KR101934146B1

KR101934146B1 - 롱 아크형 방전 램프

Info

Publication number: KR101934146B1
Application number: KR1020150100917A
Authority: KR
Inventors: 가즈유키 모리; 마사시 단
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2018-12-31
Also published as: JP6086253B2; JP2016048655A; CN105390366B; TW201615061A; CN105390366A; TWI621375B; KR20160026672A

Abstract

장척의 자외선 투과성의 발광관 내에 한쌍의 전극이 대향 배치됨과 더불어, 희가스와 발광 물질로서 금속이 봉입되고, 상기 전극에는 희토류 산화물을 함유하여 이루어지고, 교류 점등되는 롱 아크형 방전 램프에 있어서, 이미터(전자 방사성 물질)의 조기의 고갈을 억제하고, 발광관의 흑화나 백탁을 방지하여, 장시간에 걸쳐서 안정된 점등이 얻어지도록 한 롱 아크형 방전 램프를 제공하는 것으로서, 램프 전류의 평균치를 I(암페어：A)로 하고, 전극 선단으로부터 3mm까지의 체적을 V(㎣)로 했을 때, 0.4≤(I/V)≤1.0인 것을 특징으로 한다.

Description

롱 아크형 방전 램프{LONG-ARC TYPE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 롱 아크형 방전 램프에 관한 것이며, 특히, 전극의 전자 방사성 물질로서 희토류 산화물을 이용한 롱 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

종래부터, 플라스틱의 표면 개질이나 광 CVD, 광 애싱, UV 큐어링 등의 산업계에서는 자외선을 폭넓게 이용하고 있는데, 이러한 용도에는 롱 아크형 메탈 할라이드 램프 등의 롱 아크형 방전 램프가 사용되고 있다.

이러한 종류의 롱 아크형 방전 램프에 사용되는 전극은, 전자를 방출하는 특성과, 고온하에서도 소모·변형되기 어려운 특성을 동시에 구비할 필요가 있다. 이들 특성을 만족하는 전극 재료로서, 산화 토륨(ThO₂)을 함유한 텅스텐(토륨 텅스텐：ThW)이 많이 이용되고 있다.

이는, 토륨 텅스텐(ThW)은, 일 함수가, 2.6eV로 낮고, 저전압에서 전자를 방출할 수 있으므로, 산화 토륨이 전자 방사성 물질(이미터)로서 효과적으로 기능함과 더불어, 램프를 방전시켰을 때에 장시간 안정되게 동작시키는 것이 가능하다고 하는 특성을 가지고 있는 것에 의한다.

그러나, 토륨은 방사성 물질로서 법적 규제의 대상이며, 그 관리나 취급에 신중한 배려가 필요하고, 그 때문에 토륨을 대신할 대체 물질이 요망되고 있다.

그 토륨을 대신할 대체 물질로서, 희토류 원소 및 그 화합물을 이용하는 것이 제안되어 있다. 희토류 원소는, 일 함수가 낮고 전자 방사가 뛰어난 물질이며, 토륨의 대체 물질로서 기대되고 있다.

일본국 특허공개 2009－259790호 공보(특허 문헌 1)에는, 전극의 재료인 텅스텐에 이미터로서 부가적으로 산화란탄(La₂0₃)이나 산화세륨(CeO₂) 등을 함유시킨 롱 아크형 방전 램프가 개시되어 있다.

그러나, 산화란탄(La₂0₃) 등의 희토류 산화물은, 산화토륨(ThO₂)보다 증기압이 높기 때문에 비교적 증발하기 쉽다. 이 때문에, 음극에 함유시키는 이미터로서 산화토륨을 대신하여 희토류 산화물을 이용한 경우, 해당 희토류 산화물이 과도하게 증발해 버려, 조기에 고갈해 버린다고 하는 사태가 발생한다. 이 이미터의 고갈에 의해, 음극에 있어서의 전자 방사 기능을 잃게 되어, 발광관 단부의 흑화가 조기에 진행되어, 유효 발광 길이가 감소한다. 그리고, 전극의 변형이 조기에 발생하여, 플리커가 발생해 버려 램프 수명이 짧아진다고 하는 문제가 있다.

또한, 이미터의 증발이 증가함으로써, 전극 선단 주위의 관벽이 백탁하여 실투한다고 하는 문제도 있다.

이 때문에 토륨 이외의 희토류 산화물을 이미터 물질로서 사용한 방전 램프에 있어서는, 점등이 조기에 불안정해지는 등의 문제가 아직도 남아 있는 것이 실정이다.

