KR20020040890A - 수은램프, 램프유닛과 수은램프의 제조방법 및 전구 - Google Patents

수은램프, 램프유닛과 수은램프의 제조방법 및 전구 Download PDF

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Abstract

관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관(10)과, 발광관(10) 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극(12)을 구비하는 고압방전램프(100)로서, 할로겐 몰 수는, 할로겐과 결합하는 성질을 갖는 금속원소이고 발광관(10) 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐원소 및 수은원소 제외)의 합계 몰 수와, 램프동작 중에 있어서 전극(12)으로부터 증발하여 발광관 내에 존재하는 텅스텐 몰 수의 합보다 많은 고압방전램프(10)이다.

Description

고압방전램프, 램프유닛과 고압방전램프의 제조방법 및 전구{HIGH PRESSURE DISCHARGE LAMP, LAMP UNIT, METHOD FOR PRODUCING HIGH PRESSURE DISCHARGE LAMP AND INCANDESCENT LAMP}
종래 고압방전램프의 구체적인 예로는, 일특개평 2-18561호 공보, 일본특허 2980882호 공보에 개시된 고압수은증기 방전램프가 있다. 이들 공보에 개시된 고압방전램프의 구성을 모식적으로 도 13에 나타낸다. 이하 도 13을 참조하면서 종래의 고압방전램프(1000)를 설명하기로 한다.
램프(1000)는 석영유리로 구성된 발광관(벌브)(110)과, 발광관(110) 양끝에 연결된 한 쌍의 봉함부(시일부)(120)를 구비한다. 발광관(110) 내부(방전공간)에는, 텅스텐을 재료로 하는 한 쌍의 텅스텐전극(W전극)(112)이 일정 간격을 두고 서로 대향 배치되며, W전극(112)의 한끝은 봉함부(120) 내 몰리브덴박(Mo박)(124)과 용접되어, W전극(112)과 Mo박(124)은 전기적으로 접속된다. Mo박(124)의 한끝에는 몰리브덴으로 구성된 외부리드(Mo봉)(130)가 전기적으로 접속된다.
상기 일특개평 2-18561호 공보에는 도 13에 나타낸 구성과 마찬가지 구성에서, 희가스와, 200㎎/㏄ 이상의 수은(118)과 10-3~10-1㎛ol/㏄ 범위의 할로겐을 발광관(110) 내에 봉입시켜, 100W/㎠ 이상의 관벽부하로 동작시키는 고압방전램프가 개시되어 있다.
일특개평 2-18561호 공보에 의하면, 100W/㎠ 이상으로 관벽부하를 높이면 최냉점 온도를 높일 수 있으므로, 200㎎/㏄ 이상의 수은을 봉입했을 경우 발광관(110) 내 압력이 높아지고, 특히 적색영역의 연속 스펙트럼이 증가하여 연색성이 개선된다는 것이 기재되어 있다. 또 할로겐 봉입은 발광관(110)의 흑화를 방지하기 위해서라는 이유는 기재되어 있지만, 10-3~10-1㎛ol/㏄ 범위의 할로겐 봉입을 규정하는 명확한 이유는 특별히 기재되지 않았다.
한편, 일본특허 2980882호 공보에는 도 13에 나타낸 구성과 마찬가지 구성에서 희가스와, 160㎎/㏄ 이상의 수은(118)과, 2 ×10-1~7㎛ol/㏄ 범위의 할로겐을 발광관(110) 내에 봉입시켜, 80W/㎠ 이상의 관벽부하로 동작시키는 고압방전램프가 개시되어 있다.
일본특허 2980882호 공보에 의하면, 80W/㎠ 이상의 관벽부하로 동작시켰을 경우 발광관(110) 온도가 높아짐으로써 석영유리의 흡수파장대역이 장파장 쪽으로 어긋나므로, 파장 185㎚의 수은-희가스 엑시머 광(160㎎/㏄ 이상의 수은(118)을 봉입한 경우에 고압의 수은증기와 희가스 혼합가스 중의 방전에서 방사되는 광)이 흡수되기 쉬운 상태로 되고, 그 결과 석영유리의 유백색 실투가 급격하게 성장한다는추측이 기재되어 있다. 또 단파장 자외선을 흡수한 석영유리로부터 Si 또는 SiO이 방출되며, 이들이 전극(112) 선단에 부착하여 텅스텐 융점을 낮게 함으로써 전극(112)의 변형이나 텅스텐의 관벽흑화를 발생시킨다는 기재도 있다.
일본특허 2980882호 공보에서는 이 과제에 대하여, 2 ×10-1㎛ol/㏄ 이상 범위의 할로겐을 봉입시켜 엑시머 광을 할로겐으로 흡수시킴으로써, 석영유리의 유백색 실투를 방지하는 것이 기재되어 있다. 그리고 할로겐 봉입량을 7㎛ol/㏄ 이하로 하는 이유는, 전극(112) 변형을 방지하기 위한 것이라는 점이 기재되어 있다. 또한 유백색 실투의 성장을 억제하기 위해 석영유리 내표면(깊이 0.2㎜ 범위)의 평균 OH기 농도를 20ppm 이하로 규정하는 것이 개시되어 있다.
또 당해 공보에 있어서, 탄소는 점등 중에 발광관(110) 내면에 부착하여 자외선을 흡수하여, 결과적으로 석영유리의 유백색 실투를 촉진시키므로, 할로겐을 발광관(110) 내에 봉입하는 형태로서, 탄소를 함유하는 화합물(CH2Br2등)이 아닌 예를 들어 브롬화수소(HBr) 등의 형태로 실시한다는 기재가 있다. 또한 석영유리 중의 알루미늄과 알칼리금속(나트륨, 칼륨, 리튬)과의 비가 높아질수록 유리 점성도가 높아지므로 유백색 실투(SiO2의 결정성장) 속도가 낮아진다는 것이 소개되어 있다. 그리고 이와 같은 사양으로, 액정프로젝터로서 필요로 하는 2000 시간 정도의 수명을 갖는 고압방전램프가 실현 가능하다는 것이 설명되었다.
종래의 고압방전램프(1000)에서는 상기 공보에 나타난 바와 같이, 발광관(110)의 흑화 또는 유백색 실투를 할로겐으로 방지하고 있다.
본원 발명자는, 상기 공보에 개시된 기술 및 사양에 기초하여 여러 종류, 다수의 할로겐을 함유한 고압방전램프를 시험제작하고, 시험제작한 램프를 반사경에 조립시켜 수명시험을 실시하여, 액정프로젝터 등의 스크린 조도변화를 조사한 바, 수십 시간에서 수백 시간 정도의 점등시간으로 스크린 조도가 현저하게 감소한다는 과제가 있음을 발견했다. 특히 일특개평 2-18561호 공보에서 실시예에 개시되지 않은 50W 이상의 고출력 램프에 대하여, 조도저하가 심해진다는 결과를 얻었다. 또 이들 종래의 램프는 점등시간이 길어짐에 따라 방전개시 시 전압이 높아져, 점등이 점점 어려워진다는 과제를 갖고 있음을 알았다.
본원 발명자는 이들 램프를 상세하게 관찰한 결과, 다음과 같은 식견을 얻었다. 즉, 제일 처음에 점등 직후로부터 빠른 시간에 발광관(110) 내면에 전극(112)의 텅스텐이 부착하여 발광관(110)이 검게 되며(흑화), 다음으로 그 흑화가 급속하게 진행되고, 이 흑화가 원인이 되어 발광관(110)의 투과율이 현저히 저하되며, 발광관(110) 내에서 나오는 광량이 저하됨을 알았다. 이 관찰 결과는 상기 공보에 개시된 기술 및 사양만으로는, 발광관(110)에 할로겐을 봉입시켜도 발광관(110)의 흑화나 유백색 실투를 완전히 방지할 수 없음을 의미한다. 따라서 상기 공보에 개시된 종래 램프(1000)에서는 램프를 점등한 후, 빠른 시간에 광 출력이 저하되어버린다는 결과를 초래한다.
퍼스널 컴퓨터의 화면 등을 확대 투사시키는 액정프로젝터(이른바 데이터 프로젝터)에 있어서, 이런 종류의 종래 램프(1000)를 사용할 경우, 램프의 단수명은 그리 큰 문제가 되지는 않았다고 생각된다. 그 이유를 말하자면, 이와 같은 용도에서는, 회사나 학교 등의 회의장에서 불특정 다수의 사람들에게 비교적 단시간 사용되는 것이 대부분이기 때문에, 램프를 교환하는 작업이 빈번하게 행해지는 일은 실질적으로 없어 사용자에게 부담이 되지 않았기 때문이다.
그러나 종래의 램프(1000)를 일반가정용TV(프로젝션 TV)에 사용하는 경우에는, 종래 램프(1000)의 단수명은 커다란 문제가 된다. 즉 디지털방송으로 대표되는 바와 같이, 일반가정에 수십 채널의 TV프로그램이 방송되게 된 현재, 가정에서도 대화면 TV로 이들 방송을 멀티화면으로 즐기거나, 나아가 화상과 함께 많은 문자정보 등을 표시하고자 하는 요망이 증가되고 있다. 이 요망에 대하여 대화면 영상을 간단히 얻을 수 있는 데이터 프로젝터를 일반가정용 TV(프로젝션 TV)에 응용하기 위한 개발이 본격적으로 개시됐지만, 이러한 용도의 경우 TV는 하루에 몇 시간이나 사용되므로, 데이터 프로젝터에서 사용되는 경우보다 램프 점등시간이 필연적으로 길어진다. 또한 램프 교환이 필요 없거나 또는 가능한 한 적은 것이 요망된다. 이 요망에 부응하기 위해서는, 적어도 5000 시간에서 10000 시간 이상의 램프수명이 필요해진다. 그러나 종래의 램프(1000)를 사용하면, 투사형 액정TV 등에 필요하다고 생각되는 5천 시간에서 1만 시간 이상의 램프수명은 달성할 수 없다.
