KR20130131224A

KR20130131224A - 쇼트 아크형 방전 램프

Info

Publication number: KR20130131224A
Application number: KR1020130044168A
Authority: KR
Inventors: 유키오 야스다; 아키코 우치노
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-12-03
Also published as: DE102013105327A1; US20130313970A1; JP2013243100A; US8791635B2; TW201349281A; CN103426714A

Abstract

텅스텐으로 이루어지는 본체부와 토륨 텅스텐으로 이루어지는 선단부가 고상 접합되어 형성된 음극 구조를 가지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 음극의 본체부와 선단부의 접합 강도를 높여 본체부의 모재인 텅스텐과 동등한 기계적 강도로 함으로써, 절삭 가공시에 접합 계면에서의 탈락·파손이라는 사고를 방지한 음극 구조를 제공하는 것으로서, 상기 음극의 본체부와 선단부의 접합 계면에 수직인 단면에 있어서, 상기 접합 계면을 따르는 500㎛ 이상의 임의의 영역에 있어서, 그 임의의 영역의 길이를 L₀로 하고, 상기 접합 계면에 걸쳐서 존재하는 텅스텐 결정 입자의 당해 접합 계면을 따르는 길이의 총 합을 L로 했을 때, (L/L₀)≥0.16인 것을 특징으로 한다.

Description

쇼트 아크형 방전 램프{SHORT ARC TYPE DISCHARGE LAMP}

본 발명은, 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이며, 특히, 음극에 산화 토륨이 함유된 선단부가 설치되어 있는 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

종래, 수은을 봉입한 쇼트 아크형 방전 램프는, 발광관 내에 대향 배치된 한쌍의 전극의 선단간 거리가 짧고, 점 광원에 가까우므로, 광학계와 조합시킴으로써 집광 효율이 높은 노광 장치의 광원으로서 이용되고 있다.

또한, 크세논을 봉입한 쇼트 아크형 방전 램프는, 영사기 등에 있어서 가시광 광원으로서 이용되고 있고, 최근에는 디지털 시네마용 광원으로서도 중용되고 있다.

그리고 이러한 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서는, 음극에, 산화 토륨 등의 이미터재를 함유시켜서, 전자 방출 특성을 높이도록 한 것이 알려져 있다.

그런데 이 이미터재로서 산화 토륨을 음극 전체에 함유시킨 구조로 하면, 산화 토륨을 대량으로 사용하게 되어, 자원 절감의 관점에서 바람직하지 않고, 또한, 토륨이 방사성 물질이므로, 그 사용에는 많은 규제가 있어, 이 이미터재로서 산화 토륨을 음극 전체에 함유시킨 음극 구조로 하는 것은 실현 곤란하다.

그러한 관점에서, 이미터재로서 산화 토륨을 함유시킨 음극 구조로 할 때, 음극 본체는 텅스텐 재료로 구성하고, 그 선단에 산화 토륨을 함유한 토륨 텅스텐(thoriated tungsten)으로 이루어지는 선단부를 고상 접합시킨 접합 음극 구조가 알려져 있다. 일본국 특허공개 2012-015007호 공보(특허문헌 1)가 그것이다.

그런데 이러한 고상 접합 구조의 음극을 작성할 경우, 음극 본체부를 구성하는 텅스텐 재료에, 토륨 텅스텐으로 이루어지는 선단부를 고상 접합시킨 후에, 소정의 음극 형상으로 하기 위해서 선반 등에 의해 절삭 가공할 때에, 가공에 의한 충격에 의해 접합 계면에서 파손되는 사고가 발생하고 있다.

이와 같이, 접합 음극에 있어서는, 접합 계면에서의 접합 강도가 약하고, 이 접합 계면을 기점으로 하여 기계적 파단이 생긴다고 하는 문제점이 있다.

