KR20050061293A

KR20050061293A - 방전 램프

Info

Publication number: KR20050061293A
Application number: KR1020040094619A
Authority: KR
Inventors: 이케우치미츠루
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2005-06-22
Also published as: JP2005183068A; EP1560255A2; US20050134180A1; CN1630018A; TW200522126A

Abstract

본 발명은 고휘도의 방전 램프에 있어서, 전극 선단으로의 이전자방사(易電子放射) 물질의 공급이 일정하게 되도록 하고, 양호한 전자 방사 특성을 유지하며, 안정적인 동작을 장시간에 걸쳐 유지하는 전극을 구비한 방전 램프를 제공하는 것이다.

밀폐된 광 투과성의 용기와, 이 용기 내에 대향하는 한 쌍의 전극을 구비하고, 이들의 전극이 광 투과성 용기에 기밀하게 봉착된 봉착부를 통해 전기적으로 접속된 방전 램프에서, 이 전극 중의 적어도 하나는 고융점 금속으로 이루어지는 전극의 내부에 기밀실을 구비하며, 이전자방사 물질을 봉입하여, 이 기밀실 내에는 이전자방사 물질의 미충전의 공간이 존재하는 방전 램프로 한다.

Description

방전 램프{DISCHARGE LAMP}

본 발명은 초고압 수은 램프와 같은 고휘도 방전 램프에 관한 것으로서, 특히 그 전극에 관한 것이다.

고휘도 방전 램프의 전극은 톨리움이나 랜턴, 바륨과 같은 이전자방사(易電子放射) 물질이 전극을 구성하는 기체 금속에 흡착하여, 일 함수를 낮춤으로써 양호한 전자 방사 특성을 얻는다. 그러나, 이전자방사 물질은 전극 표면으로부터 증발하여 손실되므로 양호한 전자 방사 특성을 유지하기 위해서는 이전자방사 물질을 보충할 필요가 있다.

종래, 이전자 방사성(易電子放射性)의 물질은 산화물의 형태로 고융점의 기체 금속 내에 존재하고, 확산에 의해서 선단까지 운반된다고 생각되고 있다. 그러므로, 이전자방사 물질의 전극 선단으로의 공급은 시간과 함께 확산의 경로가 연장되어 가므로 감소하여, 전극 선단으로부터 손실되는 양보다 전극 내부로부터 공급되는 공급량이 적어지면 아크 스폿이 이동하거나, 아크 스폿의 크기가 변화하여 아크 불안정 현상을 발생시키므로, 수명이 제한되었었다.

또, 처음에 전극의 기체 금속 내의 이전자방사 물질의 함유량을 높이면, 초기의 이전자방사 물질의 공급량이 너무 많아지고, 잉여로 공급된 것은 곧 증발되므로, 점등 개시 후의 초기 흑화에 의한 방사 조도의 감쇠를 발생시키므로, 이전자방사 물질의 함유량을 높여 수명을 연장시키는 방법으로는 한계가 있었다.

이전자방사 물질이 장기간에 걸쳐 전극 선단에 공급되도록 하기 위해서 특허 제2732451호 공보나 특허 제2732452호 공보에는 음극 내부에 공동(空洞)부를 설치하고, 바륨계의 이전자방사 물질을 충전한 구조가 제안되어 있다.

이들의 공보에 개시되어 있는 기술에서는 전극의 기체 금속 내에 균일하게 이전자 방사성 물질을 분산한 것에 비하면, 보다 장기간에 걸쳐 이전자방사 물질이 전극 선단에 공급되지만, 그래도 결정립(結晶粒)계나 입(粒) 내의 확산이라는 고체 내 확산 현상을 사용하므로, 충전된 이전자방사 물질이 소비되는 동시에 확산 경로가 확장되어, 전극 선단으로의 이전자방사 물질의 공급량이 시간과 함께 감소되는 것을 피할 수 없다.

아크 램프의 고출력 점등 시에, 안정적인 동작을 위해, 일본국 특개평 9-92201호 공보에는 고융점 금속의 심과 주변부에 이전자방사 물질을 함침하고, 그 표면을 고융점 금속으로 피복한 구조 및 다공질의 고융점 금속에 이전자방사 물질을 함침한 것에 선단이 개방된 공동로를 설치하는 구조가 제안되어 있다. 어느 것도 전자 방사성 용이 물질의 선단으로의 수송은 확산 현상이므로, 시간과 함께 확산 경로가 길어져서 공급량을 일정하게 유지하는 것이 어렵다.

아크 램프의 고출력 점등 시에, 안정적인 동작을 위해, 일본국 특개평 11-154488호 공보에 공동과 선단 관통공을 구비하여, 공동에 이전자방사 물질을 충전한 구조가 제안되어 있다. 이전자방사 물질의 전극 선단으로의 수송에 관해서, 관통공의 확산 경로는 동일하지만, 충전된 이전자방사 물질이 소비되는 동시에 전극 선단으로의 경로가 확장되므로, 공급량을 일정하게 유지하는 것이 어렵다.

