KR101941322B1 - 쇼트 아크 고압 방전 램프 - Google Patents

Abstract

양극의 형상 안정성, 내증발성 및 가공성을 향상시킨 쇼트 아크 고압 방전 램프를 제공한다. 방전 용기 (2) 와, 칼륨을 함유하는 텅스텐계 재료로 형성된 양극 (4) 과, 음극 (3) 을 구비하고, 상기 양극 (4) 이, 상기 양극 (4) 과 아크가 상호 작용하는 기능면 영역 (4a) 과, 상기 기능면 영역 (4a) 에 인접하는 벌크 영역 (4b) 을 포함하는 쇼트 고압 방전 램프로서, 상기 양극 (4) 의 세로축선 (Z) 에 평행한 방향의 상기 기능면 영역 (4a) 과 상기 밸브 영역 (4b) 사이에서, 상기 양극 (4) 의 상기 텅스텐계 재료의 결정 입도에 급변화가 존재하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.

Description

쇼트 아크 고압 방전 램프{SHORT ARC HIGH-PRESSURE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 1 ㎾ 보다 큰 공칭 전력으로 점등하는 쇼트 아크 고압 방전 램프에 관한 것이다.

이 종류의 램프는 일반적으로, 영화관의 영사기 (프로젝터) 에 사용되거나, 반도체 및 액정 디스플레이의 제조에 있어서의 리소그래피 기술에 사용된다. 이와 같은 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 방전 용기 내에 형성된 양극 (陽極) 과 음극을 포함한다. 이 방전 용기에는, 일반적으로 희가스 또는 희가스의 혼합기 (混合氣), 일반적으로 아르곤 (Ar), 크립톤 (Kr) 및/또는 크세논 (Xe) 을 함유하는 봉입물이 들어 있다. 많은 경우에, 이 봉입물은 추가로, 일반적으로 1 ㎎/㎤ 내지 81 ㎎/㎤ 의 양의 수은 (Hg) 도 함유한다. 이와 같은 쇼트 아크 고압 방전 램프 내의 양극은, 일반적으로 텅스텐계 재료로 형성된다.

쇼트 아크 고압 방전 램프에서는, 전자가 양극에 충돌함으로써, 양극은 고온 (일반적으로, 2000 ℃ 에서 3000 ℃ 사이) 까지 가열된다. 그 결과, 양극 재료는 증발하여, 방전 용기의 내벽에 피착 (被着) 하게 된다. 이 피착된 양극 재료는, 방전 용기를 흐리게 하거나, 또는 거무스름해지게 하고, 나아가 그것에 의해, 이 방전 램프로부터의 광속의 일부가 흡수되어, 실용 광속이 줄어들게 된다. 이와 같은 영향은 일반적으로, 방전 램프의 내용 (耐用) 기간 중, 점점 현저해진다. 따라서, 이 방전 램프의 동작 시간이 증가하면, 양극 재료가 증발함으로써, 실용 광속은 줄어들게 된다.

상기 서술한 영향에 더하여, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프의 총 내용 기간을 짧게 하고, 또한 그 실용 광속을 줄일지도 모르는 추가적인 영향도 있다. 예를 들어, 음극의 품질은, 동작 기간과 함께 끊임없이 열화된다. 특히, 음극은 닳아 감소하고, 또 음극의 전부 (前部) 선단은 더욱 넓어진다. 그러나, 특히 수은을 함유하는 봉입물을 갖는 쇼트 아크 고압 방전 램프에서는, 양극 재료의 증발은, 이 방전 램프의 총 내용 기간에 관하여 결정적 요인이다.

특히 봉입 압력이 3 바보다 높은 경우에, 이 양극의 재료의 증발은, 봉입 압력이 증가함과 함께 더욱 현저해진다. 이와 같이 높은 희가스 또는 희가스 혼합기 (일반적으로, Ar 및/또는 Kr 및/또는 Xe 를 함유한다) 의 봉입 압력은, 아크의 폭을 짧게 하기 위하여 이용된다. 이와 같이 하여, 이 방전 램프가 광학 시스템에 사용될 때에, 실용 방사광이 증가하고, 이 방전 램프는, 더욱 높은 휘도를 갖는다 (고휘도 램프). 그 결과, 양극 재료에 초래되는 높은 열부하에 의해, 열에 의해 발생하는 응력이 커지는 경우도 있고, 나아가 그것에 의해, 기능면 영역 (functional surface region) 이 국부적으로 변형되는 경우도 있다.

