KR20070057991A - 밀봉 호일을 갖는 전기 램프 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나 이상의 밀봉 단부를 갖는 석영-유리 엔벨로프(envelope), 상기 밀봉 단부내에 적어도 부분적으로 삽입된 몰리브덴을 포함하는 얇은 호일(foil), 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 내측으로 연장되어 있는 제1 전류 도체, 및 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 외측으로 연장되어 있는 제2 전류 도체를 포함하고, 이때 재결정화된 호일이 300MPa 미만의 ASTM E 8M-91에 따른 항복강도(오프셋(offset) = 0.2%)를 나타내는 것인, 높은 루멘 산출량 및 낮은 폭발 감도를 갖는 전기 램프에 관한 것이다. 이러한 전기 램프는 0.01 내지 5 중량%의 레늄 또는 0.01 내지 2 중량%의 텅스텐으로 도핑된 몰리브덴에 의해 수득될 수 있다. 본 발명은 또한 0.01 내지 0.1 중량%의 Ce 및/또는 Ti의 도핑제, 또는 0.01 내지 1 중량%의 Al, Co, Fe, Hf, Ir 및/또는 Y의 도핑제, 또는 0.01 내지 5 중량%의 Cr의 도핑제를 포함하는, 산화 및 부식에 내성인 몰리브덴 호일을 갖는 램프에 관한 것이다.
전기 램프, 항복강도, 레늄, 텅스텐, 도핑, 몰리브덴, 폭발 감도
Description
본 발명은 하나 이상의 밀봉 단부를 갖는 석영-유리 엔벨로프(envelope), 상기 밀봉 단부내에 적어도 부분적으로 삽입된 몰리브덴을 포함하는 얇은 호일(foil), 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 내측으로 연장되어 있는 제1 전류 도체, 및 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 외측으로 연장되어 있는 제2 전류 도체를 포함하는 전기 램프에 관한 것이다.
석영-유리, 즉 95 중량% 이상의 SiO2 함량을 갖는 유리의 엔벨로프를 갖는 램프에서는, 몰리브덴 호일이 전류 관통(lead-through) 도체로서 흔히 사용된다. 석영-유리(대략 섭씨 1도당 7 x 10-7) 및 몰리브덴(대략 섭씨 1도당 54 x 10-7)의 상당히 다른 열팽창계수에도 불구하고, 진공-기밀 밀봉부를 갖는 램프가 수득된다. 이는 몰리브덴의 연성(ductility), 호일의 형상, 밀봉부의 종방향으로 연장하는 호일의 나이프 에지(knife edge), 및 수십 μm인 호일의 얇은 두께에서 기인한다.
유리구를 갖는 전기 램프의 전류 관통 도체 또는 전류 공급체의 재료 및 형상에 따라, 매우 실질적으로 상기 램프의 제조법, 기능 및 품질이 결정된다. 용어 "램프"는 특히 할로겐 필라멘트 램프 및 방전 램프, 예를 들어 수은 증기 고압 램 프, 할로겐-금속 증기 램프 및 제논(xenon)-HP-방전 램프를 포함한다.
과거에는 이러한 기술 분야에 많은 주의가 요구되었다. 기체 충전되거나 충전되지 않은 램프에서 전류 공급용 전기 도체는 대체로 램프 중의 압력에 따라 석영 유리에서 융해되거나 석영 유리에 압착된다. 이는 각각 컬랩스드(collapsed) 밀봉부 또는 핀칭(pinching) 밀봉부를 제공한다. 몰리브덴은 석영-유리에 비해 그의 높은 융점 및 그의 바람직한 열팽창계수로 인해, 전류를 공급하는데 적합한 도체 재료인 것으로 밝혀져 있다.
몰리브덴 도체가 만족시킬 것으로 예상되는 다른 재료 요구조건은 연성, 양호한 성형성, 용접성 및 최적화된 기계적 강도, 산화 및/또는 부식에 대한 내성, 특히 할라이드에 대한 내성, 및 전류 도체와의 가용성(fusibility)이다.
유리에서 몰리브덴 호일의 진공-기밀 밀봉을 달성하기 위해서는, 특히 실리카 유리 또는 SiO2 고함량을 갖는 유리 재료와 몰리브덴의 매우 다른 열팽창계수에도 불구하고, 호일은 매우 얇게(전형적으로 15 내지 50μm) 높은 폭-대-두께 비(전형적으로 > 50)로 구조화되며 절삭 블레이드의 형태로 점점 가늘어지는 측면 에지(edge)를 갖는다.
