KR100602395B1 - 유전체 장애 전극을 가진 방전 램프 - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가스 충진재로 채워지며, 관형 방전관의 길이방향 축에 평행으로 방전관의 외벽에 배치된 다수의 가늘고 긴 세장형 전극을 가진 적어도 부분적으로 투명하며 폐쇄된 관형 방전관을 포함하는 방전 램프에 관한 것이다. 또한 이 방전 램프를 포함하며, 동작시 일시 중단에 의해 서로 분리된 유효 전력 펄스를 공급하기 적당한 전기 펄스 전원과 형광 램프를 가진 조명 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 방전 램프에 관한 것으로, 특히, 모든 전극이 방전관의 외벽에 배치된 형광 램프에 관한 것이다. 이 경우, 외벽은 특히, 램프의 동작중 방전으로부터 전극을 분리시키는 유전층의 역할을 한다. 그러므로 이 타입의 방전은 또한 양측 유전체 장애 방전(bilaterally dielectrically impeded discharge)으로 불린다.
이 램프에 의해 방출된 전자기 방사의 스펙트럼은 이 경우에 가시 영역 및 UV(자외선)/VUV(진공 자외선)영역과 IR(적외선)영역을 포함할 수 있다. 게다가 형광층은 또한 눈에 보이지 않는 방사를 가시 방사로 전환하기 위해 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 양 단부가 밀봉된 관형 방전관을 가진 방전 램프에 관한 것이다. 방전관의 횡단면은 바람직하게 원형이다. 그러나, 예를 들면 6변형과 같은 규칙적인 다각형의 원형 단면인 경우도 가능하다. "관형"은 직선의 관형 방전관에 제한되지 않고 유사하게 구부러진, 예를 들면 각이 있는 관형 방전관을 포함한다. 방전의 방향은 램프의 길이방향 축에 수직이기 때문에, 램프의 길이는 대체로 제한되지 않는다.
이 램프는 특히 컬러 복사기와 컬러 스캐너와 같은 사무 자동화(OA), 자동차의 브레이크등과 방향 지시등과 같은 신호등, 자동차의 내부 조명과 같은 보조등 및 액정 디스플레이와 "에지형 백라이트"와 같은 배경용 장치에 사용된다.
이 기술 분야는 가능한 한 온도에 대해 독립적인 광선속(luminous flux) 및 짧은 스타트 업 단계가 필요하다. 결과적으로, 이 램프는 어떠한 수은도 포함하지 않는다. 오히려 이 램프는 보통 불활성 가스, 바람직하게 크세논 또는 불활성 가스 혼합물로 채워진다.
상기 응용예에서 높은 광 밀도(luminous density)와 램프의 길이에 대해 일정한 광 밀도를 필요로 한다. 광 밀도를 증가시키기 위해, OA용 램프에는 일반적으로 길이방향 축을 따라 개구부가 제공된다. 종래 시스템에 주입된 전력을 증가시킴으로써 광 밀도를 증가시키기에는 충분하지 않다. 왜냐하면, 지속적이고 신뢰성 높은 동작을 위해서는 램프의 부하가 뜻대로 증가될 수 있는 것도 아니기 때문이다. 또 다른 문제는 복사기와 스캐너에 사용된 시스템의 방전 효율성이 주입된 전력이 증가함에 따라 감소하는 것이다.
US 5,117,160에 OA 장치용 불활성 가스 방전 램프가 개시되어 있다. 관형 방전관 벽의 외부면에 램프의 길이방향 축을 따라 배치된 두개의 스트립형 전극이 있다. 램프는 20kHz 내지 100kHz의 바람직한 주파수에서 AC 전압으로 동작한다. 동작중, 147nm의 크세논 라인이 여기된다. 채택된 동작 모드로 성취가능한 유효 방사 효율이 낮으며 결과적으로 광 밀도 역시 상대적으로 낮다.
또한, 특정한 조건(방전 거리, 전극 구성, 전극 기하 구조, 충진 가스, 충진 압력)으로 조절된 펄스형 동작(펄스화된 유전체 장애 방전)에 의해, AC 전압으로 여기된 유전체 장애 방전과 비교하여, 유전체 장애 방전의 효율성은 상당히 증가한다는 것이 US-A 5,604,410에 공지되어 있다.
