KR100391017B1 - 무전극고압방전램프및그시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방전을 제한하기 위한 광투과성 벌브, 광투과성 벌브 내에 봉입되어 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 희귀 가스 및 할로겐화 금속을 포함하는 충전물, 그리고 전기에너지를 충전물에 인가하여 아크 방전을 개시 및 유지하기 위한 방전 여기 수단을 구비한다. 상기 할로겐화 금속은 할로겐화 인듐, 할로겐화 갈륨, 할로겐화 탈륨 또는 이들의 혼합물의 그룹으로부터 선택된 할로겐 화합물 중의 한 종류를 포함하며, 상기 광투과성 벌브는 방전 공간에 노출된 전극을 갖지 않는다. 또한, 이러한 구성은 할로겐화 금속의 분자발광에 의한 연속 스펙트럼을 이용함으로써 충전물로서 수은을 사용하지 않고도 고 연색성 및 고 발광효율을 동시에 얻을 수 있다.

Description

무전극 고압 방전 램프 및 그 시스템
( 발명의 배경 )
본 발명은 분자발광에 의해 연속 발광을 하는 할로겐화 금속을 광투과성의 벌브(bulb)내에 봉입하고 아크방전에 의해 발광시킴으로써 극히 우수한 연색성 및 고효율을 실현한 무전극 고압 방전(HID) 램프에 관한 것이다.
최근에, 무전극 고압 방전(HID) 램프, 특히, 할로겐화 금속 램프는 고효율 및 고연색성의 특성으로 인해 고출력 점광원으로서 무대 및 텔레비전의 조명장치와 액정 비디오 프로젝터용 광원을 포함하는 다양한 응용 분야에서 할로겐 램프를 대체해 오고 있다. 이러한 유형의 램프는 또한 고연색성의 특성을 이용하여 고선명 텔레비전 방송, 박물관 및 미술관 등의 시설 조명과 같은 분야에까지 응용되어 가는 추세이다. 그러나, 할로겐화 금속 램프는 수은을 충전물로서 내용적 당 수십 mg/cc 정도로 다량 함유하기 때문에, 환경보호의 관점에서 무수은화가 강력히 요청되고 있다.
무전극 방전 램프 시스템은 유전극 아크 방전 시스템에 비해 전자 에너지를 충전물에 결합하기 쉬우므로, 방전 발광을 위해 사용되는 충전물에서 수은을 제거하는 것이 용이하다는 이점을 갖고 있다. 또한, 방전 공간 내부에 전극이 없기 때문에 전극증발에 의한 벌브 내벽의 흑화가 발생되지 않는다. 이에 따라, 램프의 수명이 크게 향상될 수 있다.
이하, 종래의 고압 방전 램프용의 무수은 충전물을 예로 들어 설명한다. 일본 공개 특허 평 3-152852호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 무전극 방전 램프에서는, 크세논이 방전 가스로서 사용되고 발광물질로서 LiI, NaI, TlI, InI 등이 램프 내에 봉입되며, 이들 발광물질로부터 방사된 단색의 라인 스펙트럼을 조합함으로써 백색광을 얻는다. 이 종래의 기술은 RF 에너지를 유도 결합하기 위한 수단을 방전 여기 수단으로서 개시하고 있다.
한편, 일본 공개 특허 평 6-13208호(미국 특허 제 5,404,076호)에 개시되어 있는 고출력 램프에서는, S2, Se2등이 발광물질로서 램프 내에 봉입되고, 녹색을 띈 백색광이 분자발광의 연속 스펙트럼으로부터 생성된다. 이 종래의 기술은 마이크로파 에너지를 이용한 방전 여기수단을 개시하고 있다.
또한, 미국 특허 제 3,259,777호에서는 본 발명에 사용된 요오드화 인듐과같은 할로겐화 금속에 속한 충전물을 이용하는 유전극 할로겐화 금속 램프에 관한 발명을 개시하고 있다. 이 종래의 기술에서는, 요오드화 인듐과 같은 할로겐화 금속이 고출력으로 방전하도록 용융점 근처에서 전극을 가열시키기에 충분한 전기 에너지를 사용하여 램프가 동작하게 된다.
그러나, 일본 공개 특허 평 3-152852호에 개시된 무전극 방전 램프는 고 스펙트럼 발광 효율의 영역에서 발광하는 Na 및 T1의 부분이 효율을 높이기 위해 증가되는 경우 연색성이 저하되고, 또 연색성이 향상되려면 효율이 감소되는 문제점을 갖고 있다. 다른 문제점으로는, 요오드화 인듐 및 탈륨이 고압에서 연속 스펙트럼을 생성하고, 그 결과, 선스펙트럼이 감소하게 되어 색상 변이를 일으키게 된다는 점이다. 또한, 상기 일본 공개 특허 평 3-152852호에 개시되어 있는 바와 같이, 선스펙트럼의 조합에 의해 생성된 광특성은 불량한 색 재현성을 갖게 되고 만족스러운 연색성을 얻기 어렵다.
