KR20090035725A - 고압 방전 램프 - Google Patents

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KR20090035725A
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베른하르트 샬크
로타르 힛취케
슈테펜 프란케
랄프-페터 메틀링
헬무트 헤스
하인츠 쇱프
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오스람 게젤샤프트 미트 베쉬랭크터 하프퉁
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Abstract

본 발명은 방전관(1)을 갖는 고압 방전 램프에 관한 것으로, 상기 방전관(1)은 전극들(2), 시동 가스로서 적어도 하나의 희가스, 아크 전이 및 방전관 벽 가열을 위해 Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트, 및 적어도 하나의 희토류 핼라이드를 포함하고, 상기 고압 방전 램프는 생성된 광이 분사 방사선에 의해 지배되도록 설계된다.

Description

고압 방전 램프 {HIGH­PRESSURE DISCHARGE LAMP}
본 발명은 고압 방전 램프에 관한 것이다.
고압 방전 램프들, 특히 소위 HID 램프들은 오랫동안 공지되어 있었다. 상기 램프들은 다양한 목적들을 위해 사용되는데, 주요하게는 또한 상대적으로 우수한 색 렌더링과 매우 우수한 조명 효율(luminous efficiency)이 요구되는 애플리케이션들을 위해 사용된다. 상기 두 가지의 변수들은 이 경우에 일반적으로 상호관련된다, 즉 한 가지 변수의 향상은 다른 변수를 손상시키고, 그 반대로도 마찬가지이다. 일반적인 조명 애플리케이션에서는, 색 렌더링이 일반적으로 더욱 중요하지만, 가로 조명에서는 예컨대 그 반대가 사실이다.
고압 방전 램프들은 또한 램프의 사이즈 또는 램프의 광-방사 영역의 사이즈와 비교할 때 높은 전력에 의하여 특징지어진다.
여기에서 그리고 이하의 상세한 설명에서, 고압 방전 램프들은 방전관 내에 전극들을 갖는 그러한 램프들만을 의미하는 것으로 이해된다. 고압 방전 램프들에 관련된 매우 많은 수의 공보들 및 엄청난 양의 특허 명세서, 예컨대 WO 99/05699, WO 98/25294, 및 Born, M.,Plasma Sources Sch.Technol.(2002년 11월, A55)가 존재한다.
개별 충전 성분들은 또한 마이크로파 방전들에서, 예컨대 BMBF(연방 교육연구부) 프로젝트(최종 리포트, FKZ:13N 7412/6, 2001년, 3-8쪽, 86-87쪽, 및 89-90쪽)에서 조사되었다. 이 경우, 마이크로파 방전들은, 방전 가스의 가열이 내부로부터 대신에 주변 영역으로부터 수행된다는 전극들을 이용한 방전들과 비교할 때의 차이점을 증명한다. 그러므로, 전극들을 이용한 방전들의 경우에서보다 상이한 온도 프로파일들이 설정된다.
상기 특성들과 관련하여, 고압 방전 램프들은 얼마동안 끊임없는 향상들에 관한 주제를 갖는다. 본 발명의 목적은 또한 조명 효율 및 색 렌더링 특성들의 우수한 포괄적인 결합에 관하여 향상되는 고압 방전 램프를 특정하는 것이다.
본 발명은 방전관을 갖는 고압 방전 램프에 관한 것으로, 상기 고압 방전 램프는: 전극들, 시동 가스로서 적어도 하나의 희가스, 아크 전이 및 방전관 벽 가열을 위해 Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트 그리고 방사선의 생성을 위한 적어도 하나의 희토류 핼라이드를 포함하며, 상기 고압 방전 램프는 생성된 광이 분자 방사선에 의해 지배되도록(dominated) 설계된다.
바람직한 구성예들이 종속항들에서 특정되고, 마찬가지로 하기에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 이 경우, 본 발명은 특히 또한 조명 시스템에 관한 것으로, 상기 조명 시스템은 고압 방전 램프와 함께 상기 고압 방전 램프의 작동을 위한 적절한 전자식 안정기를 포함한다.
본 발명의 기본적인 개념은, 방전 매체 내 분자들에 의해 생성되는 방사선이 매우 지배적이 되는 방식으로 고압 방전 램프의 광 생성에서 활용되는 것으로 구성된다. 이를 위해, 방사선 생성을 위한 희토류 핼라이드가 제외되고, 이때 자연스럽게 또한, 방전 플라즈마의 다른 구성물들이 방사선 생성에 동반될 능력이 있다.
종래의 고압 방전 램프들은 원자 방사선에 의해 지배된다. 분자 방사선은 종래에 하위 범위까지 발생하고, 이 경우 원자 방사선과 비교할 때 더 광범위한-대역의 스펙트럼 분포를 갖는다, 즉 더 광범위한 파장길이 세그먼트들을 방사선으로 완벽하게 채울 수 있다. 이에 대조적으로, 원자 방사선은 자연스레 라인 방사선이며, 여기서 종래의 램프들에서, 라인 방사선의 근본적으로 제한된 색 렌더링 특성들의 일정 향상이 그럼에도 불구하고 많은 수의 라인들 및 다양한 광대역화 메커니즘들의 결과로서 달성된다. 그러나, 일반적으로, 이러한 메커니즘들에 의해 생성되는 세그먼트들은 분자 방사선의 경우에서보다 현저하게 더 작고, 부가하여, 원자들의 라인 폭들이 추가의 입자 밀도들과 확고하게 복잡한 방식으로 상관되는데, 램프 내 입자 밀도들이 영향을 받게 하는 것은 매우 어렵다.
