KR20020087493A - 고압 버퍼 가스 세라믹 아크 튜브 및 그의 제조 방법 및장치 - Google Patents

고압 버퍼 가스 세라믹 아크 튜브 및 그의 제조 방법 및장치 Download PDF

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오스람 실바니아 인코포레이티드
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Abstract

고강도 방전(HID) 광분야에 세라믹 아크 튜브가 제공되며, 아크 튜브는 고압 버퍼 가스를 포함한다. 또한 아크 튜브 제조 방법 및 장치가 제공되며, 기밀한 밀봉을 형성하기 위해 프리트 재료를 용해시키는데 RF 유도 가열(62, 63)이 사용된다.

Description

고압 버퍼 가스 세라믹 아크 튜브 및 그의 제조 방법 및 장치{HIGH BUFFER GAS PRESSURE CERAMIC ARC TUBE AND METHOD AND APPARATUS FOR MAKING SAME}
고강도 방전(HID ; high-intensity discharge) 램프에 대한 세라믹 아크 튜브는 공지되어 있다. 이들 아크 튜브의 가장 공통되는 구성중 하나는 각각의 단부로부터 바깥쪽으로 연장되는 마주하는 모세관을 갖는 축방향으로 대칭되는 방전 용기이다. 이들 모세관은 방전 용기 내부에 아크 방전을 발생시키는데 요구되는 전기적 에너지를 제공하기 위해 내부에 밀봉된 전극 어셈블리를 갖는다. 모세관의 단부는 프리트 재료로 전극 어셈블리를 기밀하게 밀봉한다. 방전 용기는 통상적으로 금속 할로겐화물염 및/또는 수은의 일부 조합을 포함하는 이온화가능한 충전(fill) 재료를 포함한다. 버퍼 가스는 아크 점화를 촉진시키기 위해 첨가되며램프의 광도계 특성 및 수명에 영향을 미친다. 전형적인 버퍼 가스는, 이를 테면, 아르곤, 크세논, 크립톤, 또는 이들의 혼합물과 같은 희가스중 하나이다. 일반적으로, 세라믹 아크 튜브의 버퍼 가스 압력은 약 1.5 bar 이하이다. 이러한 아크 튜브의 예는 미국 번호 5,973,453호 및 5,424,609호 및 유럽 특허 번호 0 971 043 A2 및 0 954 007호에 개시되며, 이들 모두는 본 명세서에서 참조로 한다.
세라믹 아크 튜브에 대한 종래의 프리트-밀봉 공정은 < 1 bar의 저압 챔버에서 이루어지며, 텅스텐 또는 그래파이트로 구성된 내열성 부재를 사용한다. 내열성 부재의 사용은 고전류, 복잡한 차폐, 및 수냉식 강제 냉각을 허용하기 위해 부피가 큰 피드쓰로우(feedthrough)를 필요로 한다. 결과적으로, 종래의 제조 장비는 크고, 느리고, 값이 비싸 비효율적이다. 또한 큰 밀봉 챔버는 제조 비용을 증가시키는 큰 체적의 버퍼 가스를 필요로 한다. 또한, 밀봉 온도에 도달하는데 요구되는 시간을 연장시키는 자체 장치에 의해 가열 에너지의 대부분이 소모된다. 열손실 문제는 가스 전달 및 증가된 열 전달로 인한 여분의 열손실 때문에 고압 버퍼 가스가 처리되는 경우 보다 더 악화된다. 따라서, 예를 들어, > 1 bar의 고압 버퍼 가스를 포함하는 세라믹 아크 튜브를 얻기 위해서는 해결해야 할 많은 문제점들이 있다.
세라믹 아크 튜브와는 다르게, 용융된 실리카(석영) 아크 튜브는 8 bar와 같이 고압 버퍼 가스를 사용한다. 고압 요구조건을 만족시키기 위해, 통상적으로 프리지-아웃(freeze-out) 기술이 사용되며, 이는 방전 체적의 버퍼 가스를 액화 또는 고체화시키기 위해 석영 아크 튜브의 한족 단부를 액체 질소에 침지시키고 아크 튜브의 다른쪽 단부를 석영을 연화시키는 고온에서 열처리하여 프레스-실링(press-sealing) 또는 팁핑-오프(tipping-off) 방법에 의해 단부를 밀봉하는 것이다. 실온에서의 예열에 의해, 버퍼 가스는 원하는 압력을 제공하도록 상당히 작은 체적으로 증발된다. 그러나, 프리지-아웃 기술은 석영 아크 튜브의 단부를 밀봉하는데 사용되는 프레스-실링 또는 팁핑-오프 방법이 세라믹 재료를 사용하기에 부적합하기 때문에, 세라믹 아크 튜브를 사용하는데 있어 비실용적이다.
