KR20030079779A - 요오드화 아연을 함유한 무수은 방전 램프 - Google Patents

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KR20030079779A
KR20030079779A KR10-2003-0020999A KR20030020999A KR20030079779A KR 20030079779 A KR20030079779 A KR 20030079779A KR 20030020999 A KR20030020999 A KR 20030020999A KR 20030079779 A KR20030079779 A KR 20030079779A
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수잔엘. 칼라한
로버트제이. 칼로츠키
제니스티. 칼로츠키
샤론엘. 어니스트
왈터피. 라파토비치
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오스람 실바니아 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 자동차 전방 라이팅용 콤팩트 용융된 규소 전극 HID 램프로서, 수은을 포함하지 않는 램프에 관한 것이다. 이러한 램프에서는 수은 대신에 요오드화 아연을 증발시킴으로써 상기 램프 전압이 대략 40 볼트 정도 나오게 된다. 전압과 광속 사이의 절충은 나트륨 대 스칸듐(Na:Sc)의 몰 비율을 4.5:1 과 6:1 사이에서 선택하고 요오드화 아연(ZnI2) 함유량을 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램으로 선택함으로써 달성되고, 이것은 램프가 백색광에 대한 미국, 유럽 및 일본 자동차 색 사양 내에서 동작하게 한다. 본 램프의 전압은 다른 공지된 도핑제에 의해 램프에 제공되는 가시 스펙트럼에 심각하게 영향을 미치지 않으면서 요오드화 아연 도핑 레벨에 따라 제어될 수 있다.

Description

요오드화 아연을 함유한 무수은 방전 램프 {MERCURY FREE DISCHARGE LAMP WITH ZINC IODIDE}
본 출원은 2002년 4월 4일 출원된, 미국 가출원 제 60/369,731호인 "요오드화 아연을 함유한 무수은 방전 램프"에 기초한 우선권을 주장하는 바이다.
본 발명은 전기 램프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 요오드화 아연 도핑제(dopant)를 함유한 무수은 방전 램프에 관한 것이다.
정부 기관 및 자동차 산업에서는 1990년대 초반 이래로 자동차에 사용되는 수은(automotive mercury)에 대하여 관심을 가져왔다. 1995년에, 수은 스위치는 자동차의 수은 가운데 99% 이상을 차지하였고, 주로 후드 및 트렁크 라이팅에 쓰였으며 또한 안티록 브레이킹 시스템(antilock braking system)에도 사용되었다. 이러한 사항은 2001년 1월 테네시 대학의 청정 제품 및 청정 기술 센터, 5대호, 생태 센터(the Ecology Center, Great Lakes United, University of Tennessee Center for Clean Products and Clean Technologies)에 의한 발간된 리포트, "자동차의 유독물: 수은"에 나와 있다. 결과적으로, 자동차 제조자들은 자발적으로 몇 년 내에수은 스위치를 점차 제거하고 자동자 재활용자들에게 기존의 자동차에서 스위치를 제거하는 방법을 교육시킬 것을 합의하였다. 1996년 이래로 컨비니언스 라이팅 스위치(convenience lighting switch)에의 수은 사용은 급감한 반면, ABS 어플리케이션에 대한 수은 사용은 적어도 2배 내지 가능하게는 3배까지 이르는 것으로 보인다. 자동차의 다른 용도, 예를 들어, 고강도 방전 헤드램프, 네비게이션 디스플레이 및 가족용 엔터테인먼트 시스템과 같은 용도로의 수은 사용량 또한 증가 추세에 있다.
고강도 방전(high intensity discharge; HID) 헤드램프는 자동차에 수은을 사용하게 만드는 새로 등장한 어플리케이션이다. 이러한 헤드램프는 표준 텅스텐 할로겐 램프에 비해 가시도(visibility)가 개선되고 수명이 연장되며 더 낮은 에너지가 사용된다. 각각의 HID 광 소스는 대략 0.5 mg의 수은을 함유하고 위험 폐기물에 대한 연방 TCLP 테스트를 통과한다. 유럽 연합(EU) ELV(end-of life vehicle; 단종 차량) 지령은 수은 함유 전구를 차량의 수은 금지 대상에서 제외한다. HID 헤드램프의 사용은 저렴하고 더 큰 대형 모델이 계속 나옴에 따라 증가할 것으로 기대된다.
왜 수은이 자동차 HID 램프에 사용되는가를 질문하는 것은 합리적이다. 최저 여기 레벨은 백색광을 생성하기 위해 첨가된 할로겐화 금속의 이온화 전위보다 에너지 면에서 더 높기 때문에 수은은 안정한 상태의 동작 중 가시 스펙트럼에 현저히 기여하지 못한다. 수은은 램프 내에서 화학물 반응에 의해 항상 형성되는 초과 요오드에 대한 격리 작용제로서의 역할을 제외하고는 할로겐 사이클의 동작에필수적인 것이 아니다. 램프에서 생성되는 요오드화 수은은 가시광에 대하여 대체로 투과성이 있다. 그러나, 자동차에 대한 수은 사용을 극도로 유용하게 만드는 몇 가지 부가적인 수은의 기능이 있다.
수은 증기는 아크의 전기적 저항을 결정하고, 제한된 아크 채널 주위의 단열재(thermal insulator)이다. 상대적으로 높은 압력의 금속 증기를 포함한 HID 램프의 효율적인 동작은 아크 코어로부터 튜브 벽까지 해리된 금속 및 요오드 원자의 급속한 확산을 방지하기 위하여 높은 총압력의 충진재를 요구한다. 해리가 주로 아크 코어에서 발생하고 재결합이 주로 벽에서 발생하면, 해리 프로세스로 인한 에너지 손실은 매우 높을 것이고 램프를 비효율적으로 만들 것이다. 수은은 점화시 낮은 압력을 가지면서 동작시 높은 총압력을 달성하는 편리한 방법이고, 그 결과 합리적인 시동 전압이 달성될 수 있다.