이 경우, 램프의 방사선 경제성을 위해 분자들에 강조점을 두는 것은, 동시에, 우수한 흡수 특성들 및 그에 따른 더 큰 가능한 열화를 만드는 효과를 갖는다. 열화란 용어는 이 경우에 국부적으로 이해될 것이다. 한 용어는 국부적인 열역학적 평형을 참조하는데, 그 이유는 실제로 자연스레 균일한(homogeneous) 온도 분포가 존재하지 않기 때문이다.
본 발명에 따른 램프는 시동 가스 또는 완충 가스로서 희가스 또는 희가스 혼합물을 갖고, 희가스들 Xe, Ar, Kr이 바람직한데, 이들 중에서 매우 특정하게는 Xe가 바람직하다. 시동 가스의 통상적인 냉충전 부분 압력들은 10mbar 내지 15bar의 범위에 있고, 바람직하게는 50mbar 내지 10bar 사이, 더욱 바람직하게는 500mbar 내지 5bar 사이, 그리고 매우 특정하게 바람직하게는 500mbar 내지 2bar 사이에 있다. 부가하여, 아크 전이 및 관 벽 가열 성분이 제공되는데, 상기 성분은 Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn으로 구성된 그룹 중에서 적어도 하나의 엘리먼트를 갖는다. 이 경우, 상기 엘리먼트들은 핼라이드들의 형태로, 특히 요오드화물 또는 브롬화물들의 형태로 존재할 수 있고, 또한 상기 형태로 예컨대 AlI3 또는 TlI로서 도입될 수 있다. 시동 및 완충 가스는 냉시동(coldstarting) 능력 및 방전의 완전시동(coldstart) 점화를 보장한다. 충분한 가열 이후에, 화학적 화합물로서 존재하거나 또는 Al, In, Mg, Tl, Hg, 및 Zn의 경우 아마도 또한 원소 형태인 아크 전이 및 관 벽 가열 엘리먼트들이 증발한다. 결과적인 플라즈마 내의 대응하는 화학적 성분들은 아크 상에서 취해진다. 변화된 플라즈마 특성들의 결과로서, 벽 온도가 상승하고, 그에 따라 적어도 하나의 희토류 핼라이드가 또한 기체 상태로 전이된다. 바람직하게도, 상기 희토류 핼라이드는 Tm, Dy, Ce, Ho, Gd로 구성된 그룹의 엘리먼트, 바람직하게는 Tm, Dy로 구성된 그룹의 엘리먼트, 및 매우 특정하게 바람직하게는 Tm으로 형성된다. 위와 같이, 이들은 바람직하게도 요오드화물들 또는 브롬화물들이다. 그 예는 TmI3이다. 시동 프로세스를 위해 중요한 성분들, 즉 시동 가스와 아크 전이 및 관 벽 가열 엘리먼트들은 이제 아마도 방사에 있어서 부분적인 역할만을 담당한다.
종래의 고압 방전 램프들과 대조적으로, 특히 희토류 핼라이드들의 분사 방사에 의해 지배되는 아크가 이제 생성된다. 특히 상기 도입된 3요오드화물(TmI3)으로 형성된 툴륨 모노요오드화물(TmI)가 고려된다.
본질적으로, 희토류 엘리먼트들은 특히 온도에 따라 2요오드화물들 및 최종적으로 모노요오드화물들이 되는 3요오드화물들로서 도입될 수 있다. 일시적으로 형성된 희토류 모노요오드화물들 또는 일반적으로 모노핼라이드들이 본 발명에 특히 효과적이다.
희토류 핼라이드들의 역할은 원해지는 지속적인 방사선의 생성으로 제한되지 않는다. 희토류 핼라이드들은 동시에 아크 수축을 위해서도, 즉 수축 영역들의 온도를 감소시키고 대응하게 플라즈마의 음성 저항성을 바꾸기 위해서도 사용된다.
종래의 고압 방전 램프들에서는, 전통적으로 소위 전압 형성기들 및 광 형성기들 사이에서 구별점이 도출된다. 본 상세한 설명에서 특별 전압 형성기의 부가는 절대적으로 필요한 것이 아니며, 일정한 수량을 초과하는 어떠한 경우에서든지 또한 비생산적일 수 있다. 수축된 아크 형태로 온도 프로파일의 특별 형성 때문에, 방전 코어에 포함된 종(species)이 그럼에도 불구하고 명백하게 플라즈마의 적절한 저항성 형성을 떠맡는다. 특히, 완전히 또는 부분적으로 종래의 전압 형성기들(Hg, Zn)을 생략하는 것도 가능한데, 이때 본 발명은 무-Hg 또는 무-Zn 램프들로 제한되지 않는다. Hg를 생략하거나 적어도 감소시킬 수 있기 위하여, 구성물은 환경적 관점에 있어서 이미 현저한 장점을 이룬다.
그러나, 구성물들 Hg 및 Zn은, 예컨대 심지어 벽 상호작용과 관련하여 긍정적인 역할을 수행하고, 그럼에도 불구하고 램프 전압을 추가로 증가시키기 위해 원해질 수 있으며, 그에 따라 전압 형성기가 실제로 생략될 수 있다는 사실에도 불구하고, 포함될 수 있다.
