KR101120515B1 - 세라믹 금속 할로겐화 방전 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방전 공간을 둘러싸는 세라믹 방전 용기를 포함하고, 세라믹 방전 용기에는 하나 이상의 금속 할로겐화물을 포함하는 이온화가능한 충전재가 제공되고, 그 내부에 제1 전극 및 제2 전극이 배치되고, 세라믹 방전 용기는 방전 공간(70)의 양측에 제1 밀폐 구조 및 제2 밀폐 구조를 포함하고, 상기 밀폐 구조들은 상기 방전 용기에 접속되고 또한 각각의 제1 전류 피드-쓰루 및 제2 전류 피드-쓰루를 포함하며, 적어도 상기 제2 피드-쓰루는 상기 제2 밀폐 구조로의 소결 접속을 갖는 모세관 및 상기 모세관 내에 배치된 도전성 핀을 갖되, 상기 모세관과 상기 핀 사이에 틈을 남기고, 상기 핀과 상기 모세관은 상기 방전 공간으로부터 멀리 떨어진 단부에서 함께 용접되며, 상기 모세관은 최대 1㎜의 외측 직경을 갖고, 상기 틈은 최대 10㎛ 폭이고, 상기 핀과 상기 모세관은 Mo, Re, W, Ir, 이들의 합금, 선택적으로는 V 및/또는 Ti로부터 선택된 금속을 포함하는 고압 방전 램프에 관한 것이다. 본 발명은 차량용 헤드라이트 방전 램프에도 관련된다.

고압 방전 램프, 세라믹 방전 용기, 밀폐 구조, 소결 접속, 모세관

Description

세라믹 금속 할로겐화 방전 램프{CERAMIC METAL HALIDE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 방전 공간을 둘러싸는 세라믹 방전 용기를 포함하며, 세라믹 방전 용기에는 하나 이상의 금속 할로겐화물을 포함하는 이온화가능한 충전재(ionizable filling)가 제공되고, 그 내부에는 제1 및 제2 전극이 배치되고, 세라믹 방전 용기는 방전 공간의 양쪽에 제1 및 제2 밀폐 구조(closing construction)를 포함하고, 이 밀폐 구조들은 방전 용기에 접속되어 있고 또한 각각 제1 및 제2 전류 피드-쓰루를 포함하며, 적어도 제2 피드-쓰루가 제2 밀폐 구조에 대한 소결본딩을 갖는 모세관 및 모세관 내에 위치하는 도전성 핀을 포함하되, 모세관과 핀 사이에는 균열이 남아있고, 상기 핀과 모세관은 방전 공간으로부터 멀리 떨어진 단부에서 함께 용접되는 고압 방전 램프에 관한 것이다. 본 발명은 특히 차량용 헤드라이트 방전 램프에 관한 것이다.

차량용 헤드라이트 방전 램프는 Xe 기체 이외에도, NaCe, NaPr, NaLu 및 NaNd 요오드화물과 같은 금속 할로겐화염 혼합물, 또는 이 염들의 조합을 포함하는 충전재를 포함한다. 이러한 염 혼합물들은 특히 높은 램프 효능을 얻기 위하여 사용된다.

이러한 유형의 염 혼합물을 갖는 램프의 단점은, 방전 공간의 양쪽의 밀폐 구조 내에서의 온도 경사로 인해, 다양한 양의 상이한 염 성분들이 모세관과 도전성 핀 사이의 틈 내로 운송된다는 것이다. 그로 인한 염 성분들의 분리(de-mixing)는 램프 동작 동안의 컬러 불안정성과, 램프의 수명 동안의 컬러 포인트 쉬프트(color point shift)를 유발한다.

기술분야의 설명에서 언급된 유형의 램프의 일례는 미국 특허 제6,181,065호에 알려져 있다. 미국 특허 제6,181,065호의 도 3에 나타나 있는 램프는 서멧(cermet) 모세관을 갖는다. 서멧은 금속과 본딩되는 가공된 세라믹 입자로 이루어져 있고 고온 응용에 적합한 재료이다.