본 발명은 이러한 여러 점에 감안하여 이루어진 것으로 그 주된 목적은 장수명의 고압방전램프를 제공하는 데 있다.
본 발명은 고압방전램프, 램프유닛과 고압방전램프의 제조방법 및 전구에 관한 것이다. 특히 일반조명, 및 반사경과 조합시켜 액정프로젝터나 투사형 액정TV에 사용되는 고압방전램프에 관한다.
도 1은 본 발명에 의한 실시형태에 관한 고압방전램프(100)의 구성을 모식적으로 나타낸 단면도.
도 2는 각종 금속원소와 할로겐과의 화학반응의 자유에너지 변화(ΔG)와 온도(K) 관계를 나타내는 그래프.
도 3A∼도 3C는 램프(100)의 발광스펙트럼(방사강도)을 나타내는 그래프.
도 4A∼도 4C는 종래 램프(1000)의 발광스펙트럼(방사강도)을 나타내는 그래프.
도 5는 발광관(10) 주위의 확대도.
도 6은 본 발명에 의한 실시형태에서 램프의 수명특성을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 실시형태의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 8은 램프제작공정을 설명하기 위한 공정단면도.
도 9는 열처리 시간(시간)과 수소량(임의눈금)의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은 램프유닛(500)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 11은 전구(200)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 12는 전구(300)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 13은 종래의 고압방전램프(1000)의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 14A 및 도 14B는 램프 점등 시의 발광관을 모식적으로 확대시킨 도면.
본 발명에 의한 제 1 고압방전램프는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며, 상기 할로겐의 몰 수는, 상기 할로겐과 결합하는 성질을 갖는 금속원소이고 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐 원소 및 수은원소는 제외함)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 상기 전극으로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많다.
상기 금속원소(단 텅스텐 원소 및 수은원소는 제외함)의 각 종류를 Mi로 했을 때의 상기 금속원소(Mi)의 몰 수를 mi로 하며, 상기 금속원소(Mi)의 화학양론계수를 ni로 한 경우에 있어서, 상기 금속원소(Mi)의 상기 몰 수(mi)에 상기 화학양론계수(ni)를 곱한 수를 상기 금속원소(Mi)의 각 종류에 더한 합계 수((mi×ni))와, 상기 텅스텐의 상기 몰 수와의 합보다, 상기 할로겐의 상기 몰 수가 많은 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 제 2 고압방전램프는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며, 상기 발광관 내에 봉입된 할로겐을 X로 했을 때의 상기 할로겐(X)의 몰 수를 N으로 하고, 상기 할로겐(X)과 결합하는 성질을 갖는 금속원소이며 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소의 각 종류를 Mi로 했을 때, 상기 금속원소(Mi)의 몰 수를 mi로 하고, 상기 금속원소(Mi)의 화학양론계수를 ni로 하고, 또 텅스텐을 W로 한 경우에 있어서, 다음 식(1)의 화학반응에서의 평형상수를 Ki로 하며 (Mi+niX→MiXni식(1)), 다음 식(2)의 화학반응에서의 평형상수를 Kw로 했을 때 (W+X→WX 식(2)), 평형상수(Kw) 이상의 평형상수(Ki)를 갖는 금속원소(Mi)의 몰 수 합계와, 램프동작 중에 상기 전극에서 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐(W) 몰 수와의 합보다, 상기 발광관 내에 봉입된 할로겐(X)의 몰 수(N) 쪽이 많은 것을 특징으로 한다.
상기 평형상수(Kw) 이상의 상기 평형상수(Ki)를 갖는 상기 금속원소(Mi)의 몰 수(mi)에 상기 화학양론계수(ni)를 곱한 수를 상기 금속원소(Mi)의 각 종류에 더한 합계 수((mi×ni))와, 상기 텅스텐의 상기 몰 수와의 합보다, 상기 할로겐(X)의 상기 몰 수(N)가 많은 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 상기 금속원소는, 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 세슘(Cs), 루비듐(Rd), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1 종이다.
상기 발광관 내에 함유된 수소(H) 함유량이 0.15 체적% 이하인 것이 바람직하다.
상기 발광관 외면의 인장응력이 100psi 이하이며, 상기 발광관 내면의 압축응력이 100psi 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 제 3 고압방전램프는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며, 상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐의 몰 수는, 상기 발광관 내에 존재하는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 상기 전극에서 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 것을 특징으로 한다.
상기 할로겐 몰 수는 상기 발광관 내에 존재하는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs) 및 루비듐(Rb)의 합계 몰 수와, 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 제 4 고압방전램프는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며, 상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소이고 1가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 상기 전극으로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수의 합보다 많은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 제 5 고압방전램프는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 함유량이 각각 1ppm 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 함유량이 각각 1ppm 이하인 것이 바람직하다.
상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 리튬(Li)의 합계 몰 수보다 많은 것이 바람직하다.
상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는나트륨(Na), 칼륨(K) 및 리튬(Li)의 상기 합계 몰 수의 5 배 이상인 것이 바람직하다.
상기 전극에 함유되는 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 함유량이 3ppm 이하인 것이 바람직하다.
상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 합계 몰 수보다 많은 것이 바람직하다.
상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 상기 합계 몰 수의 5 배 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 제 6 고압방전램프는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며, 상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 함유량이 각각 1ppm 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 발광관 내에 함유되는 수소(H) 함유량이 0.15 체적% 이하인 것이 바람직하다.
상기 발광관 외면의 인장응력이 100psi 이하이며, 상기 발광관 내면의 압축응력이 100psi 이하인 것이 바람직하다.
상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 OH기 함유량이 5ppm 이하인 것이바람직하다.
상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 알루미늄(Al) 함유량이 10ppm 이하인 것이 바람직하다.
상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 양은 100㎛ol/㎤ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐은 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중의 적어도 하나이다.
상기 발광관의 관벽부하가 80W/㎠ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시형태에서는 상기 발광관 내에 추가로 수은(Hg)이 봉입된다.
상기 발광관 내에 봉입되는 상기 수은(Hg)의 양은 150㎎/㎤에서 300㎎/㎤이며, 램프 동작 중의 수은증기압은 15MPa에서 30MPa인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 램프유닛은 상기 방전램프와, 상기 방전램프로부터 발하는 광을 반사하는 반사경을 구비한다.
본 발명에 의한 고압방전램프의 제조방법은, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프의 제조방법이며, 고압방전램프의 형상을 완성시켜 램프형상 완성체를 얻은 후, 상기 램프형상 완성체의 잔류왜곡을 제거하는 공정을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 있어서 상기 잔류왜곡을 제거하는 공정은, 상기 램프형상 완성체를 1000℃에서 1100℃의 고온조건하에서 1 시간 이상 유지하는 공정을포함한다.
상기 고온조건하에서 유지하는 공정은 100 시간 이상 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 전구는, 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입된 밸브와, 상기 밸브 내에 배치된 한 쌍의 내부도입선 사이를 연결하며, 실질적으로 텅스텐으로 된 필라멘트를 구비하는 전구이며, 상기 할로겐 몰 수는, 상기 할로겐과 결합하는 성질을 갖는 금속원소이며 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐 원소는 제외)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 상기 필라멘트로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많다.
본 발명에 의하면 할로겐 몰 수가, 발광관 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐원소 및 수은원소는 제외)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 전극으로부터 증발하여 발광관 내에 존재하는 텅스텐 몰 수와의 합보다 많으므로, 발광관의 흑화를 방지할 수 있고, 그 결과 장수명의 고압방전램프를 제공할 수 있다. 발광관의 관벽부하가 예를 들어 80W/㎠ 이상인 경우라도, 발광관의 흑화를 방지할 수 있으므로, 종래 기술에서는 조기에 램프수명이 다해 버리는 고출력조건에서 사용해도 장수명(예를 들어 5000 시간에서 10000 시간 이상) 고압방전램프를 제공할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 실시형태를 설명하기로 한다.
우선 본 발명의 실시형태를 설명하기 전에, 고압방전램프의 발광관에 있어서 흑화가 발생하는 메커니즘에 대하여 설명하기로 한다. 할로겐을 봉입한 고압방전램프에 있어서 흑화가 발생하는 메커니즘에 대해서는, 이제까지 확실하게 판명되지 않은 것이 현실인데, 본원 발명자는 여러 실험을 거친 위에 화학평형론에 근거한해석을 진행시킨 결과, 다음과 같은 메커니즘으로 흑화가 진행되었음을 추론하였다.
도 14는 램프 점등 시의 발광관을 모식적으로 확대시켜 나타낸다. 도 14A에 나타낸 바와 같이 램프 동작 시에는, 융점에 가까운 고온상태로 된 전극(112)의 거의 선단부(당해 선단부에는 수천도 이상의 고온아크가 접해있다)로부터 텅스텐(W)이 증발한다. 증발한 텅스텐은, 도면의 화살표로 나타낸 바와 같이 고온의 방전아크 주변을 통해, 통상 수백℃에서 천 수백℃의 온도상태로 된 발광관(110) 내벽을 향해 이동한다. 이 이동 중에, 증발한 텅스텐(W)이 할로겐(X)과 결합하여 할로겐화 텅스텐(WX)으로 되면, 점등 중 수백℃ 이상이 된 고온의 발광관(110) 내면에 할로겐화 텅스텐이 부착하는 일은 없다. 그 이유는, 점등 중의 온도에 있어서 할로겐화 텅스텐은 매우 증발하기 쉬우므로, 설령 할로겐화 텅스텐이 발광관(110) 내면에 부착해도 발광관(110) 내면으로부터 쉽게 떨어질 수 있기 때문이다.
