KR101313445B1 - 쇼트 아크형 방전 램프 - Google Patents

Abstract

[과제]발광관의 내부에 음극과 양극이 대향 배치되고. 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 그 선단에 접합된 토리아티드 텅스텐(토리탄)으로 이루어지는 이미터부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 이미터부의 내부에 함유되는 산화 토륨을 유효 활용하여, 이미터부 표면에서의 산화 토륨의 고갈을 방지한 구조를 제공하는 것이다.
[해결 수단]상기 음극의 상기 본체부와 이미터부의 접합면에는 국소적으로 간극이 형성되어 있고, 이미터부 중의 산화 토륨의 환원 반응에서 발생하는 일산화탄소가 그 간극을 통해 외부로 방출되는 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 방전 램프{SHORT ARC TYPE DISCHARGE LAMP}

이 발명은, 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이며, 특히, 음극에 산화 토륨이 함유된 이미터부가 설치되어 있는 쇼트 아크형 방전 램프에 관련되는 것이다.

종래, 수은을 봉입한 쇼트 아크형 방전 램프는, 발광관 내에 대향 배치된 한 쌍의 전극의 선단간 거리가 짧고, 점광원에 가깝기 때문에, 광학계와 조합시킴으로써 집광 효율이 높은 노광 장치의 광원으로서 이용되고 있다. 또, 크세논을 봉입한 쇼트 아크형 방전 램프는, 영사기 등에 있어서 가시광 광원으로서 이용되고 있고, 근래에는 디지털 시네마용 광원으로서도 중용되고 있다.

그리고, 이러한 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서는, 음극에 이미터재를 설치하여, 전자 방출 특성을 높이도록 한 것이 알려져 있다.

특허 문헌 1(일본국 특허공개 2010-33825호 공보)에 종래의 쇼트 아크형 방전 램프의 구조 및 그 음극 구조가 개시되어 있다.

도 3에 이 종래 기술이 나타나 있고, (A)는 램프 전체도, (B)는 그 음극 구조를 나타내고 있다.

도 3의 (A)에 나타나는 바와 같이, 쇼트 아크형 방전 램프(1)의 발광관(10) 내에는, 텅스텐으로 이루어지는 음극(11)과 양극(12)이 대향 배치되어 있다. 상기 발광관(10) 내에는 수은이나 크세논 등의 발광 물질이 봉입되어 있다. 또한, 이 도면에서는 쇼트 아크형 방전 램프(1)는 수직 점등되는 형태를 나타내고 있지만, 그 용도에 따라서는 수평 점등되는 것도 있다.

그리고, 이 램프에 있어서의 음극 구조가 도 3의 (B)에 나타나 있고, 음극(12)은, 이미터가 함유된 이미터부(12a)와, 이것과 일체 형성된 본체부(12b)로 이루어진다. 이 전극 이미터부(12a)는, 예를 들면 산화 토륨 등의 이미터 물질을 함유시킨 텅스텐으로 이루어지고, 전극 본체부(12b)는 순도가 높은 텅스텐으로 형성된다.

이와 같이 방전 램프의 음극 선단에, 이미터 물질을 함유시켜 전자 방출 특성이 양호한 램프를 구성하는 것은 종래부터 알려져 있다.

그런데 최근에는, 이미터재 물질의 사용에 제한이 설치되도록 되어 오고 있고, 그 대량 사용을 피하는 요청이 이루어져 오고 있다.

이미터 물질로서의 토륨이나 희토류 원소와 같은 희소 자원의 절약이라는 관점으로부터 그 대량 사용은 바람직한 것은 아니며, 또한, 토륨을 사용하는 것에 있어서는, 그 토륨이 방사성 물질이며, 법적 규제에 의해 취급이 제한되어 있다는 사정도 있다.

그 때문에, 이미터 물질의 사용을 최대한 삼가하기 위해, 종래예와 같이 음극의 선단에만 이미터 물질을 함유시킨 방전 램프가 여러 가지 개발되어 있다.