일본국 특허공개 2009－259790호 공보

본 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 장척의 자외선 투과성의 발광관 내에 한쌍의 전극이 대향 배치됨과 더불어, 희가스와 발광 물질로서 금속이 봉입되고, 상기 전극에는 희토류 산화물을 함유하여 이루어지고, 교류 점등되는 롱 아크형 방전 램프에 있어서, 이미터(전자 방사성 물질)의 조기의 고갈을 억제하여, 발광관의 흑화나 백탁을 방지하고, 장시간에 걸쳐서 안정된 점등이 얻어지도록 한 롱 아크형 방전 램프를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관련된 롱 아크형 방전 램프는, 램프 전류의 평균치를 I(암페어：A)로 하고, 전극 선단으로부터 3mm까지의 체적을 V(㎣)로 했을 때, 0.4≤(I/V)≤1.0인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 롱 아크형 방전 램프는, 정상 점등 모드와 대기 점등 모드를 전환하여 점등되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발광관에 봉입되는 금속이 수은 이외의 금속인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발광관에 봉입되는 희가스의 점등전의 압력이, 6.6k~53.2kPa(50~400Torr)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 롱 아크형 방전 램프에 의하면, 램프 전류의 평균치(I)에 있어서, 전극의 선단 부근의 체적(V)당 전류치(I/V)를 적정화함으로써, 실용적인 램프 수명을 확보할 수 있었다.

즉, I/V의 값이 0.4미만이면, 전극 전체의 온도가 너무 내려가, 전극으로부터의 일정한 열 전자 방출이 곤란해져, 전극의 일부에서만 아크가 발생하게 된다. 이 때문에 아크가 발생한 개소만 국소적으로 온도가 상승하고, 그 부분에서 이미터가 고갈하여, 후에 텅스텐의 증발에 의한 흑화가 진행된다. 또한, 램프의 꺼짐이 발생하는 경우도 있다.

한편, I/V의 값이 1.0을 초과하면, 전극 전체의 온도가 너무 올라가, 전극으로부터 이미터가 증발하여, 발광관의 백탁의 원인이 된다.

도 1은 본 발명의 롱 아크형 방전 램프의 단면도이다.
도 2는 도 1의 주요부의 확대 단면도이다.
도 3은 전극의 축방향의 온도 분포이다.
도 4는 통상 점등 모드와 대기 점등 모드의 램프 전류를 나타내는 그래프이다.
도 5는 전극 선단으로부터 발광관 중앙측에의 거리에 대한 상대 조도를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 있어서의 교류 점등 방식의 롱 아크형 방전 램프의 전체 구조는, 도 1에 나타내는 것으로서, 롱 아크형 방전 램프(1)는, 석영 유리 등의 자외선 투과성의 발광관(2)의 양 단에 시일부(3)를 구비하고 있고, 그 발광관(2) 내에는 한쌍의 전극(4, 4)이 소정의 거리, 예를 들면 500mm를 떨어져 대향 배치된다.

그리고, 상기 발광관(2) 내에는, 희가스와 발광 물질로서 금속이 봉입되어 있다. 봉입되는 금속은, 예를 들면, 수은(Hg), 철(Fe), 아연(Zn), 갈륨(Ga) 등의 금속이며, 그 1종 또는 2종 이상 혼합해도 된다.

도 2에 상세가 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 있어서는, 상기 전극(4)의 비발광 공간측의 후단(4c)은, 편평 형상으로 형성되어 있고, 그 후방단에는, 그 전극 후단(4c)의 형상에 맞추어 편평 형상으로 된 석영 유리 부재가 스페이서 유리(6)로서 설치되어 있다.

시일부(3) 내에 있어서, 상기 전극(4)의 편평 후단(4c)의 상하면에 용접 등에 의해 접합된 2매의 금속박(5, 5)은, 스페이서 유리(6)의 상하면을 따라서 연장되고, 그 후방단에서 외부 리드(7)에 접속되어 있다. 그 외부 리드(7)는 발광관(2)의 외부에 돌출하여, 도 1의 급전선(8)에 접속된다.

상기 전극(4)은, 텅스텐을 모재로 하여, 희토류 산화물을 함유하고 있다. 희토류 산화물로는, 예를 들면, 란탄의 산화물인 산화란탄(La₂0₃), 세륨의 산화물인 산화세륨(CeO₂), 이트륨의 산화물인 산화이트륨(Y₂0₃) 등이 있다. 이들 희토류 산화물은 전자 방사성 물질(이미터)로서 기능한다.

