KR100367132B1 - 무전극 방전 장치 - Google Patents

Abstract

저전압에서 방전되고 고효율이 구현되며, 제조 원가가 저렴하고 방전관의 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 새로운 방전관을 실현할 수 있도록 하는 무전극 방전 장치를 제공하기 위하여, 가스가 충전된 내부 영역과 외부 영역을 격리하는 격벽과, 상기 격벽의 외면의 동일면 상에 수평으로 서로 근접되게 설치된 제1, 제2전극과, 상기 제1, 제2전극에 전력을 공급하여 주는 전력 공급 장치를 포함하며, 상기 제1전극과 제2전극의 끝단에 각각 제1전극과 제2전극에 대해 수직으로 형성되어 서로 대향되도록 설치된 제3전극과 제4전극을 더 포함하는 것으로, 방전 기구에 있어서 전극을 방전관 외부에 장착함으로써 방전관의 수명을 연장시킬 수 있으며, 전극을 동일면 상에 수평으로 서로 근접되도록 장착함으로써 저전압에서 방전이 이루어지게 하고, 상기 전극에 수직방향의 전극을 장착함으로써 발광을 위한 플라즈마를 방전관 내에 고르게 확산시켜 발광 효율을 향상시킴으로써 방전관의 수명과 효율을 극대화시킨다.

[색인어]

무전극 방전 장치, 글로우 방전, 플라즈마, 가스 전리

Description

무전극 방전 장치{ELECTROLESS DISCHARGE DEVICE}

본 발명은 수명이 반영구적이며 고효율인 무전극 방전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방전관 내부에 전극을 장착하지 않고 방전관 외부에 전극을 장착하고 장착된 전극에 일정한 전력을 공급하여 방전시키는 수명이 반영구적이며 고효율 방전관을 실현할 수 있도록 한 무전극 방전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 방전기구는 진공 상태의 방전관 내부에 가스를 충진하고 전극을 설치하여 방전시키는 방법을 널리 채택하고 있다. 그러나, 방전관 내부에 전극을 장착한 종래 방전관의 경우에는 방전시키기가 쉬우나 진공 상태인 방전관 내부에 전극이 노출되어 있으므로 전극 손상이 급속히 진행되며, 그 결과 방전관의 수명이 단축되는 단점이 있다.

이를 극복하기 위하여 특수한 목적을 위한 격벽 방전관등이 개발되어 보급되고 있으나 방전전압이 매우 높고, 방전 시 전극 부분에 발생하는 암흑부로 인하여 효율이 매우 낮으며, 가격이 고가이어서 일반 조명용 전구로는 사용하지 못하고 있다. 그리고 최근에는 격벽 방전관의 효율을 개선한 방전등, RF(radio frequency) 유도 코일을 이용한 방전등, 마이크로파(microwave)를 이용한 방전등 등의 조명용으로 사용할 수 있는 다양한 무전극 방전등이 개발되고 있다. 그러나, 이러한 무전극 방전등은 점등 전압이 높고 효율이 낮을 뿐만 아니라 제조 원가가 고가이며 전등의 형상을 자유롭게 만들 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 종래 무전극 방전관으로는 상품화를 위한 근본적인 해결 수단이 될 수 없으며, 그 결과 아직도 무전극 방전을 이용한 방전관등의 상품화가 이루어지지 않고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 무전극 방전등의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 저전압에서 점등되고 고효율이 구현되는 무전극 방전 장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 제조 원가가 저렴하고 방전관의 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 새로운 방전관을 실현할 수 있도록 하는 무전극 방전 장치를 제공하는 데 있다.

도 1a와 도 1b는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 방전 장치를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무전극 방전 장치를 나타낸 사시도.

도 3은 도 2의 평면도이고, 도 4는 도 2의 정면도이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 최초의 방전을 저전압에서 일으킬 수 있도록 전극의 간격을 최대한 좁히고, 방전 시 전극 부분에 발생하는 암흑부로 인한 효율 저하를 방지하여 효율을 극대화하기 위하여 전극을 동일면 상에 수평으로 설치한다.

