KR101380425B1

KR101380425B1 - 램프

Info

Publication number: KR101380425B1
Application number: KR1020100014117A
Authority: KR
Inventors: 사토시 마츠자와; 유키히로 모리모토
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-04-01
Also published as: CN101958224A; TWI450311B; JP2010212045A; TW201103068A; CN101958224B; JP5239954B2; KR20100102041A

Abstract

(과제) PSA 용도에 최적인 광원을 제공하기 위해, 모노머를 중합시키기 위해서 필요하게 되는 파장 300-380nm의 파장역의 자외광을 효율 좋게 방사하는 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(해결수단) 크립톤 가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서, 상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 희가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 램프.

Description

램프{LAMP}

이 발명은, 크립톤 가스, 아르곤 가스의 한 종류 이상으로부터 선택되는 희가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스를 사용해 여기 옥소 분자를 형성함으로써 방사되는 자외광을 방사하는 램프에 관한 것이다.

액정 디스플레이의 제조 공정에 있어서는, 액정의 화소를 구성할 때에 액정에 모노머를 혼입시키고, 액정 분자를 경사시킨 상태로 모노머를 중합시킴으로써 액정 분자의 경사 방향을 고정시키는 기술(PSA：Polymer Sustained Alignment)이 이용되고 있다. PSA에 대해 개시하는 특허 문헌 1에 의하면, 모노머를 중합시키기 위한 광원으로서, 액정에 주는 손상이 적은 것, 모노머의 감도, 액정용 유리의 투과율 등을 고려해, 모노머에 대해서 예를 들면 파장 300-380nm의 자외광을 조사하는 것이 바람직하다고 되어 있다(특허 문헌 1의 단락 0237).

모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장 300-380nm의 자외광을 방사하는 자외선 광원으로서는 여러 가지의 것이 알려져 있지만, 현재 상태에서는 PSA 용도에 최적인 광원에 대해서는 검토가 거듭되어져 있는 단계이다. 예를 들면, 수은을 방전 매체로 하여 파장 365nm의 자외광을 주로 방사하는 수은 램프, 금속 할로겐화물을 방전 매체로 하는 메탈 할라이드 램프 등이 PSA 용도의 광원의 후보로 되어 있다. 그렇지만, 수은 램프는, 복수의 수은 램프를 탑재하여 자외선 조사 장치를 구성하고자 했을 경우에 자외선 조사 장치가 대형화한다고 하는 문제가 있고, 또, 수은을 방전 매체로 하기 위해 환경으로의 부하가 크다고 하는 단점이 있다. 메탈 할라이드 램프는 투입 전력에 비해 방사되는 자외선의 출력이 낮다고 하는 에너지 효율의 면에서 문제가 있으며, 또, 할로겐화 금속을 방전 매체로 하기 위해 환경으로의 악영향을 무시할 수 없다.

한편, 서로 대향해 배치되는 유전체 재료로 이루어지는 한 쌍의 벽부와 한 쌍의 벽부의 단부에 접속된 시일링용 벽부로 구성되는 방전 용기를 구비하고, 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간 내에, 희가스, 할로겐 가스, 또는 이들의 혼합 가스를 충전하여, 상기 벽부를 통해 교류 전압 또는 펄스 전압을 인가함으로써 자외선을 방전 용기 외부에 방사하는 램프가 알려져 있다. 이 종류의 램프는, 복수의 램프를 탑재하여 자외선 조사 장치를 구성하고자 했을 경우에 자외선 조사 장치를 비교적 소형화할 수 있음과 더불어, 투입 전력에 비해 방사되는 자외선의 출력이 높기 때문에 에너지 효율이 뛰어나고, 게다가, 크세논 가스, 크립톤 가스 등의 희가스를 방전 매체로서 사용하므로 환경으로의 부하가 작다고 하는 실용적인 면에서 메리트가 크기 때문에, PSA용의 광원으로서 유망시되어 있다.