점화시 임의의 자유로운 요오드 증기가 램프 내에 존재한다면, 요오드(I2)의 강한 전자 부착(electron-attaching) 속성이 타운젠드(Townsend) 애벌란치 형성을 방해하고, 요오드(I2)의 증기압은 주위 조건(0.4 Torr)에서 비교적 높기 때문에, 시동 전압은 매우 높을 것이다. 이러한 사항은 2000년 6월 17일-22일에 네바다 라스베가스에서 열린, 제 28회 플라즈마 사이언스 컨퍼런스, PPPS-2001의 IEEE 컨퍼런스 레코드 요약서 01I4 페이지, W.P. Lapatovich와 A.B. Budinger에 의한 "HID 방전의 윙크아웃(winkout)"에 나와 있다. 그 다음에 초과의 수은이 존재하는 것은 단지 요오드화 수은(HgI2)만이 시동시 존재함을 보장한다. 비록 요오드화수은(HgI2)이 전자 부착 가스일지라도, 그것의 증기압은 실질적으로 더 낮고(<10-3Torr) 단지 시동 전압에의 적당한 증가를 야기시킨다.
큰 포지티브 열의 전위 경사도, 상대적으로 낮은 열 손실, 주위 조건에의 낮은 증기 압력 및 상대적으로 낮은 비용과 같은 수은의 이점으로 인하여 자동차용 HID 램프에 대한 적절한 완충 가스를 제공할 다른 재료에 대한 조사가 이루어지지 않았다. 단지 수은을 제거하는 것 만으로는 아크의 전기적 전도도 및 열적 전도도가 제어되어야 하기 때문에 부적절하다. 수은에 대한 이상적인 대체물은 큰 모멘텀 단면적(momentum cross-section), 일정 온도에서 높은 중성 입자 밀도 및 높은 여기 및 이온화 에너지를 가질 것이다.
수은 대체물에 대한 이러한 처음의 두 가지 목적은 플라즈마의 저항을 충분히 증가시킴으로써 주어진 램프 전력에서 방전 전류를 제한할 필요성을 제기한다. 대체물은 가시 스펙트럼을 현저히 지배하지 않아야 하기 때문에, 즉 단지 높은 에너지 레벨들 사이의 전이가 가능하기 때문에, 큰 여기 및 이온화 에너지가 요구된다. 이러한 물리적 속성에 부가하여, 할로겐화 금속 염(metal halide salts), 전극 및 석영벽의 화학물적 안정성이 수천 시간동안 보장되어야 한다. 최종적으로, 대체물은 환경친화적이어야 한다.
현재, EU 및 일본 전기 라이팅 제조자 협회(JELMA)는 규정 99이 자동차용 무수은 HID 램프를 포함하도록 개정할 것을 고려하고 있다. 자동차형 수은 유형인 "R형" HID 광 소스, D1R, D2R에 대해 EU 및 JELMA가 제안한 사양은 이하의 제안된특성, 밸러스트 정격 전압 12 볼트, 정격 와트수 35 와트; 목표 램프 전압 85 볼트, ±17 볼트; 램프 와트수 35 와트 ±3 와트; 광속(luminous flux) 2800 루멘 ±450 루멘; 허용 오차 (x ≥0.345, y ≤0.150 + 0.640x) 및 (x ≥0.405, y ≤0.050 + 0.750x)를 갖는 색 좌표(x= 0.375, y= 0.375)를 갖는다. 상기 대응 무수은 D3R 및 D4R 램프는 목표 램프 전압이 42 볼트 ±9 볼트임을 제외하고는 각각의 경우에 동일하였다. 자동차용 수은 유형 "S형" HID 광 소스, D1S, D2S에 대하여 EU 및 JELMA가 제안한 사양은 광속이 3200 루멘인 것을 제외하고는 각각의 경우에 D1R 및 D2 램프와 동일하였다. 대응하는 무수은 램프, D3S, D4S는 광속이 또한 3200 루멘이라는 것을 제외하고는 각각의 경우에 D3R 및 D4R와 동일하였다(램프 전압 42 볼트 ± 9 볼트). 알 수 있듯이, 동작 전압을 제외한 무수은 램프에 대한 제안된 성능 요구조건은 수은 함유 램프와 동일하다. 아크 굴곡(bending) 및 확산이 동일하여야 한다는 요구조건은 화학물적 작용을 증가시키는 전압의 선택을 현저히 제한할 수 있다. D1/D2(수은 함유) 및 D3/D4(무수은) 램프 사이의 나머지 차이점은 전극 직경이 0.3 밀리미터 이하부터 0.4 밀리미터 이하까지의 증가한다는 점이고(더 높은 전류를 허용하기 위하여), 광 소스를 보장하기 위하여 베이스를 조정(keying)하는 것은 상호교환할 수 있는 것이 아니다.
