KR20110088363A

KR20110088363A - 방전 램프

Info

Publication number: KR20110088363A
Application number: KR1020100126277A
Authority: KR
Inventors: 아키히로 시미즈; 도모요시 아리모토; 미츠루 이케우치
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-08-03
Also published as: US20110181181A1; CN102142353A; JP2011154927A; JP5316436B2; US8390198B2; TWI438819B; DE102011009597A1; KR101348475B1; TW201126565A; DE102011009597B4; CN102142353B

Abstract

(과제)
토리탄의 사용량을 줄임과 더불어, 아크 안정성과 긴 수명성에 뛰어난 방전 램프를 제공하는 것.
(해결 수단)
방전 용기(1)의 내부에 양극(4)과 음극(5)을 가지는 방전 램프에 있어서,
상기 음극(5)은, 텅스텐 충전율이 90% 이상인 토리탄부(7)와, 이 토리탄부(7)에 이어지는 순 텅스텐으로 이루어지는 본체부(6)로 구성되고,
상기 토리탄부(7)의 측면적 S_T와, 상기 음극(5)의 측면적 S의 비율 S_T/S가 0.005 이상 0.15 이하인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
단, 음극(5)의 측면적 S는, 음극(5)의 양극측 선단으로부터의 길이를 최대 직경의 2배까지로 한다.

Description

방전 램프{DISCHARGE LAMP}

본 발명은 방전 램프에 관한 것이다. 특히, 음극에 토륨(Th)을 이미터로서 사용한 방전 램프에 관한 것이다.

종래부터 액정이나 반도체의 노광 장치에는 광원으로서 고압 수은 램프가 사용되고 있으며, 또, 영사기의 광원에는 크세논램프가 사용되어 왔다. 이들 방전 램프는, 점등 중에 아크가 안정되는 점(아크 안정성), 및, 장시간에 걸쳐 일정한 조도를 유지할 수 있는 점(긴 수명성)이 요구된다. 이러한 요구에 응하기 위해서, 램프의 전극도, 점호성이나 내소모성에 뛰어난 재료가 필요하게 되고, 특히, 음극의 재료에는, 텅스텐(W)에 산화 토륨(ThO₂)을 함유시킨, 이른바 토륨 함유 텅스텐(ThO₂-W, 이하, 「토리탄」이라고도 한다)가 사용되어 왔다(특허 문헌 1).

그러나, 최근에는 환경 부하의 관점으로부터 토리탄과 같은 방사성 물질의 사용에 대한 제한이 주목되고 있다. 그 한편으로, 방전 램프로서, 상기 아크 안정성과 긴 수명성은 당연하면서 필요시 된다.

(특허 문헌 1) 일본국 특허 공고 소 42－27213

이 발명이 해결하려고 하는 과제는, 토리탄의 사용량을 줄임과 더불어, 아크 안정성과 긴 수명성에 뛰어난 방전 램프를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 이 발명에 따른 방전 램프는 방전 용기의 내부에 양극과 음극을 가지는 구조에 있어서, 음극은, 텅스텐 충전율이 90% 이상인 토리탄부와, 이 토리탄부에 이어지는 순 텅스텐으로 이루어지는 본체부로 구성되고, 상기 토리탄부의 측면적 S_T와 상기 음극의 측면적 S의 비율 S_T/S가 0.005 이상 0.15 이하인 것을 특징으로 한다. 단, 음극의 측면적 S는, 음극의 양극측 선단으로부터의 길이가 음극의 최대 직경의 2배까지의 범위로 한다.

또한, 상기 토리탄부와 상기 본체부는 확산 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방전 램프는, 토리탄부의 측면적 S_T와 음극의 측면적 S의 면적비 S_T/S를 0.005 이상 0.15 이하인 음극을 채용함으로써 토리탄의 사용을 저감할 수 있음과 더불어, 또한, 토리탄부의 텅스텐 충전율을 90% 이상으로 함으로써 아크 안정성과 긴 수명성에 뛰어난 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방전 램프는, 토리탄부와 본체부를 확산 접합함으로써, 토리탄부에 함유하는 산화 토륨(ThO₂)을 거의 환원하지 않고 본체부에 접합할 수 있다. 또, 확산 접합에서는, 텅스텐의 융점보다 낮은 온도로 접합할 수 있기 때문에, 토리탄부나 본체부의 조직을 유지할 수 있고, 음극 성능에 영향을 주지 않는데다가 접합 후도 절삭 가공할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 방전 램프의 구성을 나타낸 설명용 단면도
도 2는 방전 램프의 음극을 축방향으로 절단한 확대 단면도
도 3은 방전 램프의 음극을 축방향으로 절단한 확대 단면도

도 1은 본 발명에 따른 방전 램프의 실시예를 나타낸다. 도면은, 설명의 편의상 방전 용기(1)의 발광부(2)만 내부 구조를 나타냈는데, 시일링부(3)는 내부 구조를 나타내지 않았다.

