KR20120106564A - 세라믹 메탈 할라이드 램프 및 그것을 이용한 조명기구 - Google Patents

세라믹 메탈 할라이드 램프 및 그것을 이용한 조명기구 Download PDF

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KR20120106564A
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야스시 사사이
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이와사키 덴끼 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 3800 내지 4500K의 고색온도의 세라믹 메탈 할라이드 램프에 있어서, 고연색이면서 고효율의 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 메탈 할라이드 램프는, 세라믹스제 발광관에서의 벽면부하를 20 내지 30W/㎠로 하여, 발광관에 발광 물질로서 할로겐 첨가물의 요오드화물을 봉입한다. 할로겐 첨가물의 요오드화물은 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2), 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)으로 이루어지고, 상기 (1) 내지 (6)의 총량에 대해 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 7mol% 이상 12mol% 이하로 하고, 또한, (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)에 대한 (3) 요오드화 세륨(CeI3)의 봉입 몰비(CeI3/DyI3)를 0.2 이상 0.6 이하로 하였다.

Description

세라믹 메탈 할라이드 램프 및 그것을 이용한 조명기구{CERAMIC METAL HALIDE LAMP AND LIGHTING APPARATUS EMPLOYING THE SAME}
본 발명은 세라믹 메탈 할라이드 램프(ceramic metal halide lamp) 및 그것을 이용한 조명기구에 관한 것으로, 특히, 연색성(演色性)(color rendering property), 효율에 우수한 고(高)색온도(high color-temperature)의 세라믹 메탈 할라이드 램프에 관한 것이다.
메탈 할라이드 램프는 점포 등의 상업 시설에서 다운 라이트용의 베이스 조명(main lighting of down-lighting)으로서 사용되는 것이 많다. 특히, 상업 시설용 광원에 관해서는, 보다 상쾌한 공간을 연출하기 위해 고색온도(4200K 전후)의 요구가 많다. 그래서, 종래에서는, 평균 연색 평가수(color rendering index)(Ra)가 90 이상인 것이 바람직하다고 되어 있지만, 근래에는 더한층의 성능 향상이 요구되고, Ra95 이상이 요구되고 있다. 또한 동시에, 에너지 절약으로서 효율 120lm/W 이상의 것이 요구되고 있다.
특허문헌1(일본 특개2004-281216호 공보)에는, 고연색 램프로서, 색온도 3500 내지 5000K에서, Ra가 91 내지 95, 발광 효율이 95lm/W 전후의 램프가 개시되어 있다. 구체적으로는, 할로겐 첨가물로서, 할로겐화 나트륨, 할로겐화 탈륨 및 할로겐화 칼슘으로 이루어지는 금속 할로겐화물, 및 할로겐화 디스프로슘, 할로겐화 홀뮴 및 할로겐화 툴륨 중의 하나로 이루어지는 희토류계 할로겐화물을 봉입하고, 할로겐화물의 총량에 대한 할로겐화 칼슘의 비율을 55 내지 75mol%로 하는 것이다.
특허문헌2(일본 특개2010-251252호 공보)에는, 고효율 램프로서, 색온도 3000 내지 4500K에서, Ra가 80 내지 83, 발광 효율이 100 내지 120lm/W 정도의 램프가 개시되어 있다. 구체적으로는, 할로겐 첨가물로서, 요오드화 툴륨, 요오드화 탈륨, 요오드화 나트륨, 요오드화 칼슘 등을 봉입하고, 할로겐 첨가물의 총량에 대한 요오드화 나트륨 및 요오드화 칼슘의 비율을 각각 40 내지 80mol% 및 0 내지 30mol%로 하는 것이다.
특허문헌3(특개2003-187744호 공보)에는, 고연색?고(高)와트 램프로서, 색온도 2500 내지 4500K에서, Ra가 76 내지 87 이상의 램프가 개시되어 있다. 구체적으로는, 할로겐 첨가물의 희토류 원소를 홀뮴, 디스프로슘 또는 툴륨으로 하고, 홀뮴이 특히 바람직한 것으로서 개시되어 있다.
그러나, 상기한 어느 특허문헌에 의해서도, 색온도 4200K 전후의 램프에서, Ra95 이상의 고연색이면서 발광 효율 120lm/W의 고효율의 램프는 달성되어 있지 않다.