본 출원은 2001년 2월 23일 출원된 US 예비 출원 번호 60/270,850호의 장점을 청구한다. 본 출원은 모두 2001년 4월 24일 출원된 공동 소유의 공동계류중인 출원 번호 09/841,414호 및 09/841,424호에 관한 것이다.
본 발명은 고압 버퍼 가스를 포함하는 세라믹 아크 튜브 및 프리트(frit) 재료로 상기 아크 튜브를 밀봉하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 무선-주파수(RF) 유도 가열 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 밀봉된 세라믹 아크 튜브의 단면도.
도 2는 본 발명의 무선-주파수(RF) 밀봉 장치의 단면도.
도 3은 본 발명의 밀봉 장치로 사용되는 RF 전력원의 개략도.
도 4는 RF 유도 가열기와 밀봉되는 아크 튜브의 모세관 단부 사이의 관계를 개략적으로 나타내는 단면도.
도 5는 밀봉 주기 동안 세라믹 아크 튜브에서 발생하는 내부 압력을 나타내는 그래프.
도 6은 밀봉 주기 동안 RF 서셉터의 온도를 나타내는 그래프.
도 7은 최종 밀봉 작업 동안 인가된 과압(over-pressure) 차를 나타내는 그래프.
본 발명의 제 1 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은 압력이 적어도 약 2bar인 버퍼 가스를 포함하는 프리트-밀봉 세라믹 아크 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 3 목적은 세라믹 아크 튜브에서 버퍼 가스를 고압으로 기밀한 밀봉을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 목적에 따라, 전극 어셈블리를 갖는 적어도 하나의 모세관을 갖춘 방전 용기를 포함하는 세라믹 아크 튜브가 제공되며, 상기 모세관은 방전 용기로부터 모세관 말단 단부로 바깥쪽으로 연장되며, 상기 전극 어셈블리는 프리트 재료로 모세관 말단 단부에 기밀하게 밀봉되며, 모세관을 지나 방전 챔버를 통과하며 외부 전력 소스에 접속가능하며, 상기 방전 용기는 버퍼 가스 및 이온화가능한 충전 재료를 보유하는 방전 챔버를 밀폐시키며, 상기 버퍼 가스의 압력은 2 bar 내지 8bar이다.
본 발명의 제 2 목적에 따라, 세라믹 아크 튜브를 제조하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 아크 튜브의 모세관을 수용하기 위한 개구부를 갖는 RF 서셉터를 보유하는 압력 챔버를 구비한 압력 재킷 및, 상기 압력 자켓 외부에 장착되며 RF 서셉터를 둘러싸며 RF 전력원에 접속되는 RF 유도 코일을 포함하며;
상기 압력 챔버는 가압 버퍼 가스 소스 및 진공 소스에 접속되며, 상기 가압 버퍼 가스의 소스는 압력 챔버의 압력을 측정하기 위한 압력 센서를 갖춘 압력 제어기에 접속된 밸브에 의해 조절되며;
아크 튜브를 위한 지지체를 갖는 홀더를 포함하며, 상기 지지체의 높이는 아크 튜브의 밀폐되지 않은 단부가 홀더가 장치에 밀폐될 때 RF 서셉터내에 위치되도록 선택되며;
상기 장치가 밀폐되는 경우 압력 챔버를 선택적으로 배기시키고 버퍼 가스로 압력 챔버를 채울 수 있다.
본 발명의 제 3 목적에 따라, 세라믹 아크 튜브를 밀봉하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
(a) 방전 용기 및 적어도 하나의 모세관을 포함하는 아크 튜브를 압력 챔버내에서 밀봉하는 단계를 포함하는데, 상기 모세관은 방전 용기로부터 프리트 재료를 갖는 모세관 말단 단부로 바깥쪽으로 연장되며, 상기 챔버는 모세관 말단 단부를 둘러싸는 RF 서셉터를 포함하며;
(b) 예정된 압력의 버퍼 가스로 챔버를 채우는 단계와;
(d) RF 전력원으로 RF 유도 코일을 에너지화시킴으로써 상기 RF 서셉터를 가열하는 단계를 포함하는데, 상기 RF 유도 코일은 챔버 외부에 있고 RF 서셉터를 둘러싸며, 상기 RF 서셉터에 의해 발생된 열은 프리트 재료가 모세관 말단 단부속에서 용해되어 흐르게 하며;
(e) 기밀 밀봉을 형성하기 위해 프리트 재료를 냉각시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 목적과 함께 발명의 장점 및 특성을 이해하는데 있어, 이하의 설명 및 상기 도면들과 첨부된 청구항을 참조로 한다.
