KR20220054888A - 쇼트 아크 방전 램프용 전극 및 그 생성 방법 - Google Patents

Abstract

(과제) 방열성이 높은 쇼트 아크 방전 램프용 전극을 제공한다.
(해결수단) 턴스텐 전극의 표면에 레이저광을 조사하고, 표면을 용해·응고시켜서 수평·수직 방향에 있어서 불규칙한 평균 거칠기(Ra)가 10㎛ 이하인 미늘 구조를 갖는 요철을 형성한다. 상기 요철이 형성된 전극 본체 표면에 세라믹스의 분말을 용매에 섞은 페이스트를 도포하고, 건조후에 소결시켜서 표면에 미세한 균열을 갖는 방열층을 형성한다. 상기 산화지르코늄 페이스트의 도포를 반복한 후, 소결함으로써 방열층을 형성한다.

Description

쇼트 아크 방전 램프용 전극 및 그 생성 방법

본 발명은 쇼트 아크 방전 램프용 전극에 관한 것으로, 특히, 전극 표면에 방열성이 높은 세라믹스의 방열층을 형성하는 기술에 관한 것이다.

일본 특허 제4295527호 공보의 단락 0050에는 알루미나, 산화칼슘, 알루미나와 산화티탄의 혼합물, 알루미나와 산화크롬의 혼합물 중 어느 1종으로 이루어지는 방열층에 대해서 밀착성을 향상시키기 위해서 텅스텐의 표면에 Rmax 10㎛ 이상, 바람직하게는 Rmax 50㎛ 이상의 요철을 형성하는 것이 개시되어 있다.

상기 알루미나, 산화칼슘, 알루미나와 산화티탄의 혼합물, 알루미나와 산화크롬의 혼합물에 대해서는 융점이 낮으므로, 고온이 되는 방전 램프에 대해서는 사용하기 어렵다.

그래서, 발명자는 지르코늄에 착안해서 텅스텐 전극의 표면에 형성할 수 없을까라고 생각했다.

그러나, 텅스텐의 표면에 산화지르코늄의 방열층을 형성해도, 그것만으로는 방열성이 그다지 향상되지 않는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 방열성이 높은 세라믹스의 방열층을 형성한 전극 및 그 생성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1)본 발명에 따른 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법에 있어서는 고융점 금속으로 구성된 전극 본체의 표면에 산화지르코늄, 탄화지르코늄 또는 질화지르코늄의 방열층을 구비한 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법으로서, 상기 전극 본체 표면에 레이저를 조사하고, 상기 전극 표면을 용융·응고시켜서 평균 거칠기(Ra)가 21㎛ 이하인 요철을 형성하는 스텝, 상기 전극 본체 표면에 레이 상기 요철이 형성된 전극 본체 표면에 세라믹스의 분말을 용매에 섞은 페이스트를 도포하고, 건조후에 소결시켜서, 상기 방열층의 표면에 미세한 균열을 갖는 방열층을 형성하는 스텝을 구비하고 있다. 따라서, 방열성이 높은 쇼트 아크 방전 램프용 전극을 제공할 수 있다.

(2)본 발명에 따른 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법에 있어서는 상기 요철의 최대 거칠기(Rz)/평균 거칠기(Ra)가 5∼9이다. 따라서, 상기 전극 본체와 상기 방열층의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

(3)본 발명에 따른 쇼트 아크 방전 램프용 전극에 있어서는 상기 요철의 평균 거칠기(Ra)는 10㎛ 이하이다. 따라서, 상기 전극 본체와 상기 방열층의 밀착성을 보다 장기에 걸쳐 유지할 수 있다.

본 명세서에 있어서, 평균 거칠기(Ra)란 JIS B 0601에 있어서의, 기준 길이에 있어서의 Z(x) 절대값의 평균을 나타낸 산술 평균 거칠기를 말한다. 또 최대 거칠기(Rz)란 조도계로 측정한 거칠기 곡선의 일부를 기준 길이로 발췌하고, 가장 높은 부분(최대 산높이:Rp)과, 가장 깊은 부분(최대 곡깊이:Rv)의 합으로 구해지는 JIS B 0601-2001에 의한 계측 파라미터를 말한다.

