KR20030035920A

KR20030035920A - 쇼트아크형 수은 램프

Info

Publication number: KR20030035920A
Application number: KR1020020063877A
Authority: KR
Inventors: 아이우라요시노리; 야스다유키오
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2003-05-09
Also published as: TW584883B; US20030094901A1; US6768263B2; JP2003132837A; KR100625277B1; JP3899898B2

Abstract

본 발명은 음극의 온도가 낮아도 원하는 전자를 방출할 수 있고, 아크 휘점의 수축이나 그 이동을 억제하여, 장시간 점등해도 음극 형상이 변형되기 힘든, 조도 변동을 억제한 쇼트아크형 수은 램프를 제공한다.

발광관 내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있으며, 해당 발광관 내에 적어도 희가스와 수은이 봉입되고, 음극에 산화 토륨을 함유하고, 음극 몸체부에 이어지는 콘부가 형성되고, 상기 콘부로부터 연속하여 돌기부가 형성되어 있는 쇼트아크형 수은 램프에 있어서, 상기 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선 상에서의 결정 입계의 개수가 0.5개/mm 이상 100개/mm 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은 램프이다.

Description

쇼트아크형 수은 램프{SHORT ARC-TYPED MERCURY LAMP}

본 발명은 광화학 산업 분야, 반도체 디바이스의 제조 분야 등에서 사용하는 쇼트아크형 수은 램프에 관한 것으로, 특히 그 전극에 관한 것이다.

종래, 쇼트아크형 램프에 관해, 방전의 동요을 억제하기 위해 음극 정상부에 돌기부를 형성하는 기술이 있었다. 예를 들면, 특개소 56-134465호에 기재되어 있다.

이 공보에서는 크세논 램프에 대해 설명되어 있다.

"동요"이 발생하는 원인은 램프의 사용 초기에는 뾰족했던 음극 콘부의 선단이, 사용시간의 경과에 따라 텅스텐 및 전자방사성 물질이 용융 증발하게 되므로, 큰 직경의 구면형상이 되는 동시에, 선단 부분의 조직이 변화하여 텅스텐의 단결정이 형성되어 성장하게 되어, 첨단(尖端)성을 잃게 되는 것과, 단결정의 형성에 의해 선단부에 대한 전자방사성 물질의 확산에 의한 주입이 저해되는 것에 있다. 상기 공보에서는, 단결정 진행화 구역을 돌기부에 한정함으로써, 음극 아크 발생점은 콘부의 선단부보다 돌출하는 돌기부에 한정되는 것이 개시되어 있다.

광화학 산업 분야, 반도체 디바이스의 제조 분야 등에서 사용하는 쇼트아크형 수은 램프에서는, 발광관 내에 희가스와 수은이 봉입되어 있다. 그런데, 방전 램프에 사용되는 봉입물의 열전도도의 크기는, Ar 〉Kr 〉Hg 〉Xe의 순으로 되어 있어, 봉입 가스가 Xe뿐인 크세논 램프의 경우가 열전도도가 가장 낮다.

방전 공간에서 방전 아크를 장시간 안정적으로 유지하기 위해서는, 어느 정도의 온도가 필요하며, 통상 음극 선단부의 온도가 2700℃정도로 동작하는 것이 적정하다고 일컬어진다. 여기서, 봉입 가스에 주목하면, 열전도가 나쁜 경우에는 아크가 확산되기 쉽고, 열전도가 좋은 경우는 아크가 축소되기 쉽다. 아크가 축소되면 전류 밀도가 상승한다. 당연히 음극 선단에서의 전류 밀도도 상승한다. 전류 밀도가 상승하면 음극으로의 데미지가 커진다. 음극 선단의 온도도 당연히 상승한다. 음극 선단을 돌기형상으로 함으로써 종래의 테이퍼 형상 등에 비해 음극 선단부의 온도가 상승하기 쉽다. 게다가, 봉입물의 효과로, 크세논 램프에 비해 수은 램프는 음극 선단부가 더욱 고온이 되어 버린다.

아크는 중앙이 고온이며, 열전도 등에 의해 그 열이 주위로 전달된다. 열전도가 좋으면 고온 영역으로부터 열이 빨리 전달되어, 열이 주위로 달아나 버린다. 그 때문에, 아크가 형성되는 영역(고온 영역)은 좁아져 버린다. 따라서, Xe에 비해 Ar 등의 가스쪽이 축소되어 있는 것처럼 보인다.

한편, 아크 내는 가스나 수은이 전리한 플라즈마 상태가 되어 있다. 이 플라즈마 내에서의 전자나 이온의 이동에 의해 전류가 흐르고 있다. 아크가 축소되어 있다는 것은, 전류가 통과하는 길이 좁다는 것이다. 따라서, Xe에 비해 Ar 등의 가스 쪽의 전류 밀도가 높아져 있다.