그러나 도 14B에 나타낸 바와 같이, 발광관(110) 내에 증발한 텅스텐(W) 이외에 금속원소(M)가 존재하면, 할로겐(X)은 텅스텐(W)과 결합하기 전에 그 금속원소(M)와 결합하여 할로겐화합물(MX)을 형성해버린다. 그 이유는, 수은을 제외한 거의 모든 금속원소와 할로겐의 화학반응의 평형상수는, 발광관(110) 내의 온도영역(특히 아크 주변의 2천~3천℃에서 발광관(110) 내면 부근의 수백℃까지의 온도영역)에서, 텅스텐과 할로겐의 화학반응의 평형상수보다 크기 때문이다. 이는 텅스텐(W)과 금속원소(M)와 할로겐(X)이 혼재할 경우, 우선 금속원소(M)와 할로겐(X)이 반응해버리는 것을 의미한다. 따라서 발광관(110)에 봉입된 할로겐 중, 금속원소와 할로겐 반응에 필요 없는 잔류 할로겐만이 텅스텐과 반응하게 된다. 때문에 발광관(110) 내에 존재하는 금속원소의 수가 할로겐 수보다 많은 경우, 증발한 텅스텐과 결합하는 유리할로겐이 존재하지 않는 상태로 되므로, 텅스텐은 자체로의 형태로 발광관(110) 내벽에 도달해 부착하고, 그 결과 그 개소가 검게 된다.
이상의 점에서, 어떠한 원인으로 금속원소(M)가 발광관(110) 내에 혼재할 경우, 상기 공보에 기재된 양의 할로겐을 단순히 봉입하더라도 발광관(110)의 흑화를 완전히 방지할 수는 없다. 그래서 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는, 금속원소(M)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 증발하는 텅스텐(W) 몰 수의 합보다, 발광관 내에 봉입하는 할로겐(X) 몰 수를 많게 한다. 이와 같이 함으로써 전극으로부터 증발한 텅스텐(W)은 완전히 할로겐(X)과 결합하여 할로겐화 텅스텐(WX)이 되므로, 결과적으로 발광관 내면에 텅스텐(W)이 부착하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 고압방전램프의 발광관 흑화를 방지할 수 있으므로, 종래기술보다 수명을 길게 한 고압방전램프의 제공이 가능해진다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 구체적으로 설명하기로 한다. 여기서 이하의 실시형태는 예시이며, 한정적으로 해석되지 않는다.
(제 1 실시형태)
도 1에서 도 7을 참조하면서 본 발명에 의한 제 1 실시형태를 설명하기로 한다.
우선 도 1은 본 실시형태에 관한 고압방전램프(100)의 구성을 모식적으로 나타낸다. 방전램프(100)는 실질적으로 석영유리로 된 발광관(10)과, 발광관(10) 내에 배치되며, 실질적으로 텅스텐으로 된 전극(12)을 구비한다. 발광관(10) 내에는 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 발광관(10) 내에 봉입되는 할로겐의 몰 수는, 할로겐과 결합하는 성질을 갖는 금속원소(단 텅스텐원소 및 수은원소는 제외)이며 발광관(10) 내에 존재하는 금속원소의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 전극(12)으로부터 증발하여 발광관(10) 내에 존재하는 텅스텐 몰 수와의 합보다 많게 구성된다.
본 실시형태에서는 램프(100)의 발광관(10) 양단에 한 쌍의 봉함부(실부)(20)가 연결되어, 봉함부(20)에 의하여 발광관(10) 내부(방전공간)의 기밀성이 유지된다. 발광관(10) 내 한 쌍의 전극(W 전극)(12)은, 일정 간격을 두고 서로 대향 배치되며, 예들 들어 발광관(12) 선단간 거리(전극간 거리)가 약 1.5㎜로 되도록 배치된다. 또 램프동작 시의 전극 선단 온도의 저하시킴을 목적으로, 전극(12) 선단에 코일을 감도록 구성하는 것도 가능하다.
발광관(10)의 내용적(방전공간 용량)은 약 0.2㏄(약 0.2㎤)이며, 발광관(10) 내부에는 약 30㎎의 수은(18)(단위발광관 내용적 당 수은량: 약 150㎎/㏄)과, 실온에서 약 20KPa의 아르곤가스(도시 생략) 및 약 60Pa의 CH2Br2(도시 생략)이 봉입된다. 또 발광관(10) 외경은 약 13㎜이고, 발광관(10)의 유리두께는 약 3㎜이다.
발광관(10) 내에 배치된 전극(12)의 한 끝은, 봉함부(20) 내의 금속박(예를 들어 몰리브덴박)(24)과 용접되어 전극(12)과 금속박(24)은 서로 전기적으로 접속된다. 금속박(24)의 한 끝에는 몰리브덴으로 구성된 외부리드(몰리브덴 봉)(30)가 전기적으로 접속된다.
본 실시형태의 고압방전램프(100)에서는 텅스텐원소 및 수은원소를 제외한 금속원소의 합계 몰 수와, 램프동작 중에 있어서 전극(12)으로부터 증발하는 텅스텐 몰 수의 합보다 할로겐 몰 수가 많아지도록 구성된다. 이 구성에 의하여 종래기술보다 발광관(10)의 흑화를 방지할 수 있는 이유를 이하에 설명한다.
수은원소(Hg)를 제외한 거의 모든 금속원소와 할로겐의 화학반응 평형상수는, 텅스텐과 할로겐 화학반응의 평형상수보다 크므로, 텅스텐과 할로겐의 화학반응보다 금속원소(수은 제외)와 할로겐과의 화학반응 쪽이 진행하기 쉽다. 도 2는 각 종 금속원소와 할로겐과의 화학반응 평형상수(K)를 온도 함수로 나타낸 그래프이다. 도 2에서는 텅스텐(W), 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni), 및 수은(Hg)이 할로겐인 브롬(Br)과 반응하는 화학반응의 평형상수(K)와 온도와의 관계를 나타낸다.
여기서 도 2에서는 평형상수(K)를 감각적으로 이해하기 쉽도록, 평형상수(K)와는 대수관계인 깁스 자유에너지 변화(G＝-RTln(K))를 세로축으로 하고 온도(T)(켈빈)를 가로축으로 하여, 평형상수(K)를 플롯한다. 여기서G＝-RTln(K)의 식 중 R은, 기체상수를 나타낸다. 또 온도(T)의 범위는 발광관(10) 내의 온도영역에 대응시킨다. 도 2에 나타낸 평형상수는, 미국 National Technical Information Service에서 출판된 「Thermodynamic Properties of Elements and Oxides」 및 「Thermodynamic Properties of Halides」에 기재된 열역학 데이터를 근거로 산출한다.
도 2에서 이해할 수 있는 바와 같이 수은을 제외하고, 리튬(Li),나트륨(Na), 칼륨(K), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 각각과 브롬이 반응하는 화학반응의 자유에너지 변화(G)는, 발광관(10) 내 아크 주변부의 2천~3천℃에서 발광관 내면 부근의 수백℃의 범위에서, 텅스텐과 브롬이 반응하는 화학반응의 자유에너지 변화(G)보다 작다. 자유에너지 변화(G)의 값이 작을수록(음의 값이 클수록, 즉 세로축의 아래로 갈수록), 그 반응 쪽이 쉽게 일어나는 것을 의미하므로, 텅스텐과 브롬의 반응보다 수은을 제외한 금속원소와 브롬의 반응 쪽이 일어나기 쉬운 것을 알 수 있다. 한편, 수은과 브롬의 반응에 대해서는, 자유에너지 변화(G)가 값이 크므로 반응이 일어나기 어려움을 알 수 있다. 또 이것은 자유에너지 변화(G＝-RTln(K))로부터 평형상수를 구할 경우, 수은을 제외한 금속원소(예를 들어 리튬)와 브롬 화학반응의 평형상수가, 텅스텐과 브롬 화학반응의 평형상수보다 크다는 점에서도 이해할 수 있다.
이상의 점에서 램프동작 시에 융점에 가까운 고온상태인 전극의 거의 선단부(그 부분에는 수천도 이상의 고온아크가 접해있다)에서 증발한 텅스텐 이외에 금속원소(단 수은은 제외)가 존재하면, 2000℃~3000℃의 방전아크 주변을 거쳐 발광관 내면(이 부분은 통상, 수백℃에서 천 수백℃의 온도상태임)을 향해 이동할 때, 할로겐은 텅스텐과 결합하기 전에 그 금속원소와 결합해 버리게 된다.
그러나 수은을 제외한 발광관 내에 존재하는 금속원소의 양(물론 발광관(10) 내에 배치된 고체상 전극인 텅스텐은 포함되지 않음)을, 봉입된 할로겐 양보다 적게 함으로써, 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐과 반응하는 할로겐을 끊임없이 확보가능하게 된다.
