KR940009200B1 - 실리콘 보호 피복을 구비한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전램프 및 그 제조방법 - Google Patents

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Description

실리콘 보호 피복을 구비한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전램프 및 그 제조방법

도면은 본 발명에 의한 보호피복을 사용한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프의 개략적인 부분 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 보호피복 14 : 아크튜브

16 : 코일 20 : 솔레노이드 아크 방전

본 출원은 본 출원인에게 각각 양도된 에이취.에스.스패실 및 알.에이취.윌슨의 1990년 7월 16일 미합중국 출원 제553,038호와 브이.디.로버츠 및 디.에이.다우티 그리고 제이.엘.마이어즈의 1990년 7월 16일 미합중국 출원 제553,303호와의 관련 발명이며, 두 출원의 대응출원은 한국에 동일자로 출원되었다.

본 발명은 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 램프의 사용 수명을 연장시키기 위한 실리콘 보호 피복을 구비한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프를 작동시키면, 통상적으로 전류의 통과에 의해 비교적 고압의 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분이 여기될 때, 금속성분에 의해 가시방사선이 방사하게 된다. 이런 종류의 고강도 금속 할로겐 화합물 램프는 금속 할로겐 화합물과 불활성 완충 가스(inert buffer gas)의 조합으로 구성된 고압 가스 램프 충전재안에 솔레노이드 전기장을 발생시킴으로써, 아크 방전을 일으키는 무전극램프를 포함한다. 특히, 램프 충전재 또는 방전 플라즈마는, 충전재를 내장한 아크 튜브를 감싸는 여기 코일(excitation coil)안의 라디오 주파수 전류[radio frequency(RF)current]에 의해 여기된다. 아크 튜브와 여기 코일 조립체는 RF 에너지를 플라즈마에 연결시키는 변압기로써 작동한다. 즉, 여기코일은 1차 코일로 작동하고, 플라즈마는 단일 권선 2차 코일로 작동한다. 여기 코일안의 RF전류는 시간 변화 자기장(time-varying magnetic field)를 발생시키고, 이는 그 자체로 완전히 밀폐된 플라즈마안에 전기장, 예를 들면 솔레노이드 전기장을 발생시킨다. 이러한 전기장에 의해 전류가 흐르므로 아크 튜브안에 환상 아크 방전이 발생된다.

상기에 언급한 무전극 램프와 같은 고강도 금속 할로겐 화합물 램프는 일반적으로 일반 목적의 조명 원리에 따라 양호한 색상 및 고효능을 제공한다. 그러나, 이러한 램프의 수명은 램프 작동시의 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분의 손실 및 이에 대응하는 유리 할로겐 화합물(free halide)의 생성에 의해 제한될 수 있다. 특히, 금속 원자의 손실은 가시 광선의 출력을 감소시킴으로써 램프의 사용 수명을 짧게 한다. 또한, 금속 원자의 손실은 아크 튜브안으로 유리 할로겐 화합물의 방출을 유발하고, 이는 특히 무전극 고강도 금속 할로겐 화합물 램프의 아크 불안정 및 이로 인한 소멸을 발생시키게 된다.

