KR20070007820A

KR20070007820A - 고압 방전 램프와, 그를 포함하는 조명 유닛 및 프로젝션시스템

Info

Publication number: KR20070007820A
Application number: KR1020067021015A
Authority: KR
Inventors: 아른트 리츠
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2007-01-16
Also published as: ATE381774T1; CN1930654A; CN100583382C; JP2007528581A; DE602005003931T2; US20070182334A1; EP1728264B1; WO2005091334A1; DE602005003931D1; EP1728264A1

Abstract

본 발명은, 적어도, 버너 벽(25), 및 상기 버너 벽(25)에 의해 둘러싸인 방전 챔버(21) -상기 램프의 동작 동안, 상기 램프의 탑재 위치에 의존하여, 최저 온도를 갖는 영역과 최고 온도를 갖는 영역이 상기 버너 벽(25)의 내부 윤곽과 외부 윤곽에 각각 자리잡음-, 및 상기 버너 벽(25)의 상기 외부 윤곽의 일부분 상에 제공되고, 주로 상기 버너 벽(25)의 재료의 최대 방출 출력에 인과 관계를 갖는 IR 광의 파장 영역 내의 광을 상기 방전 챔버(21)를 향해 반사시키는 다층 간섭 필터(3)를 포함하는 고압 방전 램프에 관한 것이다.

고압 방전 램프, 다층 간섭 필터, 버너 벽

Description

고압 방전 램프와, 그를 포함하는 조명 유닛 및 프로젝션 시스템{HIGH-PRESSURE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 버너 벽(burner wall)과 상기 버너 벽에 의해 둘러싸인 방전 챔버를 포함하는 버너를 적어도 포함하는 고압 방전 램프에 관한 것으로서, 이 램프에서는, 램프의 동작 동안 램프의 삽입 위치에 의존하여, 최저 온도를 갖는 영역과 최고 온도를 갖는 영역이 버너 벽의 내부 및 외부 윤곽에 각각 자리잡고, 버너 벽의 외부 윤곽의 일부분에는 다층 간섭 필터가 배치되어, 그 간섭 필터가 방전 챔버를 향해 IR 광을 반사시킨다.

고압 가스 방전 램프[고강도 방전 램프(High Intensity Discharge lamp, HID), 특히 UHP(Ultra High Performance) 램프는, 그 광학적 특성으로 인해 특히 프로젝션(projection) 목적으로 선호되어 사용된다. "UHP" 램프(Philips)라는 용어는, 본 발명의 범위 내에서 다른 제조자들에 의해 제조된 UHP형 램프들도 나타내는 것이다.

이러한 응용을 위해서는, 점 형태에 최대한 가까운 광원이 요구된다. 즉, 전극 팁 사이에 자리잡는 방전 아크가 소정 길이를 초과해서는 안 되는 것이다. 또한, 가시광의 스펙트럼 조성이 최대한 자연스러울 것과 함께, 가능한 최고의 발 광 강도(luminous intensity)가 요구되는 경우가 많다.

가시광에 관하여 광원의 높은 발광 효능이 관련되는 이러한 응용에서는, 원하는 파장 범위에서의 방사(radiation)뿐만 아니라, 관련 응용에 유용하지 않거나 심지어는 해롭기까지도 할 수 있는 방사가 방출된다. 이러한 바람직하지 못한 방사는 적어도 관찰되는 결과에 관련하여 소비되는 에너지의 손실을 유발한다. 예를 들어, UHP 램프의 경우에는 램프에 공급되는 전기 에너지 100W마다 약 25W만이 가시 방사로 변환된다.

고압 가스 방전 램프, 특히 UHP 램프가 사용되는 경우에는, 2가지의 필요 조건이 동시에 충족되어야만 한다.

한편으로는, 방전 챔버의 표면 또는 버너 벽의 내부 윤곽에서의 최고 온도가, 통상적으로 석영 유리로 만들어진 램프 전구의 투명성 상실(devitrification)을 유발할 정도로 높아서는 안 된다. 램프의 방전 챔버 내부의 강한 대류가 방전 아크 위의 영역을 특히 강하게 가열하기 때문에, 이것은 문제가 될 수 있다.

다른 한편으로, 방전 챔버의 표면 또는 버너 벽의 내부 윤곽의 가장 차가운 지점은, 수은이 가능한 한 거기에 피착되지 않되 충분한 정도로 증기 상태로 유지되도록 하는 정도의 높은 온도를 가져야 한다.

