그 설명을 생략한다.
나노 다공성 유전체(16)의 상부에는 자외선 반사층으로 방출 자외선의 파장과 같거나 그 이하의 입자 크기를 갖는 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 또는 이들의 혼합물을 스크린 프린팅 법이나 스프레이 법을 이용하여 약 30~70 마이크론 두께로 도포한다.
배면기판(12)의 하부(배면)에는 선형의 유도전극(15)을 형성한다. 배면기판(12)으로는 자외광이 방출되지 않으며 오존의 발생도 없으므로 가격이 저렴하고 작업성이 좋은 은 전극을 프린팅 하여 사용하여도 무방하다. 유도전극(15)은 배면측 전극(14)과의 방전으로 표면방전을 유도하며, 배면측 전극(14)과 전면측 전극(24) 사이의 대향 방전이 일어나면 방전 전압을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 자외광 출력을 크게 향상시켜 효율을 높일 수 있다.
한편, 전면부(20)는 자외광 투과율이 좋은 약 2~3 mm 두께의 합성석영으로 구현되는 유전체(22)의 상부에 금 또는 백금을 프린팅 방법을 이용하여 형성하거나, Mo, W, Zr 등의 금속 와이어나 메쉬를 퍼하이드로폴리사일라젠을 이용하여 유전체 상부에 접합한다. 퍼하이드로폴리사일라젠은 대기 중에서 약 200℃로 가열하면 30분 이내에 가수분해 반응에 의한 실리카로의 변환이 완결되는데, 유전체(22)와 전면측 전극(24)의 접합부에서는 그것이 접착제로 작용하며 그 외의 부분에서는 금속전극의 코팅제로 작용하여 전극의 내 부식성을 크게 향상시킨다. 퍼하이드로폴 리사일라젠의 대신에 폴리사일록산을 자외선 처리하여 사용하여도 동일한 결과를 가져온다.
전면부(20)에 있어서 더 큰 내 부식성이 요구될 경우, Al, Ti, Nb, Zr, Ta, Mo, W 등의 밸브금속으로 구성된 전극을 양극산화 하여 전극 표면에 산화막의 보호재(26)를 형성한 후, 상기의 방법을 사용하여 전극부를 형성할 수도 있다. 이와 같은 산화막은 배리어 형태로 그 두께가 수백 나노미터 정도로 제한된다고 알려져 왔으나, 최근에는 마이크로 미터 단위의 산화막 형성방법이 발표되어 더 넓은 응용성을 가지게 되었다.
상기와 같은 방법으로 준비된 배면부(10) 및 전면부(20)는, 1~2 mm의 높이를 갖는 스페이서(30)로 간격을 유지하며, 글라스 프릿과 금속 전극의 접합에 사용되는 방법으로 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해 시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하여 접합 및 밀봉된다. 또는, 배면부(10) 및 전면부(20)는 저온 실 프릿 접합으로 밀봉되거나, 배면부(10) 및 전면부(20)의 사이에 실리카 졸을 사용하여 접합 및 밀봉될 수도 있다.
글라스 프릿은 작업성이 수월하고 연속작업과 대량생산 공정의 이용이 가능하여 PDP(Plasma Display Panel)와 기타 램프의 제조에 일반적으로 사용된다. 석영과 거의 유사한 열팽창계수를 갖는 실링용 글라스 프릿들이 공지되어 있는데, 이들의 실링 온도는 500℃ ~ 900℃ 범위로 램프의 제작에 적합한 온도범위이며, 이를 이용하여 작업의 수월성 및 램프의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
방전공간(40)의 내부에는 Xe 가스 또는 그 혼합 가스가 대략 300~700 Torr, 바람직하게는 400~600 Torr가 봉입되며, 전원장치로는 교류, 펄스화 직류, 또는 쌍극성 펄스화 직류 등이 사용된다.