(특허문헌1)일본국 특허 제2732451호 공보

(특허문헌2)일본국 특허 제2732452호 공보

(특허문헌3)일본국 특개평 9-92201호 공보

(특허문헌4)일본국 특개평 11-154488호 공보

따라서, 본 발명의 목적은 고휘도의 방전 램프에 있어서, 전극 선단으로의 이전자방사 물질의 공급이 일정하게 되도록 하여, 양호한 전자 방사특성을 유지하며 안정적인 동작을 장시간에 걸쳐 유지하는 전극을 구비한 방전 램프를 제공하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 청구항1에 기재된 발명은 밀폐된 광 투과성의 용기와 용기 내에 대향하는 전극을 구비하고, 이들 전극이 광 투과성 용기에 기밀하게 봉착된 봉착부를 통해 전기적으로 접속된 방전 램프에 있어서, 이 전극 중, 음극 동작하는 전극은 고융점 금속으로 이루어지는 전극 내에 기밀실을 구비하며, 이전자방사 물질을 봉입하여, 이 기밀실 내에는 이전자방사 물질의 미충전의 공간이 존재하는 것을 특징으로 하고 있다.

높은 증기압을 가진 이전자방사 물질은 기밀실 내에서 증발하여 기체가 되어 기밀실에 충만하므로, 전극 선단 바로 아래의 기밀실 내의 표면에도 흡착층을 형성한다. 기밀실 내 표면으로의 흡착층의 형성에 관해서, 기체 금속이 텅스텐, 이전자방사 물질이 세륨의 경우에 관해서 기술한다. 기밀실의 증기압은 기밀실 내의 액체 또는 고체와 기상의 공존하는 곳의 최냉부의 온도로 결정된다. 세륨을 기밀실 내에 봉입하고, 최냉부의 온도를 약1900K로 제어하면, 세륨의 증기압은 약133Pa가 된다. 세륨의 융점은 1077K이므로, 기밀실은 액체와 기체로 채워진다.

전극 선단 바로 아래의 기밀실의 내벽은 가장 온도가 높아진다. 전극 선단과 기밀실의 격벽의 두께를 1mm정도로 하면, 이 온도는 약2400K정도로도 된다. 세륨 원자는 텅스텐 결정면에 흡착하기 쉽고, 세륨 원자끼리의 응집 에너지보다 세륨 원자와 텅스텐 결정면으로의 흡착 에너지 쪽이 크므로, 세륨은 133Pa의 세륨 증기의 존재 하에서는 약3200K의 고온까지 흡착층을 유지할 수 있게 된다. 그러므로, 기밀실 내벽은 전면이 세륨의 흡착층으로 덮이게 된다.

세륨을 기밀실 내에 봉입하여 최냉부의 온도를 약1700K로 제어하면, 세륨의 증기압은 약13.3Pa가 된다. 세륨은 13.3Pa의 세륨 증기의 존재 하에서는 약2900K의 고온까지 흡착층을 유지할 수 있게 된다. 이 경우도, 기밀실 내벽은 전면이 세륨의 흡착층으로 덮어게 된다.

일반적으로, 이전자방사 물질의 경우 이전자방사 물질의 원자끼리의 응집 에너지보다 텅스텐 결정면으로의 흡착 에너지 쪽이 크므로, 흡착층이 형성되기 쉬워진다. 이전자방사 물질은 전극 선단에서의 전자 방출을 용이하기 하기 위해, 선단에 흡착층이 형성되어야 할 필요가 있고, 이 흡착층을 안정적으로 유지할 수 있는 온도로 선단 온도가 컨트롤되므로, 선단보다 낮은 온도에서는 흡착층이 형성된다고 생각할 수 있다. 따라서, 기밀실 내의 이전자방사 물질의 증기압이 충분하면, 본 발명의 기밀실 내벽에는 거의 필연적으로 흡착층이 형성되게 된다.

전극 선단 바로 아래와 선단간에는 농도 구배에 의한 확산에 의해 이전자 방사성 물질이 수송되지만, 전극 선단 바로 아래의 이전자방사 물질은 증기압이 높으면 흡착층이 형성되어 있으므로, 이전자방사 물질의 기체 금속으로의 고용(固溶) 한도까지 용해되고, 또 결정립계로도 침입하므로 농도가 일정하게 유지되어, 수송되는 이전자방사 물질의 단위 시간당의 공급량은 일정하게 유지된다.

