KR20030084598A

KR20030084598A - 방전 램프

Info

Publication number: KR20030084598A
Application number: KR10-2003-0021269A
Authority: KR
Inventors: 이케우치미츠루; 쇼조가츠미; 고노요이치
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2003-11-01
Also published as: US20030201719A1; KR100685719B1; CN1453820A; EP1357579A3; JP2004006246A; US6936956B2; EP1357579B1; JP3994880B2; EP1357579A2; TW200305911A; DE60318764T2; TWI282110B; DE60318764D1; CN100338723C

Abstract

방전 램프나 그 주변 설비의 대형화를 수반하지 않고, 방전 램프로의 투입 전류의 증대를 가능하게 할 수 있는 대출력형 방전 램프를 제공하는 것이다.

발광관(10)의 내부에 한쌍의 전극(2, 3)이 대향 배치되고, 적어도 한쪽의 전극은 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체(20)와, 이 밀폐 공간 내에 봉입된 전열체(M)를 구비하여 구성되고, 이 전열체(M)는 전극 본체(20)를 구성하는 금속보다도 열전도율이 높은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

방전 램프{DISCHARGE LAMP}

본 발명은 방전 램프에 관한 것이다. 특히, 투영 장치, 광화학 반응 장치, 검사 장치의 광원으로서 이용되는 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

방전 램프는 발광 물질, 전극간 거리, 발광관 내 압력이라는 관점에서 몇가지의 램프로 분류할 수 있고, 이 중, 발광 물질에서는 크세논 가스를 발광 물질로하는 크세논 램프, 수은을 발광 물질로 하는 수은 램프, 수은 이외의 희토류 금속 등을 발광 물질로 하는 메탈 할라이드 램프 등이 있다. 또, 전극간 거리라고 하는 관점에서는, 쇼트 아크형 방전 램프나 롱 아크형 방전이 있고, 또한 발광관 내의 증기압이라는 관점에서는 저압 방전 램프, 고압 방전 램프, 초고압 방전 램프 등이 존재한다.

이 중, 쇼트 아크형 고압 수은 램프에 대해서 말하면, 내열 온도가 높은 석영 글래스를 발광관으로 하고, 그 내부에 텅스텐제의 전극이 2∼12㎜ 정도의 간극으로써 배치되어 있고, 또한, 발광관 내부에는 발광 물질로서 점등시 증기압이 10⁵Pa∼10⁷Pa가 되는 수은이나 아르곤 등의 가스가 봉입되어 있다.

이 쇼트 아크형 고압 수은 램프는, 전극간 거리가 짧고 고휘도를 얻을 수 있다고 하는 이점을 갖기 때문에, 종래로부터 리소그래피의 노광용 광원에 널리 사용되어 왔었다.

그 한편으로, 최근에는, 반도체 웨이퍼뿐만 아니라, 액정 기판, 특히 대면적의 액정 디스플레이에 사용하는 액정 기판이 노광용 광원으로서 주목되고 있고, 제조 공정에서의 스루풋을 높이는 관점에서 광원인 램프로서도 대출력화가 강하게 요구되고 있다.

방전 램프의 대출력화에 의해 정격 소비 전력이 커지면, 방전 램프에 흐르는 전류값은 전류, 전압의 설계값에도 의하지만, 대부분의 경우에서는 커진다.

이 때문에, 전극(특히, 직류 점등에서의 양극)은 전자 충돌을 받는 양이 많아져서, 용이하게 승온하여 용융된다고 하는 문제를 도출해 버린다. 또, 양극에 한정되지 않고, 수직 방향으로 배치하는 방전 램프에서는 상측에 위치되는 전극이 발광관 내의 열대류 등의 영향을 받고, 아크로부터의 열을 받기 쉽게 되어, 동일하게 고온화되어 용융되어 버린다.

또, 전극, 특히 그 선단 부분이 용융되면, 아크가 불안정하게 될 뿐 아니라, 전극을 구성하는 물질이 증발하여 발광관의 내표면에 부착되어 방사 출력이 저하한다고 하는 문제도 발생한다.

이와 같은 현상은, 쇼트 아크형 고압 수은 램프에 한정되는 것이 아니라, 방전 램프를 대출력화하는 경우에, 일반적으로 발생하는 문제로서, 종래는 방전 램프의 외부에 공랭(空冷) 기구를 설치하여 강제적으로 공랭하는 구조나 방법이 제안되어 있고, 또, 또한 대출력의 방전 램프에서는, 전극의 내부에 냉각수의 유로를 설치하여 전극 내부에 냉각수를 흐르게 하는, 말하자면 수냉형 방전 램프(예를 들면, 일본국 특허 제3075094호)가 제안되어 있었다.

(특허 문헌 1)

일본국 특허 제 3075094호

그러나, 방전 램프를 대출력화하는 대책으로서, 방전 램프의 외부에 공랭 기구를 설치하여 강제적으로 냉각하는 방법에서는, 공랭 기구를 병용시켰다고 해도 방전 램프에 투입할 수 있는 전류값에 한계가 있어서 대출력화가 곤란하였다. 이 한계값은 방전 램프의 종류나 방전 램프가 배치되는 환경에 의해서도 다소 상이하지만, 방전 램프로의 투입 전류값에서 대개 200A 정도이고, 그 이상의 고전류화는 실용적으로는 불가능하게 되어 있었다.