본 발명의 목적은 상술한 단점을 제거하는 것이며, 청구항 1 항의 전제부에 따른 방전 램프, 특히 향상된 광 밀도를 가진 형광 램프를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1항의 특징부에 의해 달성된다. 특히, 그 개선점은 종속항에서 발견된다.
"전극쌍"의 용어는 후술할 내용의 이해를 위해 가장 먼저 소개된다. 이는 동작시 "방전면"이 달궈지는 가운데 두개의 가늘고 길며 상호 평행이고 다른 극성을 가진 전극으로 이해될 수 있다. US-A 5,604,410에 따른 바람직한 펄스 형태로 유효 전력을 주입하는 경우에 있어서, 방전면은 다수의 개별적인 방전으로 이루어진 평면 방전 구조를 포함한다.
본 발명에 따라, 방전 램프는 램프의 관형 방전관의 외벽에 배치되며 관형 방전관의 길이방향 축에 평행으로 배치된 세개 이상의 세장형 전극을 가지며, 상기 전극들은 , 바람직하게는 , 보다 바람직하게는 의 관계식을 만족하도록 배치되며, 여기서 s는 전극쌍의 가상의 접속 라인과 방전관의 가장 근접한 인접 벽사이의 최대 간격이며, a는 전극쌍(전극에서 시작되어 중심에서 측정됨)의 전극들 사이의 상호 간격이다. 이에 대해, 도 6을 참조하면, 방전 램프(1)와 세개의 전극(3-5), 전극쌍(3,4 또는 3,5)의 가상의 접속 라인(20)과 방전관(2)의 가장 근접한 인접 벽 사이의 최대 간격(s)의 예가 개략적으로 도시되어 있다.
그러므로, 동작시, 적어도 두개의 방전면은 대응하는 전극쌍 사이에서 연장장되며 방전관의 길이방향 축을 따라 연장되어 생성된다. 다수의 개별적인 방전은 전극을 따라 서로 이웃한 이 평면에서 발생하며 제한된 경우에 한하여 커튼을 닮은 방전 형태로 통합된다.
이 경우, 방전 평면은 공통 전극을 가질 수 있다. 예를 들면, 세개의 전극일 경우, 동일 극성의 두개의 전극은 단지 반대 극성의 한개의 공통 반대 전극을 가질 수 있다. 즉, 두개의 전극쌍은 공통 전극을 공유한다. 단극성 전압 펄스의 경우, 바람직하게 공통 전극은 음극이며, 다른 두개의 전극은 양극으로 접속된다. 또한, 방전 평면은 램프의 광 밀도를 증가시키기 위해 방전관의 내부에서 발생될 수 있다.
세개의 전극의 경우, 바람직하게 단면에서 보는바와 같이 가상의 이등변 또는 정삼각형의 대략의 코너 포인트에 배치된다. 정삼각형의 경우, 램프를 매우 간단히 제조할 수 있는 장점이 있다. 왜냐하면 제 2 와 제 3 전극을 장착하기 위해 각각의 경우, 램프를 단지 120°만 회전시키면 되기 때문이다. 또한, 단순한 도형의 고찰에 의해, 비율 s/a는 언제나 램프 직경에 관계없이 1/()0.29값으로 가정할 수 있고, 결과적으로 이전의 관계식을 만족시킬 수 있다. 이와 비교하여, 이등변 삼각형의 배치는 만일 두개의 방전면에 의한 각도가 120°보다 적도록 선택된다면 두개의 방전면에 대해 더욱 먼 거리(더 높은 전압으로 주입된 전력)로 실현할 수 있다.
네개의 전극의 경우, 각각 두개의 독립적인 방전면 또는 한개의 공통 전극을 가진 세개의 공통 방전면중 하나로 구현될 수 있다. 이는 단극성 여기의 경우, 두개의 전극으로 접속된 네개의 전극이 두개의 음극과 두개의 양극으로 연결되거나, 한개의 음극과 세개의 양극(또는 한개의 양극과 세개의 음극)으로 연결되는지에 따라 좌우된다.
원칙적으로, 세개 이상의 방전면이 이 방식으로 생성되는 것은 가능하다. 그러나, 세개 이상의 방전면의 경우 여전히 상술한 관계식을 만족시키는 전극 배치가 될것인지는 방전관의 지름에 기본적으로 의존한다.
