KR101365803B1

KR101365803B1 - 고압 방전 램프 및 고압 방전 램프의 제조 방법

Info

Publication number: KR101365803B1
Application number: KR1020100089520A
Authority: KR
Inventors: 도시오 요코타; 유키오 야스다; 히로유키 다이도; 히로미츠 기리야마; 하지메 오카다; 마사유키 스즈키; 이즈루 다이토
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2014-02-20
Also published as: CN102044393A; US20110095683A1; JP5365799B2; CN102044393B; TWI452603B; JP2011090941A; KR20110044696A; TW201126569A; US8648531B2

Abstract

본 발명은 유리와 시일링용 금속으로 구성되는 고압 방전 램프의 시일링부에 있어서, 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도를 향상시키기 위한 것이다.
고압 방전 램프의 시일링부(13)에 매설된 시일링용 금속(예를 들면, 몰리브덴박)(14)의 표면에, 레이저 발진기로부터 출사되는 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 조사하여 표면 가공을 행한다. 이에 의해, 몰리브덴박의 표면에 미세한 표면 구조가 형성되고, 시일링부(13)의 유리와 몰리브덴박의 밀착강도가 높은 것이 된다. 그 결과, 점등·소등의 반복에 의해 시일링부(13)의 온도가 증감해도, 시일링용 금속이 유리로부터 박리하는 문제점이 생기기 어려워져, 램프 수명을 늘리는 것이 가능해진다. 또, 텅스텐 등으로 구성되는 로드 형상의 시일링용 금속을 가지는 시일링부(33)를 구비한 고압 방전 램프에 적용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

Description

고압 방전 램프 및 고압 방전 램프의 제조 방법{HIGH VOLTAGE DISCHARGE LAMP AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 박 시일 혹은 로드 시일 등의 시일링 구조를 가지는 고압 방전 램프 및 당해 고압 방전 램프의 제조 방법에 관한 것이다.

고압 방전 램프는, 방전 매체가 발광관의 외부로 새어 나오지 않도록 기밀하게 시일링된 시일링부를 가진다. 고압 방전 램프의 시일링부는, 발광관의 내측에 시일링용 금속을 배치하고, 시일링부를 시일링용 금속의 외측으로부터 여러 가지의 가열 수단에 의해 가열하여 시일링부를 용융 변형시킴으로써 형성된다.

이러한 고압 방전 램프의 시일링부에 있어서는, 시일링부를 구성하는 유리와, 시일링용 금속인 예를 들면, 몰리브덴 등이, 서로 열팽창 계수가 다르다는 점에서, 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도가 약하다고 말해지고 있다.

이것은, 유리와 시일링용 금속의 열팽창 계수가 한 자리수 이상이나 상이하다는 점에서, 고압 방전 램프를 반복해서 점등·소등시킴으로써 시일링부의 온도가 증감했을 때에, 유리와 시일링용 금속의 각각의 팽창량이 상이하다는 점이 원인이다.

이 때문에, 고압 방전 램프에 있어서는, 유리와 시일링용 금속이 고압 방전 램프의 점등시에 박리함으로써, 발광관 내에 봉입된 방전 매체가 외부로 새어 나가, 고압 방전 램프의 수명이 짧은 것이 과제가 되고 있다.

또한, 최근에는 고압 방전 램프의 휘도를 한층 향상시키는 것이 요구되는 점에서, 발광관 내에 다량의 방전 매체가 봉입되어 있다. 이러한 고압 방전 램프에 있어서는, 그 점등시에 있어서의 발광관 내의 압력이 대단히 높기 때문에, 상기의 유리와 시일링용 금속이 박리한다고 하는 문제가 발생하기 쉬워진다.

이러한 발광관 구성물질과 시일링용 금속의 박리라는 문제에 대해, 종래부터 여러 가지 대책이 마련되어 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 시일링용 금속의 형상을 특수 형상으로 해서, 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도를 향상시키는 것이 개시되어 있다.

일본국 특허 공개 3570414호 일본국 특허 공개 3283265호

히라오 카즈유키(平尾一之) 외 1편 「펨토초 테크놀로지［기초와 응용］」화학 동인사, 2006년 3월 30일 발행(제1판, 제1쇄), p1－p13, p125－p134

이상과 같이, 발광관 구성물질과 시일링용 금속의 박리라는 문제에 대해서, 특허 문헌 1에는 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도를 향상시키는 기술이 개시되어 있는데, 특허 문헌 1에 개시되는 기술로도, 유리와 시일링용 금속의 박리의 문제를 충분히 해결할 수 없는 것이 현재의 상황이다.

본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 유리와 시일링용 금속으로 구성되는 고압 방전 램프의 시일링부에 있어서, 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도를 향상시키는 것이다.

펄스폭이 짧은 레이저 펄스를 조사하여, 재료의 애블레이션, 내지 물성의 변성 등의 상태를 변화시키는 기술이 최근 주목받고 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1, 특허 문헌 2 등 참조).

종래, 상기 펄스폭이 짧은 펄스를 이용한 금속재료에 대한 레이저·애블레이션은, 예를 들면, 상기 특허 문헌 2나 비특허 문헌 1에 기재되어 있는 것과 같이, 금이나 동 등 비교적 융점이 낮은 금속에 대해서 행해지고 있고, 비교적 융점이 높은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속 등에 대해 행했을 경우에 어떠한 효과를 얻을 수 있는지에 대해서는, 충분히 검증되지 않았다.