그리고, 이런 종류의 램프에 있어서 이미터 물질로서 토륨을 이용한 것에서는, 음극의 선단 부분의 토리아티드 텅스텐(Thoriated Tungsten)에 함유된 산화 토륨이, 음극 표면에서는 램프 점등 중에 고온이 됨으로써 환원되고, 토륨 원자로 되어 음극의 외표면을 확산하여 온도가 높은 선단측으로 이동하고 증발한다.

이로 인해, 일 함수를 작게 하여 전자 방출 특성을 양호한 것으로 하는 것이다.

그러나, 상기 종래 기술에 있어서는, 실제로는 램프 점등시에 전자 방출 특성의 개선에 기여하는 이미터 물질은, 음극 선단의 표면으로부터 매우 얕은 영역까지 함유된 이미터 물질로 한정되어 있다. 이것은, 음극 선단의 표면의 온도가 가장 높아지기 때문에, 그 열에 의해 이미터 물질이 증발하여 소모되는 양에 비해, 보다 온도가 낮은 음극 내부로부터 열확산에 의해 음극 선단 표면에까지 공급되어 오는 이미터 물질의 양이 적기 때문이다.

그 결과, 음극 내부에는 풍부하게 이미터 물질을 함유하고 있었다고 해도, 내부로부터 표면으로의 공급이 충분히 이루어지지 않고, 그 표면에서는 이미터 물질이 고갈되어 버린다고 하는 현상이 출현하기 때문이다.

이와 같이, 상기 종래 기술에서는, 음극 선단에 이미터 물질을 함유시켜도, 그 이머터 물질이 충분히 활용되지 않고, 음극 선단 표면에서 이미터 물질이 고갈되면, 전자 방출 특성이 저하하여 플리커가 발생해 버린다고 하는 문제가 있었다.

[특허 문헌 1]:일본국 특허공개2010-33825호 공보

이 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 선단에 이미터 물질을 설치한 음극 구조를 가지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 음극 선단의 내부에 함유된 이미터 물질의 유효 이용을 도모함으로써, 음극 표면에서의 이미터 물질의 고갈을 막고, 이미터재의 사용량을 줄여도 이미터 물질의 충분한 활용에 의해 이것을 보충함으로써, 전자 방출 기능을 장시간 유지하고, 램프의 플리커 수명의 장기화를 도모하도록 한 구조를 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 이 발명에서는, 발광관의 내부에, 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 그 본체부에 확산 접합된 토리아티드 텅스텐으로 이루어지는 이미터부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 상기 본체부와 이미터부의 접합면에는 국소적으로 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 본체부는 선단이 소경이 되는 축경부를 가지며, 상기 이미터부는 그 축경부의 선단에 있어서 확산 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 축경부가, 상기 이미터부를 포함하여 테이퍼형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체부와 이미터부 중 적어도 어느 한쪽의 접합 단면은, 요철이 존재하는 조면으로 형성되어 있고, 상기 간극은 그 요철에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 음극 본체부와 이미터부의 접합면에 국소적인 간극이 형성되어 있음으로써, 이미터부에 포함되는 산화 토륨과 주위의 탄소의 환원 반응이 이루어질 때에, 생성되는 일산화탄소가 상기 간극을 통해 음극 외부로 방출되므로, 상기 환원 반응이 촉진되어, 음극 내부에 포함되는 산화 토륨이 유효적으로 이용되고, 그 결과, 표면에서의 산화 토륨의 고갈과 같은 사태가 발생하지 않고, 이미터 물질의 사용을 제한해도, 플리커 수명이 긴 램프를 실현할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.

도 1은 본 발명에 관련되는 방전 램프의 전극의 단면도.
도 2는 도 1의 부분 확대 설명도.
도 3은 종래의 쇼트 아크형 방전 램프의 단면도.

도 1은 이 발명의 쇼트 아크형 방전 램프의 음극 구조를 나타내고, 음극(2)은, 텅스텐으로 이루어지는 본체부(3)와, 그 선단에 확산 접합된 이미터부(4)로 이루어진다. 여기서 확산 접합이란, 금속끼리를 면으로 겹쳐 맞추어, 융점 미만의 고상 상태에서 소성 변형이 생기지 않는 정도로 가열·가압하고, 접합부의 원자를 확산시키는 고상 접합하는 것을 말한다.