이와 같은 램프는, 종래부터 주로 액정 기판 등의 피처리물의 표면에 대해서 진공 자외선을 조사함으로써 피처리물의 표면 개질을 하기 위한 광원으로서 사용되고 있지만, PSA 용도에 있어서 모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장 300-380nm의 파장역의 자외광의 출력이 불충분했다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허 문헌 1) 일본국 특허공개 2003－149647호

이상으로부터 본 발명은, PSA 용도에 최적인 광원을 제공하기 위하여, 모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장 300-380nm의 파장역의 자외광을 효율 좋게 방사하는 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, (1) 크립톤 가스, 아르곤 가스로부터 선택되는 1종류 이상의 희가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서, 상기 방전 공간에는, 상기 방전 공간의 전체에 걸쳐 방전이 발생하고 있는 것과 같은 상태의 확산 방전과, 상기 확산 방전에 비해 공간적으로 수축한 띠모양의 형상을 가지는 필라멘트 방전의 쌍방이 혼재해 발생하는 것을 특징으로 하는 램프.

본 발명은, (2) 크립톤 가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서, 상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 희가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 램프.

본 발명은, (3) 아르곤 가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서, 상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 희가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, (4) 크립톤 가스 및 아르곤 가스를 혼합한 혼합 가스 및 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서, 상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 희가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, (1)－(4)에 있어서, 상기 방전 가스의 전체압력이 100kPa 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, (1)－(4)에 있어서, 상기 램프에 공급되는 점등 주파수가 1~120kHz인 것을 특징으로 한다.

청구항 1의 발명에 의하면, 방전 공간에는 상기 방전 공간의 전체에 걸쳐 방전이 발생하고 있는 것과 같은 상태의 확산 방전과, 상기 확산 방전에 비해 공간적으로 수축한 띠모양의 형상을 가지는 필라멘트 방전의 쌍방이 혼재해 발생하기 때문에, 여기 옥소 분자 I₂ ^*로부터 방사되는 파장 342nm의 옥소 분자 발광이 효율 좋게 방출됨으로 인해, PSA 용도에 있어서 모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장역의 자외광의 출력을 향상시킬 수 있다.

청구항 2 내지 청구항 4의 발명에 의하면, 방전 용기 내에 봉입된 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도 및 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 소정의 관계가 성립하도록 최적화함으로써, 파장 342nm의 옥소 분자 발광을 방사하는 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 방전 용기의 내부 공간에 효율 좋게 형성되기 때문에, PSA 용도에 있어서 모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장역의 자외광의 출력을 향상시킬 수 있다.

청구항 5의 발명에 의하면, 방전 용기 내에 봉입된 방전 가스의 전체압력이 100kPa 이상으로 되어 있음으로써, 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 방전 공간에 형성되기 쉬워지기 때문에, 피크 파장이 342nm의 옥소 분자 발광이 효율 좋게 방사되게 되어, PSA 용도에 있어서 모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장역의 자외광의 출력을 보다 높은 것으로 할 수 있다.

청구항 6의 발명에 의하면, 램프에 공급되는 점등 주파수가 1~120kHz이기 때문에, 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 분해되는 일 없이, 또, 단위 시간당의 발광 회수가 극단적으로 짧다고 하는 일이 없기 때문에, 파장 342nm의 옥소 분자 발광이 효율 좋게 방사되게 되어, PSA 용도에 있어서 모노머를 중합시키기 위해 필요하게 되는 파장역의 자외광의 출력을 보다 높은 것으로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 램프의 구성의 개략을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 A－A선 단면도이다.
도 3은 실험 1을 행하기 위해 사용한 실험 장치의 구성의 개략을 나타내는 개념도이다.
도 4는 옥소 가스의 농도와 옥소 분자 발광 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 환산 전계 E/p1와 옥소 분자 발광 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 표 1에 나타내는 임계 환산 전계 강도 E/p1의 수치를 희가스의 분압 p1의 함수로서 근사하기 위한 근사 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 확산 방전과 필라멘트 방전의 쌍방이 혼재해 발생한 방전 공간의 상태를 모식적으로 나타낸다.
도 8은 필라멘트 방전이 단독으로 발생한 방전 공간의 상태를 모식적으로 나타낸다.

