KR20090094746A - 자외선 조사용 광원 - Google Patents

Abstract

팁을 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 방전 램프를 수냉 재킷 내에 배치하는 자외선 조사용 광원에 있어서, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분의 방향과 그 부분의 실투의 관계에 대한 지견을 얻음과 함께, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분에 실투를 일으키지 않는 자외선 조사용 광원을 제공하는 것이다.

방전 램프는, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 하여 냉각 재킷 내에 배치한다. 또한, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분은, 그 램프의 중심으로부터 연직 방향을 0°로 하여 ±45°의 범위 내인 것이 바람직하다.

Description

자외선 조사용 광원 {LIGHT SOURCE FOR ULTRAVIOLET IRRADIATION}

본 발명은, 내부에 냉각용 유체가 흘러 통과함으로써 방전 램프를 냉각하는 냉각 재킷을 구비한 자외선 조사용 광원에 관한 것이다.

자외선을 포함하는 광을 방사하는 램프를 이용하여, 보호막, 접착제, 도료, 잉크, 레지스트, 수지, 배향막 등의 경화, 건조, 용융, 연화, 개질 등의 처리를 행하는 것이, 각 분야에서 널리 행해지고 있다. 이러한 용도에 사용되는 자외선을 방사하는 램프는, 구체적으로는, 높은 광출력을 얻을 수 있는, 고압 수은 램프나 메탈할라이드램프 등의 롱 아크 타입(봉형상)의 방전 램프이며, 봉형상의 발광관(이하 봉체(封體)라고도 한다)의 내부에는 한 쌍의 전극이 대향 배치됨과 함께, 예를 들면 수은이나 그 외의 금속 등이 필요에 따라 봉입되어 있다.

상기 방전 램프에서는, 피처리물에 대해서 높은 출력으로 광을 조사하는 것이 요구되고 있으며, 램프로의 입력 전력을 올리기 위해, 내관과 외관으로 이루어지는 개략 원통 형상의 자외선 투과성을 가지는 2중 관형의 냉각 재킷의 내부에 방전 램프를 수용한 자외선 조사용 광원으로서 사용하고 있다(예를 들면 특허 문헌 1, 특허 문헌 2 참조). 이 자외선 조사용 광원은, 냉각 재킷에 의한 냉각을 하지 않고 사용하면, 발광관의 온도는 1000℃ 이상에 이르러 발광관이 과열되어 실투(失透)하기 때문에 램프 입력을 작게 해야 한다. 그러나, 냉각 재킷을 사용함으로써, 냉각하지 않는 램프 혹은 공랭만으로 점등하는 것보다도, 발광관의 온도를 낮게 할 수 있고 큰 전력을 투입할 수 있게 되어, 높은 자외선 출력을 실현할 수 있다.

도 3(a)은, 종래 기술에 관련된 2중 관형의 냉각 재킷을 구비한 자외선 조사용 광원의 개략 구성을 나타내는 사시도, 도 3(b)는 도 3(a)에 나타내는 자외선 조사용 광원의 A－A단면도이다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 냉각 재킷이 수냉식이기 때문에, 간단하게 수냉 재킷으로 칭한다.

이들 도에 나타내는 바와 같이, 봉형상의 램프(100)에 2중 관형의 수냉 재킷(101)이 부착되어 있다. 수냉 재킷(101)은, 원통 형상의 내관(102)과 외관(103)으로 구성되며, 냉각수 입구(108)로부터 내관(102)과 외관(103) 사이에 냉각 매체, 예를 들면, 냉각수가 흐르고 냉각수 출구(109)로부터 배출되도록 구성되어 있다. 상기한 바와 같이, 램프(100)는, 자외선을 효율 좋게 방사하는 봉형상의 고압 수은 램프나 메탈할라이드램프가 이용되며, 램프 내부의 양단에 한 쌍의 방전 전극(105, 106)을 구비하고, 전극(105, 106) 양단에 전력 공급용의 리드선(107)을 통하여 전력이 공급되고 있다.

램프(100)는 내관(102) 내에 삽입되고, 램프(100)와 내관(102) 사이에는 미리 설정된, 예를 들면, 0.5㎜에서 1㎜ 정도의 공기층(108)이 형성되어 있다. 램프 점등시, 내관(102)과 외관(103)의 수냉층(104)에 냉각수가 흐르고, 램프(100)로부터의 광은, 이 수냉층(104)을 통하여 도시하지 않은 피처리물에 조사된다.

이러한 자외선 조사용 광원에 있어서, 수냉 재킷(101)에는, 크게 2개의 기능이 있다.