희토류 산화물의 중량비는, 0.05중량%~1중량%의 범위가 적합하다. 0.05중량% 이하에서는 중량비를 안정시켜 제조하는 것이 곤란하고, 1중량% 이상에서는, 이미터의 비산이 많아, 조기에 백탁이 진행되므로, 사용할 수 없다.

또한, 전극(4)에는, 티탄족 원소(티탄·지르코늄·하프늄)의 산화물을 첨가해도 된다. 티탄속 산화물은 희토류 산화물과 고용체를 형성하기 때문에, 융점을 올릴 수 있어, 이미터의 조기의 증발을 막을 수 있다.

또한, 이 실시예에서는, 전극(4)은 전극 코어선(4a)과 그 선단에 감겨진 전극 코일(4b)로 이루어지는 것으로 나타나 있다.

이와 같이 하여 형성된 본 발명의 희토류 전극과 종래의 산화토륨을 함유하는 토륨 텅스텐(트리탄)(ThW) 전극에 대하여, 전극 선단으로부터 축방향으로 본 온도 분포가 도 3에 나타나 있다.

도 3 중, 희토류 전극을 실선(●)으로 표시하고, 트리탄 전극을 일점 쇄선(▲)으로 표시하고 있다. 또한, 1mm 이하의 점선에 관해서는, 각 온도 분포 곡선을 외삽하여 구한 것이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 이러한 종류의 교류 점등형의 롱 아크형 방전 램프에서는, 전극의 선단으로부터 3mm 부근에 온도 분포의 변곡점을 볼 수 있고, 3mm 이후의 온도는 전극 재료에 의해서 그다지 변하지 않는다. 이로부터, 선단으로부터 3mm까지의 부분이 전자 방사, 이미터의 증발 등의 특성에 실질적인 영향을 주고 있는 것을 알 수 있다.

여기서, 본 발명자들은, 전극 선단으로부터 3mm까지의 부분의 체적 V(㎣)과, 램프 전류의 평균치(평균 전류) I(암페어 A)의 관계를 검증했다.

이 평균 전류 I를 전극 선단부의 체적 V로 나눈 값(I/V)은, 전극 선단의 전류 용량을 개략 나타내고 있다. 즉, I/V(A/㎣)는, 전극 선단에 방전 플라즈마로부터 유입되는 단위 체적당 열량에 대응하는 값을 나타내고 있다.

또한, 램프는 교류 점등되므로, 램프 전류의 평균치로서, RMS치(실효값)를 사용한다. 또한, 전극 선단으로부터 3mm까지의 부분의 체적 V는, 전극 코어선과 전극 코일의 합계의 체적이다.

그런데, 상기 롱 아크형 방전 램프를 정상 점등 모드와 대기 점등 모드를 전환하여 점등하는 것이 있다.

이러한 종류의 처리 장치에 있어서의 롱 아크형 방전 램프는, 전력 소비의 저감을 위해서, 피조사물(워크)에 자외선 조사하는 정상 점등 모드와, 피조사물의 교환시 등에 있어서의 비조사시에 입력 전류를 낮추는 대기 점등 모드를 반복 전환하여 점등시키는 경우가 있다.

그 경우는, 정상 점등 모드시의 램프 전류와 대기 점등 모드시의 램프 전류의 시간 평균을 구하여, 그 값을 I로 하면 된다.

도 4에 그 평균 전류를 구하는 방법이 나타나 있다.

도 4에 있어서, 정상 점등 모드시의 램프 전류를 Ir(RMS치), 조사 시간을 Tr로 하고, 대기 점등 모드시의 램프 전류를 Is(RMS치), 조사 시간을 Ts로 한다.

이때, 평균 전류 I는,

I＝(Ir×Tr＋Is×Ts)/(Tr＋Ts)로 표시된다.

본 발명의 롱 아크형 방전 램프는, 이와 같이 하여 구해지는 I/V(A/㎣)를, 0.4 이상이고 1.0 이하로 한 것이다.

조사시의 I/V가 0.4미만이면, 전극 전체의 온도가 너무 내려가, 전극으로부터의 일정한 열전자 방출이 곤란해져, 전극의 일부에서만 아크가 발생해 버린다. 이 때문에 아크가 발생한 개소만 국소적으로 온도가 상승하고, 그 부분에서 이미터가 고갈하여, 후에 텅스텐의 증발에 의한 흑화가 진행된다. 또한, 램프의 꺼짐이 발생하는 경우도 있다.