일본 공개 특허 평 6-132018호에 개시된 고출력 램프에서는 가스의 종류 및 충전물의 조건이 변화하더라도 색도는 항상 흑체 궤적에서 실질적으로 녹색을 띄는 부분에 위치하게 되므로 만족스러운 백색광을 얻을 수 없다. 상기 일본 공개 특허 평 6-132018호의 고출력 램프의 색특성을 개선하기 위한 방법으로는 모종의 금속 화합물을 발광물질로서 첨가하고, 이에 따라 선스펙트럼을 부가함으로써 색도를 변화시키는 방법이 고려되고 있다. 그러나, 첨가된 금속 화합물과 유황의 반응에 의해 생성되는 금속 황화물은 비교적 안정되고 기압이 낮은 것이 대부분이므로 플라즈마로 되기 어렵다. 이로 인해, 첨가될 수 있는 금속의 종류가 제한되고 광색 설계의 자유도가 저하되어 연색성을 개선하는 것이 곤란하게 된다. 또한, 충전물을 첨가하거나 색온도 변환 필터를 사용하여 발광 스펙트럼의 분광특성을 변화시키면 녹색 이외의 스펙트럼 발광 효율이 낮은 영역에서 분광 방사 강도가 증가되어 효율의 저하를 면할 수 없다.
한편, 미국 특허 제 3,259,777호에서는 램프를 유전극 및 무수은 충전물로써 동작시키기 위해 전극의 용융점 근처에서 램프를 동작시키게 되므로 상당량의 부하가 전극에 인가된다. 따라서, 이와 같이 램프를 설계하는 경우 전극 연발에 의해 벌브 내벽의 급격한 흑화가 발생되고 램프 수명의 현저한 저하를 면할 수 없다.
( 발명의 개요 )
본 발명은 방전을 위해 발광물질로 사용되는 종래의 방전 여기수단 및 충전물에 따른 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 인듐, 갈륨 및 탈륨 할로겐 화합물이 고압에서 방사하는 분자발광 연속 스펙트럼을 적극 활용함으로써 고효율, 고연색성을 갖는 무수은 발광재료를 충전물로 이용하는 무전극 고압 방전 램프를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 무전극 고압 방전 램프는 방전을 제한하기 위한 광투과성 벌브와;
상기 광투과성 벌브 내에 봉입되어 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 희귀 가스 및 할로겐화 금속을 포함하는 충전물과,
상기 충전물에 전기에너지를 인가하여 아크 방전을 개시 및 유지하기 위한 방전 여기 수단을 구비한다.
상기 방전 램프에 있어서, 상기 할로겐화 금속은 할로겐화 인듐, 할로겐화 갈륨, 할로겐화 탈륨 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 할로겐화물 중의 한 종류를 포함하고, 상기 광투과성 벌브는 방전 공간에 노출된 전극을 갖지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 무전극 고압 방전 램프.는 방전을 제한하기 위한 광투과성 벌브와,
상기 광투과성 벌브 내에 봉입되어 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 아연, 희귀 가스 및 할로겐화 금속을 포함하는 충전물과;
상기 충전물에 전기에너지를 인가하여 아크 방전을 개시 및 유지하기 위한 방전 여기 수단을 구비한다.
상기 방전 램프에 있어서, 상기 할로겐화 금속은 할로겐화 인듐, 할로겐화 갈륨, 할로겐화 탈륨 또는 이들의 혼합물의 그룹으로부터 선택된 할로겐화물 중의 한 종류를 포함하고, 상기 광투과성 벌브는 방전 공간에 노출된 전극을 갖지 않는다.
( 실 시 예 )
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
( 제 1 실시예 )
도면을 참조하여, 본 발명의 제 1실시예에관하여 설명한다. 제 1도는 방전에 의해 빛을 생성하도록 800W의 입력 마이크로파 에너지를 갖는 제 2도에 도시될 바와 같은 마이크로파 무전극 고압 방전 시스템에서 내경 3.8Cm의 석영 글라스로 된 구형 무전극 방전 벌브로 구성되고 전계의 방향에서 벌브의 내벽간의 거리에 해당하는 내경의 단위 길이 당 2.2 ×10-5mol/cm의 요오드화 인듐 및 5 torr의 아르곤 가스로 충전된 램프가 동작되었을 때 얻어지는 발광 스펙트럼을 도시한 것이다. 여기서 및 본 명세서의 다른 부분에서 도시되는 발광 스펙트럼은 방사강도의 최대값을 1로 한 경우 5nm의 간격으로 측정된 방사 강도를 적산한 것이다.
