KR20030019847A

KR20030019847A - 쇼트 아크형 수은 방전 램프

Info

Publication number: KR20030019847A
Application number: KR1020020039763A
Authority: KR
Inventors: 야스다유키오; 아이우라요시노리
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2003-03-07
Also published as: US20030042853A1; US6720731B2; JP2003077416A; TW583708B

Abstract

본 발명의 과제는, 램프 시동시 전극간에서 발생하는 방전을 전극축을 따라 확실하게 형성시키고, 따라서 아크가 전극축을 따라 확실하게 형성 유지되고, 발광관의 투명성 상실(devitrification)을 방지하여, 발광관의 파열을 방지할 수 있는 쇼트 아크형 수은 방전 램프를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 발광관(1) 내에 음극(2)과 양극(3)이 배치되고, 음극(2)은 경사면(21)이 형성된 테이퍼부(22)를 가지고, 발광관(1) 내에 수은과 희소 가스가 봉입되어 있고, 수은의 발광관 내 단위 용적당의 중량을 n(mg/㎤), 실온(25℃)시의 희소 가스의 압력을 p(KPa)로 하면, 0.2≤n ≤52, 0.1≤p ≤800인 동시에, 음극(2)은 테이퍼부(22)에 연속하여 돌기부(23)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 수은 방전 램프{SHORT ARC TYPED MERCURY DISCHARGE LAMP}

본 발명은 반도체 노광이나 액정 노광용의 노광 장치의 광원에 이용되는 쇼트 아크형 수은 방전 램프에 관한 것이다.

종래로부터 쇼트 아크형 수은 방전 램프는 석영 밸브로 이루어진 발광관 중에, 한 쌍의 음극과 양극이 전극간 거리로 하여 2mm∼13mm의 간격을 유지한 상태에서 배치되고, 발광관 내에 수은과 희소 가스가 봉입되어 있다.

발광관 내에 봉입되는 수은의 양은, 램프로부터 방사되는 광의 요구에 따라 결정되며, 반도체 노광과 같이 라인 형상의 협대역의 스펙트럼을 필요로 할 때는 봉입 수은량을 줄이고, 액정 노광과 같이 광대역의 스펙트럼을 필요로 할 때는 봉입 수은량을 증가하도록 하고 있다.

또, 발광관 내에 봉입되는 희소 가스는, 주로 램프의 시동 특성을 좋게 하기 위한 것이지만, 그 외에 발광관 내의 보온 효과를 높이거나 발광 효율을 높일 목적을 겸하는 경우도 있다.

그러나, 이와 같은 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 점등 직후 단시간 내에 발광관이 투명성을 상실하거나 파열하는 현상이 일어나는 경우가 있었다.

이와 같은 현상이 일어나는 이유를, 도 8을 이용하여 설명한다.

쇼트 아크형 수은 방전 램프에서는, 점등 전의 발광관(1) 내의 압력은 대부분 희소 가스의 압력이며, 점등시에 비해 매우 낮은 상태로 되어 있다. 이것은 주로 점등 전에 수은의 증기압이 낮은 것에 기인한다. 발광관(1) 내에 희소 가스를봉입하는 것은, 음극(2)과 양극(3) 사이의 방전 파괴 전압을 낮게 하여 용이하게 방전이 개시되기 쉽게 하기 위한 것이다.

방전 파괴 직후의 발광관(1) 내의 압력이 낮은 상태에서는, 음극(2)으로부터 방전 공간으로 튀어나간 전자는 그 평균 자유 행정(行程)이 길어져, 양극(3)의 방향뿐 아니라, 발광관(1)의 방향으로도 튀어가기 쉬운 상태로 되어 있다.

그 결과, 몇번의 충돌을 반복하여 발광관(1)의 부근까지 튀어나간 전자에 의해, 이 부근의 희소 가스가 전리되어 발광관(1)의 내면 근방으로 이온화된 영역(이후, 전하 영역(R)이라 부른다)이 존재하게 된다. 그리고, 이 전하 영역(R)을 향해 점차 전자가 이끌려 날아감으로써, 전극간에 발생하는 방전에 의해 아크가 전극축(X)으로부터 멀어진 상태, 즉, 발광관(1)의 표면에 접근 또는 접촉한 상태에서 점등 후 잠시 동안 유지됨으로써, 그 결과 발광관(1)의 투명성 상실을 방지하여, 결국에는 파열하는 경우가 있었다.