상기 호일보다 상당히 더 두꺼운 전류 도체가 이러한 얇은 몰리브덴 호일에 용접되어야 한다. 제1 전류 도체는 많은 경우에 있어서 텅스텐으로 형성된다. 특히 텅스텐으로 제조된 전류 도체의 경우, 매우 높은 용접 온도가 수반되는데, 그 결과 몰리브덴 호일이 부서지기 쉬워져서 균열 현상이 초래될 수 있다. 호일중의 균열은 또한 밀봉 공정 동안에도 나타날 수 있다. 이러한 균열은 유리와 호일 사이의 상대적 이동에 의해, 또는 유리의 응력 이완 온도 미만인 온도에서의 냉각 공정 동안의 인장 응력의 생성에 의해 야기될 수 있다.
몰리브덴 호일의 기계적 강도를 개선시키기 위해, 순수한 몰리브덴 대신 도핑된 몰리브덴 합금이 사용되어 왔다.
미국 특허 제4,254,300호에 따르면, 소량의 산화이트륨은 용접 작업이 수행되기 전 및 수행된 후 둘다에서 호일의 강도를 상당히 증가시킬 뿐만 아니라, 용접시 호일을 파괴시키기 위해 발휘되어야 하는 힘을 상당히 증가시킨다. 램프 엔벨로프에서 핀칭되기 전에, 호일에 용접된 전류 도체를 갖는 상기 발명에 따른 호일은 경우에 따라 감압 분위기에서, 전류 관통 도체의 기계적 강도를 손실하지 않으면서, 대략 1300℃ 이하의 온도로 가열될 수 있다.
미국 특허 제4,559,278호에서는, 전류 관통 도체 주위에 사용된 유리질 물질로의 높은 용접성 및 용접 밀폐를 보장하기 위해서, 중간체 금속 피복물이 상기 전류 관통 도체상에 적용된다. 전류 관통 도체의 기초 금속은 몰리브덴이며, 그의 전체 표면 또는 용접될 표면 부분이 레늄으로 제조된 중간체 금속 피복물로 덮여져 있다.
유럽 특허원 제EP-A-0 275 580호에 따르면, 0.01 내지 2 중량%의 산화이트륨 및 0.01 내지 0.8 중량%의 몰리브덴 보라이드로 도핑된 몰리브덴으로부터 램프용 전류 관통 도체를 제조하는 것이 제안되어 있다. 이러한 도핑제는 칼륨-규소-도핑된 몰리브덴에 비해 개선된 것으로 의도되었지만, 이는 특히 산화에 대한 내성과 관련하여서는 어떠한 개선점도 제공하지 않는다. 상기 재료의 심각한 단점은 상기 재료가 융해되거나 압착되는 유리 대역내에서 자주 소켓 균열을 야기한다는 점인데, 상기 균열은 융해 단계에서 재료가 재결정화하는 동안의 재료의 강도 변화에서 기인하는 것이다.
램프에서 전류 관통 도체에 대해 사용되는 도핑된 몰리브덴은 제AT-B 395 493호로부터 더욱 공지되어 있는데, 여기에서 도핑제는 란탄 계열의 원소의 1개 또는 수개의 산화물 0.01 내지 5 중량%로 이루어져 있으며, Mo로 균형을 맞추고 있다.
미국 특허 제5,606,141호에서는, 융해 단계에서 재결정화 동안 재료의 강도 변화에 의해 핀칭 대역의 균열이 빈번히 야기된다는 점과 이러한 문제가 금속/유리 밀봉부를 갖는 램프에서 몰리브덴-산화이트륨 기재의 에칭된 스트립 물질로 제조된 전도체를 전류 공급체로서 혼입시킴으로써 해결할 수 있음을 인식하고 있다. Mo-Y2O3 이외에, 스트립 물질은 1.0 중량% 이하의 산화세륨을 함유하며, 이때 산화세륨:산화이트륨 비는 0.1 내지 1이다.
독일 특허원 제DE-A-196 03 300호는 0.01 내지 1 중량%의 알칼리 금속-풍부 및 알칼리 토금속-풍부 실리케이트 및/또는 주기율표의 IIIb족 및/또는 IVb족으로부터 선택된 하나 이상의 원소의 알루미네이트 및/또는 보레이트로 도핑된 몰리브덴 호일을 기술하고 있다. 이러한 도핑은 몰리브덴/석영 유리 혼성물에서 높은 기계적 응력에 의해 야기되는, 핀칭 밀봉부에서의 균열 형성을 방지한다. 그러나, 이는 Y2O3 혼합 산화물 또는 Y 혼합 산화물로 도핑된 호일에 비해 호일 접착력을 개선시키지 않는다.