이제 제 2도를 참조하여 제 1도에 도시된 방사광을 얻기 위해서 본 발명에 사용된 마이크로파 무전극 방전 시스템의 구성 및 작용에 대하여 설명한다. 이 마이크로파 무전극 방전 시스템의 구성은 상기 일본 공개 특허 평 6-132018호에 개시되어 있는 고출력 램프의 구성과 실질적으로 동일하다. 제 2 도에서, 벌브(21)는 석영 글라스로 구성되며 요오드화 인듐 및 아르곤 가스와 같은 충전물(22)를 포함한다. 벌브(21)는 절연체로 된 지지대(23)에 의해 마이크로파 공동(24) 안쪽에서 지지된다. 지지대(23)는 모터에 접속되며 그 지지대의 축은 모터의 회전축과 정렬된다. 이 경우, 벌브는 모터에 의해 약 1000 내지 3600 rpm의 속도로 회전된다. 이 실시예에서는, 제 1 도에 도시된 방사 스펙트럼은 벌브(21) 안쪽의 충전물이 벌브(21)가 3600 rpm으로 회전하는 동안에 발광하도록 함으로써 얻어진 것이다. 이러한 구성은 벌브를 균일한 온도로 유지시키고 방전 플라즈마를 안정화시키는 역할을 한다. 마그네트론(27)에 의해 생성된 마이크로파 에너지는 마이크로파 공동(24)의 급 전구(25)와 연통하는 도파관(26)을 통해 공급된다. 이렇게 공급된 마이크로파 에너지는 벌브(21) 안쪽의 충전물(22)을 여기시켜서 플라즈마 상태로 되게 하여 발광하도록 한다. 실질적으로 마이크로파 에너지를 차단함과 아울러, 실질적으로 벌브(21) 내에 생성된 빛을 투과하도록 형성된 도전성 메쉬(mesh) 등을 사용한 마이크로파 공동(24)을 구성함으로써, 그 생성된 빛이 마이크로파 공동(24) 바깥쪽에서 추출될 수 있고, 마이크로파 에너지가 마이크로파 공동(24) 바깥쪽으로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
제 1 도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면 요오드화 인듐으로 부터 가시 영역 전체에 걸쳐 강한 연속 스펙트럼을 갖는 발광을 얻을 수 있다. 인듐 원소로부터 방사된 410 및 451 nm의 청색 부분의 선스펙트럼은 고압 방전에 의한 요오드화 인듐의 발광 스펙트럼으로 잘 알려져 있다. 이 선스펙트럼은 보통 할로겐화 금속 램프의 청색 발광 강도를 증가시키는데 사용된다. 그러나, 본 실시예에 있어서, 인듐 원소의 선스펙트럼은 크게 감소되고 연속 분광 스펙트럼이 가시영역 전체에 걸쳐 나타나게 된다. 그 결과, 고효율 및 고연색성의 백색광원이 얻어질 수 있다.
연색성을 비교하기 위해, 먼저 유전극 할로겐화 금속 램프의 종래예를 설명한다. Hg + InI + TlI + NaI를 함유하고 주로 선스펙트럼으로 이루어지는 할로겐화 금속 램프는 약 60의 평균 연색 지수 Ra와 약 -150의 특수 연색 지수 R9를 갖는다. 여기서, 후자는 선명한 적색의 색상을 나타내는 지수이다. 램프의 효율은 약 80lm/W이다. 연색성은 모든 광색에 대하여 낮으며 다른 색 중에서 선명한 적색의재현성이 거의 제로라고 말할 수 있다. 반면에, 본 실시예에 의하면, 평균 연색 지수 Ra는 약 96이고, 선명한 적색의 색상에 대한 측정치로서 사용되며, 큰 값을 얻기 어려운 특수 연색 지수 R9는 77이다. 이와 같이, 본 실시예의 램프는 매우 우수한 연색성 및 뛰어난 발광효율을 제공한다.
본 발명의 다른 장점으로는 주요 방전 발생원으로서 한 종류의 충전물만이 사용된다는 것이다. 통상의 할로겐화 금속 램프는 백색광을 발생하기 위하여 수 종류의 금속으로 이루어진 충전물을 포함하고 있다. 이러한 금속 첨가제의 부분 압력은 램프내의 각 충전물의 양 및 벌브의 가장 찬 부분의 온도에 의해 결정된다. 그러나, 상기 충전물의 양 및 가장 찬 부분의 온도의 변수는 제조 오차 및 경화와 같은 요소로 인해 변하게 된다. 따라서, 이로 인해 방사광의 전체 광속 및 색도와 같은 광특성이 영향을 받게 된다.