또한, 본 발명은 전극을 방전관 내부에 장착하지 않고 방전 기구 외부에 장착하며, 제조 원가를 낮추기 위하여 종래 방전관의 내부 조건, 즉 방전기구의 방전가스원료, 기술인력, 생산설비 등을 그대로 사용할 수 있도록 한다.

따라서, 이미 상용화되어 저렴한 가격으로 공급되는 방전가스원료를 그대로 사용하고, 상용화된 제조기술을 그대로 이용함에 따라 숙련된 기술인력을 충분히 확보할 수 있고, 이는 신기술에 따른 제조의 초기 불량율을 증가시키지 않으며, 기존 생산설비를 이용하여 제조할 수 있으므로, 새로운 시설투자로 인한 제조원가의 상승을 억제하여 제조원가를 낮출 수 있다.또한, 본 발명은 가스가 충전된 내부 영역과 외부 영역을 격리하는 격벽과, 상기 격벽의 외면의 동일면 상에 수평으로 서로 근접되게 설치된 제1, 제2전극과, 상기 제1, 제2전극에 전력을 공급하여 주는 전력 공급 장치를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명은 상기 제1전극과 제2전극의 끝단에 각각 제1전극과 제2전극에 대해 수직으로 형성되어 서로 대향되도록 설치된 제3전극과 제4전극을 더 포함하여 구성된다.

상기 제1전극과 제3전극 및 제2전극과 제4전극은 일체로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 제1전극과 제3전극 및 제2전극과 제4전극은 평면도상 T형, 정면도상 L형이 되도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저, 도1a와 도1b를 참조하여 본 발명의 원리를 설명한다.

가스 방전의 경우 일반적으로 방전 개시 전압은 가스 압력에 비례하고, 전극 사이의 거리에 비례하게 된다.따라서, 방전전압을 낮추기 위한 조건으로는 첫째, 방전관 내부의 기체압력을 낮출 수 있고 둘째, 전극간 거리를 짧게 설계할 수 있는데, 전자의 경우, 즉 방전관 내부의 기체압력을 낮추는 것은 필요한 상태의 플라즈마를 형성할 수 없어서 광효율 및 에너지효율이 저하된다는 점에서 바람직하지 않으므로, 후자인 전극간 거리를 줄이는 것이 바람직하다.도 1a는 수직전극에 의한 방전원리를 나타낸 것으로서, 램프(lamp)나 정전압 방전관에 널리 이용되는 방전(discharge)을 개략적으로 도시한 것이다.도 1a에 도시한 바와 같이 전극(1)(2)이 서로 대향되도록 설치된 방전관에 전력 공급 장치(5)로부터의 전기 입력에 따른 전압이 인가되면 전극(1)(2) 부근에는 발광하지 않는 암흑부(a)가 일정하게 존재하게 되고, 암흑부(a)를 제외한 곳에는 발광이 활발하게 이루어지는 플라즈마 영역(b)이 존재하게 된다.그러나, 이때 글로우 방전의 경우 암흑부(a)는 전극(1)(2) 사이의 거리와는 무관하게 일정한 영역을 차지하게 된다. 그 결과 저전압 방전을 위하여 전극(1)(2) 사이의 거리를 짧게 할 경우, 즉 방전관의 크기가 축소되는 경우에도 암흑부(a)는 계속 지속되므로 발광에 필요한 플라즈마 영역(b)이 줄어들어 발광 효율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.

또한, 도 1a에 예시된 방전의 경우에는 전극간 거리가 멀어서 초기방전전압이 방전개시 후, 방전유지전압보다 높아야 하는데, 전압을 인가하는 전력공급장치(5)는 방전개시전압을 고전압으로 인가하고, 방전을 개시시킨 후 방전유지전압은 저전압으로 인가하게 하므로, 전압의 증감에 따라 적합하게 전력을 공급할 수 있는 고가의 전력공급장치(5)를 설치해야 하는 단점이 있다.도 1b는 수평전극과 수직전극의 결합 형태에 의한 방전원리를 나타낸 것으로서, 동일면 상에 수평으로 설치된 전극(3)(4)의 각 끝단에 상기 전극(3)과 전극(4)에 대해 각각 수직으로 형성되어 서로 대향되도록 전극(3')(4')을 접속하거나 또는 일체가 되도록 형성하였다.

