KR101233734B1 - 메탈 할라이드 램프 - Google Patents

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카즈키 카노마타
켄지 우부카타
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이와사키 덴끼 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 파장 365[nm] 부근의 자외선의 발광을 높인 신규 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프를 제공한다.
이 램프는 주로 자외선을 발광하는 메탈 할라이드 램프로서, 자외선의 특히 파장 350~380[nm]에 강한 스펙트럼을 발광시키기 위해, 희가스와 함께 적어도 수은(Hg)과 철분이 봉입되어 있고, 봉입되는 상기 철분은 할로겐화 철(FeX2)로서의 요오드화 철(FeI2) 및 브롬화 철(FeBr2)과 금속 철(Fe)을 포함하며, 봉입되는 양을 A:금속 철의 봉입량, B:요오드화 철의 봉입량, C:브롬화 철의 봉입량으로 해서 각각 표현하면, 금속 철의 양(A)은 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에 있고, 할로겐화 철의 양(B+C)은 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있고, 할로겐화 철에 있어서의 브롬화 철의 비율{C/(B+C)}은 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에 있다.

Description

메탈 할라이드 램프{METAL HALIDE LAMP}
본 발명은 메탈 할라이드 램프에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 예를 들면 잉크나 도료의 건조 공정, 수지의 경화 공정 등에 사용되는 광화학 반응을 위한 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프에 관한 것이다.
최근, 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프는 인쇄 공정, 도장 공정, 수지의 실링(sealing) 공정 등의 다양한 분야에 이용되고 있다. 이 공정들에서 이용되는 메탈 할라이드 램프는 단시간에 효율적으로 인쇄, 도장, 실링 등의 처리를 하기 위해 한층 높은 조도의 램프가 개발되고 있다. 광원으로서는 고압 수은 램프가 주류인데, 최근에는 고압 수은 램프보다도 자외선영역에서의 발광 효율이 높은 메탈 할라이드 램프가 알려져 있다. 메탈 할라이드 램프는 발광관 내에, 금속이 할로겐 화합물로서 봉입되어 금속 특유의 스펙트럼을 발광한다.
본 발명자 등은 이러한 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프에 관한 다음 특허문헌을 살펴보았다. 각 문헌에서 관련된다고 생각되는 부분을 인용하여 기재한다.
특허문헌 1에는 발광관의 내용적 1cc당 0.1×10-6~1.0×10- 6그램원자의 할로겐과, 상기 할로겐에 대한 원자비로 1/2~3배의 철을 봉입한 금속 증기 방전등의 기재가 있다(특허청구범위).
특허문헌 2에는 아크 방전을 유지하기에 충분한 양의 수은 및 적량의 희가스와 함께 할로겐, 철 및 주석을 봉입하고, 할로겐의 봉입량을 발광관 내용적 1㎤당 1.0×10-5~1.0×10- 8그램원자로 하고, 철 및 주석의 총량을 할로겐에 대하여 원자비로 1/2~3으로 하는 동시에, 철에 대한 주석의 양을 원자비로 1/20~3으로 하여, 280~420[nm]의 자외선영역에 빛 에너지를 집중시킨 금속 증기 방전등의 기재가 있다(공고공보의 특허청구범위).
특허문헌 3에는 발광관 내에 수은과 희가스에 더하여 철, 주석, 및 할로겐을 봉입한 금속 증기 방전등에 있어서, 상기 철, 주석 이외에 은을 첨가하고, 이들 철, 주석, 은 및 할로겐의 봉입량을 그램원자수로 표시해서 각각 [Fe], [Sn], [Ag] 및 [J]로 했을 경우, ([Fe]+[Sn])/[J]＜0.5이면서, (2[Fe]+2[Sn]+[Ag])/[J]＞1로 한 금속 증기 방전등의 기재가 있다(특허청구범위).
특허문헌 4에는 발광관 중에 수은과 희가스와 할로겐과, 철, 코발트, 니켈의 1군 중에서 적어도 1종 이상의 금속을 발광 물질로서 봉입하여 이루어지는 금속 증기 방전등에 있어서, 수은 이외의 봉입 금속의 봉입량을 A×D×V+B(A는 봉입 금속의 원자가의 역수(inverse number), D는 봉입 할로겐의 밀도로 1×10-5~1×10-8mol/㎤, V는 발광관의 내용적 ㎤, B는 정수로 0.7×10-4~3.6×10-4mol)로 설정한 방전등의 기재가 있다(특허청구범위).
특허문헌 5에서는 주(主)발광 금속 원소로서 철, 할로겐으로서 요오드가 봉입되어 있는 금속 증기 방전등에 있어서, 시동 성능을 저하시키는 일 없이 450~500nm의 발광 강도를 증가시키는 것을 목적으로 한다(요약, 단락 0008). 시동용 희가스로서 아르곤 가스를 봉입하고, 그 분압을 5~10[torr]로 한다(요약, 단락 0020). 발광관 내에 완충 가스용 수은, 발광 금속으로서의 철, 할로겐으로서의 요오드와 브롬, 시동용 희가스가 적어도 봉입되고, 발광관 내용적당으로 환산한 봉입 원자수에 대하여 요오드를 (I), 브롬을 (Br)로 표시할 때, (Br)+(I)가 2×10-7~14×10-7(mol/cc)로 되어 있고, (Br):(I)로 표시되는 원자비가 10:90~30:70의 범위에 있는 금속 증기 방전등의 기재가 있다(청구항 1).
이 선행 기술문헌들과 본 발명을 간단히 비교하면 다음과 같다.