본 발명은 상기 사정에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 램프 시동시 전극간에 발생하는 방전을 전극축을 따라 확실하게 형성시키고, 따라서, 아크가 전극축을 따라 확실하게 형성 유지되어, 발광관의 투명성 상실을 방지하여, 발광관의 파열을 방지할 수 있는 쇼트 아크형 수은 방전 램프를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프의 설명도,

도 2는 도 1 중의 음극만 잘라낸 확대 단면도,

도 3은 음극 선단에 돌기부가 없는 종래의 램프와, 음극 선단에 돌기부를 가지는 본 발명의 램프의 전극간의 전위 상태를 모식적으로 도시한 설명도,

도 4는 도 3에 도시한 전극간의 전위 분포와 전계 분포의 그래프,

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 음극의 설명도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 음극의 설명도,

도 7은 본 발명의 음극 선단의 돌기부의 다른 변형예를 도시한 단면도,

도 8은 방전 현상의 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 발광관 2 : 음극

21 : 경사면 22 : 테이퍼부

23 : 돌기부 23a : 돌기부의 평탄면

23b : 돌기부의 측면

청구항 1에 기재된 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 발광관 내에 한 쌍의 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극은 양극측을 따라 경사면이 형성된 테이퍼부를 가지고, 상기 발광관 내에 적어도 수은과 희소 가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은방전 램프에서, 봉입되는 수은의 발광관 내 단위 용적당의 중량을 n(mg/㎤), 실온(25℃)시의 봉입되는 희소 가스의 압력을 p(KPa)로 하면, 0.2≤n ≤52, 0.1≤p≤800인 동시에, 상기 음극은 테이퍼부에 연속하여 돌기부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 청구항 1에 기재된 쇼트 아크형 수은 방전 램프에 있어서, 특히 상기 돌기부는 상기 음극의 테이퍼부의 경사면에 연속하여 원주 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 청구항 1에 기재된 쇼트 아크형 수은 방전 램프에 있어서, 특히 상기 돌기부는 방전측 선단부가 평탄면으로 되어 있는 동시에, 상기 음극의 테이퍼부의 경사면에 연속하여 형성되어 있고, 상기 평탄면과 상기 돌기부의 측면이 이루는 각도가 90° 이하인 것을 특징으로 한다.

(실시 형태)

본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프는 반도체 노광이나 액정 노광에 최적인 자외선을 방사하기 위한 것으로, 발광관 내에 봉입되는 수은의 양은, 발광관 내 단위 용적당의 중량을 n(mg/㎤)로 하면, 0.2≤n≤52의 범위이다.

이 범위를 규정한 이유는, 봉입되는 수은의 양이 발광관 내 단위 용적당의 중량으로 0.2mg/㎤ 미만에서는, 노광에 필요한 방사량을 얻을 수 없고, 또 52mg/㎤ 이상에서는 점등시에 미증발 수은이 존재하거나 발광관 내의 수은 증기압이 지나치게 높아져 발광관이 파손할 우려가 있기 때문이다.

또, 본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 발광관 내에 봉입되는 희소 가스의 압력은 실온(25℃)시의 봉입되는 희소 가스의 압력을 p(KPa)로 하면 0.1≤p≤800의 범위이다.

이 범위를 규정한 이유는, 발광관 내 봉입되는 희소 가스는 주로 램프의 시동 특성을 좋게 하는 것으로, 0.1KPa 미만에서는 방전 파괴 전압이 높아지게 되고, 한편, 800KPa 이상에서도 방전 파괴 전압이 상승해 버려, 방전 개시가 일어나기 어렵게 되는 현상이 발생하기 때문이다.

다음에, 도면을 이용하여 본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프를 설명한다.

도 1은 본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프의 설명도이고, 도 2는 음극만 잘라낸 확대 단면도이다.

본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프는, 석영 글래스제의 발광관(1) 내에 텅스텐제의 음극(2)과 양극(3)이 대향하여 배치되어 있다.