예를 들어, Hg + InI +TlI + NaI 등의 충전물을 함유하는 할로겐화 금속 램프는 In 원소의 청색, Tl 원소의 녹색 및 Na 원소의 황색을 조합함으로써 백색광을 생성한다. 이에 따라, 충전물 양의 차이는 색 균형 및 출력 특성에 크게 영향을 준다. 그러나, 할로겐화 금속 램프에 널리 사용되는 Na, Sc 및 Dy와 같은 금속은 동작시 램프 봉입물로서 사용되는 석영 글라스와 반응하여 방전 발생에 유효한 충전물의 양을 점차 감소시킨다. 그 결과, 램프의 사용연한에 따라 램프의 색이 변하고 광출력이 저하된다. 반면에, 본 발명의 램프에 의하면, 한 종류의 할로겐화 금속의 사용만으로도 램프의 색특성에 대한 제조오차 및 사용연한의 영향을 최소화할 수있다.
표 1은 요오드화 인듐의 양 및 인듐 붕화물의 양이 각 벌브마다 변하는 경우 벌브의 발광특성의 몇 가지 예를 나타낸 것이다. 여기에 나타낸 벌브는 모두 제 2 도에 도시된 마이크로파 무전극 방전시스템에서 3000 내지 3600 rpm으로 회전되는 동안에 800 W의 입력 전기 에너지로 동작되었다.
표 1 을 보면, 동일 충전량에 대하여 인듐 붕화물을 갖는 램프가 요오드화 인듐을 갖는 램프 보다 높은 상관 색온도를 가짐을 알 수 있다. 앞서 설명한 실시예의 예는 두번째 행에 나타내고 있다. 연색 지수 값은 충전량 등을 변경시킴으로써 더욱 개선될 수 있다. 선명한 적색의 색상을 나타내는 특수 연색지수 Ra에 대하여 95의 최대값이 얻어졌다.
요오드화 인듐과 인듐 붕화물 양자에 대하여, 충전량이 증가함에 따라 상관색온도는 감소하는 경향을 나타낸다. 그 이유는 할로겐화 인듐의 연속 분광 스펙트럼의 피크 파장은 충전량이 증가함에 따라 더 긴 파장쪽을 향해 이동하기 때문이다. 이는 동작시 할로겐화 인듐 분자의 핵간 거리가 할로겐화 인듐의 분자량의 증가에 따라 감소하므로, 결과적으로 천이 에너지 차가 감소되기 때문에 일어나는 것이다. 그러나, 이러한 색상 전이량은 미소 변동에 민감하지 않으며 전술한 제조오차면에서 문제점을 드러낸다.
이와는 반대로, 이같은 특성은 상관 색온도를 설계함에 있어서 보다 큰 자유도를 가능하게 한다. 따라서, 다양한 응용분야에 적당한 상관 색온도를 갖는 램프를 설계할 수 있다. 예를 들어, 액정 비디오 프로젝터의 경우 청색 발광을 강조하기 위해서 7000 K 이상의 비교적 높은 상관 색온도를 갖는 램프가 필요하다. 본 발명의 고압 방전램프는 할로겐화 인듐의 충전량을 변화시킴으로써 그러한 필요성을 충족시킬 수 있다.
연색성 및 상관 색온도는 방전 아크로부터 방사된 빛의 스펙트럼 분포에 의해 결정되며, 램프 효율도 역시 크게 영향받는다. 그 스펙트럼 분포는 주로 아크 온도에 의해 결정된다. North Holland Publishing Company(1951)에서 발간된 W. Elenbass씨의 논문 "The High Pressure Mercury Discharge"에 의하면, 고압 수은 방전램프에서의 아크의 유효온도 Teff는 다음 식으로 표시된다.
[식 1]
여기서, p는 아크의 단위 길이 당 입력 전기에너지(즉 W/cm), Pcond는 아크의 각 전극간의 거리의 단위 길이 당 열전도 손실(즉 W/cm), m은 아크의 각 전극간의 거리의 단위 길이당 수은 충전량(즉, mg/cm), Reff는 아크의 유효반경, Va는 수은의 평균 여기 전위, 그리고 C1및 γ 는 상수이다. 실제의 방전 아크는 관 직경의 중앙에서 온도가 가장 높고 관 벽에 가까워짐에 따라 감소하는 온도 분포를 갖는다. 여기서는 편의상 균일한 유효온도가 특정되고 있으며, 전극간의 거리가 아크 길이라고 가정하고 유효반경이 Reff로 표시되는 원통상의 아크를 사용하여 근사 계산이 행해진다.