중력의 작용에 의해서, 전극 선단 바로 아래의 기밀실 내의 표면에 이전자방사 물질의 응집상이 접하는 경우에도, 전극 선단 바로 아래의 농도는 이전자방사 물질의 기체 금속으로의 고용 한도까지 용해되므로 일정하게 유지되고, 전극 선단 바로 아래와 선단간에는 농도 구배에 의한 확산에 의해 이전자 방사성 물질의 공급량이 일정하게 유지된다. 기밀실의 단면이 작으면 가령 중력이 작용하여도, 표면 장력에 의해서 기밀실 내의 전극 선단 바로 아래의 부분이 기상이 되는 경우도 있지만, 이 경우에도, 이전자방사 물질의 흡착층에 의해서 농도가 일정하게 유지되므로, 공급량이 일정하게 유지된다. 요컨대, 기밀실 내에 공간이 존재하면 전극의 동작 자세에 관계없이, 공급량을 일정하게 유지할 수 있게 된다.

기밀실 내에 높은 증기압의 이전자방사 물질을 주입함으로써 전극 선단의 바로 아래까지, 이전자방사 물질을 신속, 다량으로 수송할 수 있게 된다. 또, 전극은 선단만큼 동작 온도가 높고, 온도가 높을수록 확산 계수가 크므로, 결과적으로, 기밀실 내의 이전자방사 물질은 선택적으로 전극 선단에 운반되므로, 적은 이전자방사 물질의 봉입량으로 긴 수명을 달성할 수 있게 된다. 또, 불필요한 이전자방사 물질이 전극 내부로부터 램프의 방전 공간 중으로 배출되어, 램프 내부가 오염되는 것을 최소한으로 할 수 있게 된다.

또, 상기의 기밀실에 봉입하는 이전자방사 물질 중의 하나의 성분이 스칸듐, 이트륨, 랜턴, 세륨, 가돌리늄, 바륨, 톨리움 중의 어느 하나로부터 선택되는 원소를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

이들의 금속은 텅스텐 등의 고융점 금속의 표면에서 전자 방사성 물질로서 많이 활동하고, 또한, 기밀실을 구성하는 텅스텐 등과의 반응성이 낮으므로, 기밀실이 부식되지 않고, 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 또, 이들의 금속의 텅스텐 중의 용해도가 비교적 낮으므로, 전극 선단 바로 아래의 고융점 금속 중의 농도는 용해도로 결정되어 이전자방사 물질에 대한 공급을 안정화하는 데 유용하다고 생각할 수 있다.

또, 전극의 선단부의 기체 금속이 텅스텐을 주성분으로 하고, 이전자방사 물질을 함유하는 것을 특징으로 하고 있다. 기밀실 내의 이전자방사 물질이 전극 선단에 도달하기 위해서는, 수 십에서 수 백 시간을 요하므로, 기체 금속에 이전자방사 물질이 포함되어 있지 않은 경우, 미리, 이전자방사 물질을 확산하는 처리가 필요하다. 전극의 선단부의 기체 금속이 텅스텐을 주성분으로 하고 이전자방사 물질을 함유함으로써, 전극의 동작 초기는 종래형의 전극으로서 기능을 하며, 이 이전자방사 물질이 고갈되기 전에 기밀실 내에서의 이전자방사 물질이 선단으로 운반되도록 함으로써 안정적인 이전자방사 물질의 공급을 보증할 수 있게 된다.

또, 밀폐된 광 투과성의 용기와 용기 내에 대향하는 전극을 구비하고, 이들 전극이 광 투과성 용기에 기밀하게 봉착된 봉착부를 통해 전기적으로 접속된 방전 램프에서, 이 전극 중, 음극 동작하는 전극은 이전자방사 물질을 함유한 고융점 금속의 기체로 이루어지며, 전극 내에 기밀하게 유지된 기밀실을 구비하여, 기체로부터 이전자방사 물질을 유인하는 유인성 물질을 기밀실 내에 봉입하고 이 기밀실 내에는 유인성 물질의 미충전의 공간이 존재하는 것을 특징으로 한다.

이전자방사 물질을 함유한 고융점 금속으로부터, 산화물로 되어 있는 이전자방사 물질을 환원하여 기밀실 내에 이전자방사 물질을 유인하는 물질이 기밀실 내에 있으면, 기밀실의 내표면 근방의 영역에서는 이 환원이 발생하여, 산화물보다 증기압이 높은 금속이 되어 기밀실 내에 도입된다.

예를 들면 이전자방사 물질로서 La₂O₃(랜턴의 산화물)을 함유한 텅스텐의 경우, 유인하는 물질로서 예컨대 칼슘을 봉입하면, 고온에서는 기밀실의 내표면 근방의 영역의 La₂O₃은 환원되고, 증기압이 높은 금속 랜턴이 되어, 기밀실 내에 증기가 충만하고 이전자방사 물질을 기밀실에 봉입한 경우와 같은 작용을 일으키게 된다.

유인하는 물질 즉, 환원하는 물질이 탄소일 경우, 랜턴과 함께 일산화탄소가 생성하지만, 이것은 다시 기체 금속 중에 탄소와 산소로 해리(解離)하고, 텅스텐 중에 고용한다고 생각할 수 있다. 텅스텐 중의 산소의 확산 계수가 크므로, 산소는 전극 외로 방출된다.