이러한 2가지의 상호 모순되는 조건으로 인해, 최고 온도와 최저 온도 간의 허용가능한 최대 차이가 비교적 작아지게 된다.

현재, 상업적으로 입수 가능한 UHP 램프들은 그들의 정격 출력에서 동작할 때에는 이러한 허용가능한 온도 범위 내로 유지된다. 그러나, 예를 들어 램프가 흐릿해진다거나 보다 더 높은 루멘 출력(lumen output)의 램프를 위해 램프 유형이 업그레이드된다는 점에서, 가능한 동작 범위의 확장에 대한 요구가 존재한다.

흐릿해지는 경우, 상기의 가장 차가운 지점의 온도가 지나치게 낮아져서는 안 된다. 따라서, 버너 벽 온도의 국부적인 증가가 필요하다. 전력 상승의 경우에는, 가장 뜨거운 지점의 온도가 지나치게 상승해서는 안 된다.

동작 동안, 램프 내부에 정말로 최고 온도와 최저 온도 사이의 온도를 갖는 영역들이 형성되지만, 그 추정되는 온도가 관찰 기능에 대하여 최적은 아닌 또다른 상황들이 존재한다. 이것의 일례는 전극들에 의해 형성되는데, 양호한 램프 수명이 얻어지기 위해서는, 방전 챔버 내부에 배치되는 각 부분들의 온도가 소정값 미만으로 낮아져서는 안 된다. 전극은 그것이 방전 챔버의 버너 벽으로 들어오는 지점에서, 그 버너 벽에 의해 냉각된다. 그 지점에서 이 벽이 차가울수록 더 많이 냉각된다. 따라서, 이러한 냉각이 전극을 바람직하지 못한 온도 범위에 들어가게 할 수 있다. 따라서, 그러한 경우에서는, 벽의 온도가 가장 차가운 지점과 가장 뜨거운 지점 사이의 온도에 있다하더라도, 전극이 벽으로 들어가는 위치에서는 벽을 가열하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명에서의 버너 벽은 기능적으로 방전 챔버를 둘러싸고 있는 램프 전구의 영역만을 의미한다.

미국 특허 제5,221,876호는, 바람직하지 못한 IR 방사를 램프 전구의 영역 내로 되돌려보내는 반사에 의해 램프 전구를 추가적으로 가열하는 것을 통해 효능을 증가시키기 위한 기본적인 해결 원리를 개시하고 있다. 다층 간섭 필터가 반사 기의 역할을 한다. 다르게는 조명의 목적으로 사용되지 않았던 방사 스펙트럼의 IR 광(적외선광)이, 방전 아크로 다시 반사되어 재흡수된다. 자동차 헤드라이트용으로 설계된 것인 고찰되는 포화 램프(saturated lamp)에서, 전체 램프는 마구잡이로 가열된다. 특히 열 전도 및 대류로 인해 램프의 관련 동작 온도에서 램프 전구 내부에 금속 할로겐화물의 강화된 증기화를 유발하는 것은 주로 이러한 가열이다. 앞에서 설명한 해결안은 가장 뜨거운 지점의 온도도 역시 증가시킬 것이므로, 고압 가스 방전 램프, 특히 UHP 램프에는 적용할 수 없다. 또한, 모든 UHP 램프는 IR 범위에서 다른 램프 유형들에 비교하여 더 낮은 방사 강도만을 갖는 것이 일반적이다.

미국 특허 제5,952,768호에 의하면, 고압 가스 방전 램프로부터의 열 수송(heat transport)을 감소시켜, 특히 버너 벽의 가장 차가운 영역에서 온도 상승을 달성하는 동시에, 램프의 발광 효능을 현저하게 증가시키는 코팅이 알려져 있다. 이러한 코팅은 모든 경우에서 가시광은 투과시키고 UV 광은 흡수(반사)하는 다층 간섭 필터(multilayer interference filter)이다. 또한, 광원으로부터 발생한 IR 광은 필터에 의해 광원측으로 다시 반사될 수 있다. 램프의 발광 효능을 현저하게 개선하기 위해서는, 보다 차가운 버너 벽의 외측 표면의 비교적 넓은 영역을 코팅할 필요가 있다. 코팅은 버너 벽의 가장 차가운 영역에 배치된다.