도 1은, 본 발명의 램프의 구성의 개략을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 A－A선 단면도이다. 램프(10)는, 예를 들면 석영 유리 등의 유전체 재료에 의해 도 2에 나타내는 바와 같이 단면이 방형 형상이 되도록 구성된 방전 용기(1)를 구비한다. 방전 용기(1)의 내부에는, 크립톤, 아르곤의 어느 1종류 이상의 희가스와 옥소 가스를 주로 포함하는 방전 가스가 봉입되어 있다. 방전 용기(1)는, 방전 용기의 길이 방향의 양단 근방의 내부에 시일링 부재(2)를 배치해 방전 용기(1)와 시일링 부재(2)를 용착함으로써, 방전 가스가 외부에 누출되어 나오는 일이 없도록 기밀하게 시일링된다. 또, 방전 용기(1)의 상하의 벽면(3, 4)의 각각의 외표면에는, 메쉬 형상의 한 쌍의 전극(5, 6)이, 방전 용기(1)의 내부에 형성된 방전 공간 S 및 방전 용기(1)를 구성하는 유전체 재료를 사이에 두고 대향하도록 설치되어 있다. 전극(5, 6)은, 소정의 메쉬 형상 패턴이 형성되도록 예를 들면 증착 등에 의해 형성되어 있다. 또한, 방전 용기(1)의 내부에는, 예를 들면 SiO₂를 주성분으로서 포함하는 자외선 반사막(7)이 광출사 방향측의 벽면(3)과 반대측의 벽면(4)에 형성되어 있고, 방전 공간 S 내에서 발생한 자외선이 자외선 반사막(7)에 의해 광출사 방향으로 반사되어 광출사 방향측에 위치하는 벽면(3)으로부터 출사하도록 되어 있다.

이와 같은 구성의 램프는, 한 쌍의 전극(5, 6)간에 예를 들면 1~120kHz의 교류 전압 또는 펄스 전압을 공급함으로써, 방전 공간 S에 면하는 내벽면에 있어서, 방전 공간의 전체에 걸쳐 방전이 발생하고 있는 것과 같은 상태의 확산 방전과, 상기 확산 방전에 비해 공간적으로 수축한 띠모양의 형상을 가지는 필라멘트 방전의 쌍방이 혼재해 발생한다.

이와 같은 방전에 의해, 방전 용기에 봉입된 옥소 I의 양이온 I⁺ 및 음이온 I^-는, 옥소 이외의 아르곤, 크립톤 중에서 선택되는 1종류 이상의 원자 또는 분자와 다음 식과 같이 하여 반응함으로써, 여기 옥소 분자 I₂ ^*를 형성한다. 이하의 화학식에 나타내는 M은, 옥소, 크립톤 및 아르곤의 원자 또는 분자이다.

〔화학식 1〕

여기 옥소 분자 I₂ ^*는, 방전 가스에 포함되는 옥소 이온 I⁺및 I^-가 방전 가스에 포함되는 옥소, 크립톤 및 아르곤의 원자 또는 분자와 충돌을 반복함으로써 방전 공간에 형성되고, 피크 파장이 342nm인 옥소 분자 발광을 방사한다.

여기 옥소 분자를 형성하는 기(基)가 되는 옥소 이온은, 준안정 여기 원자의 에너지에 의해 옥소가 전리(電離)되는 페닝 효과로 불리는 반응이 주된 요인이 되어 생성된다. 이 페닝 효과는, 크립톤 및 아르곤의 준안정 여기 원자의 에너지가 옥소 원자의 전리 에너지보다 조금 높음으로써 발생한다. 참고로, 준안정 여기 원자의 에너지는, 크립톤이 10.5eV, 아르곤이 11.5, 11.7eV이며, 옥소 원자의 전리 에너지는 10.4eV이다. 따라서, 크립톤, 아르곤으로부터 선택되는 한 종류 이상의 희가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스를 방전 용기에 봉입하면, 방전 공간에 있어서 옥소 이온이 보다 많이 생성되고, 다수의 여기 옥소 분자가 형성되게 되므로, 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 출력이 향상하는 것이라고 기대된다.