잠재적인 수은 대체물에 대한 스크리닝 툴(screening tool)이 공지되어 있다. 이온화 전위(Vi)가 5 내지 10 eV이고 증기 압력이 램프 동작 온도에서 적어도 10-5기압(atmosphere)인 할로겐화 금속을 포함하는 것은 희가스 압력을 현저히 증가시키기 않으면서 자동차용 HID 램프의 동작 전압을 충분히 올릴 것이며, 이러한 사항은 K. Takahashi, M. Horiuchi, M. Takeda, T. Saito 및 H. Kiryu에 의한 미국 특허 제 6,265,827호(2001)에 개시되어 있다. 또한 전극 손실이 감소하고 전극 스퍼터링으로 인한 아크 튜브의 흑화가 억제됨이 개시되어 있다. 할로겐화 금속 첨가물이 5 eV 이하의 이온화 전위를 갖는다면 램프의 동작 전압이 감소할 것이고, 이온화 전위가 10 eV 이상이라면 램프 효율이 떨어질 것이며, 동작 온도에서의 증기압이 10-5기압 이상이라면, 동작 전압의 증가는 관찰되지 않는다.
수은 대체물을 찾기 위한 한 가지 방법은 같은 주기의 족인 카드뮴 및 아연에서 찾는 것이다. 카드뮴은 독성이 있고 예를 들어, 황색 회전 신호 램프와 같은 차량 라이팅에서 점차 제거되고 있으므로 가능한 후보가 아니다. 아연을 함유한 램프의 수명은 충분히 높은 증기 압력(입자 밀도)을 달성하기 위하여 요구되는 더 높은 동작 온도에서 석영 상의 강력한 공격 때문에 감소할 것이다. 더 높은 와트수를 갖는 세라믹 할로겐화 금속 램프에서의 동작은 효능에서 약 8% 감소를 일으키고, 아크 코어 온도가 더 낮은 경우 램프 동작 전압에서 25%의 감소를 일으키며, 아연이 수은에 대체될 때 더 높은 벽 온도를 유발한다. 이러한 사항은 2001년 8월 12일 내지 16일에 뉴욕 이타카 코넬 대학에서 주최한 광 소스의 과학 및 기술에 대한 제 9회 국제 심포지엄에서 M. Born에 의한 "무수은 고압 방전 램프" 페이퍼 002:L에 개시되었다. 부가하여, 요오드에 대한 아연의 강한 친화력은 할로겐화 금속으로부터 나온 요오드를 찾아내 기본적인 금속으로 환원시키고, 이러한 사항은독일 율리히(Julich) 포르슝젠트럼(Forschungzentrum)에서 2000년 4월 10일- 14일에 개최된 고온 재료 화학물에 대한 제 10회 국제 IUPAC 컨퍼런스에서 M. Born 및 U. Niemann에 의한 "고압 방전 램프의 조건하에서 아연과 희토 할로겐과의 상호작용"에 개시되었다. 어그레시브(aggressive) 금속(스칸듐 또는 희토류)이 존재하는 경우 상승된 온도에서 램프의 수명은 자동차 어플리케이션에 사용하기에 충분히 긴 것으로 기대되지는 않는다.
대체물은 대한 다른 시도는 할로겐화 금속에서 찾는 것이다. 대체로, 이러한 선택은 2가지 넓은 카테고리, 아크를 억제하는 첨가물 및 아크를 커지게 하는 첨가물에 해당된다. 자동차용 HID 램프에 존재하는 아크의 질 및 안정도는 일반적인 할로겐화 금속 램프에서보다 더 결정적이다. 자동차용 HID 램프는 아크 위치, 아크 굴곡 및 아크 확산에 대한 엄격한 요구사항을 갖는 광학 소스이다. 아크 억제 화학물적 성질은 램프의 동작 전압을 증가시키는 경향이 있는 이점이 있다. 그러나, 억제된 아크에서, 대류는 심하게 국부화된 가열이 발생할 수 있고 매우 억제된 아크가 불안정하게 되는 경향이 있는 아크 튜브의 최상부쪽으로 아크를 윗방향으로 전달한다. 요오드화 토륨(ThI4) 및 초과 요오드(I2)는 억제된 아크를 일으켜왔다. 스펙트럼이 풍부한 많은 금속은 램프가 벽안정화가 잘 되지 않는 아크를 갖도록 만든다. 이러한 아크의 형편없는 품질은 많은 에너지 레벨을 갖는 금속에 기인하고, 수많은 에터지 레벨은 매우 낮아서(low-lying), 평균 여기 전위는 이온화 전위(Vavg< Vi/2)에 비해 매우 낮다. 요오드화 알칼리 금속은 아크 증대 첨가제로전형적이다. 알칼리 금속은 낮은 이온화 전위를 갖고 이것은 아크의 저온 영역에서 이용가능한 전자를 만드는 효과를 갖는다. 이러한 전자들이 존재함으로써 전기적인 전류가 흐를 수 있고, 이것은 차례로 전력 소모를 일으키고 이러한 영역에서 더 많은 열이 발생되도록 한다. 순효과는 국부적으로 온도를 상승시키고 아크의 고온 영역 및 전기적으로 도전성있는 영역의 직경을 증가시킨다. 결과적으로, 주어진 와트수에 대한 아크 전류가 증가하고 동작 전압은 감소한다. 석영 아크 튜브에 알칼리를 첨가하는 것은 금속이 램프 동작 온도에서 벽과 활발하게 반응하기 때문에 단지 요오드화물로서 가능하다.
갈륨, 인듐 및 탈륨 요오드화물 또는 그 화합물의 첨가는 대체로 억제된 아크를 유발하지 못한다. 이러한 금속의 에너지 레벨은 상대적으로 에너지 레벨이 거의 없는 수은과 유사하고 이들 중 대부분은 이온화 전위의 절반보다 더 큰 또는 동일한 에너지로 이루어져 있다. 이것은 벽 안정화된 아크를 예측할 것이고, 또한 전압 상승의 징후를 유지할 것이다.
