KR101849829B1

KR101849829B1 - 광조사 장치 및 롱 아크형 방전 램프

Info

Publication number: KR101849829B1
Application number: KR1020150055347A
Authority: KR
Inventors: 히데아키 야규
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2018-04-17
Also published as: JP2015207479A; KR20150122076A; TWI615884B; TW201608601A; CN105006420A; JP5928848B2

Abstract

(과제) 하우징 내에 설치된 롱 아크형 방전 램프와, 상기 방전 램프의 배후에 배치된 홈통형상의 반사 미러를 구비하고, 상기 방전 램프에는, 상기 하우징에 형성된 냉각풍 배기구에 대응한 발광관 외표면에, 발광 길이의 대략 전역에 걸쳐서 띠형상의 반사막이 형성되어 이루어지는 광조사 장치에 있어서, 상기 반사막에 의해서 반사되는 광 중 램프 하방의 처리물을 향하는 반사광을 증가시켜, 조도 상승을 도모하여 효율적인 처리를 할 수 있도록 한 구조를 제공하는 것이다.
(해결 수단) 롱 아크형 방전 램프의 발광관에 형성하는 반사막은, 인편상의 세라믹 입자가 적층되어 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

광조사 장치 및 롱 아크형 방전 램프{LIGHT IRRADIATION APPARATUS AND LONG-ARC TYPE DISCHARGE LAMP}

이 발명은 자외선 광원을 갖는 광조사 장치 및 그것에 사용되는 롱 아크형 방전 램프에 관한 것이다.

종래부터, 인쇄 업계나 전자 공업계에 있어서는, 잉크나 도료의 건조, 수지의 경화 처리에 사용하는 광화학 반응용 장치의 자외선 광원으로서, 혹은, 반도체 기판이나 액정 디스플레이용 액정 기판을 노광하는데 사용하는 노광 장치의 자외선 광원으로서, 메탈할라이드 램프 등의 롱 아크형 방전 램프가 사용되고 있다.

이러한 롱 아크형 방전 램프를 이용한 광조사 장치의 구조는, 예를 들면, 일본국 특허 공개 2008-130302호 공보(특허 문헌 1)에서 공지되며, 그 구조가 도 5에 나타나 있다.

광조사 장치(20)는, 하우징(21) 내에 롱 아크형 방전 램프(1)가 설치되어 있고, 이 방전 램프(1)를 둘러싸는 홈통형상의 반사 미러(22)가 구비되어 있고, 그 내면에는 유전체 다층막 등으로 이루어지는 반사면(23)이 형성되어 있다.

상기 반사 미러(22)의 정상부 개구(22a)는, 하우징(21)에 형성된 냉각풍 배기구(24)에 대응하여 배치된다. 그리고, 이 반사 미러(22)는 개폐 가능하게 되어 있어, 처리물에 자외선을 조사하는 정상 점등 모드시에는, 그 전면 개구(22b)가 개방되어 있고, 처리물의 교체 등의 대기 점등 모드시에는, 반사 미러(22)가 회동하여 전면 개구(22b)가 닫힌다. 또한, 상기 대기 점등 모드에서는 전력 절약의 관점에서 램프로의 입력 전력이 낮춰져 있다.

도 5에 나타내는 정상 점등시에는, 반사 미러(22)의 하방으로부터 냉각풍이 흘러, 램프(1)의 주위를 통과해 이것을 냉각하고, 정상부 개구(22a)로부터 배기구(24)를 통해 유출된다.

이러한 광조사 장치(20)에 이용되는 롱 아크형 방전 램프(1)가 도 6(A), (B)에 나타나 있다.

롱 아크형 방전 램프(1)의 발광관(2)의 양단부에는 봉지부(3, 3)가 형성되어 있고, 발광관(2) 내에는 한 쌍의 전극(4, 4)이 배치되어 있다.

또, 상기 봉지부(3)의 후단에는 구금(口金)(5)이 장착되어 있어, 광조사 장치에 상기 램프(1)가 넣어지는 경우, 이 구금(5)이, 도시하지 않은 램프 지지구에 부착되는 것이다.

그리고, 발광관(2)의 상면에는 그 발광 길이의 대략 전역에 걸쳐서 반사막(10)이 형성되어 있어, 발광관(2) 내의 상방을 향하는 광을 반사하여, 하방의 처리물에 조사하는 것이다.