전류 밀도가 상승하면 더욱 고온의 중앙 영역이 생긴다. 따라서, 중앙에 위치하는 음극 선단은 더욱 고온에 접촉하게 되어, 온도가 상승하는 방향에 있다.

그 결과, 수은 램프에서는 전자방사성 물질인 토륨(Th)의 증발이 크세논 램프에 비해 보다 격렬하게 발생하여, 토륨이 고갈된다. 또, 스폿 모드(점형상 휘점이 되는 형태)라 불리는 아크의 휘점의 수축이 크세논 램프에 비해 더욱 발생하기 쉽다. 즉, 조도 변동을 일으키는 것이다.

또한, 수은 램프에 있어서는, 음극 선단으로의 부하가 높아지므로, 즉 음극 선단부의 온도가 더욱 높아지기 쉬우므로, 음극 선단의 변형을 일으키는 것이 자주 보였다.

따라서, 본 발명의 목적은, 원하는 전자를 방출할 수 있고, 아크 휘점의 수축이나 그 이동을 억제하여, 장시간 점등해도 음극 형상이 변형되기 힘든, 조도 변동을 억제한 쇼트아크형 수은 램프를 제공하는 것에 있다.

음극 내부의 입계로부터 전자방사성 물질의 토륨이 석출되어, 그 토륨은 음극 선단에서 텅스텐보다도 저온에서 전자 방출을 가능하게 하여, 전자 방출 동작을 하고 있다. 탄화 처리를 실시한 경우, 그 탄화면으로부터 다량의 토륨이 석출되어, 선단으로 표면 확산 등에 의해 공급된다.

발명자가 예의 연구한 결과, 음극에 돌기부를 구비한 수은 램프의 경우, 돌기 내부의 입계의 형태, 구체적으로는 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수에 따라, 스폿 모드 등의 조도 변동이나 음극 선단의 변형이 발생하는 것을 밝혀냈다.

또, 돌기부를 선단에 구비한 음극을 갖는 수은 램프에서는, 종래로부터의 돌기부를 구비하지 않는 음극을 갖는 수은 램프나 크세논 램프보다도 음극 온도가 고온이 되기 쉬우므로, 음극의 변형이 현저하게 발생하는 경우가 있었다. 이 원인을조사한 바, 돌기 내부의 입계수가 대단히 많은 경우에 발생하는 것을 알 수 있었다.

입계 개수가 많아지면 공극이 확대된 것과 등가가 되어, 열전도가 악화된 것에 상당한다. 이에 의해, 음극 선단으로부터 음극 몸체부로의 에너지의 흐름이 차단되어, 선단부의 비정상적인 온도 상승이 발생한다. 결과적으로, 음극 선단부가 변형하는 것으로 추측된다.

도 1은 본 발명의 쇼트아크형 수은 램프의 개략도,

도 2는 본 발명의 쇼트아크형 수은 램프의 음극의 형상 파라미터를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 쇼트아크형 수은 램프의 조도 변동 및 음극 형상의 변형을 조사한 실험 결과를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 쇼트아크형 수은 램프의 조도 변동 및 음극 형상의 변형을 조사한 실험 결과를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 음극 선단 돌기부의 임의 단면의 단면 사진의 트레이스도,

도 6은 본 발명에 관한 수은 램프에 제공되는 음극 선단의 돌기부의 형상의 여러 가지 예를 나타낸 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 … 발광관 2 … 음극

21 … 음극 몸체부 22 … 음극 콘부

23 … 음극 돌출부 3 … 양극

10 … 쇼트아크형 수은 램프

상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1에 기재된 발명은, 발광관 내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있으며, 상기 발광관 내에 적어도 희가스와 수은이 봉입되고, 음극에 산화 토륨을 함유하고, 음극 몸체부에 이어지는 콘부가 형성되고, 상기 콘부로부터 연속하여 돌기부가 형성되어 있는 쇼트아크형 수은 램프에 있어서, 상기 돌기부의 직경 방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수가 0.5개/mm 이상 100개/mm 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은 램프로 하는 것이다.

또, 청구항 2에 기재된 발명은, 발광관 내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있으며, 상기 발광관 내에 적어도 희가스와 수은이 봉입되고, 음극에 산화 토륨을 함유하고, 음극 몸체부에 이어지는 콘부가 형성되고, 상기 콘부로부터 연속하여 돌기부가 형성되어 있으며, 상기 콘부 및 음극 몸체부의 적어도 일부에 탄화 처리가 되어 있는 쇼트아크형 수은 램프에 있어서, 상기 돌기부의 직경 방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수가 100개/mm 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은 램프로 하는 것이다.

(작용)

음극 선단의 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수를 단위길이당 0.5개/mm 이상으로 규정함으로써, 조도 변동이 억제된 방전 램프로 할 수 있다.