화학평형론적으로 일반화시켜 바꾸어 말하면, 발광관(10) 내에 봉입된 할로겐을 X로 했을 때의 할로겐(X) 몰 수를 N으로 하고, 할로겐(X)과 결합하는 성질을 갖는 발광관 내에 존재하는 금속원소의 각 종류를 Mi(예를 들어 리튬, 나트륨, 칼륨 등)로 했을 때, 금속원소(Mi)의 몰 수를 mi로 하며, 금속원소(Mi)의 화학양론계수를 ni(리튬, 나트륨, 칼륨의 경우는 「1」이 된다.)로 하고, 또 텅스텐을 W로 한 경우에 있어서,
하기 식(1)의 화학반응에 있어서의 평형상수를 Ki로 하여,
Mi + niX → MiXni
하기 식(2)의 화학반응에 있어서의 평형상수를 Kw로 했을 때,
W + X → WX
평형상수(Kw) 이상의 평형상수(Ki)를 갖는 금속원소(Mi)(여기서 평형상수(Kw)＝평형상수(Ki)가 되는 텅스텐원소는 제외.)의 몰 수 합계와, 램프동작 중에서 전극(12)으로부터 증발하여 발광관(10) 내에 존재하는 텅스텐(W) 몰 수의 합이, 발광관(10) 내에 봉입된 할로겐(X) 몰 수(N)보다 적으면, 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐(W)과 반응하는 할로겐(X)을 끊임없이 확보할 수 있다. 또 상기 식 (1 및 2)에서의 평형상수(Kw) 미만의 평형상수(Ki)를 갖는 금속원소(Mi)(예를들어 수은)가 발광관(10) 내에 존재한다 하더라도, 실질적으로 텅스텐과 할로겐의 화학반응을 저해하지 않음은 자명하므로(도 2 참조), 이로써 평형상수(Kw) 미만의 평형상수(Ki)를 갖는 금속원소(Mi)의 존재는 실질적으로 무시할 수 있다.
또 할로겐과 금속원소가 결합하여 금속할로겐화물을 생성할 때, 예를 들어 하기 식(3)에 나타내는 철과 브롬이 결합할 때와 같이, 1 개의 철이 2 개의 브롬과 결합하여, 2 가의 할로겐화물을 생성하는 경우가 있다(상기 식(1)의 화학양론계수(ni)가 2 일 때에 상당함).
Fe + 2Br → FeBr2('2'는 화학양론계수)
이와 같은 경우에는 예를 들어 1 몰의 철이 발광관 내에 존재할 때에, 전극으로부터 증발한 텅스텐과 할로겐이 보다 확실하게 결합되는 것을 보증하기 위하여, 철의 몰 수에, 철에 대한 할로겐화물의 가수(화학양론계수)를 곱한 2 몰 이상의 할로겐을 봉입하는 것이 바람직하다. 화학평형론적으로 일반화시켜 바꾸어 말하면, 평형상수(Kw) 이상의 평형상수(Ki)를 갖는 금속원소(Mi)의 몰 수(mi)에 화학양론계수(ni)를 곱한 수를 금속원소(Mi)의 각 종류에 대하여 더한 합계 수(이 합계 수를 '(mi×ni)'로 하여 표시)와, 텅스텐 몰 수와의 합보다 할로겐(X) 몰 수(N)가 많아지도록, 할로겐을 봉입하는 것이 바람직하다. 즉 N＞((mi×ni)+증발 텅스텐 몰 수)의 관계를 만족시키도록 할로겐을 봉입하는 것이 바람직하다.
단 1 가의 할로겐화물을 생성하는 알칼리금속(리튬, 나트륨, 칼륨 등)과 비교하여, 2 가나 3 가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소(철 등)는, 실제로는 다수의 할로겐과 동시에 결합할 필요가 있으므로, 가령 이들 할로겐화물을 생성하는 화학반응의 평형상수(Ki)가, 텅스텐과 할로겐 화학반응의 평형상수(Kw)보다 커도, 2 가나 3 가의 할로겐화물을 생성하는 반응은, 1 가의 할로겐화물을 생성하는 반응에 비해 일어나기 어렵다는 것이 실험적으로 확인된다. 따라서 단순히, 각종 금속원소의 합계 몰 수((mi))와 증발 텅스텐 몰 수와의 합을 초과하는 몰 수의 할로겐을 봉입하도록 해도 된다.
또 1 가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소(예를 들어 리튬, 나트륨, 칼륨 등의 알칼리금속)는 할로겐과 반응할 경우, 단 한 개의 할로겐과 반응하여 1 가의 안정된 할로겐화물을 형성한다. 때문에 1 가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소는 다른 금속원소에 비해 할로겐과 결합하기가 매우 쉬워, 증발한 텅스텐과 할로겐의 반응을 가장 저해하기 쉬운 금속이다. 따라서 1 가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소의 합계 몰 수와 증발 텅스텐 몰 수의 합보다 많은 몰 수의 할로겐을 발광관(10)에 봉함하는 구성으로 하면, 실질적으로 램프동작 중에 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐과 할로겐을 확실하게 결합시킬 수 있으므로, 발광관(10) 내벽에 텅스텐이 부착하는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로는, 발광관(10) 내에 존재하는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 등의 알칼리금속, 보다 바람직하게는 이들 알칼리금속에 추가로 인듐(In), 탈륨(Tl), 갈륨(Ga), 은(Ag) 등 1 가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소의 합계 몰 수와, 증발 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 몰 수의 할로겐을 발광관(10)에 봉함하는 구성으로 하면 된다.
여기서, 동작 중 텅스텐전극의 최고온도(선단부)는, 통상 약 3000℃~약 3400℃이며, 이 온도에 대한 텅스텐의 포화증기압은 대략 10-3Pa~1Pa 정도이므로, 전극(12)으로부터 증발하여 발광관(10) 내에 떠도는 텅스텐의 예상 몰 수는 매우 미량일 것으로 추정된다. 따라서 할로겐이나 금속원소의 양에 대하여, 증발하여 발광관(10) 내에 존재하는 텅스텐의 양(증발 텅스텐 몰 수)은 무시 가능한 경우가 많을 것으로 생각된다.
다시 도 1을 참조하기로 한다. 본 실시형태의 방전램프(100)에서는 발광관(10) 내에 봉입되는 할로겐 몰 수가, 발광관(10) 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐원소 및 수은원소는 제외)의 합계 몰 수와, 증발 텅스텐 몰 수의 합보다 많아지도록 구성하기 위하여, 발광관(10) 내에 존재하는 금속원소를 최대한 적게 한다. 구체적으로는 종래의 고압방전램프(1000) 구성에 비해, 본 실시형태의 방전램프(100)에서는 발광관(10)을 구성하는 석영유리에 함유되는 불순물, 및 전극(12)에 함유되는 불순물을 매우 적게 하고 있다.
하기 표 1에, 본 실시형태의 고압방전램프(100)의 석영유리에 함유되는 불순물 양(ppm)과, 종래 고압방전램프(1000)의 석영유리에 함유되는 불순물 양(ppm)의 비교를 나타낸다. 하기 표 2는 양자의 텅스텐전극에 함유되는 불순물 양(ppm)의 비교를 나타낸다. 또 표 중의 불순물 양(ppm)은 중량백만분율(중량ppm)을 나타낸다.
상기 표 1 및 표 2로부터, 석영유리 및 텅스텐전극 양자 모두, 종래의 고압방전램프(1000)보다 본 실시형태의 고압방전램프(100) 쪽이 불순물 양이 적은 것을 알 수 있다. 또한 하기 표 3~표 6에 있어서, 본 실시형태의 고압방전램프(100) 및 종래의 고압방전램프(1000)의 석영유리와 텅스텐전극 각각에 함유된 불순물 양(ppm)을 나타내기 위한 별도의 금속함유량(함유율) 분석결과를 나타낸다.
(이하 여백)
상기 표 3~표 6에서 알 수 있는 바와 같이, 석영유리 및 텅스텐전극 모두 종래의 고압방전램프(1000)보다 본 실시형태의 고압방전램프(100) 쪽이 불순물 양을 적게 하도록 구성된다.
발광관 내의 불순물(예를 들어 알칼리금속) 양을 가능한 한 저하시킨 본 실시형태의 램프(100)에서는, 정격전력 150W(관벽부하 약 85W/㎠에 상당)라는 높은 전력으로 점등한 것임에도 불구하고, 경이적인 5000 시간에서 8000 시간이라는 매우 긴 시간동안 관벽 흑화가 발생하지 않는다. 램프(100)의 석영유리 및 텅스텐전극에 함유되는 불순물 양을 종래의 램프(1000) 레벨로 한 경우에는, 정격전력 150W의 조건으로 점등하면 단 1 시간 점등한 것만으로도 관벽 흑화가 발생한다. 본 실시형태의 램프(100)는 매우 장시간 동안 관벽 흑화가 발생하지 않기 때문에, 대략 8000 시간을 초과해도 실질적으로 아무 변화를 나타내지 않고, 또 종래 기술로는 좀처럼 달성할 수 없었던 매우 긴 수명을 갖는다.
본 실시형태의 램프(100)에서는, 종래의 램프(1000)보다 불순물 양이 적은 석영유리 및 텅스텐전극으로 구성되며, 이로써 발광관(10) 내에 봉입되는 브롬(Br)의 몰 수가, 발광관(10) 내에 존재하는 불순물(예를 들어 알칼리금속)의 합계 몰 수와 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐 몰 수와의 합보다 많아지도록 구성된다. 그 결과 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐을 다시 전극(12)으로 되돌리는 할로겐 수송사이클을 담당하는 브롬(Br)이, 램프동작 중에 있어서 석영유리나 텅스텐전극으로부터 방출되는 불순물과 결합할 기회가 적어지므로 관벽흑화가 장시간 발생하지 않는다.
한편 종래의 램프(1000)에서는 발광관 내에서 텅스텐 이외에도 브롬(Br)과 결합해버리는 금속원소가 과잉 존재하므로, 이 금속원소에 의하여 텅스텐과 브롬(Br)이 결합할 기회를 놓쳐버린다. 따라서 증발한 텅스텐 전부가 할로겐 수송사이클에 의하여 전극으로 돌아가지 못하므로, 관벽에 부착하는 텅스텐이 발생해버린다. 그 결과 비교적 단시간에 관벽흑화가 발생하게 된다.
