KR101326331B1

KR101326331B1 - 쇼트 아크형 방전 램프

Info

Publication number: KR101326331B1
Application number: KR1020110052101A
Authority: KR
Inventors: 미츠루 이케우치; 아키히로 시미즈; 도모요시 아리모토
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2013-11-11
Also published as: US8525410B2; TW201214503A; KR20120003365A; CN102315079B; JP2012015007A; US20120001541A1; TWI437611B; DE102011106011A1; JP5093304B2; DE102011106011B4; CN102315079A

Abstract

[과제]발광관의 내부에 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 토리아티드 텅스텐(토리탄)으로 이루어지는 선단부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 선단부의 내부에 함유되는 산화 토륨을 유효 활용하여, 선단부 표면에서의 산화 토륨의 고갈을 방지한 구조를 제공하는 것이다.
[해결 수단]상기 음극의 토리탄으로 이루어지는 선단부 중에 토륨 피복 산화 토륨 입자를 개재시켜, 음극에 형성되는 온도 구배를 이용하여 이것을 선단 표면으로 이동시키는 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 선단부가 설치되어 있는 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 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 특허공개2010－33825호 공보)에 종래의 쇼트 아크형 방전 램프의 구조 및 그 음극 구조가 개시되어 있다.

도 7에 이 종래 기술이 나타나고 있고, (A)는 램프 전체도, (B)는 그 음극 구조를 나타내고 있다.

도 7의 (A)에 나타나는 바와 같이, 쇼트 아크형 방전 램프(20)의 발광관(21) 내에는, 텅스텐으로 이루어지는 음극(22)과 양극(23)이 대향 배치되어 있다. 상기 발광관(21) 내에는 수은이나 크세논 등의 발광 물질이 봉입되어 있다. 또한, 이 도면에서는 쇼트 아크형 방전 램프(20)는 수직 점등되는 형태를 나타내고 있지만, 그 용도에 따라서는 수평 점등되는 것도 있다.

그리고, 이 램프에 있어서의 음극 구조가 도 7의 (B)에 나타나 있고, 음극(22)은, 이미터가 함유된 전극 선단부(22a)와, 이것과 일체 형성된 전극 본체부(22b)로 이루어진다. 이 전극 선단부(22a)는, 예를 들면 토륨 등의 이미터 물질을 함유시킨 텅스텐으로 이루어지고, 전극 본체부(22b)는 순도가 높은 텅스텐으로 형성된다.

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

또, 음극 선단의 이미터 물질을 함유시킨 이미터재의 형상으로서는, 상기 종래 기술과 같은 음극 선단의 테이퍼부를 모두 이미터재로 구성하는 형상 이외에, 도 8에 나타내는 바와 같은 이미터재가 선단 테이퍼부의 일부에서 노출되는 형상도 공지이다.

도 8의 (A)에서는, 음극 본체(22b)의 테이퍼부(22c)의 선단에 이미터 물질이 함유된 선단부(22a)가 접합되어 있다.

또, 도 8의 (B)에서는, 선단부(22a)는, 음극 본체(22b)를 관통하는 봉형상체로 이루어지고, 그 선단부가 상기 음극 본체(22b)의 테이퍼부(22c)에 있어서 노출되는 구조이다.

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 이미터 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 물질을 표면측으로 이동시켜 그 유효 이용을 도모함으로써, 음극 표면에서의 이미터 물질의 고갈을 막고, 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, 토리아티드 텅스텐(Thoriated Tungsten)으로 이루어지는 선단부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 상기 음극의 선단부에는, 주위가 토륨으로 피복된 산화 토륨 입자가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 산화 토륨이 함유된 음극 선단부에, 주위가 토륨으로 피복된 산화 토륨 입자가 함유되어 있음으로써, 그 토륨 피복된 산화 토륨이 열에 의해 온도가 보다 높은 표면측으로 이동해 감으로써, 해당 표면측에 충분히 공급되어 가고, 표면에서의 산화 토륨의 고갈과 같은 사태가 발생하지 않고, 플리커의 수명이 긴 램프를 실현할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.