도 1a의 예로서 설명된 바와 같이, 암흑부(a) 영역은 전극(1)(2)의 부근에 생성되므로, 방전관에 도 1b와 같이 전극(3)(3')(4)(4')을 장착하면, 암흑부(a) 영역은 대부분 전극(3)과 전극(4) 주변에만 발생하게 됨은 물론, 전극(3)(4)간 거리가 가까운 구역에서 방전이 개시되어 플라즈마가 방전관 내부 전체로 확산된다.

이를 글로우방전과 대비하면, 동일면적 당 암흑부(a) 영역이 작아지고, 반면에 플라즈마 영역(b)이 확대되어 있음을 알 수 있다.즉, 전극간 거리에 따른 전위차에 의하여 발광면의 이면(전극(3)(4) 위치부)에 집중적으로 암흑부(a)가 발생하고, 발광면(도면상 상단)은 프라즈마 영역(b)이 존재하므로 도 1a에 예시된 방전관의 경우보다 프라즈마 영역(b)이 증가하여 광효율이 향상되는 것이다.또한, 수평한 전극(3)(4)이 상호 근접되게 설치되었으므로, 도 1a에 예시된 방전관의 경우보다 저전압에서 방전을 개시할 수 있으며, 방전개시전압이 방전유지전압보다 낮거나 갖게 전극을 설계할 수 있으므로 기능이 단순하고 저렴한 전력공급장치(5)를 제작할 수 있다.한편, 본 발명의 목적인 저전압 방전과, 암흑부(a)를 최소화하여 발광을 위한 플라즈마 영역(a)을 최대화하기 위한 다른 수단으로써 전극(3)(4)에 고주파 전력을 인가하는 것이 직류 또는 저주파 전력을 인가하는 것보다 효과적이므로 전력 공급장치(5)를 통해 고주파 전력이 전극(3)(4)에 공급되도록 하는 것도 가능하다.도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무전극 방전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2에 예시된 무전극 방전 장치의 평면도이며, 도 4는 도 2에 예시된 무전극 방전 장치의 정면도이다.도 2 내지 도 4를 참조하면, 전극(21)(22)을 가스가 충전된 방전관의 내부 영역과 외부 영역을 격리하는 격벽(11)의 외면의 동일면 상에 수평으로 서로 근접되도록 설치하였고, 각 전극(21)(22)의 끝단에 각각 서로 대향되는 전극(21')(22')은 상기 전극(21)(22)과 접속 또는 각 전극(21)(22)과 일체형으로 형성하되 각각 수직으로 형성하였으며, 또한 수평면 상 전극(21)(22)은 수직면상 전극(21')(22')의 폭에 비하여 극소의 폭으로 장착하였다.

이러한 무전극 방전 장치에서 전력 공급 장치(25)를 통해 격벽(11) 외면에 장착된 각 전극(21,21')(22,22')에 전력을 인가하면 전극(21,21')과 전극(22,22') 주변에 전자기장이 형성된다. 그리고, 전극(21,21')과 전극(22,22') 사이에서 가까운 부분일수록 전자기장의 세기가 강하게 되며, 또한 동일 조건일 경우 기압이 낮은 영역이 기압이 높은 영역보다 빠르게 가스가 전리되어 방전이 일어나게 되며 기압이 낮은 영역을 통하여 전류가 흐르게 되므로, 전극(21,21')과 전극(22,22') 사이에서 가장 가까운 지역임과 동시에 기압이 낮은 격벽(11) 내부의 X, Y 영역에서 제일 먼저 방전관 내부의 가스가 전리되어 방전이 일어나 플라즈마가 형성되게 된다.이때, 상술한 바와 같이 전극(21)(22)을 격벽(11)의 외면의 동일면 상에 수평하게 장착하되, 간극을 근접하게 설치하였음은 물론, 수직면상의 전극(21')(22')의 폭보다 수평면상의 전극(21)(22)의 폭을 극도로 작게 하는, 즉 평면도(도 3)상 "T"형으로 형성하였기 때문에 도 1b에 대한 설명에서와 같이 전극 부근에서만 발생하는 암흑부 영역(a)은 폭이 작은 수평면 상 전극(21)(22) 부근에서만 발생하므로, 방전관 전역에 대하여 암흑부의 영역이 최소화된다.

