KR101553734B1 - 듀테륨 램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극 피드스루(2; 3; 4; electrode feedthrough)를 갖춘 램프 베이스(1)를 구비한 듀테륨 램프에 관한 것이며, 상기 듀테륨 램프는 유리로 제조된 벌브를 구비하고 하우징 조립체(11)를 구비하며, 상기 하우징 조립체는 애노드(12), 캐소드(14) 및 개구(15)를 포함하는데, 벌브의 적어도 일부분은 비임 방출면을 형성하고 램프 베이스 및 벌브는 가스 격실(9)을 둘러싼다. 본 발명에 따르면, 상기 벌브는, 적어도 비임 방출면 상의 가스 격실을 향하는 표면에 가스 확산 방지층을 포함한다.

Description

듀테륨 램프{DEUTERIUM LAMP}
본 발명은, 전극 피드스루(electrode feedthrough)를 갖춘 램프 베이스를 구비한 듀테륨 램프에 관한 것이며, 상기 듀테륨 램프는 유리로 제조된 벌브(bulb)를 구비하고 하우징 조립체를 구비하며, 상기 하우징 조립체는 애노드, 캐소드 및 개구를 포함하는데, 벌브의 적어도 일부분은 비임 방출면을 형성하고 램프 베이스 및 벌브는 가스 격실을 둘러싼다.
모든 현재의 듀테륨 램프는 소위 가스 소모(gas wastage)를 겪는다. 이때, 램프의 작동 중에 가스 충전물은 틈새 사이트(interstitial sites)에서 확산되며, 무엇보다도 석영 유리 벌브 내로 현저하게 확산되고, 이에 따라 구조 내로 틈새에서 결합된다. 듀테륨의 작은 원자 반경으로 인해, 듀테륨에 대한 확산 속도는, 훨씬 더 큰 비활성 가스, 예컨대 네온 또는 크세논에 대한 확산 속도보다 현저하게 빠르다. 이러한 확산 과정은 상당한 UV 복사를 통한 석영 유리의 표면 활성화에 의해 훨씬 더 가속되는데, UV 복사는 듀테륨 플라즈마에 의해 발생된다. 이에 따라 비임 방출 영역에서 석영 유리 표면에서의 확산은 매우 크다. 본 명세서에서 설명되는 확산 과정은, 램프의 충전 압력이 작동 중에 연속적으로 감소하는 결과를 초래한다. 램프의 작동을 위해 필요한 아크 방전은, 단지 어떤 최소 압력에 이르기까지 유지될 수 있다. 압력이 가스 소모로 인해 이러한 최소 압력 미만으로 떨어질 때, 램프의 강도(intensity)는 극적으로 낮아지며 사용 불가능하게 된다. 가스 소모는 이에 따라 램프의 서비스 수명을 한정한다.
현재 사용되는 듀테륨 램프에 대해, 석영 유리 벌브의 내측은 보호되지 않는 상태이거나 또는 붕소 산화물의 코팅이 적용되어 있다. 붕소 산화물은 석영 유리 표면 내로 확산되며, 표면에 가까운 석영 유리의 층과의 화학 반응에서 자체로 결합된다. 붕소 산화물 코팅은, 석영 유리 표면이 화학적으로 더욱 내성을 갖게 하는 결과를 초래한다. 석영 유리 표면은 이에 따라 캐소드의 페이스트 재료와의 반응으로부터 더욱 양호하게 보호되는데, 상기 페이스트는 램프의 작동 중에 벌브의 내측에 축적된다. 캐소드의 페이스트 재료는 Ba, Sr 및/또는 Ca를 포함한다. 듀테륨 램프의 작동 조건 하에서, 이들 원소는 석영 유리 표면과 반응하며, 이에 따라 반응 생성물의 광학 흡착을 통해 강도 면에서 연속적인 손실을 초래한다. 강도 면에서의 손실은 이에 따라 화학 반응이 원인이 된다. 램프에서의 가스 손실은 붕소 산화물 코팅에 의해 거의 영향을 받지 않는다(DE3713704 A1, EP0287706 B1 참고).
저압 수은 램프 또는 아말감 램프로부터 알루미늄 인 산화물 코팅이 공지되어 있으며, 이는 수은 이온에 의한 화학적 어택(attack)으로부터 방사체의 석영 유리 표면을 보호한다. 수은 이온은 석영 유리와 함께 반응하여 수은 산화물을 형성하고, 이 수은 산화물은 매우 큰 흡착 효과를 가지며 방사체의 강도를 감소시킨다(DE102004038556 A1 참고). 얇은 막이 EP0290669 B1, EP0407548 B1, EP1043755 B1, 및 EP1282153 A1로부터 또한 공지되어 있다.
Xe 할로겐화물 엑시머 램프로부터 알루미늄 산화물 층이 공지되어 있으며, 이는 할로겐화물의 화학적 어택으로부터 방사체의 석영 유리 표면을 보호한다. UV 방출을 담당하는 할로겐화물은, 할로겐화물이 단지 수 분 후에 석영 유리에 화학적으로 결합되도록 석영 유리 표면과 강력하게 반응한다. 또한 이때 알루미늄 산화물의 화학적 내성이 이용된다(CH672380 A5과 유사한 DE10137015 A1 참고).