특허문헌 1은 소정량의 할로겐과, 상기 할로겐에 대한 원자비로 1/2~3배의 철을 봉입한 금속 증기 방전등의 기재에 그친다.
특허문헌 2는 소정량의 할로겐과, 철 및 주석의 총량을 할로겐에 대하여 원자비로 1/2~3으로 한 금속 증기 방전등의 기재에 그친다.
특허문헌 3은 램프 내에 철과 주석과 은과 할로겐을 봉입하고 있다. 나아가 철, 주석, 은, 할로겐의 양을 특정하고 있다.
특허문헌 4는 수은 이외의 봉입 금속의 봉입량을 할로겐과의 관계로 규정한 방전등의 기재에 그친다.
특허문헌 5는 시동 성능에 착안하여 450~500[nm]의 발광 강도를 증가시키는 것을 목적으로 한다. 시동용 희가스의 아르곤을 5~10[torr]의 범위와 저압으로 하여 시동성 악화분을 상쇄하고 있다. 이하에 설명하는 본 실시형태와는 다른 파장, 희가스 압력에 있다. 또한 철분의 봉입에 주목하면, 실시예 1에서 (Fe)이 6×10-7[mol/cc], (Sn)이 2×10-7[mol/cc], (I)+(Br)이 8×10-7[mol/cc]로 되고, 이 수치로부터 (Fe) 및 (Sn)은 모두 할로겐화 철, 할로겐화 주석으로서 존재하는 것이 명백하다. 또한 제2 실시예에서는 주석을 납으로 치환했을 뿐이고, 제3 실시예에서는 이들 주석 또는 납을 철로 치환했을 뿐, 금속량과 할로겐량의 관계는 바뀌지 않는다. 따라서 할로겐화 철과는 별개로, 금속 철을 증량한 본 발명과는 다르다.
일본국 공개특허공보 소50-044675호(공개일:1975년 4월 22일) "금속 증기 방전등"(출원인:이와사키 덴끼 가부시키가이샤). 일본국 공개특허공보 소52-16886호(공개일:1977년 2월 8일) "금속 증기 방전등"(일본국 공고특허공보 소58-018743호, 특허 제1,262,477호)(출원인:이와사키 덴끼 가부시키가이샤). 일본국 공개특허공보 평02-072551호(공개일:1990년 3월 12일) "금속 증기 방전등"(출원인:도시바 라이테크 가부시키가이샤). 일본국 공개특허공보 평10-069883호(공개일:1998년 3월 10일) "금속 증기 방전등"(출원인:이와사키 덴끼 가부시키가이샤). 일본국 공개특허공보 2002-008588호(공개일:2002년 1월 11일) "금속 증기 방전등"(특허 제4,411,749호)(출원인:니혼 덴치 가부시키가이샤).
본 발명은 잉크나 도료의 건조 공정, 수지의 경화 공정 등에 사용되는 광화학 반응을 위한 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프를 대상으로 한다. 일반적으로 파장 100~400[nm]의 스펙트럼을 자외선이라고 칭하는데, 본 발명은 특히 파장 350~380[nm]의 스펙트럼의 자외선(이하, 중심의 파장을 취해 "파장 365[nm] 부근의 자외선"이라고도 함)을 강하게 발광시키는 메탈 할라이드 램프를 대상으로 하고 있다.
본 출원인은 금속 증기 방전등의 연구·개발에 있어서, 발광 물질로서 철(Fe)에 착안하여, 특허문헌 1에서 소정량의 할로겐과, 상기 할로겐에 대한 원자비로 1/2~3배의 철을 봉입한 금속 증기 방전등을 제안하였다. 또 특허문헌 2에서 철 및 주석의 총량을 소정량의 할로겐에 대하여 원자비로 1/2~3으로 하는 동시에, 철에 대한 주석의 양을 원자비로 1/20~3을 봉입한 금속 증기 방전등을 제안하였다.
철분을 포함하는 메탈 할라이드 램프에서는 아크 방전이 발생하고 있는 고온 환경하에서, 철과 전극을 형성하는 텅스텐(W)과의 사이에서 반응이 일어나, 전극을 손상시켜 열화(劣化)시키는 경향이 보여진다.
상기 과제를 감안하여 본 발명은 파장 365[nm] 부근의 자외선의 발광을 높인 신규 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프는 주로 자외선을 발광하는 메탈 할라이드 램프로서, 상기 램프는 자외선의 특히 파장 350~380[nm]에 강한 스펙트럼을 발광시키기 위해, 희가스와 함께 적어도 수은과 철분이 봉입되어 있고, 상기 철분은 할로겐화 철(FeX2)로서의 요오드화 철(FeI2) 및 브롬화 철(FeBr2)과, 금속 철(Fe)을 포함하며, 상기 철분의 양을 A:금속 철(Fe)의 봉입량, B:요오드화 철(FeI2)의 봉입량, C:브롬화 철(FeBr2)의 봉입량으로 해서 각각 표현하면, 금속 철(Fe)의 양(A)은 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에 있고, 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)은 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있고, 할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율{C/(B+C)}은 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에 있다.
또한 상기 메탈 할라이드 램프에서는, 금속 철(Fe)의 양(A)은 0.5(B+C)≤A≤3.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에 있고, 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)은 2.0×10-7≤(B+C)≤3.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있고, 할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율{C/(B+C)}은 {C/(B+C)}=5~60[%]의 범위 내에 있어도 된다.
또한 상기 메탈 할라이드 램프에서는 상기 희가스로서 아르곤(Ar) 2.0[kPa]이 더 봉입되어 있어도 된다.