방전 가스는, 크립톤, 아르곤 이외의 그 밖의 희가스를 포함하고 있어도 되지만, 크립톤이나 아르곤이라고 하는 희가스의 분압과 비교해 이들 이외의 희가스의 분압이 높아지면, 상기한 페닝 효과를 약하게 하게 되기 때문에, 그 밖의 희가스의 분압의 비율이 너무 높아지지 않도록 주의하는 것이 필요하다. 예를 들면, 크립톤, 아르곤 이외의 그 밖의 희가스의 분압은, 크립톤, 아르곤의 분압의 10% 이하로 하는 것이 바람직하다.

여기서, 여기 옥소 분자로부터 방사되는 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 출력은, 본 발명자가 검토한 바, (1) 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도와, (2) 방전 공간에 인가되는 전계의 강도에 특히 관계되는 것이 판명되었다. (1)의 옥소의 농도는, 옥소 가스의 분압 p2를 방전 가스의 전체압력으로 나눔으로써 산출된다. 방전 가스의 전체압력은 크립톤, 아르곤 중의 한 종류 이상으로부터 선택되는 희가스의 분압 p1에 근사된다. 또한, (2)의 전계의 강도는, 크립톤, 아르곤 중의 한 종류 이상으로부터 선택되는 희가스의 분압 p1과, 옥소 I의 분압 p2에 의존한다. 이하, 파장 342nm의 여기 옥소 분자 I₂ ^*의 발광 강도를 높이기 위해 필요하게 되는, 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도 및 방전 공간에 인가되는 전계 강도의 조건을 정하기 위하여 행한 실험에 대해 설명한다. 실험에서는 이하의 실시예 1~3에 관련된 램프를 사용했다.

[실시예 1]

실시예 1의 램프는, 두께 2mm의 석영 유리에 의해, 전체 길이 200mm, 폭 42mm, 높이 14mm, 방전 갭 10mm가 되도록 구성되고, 전체 길이 130mm, 폭 32mm의 금에 의해 형성되는 전극을 구비한다. 방전 용기에는, 크립톤 가스 및 옥소 가스를 포함하는 방전 가스를 봉입했다.

[실시예 2]

실시예 2의 램프는, 두께 2mm의 석영 유리에 의해, 전체 길이 200mm, 폭 42mm, 높이 14mm, 방전 갭 10mm가 되도록 구성되고, 전체 길이 130mm, 폭 32mm의 금에 의해 형성되는 전극을 구비한다. 방전 용기에는, 아르곤 가스 및 옥소 가스를 포함하는 방전 가스를 봉입했다.

[실시예 3]

실시예 3의 램프는, 두께 2mm의 석영 유리에 의해, 전체 길이 200mm, 폭 42mm, 높이 14mm, 방전 갭 10mm가 되도록 구성되고, 전체 길이 130mm, 폭 32mm의 금에 의해 형성되는 전극을 구비한다. 방전 용기에는, 크립톤 가스 및 아르곤 가스가 1：1의 혼합비로 혼합된 희가스의 혼합 가스 및 옥소 가스를 포함하는 방전 가스를 봉입했다.

(실험 1)

실험 1은 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도의 최적 범위를 조사하기 위해 행했다. 실험 1은, 각 실시예 1~3에 관련된 램프의 각각에 대해 방전 가스의 전체압력을 120kPa로 통일하고, 옥소 가스의 농도가 0.01~2%의 범위 내에서 서로 상이한 7종류의 램프를 각 실시예 1~3마다 개별적으로 준비했다. 즉, 실험 1은, 각 실시예 1~3의 각각에 대해 7종류씩 합계 21종류의 램프를 사용했다.

도 3은, 실험 1을 행하기 위해 사용한 실험 장치의 구성의 개략을 나타내는 개념도이다. 22는 알루미늄제의 램프 하우스, 23은 세라믹스제의 지지대, 24는 수광부이다. 수광부(24)는 섬유에 의해 도시하지 않는 분광기 본체에 접속되어 있다. 램프(1)를 램프 하우스(22)의 내부에 배치된 지지대(23) 상에 고정함과 더불어, 수광부(24)를 램프(1)의 표면으로부터 5mm 떼어놓은 위치에 램프(1)와 대향하도록 배치하고, 램프 하우스(22)의 내부 분위기를 질소 가스로 치환한다. 실시예 1~3의 램프의 각각에 대해, 한 쌍의 전극(5, 6)에 교류 전압(직사각형파)을 인가함으로써 방전 공간에 방전을 발생시키고, 메쉬 형상의 전극(5)의 간극으로부터 방사되는 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 발광 강도를 측정한다.