또한, 공개된 유럽 특허원 제EP-A-0 871 202호에 기재된 바와 같이, 상기 호일을, 예를 들어 샌드 블라스팅(sand blasting)에 의해 거칠게 함으로써 SiO2/Mo 접착력을 개선시키려는 시도가 행해져 왔다. 그러나, 이러한 방법은 매우 복잡하며 몰리브덴 호일에 내부 응력을 도입시킨다.
미국 특허 제6,753,650호에는 물질 응집물의 실질적으로 비인접한 섬 영역이 형성되도록 마무리처리되지 않은 호일의 후처리를 포함하는 방법이 기재되어 있다. 물질 응집물은 몰리브덴, 몰리브덴 합금, 티탄, 규소, 산화물, 혼합 산화물 및/또는 산화물을 포함하는 화합물로 형성되며, 각각의 경우에 2000℃에서 10mbar 미만의 증기압을 갖는다. 상기 실질적으로 비인접한 섬 영역은 호일 표면 영역의 5% 이상 내지 60% 이하로 형성된다. 이러한 방식에서, 호일과 유리 사이의 접착 강도 및 따라서 램프의 사용수명은 크게 개선된다.
그러나, 현재의 전기 램프 및 특히 UHP 램프의 중요한 한계는 버너에서 수득될 수 있는 최대 압력이다. 버너에서의 압력이 더 높은 것이 루멘 산출량을 개선시키는데 중요하다. 그러나, 폭발에 대한 증가된 감도에 의해 최대 압력에 한계가 있다.
폭발한 램프 대 각각의 도핑된 호일의 항복강도의 상관 관계를 도 1에 도시 하였다.
본 발명의 목적은 높은 휘도 및 만족스런 광 산출량 뿐만 아니라 폭발에 대한 낮은 감도를 갖는, 상기 초반 문단에 기재한 종류의 램프를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적을 위해 초반 문단에서 정의한 바와 같은 종류의 램프는 본원 청구범위 제1항의 특징들을 갖는다.
300MPa 미만의 항복응력을 갖는 재결정화된 호일을 적용함으로써, 폭발에 대한 감도를 크게 증가시키지 않으면서 램프 구의 더 높은 작업 압력을 달성할 수 있다. 기존 램프와 유사한 내부 압력을 갖는 본 발명의 램프는 폭발에 대해 실질적으로 더 낮은 감도를 나타낸다.
본 발명의 램프에서, 재결정화된 몰리브덴 호일은 0.2%에서 300MPa 미만의 항복강도를 나타낸다. 폭발 감도가 밀봉 단계에서 나타나는 재결정화 후의 몰리브덴 호일의 항복강도와 관련이 있다는 사실이 본 발명자들에 의해 밝혀졌다. 상기 선행기술 램프의 상태에서 금속 및 금속 산화물을 첨가하면 모두 몰리브덴의 항복강도의 증가를 초래한다.
본 발명에서, 항복강도는 ASTM E 8M-91, 챕터(chapter) 7.4.1.에 따라 0.2%의 오프셋에서의 항복강도로 정의된다.
0.01 내지 5 중량%의 레늄 또는 0.01 내지 2 중량%의 텅스텐으로 도핑된 몰리브덴을 포함하는 호일에서 재결정화된 호일의 항복강도의 현저한 감소가 바람직하게 수득된다. 0.01 중량% 초과의 레늄 또는 텅스텐을 사용하는 경우, 항복강도의 감소 효과는 폭발에 대한 감소된 감도를 수득하는데 있어서 충분하다. 각각 5 중량% 초과의 레늄 또는 2 중량% 초과의 텅스텐을 사용하면, 항복강도는 램프에서 통상적으로 사용되는 몰리브덴의 항복강도를 초과한다. 따라서, 약 26 평형%의 레늄을 포함하고 예를 들어 제GB 1,313,531호에 기재된 금속-할로겐 램프에서의 핀칭 밀봉부에 적용되는 전형적인 몰리브덴-레늄 합금의 항복강도는 본 발명에 따른 램프의 항복강도를 훨씬 상회한다. 본 발명자는 레늄 또는 텅스텐 도핑제의 함량을 증가시킴으로써, 형성된 도핑되고 재결정화된 몰리브덴의 항복강도가 최소치를 이룬다는 것을 발견하였다. 따라서, 몰리브덴 중의 레늄 도핑제의 함량은 바람직하게는 0.02 내지 2 중량%이고, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 1.0 중량%이며, 몰리브덴 중의 텅스텐 도핑제의 함량은 바람직하게는 0.02 내지 1 중량%이고, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.5 중량%이다.
