KR100340805B1 - 무전극 황전등의 상관색온도 가변방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아이에스엠(ISM) 밴드(band) 주파수 영역에 속한 고주파 에너지 를 전구 내부의 필라멘트나 전극을 사용하지 않고, 전구 외부에서 유도성 결합(inductive coupling), 용량성 결합(capacitive coupling), 마이크로파 결합(microwave coupling) 등의 방식을 통해 직접 전구에 인가하여 전구내부의 물질을 방전시키고, 이때 발생하는 방전광을 조명에 사용하는 고광도 무전극 방전등에 관련된 기술로서, 무전극 황전등에서 황이 방전할 때 발생하는 방전광을 조명으로 사용하는 무전극 황전등의 상관색온도 조정을 위한 가변방법에 있어서, 상기 무전극 황전등 방전관내에는 방전관에 인가된 고주파 에너지의 변와에 대한 방전광의 세기의 변화율이 황에서 발생된 방전광에 비하여 방전시 서로 다른 색상을 내는 첨가물로서 황과 함께 588nm 파장의 부근에서 노란색 D-line을 발생하는 Na를 NaI 형태로 하여 소정비율로 주입하고, 상기 황에 NaI를 첨가한 물질을 봉입한 무전극 황전등 방전구를 방전시키기 위해 입력되는 고주파의 전력을 조정하여, 황과 상기 NaI에서 발생하는 방전광의 세기비를 조절하여 상관색온도를 조절하는 기술에 관한 것임.

Description

무전극 황전등의 상관색온도 가변방법{Control of Correlated Color Temperature for Electrodeless Sulfur Lamp}

본 발명은 아이에스엠(ISM) 밴드(band) 주파수 영역에 속한 고주파 에너지 를 전구 내부의 필라멘트나 전극을 사용하지 않고, 전구 외부에서 유도성 결합(inductive coupling), 용량성 결합(capacitive coupling), 마이크로파 결합(microwave coupling) 등의 방식을 통해 직접 전구에 인가하여 전구내부의 물질을 방전시키고, 이때 발생하는 방전광을 조명에 사용하는 고광도 무전극 방전 등에 관한 것으로, 특히 방전구내 봉입되는 물질이 황인 무전극 황전등(electrodeless sulfur lamp)의 상관온도를 가변할 수 있는 무전극 황전등의 상관색온도 가변방법에 관한 것이다.

기존의 무전극 환전동은 푸른색 계열인 6,000K 이상의 상관색온도를 가지고 있어 찬 느낌을 준다.

따라서 따뜻한 느낌이 필요한 공간이나 다양한 분위기의 연출이 필요한 곳에 사용하기에는 부적절하다.

황을 1 기압(atmospheric pressure, 이하 atm이라 함) 이하에서 저압방전시키면 방전광의 분광분포는 약 370 ㎚ 파장대를 중심으로 270 ㎚에서 650 ㎚ 사이에 연속적으로 분포하고 있어 방전광은 푸른색을 띤 흰색(bluish white)이며, 상관색온도는 수만 K에 달하고, 발광효율(radiation efficiency)은 약 7％ 대로 매우 낮아 황은 무전극 방전등용 방전원으로 사용하기에 적합하지 않았다.

따라서 분광분포의 중심을 장파장대로 옮기고 상관색온도를 낮춤은 물론 발광효율을 높이기 위해 기존의 기술에서는 황을 1 atm 이상의 압력에서 방전시켰다.

이 경우 방전구와 고주파의 결합효율(coupling efficient)이 높아지고, 방전구의 표면에 방전하지 않는 비교적 차가운 황 증기가 존재하게 되며, 이 부분에서 황 방전광 중 약 270 ㎚에서 350 ㎚ 사이를 흡수하여 결과적으로 방전광 분광분포의 중심을 450 ㎚에서 550 ㎚ 사이로 이동시킨다.