하나는, 점등 중의 램프(100)를 냉각하여 적절한 온도로 유지하는 것이다. 점등시의 램프(100)의 발광관의 온도는, 발광관 내의 수은이나 금속을 증발시키기 때문에 450℃~900℃가 적절하다고 할 수 있다. 450℃ 이하가 되면, 램프(100)에 봉입된 수은 등의 금속이 증발하지 않게 되어 불점등을 일으킨다. 또, 900℃ 이상이 되면, 발광관을 구성하는 석영이 실투된다.

램프(100)의 열은, 램프(100)와 내관(102) 사이의 공기층(108)을 통하여 수냉 재킷(101)에 전해지고, 수냉 재킷(101)의 내관(102)과 외관(103) 사이에 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다.

이와 같이, 수냉 재킷(101) 내를 흐르는 냉각수는 램프(100)의 과열을 방지하지만, 공기층(108)을 통하여 간접적으로 냉각되기 때문에, 발광관의 온도를, 램프 내부의 금속이 증발하지 않게 되는 낮은 온도로까지 낮추는 일은 없으며, 수냉 재킷(101)을 흐르는 냉각수는, 램프(100)의 발광관을 적절한 온도로 유지하도록 기능한다.

다른 하나의 기능은, 램프(100)로부터 피처리물로의 열의 영향을 작게 하는 것이다.

우선, 수냉층(104)은, 상기한 450℃~900℃의 발광관으로부터의 복사열을 흡수한다. 또, 램프(100)로부터 방사되는 광 중에 포함되는, 자외선 처리에 불필요한 가시에서 적외에 걸친 광의 성분을 흡수한다. 이 작용에 의해, 피처리물로의 가열 을 작게 억제할 수 있다.

내관(102)과 외관(103)의 간격, 즉, 수냉층(104)의 두께는, 두꺼울수록 피처리물로의 가열의 영향을 작게 할 수 있지만, 너무 두꺼우면 처리에 필요한 자외선이 투과하는 비율도 줄어들므로, 이들을 생각하여 적절히 설정되어 있다.

상기한 바와 같이, 램프(100)로서, 출력이 크고 처리 시간을 짧게 할 수 있는 봉형상의 고압 수은 램프나 메탈할라이드램프 등이 사용되지만, 이러한 램프의 발광관(봉체)에는, 통상, 팁으로 불리는, 램프의 제조 공정에 있어서 사용되는 가스 배기관(구체적으로는, 발광관 내부에 필요한 가스를 도입함과 함께, 내부를 소정의 압력으로 조정하기 위한 관)의 잔류부가, 램프의 발광관의 외표면으로부터 1㎜ 정도 돌출하는 형태로 존재한다.

그러나, 이러한 팁이 발광관의 외표면으로부터 돌출되어 있으면, 램프를 수냉 재킷 내에 배치할 때, 램프와 수냉 재킷 내관의 간격이 제한된다. 즉, 팁이 발광관으로부터 돌출되어 있는 높이 이하로 램프를 수냉 재킷의 내벽에 접근시킬 수 없기 때문에, 높은 입력으로 점등시키는 램프를 충분히 냉각하지 못할 경우가 있다.

그 때문에, 특허 문헌 3에 있어서는, 냉각 재킷 내에 수납하는 램프에 대해서, 팁을 발광관 내에 밀어 넣어, 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 구성하는 것이 기재되어 있다.

도 4에, 냉각 재킷 내에 수납한, 팁을 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 방전 램프의, 팁이 형성되어 있는 부분의 확대도 를 나타낸다. 또한, 그 도면은, 봉형상의 방전 램프의 길이 방향을 따라 절단한 단면도이다.

도 4를 이용하여 팁을 발광관 내로 밀어 넣는 순서를 나타낸다.

팁(T)은, 램프의 발광관(봉체)(110) 내부로의 필요한 가스의 도입과 내부의 압력 조정을 위한 배기 후에 봉하여 절단된다. 이 단계에서는, 팁(T)은 발광관의 외표면으로부터 돌출되어 있다.

그 때문에, 이에 이어, 팁(T)의 주변부(B)를 가열하여 부드럽게 하여, 팁(T)을, 그 외표면이 발광관으로부터 돌출하지 않는 곳까지 발광관(110)의 내측을 향하여 밀어 넣는다.

그 때문에, 실제로는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 팁의 주변부(B)(점선으로 둘러싼 부분)는, 팁(T)을 밀어 넣은 만큼만 발광관(110) 내로 들어가고, 따라서 발광관(110)의 외표면보다도 1㎜정도 내측이 된다.