또한 본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프의 제조방법은, 상기 램프는 자외선의 특히 파장 350~380[nm]에 강한 스펙트럼을 발광시키기 위해, 희가스와 함께 적어도 수은과 철분이 봉입되어 있고, 봉입되는 상기 철분은 할로겐화 철(FeX2)로서의 요오드화 철(FeI2) 및 브롬화 철(FeBr2)과, 금속 철(Fe)을 포함하며, 봉입되는 양을 A:금속 철(Fe)의 봉입량, B:요오드화 철(FeI2)의 봉입량, C:브롬화 철(FeBr2)의 봉입량으로 해서 각각 표현하면, 금속 철(Fe)의 양(A)을 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에서 결정하고, 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)을 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에서 결정하고, 할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율{C/(B+C)}을 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에서 결정하며, 봉체(封體) 가공 공정에서 석영관을 소정의 형상으로 가공하고, 발광부가 되는 중앙부의 석영관 양 끝에 전극 고정부가 되는 석영관을 접속하고(봉체 가공 공정), 전극을 석영관 내에 봉입하여 내부를 진공으로 배기한 후에 미압(수kPa 정도)의 아르곤 가스를 봉입한 후에 임시 봉지(封止)하고(임시 배기 공정), 실링, 용봉(溶封) 공정에서 상기 석영관에 전극을 고정하며, 배기 공정에서 상기 석영관 안을 배기한 후, 상기 할로겐화물 및 금속 철, 기타 철 이외의 금속 할로겐화물, 수은 및 희가스(아르곤 등) 등을 봉입하여 배기부를 봉하고, 마무리 공정에서 상기 석영관의 양 끝에 베이스를 고정하였다.
본 발명에 의하면, 파장 365[nm] 부근의 자외선의 발광을 높인 신규 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프를 제공할 수 있다. 또 이 램프를 이용하면, 광화학 반응에 필요한 빛을 효율적으로 액정 재료 물질에 조사할 수 있어, 종래보다 고성능의 액정 패널을 제조할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 따른 메탈 할라이드 램프의 단면 모식도이다.
도 2는 제1단계의, 발광 물질로서 바람직한 금속 철(Fe)의 양(A)을 구하는 실험에서의 각 램프의 조도 유지율을 그래프화한 것이다.
도 3은 제2단계의, 발광 물질로서 바람직한 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)을 구하는 실험에서의 각 램프의 조도의 측정 결과를 그래프화한 것이다.
도 4는 제3단계의, 발광 물질로서 바람직한 할로겐화 철(FeX2) (B+C)을 구성하는 요오드화 철(B)과 브롬화 철(C)의 바람직한 비율{C/(B+C)}을 구하는 실험에서의 각 램프의 조도 유지율을 그래프화한 것이다.
도 5는 도 1에 나타내는 램프의 제조방법을 설명하는 플로우이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 한편, 도면 중 같은 요소에 대해서는 같은 부호를 부여하고 중복된 설명을 생략한다. 한편 본 실시형태는 본 발명을 설명하기 위한 예시이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 전혀 아니다.
[메탈 할라이드 램프]
대상이 되는 메탈 할라이드 램프의 형상 등의 물리적 치수는 특허문헌 4에 개시된 램프와 같다. 도 1은 이 메탈 할라이드 램프(10)의 단면 모식도로서, 석영제 발광관(1)의 내부에 1쌍의 전극(2, 2)을 구비하고, 각 전극은 텅스텐(W) 또는 2[%] 정도의 산화 토륨을 함유하는 토륨 텅스텐(thoriated tungsten) 혹은 희토류 산화물을 도프한 산화물 도프드(doped) 텅스텐으로 이루어지는 전극 심봉의 둘레에 텅스텐선을 코일형상으로 몇 번 감은 전극 선단부(2a)를 각각 형성하고 있다. 각 전극(2, 2)은 몰리브덴박(3, 3)을 통해 각각 외부 리드선에 연결되어 있다. 발광관(1)의 형상은 직관형(直管型)이며, 램프관 내부 직경은 20mm, 전극간 거리(발광길이) 250mm, 희가스로서 아르곤(Ar) 2.0[kPa](약 15[torr] 상당)이 봉입되어 있다. 발광관 내에 봉입되는 발광 물질에 관해서는 이하에 설명한다.
[발광 물질의 조성]
도 1에 나타낸 램프에 봉입되는 발광 물질의 조성에 대하여 설명한다. 발광 물질로서, 금속 철(Fe)과 할로겐화 철(FeX2)을 사용한다. FeX2는 요오드화 철(FeI2)과 브롬화 철(FeBr2)의 혼합물로 구성한다.
이하, 발광 물질에 관한 설명을 이해하기 쉽게 하기 위해 각 요소를 기호화하여, A:금속 철(Fe)의 봉입량으로 하고, B:요오드화 철(FeI2)의 봉입량으로 하고, C:브롬화 철(FeBr2)의 봉입량으로 해서 표현한다. 따라서 발광 물질의 철분=금속 철(Fe)+할로겐화 철(FeX2)=금속 철(Fe)+요오드화 철(FeI2)+브롬화 철(FeBr2)=A+B+C로 표현한다.