여기서, 각 특허문헌이 개시하고 있는 할로겐 첨가물 중 희토류계 할로겐화물에 주목하면, 모두, 요오드화 툴륨, 요오드화 홀뮴 또는 요오드화 디스프로슘이 사용되고 있다. 일반적으로, 효율 향상을 위해서는, 단파장측에 발광 스펙트럼을 갖는 요오드화 홀뮴이나 요오드화 디스프로슘을 사용하지 않고 요오드화 툴륨만을 사용하는(또한 요오드화 세륨을 사용하는) 것이 알맞다고 되어 있다. 한편, 고색온도를 4200K 전후로 하기 위해서는, 요오드화 홀뮴 및 요오드화 디스프로슘을 사용하는 것이 일반적이었다.
그래서, 본 발명에서는, 요오드화 홀뮴보다도 발광 스펙트럼의 피크가 장파장측에 있고(주된 발광 파장은 Ho가 410㎚, 416㎚, Dy가 419㎚, 421㎚이다), 또한 장파장측에 브로드 발광이 있는 요오드화 디스프로슘의 봉입량에 주목하였다. 이것은, 요오드화 디스프로슘을 사용한 쪽이, 비시감도(比視感度) 곡선이 555㎚를 향하여 커지는 특성을 갖고 있기 때문에 광속(光束)(발광 효율)의 확보에 유리하고, 또한, 장파장측의 브로드 발광이 Ra 향상에도 유리하다고 생각되기 때문이다. 즉, 본 발명은, 고색온도(3800 내지 4500K)의 세라믹 메탈 할라이드 램프에 있어서, 요오드화 디스프로슘을 주된 희토류계 할로겐 첨가물로서 사용하여 발광 효율을 향상시켜서, 고연색(Ra95 이상)이면서 고효율(발광 효율 120lm/W 이상)의 램프를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 제 1의 측면은, 세라믹스제의 발광관을 구비하고, 색온도가 3800 내지 4500K의 메탈 할라이드 램프이다. 이 메탈 할라이드 램프에 있어서, 발광관에서의 벽면부하(load applied to surface)는 20 내지 30W/㎠이고, 발광관에 발광 물질로서 할로겐 첨가물의 요오드화물이 봉입된다. 할로겐 첨가물의 요오드화물은 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2), 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)으로 이루어지고, 상기 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2) 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)의 총량에 대해 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 7mol% 이상 12mol% 이하로 하고, 또한, (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)에 대한 (3) 요오드화 세륨(CeI3)의 봉입 몰비(CeI3/DyI3)를 0.2 이상 0.6 이하로 하였다.
또한, 상기 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2) 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)의 총량에 대해 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 7mol% 이상 11mol% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 정격 램프 전력은 100W±10%이다.
본 발명의 제 2의 측면은, 상기 제 1의 측면의 메탈 할라이드 램프, 및 그 메탈 할라이드 램프가 부착된 리플렉터를 구비한 조명기구이다.
도 1은 본 발명의 세라믹 메탈 할라이드 램프의 도면.
도 2는 본 발명의 세라믹 메탈 할라이드 램프의 도면.
도 3은 본 발명에 의한 요오드화 디스프로슘량의 결정을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명에 의한 요오드화 디스프로슘량의 결정을 설명하는 도면.
도 5는 본 발명에 의한 요오드화 디스프로슘 대 요오드화 세륨비의 결정을 설명하는 도면.
도 6은 본 발명에 의한 요오드화 디스프로슘량의 결정을 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 조명기구의 도면.
도 1에 본 발명의 세라믹 메탈 할라이드 램프(이하, 「램프」라고 한다)의 한 예를 도시한다. 램프(1)는 발광관(10)(알루미나 파이프)을 구비하고, 발광관(10)은 본관부와 본관부를 끼우는 세관부로 일체 형성된다. 본관부와 세관부가 연속 형성됨에 의해 양자의 경계 부분에서 두툼한 불연속이 생기지 않는 구성으로 되어 있다. 본관부 내에 한 쌍의 전극(부도시)이 대향 배치되고, 그들 전극이 세관부 내의 도전체를 통하여 도체봉(11a 및 11b)에 접속된다.
