KR20060013394A

KR20060013394A - 고압 방전 램프

Info

Publication number: KR20060013394A
Application number: KR1020057021478A
Authority: KR
Inventors: 안드 리트즈; 홀거 몬치
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2006-02-09
Also published as: US20080054774A1; CN101027747A; TW200428458A; US7586244B2; WO2004100210A3; EP1625606A2; JP2007528093A; WO2004100210A2

Abstract

본 발명은 적어도 대칭형 방전 챔버(21)를 갖는 연소기(2)를 포함하는 고압 방전 램프에 관한 것이며, 연소기(2)의 적어도 외부 윤곽은 방전 챔버(21)의 영역에서 타원형이고, 방전 챔버(21)로 돌출하는 두 개의 전극(41, 42)은 방전 챔버(21)의 대칭 장축 상에 대향하여 배열되어 있으며, 다층 간섭 필터(3)가 방전 챔버(21)의 영역에 있는 연소기의 외부 윤곽 상에 배열되고, 간섭 필터(3)는 UV 광선 중 적어도 하나의 파장 영역으로부터의 광선을 두 개의 전극(41, 42) 사이의 공간으로 주로 반사한다.

방전 챔버, 연소기, 고압 방전 램프, 다층 간섭 필터

Description

고압 방전 램프{HIGH-PRESSURE DISCHARGE LAMP}

본 발명은 적어도 대칭형 방전 챔버(symmetrical discharge chamber)를 갖는 연소기(burner)를 구비한, 고압 방전 램프에 관한 것인데, 연소기의 적어도 외부 윤곽(outer contour)은 타원형이며, 방전 챔버 내부로 돌출하는 두 개의 전극은 방전 챔버의 대칭 장축(major axis of symmetry) 상에 대향하여 배열되며, 적어도 하나의 다층 간섭 필터(multilayer interference filter)가 방전 챔버 영역에 있는 연소기의 외부 윤곽 상에 제공된다.

고압 가스 방전 램프(HID 또는 고강도 방전 램프) 및 특히 UHP(초고성능) 램프는 그 광학 특성 때문에 프로젝션 용도로 사용되는 것이 선호된다. UHP 램프(필립스)라는 표현은 본 발명의 범위 내에서 다른 제조자로부터의 UHP-타입 램프를 나타내는 것이기도 하다.

상기 응용을 위해서는 광원이 가능한 한 점 모양(point-shaped)일 것이 요구되는데, 즉 전극 팁 사이에 형성되는 방전 아크(discharge arc)가 특정 길이를 초과하지 않아야 한다. 나아가, 가시 광선의 스펙트럼 구성이 가능한 자연스러우면서, 동시에 발광 강도가 가능한 높을 것이 요구된다.

고압 가스 방전 램프가, 예컨대 백열 램프와 비교할 때, 개선된 발광 효능을 갖지만, 고압 가스 방전 램프와 관련된 개발 노력의 중심을 그 효능의 더 나은 개선에 두고 있다.

특히, 응용을 위하여 바람직한 파장 영역에서의 복사 외에, 유용하지 않거나 응용에 있어서 오히려 해로운 복사가 주기적으로 방사되는 경우는, 광원의 발광 효능이 일반적으로 떨어진다. 이러한 바람직하지 않은 복사는, 적어도 예상 결과에 관하여, 입력 에너지의 손실에 이르게 한다.

예컨대, 백열 램프에 의해 방사되는 광선의 주요 부분은 IR 광선이고, 이는 가시 영역에 있는 일반 조명 목적에 무익하며, 따라서 관련 발광 효능을 떨어뜨린다.

UHP 램프에 있어서, 램프에 공급되는 전기 전력 100 W 중 대략 25 W이하만이 가시 복사(visible radiation)로 실제 변환된다.

발광 효능을 증가시키기 위한 기본 해결 원리는 US 5,221,876으로부터 알려져 있는데, 바람직하지 않은 IR 복사는 추가적 가열을 제공하도록 램프 전구의 영역으로 반사되는 것이 그것이다. 다층 간섭 필터가 반사기로서 기능한다. 조명 목적으로 달리 사용되지도 않을, 방사된 스펙트럼의 IR(적외선) 광선은, 이제 램프 전구로 다시 반사되어 재흡수된다.