본 발명자가, 상술한 문제점을 해결하기 위해서, 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도를 향상시키는 기법을 여러 가지 검토한 바, 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등으로 구성되는 시일링용 금속에 조사하여 시일링용 금속의 표면 가공을 함으로써, 종래에 비해, 유리와 시일링용 금속의 밀착 강도를 현저하게 향상시킬 수 있음을 찾아냈다.

이것은, 상기 펄스폭의 레이저광을 상기 시일링용 금속에 조사함으로써, 시일링용 금속 표면에 특수하고 미세한 표면 구조가 형성되고, 이러한 표면 구조가 형성된 시일링용 금속과 유리로 시일링부를 구성함으로써, 시일링용 금속과 유리의 밀착 강도를 높은 것으로 할 수 있다고 생각된다.

본 발명은 상기에 의거해, 다음과 같이하여 상기 과제를 해결한다.

(1) 유리와 시일링용 금속으로 구성되는 시일링부를 가지는 고압 방전 램프에 있어서, 상기 시일링용 금속에, 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 조사하여 시일링용 금속을 표면 가공한다. 상기 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광은, 직선 편광이다.

또한, 상기 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 출사할 수 있는 레이저 발진기로서는, 예를 들면, 피코초 레이저 발진기, 펨토초 레이저 발진기가 알려져 있다.

(2) 박 형상을 가지는 시일링용 금속에 상기 (1)의 기술을 적용한다.

(3) 로드 형상을 가지는 시일링용 금속에 상기 (1)의 기술을 적용한다.

(4) 특히, 펄스폭이 2×10^―11초∼1×10^―9초인 레이저광(이하에서는 피코초 레이저광이라고도 한다)을 조사해 시일링용 금속을 표면 가공한다. 피코초 레이저광을 조사해 시일링용 금속을 표면 가공함으로써, 시일링용 금속의 표면에 형성되는 홈의 깊이는 200∼270nm이며, 또, 이 홈의 폭은 800∼1200nm이다. 또, 피코초 레이저광을 조사해 시일링용 금속을 표면 가공함으로써 시일링용 금속의 표면에 형성되는 홈은, 오목한 형상의 홈 내부에 사다리 형상의 홈이 형성된 형상이다.

본 발명에 있어서는, 고전압 방전 램프의 시일링용 금속에 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 조사해, 표면 가공을 하고 있으므로, 시일링용 금속에 미세한 표면 구조가 형성되어, 이 시일링용 금속과 유리로 시일링부가 구성됨으로써, 시일링용 금속과 유리의 밀착 강도를 높은 것으로 할 수가 있다.

그 결과, 고압 방전 램프의 점등·소등을 반복해서 실시함으로써 시일링부의 온도가 증감해도, 시일링용 금속이 유리로부터 박리하는 문제가 생기기 어려워져, 고압 방전 램프의 수명을 현격히 늘리는 것이 가능해진다.

도 1은 표면 가공이 실시된 시일링용 금속을 이용한 본 발명의 제1 실시예의 고압 방전 램프의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 표면 가공이 실시된 시일링용 금속을 이용한 본 발명의 제2 실시예의 고압 방전 램프의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 표면 가공이 실시된 시일링용 금속을 이용한 본 발명의 제3 실시예의 고압 방전 램프의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 시일링용 금속의 표면 가공을 행하기 위한 표면 가공 장치 구성의 개략을 나타낸 도면이다.
도 5는 시일링용 금속표면의 가공 처리에 있어서의 레이저광의 조사 방법을 설명한 도면이다.
도 6은 펄스폭이 2×10^－11초 이하인 레이저광을 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 원자간력 현미경으로 관찰한 화상 및 그 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광을 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 원자간력 현미경으로 관찰한 화상 및 그 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광을 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 주사형 전자현미경으로 관찰한 화상 및 그 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광을 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 주사형 전자현미경으로 관찰한 화상을 나타낸 도면이다.
도 10은 실험에 사용한 레이저의 성능, 형성된 홈의 형상 등을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 있어서 효과를 검증하기 위한 실험에 사용한 램프의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 있어서 효과를 검증하기 위한 실험에 사용한 램프의 스템부의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 효과를 검증하기 위한 실험에 있어서, 박 들뜸이 보이는 부위를 설명한 도면이다.
도 14는 실험 결과를 나타낸 도면이다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시예의 고압 방전 램프의 구성을 나타낸 도면이며, 표면 가공이 실시된 시일링용 금속을 이용한 고압 방전 램프의 구성을 나타내고 있다. 이 도면 (a)는 길이 방향의 단면도를 나타내고, 이 도면 (b)는 시일링부 부근 A부의 부분 확대도, 이 도면 (c)는 이 도면 (b)를 B 방향에서 본 도면이다.

도 1의 고압 방전 램프는, 구 형상의 발광부(11)와 그 양단의 각각에 연속해 서 관축방향 외측을 향해 신장되는 로드 형상의 시일링부(13)로 이루어지는 발광관을 구비한다.