고압 버퍼 가스를 갖는 세라믹 아크 튜브는 무선-주파수(RF) 유도 밀봉 방법 및 장치로 구성될 수 있다. 본 발명의 방법은 다양한 구성의 세라믹 아크 튜브를 밀봉하는데 사용되지만, 바람직한 구성의 세라믹 아크 튜브는 전극 어셈블리를 보유하는 적어도 하나의 모세관 연장부를 갖으며 모세관은 프리트 재료로 기밀하게 밀봉된다. RF 밀봉 장치는 한쪽 단부에 RF 유도 가열기가 장착된 재밀봉가능한 압력 챔버를 포함한다. RF 유도 가열기는 RF 전력원 상기 압력 챔버 외부에 위치된 RF 유도 코일, 및 상기 압력 챔버내에 위치된 RF 서셉터를 포함한다. 모세관 단부를 밀봉하기 위해서, 밀봉되는 모세관 단부가 RF 서셉터내에 포함되도록 아크 튜브가 압력 챔버내에 배향된다. 밀봉된 압력 챔버는 배기되고 원하는 압력의 버퍼 가스로 채워진다. RF 전력이 인가되고 RF 서셉터는 서셉터의 가열을 야기시키는 RF 유도 코일에 의해 발생된 에너지를 흡수한다. 뜨거운 서셉터에 의해 방출된 방사 열은 인접하게 위치된 프리트 재료가 전극 어셈블리를 따라 용해되어 아래로 흐르도록 모세관부의 단부를 개방시킨다.
고압 내부 버퍼 가스를 포함하는 바람직한 프리트-밀봉 세라믹 아크 튜브의 단면도가 도 1에 도시된다. 축방향으로 대칭인 아크 튜브(1)는 방전 용기(3), 방전 챔버(5), 마주하는 단부 캡(9), 및 전극 어셈블리(11)를 포함한다. 방전 용기(3)는 사파이어 튜브를 포함한다. 사파이어가 바람직하지만, 방전 용기는 특히 다결정성 알루미나 및 이트륨 알루미늄 가닛을 포함하는 다른 세라믹 재료로 구성될 수 있다. 단부 캡(9)은 방전 용기의 개방 단부(2) 위에 고정되도록 설계된 환형 림(16)을 갖는다. 바람직하게, 단부 캡은 다결정성 알루미나로 구성되며 종래의 신터링 방법에 의해 방전 용기에 기밀하게 밀폐된다. 단부 캡(9)과의 조합으로 방전 용기(3)는 이온화가능한 충전 재료를 포함하는 방전 챔버(5)를 밀폐한다(도시되지 않음).
각각의 단부 캡은 방전 용기(3)로부터 말단 단부(12)로 바깥쪽으로 연장되는 모세관(13)을 포함한다. 각각의 모세관(13)은 프리트(17)에 의해 모세관에 기밀하게 밀봉된 전극 어셈블리(11)를 포함한다. 세라믹 아크 튜브를 밀봉하기 위한 이러한 프리트 재료는 공지되어 있다. RF 밀봉 방법에 바람직한 프리트 재료는 중량당 65%의 Dy2O3, 중량당 25%의 SiO2, 및 중량당 10%의 Al2O3로 구성된다. 그러나, 본 발명은 임의의 특정 프리트 조성에 제한되지 않는다.
보다 바람직한 구성에서, 전극 어셈블리(11)는 텅스텐 전극(10)에 용접되는 나사형 니오븀 피드쓰로우(6)를 포함한다. 기술상 공지된 다른 전극 구성이 사용될 수 있고 전극 어셈블리는 프리트 재료에 의해 모세관에 밀봉될 수 있다. 모세관의 말단 단부 속으로의 프리트 천공 깊이(d)는 밀봉 특성에 영향을 미치며 각각의 아크 튜브 구성에 대해 실험적으로 결정되어야 한다. 니오븀 피드쓰로우가 사용되는 경우, 프리트는 니오븀을 덮고 보호하기에 충분한 깊이로 천공되어야 하며, 이는 통상적으로 니오븀이 이온화가능한 충전 재료에서 활동적인 화학작용으로 반응하기 때문이다. 그러나, 프리트는 뜨거운 아크 튜브 바디에 너무 인접하지 않아야 하며, 이는 재료들 사이에 임의의 열 부정합은 깨짐의 위험을 증가시시키 때문이다.