브롬(할로겐)과 결합해버리는 불순물로는, 특히 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)에 의혹을 갖고 있다. 그 이유는 흑화를 발생시키는 램프(종래의 램프(1000))로부터 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 상대적으로 강한 발광이 자주 관찰되기 때문이며(후술하는 도 4 참조), 또 검게 된 발광관의 부착물로서 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 또는 니켈(Ni)이 검출되기 때문이다. 도 3의 (A)에서 도 3의 (C)에 본 실시형태 램프(100)의 발광스펙트럼(방사강도)을 나타내며, 도 4의 (A)에서 도 4의 (C)에 종래 램프(1000)의 발광스펙트럼(방사강도)을 나타낸다. 도 3 및 도 4로부터, 램프(100)에서는 나트륨(Na), 리튬(Li), 칼륨(K)의 발광은 실질적으로 관찰되지 않는 반면에, 종래의 램프(1000)에서는 나트륨(Na), 리튬(Li), 칼륨(K)의 상대적으로 강한 발광이 관찰되는 것을 알 수 있다.
따라서 본 실시형태의 램프(100)는, 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 양이 소정 레벨 이하인 석영유리와 텅스텐전극으로 구성된다고 바꾸어 말할 수도 있다.
구체적으로는, 발광관(10)( 및 봉함부(20))을 구성하는 석영유리 중의 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 합계 양은, 예를 들어 종래 램프(1000)의 석영유리에 함유되는 불순물 레벨 이하(표 1 및 표 5 참조)인 점, 즉 약 2ppm 이하이다. 보다 구체적으로 서술하자면, 석영유리 중의 크롬(Ca), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 함유량(함유율)은 전형적으로 저 레벨이므로, 본 실시형태의 램프(100)는 발광관(10)을 구성하는 석영유리 중의 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca)의 합계 양이 약 2ppm 이하로 되도록 구성되면 된다.
또 텅스텐으로 된 전극(12)에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 합계량은, 예를 들어 종래 램프(1000)의 텅스텐 레벨 이하(표 2 및 표 6 참조)인 점, 즉 약 15ppm 이하이다.
그리고 본 실시형태의 램프(100)에서는, 발광관(10)( 및 봉함부(20))을 구성하는 석영유리 중의 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li)의 합계 양은 약 2ppm(이 값은 종래 램프(1000)의 석영유리 중의 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 합계 양에 상당) 이하인 것이 바람직하며, 약 1ppm 이하인 것이 더욱 바람직하다. 그 이유는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li)은 가시파장대역에 발광스펙트럼을 가지므로(도 4 참조), 이들 불순물(알칼리금속)은 할로겐과 결합하여 텅스텐의 할로겐 수송사이클을 불완전하게 하는 것뿐만 아니라 램프의 광색에 나쁜 영향을 미치기 때문이다.
더 상세하게 서술하자면, 예를 들어 나트륨(Na)은 파장 589nm 부근에 발광을 가지므로 광색을 노르스름하게 해버린다. 더욱 바람직하지 못한 것으로 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li)은, 도 4의 (A)~(C)에 나타낸 바와 같이 아주 수ppm 정도의 양이 석영유리에 함유된다 하더라도, 여기에너지 레벨이 2~3eV로 낮기 때문에 비교적 강하게 발광해버린다. 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li)을 약 1ppm 이하의 레벨까지 적게 하면 비교적 발광도 약하게 할 수 있어 광색에 거의 영향을 끼치지 않도록 할 수 있다(도 3 참조).
석영유리에 대한 설명과 마찬가지 이유로써, 본 실시형태의 램프(100)에 있어서는, 전극(12)을 구성하는 텅스텐에 함유된 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li)의 합계는 약 5ppm 이하인 것이 바람직하며, 약 1ppm 이하인 것이 보다 바람직하다.
또 본 실시형태의 램프(100)에서는, 전극(12)을 구성하는 텅스텐에 함유되는 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 합계 양은 약 10ppm 이하인 것이 바람직하며, 약 3ppm 이하인 것이 보다 바람직하다. 그 이유는 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 할로겐화물은 매우 증발하기 어려우므로, 설령 이들이 램프동작 중에 발광관(10) 내로 스며들어 브롬(할로겐)과 결합하면 즉시 관벽에 부착된 상태로 되고, 다시는 증발하지 않기 때문이다. 즉 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 누출은 곧바로 관벽흑화를 발생시켜 매우 짧은 시간에 램프의 수명을 다하게 하기 때문이다. 이러한 관점에서 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 허용 가능한 상한값은 가능한 한 작은 것이 바람직하다. 단 실용적 관점의 범위에서는, 대략 3ppm 정도가 상한값으로 충분하다는 것을 본원 발명자가 실험을 통해 확인하였다.
실용적 관점에서 3ppm 정도의 상한값으로 충분한 이유는 다음과 같다. 수백W까지의 고압방전램프의 전극(12) 중량은, 대략 수십㎎에서 백 수십㎎의 오더이므로, 크롬(Cr), 철(Fe) 및 니켈(Ni)의 합계 양이 약 3ppm인 경우, 그 총 몰 수는 대략 10-4~10-3㎛ol의 오더가 된다. 이 값은, 봉입된 할로겐브롬의 총 몰 수(약 3×10-2㎛ol)보다 한 자리 이상이나 충분히 적은 양이므로, 실용적인 관점에서 3ppm 정도의 상한값으로 충분하다고 할 수 있게 된다.
이 점에 관련하여 본 실시형태의 램프(100)에서, 발광관(10) 내에 봉입되는 브롬(Br)의 양은, 전극(12)에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni) 총 몰 수의 10 배 이상인 것이 바람직하다. 당해 총 몰 수의 10 배 이상 양의 브롬(Br)이 봉입되면, 이들 불순물이 전극(12)으로부터 방출되어 브롬(Br)과 결합해도 텅스텐을 전극(12)으로 되돌리는 데 충분한 양의 브롬(Br)이 발광관(10) 내에 끊임없이 존재하게 되기 때문이다.
나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca) 등의 불순물은 석영유리 중에도 함유되어 있지만, 램프동작 중의 온도는 석영유리보다 W전극(12) 쪽이 월등하게 높으므로, 석영유리 및 텅스텐전극(12) 각각으로부터의 불순물 방출은 텅스텐전극(12) 쪽으로부터가 지배적이 된다. 때문에 발광관(10) 내에 봉입되는 브롬(Br)의 양은, 전극(12)에 함유된 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 총 몰 수를 상술한 바와 같이 고려하여 봉입하면 충분하다.
또한 본 실시형태의 램프(100)에서, 발광관(10) 내에 봉입되는 브롬(Br)의 양은, 전극(12)과 석영유리에 함유된 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 합계 몰 수만이 아닌, 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)로 대표되는 금속원소(즉 브롬과 결합 가능하며, 텅스텐과 브롬의 결합을 방해하는 금속원소)이며, 발광관(10) 내에 존재하는 수은 이외의 금속원소 합계 몰 수보다 많은 것이 바람직하다.
또한 그 합계 몰 수와, 동작 중에 텅스텐전극(12)으로부터 증발하여 발광관(1) 내를 떠도는 텅스텐 몰 수(램프동작 중의 전극(12) 최고온도는 전형적으로 약 3000℃에서 약 3400℃이며, 이 온도에 대한 텅스텐의 포화증기압은 대략 10-3Pa~10-1Pa이다. 따라서 발광관(10) 내에 존재하는 텅스텐(W) 몰 수는 10-9㎛ol~10-6㎛ol이며, 전형적으로는 전극(12)이나 석영유리에 함유된 불순물보다 매우 적은 양이다.)와의 총합보다 브롬(Br)의 몰 수가 많은 것이 바람직하며 10 배 내지 100 배 이상 많은 것이 더욱 바람직하다.
이와 같은 양의 브롬을 발광관(10) 내에 봉입함으로써 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐과 결합 가능한 브롬을 끊임없이 확보 가능하게 되고, 그 때문에 전극(12)으로부터 증발한 텅스텐은 언제나 쉽게 브롬과 결합할 수 있다. 10 배 내지 100 배 이상의 브롬(Br) 양을 봉입한 경우, 램프동작 중에 얼마간 비율로 일어나는 전극이나 유리의 흡착에 의해 브롬 양이 감소한다 하더라도, 그 감소량은 실질적으로 텅스텐과 결합 가능한 브롬 양에 대하여 무시할 수 있다. 이것은 완전한 할로겐 수송사이클이 보증되어 매우 긴 시간동안 실질적으로 발광관(10) 흑화를 예방할 수 있음을 의미한다.
단 브롬(Br)이, 역으로 지나치게 다량 존재하는 경우, 램프의 방전개시전압이 상승하여 램프점등이 어려워진다. 그 이유를 다음에 서술한다. 브롬 등의 할로겐원소는 전기음성도가 크기 때문에 전기를 포획하기 쉬우며, 이로써 브롬(Br)이 다량으로 존재하면 전극의 간극(간극의 기체)을 절연파괴 시켜 방전을 일으킨다. 이 때문에 램프를 점등시킬 때 전극간에서의 '전자사태'가 일어나기 어려워져 램프점등이 어려워진다. 본 실시형태에서는 브롬 봉입량을 약 100㎛ol/cc 이하로 한다. 또 이를 초과하는 브롬 양일 때는, 램프를 점등시키기 위해 20kV 이상의 고압펄스를 램프에 인가시키면 된다. 20kV를 초과하는 전압을 TV 등 민간용 전자기기 등으로 사용할 경우에는, 안전상 절연거리를 길게 하거나, 또는 그 고전압 발생부에 특수 절연커버나 시트를 붙이는 등의 처리를 하는 것이 바람직하다.