도 1은 본 발명에 관련하는 방전 램프의 전극의 단면도.
도 2는 다른 실시예의 단면도.
도 3은 도 1의 구조의 음극의 제조 방법의 설명도.
도 4는 다른 제조법의 설명도.
도 5는 도 2의 구조의 음극의 제조법의 설명도.
도 6은 본 발명의 작용의 설명도.
도 7은 종래의 쇼트 아크형 방전 램프의 단면도.
도 8은 종래의 다른 구조의 음극의 단면도.

도 1은 이 발명의 쇼트 아크형 방전 램프의 음극 구조를 나타내고, 음극(2)은, 텅스텐으로 이루어지는 본체부(3)와, 그 선단에 확산 접합된 선단부(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 선단부(4)는, 주성분인 텅스텐에, 이미터 물질로서 산화 토륨(ThO₂)을 함유하는, 이른바 토리아티드 텅스텐(이하, 토리탄이라고 하는 경우도 있다)이며, 산화 토륨의 함유량은, 예를 들면 2wt%이다.

상기 선단부(4)의 형상은, 전체적으로 대략 원추 사다리꼴 형상이며, 상기 본체부(3)의 테이퍼부(3a)에 접합되고, 그 선단면이 여기에는 도시하지 않는 양극과 대향 배치되어 있다.

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

본 발명에 있어서는, 상기 음극(2)의 선단부(4)에는, 외주위에 토륨이 피복된 산화 토륨 입자(5)(이하, 토륨 피복 산화 토륨 입자라고 한다)가 함유되어 있다.

그 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)는, 이 실시예에서는, 선단부(4)의 본체부(3)와의 접합부 근방에 주로 함유되는 구조가 된다.

또한, 도 1에서는, 선단부(4)가 본체부(3)의 테이퍼부(3a)에 있어서 접합되는 구조가 나타나 있지만, 도 7의 (B)에서 나타나는 바와 같은, 본체부(3)의 원주부에서 접합하는 것이어도 된다.

도 2에 다른 실시예가 나타나고 있고, 선단부(4)는, 본체부(3)를 관통하도록 연재되어 있고, 그 테이퍼형상 선단면(4a)이 본체부(3)의 테이퍼부(3a)에 있어서 외부로 노출되어 있다.

그리고, 그 선단부(4)에도, 도 1과 같은, 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)가 함유되어 있어, 이 실시예에서는, 선단부(4)의 테이퍼형상 선단면(4a)의 표면 근방으로부터 일정한 깊이 방향으로 함유되는 구조가 된다.

다음에, 토륨 피복 산화 토륨 입자의 형성 방법에 대해서 설명하면 이하와 같다.

토리탄은, 텅스텐 중에 산화 토륨의 입자가 개재물로서 존재하고 있어, 이 텅스텐 중에 탄소를 도입하면, 탄소 원자는 침입형 불순물로서 고용된다. 그리고 이것이 고온이 되면, 산화 토륨의 입자의 표면에서는, 고용된 탄소 원자와 반응하여 환원되고, 금속 토륨이 생성된다. 이 때, 동시에 일산화탄소 CO가 생성된다.

ThO₂+2C⇔Th+2CO

산화 토륨 입자는 텅스텐에 둘러싸여 있으므로, 생성된 일산화탄소는 그 간극에 모인다. 이 생성된 일산화탄소의 압력이 오르면, 상기의 반응은 정지한다.

이 텅스텐 중에 모인 일산화탄소는 주위의 텅스텐에 용해되고, 평형을 이룬다.

CO⇔［C］w＋〔O］w

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

텅스텐 중을［C］w나［O］w가 확산하고 외부로 나가면 일산화탄소의 압력이 내려가고, 상기한 산화 토륨의 환원이 진행된다. 즉, 산화 토륨의 환원은［C］w나［O］w의 확산에 율속되어 있다.