일반적으로, 상기 서술한 종류의 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 직류 및 정전력 (定電力) (와트) 으로 동작시키도록 되어 있다. 그러나, 몇 가지 용도에서는, 이 전력을 주기적으로 변조하는 것이 유리하다. 이와 같이 전력을 변조하여 동작시켜도, 양극 재료의 증발이 증가하는 경우도 있다.

상기 서술한 문제를 해결하기 위하여, 특히, 양극 재료의 증발을 감소시키고, 양극의 기능면 영역의 국부 변형의 출현을 감소시키기 위하여, 상이한 시도가 실시되어 왔다. 특히, 열방사에 의해, 양극으로부터 떨어진 곳에서 열류속을 증가시키기 위하여, 양극의 직경을 크게 해 왔다. 또, 양극에 코팅하고, 또한/또는 양극을 구조화하는 상이한 방법이 제안되어 왔다. 예를 들어, 양극의 기능면 영역용의 코팅 재료로서, 조립 (粗粒) 텅스텐 또는 수지상 (樹枝狀) 레늄이 사용되어 왔다. 그러나, 저온 봉입 압력이 어느 값을 초과하는 높은 봉입 압력을 갖는 쇼트 아크 고압 방전 램프에서는, 이들 대책은, 양극 재료의 증발을 허용값 이하로 억제해 두는 데에 충분하지 않다.

또한, 첨가제로서 칼륨을 함유하는 텅스텐계 재료로 양극이 형성되어 있는 방전 램프가 언급되어 왔다. 불용성 칼륨 입자는, 매우 높은 온도에서 진행되는 전위 (dislocation) 에 대하여 충분한 내구력을 부여하고, 그것에 의해, 우수한 형상 안정성을 초래한다. 우수한 형상 안정성에도 불구하고, 칼륨을 도프시킨 텅스텐 재료는, 2500 ℃ 를 초과하는 고온에서 사용되면, 결정립계를 따라 과도한 결정 성장을 나타내는 경우도 있는 것이 판명되었다. 이와 같은 결정 성장은, 높은 다공도를 초래하고, 열전도율을 낮춘다.

특허문헌 1 은, 1.5 ㎾ 보다 큰 공칭 전력에서의 DC 점등용 고압 수은 방전 램프 (양극을 포함한다) 를 기재하고 있다. 이 양극의 적어도 일부의 영역은, 적어도 약간의 텅스텐을 함유하는 재료로 형성되어 있다. 이 재료는, 1 ㎟ 당 200 입자보다 많은 결정립수와, 19.05 g/㎤ 보다 큰 밀도를 갖고 있다. 이 재료에는 칼륨을 도프시키고 있다. 그 경우, 칼륨의 양은 50 ppm 보다 적다.

국제 공개 제2008/077832 A1호 팸플릿

본 발명의 목적은, 양극의 형상 안정성과 내증발성을 향상시키고, 동시에 제조 중, 양극 재료에 고온 가공을 받게 한 후에도 양극의 우수한 가공성을 제공하는, 1 ㎾ 보다 큰 공칭 전력에서의 직류 점등용의 쇼트 아크 고압 방전 램프를 제공하는 것에 있다.

이 목적은, 청구항 1 에 기재된 1 ㎾ 보다 큰 공칭 전력에서의 직류 점등용의 쇼트 아크 고압 방전 램프에 의해 해결된다. 종속 클레임에는, 추가적인 전개가 정의되어 있다.

이 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 저온 봉입 압력이 0.5 바 이상이고, 또한 적어도 하나의 희가스와 임의로 수은을 함유하는 봉입물이 들어 있는 방전 용기, 5 ppm ∼ 80 ppm 의 칼륨을 함유하는 텅스텐계 재료로 형성된 양극 및 음극을 포함한다. 이 양극과 음극은, 방전 용기 내에 형성된다. 양극은, 직경 (d) (단, 10 ㎜ ＜ d ＜ 70 ㎜) 을 갖고, 나아가 양극과 아크가 상호 작용하는 기능면 영역과, 이 기능면 영역에 인접하는 벌크 영역을 포함한다. 이 기능면 영역은, 양극의 세로축선에 수직인 평면 내에서 측정된 결정립역이 2 ㎟ 보다 넓은, 적어도 1 입자의 결정립을 포함한다. 상기 벌크 영역 내의 텅스텐계 재료의 결정립수는, 1 ㎟ 당 100 입자보다 많다. 그 경우, 이 결정립수는, 양극의 세로축선에 수직인 제 2 평면 내에서 측정되고, 나아가 이 제 2 평면은, 상기 기능면 영역의 표면까지 축방향의 거리 (s) (단, s 는 d 보다 크다) 를 갖고 있다. 양극의 세로축선에 평행한 방향의 기능면 영역과 벌크 영역 사이에서, 양극의 텅스텐계 재료의 결정 입도에 급변화가 존재한다.