실험 1의 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4는, 세로축이 옥소 분자 발광 강도의 규격 데이터를 나타내며, 가로축이 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도(%)를 나타낸다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 실시예 1, 2, 3 중 어느 것에 대해서도, 옥소 농도를 0.04~0.9%의 범위로 한 것은, 옥소 농도가 당해 범위 외의 것과 비교해 여기 옥소 분자 I₂ ^*의 발광 강도가 현격히 높아졌다.

(실험 2)

실험 2는, 방전 가스의 전체압력 및 옥소 가스의 분압을 각각 일정하게 했을 때에, 피크 파장이 342nm인 옥소 분자 I₂ ^*의 발광 강도를 높이기 위해 필요하게 되는 환산 전계 강도의 하한값(이하, 임계 환산 전계 강도라고도 한다)을 조사했다. 환산 전계 강도란, 전계 강도 E를 희가스의 분압 p1로 나눈 수치이다.

각 실시예 1~3에 관련된 램프는, 각각 방전 가스의 전체압력(희가스의 분압 p1 및 옥소 가스의 분압 p2의 합계)을 120kPa, 옥소 가스의 분압 p2를 0.14kPa로 했다.

실시예 1~3에 관련된 램프에 대해, 각각 상이한 7가지의 환산 전계 강도가 되도록 점등 구동시켜, 실험 1과 마찬가지로 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 발광 강도를 측정했다. 즉, 실험 2에서는, 각 실시예 1~3에 관련된 램프에 대해 각각 7가지씩 합계 21가지의 옥소 분자 발광 강도의 데이터를 측정했다.

방전 공간에 인가되는 전계 강도 E는, 수식 1~3과 같이 하여 산출된다. V는 인가 전압, C_gap는 단위 길이당의 방전 공간의 정전 용량, C_glass는 단위 길이당의 유전체의 정전 용량, d_gap는 방전 갭, d_glass는 유전체의 두께, ε_gap는 방전 공간의 유전율, ε_glass는 유전체의 유전율, W는 전극폭이다. 또한, ε_gap≒ε_O이며, ε_glass≒3.7×ε_O이다. ε_O는, 진공의 유전율：8.85×10^-12(F/m)이다.

〔수식 1〕

〔수식 2〕

〔수식 3〕

실험 2의 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5는 세로축이 옥소 분자 발광의 강도의 규격 데이터, 가로축이 환산 전계 강도이다. 환산 전계 강도는, 기본적으로는 전계 강도 E를 방전 가스의 압력(희가스의 분압 p1 및 옥소 가스의 분압 p2의 합계)로 나누어 얻어지는 E/(p1＋p2)로 나타나지만, 옥소 가스의 분압 p2가 희가스의 분압 p1에 비해서 훨씬 작기 때문에, 전계 강도 E를 희가스의 분압 p1로 나누어 얻어지는 E/p1과 근사했다.

도 5에 나타내는 실험 결과로부터 이하가 분명해졌다. 실시예 1의 램프는, 점등 구동 때의 환산 전계 강도 E/p1를 40.8 이상으로 함으로써 환산 전계 강도 E/p1를 40.8 미만으로 했을 때와 비교해 옥소 분자 발광 강도가 현격히 높아지는 것이 확인되었다. 실시예 2의 램프는, 점등 구동시의 환산 전계 강도 E/p1를 30.7 이상으로 함으로써, 환산 전계 강도 E/p1를 30.7 미만으로 했을 때와 비교해 옥소 분자 발광 강도가 현격히 높아지는 것이 확인되었다. 실시예 3의 램프는, 점등 구동시의 환산 전계 강도 E/p1를 37.5 이상으로 함으로써 환산 전계 강도 E/p1를 37.5 미만으로 했을 때와 비교해 옥소 분자 발광 강도가 현격히 높아지는 것이 확인되었다.