동시에, 간섭 필터에 존재하는 임의의 UV 복사도, 이 복사에 의해 야기되는 램프 구성 요소의 손상을 특히 막기 위하여, 흡수하는 것이 제안된다.

자동차 헤드라이트용 램프로서 설계된, 포화 램프(saturated lamp)를 고려하면, 램프 전구의 영역은 획일적인 방식으로 가열된다. 램프의 일반 작동 온도에서 램프 전구 내부의 금속 할로겐화물의 증발을 강화시키는 것은 주로 이 가열인데, 특히 열 전도 및 대류 때문이다.

상기 제안된 해법을 고압 가스 방전 램프, 특히 UHP 램프에 대하여 대체하여 적용하는 것은, 개별 램프 타입에 따라 다양하게 변하는 작동 온도 때문에, 특히 불가능하다. 작동 온도가 대략 1000℃ 인, 램프 전구의 비교 가능한(comparable) 온도 상승은, UHP 램프의 방전 아크 온도가 대략 6000℃ 내지 7000℃ 인 경우, 열 전도 및 대류에 의해서 플라즈마 또는 방전 아크의 온도를 상당히 상승시킬 수 없다. 더욱이, UHP 램프에 있어서, 다른 램프 타입과는 달리, IR 영역에서 낮은 발광 강도만을 방사하는 것이 전형적이다.

고압 가스 방전 램프, 특히 UHP 램프가 사용되는 경우, 두 가지 필수 요구 사항이 동시에 만족되어야 한다.

한편으로, 방전 공간 내부 표면에서의 최고 온도는, 일반적으로 석영 유리로 만들어진 램프 전구의 불투명화(devitrification)가 발생할 정도로 너무 높아서는 안 된다. 이는 램프의 방전 공간 내부에서 강한 대류가 방전 아크(discharge arc)의 윗부분을 특히 강하게 가열하기 때문에 문제가 될 수 있다.

다른 한편으로, 방전 공간의 내부 표면에서 가장 차가운 지점은, 수은이 증착(deposit)하지 않고 충분한 정도로 증기 상태에 남아있도록 여전히 높은 온도여야만 한다.

이렇게 상반되는 두 가지 요구 사항은 최고 온도와 최저 온도 간의 최대 허용 차이를 비교적 작게 하는 결과를 낳는다. 구성 물질의 부하 제한에서 이러한 고압 가스 방전 램프의 작동 동안, 온도 필드에 있어서의 임의의 변경, 예컨대 온도 상승은 램프 수명과 같은 성능 파라미터에 악영향을 줄 수 있다. 이러한 최적화된 시스템은 방전 공간에서의 온도 필드에 영향을 주거나 변경하는 측량(measure)에 매우 민감하게 반응한다. 외부 표면상에 반사층의 제공은 이러한 측량을 나타낸다.

추가적인 코팅, 예컨대 다층 간섭 필터는, 코팅되지 않은 석영 표면과 비교할 때, 램프 표면으로부터의 열 복사를 감소하게 하여, 램프는 더 적은 열을 발산할 수 있어, 작동 온도가 상승하게 된다.

간섭 필터는, 온도 필드가 다층 간섭 필터를 사용하여 가능한 적게 변동하도록 선택되어야 한다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 설명한 바와 같은 종류의 고압 가스 방전 램프 및 이러한 램프를 포함하는 조명 유닛을 제공하는 것이며, 여기서 램프 전구 또는 연소기는 공업적 대량 생산에서 효율적으로 제조될 수 있는 간섭 필터를 가져, 램프의 작동 신뢰도가 보장되면서, 간섭 필터가 램프의 발광 효능을 강화한다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 특징적 구성에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 램프는 적어도 대칭형 방전 챔버를 포함하는 연소기를 가지며, 연소기의 적어도 외부 윤곽은 방전 챔버의 영역에서 타원형이고, 방전 챔버 내부로 돌출하는 두 개의 전극은 방전 챔버의 대칭 장축 상에 대향하여 배열되며, 적어도 하나의 다층 간섭 필터가 방전 챔버 영역에 있는 연소기의 외부 윤곽 상에 배열되고, 간섭 필터는 UV 광선 중 적어도 하나의 파장 영역으로부터의 광선을 두 개의 전극 사이의 공간으로 주로 반사한다.