따라서, 본 발명의 목적은 도입부에서 언급된 종류의 고압 가스 방전 램프와, 램프 전구 또는 버너 벽이 산업적 대량 생산에서 효율적으로 제조될 수 있는 간섭 필터를 갖는 램프를 갖는 조명 유닛을 제공하는 것이며, 이 때 간섭 필터가 램프의 발광 효능을 실질적으로 손상시키지 않고 또한 램프의 동작 신뢰도가 보호되면서 램프의 동작 범위가 확장되게 하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 특징들에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 램프는, 적어도, 버너 벽 및 상기 버너 벽에 의해 둘러싸인 방전 챔버를 갖는 버너 - 램프의 동작 동안 램프의 삽입 위치에 의존하여, 최저 온도를 갖는 영역과 최고 온도를 갖는 영역이 버너 벽의 내부 윤곽과 외부 윤곽에 자리잡음-, 및 버너 벽의 외부 윤곽의 일부분 상에 제공되어, 주로 버너 벽의 재료의 최대 방사 출력에 인과 관계를 갖는 IR 광의 파장 범위 내의 광을 방전 챔버를 향해 반사시키는 간섭 필터를 포함한다.

본 발명에 있어서는, 선택된 필터가 램프의 동작 온도에서 버너 벽에 의해 주로 효율적으로 흡수되는 파장의 광을 방전 챔버를 향해 반사시키는 것이 필수적이다. 본 발명에 따르면, 이러한 흡수는 충분한 방사 파워(radiant power)가 존재하며 그에 따라 벽 재료가 투명하지 않은 파장 범위에서 효과적으로 발생한다. 이와 같이, 본 발명에 따르면, 필터는 벽 재료 자체가 가장 효과적으로 방사하는 파장 범위에서 선택된다. 본 발명은, 전자기파를 갖는 방사에 노출된 물질 또는 매체는 스스로 방사할 수 있는 주파수들을 특히 흡수한다는 경험적 결과를 이용한다. 따라서, 필터는 주로 전구 재료 또는 버너 벽 재료의 투과 영역 상의 파장 범위에서의 방사를 주로 반사시킨다.

통상적인 석영 전구를 가지며, 동작 온도가 예를 들어 약 1000℃인 UHP 램프에 대하여, 이것은 적외선 광의 파장 범위이다. 따라서, 필터는 코팅되지 않은 석영 표면과는 반대로, 버너 벽의 국부적 표면에서의 방사율을 유효하게 감소시켜, 램프가 보다 더 적은 열 방사를 방출할 수 있게 하고, 그 영역에서의 온도를 고의로 증가시킨다.

간섭 필터가 관련 응용에 대해 요구되지 않는 광의 모든 파장 범위의 반사가 아니라, 선택적인 방식으로 한 파장 범위 또는 몇몇 파장 범위의 반사만을 제공하는 이유가 이것이다. 간섭 필터에 의해 반사될 이러한 광의 각 파장 범위의 선택은 특히 에너지에 대한 고려에 기초하여 이루어진다. 즉, 관련 파장 범위는 특히 간섭 필터에서의 반사 이후에 벽 재료에 흡수될 수 있는 충분한 파워 레벨을 가져야 하는 것이다.

간섭 필터를 위한 또다른 표준은 그 필요 온도 안정성이며, 산업적인 대량 생산에 적합해야 한다는 것이다. 여기에서, 투과되는 스펙트럼 범위와 반사되는 스펙트럼 범위 간의 뚜렷한 분리로 인해, 반사기의 역할을 하기 위해, 간섭 필터가 선호된다. 필터 특성은 층 연속의 적절한 설계에 의하여, 넓은 범위에 대하여 필요한 높은 정확도로 달성될 수 있다.

필터에서 반사된 방사의 재흡수는 버너 벽에 추가로, 즉 필터에서의 흡수에 더하여, 열 공급을 제공한다. 이러한 재흡수 및 원하는 스펙트럼 영역으로의 변환이 얼마나 많이 실현될 수 있는지는, 특히 고압 가스 방전 램프의 각 유형에 의존한다.

또한, 코팅, 예를 들어 다층 간섭 필터는, 종종 램프 표면으로부터의 열 방사를 코팅되지 않은 석영 표면에 비교하여 감소시켜, 램프가 더 적은 열을 방출할 수 있게 하고, 그에 따라 동작 온도가 상승하게 한다.

간섭 필터는 그러한 다층 간섭 필터의 이용에서 원하는 온도 범위의 최적 실현을 달성하도록 적절하게 선택되고 치수가 정해지고 도포된다.

종속 청구항들은 본 발명의 다른 실시예들의 이점에 관한 것이다.