본 발명은, 가스 소모를 감소시키고 듀테륨 램프의 서비스 수명을 개선하려는 목적에 기초한다.
이 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다. 유리한 구성은 종속 청구항에 기재되어 있다. 이에 의해, 벌브는, 적어도 비임 방출면 상의 가스 격실을 향하는 표면에 가스 확산 방지층을 갖기 때문에, 가스 확산 및 이에 따른 가스 소모는 공지된 기법에 비해 현저하게 감소한다. 가스 확산 방지층은 알루미늄 산화물, 바람직하게는 비정질 알루미늄 산화물로부터 형성되는 것이 바람직한데, 비정질 알루미늄 산화물은 석영 유리보다 현저하게 더 컴팩트하기 때문이다.
가스 확산 방지층은 10 nm 내지 10 ㎛의 두께, 바람직하게는 20 nm 내지 200 nm의 두께를 갖는 것이 유용하다. 층 두께는 1회의 코팅에 의해 또는 여러 번의 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 가스 확산 방지층은 바람직하게는 160 nm 내지 1100 nm 사이의 파장에서 광학적으로 투명하다.
가스 확산 방지층은 가스 격실을 향하는 벌브의 전체 표면에 배치될 수 있다. 듀테륨 램프의 벌브는 바람직하게는 석영 유리로부터 또는 보로실리케이트 유리로부터 형성되며, 이에 따라 확산 방지층의 장점이 특히 분명하게 나타난다.
알루미늄 산화물은 PVD, CVD 또는 졸-겔 방법에 의해 적용될 수 있다. 졸-겔 방법에 있어서, 둥근 스패튤라(spatula)로서 작용하는 코어를 드로잉함으로써 졸-겔이 분사, 침지, 또는 적용될 수 있다. 바람직하게는, 가스 확산 방지층은 층의 품질이 균일하게 되도록 하기 위해 졸-겔 침지 공정에서 축적될 수 있다. 다음으로, 가스 확산 방지층은 섭씨 30 도 내지 섭씨 200 도의 온도에서 1 내지 24 시간 동안 건조된다. 마지막으로, 가스 확산 방지층은, 양호한 방지 효과를 달성하기 위해, 섭씨 400 도 내지 섭씨 1400 도, 바람직하게는 섭씨 600 도 내지 섭씨 1200 도의 온도에서 1 내지 24 시간 동안 구워진다.
본 발명의 실시예는 도면을 참고하여 이하에서 설명될 것이다.
본 발명에 따르면, 가스 소모를 감소시키고 듀테륨 램프의 서비스 수명을 개선할 수 있다.
도시된 도면은 아래와 같다.
도 1은 본 발명에 따른 층을 갖는 듀테륨 램프이다.
도 2는 코팅된 램프 벌브로부터의 세그먼트이다.
도 3은 시간에 따른 가스 압력의 프로파일이다.
도 4는 시간에 따른 강도 프로파일이다.
도 1에 도시된 듀테륨 램프는 전기 캐소드 피드스루(2), 전기 접지 피드스루(3) 및 전기 애노드 피드스루(4)를 갖춘 석영 유리로 제조된 베이스(1)에 기초한다. 전기 피드스루(2; 3; 4)에서는, 몰리브덴 포일(5)이 기밀(gas-tight) 엔클로저를 제공하기 위해 사용된다. 듀테륨 램프의 하우징 조립체(11)는, 기계적 안정성을 높이기 위해 전방 유지 핀(6) 및 후방 유지 핀(7)에 의해 또한 지지된다. 하우징 조립체(11)는 캐소드(14), 애노드(12) 및 개구(15)를 포함하며, 이들 캐소드, 애노드 및 개구는 하우징 조립체(11)에서 서로 소정 간격으로 떨어져 배치된다. 캐소드(14)는 캐소드 절연부(8)에 의해 하우징 조립체(11)로부터 절연된다. 하우징 조립체(11)는 가스 체적(9)에 의해 둘러싸인다. 가스는 바람직하게는 수소 또는 듀테륨이다. 하우징 조립체(11) 및 가스 체적(9)은 베이스(1) 및 석영 유리로 제조된 벌브(10)에 의해 기밀식으로 둘러싸이게 된다.
그 작은 원자 반경으로 인해, 듀테륨은 석영 유리 구조 내로 확산될 수 있다. 이때, 듀테륨은 틈새 사이트에서 현저하게 확산되며, 이에 따라 상기 구조에 있는 틈새에서 결합된다. SiD의 형성과 함께 화학적 결합이 또한 가능하지만, 정량적으로 무시할 만하다. 현저하게 더 큰 비활성 가스(예컨대, 네온, 크세논)의 경우, 확산 속도는 현저하게 더 작아진다. 이러한 확산 과정은 상당한 UV 복사에 의한 석영 유리의 표면 활성화에 의해 훨씬 더 가속되는데, UV 복사는 듀테륨 플라즈마에 의해 발생된다. 이에 따라 비임 방출 영역에서 석영 유리 표면에서의 확산은 매우 크다. 본 명세서에서 설명되는 확산 과정은, 램프의 충전 압력이 작동 중에 연속적으로 감소하는 결과를 초래한다. 램프의 작동을 위해 필요한 아크 방전은, 단지 어떤 최소 압력에 이르기까지만 유지될 수 있다. 가스 소모로 인해 압력이 이러한 최소 압력 미만으로 낮아지면, 이때 아크 방전은 더 이상 가능하지 않으며, 램프는 사용할 수 없게 된다. 가스 소모는 이에 따라 램프의 서비스 수명을 한정한다.