일본국 특허공개 2012-015007호 공보

본 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와 토륨 텅스텐으로 이루어지는 선단부가 고상 접합되어 형성된 음극 구조를 가지는 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 음극의 본체부와 선단부의 접합 강도를 높여서 본체부의 모재인 텅스텐과 동등한 기계적 강도로 함으로써, 절삭 가공시에 접합 계면에서의 탈락·파손이라고 하는 사고를 방지한 음극 구조를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는, 상기 음극의 본체부와 선단부의 접합 계면에 수직인 단면에 있어서, 상기 접합 계면을 따르는 500㎛ 이상의 임의 영역에 있어서, 상기 접합 계면을 따르는 임의 영역의 길이를 L₀으로 하고, 상기 접합 계면에 걸쳐서 존재하는 텅스텐 결정 입자의 당해 접합 계면을 따르는 길이의 총 합을 L로 했을 때, (L/L₀)≥0.16인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 텅스텐으로 이루어지는 음극의 본체부에 산화 토륨이 함유된 선단부를 고상 접합시킨 음극 구조에 있어서, 그 접합 계면에 걸쳐서 존재하는 텅스텐 결정 입자의 길이의 총 합, 바꾸어 말하면, 총 면적의 총 합을 소정 비율 이상으로 함으로써, 접합 계면에서의 기계적 강도를 충분한 크기로 하여, 절삭 가공시의 선단부의 탈락·파손이라는 사고를 방지할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 관련된 방전 램프의 단면도.
도 2는 본 발명에 있어서의 음극의 확대도.
도 3은 본 발명에 있어서의 음극의 제조법의 설명도.
도 4는 본 발명에 있어서의 음극의 접합 전의 확대 단면도.
도 5는 본 발명에 있어서의 음극의 접합 후의 확대 단면도.
도 6은 본 발명에 있어서의 접합 음극의 단면도.
도 7은 본 발명의 효과를 나타내는 표.
도 8은 본 발명의 효과를 나타내는 그래프.

도 1은 본 발명의 쇼트 아크형 방전 램프(1)를 나타내고, 석영 유리제의 발광관(2) 내에 음극(3)과 양극(4)이 대향 배치되어 있고, 양 전극(3, 4)은 각각 봉지부(5, 6)로 봉지 지지되어 있다.

도 2는 음극 구조를 나타내고, 음극(3)은, 텅스텐으로 이루어지는 본체부(31)와, 그 선단에 고상(固相) 확산 접합된 선단부(32)로 이루어진다. 여기서 고상 확산 접합이란, 금속끼리 면으로 포개고, 융점 미만의 고상 상태에서 소성 변형이 생기지 않을 정도로 가열·가압하여, 접합부의 원자를 확산시켜 고상 접합하는 것을 말한다.

상기 선단부(32)는, 주성분인 텅스텐에, 이미터 물질로서 산화 토륨(ThO₂)을 함유하는, 소위 토륨 텅스텐(이하, 트라이탄이라고도 한다)이며, 산화 토륨의 함유량은, 예를 들면 2wt%이다.

상기 선단부(32)의 형상은, 상기 본체부(31)와 함께, 전체적으로 테이퍼 형상으로 형성되고, 그 선단면이 도 1에 도시하는 바와 같이 양극(4)과 대향 배치되어 있다.

이 선단부(32)를 구성하는 트라이탄에 함유된 산화 토륨은, 램프 점등 중에 고온이 됨으로써 환원되고, 토륨 원자로 되어 외표면에 확산되어, 온도가 높은 선단측으로 이동한다. 이에 따라, 일 함수를 작게 하여 전자 방출 특성을 양호하게 한다.

이러한 고상 접합 구조의 음극의 접합 장치(10)가 도 3에 나타나 있고, 접합 장치(10)는 진공 챔버(11)를 가지고, 진공 펌프(12)에 의해 내부가 진공 상태로 유지되어 있다. 그 챔버(11) 내에는, 한쌍의 통전 단자(13, 14)가 설치되어 있고, 챔버(11) 외부에 있는 가열 전원(15)과 접속되어 있다.

통전 단자(13, 14) 사이에는, 본체부를 구성하는 순 텅스텐 부재(16) 및 선단부를 구성하는 토륨 텅스텐 부재(17)가 접합해야 할 면을 겹쳐 배치하고 있다. 이때, 접합 부재인 순 텅스텐 부재(16)와 토륨 텅스텐 부재(17)는, 카본 등의 도전성 재료로 이루어지는 스페이서(18, 19)를 통하여 통전 단자(13, 14)에 끼워져 지지되어 있다. 그 스페이서(18, 19)는, 접합 후에 통전 단자(13, 14)와 순 텅스텐 부재(16), 토륨 텅스텐 부재(17)의 박리를 용이하게 하는 박리 부재로서 기능한다.