매우 우수한 방사선 산출률들을 달성하기 위하여, 종래에는 원자 방사선, 특히 Tl 및 Na의 방사선을 사용하는 것이 보통이었다. 높은 조명 효율들을 달성하기 위해 원자 방사선을 사용할 필요성은 색 렌더링 특성들 때문에 본 상세한 설명에서 필요하지 않을 뿐만 아니라, 또한 주로 원치 않는 아크 냉각 때문에 Tl 및 Na의 경우에도 원해지지 않는다. 특히, Na의 도입은 완전히 또는 현저하게 제한되는 것으로 억제되어야 한다. 대략 819nm에서 적외선 및 Na의 추가의 적외선 라인들의 Na 방사선은 플라즈마가 크게 방해받지 않게 할 수 있는데, 그 이유는 종종 한계치 파장을 초과하여, 예컨대 대략 630nm를 초과하여 광적으로 매우 얇기 때문이며, 아크를 냉각시킬 수 있다. 589nm에서 Na 공진 라인에 관한 스펙트럼 범위가 광적으로 약한 것으로 지시될 수 없을지라도, 상기 방사선은 또한 중앙 아크 영역들의 원해지지 않는 냉각을 야기할 것이다. 따라서, 아크의 온도들은 원해지지 않는 방식으로 감소될 것이다.
유사한 주장들이 또한 580nm를 초과하는 파장 범위에서 상당한 방사 능력들을 갖는 다른 종, 특히 K 및 Ca에도 적용된다. 그러므로, 구성물들 Na, K 및 Ca는 바람직하게는 기껏해야 방사 특성들에 관련되지 않고 분자 방사선에 의한 전술된 지배를 훼방하지 않는 그러한 분량들로 존재해야 한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마는 가능한 한 넓은 가시적 스펙트럼 범위에 걸쳐서 광적으로 두꺼워야 한다. 이는, 종래의 고압 방전 램프들과 비교할 때 램프로부터의 상기 방사선의 종료에 앞서 방사선의 폭넓은(further-reaching) 열화가 존재하고, 이는 플랭키안 스펙트럼 분포에 대한 원해지는 근사치를 생성하는 것을 의미한다. 상기 플랭키안 스펙트럼 분포는 이상화된 흑체 방사체에 대응하고, 인간의 감각적 지각에서 "자연스러운" 것이다.
또한, 첨가제들 Na, K 및 Ca의 뚜렷한 방사선 기여들은 스펙트럼을 "굽히고" 플랭키안 스펙트럼 반응에 대한 근사치를 손상시킨다. 그러나, 600nm를 초과하는 파장들의 라인들은 원리적으로 거의 회피될 수 없는데, 그 이유는 이 경우 희토류 핼라이드들이 더 이상 주목할만한 정도까지 흡수하지 않고 또한 다른 이용 가능한 흡수체들이 존재하지 않기 때문이다.
플랭키안 방사선 반응에 대한 근접성은 소위 색도 차이 ΔC를 이용하여 계산될 수 있다. 본 발명에 따른 램프는 우수한, 즉 낮은 ΔC 값을 가져야 한다. 세라믹 방전관들을 사용할 때,
Figure 112009012314868-PCT00001
의 매우 유용한 값들이 범용 조명을 위해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 고압 방전 램프를 이용하여, 우수한 조명 효율들이 정확하게는 바람직하게도 90㏐/W를 초과하여 달성될 수 있다. 동시에, 색 렌더링 특성들이 우수하게, 정확하게는 바람직하게도 적어도 90의 색 렌더링 인덱스 Ra가 되어야 한다.
그러나, 특정한 경우들에서, 본 발명을 구현할 때, 두 가지의 전술된 목적들 중 한 가지, 즉 색 렌더링 특성들 또는 조명 효율이, 예컨대 가로 조명의 경우 조명 효율이 전면에서 매우 현저하게 될 수 있다. 그러나, 본 발명의 적용의 바람직한 섹터는 고품질 범용 조명이며, 여기서는 결국 두 가지 변수들 모두가 관련성을 갖는다.
분자 방사선에 의한 지배는 본 발명의 구성에서 파라미터 AL에 의해 정량되는데, 상기 파라미터는 이 경우 "원자 라인 성분"으로서 언급된다. 청구항 12는 상기 원자 라인 성분 AL의 결정(determination)을 특정한다. 정확하게는 또한 석영 방전관들의 경우에서, 바람직하게는 기껏해야 40%, 더 우수하게는 35%, 30% 또는 심지어 기껏해야 25%이다. 세라믹 방전관들의 경우, 특히 바람직하게는 기껏해야 20%, 더 우수하게는 15% 그리고 심지어 기껏해야 10%이다.
전력의 변동에 있어서 특정한 안정성은 다수의 희토류 핼라이드들이 적절한 방식으로 분자 방사체들로서 결합됨으로써 달성된다. 이 경우, 두 그룹들의 희토류 핼라이드들이 공동으로 사용된다. 제1 그룹은 ΔC=0인 작업점으로부터 전력의 작은 불일치가 더 높은 ΔC 값들을 유도하는 특성을 갖는데, 이는 전력이 증가함에 따라 양의 값으로부터 음의 값으로 급격한 기울기로 전이된다. 상기 그룹의 특히 적절한 대표자는 Dy 핼라이드, 특히 DyI3이다. 상기 그룹의 추가의 잘 맞는 대표자는 GdI3이고, 상기 GdI3는 특히 Dy 핼라이드에 부가하여 사용되는 것이 가능하다. 특히 잘 맞는 것은 제1 및 제2 그룹들의 대략적으로 동등한 몰량들을 포함하는, 특히 제1 그룹의 25 내지 75mol%를 포함하는 혼합물이다. 특히 바람직하게는, 제1 그룹의 비율이 45 내지 55mol%이다.
본 발명에 따른 램프의 유용한 특성들은 주로 전자식 안정기와 함께 활용되고 최적화될 수 있는데, 이러한 이유로 본 발명은 또한 적절한 전자식 안정기를 갖는 본 발명에 따른 램프를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다.