(제1단계: 금속 철(Fe)의 양에 관한 검토)
제1단계에서, 발광 물질로서, 바람직한 금속 철(Fe)의 양(A)을 구하는 실험을 하였다. 구체적으로는 발광 물질의 철분=금속 철(Fe)+할로겐화 철(FeX2)=A+(B+C)에 있어서, 할로겐화 철의 양(B+C)을 일정하게 하고, 금속 철의 양(A)을 제로~(B+C)의 15배 사이에서 변화시킨 복수개의 램프를 제조하여 평가하였다. 아크 안정제로서 소량의 요오드화 주석(SnI2)을 사용하였다. 할로겐화 철은 고온 환경하에서는 텅스텐(W) 전극과 격렬하게 반응한다. 마찬가지로 금속 철도 고온 환경하에서는 텅스텐(W) 전극과 반응한다. 따라서 바람직한 금속 철의 양(A)의 평가는 램프 조도의 경시(經時) 열화 특성을 구해 실시하였다.
Figure 112012071276415-pct00001
표 1은 할로겐화 철(FeX2)의 봉입량(B+C)을 일정하게 하고, 봉입 물질 중의 금속 철(Fe)의 양(A)을 변화시킨 각 램프에 관한 데이터이다. 실험에 사용한 램프는 도 1에 나타내는 램프이다. 한편 표 1의 샘플 No.는 다른 실험의 샘플과 중복되는 것을 피하기 위해 10번대의 번호를 부여하였다.
할로겐화 철(FeX2)의 봉입량(B+C)을 3.1×10-7[mol/㎤]로 일정하게 하고, 금속 철(Fe)의 봉입량(A)을 제로~46×10-7[mol/㎤]로 변화시킨 6종류의 샘플 No.11~16을 준비하였다.
조도의 경시 열화를 구하기 위해, 모든 샘플에서 제로, 500, 1000, 1500, 2000시간 경과시의 파장 365[nm]의 램프 조도를 측정하고, 각 샘플의 제조 직후(경과 시간 제로)의 조도(이하, "당초 조도"라고 함)를 100[%]로 한 상대값으로서 구해, 각 경과 시간의 조도 유지율[%]로 하였다. 도 2는 이 조도 유지율을 그래프화한 것이다.
메탈 할라이드 램프의 수명은 공칭(公稱) 1,500시간 정도라고 일컬어지고 있다. 1,500시간 경과시에 당초 조도의 80[%] 이상을 유지하고 있는 것은 샘플 No.14, 13, 15였다. 샘플 No.16, 12, 11은 당초 조도의 80[%] 미만으로 떨어졌다.
샘플 No.11은 금속 철(Fe)의 양(A)=제로이다. 샘플 No.12는 금속 철(Fe)의 양(A)이 가장 적은 샘플이다. 샘플 No.16은 금속 철(Fe)의 양(A)이 가장 많은 샘플이다.
처음에 샘플 No.11(A=제로)과 다른 샘플(A≠제로)의 비교를 통해, 할로겐화 철(B+C)에 더해 금속 철(A)을 포함하는 것이 조도 유지율이 높은 것이 판명되었다. 다음으로 조도 유지율은 금속철의 양(A)이 증가하는 샘플 No.12~14에 걸쳐 향상되고, 샘플 No.14를 피크로 더욱 A가 증가하는 No.14~16에 걸쳐 저하되는 것이 판명되었다. 샘플 No.13과 15 사이, 샘플 No.14 부근에 피크값이 있다고 생각된다.
샘플 No.11의 램프의 조도 유지율이 비교적 급속하게 열화되는 이유는, 램프관 내에는 철분이 할로겐화 철(FeX2)로서 존재하지만, 고온 환경하에서는 할로겐화 철이 전극의 텅스텐(W)과 격렬하게 반응하여 화합물을 생성해 버리므로, 발광에 기여하는 철분이 시간 경과와 함께 소실되기 때문이라고 생각된다. 샘플 No.12의 램프도 마찬가지로, 약간의 금속 철(Fe)도 고온 환경하에서는 서서히 텅스텐(W) 전극과 반응하기 때문에, 결국 발광에 기여하는 철분이 비교적 단기간에 고갈되기 때문이라고 생각된다.
샘플 No.16의 금속 철(Fe)의 양(A)은 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)의 15배에 상당한다. 고온 환경하에서는 과잉의 금속 철과 텅스텐(W) 전극이 반응하여 시간 경과와 함께 전극 자체가 손상되고, 아크 방전이 저해되어 조도가 열화되는 것이라고 생각된다.
도 2에 나타내는 결과로부터, 램프의 조도 유지의 관점에서, 바람직한 램프는 1,500시간 경과시에 당초 조도의 80[%] 이상을 유지하는 램프이다. 표 1로부터, 할로겐화 철(FeX2)의 봉입량(B+C)에 대한 금속 철(Fe)의 봉입량(A)의 비율은 샘플 No.13, 14, 15에 대응하는 A/(B+C)=0.5~10.0의 범위에 있는 것이 바람직하다. A로 표시하면 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위에 있는 것이 바람직하다.
나아가 2,000시간 경과시에도 당초 조도의 80[%] 이상을 유지하는 샘플 No.13, 14에 대응하는 A/(B+C)=0.5~3.0의 범위에 있으면 한층 바람직하다. A(금속 철의 양)로 표시하면 0.5(B+C)≤A≤3.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내가 된다.
(제2단계: 할로겐화 철(FeX2)의 양에 관한 검토)
제1단계에서 A(금속 철의 양)의 바람직한 범위가 판명되었다. 제2단계에서는 제1단계의 철의 양(A)의 범위 내에서, 발광 물질로서 바람직한 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)을 구하는 실험을 하였다.