방전 램프는, 전체가 석영 유리제의 방전 용기(1)로 이루어지고, 개략 구형상의 발광부(2)와 그양단에 연속하여 형성되는 시일링부(3)로 구성된다. 발광부(2)의 내부에는, 양극(4)과 음극(5)이, 방전 용기(1)의 관축 방향으로 신장되도록 배치되어 있으며, 양 전극의 선단은 수 밀리미터의 간극을 통해 대향 배치하고 있다. 또, 발광부(2)의 내부 공간에는, 발광 물질 혹은 발광용 가스가 봉입되어 있다. 예를 들면, 액정이나 반도체의 노광 장치의 광원인 고압 수은 램프의 경우는, 수은(Hg) 및 버퍼 가스로서 크세논(Xe) 가스 또는 아르곤(Ar) 가스가 봉입되어 있다. 또, 영사기의 광원인 크세논 램프의 경우는 크세논 가스가 봉입되어 있다. 고압 수은 램프에 대해 일례를 들면, 수은의 봉입량은 1∼70mg/cm³이며, 크세논 가스의 봉입량은 0.05∼0.5MPa이다. 양극(4)은 예를 들면 텅스텐 함유율이 99.9 중량% 이상인 순 텅스텐에 의해 전체가 형성된다. 음극(5)에 대해서는 후술한다.

이러한 구성의 방전 램프에 있어서, 예를 들면 20kV의 고전압이 전극간에 인가되면, 전극간에 절연 파괴가 발생하고, 방전 아크가 형성되어 램프가 점등한다. 고압 수은 램프의 경우는 파장 365nm의 i선이나 파장 435nm의 g선을 포함하는 광을 주로 선 스펙트럼의 광을 방사하고, 크세논 램프의 경우는 파장 300nm으로부터 파장 1100nm의 연속 스펙트럼의 광을 방사한다.

도 2는, 도 1에 나타낸 방전 램프의 음극(5)의 확대도이며, 특히, 축방향으로 절단한 단면구조를 나타낸다.

음극(5)은, 순 텅스텐으로 이루어지는 본체부(6)와, 이 본체부(6)의 양극측 선단에 설치된 토리탄부(7)로 전체가 구성된다.

본체부(6)는, 텅스텐 함유율이 99.9 중량% 이상인 순 텅스텐으로 이루어지고, 양극측 선단을 향해 서서히 끝이 가늘어지는 대략 원추대 형상의 테이퍼부(61)와, 이 테이퍼부(61)의 후단에 이어지는 대략 원주 형상의 동부(62)가 일체적으로 형성되어 있다.

토리탄부(7)는, 텅스텐(W)을 주성분으로 하여, 이미터(역전자 방사성 재료)로서 산화 토륨(ThO₂)을 함유한다. 즉, 토륨 함유 텅스텐(ThO₂-W, 이하, 「토리탄」이라고도 한다)이다. 구체적으로는, 산화 토륨의 함유율은 2중량％이다. 또, 토리탄부(7)의 형상은 전체가 대략 원추대 형상으로서, 원추대의 선단면은 양극(4)의 선단에 대향 배치함과 더불어, 원추대의 후단면은 본체부(6)의 테이퍼부(61)의 선단면과 확산 접합되어 있다. 또, 토리탄부(7)의 측면은, 본체부(6)의 테이퍼부(61)의 측면 경사에 이어지도록 한 동일한 경사를 가지고 있으며, 본체부(6)의 테이퍼부(61)와 토리탄부(7)에 의해 전체적으로 음극 선단의 원추대 형상이 구성되어 있다.

여기서, 음극(5)에 대해 토리탄부(7)가 존재하는 영역은, 방전 아크가 형성되는 영역 혹은 그 근방이며, 아크에 의한 가열의 영향을 직접 받는 영역이다. 이 때문에, 램프 점등 중에는 토리탄부(7)에 포함되는 산화 토륨은, 환원되어 토륨 원자가 되고, 토리탄부(7)의 내부 혹은 외표면이 확산되고, 보다 선단 방향으로 이동한다. 이 때문에, 토리탄부(7)가 존재하는 영역이, 음극 전체 중에서 선단의 한 영역에만 한정되어 있다고 해도, 음극(5)의 선단에 토륨을 항상 양호하게 공급시키는 것이 가능해진다. 결과적으로, 일함수를 작게 할 수 있음과 더불어, 점호성, 내소모성에 뛰어난 것을 실현할 수 있다.