본 발명에 따른 사상에 의해 유효 방사의 고효율이 달성될 수 있다. 이는 방전시 최적화된 방전 거리와 낮은 벽 손실(wall loss)과 함께 다수의 방전면에 보다 높은 전력이 공급되기 때문이다.
자세히 살펴보면, 두개 이상의 전극에 의해 높은 전력을 램프로 주입하는 것이 가능하지만, 유효 방사가 생성되는 효율성은 전극 개수가 증가함에 따라 다시 감소할 수 있다. 현재의 지식에 따르면, 이는 벽 손실의 증가 때문이며, 구체적으로는 전극쌍에 의해 생성된 방전이 방전관의 내부벽에 매우 가까이 발생하거나 심지어 표면에서 발생하기 때문이다. 또한, 가능한 큰 방전 거리를 가지는 것이 유리한데, 이는 이로써 시동 또는 작동 전압이 증가하여 보다 높은 전력 주입이 가능해지기 때문이다. 이러한 이유로, 전극의 갯수와 극성 및 위치설정은 상술한 관계가 만족하도록 방전관의 지름에 대한 함수로 선택될 것이다. 원칙적으로, 전극이 짝수개일 경우, US-A 5,604,410에 따른 유효 전력을 주입하기 위해 단극성 및 양극성 전압 펄스로 동작하는 것이 적당하다. 전극이 홀수개일 경우, 단극성 전압 펄스로 동작하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전극 배치는 유효 방사의 효율적인 발생을 저해하는 아크 방전과 같은 불안정한 방전 구조없이, 통상적으로 150 torr(대략 20kPa)이상의 활성 방전 가스의 상대적으로 높은 충진 압력을 허용한다. 활성 방전 가스(방사를 생성하는 가스 성분으로 이해될 수 있음)의 높은 충진 압력은 유사하게 유효 방사의 높은 효율성에 도움이 된다. 크세논과 같은 불활성 가스 또는 크세논과 크립톤과 같은 불활성 가스 혼합물은 방전관 내부에서 유효 가스 충진재로 적당하다. 또한, 방사의 발생에 직접 관여하지 않는 네온과 같은 버퍼 가스를 활성 방전 가스에 첨가할 수 있다. Xe2*-엑시머와 같은 엑시머는 전자기 방사를 방출하는 입자로서 방전시 생성된다.
각각의 외벽 전극은 전기적으로 도전성이며, 세장형, 바람직하게 "라인형" 스트립으로 구성되며, 이는 또한 하부구조를 갖는다. 그리고 관형 방전관의 길이방향 축에 평행으로 위치한다. 스트립의 폭은 통상, 대략 1mm이하이다. 한편, 이 방식으로 세개 이상의 전극에 의한 쉐이딩(shading)은 작은 지름을 가진 램프의 경우에서 조차 낮게 유지된다. 또한, 이로써 유효 방사의 발생의 고효율성이 달성된다.
게다가, 내부벽의 적어도 일 부분은 형광층을 가질 수 있다. 또한, Al2O3 및/또는 TiO2와 같은 가시광을 만드는 하나 이상의 형광층은 형광층의 아래에 제공 될 수 있다. 만일 제공된다면, 형광층에 의해 방출된 광의 일부분이 관벽을 통해 전송되는 것을 방지할 수 있다. 광은 기본적으로 반사 또는 다중 반사에 의해 개구부상으로 직진하며 광 밀도는 결과적으로 증가된다. 선택적으로, 형광층은 적당한 두께를 가진 형광층이 제공되어 반사층으로 사용될수 있다. 두가지 경우에 있어, 스트립형 개구부만이 코팅이 안된 상태이거나 상대적으로 얇은 형광층으로 코팅된다. 이에 따라, 개구부는 동작시 증가되는 광 밀도를 가진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 램프는 형광 램프이고, 상기 관형 방전관(2)은 20mm 미만의 내경, 바람직하게는 15mm 미만의 내경을 갖는 원형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 램프는 형광 램프이고, 상기 관형 방전관(2)은 20mm 미만의 내경, 바람직하게는 15mm 미만의 내경을 갖는 원형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프이다.
