KR20000071351A - 쇼트 아크 방전 램프 - Google Patents

Abstract

음극의 온도 상승을 억제함으로써, 램프로부터 방사되는 자외선에 깜빡임이 없고, 수명이 긴 쇼트 아크 방전 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

희가스와 함께 수은이 봉입된 발광관(1)내에 양극(2)과 음극(3)이 마주 놓이도록 배치되고, 발광관(1)내에 봉입되는 수은량이 15 mg/cc 이상이며, 전류값이 50 A 이상에서 점등되고, 양극(2)과 음극(3)의 전극간 거리를 X (mm), 입력 전력을 Y (W) 로 하고, Y / X 로 표시되는 극간 입력값이 500 (W/mm) 이상인 쇼트 아크 방전 램프에 있어서, 음극(3)의 첨단을 제외한 외표면에 텅스텐으로 이루어지는 방열층(6)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 방전 램프.

Description

쇼트 아크 방전 램프{Short Arc Electric Discharge Lamp}

본 발명은 쇼트 아크 방전 램프에 관한 것이다. 특히, 액정, 칼라필터, 프린트 기판에 대한 노광용 쇼트 아크 방전 램프에 관한 것이다.

종래부터 액정 제조공정, 칼라필터 제조공정, 프린트 기판 제조공정 등에 사용되는 노광용 광원으로서 쇼트 아크 방전 램프가 알려져 있다. 이 쇼트 아크형 방전 램프는 발광관내에 수은이 봉입되고, 이 수은에 의하여 자외선을 방사하는 것으로서, 예를 들면 일본 공개특허공보 평 2-256150 에 나타나 있다.

예를 들면, 자외선으로 액정 기판 또는 칼라 필터를 노광하려면, 자외선의 에너지가 200 mj 정도 필요하다. 즉, 노광면에서의 조도를 10 mW/cm2 로 하면, 노광하는 데에 20 초 걸리게 된다.

그리고, 노광 공정에서 생산성을 올리는 방법으로는, 노광 시간을 짧게 하는 것이 고려되고 있다. 이는 요컨대 노광면에서의 조도를 높이는 것이며, 그에 따라 자외선 방사 강도가 강한 램프가 요구되고 있다.

또, 최근 액정 등의 표시 장치가 대형화되는 경향에 있다. 그리고, 생산성의 향상 또는 비용 절감의 요구 등에서도, 보다 큰 기판을 사용한 다면따기 (chamfering) 등의 방법이 사용되고 있다. 즉, 기판의 대형화와 함께 노광 면적도 커지고 있어, 자외선 방사 강도가 강한 램프가 요구되고 있다.

액정 또는 프린트 기판의 노광에는, g 선, h 선, i 선 이라고 불리우는 자외선이 주로 사용된다. 이들 자외선은 수은을 발광관내에 다량으로 봉입함으로써, 램프로부터 방사되는 자외선 방사 강도를 강하게 하고 있다.

현재 8 kW 클래스에서는 발광관내에 15 mg/cc 정도의 수은을 봉입한 램프가 이러한 종류의 노광용 광원으로서 사용되고 있다.

금후의 생산성 향상 또는 기판 사이즈의 대형화에 따라, 자외선 방사 강도를 강하게 하기 위해서는, 발광관내에 봉입되는 수은량을 적어도 15 mg/cc 이상으로 할 필요가 있다.

수은량을 15 mg/cc 이상으로 한 이러한 램프에서는, 봉입된 수은 모두를 완전히 증발시키기 위해, 램프의 입력 전력을 크게 할 필요가 있다. 이 때문에, 양극의 온도를 올릴 필요가 있고, 일반적으로는 50 A 이상의 전류를 흐르게 하고 있다.

한편, 이러한 쇼트 아크 방전 램프로부터 방사되는 자외선은 노광 장치내의 미러 또는 렌즈에 의하여 집광되어 노광면에 조사되는 것이다. 그리고, 양호하게 자외선을 집광시키기 위해서는 아크 스포트가 극히 작은 것이 바람직하다. 이 결과, 방전 램프의 구조로서 음극과 양극의 전극간 거리를 짧게 하여 아크 스포트를 작게 하고 있다.

그러나, 발광관내에 봉입된 다량의 수은을 증발시키기 위하여 입력 전력을 크게 하면, 필연적으로 음극에도 큰 전류가 흐르게 된다. 즉, 음극의 온도가 올라가게 된다.

또한, 아크 스포트를 작게 하기 위하여 전극간 거리를 짧게 하면, 아크 스포트가 작아지는만큼 좁은 공간에 에너지가 집중되게 된다. 그래서, 음극의 온도를 보다 상승시키게 된다.

그리고, 음극의 온도가 올라가면, 램프로부터 방사되는 자외선에 깜빡임(flicker)이 발생하여 노광 상태가 불균일해지는 문제가 있었다.