실험 2에 의해, 임계 환산 전계 강도는, 희가스의 분압 p1가 120kPa, 옥소 가스의 분압이 0.14kPa로 한 경우에 있어서, 각각, 실시예 1의 램프가 40.8, 실시예 2의 램프가 30.7, 실시예 3의 램프가 37.5인 것이 확인되었다.

(실험 3)

실험 3은, 방전 가스에 포함되는 희가스의 전체압력 및 옥소 가스의 분압을 각각 바꾸어, 실험 2와 같이 피크 파장이 342nm인 여기 옥소 분자 I₂ ^*의 발광 강도를 높이기 위해 필요하게 되는 환산 전계 강도 E/p1의 하한값(즉, 임계 환산 전계 강도)을 조사했다.

실험 3에서는, 희가스의 분압 p1 및 옥소 가스의 분압 p2가 서로 상이한 램프를 각 실시예 1~3마다 20종류씩 합계 60종류 사용했다. 희가스의 분압 p1은 40~133kPa의 범위, 옥소 가스의 분압 p2는 0.05~1.09kPa의 범위로 되어 있다.

실험 3은, 각 실시예 1~3에 관련된 합계 60종류의 램프의 각각에 대해, 실험 2와 같이 환산 전계 강도 E/p1의 값을 여러 가지 바꾸어 점등 구동시키고, 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 강도를 실험 1과 마찬가지로 측정함으로써, 임계 환산 전계 강도 E/p1를 조사했다. 실험 3의 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1은, 각 실시예 1~3에 관련된 합계 60종류의 램프의 각각에 대해 측정한 임계 환산 전계 강도 E/p1의 수치를 정리한 것이다. 표 2는, 표 1에 나타내는 각 실시예 1~3에 관련된 램프의 임계 환산 전계 강도 E/p1를, 옥소 가스의 분압 p2마다 희가스의 분압 p1의 함수로서 근사한 근사식을 정리한 것이다.

참고로, 표 2에 나타내는 각 근사식의 구하는 방법에 관련해 설명을 보충한다. 도 6은, 표 1에 나타내는 임계 환산 전계 강도 E/p1의 수치를 희가스의 분압 p1의 함수로서 근사하기 위한 근사 방법을 설명하는 도면이다. 동 도면에 있어서, 세로축은 임계 환산 전계 강도 E/p1, 가로축은 희가스의 분압 p1이다. 동 도면에서는, 편의를 위해, 표 1에 나타내는 임계 환산 전계 강도 중, 옥소의 분압 p2가 0.14kPa인 세로열에만 대해 각 실시예 1~3에 관련된 램프마다 개별로 플롯했다.

도 6에 나타내는 5개의 능형의 플롯은, 표 1의 실시예 1의 란에 있어서의, 옥소의 분압 p2가 0.14kPa임과 더불어 희가스의 분압 p1가 각각 40kPa, 67kPa, 93kPa, 120kPa, 133kPa인 5개의 임계 환산 전계 강도의 수치 데이터를 표시한다. 도 6에 나타내는 능형의 각 플롯을 연결한 곡선은, 표 2의 실시예 1의 란의 위에서 2행째에 나타내는 바와 같이 희가스의 분압 p1의 함수로서 근사된다.

도 6에 나타내는 5개의 정방형의 플롯은, 표 1의 실시예 2의 란에 있어서의, 옥소의 분압 p2가 0.14kPa임과 더불어 희가스의 분압 p1가 각각 40kPa, 67kPa, 93kPa, 120kPa, 133kPa인 5개의 임계 환산 전계 강도의 수치 데이터를 표시한다. 도 6에 나타내는 정방형의 각 플롯을 연결한 곡선은, 표 2의 실시예 2의 란의 위에서 2행째에 나타내는 바와 같이 희가스의 분압 p1의 함수로서 근사된다.

