KR19990082364A - 소결 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 명확하게 한정된 입자 크기를 가지는 구형 금속 분말로 형성되는 고온의 녹는점을 가지는 금속(예를 들면, 텅스텐)으로 구성된 소결 전극에 관한 것이다. 평균 입자 크기는 5 내지 70㎛이다. 입자 크기 분포는 평균 입자 크기의 최대 ±20% 범위이다.

Description

소결 전극

DE-A 42 06 909에는 1㎛ 이하의 평균 입자 크기를 가진 구형 입자로부터 형성되는 진공 전자관용 열이온 방출 음극 엘리먼트에 관해 개시되어 있다. 소결 전극의 총 부피의 5% 내지 90%가 주위에 개방된 충진되지 않은 세공(pore)으로 구성된다. 인접한 입자(그레인)간의 거리는 1㎛ 이하이다.

US-A 3 244 929에는 텅스텐과 알루미늄, 바륨, 칼슘 또는 토륨의 산화물과 같은 에미터 재료의 일부를 포함하는 소결 전극에 관해 개시되어 있다. 소결 몸체는 고체 재료로 구성된 강성 코어 핀상에 위치한다.

US-A 5 418 070에는 세공내에 에미터 재료가 결합된 다공성 텅스텐 매트릭스를 포함하는 음극에 관해 개시되어 있다. 세공은 이후에 다시 용해될 액체 구리로 매트릭스의 그린 바디(green body)를 충진함으로써 형성된다. 이러한 방법의 단점은 세공이 불규칙한 모양을 가지고 이들의 특성이 한정되지 않는다는 것이다. 제조 과정이 복잡하고 장시간을 소요한다.

DD 특허 292 764에는 텅스텐과 토륨 산화물의 혼합물 또는 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 도성 합금 소결 바디에 관해 개시되고, 여기서 소결 바디의 다공성은 바인더의 제한된 사용에 의해 제조시 제어된다. 도성 합금 분말의 입자 크기는 80 내지 550㎛이다.

공지된 소결 전극의 가장 큰 문제점은 고온에 노출되기 때문에 전극을 동작시키는 동안 소결이 계속되고 이에 의해 이들의 다공이 동작 수명동안 일정하게 유지되지 않는다는 것이다. 이로 인해, 이러한 램프는 동작 수명동안 광선속(light flux)을 유지하는 것이 어렵다.

이러한 단점 때문에, 소결 전극은 지금까지는 광범위하게 적용할 수 없었다. 대신에, 지금까지는 토륨화된 텅스텐으로 구성된 코어 핀을 포함하는 나선형 코일 전극 또는 토륨화된 텅스텐으로 구성된 핀 전극을 사용해 왔다. 각각의 경우, 이들은 지금까지는 압분 고체 재료로 제조되어 왔다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 청구항 1의 전제부에서 개시된 소결 전극을 제공하는 것이고, 이러한 소결 전극은 토륨을 사용하지 않음으로써 상대적으로 긴 동작 수명과 또한 상대적으로 낮은 아크(arc) 불안정성을 가진다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 구현된다. 바람직한 실시예들은 종속항에서 설명될 것이다.

본 발명에 따른 고압 방전 램프용 소결 전극은 고온의 녹는점을 가지는 텅스텐, 탄탈, 오스뮴, 이리듐, 몰리부덴 혹은 레늄 금속중 하나 또는 이들 금속의 합금으로 구성된 소결 바디를 포함한다. 게다가, 예를 들면, 란탄 또는 이트륨의 산화물과 같이 산화성 도펀트로서 공지된 도펀트가 금속 또는 합금에 5중량%까지 첨가될 수 있다.

소결 바디는 평균 입자 크기가 2 내지 100㎛인 금속 또는 합금의 본질적으로 구형인 분말로 제조되고, 여기서 입자 크기 분포는 평균치의 최대 ±20% 범위이고 소결 전극의 총 부피의 10 내지 40부피%가 주위에 개방된 세공을 구성한다.