즉, 주변에 탄소가 다량으로 존재하고,［C］w나［O］w의 확산이 효과적으로 행해지면, 금속 토륨이 생성되고, 껍질형상의 토륨 피복을 가지는 산화 토륨 입자가 형성되게 된다.

그리고, 텅스텐 중으로의 탄소의 도입 방법으로서는, 토리탄의 표면에 고체의 탄소를 부착시켜 열처리하거나, 미리, 탄소가 있는 분위기 중에서 토리탄을 열처리함으로써, 탄소를 텅스텐 중에 고용시킬 수 있다.

다음에, 도 1의 구조의 음극의 제조 방법에 대해서 설명한다.

도 3에 그 제조 방법이 나타나고 있고,

(A)

직경 10mm, 두께 5mm의 토리탄의 원판(10)을 잘라내고, 그 양단면에 카본을 도포한 후, 진공 중에서, 약 1500℃, 30분의 열처리를 한다. 이로 인해, 토리탄 원판(10)의 양단면에 얇은 탄화층(11)을 형성한다.

(B)

이 탄화층(11)이 붙은 토리탄 원판(10)을, 직경 10mm, 길이 20mm의 순텅스텐봉(12, 12)의 사이에 끼워 넣고, 진공 중에서, 축방향으로 약 200N의 압축력을 더한다. 그리고, 접합부의 온도가 약 2200℃가 되도록 통전 가열한다.

약 10분간 가열하면, 순텅스텐봉(12)과 토리탄 원판(10)은 확산 접합한다.

(C)

접합부에서는, 탄소가 대량으로 존재하고, 접합이 완료할 때까지는 CO가스가 빠지기 쉽기 때문에, 산화 토륨 입자는 「토륨 피복 산화 토륨 입자」가 된다.

(D)

이 접합된 봉을 토리탄 원판(10)의 한가운데에서 절단한다.

(E)

이것의 선단을 절삭 가공하여, 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)를 함유하는 토리탄으로 이루어지는, 약 2mm의 두께의 선단부(4)를 가진 음극(2)을 얻을 수 있다.

도 1의 구조의 음극(2)의 다른 제조 방법을 도 4에 기초하여 설명한다.

(A)

직경 10mm, 길이 20mm의 순텅스텐봉(12, 12)의 사이에, 직경 10mm, 두께 5mm의 토리탄의 원판(10)을 끼워넣고, 축방향으로 약 200N의 압축력을 더한다. 분위기 가스로서 수소에 벤젠을 혼입한 가스를 흐르게 하고, 맞닿음부의 온도를 약 1600℃로 하여 약 10분간, 통전 가열한다.

이 동안, 맞닿음부간에는 간극이 있기 때문에 분위기 가스가 침입하고, 벤젠 중의 탄소가 해당 접부간에 존재하는 상태로 되어 있다.

(B)

분위기 가스를 수소로 전환하고, 약 2100℃에서 약 15분간 가열하면, 순텅스텐봉(12)과 토리탄의 원판(10)은 확산 접합한다.

이 동안, 접합부간에는 벤젠으로부터 탄소가 충분히 공급되어 있고, 또 한편, 접합할 때까지, 접합부의 간극으로부터 일산화탄소가 신속하게 방출되므로, 토리탄 중에는 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)가 형성된다.

(C)

이 접합된 봉을 산화 토륨(10)의 한가운데에서 절단한다.

(D)

다음에, 도 2의 구조의 음극의 제조 방법에 대해서 도 5에 기초하여 설명한다.

(A)

직경 3mm의 토리탄 심봉(13)(선단부(4))을 가진 직경 10mm의 텅스텐봉으로부터, 선단 직경 0.6mm, 선단각 60도로 한 음극(2)을 절삭 가공한다. 이렇게 하여, 선단부(4)가 전극 본체(3)를 관통한 형상의 음극(2)이 형성된다.

이 음극(2)의 선단부(4)의 테이퍼부(4a)에 보조 전극(15)을 가깝게 하고, 주위에 순아르곤 가스를 흐르게 하면서, 보조 전극(15)을 마이너스, 음극(2)을 플러스로 하여 아크 방전(16)을 일으킨다.