이와 같이, 통전 단자(13, 14) 사이에 끼워 지지된 순 텅스텐 부재(16)와 토륨 텅스텐 부재(17)는, 상기 도전 단자(13, 14)에 의해 소정 압력으로 가압됨과 더불어, 소정 온도로 가열됨으로써, 서로 확산 접합된다.

상기의 접합 장치에 있어서, 접합 공정 조건의 일예를 나타내면 이하와 같다.

0 가열 온도: 접합해야 할 금속 부재(텅스텐)의 융점의 절대 온도(K)의 1/3 이상의 온도 범위. 구체적으로는, 1,900℃

0 가압 하중: 30MPa

0 통전 시간: 200sec

이상의 공정에 의해, 본체부(31)를 구성하는 순 텅스텐 부재(16)와, 음극(3)의 선단부(32)를 구성하는 토륨 텅스텐 부재(17)는 겹침면에 있어서 고상 접합된다.

이와 같이 하여 고상 접합된 음극 구조의 접합부의 단면도가 도 5에 도시되어 있는데, 이해를 돕기 위해서 접합 전의 단면도가 도 4에 도시되어 있다.

텅스텐으로 이루어지는 본체부(31)의 접합면(31a) 및 토륨 텅스텐으로 이루어지는 선단부(32)의 접합면(32a)은, 절삭 가공이나 연마 가공에 의해 평탄면으로 되어 있다.

도 4에 도시하는 접합 전의 상태에서, 상기 접합면(31a, 32a)에서는, 본체부(31) 및 선단부(32) 중의 텅스텐 결정 입자(33, 33)는, 상기 접합면(31a, 32a)에서는 평탄 형상이 되어 노출되어 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 이들 접합면(31a, 32a)을 서로 맞붙여 가압·가열하여 고상 접합시킨다.

이와 같이 하여 고상 접합된 본체부(31) 및 선단부(32)의 접합 계면(34)에서는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 몇 개의 결정 입자는 서로 성장하여 접합하고, 접합 계면(34)에 걸쳐서 성장한다.

이와 같이 하여 접합된 본체부(31)와 선단부(32)의 접합 계면(34)에 있어서, 결정 입자의 계면끼리 서로 마주향한 상태로 결합하고 있는 것에 비하여, 상기한 접합 계면(34)에 걸치도록 성장한 결정 입자로 된 것에서는, 그 접합 계면(34)에서의 결합력이 커져, 내파손 성능이 매우 향상된다.

본 발명자는, 이러한 접합 계면(34)에 걸친 결정 입자의 존재에 착안하여, 다양한 샘플을 제작하여, 그 인장 강도를 측정했다. 이 인장 강도를 평가한 후에, 상기 접합 계면에 걸치도록 존재하는 텅스텐 결정 입자가, 접합 계면(34)에 따른 방향에서 차지하는 비율을 규정했다.

즉, 음극(3)의 본체부(31)와 선단부(32)의 접합 계면(34)에 수직인 단면에 있어서, 그 접합 계면(34)을 따르는 500㎛ 이상의 임의 영역을 대상으로 하여, 상기 접합 계면(34)에 따른 임의 영역의 길이를 L₀로 하고, 그 접합 계면(34)에 걸쳐서 존재하는 텅스텐 결정 입자의 당해 접합 계면을 따르는 길이의 총 합을 L로 했을 때에, L/L₀(이하, 「접합율」이라고 하는 경우도 있다)을 규정하여 다양한 샘플을 제작하여, 그 인장 강도를 측정했다.

또한, 다양한 샘플은, 접합 공정에 있어서의 가열 온도, 가압 하중, 가열 시간을 변화시켜서 제작하고 있다.

이와 같이 하여 접합된 각종 샘플에 있어서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 접합 계면(34)에 따른 임의 영역의 길이 L₀에 대하여, 접합 계면(34)에 걸친 결정 입자(35a, 35b, 35c, 35d, 35e)에 있어서의, 접합 계면(34) 상에 따른 길이 L1(결정 입자(35a)), L2(결정 입자(35b)), L3(결정 입자(35c)), L4(결정 입자(35c)), L5(결정 입자(35d)), L6(결정 입자(35e))의 총 합 L(L1＋L2＋L3＋L4＋L5＋L6)의 비율 L/L₀을 규정했다.

또한, 상기 임의 영역의 길이를 500㎛ 이상으로 한 것은, 텅스텐 결정 입자의 크기를 충분히 커버할 수 있는 길이로 하여, 영역의 차이에 의한 측정의 오차가 생기지 않는 정도의 길이로 한 것이다.