또, 램프 점등 중에는 고온에 의해 토리탄부(7)에 포함되는 토륨도 증발한다. 그러나, 토륨은, 아크 중에서 토륨 이온(Th^＋)으로 전리(電離)하고, 자신의 극성에 의해 음극 방향으로 끌어 당겨진다. 결과적으로, 토륨은, 아크 중에 있어서의 증발, 토륨 이온으로의 전리, 음극(5)으로의 귀환이라고 하는 사이클을 반복하기 때문에, 토륨의 소모를 억제할 수도 있다.

한편, 종래 기술로 설명한 음극(5)의 경우는, 토륨이 음극(5)의 선단 이외의 영역으로부터도 증발하기 때문에, 아크 중에 나아가지 않는 토륨이 다수 발생하고, 상기 전리는 그만큼 기대할 수 없다. 그리고, 토륨이, 방전 용기(1)의 내벽에 부착되면 백탁을 일으켜, 결과적으로, 방사광이 차단되어, 조도 저하를 일으켜 짧은 수명의 원인이 된다. 본 발명은, 토리탄부(7)의 존재 영역을 음극(5)의 선단 부분에만 한정함과 더불어, 또한, 후술하는 실험에 의해, 음극 전체의 측면적에 대한 비율로서 규정함으로써, 상기 순환에 기여하지 않는 토륨의 증발을 저감시키고 있다.

또한, 상기한 바와 같이 음극(5)으로부터 증발한 토륨은, 토륨 이온이 되어 다시 음극(5)으로 귀환한다. 그러나, 음극(5)의 온도가 과잉으로 상승한 경우는, 토륨 원자는 방전 공간 중에서 온도가 낮은 방전 용기(1)의 내표면에 부착되고, 방전 용기(1)를 구성하는 재료인 시리카(SiO₂)와 반응하여 화합물(백탁)을 생성한다. 본 발명은, 이러한 문제도 해결하기 위해서, 산화 토륨이 포함되는 토리탄부(7)의 열전도성을 높임으로써 음극 선단의 과잉의 온도 상승을 억제하는 것이다.

구체적으로는, 토리탄부(7)는, 텅스텐 충전율 90% 이상으로 하고 있다. 특히, 입력 전력치가 1kW이상인 방전 램프에 있어서는, 상기 백탁 발생에 더하여, 높은 열부하에 견딘다는 관점으로부터도 열전도율을 높일 필요가 있다. 또한, 엄밀하게는 토리탄부(7)에는 산화 토륨도 포함하기 때문에, 텅스텐의 열전도율 뿐만 아니라 산화 토륨의 열전도율도 고려할 필요가 있는데, 산화 토륨의 열전도율은, 텅스텐 단체(單體)의 열전도율에 비해 현격하게 작기 때문에, 텅스텐 충전율로 토리탄부(7)의 열전도성의 지표로 할 수 있다. 본원 발명은, 토리탄부(7)의 텅스텐 충전율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 것이며, 열전도율이 높다는 점에서 「고열전도 토리탄」이라고도 칭한다. 본원 발명은, 음극(5)에 있어서의 토리탄부(7)의 비율(측면적에서의 비율) 뿐만 아니라, 토리탄부(7)의 텅스텐 충전율까지 규정함으로써, 아크 안정성과 긴 수명성을 달성할 수 있는 것이다. 따라서, 만일, 음극(5)의 선단부만 토리탄을 설치한 구조가 이미 존재하고 있었다고 해도, 텅스텐 충전율이 낮은 것이라면, 원하는 열전도 특성을 발휘하지는 못하고, 결과적으로, 음극 선단으로부터의 과잉의 토륨의 증발과, 방전 용기(1)의 백탁의 문제가발생할지도 모른다.