특허 문헌 1: 일본 공개특허 공보 소61－158453호

특허 문헌 2: 일본 공개특허 공보 소56－155765호

특허 문헌 3: 일본 공개실용신안 공보 소60－11270호

이러한 팁을 발광관 내로 밀어 넣어 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 한 램프를 수냉 재킷 내에 삽입하여 점등했는데, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분의 방향에 따라, 팁이 형성되어 있는 부분에 실투가 생기는 것을 알았다.

종래, 방전 램프를 수냉 재킷 내에 배치하는 자외선 조사용 광원에 있어서, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분의 방향과 그 부분의 실투의 관계에 대해서는 알려져 있지 않다.

본 발명은, 상기 문제점을 고려하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은, 팁을 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 방전 램프를 수냉 재킷 내에 배치하는 자외선 조사용 광원에 있어서, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분의 방향과 그 부분의 실투의 관계에 대한 지견을 얻음과 함께, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분에 실투를 일으키지 않는 자외선 조사용 광원을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 있어서, 방전 램프는, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 하여 냉각 재킷 내에 배치한다.

상기 「중력 방향 하방」의 범위로서는, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이, 그 램프의 중심으로부터 연직 방향 하방을 0°로 하여 ±45°의 범위인 것이 바람직하다.

상기 배경 기술에 있어서 서술한 바와 같이, 팁, 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 밀어 넣으면, 팁의 주변부는, 그에 따라 들어가, 발광관의 외표면보다도 1㎜ 내측이 된다.

따라서, 이러한 램프를 냉각 재킷 내에 배치하면, 램프의 팁의 주변부(도 4에 있어서의 B부)는, 발광관의 외표면보다도, 냉각 재킷 내관으로부터 멀어진다. 그 때문에, 램프 점등시, 팁의 주변부의 온도는, 발광관의 외표면의 온도보다도 높아진다.

발명자는, 예의 검토한 결과, 특히, 램프 점등시에 방전 전극간에 생기는 아크는 발광관 내의 대류에 의해 중력 방향 상방으로 올라가므로, 발광관의 온도는 상측이 높아지기 쉬워, 냉각 재킷과의 간격이 조금이라도 넓어지면, 온도가 급격하게 상승하는 것을 발견했다. 예를 들면, 발광관의 상측의 온도는 발광관의 외표면이 냉각 재킷으로부터 1㎜ 멀어지는 것만으로 약 300℃ 상승한다.

상기한 바와 같이, 램프 점등 중의 발광관의 온도는 450℃~900℃가 적절하며, 그 온도 범위가 되도록 램프의 발광관과 수냉 재킷 내관의 간격이 설정된다. 이 때, 램프를, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분을 중력 방향에 대해 상방이 되도록 하여 배치하면, 상기와 같이, 팁의 주변부는 발광관의 외표면에 대해서 약 1㎜ 패여 있으므로, 예를 들면 발광관의 온도가 약 700℃여도, 팁 주변부의 발광관 내부로 들어간 부분의 온도는 약 1000℃가 되어, 적절한 온도 범위를 넘으므로 실투의 원인이 된다.

이에 반해 발광관의 하측은 반대로 아크로부터 멀어진다. 그 때문에, 발광관의 하측의 온도는 상측에 비해 낮아지고, 발광관이 냉각 재킷 내관으로부터의 거리가 1㎜ 멀어져도, 온도는 50°정도 밖에 상승하지 않는다.

따라서, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분을 중력 방향 하방로 하여 램프를 냉각 재킷 내에 배치하면, 발광관의 온도가 700℃이면, 팁 주변부의 발광관 내부로 들어간 부분의 온도는 높아졌다고 해도 750℃이며, 램프의 발광관의 온도는 적절한 온도 범위로 유지된다.

본 발명에 있어서는, 팁을 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 방전 램프를, 냉각 재킷 내에, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 배치했으므로, 램프의 실투를 방지할 수 있었다.

도 1에, 냉각 재킷 내에 배치한 봉형상의 방전 램프에 있어서, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분의 위치와, 램프 점등시의 팁 주변부(도 4에 있어서의 B부)의 온도의 관계를 나타낸다.