이 측정을 하는데 있어, 도 6의 (A) 및 (B)에 도시하는 바와 같이, 샘플은 접합 계면에 수직인 면으로 절단하고, 절단면을 연마하고, 또한, 절단면 상의 결정 입자를 두드러지게 하기 위해서 수산화 나트륨과 페리시안화 칼륨의 혼합 용액을 사용하여 에칭 처리를 행했다. 이 에칭 후에, 접합 계면 근방을 SEM에 의해 관찰했다.

또한, 접합 계면 근방에서는, 텅스텐과 전자 방사 효율이 상이한 산화 토륨이 SEM 사진 상에서 판별되므로, 어느 쪽 측이 토륨 텅스텐인지 판별할 수 있다.

실험 대상은, 5가지의 접합 조건(온도·하중·통전 시간)이고, 각각 동일 조건으로 3개씩의 접합 샘플을 제작하고, 제1의 샘플에 의해 접합율(L/L₀)을 구하고, 제2의 샘플로 인장 강도를 조사하고, 제3의 샘플로 절삭 가공에 의한 파손의 유무를 조사했다. 또한, 접합율을 구하는데 있어서는, 접합 계면 상의 복수의 영역에서 구한 것을 평균화했다.

그 결과가, 도 7의 표 및 도 8의 그래프에 나타나 있다.

접합율 (L/L₀)이, 0.13일 때, 인장 실험에서는 접합 계면에서 파단하고, 절삭 가공 실험에서는 가공시의 충격에 의해 접합 부재가 접합 계면으로부터 파단했다. 그러나 접합율이 0.16 이상인 경우에는, 인장 실험에서는, 파단은 접합 계면 이외의 부분을 기점으로 하여 발생하고, 파단 시의 인장 응력도 200MPa를 넘고, 절삭 가공 실험에서도 파손은 없었다.

이로부터, 접합율(L/L₀)≥0.16의 범위에서는, 모재인 텅스텐과 동등한 기계적 강도를 얻을 수 있는 것이 판명되었다.

또한, 접합율의 상한치는 특별히 설정하지 않지만, 이론상은 1(100%)이라고 할 수 있지만, 실제상, 접합 계면 상에서 모든 결정 입자가 그 접합 계면에 걸쳐서 존재하는 입자로 되지는 않고, 발명자가 실험을 반복하여 얻어진 상한치는, 0.96이었다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와 토륨 텅스텐으로 이루어지는 선단부가 고상 접합되어 형성된 음극에 있어서, 상기 음극의 본체부와 선단부의 접합 계면에 수직인 단면에 있어서, 상기 접합 계면에 따르는 500㎛ 이상의 임의 영역에 있어서, 상기 접합 계면을 따르는 임의 영역의 길이를 L₀로 하고, 상기 접합 계면에 걸쳐서 존재하는 텅스텐 결정 입자의 당해 접합 계면을 따르는 길이의 총 합을 L로 했을 때, (L/L₀)≥0.16으로 함으로써, 접합 계면에서의 기계적 강도가 충분히 크고, 음극 본체의 모재인 텅스텐과 동등한 인장 강도를 얻을 수 있고, 접합 공정 후의 절삭 가공에 의해서도 접합 계면에서 파손되는 것을 방지할 수 있다는 효과를 발휘하는 것이다.

1: 쇼트 아크형 방전 램프 2: 발광관
3: 음극 31: 본체부(텅스텐)
32: 선단부(토륨 텅스텐) 34: 접합 계면
4: 양극

Claims

발광관의 내부에 음극과 양극이 대향 배치되고, 상기 음극이, 텅스텐으로 이루어지는 본체부와 토륨 텅스텐(thoriated tungsten)으로 이루어지는 선단부가 고상 접합되어 형성되어 이루어지는, 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서,
상기 음극의 본체부와 선단부의 접합 계면에 수직인 단면에 있어서, 상기 접합 계면을 따르는 500㎛ 이상의 임의의 영역에 있어서,
상기 접합 계면을 따르는 임의의 영역의 길이를 L₀로 하고,
상기 접합 계면에 걸쳐서 존재하는 텅스텐 결정 입자의 상기 접합 계면을 따르는 길이의 총합을 L로 했을 때,
(L/L₀)≥0.16인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크형 방전 램프.