여기서, 텅스텐의 충전율 P는 「P=a(1－x)/19.3」으로 나타난다. 토리탄부(7)를 구성하는 토리탄의 밀도(g/cm³)를 a, 산화 토륨의 토리탄에 대한 중량비를 x, 텅스텐의 밀도(g/cm³)를 19.3으로 하고 있다. a(1－x)는, 토리탄 1cm³ 당 차지하는 텅스텐의 질량이며, 그것을 텅스텐의 밀도 19.3(g/cm³)에 의해 제거한 충전율 P는, 토리탄에 차지하는 텅스텐의 체적 비율을 의미한다. 상술한 바와 같이 토리탄에 있어서의 열전도는 거의 텅스텐에 의거하기 때문에, 텅스텐이 차지하는 체적 비율, 즉 충전율 P가 클수록, 토리탄의 열전도성은 좋다.

다음에, 본 발명에 따른 방전 램프의 음극(5)의 제조 방법에 대해 그 일례를 설명한다.

우선, 본체부(6)는 원주 형상의 텅스텐의 측부를 깍음으로써 테이퍼부(61)를 형성시킨다. 한편, 토리탄부(7)는, 이미터 분말(산화 토륨의 분말)과 텅스텐 분말의 혼합 분말을 금형에 넣어 프레스하여 1차 성형체를 생성하고, 이 1차 성형체를 소결시킨다. 이 때, 텅스텐의 충전율을 높이기 위해서, 소결재에 대해서 열간 가공을 실시한다. 구체적으로는, 고온에 가열한 소결재를 해머 등으로 스웨이지한다. 그리고, 텅스텐 충전율이 90% 이상이 된 상태에 있어서, 이 소결체를 깎아서 원하는 형상, 예를 들면 원추 형상으로 한다.

다음에, 본체부(6)와 토리탄(7)을 접합한다. 우선, 본체부(6)의 테이퍼부(61)의 선단면과, 토리탄부(7)가 되는 후단면을 서로 겹쳐서, 본체부(6)의 하면과 토리탄부(7)의 상면으로부터 가압하면서 통전 가열한다. 구체적으로는, 접합 온도를 절대온도(K)에 있어서 재료의 융점인 50∼60% 정도로 하고, 가압력을 수 10Pa 정도의 진공 중의 접합 온도에 있어서의 재료의 항복 응력인 20∼40% 정도로 한다. 이 상태를, 0.2∼0.3mm 정도의 수축량이 얻어질 때까지 유지하여 확산 접합시킨다.

「확산 접합」이란, 금속끼리를 면으로 서로 겹쳐서, 융점 미만의 고상(固相) 상태에서 소성변형이 발생하지 않는 정도로 가열·가압하여, 접합부의 원자를 확산시키는 고상 접합법을 말한다.

확산 접합에서는, 가열 온도는 2000℃ 정도이며, 용융(溶融) 접합과 같이 텅스텐의 융점(약 3400℃)까지 가열할 필요가 없으므로, 토리탄부(7)에 함유하는 산화 토륨(ThO₂)이 거의 환원되어 버리는 일은 없다. 또한, 본체부(6)나 토리탄부(7)의 조직을 유지할 수가 있기 때문에, 음극 성능에 악영향을 주는 일도 없다. 또한, 음극(5)의 조직이 변하지 않기 때문에, 본체부(6)와 토리탄부(7)의 접합 후도 절삭 가공할 수 있다.

여기서, 음극(5)에 대해, 본체부(6)와 토리탄부(7)이 확산 접합된 것에 대해서는, 양자의 접합면이 용융하고 있지 않은 점이나, 텅스텐의 결정립이 성장하여 접합하고 있는 점을 확인함으로써 판단할 수 있다. 구체적으로는, 본체부(6)와 토리탄부(7)의 접합면을 현미경 등으로 확대하여, 본체부(6)와 토리탄부(7)의 이음매를 넘어 성장한 결정립이 존재하고 있으면, 양자는 확산 접합된 것이라고 판단 할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 방전 램프의 음극 구조로서, 도 1과는 상이한 구조를 나타낸다. 구체적으로는, 도 1에 나타낸 음극(5)은 원추대 형상인 토리탄부(7)의 후단면(저면)과, 순 텅스텐으로 이루어지는 본체부(6)의 선단면이 거의 동일 직경으로 접합되어 있었는데, 본 실시예는, 토리탄부(70)가 원주 형상의 동부(710)와 선단부(720)로 구성되는 것으로서, 토리탄부(70)의 동부(710)가 본체부(60)의 볼록부(630)에 감합된다. 또한, 토리탄부(70)의 선단은, 도면과 같이 원추형상이어도 되고, 원추대 형상이어도 상관없다.

다음에, 본 발명의 효과를 나타낸 실험에 대해 설명한다.