음극(2)을 회전시키면서, 아크(16)에 접하고 있는 부분의 온도가 높은 부분에서 약 2400℃ 정도가 되도록 아크의 전류를 조정한다.

분위기 가스를 아르곤에 소량(~0.1% 정도)의 메탄을 혼입한 가스로 전환하고, 약 10분간 아크 가열을 계속한다.

이 때, 음극(2)의 선단부(4)의 테이퍼부(4a) 부근에서는, 메탄으로부터 탄소가 충분히 공급되고, 표면으로부터 일산화탄소가 방출되므로, 선단부(4)(토리탄 심봉(13))의 테이퍼부(4a)에 가까운 영역에서는, 산화 토륨 입자가 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)가 된다.

(B)

그 후, 분위기 가스를 순아르곤으로 전환하고, 아크를 없애고 냉각하고, 선단부(4)의 선단에 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)가 포함된 음극(2)을 얻을 수 있다.

이렇게 하여 토리탄 중에 토륨 피복 산화 토륨 입자가 함유된 음극을 얻을 수 있지만, 그 토륨 피복 산화 토륨 입자가 텅스텐 중을 이동하는 메커니즘에 대해서 이하 설명한다.

도 6에 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)의 개략이 나타나 있다. 산화 토륨(ThO₂) 입자(15)의 주위에는 껍질형상의 토륨(Th) 피복(16)이 형성되어 있고, 그 양자의 사이에는 부분적으로 공극(17)이 형성되고, 이 공극(17) 중에는, 상기한 환원 반응 중에 발생한 일산화탄소(CO)가 갇혀 있다.

그리고, 이 토륨 피복 산화 토륨 입자(5)의 주위에는 텅스텐(W)이 존재하고 있다.

램프 점등에 의해 음극의 온도가 상승하여, 토륨의 융점(약 1750℃) 이상이 되면, 금속 토륨(16)은 용해되어 액체형상이 된다.

이 용융 토륨 금속(16)은 표면 장력에 의해, 산화 토륨 입자(15)를 둘러싸고 있는 텅스텐(W)의 내표면을 적시는 형태로 덮는 형태가 된다. 이 토륨 융액은 주위의 텅스텐을 용해해 가고, 최종적으로는 포화할 때까지 녹여 낸 것이 된다(X).

토륨 융액의 텅스텐 용해도는 그 토륨 융액의 온도에 의존하고, 고온일수록 용해도가 높아진다. 따라서, 고온측에서는, 토륨 융액은 보다 많은 텅스텐(W)을 녹인다. 그 때문에, 토륨 융액 중에 용해하는 텅스텐의 농도는 고온측일수록 높아지고, 저온측에서 낮아지므로, 그 사이에 농도 구배가 생기고, 이 농도 구배에 의해 용해한 텅스텐은 고농도인 고온측으로부터 저농도인 저온측으로 수송된다(Y).

그런데, 이 저온측에서는 용해도가 낮기 때문에, 토륨 융액에 있어서의 텅스텐의 농도가 저온에 있어서의 용해도를 넘게 되고, 용해한 텅스텐이, 주위의 텅스텐의 벽면에 석출된다(Z).

이상의 과정을 정리하면, 토륨 융액(16)을 통해, 텅스텐의 고온측의 벽이 용해되고(X), 저온측으로 이동하여(Y), 저온측의 벽에 석출(Z)되게 되기 때문에, 전체로서 산화 토륨 입자(15)가 고온측으로 이동한 것이 된다.

즉, 토륨이 용해되는 1750℃ 이상의 영역에서는, 토륨 피복 산화 토륨 입자는 고온측을 향해 이동하게 된다.

일반적으로 음극은 선단 표면의 쪽이 고온이므로, 토륨 피복 산화 토륨 입자는 음극 선단 표면을 향해 이동하고, 산화 토륨을 선단 표면측에 수송할 수 있게 된다.