금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분의 손실은 아크 튜브벽으로 금속 이온을 이동시키는 아크 방전의 전기장에 의해 발생된다. 예를 들면, 1971년 엠.아이.티 출판사(M.I.T.press), 죤.에프.웨이마우스의 “전자 방전 램프”의 제226면 내지 제277면에 의하면, 나트륨 요드화물 충전재를 내장한 고강도 방전 램프의 경우 나트륨 요드화물은 아크 방전에 의해 나트륨 양이온과 요드 음이온으로 유리 된다. 나트륨 양이온은 아크 방전의 전기장에 의해 아크 튜브벽으로 돌진한다. 튜브 벽에 도달하기 전에 요드 이온과 재결합하지 않은 나트륨 이온은 튜브 벽의 실리카 성분이나 산소 불순물과 화학적으로 반응하거나 튜브 벽을 통과하여 아크튜브 외측에서 공기중의 산소와 화학적으로 반응할 것이다(통상, 아크튜브는 외부 광투과성 벽 또는 외피가 위치한다). 즉, 이러한 나트륨 이온은 실리카 아크 튜브의 실리카 성붕이나 산소 불순물 또는 공기중의 산소와 반응하여 나트륨 규산염 또는 산화 나트륨을 형성하도록 반응될 것이다. 나트륨 이온 또는 원자가 보다 많이 손실되면 광출력이 감소하고 아크 튜브안에 유리 요드가 생성되고 이에 의해 아크가 불안정해져서 결국 아크가 소멸되게 된다. 또한, 아크 튜브 표면은 이온 충격에 따라 변질되게 된다. 따라서, 금속 할로겐 화합물 램프 충전재의 금속 성분의 손실과 이로 인한 유리 할로겐 화합물의 부수적인 생성을 방지하여 램프의 사용 수명을 연장시킬 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프의 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분의 손실과 유리 할로겐 화합물의 생성을 방지하는 수단을 마련하여 램프의 사용 수명을 연장시킬 수 있는 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프 및 그 제조 방법을 마련하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프의 금속 화합물 충전재의 금속 성분의 손실과 유리 할로겐 화합물의 생성을 방지하기 위한 아크 튜브용 보호 피복을 마련한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프를 마련하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프의 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분의 손실과 유리 할로겐 화합물의 생성을 방지하기 위하여 고강도 금속 할로겐 화합물 방전램프의 아크튜브에 보호 피복을 도포시키는 방법을 마련하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적은 고강도 금속 할로겐 화합물 방전램프의 아크튜브용의 새롭고 향상된 보호 피복에 의해 성취된다. 본 발명의 보호피복은 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분이 아크 튜브의 실리카 또는 산소 불순물과의 반응 그리고 튜브 통과에 따른 외가와의 반응에 의한 금속 성분의 손실 및 이로인한 유리 할로겐 화합물의 생성을 방지하여 램프의 사용 수명을 연장시킬 수 있도록 적절한 조성 및 두께를 갖는다. 양호한 실시예에서, 보호 피복은 아크튜브의 내부면에 도포된 실리콘 층으로 구성되며, 이러한 실리콘층은 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분의 손실을 피할 수 있도록 충분한 두께이지만 아크 튜브로부터 가시광성 출력을 최소한으로 차단할 수 있는 충분한 얇은 두께이다. 이러한 실리콘 피복의 두께는 3 내지 40나노미터, 보다 양호하게는 10 내지 20나노미터이다.

아크 튜브에 보호 피복을 도포시키는 양호한 방법은, 보호 피복을 최초에 아크튜브의 내부 및 외부면 모두에 도포시키는 화학 중착 공정을 포함한다. 그 연후에 외부 피복은 적절한 부식액에 아크 튜브를 침지시킴으로써 제거된다.

본 발명의 특징 및 장점은 본 발명의 보호 피복을 사용한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프를 도시한 첨부된 도면과 함께 하기 본 발명의 상세한 설명으로부터 인지될 수 있을 것이다.

도면은 본 발명에 의한 보호 피복(12)을 사용한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프(10)을 도시한 것이다. 도시를 위해서, 램프(10)는 무전극 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프로써 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 원리는 전극을 구비한 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프에도 동일하게 적용할 수 있음을 이해하여야만 한다. 도시된 바와 같이, 무전극 고강도 금속 할로겐 화합물 방전 램프(10)은 용융 실리카(fused silica)와 같은 고온 유리 또는 다결정 산화 알루미늄(polycrystslline alumina)와 같은 광투과성 세라믹으로 형성된 아크 튜브(14)를 포함한다. 한 예로써 아크튜브(14)는 거의 타원체 형상을 갖도록 도시되어 있다. 그러나, 사용에 따라 다른 형상의 아크 튜브를 마련할 수도 있다. 예를 들어, 아크 튜브(14)는 필요하다면 구 형상일 수도 있으며, 또한 둥근 모서리를 갖는 짧은 원통형 또는 환약상자(pillbox) 형태일 수도 있다.