도체봉(11a 및 11b)은 스템(12)에 접속됨과 함께 내관(13)에 포함되고, 내관(13)은 외관(14)에 포함된다. 내관(13) 및 외관(14)은 스템(12)에 고정되고, 스템(12)에는 셸부(15)가 마련되어 있다. 또한, 도시하지 않지만, 도체봉(11a 및 11b)의 한쪽이 셸부(15)의 선단에, 다른쪽이 셸부(15)의 측부에 전기적으로 접속된다.
도 2에 본 발명의 램프의 다른 예를 도시한다. 램프(2)는 발광관(20)(알루미나 파이프)을 구비하고, 발광관(20)은 발광관(10)과 마찬가지로, 본관부와, 본관부를 끼우는 세관부로 일체 형성된다. 발광관(20)은 도체봉(21a 및 21b)을 통하여 구금(口金)(22)에 접속됨과 함께 내관(23)에 포함되고, 내관(23)은 외관(24)에 포함된다. 내관(23) 및 외관(24)은 구금(22)에 고정되고, 구금(22)에는 셸부(25)가 마련되어 있다. 그리고, 도체봉(21a 및 21b)의 한쪽이 구금(22)의 선단에, 다른쪽이 측부의 셸부(25)에 전기적으로 접속된다.
발광관(10 및 20)의 본관부 내부에는 발광 물질 및 아르곤 가스가 봉입된다. 발광 물질은 수은 및 할로겐 첨가물로 이루어진다. 할로겐 첨가물은 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2), 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)으로 이루어진다. 본 발명은 상기 중 특히, 요오드화 디스프로슘(DyI3) 및 요오드화 세륨(CeI3)의 봉입량(조성 비율)을 최적화하는 것이다.
각 성분의 봉입량을 변화시켜서 발광 특성에의 영향을 알기 위한 실험을 행하였다.
발광관의 정격전력은 100W±10%이다. 발광관에서의 벽면부하(壁面負荷)는 20 내지 30W/㎠이다. 발광관 내용적은 0.674cc이다. 그리고, 벽면부하란, 램프 전력(W)을 본관부의 전(全) 내면적(㎠)으로 나눈 값이다. 즉, 벽면부하=램프 전력/본관부의 총 내면적이다.
단위용적당의 첨가물량은 3.4㎎/cc이고, 수은 봉입량은 10㎎이다.
요오드화 디스프로슘(DyI3)의 양은 이하에 나타내는 조건 A 내지 E에 관해 검토하였다. 이하, 각 할로겐 첨가물의 양은, 할로겐 첨가물(1) 내지 첨가물(6)의 총량에 대한 당해 할로겐 첨가물의 mol%로 나타내는 것으로 한다.
[표 1]
Figure pat00001
요오드화 디스프로슘(DyI3)의 봉입량은 Ra에 영향을 주고, 특히, 가시역 전역에서 발광이 보여지기 때문에 Ra의 향상에 기여한다.
도 3은 요오드화 디스프로슘(DyI3)의 양에 대한 Ra의 그래프이다. 플롯되어 있는 요오드화 디스프로슘(DyI3)의 양은, 3.9mol%(A), 7.4mol%(C), 및 12.7mol%(E)이다. 도면 중의 곡선은 플롯점의 근사 곡선이다. 근사 곡선으로부터, Ra를 95 이상으로 하기 위해서는 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 약 7mol% 이상 13mol% 이하로 할 필요가 있다.
도 4에 요오드화 디스프로슘(DyI3)의 양에 대한 발광 효율의 그래프를 도시한다. 플롯되어 있는 요오드화 디스프로슘량은, 3.9mol%(A), 7.4mol%(C), 11.1mol%(D), 및 12.7mol%(E)이다. 도면 중의 곡선은 플롯점의 근사 곡선이다. 근사 곡선으로부터, 발광 효율을 120lm/W 이상으로 하기 위해서는 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 약 6mol% 이상 12mol%로 할 필요가 있다.
다음에, 요오드화 디스프로슘량에 대한 요오드화 세륨량의 몰비(CeI3/DyI3)를 결정한다. 여기서, 요오드화 세륨량에 대해 발광 효율은 단조 증가한다. 그러나, 요오드화 세륨량을 너무 증가시키면, 요오드화 디스프로슘 분자의 발광이 저해되어, 소망하는 Ra를 얻을 수가 없게 되어 버린다. 또한, 요오드화 세륨량의 증가에 의해 발광 효율을 상승시키기 위해서는 발광관 내의 온도를 비교적 고온으로 유지할 필요가 있다. 그 때문에, 벽면부하가 높아지고(예를 들면, 30W/㎠ 이상으로) 램프 수명이 짧아져 버린다는 문제가 있다. 그래서, 요오드화 디스프로슘량에 대한 요오드화 세륨량의 봉입 비율을 적절하게 설정할 필요가 있다.
