KR100994938B1 - 고압 가스 방전 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 가스로 채워져 있는 방전 공간(21)을 밀봉되게 둘러싸는 적어도 하나의 램프 벌브(1)와, 기능 층(3)과, 광 방출 개구(5)를 포함하며, 상기 기능층(3)과 광 방출 개구(5)는 상기 램프 벌브의 외부면에 배열되어 있는, 고압 가스 방전 램프로서, 상기 기능 층을 위해 사용되지 않는 상기 램프 벌브의 표면의 다른 영역을 제 2 층이 커버하는 한편, 상기 램프는, 상기 램프 벌브(1)의 탈유리화와 상기 가스의 응축이 실질적으로 방지되도록 하는 전력에서 동작될 수 있는, 고압 가스 방전 램프에 관한 것이다.

Description

고압 가스 방전 램프{HIGH-PRESSURE GAS DISCHARGE LAMP}

본 발명은, 가스로 채워져 있는 방전 공간을 밀봉되게 둘러싸는 적어도 하나의 램프 벌브와, 기능 층과, 광 방출 개구를 포함하며, 상기 기능층과 광 방출 개구는 상기 램프 벌브의 외부면에 배열되어 있는, 고압 가스 방전 램프에 관한 것이다.

고압 가스 방전 램프(HID lamps : high intensity discharge lamps)와 특히 UHP(ultra high performance) 램프는 특히 그 광학 특성으로 인해 프로젝션용으로 즐겨 사용된다. 본 발명의 범위 내에서, UHP 램프(Philips)라는 용어는 또한 다른 제조사에서 만든 UHP 타입의 램프를 포함한다.

이들 응용을 위해서는 가능한 한 점 형상(point-shaped)으로 형성된 광원이 요구되는데, 이것은 전극 팁(electrode tip) 사이에서 일어나는 광 아크(light arc)가 약 0.5 내지 2.5㎜의 길이를 초과하지 않아야 하는 것을 의미한다. 나아가, 가능한 한 자연적인 광 스펙트럼 조성과 함께 가능한 한 높은 브라이트니스가 요구된다.

DE 101 51 267로부터 광학 프로젝션 시스템에서 방전 공간의 외부 면의 일부의 외부 반사를 통해 휘도 효율이 증가될 수 있다는 것이 알려져 있다. 특히 층으 로 구성된 후면 반사경(back reflector)은 이 해법에서 적어도 하나의 개구를 가져야 하며, 이 개구는 후면 반사경에 대해 규칙적으로 배치되고 고압가스 방전 램프의 주 반사경의 방향으로 원하는 광 방출을 가능하게 한다. 이러한 개구의 제조는 특히 대량 생산 공정의 경우에 두드러진 기술적 효과를 동반한다.

조명 기술에서 다른 응용시에 여러 목적을 제공하는 기능 층을 위한 추가적인 요구가 있다. 이들 층은 램프 벌브의 내부면 및/또는 외부면 모두에 제공될 수 있다. 이러한 기능 층 중에는 예를 들어 자동차 램프의 경우에 UV 흡수층이 있으며 할로겐 램프에는 IR 반사층이 있으며 또는 발광 램프의 내부에는 포스퍼 층이 있다. 전술된 응용에서는 이들 층의 제조 효율에 긍정적으로 영향을 미치는 램프 벌브의 전체 표면 영역을 코팅이 커버하여야 하거나 커버할 수 있는 것이 특징이다.

그러나, 만일 고압 가스 방전 램프, 특히 UHP 램프가 사용되는 경우, 2개의 필수적인 요구조건이 그 추가적인 개선을 위해서는 동시에 충족되어야 한다.

한편, 방전 공간의 내부면에서 최고 온도는, 통상 수정 유리(quartz glass)로 만들어진 램프 벌브의 탈유리화(devitrification)가 일어날만큼 그렇게 높게 되어서는 아니된다. 이것은 램프의 방전 공간 내부의 강한 대류가 광 아크 위의 영역을 특히 세게 가열시키기 때문에 문제될 수 있다.