그 도면의 가로축은 램프의 점등 시간(초)이며, 세로축은 온도(℃)이다. 팁 주변부의 온도를, 팁의 위치가 램프의 중심으로부터 연직 방향 하방을 0°로 하고, 0°, 30°, 45°, 90°, 180°의 5종류에 있어서, 램프의 입력 전력이 120W/cm(대기 상태의 전력)인 경우와 200W/cm(정격)인 경우에 대해서 측정했다. 또한, 램프 발광관 외표면(팁이 형성되어 있는 부분 이외의 개소)과 냉각 재킷의 내벽의 간격은 0.5㎜이다.

그 도면에 나타내는 바와 같이, 팁의 위치가 180°, 즉 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 상방이 되도록 램프를 배치한 경우, 입력이 120W/cm, 200W/cm 중 어느 경우에 있어서나, 팁 주변부의 온도가, 램프 점등시의 발광관의 적절한 온도 범위의 상한인 900℃을 넘었다.

또, 팁의 위치가 90°, 즉 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 가로 방향이 되도록 램프를 배치한 경우, 입력이 120W/cm인 경우는 적절한 온도 범위에 있지만, 200W/cm인 경우는 900℃을 넘었다.

이에 반해, 팁의 위치가 45°인 경우, 즉 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 램프를 배치한 경우, 입력이 120W/cm인 경우뿐만 아니라 200W/cm인 경우에 있어서도 900℃을 넘는 일이 없으며, 팁 주변부의 온도는 450°~900℃의 적절한 온도 범위에 들었다.

마찬가지로 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방인, 0°나 30°인 경우에 있어서도, 120W/cm, 200W/cm 중 어느 입력에 있어서나, 팁 주변부의 온도는 450°~900℃의 적절한 온도 범위에 들었다.

따라서, 램프는, 냉각 재킷 내에, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 배치함으로써 실투를 방지할 수 있고, 또, 그 팁이 형성되어 있는 위치의 방향은, 램프의 중심으로부터 연직 방향 하방을 0°로 하여 ±45°의 범위가 되도록 배치하는 것이 바람직하다고 생각된다.

도 2는, 냉각 재킷 내에, 발광관에 형성되어 있는 팁을 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 램프를, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 배치한, 본 발명의 자외선 조사용 광원을 나타내는 도이다. 또한 그 도면은, 봉형상 램프의 길이 방향을 따라 절단한 단면도이다.

냉각(수냉) 재킷(20)은, 자외선을 투과하는 석영 유리로 이루어지는 외관(21) 및 내관(22)과, 그 양단에 배치되는 한 쌍의 재킷 홀더(23A, 23B)와, 재킷 홀더 내에 있어서 냉각용 유체(H)(예를 들면 냉각수)를 액밀하게 유지하기 위해 O링(24A, 25A, 24B, 25B)을 구비하여 구성되어 있다.

재킷 홀더(23A, 23B)는, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 석영 유리로 이루어지는 외관(21) 및 내관(22)의 단면과 맞닿아 양자의 축방향의 위치를 규정함과 함께, 냉각용 유체(H)가 흐르는 외관(21)과 내관(22)의 간격도 규정한다.

또한, 재킷 홀더(23A, 23B)에는, 냉각용 유체(H)의 도입구(26)와 배출구(27)가 형성되어 있다.

또, 재킷 홀더(23A, 23B)에는, 다리 부재(201A, 201B)가 부착되고, 다리 부재(201A, 201B)에 의해, 수냉 재킷(20)은, 자외선 조사 장치의 베이스 플레이트나 프레임에 고정된다.

봉형상의 방전 램프(이하 램프라고도 한다)(100)는, 예를 들면 고출력의 고압 수은 램프나 메탈할라이드램프이다. 석영 유리로 이루어지는 봉형상의 발광관(봉체라고도 한다)(11)의 내부에, 예를 들면, 텅스텐으로 이루어지는 한 쌍의 전극(12A, 12B)이 대향 배치되어 있고, 방전 가스로서의 아르곤 가스 및 발광 물질로서의 수은이 봉입되어 있다. 또한, 메탈할라이드램프인 경우, 수은 외에 금속 화합물을 적당량 봉입한다.

발광관(11)은, 예를 들면 전체 길이가 320㎜이며, 발광부의 길이(즉, 전극간의 거리)는 200㎜이다. 또한, 본 실시 형태에 관련된 방전 램프(100)에서는, 팁(T)부분 이외의 발광부의 영역에 있어서는, 발광관(11)의 직경은 변위하는 일 없이 직관 형상으로 형성된 것이다.

램프(100)의 양단에는 세라믹스제의 베이스(13)가 장착되어 있다. 베이스(13)로부터는, 전극(12A, 12B)에 전력을 공급하는 리드선(14)이 나와 있다.