두 전극 사이의 공간에 실질적으로 존재하는 방전 아크에서 또는 플라즈마에서 상당한 재흡수가 달성되어야 하는 경우, 반사된 UV 광선은 복사에 의해 간섭 필터로부터 이 공간 내로 직접 이동하여 할 필요가 있다. 열 전도 및 대류는 복사에 의한 에너지 전송보다 훨씬 덜 중요하며, 방전 아크의 관련 온도 상승에 대하여 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 본 발명은, 복사에 의하여 전자기파에 노출된 매체 또는 물질은 그 자신도 복사할 수 있는 특정 주파수만 흡수를 한다는 실험 결과를 이용한다. 이는 두 전극 사이의 공간에 보통 존재하는 플라즈마에 대해서도 그러하다. 이러한 이유로, 간섭 필터는 전체 UV 파장 영역을 반사하는 것이 아니라, 선택적 방식으로 하나 또는 몇몇의 파장 영역만을 반사한다. 간섭 필터에 의해 반사될 UV 광선의 관련 파장 영역의 선택은 에너지에 대한 고려에 특히 기초하여 이루어지는데, 즉 관련 파장 영역은 간섭 필터에서의 반사 후에 플라즈마에서 흡수될 수 있도록 충분한 파워를 가지고 있어야 한다. 간섭 필터에 대한 기준은 필수적인 온도 안정성 및 공업적 대량 생산에 대한 적합성이다.

간섭 필터는, 투과되는 스펙트럼 영역과 반사되는 스펙트럼 영역 간의 예리한 천이 특성 때문에, 이러한 반사기로 사용하기에 바람직하다. 층 순서에 대한 적절한 설계는, 필수적인 높은 정밀도를 구비한 넓은 영역에 걸친 필터 특성을 달성할 수 있게 한다.

이러한 복사에 의한 재흡수는, 전기 에너지 공급 외에 아크에 대한 추가적인 에너지 공급을 나타내며, 램프 타입 각각에 대한 관련 발광 스펙트럼의 경신된 생성 기능을 하고, 그 구성요소로서 가시 광선을 제공한다. 이것은, 전극을 통하는 것(적지 않은 전극 손실이 고려되어야 함)보다 더 높은 효율로 이 에너지가 방전 아크로 들어가는, 추가적인 장점에 이르게 한다.

UHP 램프에서 민감한 온도 평형이 이루어진다면, 전기 전력의 공급에 있어서도 감소가 가능하여, 발광 효능의 상승이 달성된다. 이러한 재흡수 및 희망하는 스펙트럼 영역으로의 변환이 어느 정도까지 실현될 수 있는지는, 문제의 고압 가스 방전 램프의 타입에 의해 특히 좌우된다.

간섭 필터가 방전 챔버 또는 연소기의 외부 윤곽 전체에 실질적으로 배열된 경우, 부분적 코팅의 형태로 된 간섭 필터와 비교할 때, 다중 복사 때문에, 반사된 UV 복사의 더 많은 부분이 재흡수를 위하여 이용될 수 있다.

종속항은 본 발명의 다른 유용한 실시예들에 관한 것이다.

낮은 굴절률을 갖는 층과 높은 굴절률을 갖는 층이 다층 간섭 필터의 층 구조에 교대로 있는 것이 바람직하다.

이러한 간섭 필터는 보통 다수의 층으로 쌓여 있다. 간섭 필터가 다층 구조라면, 굴절률이 높은 층과 굴절률이 낮은 층이 교대로 존재한다. 각 층의 굴절률은 그 층의 선택된 물질에 의해 정의되며, 이러한 점에서 상이한 적어도 두 개의 유전 물질이 층 배열에서 발견되어야 함을 의미한다.