발광관의 내부에는, 한 쌍의 전극(12)이 대향해 배치됨과 더불어, 방전 매체로서 예를 들면, 수은이 봉입되어 있다. 수은은, 점등시의 발광관 내부공간에 있어서의 압력이 150기압 이상이 되도록 0.15mg/mm³ 이상 봉입된다. 발광관의 내부 공간에 있어서는 수은 외에, 희가스와 할로겐 가스가 봉입된다. 할로겐 가스는, 발광관의 내부 공간에 있어서 할로겐 사이클을 효율적으로 행하기 위해, 봉입량이 예를 들면, 10^－6∼10^－2μmo1/mm³의 범위로 되어 있다. 희가스는, 점등 시동성을 개선하기 위해서 예를 들면, 아르곤 가스가 13kPa의 압력으로 봉입되어 있다.

로드 형상의 각 시일링부(13)는, 펄스폭이 1×10^-9초 이하인 레이저광을 조사함으로써 표면 가공이 실시된 몰리브덴박이 시일링용 금속(14)으로서 기밀하게 매설되어 있다.

몰리브덴박(시일링용 금속(14))의 선단측에는 전극(12)의 축부(12a)가 예를 들면 용접 등에 의해 전기적으로 접속되고, 몰리브덴박의 기단측에는 시일링부(13)의 외단 면에서(보다) 외방으로 돌출하는 급전용의 리드봉(15)이 전극과 동일하게 용접에 의해 전기적으로 접속된다.

도 1 (b),(c)에 나타낸 바와 같이, 몰리브덴박(시일링용 금속(14))의 전극 (12)측의, 적어도 전극이 용접되어 있는 면의 반대측의 면에는, 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저가 조사되어, 표면 가공이 이루어져 있다. 이 때문에, 몰리브덴박의 표면은 미세한 표면 구조가 형성되어 있으며, 이에 의해, 시일링부(13)의 유리와 몰리브덴박의 밀착 강도가 높은 것으로 되어 있다.

또한, 상기에서는, 몰리브덴박(시일링용 금속(14))의 전극(12)측의, 적어도 전극이 용접되어 있는 면의 반대측 면을 표면 가공한다고 하고 있는데, 몰리브덴박의 양면의 전면, 혹은, 한쪽 면의 전면에 레이저를 조사하여 표면 가공을 해도 된다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예의 고압 방전 램프의 구성을 나타낸 도면이며, 표면 가공이 실시된 시일링용 금속을 이용한 고압 방전 램프의 구성을 나타내고, 이 도면 (a)는 길이 방향의 단면도를 나타내고, 이 도면 (b)는 시일링용 금속부분 A부의 부분 확대도, (c)는 이 도면 (b)를 B 방향에서 본 도면, (d)는 시일링용 금속의 표면 가공하는 부분을 나타낸 도면이다.

도 2의 고압 방전 램프는, 발광부(21)와 시일링부(25)로 이루어지는 발광관과, 한 쌍의 전극을 구성하는 양극(22a)과 음극(22b)으로 이루어지는 본체부(22) 및 축부(23)와, 전극 유지 부재(24a)와, 집전판(26a, 26b), 유리 부재(24b), 외부 리드봉(28) 및 외부 리드봉 유지부재(24c) 및 복수의 시일링용 금속(27)인 몰리브덴박을 구비해 구성된다.

발광관은, 구 형상의 발광부(21)와 그 양단의 각각에 연속하는 원통 형상의 시일링부(25)를 가지며, 석영 유리에 의해 구성된다.

발광부의 내부 공간에는, 방전 매체로서 수은과 희가스가 점등시의 증기압이 소정의 압력이 되도록 봉입되어 있다. 발광부의 내부 공간에는, 한 쌍의 텅스텐으로 이루어지는 전극(22a, 22b)이 대향하여 배치된다.

각 전극(22a, 22b)은, 본체부(22)와 축부(23)로 구성되며, 본체부(22)의 전체가 발광부의 내부공간을 향해 나와있음과 더불어 축부(23)의 근원부가 원통 형상의 석영 유리로 이루어지는 전극 유지 부재(24a)에 의해 유지되고, 축부(23)의 단부가 전극측의 집전판(26a)에 전기적으로 접속되어 있다.

유리 부재(24b)는, 시일링부(25) 내부에 배치되어 있으며, 도 2 (c)에 나타낸 바와 같이, 원판 형상의 집전판(26a, 26b) 및 유리 부재(24b)의 주위에 서로 이간하여, 예를 들면 4장의 몰리브덴박으로 이루어지는 시일링용 금속(27)이 설치되고, 이들 시일링용 금속(27)은, 각각의 양단이 집전판(26a, 26b)에 접속되어 있다. 몰리브덴박의 장수는, 전극에 공급되는 전류량에 따라 적절하게 설정되는데 이 예에서는 4장이다.

상기 몰리브덴박으로 이루어지는 시일링용 금속(27)에는, 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저가 조사됨으로써 상술한 표면 가공이 실시되며, 예를 들면 도 2 (d)에 나타낸 바와 같이, 전극으로부터의 집전판(26a)측이며, 시일링부(25)에 접하는 측의 면이 표면 가공되어 있다.