램프 내에서 착화학물 생성하기 위하여 할로겐화 희토류과 결합된 더 높은 증기압 첨가물을 사용하는 것이 가능하다. 착화학물은 방사 종(radiating species)의 밀도 수치를 증가시키고 벽 반응에 대한 약간의 완충을 제공하며, 또한 열을 가로지른 전압 강하를 개선할 수 있다. 이러한 사항은 2001년 8월 12일 - 16일에 뉴욕 이타카 코넬 대학에서 개최한 광 소스의 과학 및 기술에 대한 제 9회 국제 심포지엄에서 W.P. Lapatovich 및 J.A. Baglio에 의한 "할로겐화 금속 램프 성능에 대한 화학적 착화 및 효과" 페이퍼 026:I에 개시되었다. 그 결과는 희토 착화학물(rare earth complex chemistry), 예를 들어, InI를 포함한 DyI3이다. 그러나, 착화제의 첨가는 도 1에 도시된 것처럼 색 좌표에서의 이동과 같은 의도하지 않은 결과를 가질 수 있다. 도 1은 무수은 희토 화학물의 색좌표(CCX, CCY) 상의 요오드화 금속의 효과를 보여준다. 다각형은 SAE 백색 영역의 경계를 나타낸다.
최근에 높은 전압에서 동작하는 무수은 램프를 생산하기 위하여 상당한 노력이 소비되었고, 그 결과 상기 무수은 램프는 기존의 밸러스트와의 개장(retrofit)으로서 사용될 수 있다. 높은 금속 첨가물의 함유량이 전압을 상승시키기 위해 사용되는 종래 기술의 실시예가 Ishigami 등에 의한 EP 0 883 160 A1, Takeda 등에 의한 EP 1 032 010 A1 및 Uemura 등에 의한 EP 1 150 337 A1에 개시되어 있다. 전압을 상승시키는 첨가물에 대한 다른 실시예가 Takahashi 등에 의한 EP 1 172 839 A2, 및 Takahashi 등에 의한 미국 특허 제 6,265,827호에 개시되어 있다. 부식성 또는 독성 성질을 가진 높은 효능의 충진재에 대한 실시예는 Kaneko 등에 의하여 EP 1 172 840 A2에 개시되어 있다.
방전 램프에 요오드화 아연을 사용하는 것은 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 4,766,348호, 제 5,013,968호, 제 4,992,700호, 제 4,678,960호 및 제 4,360,758호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 참조자료에는 램프에서 수은에 대한 대체물로서 요오드화 아연의 특정량을 사용하는 것에 대하여는 전혀 암시하지 않고 있다.
본 발명의 목적은 요오드화 아연이 수은의 대체물로 사용되는 신규한 무수은 방전 램프를 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램의 양에 해당하는 요오드화 아연으로 수은을 대체하는 자동차용 신규한 무수은 방전 램프를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 그외의 목적은 이하의 구성요소를 구비한 융합된 규소(fused silica)로 만들어진 방전 램프로 달성된다.
본원 발명에 따른 방전 램프는,
18 내지 42 세제곱 밀리미터 사이의 외장 체적을 형성하는 광 투과성 석영 엔벨로프;
상기 외장 체적을 접촉하기 위하여 밀봉된 방식으로 상기 엔벨로프를 관통하여 연장되고 직경이 0.20 내지 0.40 밀리미터 사이에 있는 제 1 텅스텐 전극;
상기 외장 체적을 접촉하기 위하여 밀봉된 방식으로 상기 엔벨로프를 관통하여 연장되고 직경이 0.20 내지 0.40 밀리미터 사이에 있는 제 2 텅스텐 전극; 및
상기 외장 체적 내에 배치되고, 요오드화 아연, 요오드화 나트륨, 요오드화 스칸듐 및 불활성 충진 가스는 포함하면서 수은 또는 수은 화합물은 포함하지 않는 충진 재료를 포함하고,
상기 요오드화 아연은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램에 이르는 농도를 갖고, 바람직하게는 세제곱 밀리미터 당 3 내지 4 마이크로그램의 농도를 가지며,
상기 요오드화 나트륨은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 5.0 내지 5.7 마이크로그램에 이르는 농도를 가지며,
상기 요오드화 스칸듐은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2.7 내지 3.3 마이크로그램에 이르는 농도를 가지고,
상기 불활성 충진 가스(바람직하게 크세논)는 0.6 내지 1.22 메가파스칼에 이르는 외장 체적 내의 냉(주변) 충진 압력를 갖는다.
도 1은 무수은 희토 화학물의 색 좌표(CCX, CCY) 상 요오드화 금속의 효과를 보여주는 그래프이다. 다각형은 SAE 백색 경계를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 램프에 대한 도시적 표현이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 수은을 함유한 표준 자동차용 램프 화학물의 스펙트럼 비교를 도시한다.
도 4는 본 발명에 다른 실시예의 샘플 실행으로부터 얻은 데이터를 보여주는 그래프이다. 색 좌표들이 규정 99의 요구사항 내에 있음을 주목하라.
도 5는 요오드화 아연(ZnI2)을 함유한 일련의 무수은 NaI-ScI3비의 열 전도도를 보여주는 그래프이다.
도 6은 요오드화 아연(ZnI2)을 함유한 일련의 무수은 NaI-ScI3비의 전기적 전도도를 보여주는 그래프이다.
도 7은 NaI-ScI3의 전압 및 루멘에 대한 첨가물의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 램프에서 요오드화 아연(ZnI2) 함유량과 전압(rms)사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 9는 무수은 표준 자동차용 램프 화학물에 대한 루멘 유지 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 10은 무수은 표준 자동차용 램프 화학물에 대한 색 유지 데이터를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 특정 양의 전압 상승 첨가물로서 요오드화 아연(ZnI2)를 사용한다.
