KR20200023176A - 방전 램프 - Google Patents

Abstract

접합 강도가 높아진 전극을 갖춘 방전 램프를 제공한다. 방전관과, 방전관 내에 대향 배치되는 한 쌍의 전극을 갖추고, 적어도 일방의 전극이, 선단측 부재와, 도전성의 전극 지지봉에 의해 지지되는 후단측 부재와, 선단측 부재와 후단측 부재와의 사이에 마련된, 레늄을 포함한 텅스텐 합금으로 구성되는 중간 부재를 가지고, 각 부재 사이를 고상 접합하여 구성되고, 중간 부재는, 선단측 부재 및 후단측 부재 중 적어도 일방 보다 결정 입자 지름이 작은 것을 특징으로 하는 방전 램프이다.

Description

방전 램프{DISCHARGE LAMP}

본 발명은, 노광 장치 등에 이용되는 방전 램프에 관한 것으로, 특히, 쇼트 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

종래, 쇼트 아크(Short arc)형 방전 램프는, 전극 간 거리가 짧고, 점광원(點光源)에 가깝기 때문에, 광학계와 조합함으로써 노광 장치의 광원으로서 이용되고 있다.

방전 램프에서는, 금속 종류 등이 다른 부재를 접합시킨 전극이 제안 되고 있다. 예를 들어, 토륨이나 희토류 산화물 등의 이미터(emitter)가 함유된 금속 부재를 전극 선단부, 순 텅스텐 등의 고융점 금속 부재를 동체부로 하여, 2개의 금속 부재를 서로 접합시킨다. 접합 방법으로는, 예를 들면 SPS 등의 고상 접합(Solid-state welding)이 실시된다. 또한, 그 사이에 중간 부재를 통하여 접합하는 것도 가능하다.

특허문헌 1에는, 양극(陽極)에 관한 것이지만, 방열 부재와 전극 동체부 외주면과의 사이에, 질화물계 세라믹스 또는 탄화물계 세라믹스로 구성되는 미립자 분말을 소결(燒結)한 전달층을 마련하는 것, 그리고 세라믹과 금속과의 사이에 중간층 금속을 마련해, 고유 결합하도록 해도 무방한 것이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는, 방열 부재가 부착된 전극을 구성하는 경우에, 세라믹스 원통과 본체부와의 결합은, 중간층에 몰리브덴 박(箔) 등을 이용해 세라믹스와 금속을 고상 확산 결합시키고, 따라서, 밀착성을 높임과 동시에, 열 팽창 차이에 의한 왜곡을 방지할 수 있는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 3에는, 2개의 텅스텐 금속 부재의 사이에 텅스텐-레늄 합금(두께 0.5 mm)을 개재(介在)해, SPS 접합시킨 예가 기재되어 있다.

일본 특허공개 2008-186790호 공보 일본 특허공개 2009-211916호 공보 일본 특허공개 2011-249027호 공보

이러한 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에 기재된 것에서는, 접합되는 금속끼리 사이에 개재하는 중간층의 금속의 결정 입자 지름(結晶粒徑)에 대해 규정되어 있지 않고, 충분한 접합 강도를 얻을 수 없는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 중간 부재를 통해 두 개의 금속을 접합해서 이루어진 전극을 가진 방전 램프에 관하여, 접합 강도를 높이도록 한 방전 램프를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 방전 램프는, 방전관과, 방전관 내에 대향(對向) 배치되는 한 쌍의 전극을 갖추고, 적어도 일방(一方)의 전극이, 선단측 부재와, 도전성의 전극 지지봉에 의해 지지되는 후단측 부재와, 선단측 부재와 후단측 부재와의 사이에 마련된, 레늄을 포함한 텅스텐 합금으로 구성되는 중간 부재를 가지고, 각 부재 사이를 고상 접합하여 구성되고, 중간 부재는, 선단측 부재 및 후단측 부재 중 적어도 일방 보다 결정 입자 지름이 작은 것을 특징으로 하는 방전 램프이다.

적어도 하나의 실시 형태에 의하면, 중간 부재에 의한 접합 강도를 높일 수 있다. 덧붙여, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것은 아니며, 본 명세서 중에 기재된 어느 하나의 효과 또는 이것들과 다른 효과여도 무방하다.