바람직하게는, 광취출창의 표면에 마이크로 렌즈나 프리즘을 형성하여 전반사에 의한 내부 손실의 감소 및 방출광의 재배향을 통해 광취출율을 향상시킬 수 있다. 광취출창의 표면에는 자외선의 흡수가 없거나 매우 적은 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 등의 구슬 형태의 무기물을 폴리사일라젠이나 폴리사일록산을 이용하여 균일하게 도포하여 접착시키는 것이 바람직하다. 이때, 폴리사일라젠이나 폴리사일록산으로부터 변환된 실리카는 190nm 이하의 파장 영역에서의 흡수도가 상당하므로 이 영역에서의 사용은 바람직하지 않다. 약간의 내구성의 희생을 감수하면 자외선을 투과하는 Cytop(아사히 글라스), Teflon AF(듀폰) 등의 불소계 고분자들은 150nm 영역의 자외광까지 높은 투과율을 나타내므로 이들을 접합제로 이용하거나 직접 이들을 마이크로 렌즈나 프리즘 쉬트로 형성하여 사용할 수 있다.
평판형의 엑시머 램프는 관형의 엑시머 램프에 비하여 외부 충격에 취약하며 불균일한 발열분포에 의해 파손될 위험성이 높다. 따라서 Okitsumo사의 Cooltech과 같은 세라믹 방열체를 비 발광부인 램프 배면부에 10~20 마이크로미터의 두께로 스프레이 코팅을 하는 것이 바람직하다. 이로써, 균일한 램프의 발열 분포와 효과적인 냉각으로 열 충격에 의한 파손을 크게 감소시킬 수 있다.
한편, 램프에서 생성된 자외선을 피조사물의 방향으로 집중시켜 램프의 조사효율을 높일 필요가 있다. 또한, 높은 자외선 조사량에 의한 합성석영의 결함의 생 성이 진행되어 램프의 수명이 단축될 수 있는바, 램프의 내면 및 후면부에 자외선 반사층을 도입하여 램프의 효율의 향상 및 수명을 연장함과 아울러 내면 및 후면부에 저가의 부재를 사용할 수 있어 매우 경제적이다. 자외선 반사체로 자외선 흡수가 없거나 매우 적은 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 등이 적합하며, 산란의 효율을 크게 하기 위하여 자외선의 파장이 같거나 이보다 작은 입자의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 관형 엑시머 램프의 제1 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 4a는 외형도를 나타내며, 도 4b는 측단면도를 나타낸다.
도면을 참조하면, 관형 엑시머 램프의 제1 실시예는, 내측관(30), 외측관(40), 및 스페이서(50)를 구비한다.
여기서, 내측관(30)은 그 내벽(외측관에 대향하는 면)에 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체(32)가 형성되며, 내측관(30)의 외벽(중심축을 향하는 면)에는 내측 외부전극(34)이 형성된다. 또한, 자외선 투명 유전체로 형성된 외측관(40)의 외벽에는 전면측 전극(42)이 형성된다.
내측관(30)은, 램프의 내부 방향으로 플라즈마와 접하는 내측관(30)의 내벽에 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al;Li, SnO2, TiO2 및 ZnO 등 도체나 반도체 물질 또는 MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, CsI, Cs2SO4 및 다이아몬드 등과 같은 2차 전자 방출물질을 코팅 및 건조한 후, 그 상부에는 자외선 반사층으로 방출 자외선의 파장과 같 거나 혹은 그 이하의 입자 크기를 갖는 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 또는 이들의 혼합물을 스프레이 법을 이용하여 약 30~70 마이크론 두께로 도포하여 형성된다.
스페이서(50)는 내측관(30) 및 외측관(40)의 양단부에서 내측관(30) 및 외측관(40)의 사이에 끼워지며, 내측관(30) 및 외측관(40)의 사이에 실리카 졸을 사용하거나, 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하며, 석영재로 제작된 도넛형의 폐쇄요소를 접합 및 실링하여 형성된다. 스페이서(50)는 내측관(30) 및 외측관(40)(이하, 방전관이라도 한다)과 함께 방전간격을 유지하며 밀폐된 방전공간(52)을 형성한다.
즉, 방전관의 양단부는, 석영재로 제작된 폐쇄요소와 저온의 실링제나 실 프릿에 의하여 밀봉되거나, 용융 접합에 의하여 밀봉된다. 여기서, 실 프릿의 열팽창계수는 석영의 열팽창계수와 매우 유사한 저온 실링 프릿을 사용하였으며, 실링온도는 500 ~900℃로 하였다. 도넛형의 폐쇄요소(50)는 램프의 밀봉뿐만 아니라, 내측관(30) 및 외측관(40) 사이의 방전간격을 유지해주는 스페이서 역할도 겸하고 있으며, 방전램프의 길이가 매우 길어져 휨 현상이 발생하여 방전간격이 달라질 경우 램프의 중앙부에 추가로 설치될 수 있다. 양단 폐쇄요소의 일측에는 팁 관이 형성되어 가열배기 공정 및 엑시머 가스의 봉입을 수행한 후 팁 오프되는 것이 바람직하다.