필터의 투과 및 반사 특성은, 필터의 개별 층의 설계, 특히 층의 두께에 의해 결정된다. 원칙적으로, 바람직한 스펙트럼 타겟 기능은, 필터의 개별 층의 굴절률 간의 차이가 클수록, 이에 비례하여 더 잘 실현될 수 있다. 층 물질들의 굴절률 값 간의 차이가 크다면, 교대로 있는 층들의 수를 줄일 수 있으며, 따라서 간섭 필터의 총 두께가 감소할 수 있다. 낮은 굴절률 층을 위한 물질은, 석영 또는 유사한 물질로 만들어진 램프 전구인 경우, 대체로 SiO₂이다. 높은 굴절률을 가진 층 물질의 선택에 있어서는, UHP 램프의 통상 작동 온도 영역이 고려되어야 하는데, 온도는 대략 1000℃의 상한 범위를 갖는다. 이러한 점에서 충분한 온도 저항은, 예컨대 지르코늄 산화물(ZrO₂)에서 발견된다. 그러나 지르코늄 산화물은 석영보다 열팽창 계수가 상당히 높다. 따라서 이는 고압 가스 방전 램프, 특히 UHP 램프의 높은 작동 온도에서, 간섭 필터의 층 간에 응력을 생성하게 될 수 있으며, 이 응력은 필터 내에 금(crack)이 가게 할 수 있고, 또는 바람직하지 않게 빛의 산란(light scattering)을 증가시킬 수도 있다.

간섭 필터에 의해 반사되지 않는 UV 광선의 파장 영역으로부터의 광선은 흡수되는 것이 더 바람직하다.

UHP 램프의 간섭 필터는 주로 파장 영역이 335 ㎚ 내지 395 ㎚인 UV 광선을 두 전극 사이의 영역으로 반사하는 것이 더 바람직하다.

본 발명의 목적은 청구항 8에 청구된 바와 같은 조명 유닛에 의해 추가적으로 달성된다.

본 발명의 더 상세한 사항, 특징 및 장점은 참조된 도면과 함께 바람직한 실 시예에 대한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 17층 간섭 필터를 지원하는 고압 가스 방전 램프(UHP 램프)의 램프 전구의 단면도.

도 1은 본 발명에 따른 고압 가스 방전 램프(UHP 램프)의 대칭형 방전 공간(21)을 구비한 램프 전구(1)를 단면으로(도 1.1) 도시한다. 하나의 전체 조각(one integral piece)으로 형성되어 있는 연소기(burner; 2)는, 보통 이런 용도로 사용되는 가스로 충전된 방전 공간(discharge space; 21)을 밀폐하여 둘러싸며, 그 물질은 보통 경질 유리 또는 석영 유리이고, 두 개의 실린더형 대향 영역(22, 23)을 포함하며, 그 사이에는 직경이 대략 8 ㎜ 내지 14 ㎜인 실질적으로 구형인 영역(24)이 존재한다. 방전 챔버(21) 영역에 있는 연소기(2)의 외부 윤곽은 타원형이다. 전극 배열을 구비한 타원형의 방전 공간(21)은 영역(24)의 중심에 위치한다. 전극 배열은 제1 전극(41) 및 제2 전극(42)을 실질적으로 포함하며, 전극들의 상호 마주하는 팁들 사이에는 발광 방전 아크(luminous discharge arc)가 방전 공간(21) 내에서 여기되어(excited), 방전 아크가 고압 가스 방전 램프의 광원으로서 기능한다. 방전 챔버(21)의 대칭 장축 상에 배열된 전극들(41, 42)의 말단은 램프의 전기 접속 핀들(51, 52)로 연결되며, 이를 통하여 램프 작동을 위하여 필요한 공급 전압이, 주 전압으로의 접속을 위하여 설계된 공급 유닛(도 1.1에는 미도시)에 의해 공급된다.

간섭 필터(3)가 영역(24)의 외부 표면 전체에 제공된다. 간섭 필터(3)는 총 두께가 대략 1 ㎛이며, 복수의 층을 포함한다. 간섭 필터(3) 또는 그 구성의 설계는 도 1.2에서 볼 수 있다. 간섭 필터(3)는 17개의 층으로 되어 있으며, SiO₂ 층들의 총 층 두께는 대략 674.9 ㎜이고, ZrO₂ 층들의 총 두께는 대략 305.8 ㎚이다.

간섭 필터(3)의 두 개의 개별 층(3.1 및 3.2)은 굴절률의 차이에 의해서 특징지워지며, 낮은 굴절률의 층과 높은 굴절률의 층이 교대로 있다. 낮은 굴절률의 층(3.2)을 위한 물질은 SiO₂이며, 높은 굴절률의 층(3.1)을 위한 물질은 ZrO₂이다.