다른 한편, 방전 공간의 내부면에서 최저 온도 지점은 거기서 수은이 침전되지는 않지만 전반적으로 충분한 양이 증기 상태로 남아있을 만큼 높은 온도를 가지고 있어야 한다. 이것은 특히 포화된 가스로 충진된 램프에서 볼 수 있는 것이다.

이들 2개의 서로 상충하는 요구조건은 최고 온도와 최저 온도(통상 방전 공 간의 최상부 내부면과 최하부 내부면에서의 온도) 사이의 최대 허용가능한 차이가 비교적 작다는 결과를 가진다. 만일 이 고압 가스 방전 램프가 구성 재료의 부하 한계(loading limit)에서 동작하는 경우, 온도 범위에서의 임의의 변화 예를 들어 온도의 상승은 램프 수명과 같은 성능 파라미터에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나, 최대 차이 내에 머무르는 것과 이에 따라 최적 동작 점을 유지하는 것은, 내부 대류가 주로 방전 공간 위의 영역을 가열시키기 때문에, 비교적 어려우며, 이 영역의 열 전도도는 램프 벌브의 적절한 구성을 통해 좁은 범위의 한계 내에서만 예를 들어 더 큰 벽 두께에 의하여 증가될 수 있다.

이 최적화된 시스템은 방전 공간에서 온도 범위에 영향을 미치거나 그 온도 범위를 변화시키는 조치(measure)에 매우 민감하게 반응한다. 상부면에 반사 층을 제공하는 것이 그와 같은 조치이며, 이에 의해 UHP 램프의 동작 온도가 코팅을 하지 않은 램프와 비교할 때 통상 상승할 수 있다. 이것은 특히 램프 내에 일어나는 다중 반사로 인해 재흡수율이 증가한다는 사실에 의해 초래된다. 코팅은 추가적으로 종종 코팅되지 않은 램프의 순수한 수정 표면과 비교해 볼 때 램프 표면의 열 복사선을 감소시키게 하며, 그 결과 램프가 더 적은 열을 방출할 수 있고 이에 따라 동작 온도가 비교적 증가된다.

코팅된 표면의 사이즈는 온도 범위의 변화를 가능한 한 작게 이루도록 가능한 한 작게 유지되며, 이 온도 변화는 코팅에 의해 그 효과가 유발된 램프의 주어진 전력 소비에서 그 부하 한계에서 이들 고압 가스 방전 램프의 동작 동안 램프 벌브의 탈유리화를 유발하거나 가스의 응축을 유발할 수 있으며, 이 효과는 코팅에 의해 초래된다. 이렇게 필요하게 된, 높은 부하를 받은 램프의 부분 코팅은, 광 기능을 얻는데 필요한 벌브의 표면, 예를 들어 광 방출 창에 뿐만 아니라, 추가적으로 각 기능에 직접 기여하지 않는 모든 표면에도 코팅되지 않게 한다. UHP 램프가 예를 들어 프로젝션 시스템에 사용되는 경우, 코팅되지 않는 부분은 광 방출 개구 뿐만 아니라 구형 방전 용기(spherical discharge vessel)에 인접한 램프의 단부(ends)이다. 기능적 효과에 대해 최소화되도록 이러한 부분 코팅을 제조하는 것은 상당한 기술적 노력을 요구하며 매우 효과적이지 못하다. 그러한 램프 벌브는 그 코팅을 방지하기 위하여 코팅 공정 동안 커버되어야 하는 적어도 2개의 서로 분리된 영역을 요구한다. 이 코팅이 제공되는 동안, 예를 들어 스크린이 이 코팅을 부분적으로 보호하는 커버로 사용된다. 커버용 수단이나 이와 동등한 기능을 갖는 수단을 사용하는 것은 코팅 공정을 더 복잡하게 하여, 추가적인 기술의 제공과 방법의 단계가 필요하게 하며 이것은 또한 그 제조 공정의 효율에 악영향을 미친다. 원리적으로는 기술적으로 가능한 이 해법은 대량 제조시에는 적어도 상당한 기술적 노력으로만 실행 가능하다. 그에 따라 이 문제에 대해 보다 효과적인 해법을 제공하기 위한 직접적인 요구가 존재한다.