이 기능면 영역 내의 적어도 1 입자의 결정립의 결정립역은, 광학 현미경에 의해, 예를 들어, 이 기능면 영역의 연마면 상에서 결정할 수 있으며, 상기 벌크 영역 내의 텅스텐계 재료의 결정립수는, ASTM E 112 에 의해 정의되어 있다. 양극의 직경 (d) 은, 양극의 최대 직경으로서 정해진다. 양극이 원통형 부분과 인접 원추 부분을 포함하는 대표적인 사례에서는, 이 원통형 부분의 직경은, 양극의 직경 (d) 을 정한다. 저온 봉입 압력이라는 용어는, 실온에서의 방전 용기의 봉입 압력으로 해석되도록 되어 있다. 또한, 5 ppm ∼ 80 ppm 의 칼륨 함유량에 대하여, 양극의 텅스텐계 재료는 또한, 산화물의 형식으로 첨가할 수 있는 추가적인 첨가제, 특히 실리콘 (Si) 과 알루미늄 (Al) 도 함유하는 경우가 있다. 양극의 세로축선은, 아크가 넓어지는 축선에 대응한다. 상기 기능면 영역은, 예를 들어, 바람직하게는 텅스텐계 재료의 단 1 입자의 결정립에 의해 형성되거나, 혹은 2 입자 이상의 한정된 양의 결정립에 의해 형성되는 경우도 있다. 바람직하게는, 기능면 영역에 2 입자 이상의 결정립이 포함되어 있는 경우에는, 이 기능면 영역 내의 텅스텐계 재료의 모든 결정립은, 2 ㎟ 보다 넓은 결정립역을 갖는다. 상기 벌크 영역 내의 결정립수는, 1 ㎟ 당 100 입자보다 많고, 즉, 이 벌크 영역은 미세립 구조로 이루어지고, 또 이 기능면 영역 내의 결정립역이 2 ㎟ 보다 넓으며, 그것은, 비교하면 매우 큰 결정 입도에 대응하기 때문에, 결정 입도 면에서, 이 기능면 영역과 벌크 영역 사이에는 극단적인 차가 있다. 이 벌크 영역은, 기능면 영역에 인접하고 있고, 따라서, 이 기능면 영역과 벌크 영역 사이에서, 결정 입도에 급변화가 있다. 특히, 이와 같은 결정 입도의 급변화 (이것은, 2 차 재결정 중의, 불연속적인 결정립 성장의 징후이다), 양극의 텅스텐계 재료 중의 정해진 양의 칼륨, 이 기능면 영역 내의 큰 결정 입도, 및 미세 결정 입도를 조합하면, 특히 고수준의 형상 안정성과, 바람직하지 않은 결정 성장의 저리스크를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 쇼트 아크 고압 방전 램프의 내용 기간에 걸쳐, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프의 광속이 향상된다. 특히, 양극 재료의 증발에서 기인되는 실용 광속의 감소를, 특히 효율적으로 작게 할 수 있다. 벌크 영역이 기능면 영역에 인접하고 있기 때문에, 기능면 영역과 벌크 영역 사이에는, 중간 결정 입도를 포함하는 영역은 전혀 없다. 이 직류 동작용 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 예를 들어, 정전력에서의 직류 동작용에, 혹은 변조한 전력에서의 직류 동작용에 특정적으로 적합하게 할 수 있다. 이 양극은, 예를 들어 거의 원통형의 형상 (예를 들어, 기능면 영역 내에, 또는 기능면 영역의 근처에, 둥근 형상 또는 원추 형상을 포함한다) 을 갖는 경우도 있다. 이와 같은 경우, 세로축선은 이 원주 중심선에 일치한다.

일 실시예에 의해, 상기 벌크 영역 내의 텅스텐계 재료는, 실질적으로 위치에 좌우되지 않는 결정립수를 갖는다. 바꿔 말하면, 이와 같은 경우, 결정립수는, 벌크 영역의 용적에 걸쳐 거의 일정하다. 이 경우에는, 전체 벌크 영역은 미세 결정 입도를 갖고, 또 벌크 영역과 기능면 영역 사이에서, 결정 입도에 특히 갑작스러운 변화가 초래된다. 이와 같은 경우, 이 벌크 영역은 특히 우수한 가공성을 갖는다.

