KR101373939B1 - 쇼트 아크형 방전 램프 - Google Patents

Abstract

발광관의 내부에, 음극과 양극이 대향 배치되며, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 상기 본체부의 선단에 접합된 이미터부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프로서, 점등 시간의 경과에 수반하는 음극 본체부의 수축의 저감을 도모함으로써, 음극 휘점의 위치의 변화를 작게 하고, 램프의 조도 저하의 억제를 도모하도록 한 구조를 제공하는 것이다.
상기 음극의 본체부에서의 공공율이, 이미터부에서의 그것보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 방전 램프{SHORT-ARC DISCHARGE LAMP}

본 발명은 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이며, 특히, 음극의 선단에 이미터부가 설치되어 있는 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

종래, 쇼트 아크형 방전 램프는, 전극간 거리가 짧고, 또, 점광원에 가깝기 때문에, 광학계와 조합함으로써 집광 효율이 높은 노광 장치의 광원으로서 이용되고 있다. 또, 크세논을 봉입한 쇼트 아크형 방전 램프는, 영사기 등에 있어서 가시광 광원으로서 이용되고 있으며, 최근에는 디지털 시네마용 광원으로서도 중용되고 있다.

이와 같은 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서는, 음극에 이미터재를 설치하고, 전자 방출 특성을 높이도록 한 것이 알려져 있다.

그런데 최근에는, 희소 자원의 절약과 같은 관점에서 이미터재로서의 토륨의 사용에 제한을 두도록 하고 있어, 그 대량 사용을 피하는 것이 요청되고 있다. 이에 더하여 이 토륨이 방사성 물질이며, 법적 규제에 의해 그 취급이 제한되고 있다는 사정도 있다.

이러한 사정을 감안하여, 음극의 선단부에 산화 토륨을 함유시킨 구조의 방전 램프가 다양하게 개발되고 있다.

특허 문헌 1(일본국 특허공개 2010-33825호 공보)에는, 선단 부분에만 이미터재를 함유시킨 음극 구조를 가지는 방전 램프가 개시되어 있으며, 도 3에 이 특허 문헌 1에 기재되는 음극 구조를 나타낸다.

음극(10)은, 순도가 높은 텅스텐으로 이루어지는 음극 본체부(11)와, 이것과 일체 형성된 이미터부(12)로 구성된다. 이미터부(12)는, 텅스텐 중에 이미터재로서 희토류 화합물을 가지고 있다.

그리고, 음극(10)은, 희토류 화합물을 포함하는 텅스텐 분말과, 순수한 텅스텐 분말을 성형 몰드 중에 적층시킨 상태로 충전하고, 당해 성형 몰드를 가압시키면서 소결함으로써 생성된다. 즉, 본체부(11)와 이미터부(12)는 일체적으로 소결되어 있다.

여기서, 이미터부(12)는, 이미터재가 텅스텐의 결정입계를 확산시켜 음극의 선단까지 수송되는 것을 기대하고 있다. 이 때문에, 제조 과정에 있어서는, 과도하게 소결시키는 것은 피해야 한다. 소결의 정도가 진행될수록, 텅스텐의 결정립이 커져, 이미터재의 음극 선단으로의 수송이 방해되기 때문이다.

그러나, 종래의 쇼트 아크형 방전 램프는, 이미터 물질의 공급과 같은 점에서는 효과가 있지만, 점등 시간의 경과에 수반하여 음극이 수축하고, 이 때문에, 음극 휘점의 위치가 크게 변화한다는 문제가 있었다.

일본국 특허공개 2010-33825호 공보

본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 점등 시간의 경과와 함께, 음극 휘점의 위치가 변화하지 않는 쇼트 아크형 방전 램프를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관련된 쇼트 아크형 방전 램프는, 발광관의 내부에 음극과 양극이 대향 배치되며, 상기 음극이 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 상기 본체부의 선단에 접합된 토리아티드 텅스텐(thoriated tungsten)으로 이루어지는 이미터부로 이루어지고, 음극의 본체부에서의 공공율(空孔率)이, 이미터부에서의 공공율보다 작은 것을 특징으로 한다.

또, 음극의 본체부에서의 텅스텐의 결정입경이, 이미터부에서의 텅스텐의 결정입경보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의하면, 텅스텐으로 구성되는 본체부의 공공율이, 토리아티드 텅스텐으로 구성되는 이미터부의 공공율보다 작기 때문에, 점등 시간의 경과에 수반하는 음극의 수축을 작게 할 수 있다.

또, 음극의 본체부를 구성하는 텅스텐의 결정립이, 이미터부를 구성하는 텅스텐의 결정립보다 크기 때문에, 마찬가지로 점등 시간의 경과에 수반하는 음극의 수축을 작게 할 수 있다.

이 결과, 음극 선단 위치의 후퇴가 작아져, 음극 휘점의 위치의 변화를 작게 할 수 있으며, 램프를 광학계와 조합한 경우의 집광 효율의 저하에 기인하는 조도 저하가 억제된 수명이 긴 램프를 실현할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.