도 1은 세라믹 방전관을 갖는 본 발명에 따른 고압 방전 램프의 개략적인 섹션도,
도 2는 석영 유리 방전관을 갖는 본 발명에 따른 고압 방전 램프의 개략적인 섹션도,
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 램프 및 전자식 안정기를 갖는 기본 회로도,
도 4-6은 도 1 및 도 2의 램프들의 방사 스펙트럼도,
도 7은 스펙트럼 시감도곡선의 그래프,
도 8은 플랭키안 곡선과 비교한 도 4의 방사 스펙트럼도,
도 9는 램프 전력에 따른 도 1의 램프의 다양한 특성 데이터를 여섯 개의 개별 그래프들로 나타낸 도면,
도 10-11은 다양한 충전들에 대하여 램프의 전력에 따른 색도 불일치 및 색 온도를 나타낸 도면,
도 12는 두 가지 충전들의 방사 스펙트럼도,
도 13-16은 일련의 희토류들에 대하여 램프의 전력에 따른 색도 불일치 및 색 온도를 나타낸 도면,
도 17은 Tm/Dy 혼합물을 갖는 고압 방전 램프의 방사 스펙트럼도, 및
도 18-19는 종래 기술에 따른 두 램프들의 방사 스펙트럼도.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 고압 방전 램프들의 개략적인 섹션도들을 나타낸다. 도 1은 Al2O3 세라믹으로 구성되는 방전관(1)을 갖는 램프를 나타낸다. 아크 방전을 통해 흐르는 전류의 흐름은 방전관의 양쪽 측면들 상에 피팅된 텅스텐 전극들(2)에 의해 가능하게 되고, 상기 텅스텐 전극들(2)은 리드스루 시스템(3)을 통해 방전관 안으로 도입된다. 상기 리드스루 시스템은 예컨대 몰리브덴 핀들을 포함하고, 전극 및 외부 전력 공급 라인(도시되지 않음)에 용접된다.
도 2는 석영 유리로 구성되는 방전관(10)을 갖는 램프를 나타낸다. 텅스텐 전극들(2)은 이 경우 몰리브덴 박(13)에 용접된다. 상기 박의 영역에서, 석영 유리 방전관은 핀치 밀봉에 의해 밀봉된다. 몰리브덴 박들은 추가로 각각의 외부 전력 공급 라인(4)에 용접된다.
방전관들의 특성적 크기들은 길이(l), 내부 지름(d) 및 전극 갭(a)이고, 이들에 관해서는 하기에 더욱 상세하게 기술된다.
세라믹 및 석영 유리 방전관 모두는 각각 그 자체로 공지된 석영 유리로 구성되는 외부 전구(도시되지 않음) 안으로 도입된다. 상기 외부 전구는 진공 상태 가 된다. 전력 공급 라인들은 외부 전구로부터 외부 전구를 단단하게 밀봉하는 핀치 밀봉들을 통해 외부로 나아가고, 램프를 전자식 안정기(EB)에 접속시키기 위해 사용된다. 상기 전자식 안정기는 시스템 전압으로부터, 35W 내지 400W의 전력이 주어질 경우 통상적으로 100Hz 내지 400Hz의 주파수를 갖는("교번 DC 전압") 고압 방전 램프들의 작동을 위해 통상적인 사각파 여기를 생성한다. 짧게는 AC로 지시되는 시스템 전압을 갖는 기본 회로도로서, 도 3에는 EB로 지시되는 전자식 안정기와 램프가 도시된다.
방전관은 시동 가스로서 Xe, 그리고 아크 전이 및 벽 가열 엘리먼트들로서 AlI3 및 TlI, 그리고 TmI3를 갖는 충전을 포함한다.
방전관의 충전량들과 특성적 크기들은 램프의 실시예에 따라 가변한다.
A1 내지 A6의 통상적인 예시들이 표 1에 열거된다. 특정된 Xe 압력은 냉충전 압력이다. 특정된 요오드화물량들은 부가된 절대량들이다. 상기 형상적 파라미터들(l,d,a)이 또한 주어진다. ΔC에 대한 그림은 천분의 일 크기로 주어진다(E-3).
바람직하게도, 전자식 안정기는 무선주파수 진폭 변조가 대략적으로 20 내지 60kHz의 주파수 범위에서 인가됨으로써 음향 공진들을 여기시키도록 설계될 수 있다. 더욱 상세한 설명을 위해, 본 발명은 특허 EP-B 0 785 702 및 상기 특허에 포함된 참조들을 예시로서 참조한다. 상기 형태의 음향 공진들의 여기는 플라즈마에서 방전 아크의 활성적 안정화를 야기하고, 이는 온도 프로파일의 상대적으로 수축 된 형태의 결과로서 특히 또한 본 발명과 관련하여 유용할 수 있다.
Figure 112009012314868-PCT00002
표 1에서 네 개의 최종 열들이 하기에서 더욱 상세하게 기술될 것이다.
먼저, 램프들의 방사 스펙트럼이 예시적 실시예들 A1,A2,A3에 관하여 도시될 것이다. 이 경우, 원자 라인 성분(AL)의 결정이 또한 설명될 것이다. 도 4,5,6은 각각 예시적 실시예 A1,A2,A3에 각각 관련되며, 각각은 380nm 내지 780nm의 가시 범위에서 도 1 및 도 2의 램프들의 방사 스펙트럼을 나타내고, 상기 스펙트럼은 적분구에서 10h 작동 이후에 0.3nm의 스펙트럼 해상도로 결정된다. 종축은 nW/nm의 단위의 스펙트럼 전력 밀도(I)를 나타낸다.