또, 음극 선단의 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수를 단위길이당 100개/mm 이하로 규정함으로써, 음극 온도가 더욱 고온이 되기 쉬운 음극 선단에 돌기부를 갖는 수은 램프에서도, 음극의 변형이 적고, 조도 변동이 억제된 방전 램프를 제공할 수 있다.

상기 조건으로, 원활하게 토륨을 공급하기 위해, 콘부 측면 등에 탄화를 실시하면, 음극 측면으로부터 음극 선단으로 충분한 양의 토륨의 공급이 용이해진다. 탄화를 행함으로써 공급할 수 있다. 토륨은 텅스텐보다도 더욱 저온에서 열전자 방출이 가능하다. 따라서, 탄화가 없는 경우에 비해 넓은 범위에서 열전자 방출이 가능해져, 음극으로의 부하를 경감시킬 수 있다. 따라서, 탄화하지 않는 경우에서 조도 변동을 일으켰던, 음극 선단 돌기부의 직경방향에서의 임의 단면에서 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 단위길이당 개수가 0.5개/mm 이하인 경우에도 정상적인 음극 동작이 가능해진다.

(발명의 실시형태)

본 발명의 구체적인 실시예를 나타내어 발명의 실시형태에 대해 이하에 설명한다.

(실시예 1)

도 1에 본 발명의 쇼트아크형 수은 램프(10)의 개략도를 나타낸다.

석영 유리로 이루어지는 발광관(1)의 외경이 55mm이며, 이 발광관(1)의 양단은 기밀하게 봉지되어 있다. 발광관(1)의 내부에는 음극(2)과 양극(3)이 대향하여 배치되고, 그 음극(2)과 양극(3) 사이의 거리(전극간 거리)는 4.5mm이다. 이 발광관(1)의 내부에는 발광관 내용적당 4mg/㎤의 수은과 실온에서 0.15MPa의 크립톤 가스가 봉입되어 있다. 이 램프(10)는 정전력 전원을 사용하여, 2.5kW의 정전력으로 점등하면, 램프 전압 23V×전류 108.7A = 전력 2500W였다.

이 램프(10)의 음극(2)의 형상의 파라미터를 도 2(a), 도 2(b)에 나타낸다. 음극 몸체부(21)에 콘부(22)가 이어지고, 콘부(22)의 선단에 음극 돌기부(23)가 있다. 음극 선단부의 콘각(2θ)이 60°, 전극 몸체부의 직경(D)을 6mm, 음극 돌출길이(h)를 1mm로 하고, 도 3(a)의 표에 나타낸 A1 ∼ K1의 돌기부 직경방향의 임의의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선 상에서의 단위길이당 결정입계의 개수가 다른 12종류의 음극을 준비하여 점등시켜, 조도 변동이나 음극 선단의 변형 정도를 조사하는 실험을 행했다. 토륨·텅스텐의 제조 방법이나 열처리 방법을 변화시킴으로써, 돌기직경(d)과 단면(S)에서의 입계수를 변화시켜, 단면(S)에서의 개략 중심을 통과하는 직선(L)에서의 단위길이당 입계수를 변화시켰다.

여기서, 돌기부의 형상은 콘부로부터 이어지는 원통형상으로 하고, 초기에는 선단직경의 단면길이는 일치하고 있다. 입계수의 체크는 돌기부 선단을 연마하여, 결정면을 노출시켜 사진을 찍고, 사진 상에서 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선을 그어, 직선과 외주가 교차하는 2점 사이의 거리인 단면길이와, 직선과 교차하고 있는 입계수를 세었다. 입계수를 단면길이로 나눈 값을 단위길이당 입계수로 정의했다. 결정면의 사진으로부터 입계수를 세는 예를 도 5에 나타낸다.

도면 중, 직선 상의 숫자는 입계와 직선의 교점의 위치를 나타낸 것인데, 이 예에서는 23개의 입계의 개수로 카운트한다.

또, 도 3(a)의 표에 나타낸 여러 종의 램프를 점등하면, 음극 선단이 변형한 것도 있었다. 변형이 큰 것은 조도 유지율도 나빠 문제였다.

실험 결과를 도 3(a)의 표에 나타낸다. 이것은 조도 변동의 유무와 변형의 유무를 나타낸 것이다. 표의 왼쪽부터 램프 샘플 기호, 음극의 돌기부 단면길이, 돌기부 내 단면의 입계수, 돌기부의 직경방향 단면의 개략 중심을 통과하는 입계수, 조도 변동의 유무, 음극 변형의 유무, 종합 평가로 되어 있다.