도 1은 본 발명에 관련된 쇼트 아크형 방전 램프를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 관련된 음극 구조를 나타낸다.
도 3은 종래의 방전 램프의 음극 구조를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 쇼트 아크형 방전 램프를 나타낸다. 발광관(1)의 내부에 텅스텐으로 이루어지는 양극(2)과 음극(3)이 대향 배치되어 있으며, 양극(2)과 음극(3)은 각각 심봉에 유지되어 있다. 발광관(1)의 내부 공간에는 수은이나 크세논등의 발광 물질이 봉입되어 있다. 또한, 방전 램프는 수직 점등하는 경우도 있으면 수평 점등하는 경우도 있다.

도 2는 음극(3)의 확대 구조를 나타낸다. 음극(3)은, 텅스텐으로 이루어지는 본체부(31)와, 그 선단에 접합된 이미터부(32)로 구성된다. 본체부(31)와 이미터부(32)의 접합은 확산 접합이 바람직하다. 여기서, 확산 접합이란, 금속들을 면으로 겹쳐, 당해 금속의 융점 미만의 고상 상태에서 소성변형이 생기지 않는 정도로 가열·가압하여, 접합면의 원자를 확산시키는 고상 접합을 말한다. 그리고, 확산 접합의 가열 온도는 2000℃ 정도이며, 용융 접합과 같이 텅스텐의 융점(약 3400℃)까지 가열할 필요가 없기 때문에, 본체부나 이미터부의 금속 조직을 유지할 수 있어, 음극 성능에 악영향을 주지 않는다. 또한, 음극의 금속 조직이 변하지 않기 때문에, 본체부(31)와 이미터부(32)의 접합 후에도 절삭 가공할 수 있다는 이점을 가진다.

본체부(31)는, 예를 들면 순도 99.99중량% 이상의 순텅스텐으로 구성되어 있으며, 이미터부(32)는, 주성분인 텅스텐에, 이미터 물질로서 산화 토륨(ThO₂)을 함유하는, 이른바 토리아티드 텅스텐(이하, 토리탄이라고 하는 경우도 있다)으로 구성되어 있다. 이미터부(32)의 산화 토륨의 함유량은, 예를 들면 2wt%이다.

그리고, 산화 토륨은, 램프 점등 중에 고온이 됨으로써 환원되고, 토륨 원자가 되어 음극 외표면을 확산시켜, 온도가 높은 선단측으로 이동한다. 이것에 의해, 일 함수를 작게 하여 전자 방출 특성을 양호한 것으로 한다.

여기서, 이미터부(32)를 구성하는 토리아티드 텅스텐의 공공율은, 예를 들면 1.3%이며, 본체부(31)를 구성하는 순텅스텐의 공공율은, 예를 들면 0.5%이다.

본 발명에 있어서 공공율 P는 다음식에 의해 정의된다.

P=1-((a(1-x)/19.3)＋(ax/9.86))

단, a는 재료의 밀도(g/cm³), x는 산화 토륨의 중량비, 19.3(g/cm³)은 텅스텐의 밀도, 9.86(g/cm³)은 산화 토륨의 밀도이다. 상기 식에 대해서, 밀도가 a(g/cm³)인 재료 1cm³를 생각할 수 있다. 그 중, 텅스텐이 차지하는 체적은, a(1-x)/19.3cm³, 산화 토륨이 차지하는 체적은, ax/9.86cm³이므로, 그들을 제외한 값은, 재료 1cm³에 차지하는 공공의 체적, 즉 공공율을 나타낸다. 또한, 산화 토륨 이외의 물질이 불순물로서 혼입되어 있어도 미량이기 때문에 무시할 수 있다.

일례를 들면, 음극의 이미터부에 이용하는 토리아티드 텅스텐은, 밀도가 18.7g/cm³, 산화 토륨의 중량비가 2%이며, 공공율은 약 1.3%이다. 한편, 본체부에 이용하는 순텅스텐은, 밀도가 19.2g/cm³, 산화 토륨의 중량비는 0이며, 공공율은 약 0.5%이다.

이와 같이, 본체부의 공공율을 이미터부의 공공율보다 작게 함으로써, 점등 시간의 경과에 수반하는 본체부의 수축을 작게 할 수 있으며, 음극 전체적인 수축도 저감할 수 있다. 이것은, 원래 본체부의 수축 현상이, 본체부에 존재하는 공공으로 텅스텐이 수송됨으로써 공공이 메워져, 본체부의 체적이 작아지는 현상이기 때문이다. 그 한편, 이미터부를 포함하는 전체의 공공율을 작게 할 수는 없다. 왜냐하면, 공공율을 작게 하기 위해서는, 소결 시간을 길게 하는 등에 의해, 소결을 진행시킬 필요가 있지만, 그렇게 함과 동시에 텅스텐의 결정립이 커져, 토륨의 공급로가 되는 결정입계의 면적이 감소하는 결과, 음극 선단으로의 토륨의 공급이 저해되기 때문이다. 그리고, 본원 발명은, 지금까지 일체적으로 소결하고 있던 본체부와 이미터부를, 각각 공공율을 조정하면서 따로따로 소결하고, 그 후, 양자를 확산 접합하는 것이다.