또, 상기의 유인성 재료로서 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 지르코늄, 하프늄, 탄소 중의 어느 하나로부터 선택되는 원소를 포함하는 재료에서 선택한 것을 특징으로 한다. 이들의 원소는 유인성 물질로서 유효하게 활동하고, 또한, 기밀실을 구성하는 텅스텐 등과의 반응성이 작으므로, 기밀실을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

또, 기밀하게 봉입하는 물질이 요오드, 브롬, 염소 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이들의 할로겐은 이전자방사 물질의 증기압을 높이고, 기밀실 내의 이전자방사 물질의 수송량을 크게 할 수 있으므로, 기밀실의 전극 선단 바로 아래 부분의 흡착층을 안정적으로 유지할 수 있다. 또, 이들 이전자방사 물질의 할로겐화물의 증기압이 높으므로, 전극의 선단부보다 멀고, 비교적 온도가 낮은 부분으로부터도 이전자방사 물질이 공급되어, 이전자방사 물질을 공급할 수 있는 총량을 증가시킬 수 있게 된다.

또, 기밀실 내에 기밀 공간을 지지하는 구조를 설치하는 것을 특징으로 한다. 기둥 형상의 지주, 코일 형상의 원통, 망 형상의 원통, 스폰지 형상 등의 기밀 공간을 지지하는 구조에 의해서, 전극 선단이 고온이 되고, 장시간의 동작으로 기밀실이 변형되는 것을 방지하며, 기밀실을 일정한 형상으로 유지할 수 있게 되어, 이전자방사 물질의 공급량을 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 구조 재료로서는 난소결성의 탄화 지르코늄, 탄화 하프늄, 탄화 탄탈, 텅스텐을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 전극에 관하여, 더욱 바람직한 조건을 기술한다. 우선, 기밀실이 전극 선단의 바로 아래로부터 전극의 축 방향으로 연장하여, 축에 수직인 단면의 직경보다 길게 연장된 구조로 하는 것이 바람직하다. 기밀실이 세로로 긴 것에 의해, 보다 많은 이전자방사 물질이 심부로부터 공급되므로, 공급량을 많게 할 수 있다. 또, 전극 후부의 온도는 선단부보다 낮으며, 안정되어 있다. 이것은, 전극 선단 근방은 온도 구배가 거의 1000K/mm이고, 조금의 위치 어긋남이 큰 온도차가 되어, 최냉점의 온도에 의한 증기압의 제어가 어렵기 때문에, 증기압을 안정적으로 컨트롤 할 수 있게 된다.

또, 전극 선단과 전자 방사성의 물질을 봉입한 내실부의 최소 길이가 0.1mm이상, 3.0mm이하인 것이 바람직하다. 전극 선단과 전자 방사성의 물질을 봉입한 내실부의 최소 길이가 O.1mm미만에서는 동작 중의 고융점 금속의 증발에 의해서, 기밀하게 유지하는 것이 곤란하게 된다. 한편, 전극 선단과 전자 방사성의 물질을 봉입한 내실부의 최소 길이가 3.0mm을 초과하면, 이전자방사 물질의 농도 구배가 작아져, 이전자방사 물질의 공급량이 충분하지 않게 된다고 생각할 수 있다.

전극을 구성하는 고융점 금속 재료가 다결정체로 이루어지고, 전극 선단 부분의 축 방향의 결정립의 크기(S)와 단면 방향의 결정의 크기(W)에 관해서, S/W>1이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이전자방사 물질의 공급은 전극 선단 바로 아래의 고융점 금속 재료 내의 확산에 의해서 율속(律速)된다고 생각할 수 있다. 입계 확산은 입내 확산보다 빠르므로, 입계 확산을 사용하면 공급량을 증가시킬 수 있다. S/W>1이면 확산에 관여하는 입계가 많아지므로 공급량을 증가시킬 수 있게 된다.

또, 전극 선단과 기밀실간의 고융점 금속을 거의 단결정으로 할 수 있게 된다.

극단적으로 아크 안정도가 필요한 용도의 경우, 점등 시간과 함께 전극 선단과 기밀실간의 고융점 금속이 다결정체라면 결정이 시간과 함께 성장하고, 입계 확산의 확산로가 감소하므로 공급량도 감소된다. 단결정에서는 시간과 함께 공급량이 변동하지 않으므로, 안정된 공급을 할 수 있다. 단, 공급량은 다결정체에 비해 적으므로, 선단의 두께, 즉 전극 선단과 전자 방사성의 물질을 봉입한 내실부의 최소 길이를 얇게할 필요가 있다.