일 실시예에 의해, 이 양극의 텅스텐계 재료는, 19.05 g/㎤ 보다 큰 밀도를 함유한다. 이와 같은 경우, 이 양극은, 양극에 높은 열전도도가 존재하도록, 특히 조밀한 방법으로 실현된다. 이와 같이 하여, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프의 동작 중, 양극에 열에 의해 발생하는 응력을 효율적으로 억제할 수 있다.

일 실시예에 의해, 상기 기능면 영역은, 세로축선에 평행한 방향으로 두께 (t) 를 갖고 있다. 그 경우, d/20 ＜ t ＜ d/5 이고, 특히 d/10 ＜ t ＜ d/5 이다. 이 기능면 영역의 상기 두께로부터, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프의 특히 유리한 성질이 초래되는 것을 알 수 있다.

일 실시예에 의해, 상기 기능면 영역은, 5 ㎟ 보다 넓은, 특히 10 ㎟ 보다 넓은 결정립역을 갖는 적어도 1 입자의 결정립을 포함한다. 기능면 영역이 2 입자 이상의 결정립을 포함하는 경우에는, 바람직하게는, 이 기능면 영역의 모든 결정립은, 이와 같이 넓은 결정립역을 갖는다. 특히, 이와 같이 넓은 결정립역에 의해, 양극 재료의 증발이 효율적으로 억제되고, 따라서 이 방전 램프의 내용 기간이 길어진다.

일 실시예에 의해, 상기 기능면 영역은, 단 1 입자의 결정립으로 이루어져 있다. 이와 같은 경우, 결정립계는, 이 기능면 영역으로부터 배제되고, 따라서 어떤 결정립계도 아크와는 상호 작용하지 않는다. 이 점에서, 양극이 특히 안정적으로 실현된다.

일 실시예에 의해, 상기 벌크 영역 내의 양극의 텅스텐계 재료는, 1 ㎟ 당 200 입자보다 많은, 특히 1 ㎟ 당 350 입자 이상의 결정립수를 포함한다. 이와 같은 경우, 벌크 영역 내의 결정 입도는 더욱 미세하고, 따라서, 양극의 가공성이 더욱 향상된다. 또한, 벌크 영역과 기능면 영역 사이에서, 결정 입도의 변화가 급한 것이, 더욱 현저해진다. 이와 같이 하여, 형상 안정성과 내증발성이 더욱 향상된다.

일 실시예에 의해, 양극의 텅스텐계 재료 중의 칼륨의 양은 50 ppm 보다 적고, 특히 8 ppm 내지 45 ppm, 특히 10 ppm 내지 40 ppm 이다. 이들 칼륨량의 수치는, 전위의 진행에 의한 양극의 변형을 특히 효율적으로 방지한다. 이와 같은 경우, 칼륨으로 채워진 결정이 흡인성의 상호 작용을 전위에 미치는 것에 의해, 이 양극 재료는 높은 크리프 저항을 갖는다.

일 실시예에 의해, 양극의 텅스텐계 재료는 또한, Al 및/또는 Si 도 함유한다. Al 및/또는 Si 는, 예를 들어 양극의 분말 야금 제조 프로세스에 있어서, 대응되는 산화물을 첨가함으로써 제공할 수 있다. Al 과 Si 는, 유리하게는 양극의 분말 야금 제조 프로세스 중, 양극의 텅스텐계 재료 중의 칼륨 함유량을 안정시켜 양극의 고안정성이 달성되고, 또한 전위의 진행이 효율적으로 방지되도록 하고 있다.

일 실시예에 의해, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 4 ㎾ 보다 큰 공칭 전력, 바람직하게는 5 ㎾ 보다 큰 공칭 전력을 갖고 있다. 일 실시예에 의해, 이 봉입물은, 1 ㎎/㎤ 내지 50 ㎎/㎤ 의 수은을 함유한다. 특히 이들 경우에는, 양극 재료의 증발은 더 많이 발생하기 쉬우며, 효율적으로 방지해야 한다.

일 실시예에 의해, 이 저온 봉입 압력은 0.5 바 이상, 특히 1.5 바 이상이고, 또 이 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 정전력에서의 동작용에 적합하게 한다. 다른 실시예에 의해, 이 저온 봉입 압력은, 0.5 바 이상, 특히 1.5 바 이상이고, 또, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프는, 변조한 전력에서의 동작용에 적합하게 한다. 특히, 이 쇼트 아크 고압 방전 램프를 이와 같은 방법으로 적합하게 하는 경우에는, 양극 재료의 증발을 효율적으로 억제할 필요가 있다.