아크 튜브(14)는 램프 작동시에 솔레노이드 아크 방전을 여기시키는 금속 할로겐 화합물 충전재를 내장하고 있다. 본 출원인에게 양도된 1989년 3월 7일 피.디.존슨 및 제이.티 타킨 그리고 제이.엠.앤더슨의 미합중국 특허 제4,810,938호에 기술된 적절한 충전재는, 백색 온도에서 양호한 색상 표출력 및 고효능을 갖는 가시방사선을 발생시키는 중량비로 조합된, 나트륨 할로겐 화합물과 세륨 할로겐 화합물 및 크세논으로 구성된다. 예를 들어 존슨등의 특허에 의한 충전재는 약 500토르의 부분 압력의 크세논과 조합하여 동일 중량비의 나트륨 요드화물과 세륨 염화물로 구성된다. 존슨 등의 특허는 본 명세서에 참고로 기술되어 있다. 에이취. 엘.위팅의 1989년 5월 8일 미합중국 특허출원 제348,433호에는 다른 적절한 충전재가 기술되어 있으며, 이는 본 출원인에게 양도되었고 본 명세서에 참고로 기술되어 있다. 위팅 출원의 충전재는 란탄 할로겐 화합물과 나트륨 할로겐화합물 및 세륨 할로겐화합물 그리고 완충가스로써 크세논 또는 크립톤의 조합체로 구성된다. 예를들면 위팅 출원의 충전재는 란탄 요드화물과 나트륨 요드화물 및 세륨 요드화물 그리고 250 토르의 부분 압력의 크세논의 조합으로 구성될 수도 있다.

안정기(ballast, 18)을 통해 RF 신호에 의해 작동되는 아크튜브(14) 주위에 위치한 여기 코일(16)에 의해 고강도 방전 램프(HID Lamp)에 전력을 가한다. 적절한 여기 코일(16)은, 예를 들면 본 명세서에 참고로 기술되고 본 출원인에게 양도된 지.에이.파올의 1990년 3월 14일 미합중국 특허 출원 제493,266호에 기술된 바와 같은 형상을 갖는 2-권선 코일(a two-turn coil)로 구성될 수도 있다. 이러한 코일 형상은 고효능을 가지며 램프로부터 최소한의 광차단이 이루어지도록 한다. 파올 출원에 의한 여기 코일의 전체 형상은 일반적으로 사다리꼴과 동일 평면상에 위치하지만 사다리꼴과 교차하지 않는 코일의 중심선에 대하여 좌우 대칭인 사다리꼴을 회전시킴으로써 형성된 표면의 형상을 갖는다. 그러나, 본 출원인에게 양도되고 본 명세서 참고로 기술된 제이.앰.앤더슨의 1989년 3월 14일 미합중국 특허 제4,812,702호에 기술된 바와 같은 다른 적절한 코일 형상을 사용할 수도 있다. 특히, 앤더슨 특허에는 코일 중심선의 각 측면상에 V형 단면을 갖도록 배열된 6개의 권선을 갖는 코일이 기술되어 있다. 또 다른 적절한 여기 코일은 예를 들면 솔레노이드 형상일 수도 있다.

작동시 코일(16)안의 RF 전류는 그 자체상에 완전히 밀폐된 전기장을 아크 튜브(14)안에 발생시키는 시간 변화 자기장을 일으킨다. 전류는 아크 튜브(14)안의 충전재를 통해 흘러서 이러한 솔레노이드 전기장을 아크 튜브(14)안에 솔레노이드 아크 방전(20)을 발생시킨다. 예시적인 무전극 HID 램프의 작동은 본원에서 인용한 존슨 등의 미합중국 특허 제4,810,938호에 기술되어 있다.

