KR20120069557A - 쇼트 아크형 방전 램프 - Google Patents

Abstract

발광관 내에, 음극과 양극이 대향 배치된 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 특히, 정격 전력으로의 통상 점등과, 소전력으로의 대기 점등을 반복하는 풀?스탠바이 점등시에 있어서도, 양극 선단 중앙부가 그 주변 환상부보다도 돌출하는 일이 없으며, 전극 재료의 증발에 의한 램프의 흑화가 생기지 않도록 한 전극 구조를 제공하는 것이다.
상기 양극의 선단 중앙부의 개구 내에 삽입체가 삽입되어 이루어지고,이들 개구의 내표면 혹은 삽입체의 외표면의 적어도 어느 한쪽에, 홈 또는 오목부가 형성되어 있으며, 상기 삽입체가 상기 양극의 개구 내에서 접합되어 있음으로써, 상기 양극 내에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 방전 램프{SHORT ARC TYPE DISCHARGE LAMP}

본 발명은, 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이며, 특히, 반도체나 액정의 제조 분야 등의 노광용 광원이나 영사기의 백 라이트용 광원에 적용되는 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

쇼트 아크형 방전 램프는, 발광관 내에 대향 배치된 한 쌍의 전극의 선단 거리가 짧아 점광원에 가까우므로, 광학계와 조합시킴으로써 노광 장치용 혹은 영사기의 백 라이트용의 광원으로서 이용되고 있다.

일본국 공개특허 평10-188890호 공보(특허 문헌 1)는, 종래의 쇼트 아크형 방전 램프를 개시한다.

도 13에 상기 종래의 쇼트 아크형 방전 램프가 나타나 있으며, 쇼트 아크형 방전 램프의 발광관(20)은, 중앙에 위치하는 대략 구형상으로 형성된 발광부(21)와, 그 양단의 시일링부(22)를 구비한다. 발광부(21) 내에는, 텅스텐 등으로 이루어지는 음극(23)과 양극(24)이 서로 마주보도록 대향 배치됨과 함께, 내부의 발광 공간 S에는 수은, 퀴세논 등의 발광 물질이 봉입되어 있다.

상기 음극(23) 및 양극(24)에 연속 설치된 전극 축이 도시하지 않은 금속박을 통하여 시일링부(22, 22)로 시일링되어 있다.

그러나 최근에는, 반도체나 액정 패널의 제조 공정에서 이용되는 상기 쇼트 아크형 방전 램프에서는, 일본국 공개특허 2000-181075호 공보(특허 문헌 2)에 보여지는 바와 같이, 전력 절약화를 위해, 항상 일정한 전력으로 점등하는 것이 아니라, 노광시에만 정격 전력으로 점등(통상 점등)시키고, 기판 이동 등의 대기시에는 상기 정격 전력보다도 작은 최소한의 전력으로 점등(대기 점등)시키는 점등 방식(이하, 풀?스탠바이 점등이라고 한다)이 채용되고 있다.

예를 들면, 노광시는 정격 전력으로 0.1~10초 점등시키고, 대기시는 정격 전력보다도 작은 대기 전력으로 0.1~100초 점등시키는 것이 반복된다.

그런데, 램프의 점등?소등시나, 상기의 풀?스탠바이 점등시에서의 입력 전력의 변경시 등에는, 아크로부터 양극으로 유입되는 열류속이 변화하기 때문에, 양극 온도가 변화하여, 양극에 내부 응력이 발생한다.

이 때, 도 14에 나타낸 바와 같이, 양극(24)의 선단면에서의 아크에 대면하는 선단 중앙부(30)는, 가장 온도 변화가 큰 부분이며, 따라서 열팽창도 커진다. 이에 반해, 상기 중앙부(30)의 주변에 있는 주변 환상부(31)는, 상기 중앙부(30)보다도 온도 변화가 적어, 그 열팽창도 작다.