또, 음극의 온도가 올라가면, 음극 첨단부가 증발하여 음극을 구성하고 있는 텅스텐이 발광관의 내벽에 부착하여 흑화한다. 이에 의하여, 발광관을 투과하는 자외선 세기가 조기에 감소하고, 따라서 쇼트 아크 방전 램프로부터 방사되는 자외선의 방사 강도가 저하하여 수명이 짧아진다는 문제가 있었다.

본 발명은 이상과 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로서, 음극의 온도 상승을 억제함으로써, 램프로부터 방사되는 자외선에 깜빡임이 없고 수명이 긴 쇼트 아크 방전 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프의 설명도이다.

도 2 는 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프의 음극만의 확대 설명도이다.

도 3 은 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프의 음극만의 확대 설명도이다.

도 4 는 음극에 방열층이 있는 경우와 없는 경우의 극간 입력값에 대한 음극 온도의 변화를 나타낸 실험 데이터 설명도이다.

도 5 는 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프와 종래의 쇼트 아크 방전 램프의 점등 시간에 따른 조도 유지율의 변화를 나타낸 실험 데이터 설명도이다.

(부호의 설명)

1 … 발광관

2 … 양극

3 … 음극

31 … 홈

4 … 기체 밀봉부

5 … 전류 공급용 베이스

6 … 방열층

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프는 희가스와 함께 수은이 봉입된 발광관 내에 양극과 음극이 마주 놓이도록 배치되고, 해당 발광관 내에 봉입되는 수은량이 15 mg/cc 이상이며, 전류값이 50 A 이상에서 점등되고, 양극과 음극의 전극간 거리를 X (mm), 입력 전력을 Y (W) 로 할 때, Y / X 로 표시되는 극간 입력값이 500 (W/mm) 이상으로서, 상기 음극의 첨단을 제외한 외표면에 텅스텐으로 이루어지는 방열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 음극은 첨단부를 제외한 외표면에 홈이 형성되어 있으며, 이 홈 위에 텅스텐으로 이루어지는 방열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 그에 따른 작동 상태를 설명하도록 한다.

도 1 은 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프를 설명하기 위한 도면이다.

쇼트 아크 방전 램프는 석영 유리로 이루어지는 발광관(1)내에 양극(2)과 음극(3)이 마주 놓이도록 배치되어 있다. 양극(2)과 음극(3)은 각각 밀봉부(4)를 통하여 전류 공급용 베이스(5)에 연결되어 있다.

발광관(1)내에는 희가스로서 크세논, 크립톤, 아르곤 중 어느 하나가 적어도 봉입된다. 또한, 자외선을 발생시키기 위하여 수은도 봉입되어 있다. 양극(2)과 음극(3)은 텅스텐으로 구성되어 있으며, 음극(3)의 첨단부는 전자 방사를 좋게 하기 위하여 깔대기 형태로 되어 있다.

음극(3)은 그 첨단부를 제외한 외표면에 온도 상승을 억제하기 위한 방열층 (6)이 형성되어 있다. 이 방열층(6)은 직경이 3. 5 ∼ 5. 0 ㎛ 인 텅스텐 분말을 음극(3)의 외표면에 소결시킨 것이다.

구체적으로는, 도 2 에 나타낸 바와 같이 음극(3)의 외표면에 그 첨단으로부터 거리가 B 만큼 떨어진 위치로부터 뒤쪽으로 방열층(6)을 형성할 수 있다. 외경 A 는 예를 들면 15 mm 이고, 거리 B 는 예를 들면 5 mm 이다.

이렇게, 음극 첨단부에 방열층을 형성하지 않는 이유는 아크 방전에 지장을 초래하기 때문이다.

다른 예로서, 도 3 에 나타낸 바와 같이 음극(3)의 외표면에 그 첨단으로부터 거리가 B 만큼 떨어진 위치로부터 뒤쪽으로 나사형 혹은 요철형의 홈(31)을 형성할 수도 있다. 외경 A 는 예를 들면 15 mm, 거리 B 는 예를 들면 5 mm, 홈의 피치는 예를 들면 0. 1 ∼ 0. 5 mm 이다. 그리고, 이 홈(31)위에 직경이 3. 5 ∼ 5. 0 ㎛ 인 텅스텐 분말을 소결시켜 방열층(6)을 형성하고 있다.

이렇게 홈을 형성함으로써, 방열면의 표면적을 크게 할 수 있으며, 또한 방열 효과를 높일 수 있다.

그리고, 도 1 에 나타나 있는 본 발명의 쇼트 아크 방전 램프는 자외선 방사 강도를 강하게 하기 위하여 다량의 수은이 봉입되어 있다. 구체적으로는 15 mg/cc 이상, 보다 구체적으로는 25 mg/cc 봉입되어 있다.

이렇게 발광관(1)내에 봉입되는 수은량이 15 mg/cc 이상의 경우는, 전술한 바와 같이, 봉입된 모든 수은을 증발시키기 위해 입력 전력을 크게 하여 양극(2)의 온도를 올릴 필요가 있으며, 그 결과 램프 구조상 전류값이 50 A 이상으로 된다.