본 발명의 목적은, 특히 프로젝션용으로 적합한 서두 문단에서 언급된 종류의 고압 가스 방전 램프를 제공하며 효과적으로 제조될 수 있고 그 광학 효율이 개선되는 부분 코팅을 구비하는 램프 벌브를 갖는 조명 유닛을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 기능 층으로 사용되지 않는 램프 벌브의 표면의 다른 영 역을 제 2 층이 커버하는 한편, 상기 램프는, 램프의 전력 소비 수준에서 램프 벌브의 탈유리화와 가스의 응축이 실질적으로 방지되도록 하는 전력에서 동작될 수 있는 것으로 달성된다.

이 해법의 상당한 잇점은, 구형 방전 공간의 외부면의 일부의 반사를 통해 달성가능한, 특히 광 프로젝션 시스템에서의 효율이 증가될 수 있는 한편, 광의 스펙트럼 특성이 높은 수준에 유지되는 것이다. 이것은, 코팅되어 있는 램프 벌브의 외부면이 본 발명에 따라 가능한 한 크게 사이즈가 정해진다는 점에서 대단히 간단한 방식으로 실현될 수 있다. 이상적인 경우에, 램프 벌브의 전체 외부 표면 영역은 광 방출 창으로 사용되는 영역을 제외하고는 코팅된다.

본 발명에 따른 해법은, UHP 램프를 가지고 한 실험, 즉 그 램프 단부에 코팅을 한 실험과 코팅을 하지 않은 실험으로부터 얻어진 결과에 기초를 두고 있다. 이들 결과를 통해 그 램프 단부에 코팅을 한 램프가 전체 동작 동안 더 빨리 뜨거워지지만 비슷한 온도 분포가 온도 결정의 측정 정밀도 내에서 램프 벌브의 표면에 걸쳐 스스로 조절된다는 것을 놀랍게 인식하게 되었다. 본 발명에 따른 이러한 인식을 기술적 해법으로 변환하는 것에 의해 램프 제조 공정을 상당히 단순화할 수 있게 된다. 특히, 광 방출 개구의 영역만이 코팅 공정에서의 적절한 조치로 인해 코팅되지 않고 남아 있어야 한다.

본 발명의 의미에서 기능적인 층(functional layer)은 그 주요 기능이 고압 가스 방전 램프의 한정된 파라미터를 변화시키고자 하는 층이다.

이 기능층과 광 방출 창의 상대 위치 뿐만 아니라 그 사이즈조정, 위치지정, 및 그 형상은, 알려진 방식으로 구현될 수 있는, 첨부하는 주 반사경과, 램프의 연상되는 응용을 또한 포함하는, 각 램프 타입에 따라 달라진다. 여기서 특히 이 선택을 할 때 가능한 한 많은 다중 반사가 일어나는 것을 회피하도록 하여 가능하면 이에 의해 광 출력이 감소되지 않게 하는 것을 주의하여야 한다.

후면 반사경은 통상 주 반사경과 마주하는 개구를 구비하며, 이 개구를 통해 광원의 광이 주 반사경으로 반사된다.

각 층을 도포하는 방법 뿐만 아니라 기능 층과 제 2 층을 위한 재료의 선택은 종래 기술에 따라 할 수 있으며 각 응용에 적합하게끔 이루어진다. 선택된 재료는 가능한 한 낮은 흡수율을 가져야 한다.

추가적으로, 이들 재료는 이들이 UHP 램프에 제공되는 경우 충분한 온도 저항성을 가져야 한다.

이것은 특히 방전 공간을 포함하는 램프 벌브의 중심 부분의 외부 형상이 거의 구형이거나 타원이어야 하는 경우 그러하다. 구형 형상의 경우에, 광 아크는 구의 중심에 중심을 두어야 한다. 타원의 경우에 2개의 초점 사이의 거리가 2개의 전극 팁 사이의 거리보다 더 크지 않아야 하며 이때 상기 초점은 그 광 아크 내에 있어야 한다.