그 때문에, 선단 중앙부(30)는 크게 열팽창하고, 열팽창이 작은 주변 환상부(31)로부터 압축 응력을 받게 되어, 그 결과, 선단면으로부터 돌출하도록 변형된다.

이러한 돌출은, 정격 점등시에 양극 선단의 온도가 안정된 후에도 완전하게는 원래의 형상으로 되돌아오는 일 없이 잔존해 버린다. 이에 더하여, 특히 풀?스탠바이 점등시에는, 이러한 변형이 반복해서 발생하여, 돌출이 축적됨으로써 비대화되어 간다.

그러면, 비대화된 돌출부에 방전이 집중되게 되어, 상기 돌출부가 이상 과열되고, 전극 물질이 증발되어 발광관 내벽에 부착되며, 상기 발광관 내벽이 흑화되어 버려, 급속한 조도 저하를 일으킨다는 문제가 있었다.

특허 문헌 1: 일본국 공개특허 평10-188890호 공보 특허 문헌 2: 일본국 공개특허 2000-181075호 공보

이 발명이 해결하려고 하는 과제는, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 특히, 풀?스탠바이 점등 방식을 채용하는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 양극 선단에서 생기는 열응력을 완화하여, 양극 선단의 중앙 부분이 변형 돌출되는 것을 막아, 흑화를 막을 수 있는 양극 구조를 가지는 쇼트 아크형 방전 램프를 제공하려고 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 이 발명에 관련된 쇼트 아크형 방전 램프는, 양극의 선단 중앙부에 개구가 형성되며, 상기 개구 내에 삽입체가 삽입되어 이루어지고, 상기 양극의 개구의 내표면 혹은 삽입체의 외표면의 적어도 어느 한쪽에, 홈 또는 오목부가 형성되어 있으며, 상기 삽입체가 상기 양극의 개구 내에서 접합되어 있음으로써, 상기 양극 내에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 삽입체의 외표면에 복수의 환상 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 삽입체의 외표면에 나선형상 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 삽입체의 외표면에 복수의 도트형상 오목부가 원주 방향 및 축 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 삽입체가, 링형상 삽입체와, 그 개구에 삽입되는 봉형상 삽입체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 쇼트 아크형 방전 램프에 의하면, 양극 선단면의 선단 중앙부와 그 주변 환상부의 경계 영역을 따라 축 방향으로 공극이 형성되어 있음으로써, 특히, 풀?스탠바이 점등시 등에, 양극 선단부의 온도가 변화해도, 선단 중앙부의 열변형이 상기 공극 내에 들어감으로써 흡수되므로, 이 선단 중앙부가 변형되어 전방으로 돌출하는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과, 당해 선단 중앙부가 이상 가열되는 일이 없어, 발광관이 조기에 흑화하는 것을 회피할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관련된 쇼트 아크형 방전 램프의 제1 실시예에서의 양극 선단부의 주요부 단면도.
도 2는 도 1의 양극 구조를 제조하는 방법의 제1 형태의 설명도.
도 3은 도 1의 양극 구조를 제조하는 방법의 제2 형태의 설명도.
도 4는 제2 실시예의 양극 구조를 제조하기 위한 삽입체의 설명도.
도 5는 제3 실시예의 양극 구조를 제조하는 방법의 설명도.
도 6은 제4 실시예의 양극 구조를 제조하는 방법의 설명도.
도 7은 삽입체와 양극의 접합 방법의 설명도.
도 8은 도 7의 접합 방법을 실시하는 장치의 설명도,
도 9는 다른 접합 방법의 설명도.
도 10은 접합 부분의 확대 단면 사진.
도 11은 본 발명의 효과를 선단 돌기 성장으로부터 본 그래프.
도 12는 본 발명의 효과를 조도 유지율로부터 본 그래프.
도 13은 종래 기술의 전체도.
도 14는 도 13의 부분 설명도.