상기 예는 고압 수은 아크램프에 관한 것이지만 본 발명의 실시예에서 도시된 바와 같은 무전극 고압 방전램프의 경우도 마찬가지로 스펙트럼 특성이 입력 에너지 및 아크의 단위 길이 당 발광물질의 충전량를 사용한 근사 계산에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 무전극 고압 방전램프는 전극을 갖지 않기 때문에, 전극간의 아크 길이가 입력 전기에너지의 전계의 방향에서의 아크의 유효길이로 대체된다. 아크의 유효길이를 유도해내기 위하여, 아크의 온도분포로부터 평균값이 계산되어야 하지만, 아크의 충전량 및 입력 에너지에 따라 온도분포가 변하므로 이 방법은 매우 번잡하고 설계수단으로 적당치 못하다. 무전극 고압 방전램프에서는, 아크 사이즈가 벌브의 내벽간의 거리(구형 벌브의 경우 내경)에 비례하여 변한다. 따라서, 아크 길이가 입력 전기에너지의 전계 방향에서 벌브의 내벽간의 거리에 근접하고 단위 길이 당 입력 전기에너지 및 충전량이 결정되면, 근사 스펙트럼이 얻어질 수있다. 이러한 원리에 의거 발광물질의 변경에 의한 스펙트럼 특성의 변화 및 전계의 방향에서 벌브의 내벽간의 거리의 단위 길이 당 입력 전기에너지를 측정하여 최적값을 결정하였다. 이것은 방전 벌브의 형태를 여러가지 방법으로 변경한 경우의 지수를 제공하며, 효과적인 설계작업을 가능하게 한다. 다음에서는 램프효율 및 평균 연색지수 Ra가 할로겐화 인듐의 충전량 및 입력 전기에너지가 전계방향에서의 벌브의 내벽간의 거리의 단위 길이 당 입력 에너지에 따라 어떻게 변화하는가를 설명한다.
제 3 도 및 제 4 도는 램프의 광특성에 대한 입력 에너지의 영향을 나타낸 그래프이다. 각각 3.8 cm의 내경을 가진 석영 글라스의 구형 무전극 방전 벌브로 구성된 총 4개의 램프가 마련되었다. 두개의 램프는 50 Torr의 아르곤 가스와 각각 벌브 내경의 센티미터 당 1.1 x 10-5mol 또는 2.2 x 10-5mol의 요오드화 인듐로 충전되었으며 나머지 두개의 램프는 10 torr의 아르곤 가스 및 각각 벌브 내경의 센티미터 당 1.4 x 10-5mol 또는 2.7 x 10-5mol의 인듐 붕화물로 충전되었다. 제 3 도 및 제 4 도는 각각 각 램프의 입력 에너지가 제 2 도에 도시된 마이크로파 무전극 방전 램프시스템에서 변화될 때 램프효율 및 평균 연색 지수가 어떻게 변하는지 보여준다. 각 램프는 실시예의 전술한 예에서와 같이 모터에 의해 3600 rpm으로 회전됨으로써 동작한다.
제 3 도에서 알 수 있는 바와 같이, 각 램프의 발광효율은 마이크로파의 입력 전기에너지가 증가함에 따라 상승한다. 발광효율의 상승에는 포화지점이 있다.이 포화지점은 충전량이 증가함에 따라 보다 높은 입력 전기에너지의 영역으로 이동한다.
제 4 도는 벌브 내경의 단위 길이 당 입력 전기에너지에 따른 평균 연색 지수 Ra의 변동을 도시한 것이다. 입력 전기에너지가 약 50 W/cm 이상인 영역에서는 Ra는 일반 조명 분야에 충분한 80 이상의 값을 취한다. 입력 전기에너지 밀도가 약 100 W/cm 이상, 바람직하게는 약 150 W/cm 이상일 경우 고연색성 및 고효율성이 동시에 달성될 수 있다.
입력 전기에너지가 낮은 영역에서는, 요오드화 인듐의 충분한 양이 벌브내에서 아직 기화되지 않게 되어 저연색성 및 저효율성의 원인이 된다. 이러한 낮은 에너지 영역에서는, 플라즈마 압력이 여전히 낮기 때문에 인듐 원소의 선스펙트럼이 주 광원이 된다. 그 결과, 만족스러운 연색성 및 효율이 얻어질 수 없게 된다.