각 시일링부(25)는, 각 시일링용 금속(27)(몰리브덴박)이 시일링부(25)와 유리 부재(24b)의 사이에 개재한 상태에 있어서, 각 시일링부(25)를 소정의 가열 수단으로 가열해 용융·변형시킴으로써 형성되며, 각 몰리브덴박에 대해서 표면 가공이 되어 있기 때문에, 유리와 몰리브덴박의 밀착 강도가 높은 것으로 되어 있다.

또한, 복수의 몰리브덴박을 집전판(26a, 26b)에 전기적으로 접속하는 것은, 몰리브덴박 1장 당에 흐르는 전류량을 저감하기 위함이다. 또, 기단 측에 위치하는 집전판(26b)에는, 외부 리드봉(28)이 고정되어 있고, 외부 리드봉(28)에 전기적으로 접속된다. 외부 리드봉(28)은, 외부 리드봉 유지부재(24c)에 의해 유지되어 있다.

도 3은, 본 발명의 제3 실시예의 고압 방전 램프의 구성을 나타낸 도면이며, 표면 가공이 실시된 시일링용 금속을 이용한 시일링부를 가지는 고압 방전 램프의 구성을 나타내고, 이 도면(a)는 길이 방향의 단면도를 나타내고, 이 도면 (b)는 시일링용 금속부분의 부분 확대도이다.

이 도면에 나타낸 고압 방전 램프는, 단이음 유리의 시일법에 의해 시일링된 쇼트아크형의 크세논 램프이다.

도 3에 있어서, 발광관은, 구 형상을 한 발광부(31)와 그 양단의 각각에 연속하는 로드 형상의 시일링부(33)를 가져 이루어지며, 석영 유리에 의해 구성되어 있다.

발광부의 내부공간에는, 크세논 가스가 점등시의 증기압이 소정의 압력이 되도록 봉입됨과 더불어, 한 쌍의 전극이 대향해 설치되어 있다.

각 전극은, 텅스텐에 의해 구성되는, 본체부(32a, 32b)와 본체부(32a, 32b)에 연결한 전극 심봉(35)을 가진다.

시일링부(33) 내에는 단이음 유리부(34)가 배치되어 있으며, 한 쌍의 전극 심봉(35)이 단이음 유리부(34)의 봉착부(34a)에 의해 각각 기밀하게 시일링된다. 따라서, 각 전극 심봉(35)은, 시일링용 금속임과 더불어, 시일링부로부터 외측으로 신장되어 있는 부분이 리드봉을 겸하고 있다.

각 전극 심봉(35)은, 도 3 (b)의 확대도에 나타낸 바와 같이, 단이음 유리부 (34)의 봉착부(34a)에 고정되는 부분에 있어서, 상술한 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저가 조사됨으로써 표면 가공이 실시되어 있고, 이에 의해, 전극 심봉(35)과 단이음 유리부(34)의 밀착 강도가 높은 것으로 되어 있다.

또한, 상기에서는, 제1∼ 제3 실시예에 나타낸 고압 방전 램프에 본 발명을 적용한 경우에 대해서 나타냈지만, 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 시일링용 금속에 조사해 표면가공을 실시해 밀착 강도를 향상시키는 것은, 상기한 고압 방전 램프에 한정되는 것은 아니고, 그 외의 유리와 시일링용 금속으로 구성되는 시일링부를 가지는 모든 고압 방전 램프에 적용할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 실시예의 고압 방전 램에 있어서는, 시일링용 금속에, 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 조사해 표면 가공을 하고, 미세한 표면 구조가 형성된 시일링용 금속과 유리로 구성되는 시일링부를 형성하고 있으므로, 시일링용 금속과 유리의 밀착강도를 높은 것으로 할 수 있어, 고압 방전 램프의 수명이 현격히 늘어나는 것이 기대된다.

다음에, 상술한 시일링용 금속의 표면 가공 방법 및 표면 가공한 시일링용 금속과 유리의 밀착강도에 대한 실험 결과에 대해 설명한다.

고압 방전 램프의 시일링부는, 상술한 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 박 시일 구조를 가지는 것과, 도 3에 나타낸 바와 같이 로드 시일 구조를 가지는 것, 두 종류로 분별된다.

박 시일 구조를 가지는 고압 방전 램프에 관해서는, 시일링용 금속에 예를 들면 몰리브덴박 등의 금속박을 사용하고, 한편, 로드 시일 구조를 가지는 고압 방전 램프에 관해서는, 시일링용 금속에 예를 들면 텅스텐 로드 등의 금속 로드를 사용한다.

이하, 박 시일용의 시일링용 금속으로서 몰리브덴박, 로드 시일용의 시일링용 금속으로서 텅스텐 로드를 예시해 설명하는데, 시일링용 금속은 이들에 한정되는 것은 아니고, 그 외의 여러 가지 금속재료를 사용하는 것이 가능하다.

시일링용 금속은, 발광관을 구성하는 유리와의 밀착 강도를 높은것으로 하기 위해서, 상술한 바와 같이 표면 가공이 실시되는데, 이하에서는, 발광관 구성물질로서의 석영 유리를 이용한 경우에 대해 설명한다. 그러나, 발광관 구성물질은 이것에 한정되는 것은 아니고, 그 외의 유리 재료를 사용하는 것이 가능하다.

시일링용 금속에 대한 표면 가공은, 시일링용 금속의 표면에 이하에 설명하는 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광을 조사함으로써 행해진다.