음극(2)은 대향하는 양극(3)을 향해 순차 외경이 작아지도록 양극측을 향해 경사면(21)이 형성된 테이퍼부(22)를 가지는 것으로, 이 테이퍼부(22)에 연속하여 돌기부(23)가 형성되어 있다.

돌기부(23)는 테이퍼부(22)의 경사면(21)에 연속하여 형성되어 있고, 외형 형상은 원주 형상이다.

구체적인 형상은, 음극(2)의 몸통부(20)는 직경(L)이 6mm이고, 돌기부(23)의 직경(d)은 0.8mm이며, 돌기부(23)의 테이퍼부(22)의 선단(a)으로부터의 돌출길이(h)는 3mm이다.

다음에, 방전 현상에 대해서 설명한다.

도 3은 음극 선단에 돌기부가 없는 종래의 램프와, 음극 선단에 돌기부를 가지는 본 발명의 램프의 전극간의 전위 상태를 모식적으로 도시한 설명도이다.

도 3(a)는 음극(2) 선단에 돌기부가 없는 종래의 램프의 전극간의 전위 상태를 도시한 도면이고, 도 3(b)는 음극(2) 선단에 돌기부(23)를 가지는 본 발명의 램프의 전극간의 전위 상태를 도시한 도면이며, 각각의 음극(2)과 양극(3)의 사이에 9개의 동일 전위 곡선이 그려져 있다.

또, 도면 중의 X는 음극(2)과 양극(3)의 중심을 연결하는 전극축을 도시한다.

이 9개의 동 전위 곡선은 음극 선단으로부터 순서대로 도 3(a), 도 3(b) 모두 동일한 전위의 위치를 도시한 것이다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 음극(2)의 선단에 돌기부(23)를 가지는 본 발명의 램프 쪽이 음극 선단부에서 동 전위 곡선의 간격이 밀접하게 되어 있어, 돌기부(23)의 전방 공간에서는 전위가 크게 변화한다는 것을 알 수 있다.

도 4는 도 3(a),(b)에 도시한 전극간의 전위 분포와 전계 분포의 그래프이다.

도 4(a)는 도 3에 도시한 전위 분포를 그래프로 도시한 것으로, 실선은 음극 선단에 돌기부가 없는 종래의 램프의 전극간의 전위 분포 그래프이고, 점선은 음극 선단에 돌기부를 가지는 본 발명의 램프의 전극간의 전위 분포 그래프이다.

도 4(a)에서 알 수 있는 바와 같이, 음극 선단에 돌기부를 가지는 본 발명의 램프에서는, 음극의 전방 공간에서 크게 전위가 변화한다는 것을 알 수 있다.

또, 도 4(b)의 실선은 음극 선단에 돌기부가 없는 종래의 램프의 전극간의 전계 분포를 도시한 그래프이고, 점선은 음극 선단에 돌기부를 가지는 본 발명의 램프의 전극간의 전계 분포를 도시한 그래프이다.

도 4(b)에 도시한 바와 같이, 음극 선단에 돌기부를 가지는 본 발명의 램프에서는, 음극의 돌기부 전방 공간에서 매우 큰 전계가 발생한다는 것을 알 수 있다.

즉, 음극 선단에 돌기부를 설치함으로써, 돌기부 전방 공간의 전위를 크게 변화시킬 수 있고, 그 결과, 돌기부 전방 공간의 전계 강도를 크게 할 수 있다.

이와 같이, 음극 돌기부의 전방 공간의 전계 강도가 커지면, 발광관 내의 압력이 낮은 경우, 음극에서 튀어나온 전자가 전극축(도 3의 X-X축)으로부터 떨어져 발광관의 방향으로 튀어가려 하는데, 이 강한 전계에 의해 전자가 이끌려 되돌아와 음극의 돌기부 전방에 구속되므로, 전자는 직선적으로 최단 거리에서 음극의 방향으로 튀어감으로써, 전극간에서 발생하는 방전을 전극축에 확실하게 유지할 수 있는 것이다.

그 결과, 방전에 의해 발생하는 아크가 전극축을 따라 확실하게 유지된 상태에서 형성되므로, 아크가 발광관에 근접하지 않고, 발광관의 투명성이 상실되지 않으며, 또 발광관이 파열하는 일은 없다.