공지된 램프의 단점은, 그 제조 동안 서멧관의 수축이 불량하게 제어되어, 잘 정의된(well-defined) 내측 관 치수를 얻기가 어렵다는 것이다. 그러므로, 연속하는 제조에서, 관과 도전성 핀 사이의 넓은 틈을 실질적으로 회피할 수 없다. 그러나, 넓은 틈은 염 성분들의 분리를 촉진한다.

서멧관의 다른 단점은 그 다공성 구조이다. 특히, 차량용 버너에 요구되는 얇은 벽(50~200㎛)에서는 서멧관을 진공으로 소결하기가 어렵고, 그 결과 램프 내부의 고압 Xe 기체가 램프 밖으로 누출될 수 있다.

본 발명의 목적은 효능이 좋고, 또한 램프 동작 동안 및 램프 수명 동안 컬러 안정성이 개선된, 염 혼합물로 충전된 고압 방전 램프를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 쉽게 대량 생산될 수 있는 램프를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기체에 대한 침투성이 적은 램프를 제공하는 것이 다.

여기에 개시된 것과 그 이외의 본 발명의 목적들은 청구항 1에 따른 고압 방전 램프에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 램프는 모세관과 핀 사이에 최대 10㎛ 폭의 틈을 갖는다. 그러한 작은 틈에서는 어떠한 염 성분도 발견되지 않는 데에 반하여, 약 30㎛의 틈을 갖는 종래의 단부 구조에서는 염 성분이 항상 발견된다. 따라서, 본 발명의 핀과 관 구조는 극도로 작은 틈 내로 염이 스며들어가는 것을 방지하여, 램프의 컬러 불안정성의 발생을 해결한다.

여기에서, "세라믹"은 단결정 금속 산화물(예를 들어, 사파이어), 다결정 금속 산화물(예를 들어, 조밀하게 소결된 다결정 알루미늄 산화물 및 이트륨 산화물), 및 다결정 비산화물 재료(예를 들어, 알루미늄 질화물)과 같은 내화성(refractory) 재료를 의미한다. 이러한 재료들은 1500-1700K의 벽면 온도를 허용하며, 할로겐화물 및 Na에 의한 화학적 공격을 견딘다. 본 발명의 목적을 위해서는, 다결정 알루미늄 산화물(PCA)이 가장 적합한 것으로 밝혀졌다.

세라믹 방전 용기는 관(tube)일 수도 있고, 다르게는 통(barrel) 형상을 가질 수도 있으며, 예를 들어 슬립 캐스트(slip-cast)와 같은 공지된 주조 기술에 의해 제조될 수 있다. 밀폐 구조는 용기와 함께 공동-소결된(co-sintered) 플러그일 수 있고, 또는 밀폐 구조와 용기가 하나의 슬립 캐스트 바디의 일부일 수 있다.