각각의 경우에, 하기의 방법에 따라 결정되는 한 곡선은, 연속적인 배경을 결정하기 위해, 볼 수 있는 바와 같이 해상도에 대응하여 지그재그 되는 라인 상에 포개진다. 특히, 이 점에서 도 5의 추가적인 그래프적 설명들에 대한 참조가 이루어진다. 곡선 Im(λ)은 측정치들로 이루어진다. 측정치에 대응하는 각각의 파장 값(λ) 주변에서 총 폭 30nm을 갖는 인터벌에서, 즉 각각의 경우에 각각의 측면들 상의 50개의 측정된 값들에 의해, 상기 인터벌 내 최소치 Ih1(λ)가 각각의 파장 값과 연관된다. 따라서, 원리적으로 측정된 스펙트럼 분포 Im(λ) 아래에 있는 평활 함수 Ih1(λ)가 제공된다.
상기로부터, 추가의 곡선 Ih2(λ)이 동일한 폭의 인터벌들로 결정되는데, 즉 총 100개의 측정 지점들이 각각의 개별 파장 값 주변에서 사용된다. 그러나, 이 경우, 각각의 경우에 상기 인터벌들에서 함수 Ih1(λ)의 최대치들이 함수 값들 Ih2로서 사용된다. 측정된 프로파일에 살짝 더 근접한, 즉 측정된 프로파일 Im(λ) 및 최소치들을 갖는 함수 Ih1(λ) 사이에 위치하는 제2 함수가 도출된다.
이로부터, 제3 함수 Iu(λ)가 Ih2(λ)의 평균값들로 결정되는데, 이번에는 각각의 파장 값들 주변에서 30nm의 폭 인터벌들에서 결정된다. 이는 곡선 Ih2를 현저히 매끄럽게 하고, 본 예시에서, 도 4 내지 도 6에 도시된 매끄러운 라인들을 도출한다.
원리적으로, 이는 현실적인 연속적 배경을 결정하기 위해 단지 모델 형태의 상대적으로 단순한 절차가 존재하며, 상기 절차는 그럼에도 불구하고 객관적이고 재생될 수 있다. 결정된 배경 함수 Iu(λ) 및 측정된 스펙트럼 분포 Im(λ)에 의해, 원자 라인 성분(AL)이 하기와 같이 결정될 수 있다:
Figure 112009012314868-PCT00003
이 경우, 인간 눈의 광-적응된 민감도가 또한 가중 함수로서 고려되고, 그 결과로서, 동시에, 적분(integration)이 또한 가시 스펙트럼 범위로 제한된다. 스펙트럼 시감도 V(λ)가 도 7에 도시된다.
30nm의 전체 인터벌 폭으로 도시된 바와 같은 Ih1(λ), Ih2(λ), Iu(λ)를 결정하기 위해 개별 단계들을 구현하기 위하여, 380nm 미만이면서 780nm 초과의 측정된 값들이 또한 파장 범위의 에지에서 요구된다.
파장 범위 380nm 내지 780nm 밖 0에 동등한 시감도 V(λ)를 이용한 가중을 통해, 그럼에도 불구하고, 원자 라인 성분(AL)을 결정하기 위하여 380nm 내지 780nm 사이에서만 측정하는 것으로도 충분하다. Ih1(λ), Ih2(λ), Iu(λ)의 결정 동안에, 인터벌 사이즈가 어쩌면 개별 단계들에서 측정된 값들 내에서 제공되는 범위로 제한될 필요가 있다. 예컨대 Ih1(390nm), Ih2(390nm), Iu(390nm)을 결정하기 위하여, 30nm의 인터벌 폭에 대응하는 인터벌 375nm 내지 450nm는 사용되지 않지만, 380nm 내지 405nm의 인터벌만이 사용된다.
예컨대 도 4에서 535nm에서 볼 수 있는 바와 같이, 원자 라인들(이 경우, 535nm의 Tl 라인임)에 의해 유발되는 흡수들은 연속적인 분자 방사선에서 깊은 딥(dip)들을 유도할 수 있다. 상기 딥들은 상기 딥들이 예컨대 우수한 색 렌더링과 같은 연속적인 분자 방사선의 긍정적인 특성들에 영향을 끼치지 않는 파장 범위에서 좁게 발생한다. 그러나, 상기 딥들이 더 깊어지고 실제로 더 큰 횟수로 가시적일수록 Im(λ)의 측정치에서 스펙트럼 해상도가 더 높아진다.
상기 딥들이 30nm의 인터벌 폭보다 더욱 밀집해 있는 경우, 전술된 방식으로 결정된 배경 곡선 Iu(λ)이 잘못되어 아래쪽으로 향하게 그려진다. 이를 방지하기 위해, Im(λ)의 측정치들에서 스펙트럼 해상도가 범위 0.25nm 내지 0.35nm로 제한될 수 있다.
상위 제한치는 필요해서 해상도가 매우 높아서 원자 라인들이 전부 해상될 수 있도록 상기 해상도를 선택하기 위해 도출된다.
측정치들이 0.25nm보다 더 높은 스펙트럼 해상도에서 존재한다면, Im(λ)의 측정치들은 Ih1(λ), Ih2(λ), Iu(λ)의 결정에 앞서 0.25nm 내지 0.35nm의 한계치들 내에서 스펙트럼 해상도로 전환되어야 한다. 이는, 예컨대, 다수의 인접한 측정 지점들에 걸친 평균 값 생성을 통해 이루어질 수 있다.
도시를 위해, 원자 라인 성분은 적분 방식으로, 전술된 바와 같이 구성된 배경 곡선 위에 남아있는 측정 곡선의 부분을 기술한다. 이 경우, 원자 라인 성분은 전체로서 측정 곡선 아래의 영역에 대하여 상대적인 영역 비율을 계산한다.