이후, 방전관 내부의 전극의 최단거리 구역인 X, Y 영역에서 발생된 플라즈마는 각 전극(21)(22)의 끝단에 각각 서로 대향되게 형성된 전극(21')(22')의 모서리 방향으로 확산되어 격벽(11) 내부에 고르게 분포되므로 발광 효율을 극대화시킬 수 있게 되며, 또한 전극(21)922)이 상호 근접한 상태이므로 방전개시전압을 위한 고전압의 인가가 필요 없게 된다.

한편, 전극(21,21')(22,22')에 전력을 공급하여 발생시킨 격벽(11) 내부의 플라즈마가 원하는 가시 광선을 발광시킬 수 있도록 하기 위하여, 플라즈마에 의하여 가시 광선 영역의 전자파 또는 격벽 내부에 도포한 형광물질을 통하여 가시광선을 방출시키는 전자파가 다량 방출되는 가스를 격벽(11) 내부에 충전하는 것이 바람직하며, 플라즈마가 방출하는 전자파가 가시광선이 아닐 경우 격벽(11) 내벽에는 플라즈마에 의해 발생된 전자파에 의하여 가시 광선을 방사시키는 효율 높은 형광막을 도포하는 것이 바람직하다.또한, 격벽(11)은 원하는 전자파의 투과율이 높은 재질의 물질로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 발광 효율을 향상시키기 위하여 격벽(11)의 외면에 장착된 전극(21,21')(22,22')에 인가되는 전력은 특별한 목적의 방전 기구가 아니면 전력 공급 장치(25)를 통해 고주파 전력을 공급하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는 격벽(11) 내부에서 발생된 플라즈마를 격벽(11) 내부에 고르게 확산되도록 하기 위하여 평면도상 "T"형, 정면도상 "L"형의 전극을 형성하였지만, 이와는 달리 방전 기구의 형태 및 방전관의 형상에 따라 전극을 다양한 형태로 변경하여 설계할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 방전 기구에 있어서 전극을 방전관 외부에 장착함으로써 방전관의 수명을 연장시킬 수 있으며, 전극을 동일면 상에 수평으로 서로 근접되도록 장착함으로써 저전압에서 방전이 이루어지게 하고, 발광을 위한 플라즈마를 방전관 내에 고르게 확산시켜 발광 효율을 향상시킴으로써 방전 기구의 수명과 효율을 극대화시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 가스가 충전된 내부 영역과 외부 영역을 격리하는 격벽(11)과;

   상기 격벽의 외면의 동일면 상에 수평으로 서로 근접되게 설치된 제1전극(21), 제2전극(22)과;

   상기 제1전극, 제2전극에 전력을 공급하여 주는 전력 공급 장치(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1전극과 제2전극의 끝단에 각각 제1전극과 제2전극에 대해 수직으로 형성되어 서로 대향되도록 설치된 제3전극과 제4전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 제1전극과 제3전극 및 제2전극과 제4전극은 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 제1전극과 제3전극 및 제2전극과 제4전극은 평면도상 T형, 정면도상 L형이 되도록 한 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 전력 공급 장치는 고주파 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 상기 격벽 내부에 충전된 가스는 상기 격벽 내부에서 플라즈마에 의하여 방사되는 전자파가 가시 광선 영역의 전자파를 다량 함유하는 가스를 이용한 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 격벽은 플라즈마에 의해 발생된 전자파에 의하여 가시 광선을 방사시키는 효율 높은 형광막을 내벽에 도포한 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.
9. 제 1항에 있어서, 상기 격벽은 원하는 전자파의 투과율이 높은 재질의 물질로 형성한 것을 특징으로 하는 무전극 방전 장치.