또, 수냉형 방전 램프의 경우에는, 전극의 내부에 물을 도입, 배출하는 것이기 때문에, 방전 램프의 대형화는 처음부터 방전 램프의 주위에 순환 펌프나 냉각수의 공급, 배출 설비를 설치하지 않으면 안되고, 방전 램프에 대해서 몇배의 크기를 갖는 냉각 기구가 필요하게 된다. 따라서, 수냉이라는 방법은 특정한 용도에서는 유용할지도 모르지만, 방전 램프로서의 범용성은 부족하고, 특히 클린룸 내에서 사용하는 리소그래피용 노광 장치의 광원에는 적합하다고는 할 수 없었다.

또, 강제적인 냉각 기구에만 의존하는 방법에서는, 발광관의 내부에 최냉점 부분이 형성되기 쉽게 되고, 이 부분에 수은 등의 봉입 물질이 미증발의 상태에서 체류해 버리는 경우가 있다. 이 경우, 방전 램프로서 소정의 동작 압력을 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 소망의 방사 광량이나 휘도를 얻을 수 없게 된다. 또한, 발광관의 내부에 있어서, 온도가 과잉으로 저하한 경우에는, 전극간에 형성되는 아크가 불안정하게 되어 방전 램프가 어른거리며 발광한다.

그래서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 방전 램프나 그 주변 설비의 대형화를 수반하지 않고, 방전 램프로의 투입 전류의 증대를 가능하게 할 수 있는 대출력형 방전 램프를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 제1 발명에 관한 방전 램프는 발광관의 내부에 한쌍의 전극이 대향 배치되고, 적어도 한쪽의 전극은 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체와, 이 밀폐 공간 내에 봉입된 전열체를 구비하여 구성되고, 이 전열체는 전극 본체를 구성하는 금속보다도 전열도율이 높은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 전극 본체는 텅스텐을 주성분으로 하는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이 경우, 전극 본체는 대향하는 전극측의 벽의 두께가 2㎜ 이상 10㎜ 이하가 바람직하고, 또, 이 전극측의 벽에 1wt. ppm 이상 50wt. ppm 이하의 칼륨이 도핑되는 것이 바람직하다.

또한, 전열체는 금, 은 및 구리 중 어느 한 종류의 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 제2 발명에 관한 방전 램프는, 발광관의 내부에 한쌍의 전극이 대향 배치되고, 적어도 한쪽의 전극은 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체와, 이 밀폐 공간 내에 봉입된 전열체를 구비하여 구성되고, 이 전열체는 전극 본체를 구성하는 금속의 융점보다 낮은 융점을 갖는 금속인 것을 특징으로 한다.

또, 전열체는 금, 은, 구리, 인듐, 주석, 아연 및 납 중 어느 한 종류의 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 이와 같은 구성을 갖는 방전 램프는, 그 관축이 수직 방향으로 배치되어 점등되는 것으로서, 전극 본체와 전열체를 갖는 전극이 상측에 배치되는 것을 특징으로 한다.

(작용)

상기 제1 발명에 관한 방전 램프는, 전극이 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체와, 이 전극 본체를 구성하는 금속보다도 열전도율이 높은 금속으로 이루어지는 전열체가 배치되는 구조이기 때문에, 전극의 선단 부분이 고온화해도, 상기 전열체의 높은 수송 효과에 의해 축 부분 방향으로 효과적으로 열을 수송할 수 있다. 이 때문에, 방전 램프를 대출력화하기 위해서 투입 전류를 증가시켜도 전극이 용융하는 등의 문제를 양호하게 해결할 수 있다.

또, 제2 발명의 방전 램프는, 전열체로서 전극 본체를 구성하는 금속의 융점보다 낮은 융점을 갖는 금속을 채용하는 구조에 의해, 방전 램프의 점등시에 있어서 액체 상태가 된 전열체의 대류 작용이나 비등 전달 작용을 이용할 수 있고, 전극의 선단 부분에 열을 효율적으로 수송할 수 있다. 이 때문에, 제1 발명과 동일하게, 방전 램프를 대출력화하기 위해서 투입 전류를 증가시켜도 전극이 용융하는 등의 종래 기술에서 기재한 문제를 양호하게 해결할 수 있다.

도 1은 본원 발명에 관한 방전 램프의 전체를 도시하는 도면,

도 2는 본원 발명에 관한 양극의 개략도,

도 3은 본원 발명에 관한 전극 본체의 개략도,

도 4는 본원 발명의 전극의 개략도,

도 5는 본원 발명의 전극의 구체적 구조를 도시하는 도면,

도 6은 본원 발명의 전극의 구체적 구조를 도시하는 도면,

도 7은 실험의 결과를 도시하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 발광관

11 : 발광관

12 : 봉지부

2 : 양극(전극)

3 : 음극(전극)

4 : 외부 리드 봉

5 : 축 부분

20 : 전극 본체

20a : 후단부

20b : 몸통부

20c : 선단부

21 : 용기 부재

22 : 덮개 부재

22a : 덮개 부재 후단부

22o : 축 부분의 삽입 구멍

23 : 봉입 구멍

24, 24' : 끼워맞춤부

25, 25' : 개구 가장자리부

M : 전열체

N : 용기 구조체

S : 밀폐 공간

도 1은 본원 발명에 관한 방전 램프의 전체 구조를 도시하는 개략도이고, 제1 발명과 제2 발명에 공통된다.

발광관(10)은 석영 글래스로 이루어지고, 대략 구형상의 발광부(11)의 양단에는 봉지부(12)가 일체로 연결 설치되어 있다. 이 발광부(11)에는 양극(2) 및 음극(3)이 대향 배치되어 있고, 각 전극(2, 3)은 각각 봉지부(12)로 유지되며, 그 중에서 도시 생략의 금속박을 통해서 외부 리드 봉(4)에 연결되고, 도시 생략의 외부 전원이 접속된다.