본 발명의 램프의 다른 이점은 그 제조 방법의 단순함이다. 제1 밀폐 구조에 기밀(gastight)하게 접속된 전류 피드-쓰루 및 제1 전극과 제2 밀폐 구조 내의 모세관을 구비하는 세라믹 방전 용기를 포함하는 반완성된 제품은 제1 제조 단계에서 오프라인으로 쉽게 준비될 수 있다. 제2 제조 단계에서, 반완성된 제품은, 제2 밀폐 구조 내에서 모세관을 통해 이온화가능한 충전재로 채워진다. 전극의 삽입 이후, 관과 전극은 램프의 최종 제조 단계에서 Xe 압력 하에서 용접될 수 있다. 용접 구조의 이점은, 본 발명의 램프의 구조에 의해 가능해질 수 있는 램프의 실질적인 온도 상승이 용접 공정에서 회피될 수 있다는 것이다. 이로 인해, 용접 공정 동안 램프로부터의 기체의 이탈이 방지된다. 유리하게도, 고속 용접은 레이저 펄스에 의해 수행될 수 있으며, 이에 의해 0.5 MPa보다 큰 Xe 압력을 갖는 본 발명에 따른 램프를 대량 생산할 수 있게 된다. 3-4 MPa까지의 Xe 압력을 갖는 본 발명에 따른 램프도 마찬가지로 상기의 기술에 의해 대량 생산될 수 있는 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 다른 특징은 제2 밀폐 구조 내의 모세관의 소결 본딩의 기밀성(vacuumtightness)이다. 관은 미리 발화된(pre-fired) 밀폐 구조와 함께 공동-소결되고, 그에 의해 기밀 수축-끼워맞춤(shrink-fit, sfit) 소결 본드 접속이 형성된다. 알루미나가 금속관보다 더 높은 열팽창 계수(TEC)를 갖긴 하지만, 이와 같이 얻어진 소결 본드 접속은 램프의 높은 동작 온도에서도 기밀 상태를 유지한다. 과학적인 설명을 제시하려는 것은 아니지만, 본 발명의 수축-끼워맞춤 소결 본드 접속의 기밀성은, 공동 소결 공정 후의 냉각 동안, 금속관이 명백하게 실질적인 항복(yield)없이 탄성 변형에 속한다는 사실에 기인하는 것으로 이해된다. 최대 1㎜의 외측 직경을 갖는 관의 이러한 변형은 금속보다 높은 TEC를 갖는 알루미나 내의 크랙의 형성을 방지하지만, 냉각 동안 탄성 응력이 관 내에 축적된다. 램프를 그 동작 온도로까지 가열하면, 금속관 내의 탄성 응력의 해소로 인해 누출이 유발되지는 않으며, 따라서 관과 세라믹 밀폐 구조 사이의 단단한 접속이 유지된다.

놀랍게도, Mo, Re, W, Ir, 이들의 합금, 선택적으로는 V 및/또는 Ti로 이루어진 관의 탄성 계수 및 항복 응력(yield stress)의 온도 의존성은, 수축 끼워맞춤 소결 본드 접속의 소결 및 후속 냉각 동안, 램프의 온도가 그 동작 온도까지 상승했을 때의 세라믹 밀폐 구조와 금속관 사이의 열팽창 계수의 차이를 보상하기에 충분한 탄성 응력이 축적되게 한다. Mo 또는 그 합금으로 이루어진 관은 인발관(drawn tube)인 것이 바람직하다. 인발형 Mo관을 이용하면, 훨씬 더 긴 수명과 스위칭 사이클 수가 얻어진다.

제1 피드-쓰루는 임의의 통상적인 피드-쓰루일 수 있다. 바람직하게는, 제1 피드-쓰루는 예를 들어 전극에 인접한 Mo 로드(rod)와 같은 제1 내할로겐화(halide-resistant) 도전체, 및 예를 들어 Nb, Mo, W를 포함하는 제2 도전체를 포함하며, 제1 도전체는 최대 0.5㎜의 직경을 갖고 또한 전극에 인접한 그 길이의 일부분에 걸쳐 제1 밀폐 구조의 제1 부분으로의 소결 접속을 갖되, 그 길이의 나머지 부분 및 제2 도전체와 제1 밀폐 구조의 제2 부분 간에 공간을 남기며, 그 공간은 예를 들어 밀봉 유리와 같은 세라믹 밀봉 재료로 채워진다. 세라믹 밀봉 유리는 일반적으로 산화물들의 혼합물을 포함한다. 밀봉 유리의 바람직한 실시예는 Al₂O₃ : SiO₂ : Dy₂O₃ 혼합물로 이루어진 조성을 가지며, 약 1-3㎜의 길이에 걸쳐 연장된다. 이와 같이 밀봉 유리가 작은 갭 내로 연장되는 것은, 램프 제조 동안 밀폐 구조의 국부화된 가열을 통해 이루어진다. 밀봉 유리는 제2 도전체의 많은 부분 및 제1 도전체의 평평한 부분을 덮고, 그에 의하여 제1 내할로겐화 도전체 및 제1 밀폐 구조 간의 소결 접속에서 형성될 가능성이 있는 마이크로크랙(microcrack)을 통해 들어올 수 있는 할로겐화물과의 화학 반응으로부터 제2 도전체를 보호한다.