상기 본체부(3)는, 예를 들면 순도가 99.99중량％ 이상인 순텅스텐으로 구성되어 있고, 한편, 이미터부(4)는, 주성분인 텅스텐에, 이미터 물질로서 산화 토륨(ThO₂)을 함유하는, 이른바 토리아티드 텅스텐(이하, 토리탄이라고 하는 경우도 있다)으로 구성되어 있어, 산화 토륨의 함유량은, 예를 들면 2wt%이다.

통상, 이 이미터부(4)를 구성하는 토리탄에 함유된 산화 토륨은, 램프 점등 중에 고온이 됨으로써 환원되고, 토륨 원자로 되어 음극 외표면을 확산하여, 온도가 높은 선단측으로 이동하고 증발한다. 이로 인해, 일 함수를 작게 하여 전자 방출 특성을 양호한 것으로 하는 것이다.

그리고, 상기 이미터부(4)의 형상은, 전체적으로 대략 원추 사다리꼴 형상이며, 상기 본체부(3)의 축경부(3a)에 접합되고, 그 선단면이 여기에는 도시하지 않는 양극과 대향 배치되어 있다. 상기 본체부(3)의 축경부(3a)는, 선단측만큼 직경이 작아져 있고, 이 도면에서는 테이퍼형상으로 되어 있어, 이미터부(4)의 형상도 이것에 맞춘 테이퍼형상이다.

그러나, 상기 본체부(3)의 축경부(3a)의 형상은 이 테이퍼형상으로 한정되지 않고, 원호형상이어도 되고, 또, 이미터부(4)도 그 선단이, 이른바 포탄형의 원호형상이어도 된다.

또한, 이미터부(4)는, 본체부(3)의 축경부(3a)에 있어서 접합되는 것을 나타냈지만, 음극 전체의 형상에 따라서는, 본체부(3)의 원주 부분에 있어서 접합되는 것이어도 된다.

본 발명에 있어서는, 도 2에 나타나는 바와 같이, 상기 음극(2)의 본체부(3)와 이미터부(4)의 접합면(5)에는 국소적으로 간극(6)이 형성되어 있다.

이 간극(6)은, 접합되는 본체부(3)나 이미터부(4) 중, 적어도 어느 한쪽의 표면에 요철이 형성되어 조면으로 되어 있고, 해당 요철에 의해 간극(6)이 형성된다.

상기 요철에 의한 조면은, 그 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.4a~6.3a의 범위의 거칠기이며, 다른쪽의 표면은 이른바 경면이어도 되고, 또는, 적당한 조면이어도 되고, 그 산술 평균 거칠기는, 예를 들면 0.012a~6.3a이면 된다.

이로 인해 본체부(3)와 이미터부(4)의 접합면(5)에서는, 수μm 정도의 간극(6)이 형성된다.

상기에 있어서, 램프의 점등 중에는, 이미터부(4)를 구성하는 토리탄 중의 산화 토륨의 표면에서는, 텅스텐 중에 고용된 탄소 원자와의 사이에서 환원 반응이 일어나고, 토륨이 생성됨과 동시에 일산화 탄소가 발생한다.

ThO₂+C⇔Th+2CO

일산화탄소의 압력이 높아지면, 상기 환원 반응은 정지하여, 그 이상 토륨은 생성되지 않게 된다. 발생한 이 일산화탄소는 주위의 텅스텐에 고용된다.

CO⇔［C］w＋［O］w

여기서,［C］w는 텅스텐에 고용된 탄소,［O］w는 텅스텐에 고용된 산소를 나타낸다.

그리고, 텅스텐 중을［C］w나［O］w가 이동하여 외부로 확산하면, 일산화탄소의 압력이 저하하고, 상기한 산화 토륨의 환원이 진행된다. 즉, 산화 토륨의 환원은,［C］w나［O］w의 확산에 율속되게 된다.

순텅스텐(본체부(3))과 토리탄(이미터부(4))의 접합이 밀착되어 있어, 그 접합면(5)에 간극(6)이 존재하지 않는 경우에서는, ［C］w나［O］w는 텅스텐 중을 확산하지 않으면 안되기 때문에, 확산 속도는 매우 늦어진다. 그 때문에, 산화 토륨의 주변의 텅스텐 중에서 일산화탄소의 압력이 높아져 버리고, 상기 환원 반응이 정지한다.