다음에, 돌기부의 최적 형상에 대해서, 도 2를 이용하여 설명한다.

돌기부(23)의 직경(d)이 0.4mm 미만에서는, 돌기부(23)의 전방 공간의 전계 강도가 커지는데, 돌기부(23) 선단에서 아크가 지나치게 좁혀져 돌기부(23) 선단이 매우 높은 전류 밀도가 되어, 돌기부(23) 선단이 비정상적으로 고온이 되어 단시간으로 손모(損耗)되어 버린다.

한편, 돌기부(23)의 직경이 3.0mm 이상이 되면, 돌기부(23)의 전방 공간의 전계 강도의 집중 정도가 작아지게 되어, 돌기부(23) 선단으로의 방전의 이행이 어렵게 된다.

따라서, 돌기부(23)의 직경은 0.4mm 내지 3.0mm가 바람직하다.

이어서, 돌기부(23)의 돌출 길이에 대해서 도 2를 이용하여 설명한다.

돌기부(23)의 테이퍼부(22)의 선단(a)으로부터의 돌출 길이(h)는 0.3mm 미만에서는, 음극의 테이퍼부(22)에서 발생하는 전계의 영향을 받아, 돌기부(23) 선단으로의 방전의 이행이 어렵게 된다.

한편, 돌출 길이(h)가 4.0mm 이상이 되면, 돌기부(23)의 전방 공간의 전계 강도가 커지는데, 돌기부(23) 선단과 테이퍼부(22) 사이의 거리가 너무 길어지기 때문에, 열적 단전 상태가 발생하여, 돌기부(23) 선단이 고온으로 되어 단시간에 손모되어 버린다.

따라서, 돌기부(23)의 돌출 길이는 0.3mm 내지 4.0mm가 바람직하다.

또, 돌기부(23)는 도 5에 도시한 바와 같이, 테이퍼부(22)의 선단이 평탄면(b)으로 되어 있는 부분에 상기의 직경과 돌출 길이의 수치 범위에서 경사면(21)에 불연속으로 형성되어도 좋다.

도 6은 음극 선단의 돌기부의 변형예를 도시한 단면도이다.

돌기부(23)는 방전측의 선단부가 평탄면(23a)으로 되어 있는 동시에, 테이퍼부(22)의 경사면(21)에 연속하여 형성되어 있다.

돌기부(23)는 선단부의 평탄면(23a)과 돌기부(23)의 측면(23b)이 이루는 각(θ)이 90°이하로 되어 있다. 구체적으로는 본 실시예의 경우(θ)는 80°로 되어 있다.

이와 같이, 돌기부(23)의 평탄면(23a)과 측면(23b)의 교차 각도가 예각이 됨으로써, 한층 더 음극의 돌기부 전방의 공간의 전위를 크게 할 수 있어, 그 결과, 전계 강도도 한 층 더 크게 할 수 있으므로, 음극으로부터 튀어나온 전자를 매우 높은 비율로 음극 전방의 영역에만 구속할 수 있어, 전극간에서 발생하는 방전을 전극축에 매우 강고히 유지할 수 있다.

그 결과, 방전에 의해 발생하는 아크가 전극축을 따라 매우 강고하게 유지된 상태로 형성된다.

도 7은 음극 선단의 돌기부의 다른 다양한 변형예를 도시한 단면도이다.

도 7(a) 내지 (j)에 도시한 바와 같이, 음극(2)의 선단에는 각각 돌기부(23)가 형성되어 있다.

도 7(a)는 테이퍼부(22)의 선단이 평탄면으로 되어 있고, 그 평탄면으로부터 돌기부(23)가 돌출되어 있고, 또 돌기부(23)의 방전측의 선단면과 측면이 이루는 각도가 90° 이하로 되어 있다.

도 7(b),(c)는 테이퍼부(22)의 선단이 평탄면으로 되어 있고, 그 평탄면으로부터 돌기부(23)가 돌출하고 있고, 돌기부(23)의 테이퍼부(22)로부터 절결이 형성되어 있다.

도 7(d)는 테이퍼부(22)의 선단이 곡면 부분으로 되어 있고, 그 곡면 부분으로부터 돌출부(23)가 돌출하고 있다.