추가적인 전개 및 이점은, 다음의 도면을 참조하여 일 실시형태의 하기 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1 은 쇼트 아크 고압 방전 램프를 약도로 나타낸다.
도 2 는 일 실시형태에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프의 양극의 현미경 사진을 나타낸다.
도 3 은 이 실시형태에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프에 대하여, 또 2 개의 비교예에 대하여, 동작 시간의 함수로서 상대 루멘 유지율을 나타내는 그래프이다.
도 4 는 도 2 의 현미경 사진으로부터 결정된 벌크 영역과 기능면 영역 사이의 결정 입도의 차를 약도로 나타낸다.

다음으로, 이들 도면을 참조하여 일 실시형태를 설명한다. 도 1 에 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 가 나타나 있다. 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 는, 방전 용기 (2) 를 포함한다. 방전 용기 (2) 의 내부에는, 음극 (3) 과 양극 (4) 이 형성되어 있다. 도 1 에 보이는 바와 같이, 양극 (4) 은, 음극 (3) 에 면하는 측이, 테이퍼가 형성된 단 가장자리를 갖는 거의 원통형의 형상을 나타내고 있다. 음극 (3) 은, 원추형의 선단 부분을 포함한다. 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 의 동작에서는, 음극 (3) 의 원추형 선단 부분과 양극 (4) 사이에 아크가 형성된다. 이 아크는, 양극 (4) 의 세로축선 (Z) 에 거의 평행한 방향으로 넓어진다. 도시되는 실시형태에서는, 양극 (4) 의 세로축선 (Z) 은, 양극 (4) 의 원통형 부분의 원주 중심선에 일치한다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 양극 (4) 은 바람직하게는 음극 (3) 에 면하는 측에, 테이퍼가 형성된 형상을 포함하는 경우도 있다. 음극 (3) 에 면하는 측에서는, 양극 (4) 은, 아크가 양극 (4) 과 상호 작용하는 기능면 영역 (4a) 을 포함한다. 양극 (4) 은, 음극 (3) 으로부터 멀어지는 방향으로 기능면 영역 (4a) 의 바로 옆에, 벌크 영역 (4b) 을 포함한다. 기능면 영역 (4a) 과 벌크 영역 (4b) 은 양방 모두, 첨가제로서 5 ppm ∼ 80 ppm 의 칼륨을 함유하는 텅스텐계 재료로 형성된다. 바람직하게는, 칼륨의 양은 50 ppm 보다 적고, 더욱 바람직하게는 8 ppm 내지 45 ppm, 좀 더 바람직하게는 10 ppm 내지 40 ppm 이다. 기능면 영역 (4a) 과 벌크 영역 (4b) 은 양방 모두, 동일 재료로 형성되고, 거의 동일한 밀도를 함유한다. 그러나, 이하에 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 기능면 영역 (4a) 내의 결정 입도는, 벌크 영역 (4b) 내의 결정 입도와는 현저하게 상이하다. 예를 들어, 양극 (4) 의 재료는, 첨가제로서 상기 서술한 양의 칼륨이 부가된 텅스텐이어도 된다. 그러나, 또 다른 첨가제도 부가되는 경우도 있다. 예를 들어, 또 다른 첨가제로서, 소량의 알루미늄 (Al) 및/또는 실리콘 (Si) 이 첨가되는 경우가 있다. 예를 들어, 이들 첨가제는, 산화물의 형식으로 첨가되는 경우도 있다. 바람직하게는, 상기한 소량의 알루미늄 및/또는 실리콘은, 칼륨의 양과 동일한 정도이다.

상기 원통형 부분에서는, 양극 (4) 은, 10 ㎜ 내지 70 ㎜ 의 범위 내의 직경을 갖고 있다. 또한, 양극의 텅스텐계 재료는, 19.05 g/㎤ 보다 큰 밀도를 갖고 있다. 이와 같이 하여, 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 의 동작 중에, 열전도 및 열방사에 의해, 열을 기능면 영역 (4a) 으로부터 효율적으로 운반할 수 있다.

벌크 영역 (4b) 에서는, 이 텅스텐계 재료는, 1 ㎟ 당 100 입자보다 많은 결정립수, 바람직하게는 1 ㎟ 당 200 입자보다 많은 결정립수, 더욱 바람직하게는 1 ㎟ 당 350 입자보다 많은 결정립수를 갖는 미세 결정 입도를 포함한다. 이 결정립수는, ASTM E 112 에 따라서, 양극 (4) 의 세로축선에 수직인 평면 내에서 측정된다. 예를 들어, 이 결정립수는, 기능면 영역 (4a) 의 표면으로부터 거리 (s) 만큼 떨어진 곳에서 측정된다. 단, 거리 (s) 는, 상기에 정해진 직경 (d) 보다 크다. 이 결정립수는, 양극 (4) 의 전체 벌크 영역 (4b) 에 걸쳐 거의 일정하다. 바꿔 말하면, 이 결정립수는, 벌크 영역 (4b) 내에서, 실질적으로 위치에 좌우되지 않는다.