본 발명에 의하면, 아크 튜브(14)의 내부면에 도포된 보호 피복(12)는 금속 할로겐 화합물 충전재의 금속 성분이 튜브와의 충돌 및 튜브 외측으로 통과함에 따른 금속 성분의 손실 및 이로 인한 대응 유리 할로겐 화합물의 생성을 방지하기에 충분히 두꺼운 두께를 갖는다. 또한, 보호 피복은 아크 튜브로부터 가시광선 출력을 최소한으로 차단할 수 있도록 충분히 얇은 두께를 갖는다. 양호하게는, 충전재의 금속성분이 램프 작동시에 가시 방사선을 발생시키므로, 램프의 사용수명은 그 손실을 방지함으로써 연장된다. 또한, 유리 할로겐 화합물의 생성은 통상적으로 아크를 불안정하게 하고 결국 아크를 소멸시키므로, 이러한 생성을 방지함으로써 램프의 사용 수명을 연장시킨다.

본 발명은 양호한 실시예에서, 아크 튜브(14)는 용융 실리카로 구성되고, 보호 피복(12)은 실리콘층으로 구성된다. 실리콘 피복(12)의 양호한 두께는 3 내지 40나노미터이며, 보다 양호한 범위는 10 내지 20나노미터이다. 실리콘은 비교적 낮은 열팽창 계수와 고융점을 갖기 때문에 양호한 보호 피복이다. 또한, 양호하게는 실리콘은 실리카와 화학적으로 친화성을 갖고 실리카를 형성하도록 산소 불순물과 반응하기 때문에 용융 실리카 아크 튜브상에 피복 재료로써 사용할 수도 있다. 또한, 충전재 성분중 하나로써 나트륨을 구비한 금속 할로겐 화합물 램프의 경우에, 실리콘은 나트륨에 대하여 낮은 용해력을 갖고 이와의 화합물을 형성하지 않기 때문에 양호한 피복재이다.

본 발명의 다른 태양에 의하면, 아크 튜브(14)에 보호피복(12)를 도포시키는 방법이 마련되어 있다. 일반적으로, 양호한 방법은 초기에 아크 튜브의 내부면 및 외부면 모두에 피복을 도포시키는 화학 중착 공정을 포함한다. 그 연후에, 외부 피복은 적절하 부식액에 아크 튜브를 침지시킴으로써 제거하거나, 대기중에서 밀봉된 아크 튜브를 가열함으로써 투광성 산화물로 변환시킨다. 다음 실시예는 두개의 무전극 고강도 금속할로겐 화합물 방전 램프에 적용되는 본 발명의 방법을 예시한 것이다.

[실시예]

각각(20mm외경과 13mm높이의) 용융 실리카 아크튜브와 부착된 배출 튜브를 구비한 본원에서 램프(A, B)로 기술한 두개의 무전극 고강도 방전 램프를 묽은 HF 용액에서 에칭시키고 탈이온수로 린스시킨 후에 대기압의 건조 산소/염소 분위기에서 1100℃까지 가열하였다. 냉각후에, 아크 튜브를 저압 화학 증착 튜브안에 위치시키고 그안에서 진공 상태하에서 625℃까지 가열한후 300밀리토르의 실리콘 할로겐 화합물(SiH₄) 가스 분위기에 1.5분동안 노출시켰다. 그 결과, 각 아크튜브의 내부면 및 외부면 모두에 15나노미터 두께의 실리콘 층이 전착되었다. 그 연후에 외부 실리콘 피복을 HNO₃5, 초산 5, HF 2 그리고 물 5의 비율로 구성된 부식용액에 30초동안 아크 튜브를 침지시킴으로써 제거하였다. 린스 및 건조후에 아크 튜브를 300밀리토르의 이산화질소 분위기에서 30분 동안 915℃로 가열하였다. 그 연후에 아크 튜브를 나트륨 요드화물(4.75mg) 및 세륨 요드화물(2.25mg)으로 충전하고, 아크튜브를 진공 시스템에서 밀봉하고 진공 및 배기시키고 그 연후에 250토르의 크립톤으로 충전하고 최종적으로 밀봉하였다.