또 본 실시형태의 램프(100) 구성에 있어서, 석영유리에 함유된 알루미늄(Al) 양을 예를 들어 약 10ppm 이하, 바람직하게는 약 5ppm 이하로 하면, 발광관(10) 실투가 억제된다는 별도의 효과를 얻을 수 있다. 이 범위의 알루미늄(Al) 양으로 하면, 램프동작 중의 높은 온도에 의해 일어나는 산화알루미늄(Al2O3) 생성을 매우 적게 할 수 있으며, 그 결과 투명한 발광관(10)을 유지할 수 있다. 산화알루미늄 생성은 유리강도를 저하시키므로, 석영유리에 함유된 알루미늄(Al) 양을 예를 들어 약 10ppm 이하, 바람직하게는 약 5ppm 이하로 함으로써 수명기간 중 램프의 파열 확률을 대폭 저감시킬 수 있다는 별도의 효과도 얻을 수 있다. 마찬가지의 이유에서 석영유리에 함유되는 OH기(수산기)의 양은 약 5ppm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또 본원 발명자는 고압방전램프의 발광관(10) 내에 함유되는 수소(H)의 함유량(함유율)이 적을수록, 발광관(10) 흑화가 일어나기 어렵다는 것을 실험을 통해 발견했다. 발광관 내의 수소함유량(체적%)과 흑화의 관계를 다음의 표 7에 나타낸다. 흑화 판정은 램프를 1 시간 점등시킨 후, 램프를 육안관찰로 실시한다. 표 중 ''은 흑화 없음을, '×'는 흑화된 것을 나타낸다.
표 7로부터, 발광관 내의 수소함유량(체적%)이 어느 값 이상으로 되면 흑화가 일어남을 알 수 있다. 따라서 흑화 방지의 관점에서 발광관 내에 함유된 수소 함유량이 0.15체적% 이하인 것이 흑화 방지 관점에서
바람직하다. 표 7은 석영유리 및 텅스텐전극(12) 양자 모두 불순물이 적은 것으로 구성된 램프(100)인 경우의 결과를 나타내지만, 종래 불순물 레벨의 석영유리 및 텅스텐전극(12)으로 구성된 램프의 경우에도, 마찬가지 경향을 나타내는 결과가 된다. 이와 같이 수소함유량이 적은 램프가 흑화를 일으키지 않는 정확한 이유는 불분명하지만, HBr(브롬화수소)로 대표되는바와 같이, 수소(H)와 브롬(Br)의 안정된 화합물이 존재하는 점으로부터 추측한다면, 나트륨(Na)이나 리튬(Li) 등의 금속원소와 마찬가지로 H2(기체원소)도 브롬(Br)과 결합하기 쉬운 성질이 있어, 텅스텐과 브롬과의 반응을 저해하는 물질인 것으로 생각된다.
또한 본원 발명자는, 고압방전램프의 발광관(10)에서의 잔류왜곡을 소정값 이하로 하면, 램프수명을 연장할 수 있음을 발견했다. 도 5는 램프(100)의 발광관(10) 주위를 확대시킨 구성을 나타낸다. 여기서, 도 5에서는 전극(12)의 선단부분에 코일(14)이 감긴 구성을 나타낸다.
도 5에 나타낸 잔류왜곡이 적은 발광관(10)에서는, 발광관(10) 외면(10a)의 인장응력이 약 100psi 이하뿐이며, 발광관(10) 내면(10b)의 압축응력이 약 100psi 이하뿐이다. 한편 잔류왜곡이 많은 종래의 램프(1000)에서는, 발광관(10) 외면(10a)의 인장응력이 700~2300psi이고(2300psi＝156.5atm), 발광관(10) 내면(10b)의 압축응력은 700~2300psi이다. 여기서 외면(10a)에서 인장응력이 가해지고, 내면(10b)에서 압축응력이 가해지는 것은 발광관(10)의 성형방법에 의한 것이다. 즉 발광관(10)의 성형은, 전형적으로, 유리관을 가열 연화시킨 상태에서 관내를 가압상태로 하면서 유리관을 틀에 눌러 끼우고, 부풀리는 것으로 실시되므로, 틀에 접촉하는 유리관 외측(외면) 온도가 우선 저하되게 되고, 그 결과 외면(10a)에 인장응력이 가해지고, 내면(10b)에 압축응력이 가해지게 된다.
본 실시형태의 잔류왜곡이 적은 발광관(10)의 램프특성(램프수명)을 하기 표 8에 나타내며, 종래의 잔류왜곡이 많은 발광관의 램프특성(램프수명)을 하기 표 9에 나타낸다. 이 램프특성의 시험결과는, 15 분간 점등과 15 분간 소등을 1 주기로 한 점등소등을 반복하여, 몇 주기에서 램프가 파열 등에 의해 점등하지 않게 되는가를 알아본 결과이다.
표 8에서, 본 실시형태의 잔류왜곡이 적은 발광관의 램프에서는 램프No.1~No.10까지 모두 1500 주기까지 정상적으로 점등하여, 이 램프의 특성이 우수함을 알 수 있다. 한편, 표 9에서, 종래의 잔류왜곡이 많은 발광관의 램프에서는 다수의 램프가 겨우 수 주기에서 파열되며, 많아도 15 주기에서 램프 파열이 일어나 점등불능이 되는 것을 알 수 있다. 즉 1500 주기까지 정상적으로 점등하는 것은 종래 램프에서는 1 개도 없으며, 본 실시형태의 잔류왜곡이 적은 발광관의 램프가 종래 램프보다 램프특성에 있어서 매우 우수하다는 것을 이해할 수 있다.
도 6은 본 실시형태에서 램프의 수명특성을 나타내며, 도 6 중의 선(A~C)은,본 실시형태의 램프를 반사경에 조립시킨 구성에서의 스크린 밝기의 유지율(%)을 나타낸다. 도 6 중의 선(A)은, 고 순도 석영유리(불순물이 적은 석영유리)와 고 순도 텅스텐전극(불순물이 적은 텅스텐전극)으로 구성된 램프의 경우를 나타내며, 선(B)은, 종래의 석영유리(불순물이 종래 레벨인 석영유리)와 고 순도 텅스텐전극(불순물이 적은 텅스텐전극)으로 구성된 램프의 경우를 나타내고, 선(C)은, 고 순도 석영유리(불순물이 적은 석영유리)와 종래의 텅스텐전극(불순물이 종래 레벨인 텅스텐전극)으로 구성된 램프의 경우를 나타낸다. 그리고 선(D)은, 종래의 석영유리(불순물이 종래 레벨인 석영유리)와 종래의 텅스텐전극(불순물이 종래 레벨인 텅스텐전극)으로 구성된 램프의 경우를 나타내는 비교예이다. 선(A)~(D)의 모든 경우에 대하여, 발광관 내의 수소함유량이 적고 발광관의 잔류왜곡이 적은 램프가 사용된다.
도 6에서 본 실시형태의 램프(선(A)~(C))는, 점등시간이 길어져도 모두 높은 밝기 유지율(%)을 나타내어, 본 실시형태의 램프 수명특성이 우수함을 알 수 있다. 본 실시형태의 램프(선(A)~(C))는 모두, 점등시간이 4000 시간 시점에서도 80% 이상의 밝기 유지율을 확보하며, 선(A)에 대한 램프에서는 5000 시간의 시점에서도 점등개시 시와 같은 밝기 유지율을 실질적으로 확보하고 있다. 한편, 비교예의 램프(선(D))에서는, 점등개시로부터 비교적 빠른 시간에 밝기 유지율이 저하되며, 2000 시간 시점에서는 거의 50% 정도의 밝기 유지율까지 저하한다. 비교예와 비교해보면 본 실시형태의 램프(선(A)~(C)) 수명특성이 매우 우수함을 확실하게 이해할 수 있다.
(제 2 실시형태)
도 7~도 9를 참조하면서 본 발명에 의한 제 2 실시형태를 설명하기로 한다. 본 실시형태에서는 종래기술과 비교하여 발광관에서의 잔류왜곡을 저하시킨 고압방전램프의 제조방법을 설명한다.
본 실시형태의 고압방전램프의 제조방법은, 고압방전램프의 형상을 완성시켜 램프형상 완성체를 얻은 후, 램프형상 완성체의 잔류왜곡을 제거하는 공정을 포함한다. 잔류왜곡을 제거하는 공정은, 열처리공정(어닐링)이며, 주지의 램프제작공정에 따라 램프형상 완성체를 얻은 후, 이 램프형상 완성체에 실시된다.
종래의 고압방전램프 제조방법에서는, 램프제작공정에 따라 램프형상 완성체를 얻은 후, 이 램프형상 완성체를 고압방전램프로서 제공하므로 램프형상 완성체에 대해서 특별한 열처리는 실시하지 않는다. 그 이유는 램프형상 완성체에 대해 또다시 공정을 추가하면, 고압방전램프 제조의 처리능력이 저하되므로 램프의 제조효율이 떨어지기 때문이다. 그러나 상술한 바와 같이, 잔류왜곡이 적은 발광관을 갖는 고압방전램프의 램프특성(램프수명)이 우수한 점을 본원 발명자가 찾아냄으로써, 이 우수한 램프특성을 갖는 고압방전램프를 얻기 위해, 램프형상 완성체에 대해 굳이 열처리공정을 추가시켜 고압방전램프를 얻는 고압방전램프의 제조방법을 실현한다.
도 7을 참조하면서 본 실시형태의 고압방전램프 제조방법을 예시한다. 도 7은 본 실시형태의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선 고압방전램프를 제조하기 위한 석영유리관을 준비한다(S100). 상기 제1 실시형태에서 설명한 저 불순물 발광관을 갖는 램프(100)를 제조하는 경우에는, 고 순도 석영유리로 된 유리관을 준비한다.