기능면 영역 (4a) 은, 양극 (4) 중 음극 (3) 에 면하는 면으로부터, 벌크 영역 (4b) 까지 넓어져 있다. 즉, 기능면 영역 (4a) 과 벌크 영역 (4b) 사이에는, 다른 영역 (중간 결정 입도/결정립수를 갖는다) 은 완전히 개재하고 있지 않다. 기능면 영역 (4a) 은, 벌크 영역 (4b) 내의 결정 입도와는 매우 상이한 결정 입도를 포함한다. 기능면 영역 (4a) 은, 단 1 입자의 결정립으로 이루어져 있거나, 혹은 소수의 결정립을 포함하는 경우가 있다. 바람직하게는, 기능면 영역 (4a) 은, 단 1 입자의 결정립에 의해 형성된다. 기능면 영역 (4a) 은, 2 ㎟ 보다 넓은 결정립역, 바람직하게는 5 ㎟ 보다 넓은 결정립역, 더욱 바람직하게는 10 ㎟ 보다 넓은 결정립역을 갖는 적어도 1 입자의 결정립을 포함한다. 이 결정립역은, 기능면 영역 (4a) 의 현미경 사진으로부터 측정된다. 기능면 영역 (4a) 내에 몇 개의 결정립이 포함되어 있는 경우에는, 이들 모든 결정립은 바람직하게는, 상기에 정해진 넓은 결정립역을 포함한다. 반경 방향에 있어서, 기능면 영역 (4a) 은, 양극 (4) 중 세로축선 (Z) 과 교차하는 표면 부분에 적어도 형성된다. 세로축선 (Z) 에 평행한 방향에 있어서, 기능면 영역 (4a) 은, d/20 내지 d/5 의 두께 (t), 바람직하게는 d/10 내지 d/5 의 두께 (t) 를 갖고 있다. 여기서 d 는, 상기에 정해진 양극 (4) 의 직경이다.

기능면 영역 (4a) 내의 결정립역이 넓고, 또 벌크 영역 (4b) (기능면 영역 (4a) 의 바로 옆에 있다) 내의 결정립수가 많은 것에 의해, 기능면 영역 (4a) 과 벌크 영역 (4b) 사이의 경계에 있어서, 결정 입도에 현저한 급변화가 존재한다. 특히, 이와 같은 결정 입도의 급변화, 즉 중간 결정 입도의 영역이 없는 것은, 양극 (4) 의 특성에 유리한 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 기능면 영역 (4a) 과 벌크 영역 (4b) 사이의 이와 같은 결정 입도의 급변화는, 기능면 영역 (4a) 내의 불연속적인 결정립 성장에 의한 것으로 생각된다.

상기 서술한 양극 (4) 의 특성은, 미분말의 형태를 취하는 텅스텐계 재료로 양극 (4) 을 형성하고, 이와 같이 형성된 큰 변형 전의 양극 재료에, 약간 낮은 온도 (예를 들어, 1300 ℃ 보다 낮다) 에서, 큰 변형 (예를 들어, 구체적인 변형도 ΔA/A ＞ 66 ％) 을 가하고, 고변형도의 에너지가 그 큰 변형 전의 양극에 받아들여지도록 하면 달성할 수 있다. 그 결과, 재결정 중에 발생하는 큰 힘이 얻어지고, 고속에 의한 결정립계의 성장이 초래되게 되고, 또 이들 결정립의 내부에 칼륨 결정이 초래된다. 그것에 의해, 그들 결정립계를 따른 바람직하지 않은 결정 성장이 억제된다.

실시예

일 실시형태에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 를, 2 개의 비교 샘플과 비교하고 있다. 이 비교의 결과는 도 3 에 나타나 있다. 도 3 에서는, 이 실시형태에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 에 대하여, 또 2 개의 비교 샘플에 대하여, 동작 시간 (시간으로 나타낸다) 의 함수로서 상대 루멘 유지율 (퍼센트로 나타낸다) 이 그려져 있다. 이 상대 루멘 유지율은, 초기 광속과 비교한 광속의 변화를 부여한다. 이 실시형태에 대한 측정값은 원으로 그려져 있지만, 제 1 비교예에 대한 측정값은, 검은 삼각형으로 그려져 있고, 또 제 2 비교예에 대한 측정값은, 검은 정방형으로 그려져 있다.