또, 발광부(11)에는, 수은, 크세논, 아르곤 등의 발광 물질이나 시동용 가스가 소정량 봉입되어 있다. 그리고, 방전 램프는 외부 전원으로부터 전력이 공급되면, 양극(2)과 음극(3)에서 아크 방전함으로써 발광한다. 또한, 이 방전 램프는 양극(2)을 위, 음극(3)을 아래로 하고, 발광부(11)의 관축이 대지에 대해서 대략 수직 방향으로 지지되어 점등되는, 말하자면 수직 점등형이 방점 램프이다.

도 2는, 제1 발명을 설명하기 위한 양극(2)의 단면도이다.

양극(2)은 전극 본체(20)와 그 내부에 전열체(M)를 갖는 구조를 하고 있다. 전극 본체(20)는 고융점 금속, 또는 고융점 금속을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지고, 내부에 밀폐 공간(S)(이후, 「내부 공간」이라고도 한다)이 형성되는 용기 형상을 한 것이고, 전열체(M)는 전극 본체(20)의 내부에 기밀하게 봉입된 금속으로, 전극 본체(20)를 구성하는 금속보다 열전도율이 높은 금속으로 구성된다.

전극 본체(20)는 축 부분(5)과 접합하는 후단부(20a), 몸통부(20b), 선단부(20c)로 이루어지고, 후단부(22a)는 축 부분(5)의 삽입구멍(22o)이 형성된다. 또한, 후술하지만, 본 발명에서는 축 부분(5)을 포함시켜서 전극이라고 칭하는 경우도 있다.

전극 본체(20)를 구성하는 금속으로서는, 텅스텐, 레늄, 탄탈 등의 융점이 3000(K) 이상의 고융점 금속이 채용된다. 특히, 텅스텐은 내부의 전열체(M)와 대응하기 어려운 점에서 바람직하고, 특히, 순도 99.9% 이상의, 말하자면 순 텅스텐이 보다 바람직하다.

또, 고융점 금속을 주성분으로 하는 합금으로서는, 예를 들면, 텅스텐을 주성분으로 하는 텅스텐-레늄 합금을 채용할 수 있다. 이 경우, 고온시의 반복 응력에 대한 내성이 높게 되고, 전극의 장수명화를 도모할 수 있다.

전열체(M)는 전극 본체(20)를 구성하는 금속보다도 열전도율이 높은 금속으로 이루어진다. 구체적으로는, 전극 본체(20)의 구성 재료로서 텅스텐을 이용한 경우에는, 전열체(M)로써, 예를 들면, 금, 은, 구리 혹은 이들을 주성분으로 하는 합금을 채용할 수 있다. 이 중, 은, 구리는 바람직한 재료이고, 특히 은은 가장 적합한 금속이다. 이것은 2000K 정도에서 텅스텐의 열전도율이 약 100W/mK인 것에 반해서, 은은 약 200W/mK, 구리는 약 180W/mK로 아무래도 높기 때문이다. 또한, 은이나 구리는 텅스텐과 합금을 만들지 않기 때문에, 안정적으로 열 수송체로서 작용한다고 하는 의미에서도 바람직한 금속이 된다.

여기에서, 전극 본체(20)를 구성하는 금속과 전열체(M)를 구성하는 금속의 열전도율의 비교는 당연한 것이지만 동일 온도에서 비교해야 하고, 방전 램프 점등시에 있어서의 양극의 일반적인 온도 레벨인 2000K나, 혹은 상온에서의 양 금속의 열전도율끼리를 비교함으로써 결정할 수 있다.

또, 다른 구체예로서는, 전극 본체(20)를 구성하는 금속으로서 레늄을 이용한 경우, 전열체(M)로서 텅스텐을 이용할 수 있다. 이것은 텅스텐의 열전도율이 상기와 같이 2000K 정도에서는 약 100W/mK인 것에 반해서, 레늄은 2000K에서의 열전도율이 약 52W/mK이기 때문이다.

전극 본체(20)를 구성하는 금속으로서 레늄을 채용하는 이점은, 할로겐을 봉입한 수은 램프나 메탈할라이드 램프의 경우에, 전극의 부식을 방지함으로써, 이것에 의해, 방전 램프의 장수명화를 도모할 수 있다.

전극 본체(20)는 내부를 밀폐 공간으로 한 개략 용기 형상의 구조이다. 이때문에, 전열체(M)가 고온화되고, 그 일부가 증발하였다고 해도, 발광부(11)의 발광 공간에 누출되는 경우는 없다.

따라서, 본 발명의 방전 램프는, 수냉형 방전 램프와 같이 외부로부터 냉각 매체를 공급, 배출하는 구조가 필요없이 대단히 용이한 구조로 냉각 기구를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 한번 방전 램프를 제조하면 방전 램프의 수명이 될 때까지 전열체를 보급 등을 하지 않고 냉각 기구를 지속적으로 기능시킬 수 있다.

결국, 종래 제안되어 있었던 대출력형 방전 램프는, 방전 램프 이외의 외부에 냉각 기구에 의존하는 것이었던 것에 반해서, 본 발명에 의한 방전 램프는 램프 그 자체가 대단히 용이한 구조로 냉각 기능을 갖고 있는 점에서 큰 차이가 있다.