세공은 충진되지 않거나 또는 에미터 첨가제를 포함할 수 있다. 전형적인 에미터 첨가제는 예를 들면, 바륨, 칼슘, 스트론튬과 같은 알칼리 토금속의 산화물과 이들의 합금이다. 알루민산염과 하프늄 혹은 지르코늄의 산화물 또는 희토류 금속(특히, Sc, Y, La, Ce, Nd, Gd, Dy 및 Yb) 또한 적합하다.

구형 분말의 평균 입자 크기는 바람직하게는 5 내지 70㎛이다.

바람직한 실시예에서, 입자 크기 분포는 평균치의 최대 ±10% 범위이다.

특히, 소결 바디는 공지된 방법으로 고체 금속으로 구성된 코어 핀상에 고정된다. 이러한 방법은 납땜 또는 용접과 같은 기술을 사용하지 않아도 된다는 장점을 가진다. 기계적 결합은 단지 수축 조립과 소결에 의해서만 이루어진다.

바람직하게는, 소결 바디와 코어 핀의 재료는 예를 들면, 순수 텅스텐과 같이 본질적으로 동일하다. 소결 바디는 충진되지 않거나 또는 에미터 첨가제(예를 들면, 란탄 산화물)를 포함할 수 있다. 코어 핀은 또한 순수 칼륨-도핑된 텅스텐 또는 레늄-텅스텐 합금으로 구성될 수 있다.

특히, 전극은 토륨을 사용하지 않기 때문에 방사성이 없다.

본 발명에 따른 전극은 여러 장점을 가진다:

제공된 고압 방전 램프의 동작 수명이 증가하고, 램프 동작 전압의 증가가 감소하고 광선속의 유지가 상당히 개선된다. 게다가, 방전관 벽의 흑화 현상이 감소한다. 더욱이, 램프는 동작하는 동안 아크 불안정성과 플리커(flicker)가 감소한다. 그 외에도, 전극 제조가 상당히 간단하다. 종래의 전극과 비교하여, 전극 코일은 필요하지 않다.

청구항 1에 따른 소결 바디를 제조하기 위한 바람직한 방법은 이하의 단계를 포함한다:

a)고온의 녹는점을 가진 텅스텐, 탄탈, 몰리부덴, 이리듐, 오스뮴 혹은 레늄중 하나 또는 이들 금속의 합금으로된 본질적으로 구형인 금속 분말을 제공하는 단계, 여기서 분말은 이하의 특성을 가진다:

금속 분말의 평균 입자 크기는 2 내지 100㎛이고;

입자 크기 분포는 평균치의 ±20%(전형적으로 10%) 범위이고; 특히 이러한 목적으로 사용된 금속 분말의 구형 입자는 단결정이다;

b)분말을 압착하는 단계; 사용된 압력의 전형적인 값은 100 내지 400MPa이고; 및

c)사용된 금속의 녹는점의 대략 0.6 내지 0.8배의 온도(Kelvin 단위)에서 압분을 소결하는 단계.

분말은 바람직하게는 단결정이다. b) 단계에서, 분말은 특히, 코어 핀 주위에서 압착된다.

c) 단계는 예를 들면, 텅스텐의 경우 바람직하게는 2,500 내지 2,800K의 온도에서 수행된다. 합금의 경우, 본 명세서에서의 녹는점은 저온의 녹는점을 가진 성분의 녹는점이다.

금속 분말이 구형이기 때문에, 압착 성형기(다이)를 충진할 때 우수한 유동 특성을 얻을 수 있다. 결과적으로, 압착은 바인더의 추가없이 수행될 수 있다는 장점을 가진다. 이는 추가의 가공 단계가 없어 오염을 방지한다.