한편, 조사시의 I/V가 1.0을 초과하면, 전극 전체의 온도가 너무 올라가, 전극으로부터 이미터가 과도하게 증발하여, 발광관의 백탁의 원인이 된다.

본 발명의 효과를 실증하기 위한 실험을 행했다.

(램프의 사양)

발광 길이：1100mm, 발광관 내 직경：22mm

봉입물：수은 0.5mg/cc, 미량의 옥소, 아르곤(Ar) 5kPa

전극：직경 φ3.0mm, 길이 30mm, 전극 선단부(3mm까지)의 체적(V) 21.2㎣

<본 발명>

전극에는 이미터로서 산화이트륨(Y₂0₃)을 함유하는, 산화이트륨(Y₂0₃)－산화지르코늄(ZrO)－텅스텐(W)(YZW)을 사용했다. 산화이트륨(Y₂0₃)의 중량%는, 전극 중량에 대하여 0.3중량%이다.

티탄족 산화물의 양은, 전극 가공 후의 농도로, 0.01~0.9중량%의 범위이다.

이하, 실험을 행한 3종류의 램프의 사양은 이하와 같다.

＜실험예 1＞

이미터로서 상기의 희토류 산화물을 함유한 전극을 사용.

점등 모드：

정상 점등 모드시：전류 26.3A, 조사 시간 30초

대기 점등 모드시：전류 14.4A, 대기 시간 30초

점등 주파수：50kHz

이 조건으로부터, 평균 전류 I 및 I/V의 값을 산출하면, 이하와 같이 된다.

I＝(26.3×30＋14.4×30)/60＝20.4A

I/V＝20.4/21.2＝0.96A/㎣

＜실험예 2＞

실험예 1의 램프와 마찬가지로 희토류 산화물을 함유한 전극을 사용.

점등 모드：

정상 점등 모드시：전류 36.4A, 조사 시간 30초

대기 점등 모드시：전류 14.4A, 대기 시간 30초

점등 주파수：50kHz

이 조건으로부터, I＝25.4A, I/V＝1.2A/㎣가 된다.

＜실험예 3＞

전극 재료로서 토륨 텅스텐(ThW)을 사용. 즉, 이미터가 산화 토륨이다.

점등 모드：

정상 점등 모드시：전류 32.3A, 조사 시간 30초

대기 점등 모드시：전류 14.4A, 대기 시간 30초

점등 주파수：50kHz

이 조건으로부터, I＝23.35A, I/V＝1.1A/㎣가 된다.

여기서, 각 실험예 1~3의 성능의 비교는, 전극 선단으로부터 방전 공간측으로 30mm의 위치에 있어서의 조도를 비교함으로써 행한다. 전극 선단으로부터 방전 공간측으로 30mm 정도의 곳에서, 방전 아크가 방전 용기의 내경 정도까지 확대된다. 여기서, 전극 선단으로부터 방전 공간측으로 30mm의 위치에 있어서의, 점등으로부터 2000시간 경과후의 상대 강도의 값을 비교함으로써 판단하는 것으로 했다.

희토류 전극을 사용한 램프(실험예 1, 2)의 값이, ThW 전극을 사용한 램프(실험예 3)의 값에 가까우면, ThW 전극과 동등한 성능을 가지는 것으로 판단할 수 있다.

그 결과가 도 5에 나타나 있다.

실험예 3(ThW 전극)의 2000시간 후의 발광 길이의 중심에 있어서의 조도를 1로 하고, 실험예 1과 실험예 2의, 각 측정 위치에 있어서의 조도를 상대치로 비교한 것이다. 전극 선단으로부터 60mm정도 방전 공간측의 범위에서 상대 조도를 비교했다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 실험예 1(I/V＝1.0)에서는, 2000h 경과후에도 전극 선단으로부터 30mm 발광부측의 조도는, 90%정도 유지할 수 있다. 이는, 종래의 ThW 전극을 사용한 실험예 3의 램프와 거의 동등한 성능이라고 할 수 있다.

한편, 실험예 2(I/V=1.2)에서는, 80%정도이며, 종래의 ThW 전극보다 떨어진다. 이는, 전극 전체의 온도가 너무 올라가, 전극으로부터 이미터가 과도하게 증발하여, 발광관의 백탁이 생겼기 때문이라고 추측된다.