(도 1) 도 1은, 본 발명을 적용할 수 있는 쇼트 아크형 방전 램프를 모식적으로 도시한 도면이다.
(도 2) 도 2는, 음극의 구성을 도시한 도면이다.
(도 3) 도 3은, 음극의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
(도 4) 도 4는, 음극의 접합 상태를 나타낸 전자 현미경 사진을 나타낸 도면이다.

도면을 참조해 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명한다.

도 1은, 일 실시 형태인 쇼트 아크형 방전 램프를 모식적으로 나타낸 도면이다. 쇼트 아크형 방전 램프(10)는, 패턴 형성하는 노광 장치의 광원 등에 사용 가능한 방전 램프로서, 투명한 석영 유리제의 방전관(발광관)(11)을 갖춘다. 방전관(11)에는, 음극(陰極)(20), 양극(陽極)(30)이 소정 간격을 가지고 대향 배치된다.

방전관(11)의 양측에는, 대향하도록 석영 유리제의 봉지관(12a 및 12b)이 방전관(11)과 일체적(一體的)으로 설치되어 있고, 봉지관(12a 및 12b)의 양단은, 꼭지쇠(口金)(13a 및 13b)에 의해 막혀 있다. 봉지관(12a, 12b)의 내부에는, 금속성의 음극(20), 양극(30)을 지지하는 도전성의 전극 지지봉(14a, 14b)이 배설되고, 금속 링(도시하지 않음), 몰리브덴 등의 금속박(15a, 15b)을 통해 도전성의 리드봉(16a, 16b)에 각각 접속된다. 봉지관(12a, 12b)은, 봉지관(12a, 12b) 내에 설치되는 유리관(도시하지 않음)과 용착(溶着)해 있고, 이에 따라, 수은 및 희(希) 가스가 봉입된 방전 공간이 봉지(封止)된다.

리드봉(16a, 16b)은 외부의 전원부(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 리드봉(16a, 16b), 금속박(15a, 15b), 및 전극 지지봉(14a, 14b)을 통해 음극(20), 양극(30)의 사이에 전압이 인가된다. 방전 램프(10)에 전력이 공급되면, 전극 사이에서 아크 방전이 발생해, 수은에 의한 휘선(자외선)이 방사된다.

도 2는, 도 1에 도시한 방전 램프의 음극(20)의 확대도이다. 음극(20)은, 이미터를 포함한 선단측 부재(21)와, 도전성의 전극 지지봉(14a)에 의해 지지되는 후단측 부재(22)와, 선단측 부재(21)와 후단측 부재(22)와의 사이에, 레늄을 포함한 텅스텐 합금으로 이루어진 중간 부재(23)를 개재시켜, 고상 접합하는 것에 의해 구성되어 있다.

선단측 부재(21)는, 양극(30)의 선단을 향해서 서서히 앞이 좁아지고, 선단이 평탄면으로 된 원추(圓錐) 사다리꼴 형상을 가진다. 선단측 부재(21)의 원추 사다리꼴 형상의 주면(周面)의 테이퍼(taper)는, 후단측 부재(22) 및 중간 부재(23)의 주면의 테이퍼와 연속해서 형성되어 있다. 후단측 부재(22)의 저면(底面)측에서부터 전극 지지봉(14a)의 선단이 삽입된다. 덧붙여, 선단측 부재(21)는, 선단이 뾰족한 원추 형상이어도 무방하다.

선단측 부재(21)는, 텅스텐(W)을 주성분으로 하고, 이미터(역전자(易電子) 방사성 재료)로서 산화 토륨을 함유하는, 즉, 토륨 텅스텐(thoriated tungsten)이다. 이미터는 산화 토륨에 한정되지 않으며, 산화 란탄(lanthanum oxide) 등의 희토류 산화물 등이어도 무방하다.

후단측 부재(22)는, 일례로서, 미량의 칼륨이 도프된 텅스텐이다. 덧붙여, 후단측 부재(22)로는, 그 외의 첨가물을 포함한 텅스텐 합금이나 순 텅스텐도 사용할 수 있다.

중간 부재(23)는, 선단측 부재(21)와 후단측 부재(22)의 접합 강도를 높이기 위한 금속 부재이다. 중간 부재(23)는, 1 mm 이하의 두께이며, 여기에서는 두께가 약 0.3 mm인 중간층을 형성한다. 중간 부재(23)의 일례는, 26 중량%의 레늄 함유의 텅스텐 합금(이하, 「레늄­텅스텐」이라고도 한다)이다. 레늄­텅스텐은, 최적한 열 처리에 의해 높은 연성(延性)을 얻을 수 있는 재료이다. 레늄­텅스텐은, 레늄 함유량이 많은 편이 연성은 높다. 따라서, 레늄 함유량이 5 중량% 이상인 재료를 선택하는 것이 접합 강도를 높이는데 바람직하다.