외측관(40)은 자외선 광 취출율을 향상시키기 위하여, 자외선 투명 유전체의 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 포함하는 무기물을 폴리사일라젠 또는 폴리사일록산을 이용하여 균일하게 도포하여 접착시키거나, 자외선 투명 유전체의 상부에 Cytop, Teflon AF 등과 같은 자외선을 투과하는 불소계 고분자를 마이크로 렌즈나 프리즘 쉬트로 형성할 수 있다. 이에 대한 제작방법은 평판형 엑시머 램프의 경우와 유사하므로, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 외측관(40)의 외측면에는 폴리사일록산이나 폴리사일라젠 용액이 코팅된 30~70 마이크론 두께의 금속전극을 권선기를 이용하여 일정 간격으로 감아 외부 전면측 전극(42)을 형성한다. 이후, 자외선을 조사하거나 200℃ 이하의 열을 가하여 실리카로 변환시켜 금속전극의 접합과 아울러 이의 보호막을 형성시킨다.
자외선 방사광에 노출되는 외부 금속전극은 내산화성이 클 뿐만 아니라, 열팽창계수가 합성석영과 큰 차이가 나지 않는 것이 바람직하다. 금속 전극의 내 산화성을 높이기 위하여 금속전극 표면에 보호막을 형성할 수도 있는바, 양극산화법을 이용하면 기존의 코팅법에 비하여 매우 간편하며 또 특성이 우수한 보호막을 형성할 수 있다. Al, Ti, Nb, Zr, Ta, Mo, W 등과 같은 밸브 금속은 양극 산화법에 의해 비교적 두꺼운 산화막이 금속 표면에 손쉽게 형성되며, 이 산화막으로 인하여 높은 내 부식성을 가질 수 있다. 이들 중 석영과 열팽창계수 차이가 작은 Mo, W, Zr 등의 사용이 가장 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 관형 엑시머 램프의 제2 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 5a는 정단면도를 나타내며, 도 5b는 측단면도를 나타낸다.
도면을 참조하면, 관형 엑시머 램프의 제2 실시예는 내부 전극부(132, 134, 136), 외측관(140, 142), 및 스페이서(150)를 포함한다.
여기서, 내부 전극부(132, 134, 136)는 내측 전극(132), 내측 전극(132)의 상부에 형성된 소정 두께의 나노 다공성 유전체(134), 및 나노 다공성 유전체(134)의 상부에 형성된 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체(136)를 포함하며, 외측관(140, 142)은 자외선 투명 유전체(140), 및 자외선 투명 유전체(140)의 외벽에 형성된 전면측 전극(142)을 포함한다.
또한, 스페이서(150)는 내부 전극부(132, 134, 136) 및 외측관(140, 142)의 사이에 개재되어 내부 전극부(132, 134, 136) 및 외측관(140, 142)과 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간(152)을 형성하며, 형성된 방전공간(152)에는 방전가스가 봉입된다.
내측 전극(132)는 몰리브데니움이나 텅스텐과 같이 융점이 매우 높고 열팽창계수가 작으며, 양극산화로 비교적 두꺼운 양극산화층을 형성할 수 있는 밸브금속 중에서 선택하는 것이 바람직하다. 도면에는 봉형의 내측 전극(132)이 삽입된 것으로 도시하였으나, 내측 전극(132)의 형상은 이에 한정되는 것이 아니며, 관형 또는 코일형으로 구현될 수도 있다.
유전체(134)는 관형, 봉형, 또는 코일형의 금속전극의 외벽에 양극산화법을 이용하여 형성된다. 이때, 비규칙적인 나노 다공의 배열을 갖도록 하여 전극 표면의 곡률 변화에 기인한 산화막의 균열을 방지하는 것이 중요하다.
자외선 반사체(136)는 유전체(134) 위에 Al;Li, SnO2, TiO2, 및 ZnO 등 반도체 물질 또는 MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, KCl, CsI, Cs2SO4 및 다이아몬드 등과 같은 2차 전자 방출물질을 코팅 및 건조한 후, 그 상부에 방출 자외선의 파장과 같거나 혹은 그 이하의 입자 크기를 갖는 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 또는 이들의 혼합물을 약 30~70 마이크론 두께로 도포하여 형성된다.