본 발명의 특징, 다른 목적, 용도, 효과 등은 실시형태 및 도면을 참작함으로써 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 텅스텐 본체(30)의 표면에 형성하는 요철의 모식도이다.
도 2A는 텅스텐 본체(30) 위에 형성된 방열층(32)의 상세를 나타내는 전자 현미경 사진이다. 도 2B는 또한 그 일부의 확대도이다.
도 3은 도 2A의 화살표 20으로부터 본 도면이다.
도 4는 각 샘플에 있어서의 텅스텐 본체(30)의 표면 거칠기(평균 거칠기(Ra) 및 최대 거칠기(Rz))의 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 레이저 가공의 조건을 변경한 경우의 평균 거칠기(Ra)와 방열성의 관계를 나타내는 표이다.
도 6은 산화지르코늄 이외의 세라믹스에 있어서의 효과를 나타내는 표이다.
도 7은 도 4에 나타낸 9샘플 및 추가 실험을 한 샘플에 있어서의 평균 거칠기(Ra)와 최대 거칠기(Rz)의 관계를 나타내는 표이다.
도 8은 각 샘플에 있어서의 평균 거칠기(Ra)와 최대 거칠기(Rz)의 관계 분포를 나타내는 도면이다.

1.제조 공정에 대해서

본 발명에 따른 전극의 방열층의 생성 방법에 대해서 설명한다.

1)불규칙 요철 가공 공정

텅스텐 전극을 준비하고, 표면에 레이저광을 조사하고, 이것에 의해 텅스텐 표면을 용해·응고시켜서, 수평·수직 방향에 있어서 불규칙한 평균 거칠기(Ra)가 10㎛ 이하인 요철을 형성한다.

본 실시형태에 있어서는 파이버 레이저 마커 TF450(그라보텍 가부시키가이샤제)을 채용해서 이하의 조건으로 전극의 텅스텐 표면을 응고 용해시켜서 수평·수직 방향에 있어서 불규칙한 요철을 형성했다.

레이저 출력:장치의 최대 출력인 50W의 80%(40W),

반복 주파수:80kHz,

펄스폭:100nm,

파장:1064nm,

레이저 지름:약 60㎛,

스캔 속도:30mm/s,

인접하는 2개의 라인의 간격:약 0.01mm,

주위의 온도:실온,

주위의 가스:질소,

압력:대기압,

이 경우, 1펄스당 에너지[J]=레이저의 출력[W]/레이저의 반복 주파수[Hz]이므로, 본 실시예에서는 1펄스당 에너지는 40W/80kHz=0.5mJ가 된다.

도 1에 텅스텐 표면에 형성되는 수평·수직 방향에 있어서 불규칙한 평균 거칠기(Ra)가 10㎛ 이하인 요철의 단면의 모식도를 나타낸다. 도 1에서 명백하듯이, 수평·수직 방향 중 어디에나 미늘 구조를 갖는 단면으로 되어 있다.

2)세라믹스층 형성 공정

상기 요철이 형성된 전극 본체 표면에 세라믹스의 분말을 용매에 섞은 페이스트를 도포하고, 건조후에 소결시킨다. 이것에 의해 표면에 미세한 균열을 갖는 세라믹스의 방열층을 형성한다.

상기 페이스트의 생성 방법에 대해서 설명한다. 아세트산 부틸 11mL(9.7g)에 니트로셀룰로오스 1.0g 및 산화지르코늄 분말 6.6g을 섞은 용액을 준비한다. 이것을 스터러를 이용하여, 1일 정도 교반한다. 교반 전에는 산화지르코늄 분말은 응집해서 큰 입자로 되어 있는 경우가 있지만, 교반함으로써 입경이 충분히 작은 산화지르코늄 페이스트가 얻어진다. 본 실시형태에 있어서는 상기 요철이 21㎛ 이하이므로, 산화지르코늄의 입경이 1㎛ 미만이 되도록 교반했다.