본 예시적 실시예들에서, 원자 라인 성분들은 예시적 실시예들 A1 및 A2에 따른 세라믹 램프들의 경우 4%이고 예시적 실시예 A3에 따른 석영 램프의 경우 12%이다. 이로써, 방사에서 본 발명에 따른 분자 지배의 결과로서, 원자 라인 방사의 상당히 감소된 상대적 중요성을 갖는 상대적으로 매우 큰 연속적인 배경이 존재함이 증명된다.
도 8은 온도 3320K의 흑체 방사체에 대하여 포개진 플랭키안 곡선(점선으로 도시됨)과 함께 도 4의 측정 곡선 Im(λ)을 나타낸다.
대략 600nm 초과의 적색 파장 범위까지의 스펙트럼이 바로 플랭키안 반응을 갖는 것을 볼 수 있다. 정량적으로, 이는 3×10-4의 색도 차이(ΔC)의 사이즈를 의미한다. 조명 효율은 Ra=92의 색 렌더링 인덱스가 주어진다면 94㏐/W이다. 따라서, 상기 예시적 실시예는 범용 조명에 매우 적절하다.
도 9는, 여섯 개의 개별 그래프들에서, 각각의 경우 수평축 상의 램프 전력에 따라 도 1의 예시적 실시예로서 사용되는 램프의 다양한 특성 데이터(A1)를 나타낸다. 좌로부터 우로, 먼저 맨위에는, 광속(Φ), 색 렌더링 인덱스(Ra), 조명 효율(η)이 있고, 맨아래에는 좌로부터 우로 램프 전압(U) 및 램프 전류(I)가 있으며, 사각형들로서 도시된 하부 지점들이 우측 전류축과 연관되고, 상부 지점들이 좌측 전압축, 색도 차이(ΔC) 및 최종적으로 가장 유사한 색 온도(Tn), 즉 색에 있어서 가장 유사한 흑체 방사체의 온도와 연관된다. 특히, 색 렌더링 인덱스 및 색도 차이가 전력에 따라 강하게 좌우되고 180W의 값들에서 특히 우수한 값들을 가정하는 것을 알수 있다. 이 경우, 조명 효율은 약간만 손상된다. 여기서는, 180W를 현저하게 넘어서서 진행하는 것이 권고되지 않는다. 그러므로, 특별히 우수한 색 렌더링 특성들을 갖는 고압 방전 램프들이 본 발명에 의해 주로 방전관 사이즈에 관련하여 상대적으로 높은 전력들에서 생성될 수 있다는 것을 알 수 있다.
변수 "색도 차이(ΔC)"와 관련하여 CIE 기술 보고서 13.3(1995)을 추가로 참조한다. 상기 보고서는 인간들에 의해 "자연스런" 것으로서 간주되는 감각적 지각에 관하여 램프의 광색의 품질에 대한 평가에 관한 것이다. 색도 차이는 5000K의 색 온도까지 또는 상기 한계치를 초과하는 일광 스펙트럼까지 플랭키안 방사선 반응으로의 램프 스펙트럼의 근접성의 측정치이다. 색도 차이의 높은 값들이 파괴적 영향을 갖지 않지만 본 발명에 따른 램프가 예컨대 범용 조명에서 더욱 요구되는 조명 과제들을 위해 바람직하게 10-2 미만, 더욱 우수하게는 5×10-2 미만 그리고 여전히 더 우수하게는 210-2 미만의 양의 색도 차이 값을 가져야 하는 애플리케이션 필드들이 존재한다.
예시적 실시예에서 언급된 구성물들은 본 발명의 학설의 상세한 설명에서 대안들에 의해 교체될 수 있다; 예컨대 Xe는 또한 매우 용이하게 완전히 또는 부분적으로 Ar 또는 Kr 또는 희가스 혼합물로 교체될 수 있다. AlI3는 예컨대 InI3, InI에 의해 또는 MgI2에 의해 정확하게는 완전히 또는 부분적으로 교체될 수 있다. 희토류 핼라이드 TmI3는 또한 특히 CeI3에 의해 또는 다른 희토류 요오드화물들 또는 브롬화물들 또는 혼합물들에 의해 교체될 수 있다.
본 발명의 한 가지 장점은 Hg와 같은 성분들을 생략할 수 있다는 것이다. 그러나, 이들은 또한 포함될 수도 있다. 이미 전술된 Na, K 및 Ca의 방사선에 대하여 명백한 기여들은 바람직하게도, 전체적으로 또는 분자 방사선의 지배에 대한 기술된 기준이 여전히 충족되는 그러한 범위까지 어떠한 경우에서든 생략되어야 한다.
예시적 실시예는 소량의 탈륨 요오드화물(TlI)을 포함한다. Tl은 종래에 535nm의 자신의 공진 라인 때문에 효율성을 증가시키기 위해 사용된다. 도 4 내지 도 6은 이것이 방사에 실질적으로 기여하지 않는다는 것을 보여준다. 이 경우, TlI의 함수는 단지 아크 전이 및 추가적인 아크 안정화로 구성된다. 상기 구성물은, Tl이 마찬가지로 적외선에서 라인들을 갖고 상기 범위에서 Na, K 또는 Ca에 유사하게 동작하는 한에 있어서는 조심스럽게 다루어져야 한다.
그러므로, 램프 내 조건들은, 원자 라인 방사이 가시 범위에서 가능한 한 큰 연속체의 스펙트럼 범위에서 중요한 역할을 수행하지 않도록, 즉 플라즈마가 상기 방사선을 위해 상기 파장 범위에서 실질적으로 광적으로 두껍거나 또는 상기 방사선이 더 작은 범위까지 생성되도록 구성되어야 한다. 동시에, 플라즈마로부터, 희토류 핼라이드들, 특히 모노핼라이드들의 분자 방사은, 특히 아크 냉각이 상기 플라즈마가 더 이상 충분하게 광적으로 두껍지 않게 되는 스펙트럼 범위의 방사에 의해 최소화된다는 사실 덕분에 최대 범위까지 진척되어야 한다. 본 예시적 실시예에서, 상기 스펙트럼 범위는 380nm로부터 대략 600nm까지 연장되고 그러므로 상대적으로 넓다. 이러한 넓은 범위들은, 그러나, 절대적으로 필수적인 것은 아니다.