전극을 구성하는 고융점 금속 재료는 텅스텐이 주성분인 것이 바람직하다. 텅스텐은 융점이 높으므로, 고온까지 사용할 수 있고, 이전자방사 물질과 함께 전자 방사를 위한 단원자층을 형성하며, 양호한 전자 방사 특성을 실현할 수 있게 된다. 또, 증기압이 낮으므로, 장시간 전극의 손모(損耗)를 저감할 수 있게 된다.

전극의 선단부의 기체 금속이 텅스텐을 주성분으로 하고, 레늄을 함유하는 것이 바람직하다. 기체 금속에 레늄을 함유하면, 전자 방사의 특성이 개선되므로, 보다 장시간에 걸쳐 전극의 손모를 저감할 수 있게 된다.

전극의 선단부의 기체 금속이 텅스텐을 주성분으로 하고, 1OO중량ppm까지의 칼륨을 함유하는 것이 바람직하다. 전극 선단부에 칼륨을 미량 도프함으로써, 선단부의 텅스텐 다결정체의 입계를 안정적으로 유지할 수 있고, 입계 확산에 의한 확산로를 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

전극의 선단부는 다결정체로 이루어지고, 결정립의 단면 방향의 평균입자 직경은 1OO㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 전극 선단부에서, 입계 확산에 의한 이전자방사 물질의 수송량이 많도록 할 수 있다.

선단부에 구멍을 구비하여 구멍의 밑바닥에서 박벽을 사이에 두고 기밀실이 있는 구조로도 할 수 있다. 구멍의 밑바닥과 기밀실의 격벽의 위치에 의해, 격벽의 온도, 격벽의 두께를 컨트롤하여 격벽 내에 확산하는 이전자방사 물질의 양을 최적으로 유지할 수 있게 된다. 구멍의 밑바닥에서 전극 선단으로의 이전자방사 물질의 수송은 빠르므로 격벽 내의 확산이 율속이 되어, 이전자방사 물질의 공급량을 일정하게 유지할 수 있게 된다. 격벽이 선단에 비해 낮은 온도로 놓여지므로, 격벽에 대한 변형을 억제할 수 있게 된다.

이하에 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

도 1에 본 발명의 전형적인 방전 램프(10)의 개략도를 도시한다. 밀폐된 광 투과성의 용기(2)와, 이 용기(2) 내에 대향하는 한 쌍의 음극(3)과 양극(4)의 2개의 전극을 구비하고, 이들 전극이 광 투과성 용기(2)에 기밀하게 봉착된 봉착부(5)를 통해 외부와 전기적으로 접속된 방전 램프(10)이다. 도 2에 전극의 확대도를 도시하지만, 음극 동작하는 전극, 여기서는 음극(3)은 고융점 금속 기체(60)의 내부에 기밀실(20)을 구비하고, 그 기밀실(20) 내에 이전자방사 물질(30)을 봉입하여, 기밀실(20) 내에는 이전자방사 물질(30)이 충전되어 있지 않은 미충전의 공간(40)이 존재한다. 기밀실 내는 진공 또는 미량의 희가스가 봉입되어 있다. 기호 50은 기밀 봉지부이고, 예컨대 레이저 용접하여 봉지된다. 기호 70은 전극을 지지하는 전극 심봉(芯棒)(도시 생략)을 삽입하는 전극 심봉용 구멍이다.

그리고, 이전자방사 물질 중의 하나의 성분이 스칸듐, 이트륨, 랜턴, 세륨, 가돌리늄, 바륨, 톨리움 중의 어느 하나로부터 선택된다.

혹은, 도 1과 같은 구성의 방전 램프에서, 밀폐된 광 투과성의 용기와, 용기(2) 내에 대향하는 한 쌍의 음극(3’)과 양극(4’)의 2개의 전극을 구비하고, 이들 전극이 광 투과성 용기(2)에 기밀하게 봉착된 봉착부(5)를 통해 전기적으로 접속된 방전 램프에서, 도 3에 전극의 확대도를 도시하지만, 음극 동작하는 전극, 여기서는 음극(3’)은 이전자방사 물질을 함유한 고융점 금속의 기체(61)로 이루어지고, 전극 내에 기밀하게 유지된 기밀실(21)을 구비하며, 이 기체(61)로부터 이전자방사 물질을 끌어당기는 유인성 물질(31)을 기밀실(21) 내에 봉입하여 기밀실(21) 내에는 유인성 물질(3)의 미충전의 공간(41)이 존재한다. 기호 51은 기밀 봉지부이고, 예컨대 레이저 용접하여 봉지된다. 기호 71은 전극을 지지하는 전극 심봉(도시 생략)을 삽입하는 전극 심봉용의 구멍이다.