전극 본체(20)를 구성하는 금속이 텅스텐과 같이 다결정체인 경우에는, 1개의 결정입자에 대해서 그 형상이나 크기를 규정함으로써, 보다 효과적인 전극을 형성할 수 있다.

구체적으로는, 결정입자의 방전 램프의 관축과 동일 방향의 길이(L)와, 이것과 수직인 방향(도 2에서의 D로 나타내는 방향)의 길이(W)로 하면, 대개 L<W의 관계로 하는 것이 바람직하다. 이 이유는 결정입자의 관축 방향의 길이(L)보다 그 수직 방향의 길이(W)가 큼으로써, 내열 응력성이 커지기 때문이다.

또한, 전극 본체의 선단부(20c)를 구성하는 결정입자는 그 외의 부위인 몸통부(20b)나 후단부(20a)를 구성하는 결정입자보다도 입자 직경이 작은 쪽이 바람직하다. 이것은 입자 직경이 작은 쪽이 열응력에 의한 분열을 방지할 수 있기 때문이다.

수치예를 들면, 길이(L)는 40∼80㎛의 범위에서, 예를 들면 60㎛, 길이(W)는 50∼90㎛의 범위에서, 예를 들면 70㎛이다. 또, 선단부(22c)의 입자 직경은 40∼80㎛의 범위에서, 예를 들면 60㎛이고, 후단부(22a)의 입자 직경은 40∼160㎛의 범위에서 예를 들면 100㎛이다.

전극 본체(20)를 텅스텐, 혹은 텅스텐을 주성분으로 하는 합금으로 구성하는 경우에는, 칼륨을 1∼50wt. ppm 정도로 도핑하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 텅스텐의 결정 성장을 억제할 수 있고, 고온화된 경우의 기계적 강도를 높게 유지할 수 있기 때문이다.

또, 칼륨은 전극 본체(20) 중, 특히 선단부(22c)에 도핑하는 것이 바람직하다. 이것은 전극의 선단부가 고온화되기 쉽고, 상기와 같이 텅스텐의 결정이 성장하여 취약화되기 쉽기 때문이다.

또, 전극 본체(20)에 칼륨을 도핑함으로써, 선단부(20c)의 벽의 두께(T₂)나 몸통부(20b)의 벽의 두께(T₁)를 얇게 할 수도 있다.

이것에 의해, 칼륨을 도핑하지 않은 텅스텐제 전극 본체에 비교하여, 보다 열 수송 효과를 높일 수 있고, 결과적으로, 보다 대전류를 흐르게 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 전극 본체(20)의 내부 공간(S)에는 전열체(M)와 함께 적당한 산소 게터를 봉입하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 전극 본체(20)의 내부에 존재하는 용존 산소의 농도를 낮게 할 수 있고, 전극 본체(20)를 구성하는 재료가 산화하는것을 방지할 수 있기 때문이다.

여기에서, 용존 산소의 농도는 10wt. ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 산소 게터는, 예를 들면 바륨, 칼슘 혹은 마그네슘의 저산화물이나 티탄, 지르코니아, 탄탈, 니오브 등의 금속을 적용할 수 있다.

도 3은 전극(2)을 제조 공정에 연관시켜서 분해한 단면도로서, 주요 부재(21)와 덮개 부재(22) 등을 나타내고 있다.

전극의 제조 방법에 대해서 간단히 설명하면, 먼저, 원재료인 봉재로부터 소정의 길이를 잘라내고, 전극 본체의 주요 부재(21)와 덮개 부재(22)를 형성하기 위한 절삭 가공을 행한다. 이 때, 주요 부재(21)는 내부에 공간을 만들기 위한 구멍 형성 가공을 행하고, 덮개 부재(22)는 전열체의 봉입구멍(23)을 만들기 위한 구멍 형성 가공을 함께 행한다. 양자의 형상이 완성되면, 그 개구 가장자리부(24, 24')끼리를 전체 주위에 걸쳐서 용접시켜서 양자를 기밀하게 접합함으로써 전극 본체(20)가 완성된다.

다음에, 봉입구멍(23)으로부터 전열체를 내부 공간에 넣고, 봉입구멍(23)을 밀폐하면, 도 2에 도시하는 구조, 즉, 밀폐 공간(S)에 전열체(M)를 배치시킨 구조가 완성된다.

또한, 덮개 부재(22)의 절삭 가공은 후단부(22a)에 전극의 축 부분(내부 리드 봉)을 연결하기 위한 삽입구멍(22o)을 함께 행하고, 그 삽입구멍(22o)에 소정의 축 부분(내부 리드 봉)(5)을 삽입하고, 양자를 용접함으로써 강고하게 접합할 수 있다.

도 2에 도시하는 구조에 있어서, 전극 본체(20)는 텅스텐으로 이루어지고, 예를 들면, 외경(D)은 25㎜, 내경(d)은 17㎜, 측벽의 두께(T₁)는 4㎜(평균값), 대향하는 전극측의 벽의 두께(T₂)는 4㎜이다.

여기에서, 전극 본체의 측벽의 두께(몸통부(20b)의 두께)(T₁)와, 대향하는 전극측의 벽의 두께(선단부(20c)의 두께)(T₂)는 2㎜ 이상 10㎜ 이하인 것이 바람직하다. 10㎜를 넘으면 전열체에 의한 열전도 효과를 얻을 수 없게 되기 때문이고, 2㎜보다 얇게 되면 온도 구배가 커지기 때문에 열충격으로부터 분열이 발생할 가능성이 있기 때문이다.