제 5 도 및 제 6 도는 각각 요오드화 인듐 또는 인듐 붕화물의 충전량이 변경될 경우 램프효율 및 평균 연색 지수 Ra가 어떻게 변화하는지 보여준다. 벌브 형태 및 동작 조건은 제 3 도 및 제 4 도의 경우와 동일하다. 벌브 내경의 단위 길이 당 입력 전기에너지는 210 W/cm이었다. 실선은 충전량에 따른 효율의 변화를 나타내고 점선은 평균 연색성 지수의 변화를 나타낸다. 충전량이 약 0.5 x 10-5mol/cm 이상일 때 평균 연색성 지수는 일반 조명 분야에 충분한 값인 80 이상이 된다. 충전물의 양이 대략 2 x 10-5mol/cm 이상인 경우에는 90 lm/W 이상의 고효율 및 95이상의 고연색성이 동시에 달성될 수 있다.
따라서, 일반 조명 분야의 경우 요오드화 인듐의 충전량이 상기 영역내에서 세트되는 것이 바람직하다. 그러나, 충전량이 요오드화 인듐의 경우 약 5 x 10-5mol/cm 이상, 그리고 인듐 붕화물의 경우 약 7 x 10-5mol/cm일 때 평균 연색지수가 80 이하의 값으로 저하됨과 동시에 램프효율도 저하된다. 그러므로, 일반 조명 분야에서는 할로겐화 인듐의 초과량을 충전하는 것은 바람직하지 못하다.
( 제 2 실시예 )
이하 도면을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 관하여 설명한다. 제 7 도는 2.8 cm의 내경을 갖는 구형 무전극 방전 벌브로 구성되고 2 Torr의 아르곤 가스 및 내경의 단위 길이 당 2.6 x 10-5mol/cm의 요오드화 갈륨(GaI3)로 충전된 램프가 제 2 도에 도시된 마이크로파 무전극 방전 시스템에서 동작되었다. 제 1 실시예와 마찬가지로 방전에 의한 빛을 발생하도록 550 W의 입력 마이크로파 에너지를 갖는다.
그러나, 제 2 실시예에서는, 벌브를 회전시키기 위한 메커니즘이 사용되지 않는다. 제 5 도에 도시한 발광 스펙트럼은 제 1 도의 경우와 마찬가지로 5 nm의 간격에서 측정된 방사강도를 나타낸 것이다.
여기서, 연속 스펙트럼은 분자발광에 의해 얻어지며, 403 nm 및 417 nm의 갈륨 원소의 선스펙트럼과 질소, 리튬, 칼륨 및 기타 불순물의 선스펙트럼으로 이루어진다.
본 실시예의 램프 특성에 있어서, 램프 분광효율은 43 lm/W, 평균 연색 지수 Ra는 96 그리고 상관 색온도는 6920 K였다. 할로겐화 갈륨에 의해 생성된 연속 스펙트럼은 할로겐화 인듐의 연속 스펙트럼보다 더 짧은 파장영역에서 피크값을 갖기 때문에 보다 높은 상관 색온도가 얻어진다. 이러한 특성은 액정 비디오 프로젝터용 광원과 같이 높은 상관 색온도를 갖는 램프가 필요한 분야에 적합하다. 또한 할로겐화 인듐을 첨가함으로써 상관 색온도 또는 다른 특성을 변화시킬 수 있다.
요오드화 갈륨 또는 갈륨 붕화물로 충전된 무전극 램프의 경우 입력 전기에너지의 충전량이 변화될 때 광특성이 제 1 실시예에서의 할로겐화 인듐 램프와 동일한 방식으로 변화한다.
상술한 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에서는, 할로겐화 인듐 및 갈륨이 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 할로겐화 금속으로 사용된다. 이와는 달리, 할로겐화 탈륨이 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 할로겐화 금속 첨가제와 동일한 방법으로 사용될 수도 있다.
( 제 3 실시예 )
이하 도면을 참조하여 본 발명의 제 3 실시예에 대하여 설명한다. 제 8 도는 2.8 cm의 내경을 갖는 석영 글라스의 구형 무전극 방전 벌브로 구성되고 2 torr의 아르곤 가스 및 내경의 단위 길이 당 40 mg의 아연( 2.2 × 10-4mol/cm) 및 8 mg의 TlI(0.9 x 10-5mol/cm)로 충전된 램프가 방전에 의해 발광하도록 300 W의 입력 마이크로파 에너지를 갖는 제 2 도에 도시된 마이크로파 무전극 고압 방전 램프 시스템에서 동작되었을 경우 얻어진 발광 스펙트럼을 도시한 것이다.