발명자의 실험 및 환경친화적인 충진재를 선택함에 있어서 이루어져야 하는 절충안에 기초하면, 본 발명은 수은을 대체하기 위하여 정확한 양만큼 부가되는 요오드화 아연(ZnI2)을 함유한 Na-Sc 요오드화물 충진재로 규정된다. 벌브 수치는 실질적으로 현재의 D2 크기 램프(내부 직경 약 2.7 밀리미터, 바디 외부 직경 약 6 밀리미터, 및 내부 길이 약 7.2 밀리미터)와 동일하게 유지되며 전극 팁 사이의 아크 간격은 공칭적으로 4.2 밀리미터이다. Na:Sc 몰 비율은 4:1 내지 6:1 범위에 있고 바람직하게는 4.5:1 및 6:1의 비이다. 몰 비율을 낮추는 것은 루멘을 증가시키면서 벽 반응을 가속시키고 유지(maintenance)를 감소시킨다. 몰 비율을 증가시키는 것은 벽 반응 비율을 감소시키면서 색을 이동시키고 루멘을 감소시킨다.
램프에 존재하는 염의 양은 램프의 내부 표면에 녹은 응축액이 스며들어 관내부의 밝은 아크에 대한 광학적인 가시거리(line-of-sight)를 방해하는 것을 막기 위하여 낮게 유지되어햐 하며, 이러한 사항은 Kaneko 등에 의한 EP 1 172 840 A2에 설명되었다. 염의 박막은 또한 광을 흡수할 수 있고 램프 내에서 바람직스럽지못한 색 이동을 유도한다. 바람직한 Na-Sc 요오드화물 염 함유량은 대략 25 mm3체적의 석영 관에서 0.2 내지 0.25 mg의 범위 내에 있다.
D2 크기 램프에 대하여, 요오드화 아연(ZnI2)은 0.05 내지 0.15 mg 사이의 양으로, 바람직하게는 0.1mg의 양으로 투여된다. 대체로, 요오드화 아연(ZnI2)는 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램으로 투여된다. 크세논과 같은 불활성 가스는 상온에서 충진 압력이 0.6 내지 1.22 메가파스칼 사이에 있도록 램프 내에 투여된다.
본 발명에서, 전극들은 전형적으로 0.5 내지 2.0 중량 퍼센트의 ThO2로 도핑된다. 바람직한 레벨은 전 중량의 약 1%이다. 순수한 텅스텐 전극이 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바람직한 실시예에서, 방전 램프(10)는 융합된 규소로 만들어지고 이하의 구성요소를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 방전 램프는,
18 내지 42 세제곱 밀리미터의 외장 체적(14)을 형성하는 광 투과성 석영 엔벨로프(12);
상기 외장 체적(14)과 접촉하기 위하여 밀봉된 방식으로 엔벨로프(12)를 관통하여 연장되는 제 1 텅스텐 전극(16);
상기 외장 체적(14)을 접촉하기 위하여 밀봉된 방식으로 엔벨로프(12)를 관통하여 연장되는 제 2 텅스텐 전극(18)으로서, 상기 텅스텐 전극(16, 18)) 직경이 0.20 내지 0.40 밀리미터 사이에 있는 텅스텐 전극;
상기 외장 체적 내에 배치되고, 요오드화 아연, 요오드화 나트륨, 요오드화 스칸듐 및 불활성 충진 가스는 포함하면서 수은 또는 수은 화합물은 포함하지 않는 충진 재료(20)를 포함하고,
상기 요오드화 아연은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램에 이르는 농도를 갖고, 바람직하게는 세제곱 밀리미터 당 3 내지 4 마이크로그램의 농도를 가지며,
상기 요오드화 나트륨은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 5.0 내지 5.7 마이크로그램에 이르는 농도를 가지며,
상기 요오드화 스칸듐은 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2.7 내지 3.3 마이크로그램에 이르는 농도를 가지고,
상기 불활성 충진 가스(바람직하게 크세논)는 0.6 내지 1.22 메가파스칼에 이르는 외장 체적 내의 냉(주변) 충진 압력를 갖는다.
NaI-ScI3-ZnI2화학물이 무수은 자동차용 HID 램프에 대한 바람직한 실시예가 될 것이라는 것은 자명하지 않다. 도 3은 현재 램프 실시예의 샘플 실행으로부터 나온 데이터를 보여준다. 놀랍게도, 스펙트럼 출력은 수은 함유 램프(도3)와 거의동일하고, 색 좌표는 공칭 위치로부터 이동되었으나 여전히 규정 99의 제한적 요구사항을 만족시키며(도 3), 여기서 색 좌표는 모두 규정 99 요구사항을 한정하는 다각형 내에 존재하는 것으로 관찰된다. 엄격한 색 포인트 요구사항을 만족시키는 능력은 본 발명의 독특하고 예기되지 않는 특징이다. 예를 들어, 희토류 무수은 착화물은 더 높은 CRI를 가질 수 있고 가변 CCT, 및 NaI-ScI3-ZnI2화학물과 관련하여 배치되는 색 포인트를 보여줄 수 있다.
NaI-ScI3-ZnI2화학물은 램프가 더 낮은 온도에서 동작할 수 있게 하고, 수명에 걸친 전압 상승은 희토 착화물보다 더 작은 것으로 나타나며 시험된 희토류 착화학물(rare earth complex chemistry)보다 반응성이 적을 수 있다. 그러나, 화학물을 제한하는 것은 루멘 출력을 증가시키는 경향이 있는 반면, 화학적으로 보다 공격적인 경향이 있고 보다 구부러지며 불안정할 수 있다.