상기 구성의 롱 아크형 방전 램프(1)로는, 예를 들면, 자외선을 양호하게 방사하기 위해서, 발광관(2) 내에 수은, 철, 탈륨 등의 금속이 봉입된 메탈할라이드 램프가 이용된다.

그런데, 이러한 발광관(2) 상면에 형성하는 반사막(10)으로는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 실리카(SiO₂)나 알루미나(Al₂0₃)로 이루어지는 세라믹계의 구상(球狀) 입자(11)가 이용되고 있었다.

그러나, 이 구상의 입자 형상에서는, 도 7(B)에 나타낸 바와 같이, 입자에 침입한 광은 입자 내부에서 확산 반사되기 때문에, 반사각이 커진 반사광은, 조사면, 즉 하방의 처리물에 도달하지 않고, 많은 광은 확산되어 손실되어 버린다는 문제가 있었다.

일본국 특허 공개 2008-130302호 공보

이 발명은, 상기 종래 기술의 문제점을 감안하여, 하우징 내에 설치된 롱 아크형 방전 램프와, 상기 방전 램프의 배후에 배치된 홈통형상의 반사 미러를 구비하고, 상기 방전 램프에는, 상기 하우징에 형성된 냉각풍 배기구에 대응한 발광관 외표면에, 발광 길이의 대략 전역에 걸쳐서 띠형상의 반사막이 형성되어 이루어지는 광조사 장치에 있어서, 상기 반사막에 의해서 반사되는 광 중 램프 하방의 처리물을 향하는 반사광을 증가시켜, 조도 상승을 도모하여 효율적인 처리를 할 수 있도록 한 구조를 제공하는 것이다.

또, 상기 광조사 장치에 이용되는 롱 아크형 방전 램프에 있어서, 그 외표면에 형성되는 반사막에 의해서 효과적으로 반사광을 하방의 처리물을 향할 수 있도록 한 구조를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 이 발명에 따른 광조사 장치는, 롱 아크형 방전 램프의 발광관에 형성하는 반사막은, 인편상의 세라믹 입자가 적층되어 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 반사막을 형성하는 인편상의 세라믹 입자는, 실리카(SiO₂) 또는 알루미나(Al₂0₃) 중 어느 하나, 혹은, 그 조합인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 인편상의 세라믹 입자의 평균 직경은, 상기 롱 아크형 방전 램프의 출사광의 파장보다도 큰 것을 특징으로 한다.

또, 발광관과, 상기 발광관의 외표면의 일부에, 발광 길이의 전역에 걸쳐서 띠형상의 반사막이 형성되어 이루어지는 롱 아크형 방전 램프에 있어서, 상기 반사막은, 인편상의 세라믹 입자가 적층되어 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 세라믹 입자는 단경 및 단경을 갖고, 상기 롱 아크형 방전 램프의 상기 반사막을 형성하는 인편상의 세라믹 입자의 평균 직경 D (단, D = (장경 + 단경)/2)은, 상기 방전 램프의 출사광의 파장보다도 큰 것을 특징으로 한다.

이 발명의 광조사 장치에 의하면, 롱 아크형 방전 램프의 반사막이 인편상의 세라믹 입자가 적층되어 형성되어 있으므로, 램프 발광관 내부로부터 반사막에 도달한 광은 난반사되는 일이 거의 없고, 조사면 방향을 향하는 성분이 증대하여, 처리물에서의 조도가 현격하게 높아진다.

또, 인편상의 세라믹 입자의 평균 직경이, 램프로부터의 광의 파장보다 크기 때문에, 정반사성이 강한 반사막을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 광조사 장치에 이용되는 롱 아크형 방전 램프의 주요부 단면도(A)와, 인편상의 세라믹 입자의 모식도(B)이다.
도 2는 반사막의 확대도이다.
도 3은 효과를 실증하는 실험의 개요도이다.
도 4는 효과를 나타내는 실험 결과의 그래프이다.
도 5는 광조사 장치의 개략도이다.
도 6은 종래의 롱 아크형 방전 램프의 단면도(A)와 그 횡단면도(B)이다.
도 7은 종래의 반사막을 나타내는 단면도(A)와 그 확대도(B)이다.

도 1은, 본 발명의 광조사 장치에 이용되는 쇼트 아크형 방전 램프의 주요부인 반사막을 나타내는 단면도이다. 반사막(10)은, 실리카(SiO₂)나 알루미나(Al₂0₃) 등의 세라믹 입자(12)로 이루어지고, 그 형상은 인편상을 이루고 있다.