또한, 본체부를 구성하는 순텅스텐의 평균 입경을, 이미터부(32)를 구성하는 텅스텐의 평균 입경보다 크게 할 수 있다. 구체적으로는, 이미터부를 구성하는 텅스텐의 평균 입경이 20μm이며, 본체부(31)를 구성하는 순텅스텐의 평균 입경이 100μm이다.

여기서, 텅스텐의 결정입경은, JIS H 0501에 준한 절단법으로 측정할 수 있으며, 구체적으로는, 소정 길이의 직선 선분에 의해 완전히 횡단되는 결정립 수를 세어, 그 절단 길이의 평균치를 결정입경으로 하고 있다.

이와 같이, 음극의 본체부에서의 텅스텐 결정립을, 이미터부에서의 텅스텐 결정립보다 크게 하면, 본체부에서의 텅스텐의 공공으로의 수송을 억제할 수 있어, 결과적으로, 본체부의 수축을 작게 할 수 있다. 그것은, 텅스텐의 수송은, 주로 텅스텐의 결정입계를 통과하여 발생되는 것과, 텅스텐의 결정립이 클수록 결정입계의 총면적이 작아지는 것에 의한 것으로 생각할 수 있다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 음극에 의하면, 점등 시간의 경과에 수반하는 상기 음극 본체부의 수축을 작게 할 수 있으므로, 램프의 조도 저하를 억제할 수 있다.

여기서, 본 발명에 관련된 음극의 제조 방법의 일례를 설명한다.

직경 10mm, 두께 5mm의 토리탄, 직경 10mm, 두께 20mm의 순텅스텐을 준비한다. 단, 토리탄은, 산화 토륨의 함유량이 2중량%, 밀도가 18.7g/cm³, 공공율이 약 1.3%이며, 순텅스텐은, 밀도가 19.2g/cm³, 공공율이 약 0.5%인 것을 이용한다. 혹은, 토리탄은, 텅스텐의 결정입경이 약 20μm, 순텅스텐은, 텅스텐의 결정입경이 약 100μm인 것이어도 된다.

다음에, 토리탄과 순텅스텐의 접합면을 맞추고, 진공 중에서 축방향으로 2.5kN 정도의 압축력을 인가한다. 그리고, 통전 가열에 의해 접합부의 온도를 약 2000℃로 하고, 5분 정도 토리탄과 순텅스텐을 확산 접합시킨다.

다음에, 본원에 관련된 실험 결과에 대해서 서술한다.

본 발명의 음극으로서, 산화 토륨을 2중량% 함유하고, 공공율이 약 1.3%인 이미터부와, 공공율이 약 0.5%인 순텅스텐으로 이루어지는 본체부를 확산 접합시키고, 절삭 가공에 의해, 전체 길이가 18mm, 최대 직경이 10mm, 이미터부의 길이가 1mm, 음극 선단 직경이 0.6mm, 음극 선단각이 60°인 음극을 제작하고, 그것을 음극에 이용한 4kW 크세논 쇼트 아크 램프를 제작했다.

비교를 위해, 종래 기술에 의해, 이미터부에 2중량%의 산화 토륨을 함유하고, 음극 본체부는 순텅스텐으로 이루어지는 일체 소결형의 음극을 제작하고, 그것을 이용한 4kW 크세논 쇼트 아크 램프를 제작했다. 여기서, 이미터부의 길이 등의 음극 치수 및 램프의 사양은, 상기의 본 발명의 경우와 동일하다. 단, 이미터부와 본체부에서의 공공율은, 모두 약 1.3%였다.

이들 램프를 정격 전력의 4kW로, 500시간 점등한 후의 음극의 수축 길이는, 본 발명의 음극이 0.39mm, 종래 기술의 음극이 0.5mm로, 음극의 수축이 저감되는 것을 알 수 있었다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 점등 시간의 경과에 수반하는 음극의 수축이 저감되므로, 음극 휘점의 위치의 변화에 기인하는 램프의 조도 저하를 억제할 수 있다.

1: 쇼트 아크형 방전 램프 2: 양극
3: 음극 31: 본체부
32: 이미터부

Claims (2)

1. 발광관의 내부에, 음극과 양극이 대향 배치되며, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 상기 본체부의 선단에 접합된 토리아티드 텅스텐(thoriated tungsten)으로 이루어지는 이미터부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프로서,
   상기 음극의 본체부에서의 공공율이, 이미터부에서의 공공율보다 작은 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
2. 발광관의 내부에, 음극과 양극이 대향 배치되며, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와, 상기 본체부의 선단에 접합된 토리아티드 텅스텐으로 이루어지는 이미터부로 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프로서,
   상기 음극의 본체부에서의 텅스텐 결정입경이, 이미터부에서의 텅스텐 결정입경보다 큰 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.

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