또한, 전극 본체가 선단부(20c)에 칼륨을 도핑한 텅스텐으로 이루어지는 경우에는, 선단부의 두께를 2㎜∼4㎜로 하였을 때, 온도 구배로부터 생기는 열충격으로부터 발생하는 분열의 확률을 줄일 수 있다.

전열체(M)는 전극 본체(20)의 내용적에 대해서 30체적% 이상의 비율로 봉입하는 것이 바람직하고, 특히, 50∼95체적%의 범위에서 봉입하는 것이 보다 바람직하다.

전열체(M)의 봉입량이 적으면, 전극 본체(20)의 선단부(20c)에서 발생한 열을 후단부(20a)까지 전도하는 효과를 얻기 어렵게 되고, 이 때문에, 선단부(20c)의 온도 상승을 초래하기 때문이다.

또, 전열체(M)는 전극 본체(20)의 내부 공간(S)에 대해서 가득 봉입하는 것 보다도 공극을 존재시켜서 봉입하는 것이 효과적이다.

이 이유는, 공극의 존재에 의해 공극의 근방에서 용융한 전열체에 흐르는 전류 분포가 변화하여, 전류 분포의 변화에 의해 발생하는 로렌츠력으로 용융한 전열체의 대류의 유속이 빨라짐으로써, 열 수송을 증가시키기 때문이고, 공극은 약간이어도 효과를 갖지만, 적어도 내부 공간(S)의 내용적에 대해서 5체적% 이상 존재하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 내부에 밀폐 공간을 갖는 전극 본체와, 그 공간 내에 전극 본체를 구성하는 금속보다도 열전도율이 높은 금속을 전열체로서 봉입하는 신규 구조의 전극을 구성함으로써, 전열체에 의한 대단히 높은 열 수송 효과를 발휘시킬 수 있고, 이것에 의해 전극 선단의 고온화에 의한 용융, 증발 등의 문제를 해결할 수 있다.

결국, 종래의 텅스텐 등으로 구성되는 덩어리 형상의 전극에 비해서, 투입 전류를 보다 높게 할 수 있고, 대출력화 방전 램프를 구성하는 것이 가능하게 된다.

또, 종래의 수냉형 방전 램프에 비해서, 방전 램프의 외부에 대규모의 냉각 기구를 설치할 필요가 없고, 대단히 간이한 구조로 효과적으로 냉각 작용을 발휘할 수 있다.

다음에, 제2 발명에 대해서 설명한다.

또한, 제2 발명(청구항 6에 관한 발명)은, 제1 발명(청구항 1에 관하 발명)의 설명에 이용한 도 1∼3을 동일하게 사용할 수 있기 때문에, 동일 도면 및 부호를 이용하여 설명한다.

이 발명에서는, 전극 본체(20)에 봉입되는 전열체(M)가 전극 본체(20)를 구성하는 금속의 융점보다도 낮은 융점을 갖는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있고, 방전 램프의 점등시에 있어서, 전열체가 용융함으로써 전극 본체의 밀폐 공간 내에서 대류 작용이 발생하여 이것에 의한 열 수송 효과를 발휘하는 것이다.

전극 본체(20)는 상기 제1 발명과 동일하게 고융점 금속, 또는 고융점 금속을 주성분으로 하는 합금으로 구성되고, 바람직하게는 텅스텐 또는 텅스텐을 주성분으로 한 합금으로 구성된다.

전열체(M)는 전극 본체를 구성하는 금속의 용점보다 낮은 융점의 금속이 채용되지만, 전극 본체(20)가 텅스텐으로 이루어지는 경우에는, 금, 은, 구리, 인듐, 주석, 아연, 납 등을 이용할 수 있다. 또, 이들 금속은 단원자의 금속이어도 좋고, 합금이어도 좋고, 어느 1종만으로 구성해도 좋고, 2종 이상의 금속을 조합하여 구성해도 좋다.

전열체(M)로서 금, 은 및 구리의 어느 하나의 금속을 채용한 경우에는, 램프의 점등시에 있어서는, 제1 발명에서 설명한 열전도에 의한 열 수송 효과에 더하여, 제2 발명인 대류 작용에 의한 열 수송 효과도 병용하게 된다. 따라서, 양자의 상승 효과에 의해, 전극의 선단부(20c)에 발생하는 높은 온도의 열을 후단부(20a)나 축 부분(5)으로 매우 높은 효율로 수송할 수 있다.

전열체(M)로서, 인듐, 주석, 아연 및 납 중 어느 하나의 금속을 채용한 경우에는, 램프 점등시, 예를 들면 2000K 정도의 온도에 있어서, 전극 본체(20)의 밀폐공간에서 용융 상태가 되기 때문에, 그 대류 작용에 의해서 전극 선단부에 발생하는 열을 양호하게 후단부, 축 부분으로 수송할 수 있다.

그러나, 이들 금속은 열전도율이 전극 본체를 구성하는 텅스텐보다도 낮기 때문에, 제1 발명인 열전도 작용은 기대할 수는 없다.

여기에서, 방전 램프의 종류나 방전 램프가 배치되는 환경 등에도 의하지만, 일반적으로는 방전 램프에 투입되는 전류값이 150A 이상인 경우에는, 전열체의 대류 작용만으로는 불충분하며, 열전도 작용을 병용하는 것이 바람직하다.

도 4는 전극 본체(20)와 전열체(M)의 개략 단면도를 도시한다.