그러나 황이 고압하에서 방전을 유지하기 위해서는 최소 50W/cc 이상의 고주파를 방전구 내에 인가해야 하며, 방전구내 황 증기의 밀도차에 의해 황의 분포가 균일하지 않아 방전이 불가능하게 된다.

불안정한 방전은 방전구를 회전시킴으로써 제거할 수 있으며, 부수적으로 방전구와 방전구 표면의 차가운 황을 균일하게 분포시킴으로써, 상관색온도를 약 6,000K까지 낮출 수 있고 방전구 표면의 특별히 가열되는 부분(hot spot)을 제거할 수 있다.

이온화 에너지가 낮은 나트륨(Na)이나 ⅢB족 금속을 방전구 내에 미량 첨가하면 방전시 필요한 전자를 첨가물로부터 쉽게 얻을 수 있어 방전구 내에서 공간적으로 균일한 방전을 유도할 수 있으며, 세슘(Ce)을 미량 첨가하면 방전구를 회전시키지 않고도 황을 안정적으로 방전시킬 수 있다.

무전극 황전등의 상관색온도를 조절하기 위해서 기존 기술에서는 다음의 세가지 방식을 제시하였다.

첫째로, 최소 방전전력 50W/cc 이상에서 황 방전구에 특정 파장대의 방전광을 발생시키는 물질을 황에 첨가함으로써 상관색온도를 조절하는 방식이고, 두 번째는 방전광의 분광분포는 방전시 방전구의 온도에 따라 바뀐다는 사실을 이용한 것으로, 방전광의 분광분포 또는 광도를 측정하여 이 값을 기준으로 방전구 냉각용 압축냉각공기를 조절하고, 그 결과로 방전구의 온도를 변화시킴으로써 한 개의 무전극 전등으로 상관색온도를 가변할 수 있는 방식이며, 셋째로 방전광이 특정한 파장대만을 통과시키는 필터를 통과하게 만들어 상관색온도를 조절하는 방식이다.

상기와 같이 기존에 제시된 무전극 황전등의 세가지 상관색온도 조절술은 다음과 같은 단점을 지니고 있다.

상기 첫 번째 방식인 최소 방전전력 50W/cc 이상인 황 방전구에 특정 파장대의 방전광을 발생시키는 물질을 첨가하여 황과 같이 방전시킴으로써 상관색온도를 조절하는 방식의 경우 최소방전 전력이 50W/cc 이하인 1㎾ 급 이하의 무전극 황전등에는 적용하기가 곤란하며, 한 개의 전구로 다양한 상관색온도를 구현할 방식을 제시하지 못했다.

또한 상기 두 번째 방식인 방전광의 분광분포 또는 광도를 측정하여 이 값을 기준으로 냉각용 압축공기를 조절하여 방전구의 온도를 변화시킴으로써 한 개의 무전극 전등으로 다양한 상관색온도를 구현하는 기술은 압축공기를 발생시키기 위한펌프, 압축공기용 필터, 노즐 등의 부대 장비가 소요됨은 물론 방전광의 세기 또는 분광분포를 측정하는 센서가 필요하여 전체 무전극 황전등의 크기가 커지고 복잡해지며 제작원가가 비싸진다.

또한 이와 같은 방식을 사용할 경우 사람이 현격한 차이를 식별하기 곤란한 정도의 좁은 상관색온도 조절범위만을 갖게 되어 실용성이 떨어진다.

마지막으로 상기 세 번째 방식인 방전광을 특정한 파장대만을 통과시키는 필터를 통과시키는 필터를 통과시켜 상관색온도를 조절하는 기술은 크게 두 가지로 나누어지는데, 하나는 방전구의 표면 또는 전등 외함의 방전광이 통과하는 고정된 창에 코팅을 하여 필터로 사용하는 것으로 한 개의 방전구에 고정된 단일 필터만이 존재하므로 상관색온도를 가변시킬 수 없음은 물론, 점등시 90℃ 이상되는 방전구 표면 온도로 인해 코팅물질이 열화되어 시간이 지남에 따라 상관색온도가 현격히 변하고, 방전광 중 일부가 필터에 의해 흡수 또는 내부로 반사되므로 필터를 쓰지 않았을 때보다 시감효능이 떨어진다.