본 실시예에 의하면, 제 8 도에 도시한 바와 같이 전체 가시 영역에 걸쳐 연장되는 연속 스펙트럼상에 중첩된 535 nm의 Tl의 선스펙트럼으로 발광이 이루어질 수 있다. 램프가 535 nm의 선스펙트럼으로 주로 발광이 이루어지도록 아르곤 가스 및 Tl로 충전되면, 평균 연색 지수 Ra가 15이하로 저하되어 일반 조명에는 적합치 못하게 된다. 한편, 본 실시예의 구성은 현저한 개선을 보이는 84의 평균 연색 지수 Ra를 얻는다.
또한, 표 2에 나타낸 바와 같이, 아연을 함유하지 않고 고압 방전에 의해 연속광을 방사하도록 설계된 램프에 비해 발광효율이 2배 이상으로 높아진다. 그 이유는 535 nm의 선스펙트럼의 강도에 중요한 변화가 있다하더라도 연속 스펙트럼 부분의 방사가 크게 증가되기 때문이다. 이는 벌브 내압을 증가시키는데 기여한 아연의 존재로 인한다. 따라서, 아연의 첨가로 고효율이 얻어질 수 있다.
( 제 4 실시예 )
이하 도면을 참조하여 본 발명의 제 4 실시예에 대하여 설명한다. 제 9도는 2.8 cm의 내경을 갖는 석영 글라스의 구형 무전극 방전 벌브로 구성되고 20 mg의 아연 (즉 1.1 x 10-4mol/cm) , 10 mg의 InI(1.5 × 10-5mol/cm), 5mg(0.5 x 10-5mol/cm)의 TlI, 1 mg의 NaI(0.2 × 10-5mol/ cm) 및 2 torr로 충전되는 램프가 방전에 의해 빛을 생성하도록 250 W의 입력을 갖는 제 2 도의 마이크로파 무전극 고압 방전 시스템에서 동작될 때 얻어지는 발광 스펙트럼을 도시한 것이다. 본 실시예에 있어서, 발광은 연속 스펙트럼 상에 중첩된 In, Tl 및 Na의 선스펙트럼으로 얻어진다. 85의 평균 연색 지수 Ra의 경우 (0.312, 0.336)의 색도 (x, y)를 갖는 백색광의 방사가 얻어질 수 있다.
제 3 및 제 4 실시예에 따른 다른 충전 조건하에서의 방전 발광 특성이 비교를 위해 표 2 에 도시되어 있다.
할로겐화 금속의 발광에 적당한 소정의 동작 양력이 무수은 충전물로서 아연을 사용함으로써 얻어질 수 있으므로, 할로겐화 금속 충전물의 종류는 상술한 것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, LiI를 첨가하고 670 nm의 선스펙트럼을 사용함으로써 연색성의 개선이 추가로 이루어질 수 있다.
상기 모든 실시예들에서는, 고압 방전 수은 램프의 문제점인 350 nm미만의 유해한 UV 방사가 현저히 억제된다. 통상의 할로겐화 금속램프로부터의 UV방사는 거의 대부분 수은의 선스펙트럼에 기인한다. 따라서 수은을 함유하지 않으면 자연적으로 전술한 효과를 기대할 수 있다. 이는 일반 조명분야에서 인체의 안전과 박물관 및 미술관의 진열품의 보호를 증강시키는 중요한 장점을 가져다 준다.
제 1 내지 4 실시예에 있어서, 석영 글라스가 제 2 도에 도시된 벌브의 광투과성 재료로서 사용되었지만 벌브 재료가 이것으로 제한되지 않음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 벌브재료로서 광투과성의 알루미나 세라믹 재료를 사용함으로써 벌브의 열저항이 개선될 수 있다. 따라서, 벌브는 고온, 고압을 견딜 수 있어 고입력 전기에너지로 동작할 수 있게 된다.
이에 따라, 전술한 벌브 회전 메커니즘을 생략할 수 있으며 시스템 효율을 개선함과 아울러 무전극 고압 방전 램프 시스템의 제조 원가를 낮출 수 있다.
더욱이, 제 1 도 내지 제 4 도에 예시된 본 발명의 무전극 고압 방전 램프는 RF 유도성 결합에 의해 충전물이 방전을 위해 여기되도록 한 일본 공개 특허 평 3-152852호에 개시되어 있는 것과 같은 무전극 고압 방전 램프 시스템에 사용하는데 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 할로겐화 금속의 분자발광에 의해 생성된 강한 연속 발광 스펙트럼을 이용함으로써 수은을 사용하지 않고도 장수명, 고 연색성, 고효율 광특성을 가진 우수한 무수은 고압 방전램프 및 무수은 고압 방전 램프 시스템을 얻을 수 있게 된다.