일단 아크 튜브의 양쪽 단부가 밀봉되면, 가압 버퍼 가스가 아크 튜브의 방전 챔버(5)내에 포함된다. 바람직하게, 버퍼 가스는 아르곤, 크세논, 크립톤 또는 이들의 혼합물을 포함하며 방전 챔버 내의 버퍼 가스 압력은 2 내지 8 bar이다. (본 명세서에서 참조되는 버퍼 가스 압력은 실온(약 25℃)에서 측정되며 동작하는 아크 튜브에서는 온도가 너무 높아서는 안된다.) 일부 응용에 있어서, 아크 튜브에서의 버퍼 가스 압력은 10 bar에 이르는 범위에 있을 수 있고 또다른 분야에서는 10 bar를 초과하는 버퍼 가스 압력을 요구할 수 있다. 이러한 응용 분야는 본 발명의 범주를 만족한다.
RF 유도 밀봉 장치의 실시예가 도 2에 단면으로 도시된다. 장치는 상부에서 폐쇄되며 하부에서 개방되어 밀봉되는 아크 튜브를 수용하는 튜브형 압력 재킷(22)을 포함한다. 융용된 실리카(석영)가 압력 재킷용 재료로 선택되며 이는 밀봉 방법에 사용되는 고온 및 고압을 견뎌낼 수 있는 투명한 유전체 재료이기 때문이다. 그러나, 압력 자켓은 적절한 불투명 세라믹 재료로 구성될 수 있고 그 구조는 상이한 아크 튜브 형상을 수용하도록 조절된다.
압력 재킷(22)의 상부 영역(55) 내부에 RF 서셉터(61)가 위치된다. 서셉터(61)는 아크 튜브의 모세관 단부에 수용되도록 중공형상으로(도시되지 않음) 알루미나 스페이서(68)에 의해 위치에 고정된다. 본 실시예에서, 바람직한 서셉터는 중공 그래파이트 실린더이다. 그래파이트는 자화율 및 방사율이 높기 때문에 선택된다. 그러나, 다른 적절한 전도성 재료(예를 들어, 몰리브덴 및 텅스텐) 및 서셉터 구조가 사용될 수 있다. 압력 재킷 및 서셉터의 구조는 가스 전달이 방해되도록 모세관 연장부의 크기 및 형상으로 조절되어야 한다. 가스 전달을 방해함으로써, 밀봉 과정 동안 열손실이 감소될 수 있다. 또한, 반사 및 절연 재료로 구성된 외부 열 차폐부(69)는 방사 및 컨덕턴스로 인한 열손실을 감소시킴으로써 전력 활용을 보다 개선시키기 위해 서셉터(61) 부근에 위치될 수 있다. 또한 차폐부는 RF 유도 코일(63) 및 냉각 블록(65)에 방사열이 도달하는 것을 방지한다. 열 차폐부는 다층의 적외선 반사 유전체 재료 또는 와상 전류를 감소시키기 위해 챔버의 축에 평행한 갭을 갖는 얇은 금속막을 포함할 수 있다.
외부 RF 유도 코일(63)은 서셉터(61)를 둘러싸며 RF 전력(62)의 소스에 접속된다. 유도 코일이 에너지화되면, 서셉터는 유도 코일에 의해 발생된 RF 에너지를 흡수하여 가열된다. 가열된 서셉터로부터의 열방출은 프리트 재료를 용해시켜 모세관에 전극 어셈블리를 밀봉하게 한다. 코일의 직경은 서셉터를 기준으로 코일 안쪽의 단면 영역을 최소로 감소시킬 수 있게 작게 선택된다. 결과적으로, 코일의 전자기 플럭스의 최대량은 전도성 서셉터 및 소비된 플럭스의 양을 감소시키는 전극 시스템의 단면 영역과 교차된다. 최적의 인덕턴스, 코일에 저장된 에너지 및 전자기 플럭스를 달성하기 위해 유도 코일 구조(코일 직경, 와이어 직경, 권선 수, 전체 와이어 길이)의 추가적 최적화가 주어진 입력 전력 및 가열 속도에 대해 코일 내부의 전체 로드(load)의 충분한 줄(joule) 가열을 보증한다. 이는 입력 전력 및 코일 전류를 최소로 감소시킨다. 낮은 코일 전류는 코일을 냉각시키는 물이 요구되지 않는 낮은 값으로 코일의 줄 가열을 감소시킨다.