한편, 접합면(5)에 간극(6)이 형성되어 있으면,［C］w나［O] w는 텅스텐 중을 장거리에 걸쳐 확산하지 않고, 단시간에 이 간극(6)에 도달하고, 일산화탄소를 생성한다. 일산화탄소는 기체이기 때문에, 매우 빠르게 확산한다.

이렇게 하여, 간극(6)에 도달한 일산화탄소는 그 간극(6)으로부터 음극의 외부로 방출되고, 텅스텐 중에서의 일산화탄소의 압력이 저하하여, 상기 토륨의 환원 반응이 촉진되게 된다.

음극의 작성 방법의 일례를 설명한다.

직경 10mm, 두께 5mm의 토리탄, 직경 10mm, 두께 20mm의 순텅스텐을 준비한다. 선반 가공에서, 절삭 속도나 이송 속도 등을 조정하여, 토리탄, 순텅스텐의 접합면의 적어도 한쪽의 표면 거칠기를, 중심선 평균 거칠기(Ra)로 0.4a~6.3a의 범위로 한다. 다음에, 토리탄과 순텅스텐의 접합면을 맞추어, 진공 중에서 축방향으로 2.5kN 정도의 압축력을 인가한다. 그리고, 통전 가열에 의해 접합부의 온도를 약 2000℃로 하고, 5분 정도 토리탄과 순텅스텐을 확산 접합시킨다. 그 결과, 상기의 표면 거칠기의 범위에서는, 접합계면(5)에 수μm정도의 간극(6)이 생긴다.

확산 접합 후의 재료를 절삭 가공함으로써, 선단이 이미터부(4)(토리탄), 후방이 본체부(3)(순텅스텐)의 음극(2)이 된다.

또한, 간극(6)의 존재에 관해서는, 접합 음극의 단면을 연마하여, 주사형 전자 현미경(SEM；Scanning Electron Microscope)이나 금속 현미경 등으로 관찰함으로써 확인할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 음극 본체부(텅스텐)와 이미터부(토리탄)의 접합면에 간극을 형성했으므로, 이미터부의 산화 토륨과 탄소의 환원 반응시에 생성되는 일산화탄소를 신속하게 확산 제거할 수 있어, 텅스텐 중의 일산화 탄소의 압력이 낮게 억제되므로, 상기 환원 반응이 촉진되어, 음극 내부에 존재하는 산화 텅스텐도 유효하게 기능시킬 수 있다. 이 때문에, 음극 표면부만의 산화 텅스텐이 사용되어 버리는 일이 없고, 이미터 물질의 고갈에 의한 단수명화를 방지할 수 있다.

이로 인해, 이미터 물질의 사용량의 제한이라고 하는 사회적인 요청에도 응할 수 있는 음극 구조를 실현할 수 있고, 그 구체적인 구조로서 음극 본체부의 축경부에 있어서 이미터부를 접합하는 구조로 해도, 충분히 장기에 걸친 플리커의 방지 기능을 발휘할 수 있는 것이다.

1:쇼트 아크형 방전 램프 2:음극
3:본체부 3a:축경부
4:이미터부 5:접합면
6:간극

Claims (5)

1. 발광관의 내부에, 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 그 본체부에 확산 접합된 토리아티드 텅스텐(Thoriated Tungsten)으로 이루어지는 이미터부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서,
   상기 본체부와 이미터부의 접합면에는 국소적으로 간극이 형성되어 있고,
   상기 본체부와 이미터부 중 적어도 어느 한쪽의 접합 단면은, 요철이 존재하는 조면으로 형성되어 있고, 상기 간극은 그 요철에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 본체부는 선단이 소경이 되는 축경부를 가지며, 상기 이미터부는 그 축경부의 선단에 있어서 확산 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 축경부가, 상기 이미터부를 포함하여 테이퍼형상인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 조면은 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.4a~6.3a의 범위이며, 그 조면과 접합되는 면은 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.012a~6.3a인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
5. 삭제

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