제 1 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 요오드화 인듐 및 아르곤으로 충전된 무전극 방전램프의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
제 2 도는 본 발명에 따른 마이크로파 무전극 방전 램프시스템의 개략도.
제 3 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 할로겐화 인듐 및 아르곤으로 충전된 무전극 방전램프의 에너지 입력과 발광효율 사이의 상관관계를 나타내는 도면.
제 4 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 요오드화 인듐 및 아르곤으로 충전된 무전극 방전램프의 에너지 입력과 평균 연색 지수 사이의 상관관계를 나타내는 도면.
제 5 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 할로겐화 인듐 및 아르곤으로 충전된 무전극 방전램프의 할로겐화 인듐의 충전량과 발광효율 사이의 상관관계를 나타내는 도면.
제 6 도는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 할로겐화 인듐 및 아르곤으로 충전된 무전극 방전 램프의 할로겐화 인듐의 충전량과 평균 연색 지수 사이의 상관관계를 나타내는 도면.
제 7 도는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 요오드화 갈륨 및 아르곤으로 충전된 무전극 방전램프의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
제 8 도는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 아연 및 T1I로 충전된 무전극 방전 램프의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
제 9 도는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 아연, InI, T1I 및 NaI로 충전된 무전극 방전램프의 발광 스펙트럼을 나타내는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
21 : 벌브 22 : 충전물
23 : 지지대 24 : 마이크로파 공동
25 : 급전구 27 : 마그네트론

Claims (12)

  1. 방전을 제한하기 위한 광투과성 벌브와;
    상기 광투과성 벌브 내에 봉입되어 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 희귀 가스 및 할로겐화 금속을 포함하는 충전물과;
    상기 충전물에 전기에너지를 인가하여 아크 방전을 개시 및 유지하기 위한 방전 여기 수단을 구비하며,
    상기 할로겐화 금속은 할로겐화 인듐 및 할로겐화 갈륨 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 할로겐화물 중의 한 종류를 포함하고,
    상기 할로겐화 금속은 요오드, 브롬, 염소 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 할로겐을 또한 함유하며,
    상기 희귀 가스는 Ar, Kr, Xe 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소를 포함하고,
    상기 할로겐화 금속 충전물의 양은 상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 실질적으로 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 0.5 x 10-5mol 이상이며,
    상기 광투과성 벌브는 방전 공간에 노출된 전극을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지는 상기 방전 여기수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 50 W 이상인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  3. 방전을 제한하기 위한 광투과성 벌브와;
    상기 광투과성 벌브 내에 봉입되어 분자발광에 의해 연속 스펙트럼을 방사하는 아연, 희귀 가스 및 할로겐화 금속을 포함하는 충전물과;
    상기 충전물에 전기에너지를 인가하여 아크 방전을 개시 및 유지하기 위한 방전 여기 수단을 구비하며,
    상기 할로겐화 금속은 할로겐화 인듐 및 할로겐화 갈륨 또는 이들의 혼합물의 그룹으로부터 선택된 할로겐화물 중의 한 종류를 포함하고, 상기 광투과성 벌브는 방전 공간에 노출된 전극을 갖지 않으며,
    상기 광투과성 벌브 내에 봉입된 상기 아연의 양은 상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 0.5 × 10-5mol 이상이며,
    상기 할로겐화 금속 충전물의 양은 상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 0.5 x 10-5mol 이상인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 할로겐화 금속은 요오드, 브롬, 염소 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 할로겐을 포함하며,
    상기 희귀 가스는 Ar, Kr, Xe 또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광투과성 벌브 내에 봉입된 상기 아연의 양은 상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 0.5 × 10-5mol 이상이며,
    상기 할로겐화 금속 충전물의 양은 상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 0.5 x 10-5mol 이상인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지는 상기 방전 여기수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 50 W 이상인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지는 상기 방전 여기수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 50 W 이상인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단으로부터 인가된 상기 전기에너지는 상기 방전 여기수단으로부터 인가된 상기 전기에너지의 전계방향에서 상기 광투과성 벌브의 내벽간의 거리의 센티미터 당 50 W 이상인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단은 상기 충전물에 마이크로파 에너지를 공급하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단은 상기 충전물에 마이크로파 에너지를 공급하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단은 상기 충전물에 RF 에너지를 유도 결합하기 하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 방전 여기 수단은 상기 충전물에 RF 에너지를 유도 결합하기 하기 위한 수단인 것을 특징으로 하는 무전극 고압 방전 램프.
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