다층 간섭 필터의 층 구조에서, 보다 더 높은 굴절률을 갖는 층과 보다 더 낮은 굴절률을 갖는 층이 교대로 위치하는 것이 바람직하다.

이러한 간섭 필터들은 통상적으로 다층 구조로 이루어진다. 간섭 필터의 다층 구성에서, 보다 더 높은 굴절률의 층과 보다 더 낮은 굴절률의 층이 교대한다. 각 층의 굴절률은, 이러한 점에서 상이한 적어도 2개의 유전 재료가 층 구조 내에서 발견되도록 특히 선택된 층 재료에 의해 결정된다.

또한, 간섭 필터는 버너 벽의 외부 윤곽에서 최저 온도의 영역이 자리잡는 위치에, 또는 적어도 그러한 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 외측 램프 표면의 절대 최저 온도 지점은 원통형 램프의 말단에 있는 경우가 많지만, 버너 벽의 외부 윤곽 상에 있지 않은 경우도 많다.

이러한 방식으로 필터가 배치되면, 버너 벽의 가장 차가운 영역에서의 온도 상승이 가장 효율적으로 달성될 수 있다. 이러한 배치는 간섭 필터가 제공되는 선택된 위치에서의 온도 상승뿐만 아니라, 버너 벽에서의 온도 균형에도 원하는 방식으로 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 가장 차가운 영역의 위치가 이동가능하게 될 수 있으며, 결과적인 (새로운) 최저 온도 지점은 다른 온도, 즉 이전의 최저 온도 지점보다 높은 온도를 갖는 것이 가능하다.

다르게는, 간섭 필터가 버너 벽의 외부 윤곽에서 최저 온도의 영역이 자리잡은 위치에, 또는 적어도 그러한 위치에 특히 배치되지 않고, 간섭 필터 없이 우세한 온도가 상승되어야 할 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

이러한 배치는 설계의 가능성을 더 자유롭게 한다. 예를 들어, 그에 의해 동작 범위의 확장을 달성하는 것이 가능하다.

또한, UHP 램프의 버너 벽의 재료는 특히 석영으로 이루어지고, 그에 따라 간섭 필터가 주로 약 2㎛ 보다 큰 파장 범위로부터의 IR 광을 반사시킬 수 있게 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 청구항 9에 기재된 조명 유닛에 의해서 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 세부사항, 특징 및 이점들은 도면을 참조한 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 다층 간섭 필터를 갖는 고압 가스 방전 램프(UHP 램프)의 램프 전구의 개략적인 단면도.

도 1은 본 발명에 따른 고압 가스 방전 램프(UHP 램프)의 방전 챔버(21)를 갖는 램프 전구(1)를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 하나의 통합된 부분으로 이루어져 있고, 용도에 적합한 가스로 채워진 방전 챔버(21)를 밀봉하고 있으며, 또한 통상적으로 경질 유리 또는 석영 유리를 재료로 하는 버너(2)는, 상호 대향하는 2개의 원통형 영역(22, 23)을 포함하며, 그 사이에는 약 9㎜의 직경을 갖는 실질적으로 구형인 영역(24)이 제공된다. 방전 챔버(21)의 영역 내에서, 버너 벽(25)의 외부 윤곽은 거의 구 형상을 갖는다. 전극 배열을 구비하는 방전 챔버(21)는 영역(24) 내에서 중앙에 배치된다. 전극 배열은 실질적으로 제1 전극(41) 및 제2 전극(42)을 가지며, 그 전극들의 상호 대향하는 팁 사이에서 발광성의 아크 방전이 방전 챔버(21) 내에 여기되어, 그 발광성 아크가 고압 가스 방전 램프 내에서 광원의 역할을 하게 된다.

UHP 램프의 대칭축 사이에 배치된 전극(41, 42)의 끝은 램프의 전기 단자(51, 52)에 연결되고, 이를 통해 램프를 동작시키는 데에 필요한 전원 전압이 공공 전압으로의 연결을 위해 설계된 공급 유닛(도 1에는 도시되지 않음)에 의해 공급된다.

간섭 필터(3)는 버너 벽(25)의 외측 표면의 일부분 상에 배치된다. 간섭 필터(3)는 영역(24)의 외측 표면 상에, 즉 버너 벽(25) 상에, 버너(2)의 가로축 방향을 따라 중앙에 배치되며, 약 4㎜의 직경을 갖는다.