구체적으로는 발광 물질의 철분=금속 철(Fe)+할로겐화 철(FeX2)=A+(B+C)에 있어서, A를 일정하게 하고, (B+C)를 변화시킨 각 램프에 관한 실험이다. 동시에, 할로겐화 철을 요오드화 철(FeI2) 단독으로 구성하는 경우(B 단독)와, 요오드화 철(FeI2)+브롬화 철(FeBr2)의 혼합물로 구성하는 경우(B+C)의 비교 실험도 실시하였다. 아크 안정제로서 소량의 요오드화 탈륨(TlI)을 사용하였다.
금속 철 및 할로겐화 철의 철분은 발광 물질로서 조도를 향상시키기 위해 봉입되어 있다. 따라서 최적의 할로겐화 철의 양(B+C)의 평가는 램프 조도의 측정 결과로부터 실시하였다.
Figure 112012071276415-pct00002
실험에 사용한 램프는 도 1에 나타내는 램프이다. 표 2에 나타내는 샘플 No.21~31에서 발광 물질에 있어서의 금속 철(Fe)의 양(A)은 A=13×10-7[mol/㎤]로 일정하다. 이 A로서 선택한 값은 제1단계에서, 바람직한 범위 내에 있는 샘플 No.13, 14, 15의 대략 평균값이다. 한편 표 2의 샘플 No.는 다른 실험의 샘플과 중복되는 것을 피하기 위해 20~30번대의 번호를 부여하였다.
샘플 No.21~24는 할로겐화 철(FeX2)로서 요오드화 철만(B 단독) 사용하고, 브롬화 철(FeBr2)은 사용하지 않았다. 샘플 No.25~31은 할로겐화 철로서 요오드화 철과 브롬화 철의 혼합물(B+C)을 사용하였다.
B 단독의 샘플 No.21~24에서는 B를 0.78×10-7~2.3×10-7[mol/㎤]의 범위에서 서서히 양을 많게 변화시키고 있다. 마찬가지로 (B+C)의 샘플 No.25~31에서는 (B+C)를 0.62×10-7~5.7×10-7[mol/㎤]의 범위에서 서서히 양을 많게 변화시키고 있다.
조도는 파장 365[nm]용 조도계로 측정하였다. 측정 데이터는 샘플 No.21의 조도를 100[%]로 하고, 다른 측정 데이터를 상대값으로 표시하였다.
도 3은 이 조도의 측정 결과를 도시한 그래프이다. (B 단독)과 (B+C)를 비교하면, 할로겐화 철로서 같은 양일 경우에는 전체 데이터가, (B 단독)의 조도보다 (B+C)의 조도가 높은 것이 판명되었다.
(B 단독)의 조도는 요오드화 철의 양이 증가하는 샘플 No.21~23에 걸쳐 조도가 향상되고 있다. 그러나 더욱 요오드화 철의 양을 증가시킨 샘플 No.23~24에서는 반대로 조도가 저하하고 있다. (B+C)의 조도는 할로겐화 철의 양이 증가하는 샘플 No.25~28에 걸쳐 조도가 향상되고 있다. 그러나 더욱 할로겐화 철의 양을 증가시킨 샘플 No.28~31에서는 반대로 조도가 서서히 저하하고 있다. 이와 같이 (B 단독) 및 (B+C) 모두, 할로겐화 철의 양의 증가로부터 조도가 향상되어, 일정량에서 피크를 맞이하고, 더욱 증가하면 조도가 저하되는 경향이 보여졌다.
램프 내에서는 철분이 발광 물질이다. 따라서 샘플 No.21~23 및 No.25~28에서는 할로겐화 철(FeX2)의 증가에 따라 조도가 향상되는 것이라고 생각된다. 한편 샘플 No.23~24 및 No.28~31에서는 할로겐화 철의 양의 증가로부터, 조도가 서서히 저하하고 있다. 이 원인은 조도의 피크가 파장 365[nm]에서 벗어나서 다른 파장으로 이동한 것이라고 생각된다.
(B 단독)의 상대 조도의 최고값은 B=1.8×10-7[mol/㎤] 부근에 있으며, 대략 115[%]이다. 따라서 (B 단독)과 비교해서 (B+C)를 채용하는 이익을 얻기 위해서는 (B+C)의 상대 조도가 115[%] 이상인 것이 바람직하다. 도 3으로부터 (B+C)에 관해서는 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 표 2에서는 샘플 No.26~30의 (B+C)열의 사각으로 둘러싼 데이터가 해당된다. 나아가, 도 3에 나타내는 상대 조도가 125[%] 이상에 있는, 2.0×10-7≤(B+C)≤3.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있으면 한층 바람직하다.
(제3단계: 할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율에 관한 검토)
제1단계에서 금속철의 양(A)의 바람직한 범위가 판명되었다. 제2단계에서 할로겐화 철의 양(B+C)의 바람직한 범위가 판명되었다.
제3단계에서는 제1단계에서 판명된 철의 양(A)의 범위 내 및 제2단계에서 판명된 할로겐화 철의 양(B+C)의 범위 내에서, 할로겐화 철(B+C)을 구성하는 요오드화 철(B)과 브롬화 철(C)의 바람직한 비율을 구하는 실험을 하였다. 구체적으로는 봉입 물질의 철분=금속 철(Fe)+할로겐화 철(FeX2)=A+(B+C)에 있어서, A 및 (B+C)를 제1단계 및 제2단계에서 판명된 범위 내에서 대략 일정하게 하고, (B+C)에 대한 C의 비율{C/(B+C)}을 변화시킨 각 램프에 관한 실험이다.