0.01 내지 5 중량%의 레늄의 도핑제를 포함하는 몰리브덴의 추가의 이점은 금속 증기, 특히 금속 할라이드 기체에 의한 부식에 대한 현저히 개선된 내성이다. 그러나, 이러한 개선된 내성은 또한 0.01 내지 0.1 중량%의 Ce, Ti, 또는 0.01 내지 1 중량%의 Al, Co, Fe, Hf, Ir, 또는 Y, 또는 0.01 내지 5 중량%의 Cr의 도핑제를 포함하는 몰리브덴에서도 수득된다.
컬랩스드 또는 핀칭 밀봉부에서 몰리브덴 호일을 갖는 램프에서 일반적인 바와 같이, 본 발명에 따른 램프에서 사용되는 몰리브덴 호일의 두께는 램프의 종류에 따라 좌우되며, 대략 15 내지 대략 80μm, 바람직하게는 25 내지 50μm이다. 이들 범위내에서는, 호일의 강도와 항복능 사이에 최적의 균형이 수득된다. 밀봉부의 종방향으로 호일의 양 측면상에 모세관 통로가 존재하는 것을 피하기 위해, 몰리브덴 호일은, 당분야에서 통상적인 바와 같이, 밀봉부의 석영-유리가 즉시 호일을 둘러싸도록 나이프 에치를 형성하기 위해 에칭된다.
본 발명의 램프에 사용된 도핑된 몰리브덴은 관련 분야에 잘 공지된 금속의 도핑 방법들에 의해 제조될 수 있다.
몰리브덴이 도핑제로서 1 중량% 이하의 하기 산화물들 중 1개 또는 수개를 추가로 포함하는 경우, 개선된 용접 특성이 수득될 수 있다: Y2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3, 및 란탄 계열 원소들 중 하나의 산화물. 본 발명의 이점은 이들 산화물을 순수한 몰리브덴에 첨가함으로써 야기되는 증가된 항복강도가 레늄 또는 텅스텐의 도핑제에 의해 보상받는 것 이상일 수 있다는 점이다.
본 발명을 몇몇 실시예로 설명한다.
실시예 I
상이한 도핑제를 포함하는 몰리브덴 호일을 공지된 혼합 및 소결 방법에 따라 제조하였다. 호일들을 수소 중에서 10분간 2000℃에서 재결정화시켰다. 이들 호일의 항복강도를 ASTM E 8M-91, 챕터 7.4.1.에 따라 측정하였다. 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 물질 | 항복 강도(MPa) |
| 몰리브덴 | 313 |
| 0.3 중량% Y2O3로 도핑된 Mo | 330 |
| 0.6 중량% Y2O3로 도핑된 Mo | 353 |
| 0.9 중량% Re + 0.3 중량% Y2O3로 도핑된 Mo | 263 |
Y2O3의 첨가가 Mo의 항복강도를 증가시키는 반면, 0.9 중량%의 레늄의 첨가는 Y2O3로 도핑된 Mo의 항복강도를 크게 감소시켰다.
실시예 II
표 1에 개시된 물질들의 호일을 UHP 램프에서 상이한 컬랩스드 밀봉 (및 따라서 재결정화) 조건하에 놓고, 여기서 8시간 동안 150W에서 연소시켰다. 폭발한 램프 대 각각의 도핑된 호일의 항복강도의 상관 관계를 도 1에 도시하였다. 도 1은 300MPa 미만의 항복강도를 나타내는 램프가 300MPa 초과의 항복강도를 갖는 기존의 램프보다 훨씬 더욱 낮은 폭발 정도를 가짐을 명확하게 보여준다. 상대적인 폭발 정도는 램프의 사용수명과 직접적인 관계가 있기 때문에, 본 발명에 따른 램프는 또한 더 오랜 사용수명을 갖는 것으로 결론내릴 수 있다.