간섭 필터(3)의 2개의 개별 층(3.1 및 3.2)은 특히 상이한 굴절률을 특징으로 하며, 매번 보다 더 낮은 굴절률의 층이 보다 더 높은 굴절률의 층에 후속하게 된다. SiO₂가 낮은 굴절률 층(3.2)의 재료로서 기능하고, 높은 굴절률 층(3.1)의 재료는 ZrO₂이다.

간섭 필터(3)는 주로 2㎛ 내지 5㎛ 파장 범위 내의 IR 광을 반사시킨다. 간 섭 필터(3)는 가시광 범위에서는 약 90％의 투과율을 갖는다. 온도 차, 즉 간섭 필터(3)가 있을 때의 온도와 간섭 필터(3)가 없을 때의 차이는 약 40K이다. 간섭 필터(3)는 램프가 수평 탑재 위치에 있을 때 버너 벽(25)의 가장 차가운 위치에 도포되었다.

UHP 램프의 정상 동작 위치는 수평 위치이다. 이러한 경우에서는, 예를 들어 상측으로부터의 강제 냉각과 같은 조치가 취해지지 않는 한, 방전 챔버(21)의 외측 표면에서 가장 뜨거운 지점이 최상부이고 가장 차가운 지점이 최하부인 온도 분포가 발생한다.

간섭 필터(3)의 층별 도포는, 알려진 그대로의 스퍼터링 방법을 통하여 제조 공정에서 행해진다.

앞에서 설명한 것과 같은 램프 전구(1)를 가지며 120W의 정격 출력에서 동작하는 UHP 램프에서는, 부하 상한 영역에서 수천시간의 동작 후에도, 유사한 램프들의 정상적인 노화를 초과하는 감지할만한 손상은 발견되지 않는다.

특히 바람직한 본 발명의 실시예는 프로젝션 목적으로 기능하는 고압 가스 방전 램프에 관련된다.

Claims

고압 방전 램프에 있어서,

적어도,

버너 벽(burner wall)(25), 및 상기 버너 벽(25)에 의해 둘러싸인 방전 챔버(discharge chamber)(21)를 갖는 버너(2) -상기 램프의 동작 동안, 상기 램프의 탑재 위치에 의존하여, 최저 온도를 갖는 영역과 최고 온도를 갖는 영역이 상기 버너 벽(25)의 내부 윤곽과 외부 윤곽에 각각 자리잡음-, 및

상기 버너 벽(25)의 상기 외부 윤곽의 일부분 상에 제공되고, 주로 상기 버너 벽(25)의 재료의 최대 방출 출력에 인과 관계를 갖는 IR 광의 파장 영역 내의 광을 상기 방전 챔버(21)를 향해 반사시키는 다층 간섭 필터(3)

를 포함하는 고압 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 다층 간섭 필터(3)의 층 구조 내에서, 더 높은 굴절률을 갖는 층(3.1)과 더 낮은 굴절률을 갖는 층(3.2)이 교대로 위치하는 고압 방전 램프.
제2항에 있어서,

상기 더 낮은 굴절률을 갖는 상기 간섭 필터(3)의 층(3.2)은 바람직하게 SiO₂를 우세하게 포함하고, 상기 간섭 필터(3)의 제2 층(3.1)은 SiO₂보다 높은 굴절률을 갖는 재료로, 바람직하게는 지르코늄 옥사이드(ZrO₂)를 우세하게 포함하여 이루어지는 고압 방전 램프.
제3항에 있어서,

상기 제2 층(3.1)은 티타늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 니오븀 옥사이드, 하프늄 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 특히 바람직하게는 지르코늄 옥사이드(ZrO₂), 또는 이들 재료의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어지는 고압 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 간섭 필터(3)는 상기 버너 벽(25)의 상기 외부 윤곽에서 상기 최저 온도의 영역이 자리잡는 위치에, 또는 적어도 그러한 위치에 배치되는 고압 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 간섭 필터(3)는 상기 버너 벽(25)의 상기 외부 윤곽에서 상기 최저 온도의 영역이 자리잡는 위치에 배치되지 않는 고압 방전 램프.
제1항에 있어서, 상기 고압 방전 램프는 UHP 램프인 고압 방전 램프.
제7항에 있어서,

상기 버너 벽(25)의 재료는 특히 석영으로 이루어지고, 그에 따라 상기 간섭 필터(3)는 주로 2㎛ 내지 5㎛ 파장 범위의 IR 광을 반사시킬 수 있는 고압 방전 램프.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 램프를 적어도 포함하는 조명 유닛.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 램프를 적어도 포함하는 프로젝션 시스템.