또다른 바람직한 방법은 금속 사출 성형이다. 이러한 기술은 대응 출원 97P5568에 상세히 개시되어 있다. 이는 또한 본 발명에서 인용될 것이다. 가공 과정을 간략하게 요약하면 다음과 같다: 적합한 금속 분말이 충분한 플라스틱(바인더)과 혼합되어 과립형 초기 재료가 플라스틱의 유동 특성을 가지고 원하는 소자 모양을 가진 사출 성형기 내부로 유입됨으로써 플라스틱 사출 성형과 유사한 방법에 의해 추가로 가공될 수 있다. 금속 성분을 얻기 위하여, 그린 바디는 사출 성형기로부터 회수되고 바인더는 가열 또는 용제에 의해 그린 바디로부터 실질적으로 제거된다. 이러한 단계는 탈랍(dewaxing)으로서 알려져 있다. 다음으로 소자가 통상적인 분말 야금술에 의해 고밀도의 소자를 형성하도록 소결된다.

본질적으로 구형인 금속 분말은 둥글거나 또는 실질적으로 정확히 구형인 입자가 형성될 수 있도록 공지된 방법으로 형성된다. 카르보닐 가공(1963년 뉴욕에서 에드. 에이치. 하우스너, 고든 및 브리치 사이언스 출판사에 의해 출간된 야금술 학회의 연속 출간물 제 23권의 새로운 형태의 금속 분말)이 일례다. 단결정 금속 분말을 사용하면 매우 우수한 결과를 얻을 수 있다.

동일 크기의 구형 분말 입자는 소결되는 동안 다면체형의 평형 표면을 나타낸다. 예를 들면, 이들은 [110] 또는 [111] 평면이다. 이러한 다면체 표면이 더 이상은 소결되지 않아 이러한 본 발명의 소결 바디의 다공성이 실질적으로 동작 수명이상 일정하게 유지된다는 점은 매우 이채롭다. 이는 개방 다공성을 가진 스폰지 바디이다.

소결 바디가 작동하는 방법은 이하에서 소결 바디가 순수(즉, ThO₂-비함유) 텅스텐으로 형성되는 실시예에 의해 설명된다.

초기 재료는 매우 일정한 직경 즉, 좁은 입자 크기 분포를 가진 구형 텅스텐 분말이다. 분말의 이러한 동일성은 결국 고온에서의 소결 바디의 고도의 안정성과 램프의 동작 수명 동안 상응하는 안정된 상태를 가져온다. 특히, 분말은 ThO₂-비함유 코어 핀 주위에 곧바로 압착될 수 있다. 다음으로 대략 2350(±100)℃의 비교적 낮은 온도에서 소결된다. 텅스텐의 녹는점의 대략 0.7배에 해당하는 이러한 낮은 온도는 콤팩트 텅스텐 재료에 대한 통상적인 소결 온도 2800-3000℃에 비해 상당한 에너지 절감을 가져온다.

추가의 에미터 첨가제는 필요하지 않지만, 만일 필요하다면 보이드(void) 또는 세공내에 유입될 수 있다.

최종 소결 스폰지 전극의 나머지 다공은 초기 재료의 구 크기에 의해 목표된 방식으로 설정될 수 있다. 스폰지 전극에 대해 5 내지 70㎛의 구 크기를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 대략 15 내지 30부피%의 나머지 다공을 얻을 수 있도록 한다.

램프내의 스폰지 전극의 특히 바람직한 예가 이하에서 설명된다:

본 발명에 따른 전극의 경우에 있어서, 대부분의 전극 영역에서 방전이 발생된다. 종종 국부적으로 매우 높은 온도와 방전 포인트의 이동을 야기하는 종래의 전극으로부터 알 수 있는 방전 포인트가 방지된다. 전체 스폰지 바디상의 온도 분포는 전체적으로 균일하다. 대조적으로, 종래의 전극은 높은 온도 기울기를 가진다. 특히 끝부분에서, 전극의 후면부에서보다 전형적으로 500K 더 높은 온도를 가진다.

램프를 점화시킨 이후에, 글로 방전에서 아크 방전으로의 변환은 종래의 고체 전극을 사용하는 경우보다 소결 전극을 사용할 때 더욱 빠르게 발생하는데, 이는 핀치 방향에서의 전극의 끝부분으로부터의 열전도가 소결 바디의 소결 그레인 사이의 적은 접촉 영역 때문에 매우 많이 감소되기 때문이다.