인편상의 형상의 일례가, 도 1(B)에 나타나 있고, 면형상 부분의 평균 직경 D는, (장경+단경)/2로 표시되고, 바람직하게는, D=0.5~10μm이다. 그리고, 그 두께 T=0.001~0.05μm이며, 애스펙트비: D/T=10 이상이 되는 것이 바람직하다.

입자의 두께 T가, 상기 범위이면, 치밀한 막이 형성되므로, 발광관의 외면에 반사막으로서 설치한 경우에, 외부로부터의 가스의 침입을 억제하는 가스 배리어층이 된다. 또, 발광관의 상부는 램프가 점등할 때에는 고온이기 때문에 발광관에 흡착된 수분이 발광관 내부로 확산되어, 방전 공간에 침입하면 점등성의 악화나 텅스텐 전극의 용융 등의 요인으로 되고 있었는데, 치밀한 막이 형성되기 때문에 수분이 반사막의 표면에 흡착되어, 발광관의 외면으로부터 벌브 내부로의 수분의 침수를 억제할 수 있다.

또, 평균 직경 D가 광의 파장보다 작으면, 입사한 광은 거의 등방적으로 산란되는 레일리 산란의 성질을 나타내므로, 입자의 형상이 인편형상이었다고 해도 정반사성이 강한 반사 특성을 얻을 수 없다. 정반사성을 강하게 하기 위해서는, 평균 직경 D가 광의 파장보다 긴 인편형상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 파장 365nm인 광에 대해서는, 평균 직경 D가 500nm 이상이면 된다.

또, 입자의 형상은, 평균 직경 D에 대한 두께 T의 비(애스펙트비)가, 10:1 이상 있는 것이 바람직하다.

이러한 인편상 세라믹 입자(12)로 이루어지는 반사막(10)의 두께는 20μm 이상이 바람직하다. 반사막의 두께가 20μm 이상이고, 인편상 세라믹 입자의 두께 t가 0.001~ 0.05μm이면, 반사막 중에는, 세라믹 입자의 경계면이 1000 정도 존재하게 된다. 광의 반사는, 각 인편상 세라믹 입자의 표면(경계면)에서 발생하기 때문에, 충분한 반사율을 확보할 수 있다.

이와 같이, 반사막의 두께는, 20μm 이상이면, 본 발명에 적절한 조도 상승을 달성할 수 있지만, 막 두께가 너무 두꺼워지면, 램프 점등시 등, 열이 가해졌을 때 막에 크랙이 발생하는 경우가 있으므로, 예를 들면 200μm 이하인 편이 바람직하다.

이하, 인편상의 실리카 입자로 이루어지는 반사막의 제작 방법에 대해서 기술한다.

반사막으로서 사용하는 실리카 등의 세라믹 입자의 제조 방법은, 복수의 제법이 있는데, 화학적으로 합성하는 제조 방법(습식법)을 예로 들면, 나노 레벨의 세라믹 미립자가 분산된 세라믹졸의 농도나 온도를 제어하면서 세라믹 미립자를 응집시켜, 입경이 큰 세라믹 입자를 만든다. 이 응집시킬 때의 조건을 바꿈으로써 입자 형상을 제어할 수 있어, 종래 사용하고 있던 구상(球狀) 세라믹 입자나 본 발명의 인편상 세라믹 입자를 목적에 따라 생성할 수 있다.

또, 마찬가지로 나노 레벨의 세라믹 미립자가 액체에 분산된 실리카졸을 얇게 늘려 소결시키는 것도, 세라믹 미립자끼리가 결합하여 증착막과 같은 세라믹 박막을 형성할 수 있다. 이 박막을 분쇄하는 것으로도, 인편상 세라믹 입자를 얻을 수 있다.

이와 같이 하여 만들어진 인편상 세라믹(예를 들면, 인편상 실리카) 입자를, 물에 분산시키면, 실리카 슬러리가 얻어진다.

실리카 슬러리를 디핑, 스프레이 등에 의한 각종 도포 방법으로 반사를 필요로 하는 발광관 부분에 도포하고, 서서히 건조시킴으로써, 도 1(A)와 같이, 발광관면에 대체로 평행하게 적층된 인편상의 실리카막을 형성할 수 있다.