대신에, 양호한 열 전도성을 갖는 절연 유전체 재료로 구성된 냉각 블록(65)에 유도 코일(63)이 삽입된다. 냉각 블록은 코일에서의 작은 저항성 열 뿐만 아니라 방사열 및 서셉터로부터 전도된 열을 방산시킨다. 냉각 블록으로 바람직한 재료는 알루미늄 질화물/붕소 질화물 복합물이다. 냉각 블록은 코일의 온도 및 저항이 밀봉 작업동안 낮게 유지되게 한다. 또한 냉각 블록은 재생가능한 커플링 조건을 제공하기 위해 예정된 형상의 코일을 유지하도록 코일에 기계적 안정성을 부가한다.
압력 자켓(22)은 엘라스토머 가스켓(25)에 의해 베이스(26)를 밀봉한다. 베이스(26)는 한쪽 측면상의 압력 자켓(22)의 압력 챔버(29)에서 개방되고 아크 튜브가 맞은편 측면으로부터 베이스를 지나 삽입되게 하는 보어(32)를 갖는다. 개방 단부(31)는 베이스 상에 캡(27)이 나사 결합되도록 나사가공된다. 압력 자켓(22)은 플랜지(28)가 림(35)과 접촉할 때까지 개방 단부(31)를 통해 베이스(26) 속으로 자켓을 삽입함으로써 베이스에 밀봉된다. 가스켓(25)은 압축 스페이서(37)로 이어지는 자켓 상에 위치된다. 압력 자켓을 수용하기에 충분한 개구부를 갖는 캡(27)은 스페이서(37)가 가스켓(25)을 압축시켜 베이스와 압력 자켓 사이에 타이트한 밀봉을 형성하도록 베이스(26) 상에서 나사결합된다. 압력 자켓은 베이스에 해체가능하게 밀봉되기 때문에, 밀봉 장치는 간단히 압력 자켓을 변화시킴으로써 다양한 구성의 아크 튜브를 사용하도록 쉽게 조작된다.
베이스(26)는 매니폴드(24)에 장착되고 그위에서 o-링(40)에 의해 밀봉된다. 매니폴드(24)는 베이스(26)의 보어(32)를 통해 압력 챔버(29)와 유체 연통되는 보어(41)를 갖는다. 보어(41)는 포트(45)를 통해 진공 소스(도시되지 않음)에 접속되고 포트(46)를 통해 가압 버퍼 가스(도시되지 않음) 소스에 접속된다. 이는 압력 챔버(29)가 선택적으로 배기되고 가압되어 버퍼 가스로 아크 튜브를 채우게 한다. 가압 버퍼 가스의 소스는 챔버(29)에서 압력을 모니터하고 조절하는 압력 제어기(도시되지 않음)를 갖는다. 압력 제어기는 챔버에서 압력을 측정하는 압력 센서 및 챔버에서 압력을 예정된 속도로 증가시키는 마이크로프로세서 제어 가변 밸브와 접속된다.
아크 튜브 홀더(20)는 베이스 및 지지체(49)를 포함한다. 지지체(49)는 아크 튜브의 단부에 해당하는 형상의 케비티(43)를 갖는다. 밀봉 장치는 지지 케비티(43)에 아크 튜브를 설치하고 밀봉 장치가 매니폴드(24) 및 o-링(50)에 대해 가압되고 밀봉될때까지 홀더(20)를 상승시킴으로써 적재된다. 퍼넬 형상의 가이드가 압력 자켓의 하부 영역 안쪽에 위치되어 압력 자켓이 삽입됨에 따라 아크 튜브의 중심을 맞추고 안정화시킨다. 지지체(49)의 높이는 홀더(20)가 매니폴드(24)에 매치될 때 아크 튜브의 맞은편 단부가 RF 서셉터(61) 내에 바람직하게 장착되도록 설정되어야 한다.
일단 아크 튜브가 홀더에 설치되고 장치가 밀봉되면, 압력 챔버 및 아크 튜브의 방전 챔버는 배기되고 원하는 압력의 버퍼 가스로 채워진다. RF 전력은 서셉터가 가열되도록 스위치 온된다. 프리트 온도가 용융점에 도달하면, 프리트는 액화되어 세라믹 모세관 및 전극 어셈블리를 모두 적신다. 중력 및 모세관 힘은 용해된 프리트가 모세관의 말단 단부로 흐르게 한다. 일단 프리트가 모세관내의 원하는 천공 깊이에 도달하면, RF 전력은 스위치 오프되고 프리트는 모세관 및 전극 어셈블리의 피드쓰로우 사이에 기밀한 밀봉을 형성하게 고형화된다. 챔버 압력은 대기압으로 감소될 수 있고 장치는 개방되고 재장전된다. 아크 튜브에서 최종 밀봉이 이루어지면, 아크 튜브의 내부 체적이 압력 챔버의 체적으로부터 분리됨에 따라 아크 튜브에서 온도와 관련된 압력이 상승된다. 2개의 체적이 분리되면 큰 압력차를 방지하기 위해, 챔버에서 상승하는 압력은 아크 튜브 내부에서 상승하는 압력과 일치해야 한다. 프리트가 원하는 천공 깊이로 하향 흐르게 하기 위해 압력 챔버에서 상승하는 압력이 약간 크게 하는 것이 바람직하다.