게다가, 수직 동작 위치의 경우에는 특히, 핀치 밀봉부에 인접한 방전관의 더 많은 가열이 스폰지 전극의 경우에 얻을 수 있다. 이는 더 많은 광을 발광하는 전극의 표면 영역이 더 많기 때문이다. 그러므로 진공관 단부에서 반사 코팅은 더 작게 형성되거나 또는 완전히 생략되어도, 더 많은 광선속을 제공한다.

본 발명은 도면을 참조로 하여 이하에서 상세히 설명될 것이다.

본 발명은 청구항 1의 전제부에 개시된 소결 전극에 관한 것이다. 예를 들면, 금속 할로겐화물 램프 또는 나트륨 고압 방전 램프와 같은 고압 방전 램프에 사용되는 소결 전극에 관한 것이다.

도 1은 소결 전극의 단면도이다.

도 2는 소결 전극을 가진 금속 할로겐화물 램프를 도시한다.

도 1에 도시된 150W 램프용 소결 전극(1)은 실린더형 소결 바디(2)를 포함하고, 방전관으로부터 1/2정도 떨어진 실린더형 소결 바디 내부에 텅스텐으로 구성된 고체 코어 핀(5)이 축방향으로 압착되어 있다. 소결 바디(2)는 10㎛의 평균 입자 크기를 가진 구형 금속 분말로부터 형성되는 텅스텐을 포함한다. 입자 크기 분포는 평균치의 ±10% 범위이다. 나머지 다공은 대략 15부피%이다.

코어 핀의 직경은 대략 0.5㎜이고, 소결 바디의 외부 직경은 대략 1.5㎜이다.

실시예로서의 도 2는 150W의 전력을 가진 금속 할로겐화물 램프(9)를 도시한다. 이는 금속 할로겐화물 충진을 가진 수정 유리관(10)을 포함한다. 양쪽 단부에서 외부 전력 리드(11)와 몰리부덴 호일(12)이 핀치(13)내에 삽입된다. 전극(1)의 코어 핀(5)은 몰리부덴 호일(12)에 고정된다. 전극은 방전관(10) 내부로 돌출한다. 방전관의 두 단부는 각각 지르코늄 산화물로 구성된 열-반사 코팅(14)을 가진다.

다른 실시예에서, 전극은 방전 단부에서 둥글어지거나 또는 포인트를 가지는 소결 바디를 포함한다. 소결 바디는 텅스텐을 포함하고, 반면에 압착된 코어 핀은 레늄, 레늄-도금된 텅스텐 또는 몰리부덴을 포함한다.

본 발명에 따른 소결 전극을 제조하는 바람직한 방법은 공지된 금속 사출 성형 방법에 기초한다. 이러한 원리는 대응 출원 제 호(국내 출원 번호 97P5568)에 개시되어 있다. 이러한 대응 출원이 참조를 위해 인용된다. Advanced Performance Materials 3, p121-151(1996)의 피. 제이. 버부르트등의 "분말 사출 성형의 개요"를 참조한다.

본 발명의 소결 전극을 위해, 이하의 단계가 사용된다:

-텅스텐, 탄탈, 몰리부덴, 오스뮴, 이리듐 또는 레늄과 같은 고온의 녹는점을 가진 금속 또는 이들 재료의 합금으로 구성된 본질적으로 구형인 특히, 단결정 금속 분말이 제공되는데, 여기서 분말은 이하의 특성을 가진다:

금속 분말의 평균 입자 크기가 2 내지 100㎛이고;

입자 크기 분포가 평균치의 최대 ±20% 범위이다;

-분말과 (종종 밀랍으로 불리는) 바인더의 혼합 원료와 중합체를 제공하는 단계;

-사출 성형기 내부에 혼합 원료를 주입하는 단계;

-바인더를 화학적 및 열적으로 제거하는 단계(탈랍 단계); 및

-사용된 금속의 녹는점의 대략 0.6 내지 0.8배의 온도로 소결하는 단계.