도 5에 요오드화 디스프로슘량 대 요오드화 세륨량의 몰비(CeI3/DyI3)에 대한 발광 효율을 도시한다. 플롯한 몰비는 0.74(A), 0.60(B), 0.35(C), 0.22(D), 및 0.17(E)이다. 도면중의 곡선은 플롯점의 근사 곡선이다. 근사 곡선으로부터, 발광 효율을 120lm/W 이상으로 하기 위해서는 상기 몰비를 약 0.2 이상 0.6 이하로 할 필요가 있다.
이상에 의해, 요오드화 디스프로슘(DyI3) 및 요오드화 세륨(CeI3)의 봉입량(조성 비율)에 관해, 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 7mol% 이상 12mol% 이하로 하고, 요오드화 디스프로슘(DyI3)과 요오드화 세륨(CeI3)의 봉입 몰비(CeI3/DyI3)를 0.2 이상 0.6 이하로 하는 것이 결정되었다. 이에 의해, 고색온도(3800 내지 4500K)의 램프에 있어서, 고연색성(Ra95 이상)과 고효율(120lm/W 이상)을 동시에 달성할 수 있다.
또한, 색온도 3800 내지 4500K의 100W 클래스의 램프에서는, 다른 할로겐 첨가물의 양에 관해, 다음과 같이 하면 좋은 것이 밝혀져 있다. 발광 효율과 색온도에 관계되는 요오드화 툴륨(TmI3)을 15 내지 20mol% 정도로 한다. 발광 효율과 녹계(綠系)의 광색(光色)(Duv)에 관계되는 요오드화 세륨(CeI3)을 2 내지 3mol% 정도로 한다. 색온도에 관계되는 요오드화 나트륨(NaI)을 40 내지 50mol% 정도로 한다. 발광 효율과 적색의 특성(R9)에 관계되는 요오드화 칼슘(CaI2)을 15 내지 20mol% 정도로 한다. 녹계의 광색(Duv)에 관계되는 요오드화 탈륨은 과잉으로 봉입하면 핑크계의 광색이 소실되기 때문에 6 내지 9mol% 정도로 한다.
또한, 도 6에 요오드화 디스프로슘(DyI3)의 양에 대한 색미(色味)(Duv)를 도시한다. 플롯되어 있는 요오드화 디스프로슘량은, 3.9mol%(A), 7.4mol%(C), 11.1mol%(D), 및 12.7mol%(E)이다. 도면 중의 곡선은 플롯점의 근사 곡선이다. Duv는 0±3으로 하는 것이 일반적이지만, 상업 시설용에서는, 마이너스측, 즉, -3 내지 0이 바람직하다. 근사 곡선으로부터, Duv를 -3 이상 0 이하로 하기 위해서는 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 4mol% 이상 11mol% 이하로 하면 좋다. 따라서, Ra 및 발광 효율에 관한 조성 비율에 있어서, 요오드화 디스프로슘(DyI3)을 다시 7mol% 이상 11mol% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
상기한 바에 따라 실시예 1 내지 3의 램프(100W 타입)를 제작하였다. 표 2에 각 실시예의 할로겐 첨가물의 조성 비율 등을 표시한다.
[표 2]
Figure pat00002
실시예 1에서는, 할로겐 첨가물의 절대량은, 요오드화 디스프로슘(DyI3) 0.3㎎, 요오드화 툴륨(TmI3) 0.8㎎, 요오드화 세륨(CeI3) 0.1㎎, 요오드화 나트륨(NaI) 0.5㎎, 요오드화 칼슘(CaI2) 0.4㎎, 요오드화 탈륨(TlI) 0.2㎎이다. 수은 봉입량은 10㎎이다. 아르곤 가스를 20kPa(150Torr) 봉입하고, 벽면부하를 25W/㎠로 하였다.