종속 청구항은 본 발명의 유리한 추가 실시예에 관한 것이다.

특히 효과적인 제조를 하기 위해 유리한 실시예는 청구항 2에 따라 달성될 수 있다.

청구항 3의 실시예는 UHP 램프를 선호한다.

청구항 4에 따라, 기능 층이나 이 기능 층 및 제 2 층은 램프 벌브의 표면의 거의 모든 영역을 커버하는 것이 바람직하다.

청구항 5에 따라 이 기능 층은 다이크로익 특성을 갖는 후면 반사경이나 간섭 필터인 것이 특히 바람직하다.

이 기능층의 다이크로익 특성은 광의 특정 선호되는 광 스펙트럼 범위만이 외부로 복사되는 결과를 가진다.

청구항 6에 따라 선택된 낮은 굴절률의 재료는 램프 벌브의 재료에 최고의 가능한 등급에 해당하는 실리콘 산화물(SiO₂)인 것이 바람직하다. TiO₂, ZrO₂ , 및 Ta₂O₅와 같은 보다 높은 굴절률의 재료로 복수의 재료가 선택될 수 있다. ZrO₂ 는 특히 여기서 선호되는데, 그 이유는 이 재료가 대부분의 다른 재료보다 더 적게 흡수하기 때문이다.

전술된 재료와 그 혼합물 이외에, 다른 재료도 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있으며, 이 재료는 예를 들어 적절한 실험에 의하여 그 유용성이 테스트될 수 있다.

본 발명의 의미에서 이 기능층을 제조하는 선호되는 방법은 특히 물리적 증기 증착, 스퍼터링, 화학적 증기 증착, 및 디프 기술(dipping)과 같은 박막 기술의 알려진 표준 방법이다.

본 발명의 목적은 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재되어 있는 적어도 하나의 고압 가스 방전 램프를 포함하는 조명 유닛(lighting unit)에 의하여 추가 적으로 달성된다.

이러한 조명 유닛이나 고압 가스 방전 램프는 특히 프로젝션용으로 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 상세 사항, 특성, 그 잇점은 도면을 참조하여 주어지는 바람직한 실시예의 이하 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1 은 고압 가스 방전 램프(UHP 램프)의 방전 공간을 갖는 램프 벌브를 개략적으로 도시하는 횡단면도이다.

도 1 은 본 발명에 따라 고압 가스 방전 램프(UHP 램프)의 방전 공간(21)을 갖는 램프 벌브(1)를 개략적으로 도시하는 횡단면도이다. 전체가 하나로 형성되어 있으며 그 목적을 위해 통상 가스로 채워져 있는 방전 공간(21)을 밀봉되게 밀폐하며, 그 재료가 통상 하드 유리(hard glass)나 수정 유리(quartz glass)인 램프 벌브(1)는 약 8㎜와 14㎜ 사이의 범위의 직경을 갖는 거의 구형 영역(63)이 그 사이에 존재하는 2개의 실린더 형상의 서로 대향하는 영역(61, 62)을 포함한다. 전극 배열(2)을 갖는 타원형의 방전 공간(21)은 이 영역(63) 내에 중심에 맞춰 배열된다. 전극 배열(2)은 실질적으로 제 1 전극(22)과 제 2 전극(23)을 포함하며, 이들의 서로 대향하는 팁(tip) 사이에는 휘도 아크 방전이 이 방전 공간(21) 내에서 여기되며, 이 휘도 아크는 고압 가스 방전 램프의 광원으로 사용된다. 전극(22, 23)의 단부(end)는 램프의 전기 연결부(71, 72)에 연결되며, 이 연결부를 통해 램프를 동작시키는데 필요한 공급 전압이 공공의 간선 전압(public mains voltage)으로 동작하도록 설계된 파워 서플라이 유닛(도 1에 미도시)에 의해 공급된다.