내할로겐화 도전체는 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 그들의 합금, 및/또는 이 금속들 중 적어도 하나의 도전성 규화물, 탄화물 또는 질화물로 이루어진 그룹으로부터의 금속들 중 적어도 하나를 포함하는 재료로 제조된다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 램프를 포함하는 차량용 헤드라이트 방전 램프에도 관련된다. 본 발명의 램프는 통상적으로 그 관에 의해 차량용 램프 내에 현수될 것이다. 본 발명에 따른 차량용 램프의 이점은, 공지된 서멧관에 비하여, Mo, Re, W, Ir, 그들의 합금, 선택적으로는 V 및/또는 Ti로 이루어진 모세관의 내-피로성(fatigue resistance)이 더 높다는 것이다. 높은 내-피로성은 램프의 보다 더 긴 수명에도 유익하다.

앞에 설명한 것과 그 이외의 본 발명의 양태들은 도면을 참조하여 이하에 더 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 램프를 도시한 도면.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 램프의 제2 피드-쓰루의 밀봉의 단면에 대한 예시적인 개략도.

도 6은 도 1에 따른 램프의 제1 피드-쓰루의 밀봉의 단면도의 예시적인 계략도.

차량용 램프의 일반적인 구성에 대해서는, 예를 들어 미국 특허 제4,475,061호를 참조한다.

도 1은 이온화가능한 충전재를 포함하는 방전 공간(70)을 둘러싸는 세라믹 벽을 갖는 방전 용기(40)를 구비하는 금속 할로겐화물 램프를 도시하고 있다. 제1 및 제2 텅스텐 전극(105, 205)은 그들 간에 방전 경로를 정의하도록 방전 공간 내에 배치된다. 방전 용기는 방전 공간의 양측에서, 제1 및 제2 전극(105, 205) 각각으로의 전류 피드-쓰루 도전체(도 2: 180, 280)를 둘러싸는 세라믹 돌출 플러그(130, 230)의 제1 및 제2 밀폐 구조에 의해 밀폐된다. 방전 용기는 한쪽 끝에 램프 캡(2)이 제공된 외측 전구(1)에 의해 둘러싸인다. 램프가 동작 중일 때, 방전은 전극들(105, 205) 사이에 발생할 것이다. 전극(105)은 전류 도전체(8)를 통해 램프 캡(2)의 제1 전기 접촉 형성 부분에 접속된다. 전극(205)은 전류 도전체(9)를 통해 램프 캡(2)의 제2 전기 접촉 형성 부분에 접속된다.

도 2는 도 1에 도시된 것과 같은 본 발명에 따른 램프의 제2 피드-쓰루(280)의 밀봉을 매우 개략적으로 나타내고 있다. 램프는 세라믹 방전 용기(40)를 포함 하고, 그 내부에 여기에서는 돌출 플러그(230)인 제2 밀폐 구조가 소결된다. 이 플러그는 세라믹 방전 용기와 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2 밀폐 구조(230)는 금속 모세관(220)과 공동-소결되고, 그에 의해 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속(260)이 형성된다. 모세관은 약 320㎛의 내측 직경을 갖는 것이 바람직하다.

도 2에서 L_sfit로 표시된, 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속의 길이는 1㎜와 4㎜ 사이인 것이 바람직하다.

도 2는 제1 전극(도시되지 않음)과 제2 전극(205) 사이의 방전 공간(70)도 도시하고 있다. 모세 금속관(220)은 최대 10㎛ 폭의 틈(215)에 의해 도전성 핀(210)으로부터 분리된다. 바람직하게는 약 300㎛의 직경을 갖는 도전성 핀(210)과 금속관(220)은 용접(225)에 의해 접속된다.