표 3에 각 실시 예의 특성을 표시한다. 이하에 나타내는 각 측정치는 점등 시작 후 100시간 경과시의 값이다.
[표 3]
Figure pat00003
표 3에 표시하는 바와 같이, 각 실시예에 있어서, 고색온도(3800 내지 4500K)로 고연색성(Ra95 이상)과 고효율(120lm/W 이상)을 동시에 달성할 수가 있었다. 또한, Duv에 관해서도, 상업 시설용에 알맞다고 되는 -3 내지 0을 달성할 수가 있었다.
본 발명에서는, 희토류계 할로겐 첨가물로서 요오드화 홀뮴(HoI3)을 포함하지 않는다. 이것은 요오드화 홀뮴을 봉입하면 발광 효율이 저하되어 버리기 때문이다.
램프 전력 100W에 맞춘 벽면부하에 있어서, 램프 전력을 90 내지 110W까지 변화시킨 바, 램프 전력 100W의 측정치에 대해 Ra가 약 ±2% 변화하고(램프 전력에 대해 단조 증가하고), 발광 효율이 약 -1% 변화하고(램프 전력 100W시가 가장 높다), Duv가 약 ±13% 변화하는(램프 전력에 대해 단조 감소하는) 것이 확인되었다. 이 결과는, 정격 100W 램프용으로 벽면부하를 설정한 상태에서 램프 전력을 90 내지 110W로 하여도 소망하는 특성을 얻을 수 있음을 의미하고 있다. 이 결과는 또한, 정격 90W 또는 110W 램프용으로 벽면부하를 맞추어서 봉입물의 총량을 결정하면, 소망하는 특성에 더욱 가까운(정격 100W 램프와 거의 동등한) 특성을 얻을 수 있음을 의미하고 있다. 즉, 본 발명은 정격 램프 전력이 적어도 100W±10% 정도의 램프에 적용 가능하다.
도 7에 상기한 램프(1 또는 2)를 이용한 조명기구(30)의 도면을 도시한다. 조명기구(30)는 램프(1 또는 2), 및 그것이 부착되는 리플렉터(31)를 구비한다. 램프(1 또는 2)는 배선(32a 및 32b)을 통하여 고압 방전 램프 점등 장치(33)에 접속된다. 또한, 점등 장치(33)는 조명기구(30)와 일체화되어 있어도 좋고, 개별의 것으로 하여도 좋다. 그리고, 도면은 실시예를 모의적으로 도시한 것이고, 치수, 배치 등은 도면과 같지 않다.
상기 본 발명에 의하면, 고색온도(3800 내지 4500K)이고 고연색(Ra95 이상)이면서 고효율(120lm/W 이상)의 램프를 구비한 조명기구가 구성된다. 따라서, 본 발명은, 상업 시설용 등에서의 조명에 적합한 조명기구를 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 세라믹스제의 발광관을 구비하고, 색온도가 3800 내지 4500K의 메탈 할라이드 램프로서,
    상기 발광관에서의 벽면부하가 20 내지 30W/㎠이고,
    상기 발광관에 발광 물질로서 할로겐 첨가물의 요오드화물이 봉입되고,
    상기 할로겐 첨가물의 요오드화물이, (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3) (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2), 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)으로 이루어지고,
    상기 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2) 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)의 총량에 대해 상기 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)이 7mol% 이상 12mol% 이하이고,
    상기 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3)에 대한 상기 (3) 요오드화 세륨(CeI3)의 봉입 몰비(CeI3/DyI3)가 0.2 이상 0.6 이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
  2. 제 1항에 있어서,
    또한, 상기 (1) 요오드화 디스프로슘(DyI3), (2) 요오드화 툴륨(TmI3), (3) 요오드화 세륨(CeI3), (4) 요오드화 나트륨(NaI), (5) 요오드화 칼슘(CaI2) 및 (6) 요오드화 탈륨(TlI)의 총량에 대해 상기 (1) 요오드화 디스프로슘(yI3)이 7mol% 이상 11mol% 이하인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
  3. 제 1항에 있어서,
    정격 램프 전력이 100W±10%인 것을 특징으로 하는 메탈 할라이드 램프.
  4. 제 1항에 기재된 메탈 할라이드 램프, 및 상기 메탈 할라이드 램프가 부착된 리플렉터를 구비한 것을 특징으로 하는 조명기구.
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