램프(100)의 베이스(13)는 램프 홀더(30A, 30B)에 삽입되어, 고정 나사(31A, 31B)에 의해 고정된다. 그리고, 램프 홀더(30A, 30B)는, 나사(32A, 32B)에 의해, 재킷 홀더(23A, 23B)에, 램프(100)와 내관(22)의 간격이 미리 설정된 폭이 되도록 고정된다.

이상에 의해, 램프(100)가 냉각 재킷(20) 내에 유지 고정된다.

냉각 재킷(20) 내에, 발광관(11)의 팁(T)이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방(램프의 중심으로부터 연직 방향 하방을 0°로 하여 ±45°의 범위)이 되도록, 램프(100)를 배치하기 위한, 구체적인 순서를 이하에 나타낸다.

배경 기술에 서술한 바와 같이 하여 팁(T)을 발광관(11)의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 램프(100)의 길이 방향 양단에, 베이스(13)를 접착제에 의해 부착한다. 베이스(13) 부착 후, 베이스(13)의 양단에 팁(T)의 위치를 나타내는 마킹(M)을 실시한다.

수냉 재킷(20)은, 상기와 같이, 재킷 홀더(23A, 23B)에 다리 부재(201A, 201B)를 통하여 베이스 플레이트나 장치의 프레임에 부착된다. 따라서, 수냉 재킷(20)의 상하 방향은, 재킷 홀더(23A, 23B)에 부착하는 다리 부재(201A, 201B)의 위치에 의해 정해진다. 즉, 재킷 홀더(23A, 23B)는, 다리 부재(201A, 201B)의 위치에 의해 그 상하 방향이 정해져 있다.

또, 램프 홀더(30A, 30B)는 재킷 홀더(23A, 23B)에 나사(32A, 32B)에 의해 고정되므로, 램프 홀더(30A, 30B)는, 재킷 홀더(23A, 23B)와, 나사(32A, 32B)의 나사 구멍의 관계에서, 그 상하 방향이 정해져 있다.

한편, 램프(100)는, 베이스(13)를 램프 홀더(30A, 30B)에 삽입하여, 고정 나사(31A, 31B)를 조임으로써 고정되지만, 상기한 바와 같이, 램프 홀더(30A, 30B)는, 재킷 홀더(23A, 23B)와의 관계에서 그 상하 방향이 정해져 있으므로, 베이스(13)에 형성한 마킹(M)을 보면서, 팁(T)의 위치가 램프 홀더(30A, 30B)의 하방향이 되도록, 램프를 관축의 둘레로 회전시켜, 고정 나사(31A, 31B)에 의해 고정한다.

이상으로, 발광관(11)의 팁(T)이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록, 램프(100)를 냉각 재킷(20) 내에 배치할 수 있다.

도 1은 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분의 위치와 팁 주변부의 온도의 관계를 나타내는 도이다.

도 2는 본 발명의 자외선 조사용 광원을 나타내는 도이다.

도 3은 종래의 냉각 재킷을 구비한 자외선 조사용 광원의 개략 구성을 나타내는 도이다.

도 4는 팁을 움푹 들어가게 한 방전 램프의, 팁이 형성되어 있는 부분을 확대하여 나타내는 도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 봉형상의 방전 램프 11 발광관(봉체)

12A, 12B 전극 13 베이스

14 리드선 20 냉각(수냉) 재킷

201A, 201B 다리부 21 외관

22 내관 23A, 23B 재킷 홀더

24A, 24B O링(대) 25A, 25B O링(소)

26 도입구 27 배출구

30A, 30B 램프 홀더 31A, 31B 고정 나사

32A, 32B 나사 T 팁

B 팁의 주변부 M 마킹

H 냉각용 유체(냉각수)

Claims (2)

1. 발광관에 형성되어 있는 팁을 그 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 방전 램프를, 내관과 외관 사이에 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 재킷 내에 배치한 자외선 조사용 광원으로서, 상기 방전 램프는, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이 중력 방향 하방이 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자외선 조사용 광원.
2. 발광관에 형성되어 있는 팁을 그 발광관의 외표면으로부터 돌출하지 않도록 움푹 들어가게 한 봉형상의 방전 램프를, 내관과 외관 사이에 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 재킷 내에 배치한 자외선 조사용 광원으로서, 상기 방전 램프는, 발광관의 팁이 형성되어 있는 부분이, 그 램프의 중심으로부터 연직 방향 하방을 0°로 하여 ±45°의 범위가 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자외선 조사용 광원.

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