도 4는, 시일링용 금속의 표면 가공을 행하기 위한 표면 가공 장치 구성의 개략을 나타낸 도면이다. 표면 가공 장치는, 레이저 발진기(1), 한 쌍의 평면 미러(2a, 2b), 오목면 반사경(3), XYZ회전 스테이지(4), XYZ 스테이지 제어부(5) 및 메인 제어부(6)를 가진다.

레이저 발진기(1)로서는, 바람직하게는 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광을 출사하는 상술한 피코초 레이저 발진기가 이용되고, 레이저광은 직선 편광이다.

평면 미러(2a, 2b)는, 레이저 발진기(1)로부터의 레이저광을 오목면 반사경(3)을 향해 반사하도록 배치된다. 오목면 반사경(3)은, 예를 들면, 초점거리가 500mm이며, 입사한 레이저광이 입사각과 동일한 출사각으로 출사되는 반사면을 가진다.

레이저 발진기(1)의 성능은, 예를 들면 이하와 같다.

레이저 파장 1064nm(YAG 레이저), 반복 주파수 1kHz, 펄스폭 65피코초, 평균 출력 900∼1000mW, 피크 출력 15MW, 빔 직경 0. 2mmΦ, 조사 파워 밀도 47GW/cm²이며, S편광의 레이저광을 출사한다.

XYZ 회전 스테이지(4) 상에는, 몰리브덴박, 텅스텐 로드 등의 시일링용 금속(7)이 배치되어 있다. 오목면 반사경(3)과 피조사면의 거리 L은 가변적이며, 예를 들면, 몰리브덴박의 표면 가공의 경우에는 470mm, 텅스텐의 표면 가공의 경우에는 490mm로 설정된다.

레이저 발진기(1)로부터 출사한 직선 편광의 레이저광은, 한 쌍의 평면 미러 (2a, 2b)에 의해 순차적으로 반사되어 오목면 반사경(3)에 입사하고, 오목면 반사경(3)에 있어서 입사시와 동일각으로 반사되어, XYZ 스테이지(4) 상에 설치된 시일링용 금속(7)에 조사된다.

레이저광은, 스캔하면서 시일링용 금속(7)에 조사된다. 레이저광의 스캔은, XYZ 스테이지(4)를 고정해 레이저 발진기(1)를 스캔해도 되고, 레이저 발진기(1)를 고정해 XYZ 스테이지(4)를 이동시켜도 된다.

도 5는, 본 발명의 실시예에 있어서, 시일링용 금속표면의 미세 가공 처리에 있어서의 피코초 레이저의 조사 방법을 설명하는 도면이다.

레이저 펄스를, 이 도면 (a)에 나타낸 바와 같이, 각 레이저 펄스의 조사 영역이 겹쳐지도록, 편광 방향에 직교하는 방향으로 이동시키면서 시일링용 금속표면에 조사하고, 조사 영역의 끝에 이르면 위치를 조금 비켜 놓아, 상기와는 역방향으로 이동시키면서 레이저 펄스를 시일링용 금속표면에 조사하는 조작을 반복하고, 각 레이저 펄스의 조사 영역이 서로 겹치도록 스캔하여, 시일링용 금속표면의 가공을 실시한다.

본 실시예에 있어서의 레이저의 조사 조건은 예를 들면 이하와 같다.

·빔 직경：0.2mmΦ, ·펄스폭: 65psec, 410psec

·반복 주파수：1 kHz, ·빔 이동 속도：0.5∼5mm/sec

·빔 중첩 수：수백회,

·레이저 에너지：900∼1000μJoule

여기서, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 레이저 펄스의 조사 피치(P=간격), 레이저의 반복 주파수(fkHz), 이동 속도(V：mm/sec), 레이저 빔의 직경(D：mmΦ, 광의 강도가 최대치인 1/e²［e는 자연 상수］가 되는 크기)로 하면, 레이저 펄스가 겹치는 조건은 피치 P＜D, P=V/f(mm)이며, 최대 중첩 수=(f/V)/D이다.

몰리브덴박 등의 시일링용 금속에, 상기와 같이 레이저광을 조사해 표면 가공한 후, 산화 제거 처리를 행한다.

이것은, 대기 중에서 펄스폭이 1×10^-9초 이하인 극초단 펄스 레이저를 몰리브덴박 등의 시일링용 금속에 조사하면, 희가스 등을 내뿜으면서 행하였다고 해도, 시일링용 금속의 표면의 산화를 피할 수 없기 때문이다.

예를 들면, 몰리브덴박의 표면에 몰리브덴 산화물이 존재하면, 취약화를 수반하여, 시일시에 박 절단을 일으키거나 한다. 또, 시일시에 몰리브덴 산화물로부터 산소가 유리하여 발광관 내에 잔존하여, 장시간의 점등으로, 방사조도 유지율을 저하시키거나, 아크의 불안정을 유발할 가능성이 있다.

이 때문에, 시일링용 금속의 표면에 형성된 산화물은, 가능한 한 제거가 필요하다. 그래서, 예를 들면, 고온의 환원 분위기하에 노출시킴으로써, 산화물이 제거된다.