상용 램프들은 현저히 20% 초과하는 라인 성분들을 증명한다. 도 18에 한 예시가 도시된다. 상기 예시는 타입 HCI-TS WDL 150W(제조업자 오스람)의 세라믹 방전관을 갖는 램프이며, 열 시간의 작동 이후에 적분구에서 스펙트럼으로 측정되었다. 상기는 원자 라인 성분에 대하여 35%의 AL 값을 유도한다. 도 10은 배경에 대하여 이미 기술된 구성된 곡선을 나타낸다.
도 19에 도시된 바와 같은 스펙트럼 분포를 갖는 타입 CDM-TD 942 150W(제조업자 필립스)의 세라믹 방전관을 갖는 다른 고압 방전 램프는 37%의 AL 값을 증명한다.
특히 바람직한 실시예에서, 분자-방사선-지배된, 바람직하게는 무-Hg 고압 방전 램프의 구현이 하기에서 기술될 것이며, 상기 램프는 넓은 전력 범위에 걸쳐서 우수한 효율 및 색 렌더링에 의해 특징지어진다.
지금까지, 예컨대 분자 방사체로서 TmI3의 단독 사용이 색 갭(ΔC)의 상대적으로 민감한 전력 종속성을 동반한다는 것이 증명되었다. ΔC=0인 작업 지점으로부터 전력의 작은 불일치들은 상대적으로 큰 ΔC 값들을 유도하고, 이는 전력이 증가함에 따라 양의 값들로부터 음의 값들로 매우 급격한 기울기로 전이된다. 유사한 반응이 또한 다른 희토류들의 경우에서 발견된다. 예컨대, 다른 한편으로, DyI3의 사용은 ΔC가 단면으로 전력이 증가함에 따라 - TmI3의 특성과 반대로 - 음의 값들로부터 양의 값들로 전이되게 하는 ΔC(P) 특성을 유도한다. 유사한 종속성이 색 온도들 Tn(P)에 대하여 유도된다. 소위 작업 지점(ΔC<2E-3) 부근에서 각각의 TmI3-함유 또는 DyI3-함유 램프들의 스펙트럼은 예컨대 도 12에 도시된다. 도 10 및 도 11은 ΔC 및 Tn에 대한 특성들을 나타낸다. 작업 지점의 영역은 점선들에 의해 도시된다.
추가의 예시적 실시예들이 도 13 내지 도 16에서 도시된다. 상기 예시적인 실시예들의 각각은 1바의 Xe, 2㎎의 AlI3, 0.5㎎의 TlI 그리고 희토류 금속의 핼라이드를 갖는 충전에 기초를 둔 세라믹 방전관을 갖는 고압 방전 램프를 동반한다. 상기 도면들은 희토류 금속들 CeI3, PrI3, NdI3, GdI3, DyI3, TmI3, YbI2, 및 HoI3의 반응을 나타낸다. 도 16은, 주로 Tm 및 Ho가 제1 그룹의 가능한 대표자이고, 여기서 색도 불일치(ΔC)가 전력이 증가함에 따라 감소하는데, 그 이유는 색도 불일치가 단면으로 ΔC에 대하여 0에 가까운 값들에 도달하거나 또는 단면으로 평평한 경사도를 갖기 때문인 것을 나타낸다. 상기 그룹의 다른 대표자들이 도 15에서 도시된다. 상기 대표자들은 특히 Pr, Ce 및 Nd뿐만 아니라 Yb이다. 주로 Dy 및 Gd는 제2 그룹의 가능한 대표자인데, 여기서 색도 불일치(ΔC)는 전력이 증가함에 따라 증가한다; 도 16 참조. 연관된 색 온도(켈빈 단위)가 도 13 및 도 14에 도시된다.
HoI3 및 또한 GdI3에 관련된 특정 예시적 실시예들이 도 10 및 도 11에서 설명된다. 세라믹 방전관을 갖는 고압 방전 램프는 1바의 Xe, 2㎎의 AlI3, 0.5㎎의 TlI 그리고 4㎎의 HoI3의 충전에 기초하여(예컨대 다이아몬드) 및 1바의 Xe, 2㎎의 AlI3, 0.5㎎의 TlI 그리고 4㎎의 GdI3의 충전에 기초하여(예컨대 별) 표현된다. 각각의 경우 0에 가까운 ΔC(P)(10-3 단위의 ΔC)이 특정되고(도 10 참조), 색 온도(Tn)(단위 K)가 특정된다(도 11 참조). 두 개의 변수들은 50 내지 300W의 범위에서 전력(P)에 따라 특정된다. 양쪽 요오드화물 모두는 전력 변동의 경우에서 색 갭 ΔC(P)의 평평한 프로파일을 증명한다. 단독으로 HoI3를 사용할 때, 색 온도는 특히 전력 변동에 따라 일정하다.