또한, 음극 온도가 고온이 될수록 텅스텐의 용해도가 높아지기 때문에, 토륨 피복 산화 토륨 입자의 이동 속도는 빨라진다.

본 발명의 효과를 실증하기 위해서 이하의 실험을 행했다.

공통되는 램프 사양으로서는, 가장 음극 부하가 높은 램프인 디지털 시네마 용도의 4kW의 크세논 램프를 이용하고, 그 램프 전압 30V, 램프 전류 135A로 했다.

(1)종래 램프(1)

도 8의 (A)에 나타내는 음극을 가지는 램프에서, 2중량%의 산화 토륨을 함유하는 토리아티드 텅스텐(토리탄)과 순텅스텐을 접합한 재료로부터, 토리탄부의 길이가 2mm, 직경 10mm, 길이 18mm, 선단 직경 0.6mm, 선단각 60도의 음극을 절삭 가공했다.

이 램프의 플리커에 의한 램프 수명은 422시간이었다.

(2)종래 램프(2)

도 8의 (B)에 나타내는 음극을 가지는 램프에서, 직경 3mm의 토리탄 심봉을 가진 직경 10mm의 텅스텐봉으로부터, 직경 10mm, 길이 18mm, 선단 직경 0.6mm, 선단각 60도의 음극을 절삭 가공했다.

이 램프의 플리커에 의한 램프 수명은 460시간이었다.

(3)본 발명 램프(1)

도 1에 나타내는 음극을 가지는 램프에서, 토륨 피복 산화 토륨 입자를 형성한 토리탄과 순텅스텐을 접합하고, 토리탄부의 두께를 2mm로 한 것을 이용하고, 직경 10mm, 길이 18mm, 선단 직경 0.6mm, 선단각 60도의 음극을 절삭 가공했다.

이 램프의 플리커에 의한 램프 수명은 617시간이었다.

(4)본 발명 램프(2)

도 2에 나타내는 음극을 가지는 램프에서, 직경 10mm, 길이 18mm, 선단 직경 0.6mm, 선단각 60도이며, 직경 3mm의 토륨 피복 산화 토륨 입자를 형성한 토리탄 심봉(선단부)을 가지는 음극으로 했다.

이 램프의 플리커에 의한 램프 수명은 586시간이었다.

이상의 결과를 정리하면 표 1과 같이 되었다.

표 1에서 알 수 있듯이, 같은 형상의 음극이라도, 이미터 재로서 토리아티드 텅스텐(토리탄)만을 사용한 것과. 그 중에 토륨 피복 산화 토륨 입자를 형성 함유시킨 것에서는 분명한 플리커 수명의 개선을 볼 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 이미터재로서의 토리아티드 텅스텐(토리탄) 중에, 주위에 토륨이 피복된 산화 토륨 입자를 함유시켰으므로, 음극의 온도 구배에 의해 그 토륨 피복 산화 토륨 입자가 고온이 되는 선단 표면측으로 이동하고, 그 음극 선단 표면에서의 산화 토륨의 소비를 보충할 수 있다.

이로 인해, 음극 내부에 있어서 종래에서는 활용되고 있지 않았던 산화 토륨을 유효 활용할 수 있어, 음극 선단 표면에서의 산화 토륨의 고갈이라고 하는 결함이 생기는 일이 없어지고, 플리터 수명을 길게 할 수 있다고 하는 효과를 나타내는 것이다.

1:쇼트 아크형 방전 램프 2:음극
3:음극 본체부 4:음극 선단부
5:토륨 피복 산화 토륨 입자 10:토리탄 원판
12:텅스텐봉 15:산화 토륨 입자
16:토륨 피복 17:공극(CO)

Claims

발광관의 내부에, 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 토리아티드 텅스텐(Thoriated Tungsten)으로 이루어지는 선단부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서,
상기 음극의 선단부에는, 주위가 금속 토륨으로 피복된 산화 토륨 입자가 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 음극의 선단부가, 본체부의 선단에 확산 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 음극의 선단부가, 본체부를 관통하여 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.