다음, 주지의 램프제작공정을 실행하여 램프형상 완성체를 얻는다(S200). 구체적으로는 도 8에 나타낸 바와 같이 하면 된다. 우선 도 8의 (A)에 나타낸 바와 같이, 발광관부(10)와 측관부(22)를 구비하는 방전램프용 유리관(50) 내에, 전극(12)과 외부리드(30)를 구비하는 금속박(몰리브덴박)(24)을 삽입한다(전극삽입공정(S210)). 도 8의 (B)에 나타낸 바와 같이 유리관(유리파이프)(50) 내를 감압상태(예를 들어 1 기압 이하)로 한 위에, 버너(54)로 유리관(50) 측관부(22)를 가열 연화시킴으로써, 측관부(22)와 금속박(24) 양자를 밀착시키고, 이로써 봉함부(20)를 형성한다(봉함부 형성공정(S220)). 그 후 발광관부(10) 내에 희가스와 할로겐과 수은을 봉입하고, 이어서 전극삽입공정(S210)과 봉함부 형성공정(S220)을 다른 쪽 측관부(22)에도 실행하여, 한 쌍의 봉함부(20)에 의하여 발광관(10)을 밀폐하면 도 8의 (C)에 나타낸 바와 같이 램프형상 완성체(90)가 얻어진다.
얻어진 램프형상 완성체(90)에 대하여 잔류왜곡 제거공정(S300)을 실시하면, 잔류왜곡이 제거된 고압방전램프가 얻어진다. 잔류왜곡 제거공정(S300)은 예를 들어 다음과 같이 실행된다.
우선 램프제작공정(S200)에서 얻어진 램프형상 완성체(90)를, 유리의 연화점온도(1500℃~1670℃ 정도)보다 낮은 온도의 고온조건하, 바람직하게는 온도 1000℃~1100℃ 정도의 고온조건하의 노에 넣는다. 노 안은 예를 들어불활성기체(Ar, N2)분위기, 대기분위기, 또는 진공분위기가 된다. 이 조건하에서 램프형상 완성체(90)를 예를 들어 1 시간 이상(경우에 따라서는 1 시간 이내라도 가능) 유지하고, 그 후 예를 들어 하룻밤에 걸쳐 실온까지 내리면 램프형상 완성체(90) 전체의 잔류왜곡이 제거되어 램프수명특성이 우수한 고압방전램프를 얻을 수 있다.
여기서 1100℃보다 높은 온도조건의 경우, 보다 짧은 고온유지시간(예를 들어 서냉점(annealing point)에 상당하는 1215℃에서는 단 15분)으로 잔류왜곡이 해소된다. 단 1100℃보다 높은 온도(경우에 따라서는 1150℃보다 높은 온도)에서는, 발광관(10) 내부가 증발한 수은증기로 인해 비교적 고압이 되므로, 열처리 중 노 안에서 램프가 파열되거나 또는 유리의 결정화가 진행되어 유백색으로 실투할 가능성이 높아진다. 또 1000℃ 미만의 온도에서는 왜곡 해소에 긴 시간을 요하게 된다.
또 본원 발명자는 잔류왜곡 제거공정(S300)에 있어서, 램프형상 완성체(90)를 고온조건하에서 유지하는 시간을 100 시간 이상으로 해보니, 놀랍게도 발광관(10) 내에 함유되는 수소량을 저감할 수 있음을 발견했다. 상술한 바와 같이 발광관 내의 수소량을 저감하면 우수한 램프특성을 갖는 고압방전램프를 제공할 수 있다. 그러나 수소(H)는 석영유리 중이나 분위기 등의 있을 수 있는 모든 곳에 존재하므로 수소를 효과적으로 저감하기는 어렵다. 본원 발명자는 램프형상 완성체(90)를 고온조건 하에서 유지하는 시간을 100 시간 이상(예를 들어 100 시간에서 200 시간 정도)으로 함으로써 발광관(10) 내의 수소량 저감을 실현하였다.
도 9에 잔류왜곡 제거공정(S300)의 열처리 시간(시간)과 수소량(임의눈금)의 관계를 나타낸다. 수소량의 측정오차도 있으므로 열처리시간과 수소량 관계를 명확하게 설명하기는 어려우나, 본원 발명자의 측정결과에 따르면 100 시간 이상(예를 들어 200 시간)의 처리시간에서 수소가 검출되지 않음이 나타난다. 도 9에 나타낸 측정결과는 온도 1080℃에서 진공분위기 중의 데이터인데, 대기 중이나 아르곤 중에서도 마찬가지 측정결과가 얻어졌다.
(제 3 실시형태)
상기 제 1 실시형태의 고압방전램프(100)는 반사경과 조합시켜 램프유닛으로 할 수 있다. 도 10은 상기 제 1 실시형태의 램프(100)를 구비한 램프유닛(500)의 단면을 모식적으로 나타낸다.
램프유닛(500)은 거의 구형 발광부(10)와 한 쌍의 봉함부(20)를 갖는 방전램프(100)와, 방전램프(100)로부터 방사된 광을 반사하는 반사경(60)을 구비한다.
반사경(60)은 예를 들어 평행광속, 소정의 미소영역으로 수속되는 집광광속, 또는 소정의 미소영역으로부터 발산된 것과 동등한 발산광속으로 되도록, 방전램프(100)로부터의 방사광을 반사하도록 구성된다. 반사경(60)으로는 예를 들어 포물면경이나 타원면경을 준비할 수 있다.
본 실시형태에서는 램프(100)의 한쪽 봉함부(20)에 마우스피스(55)가 구성되어, 봉함부(20)로부터 연장된 외부리드와 마우스피스는 전기적으로 접속된다.
마우스피스(55)가 부착된 쪽의 봉함부(20)와 반사경(60)은, 예를 들어 무기계 접착제(예를 들어 시멘트 등)로 고착되어 일체화된다. 반사경(60)의 전방 개구부 쪽에 위치하는 봉함부(20)의 외부리드(30)에는 리드선(65)이 전기적으로 접속되며, 리드선(65)은 외부리드(30)로부터, 반사경(60)의 리드선용 개구부(62)를 통해 반사경(60) 외부로까지 연장된다. 반사경(60)의 전방 개구부에는 예를 들어 전면유리를 설치할 수 있다.
이와 같은 램프유닛은, 예를 들어 프로젝션TV용 광원, 또는 액정프로젝터나 DMD를 이용한 프로젝터용 광원으로 사용할 수 있다. 상기 실시형태의 고압방전램프 및 램프유닛은 이들 용도 이외에, 일반조명, 자외선 스테퍼용 광원, 또는 경기장용 광원이나 자동차 전조등용 광원 등으로도 사용할 수 있다.
(그 밖의 실시형태)
상기 실시형태에서는 150㎎/㏄의 수은을 봉입한 경우를 예로 설명하지만, 이 수은량에 한정되지 않고 이 수은량보다 많거나 적어도 상관없다. 즉 상기 실시형태에서는 수은증기압이 20MPa 정도의 경우(이른바 초고압 수은램프의 경우)에 대하여 설명하지만, 수은증기압이 1MPa 정도의 고압수은램프에 대해서도 적응 가능하다. 또 한 쌍의 전극(12)간 간격(아크길이)은 쇼트아크형이라도 되며, 그보다 긴 간격이라도 된다. 상기 실시형태의 고압방전램프는, 교류점등형 및 직류점등형의 어느 점등방식이라도 사용 가능하다.
또 수은 대신, 또는 수은과 함께 금속할로겐화물을 봉입해도 된다. 즉 상기 실시형태에서는, 발광물질로서 수은을 사용하는 수은램프를 고압방전램프의 일례로 설명했지만, 금속할로겐화물을 봉입한 메탈할라이드램프 등의 고압방전램프에도 적용할 수 있다. 단 상기 실시형태의 고압방전램프의 구성에서 수은봉입량은 약 200㎎/㏄ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 이 이상의 수은봉입량으로는 동작 중 발광관(10) 내의 압력이 지나치게 높아지므로, 봉함부(20)의 몰리브덴박(24) 부분에서 기밀성을 유지할 수 없게되어 램프가 파손해버릴 확률이 높아지기 때문이다. 또 기밀성 유지가 가능하다면, 수은봉입량을 약 200㎎/㏄보다 크게 하여도 된다. 수은봉입량이 200㎎/㏄를 초과할 경우, 발광관(10) 내의 기체 열전도성이 높아진다. 때문에 방전플라즈마의 열이 전극(12)이나 발광관(10)(석영유리)으로 전해지기 쉬워지고 더욱 고온상태로 되어, 유리나 전극으로부터의 불순물 방출이 심해진다. 그 때문에 이와 같은 200㎎/㏄를 초과하는 수은을 봉입하는 경우, 고 순도의 재료로 구성된 상기 실시형태의 램프(100)는 더욱 강한 효과를 발휘한다.
또한 상기 실시형태에서는 관벽부하가 약 80W/㎠의 경우를 예로 설명했지만 관벽부하는 이에 한정되지 않는다. 작아도 되며, 역으로 이보다 높은 부하라도 된다. 더 높은 부하의 경우, 더 높은 온도상태에서 동작한다는 점에서 유리나 전극으로부터의 불순물 방출이 심해지므로, 고 순도 재료로 구성된 상기 실시형태의 램프(100)는 더욱 강한 효과를 발휘한다. 단 상기 실시형태의 고압방전램프의 구성에서는 관벽부하가 대략 100W/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 이를 초과하는 부하에서는 발광관(10) 온도가 지나치게 높아져 열에 의한 변형이나 열화라는 문제가 발생하기 때문이다. 이 경우에 있어서, 발광관(10)을 냉각시키는 별도의 수단을 부가시켜 당해 문제를 회피할 수 있다면, 관벽부하를 100W/㎠보다 크게 해도 된다.