금속 철(Fe) 및 할로겐화 철(FeX2)의 철분은 조도를 향상시키기 위해 봉입되어 있다. 한편 금속 철 및 할로겐화 철은 텅스텐(W) 전극과 반응한다. 따라서 바람직한 할로겐화 철의 양에 대한 브롬화 철의 양의 비율{C/(B+C)}의 평가는 램프 조도와 조도 유지율의 양면에서 실시하였다.
Figure 112012071276415-pct00003
실험에 사용한 램프는 도 1에 나타내는 램프이다. 제1단계의 표 1 및 도 2에 나타낸 (금속 철(Fe)에 관한 검토)에 있어서, A는 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내인 것이 바람직하다고 판명되었다. 또, 제2단계의 표 2 및 도 3에 나타낸 (할로겐화 철(FeX2)의 양)에 있어서, (B+C)는 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]에 있는 것이 바람직하다고 판명되었다. 이 제3단계에서는 금속 철의 양(A)은 9.1×10-7[mol/㎤]로 제1단계에서 구한 범위 내에서 일정하게 하였다. 할로겐화 철의 양(B+C)도 3.0×10-7~3.2×10-7[mol/㎤]로 제2단계에서 구한 범위 내에서 대략 일정하게 하였다. 표 3에서는 A열 및 (B+C)열의 사각으로 둘러싼 데이터가 해당된다.
이 조건하에서, 할로겐화 철의 양에 대한 브롬화 철의 양의 비율{C/(B+C)}을 제로~74.2[%]의 범위에서 서서히 변화시키고 있다. 아크 안정제로서 소량의 요오드화 주석(SnI2)을 사용하였다. 한편 표 3의 샘플 No.는 다른 실험의 샘플과 중복되는 것을 피하기 위해 40번대의 번호를 부여하였다.
조도 데이터는 파장 365[nm]용 조도계로 측정하였다. 조도 데이터는 C가 포함되어 있지 않은 샘플 No.41의 조도를 100[%]로 하고, 각 램프의 조도를 상대값으로 표시하였다.
평가에 있어서는 당초 조도가 샘플 No.41에 대하여 유의한 차이가 인정되는, 즉 10[%] 이상 조도가 향상되는 것이 바람직하다. 이 조건에 관해서는 샘플 No.42를 제외한 샘플 No.43~48이 해당되었다. 이 샘플들에 의해, 할로겐화 철의 양에 대한 브롬화 철의 양의 비율이 대략 {C/(B+C)}≥5[%]의 범위 내인 것이 바람직하다는 것이 판명되었다.
다음으로 조도의 경시 열화를 구하기 위해, 모든 샘플에서 제로, 500, 1000, 1500, 2000시간 경과시의 램프 조도를 측정하고, 각 샘플의 당초 조도를 100[%]로 해서 상대값을 구해, 각 경과 시간의 조도 유지율[%]로 하였다. 도 4는 이 조도 유지율을 그래프화한 것이다.
도 4에 나타내는 결과로부터, 램프의 조도 유지 관점에서 바람직한 램프는 1,500시간 경과시에 당초 조도의 80[%] 이상을 유지하는 램프이다. 도 4로부터, 샘플 No.44, 45, 43, 46, 47이 해당되었다. 표 3으로부터, 이 샘플들 No.43~47의 {C/(B+C)}는 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에 있는 것이 바람직하다는 것이 판명되었다. 이 샘플들은 상술한 샘플 No.41에 대하여 10[%] 이상 조도가 향상되는 조건도 만족시켰다.
또 도 4를 참조하면, 2,000시간 경과시에도 당초 조도의 80[%] 이상을 유지하는 샘플 No.44, 45, 43, 46이 한층 바람직하다. 표 3으로부터, No.43~46의 {C/(B+C)}=5~60[%]의 범위 내에 있으면 한층 바람직하다는 것이 판명되었다.
{C/(B+C)}가 제로 또는 매우 작은 샘플 No.41, 42는 상술한 대로 당초 조도에 유의한 차이가 없고 조도 유지율도 낮았다. 이 결과로부터 {C/(B+C)}=제로, 즉 할로겐화 철을 요오드화 철로만 구성(B 단독)했을 경우, (B+C)와 비교해서 제2단계에서 판명된 당초 조도가 낮은 것에 더하여, 제3단계에서 조도 유지율도 낮다는 것이 판명되었다. {C/(B+C)}가 매우 작은 샘플도 같은 경향이 있다.
{C/(B+C)}를 서서히 높인 샘플 No.43~45에서는 표 3에 나타내는 바와 같이 당초 조도도 116, 117, 119[%]로 서서히 향상되고, 동시에 도 4에 나타내는 바와 같이 조도 유지율도 향상되고 있다. 그러나 나아가 {C/(B+C)}를 높인 샘플 No.45~48에서는 당초 조도가 한계에 이르고, 동시에 조도 유지율도 저하하고 있다. 즉, 할로겐화 철을 요오드화 철과 브롬화 철의 혼합물(B+C)로 구성했을 경우, 할로겐화 철의 양에 대한 브롬화 철의 양의 비율{C/(B+C)}의 최적의 피크는 샘플 No.45, 46을 커버하는 {C/(B+C)}=35~55[%] 부근에 있음이 판명되었다.