도 6에 나타내는 5개의 삼각형의 플롯은, 표 1의 실시예 3의 란에 있어서의, 옥소의 분압 p2가 0.14kPa임과 더불어 희가스의 분압 p1가 각각 40kPa, 67kPa, 93kPa, 120kPa, 133kPa인 5개의 임계 환산 전계 강도의 수치 데이터를 표시한다. 도 6에 나타내는 삼각형의 각 플롯을 연결한 곡선은, 표 2의 실시예 3의 란의 위에서 2행째에 나타내는 바와 같이 희가스의 분압 p1의 함수로서 근사된다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 각 실시예 1~3에 관련된 램프의 임계 환산 전계 강도 E/p1와 희가스 분압 p1의 관계를 나타내는 곡선 그래프는, 동 도면의 지면에 있어서, 하방측부터 실시예 2, 실시예 3, 실시예 1의 순서로 나란히 배치된다. 실시예 3의 곡선 그래프는 실시예 1의 곡선 그래프와 실시예 2의 곡선 그래프의 대체로 중간에 위치하고 있다.

표 2에 나타내는 그 밖의 근사식은, 상기와 같이 하여, 옥소의 분압 0.05kPa, 0.14kPa, 0.57kPa, 1.09kPa의 각각에 대해, 각 실시예 1~3에 관련된 램프마다 근사를 행함으로써 얻어진 희가스의 분압 p1의 함수이다.

또한, 표 2에 나타내는 각 실시예 1~3에 관련된 램프의 임계 환산 전계 강도 E/p1의 근사식은, 희가스의 분압 p1 및 옥소 가스의 분압 p2의 함수로서, 이하와 같이 근사할 수 있다.

＜실시예 1＞

〔수식 4〕

＜실시예 2＞

〔수식 5〕

＜실시예 3＞

〔수식 6〕

수식 4~6에 나타내는 임계 환산 전계 강도 E/p1는, 전술했던 대로, 여기 옥소 분자 I₂ ^*의 발광 강도를 높이기 위해 필요하게 되는 하한값이다. 따라서, 각 실시예 1~3에 관련된 램프는, 이하의 관계식이 성립하도록, 임계 환산 전계 강도 E/p1, 방전 가스에 포함되는 희가스의 분압 p1 및 옥소 가스의 분압 p2를 각각 적절히 설정함으로써, 여기 옥소 분자 I₂ ^*로부터 방사되는 파장 342nm의 발광 강도를 현격히 높은 것으로 할 수 있다.

＜실시예 1＞

〔수식 7〕

＜실시예 2＞

〔수식 8〕

＜실시예 3＞

〔수식 9〕

이와 같이, 본 발명의 각 실시예 1~3에 관련된 램프는, (1) 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 최적인 범위로 되어 있음과 더불어, (2) 환산 전계 강도 E/p1가 임계 환산 전계 강도 이상이 되는 조건에서 점등 구동하기 때문에, 옥소 발광 분자 I₂ ^*로부터 방사되는 피크 파장이 342nm인 자외광의 방사 강도를 종래의 램프보다 현격히 높일 수 있다. 이 이유는, 확실하지 않지만 예를 들면 다음과 같이 생각된다.

옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%의 범위 내임과 더불어 환산 전계 강도 E/p1가 수식 7~9에 나타내는 관계를 만족하는 각 실시예 1~3에 관련된 램프에 있어서는, 방전 공간의 전체에 걸쳐 방전이 발생하고 있는 것과 같은 상태의 확산 방전과, 확산 방전에 비해 공간적으로 수축한 띠모양의 형상을 가지는 필라멘트 방전의 쌍방이 방전 공간에 있어서 혼재해 발생하는 것이 실험 3에 의해 확인되었다. 도 7은, 확산 방전과 필라멘트 방전의 쌍방이 혼재해 발생한 방전 공간의 상태를 모식적으로 나타낸다. 동 도면의 K가 확산 방전, F가 필라멘트 방전이다. 필라멘트 방전이 발생하면, 공간적으로 수축한 형상이기 때문에 확산 방전에 비해 전류 밀도가 높음으로 인하여, 다수의 옥소 이온 I⁺, I^-가 방전 공간에 존재하는 것이라고 생각된다. 그 때문에, 방전 공간에 있어서 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 형성되기 쉬어지기 때문에, 여기 옥소 분자 I₂ ^*로부터 방사되는 피크 파장이 342nm인 옥소 분자 발광의 방사 강도가 높아지는 것이라고 생각된다.