TmI3 및 DyI3의 적절한 조합이 특히 바람직한데, 상기 조합은 ΔC 및 Tn의 전력 종속성이 특히 높은 효율이 주어진다면 표적 방식으로 설정되는 것을 허용하기 때문이다. 적절한 조합은 유용하게도 25 내지 75mol%의 TmI3를 포함하는 혼합물이고, 나머지는 DyI3이다. 특히 바람직하게는, 45 내지 55mol%의 TmI3의 내용물이다. 1:1 혼합물을 갖는 특정 예시가 색도 불일치(ΔC)에 관하여 도 10에서 및 색 온도 변화에 관하여 도 11에서 도시된다. 우수한 결과들이 또한 TmI3 및 HoI3와 함께 DyI3가 사용되는 예시적 실시예에 의해 제공된다.
상기 두 그룹들의 분자 방사체들의 적절한 조합은, 도 15 및 도 16에서 볼 수 있는 바와 같이 0에 가까운 ΔC(P)(ΔC<2E-3)의 특히 평평한 프로파일에 의해 특징지어지는 스펙트럼을 유도한다. 거의 1:2의 전력 변동에 걸쳐서, 80㏐/W를 초과하는 조명 효율, Ra≥95의 색 렌더링, R9=74-95를 갖는 우수한 적색 렌더링 그리고 대략 3500K의 색 온도(Tn)가 달성될 수 있다; 도 13 내지 도 14를 참조하라. 도 17은 도 10 및 도 11에서 특정하게 기술된 바와 같은 Tm/Dy 혼합물을 이용한 고압 방전 램프의 방사 스펙트럼을 나타낸다.
예시적 실시예(도 1 참조)를 위해 사용된 원통형 세라믹 방전관의 가장 중요한 파라미터들은 내부 지름(d=9.1mm), 내부 길이(l=13mm) 및 전극 갭(a=10mm)이다.
램프들의 충전들은 모두 1바의 Xe(냉충전 압력), 2㎎의 AlI3, 0.5㎎의 TlI을 포함했다. 부가하여, 각각의 경우 4㎎의 TmI3, 4㎎의 DyI3, 그리고 각각, 2㎎의 TmI3+2㎎의 DyI3가 지배적 분자 방사체로서 램프들에 부가되었다. DyI3 대신에 또는 DyI3에 부가하여, GdI3가 바람직하게 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 방전관(1)을 갖는 고압 방전 램프로서,
    - 전극들(2),
    - 시동 가스로서 적어도 하나의 희가스,
    - 아크 전이 및 방전관 벽 가열을 위해 Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트, 및
    - 방사선의 생성을 위한 적어도 하나의 희토류 핼라이드를 포함하고,
    상기 고압 방전 램프는, 생성된 광이 분사 방사선을 특징으로 하도록 설계되는,
    고압 방전 램프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 희가스는 Xe, Ar, Kr로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 희가스인,
    고압 방전 램프.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 희가스의 냉충전 부분 압력이 500mbar 내지 5bar 사이에 있는,
    고압 방전 램프.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아크 전이 및 방전관 벽 가열 엘리먼트는 Al, In, Mg로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트인,
    고압 방전 램프.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 희토류 핼라이드는 Tm, Dy, Ce, Ho, Gd로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 엘리먼트를 포함하는,
    고압 방전 램프.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 아크 전이 및 방전관 벽 가열 엘리먼트, 및/또는 희토류 엘리먼트는 요오드화물 또는 브롬화물의 형태로 도입된,
    고압 방전 램프.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전관(1)은 방사 특성들에 관련되는 분량의 Na를 포함하지 않는,
    고압 방전 램프.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전관(1)은 방사 특성들에 관련되는 분량의 CaI2 또는 K를 포함하지 않는,
    고압 방전 램프.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전관(1)은 세라믹으로 구성되고, 색도 차이(ΔC)에 대하여
    Figure 112009012314868-PCT00004
    가 적용되는,
    고압 방전 램프.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    조명 효율(η)에 대하여 η>90㏐/W이 적용되는,
    고압 방전 램프.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    색 렌더링 인덱스(Ra)에 대하여 Ra≥90이 적용되는,
    고압 방전 램프.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    원자 라인 성분(AL)에 대하여 AL≤40%가 적용되고,
    Figure 112009012314868-PCT00005
    이 적용되며,
    V(λ)은 인간 눈의 광-적응된 시감도이고,
    Im(λ)은 0.35nm 내지 0.25nm의 해상도로 적분구의 측정에서 측정되거나, 또는 상대적으로 높은 측정 해상도에서 평균 값 생성에 의해 상기 범위에서의 해상도로 전환되는, 고압 방전 램프의 스펙트럼 강도 분포이고, 및
    Iu(λ)은 상기 측정된 강도 프로파일 Im(λ)의 연속적인 배경을 근사화하는 모델 함수이고,
    상기 모델 함수는,
    1. 각각의 파장 값 주변에서 30nm의 폭을 갖는 인터벌들로 존재하는 Im(λ)의 최소치들을 갖는 함수 Ih1(λ)의 결정에 의해,
    2. 각각의 파장 값 주변에서 30nm의 폭을 갖는 인터벌들로 존재하는 Ih1(λ)의 최대치들을 갖는 추가의 함수 Ih2(λ)의 결정에 의해, 및
    3. 각각의 파장 값 주변에서 30nm의 폭을 갖는 인터벌들로 존재하는 Ih2(λ)의 각각의 산술 평균들을 갖는 함수 Iu(λ)의 결정에 의해, 결정되는,
    고압 방전 램프.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 방전관(1)은 세라믹으로 구성되고,
    AL에 대하여 AL≤20%가 적용되는,
    고압 방전 램프.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 방전관(1)은 석영 유리로 구성되고,
    AL에 대하여 AL≤30%가 적용되는,
    고압 방전 램프.
  15. 조명 시스템으로서,
    제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 고압 방전 램프, 및
    상기 고압 방전 램프를 작동시키기 위한 전자식 안정기를 구비한,
    조명 시스템.
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