일반적으로, RF 주파수의 선택은 EMI/RFI 방출 조건, 가열되는 부분의 구조, 및 원하는 가열 속도에 의해 결정된다. 특히, 주파수는 서셉터의 온도를 상승시키고 원하는 시간내에서 프리트를 용해시킬 수 있는 서셉터에서의 전류를 유도하기 위해 충분한 자계에서의 변화 속도를 보유해야 한다. 바람직하게, RF 주파수는 단치 최소의 EMI/RFI 차폐를 요구하는 ISM 밴드인 27.12MHz이다. 도 3에 RF 전력원의 개략적 도면이 도시된다. 본 실시예에서, 유도 코일은 단일-단부형 모드로 구동된다. 적절한 RF-매칭 네트워크(57)가 최소의 반사 전력을 갖는 RF 전력 증폭기와 유도 코일(L1)의 접속을 허용하도록 설계된다. 서셉터의 도전율 및 전력 소비, 코일(L1)의 인덕턴스, 및 캐패시터(C1, C2)의 값은 10 암페어의 코일 전류 및 및 약 300와트 이하의 RF 전력원 출력을 달성하는 방식으로 설계 및 소형화된다. 낮은 와트량 및 최적의 커플링 조절은 큰 RF 증폭기에 대한 요구조건을 감소시키며 낮은 코일 전류는 냉각 요구조건을 감소시킨다. 이들 특징의 조합은 높은 가열 속도 및 결과적으로 가열 수명 단축을 가능케 할 수 있는 효율적인 에너지 시스템을 산출한다.
상술된 RF 밀봉 장치는 적어도 약 1bar의 버퍼 가스 압력을 갖는 아크 튜브를 채우고 밀봉하는데 적합하다. 약 1bar 이하의 압력은 챔버내의 RF 플라즈마를가격하지 않고 밀봉 장치를 사용하는 것을 어렵게 만든다. 그러나, 측정을 방해하는 일정한 플라즈마를 인가함으로써, RF 밀봉은 약 1bar 이하의 압력을 달성할 수 있다. 이러한 방법은 단일 단부형 모드 대신에 상이한 모드로 유도 코일을 구시킴으로써 회로 그라운드에 대해 최대 코일 전압을 감소시키는 단계; 에지를 따라 전계 강화를 최소화시키기 위해 서셉터의 에지를 무디게하는 단계; 및/또는 서셉터의 전체 또는 일부를 차폐 또는 차단하도록 고온 절연 재료를 사용함으로써 지지체를 따라 유전체 크리프(creep) 간격을 증가시키는 단계를 포함한다.
도 4는 밀봉을 위한 아크 튜브 모세관(13)을 나타내는 압력 자켓(22)의 상부 영역(55) 단면도이다. 프리트 링(70)은 피드쓰로우(6) 근처에 위치되고 모세관의 말단 단부(12) 부근에 위치된다. 모세관의 말단 단부(12), 프리트 링(70) 및 피드쓰로우(6)는 알루미나 스페이서(68)에 의해 지지되는 서셉터(61) 내부에 장착된다. 압력 챔버(29)의 단면 영역 및 체적은 작기 때문에, 희가스 소비가 최소화될 수 있고 10bar에 이르는 가스 압력이 사용되더라도 비교적 낮은 힘이 가해진다.
상기 설명된 것처럼, RF 전력이 유도 코일(63)에 공급되는 경우, 서셉터(61)는 가열시 발생된 RF 에너지를 흡수한다. 서셉터에 의해 방출된 방사열은 프리트 링(70)을 용해시킨다. 모세관 힘 및 중력은 프리트가 피드쓰로우(6)를 따라 모세관(13)으로 하향 흐르게 한다. 프리트가 예정된 천공 깊이에 도달하는 경우 가열이 중단된다. 냉각에 따라, 기밀한 밀봉이 프리트, 모세관 및 피드쓰로우 사이에 형성된다. 아크 튜브가 밀봉 장치로부터 제거되고 반전되어, 맞은편 단부를 밀봉하기 위해 장치 속으로 장전된다. 모세관속으로 프르트가 하향 흐름에 따라, 아크튜브의 내부 압력은 가스가 방전 챔버(5)내에 한정됨에 따라 상승하기 시작하기 때문에, 최종 밀봉은 초기 밀봉보다 달성하기 어렵다.