발명자의 실험은 무수은 HID 램프에 전압이 수은 함유 램프에 대한 공칭 동작 전압인 85 볼트에 이르도록 조절될 수 있음을 보여준다. 그러나, 전압의 증가는 루멘 출력의 대응하는 감소와 함께 달성된다. 이것은 주로 수은과 비해 증가된 순수 요오드화 아연(ZnI2) 증기의 열 전도도에 기인한다. 높은 열 전도도는 방사 효율을 감소시키는 아크 코어를 냉각시키며, 이러한 사항은 2001년 8월 12일 - 16일에 뉴욕 이타카 코넬 대학에서 개최한 광 소스의 과학 및 기술에 대한 제 9회 국제 심포지엄에서 W.P. Lapatovich 및 J.A. Baglio에 의한 "할로겐화 금속 램프 성능에 대한 화학적 착화 및 효과" 페이퍼 026:I에 개시되었다. 이러한 열은 아크램프의 벽에 전달되고 무수은 램프가 동일 전력 레벨에서 수은 함유 대응물보다 더 높은 온도에서 동작되게 한다.
도 5 및 도 6은 계산된 무수은 NaI-ScI3-ZnI2및 수은 함유 표준 화학물의 열 전도도 및 전기적 전도도에 대한 비교를 도시한다. 도 5는 일련의 요오드화 아연과 무수은 요오드화 나트륨 요오드화 스칸듐의 비를 도시한다. 도 5에서, 3000 에서 3500 °K까지의 작은 침강 및 아크 코어 온도에서 열 전도도가 요오드화 아연(ZnI2) 화학물에 대하여 현저히 높다는 것을 주목하라. 도 6은 일련의 요오드화 아연과 무수은 요오드화 나트륨 요오드화 스칸듐 비를 도시한다. 도 6은 아크 코어 온도에서 무수은 NaI-ScI3-ZnI2화학물의 전기적 전도도가 수은을 함유한 표준 화학물에 비해 10배 증가했음을 보여준다. 이것은 그 자체가 더 낮은 동작 전압으로서 명백하다.
본 발명자는 요오드화 아연이 아크를 냉각시키고, 이것은 대체로 생성되는 루멘의 수를 감소시킴을 발견하였다. 따라서, 제어된 요오드화 아연의 양이 요구되는 루멘의 수를 유지하면서 정확한 전압을 얻기 위해 요구된다. 요오드화 아연이 없는 경우 램프는 25 또는 30 볼트의 동작 전압을 갖는다. D2 크기 램프 전압은 요오드화 아연이 약 0.4 마이크로그램일 때 약 95 볼트까지 급속히 상승한다.
자동차용 HID 램프는 광학 소스이기 때문에, 아크의 위치, 형상 및 안정도가 매우 중요하다.
전형적인 D2S 아크는 잘 안정화되나 "솜털같지(fluffy)" 않다. 이것은 자동차용 램프 제조가가 기대하는 아크 형이다. 수은 램프에서, NaI-ScI3화학물을 희토류 착화물로 변화시키는 것은 아크가 더 커지게 만든다. 수은을 제거하여도 여전히 허용가능한 아크 형을 제공할 수 있으나, 램프의 수명에 걸친 아크 휘도(luminance), 루멘, 색 및 아크 안정도는 동일하게 중요한데, 상기 무수은 램프는 요구사항에 못미침을 여기에서 알 수 있다.
도 7은 전압 및 NaIScI3의 루멘에 대한 첨가물의 효과를 보여준다. 무수은 NaI-ScI3화학물에 요오드화 아연(ZnI2)을 첨가하는 효과는 동작 전압을 증가시킬 뿐만 아니라, 도 7에 도시된 것처럼 램프의 효능을 감소시킨다. 여기서, 수은을 제거함으로써 동작 전압이 약 60 볼트 정도 감소하는 것을 볼 수 있다. 요오드화 아연(ZnI2)의 효과는 광 출력을 희생시키면서 전압을 증가시키는 것이고, 그리하여 본 발명의 요오드화 아연(ZnI2)의 특정 범위는 특히 중요한 것으로 여겨진다. 이것은 부분적으로 원치 않는 스펙트럼 영역에서 Zn으로부터 나온 방사에 기인하고, 부분적으로는 전술된 것처럼 감소된 코어 온도에 기인한다. D2 크기 램프에 대한 요오드화 아연(ZnI2) 함유의 전압 상 효과는 도 8에 도시되어 있다. 500 Hz에서 동작하고 DC 스위칭되는 테스트 램프는 본 발명에 따른 램프의 용인성을 확인시켜 준다.
다른 용이하게 증발되는 염이 전압을 상승시키 위해 사용될 수 있고, 그 예로는 TII, Cd 및 Sb 할로겐화물 등이 있으나, 이것은 환경친화적인 램프를 제공하고자 하는 본 발명의 목적에 어긋난다.
NaI-ScI3 화학물이 희토 착화물에 대하여 누리는 한 가지 이점은 이용가능한 구성물의 범위 및 이러한 범위에 걸친 전압 상승제의 예측가능한 성능이다. 도 9는 표준 자동차용 화학물을 포함한 무수은 램프에 대한 루멘 유지를 보여준다. 도 10은 표준 자동차용 화학물을 포함한 무수은 램프에 대한 색 유지를 보여준다. NaI-ScI3 화학물의 루멘 유지 및 색 유지는 각각 도 9 및 도 10에 도시된 것처럼 양호한 트렌드를 보여준다. 다수의 희토 화학물 착화물은 빠른 화학 반응 및 열등한 루멘 유지를 보여주었다.