도 1 에 나타나 있는 쇼트 아크 방전 램프에 대해서, 수치예를 들면 입력 전력 4300 W, 정격 전류 70 A 이다.

또, 도 1 에 나타나 있는 쇼트 아크 방전 램프에서, 음극(3)과 양극(2)의 전극간 거리(X)는 5 mm 이며, 극간 입력값(W/mm)은 860 으로 된다.

다음으로, 극간 입력값(W/mm)과 음극 온도의 관계를 알아보는 실험을 실시하였다.

도 1 에 나타낸 쇼트 아크 방전 램프를 사용하여, 전극간 거리 및/또는 입력 전력을 변화시켜 극간 입력값을 변환하고, 그 경우의 음극에 방열층을 형성한 경우와 방열층을 형성하지 않은 경우로 나누어 음극 온도와의 관계를 알아보는 실험을 실시하였다. 또한, 음극의 온도는 첨단부의 온도를 측정한 것이다.

실험 결과를 도 4 에 나타낸다. 도 4 에서는 세로축은 음극 온도를, 가로축은 극간 입력값(W/mm)을 나타낸다.

도 4 중, B 는 음극에 방열층을 형성하지 않은 경우를 나타내고, 극간 입력값이 500 에서 음극 첨단 온도가 약 2900 ℃ 가 되었다. 또, 극간 입력값의 증가와 함께 음극 첨단부의 온도가 급격하게 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, 극간 입력값이 500 을 넘으면 음극 첨단부가 2900 ℃ 보다 현저하게 큰 것을 알 수 있다.

이러한 상태에서 액정 기판 등의 노광을 실시하면, 램프로부터 방사되는 자외선에 깜빡임이 발생하므로, 액정 기판 등의 피처리물에 대한 노광 상태가 불균일해진다.

도 4 중, A 는 음극에 방열층을 형성한 경우를 나타내고, 극간 입력값이 커짐에 따라 음극 첨단부의 온도가 높아지는 경향에 있으나, 그 온도 상승의 정도는 방열층이 없는 경우와 비교하여 극히 작았다.

이 결과로부터 명백히 알 수 있듯이, 방열층에 의하여 적극적으로 음극의 열을 방열할 수 있고, 음극 전체, 특히 고온이 되는 음극 첨단부의 온도 상승을 유효하게 억제할 수 있으며, 램프로부터 방사되는 자외선에 깜빡임이 발생하지 않아, 이 램프를 노광 장치의 광원으로 이용하면 액정 기판 등의 피처리물에 대한 노광 상태가 균일해진다.

다음으로, 도 1 에 나타낸 구조의 쇼트 아크 방전 램프에서, 음극에 방열층을 형성한 램프와 방열층을 형성하지 않은 램프에 대하여, 램프의 점등 시간의 경과에 따른 조도 유지율의 변화를 측정하였다.

실험 결과를 도 5 에 나타낸다. 도 5 는 세로축을 조도 유지율로, 가로축을 점등 시간(h : 시간)으로 하고, 각 램프의 초기 점등시의 조도를 100 % 로 할 때의 실험 결과를 상대적으로 나타낸 것이다.

도 5 중, 방열층을 형성하지 않은 램프는 곡선 B 로 나타낸 바와 같이 700 시간 점등할 때 조도 유지율이 77 % 까지 저하하였다. 이에 대하여, 방열층을 형성한 램프는 곡선 A 로 나타낸 바와 같이 700 시간 점등하여도 조도 유지율이 87 % 로 높은 값을 유지하고 있다. 즉 오랜 기간 점등하여도 조도 유지율의 저하가 적은, 바꿔 말하면 장수명의 램프인 것을 알 수 있다.

본 발명의 쇼트 아크 방전 램프는 방열층에 의하여 적극적으로 음극의 열을 방열할 수 있으므로, 음극 첨단부의 온도 상승을 유효하게 억제할 수 있고, 음극 첨단부의 증발을 억제할 수 있다. 따라서, 음극 재료의 증발에 의한 발광관의 흑화를 억제할 수 있어, 오랜 기간 점등하여도 조도 유지율의 저하가 적은 장수명의 쇼트 아크 방전 램프를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 발광관내에 양극과 음극이 마주 놓이도록 배치된 쇼트 아크형 방전 램프에 있어서, 발광관 내에는 수은이 15 mg/cc 이상 봉입되고, 점등시의 전류값이 50 A 이상으로서, 양극과 음극의 전극간 거리를 X (mm), 입력 전력을 Y (W) 로 했을 때, Y / X 가 500 (W/mm) 이상이며, 상기 음극의 첨단을 제외한 외표면에 텅스텐으로 이루어지는 방열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 방전 램프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 첨단부를 제외한 외표면에 홈이 형성되어 있으며, 해당 홈상에 텅스텐으로 이루어지는 방열층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 아크 방전 램프.