이 기능층(3)과 광 방출 개구(5)는 이 영역(63)의 외부면에 배열된다. 기능층(3)은 약 3㎛의 총 두께를 가지며 간섭 필터의 형태로 소위 냉광 미러(cool-light)로 구성되는 여러 개의 층으로 구성된다. 이들 하위 층(도 1에 미도시)은 특히 더 낮은 굴절률의 하위 층이 더 높은 굴절률의 하위 층과 여러 번 교대하도록 서로 다른 굴절률을 가지는 것을 특징으로 한다. 더 낮은 굴절률을 갖는 재료는 예를 들어 SiO₂이며, 더 높은 굴절률을 갖는 재료는 예를 들어 ZrO₂이다.

SiO₂ 및 ZrO₂의 여러 개의 하위 층으로 또한 형성된 층(4)이 실린더 영역(61, 62)에 제공되어 있으나, 이 층은 그 품질에 있어 특히 그 두께의 균일성 면에서 층(3)과는 다를 수 있다. 이 기능층(3)과 층(4)을 코팅하는 것은 통상 하나의 제조 공정으로 수행된다. 제조 공정에서 일어나는 임의의 사소한 층의 두께 변동이나 불균일성은 통상 기능 층(3)과 비교해 볼 때 층(4)에 대해 감소된 품질 요구조건으로 인해 허용될 수 있다. 나아가, 품질 체크와 그로 인한 불량품 제거로 인한 추가적인 코스트도 회피된다.

전술된 바와 같은 램프 벌브(1)를 갖는 UHP 램프는 부하의 상한의 범위 내에서 수 천 시간 동안 120W의 정격 전력에서 동작되었으며, 그 후에 부분적인 코팅만이 있는 동등한 램프의 통상적인 노화 영향(ageing effect)을 초과하는 상당한 손상은 검출되지 않았다.

본 발명의 특히 유리한 실시예는 짧은 아크 램프로 구성되고 프로젝션용으로 사용되는 고압 가스 방전 램프로 형성된다.

전술된 바와 같이 본 발명은, 고압 가스 방전 램프와 이를 포함하는 조명 유닛 및 그 프로젝션 디바이스에 이용가능하다.

Claims (9)

1. 고압 가스 방전 램프에 있어서,

   가스로 채워져 있는 방전 공간(21)을 밀봉되게 둘러싸는 적어도 하나의 램프 벌브(lamp bulb)(1)와,

   후면 반사경(back reflector), UV 흡수 층, IR 반사 층, 포스퍼 층(phosphor layer) 또는 냉광 미러(cool-light mirror)의 기능을 수행하는 기능 층(3)과,

   광 방출 개구(5)

   를 포함하며,

   상기 기능 층(3)과 상기 광 방출 개구(5)는 상기 램프 벌브의 외부면 상에 배열되어 있고,

   제 2 층(4)은 상기 램프 벌브의 표면의 다른 영역을 커버하고, 상기 제 2 층(4)은 상기 기능 층(3)의 기능을 수행하는 것이 아니며, 상기 제 2 층(4)은 상기 기능 층(3)과 함께 하나의 제조 공정으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 고압 가스 방전 램프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 층(4)은 그 조성 또는 재료 조성물에 대해 상기 기능 층(3)과는 다를 수 있는 것을 특징으로 하는 고압 가스 방전 램프.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 램프는 UHP 램프인 것을 특징으로 하는 고압 가스 방전 램프.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기능 층(3) 또는 상기 기능 층(3) 및 상기 제 2 층(4)은 상기 램프 벌브(1)의 표면의 전 영역을 커버하는 것을 특징으로 하는 고압 가스 방전 램프.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 기능 층(3)은 다이크로익(dichroic) 특성을 갖는 후면 반사경이나 간섭 필터(interference filter)인 것을 특징으로 하는 고압 가스 방전 램프.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 간섭 필터는 SiO₂ 및 ZrO₂로 된 복수의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 가스 방전 램프.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 프로젝션용으로 설계된 고압 가스 방전 램프.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 고압 가스 방전 램프를 적어도 하나 포함하는 조명 유닛.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 고압 가스 방전 램프를 적어도 하나 포함하는 프로젝션 디바이스.

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