투사기(projector) 및 반사기(reflector) 광학장치의 예비 평가는 헤드램프에 대한 아무런 주요부 재설계가 NaI-ScI3-ZnI2 무수은 화학물에 대하여 필수적이지 않을 것이라는 것을 나타낸다. 테스트는 규정 98의 요구 사항인 "하키 스틱" 컷오프를 만족시키면서 섬광(glare) 요구사항을 만족시키나, 테스트 포인트 중 하나는 이하 사양이다. 유사한 결과가 D4R 및 DOT 컴플라이언트(compliant) 헤드램프에서도 관찰되었다.
빔 패턴에 기초하여, 무수은 램프를 공급하기 위하여 광학장치가 재설계될 필요는 없음이 명백하나, 아크 기하 구조의 미세한 변화 때문에 헤드램프 광학장치는 특정 테스트 포인트에서 칸델라(candela)를 개선시키도록 조절될 수 있다. 그리하여 기존의 광학 장치 내의 간단한 대체물을 사용한 것보다 더 양호한 빔 패턴이 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 램프의 한 가지 실시예는 25 mm3의 체적을 갖는 순수 석영으로 미리 성형된 원통형 석영 엔벨로프 내에 나트륨 대 스칸듐의 몰 비율이 6 대 1인 요오드화 스칸듐 나트륨(NaScI4) 도핑제를 포함한 아크 방전 램프이다. 충진재는 8 기압(주변 온도)의 크세논을 포함한다. 이것은 크세논과 아르곤과 같은 희 가스의 혼합물일 수 있다. 전극은 텅스텐 봉이고 직경은 0.01 인치이며 표준 전극 간격은 4.2 밀리미터이다. 램프에는 수은이 포함되지 않는다. 약 0.1 내지 0.4 mg의 요오드화 아연(ZnI2)이 포함된다. 이러한 램프는 35 볼트에서 3000 루멘을 제공한다. 융해 온도는 약 섭씨 800 도이다. 첨가된 요오드화 아연은 증가된 열 전도도 및 아르곤을 포함함으로써 상쇄될 수 있는 더 높은 온도의 벽을 유발한다.
생성되는 가시 스펙트럼을 많이 변화시키지 않으면서 무수은 할로겐화 금속 램프의 전압을 제어하는 방법은,
18 내지 42 세제곱 밀리미터의 외장 체적을 형성하는 이중 단부 석영 엔벨로프를 제공하는 단계,
상기 석영 엔벨로프를 관통하는 제 1 전극을 밀봉하여 상기 외장 체적에 접촉시키는 단계,
상기 석영 엔벨로프를 관통하는 제 2 전극을 밀봉하여 상기 외장 체적에 접촉시키는 단계,
0.6 내지 1.22 메가파스칼의 냉압력을 갖도록 상기 외장 체적 내에 불활성 충진 가스 크세논을 제공하는 단계,
상기 외장 체적 내에 제 1 충진 요소를 제공하는 단계로서, 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 5.0 내지 5.7 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 나트륨 및 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2.7 내지 3.3 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 스칸듐을 포함하면서 수은 또는 할로겐화 수은은 포함하지 않고, 그렇지 않으면 제 1 스펙트럼 전체(integral)가 350 내지 800 나노미터에 이르는 제 1 가시 스펙트럼이 나오는 단계, 및
상기 외장 체적의 요오드화 아연 농도를 외장 램프의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램 사이에 있도록 조정하고, 그 결과 대응하여 램프 전압은 42 내지 85 볼트 사이에서 변화하고, 상기 제 1 스펙트럼 전체의 5 퍼센트 이상만큼 제 1 스펙트럼 전체와 차이나지 않으면서 스펙트럼 전체가 350 나노미터에서 800 나노미터에 이르는 제 2 가시 스펙트럼를 제공하는 단계를 포함한다.
스펙트럼은 가시 영역(대략 350 내지 800 나노미터)에 걸쳐 절대차의 제곱을 적분함으로써 비교된다. 이것은 퍼센트 차이 측정을 형성하기 위하여 도핑되지 않은 스펙트럼의 전체에 의해 나누어진다. 만약 차이가 0 퍼센트이면, 스펙트럼은 동일하다. 스펙트럼에 약간의 차이가 난다면, 그 다음에 퍼센트 차이는 단지 몇 퍼센트일 뿐이다. 스펙트럼이 상당히 다르다면, 퍼센트 차이는 크다.
본 발명의 실시예가 앞의 상세한 설명 및 도면에 설명되었으나, 본 발명은 명세서 및 도면의 견지에서 살펴본 이하의 청구범위에 의해 한정되는 것이다.
방전 램프에 수은에 대한 대체물로서 요오드화 아연을 사용함으로써 환경친화적인 램프를 얻을 수 있다. 본 발명에 따르면, 스펙트럼 출력은 수은 함유 램프와 거의 동일하고, 색 좌표는 여전히 규정 99의 제한적 요구사항을 만족시킨다. 엄격한 색 포인트 요구사항을 만족시키는 능력은 본 발명의 독특하고 예기되지 않는 특징이다.

Claims (9)

18 내지 42 세제곱 밀리미터의 외장 체적(enclosed volume)을 형성하는 이중 단부 석영 엔벨로프(double ended quartz envelope);
상기 석영 엔벨로프를 관통하여 밀봉되고 상기 외장 체적과 접촉하는 제 1 전극;
상기 석영 엔벨로프를 관통하여 밀봉되고 상기 외장 체적과 접촉하는 제 2 전극;
0.6 내지 1.22 메가파스칼의 냉압력(cold pressure)를 갖는 상기 외장 체적 내의 불활성 충진 가스; 및
할로겐화 금속 및 요오드화 아연을 포함하는 상기 외장 체적 내의 충진 요소를 포함하고,
상기 요오드화 아연은 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램의 농도를 가지며, 상기 외장 체적은 그 안에 수은이나 할로겐화 수은을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 무수은 방전 램프.