중간 부재(23)는, 선단측 부재(21) 및 후단측 부재(22)와 비교해 연하여, 접합 시에 변형해서 접촉 면적을 증가시키기 때문에, 선단측 부재(21)와 후단측 부재(22)를 직접 접합시키는 것 보다 접합 강도를 높게 할 수 있다. 또한, 텅스텐이 함유되어 있으므로, 열 전도성, 도전성이 전극 전체적으로 균일하게 된다. 게다가, 후술하는 것처럼, 본 발명의 일 실시 형태에서는, 중간 부재(23)의 결정 입자 지름을 작게 함으로써 접합 강도를 높게 할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 음극(20)의 제조 방법의 일례에 대해 도 3을 참조해 설명한다. 도 3A에 도시한 것처럼, 선단측 부재가 되는 토륨 텅스텐 원주(21a)와, 후단측 부재가 되는 텅스텐 원주(22a)와, 중간 부재가 되는 레늄­텅스텐 박(箔)(23a)을 준비한다.

다음으로, 도 3B에 도시한 것처럼, 고상 확산 접합에 의해, 토륨 텅스텐 원주(21a)와, 레늄-텅스텐 박(23a)과, 텅스텐 원주(22a)를 접합한다.

그리고, 도 3B에서 점선으로 도시한 것처럼, 원추 사다리꼴 형상으로 절삭함으로써, 도 3C에 도시한 것처럼, 음극(20)을 형성한다.

고상 접합법의 일례로서, 방전 플라즈마 소결(SPS: Spark Plasma Sintering)에 의한 접합법을 사용할 수 있다. SPS는, 성형체(成形體)의 입자 간극(間隙)에 펄스 형상의 전기 에너지를 직접 투입해, 불꽃 방전 현상에 의해 순간 발생하는 방전 플라즈마의 고온 에너지를 열 확산, 전계 확산 등에 적용한 접합 방법이다. 통전(通電)과 함께, 가압(加壓) 기구에 의해 압력이 가해진다. 통전에 의한 방전 플라즈마에 의해 소정의 소결 온도까지 온도가 상승된 후, 압력이 가해진 상태에서 일정시간 보관 유지된다. 이에 따라, 도 3C에 도시한 음극(20)이 형성된다. 일례로, 압력 50~100 MPa, 가압 시간 5분~20분, 접합면 부근의 소결 온도는 1600℃~1800℃의 범위가 된다.

도 4는, 일 실시 형태에 따른 음극(20)의 접합 상태를 전자 현미경 사진으로 나타낸 도면이다. 선단측 부재(21) 및 후단측 부재(22)의 사이에 중간 부재(23)를 개재해, SPS 접합시켰다.

도 4는, 음극의 접합면 부근을, 마이크로 오더 레벨로 촬영한 사진을 나타내고, 금속 조직이 명확하게 되어 있다. 도면의 좌우 방향에 따라 접합면이 형성되어 있다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 중간 부재(23)의 결정 입자 지름은, 후단측 부재(22)의 결정 입자 지름 보다 작은 것이 된다. 또한, 여기에서는 선단측 부재(21)의 결정 입자 지름은 중간 부재(23)의 결정 입자 지름 보다 작고, 각 부재 사이에서 결정 입자 지름에 변화가 생기고 있다. 또한, 도 4의 예와 다른 예에서는, 중간 부재(23)의 결정 입자 지름은, 선단측 부재(21)의 결정 입자 지름과 거의 같거나, 또는 보다 작은 것이 된다. 중간 부재(23)와 선단측 부재(21)의 결정 입자 지름이 거의 같은 경우, 후단측 부재(22)의 결정 입자 지름이 큰 것이 된다. 한편, 각 부재에서의 접합면 부근의 결정 입자는, 접합에 기여하는 접합면 결정 입자 만이 부분적으로 변형하고, 그 이외의 접합면 부근의 결정 입자는, 접합면에 수직인 방향(전극 축 방향)에 따라 변형해, 2차 재결정화에 따른 입자 지름 비대화, 입자계(粒界) 이동이 거의 생기지 않는다. 즉, 접합 후에 있어서도 각 부재의 결정 입자 지름의 대소(大小) 관계가 손상되지 않는다.