도 4(a)는 전극 본체(20)의 내용적에 대해서 전열체(M)의 봉입량이 많은 경우를 도시한다. 이와 같이 전열체(M)의 봉입량이 많은 경우에는, 전열체(M)가 용융함으로써 발생하는 액상의 대류에 의해, 선단부에 발생하는 열을 대단히 높은 효율로 수송할 수 있고, 이 결과, 전극 선단부의 온도를 매우 효과적으로 저하할 수 있다.

구체적으로는, 전극 본체(20)의 내용적에 대해서, 전열체(M)가 50% 이상 봉입되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 발명에서도 설명한 바와 같이, 전열체(M)는 전극 본체(20)의 내부 공간에 대해서 가득 봉입하는 것 보다도, 다소의 공극을 존재시켜서 봉입하는 것이 효과적이다. 이 때문에, 봉입량의 상한은 100% 미만이지만, 현실적으로는 95% 이하로 하는 것이 바람직하다.

전극 본체(20)는 내부 공간의 저면(선단측)에 둥근 모양을 갖게 하는 것이 바람직하다. 이것은 둥근 모양을 설치함으로써, 전열체(M)의 대류가 정체하지 않고 부드럽게 행해지기 때문이고, 열 수송의 효율을 향상할 수 있기 때문이다.

전극 본체(20)는 전열체(M)가 봉입되어 있지 않은 공간에 대해서, 고압력의 가스를 봉입할 수 있다. 이 경우, 전극 본체(20)의 내표면과 전열체(M)의 계면에 있어서의 기포의 발생을 억제할 수 있고, 기포 발생에 의한 열 수송 로스를 방지할 수 있다. 구체적으로는, 봉입 가스는 1기압 이상이면 충분한다.

도 4(b)는 전극 본체(20)의 내용적에 대해서 전열체(M)의 봉입량이 적은 경우를 도시한다. 이와 같이 전열체(M)의 봉입량이 적은 경우에는, 전열체가 존재하고 있지 않은 공간 부분에, 아르곤 등의 가스를 봉입하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 대기압보다도 낮은 압력 상태를 형성함으로써 전열체의 비등을 촉진시킬 수 있고, 이것에 의해 비등 전달에 의한 열 수송 효과를 발휘할 수 있기 때문이다.

구체적으로는, 전극 본체(20)의 내용적에 대해서, 전열체(M)가 20% 이하 봉입되어 있다. 이 구조는, 전열체로서 인듐, 주석, 아연을 사용하는 경우가 바람직하고, 그 중에서도 인듐을 채용하였을 때에 효과적이다.

또한, 전극 본체의 내부 공간에 대기압보다도 낮은 압력의 가스를 봉입하는 것은, 전극 본체의 내용적에 대해서 전열체의 봉입량이 적은 경우에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 도 4(b)의 구성은, 방전 램프는 관축이 수직 방향으로 배치되어 전극(2)에 위쪽으로 배치되는 경우에 효과적이다. 이것은 전열체의 비등에 의한 대류 작용을 기대하는 것이기 때문에, 전극(2)은 내부 공간에서 비등에 의해 전극의 선단부로부터 보다 상부에 위치하는 후단부나 축 부분에 열을 수송할 수 있기때문이다.

여기에서, 방전 램프의 관축이란 2개의 전극이 연장되는 방향으로 가상적으로 형성되는 축선을 말한다.

전극 본체(20)는 그 내부 표면이 매끈한 것이 바람직하다. 이것은 액체 상태가 된 전열체가 국소적으로 응고하는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 이와 같은 국소적인 응고는 응력의 발생을 초래하여 전극 본체의 균열을 유도하기 때문이다.

이 처리는, 전극 본체의 내표면 전체에 대해서 행해도 좋지만, 적어도 전열체의 액면 부분 근방에 대해서 처리하는 것이 바람직하다. 이 액면 부분은 전열체가 응고를 시작하기 쉬운 부분이기 때문이다.

전극 본체의 내표면을 매끈하게 하는 정도에 대해서, 수치예를 들면, JIS 규격의 B0601로 규정하는 25㎛Ra 이상이다.

전극 본체(20)는 선단부(20c)에 대응하는 내부 표면을 비교적 거칠게 형성하는 것도 경우에 따라서는 바람직하다. 이것은 전극 본체(20)를 구성하는 금속과 전열체(M)의 접촉 면적이 커지기 때문이고, 선단부(20c)에 발생하는 고온도의 열을 전열체(M)에 양호하게 전달할 수 있기 때문이다.

또한, 제1 발명에서 설명한 내용, 즉 전극 본체(20)의 내부 공간을 밀폐로 하는 것의 이점, 전극 본체를 구성하는 금속이 텅스텐과 같은 다결정체인 경우의 결정 입자의 형상이나 크기를 규정하는 것, 전극 본체에 칼륨을 도핑하는 것, 전극 본체(20)에 전열체(M)와 함께 산소 게터를 봉입하는 것 등은, 제2 발명에서도 동일하게 적용할 수 있다.

도 5는 본 발명에 관한 전극 구조로서 다른 실시예를 도시한다. 또한, 이 구조는 제1 발명 및 제2 발명과 함께 채용할 수 있는 구조로서, 또, 도 1∼4에 도시하는 부호와 동일 부호는 동일 부분을 나타내기 때문에 설명은 생략한다.

전극 본체(20)는 주요 부재(21)와 덮개 부재(22)로 이루어지고, 전열체(M)를 주요 부재(21)에 넣은 후에, 주요 부재(21)와 덮개 부재(22)의 개구 가장자리부(25, 25')끼리를 용접함으로써 밀폐의 내부 공간을 형성하고 있다. 또한, 용접 후는 도 2에 도시하는 구조와 같이 주요 부재(21)와 덮개 부재(22)의 구별은 없어지지만, 본 실시예에서는 편의적으로 양자를 구별하여 표현하고 있다.