도 1에 있어서, 양극(1)의 선단면(2)에서의 아크에 대면하는 선단 중앙부(2a)와, 상기 중앙부(2a)의 주변을 구성하는 주변 환상부(2b)의 경계 영역 R을 따라 축 방향으로 복수의 공극(10)이 형성되어 있다.

이 실시예에서는, 상기 공극(10)은, 각각이 원환형상 (이른바, 도너츠형상)의 공극(11)으로 이루어지며, 상기 원환형상 공극(11)이 축 방향으로 간격을 두고 점재하고 있다.

도 2에 이러한 공극(10)을 형성하기 위한 수단이 나타나 있다.

텅스텐 등으로 이루어지는 양극(1)의 선단면(2)의 선단 중앙부(2a)에는, 그 선단에 개방된 개구(3)가 형성되어 있으며, 한편, 양극(1)과 동일한 텅스텐 등의 재료로 이루어지는 삽입체(4)가 상기 개구(3)과 대응하는 형상으로 형성되고, 또한, 그 외주에는 원주 방향으로 연장되는 복수의 환상 홈(5)이 형성되어 있다.

통상, 상기 개구(3)나 삽입체(4)는 압입을 용이하게 하기 위해, 약간 끝이 가는 테이퍼형상이 되는 것이 좋다.

이 삽입체(4)를 개구(3) 내에 압입하여, 적절한 수단에 의해 양자를 접합한다. 이것에 의해, 양극(1)에는, 도 1에 나타낸 바와 같은, 중앙부(2a)와 주변 환상부(2b)의 경계 영역 R을 따라 원환형상 공극(11)이 형성된다. 이 원환형상 공극(11)은 각각이 독립적으로, 이것이 축 방향으로 복수 점재하여, 전체적으로 공극(10)을 구성하고 있다.

도 3에는, 도 1의 공극(10)을 형성하기 위한 다른 수단이 나타나 있으며, 이 형태에서는, 양극(1)의 개구(3)의 내주면에 원주 방향으로 연장되는 환상 홈(6)이 형성되어 있다.

이 개구(3)에, 삽입체(4)를 압입 접합하면, 도 1에 나타낸 바와 같은 양극 구조를 얻을 수 있다.

또한, 환상 홈(5, 6)은, 삽입체(4)와 개구(3)의 어느 하나 만이라는 것은 아니며, 양자에 형성해도 된다.

도 4에 삽입체(4)의 다른 형태가 나타나 있으며, 삽입체(4)에는 상기 외주에 나선형상 홈(7)이 형성되어 있다. 이 삽입체(4)를 양극(1)에 압입 접합함으로써, 상기 양극에는, 나선형상의 공극이 형성된다. (도시하지 않음)

도 5에 다른 실시예가 나타나 있으며, 삽입체(4)의 외주에는, 원주 방향 및 축 방향으로 복수의 도트형상의 오목부(8)가 형성되어 있다. 이 삽입체(4)를 양극(1)의 개구(3)에 삽입하여 접합함으로써, 양극 선단에는, 선단 중앙부와 주변 환상부의 경계 영역의 원주 방향을 따라, 또한, 축 방향으로 연장되는 도트형상의 공극이 형성된다. (도시하지 않음)

또한, 상기 실시예에서는, 삽입체(4)는 1부재로 이루어지는 것을 나타냈지만, 2부재 이상으로 이루어지는 것이어도 되며, 그 실시예가 도 6에 나타나 있다.

도면에 있어서, 삽입체(4)는 링형상 삽입체(4a)와 그 개구(3a)에 삽입되는 봉형상 삽입체(4b)로 이루어지며, 링형상 삽입체(4a) 및 봉형상 삽입체(4b)의 외주에는, 각각 원주 방향 홈(4a, 4b)이 형성되어 있다.

그리고, 이들이 조합된 삽입체(4)가 양극(1)의 개구(3) 내에 삽입되어 접합된다. 삽입체(4)와 양극(1)의 접합은, 2개의 링형상 삽입체(4a)와 봉형상 삽입체(4b)가 조합되어 양극(1)의 개구(3) 내에 삽입된 상태로 한 번에 접합됨으로써 작업 효율이 좋아진다.