할로겐화 철을 요오드화 철로만 구성한 경우(B 단독)는 요오드화 철과 브롬화 철의 혼합물로 구성한 경우(B+C)에 비해, 당초 조도 및 조도 유지율의 양면에서 뒤떨어지는 것이 판명되었다. 또, 브롬화 철의 양을 일정량까지 증량함으로써 조도 및 조도 유지율의 양면에서 좋은 결과가 얻어지는 것도 판명되었다. 그러나 할로겐화 철에 있어서의 과잉의 브롬화 철의 비율은 요오드화 철(FeI2)에 비해 브롬화 철(FeBr2) 쪽이 비교적 반응성이 높기 때문에, 텅스텐(W) 전극과 반응하기 쉬워, 조도 유지율의 저하를 초래하는 결과가 되는 것이라고 생각된다.
[메탈 할라이드 램프의 제조방법]
이 메탈 할라이드 램프의 제조방법은 도 5에 나타내는 대로이다.
스텝 S1의 봉체 가공 공정에서, 석영관(도 1의 부호 1)을 원하는 형상으로 가공한다. 발광부가 되는 중앙부의 석영관(1)의 양 끝에 전극 고정부가 되는 석영관을 접속한다. 중앙부의 석영관에는 미리 봉입물의 투입 통로와 석영관 내부의 배기 통로를 겸하는 가느다란 관(배기관)이 석영관에 직교하여 융착 접속되어 있다(도시하지 않음).
스텝 S2의 임시 배기 공정에서, 전극을 봉체 내에 봉입하여 진공으로 배기한 후에 미압의 아르곤 등의 불활성 가스를 봉입한다.
스텝 S3의 실링, 용봉 공정에서 석영관에 전극(2, 2)을 고정한다.
스텝 S4의 배기 공정에서 발광관(1) 안을 배기한 후, 다음에 설명하는 소정 조성의 할로겐화물 및 금속 철, 그 밖의 수은 및 희가스(아르곤 등) 등을 봉입하고, 배기관을 칩 오프하여 봉한다. 여기서 금속 철은 고순도 철시약을 이용하였다.
이 단계에서 봉입되는 철 및 할로겐화 철은 상술한 제1단계에서 금속 철의 양(A)을 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에서 결정하고, 제2단계에서 할로겐화 철의 양(B+C)을 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에서 결정하고, 제3단계에서 할로겐화 철을 구성하는 요오드화 철(FeI2)의 양(B)에 대한 브롬화 철(FeBr2)의 양(C)의 바람직한 비율{C/(B+C)}을 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에서 결정한다.
스텝 S5의 마무리 공정에서 석영관(1)의 양 끝에 베이스를 고정한다.
[본 실시형태의 이점·효과]
(1)제1단계의 실험을 통해 봉입 물질로서 발광 물질인 철분에 관하여, 바람직한 금속 철(Fe)의 양(A)을 구할 수 있었다. 바람직하게는 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위이다. 더욱 바람직하게는 0.5(B+C)≤A≤3.0(B+C)[mol/㎤]의 범위이다.
(2)제2단계의 실험을 통해 금속 철(Fe)에 대하여 할로겐화 철(FeX2)을 추가하여 발광 물질인 철분을 증량함으로써 조도를 향상시킬 수 있었다. 즉, (B 단독) 및 (B+C) 모두, 할로겐화 철의 양의 증가로부터 조도가 향상되어, 일정량에서 조도가 피크를 맞이하고, 더욱 할로겐화 철의 양을 증가시키면 조도가 저하되는 경향이 있는 것이 판명되었다.
(3)제2단계의 실험을 통해 (B 단독)과 (B+C)로 구성하는 경우를 비교하여, 할로겐화 철(FeX2)로서 같은 양일 경우, (B 단독)보다 (B+C) 쪽이 당초 조도가 높다는 것이 판명되었다.
(4)제2단계의 실험을 통해 제1실험에서 얻어진 바람직한 금속 철(Fe)의 양(A)의 조건하에서, 바람직한 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)을 구할 수 있었다.
바람직하게는 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내이다. 더욱 바람직하게는 2.0×10-7≤(B+C)≤3.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내이다.
(5)제3단계의 실험을 통해 (B 단독)과 (B+C)를 비교하면, (B+C) 쪽이 조도 유지율 면에서 뛰어나다는 것이 판명되었다.
(6)제3단계의 실험을 통해 할로겐화 철(FeX2)을 구성하는 요오드화 철(FeI2)의 양(B)과 브롬화 철(FeBr2)의 양(C)의 바람직한 비율{C/(B+C)}을 구할 수 있었다.
바람직하게는 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내이다. 더욱 바람직하게는 {C/(B+C)}=5~60[%]의 범위 내이다.
상기 (1)~(6)에서 얻어진 발광 물질의 양에 관한 데이터를 바탕으로 봉입 물질의 조성을 결정함으로써, 자외선의 특히 파장 350~380[nm]에서 당초 조도가 높으면서 조도 유지율이 높은, 광화학 반응을 위한 자외선 조사용 메탈 할라이드 램프를 제조하는 것이 가능해졌다. 또한 이 파장역은 액정 배향 형성을 위한 광화학 반응에 있어서 가장 유효한 파장역이기 때문에, 액정의 재료 물질에 빛을 효율적으로 조사할 수 있어, 종래보다 고정세(高精細)한 화상을 실현할 수 있는 액정 패널을 제조하는 것이 가능해졌다.
[변형예·정리]
이상, 본 발명에 따른 메탈 할라이드 램프의 실시형태에 대하여 설명했지만, 이것들은 예시이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 실시형태에 대하여 당업자가 용이하게 이룰 수 있는 추가·삭제·변경·개량 등은 본 발명의 범위 내이다.