다른 방식으로 전구 외함의 방전광이 통과하는 창에 다양한 필터를 교체 가능하도록 만드는 것으로, 상관색온도를 필터의 종류만큼 불연속적으로 가변시킬 수 있으나 모터와 같은 기계, 전기적인 방식으로 필터를 교환하도록 할 경우에는 모터, 컨트롤러 등이 추가되어 무전극 황전등이 커지고 비싸진다.

또한 무전극 황전등은 공장조명, 가로등, 항공, 등대 사람이 전구에 접근하기 힘든 곳에 설치되므로 필터를 사람이 직접 간편하게 교환할 수 없다.

상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은, 무전극 황전등의 상관색온도를 3,600K에서 8,400K 사이에서 자유로이 조정 가능하도록 함은 물론, 부수적으로 기존의 무전극 황전등이 1Kw급 이하로 만들 수 없다는 단점을 극복하기 위해 무전극 황전등의 활용처를 넓힐 수 있는 무전극 황전등의 상관색온도 가변방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 본 발명의 NaI 첨가 황 방전구를 방전시키기 위한 장치의 구성도,

도 2 는 본 발명에 따른 황 방전구와 NaI 첨가 황 방전구의 분광분포 특성 도,

도 3 는 본 발명에 따른 NaI 첨가 황 방전구로 흡수되는 고주파 전력에 대해 가시광선 영역에서 방전구내 황 및 NaI에서 발생되는 방전광 세기의 변화 특성도,

도 4 는 본 발명에 따른 가시광선 영역에서 황 방전구에 첨가된 NaI 양에 대해 전체 방전광 중 황에서 방출되는 방전광의 비 특성도,

도 5 는 본 발명이 적용되는 황 방전구내 황 및 NaI의 비율에 대한 무전극 황전등의 상관색온도 가변영역 특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 마그네트론용 전원 110 : 마그네트론