따라서, 비정질 알루미늄 산화물로 제조된 가스 확산 방지층(13)이 벌브(10)의 내측에 적용된다. 그러나, 결정질 알루미늄 산화물도 마찬가지로 구상 가능하다. 가스 확산 방지층(13)은 도 2에 도시되어 있으며, 벌브(10)의 전체 내측면에 적용된다.
가스 확산 방지층(13)은 졸-겔 침지 공정에서 2중 코팅 공정에 의해 적용된다. 각각의 개별 코팅 이후, 가스 확산 방지층은 섭씨 100 도에서 12 시간 동안 건조되고 섭씨 900 도에서 12 시간 동안 구워진다. 결과적인 가스 확산 방지층(13)은 전체 두께가 100 nm이다. 이 가스 확산 방지층은 160 nm 내지 1100 nm 사이의 범위에서 광학적으로 투명하다.
비정질 알루미늄 산화물은 석영 유리의 구조보다 현저하게 더 컴팩트하며, 이에 따라 듀테륨 확산을 현저하게 감소시킨다. 가스 소모의 이러한 감소는 도 3에 도시되어 있다. 곡선 A는 가스 확산 방지층이 없는 상태에서 램프의 프로파일을 나타낸 것이며, 곡선 B는 본 발명에 따른 가스 확산 방지층이 있는 상태에서 프로파일을 나타낸 것이다. 가스 손실이 감소함에 따라, 임계 충전 압력에 도달할 때까지 듀테륨 램프의 작동 수명이 현저하게 길어진다.
가스 손실의 감소로 인해, 듀테륨 램프의 강도 프로파일이 또한 개선되는데, 이는 듀테륨 램프의 UV 강도가 충전 가스의 입자 밀도에 의해 좌우되며, 이에 따라 충전 압력에 의해 좌우되기 때문이다. 입자 밀도는 이온화된 듀테륨 분자의 개수에 비례하며, 이는 발생된 광자의 개수를 직접적으로 결정하고 이에 따라 UV 강도를 직접적으로 결정한다. 따라서, 최대의 UV 강도가 방출되는 최적 충전 압력이 존재한다. 압력이 이러한 최적 충전 압력 미만으로 낮아지면, 이때 UV 강도는 아크 방전을 소멸시킬 때까지 연속적으로 저하된다. 듀테륨 램프의 최적 충전 압력은 기하학적 형상에 따라 대략 5 mbar이다. 압력은 대략 1 mbar의 임계 압력 미만으로 떨어져서는 안 된다.
도 4는, 가스 확산 방지층이 없는 상태에서의 듀테륨 램프의 강도 프로파일(곡선 A) 및, 본 발명에 따른 가스 확산 방지층이 있는 상태에서 듀테륨 램프의 강도 프로파일(곡선 B)을 나타낸 것이다.
1 : 베이스 2 : 전기 캐소드 피드스루
3 : 전기 접지 피드스루 4 : 전기 애노드 피드스루
5 : 포일 6 : 전방 유지 핀
7 : 후방 유지 핀 8 : 캐소드 절연부
9 : 가스 체적 10 : 벌브
11 : 하우징 조립체 12 : 애노드
13 : 가스 확산 방지층 14 : 캐소드
15 : 개구

Claims (6)

  1. 전극 피드스루(electrode feedthroughs)를 갖춘 램프 베이스;
    유리 벌브로서, 벌브의 적어도 일부분은 비임 방출면을 형성하고, 상기 램프 베이스 및 벌브는 가스 격실을 둘러싸며, 상기 벌브는 적어도 비임 방출면 상의 가스 격실을 향하는 표면에 가스 확산 방지층을 포함하고, 상기 가스 확산 방지층은 20 ㎚ 내지 200 ㎚의 두께를 가지는 것인 유리 벌브; 및
    애노드, 캐소드 및 개구를 포함하는 하우징 조립체
    를 포함하는 는 듀테륨 램프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 확산 방지층은 알루미늄 산화물로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 듀테륨 램프.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 확산 방지층은 가스 격실을 향하는 벌브의 전체 표면에 배치되는 것을 특징으로 하는 듀테륨 램프.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 확산 방지층은 160 nm 내지 1100 nm 범위인 파장의 복사에 대해 투명한 것을 특징으로 하는 듀테륨 램프.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 벌브는 석영 유리 또는 보로실리케이트 유리로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 듀테륨 램프.
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