〔실험예 1〕

도 1에 나타낸 구조의 본 발명에 따른 방전 램프에 대해, 토리탄부의 측면적 S_T와 음극의 측면적 S의 면적비율 S_T/S를 변화시켜 조도 유지율을 측정했다. 또, 비교용 램프로서, 음극 전체가 토리탄으로 구성되는 방전 램프를 사용하여 동일하게 조도 유지율을 측정했다. 조도 유지율은, 램프를 연속 점등시키고, 초기 조도에 대해 50%까지 저하된 수명 시간으로 하여 측정했다. 또한, 실험에 사용한 램프는, 음극에 대한 토리탄부의 체적만을 바꾸는 것이며, 음극의 전체 형상, 체적은 동일하게 했다. 또, 음극 이외의 구성도 모두 동일하게 했다.

실험의 결과, 토리탄부의 측면적 S_T와 음극의 측면적 S의 면적비 S_T/S가 0.15를 넘는 경우, 비교용 램프와 수명이 거의 동일하게 되었다. 한편, 토리탄부의 측면적 S_T와 음극의 측면적 S의 면적비 S_T/S가 0.15 이하인 경우, 본 발명에 따른 방전 램프는 비교용 램프에 대해 수명이 길어진다고 하는 결과를 얻었다.

또한, 비율 S_T/S가 0.005 보다 작은 경우, 아크가 극단적으로 불안정하게 되었다. 토륨이 적은 것이 이유라고 생각된다.

이 결과, 토리탄부의 측면적 S_T와 음극의 측면적 S의 면적비 S_T/S가, 0.005∼0.15인 범위에 있어서, 적어도 종래의 방전 램프보다도 수명 특성 및 아크 안정성에 있어서 효과가 있는 것이 확인되었다.

여기서, 본 발명에 규정에 대해, 본질적으로는, 토리탄부의 측면적과 음극의 측면적이라고 말하는 바와 같이, 측면의 면적으로 평가할 수 있다. 단, 점등 시간의 경과를 수반하여, 토리탄부의 선단 형상은 변형되어 측면과 선단면의 경계가 불명하게 되기 때문에, 본 발명에 있어서의 토리탄부의 측면적에 대해서는, 선단 면적도 포함하는 것으로 한다.

또한, 상기는 크세논 램프에 대해 실험한 것인데, 고압 수은 램프에 대해서도 동일한 실험을 한 바, 고압 수은 램프에 대해서도, 토리탄부의 측면적 S_T와 음극의 측면적S의 면적비 S_T/S가 0.005∼0.15인 경우에, 종래의 램프, 즉, 음극 전체가 토리탄의 램프에 비해 수명 개선 효과 및 아크 안정성에 대해 동일한 효과가 확인되었다.

또한, 종래의 방전 램프에 대해, 단시간 밖에 점등하고 있지 않은 신품의 방전 램프와, 장시간 점등한 후의 말기 제품의 방전 램프를 대상으로, 에너지 분산형 X선 분석 장치를 사용하여, 각각 음극 표면의 토륨 농도를 관찰하여 보았다. 그 결과, 후자의 방전 램프는 음극의 동부 직경의 2배 정도의 길이까지 토륨 농도가 감소하여, 즉 토륨이 증발하고 있는 점이, 2배 이상의 길이에 있어서는, 토륨 농도는 거의 신품의 방전 램프와 다름없는 것이 확인되었다. 이로써, 음극에 있어서의 토륨의 증발은, 음극 동부 직경의 2배까지의 영역에서 발생하는 것이 확인되었다. 즉, 면적비 S_T/S에 대해서도, 음극의 측면적 S는 음극의 동부 직경의 2배까지의 길이를 한계로 해야함을 의미한다.

1 : 방전 용기
2 : 발광부
3 : 시일링부
4 : 양극
5 : 음극
6 : 본체부
61 : 테이퍼부
62 : 동부
7 : 토리탄부

Claims

방전 용기의 내부에 양극과 음극을 가지는 방전 램프에 있어서,
상기 음극은, 텅스텐 충전율이 90% 이상인 토리탄부와, 이 토리탄부에 이어지는 순 텅스텐으로 이루어지는 본체부로 구성되고,
상기 토리탄부의 측면적 S_T와 상기 음극의 측면적 S의 비율 S_T/S가 0.005 이상 0.15 이하인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
단, 음극의 측면적 S는, 음극의 양극측 선단으로부터의 길이가 음극의 최대직경의 2배까지의 범위로 한다.
청구항 1에 있어서,
상기 토리탄부와 상기 본체부는 확산 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 방전 램프.