이에 의해, 도 2에 나타낸 바와 같이, 발광관으로부터의 광이 난반사되지 않고, 그 대부분 전부가 정반사되어 조사면(처리물)을 향하는 정반사성이 강한 반사막(10)을 형성할 수 있다.

이하, 이 발명의 효과를 실증하기 위한 실험을 행했다.

<램프 사양>

발광관: 내경 22mm, 외경 26mm, 발광 길이(전극간 거리) 250mm

봉입물: 수은 58mg, 요오드화수은 2.5mg, 아르곤 1kPa

반사막: 폭 10mm, 두께 50μm, 길이 250mm

재료: 인편상 실리카 미립자(본 발명), 구상 실리카 미립자(종래예)

또한, 비교예 램프로서, 반사막이 없는 것도 제작했다.

이들 램프를, 자연 공랭 하에서, 2000W로 점등시켜, 도 3에 나타낸 바와 같이 반사막(10)과 반대측 하면이며, 램프 외표면으로부터 170mm의 위치에 조사면(에리어)을 설치하고, 램프축과 직교 방향(Y축)의 각 점의 조도를 측정했다. 조도계는, UIT-250, S365를 사용했다.

그 결과가 도 4에 나타나 있다. 반사막이 없는 비교예 램프(□)에 대해, 구상 실리카 미립자를 반사막으로서 도포한 종래 반사막 램프(◇)는, 조사 에리어(86mm 폭)에 있어서의 적산 조도가, 1.15배가 됨을 알 수 있다.

이에 대해, 인편상 실리카 미립자를 반사막으로서 도포한 본 발명 반사막 램프(△)에서는, 조사 에리어(86mm 폭)에 있어서의 적산 조도가, 1.21배가 된다. 이와 같이, 인편상 실리카 미립자를 반사막으로 함으로써, 종래 반사막 램프에 비해 발광관 직하의 조사 에리어의 조도가 특히 증가하고 있어, 조사 에리어 밖으로 빠져나가는 반사광이 저감해, 조사 에리어에 집광하는 것을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 롱 아크형 방전 램프의 발광관 외표면의 반사막을 인편상의 세라믹 입자에 의해서 형성했으므로, 발광관으로부터의 광을 난반사하지 않고, 정반사하여 처리물에 높은 조도의 광을 조사할 수 있다는 효과를 발휘하는 것이다.

1: 롱 아크형 방전 램프 2: 발광관
3: 봉지부 4: 전극
5: 구금 10: 반사막
11: 구상 세라믹 입자 12: 인편상 세라믹 입자
20: 광조사 장치 22: 반사 미러
22a: 정상부 개구 22b: 전면 개구
23: 반사면 24: 냉각풍 배기구

Claims

하우징과, 상기 하우징 내에 설치된 롱 아크형 방전 램프와, 상기 방전 램프의 배후에 배치된 홈통형상의 반사 미러를 구비하고, 상기 방전 램프에는, 상기 하우징에 형성된 냉각풍 배기구에 대응한 발광관 외표면에, 발광 길이의 전역에 걸쳐서 띠형상의 반사막이 형성되어 이루어지는 광조사 장치에 있어서,
상기 반사막은, 인편상의 세라믹 입자가 적층되어 형성되어 있음과 함께, 상기 세라믹 입자는 장경 및 단경을 갖고, 상기 세라믹 입자의 평균 직경 D (단, D = (장경 + 단경)/2)이, 상기 방전 램프의 출사광의 파장보다도 큰 것을 특징으로 하는 광조사 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반사막을 형성하는 인편상의 세라믹 입자는, 실리카(SiO₂) 또는 알루미나(Al₂0₃) 중 어느 하나, 혹은, 그 조합인 것을 특징으로 하는 광조사 장치.
발광관과, 상기 발광관의 외표면의 일부에, 발광 길이의 전역에 걸쳐서 띠형상의 반사막이 형성되어 이루어지는 롱 아크형 방전 램프에 있어서,
상기 반사막은, 인편상의 세라믹 입자가 적층되어 형성되어 있음과 함께, 상기 세라믹 입자는 장경 및 단경을 갖고, 상기 세라믹 입자의 평균 직경 D (단, D = (장경 + 단경)/2)이, 상기 방전 램프의 출사광의 파장보다도 큰 것을 특징으로 하는 롱 아크형 방전 램프.
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