이것에 대해, 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%의 범위 외임과 더불어 환산 전계 강도 E/p1가 수식 7~9의 관계를 만족하지 않는 각 실시예 1~3에 관련된 램프에 있어서는, 필라멘트 방전만이 방전 공간에 발생하는 것이 실험 3에 의해 확인되었다. 도 8은 필라멘트 방전이 단독으로 발생한 방전 공간의 상태를 모식적으로 나타낸다. 동 도면의 F가 필라멘트 방전이다. 이와 같은 램프에 있어서는, 방전 공간에 있어서 방전이 국소적으로 밖에 형성되지 않기 때문에, 여기 옥소 분자 I₂ ^*로부터 방사되는 피크 파장이 342nm인 옥소 분자 발광의 방사 강도가 저하하는 것이라고 생각된다.

피크 파장이 342nm인 옥소 분자 발광은, 전술한 것처럼, 옥소 이온 I⁺ 및 I^-가 크립톤, 아르곤이라고 하는 희가스에 충돌함으로써 형성되는 여기 옥소 분자 I₂ ^*로부터 방사된다. 즉, 여기 옥소 분자 I₂ ^*는, 방전 가스에 포함되는 희가스의 원자 또는 분자를 많게 함으로써 형성되기 쉬워진다. 따라서, 방전 가스의 전체압력(희가스의 분압 p1＋ 옥소 가스의 분압 p2의 합계)을 높게 함으로써, 옥소 이온 I⁺ 및 I^-에 충돌하는 희가스의 원자 또는 분자가 증가하여 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 형성되기 쉬워지기 때문에, 피크 파장이 342nm인 옥소 분자 발광의 강도를 높일 수 있다. 본 발명의 각 실시예 1~3에 관련된 램프는, 방전 가스의 전체압력(p1＋p2)을 100kPa 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 각 실시예 1~3에 관련된 램프는, 방전 가스의 온도가 너무 높으면, 피크 파장 342nm의 옥소 분자 발광을 방사하는 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 분해되어 원래의 옥소 이온 I⁺ 혹은 I^-로 돌아온다고 하는 특성을 가지기 때문에, 방전 가스의 온도를 최적으로 유지하는 것이 바람직하다. 각 실시예 1~3에 관련된 램프는, 방전 가스의 온도를 최적으로 유지하기 위해, 1~120kHz의 교류 전압 또는 펄스 전압을 공급함으로써 점등 구동하는 것이 바람직하다. 램프에 공급하는 교류 전압 또는 펄스 전압의 주파수가 120kHz를 초과하는 경우는, 방전 가스의 온도가 너무 높아져 여기 옥소 분자 I₂ ^*가 분해되기 쉬워지므로, 피크 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 강도가 저하한다라고 하는 폐해가 있다. 또, 교류 전압 또는 펄스 전압의 주파수가 1kHz를 밑도는 경우는, 단위 시간당의 발광 회수가 적어지므로, 피크 파장 342nm의 옥소 분자 발광의 강도가 저하한다라고 하는 폐해가 있다.

10 : 램프 1 : 방전 용기
2 : 시일링 부재 3, 4 : 벽면
5, 6 : 전극 7 : 자외선 반사막

Claims

크립톤 가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서,
상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 크립톤 가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 램프.
아르곤 가스와 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서,
상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 아르곤 가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 램프.
크립톤 가스 및 아르곤 가스를 혼합한 혼합 가스 및 옥소 가스를 포함하는 방전 가스가 봉입된 방전 용기와, 상기 방전 용기의 내부에 형성된 방전 공간을 사이에 두고 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하고, 여기 옥소 분자를 형성함으로써 파장 342nm의 자외광을 방사하는 램프로서,
상기 방전 가스에 포함되는 옥소 가스의 농도가 0.04~0.9%임과 더불어, 상기 방전 공간에 인가되는 전계 강도를 E(V/cm), 상기 크립톤 가스 및 아르곤 가스를 혼합한 혼합 가스의 분압을 p1(kPa), 상기 옥소 가스의 분압을 p2(kPa)로 했을 때, 다음 식의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 램프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방전 가스의 전체압력이 100kPa 이상인 것을 특징으로 하는 램프.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 램프에 공급되는 점등 주파수가 1~120kHz인 것을 특징으로 하는 램프.
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