또, 산화지르코늄의 입경을 작게 하는 방법은 이것에 한정되지 않고, 체, 또는 분립기 등을 사용해도 좋다.

이 산화지르코늄 페이스트를, 예를 들면 붓으로 전극 표면에 도포한다.

다음에 소결을 행한다. 본 실시형태에 있어서는 소결 조건으로서 진공중에서 실온∼1300℃까지는 50℃/분으로, 1300∼1800℃까지는 500℃/분으로, 1800℃에서 2분간 유지하고, 전극 표면의 산화지르코늄을 소결시켰다.

본 실시형태에 있어서는 상기 산화지르코늄 페이스트의 도포 및 건조를 복수회 반복하고, 상기 표면의 요철 중 가장 높은 위치로부터 5㎛로 한 후, 소결시킴으로써 방열층을 형성했다. 또, 이러한 5㎛에 대해서는 한정되지 않는다.

본 실시형태에 있어서는 상기 산화지르코늄 페이스트의 도포 및 소결을 복수회 반복하고, 상기 표면의 요철 중 가장 높은 위치로부터 5㎛가 되도록 방열층을 형성했다. 또, 이러한 5㎛에 대해서는 한정되지 않는다.

2.생성된 전극에 대해서

도 2A에 본 발명에 따른 쇼트 아크 방전 램프의 전극(1)의 확대 단면도(500배)를 나타낸다. 도 2A에서 흰 영역은 텅스텐이며, 그 위에 산화지르코늄의 방열층이 형성되어 있다. 동 도면에서는 어느 영역이 텅스텐, 산화지르코늄인지를 알기 어려우므로, 도 2A의 일부를 더 확대한 사진을 도 2B에 나타낸다. 동 도면에 있어서, 텅스텐 본체(30)와 산화지르코늄층(32)의 계면에 형성되어 있는 검은 부분(31)은 공동이다. 또한 산화지르코늄층(32)에 존재하는 공동 중 일부의 공동은 산화지르코늄층(32)의 표면까지 관통하고 있다(예를 들면 공동(35)).

도 3은 도 2A의 화살표 20으로부터 본 도면이다. 동 도면에 나타내듯이, 산화지르코늄층(32)의 표면에는 하층의 텅스텐 본체(30)의 표면에 형성한 요철이 원인으로 생긴 미세한 균열이 형성되어 있다.

전극(1)의 방사율을 계측한 결과, 온도 1000℃에서 0.8, 1800℃에서 0.9의 계측 결과가 얻어졌다.

본 실시형태에 있어서는 방사율은 이하의 방법을 이용하여 계측했다. 방열층을 형성한 전극 본체에 경면의 부분을 형성한다. 전극을 산화시키지 않기 위해서, 유리관 안에 설치한 상기 전극을 진공중에서 경면의 부분이 소정 온도(1800℃)가 되도록 가열한다. 온도의 계측은 방사 온도계를 사용하면 좋다. 텅스텐의 방사율은 경면, 파장 650㎛ 및 온도 약 2000℃의 경우에서 약 0.4이다. 따라서, 상기 경면부분의 값을 기준값으로 해서 방열막의 온도가 상기 소정 온도가 되도록 방사 도계의 방사율을 변경하고, 이것을 소정 온도에 있어서의 방열막의 방사율로 한다.

이러한 방열률의 향상은 텅스텐의 미세한 요철의 간극에 산화지르코늄이 잠입하는 듯한 형상이 됨으로써 산화지르코늄의 표면에 형성되는 미세한 요철에 의한 것이라고 발명자는 추측했다.

이 추론을 뒷받침하기 위해서, 발명자는 텅스텐의 표면에 형성하는 요철의 크기가 다른 전극을 작성해서 비교했다. 그 결과, 1800℃에 있어서, 실시예 1(스캔 속도 30mm/s)에서는 방사율 0.9인 것에 대해서, 참고예 1(레이저 가공 없음)에서는0.7이었다.