유인성 물질로서 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 지르코늄, 하프늄, 탄소 중의 어느 하나로부터 선택되는 원소가 선택된다. 기밀실(21)에 봉입하는 물질이 요오드, 브롬, 염소 중의 어느 하나를 포함하는 것도 있다. 또, 기밀실(21) 내에 기밀 공간을 지지하는 구조, 예컨대 도 6은 기밀실 내의 지지 구조의 예를 도시하는 도면이지만, 도 6(a)와 같이, 변형에 강한 논 새그(non-sag)텅스텐선(80)으로 지주를 만들거나, 혹은, 도 6(b)와 같이, 논 새그 텅스텐선(80)으로 코일을 만들거나, 혹은, 도 6(c)와 같이, 논 새그 텅스텐선(80)으로 망 형상의 원통을 만드는 등으로, 기밀실(21)을 지지하는 구조로 하는 것도 가능하고, 혹은, 탄화 지르코늄의 통풍성이 있는 스폰지 형상 소결체(90)를 지지체로서 설치하는 것도 가능하다. 그리고, 전극의 선단부의 기체 금속이 텅스텐을 주성분으로 하여 이전자방사 물질을 함유한다.

여기서, 기밀실의 제작 방법의 개략을 나타낸다.

도 4는 기밀실의 제작 방법의 각 단계를 도시한다. 도 4(a)는 기계 가공의 단계이고, 원주 형상의 고융점 금속 기재(60)의 선단을 원추 가공하며, 원추 가공한 측과는 반대측에서 전극 심봉용의 구멍(70)과 그것에 연결되는 기밀실용의 구멍(20a)의 구멍 가공을 한다. 구멍 가공은 방전 가공에 의해서 행한다. 기밀실용의 구멍(20a)은 전극 선단 근방까지 구멍을 뚫는다. 기밀실의 전극 선단 근방의 밑바닥부의 면 정밀도는 이전자방사 물질의 확산에 대한 균일성을 보증하기 위해서 균일성이 요구된다.

도 4(b)는 이전자방사 물질의 채움 가공의 단계이고, 이전자방사 물질(30)을 기밀실용의 구멍(20a)에 채워, 고융점 금속제의 임시 채움 마개(65)를 기밀실용의 구멍(20a)의 개구부에 채운다.

도 4(c)는 레이저 봉지 단계이고, 전극 심봉용의 구멍(70)의 개구측에서 레이저 조사하며, 임시 채움 마개(65)를 용해하여 봉지한다. 도면 중에서는 아직 임시 채움 마개(65)가 남아 있는 도중의 상태를 도시한다.

도 5는 본 발명의 방전 램프의 전극 구조에서, 이전자방사 물질의 수송이 어떻게 이루어지는지를 설명하는 도면이다. 또한, 전극 심봉용의 구멍은 생략하였다.

이하와 같이 이전자방사 물질의 수송이 진행된다고 생각할 수 있다.

(1)음극(3) 내의 기밀실(20) 내의 이전자방사 물질(30)의 일부가 증발하여 이전자방사 물질의 증기(30a)가 된다.

(2)기밀실(20) 내표면은 이전자방사 물질의 증기(30a)가 흡착하여, 기밀실 내 흡착층(30b)을 형성한다.

(3)전극 선단 바로 아래의 기밀실 내 흡착층(30b)에서 전극 선단을 향해 고체 내 확산(도면 중의 D)에 의해 이전자방사 물질(30)이 운반된다. 이전자방사 물질(30)의 농도 구배가 일정하게 되므로, 이전자방사 물질(30)의 수송 속도도 일정하게 된다.

(4)고체 내 확산에 의해 운반된 이전자방사 물질은 이전자방사 물질 단원자층(30c)이 되어, 일 함수를 낮춤으로써 양호한 전자 방출을 한다.

(5)이전자방사 물질 단원자층(30c)은 고온이므로 서서히 증발하여 손모한다(도면 중의 L) .

(실시예1)

이하에, 본 발명의 구체적인 실시예를 나타낸다. 램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 2는 상술에서 개략적으로 설명하였지만, 음극 동작하는 전극의 확대 단면도이다. 고융점 기체 금속(60)으로서 1중량%의 랜턴산화물을 함유한 지름 15mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 1.2mm, 선단 각 80도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단으로부터 1.0mm의 위치에, 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장한 직경 1.0mm, 길이 8mm의 기밀실(20)이 설치되어, 그 중에 이전자방사 물질(30)로서 랜턴편을 약 5.0mg 봉입하였다. 봉입은 임시로 막은 텅스텐 마개(도시 생략)에, 후부로부터 YAG 레이저 광을 마개에 조사하여, 일부를 융해함으로써 행하였다.