120 : 마그네트론 론치 130 : 방향성 결합기

131 : 방향성 결합기의 입력파 측정용 단자

132 : 방향성 결합기의 반사파 측정용 단자

140 : 어댑터 150 : 이동 단락회로

160 : 방전구 170 : 금속망

180 : 전력계

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 황이 방전할 때 발생하는 방전광을 조명으로 사용하는 무전극 황전등의 상관색 온도를 조절하는 방법에 있어서, 상기 무전극 황전등 방전관내에는 방전관에 인가된 고주파 에너지의 변화에 대한 방전광의 세기의 변화율이 황에서 발생된 방전광에 비하여 방전시 서로 다른 색상을 내는 황과 함께 588nm 파장의 부근에서 노란색 D-line을 발생하는 Na를 NaI 형태로 첨가물을 소정비율로 주입하고, 상기 황에 NaI를 첨가한 물질을 봉입한 무전극 방전등을 방전시키기 위해 입력되는 고주파의 전력을 조정하여, 황과 상기 NaI에서 발생하는 방전광의 세기비를 조절하여 상관색온도를 조절하는 것을 특징으로 한다.상기 상관색 온도는 동일 전구에서 입력되는 전력의 높임과 낮춤에 따라 상관색온도를 조절하는 첨가된 NaI와 황의 비에 의해 가변범위를 결정하는 것을 특징으로 한다.이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.본 발명은 먼저 황과 함께 588nm 파장에서 노란색 D-line을 발생하는 Na를 NaI 형태로 하여 방전구에 봉입한다.이때 방전구 내 봉입된 상기 NaI의 질량은 봉입된 황 질량의 약 0.1%에서 50% 사이이다.봉입된 상기 Na는 방전구에 인가된 고주파 에너지의 변화에 대한 방전광 세기의 변화율이 서로 다르다. 즉, 방전구에 인가되는 전력이 높아 질수록 황에서 발생된 방전광에 비해 Na에서 발생하는 방전광의 세기가 더 빠르게 증가한다.따라서, 입력전력이 높을 수록 전체 방전광 중 Na에서 발생하는 노란색 방전광이 커지므로 상관색온도가 낮아진다.그러므로 동일 전구에서 입력되는 전력을 낮추면 상관색온도를 높일 수 있고, 입력전력을 높이면 상관색온도를 낮출 수 있다. 다시말해 상관색온도의 가변범위는 첨가된 NaI와 황의 비에 의존한다.상기 상관색온도의 조절을 위해 첨가되는 NaI의 양은 기존의 기술에서 황의 방전을 균일하게 하기 위해 첨가되는 양보다 최소 3배에서 최대 1,000배가 많다.따라서 방전구의 흡수전력이 400W 이하에서 Na는 황의 방전을 균일하게 만드는 역할을 하지 못하여 방전구 내에서 황은 공간적으로 균일하게 방전하지 않는다.또한, Na D-line은 자기 태핑(self tapping)효과에 의해 오히려 흡수된다.그러나 상기 Na D-line 주위에 수십 nm영역에서 Na D-line이 연속적으로 나타나기 때문에 황의 연속적인 분광분포와 합쳐져 전체 방전광은 상관색온도 가변영역에서 79 이상의 고연색성을 유지한다.또한 황과 다량의 NaI를 같이 방전시키면 황만을 방전시켰을 때와 비교해 자유전자가 많이 발생하므로 입력전력이 700W 이하에서도 고주파와 방전구의 결합효율이 증가하고 방전구의 온도가 높아져 황만을 방전시킬 때의 최소방전전력 50W/cc에 비해 40％ 수준인 20W/cc 이하의 전력에서도 방전이 가능하다.따라서 방전구의 부피가 15cc 일 경우 300W급 무전극 황전등을 제조할 수 있음은 물론, 입력전력 900W 이하로 방전시 방전구의 단위부피당 흡수전력이 기존의 1㎾급 무전극 황전등에 비해 작으므로 방전구의 표면 온도가 낮아 특정부위의 과열염려가 없으므로 방전구를 회전시킬 필요가 없다.방전구에 입력되는 전력을 조절하는 방식으로 마그네트론의 전원으로 선형식(linear type) 전원을 사용할 경우 전원내 변압기의 권선비를 조정함으로써 구현할 수 있고, 스위칭 모드 전원 공급(switching mode power supply)을 사용할 경우 스위칭 펄스(switching pulse)의 충격 사이클(duty cycle)과 주파수(frequency)를 조절함으로써 손쉽게 구현할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 NaI 첨가 황 방전구를 방전시키기 위한 장치의 구성도로서, 황방전구를 방전시키기는데 필요한 전력을 공급하는 마그네트론용 전원(100), 상기 전원으로부터 전력을 공급받아 마이크로파를 발생하는 마그네트론(110), 발생된 마이크로파를 도판관으로 옮기기 위한 목적된 장치로 전달하는 마그네트론용 론치(launch)(120), 마그네트론용 론치를 통해 전달된 상기 마이크로파를 조합시켜 방향에 따라 분리하는 방향성 결합기(Directional coupler)(130), 상기 방향성 결합기(130)의 단자에서 발생되는 신호를 측정하는 전력계(180), 상기 방향성 결합기에 의해 분리된 방향에 따른 마이크로파를 입력받는 어댑터(Adapter)(140), 상기 어댑터 상부에 위치하여 상기 마이크로파 중 봉입된 물질을 방전시키는 금속망(170)으로 둘러싸인 일정 부피를 갖는 석영 방전구(160) 및 상기 어댑터에 입력된 마이크로파를 적절하게 정합하는 이동 단락회로(Moving short circuit)(150)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 황방전구를 방전시키기 위한 NaI 첨가 장치의 그 작용을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 상기 마그네트론용 전원(100)에서 전력을 공급받은 마그네트론(110)이 마이크로파를 발생하면, 발생된 마이크로파는 마그네트론용 론치(120)를 통해 방향성 결합기(130)을 경유하여 어댑터(140)로 입력된다.