내부 전극부(132, 134, 136)는 합성 석영으로 이루어진 외측관(140, 142) 내부로 삽입하며, 링 형태의 스페이서(150)를 이용하여 방전간격을 유지하며 위치를 고정시킨다. 내부 전극부(132, 134, 136)의 양단은 유연성을 갖는 전극의 외부 인입선과 연결하여 램프 구동시 발열에 의한 내부 전극부와 외측관의 열팽창계수 차이에 의한 파손을 방지한다.
또한, 방전관의 양단부는 원형의 석영재로 제작된 폐쇄요소와 실 프릿에 의하여 밀봉된다. 양단 폐쇄요소에는 전극의 전력 인입선이 구비되어 있으며, 또한 이의 일측에는 팁 관이 형성되어 가열 배기공정 및 엑시머 가스의 봉입을 수행한 후 팁 오프된다. 이와 같은 방법에 의해 제작된 관형 엑시머 램프는 제1 실시예에 의한 관형 엑시머 램프의 구조에 비하여 단순하므로 이의 제작에는 핀치 실(pinch seal) 방법을 봉착할 수 있다.
외측관(140, 142)은 상술한 관형 엑시머 램프의 제1 실시예의 경우와 그 제작방법이 동일하므로, 이하에서는 그 설명을 생략한다.
실리콘 오일과 같은 폴리사일록산 계열의 고분자 규소 화합물에 200 나노미 터 이하의 진공 자외선을 조사하여 저온에서 이를 실리카로 변환하는 고순도 실리카의 코팅 방법과 석영의 접합법은 이미 주지의 사실이다. 이에, 본 발명에서는 이 방법을 응용하여 합성 석영과 파이렉스 유리를 이용한 램프를 제작한바 진공 기밀을 잘 유지함이 확인되었다. 이때, 램프의 접합 및 실링은 우시오사의 제논 램프를 사용하여 30분간 조사하였으며, 부재의 온도는 160℃로 하였다.
한편, 폴리사일라젠 화합물은 수분의 존재 하에 가수분해 반응을 일으켜 실리카로 변환된다. 본 발명에서는 이를 이용하여 합성 석영과 파이렉스 유리를 접합 및 실링하여 램프를 제작한바, 저온(상온 ~ 200℃ 범위) 공정에서도 접합성이 매우 우수하며 진공 기밀을 잘 유지함을 확인하였다. 이 방법은 상기의 광화학적 접합 및 실링 방법에 비하여 엑시머 램프 및 이의 부수 장비의 사용이 필요치 않아 공정이 훨씬 간편한 이점이 있다.
상기의 저온 접합 및 실링 방법들은 석영과 유리, 또는 석영과 금속과 같은 열팽창 계수 차이가 큰 부재를 접합하는데 매우 유용하며, 이를 이용하여 석영과 금속전극의 밀착력을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 자외선 취출이 필요치 않은 부분을 파이렉스와 같은 저가의 부재를 사용하여 가격이 저렴한 램프의 제작이 가능하다.
또한, 상기의 저온 접합 및 실링 방법은 램프의 제작뿐만 아니라, PDP, FED 등의 디스를레이 소자 및 MEMS 등의 여러 분야에 응용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 낮은 실링온도 범위를 가지며 석영과 거의 유사한 열팽창 계수를 갖는 실링용 글라스 프릿들을 사용함으로써, 저온의 접합 및 실링 공정이 가능하도록 하여 작업의 수월성 및 램프의 생산성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 엑시머 램프는, 폴리사일라젠, 폴리사일록산과 같은 접합제를 사용하여 유전체와 전극을 접합시키므로, 유전체와 전극 사이의 밀착력을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 광 취출부를 제외한 부분에 파이렉스 유리와 같은 저가의 부재를 사용함으로써 저가의 램프 제작이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 열팽창계수가 다른 부재의 접합에 있어 저온 실링제나 열팽창계수가 유사한 글라스 프릿을 사용함으로써 열팽창계수의 차이에 의한 응력을 충분히 흡수하여 두 부재의 파손 없이 접합 및 실링이 가능하도록 한다.