도 7(e),(f)는, 테이퍼부(22)와 돌기부(23)의 사이에 절결이 형성되어 있다.

도 7(g)는 테이퍼부(22)와 돌기부(23)는 원만한 곡선 상태로 형성되어 있고, 돌기부(23)와 테이퍼부(22)와의 경계는 명확하지 않지만, 돌기부(23)의 작용을 가지는 것이다.

도 7(h),(i)는 테이퍼부(22)의 선단이 계단 형상으로 소직경으로 되어 있고, 그 선단에 돌기부(23)가 형성되어 있다.

도 7(j)는 테이퍼부(22)의 선단에 북 형상의 돌기부(23)가 형성되어 있다.

또, 도 7(a) 내지 (j)에 도시한 돌기부(23)의 선단은 평탄면으로 되어 있는데, 평탄면에 한정되지 않고, 돌기부(23)의 선단은 양극 방향을 향하여 볼록 형상의 곡면 형상으로 되어 있어도 좋다.

이들의 돌기부(23)는 모두 테이퍼부(22)에 연속한 형상으로 형성되어 있다.

이와 같이 음극(2)의 선단에 돌기부(23)를 형성함으로써, 돌기부(23)의 전방 공간의 전위를 크게 변화할 수 있고, 돌기부(23) 전방 공간의 전계 강도를 크게 할 수 있다. 그 결과, 전극간에서 발생하는 방전을 전극축에 확실하게 유지할 수 있어, 방전에 의해 발생하는 아크가 전극축을 따라 확실하게 유지된 상태가 되어, 아크가 발광관에 근접하지 않고, 발광관이 투명성을 상실하지 않으며, 또 발광관이파열하지 않는다.

본 발명의 쇼트 아크형 수은 방전 램프에 의하면, 음극은 테이퍼부에 연속하여 돌기부가 형성되어 있으므로, 이 돌기부의 전방 공간의 전위를 변경할 수 있고, 돌기부 전방의 전계 강도를 크게 할 수 있어, 전극간에서 발생하는 방전을 전극축에 유지할 수 있다. 따라서, 방전에 의해 발생하는 아크가 전극축을 따라 유지된 상태로 형성되므로, 아크가 발광관에 근접하지 않고, 발광관이 투명성을 상실하지 않고, 또 발광관이 파열하지 않는다.

돌기부가 음극의 테이퍼부의 경사면에 연속하여 원주 형상으로 형성되어 있으므로, 돌기부의 전방 공간의 전위를 확실하게 크게 변화시킬 수 있어, 돌기부 전방의 전계 강도를 확실하게 크게 할 수 있어, 방전에 의한 아크를 확실하게 전극축을 따르게 할 수 있다.

돌기부는, 방전측 선단부가 평탄면이 되는 동시에, 상기 음극의 테이퍼부의 경사면에 연속하여 형성되어 있어, 평탄면과 돌기부의 측면이 이루는 각도가 90°이하이므로, 돌기부의 전방 공간의 전위를 매우 크게 변화시킬 수 있어, 돌기부 전방의 전계 강도를 매우 크게 할 수 있어, 방전에 의한 아크를 매우 강고하게 전극축에 따르게 할 수 있다.

Claims

발광관 내에 한 쌍의 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극은 상기 양극측을 향해 경사면이 형성된 테이퍼부를 가지고, 상기 발광관 내에 적어도 수은과 희소 가스가 봉입된 쇼트 아크형 수은 방전 램프에 있어서,

상기 봉입되는 수은의 상기 발광관 내 단위 용적당의 중량을 n(mg/㎤),

실온(25℃)시의 상기 봉입되는 희소 가스의 압력을 p(KPa)로 하면,

0.2≤n≤52,

0.1≤p≤800

인 동시에,

상기 음극은 상기 테이퍼부에 연속하여 돌기부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 방전 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 돌기부는 상기 음극의 상기 테이퍼부의 상기 경사면에 연속하여 원주 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 방전 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 돌기부는, 방전측 선단부가 평탄면으로 되어 있는 동시에, 상기 음극의 상기 테이퍼부의 상기 경사면에 연속하여 형성되어 있고,

상기 평탄면과 상기 돌기부의 측면이 이루는 각도가 90° 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 수은 방전 램프.