이때 입력된 마이크로파 전력은 방향성 결합기(130)의 입력파 측정용 단자(131)에서 발생되는 신호를 받은 전력계(180)에 의해 측정된다.

상기 어댑터(140)에 입력된 마이크로파는 이동단락회로(150)에 의해 적절히 정합(matching)되어 상기 방향성 결합기(130) 상부에 위치한 금속망(170)에 싸여 있는 부피가 약 20 cc 이하인 석영 방전구(160)에 인가된다.

입력된 마이크로파중 일부는 상기 방전구(160)내 봉입된 물질을 방전시키는데 사용되고, 나머지는 반사되어 상기 방향성 결합기(130)를 통해 마그네트론(100) 방향으로 되돌아 나가게 되는데 반사전력은 방향성 결합기(130)의 반사파 측정용 단자(132)에서 발생되는 신호를 받은 전력계(180)에서 측정된다.

이때 상기 방전구(160)가 순수하게 흡수한 마이크로파 전력은 상기전력계(180)에서 측정한 입력전력과 반사전력의 차이이다.

도 2 는 본 발명에 따른 황 방전구와 NaI 첨가 황 방전구의 분광분포 특성도로서, 상기 도 1에 황 20㎎과 버퍼 가스(buffer gas)로 아르곤(Ar)이 수 토르(torr)가 봉입된 방전구(160) 또는 황 20㎎과 NaI 1.4㎎에 버퍼 가스로 아르곤 수 토르가 봉입된 방전구(160)를 각각 장착시키고 약 850W 흡수전력으로 방전시켰을 때 방전광의 분광분포이다.

황 만이 봉입된 방전구의 방전광은 약 500㎚에서 최대 세기를 나타내며, 따라서 상관색온도 15,000K인 푸른색을 띤 백색광이다.

그러나 황에 NaI를 첨가한 방전구는 588㎚ 부근에 강한 노란색의 Na D line이 발생하며, 황 방전광에 대한 Na D line의 크기를 조절함으로써 상관색온도를 조절하고자 한다.

황에 NaI를 첨가한 방전구를 방전시킬 때 적외선 영역(870㎚ - 1,200㎚)에서의 방전광의 세기가 NaI를 첨가하지 않은 방전구의 방전광 세기에 비해 크며 따라서 황에 NaI를 첨가한 방전구의 온도가 훨씬 높음을 알 수 있다.

그러므로 입력전력이 낮을 때 방전구에 NaI를 첨가함으로써 방전구의 온도를 높여서 황이 안정적으로 방전할 수 있도록 유도함으로써 방전구의 최소방전전력을 20W/cc 이하로 대폭 낮출 수 있다.

도 3 는 본 발명에 따른 NaI 첨가 황 방전구로 흡수되는 고주파 전력에 대해 가시광선 영역에서 방전구내 황 및 NaI에서 발생되는 방전광 세기의 변화 특성도이다.

상기 도 3은 상기 도 1에 황 20㎎과 NaI 1.4㎎에 버퍼 가스로 아르곤 수 토르가 봉입된 방전구(160)를 장착하여 방전시킬 때, 방전구에 흡수되는 마이크로파 전력에 대해 가시광선 영역(380㎚-780㎚)에서 황으로부터 발생되는 방전광과 Na로부터 발생되는 방전광의 세기를 나타낸 것이다.

흡수전력이 증가할수록 500㎚ 파장대에 중심을 가진 황의 방전광 보다 588㎚ 파장대에 중심을 가진 Na의 방전광이 더욱 빠르게 증가하여 상관색온도가 낮아진다.