덮개 부재(22)는 내부 공간(S) 내에 연장되는 구조를 하고 있고, 이것에 의해, 내부 공간(S)의 크기를 소망의 값으로 규정할 수 있는 동시에, 주요 부재(21)와 덮개 부재(22)의 용접 위치를 전열체(M)가 존재하는 위치로부터 떼어 놓을 수 있기 때문에 용접 작업은 용이하게 된다. 또, 전열체(M)의 봉입 작업도 용이화하기 때문에 전극의 제조 공정 상의 이점은 대단히 크다.

또, 덮개 부재(22)는 전열체(M)와 접촉할 때까지 내부 공간(S) 내에 연장되는 구조로 할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 관한 전극 구조로서 다른 실시예를 도시한다. 또한, 이 구조는 제2 발명에 채용할 수 있는 구조이고, 또 도 1∼4에 도시하는 부호와 동일 부호는 동일 부분을 나타내기 때문에 설명은 생략한다.

전극 본체(20)는 주요 부재(21)와 덮개 부재(22)로 이루어지고, 전열체(M)가 내부 공간(S)에 충전되어 있다.

덮개 부재(22)는 축 부분의 일부로서 연장되는 후단부(20a)를 갖고 있고, 이 후단부(20a)에도 내부 공간의 일부가 연통하여 형성되어 있다.

이 구조의 이점은, 비등 열전달을 이용하는 경우에, 후단부(20a)의 내부의 온도를 확실하게 액체로 되돌릴 수 있는 것이다.

또한, 후단부(20a)는 전극의 축 부분이나 내부 리드에 연결하여 방전 램프의 발광부 내에서 지지된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 전극의 신규 구조를 제공하는 것으로, 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체와, 그 내부에 봉입된 전열체로 구성되고, 제1 발명은 전열체를 구성하는 금속은 전극 본체를 구성하는 금속보다 열전도율이 높은 것을 특징으로 하며, 제2 발명은 전열체를 구성하는 금속은 전극 본체를 구성하는 금속보다 융점이 낮은 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 전극 구조는, 직류 점등형 방전 램프에서는 양극에 채용하는 것이 바람직하지만, 음극에 채용하는 것을 배제하지 않고, 또 양쪽의 전극에 채용할 수도 있다. 또, 교류 점등형 방전 램프에서 양 전극에 본 발명의 전극 구조를 채용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 본 발명의 전극 구조는, 방전 램프의 관축을 수직 방향으로 배치하여 점등되는, 말하자면 수직 점등형 방전 램프에 있어서는, 고온화되기 쉬운 상측에 배치되는 전극에 대해서 채용하는 것이 바람직하다. 특히, 제2 발명에서는 전열체가 램프 점등시에 용융되기 때문에, 상측에 배치되는 전극에 대해서 채용하는 것이 보다 바람직하다. 그러나, 수직 점등형 방전 램프에 있어서, 하측에 배치하는 전극에 채용하는 것을 배제하는 것이 아니라, 그 외의 실용적인 의미에서 발생하는 문제 등을 해소할 수 있으면, 하측에 배치한 전극에도 채용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 방전 램프는, 관축을 대지에 대해서 수평으로 배치하는, 말하자면 수평 점등형 방전 램프나 비스듬히 배치하는 방전 램프이어도 그 사용을 부정하지 않는다.

또, 본 발명의 방전 램프는, 쇼트 아크형 고압 수은 램프에 한정되는 것이 아니라, 크세논 가스를 발광 물질로 하는 크세논 램프, 수은 이외의 희토류 금속 등을 발광 물질로 하는 메탈할라이드 램프, 할로겐을 봉입한 방전 램프 등 발광 물질에 한정되지 않고 채용할 수 있다. 또, 쇼트 아크형 방전 램프에 한정되지 않고, 미들 아크형 방전 램프나 롱 아크형 방전 램프에도 채용할 수 있고, 저압 방전 램프, 고압 방전 램프, 초고압 방전 램프 등 다양한 방전 램프에 응용할 수 있다.

또, 본 발명의 전극 구조는, 그 구성 요소가 되는 각 부재가 봉재의 기계 가공에 의해 제작된 것에 한정되지 않고, 소결법 등 다른 방법으로 제작된 것이어도 좋다.

또, 본 발명의 전극 구조는, 전극 그 자체가 높은 열 수송 효과를 갖는 것이지만, 다른 강제적인 냉각 기구의 병용을 배제하는 것이 아니라, 예를 들면 방전 램프의 외부에 냉각풍을 흐르게 하는 강제 공랭 기구를 병용해도 상관없다.

또, 본 발명의 전극은 실시예에 도시하는 형상에 한정되지 않고, 예를 들면, 전극의 측면(몸통부)에 방열용 핀이나 요철을 설치하는 등, 적당한 형상 변경이 가능하다.

이하, 본원 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

〔실시예〕

도 5에 도시한 전극 구조와 동일한 구조를 갖는 전극을 제작하여, 이 전극을 양극에 사용한 수은 램프를 본 발명의 방전 램프로서 20개 제작하였다.

방전 램프의 각부 구성은 하기와 같다.