상기의 음극을 아용하여, 램프 입력 4.3kW, 극간 거리 5.0mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다. 아크의 안정성은 전압이 흔들림(f)(%)으로 평가하였다. 전압의 흔들림(f)(%)은 적어도 30분 이상 점등하여 열적으로 안정한 후, 1분간의 램프 전압의 최대치 Vmax와 최소치 Vmin으로서 다음 식으로 정의된다.

f=(Vmax-Vmin)/Vmax)×1O0(%)

초기의 흔들림(f)은 1%∼2%이다. 아크가 불안정하게 되면 흔들림(f)이 3%를 초과하게 된다. 전압의 흔들림을 모니터하여, 흔들림(f)이 3%를 초과하면 아크 불안정이라고 판정하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형(同型) 램프에서는 아크 불안정이 되는 것은 800∼1200시간의 사이였다. 종래의 음극이란 음극 자체가 2%의 톨리움 산화물이 균일하게 혼입되어 있는 음극이다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 1500시간까지 아크는 안정적이었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도, 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고 안정되어 있었다. 본 예는 직류 점등 램프의 음극에 적용한 예이지만, 본 발명의 전극은 이것에 한정되는 것이 아니고, 음극 동작하는 전극에 적용되므로, 교류 점등의 전극으로서도 적용할 수 있는 것은 당연한 것이다.

(실시예2)

램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 2에서 음극 동작하는 전극의 고융점 기체 금속(60)으로서 1중량%의 랜턴산화물을 함유한 직경 12mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 1.2mm, 선단 각 60도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단에서 1.5mm의 위치에 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장된 직경 O.8mm, 길이 20mm의 기밀실(20)이 설치되며, 그 중에 이전자방사 물질로서 요오드화 랜턴을 2.0mg 봉입하였다. 상기의 음극을 이용하여 램프 입력 4.3kW, 극간 거리 5.2mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형 램프에서는 아크 불안정하게 되는 것은 800∼1200시간의 사이였다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 1500시간까지 아크는 안정되어 있었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도, 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고, 안정되어 있었다.

(실시예3)

램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 2에서, 음극 동작하는 전극의 고융점 기체 금속(60)으로서 1중량%의 세륨산화물을 함유한 직경 10mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 1.0mm, 선단 각 45도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단에서 0.5mm의 위치에 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장된 직경 0.6mm, 길이 8mm의 기밀실(20)이 설치되며, 그 중에 이전자방사 물질로서 이트륨편을 약5.0mg 봉입하였다. 상기의 음극을 이용하여 램프 입력 2.5kW, 극간 거리 4.7mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형 램프에서는, 아크 불안정하게 되는 것은 1500∼2000시간의 사이였다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 2000시간까지 아크는 안정되어 있었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도, 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고, 안정되어 있었다.

(실시예4)

램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 2에서 음극 동작하는 전극의 고융점 기체 금속으로서 순도 99.9% 이상의 직경 10mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 1.0mm, 선단 각 45도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단에서 0.5mm의 위치에 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장된 직경 0.6mm, 길이10mm의 기밀실(20)이 설치되며, 그 중에 이전자방사 물질로서 랜턴편을 약5.0mg 봉입하였다. 또한 확산을 위해, 2400℃에서 24시간, 진공 중으로 열처리하여 이전자방사 물질의 확산을 행하였다. 상기 음극을 이용하여 램프 입력 2.5kW, 극간 거리 4.7mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형 램프에서는, 아크 불안정하게 되는 것은 1500∼2000시간의 사이이었다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 2000시간까지 아크는 안정되어 있었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도, 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고, 안정되어 있었다.

(실시예5)

램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 3에서, 음극 동작하는 전극의 고융점 기체 금속(61)으로서 2중량%의 이트륨산화물을 함유한 직경 8mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 0.8mm, 선단 각 40도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단에서 1.5mm의 위치에, 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장된 직경 1.0mm, 길이 10mm의 기밀실(21)이 설치되며, 그 중에 이전자방사 물질을 유인하는 물질로서 칼슘 2.0mg을 봉입하였다. 상기의 음극을 이용하여, 램프 입력 2.0kW, 극간 거리 4.4mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형 램프에서는, 아크 불안정하게 되는 것은 800∼1200시간의 사이였다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 1500시간까지 아크는 안정되어 있었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도, 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고, 안정되어 있었다.

(실시예6)

램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 3에서, 음극 동작하는 전극의 고융점 기체 금속(61)으로서 2중량%의 톨리움산화물을 함유한 작경 20mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 1.8mm, 선단 각 60도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단에서 1.0mm의 위치에, 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장된 직경 1.2mm, 길이 8mm의 기밀실(21)이 설치되며, 그 중에 이전자방사 물질을 유인하는 물질로서 탄소를 도입하므로, 표면에 약30㎛의 탄화층이 존재하는 직경 0.8ø, 길이 4.0mm의 텅스텐 봉을 봉입하였다. 상기 음극을 이용하여, 램프 입력 8.0kW, 극간 거리 7.2mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형 램프에서는, 아크 불안정하게 되는 것은 800∼1000시간의 사이이었다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 1000시간까지 아크는 안정되어 있었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고, 안정되어 있었다.