최종 밀봉 작업 동안 아크 튜브 내의 압력 상승은 차단 밸브 및 아크 튜브의 맞은편 단부 속으로 아교접착된 얇은 금속 모세관을 사용하여 테스트 설정시 실험적으로 측정될 수 있다. 초기에 차단 밸브는 금속 모세관을 통해 챔버 압력에 방전 챔버를 접속시켜 양쪽 체적이 동일한 압력으로 버퍼 가스를 채우게 된다. 2개의 체적이 차단 밸브를 인접시킴으로써 절연된다. 금속 모세관에 접속된 축소형 압력 센서는 방전 챔버내의 압력 상승을 모니터하는데 사용될 수 있으며 아크 튜브의 프리트 밀봉 단부는 서셉터에 의해 가열된다. 도 5에 도시된 것처럼, 유도 코일이 에너지화된 후 약 3초간 아크 튜브의 내부 압력은 선형적으로 상승하기 시작한다. 유도 코일이 에너지화된 후 약 15초간 압력은 밀봉 단부에 있는 프리트가 액화됨에 따라 급격히 떨어진다. 이 지점에서, 아크 튜브의 내부 압력은 압력 챔버의 가스에 의해 배기된 외부 압력으로 인한 프리트 밀봉 실패 문제를 해결하기에 충분하다. 이러한 정보를 이용하여, 전체 밀봉 주기 동안 아크 튜브내에서의 압력 상승을 추정할 수 있다. 이러한 기능은 아크 튜브 내부의 상승 압력과 동일한 속도로 압력 챔버내의 압력을 상승시키기 위해 가변 밸브를 구동시키기 위해 사용될 수 있다. 또한, 약간의 과압력 차는 모세관 속에 용해된 프리트 재료를 가압하기 위해 압력 챔버에서 유지될 수 있다.
도 6 및 도 7은 전형적인 밀봉 주기를 나타낸다. 도 6은 상기 주기 동안의 서셉터 온도를 나타낸다. 동일한 온도 주기를 사용하여 이미 밀봉되는 아크 튜브의 한쪽 단부를 사용하여, 최종 밀봉 형성은 아크 튜브내의 압력과 압력 챔버 안쪽의 압력 사이에 압력 균형을 유지할 수 있게 된다. 도 7에서의 곡선(71)은 밀봉 장치의 압력 챔버내에서의 압력을 나타내며 곡선(73)은 아크 튜브에서 추정된 압력을 나타낸다. 영역(A)은 가열 공정의 시작을 나타내며 영역(B)에서 지연된 압력 상승을 수반한다. 프리트 용해 및 모세관 속으로의 천공은 영역(C, D)에서 이루어진다. 영역(D)은 가열 주기의 마지막이다. 압력 챔버에서의 제어된 압력 상승은 프리트가 고형화되고 큰 압력 차를 견딜 수 있는 경우 영역(E)에서 종결된다. 밀봉 동안 인가된 약간의 과압력 차는 원하는 프리트 천공 깊이를 달성하도록 실험적으로 조절된다.
현재 도시되고 개시된 본 발명의 바람직한 실시예를 고려하여, 당업자는 첨부된 청구항에 한정된 본 발명의 범주를 이탈하지 않은 한 다양한 변형 및 변조가 가능함을 알것이다.

Claims (31)

  1. 전극 어셈블리를 갖는 적어도 하나의 모세관을 갖춘 방전 용기를 포함하며, 상기 모세관은 상기 방전 용기로부터 모세관 말단 단부로 바깥쪽으로 연장되며, 상기 전극 어셈블리는 상기 모세관 말단 단부가 프리트 재료로 기밀하게 밀봉되고 상기 모세관을 지나 상기 방전 챔버를 통과하며, 외부 전력원에 접속가능하며, 상기 방전 용기는 버퍼 가스 및 이온화가능한 충진 재료를 함유한 방전 챔버를 밀폐하며, 상기 버퍼 가스의 압력은 2 bar 내지 8 bar인 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 2bar 내지 10 bar인 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 10bar 이상인 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 방전 용기는 사파이어 튜브를 포함하며 상기 모세관은 다결정성 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 모세관은 상기 사파이어 튜브가 기밀하게 밀봉되는단부 캡 부분인 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단부 캡은 상기 사파이어 튜브의 개방 단부상에 고정되는 환형 림을 갖는 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼 가스는 아르곤, 크립톤, 크세논 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼 가스는 크세논을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 2bar 내지 10bar인 것을 특징으로 하는 세라믹 아크 튜브.