제 1항에 있어서,
상기 요오드화 아연의 농도는 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 3 내지 4 마이크로그램인 것을 특징으로 하는 무수은 방전 램프.
제 1항에 있어서,
상기 충진물은 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 5 내지 5.7 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 무수은 방전 램프.
제 1항에 있어서,
상기 충진물은 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2.7 내지 3.3 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 스칸듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 무수은 방전 램프.
제 1항에 있어서,
상기 불활성 충진 가스는 크세논을 포함하는 것을 특징으로 하는 무수은 방전 램프.
제 1항에 있어서,
상기 충진물은 요오드화 나트륨(NaI) 및 요오드화 스칸듐(ScI3)을 포함하고, 상기 요오드화 아연은 ZnI2인 것을 특징으로 하는 무수은 방전 램프.
대략 42 볼트 AC에서 동작하기 위한 무수은 방전 램프로서,
수은이나 할로겐화 수은 중 어느 것도 포함하지 않는 18 내지 42 세제곱 밀리미터의 외장 체적을 형성하는 이중 단부 석영 엔벨로프,
상기 석영 엔벨로프를 관통하여 밀봉되고 상기 외장 체적과 접촉하는 제 1 전극;
상기 석영 엔벨로프를 관통하여 밀봉되고 상기 외장 체적과 접촉하는 제 2 전극;
0.6 내지 1.22 메가파스칼의 냉압력(cold pressure)를 갖는 상기 외장 체적 내의 크세논 충진 가스;
상기 외장 체적 내에 세제곱 밀리미터 당 5.0 내지 5.7 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 나트륨 및 세제곱 밀리미터 당 2.7 내지 3.3 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 스칸듐을 포함하는 제 1 충진 요소, 및
상기 외장 체적 내에 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 아연을 포함하는 제 2 충진 요소를 포함하는 무수은 방전 램프.
실질적으로 가시 스펙트럼을 변화시키지 않으면서 무수은 할로겐화 금속 램프의 전압을 제어하는 방법으로서,
18 내지 42 세제곱 밀리미터의 외장 체적을 형성하는 이중 단부 석영 엔벨로프를 제공하는 단계,
상기 석영 엔벨로프를 관통하는 제 1 전극을 밀봉하고 상기 외장 체적에 접촉시키는 단계,
상기 석영 엔벨로프를 관통하는 제 2 전극을 밀봉하고 상기 외장 체적에 접촉시키는 단계,
0.6 내지 1.22 메가파스칼의 냉압력을 갖도록 상기 외장 체적 내에 불활성 충진 가스 크세논을 제공하는 단계,
상기 외장 체적 내에 제 1 충진 요소를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 충진 요소는 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 5.0 내지 5.7 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 나트륨 및 상기 외장 체적의 세제곱 밀리미터 당 2.7 내지 3.3 마이크로그램의 농도를 갖는 요오드화 스칸듐을 포함하면서 수은 또는 할로겐화 수은은 포함하지 않고, 그렇지 않으면 제 1 스펙트럼 전체(integral)가 350 내지 800 나노미터에 이르는 제 1 가시 스펙트럼이 나오는 단계, 및
상기 외장 체적의 요오드화 아연 농도를 상기 외장 램프의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램 사이에 있도록 조정하고, 그 결과 대응하여 램프 전압이 42 내지 85 볼트 사이에서 변화하고, 상기 제 1 스펙트럼 전체의 5 퍼센트 이상만큼 제 1 스펙트럼 전체와 차이나지 않으면서 스펙트럼 전체가 350 나노미터에서 800 나노미터에 이르는 제 2 가시 스펙트럼를 제공하는 단계를 포함하는 무수은 할로겐화 금속 램프의 전압을 제어하는 방법.
생성되는 가시 스펙트럼을 실질적으로 변화시키지 않으면서 무수은 할로겐화 금속 램프의 전압을 제어하는 방법으로서,
외장 체적을 형성하는 이중 단부 석영 엔벨로프를 제공하는 단계,
상기 석영 엔벨로프를 관통하는 제 1 전극 및 제 2 전극을 밀봉하여 상기 외장 체적에 접촉시키는 단계,
0.6 메가파스칼 이상의 냉압력을 갖도록 상기 외장 체적 내에 불활성 충진 가스를 제공하는 단계,
상기 외장 체적 내에 충진 요소를 제공하는 단계로서, 상기 충진 요소는 할로겐화 금속은 포함하나, 수은 또는 할로겐화 수은을 포함하지 않고, 그렇지 않으면 제 1 스펙트럼 전체가 350 내지 800 나노미터에 이르는 제 1 가시 스펙트럼이 나오는 단계, 및
상기 외장 체적의 요오드화 아연 농도를 외장 램프의 세제곱 밀리미터 당 2 내지 6 마이크로그램 사이에 있도록 조정하고, 그 결과 대응하여 램프 전압이 상기 요오드화 아연이 없는 상태의 동작 전압(도핑되지 않는 전압)과 상기 도핑되지 않은 전압의 대략 절반에 해당하는 전압 사이에서 변화하고, 상기 제 1 스펙트럼 전체의 5 퍼센트 이상만큼 제 1 스펙트럼 전체와 차이나지 않으면서 제 2 스펙트럼 전체가 350 나노미터에서 800 나노미터에 이르는 제 2 가시 스펙트럼를 제공하는 단계를 포함하는 무수은 할로겐화 금속 램프의 전압을 제어하는 방법.
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