이것에 의해, 양극(1)의 선단에는, 동심형상의 원주 방향으로 이중의 공극이 형성되게 된다.

그 다음에, 양극(3)과 삽입체(4)의 접합 방법에 대한 구체적인 예를 나타내면 이하와 같다.

도 7은, 도 2의 예를 기초로 하여 나타나 있다. 도 7에 있어서, (A)에 나타낸 바와 같이, 양극 본체(1)의 선단 중앙에 개구(3)를 형성함과 함께, 삽입체(4)의 외주에 원주 방향으로 연장되는 환상 홈(5)을 형성한다.

그 다음에, (B)에 나타낸 바와 같이, 이 삽입체(4)를 양극(1)의 개구(3) 내에 압입한다. 그리고 양자 사이에 플라즈마 방전을 일으켜, 양자를 접합함으로써, (C)에 나타낸 바와 같이, 양극 선단에 축 방향으로 점재하는 복수의 원환형상 공극(11)이 형성된다.

이 후, 절삭 가공에 의해 양극의 선단 형상을 형성한다.

상기의 플라즈마 방전에 의한 접합을 행하기 위한 장치예가 도 8에 나타나 있다.

양극 본체(1)에 삽입체(4)가 삽입된 상태로 가압 장치(15)에 카본(16)을 사이에 두고 세트된다. 가압 장치(15)의 챔버 내를 진공 상태로 하여, 워크(양극과 삽입체)에 대해 소정의 가중(2kN 이상)을 일정하게 가한다.

그 다음에, 플라즈마 방전을 일으키기 위해서 펄스 전압(펄스 폭 15~999ms, 피크 전류 40~800A, 피크 전압 3~30V)이 소정 시간(30~60sec) 인가되고, 통전을 개시한다.

워크의 끼워 맞춤 부분이 열팽창하도록 가열(1500~2300℃)을 행하여, 끼워 맞춤부가 열변형을 개시하고, 워크의 높이가 필요량(0.5mm) 줄어들면, 통전을 정지한다.

이것이 냉각된 후에 챔버의 진공을 해제하고, 워크를 꺼낸다.

이것에 의해, 양극(1)의 개구(3)과 삽입체(4)의 계면이 접합된다.

또한, 양극(1)과 삽입체(4)의 접합 방법은, 상기의 방전 플라즈마 접합 이외에, 도 9(A)(B)에 나타낸 바와 같은, 마찰 압접에 의해 행해도 된다.

도면에 나타낸 바와 같이, 양극 본체(1)나, 삽입체(4)의 어느 한쪽, 또는 양자를 회전시키면서 압입한다. 이 후, 양극(1)의 선단을 절삭 가공에 의해 적절한 선단 형상으로 하는 것은 상기와 마찬가지이다.

이렇게 하여 형성된 양극 선단 부분의 단면 사진이 도 10에 나타나 있다.

이 사진에 있어서, 좌측이 양극(1)에 관련된 부분의 단면이며, 비교적 입경이 큰 텅스텐으로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 우측은, 삽입체(4)의 단면이며, 비교적 입경이 작은 텅스텐으로 구성되어 있는 것을 알 수 있다.

양극(1)과 삽입체(4)의 경계 영역에는, 상기 홈(5)에 의해 원환형상의 미소 공극(11)군이 양자의 계면을 따라 축 방향으로 점재하도록 형성되며, 전체적으로 공극(10)을 구성하고 있다. 하나하나의 미소 공극(11)의 크기는, 예를 들면 직경 0.05~0.20mm이다.