도 3은 제2 피드-쓰루의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속이 세라믹 밀봉 재료(250)를 포함하는 프릿 접속(frit connection)과 결합된다. 프릿 접속을 위하여 사용되는 재료의 TEC는 대략적으로 금속관과 세라믹 용기의 TEC의 평균인 것이 바람직하다. 이러한 하이브리드 밀봉 접속은 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속만을 이용하는 접속보다 더 짧을 수 있다.

도 4는 세라믹 밀봉 재료가 세라믹 링(235)을 둘러싼다는 점에서 접속을 더 개선한 것을 도시하고 있다. 이 세라믹 링은 용기 및 밀폐 구조와 동일한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 세라믹 링을 이용하면, 한쪽의 링 및 용기와 다른쪽의 링 및 관 사이에서, 50㎛, 바람직하게는 30㎛를 넘지 않는 갭 내에서의 모세관력으로 인해 가스 포켓의 포함이 회피된다. 또한, 세라믹 링은 프릿 접속 주위의 밀폐 구조 및 밀봉 유리 내에 높은 응력 레벨이 축적되는 것을 방지한다.

도 5는 세라믹 밀봉 재료(250)가 방전 공간으로부터 멀리 떨어져서 거리 l_frit에 걸쳐 모세관과 제2 밀폐 구조 사이의 공간을 적어도 부분적으로 채운다는 점에서, 앞에서 언급한 세라믹 링을 수정한 것을 도시하고 있다. 이러한 구성은 짧은 밀봉 길이를 허용한다. 본 실시예는, 빈번한 스위칭 조건 하에서 제1 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속이 기밀상태로 유지되지 않는 경우에서도, 프릿 접속은 기밀상태를 유지한다는 이점을 갖는다. 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속의 길이(l_sfit)와 프릿 접속의 길이(l_frit)는, 프릿 접속 내의 크랙이 항상 방지되도록 선택되어야 한다. 수축 끼워맞춤 및 프릿 접속을 위한 적합한 길이는 각각 약 2㎜와 2 내지 4㎜이다. 그러면, 램프는 수축 끼워맞춤 소결된 본드 접속 내에 작은 크랙이 있는 경우라도, 기밀상태로 유지될 것이다. 이러한 단부 구조에서, 총 접속 길이(l_frit + l_sfit)는 가능한 한 짧아야 한다(짧은 버너 길이). 즉, 요구되는 램프 수명과 스위칭 사이클 수가 달성될 정도로 작아야 한다. 이러한 유형의 접속을 이용하면, 2500-3000h의 램프 수명과 40000보다 많은 스위칭 사이클을 얻을 수 있다.

도 6은 가능한 제1 밀봉을 도시한 것이다. 여기에서, 바람직하게는 3 부분(예를 들어, W-Mo-Nb)으로 이루어진 피드-쓰루(180)가 제1 밀폐 구조(130)에 부착되고, 이것은 세라믹 방전 용기(40)로 소결된다. 전극(105)에 인접한 Mo-로 드(190)의 일부는 앞에서 설명한 바와 같은 제1 밀폐 구조(130)로의 소결접속을 갖는다. Nb-로드 및 Mo-로드의 일부분과 밀폐 구조 간의 나머지 틈은 밀봉 프릿(150)으로 채워진다.

빈번한 스위칭 동안 수축 끼워맞춤 소결 접속이 기밀상태로 유지되지 않는 경우, 프릿 접속은 기밀상태로 유지될 것이다. 수축 끼워맞춤 소결 접속의 길이(l_sfit)와 프릿 접속의 길이(l_frit)는, 수축 끼워맞춤 소결 접속 내에 작은 크랙이 있는 경우에서도, 염 성분들이 밀봉 프릿을 심각하게 공격하지 않게 하는 것이어야 한다. 프릿의 온도를 로드와 밀폐 구조의 서로 다른 수축에 의해 유발되는 크랙을 방지할만큼 충분히 낮은 값으로 유지하기 위해서는, 밀봉 프릿에 대해 적어도 2㎜의 길이가 바람직하다. 총 접속 길이(l_frit + l_sfit)는 램프의 짧은 길이를 얻을 수 있도록 가능한 한 작아야 한다. 즉, 요구되는 램프 수명 및 스위칭 사이클 수가 얻어지게 하는 것이어야 한다.