이 실시형태와 이들 비교예에서는, 각각의 양극은, 칼륨 (K), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si) 을 첨가한 텅스텐으로 형성되어 있다. 이 양극 재료의 밀도는, 3 개 모든 사례에 있어서 19.1 g/㎤ 였다.

이 실시형태에서는, 칼륨의 양은 25 ppm 이고, 또 알루미늄의 양은 18 ppm 이고, 나아가 실리콘의 양은 6 ppm 이었다.

제 1 비교예에서는, 칼륨의 양은 26 ppm 이고, 또 알루미늄의 양은 18 ppm 이고, 나아가 실리콘의 양은 7 ppm 이었다.

제 2 비교예에서는, 칼륨의 양은 24 ppm 이고, 또 알루미늄의 양은 17 ppm 이고, 나아가 실리콘의 양은 7 ppm 이었다.

이 실시형태에서는, 벌크 영역 (4b) 은, 약 350 입자의 결정립수/㎟ 를 포함하고, 또 기능면 영역 (4a) 은, 약 12 ㎟ 의 결정 입도를 갖는 단 1 입자의 결정립으로 이루어져 있었다. 도 2 에는, 이 실시형태에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프의 양극의 일부의 현미경 사진이 나타나 있다. 도 2 에서는, 기능면 영역 (4a) 은, 단 1 입자의 결정립에 의해 형성되어 있는 것과, 벌크 영역 (4b) 은 미세립을 포함하고 있는 것을 명확하게 이해할 수 있다. 따라서, 기능면 영역 (4a) 과 벌크 영역 (4b) 사이의 경계에 있어서, 결정 입도에 급변화가 존재한다. 이것은, 도 4 에 약도로 나타나 있다. 이 실시형태에 있어서의 양극 (4) 의 구조는 원하는 조성을 갖고, 또한 평균 결정 입도가 3.5 ㎛ 인 텅스텐계 분말로 양극 재료를 형성함으로써 얻어졌다. 「큰 변형 전의 (raw)」양극은, 약 2000 바에서 냉간 등방압 가압을 받아, 2200 ℃ 보다 높은 온도에서 소결하였다. 양극 (4) (혹은, 더욱 적절히 말하면, 이 단계에서는 양극 재료) 은, 1300 ℃ 보다 낮은 온도에서 66 ％ 보다 높은 구체적인 변형도 (ΔA/A) 까지 변형하였다. 이와 같이 형성된 양극 (4) 은, 2200 ℃ 에서 180 분간 어닐링되었다. 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 에 양극 (4) 을 장착한 후에, 양극 (4) 을, 약 3000 ℃ 의 최고 동작 온도까지 가열하였다. 그 경우, 가열은 약 60 분의 시간 간격에 걸쳐 연속적으로 실시되었다.

상기의 2 개의 비교예에 있어서, 벌크 영역 (4b) 과 기능면 영역 (4a) 은 양방 모두, 약 350 입자의 거의 동일한 결정립수/㎟ 를 포함하고 있었다.

이 실시형태 및 이들 비교예의 양극은 모두, 분말 야금 제조 프로세스에 있어서 형성되었다. 그 결과 얻어지는 양극의 형상은, 해머링, 연삭, 프라이스 절삭, 세정, 탬퍼링 등의 주지된 기법에 의해 실현되었다. 이 실시형태의 양극 (4) 과 대조적으로, 이들 비교예의 양극에는, 약간 낮은 온도에서의 큰 변형을 받게 하지 않았다.

도 3 에서부터 보이는 바와 같이, 이 실시형태에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프의 상대 루멘 유지율은, 동작 시간의 함수로서 현저히 향상된 거동을 나타내고 있다. 즉, 이 광속은, 이들 비교예와 비교하여, 시간과 함께 감쇠 정도가 억제된다.