도 3에 나타내듯이, 실시예 1에서는 산화지르코늄의 표면에 균열이 발생하고 있다. 발명자는 텅스텐의 표면에 형성하는 요철형상이 이 균열 형성에 영향을 주고 있다고 생각했다.

그래서, 레이저의 주사 속도 및 주파수를 바꾼 전극을 9개 작성하고, 각각에 대해서 방사율을 계측했다. 계측 결과를 도 5에 나타낸다. No 9의 외주품에 대해서는 레이저 가공기의 파워, 주사 속도 등은 불분명하다. 이유는 아래와 같다. 발명자는 레이저 가공한 제품을 샘플로서 건네주고, 동등의 레이저 가공을 의뢰했다. 레이저 가공후의 제품에 대해서 평균 거칠기(Ra) 등을 계측했다. 또, 레이저 가공의 조건은 노하우라고 해서 정보 제공을 받을 수 없었다.

도 5에서 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 레이저의 1펄스당 에너지를 크게 하면, 표면 거칠기는 커진다. 또한 주사 속도는 통상은 빠르게 하면 할수록 표면 거칠기는 작아진다고 생각되지만, 60mm/s 정도에서는 평균 거칠기(Ra)에는 거의 영향이 없는 것을 알 수 있다.

도 4에 각 샘플에 있어서의 평균 거칠기(Ra), 최대 거칠기(Rz)의 관계를 나타낸다. 각 샘플도 모두 평균 거칠기(Ra)가 샘플 No 9를 제외하면 10㎛ 이하이다. 각 샘플은 도 5에 나타낸 바와 같이 방사율이 향상되어 있다. 샘플 No 9도 방사율이 향상되어 있다.

또, 도 5에 있어서의 평균 거칠기(Ra), 최대 거칠기(Rz)는 레이저 가공후, 방열층을 형성하기 전에 계측한 것은 당업자라면 기재하지 않아도 이해할 수 있는 것은 당연하지만, 만약을 위해 언급해 둔다.

또한 실시예 1에서는 텅스텐의 표면의 수평·수직 방향 중 어디에도 미늘 구조를 갖는 요철이 존재한다. 따라서, 산화지르코늄의 방열층(3)과 텅스텐 전극(2)의 계면에서는 산화지르코늄이 텅스텐의 요철의 간극에 잠입하도록 해서 밀착된다라는 효과도 발휘한다.

본 실시형태에 있어서는 방열층(32)의 두께를 60㎛로 했지만, 텅스텐 표면에 생성한 미세한 요철이 숨겨지는 정도이면, 이것에 한정되지 않는다.

도 7A에 도 4에 나타낸 샘플 No 1∼9의 최대 거칠기(Rz)와 평균 거칠기(Ra)의 관계를 양자의 비로 나타낸 값(이하, 표면 거칠기 난잡도(Sr)라고 한다)을 나타낸다. 샘플 No 1∼9는 표면 거칠기 난잡도(Sr)가 「5.9」∼「9.1」이다.

도 7B에 주사 속도를 150mm/s, 300mm/s, 600mm/s, 900mm/s로 한 경우의 평균 거칠기(Ra), 최대 거칠기(Rz)의 관계를 나타낸다. 이렇게 주사 속도를 빠르게 해도 표면 거칠기 난잡도(Sr)는 「5.7」∼「8.0」로 되어 있다.

또, 도 7B에 있어서, 주사 속도 이외의 조건은 샘플 7과 마찬가지로, 출력 40W, 반복 주파수:50kHz, 에너지 펄스 0.8mJ로 했다.

도 8에 도 7A, B의 각 샘플의 표면 거칠기 난잡도(Sr)의 분포를 나타낸다. 이렇게 각 샘플은 거의 직선 상에 위치하는 관계로 분포되어 있다. 또, 도 8에서는 샘플 9에 대해서는 도시하고 있지 않다. 이것은 이 샘플에 대해서는 표면 거칠기 난잡도(Sr)는 다른 샘플과 같지만, 평균 거칠기(Ra) 및 최대 거칠기(Rz)의 수치가 크므로, 이것을 도시하면, 다른 28개의 위치가 복수로 겹쳐 버려, 이들의 관계가 보이기 어려워지기 때문이다.