도 1은 또한 300MPa 초과의 항복강도를 갖는 물질의 경우, 폭발 정도가 항복강도 및 따라서 밀봉 조건에 크게 좌우됨을 보여준다. 본 발명의 추가의 이점은 폭발 정도 또는 사용수명이 밀봉 조건에 의해 거의 영향을 받지 않는다는 점이다. 본 발명에 따른 램프는 더 오랜 사용수명을 가질 뿐만 아니라, 그의 사용수명을 더욱 양호하게 예측할 수 있다. 본 발명의 램프는 바람직하게는 290MPa 미만, 더욱 바람직하게는 275MPa 미만의 ASTM E 8M-91에 따른 항복강도(오프셋 = 0.2%)를 나타내는 재결정화된 호일을 포함한다.
실시예 III
80μm의 두께를 갖는 호일를 대기중에서 용광로에 넣었다. 시료들을 600℃ 이하로 가열하고 12시간 동안 유지하였다. 시료의 중량을 측정하고 상대 중량 변화를 시료의 원래 중량을 고려하여 계산하였다. 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 시료 | 순수한 Mo | 0.6 중량% Y2O3로 도핑된 Mo | 0.9 중량% Re + 0.3 중량% Y2O3로 도핑된 Mo |
| 중량 증가율(%) | 49.7% | 48.1% | 15.5% |
실시예 IV
상이한 도핑제를 갖는 호일을 사용하여 마스터라인(Masterline) ES 유형의 램프를 제조하였다. 이들 램프를 금속 할라이드 염으로 충전시켰다. 시험할 램프를 475℃ 온도의 용광로에 넣었다. 부식에 의한 균열이 핀칭 밀봉부에 나타났을 때 램프 수명을 측정하였다. 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 0.5 중량% Y2O3 + 0.1 중량% Ce2O3로 도핑된 Mo를 갖는 기준 램프 | 0.9 중량% Re + 0.3 중량% Y2O3로 도핑된 Mo를 갖는 램프 | |
| 램프 수명(시간) | 66 | 229 |
실시예 V
상이한 도핑제를 갖는 호일을 사용하여 제논 헤드라이트(Xenon Headlight)를 제조하였다. 램프를 1030℃ 온도의 용광로에 넣고 부식 손상 정도를 육안으로 평가하였다. 기준 호일(0.5 중량% Y2O3 + 0.1 중량% Ce2O3로 도핑된 Mo)을 갖는 램프의 손상 정도는 0.9 중량% Re + 0.3 중량% Y2O3의 도핑제를 갖는 몰리브덴 호일을 포함하는 램프보다 상당히 더 높았다.
이러한 결과는 1 중량% 미만의 Re로 도핑된 몰리브덴이 더욱 높은 내산화성 및 내부식성을 갖는다는 사실을 분명하게 보여준다.
Claims (5)
- 하나 이상의 밀봉 단부를 갖는 석영-유리 엔벨로프(envelope), 상기 밀봉 단부내에 적어도 부분적으로 삽입된 몰리브덴을 포함하는 얇은 호일(foil), 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 내측으로 연장되어 있는 제1 전류 도체, 및 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 외측으로 연장되어 있는 제2 전류 도체를 포함하고, 이때 재결정화된 호일이 300MPa 미만의 ASTM E 8M-91에 따른 항복강도(오프셋(offset) = 0.2%)를 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 램프.
- 제1항에 있어서, 호일이 0.01 내지 5 중량%의 레늄으로 도핑된 몰리브덴을 포함하는 것인 램프.
- 제1항에 있어서, 호일이 0.01 내지 2 중량%의 텅스텐으로 도핑된 몰리브덴을 포함하는 것인 램프.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 몰리브덴이 또한 Y2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3, 및 란탄 계열 원소들 중 하나의 산화물 중 1개 또는 수개를 도핑제로서 1 중량% 이하로 포함하는 것인 램프.
- 하나 이상의 밀봉 단부를 갖는 석영-유리 엔벨로프, 상기 밀봉 단부내에 적어도 부분적으로 삽입된 몰리브덴을 포함하는 얇은 호일, 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 내측으로 연장되어 있는 제1 전류 도체, 및 상기 호일에 결합하여 상기 엔벨로프의 외측으로 연장되어 있는 제2 전류 도체를 포함하고, 이때 상기 호일이 0.01 내지 0.1 중량%의 Ce 및/또는 Ti로 도핑되거나, 0.01 내지 1 중량%의 Al, Co, Fe, Hf, Ir 및/또는 Y로 도핑되거나, 또는 0.01 내지 5 중량%의 Cr로 도핑된 몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 램프.
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