예를 들면, 수소 처리에 의한 몰리브덴박의 산화물 제거 처리는, 700℃부터 1000℃미만의 온도로 가열된 노심관에 수소 가스를 흘려서, 그 노심관 내에 몰리브덴 산화물을 삽입한다. 그리고, 그 상태로 몰리브덴 산화물을 30분 이상 방치하고, 그 후, 산화물이 제거된 몰리브덴박을 취출한다.

도 6은, 펄스폭이 2×10^-11초 이하인 레이저광(이하에서는 펨트초 레이저광이라고도 한다)를 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 원자간력 현미경으로 촬상한 화상 및 그 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 6에 있어서, (a)는 상기 화상을 모식적으로 나타낸 도면이며, (b)는 선 A를 따라 잘랐을 때의 단면의 요철 형상을 나타낸 것이다.

또한, 펨트초 레이저광의 조사 방법은, 레이저 발진기(1)로서 펄스폭이 2×10^-11초 이하인 레이저광을 출력하는 펨토초 레이저 발진기를 이용하는 점에서 다를 뿐, 그 외는 도 4, 도 5에서 설명한 피코초 레이저광을 조사하는 경우와 동일하다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 몰리브덴박의 표면에 펨트초 레이저광이 조사됨으로써, 레이저광의 편광 방향을 따라 가늘고 긴 오목한 형상의 홈(C)이 주기적으로 형성된다. 그 홈의 깊이는 이 도면 (b)에 나타낸 바와 같이 대체로 120∼155nm이고, 홈의 폭은 대체로 450nm∼50Onm, 홈 피치는 대체로 450nm∼500nm이다.

도 7은, 펄스폭이 2×10^-11초∼1×10^－9초인 피코초 레이저광을 몰리브덴박의 표면에 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 원자간력 현미경으로 촬상한 화상 및 그 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 7에 있어서, (a)는 상기 화상을 모식적으로 나타낸 도면이고, (b)는 선 A를 따라 잘랐을 때의 단면의 요철 형상을 나타낸 것이다. 「또한, 이 도면 (a)에 있어서, 색이 진한 부분은 오목부를 나타내고, 이 도면은 주로 선 A를 따른 부분 근방의 요철 형상을 상세하게 나타낸 것이며, 선 A로부터 떨어진 부분에 대해서는, 요철 형상의 일부가 생략되어 있다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 몰리브덴박의 표면에 피코초 레이저광이 조사됨으로써, 레이저광의 편광 방향에 따라 가늘고 긴 오목한 형상의 홈(C)이 주기적으로 형성된다. 그 홈의 깊이는 이 도면 (b)에 나타낸 바와 같이 대체로 200∼270nm, 홈의 폭은 대체로 800nm∼1200nm, 홈 피치는 대체로 800nm∼1200nm이다.

도 8은, 상기와 같이 하여 피코초 레이저광을 몰리브덴박의 표면에 조사함으로써 형성된 미세 주기 구조를 주사형 전자현미경으로 촬상한 화상을 모식적으로 나타낸 도면, 도 9는 주사형 전자현미경으로 촬상한 화상을 나타낸 도면이다.

도 8에 있어서 (a)는 상기 도 9의 화상을 모식적으로 나타낸 도면, (b) (c)는 각각 선 A, B를 따라 잘랐을 때의 단면의 요철 형상을 나타낸 것이다. 또한, 이 도면 (a)에 있어서, 색이 진한 부분은 오목부를 나타내고 있다.

원자간력 현미경으로 촬상한 도 7의 화상에서는 명확하게 보이지 않지만, 주사형 전자현미경으로 촬상한 화상에서는 도 8, 도 9에 나타낸 바와 같이, 레이저광의 편광 방향을 따라 주기적으로 형성되는 가늘고 긴 오목한 형상의 홈(C)의 내부에, 사다리 형상의 홈(D)이 형성되어 있는 것이 관찰된다.

또, 주사 전자 현미경으로 관측할 때에 경사시키면서 단면의 형상을 관측한 바, 사다리 형상 사이의 최대의 깊이는, 최대 600nm를 넘는 것이 있었다.

이 현상은, 피코초 레이저광을 조사했을 경우에만 보여지는 현상이며, 펨트초 레이저를 조사한 경우에는, 상기와 같은 사다리 형상의 홈(D)은 관측되지 않았다.

본 발명에서는, 펄스폭이 2×10^-11초 이하인 레이저광(펨트초 레이저광)을 몰리브덴박의 표면에 조사함으로써 미세한 오목한 형상의 홈이 형성되고, 이에 의해 시일링용 금속과 유리의 밀착 강도가 향상한다.

특히, 펄스폭이 2×10^-11초∼1×10초^－9인 레이저광(피코초 레이저광)을 몰리브덴박의 표면에 조사한 경우는, 펨트초 레이저광을 조사한 경우와 동일하게, 몰리브덴박의 표면에 미세한 오목한 형상의 홈이 형성된다. 이로부터, 피코초 레이저광을 조사한 경우에 있어서도, 펨트초 레이저광을 조사한 경우와 동일하게, 시일링용 금속과 유리의 밀착 강도를 향상시킬 수가 있다.

또한, 피코초 레이저광을 조사한 경우는, 상기한 바와 같이 가늘고 긴 오목한 형상의 홈(C)의 내부에 사다리 형상의 홈(D)이 형성된다. 이 홈에 의해, 한층의 밀착 강도의 향상이 기대된다.