단위길이당 입계수가 0.5개/mm 이상인 것은 조도 변동이 없는 것을 알 수 있다. 또, 100개/mm를 초과하는 것은 변형이 큰 것을 알 수 있었다. 즉, 돌기부 직경방향의 임의의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선 상에서의 단위길이당 결정입계의 개수가 0.5개/mm 이상 또한 100개/mm 이하이면, 조도 변동을 일으키지 않고 장시간 변형이 없는 것을 알 수 있었다.

또한, 음극 돌출부의 돌출길이(h)를 0.5mm, 2.0mm로 각각 변화시킨 경우를 각각 도 3(b) 및 도 3(c)의 표에 나타낸다. 도 3(b)는 h가 0.5mm인 5종류의 램프 샘플(L1 ∼ P1), 도 3(c)는 h가 2.0mm인 5종류의 램프 샘플(Q1 ∼ U1)이다.

1.0mm일 때와 마찬가지로 돌기부 직경방향의 임의의 단면에서의 개략 중심을통과하는 직선 상에서의 단위길이당 결정 입계의 개수가 0.5개/mm 이상 또한 100개/mm 이하이면, 조도 변동을 일으키지 않고 장시간 변형이 없는 것이 확인되었다.

(실시예 2)

각각의 음극에서 탄화 처리를 행한 경우도 조사했다. 결과를 도 4(a) ∼ 도 4(c)의 표에 나타낸다. 음극 돌출길이(h)가 1mm인 12종류의 램프 샘플(A2 ∼ K2)에 대해 도 4(a), 동 h가 0.5mm인 5종류의 램프 샘플(L2 ∼ P2)에 대해 도 4(b), 동 h가 2.0mm인 5종류의 램프 샘플(Q2 ∼ U2)에 대해 도 4(c)이다.

이 결과를 보면, 단위길이당 입계수에 관계없이 조도 변동이 없는 것을 알 수 있다. 이것은 실시예 1과 비교하여, 탄화 처리를 행함으로써 음극 측면으로부터의 토륨의 공급이 원활해져 열전자 방출을 용이하게 하여, 스폿 모드를 일으키기 힘들어졌다고 생각된다.

즉, 탄화 처리를 행한 경우, 돌기부 직경방향의 임의의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선 상에서의 단위길이당 결정입계의 개수가 100개/mm 이하이면, 조도 변동을 일으키지 않고 장시간 변형이 없는 것을 알 수 있었다.

도 6의 (가) ∼ (차)에 본 발명의 수은 램프에 제공되는 음극 선단의 돌기부의 형상을 열거하고 있는데, 모든 형상에서 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

청구항 1의 발명에 의하면, 쇼트아크형 수은 램프에 있어서, 음극 선단의 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선 상에서의 단위길이당 결정입계의 개수를 0.5개/mm 이상으로 규정함으로써, 스폿 모드를 일으키지 않는 램프로 할 수 있다.

또, 결정입계의 개수를 100개/mm 이하로 규정함으로써 음극 온도가 보다 고온이 되기 쉬운, 선단에 돌기부를 갖는 수은 램프에서도, 음극의 변형이 적고 휘점의 변화가 적은 램프를 제공할 수 있다.

또, 청구항 2의 발명에 의하면, 원활하게 토륨을 공급하기 위해 음극 콘부 측면 등의 적어도 일부에 탄화를 실시하면, 음극 선단으로 음극 측면으로부터 충분한 토륨의 공급이 용이해진다. 토륨은 텅스텐보다도 더욱 저온에서 열전자 방출이 가능하다. 따라서, 탄화가 없는 경우에 비해 넓은 범위에서 열전자 방출이 가능해져, 음극으로의 부하를 경감할 수 있다. 그 경우, 선단이 단결정이 되어 있었다 해도 문제 없었다.

Claims

발광관 내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있으며, 상기 발광관 내에 적어도 희가스와 수은이 봉입되고, 상기 음극에 산화 토륨을 함유하고, 상기 음극 몸체부에 이어지는 콘부가 형성되고, 상기 콘부로부터 연속하여 돌기부가 형성되어 있는 쇼트아크형 수은 램프에 있어서,

상기 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수가 0.5개/mm 이상 100개/mm 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은 램프.
발광관 내에 음극과 양극이 대향하여 배치되어 있으며, 상기 발광관 내에 적어도 희가스와 수은이 봉입되고, 상기 음극에 산화 토륨을 함유하고, 음극 몸체부에 이어지는 콘부가 형성되고, 상기 콘부로부터 연속하여 돌기부가 형성되어 있으며, 상기 콘부 및 상기 음극 몸체부의 적어도 일부에 탄화 처리가 되어 있는 쇼트아크형 수은 램프에 있어서,

상기 돌기부의 직경방향의 임의 단면에서의 개략 중심을 통과하는 직선과 교차하는 결정입계의 개수가 100개/mm 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트아크형 수은 램프.