이렇게, 평균 거칠기(Ra)가 21㎛ 이하이며, 또한, 표면 거칠기 난잡도(Sr)가 5.7∼8.9인 미세한 요철을 형성함으로써, 텅스텐 본체와 그 표면에 형성되는 세라믹스의 밀착성을 높게 할 수 있다. 이것은 도 1에 나타나 있는 바와 같은 요철에 세라믹스의 페이스트가 끼워 넣어지기 때문이다. 또한 미세한 요철이므로 제조시에 칠하기 쉽다고 하는 효과도 있다.

또한 평균 거칠기(Ra)가 10㎛ 이하이며, 또한, 표면 거칠기 난잡도(Sr)가 5.7∼8.9인 미세한 요철을 형성함으로써, 장기에 걸쳐 보다 벗겨지기 어려운 전극을 얻을 수 있다. 또 제조시에 세라믹스의 페이스트를 칠하기 쉽다고 하는 이점도 있다.

또 표면 거칠기 난잡도(Sr)는 10 이하, 구체적으로는 5∼9이어도 좋다.

3.다른 실시형태

본 실시형태에 있어서는 산화지르코늄의 방열층을 생성하는 경우에 대해서 설명했지만, 도 6에 나타내듯이, 질화지르코늄, 탄화지르코늄에서도 마찬가지로 방열률이 높은 방열층을 생성할 수 있다.

또, 산화하우늄에 대해서는 방사율이 좋지 않았다. 또한 탄화규소는 방사율로서는 문제 없었지만, 아웃 가스가 1600℃ 정도에서 발생했기 때문에, 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 방열층으로서는 바람직하지 못하다.

또한 상기 실시형태에서는 산화지르코늄 페이스트 생성에 산화지르코늄(밀도:5.7 g/㎤):6.6g으로 했다. 여기에서, 산화지르코늄은 질화지르코늄, 및 탄화지르코늄과는 밀도가 다르기 때문에 각각의 밀도에 따라 재료의 질량을 아래와 같이 변경하면 좋다.

ZrC(밀도:6.7g/㎤):7.8g

ZrN(밀도:7.0g/㎤):8.1g

또한 본 실시형태에 있어서는 쇼트 방전 램프의 양극에 적용한 경우에 대해서 설명했지만, 음극에 적용하는 것도 가능하다.

본 실시형태에 있어서는 레이저광을 사용했지만 전자빔 등 다른 방법을 채용하는 것도 가능하다.

상기에 있어서는 본 발명을 바람직한 실시형태로서 설명했지만, 한정을 위해서 사용한 것은 아니고, 설명을 위해서 사용한 것으로서, 본 발명의 범위 및 정신을 일탈하지 않고, 첨부의 청구범위에 있어서, 변경할 수 있는 것이다.

1······전극
30·····텅스텐 본체
32·····산화지르코늄층

Claims (3)

1. 고융점 금속으로 구성된 전극 본체의 표면에 산화지르코늄, 탄화지르코늄 또는 질화지르코늄의 방열층을 구비한 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법으로서,
   상기 전극 본체 표면에 레이저를 조사하고, 상기 전극 표면을 용융·응고시켜서 평균 거칠기(Ra)가 21㎛ 이하인 요철을 형성하는 스텝,
   상기 요철이 형성된 전극 본체 표면에 세라믹스의 분말을 용매에 섞은 페이스트를 도포하고, 건조후에 소결시켜서 상기 방열층의 표면에 미세한 균열을 갖는 방열층을 형성하는 스텝을 구비한 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 요철의 최대 거칠기(Rz)/평균 거칠기(Ra)가 5∼9인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 요철의 평균 거칠기(Ra)는 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 방전 램프용 전극의 생성 방법.

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