도 10은 상기 실험에 사용한, 피코초 레이저와 펨트초 레이저의 성능, 형성된 홈 깊이, 홈의 폭, 홈 피치 등을 나타낸 도면이다.

이 도면에 나타낸 바와 같이, 형성되는 홈 깊이, 홈의 폭, 홈 피치 등에 대해, 피코초 레이저광을 조사한 경우와 펨트초 레이저를 조사한 경우, 홈 피치 등에 차이는 있지만, 동일한 미세 구조가 형성되어 있으며, 또한, 피코초 레이저광을 조사한 경우, 오목한 형상의 홈 내부에 사다리 형상의 홈이 형성되는 것으로부터, 펨트초 레이저광으로 표면 가공했을 경우와 동일하게, 혹은 그 이상의 효과를 얻을 수 있는 것이라고 기대된다.

또한, 도 6∼도 10에 나타낸 오목한 형상의 홈 깊이, 폭, 피치 등은, 레이저광의 에너지, 파장 등에 의해 적절하게 조절할 수 있다.

이상과 같이 펄스폭이 1×10^－9초 이하인 레이저광으로 시일링용 금속을 표면 가공한 경우, 시일링용 금속과 유리의 밀착 강도를 향상시킬 수 있는 것이라고 생각되는데, 이하와 같은 실험을 행하여, 본 발명에 의해, 시일링용 금속과 유리의 밀착 강도를 향상시킬 수 있는 것을 확인했다.

도 11은, 본 발명에 있어서 효과를 검증하기 위한 실험에 사용한 방전 램프의 단면 구조를 나타낸 도면, 도 12는, 그 스템부의 단면 구조를 나타낸 도면이며, 도 12(a)는 스템부의 상세 구조를 나타내고, 이 도면 (b)에 (a)의 A－A 단면도를 나타낸다.

도 11, 도 12에 나타낸 바와 같이 방전 램프는, 석영 유리 등의 광투과성 재료로 이루어지고, 대략 구 형상의 발광관(48b)과 그 양단에 연속해서 외방으로 신장되는 시일링관(48a)을 가지는 방전용기(封體)(48)를 구비하고, 발광관(48b)의 내부에는, 각각 예를 들면, 텅스텐으로 이루어지는 양극(49b) 및 음극(49a)이 대향 설치 되어 있다. 방전 용기(48) 내에는, 발광 물질로서의 수은 및 시동 보조용의 버퍼 가스로서의 예를 들면 크세논 가스가 각각 소정의 봉입량으로 봉입되어 있다.

수은의 봉입량은, 예를 들면 1∼70mg/cm³의 범위 내, 예를 들면 22mg/cm³ 이 되고, 크세논 가스의 봉입량은 예를 들면 0.05∼0.5MPa의 범위 내, 예를 들면 0.1 MPa이 된다.

도 12에 나타낸 바와 같이 유리 부재(41)의 외주면에, 서로 둘레 방향으로 이간해, 복수 장 예를 들면 5장의 띠 형상의 급전용 금속박(42)이 방전 램프의 관축방향을 따라 서로 병행하여 설치되어 있다. 급전용 금속박(42)은, 예를 들면, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 루테늄, 레늄 등의 고융점 금속 또는 이들의 합금에 의해 구성할 수 있는데, 용접의 용이함, 용접열의 전도성이 좋은 점 등의 이유로부터, 몰리브덴을 주성분으로 하는 금속에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.

각각의 급전용 금속박(42)은, 두께가 예를 들면 0.02∼0.06mm, 폭이 예를 들면 6∼15 mm이다. 또, 외부 리드봉 유지용 통체(47)측의 단면에는, 직경 6mm의 외부 리드봉(45)이 삽입되는 구멍이 설치되어 있다.

각각의 급전용 금속박(42)의 일단이 내부 리드봉(44)에 전기적으로 접속되고, 타단이 외부 리드봉(45)에 전기적으로 접속된다. 구체적으로는, 내부 리드봉(44)은 내부 리드봉 유지용 통체(46)에 삽입통과된 형태로 지지되어, 내부 리드봉(44)의 시일링부 측에는 금속판(43)이 고정되어 있고, 급전용 금속박(42)이 금속판(43)에 용접됨으로써, 내부 리드봉(44)과 급전용 금속박(42)이 전기적으로 접속된다.

유리 부재(41)에 삽입된 외부 리드봉(45)은 외부 리드봉 유지용 통체(47)에 삽입통과된 상태로 지지되어, 외부 리드봉 유지용 통체(47)의 발광관측의 단면으로부터 외주면을 덮도록 금속 부재(45a)가 설치되고, 급전용 금속박(42)이 금속 부재(45a)의 외주면에 용접됨으로써, 외부 리드봉(45)과 급전용 금속박(42)이 전기적으로 접속된다. 금속 부재(45a)는, 예를 들면, 외부 리드봉 유지용 통체(47)의 외주면에 복수의 금속 리본을 방사상으로 설치함으로써 형성되어 있다.

실험에 이용한 방전 램프의 사양은 이하와 같다.