간섭 필터(3)는 주로 파장 영역이 335 ㎚ 내지 395 ㎚인 UV 광선을 90%가 넘는 반사율로 두 전극(41, 42) 사이의 영역으로 반사한다.

간섭 필터(3)의 층을 겹겹이 쌓는 것은 원래 공지된 스퍼터링(sputtering) 방식에 의한 제조 공정에서 이루어진다.

상술한 램프 전구(1)를 구비한 UHP 램프에 대하여, 정격 전력 120 W에서, 그리고 또한 부하 한도, 즉 고부하 포인트에서 수천 시간의 작동 후, 비교 가능한 램프의 정상 노화를 초과하는 손실 효과는 관측되지 않는다.

본 발명에 따른 UHP 램프는 전력 소비 120 W에서 광도 및 전기적 특성을 위하여 표준 검사 과정으로 Ulbricht 구형 광도계로 검사되었다. UV 영역(대략 200 ㎚ 내지 400 ㎚)에서의 복사 전력은 1.33 W였고, 가시 영역(대략 400 ㎚ 내지 780 ㎚)에서는 31.2 W였다. 따라서 광량(quantity of light)이 7918 lm인 경우, 발광 효능은 66.2 lm/W였다.

상술한 간섭 필터(3)가 없는, 비교 가능한 UHP 램프의 유사한 측정에서는 다 음의 값들을 얻었다. UV 영역(대략 200 ㎚ 내지 400 ㎚)에서의 복사 전력은 7.13 W였고, 가시 영역(대략 400 ㎚ 내지 780 ㎚)에서는 30.97 W였다. 따라서 광량(quantity of light)이 7325 lm인 경우, 발광 효능은 61.3 lm/W였다.

본 발명의 특별히 유용한 실시예는 프로젝션 용도로 사용되는 고압 가스 방전 램프에 관한 것이다.

Claims

고압 방전 램프로서, 적어도

대칭형 방전 챔버(symmetrical discharge chamber; 21)를 갖는 연소기(burner; 2) - 상기 연소기(2)의 적어도 외부 윤곽(outer contour)은 상기 방전 챔버(21)의 영역에서 타원형임 -;

상기 방전 챔버(21) 내로 돌출하고, 상기 방전 챔버(21)의 대칭 장축(major axis of symmetry) 상에 대향하여 배열된 두 개의 전극(41, 42); 및

상기 방전 챔버(21) 영역에 있는 상기 연소기(2)의 외부 윤곽 상에 배열된 다층 간섭 필터(multilayer interference filter; 3) - 상기 간섭 필터(3)는 주로 UV 광선의 적어도 하나의 파장 영역으로부터의 광선을 상기 두 개의 전극(41, 42) 사이의 공간으로 반사함 -

를 구비한 고압 방전 램프.
제1항에 있어서,

높은 굴절률을 갖는 층(3.1)과 낮은 굴절률을 갖는 층(3.2)이 상기 다층 간섭 필터(3)의 층 구성에서 교대로 존재하는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 간섭 필터에 의해 반사되지 않는 상기 UV 광선의 파장 영역들로부터의 광선은 흡수되는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
제2항에 있어서,

상기 낮은 굴절률을 갖는 상기 간섭 필터(3)의 상기 층(3.2)은 바람직하게는 실질적으로 SiO₂로 이루어져 있으며, 상기 간섭 필터(3)의 제2 층(3.1)은 SiO₂보다 높은 굴절률을 갖는 물질 - 바람직하게는 실질적으로 지르코늄 산화물(ZrO₂)로 구성됨 - 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
제2항에 있어서,

상기 제2 층(3.1)은 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 실리콘 질화물 및 특히 바람직한 지르코늄 산화물 ZrO₂ 또는 이 물질들의 혼합물의 그룹 중 한 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
제1항에 있어서,

상기 고압 방전 램프는 UHP 램프인 것을 특징으로 하는 고압 방전 램프.
제6항에 있어서,

상기 간섭 필터(3)는 주로 파장 영역이 335 ㎚ 내지 395 ㎚인 UV 광선을 상기 두 전극(41, 42) 사이의 영역으로 반사하는 것을 특징으로 하는 고압 방전 램 프.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서의 램프를 적어도 하나 포함하는 조명 유닛(lighting unit).
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서의 램프를 적어도 하나 포함하는 프로젝션 시스템.