램프(A, B)를 각각 13.56MHz, 250와트의 RF 전력원을 사용하여 아크 튜브 둘레의 2-권선 여기 코일에 전류를 도전시켜 수명테스트를 수행하였다. 램프의 수명 테스트를 주기적으로 중단하여 관출력 및 유리 요드의 값을 측정하였다. 유리 요드의 값은 520nm 파장에서의 광흡수성을 측정함으로써 각 램프를 모니터하였다. 램프(A, B) 모두의 측정된 요드의 값은 각각 1600시간 및 2600시간의 수명 테스트 동안 0.05mg을 넘지 않았다. 이러한 값은, 1600시간에서는 0.17mg, 2600시간에서는 0.20mg이상의 유리 요드의 값을 갖는 기존의 방법으로 제조되고 동일방법으로 검사를 수행한 아크튜브의 값과 비교할때, 양호한 값이다. 또한, 실리콘으로 피복되지 않았던 아크 튜브는 유리 요드의 값이 증가하여 아크 불안정 및 이로 인한 아크 소멸이 발생되었지만, 피복된 아크 튜브를 유리 요드의 값이 증가하지 않고 전체 수명 테스크동안 거의 동일값을 유지하였다.

본 발명은 양호한 실시예를 본원에서 기술 및 도시하였지만, 이러한 실시예는 하나의 예로써 마련된 것임을 알 수 있다. 여러가지 변형 및 변경 그리고 대체 수단이 본 발명을 벗어남이 없이 본 분야에 속한 사람에 의해 이루어질 수 있을 것이다. 따라서,본 발명은 첨부된 특허청구의 범위의 정신 및 영역에 의해서만 제한됨을 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 플라즈마 아크 방전재를 수용하기 위한 광 투과성 아크튜브와, 하나 이상의 금속 할로겐 화합물을 포함하고 상기 아크 튜브안에 위치한 충전재와, 상기 아크 방전을 여기시키기 위해 상기 충전재에 전력을 연결시키는 여기 수단을 포함하는 고강도 방전램프에 있어서, 상기 충전재의 금속 성분의 손실과 그에 따른 상기 아크 튜브에서의 대응 유리 할로겐화합물의 생성을 방지하기 위한 충분한 두께로 상기 아크 튜브의 내부면에 위치한 실리콘 보호 피복을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
2. 제1항에 있어서, 상기 아크 튜브가 용융 실리카로 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
3. 제1항에 있어서, 상기 보호 실리콘 피복의 두께가 3 내지 40나노미터의 범위인 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
4. 제3항에 있어서, 상기 보호 실리콘 피복의 두께가 10 내지 20나노미터의 범위인 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
5. 플라즈마 아크 방전재를 수용하기 위한 아크 튜브를 구비한 무전극 고강도 금속 할로겐 화합물 방전램프의 제조 방법에 있어서, 아크 튜브의 내부면에 실리콘 피복을 도포시키는 단계와, 하나 이상의 금속 할로겐 화합물을 포함하는 충전재로 아크 튜브를 충전시키는 단계와, 상기 충전재에 완충 가스를 첨가하는 단계와, 아크 튜브를 밀봉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 피복을 도포시키는 단계가, 화학 증착 용기에 상기 아크 튜브를 봉입시키는 단계와, 상기 용기에서 충분히 고온의 조건으로 실리콘 할로겐화합물을 분해시켜서 상기 아크 튜브의 내부면 및 외부면에 실리콘층을 형성시키는 단계와, 상기 아크 튜브의 외부면으로부터 실리콘 층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 아크 튜브의 외부면으로 부터 실리콘 층을 제거하는 단계가 부식액안에 상기 아크 튜브를 침지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제조 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 실리콘 피복을 도포시키는 단계가, 화학 증착 용기에 상기 아크 튜브를 봉입시키는 단계와, 상기 용기에 충분히 고온의 조건으로 실리콘 할로겐 화합물을 분해시켜서 상기 아크 튜브의 내부면 및 외부면에 실리콘 층을 형성시키는 단계와, 외부면상의 실리콘층을 거의 투명한 실리카 층으로 변화시키도록 대기하에서 상기 아크튜브를 가열시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제조 방법.