  10. 세라믹 아크 튜브 제조 장치로서,
    RF 서셉터를 포함하는 압력 챔버를 갖춘 압력 자켓을 포함하는데, 상기 서셉터는 아크 튜브의 모세관을 수용하기 위한 개구부를 갖고, RF 유도 코일은 상기 압력 자켓 외부에 장착되고 상기 RF 서셉터를 둘러싸며, 상기 RF 유도 코일은 RF 전력원에 접속되며;
    상기 압력 챔버는 가압 버퍼 가스 소스 및 진공 소스에 접속되며, 상기 가압버퍼 가스 소스는 상기 압력 챔버에서 압력을 측정하기 위한 압력 센서를 갖는 압력 제어기에 접속된 밸브에 의해 조절되며;
    상기 아크 튜브용 지지체를 갖는 홀더를 포함하는데, 상기 지지체의 높이는 상기 홀더가 장치를 밀봉하는 경우 아크 튜브의 밀봉되지 않은 단부가 RF 서셉터내에 위치되게 선택되며;
    밀봉된 장치가 상기 압력 챔버를 선택적으로 배기시키고 버퍼 가스로 상기 압력 챔버를 채울 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 서셉터는 중공의 그래파이트 실린더인 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 서셉터는 알루미나 스페이서에 의해 상기 압력 챔버에 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 유도 코일은 냉각 블록에 내장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉각 블록은 알루미늄 질화물/붕소 질화물 복합 재료인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 RF 서셉터 및 상기 RF 유도 코일 사이에 열 차폐부가 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 서셉터의 에지는 전계 증가를 감소시키기 위해 무뎌지는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 유도 코일은 단일 단부형 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 유도 코일은 상이한 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 열차폐부는 다층 세라믹 적외선 반사 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 열차폐부는 상기 압력 챔버의 축에 평행한 갭을 갖는 얇은 금속막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 10 항에 있어서, 상기 압력 자켓은 가압 버퍼 가스 소스 및 상기 진공 소스와의 접속을 위한 포트를 갖는 매니폴드에 장착된 베이스에 해체가능하게 밀봉되며, 상기 베이스 및 매니폴드 각각은 아크 튜브가 상기 압력 챔버속으로 삽입되게 하는 보어를 갖고, 상기 매니폴드는 상기 홀더에 해체가능하게 밀봉되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 10 항에 있어서, 상기 압력 자켓은 용융된 실리카를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 10 항에 있어서, 상기 RF 전력원은 27.12MHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 10 항에 있어서, 상기 RF 전력원은 반사된 전력이 최소화되는 RF 매칭 네트워크를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 RF 전력원은 300와트 이하의 전력 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 세라믹 아크 튜브를 밀봉하는 방법으로서,
    (a) 방전 용기 및 적어도 하나의 모세관을 포함하는 아크 튜브를 압력 챔버내에 밀봉하는 단계를 포함하는데, 상기 모세관은 방전 용기로부터 프리트 재료를 갖는 모세관 말단 단부로 바깥쪽으로 연장되며, 상기 챔버는 상기 모세관 말단 단부를 둘러싸는 RF 서셉터를 포함하며;
    (b) 예정된 압력의 버퍼 가스로 상기 챔버를 채우는 단계;
    (d) RF 전력원으로 RF 유도 코일을 에너지화시킴으로써 상기 RF 서셉터를 가열하는 단계를 포함하는데, 상기 RF 유도 코일은 챔버 외부에 있고 상기 RF 서셉터를 둘러싸며, 상기 RF 서셉터에 의해 발생된 열은 프리트 재료가 모세관 말단으로 용해되어 흐르게 하며;
    (e) 기밀 밀봉을 형성하기 위해 상기 프리트 재료를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 상기 방전 용기 내의 버퍼 가스의 압력과 같거나 또는 약간 큰 속도로 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 26 항에 있어서, 과압력 차는 프리트 천공 깊이를 달성하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 2 bar 내지 8 bar인 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 2 bar 내지 10 bar인 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 26 항에 있어서, 상기 버퍼 가스 압력은 10 bar 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
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