따라서, 본 발명에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프의 양극의 안정성은, 종래의 실시예와 비교하여, 실질적으로 향상되어 있는 것이 나타나 있다. 본 발명에 의해, 실질적으로, 어떤 결정립계도 아크와는 상호 작용하지 않는 것이 달성된다. 어느 정도까지, 이것은, 2 차 재결정 중의 불연속적인 결정립 성장에 의한 것으로 생각된다. 불연속적인 결정립 성장은 고속으로 실시되었다. 그것에 의해, 결정립은, 결정립계로부터 실질적으로 영향을 받지 않은 상태이며, 이들 결정립계를 따라 합체에 의한 추가적인 결정립의 조대화가 회피된다. 칼륨으로 채워진 결정이 흡인성의 상호 작용을 전위에 미치는 것에 의해, 양극 재료가 높은 크리프 저항을 갖기 때문에, 전위의 진행에 의한 변형은 회피된다. 또한, 본 발명에 의한 쇼트 아크 고압 방전 램프의 동작 중에, 벌크 영역 (4b) 내의 미세하고 입자상으로 된 결정립의 추가적인 성장이 방지되는 것을 알 수 있다.

약간 특정적인 실시형태가 설명되어 왔지만, 이것을 특허 청구 범위의 범위를 한정하는 것으로 간주해서는 안되는 것으로 한다.

1 : 쇼트 아크 고압 방전 램프
2 : 방전 용기
3 : 음극
4 : 양극
4a : 기능면 영역
4b : 벌크 영역
Z : 세로축선

Claims (13)

1. 저온 봉입 압력이 0.5 바 이상이고, 또한 적어도 1 개의 희가스와, 수은을 함유하는 봉입물이 들어 있는 방전 용기 (2) 와,
   5 ppm ∼ 80 ppm 의 칼륨을 함유하는 텅스텐계 재료로 형성된 양극 (4) 과,
   음극 (3) 을 구비하고,
   상기 양극 (4) 과 상기 음극 (3) 이 상기 방전 용기 (2) 내에 형성되고, 또 상기 양극 (4) 이, 직경 (d) (단, 10 ㎜ ＜ d ＜ 70 ㎜) 을 갖고, 나아가 상기 양극 (4) 과 아크가 상호 작용하는 기능면 영역 (4a) 과, 상기 기능면 영역 (4a) 에 인접하는 벌크 영역 (4b) 을 포함하는, 1 ㎾ 보다 큰 공칭 전력에서의 직류 동작용 쇼트 아크 고압 방전 램프 (1) 로서,
   상기 기능면 영역 (4a) 이, 상기 양극 (4) 의 세로축선 (Z) 에 수직인 평면 내에서 측정된 결정립역이 2 ㎟ 보다 넓은 적어도 1 입자의 결정립을 포함하고,
   상기 벌크 영역 (4b) 내의 상기 텅스텐계 재료의 결정립수가, 1 ㎟ 당 100 입자보다 많고, 그 경우, 상기 결정립수가, 상기 양극 (4) 의 상기 세로축선 (Z) 에 수직인 제 2 평면 내에서 측정되고, 나아가 상기 제 2 평면이, 상기 기능면 영역의 표면까지 축방향의 거리 (s) (단, s 는 d 보다 크다) 를 갖고 있고, 상기 세로축선 (Z) 에 평행한 방향의 상기 기능면 영역 (4a) 과 상기 벌크 영역 (4b) 사이에서, 상기 양극 (4) 의 상기 텅스텐계 재료의 결정 입도에 급변화가 존재하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 벌크 영역 (4b) 내의 상기 텅스텐계 재료가, 위치에 좌우되지 않는 결정립수를 포함하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 양극 (4) 의 상기 텅스텐계 재료가, 19.05 g/㎤ 보다 큰 밀도를 함유하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 기능면 영역 (4a) 이, 상기 세로축선 (Z) 에 평행한 방향으로 두께 (t) 를 갖고 있고, 그 경우, d/20 ＜ t ＜ d/5 인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 기능면 영역 (4a) 이, 5 ㎟ 보다 넓은 결정립역을 갖는 적어도 1 입자의 결정립을 포함하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 기능면 영역 (4a) 이, 단 1 입자의 결정립으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 벌크 영역 (4b) 내의 상기 양극 (4) 의 상기 텅스텐계 재료가, 1 ㎟ 당 200 입자보다 많은 결정립수를 포함하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 양극 (4) 의 상기 텅스텐계 재료 중의 칼륨의 양이 50 ppm 보다 적은 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 양극 (4) 의 상기 텅스텐계 재료가, Al 및 Si 중 적어도 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    4 ㎾ 보다 큰 공칭 전력을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 봉입물이, 1 ㎎/㎤ 내지 50 ㎎/㎤ 의 수은을 함유하는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온 봉입 압력이 0.5 바 이상이고, 또 상기 쇼트 아크 고압 방전 램프는 정전력에서의 동작용인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.
13. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온 봉입 압력이 0.5 바 이상이고, 또 상기 쇼트 아크 고압 방전 램프는 변조한 전력에서의 동작용인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 고압 방전 램프.

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