Claims (9)

1. 방전 공간을 둘러싸는 세라믹 방전 용기(40)를 포함하고, 상기 세라믹 방전 용기에는 하나 이상의 금속 할로겐화물을 포함하는 이온화가능한 충전재(ionizable filling)가 제공되고, 그 내부에 제1 전극(105) 및 제2 전극(205)이 배치되고, 상기 세라믹 방전 용기는 상기 방전 공간(70)의 각 측면에 제1 밀폐 구조(closing construction)(130) 및 제2 밀폐 구조(230)를 포함하고, 상기 제1 밀폐 구조 및 제2 밀폐 구조는 상기 방전 용기에 접속되고 또한 각각의 제1 전류 피드-쓰루(feed-through)(180) 및 제2 전류 피드-쓰루(280)를 포함하며, 적어도 상기 제2 피드-쓰루(280)는 상기 제2 밀폐 구조(230)로의 소결 접속(sintered bond)을 갖는 모세관(220) 및 상기 모세관 내에 배치된 도전성 핀(210)을 갖되, 상기 모세관과 상기 핀 사이에 틈(crevice)(215)을 남기고, 상기 핀과 상기 모세관은 상기 방전 공간의 외부의 단부에서 함께 용접(225)되며, 상기 모세관은 최대 1㎜의 외측 직경을 갖고, 상기 틈은 최대 10㎛ 폭이고, 상기 핀과 상기 모세관은 Mo, Re, W, Ir, 이들의 합금, 선택적으로는 V 및 Ti 중 적어도 하나를 포함한 것으로부터 선택된 금속을 포함하는 고압 방전 램프.
2. 제1항에 있어서, 세라믹 밀봉 재료(250)가 상기 방전 용기, 상기 모세관 및상기 제2 밀폐 구조의 외측면에 의해 둘러싸인 공간을 적어도 부분적으로 채우는 고압 방전 램프.
3. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 밀봉 재료는 세라믹 링(235)을 둘러싸는 고압 방전 램프.
4. 제1항에 있어서, 세라믹 밀봉 재료(250)가 상기 방전 공간의 외부의 상기 제2 밀폐 구조와 상기 모세관 사이의 공간을 적어도 부분적으로 채우는 고압 방전 램프.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전류 피드-쓰루(180)는 상기 제1 전극(105)에 인접한 제1 내할로겐화(halide-resistant) 도전체(190), 및 Nb, Mo, W를 포함하는 제2 도전체(100)를 포함하고, 상기 제1 내할로겐화 도전체는 최대 0.5㎜의 직경을 갖고, 또한 상기 제1 전극에 인접한 그 길이의 일부분에 걸쳐 연장하여 상기 제1 밀폐 구조의 제1 부분과의 소결 접속을 가지며, 그에 의해 그 길이의 나머지 부분, 상기 제2 도전체 및 상기 제1 밀폐 구조의 제2 부분에 의해 둘러싸인 공간을 남기며, 상기 그 길이의 나머지 부분, 상기 제2 도전체 및 상기 제1 밀폐 구조의 제2 부분에 의해 둘러싸인 공간은 세라믹 밀봉 재료(150)로 채워지는 고압 방전 램프.
6. 제5항에 있어서, 상기 제2 도전체 부근의 상기 세라믹 밀봉 재료는 상기 제1 밀폐 구조를 넘어 연장되는 고압 방전 램프.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 램프를 포함하는 차량용 헤드라이트 방전 램프.
8. 제5항에 따른 램프를 포함하는 차량용 헤드라이트 방전 램프.
9. 제6항에 따른 램프를 포함하는 차량용 헤드라이트 방전 램프.

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