이와 같이, 희토류 전극을 사용하는 경우에, I/V＝1.0이하로 하면, 종래의 ThW 전극을 사용한 램프와 동등한 성능으로 할 수 있다.

이상으로부터 알 수 있듯이, 이미터로서 희토류 산화물을 함유한 전극을 사용하는 경우, 전극 선단 부근(선단으로부터 3mm)의 전극 체적당 평균 전류치를 적정한 범위(I/V가 1.0이하)로 사용함으로써, 종래의 산화 토륨을 이미터로 한 전극과 비견할 수 있는 실용적인 수명 성능을 확보할 수 있는 것이다.

그런데, 이 값(I/V)이 1.0 이하로 작아질수록 종래의 ThW를 전극재로 한 램프의 성능에 가까워지는데, 0.4미만이 되면, 전극 전체의 온도가 너무 내려가, 전극으로부터의 일정한 열 전자 방출이 곤란해져, 전극의 일부에서만 아크가 발생하게 되므로, 이를 하한치로 했다.

또한, 이상의 설명에 있어서, 발광 물질로서의 봉입물을 수은(Hg)으로서 설명했는데, 이에 한정되지 않는다.

수은을 봉입하지 않는 램프, 예를 들면 수은 대신에 아연(Zn)을 봉입한 램프에서는, 아연의 전리 전압이 수은보다도 낮아 전리하기 쉽다고 하는 작용을 가지므로, 아크가 전극 선단 전면에 확산되기 쉽다. 이 때문에, 전극의 손모를 일정하게 할 수 있어, 단위면적당 전극에 대한 부하를 감소시킬 수 있다.

수은을 봉입하지 않는 램프에서는, 점등 후, 수은 대신에 봉입한 금속(예를 들면 아연)이 증발하는데 시간이 걸려, 램프의 방전 용기의 내압의 상승이 느리다. 이 때문에, 시동 초기의 텅스텐의 증발에 의해 흑화가 많아지는 경향이 있다.

이와 같이, 시동 초기에, 텅스텐이 증발하여 비산하는데, 전극 주위에는, 봉입 가스의 희가스가 존재하고, 전극으로부터 비산한 텅스텐은 희가스와 충돌한다.

이 때문에, 희가스의 봉입압을, 예를 들면, 6.6k~53.2kPa(50~400Torr)로 올려 두는 것이 바람직하고, 이와 같이 함으로써 전극 주위에 존재하는 희가스의 밀도도 높아져, 텅스텐과 희가스의 충돌의 빈도도 상승하므로, 텅스텐을 다시 전극에 되돌릴 수 있어, 결과적으로, 텅스텐의 증발에 의한 흑화를 막을 수 있다.

이상 설명한 것처럼, 본 발명에 관련된 롱 아크형 방전 램프는, 램프 전류의 평균치를 I(암페어：A)로 하고, 전극 선단으로부터 3mm까지의 체적을 V(㎣)로 했을 때, 0.4≤(I/V)≤1.0이라고 하는 적정 범위에서 사용함으로써, 종래 다용되고 있던 산화 토륨을 이미터재로 한 램프와 동등한 성능을 얻을 수 있어, 희토류 산화물을 이미터재로 한 램프의 실현화를 도모할 수 있는 것이다.

1: 롱 아크형 방전 램프 2: 발광관
3: 시일부 4: 전극
5: 금속박 6: 스페이서 유리
7: 외부 리드 8: 급전선

Claims

장척의 자외선 투과성의 발광관 내에 한쌍의 전극이 대향 배치됨과 더불어, 희가스와 발광 물질로서 금속이 봉입되고, 상기 전극에는 희토류 산화물을 함유하여 이루어지고, 교류 점등되는 롱 아크형 방전 램프에 있어서,
램프 전류의 평균치를 I(암페어：A)로 하고, 전극 선단으로부터 3mm까지의 체적을 V(㎣)로 했을 때,
0.4≤(I/V)≤1.0인 것을 특징으로 하는 롱 아크형 방전 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 롱 아크형 방전 램프는, 정상(定常) 점등 모드와 대기 점등 모드를 전환하여 점등되는 것을 특징으로 하는 롱 아크형 방전 램프.
청구항 1에 있어서,
상기 발광관에 봉입되는 금속이 수은 이외의 금속인 것을 특징으로 하는 롱 아크형 방전 램프.
청구항 3에 있어서,
상기 발광관에 봉입되는 희가스의 점등전의 압력이, 6.6k∼53.2kPa(50∼400Torr)인 것을 특징으로 하는 롱 아크형 방전 램프.