〔방전 램프〕

정격 전류 : 280A(단, 실험은 비교용 램프와 맞추기 위해서 200A에서 점등시켰다)

발광관 내용적 : 1830㎤

발광 길이(전극간 거리, 램프 동작 중) : 12㎜

크세논의 봉입 압력 : 100㎪

수은량 : 28.2㎎/㎤

〔양극측 전극〕

·전극 본체 재질 : 텅스텐, 축 방향 길이 : 55㎜, 몸통부 외경 : 25㎜, 내용적 : 9100㎣

·전열체 재질 : 은, 봉입량 6000㎣

·내부 리드 봉 재질 : 텅스텐, 외경 : 6㎜

〔음극측 전극〕

·본체 재질 : 토륨 함유 텅스텐(토리아 : 2wt.%)

·내부 리드 봉 재질: 텅스텐, 외경 : 6㎜

〔비교예〕

비교용 방전 램프로서, 전체가 텅스텐으로 이루어지는 양극을 사용한 종래형의 램프를 20개 제작하였다. 이 비교용 방전 램프는 양극의 구조가 다른 것 이외에는 상기와 본 발명의 방전 램프와 동일한 구성이다.

〔실험예〕

본 발명의 방전 램프와 비교예의 방전 램프를 전류 200A에서 양극을 위에 배치한 수직 점등을 행하였다.

그리고, 각 방전 램프에 대해서 점등 600초 후에, 양극의 표면 온도 5개소를 마이크로바이로미터에 의해 측정하였다. 구체적으로는, 본 발명의 방전 램프 20개와 비교용 방전 램프 20개의 각각에 대해서 측정하여, 그 20개의 램프의 평균값을 각각 구한 것이다.

도 7은 상기 실험의 결과를 도시한다.

세로축은 양극의 표면 온도(℃)를 나타내고, 가로축은 양극의 선단부로부터의 거리(㎜)를 나타내고 있고, 흰 삼각은 본 발명의 방전 램프를 나타내고, 검은 삼각이 비교예의 방점 램프를 나타낸다.

또한, 방전 램프의 측정 포인트는 양극의 선단부로부터 후단부까지 대략 균등하게 5개소(약 5㎜의 위치, 약 15㎜의 위치, 약 25㎜의 위치, 약 30㎜의 위치, 약 45㎜의 위치)를 행하였지만, 램프에 의해서 측정 포인트가 약간 벗어나 버리기 때문에, 도면에서는 방전 램프 20개의 평균값을 나타내고 있다.

실험의 결과, 전극의 선단부(선단으로부터 약 5㎜의 위치)에서는 비교예의방전 램프가 약 2000℃인 것에 반해서, 본 발명의 방전 램프는 약 1850℃로 낮은 것을 알 수 있다. 그 한편으로, 전극의 후단부(선단으로부터 약 45㎜의 위치)에서는 비교예의 방전 램프가 약 1600℃인 것에 반해서, 본 발명의 방전 램프는 약 1750℃로 높은 것을 알 수 있다.

결국, 본 발명의 방전 램프는 전극 구조의 열 수송 특성이 우수하기 때문에, 선단부에서 발생하는 열을 효과적으로 후단부로 수송하고 있는 것을 이해할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 발명은, 내부에 밀폐 공간을 갖는 전극 본체와, 그 공간 내에 전극 본체를 구성하는 금속보다도 열 전도율이 높은 금속을 전열체로서 봉입하는 신규 구조의 전극을 구성하고 있고, 이것에 의해, 전열체의 전도 효과에 의한 대단히 높은 열 수송 효과를 발휘할 수 있으며, 전극 선단의 고온화에 의한 용융, 증발 등의 문제를 해결할 수 있다.

또, 본 발명의 제2 발명은, 내부에 밀폐 공간을 갖는 전극 본체와, 그 공간 내에 전극 본체를 구성하는 금속보다도 융점이 낮은 금속을 전열체로서 봉입하는 신규 구조의 전극을 구성하고 있고, 이것에 의해, 전열체에 의한 대류 효과에 의한 대단히 높은 열 수송 효과를 발휘할 수 있으며, 전극 선단의 고온화에 의한 용융, 증발 등의 문제를 해결할 수 있다.

Claims

발광관의 내부에 한쌍의 전극이 대향 배치된 방전 램프에 있어서,

적어도 한쪽의 전극은, 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체와, 상기 밀폐 공간 내에 봉입된 전열체를 구비하여 구성되고,

상기 전열체는, 상기 전극 본체를 구성하는 금속보다도 열 전도율이 높은 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 전극 본체는, 텅스텐을 주성분으로 하는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제2항에 있어서,

상기 전극 본체는, 대향하는 전극측의 벽의 두께가 2㎜ 이상 10㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제2항에 있어서,

상기 전극 본체는, 대향하는 전극측의 벽에, 1wt. ppm 이상 50wt. ppm 이하의 칼륨이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전열체는, 금, 은 및 구리 중 어느 한 종류의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
발광관의 내부에 한쌍의 전극이 대향 배치된 방전 램프에 있어서,

적어도 한쪽의 전극은, 내부에 밀폐 공간이 형성된 전극 본체와, 상기 밀폐 공간 내에 봉입된 전열체를 구비하여 구성되고,

상기 전열체는, 상기 전극 본체를 구성하는 금속의 융점보다 낮은 융점을 갖는 금속인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제6항에 있어서,

상기 전열체는, 금, 은, 구리, 인듐, 주석, 아연 및 납 중 어느 한 종류의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제1항 또는 제6항에 있어서,

상기 방전 램프는 그 관축이 수직 방향으로 배치되어 점등되는 방전 램프로서,

상기 전극은 상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.