(실시예7)

램프의 전체 형상은 도 1에 도시한 바와 같다. 도 3에서, 음극 동작하는 전극의 고융점 기체 금속(61)으로서 2중량%의 톨리움산화물을 함유한 직경 12mm의 봉 형상의 텅스텐 재료를 이용하였다. 음극 선단은 선단 직경 1.8mm, 선단 각 50도의 원추대 형상으로 가공되고, 선단에서 2.5mm의 위치에 선단 바로 아래로부터 축을 따라 하방으로 연장된 직경 1.2mm, 길이 20mm의 기밀실(21)이 설치되며, 그 중에 이전자방사 물질을 유인하는 물질로서 브롬화 마그네슘을 2.0mg 봉입하였다. 상기 음극을 이용하여, 램프 입력 4.5kW, 극간 거리 6.2mm의 초고압 수은 램프를 제작하였다.

종래의 2% 톨리움산화물 함유 텅스텐을 이용한 음극을 사용한 동형 램프에서는, 아크 불안정하게 되는 것은 750∼900시간의 사이였다. 본 발명의 램프를 평가한 바, 1000시간까지 아크는 안정되어 있었다. 또 육안으로 아크 스폿의 형태를 관찰하여도, 아크의 흔들림 등의 불안정 현상은 관찰되지 않고, 안정되어 있었다.

본 발명에 의하면, 전극 선단에 장시간에 걸쳐, 거의 일정한 비율로 이전자방사 물질을 공급할 수 있고, 장시간에 걸쳐, 전자 방사를 안정적으로 유지할 수 있으므로, 안정된 아크를 유지할 수 있으므로 방사 조도의 안정된 광원을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전형적인 방전 램프의 부분 단면도의 개략도이다.

도 2는 음극 동작하는 전극의 확대 단면도이다.

도 3은 음극 동작하는 전극의 확대 단면도이다.

도 4는 기밀실의 제작 방법을 도시하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 방전 램프의 전극 구조에서, 이전자방사 물질의 수송이 어떻게 이루어지는가를 설명하는 도면이다.

도 6은 기밀실 내의 지지 구조의 예를 도시하는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 광 투과성의 용기 3 : 음극

3’: 음극 4 : 양극

4’: 양극 5 : 봉착부

10 : 방전 램프 20 : 기밀실

20a: 기밀실용 구멍 21 : 기밀실

30 : 이전자방사 물질 30a: 이전자방사 물질의 증기

30b: 기밀실 내의 이전자방사 물질의 흡착층

30c: 이전자방사 물질 단원자층

40 : 공동(空洞) 41 : 공동

50 : 기밀 봉지부 51 : 기밀 봉지부

60 : 고융점 금속 기체

61 : 이전자방사 물질을 포함하는 고융점 금속 기체

65 : 임시 채움 마개 70 : 전극 심봉(芯棒)용의 구멍

71 : 전극 심봉용의 구멍

80 : 논 새그(non-sag) 텅스텐선

90 : 탄화 지르코늄의 통풍성이 있는 스폰지 형상 소결체

D : 이전자방사 물질의 고체 내 확산

L : 이전자방사 물질의 손모

Claims

밀폐된 광 투과성의 용기와, 이 용기 내에 대향하는 한 쌍의 전극을 구비하고, 이들 전극이 광 투과성 용기에 기밀하게 봉착된 봉착부를 통해 전기적으로 접속된 방전 램프에 있어서,

이 전극 중, 음극 동작하는 전극은, 고융점 금속으로 이루어지는 기체(基體)의 내부에 기밀실을 구비하며, 이전자방사(易電子放射) 물질을 봉입하여, 이 기밀실 내에는 이전자방사 물질의 미충전의 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제1항에 있어서, 상기 이전자방사 물질 중의 하나의 성분이 스칸듐, 이트륨, 랜턴, 세륨, 가돌리늄, 바륨, 톨리움 중의 어느 하나로부터 선택되는 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제1항에 있어서, 상기 전극의 선단부의 기체 금속이 텅스텐을 주성분으로 하고, 이전자방사 물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제1항에 있어서, 상기 기밀실 내에 봉입하는 물질이 요오드, 브롬, 염소 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
밀폐된 광 투과성의 용기와, 용기 내에 대향하는 한 쌍의 전극을 구비하고, 이들 전극이 광 투과성 용기에 기밀하게 봉착된 봉착부를 통해 전기적으로 접속된 방전 램프에 있어서,

이 전극 중, 음극 동작하는 전극은, 이전자방사 물질을 함유한 고융점 금속의 기체로 이루어지고, 전극 내에 기밀하게 유지된 기밀실을 구비하며, 이 기체로부터 이전자방사 물질을 유인하는 유인성 물질을 기밀실 내에 봉입하여, 이 기밀실 내에는 이 유인성 물질의 미충전의 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
제5항에 있어서, 상기 기밀실 내의 유인성 물질은 칼슘, 마그네슘, 스트론튬, 지르코늄, 하프늄, 탄소 중의 어느 하나로부터 선택되는 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.