또한, 상기의 공극(10)이 형성되는 영역, 즉, 양극 선단면(2)에서의 아크에 대응하는 선단 중앙부(2a)와, 그 외주의 주변 환상부(2b)의 경계 영역 R을, 선단면(2)의 어느 위치에 형성하는지는, 램프의 사양, 예를 들면, 봉입 가스 종류, 가스압, 입력 전력, 풀?스탠바이 점등 조건 등에 따라 결정된다.

도 11 및 도 12에 실험 결과를 나타낸다.

본 발명 램프로서, 공극을 가지는 양극을 구비한 램프와, 비교예로서, 도 14에 나타낸 바와 같은 종래의 양극을 구비한 램프를 준비했다.

각각의 방전 램프에서는, 발광관 내에, 2.2mg/cm³의 수은과, 퀴세논이 대략 1기압 봉입되어 있으며, 상기 정격 전력은 4.3kW로 했다.

이들 방전 램프를, 풀?스탠바이 점등, 즉, 정격 전력(4.3kW)으로의 6초 간의 풀 점등과, 정격 전력 절반의 전력(2.15kW)으로의 26초 간의 스탠바이 점등을 행하여, 점등 수명 시험을 행했다.

도 11은, 점등 경과 시간과, 양극 선단에 성장한 돌기의 길이(선단 돌기 성장)의 관계를 나타낸 그래프이다.

또, 도 12는, 점등 경과 시간과, i선(파장 365nm의 자외선)의 조도 유지율의 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 조도 유지율은, 점등 개시시의 조도를 1로 하고, 일정 시간 경과 후의 조도의 비를 백분율로 표시한 것이다.

이들 그래프로부터도 알 수 있는 바와 같이, 비교예에서는, 점등시간의 경과와 함께 선단 돌기의 성장이 빨라, 750시간 경과에서 1.3mm를 넘으며, 상기 조도 유지율도 85%를 밑돌고 있다.

이에 반해, 본 발명에서는, 동일 시간 750시간에서는, 그 조도 유지율은 거의 100% 가까이를 유지하고 있고, 1500시간 경과 후에도 선단 돌기는 0.75mm 이하로 낮게 억제되며, 그 조도 유지율도 90% 이상을 유지하고 있는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관련된 쇼트 아크형 방전 램프는, 풀?스탠바이 점등 방식을 채용한 경우에도, 양극의 선단 중앙부가 가열되어 열팽창해도, 그 팽창분이 주변 환상부와의 경계 영역을 따라 형성된 공극 내에 침입하여 흡수되므로, 상기 선단 중앙부가 양극의 선단면으로부터 국소적으로 돌출하는 일이 없으며, 그 부분이 이상 과열되어 증발하는 것을 방지할 수 있다는 효과를 나타내는 것이다.

이것에 의해, 장시간에 걸쳐 조도 유지율이 높은 방전 램프를 실현할 수 있는 것이다.

1 양극 2 선단면
2a 선단 중앙부 2b 주변 환상부
3 개구 4 삽입체
5 (삽입체) 환상 홈 5a 링형상 삽입체
5b 봉형상 삽입체 6 (개구) 환상 홈
7 나선형상 홈 8 도트형상 오목부
10 공극 11 원환형상 공극

Claims (5)

1. 발광관 내에 한 쌍의 양극과 음극이 대향 배치되어 이루어지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서,
   상기 양극의 선단 중앙부에 개구가 형성되며, 상기 개구 내에 삽입체가 삽입되어 이루어지고,
   상기 양극의 개구의 내표면 혹은 삽입체의 외표면의 적어도 어느 한쪽에, 홈 또는 오목부가 형성되어 있으며,
   상기 삽입체가 상기 양극의 개구 내에서 접합되어 있음으로써,
   상기 양극 내에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 삽입체의 외표면에 복수의 환상 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 삽입체의 외표면에 나선형상 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 삽입체의 외표면에 복수의 도트형상 오목부가 원주 방향 및 축 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 삽입체가, 링형상 삽입체와, 상기 링형상 삽입체의 개구 내에 삽입되는 봉형상 삽입체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.
   

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