·전극간 거리 7mm

·희가스 봉입 압력(실온시) Ar 5기압

·봉입 수은량(램프 내용적당) 45mg/cm³

실험에 이용한 방전 램프의 급전용 금속박(42)은, 두께가 40μm, 폭이 10mm, 길이가 60mm, 금속판측의 선단 폭이 6mm이고, 선단으로부터 10mm의 위치에서 폭이 10mm가 되는 사다리꼴의 형상을 이루고 있다.

레이저광 미조사의 급전용 금속박을 이용한 램프를 기준용 램프 AO로 해, 급전용 금속박(42)의 선단부 사다리꼴 부분에 레이저광을 조사한 램프 B1∼B3를 시작(試作)했다.

램프 B1∼B3는 조사하는 레이저광의 펄스폭을 바꾼 것이며, 조사한 펄스폭은 램프 B1이 410psec, 램프 B2가 65psec, 램프 B3가 30fsec이다.

상기 램프 AO, B1∼B3에 6kW의 전력을 입력해서, 양극을 위로 한 수직 자세로 가속 점등시켜, 급전용 금속박(42)의 박 들뜸을 조사했다.

도 13은 효과를 검증하기 위한 실험에 있어서 박 들뜸이 보이는 부위를 설명하는 도면이며, 도 14에 상기 실험의 결과를 나타낸다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 유리 부재(41)의 외주면에 배치된 금속판(43)측의 급전용 금속박(42)의 표면에 레이저광을 조사하지 않는 램프 AO(홈 없음)의 경우, 도 13의 F부에 있어서, 시일링관부(48a)와 급전용 금속박(42)의 사이에, 대단히 좁은 공간(박 들뜸부)이 관측되었다. 박 들뜸의 거리는 12mm였다(평가는×).

내부 리드봉(44)과 내부 리드봉 유지용 통체(46)(도 12 참조)의 사이는 발광 공간과 연통하고 있고, 금속판(43)의 외주 단면까지, 램프 점등을 수반하는 압력이 가해진다. 따라서, 점등시의 내압이 수십 기압으로 높아지면, 박 들뜸이 관측되며, 점등시간과 더불어 넓어진다. 그리고, 그 박 들뜸이 심할 때, 그 부분에서부터의 파손에 이르게 된다.

한편, 410psec, 65psec의 레이저광을 조사한 램프 B1(사다리 형상의 홈 있음), 램프 B2(사다리 형상의 홈 있음)에 있어서는, 도 14에 나타낸 바와 같이 박 들뜸 거리는 1mm로, 양호한 결과를 얻을 수 있었다(평가○).

또, 30fsec의 레이저광을 조사한 램프 B3(오목한 형상의 홈만, 사다리 형상의 홈 없음)에 있어서는, 박 들뜸 거리는 4mm이며, 레이저광을 조사하지 않는 램프에 비해 양호한 결과를 얻을 수 있었지만, 피코초 레이저광을 조사했을 경우보다 박 들뜸 거리는 길어졌다(평가△).

1 : 레이저 발진기 2a, 2b : 평면 미러
3 : 오목면 반사경 4 : XYZ 회전 스테이지
5 : XYZ 스테이지 제어부 6 : 메인 제어부
11 : 발광부 12 : 전극
13 : 시일링부 14 : 시일링용 금속
15 : 리드봉 21 : 발광부
22a, 22b : 양극, 음극 23 : 축부
24a : 전극 유지 부재 24b : 유리 부재
24c : 외부 리드봉 유지 부재 25 : 시일링부
26a, 26b : 집전판 27 : 시일링용 금속
28 : 외부 리드봉 31 : 발광부
32a, 32b : 본체부(전극) 33 : 시일링부
34 : 단이음 유리부 35 : 전극 심봉
41 : 유리 부재 42 : 급전용 금속박
43 : 금속판 44 : 내부 리드봉
45 : 외부 리드봉 45a : 금속 부재
46 : 내부 리드봉 유지용 통체
47 : 외부 리드봉 유지용 통체
48 : 방전 용기(봉체) 48b : 발광관
48a : 시일링관 49a : 음극
49b : 양극

Claims

유리와 시일링용 금속으로 구성되는 시일링부를 가지는 고압 방전 램프의 제조 방법으로서,
상기 시일링용 금속의 상기 유리측 표면에 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광을 조사해 시일링용 금속을 표면 가공하는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프의 제조 방법.
유리와 시일링용 금속으로 구성되는 시일링부를 가지는 고압 방전 램프에 있어서,
상기 시일링용 금속의 상기 유리측 표면이, 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광이 조사됨으로써, 표면 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 시일링용 금속이 박(箔) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 시일링용 금속이 로드 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 시일링용 금속을 표면 가공함으로써 시일링용 금속의 표면에 홈이 형성되고, 상기 홈의 깊이는 200∼600nm인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 시일링용 금속을 표면 가공함으로써 시일링용 금속의 표면에 홈이 형성되고, 상기 홈의 폭은 800∼1200nm인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 시일링용 금속을 표면 가공함으로써 시일링용 금속의 표면에 홈이 형성되고, 상기 홈은 오목한 형상의 홈이며, 또한 오목한 형상의 홈의 내부에 사다리 형상의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
청구항 2에 있어서,
상기 펄스폭이 2×10^－11초∼1×10^－9초인 레이저광은, 직선 편광인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
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