예를 들면, 중간 부재(23)의 평균 결정 입자 지름이 11.9 ㎛인데 비해, 후단측 부재(22)의 평균 결정 입자 지름이 63.7 ㎛가 된다. 덧붙여, 결정 입자 지름이란, 예를 들어 JIS G 0551　절단법에 근거해 측정된 평균 결정 입자 지름으로 한다. 결정 입자 지름에 대해서는, 열 처리의 온도나 시간을 정하거나, 혹은 칼륨 등의 첨가물을 도프함으로써 조정 가능하고, 제조 전(소재)의 단계에서 소망하는 결정 입자 지름의 재료를 선정해 사용하는 것도 가능하다.

이와 같이, 선단측 부재 및 후단측 부재 중 적어도 일방의 결정 입자 지름 보다 중간 부재(23)의 결정 입자 지름을 작은 것으로 함으로써, 접합 강도를 높일 수 있다. 즉, 결정 입자 지름이 작은 것에 의해, 결정 입자계가 많이 존재하여, 원자의 확산에 유리하게 작용한다. 이에 따라, 접합성이 양호해져, 접합 강도를 보다 증가시킬 수 있다. 이처럼 접합 강도를 증가시킬 수 있기 때문에, 중간 부재(23)의 두께를 얇게 할 수 있어, 코스트 면에서 유리하다. 또한, 결정 입자 지름의 대소 관계를 도 4에 도시한 실시 형태와 같은 순서로 형성함으로써, 선단측 부재(21)와 중간 부재(23)와의 사이, 및 중간 부재(23)와 후단측 부재(22)와의 사이에서, 어느 일방의 부재의 결정 입자 지름이 작은 관계로 할 수 있음과 동시에, 급격한 결정 구조 변화를 완화시킬 수 있다. 즉, 중간 부재(23)의 결정 입자 지름이 선단측 부재(21) 보다 크고, 후단측 부재(22) 보다 작기 때문에, 전극 축에 따른 부재 간의 결정 입자 지름의 변화가 단계적, 연속적이 된다. 이에 따라, 선단측 부재(21)에서 전극 지지봉(14a)을 향한 열 수송에 미치는 영향을 억제할 수 있다.

이상, 본 기술의 일 실시의 형태에 대해 구체적으로 설명했지만, 본 발명은, 상술한 일 실시 형태로 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상에 근거한 각종 변형이 가능하다. 예를 들면, SPS 소결법 이외의 확산 접합 방법에 의해 전극을 제조해도 무방하다. 예를 들면, 고온 프레스(HP), 열간 정수압 가압(HIP, Hot Isostatic Pressing) 등, 가압하면서 소결하는 접합 방식으로 전극을 제조하는 것이 가능하다. 또한, 그 이외의 고상 접합법(마찰 압접법(壓接法), 초음파 접합법 등)도 적용 가능하다. 또한, 실시 형태에서는 음극에 대해 설명했지만, 양극에 적용해도 무방하고, 마찬가지로 접합 강도를 높일 수 있다. 수은을 포함하지 않는 쇼트 아크형 크세논 램프나, 쇼트 아크형 이외의 방전 램프에도 적용해도 무방하다. 또한, 상술의 실시 형태에서 든 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등은 어디까지나 예에 지나지 않으며, 필요에 따라 이와 다른 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등을 이용해도 무방하다.

10: 방전 램프
11: 방전관
20: 음극
21: 선단측 부재
22: 후단측 부재
23: 중간 부재
30: 양극

Claims (3)

1. 방전관과,
   상기 방전관 내에 대향 배치되는 한 쌍의 전극
   을 갖추고,
   적어도 일방의 전극이, 선단측 부재와, 도전성의 전극 지지봉에 의해 지지되는 후단측 부재와, 상기 선단측 부재와 상기 후단측 부재와의 사이에 마련된, 레늄을 포함한 텅스텐 합금으로 구성되는 중간 부재를 가지고, 각 부재 사이를 고상 접합하여 구성되고,
   상기 중간 부재는, 상기 선단측 부재 및 상기 후단측 부재 중 적어도 일방 보다 결정 입자 지름이 작은 것을 특징으로 하는 방전 램프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중간 부재의 레늄 함유율은, 5 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 중간 부재는,
   상기 선단측 부재 보다 결정 입자 지름이 크고, 상기 후단측 부재 보다 결정 입자 지름이 작은 것을 특징으로 하는 방전 램프.

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