그리고 상기 실시형태에서는 정격전력 150W의 경우를 예로 설명했지만, 정격전력은 이에 한정되지 않으며, 150W 이상이라도 되고 150W 이하라도 된다. 단 상기 실시형태의 고압방전램프의 구성은 50W 이상의 비교적 큰 전력의 램프에 특히 적합하다. 큰 전력의 램프는 더욱 높은 온도상태에서 동작한다는 점에서, 유리나 전극으로부터의 불순물 방출이 심해지므로, 고 순도 재료로 구성된 상기 실시형태의 램프(100)는 더욱 강한 효과를 발휘하기 때문이다.
또 상기 실시형태의 고압방전램프는 할로겐으로서 브롬(Br)을 봉입한 램프를 예로 설명했지만, 할로겐은 염소(Cl)라도 되며 요오드(I)라도 된다.
또 상기 실시형태에서는 발광관 내에 대향 배치된 한 쌍의 전극간에서 방전에 의해 방사되는 이른바 방전램프를 예로 설명했지만, 방전램프만이 아닌, 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같은 전구에도 적용할 수 있다.
도 11은 상기 실시형태의 고압방전램프(100) 구성에서, 한 쌍의 텅스텐전극(12) 사이가 텅스텐 코일(16)로 연결된 전구(200)의 구성을 모식적으로 나타낸다. 전구(200)는 한 쌍의 전극(12) 사이가 텅스텐코일(15)로 연결된 점, 및 발광관(벌브)(10) 내에 수은이 봉입되지 않은 점을 제외하면, 상기 제 1 실시형태의 램프(100) 구성과 실질적으로 동일하다. 텅스텐코일(16)은 불순물이 적은 고 순도 텅스텐으로 구성되며, 바람직하게는 석영유리도 고 순도 석영유리로 구성된다. 이와 같이 구성된 전구(200)는, 상기 실시형태의 램프(100)와 마찬가지로 매우 수명이 긴 전구가 된다. 물론 발광관(10)의 잔류왜곡을 작게 하면 램프 파열이 적어지므로 더욱 바람직하다.
또 수명이 긴 전구의 다른 예를 도 12에 나타낸다. 도 12는 일반 가정에 사용되는 백열전구와 매우 닮은 구성의 전구(램프)(300)를 모식적으로 나타낸다. 전구(300)는 텅스텐 필라멘트(16)로 상술한 고 순도 텅스텐을 사용하며, 벌브(10) 내에 봉입되는 가스로서 할로겐과 아르곤(Ar)이나 크세논(Xe)을 사용하는 점을 제외하면, 그 밖의 구성은 잘 알려진 백열전구의 구성과 마찬가지이다. 앵커(17)나 내부도입선(19a), 밀봉리드선(19b)이나 외부도입선(19c)을 고 순도 텅스텐으로 바꾼 구성으로 해도 물론 상관없다.
이상 본 발명의 바람직한 예에 대하여 설명했는데, 이러한 기술은 한정사항은 아니며, 물론 여러 가지 변형이 가능하다.
본 발명에 의하면 종래 기술에서는 조기에 램프 수명이 다해버리는 고출력조건에서 사용해도, 장 수명(예를 들어 5000 시간에서 10000 시간 이상)의 고압방전램프가 제공된다. 본 발명의 고압방전램프는 예를 들어 반사경과 조립시켜, 프로젝션TV용 광원, 또는 액정프로젝터나 DMD를 이용한 프로젝터용 광원으로 사용할 수 있다. 또 이들 용도 이외에 일반조명, 자외선 스테퍼용 광원, 또는 경기장용 광원이나 자동차 전조등용 광원 등으로서도 사용할 수 있다.

Claims (32)

  1. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과,
    상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며,
    상기 할로겐의 몰 수는, 상기 할로겐과 결합하는 성질을 갖는 금속원소이며 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐 원소 및 수은원소는 제외함)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 상기 전극으로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 고압방전램프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속원소(단 텅스텐 원소 및 수은원소는 제외함)의 각 종류를 Mi로 했을 때의 상기 금속원소(Mi)의 몰 수를 mi로 하며, 상기 금속원소(Mi)의 화학양론계수를 ni로 한 경우에 있어서, 상기 금속원소(Mi)의 상기 몰 수(mi)에 상기 화학양론계수(ni)를 곱한 수를 상기 금속원소(Mi)의 각 종류에 더한 합계 수((mi×ni))와, 상기 텅스텐의 상기 몰 수와의 합보다, 상기 할로겐의 상기 몰 수가 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  3. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과,
    상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며,
    상기 발광관 내에 봉입된 할로겐을 X로 했을 때의 상기 할로겐(X)의 몰 수를 N으로 하고, 상기 할로겐(X)과 결합하는 성질을 갖는 금속원소이고 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소의 각 종류를 Mi로 했을 때, 상기 금속원소(Mi)의 몰 수를 mi로 하고, 상기 금속원소(Mi)의 화학양론계수를 ni로 하며, 또 텅스텐을 W로 한 경우에 있어서,
    다음 식(1) 화학반응에서의 평형상수를 Ki로 하고
    Mi + niX → MiXni(화학식 1)
    다음 식(2)의 화학반응에서의 평형상수를 Kw로 했을 때
    W + X → WX (화학식 2)
    평형상수(Kw) 이상의 평형상수(Ki)를 갖는 금속원소(Mi)의 몰 수 합계와, 램프동작 중에 상기 전극으로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐(W) 몰 수와의 합보다, 상기 발광관 내에 봉입된 할로겐(X)의 몰 수(N) 쪽이 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평형상수(Kw) 이상의 상기 평형상수(Ki)를 갖는 상기 금속원소(Mi)의몰 수(mi)에 상기 화학양론계수(ni)를 곱한 수를 상기 금속원소(Mi)의 각 종류에 더한 합계 수((mi×ni))와, 상기 텅스텐의 상기 몰 수와의 합보다, 상기 할로겐(X)의 상기 몰 수(N)가 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,
    상기 금속원소는, 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1 종인 고압방전램프.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 함유된 수소(H) 함유량이 0.15 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 외면의 인장응력이 100psi 이하이며, 상기 발광관 내면의 압축응력이 100psi 이하인 고압방전램프.
  8. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과,
    상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐의 몰 수는, 상기 발광관 내에 존재하는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 상기 전극으로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 할로겐 몰 수는, 상기 발광관 내에 존재하는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li), 세슘(Cs) 및 루비듐(Rb)의 합계 몰 수와, 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  10. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과,
    상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 발광관 내에 존재하는 금속원소이고 1가의 할로겐화물을 생성하는 금속원소의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 상기 전극으로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수의 합보다 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  11. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과,
    상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며,
    상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 함유량이 각각 1ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 함유량이 각각 1ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 리튬(Li)의 합계 몰 수보다 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 리튬(Li)의 상기 합계 몰 수의 5 배 이상인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극에 함유되는 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 함유량이 3ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 합계 몰 수보다 많은 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 몰 수는, 상기 전극에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 크롬(Cr), 철(Fe), 및 니켈(Ni)의 상기 합계 몰 수의 5 배 이상인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  18. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과,
    상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프이며,
    상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 나트륨(Na), 칼륨(K), 및 리튬(Li)의 함유량이 각각 1ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  19. 제 8 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 함유되는 수소(H) 함유량이 0.15 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  20. 제 8 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 외면의 인장응력이 100psi 이하이며, 상기 발광관 내면의 압축응력이 100psi 이하인 고압방전램프.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 OH기 함유량이 5ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관의 상기 석영유리에 함유되는 알루미늄(Al) 함유량이 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐 양은 100㎛ol/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 할로겐은 브롬(Br) 또는 요오드(I) 중 적어도 하나인 고압방전램프.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관의 관벽부하가 80W/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 추가로 수은(Hg)이 봉입되는 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 발광관 내에 봉입되는 상기 수은(Hg)의 양은 150㎎/㎤에서 300㎎/㎤이며, 램프 동작 중의 수은증기압은 15MPa에서 30MPa인 것을 특징으로 하는 고압방전램프.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 기재한 방전램프와, 상기 방전램프로부터 발하는 광을 반사하는 반사경을 구비하는 램프유닛.
  29. 관내에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입되며, 실질적으로 석영유리로 된 발광관과, 상기 발광관 내에 배치되고 실질적으로 텅스텐으로 된 전극을 구비하는 고압방전램프의 제조방법이며,
    고압방전램프의 형상을 완성시켜 램프형상 완성체를 얻은 후, 상기 램프형상 완성체의 잔류왜곡을 제거하는 공정을 포함하는 고압방전램프의 제조방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 잔류왜곡을 제거하는 공정은, 상기 램프형상 완성체를 1000℃에서 1100℃의 고온조건하에서 1 시간 이상 유지하는 공정을 포함하는 고압방전램프의 제조방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 고온조건하에서 유지하는 공정은 100 시간 이상 실시되는 고압방전램프의 제조방법.
  32. 내부에 적어도 희가스와 할로겐이 봉입된 벌브와,
    상기 벌브 내에 배치된 한 쌍의 내부도입선 사이를 연결하며, 실질적으로 텅스텐으로 된 필라멘트를 구비하는 전구이며,
    상기 할로겐 몰 수는, 상기 할로겐과 결합하는 성질을 갖는 상기 벌브 내에 존재하는 금속원소(단 텅스텐 원소는 제외)의 합계 몰 수와, 램프 동작 중에 있어서 상기 필라멘트로부터 증발하여 상기 발광관 내에 존재하는 상기 텅스텐 몰 수와의 합보다 많은 전구.
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