바람직한 실시예에서, 혼합물은 사출 성형기내의 코어 핀 주위에 주입되고 소결되는 동안 이러한 코어 핀과 결합된다.

이러한 전극은 상당히 더 길어진 동작 수명을 갖는다. 150W의 전력을 가진 금속 할로겐화물 램프에서 측정한 결과, 5 내지 20㎛의 입자 크기를 가진 금속 분말을 사용할 때 1000시간 이후의 광선속의 유지는 각각의 경우 초기 광선속의 95%이다. 이와 비교하여, 종래의 기술(종래의 텅스텐 재료로 도핑된 핀 전극)에서 측정한 결과 1000시간 이후의 광선속은 83 내지 90%의 강하를 나타낸다.

Claims (12)

1. 고온의 녹는점을 가지는 텅스텐, 탄탈, 오스뮴, 이리듐, 몰리부덴 혹은 레늄 금속중 하나 또는 이들 금속의 합금으로 구성된 소결 바디(2)를 포함하는 고압 방전 램프용 소결 전극(1)에 있어서,

   상기 소결 바디(2)는 평균 입자 크기가 2 내지 100㎛인 금속 또는 합금의 구형 단결정 분말로 제조되고, 여기서 입자 크기 분포는 평균치의 최대 ±20% 범위이고 상기 소결 전극의 총 부피의 10 내지 40부피%가 주위에 개방된 세공으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세공은 충진되지 않거나 또는 에미터 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 평균 입자 크기는 5 내지 70㎛인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자 크기 분포는 평균치의 최대 ±10% 범위인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 소결 바디(2)는 고체 재료로 구성된 코어 핀(5)상에 고정되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 소결 바디(2)와 상기 코어 핀(5)의 재료는 동일한 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 금속은 최대 5중량%의 도펀트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프용 소결 전극.
8. 제 1 항에 따른 소결 전극을 제조하는 방법에 있어서,

   -텅스텐, 탄탈, 몰리부덴, 오스뮴, 이리듐 또는 레늄과 같은 고온의 녹는점을 가진 금속 또는 이들 재료의 합금으로 구성된 구형 단결정 금속 분말을 제공하는 단계를 포함하는데, 여기서:

   상기 금속 분말의 평균 입자 크기가 2 내지 100㎛이고;

   입자 크기 분포가 평균치의 최대 ±20% 범위이며;

   -분말을 압착하는 단계; 및

   -사용된 금속의 녹는점의 0.6 내지 0.8배의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 전극 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 분말은 코어 핀(5) 주위에서 압착되고 상기 소결하는 단계 동안 상기 코어 핀에 결합되는 것을 특징으로 하는 소결 전극 제조 방법.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 압착하는 단계는 바인더를 추가하지 않고 수행되는 것을 특징으로 하는 소결 전극 제조 방법.
11. 제 1항에 따른 소결 전극을 제조하는 방법에 있어서,

    -텅스텐, 탄탈, 몰리부덴, 오스뮴, 이리듐 또는 레늄과 같은 고온의 녹는점을 가진 금속 또는 이들 재료의 합금으로 구성된 구형 단결정 금속 분말을 제공하는 단계를 포함하는데, 여기서:

    상기 금속 분말의 평균 입자 크기가 2 내지 100㎛이고;

    입자 크기 분포가 평균치의 최대 ±20% 범위이며;

    -상기 분말과 바인더로된 혼합 원료를 제공하는 단계;

    -사출 성형기 내부에 상기 혼합 원료를 주입하는 단계;

    -상기 바인더를 화학적 및 열적으로 제거하는 단계; 및

    -사용된 금속의 녹는점의 0.6 내지 0.8배의 온도로 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 전극 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 혼합 원료는 상기 사출 성형기내의 코어 핀 주위로 주입되고 상기 소결하는 단계 동안 상기 코어 핀에 결합되는 것을 특징으로 하는 소결 전극 제조 방법.