또한, 본 발명에 따르면 접합 및 실링의 재료로 저온 소성용 글라스 프릿, 고분자 규소 화합물을 광분해 또는 가수분해 방법을 이용하여 실리카로 변환시켜 이용하므로, 종래의 기술에서보다 낮은 온도에서 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면 광취출창 상부에 자외선 흡수가 없거나 매우 적은 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 등의 구슬을 균일하게 도포하여 사용하므로, 광 취출율을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 평판형 엑시머 램프의 구성을 설명하기 위하여 도시된 입체도이다.
도 2는 도 1의 평판형 엑시머 램프의 측단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 평판형 엑시머 램프에 채택되는 전극들의 배치 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 관형 엑시머 램프의 제1 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 4a는 외형도를 나타내며, 도 4b는 측단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 관형 엑시머 램프의 제2 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 5a는 정단면도를 나타내며, 도 5b는 측단면도를 나타낸다.
Claims (24)
- 배면기판, 상기 배면기판의 상부에 형성되는 배면측 전극, 상기 배면측 전극의 상부에 형성되는 나노 다공성 유전체, 및 상기 나노 다공성 유전체의 상부에 형성되는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 포함하여 이루어진 배면부;합성석영으로 이루어진 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 형성되는 전면측 전극을 포함하여 이루어진 전면부;상기 배면부 및 상기 전면부 사이에 개재되어 상기 배면부 및 상기 전면부와 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프.
- 제 1항에 있어서,상기 배면기판의 하부에 상기 배면측 전극과의 방전으로 표면방전을 유도하기 위한 배면측 유도전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프.
- 배면기판, 상기 배면기판의 상부에 형성되는 배면측 전극, 상기 배면측 전극의 상부에 형성되는 나노 다공성 유전체, 및 상기 나노 다공성 유전체의 상부에 형성되는 방전 개선물질을 포함하는 자외선 반사체를 포함하여 이루어진 배면부; 자외선 투명 유전체, 및 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 형성되는 전면측 전극을 포함하여 이루어진 전면부; 상기 배면부 및 상기 전면부 사이에 개재되어 상기 배면부 및 상기 전면부와 함께 방전간격의 유지 및 밀폐된 방전공간을 형성하는 스페이서; 및 상기 방전공간에 봉입된 방전가스를 포함하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법에 있어서,상기 배면부는 상기 배면기판으로 기능하는 파이렉스 유리 위에 알루미늄 호일을 정전 접합한 후, 산 용액에서 양극산화를 실시하여 전극 및 유전체를 일체형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부는 합성석영으로 구현되는 유전체의 상부에 금 또는 백금을 프린팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부 및 상기 배면부는 저온 실 프릿 접합으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부 및 상기 배면부는 그 사이에 실리카 졸을 사용하거나, 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해 시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하여 접합 및 밀 봉되는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부는 합성석영으로 구현되는 유전체의 상부에 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하여, Mo, W, Zr을 포함하는 밸브금속을 접합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부는 상기 전면측 전극의 상부에 퍼하이드로폴리사일라젠을 가수분해시키거나 폴리사일록산을 자외선 처리하여 보호막을 형성하는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부는 상기 전면측 전극을 양극산화시켜 표면에 산화막을 형성한 후에 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 접합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부는 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼 슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 포함하는 무기물을 폴리사일라젠 또는 폴리사일록산을 이용하여 균일하게 도포하여 접착시켜 자외선 광취출율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 전면부는 상기 자외선 투명 유전체의 상부에 자외선을 투과하는 불소계 고분자를 마이크로 렌즈나 프리즘 쉬트로 형성하여 자외선 광취출율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 자외선 반사체는 상기 나노 다공성 유전체의 세공 내부에 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al;Li, SnO2, TiO2 및 ZnO 중의 적어도 하나를 포함하는 도체나 반도체 물질 또는 MgO, SrO, BaO, Cs2O, LiF, KCL, CsI, Cs2SO4 및 다이아몬드 중 적어도 하나를 삽입 또는 코팅한 후, 그 상부에 불화 마그네슘, 불화 칼슘, 실리카, 알루미나 중의 적어도 하나를 균일하게 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 엑시머 램프의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 배면부에 세라믹 방열체를 스프레이 코팅하는 것을 특징으로 하는 평판 형 엑시머 램프의 제조방법.
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