따라서 황에 NaI가 첨가된 방전구를 방전시킬 때 입력전력을 조정하여 황과 NaI에서 발생하는 방전광의 비를 조절함으로써 상관색온도를 변화시킬 수 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 가시광선 영역에서 황 방전구에 첨가된 NaI 양에 대해 전체 방전광 중 황에서 방출되는 방전광의 비 특성도이다.

도 4 는 상기 도 1에 황 20㎎, 버퍼 가스로 아르곤 3 토르 그리고 NaI를 각각 0.5, 1.4, 3.5, 6.2, 9.9㎎를 첨가한 방전구(160)들을 방전시켰을 때 가시광선영역(380-780㎚)에서 흡수전력에 대한 전체 방전광(황과 Na에 의해 발생되는 방전광의 합)에 대한 황 방전광의 세기를 나타낸 것이다.

그 특성에 따라 첨가된 NaI 양이 많고, 흡수력이 클수록 전체 방전광에 대한 황 방전광의 세기는 줄어들고 상대적으로 NaI 방전광의 세기가 증가해 상관색온도가 낮아진다.

도 5 는 본 발명이 적용되는 황 방전구내 황 및 NaI의 비율에 대한 무전극 황전등의 상관색온도 가변영역 특성도이다.

도 5 는 상기 도 1에 황 20㎎, 버퍼 가스(buffer gas)로 아르곤 3 토르(torr) 그리고 다양한 비율로 황과 NaI가 봉입된 방전구(160)의 가변가능 상관색온도 범위를 나타낸 것이다.

황에 대한 첨가 NaI 질량의 비가 0.02일 때 약 8,300K에서 5,600K 사이의 상관색온도 가변영역을 가지며, 황에 대해 첨가 NaI 질량의 비가 0.45일 때는 약 6,000K에서 3,700K의 상관색온도 가변영역을 가진다.

따라서 NaI가 많이 첨가될수록 낮은 상관색온도에서 가변영역이 형성된다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 첨가된 NaI 양에 따라 방전광의 상관색온도를 3,600 K 및 8,400 K의 범위에서 기존에 비해 손쉽고 폭넓게 조절할 수 있어 다양한 분위기의 연출이 필요한 스튜디오나 백화점 등에 상관색온도 가변 무전극 황전등을 쓸 수 있다.

특히 기존의 무전극 황전등이 1 ㎾급 이상인데 반해 방전구의 최소방전 전력을 20W/cc 이하로 떨어뜨려 300W급 무전극 황전등을 만들 수 있게 함으로써 1㎾급 이하의 고압방전등이 필요한 공장조명, 가로등으로 무전극 황전등의 사용영역을 대폭 넓힐 수 있는 효과를 가진다.

Claims (8)

1. 무전극 황전등에서 황이 방전할 때 발생하는 방전광을 조명으로 사용하는 무전극 황전등의 상관색온도 조정을 위한 가변방법에 있어서,

   상기 무전극 황전등 방전관내에는 방전관에 인가된 고주파 에너지의 변와에 대한 방전광의 세기의 변화율이 황에서 발생된 방전광에 비하여 방전시 서로 다른 색상을 내는 첨가물로서 황과 함께 588nm 파장의 부근에서 노란색 D-line을 발생하는 Na를 NaI 형태로 하여 소정비율로 주입하고,

   상기 황에 NaI를 첨가한 물질을 봉입한 무전극 황전등 방전구를 방전시키기 위해 입력되는 고주파의 전력을 조정하여, 황과 상기 NaI에서 발생하는 방전광의 세기비를 조절하여 상관색온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 무전극 황전등의 상관색 온도 가변방법.
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3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 상관색온도는

   동일 전구에서 입력되는 전력을 높임과 낮춤에 따라 상관색온도를 조절하는첨가된 NaI와 황의 비에 의해 가변범위를 결정하는 것을 특징으로 하는 무전극 황전등의 상관색온도 가변방법.
7. 삭제
8. 삭제