예를 들면 상술한 실시형태에서는 제1단계에서, 바람직한 금속 철의 양(A)의 범위를 구하고, 제2단계에서, 제1단계에서 얻어진 A의 조건하에서 바람직한 할로겐화 철의 양(B+C)의 범위를 구하고, 제3단계에서, 제1단계 및 제2단계에서 얻어진 A 및 (B+C)의 조건하에서 바람직한 할로겐화 철(B+C)에 대한 브롬화 철의 양(C)의 비율{C/(B+C)}의 범위를 구하였다. 그러나 본 발명의 범위는 이 결정순서에 한정되지 않는다.
바람직한 (B+C) 범위의 결정과, 비율{C/(B+C)} 범위의 결정은 (B+C)가 시간적으로 먼저 결정되고, {C/(B+C)}가 나중에 결정된다. 그러나 A 범위의 결정과, (B+C) 범위의 결정은 어느 것이 먼저 이루어져도 된다. 본 출원인은 특허문헌 1에서, 소정량의 할로겐과, 상기 할로겐에 대한 원자비로 1/2~3배의 "철"을 봉입한 금속 증기 방전등을 제안하였다. 이 경험에 기초하여, 제1단계에서 철의 양(A)을 일정량으로 하고, 바람직한 (B+C)의 범위를 결정할 수도 있다.
따라서 상술한 실시형태에서 설명한 순서를 제1 발광 물질의 결정순서로 하면, 그 이외에 다음 제2 및 3의 변형예가 있다.
1. 제2의 결정순서
(제1단계)A를 일정량으로 하여 (B+C)의 범위를 결정하고,
(제2단계)(B+C)를 일정량으로 하여 A의 범위를 결정하고,
(제3단계)A 및 (B+C)를 각각 일정량으로 하여 {C/(B+C)}의 범위를 결정한다.
2. 제3의 결정순서
(제1단계)A를 일정량으로 하여 (B+C)의 범위를 결정하고,
(제2단계)A 및 (B+C)를 각각 일정량으로 하여 {C/(B+C)}의 범위를 결정하고,
(제3단계)(B+C) 및 {C/(B+C)}를 각각 일정량으로 하여 A의 범위를 결정한다.
본 발명의 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위의 기재에 기초하여 정해진다.
1 발광관
2 전극
2a 전극 선단부
3 몰리브덴박
10 메탈 할라이드 램프
A 금속 철(Fe)의 봉입량
B 요오드화 철(FeI2)의 봉입량
C 브롬화 철(FeBr2)의 봉입량

Claims (4)

  1. 자외선을 발광하는 메탈 할라이드 램프에 있어서,
    상기 램프는 자외선의 파장 350~380[nm]의 스펙트럼을 발광시키기 위해, 희가스와 함께 적어도 수은과 철분이 봉입되어 있고,
    상기 철분은 할로겐화 철(FeX2)로서의 요오드화 철(FeI2) 및 브롬화 철(FeBr2)과 금속 철(Fe)을 포함하며,
    상기 철분의 양을 A:금속 철(Fe)의 봉입량, B:요오드화 철(FeI2)의 봉입량, C:브롬화 철(FeBr2)의 봉입량으로 해서 각각 표현하면,
    금속 철(Fe)의 양(A)은 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에 있고,
    할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)은 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있고,
    할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율{C/(B+C)}은 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
  2. 제1항에 있어서,
    금속 철(Fe)의 양(A)은 0.5(B+C)≤A≤3.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에 있고,
    할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)은 2.0×10-7≤(B+C)≤3.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에 있고,
    할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율{C/(B+C)}은 {C/(B+C)}=5~60[%]의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    또한 상기 희가스로서 아르곤(Ar) 2.0[kPa]이 봉입되어 있는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
  4. 메탈 할라이드 램프의 제조방법에 있어서,
    상기 램프는 자외선의 파장 350~380[nm]의 스펙트럼을 발광시키기 위해, 희가스와 함께 적어도 수은과 철분이 봉입되어 있고,
    봉입되는 상기 철분은 할로겐화 철(FeX2)로서의 요오드화 철(FeI2) 및 브롬화 철(FeBr2)과 금속 철(Fe)을 포함하며,
    발광 물질의 조성을 결정하는 공정에서, 봉입되는 양을 A:금속 철(Fe)의 봉입량, B:요오드화 철(FeI2)의 봉입량, C:브롬화 철(FeBr2)의 봉입량으로 해서 각각 표현하면, 금속 철(Fe)의 양(A)을 0.5(B+C)≤A≤10.0(B+C)[mol/㎤]의 범위 내에서 결정하고, 할로겐화 철(FeX2)의 양(B+C)을 1.0×10-7≤(B+C)≤4.5×10-7[mol/㎤]의 범위 내에서 결정하고, 할로겐화 철(FeX2)에 있어서의 브롬화 철(FeBr2)의 비율{C/(B+C)}을 {C/(B+C)}=5~70[%]의 범위 내에서 결정하며,
    봉체(封體) 가공 공정에서 석영관을 소정의 형상으로 가공하여, 발광부가 되는 중앙부의 석영관 양 끝에 전극 고정부가 되는 석영관을 접속하고,
    실링, 용봉(溶封) 공정에서 상기 석영관에 전극을 고정하며,
    배기 공정에서 상기 석영관 안을 배기한 후, 상기 발광 물질의 조성을 결정하는 공정에서 결정한 할로겐화물 및 금속 철, 그 밖의 수은 및 희가스를 봉입하여 배기부를 봉하고,
    마무리 공정에서 상기 석영관의 양 끝에 베이스를 고정하는 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프의 제조방법.
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