충격으로부터 보호하기 위해, 투명한 플라스틱으로 만들어진 수축에 적당한 슬리브형의 보호 광택제와 같은 것으로 램프를 씌우는 것은 유리하다.
본 발명은 도면을 참조로 이하에서 상세히 설명된다.
도 1은 세개의 외부 벽 전극을 가지며, 개구부를 가진 본 발명에 따른 형광 램프의 단면도이다.
도 2는 네개의 외부 벽 전극을 가지며, 개구부를 가진 본 발명에 따른 형광 램프의 단면도이다.
도 3은 도 2와 유사하지만, 전극 및 전극의 분포가 변경된 단면도이다.
도 4는 도 1의 형광 램프의 개구부와 펄스된 전압원을 가진 조명 시스템의 도면이다.
도 5는 단지 두개의 외부 벽 전극에서의 도 1의 램프의 두개의 특성 곡선의 성분 비교를 도시한다.
도 6은 전극쌍의 가상 접속 라인과 가장 근접한 방전관 벽사이의 최대 간격(s)을 설명한 개략도이다.
도 1은 개략적으로 OA 애플리케이션용의 개구 형광 램프(1)의 단면도를 도시한다. 이 경우, 벽, 반사층의 두께와 형광 물질의 두께 뿐만 아니라 전극 스트립의 폭은 설명을 위해 크게 확대되어있다. 램프(1)는 기본적으로 원형 횡단면을 가진 관형 방전관(2)및 제 1, 제 2, 제 3 스트립형 전극(3-5)을 포함한다. 직사각형 개구부(6)를 제외하고, 방전관(2)의 내벽은 반사층(7)을 가진다. 형광층(8)은 반사층(7) 및 개구부(6) 영역의 내벽에 공급된다. 방전관(2)은 두개 단부에서 기밀한 방식으로 돔형태로 밀봉된다(도시되지 않음). 크세논은 160torr(대략 21,33kPa)의 충진 압력으로 방전관(2) 내부에 위치한다.
세개의 전극(3-5)은 금속막 스트립으로 구성된다. 제 1 전극은 음극(3)으로 제공되며, 다른 두개(4,5: 단극성 동작)는 양극으로 제공된다. 단면도에 도시된 바와 같이, 전극(3-5)은 방전관(2)의 외벽에서 가상의 이등변 삼각형의 코너 포인트에 배치된다. 결과적으로, US-A 5,604,410 에 따르는 펄스 동작동안, 개별 유전체 장애 방전(도시되지 않음)을 하는 두개의 평면이 형성된다. 제 1 방전면은 음극 스트립(3)과 제 1 양극 스트립(4) 사이의 방전관(2) 내부에서 연장된다. 다른 방전 평면은 양극 스트립(3)과 제 2 양극 스트립(5)사이에서 마찬가지로 연장된다.
양극 스트립(4,5)의 각각의 폭은 0.9mm이다. 음극 스트립(3)의 폭은 0.8mm이다. 유리로 구성된 관형 방전관(2)의 외경은 대략 0.5mm의 벽 두께를 포함하여 대략 9mm이다. 개구부(6)의 폭 및 길이는 각각 대략 6.5mm 와 255mm 이다. 형광층(7)은 세개의 밴드를 가진 형광 물질이다. 이는 청색 성분 BaMgAl10O17:Eu, 녹색 성분 LaPo4:Ce,Tb 및 적색 성분 (Y,Gd)BO3:Eu 로 구성된 혼합물을 포함한다. 최종 컬러 좌표는 x=0.395 와 y=0.383이며, 백색광이 생성된다.
도 1과 동일 참조 번호로 설계된 도 2의 램프는 네개의 외벽 전극(9-12)을 가진다. 물론, 두개의 전극은 음극(9,10)으로 제공되며 나머지 두개 전극은 양극(11,12)으로 제공된다. 두개의 전극쌍(9,12 및 10,11)은 동작하는 동안 전극 쌍사이에서 방전하는 두개의 방전면(도시되지 않음)이 서로 평행하게 되도록 외벽에 각각 배치된다. 외벽에서 각각의 경우, 도 1과 비교하여 전극간 거리가 다소 적은 점은 불리하다. 그러나, 전기적으로 대칭인 배치는 양극성 동작에 적합하다. 개구부(6)는 전극 쌍사이의 중심에 배치되며, 이는 표면의 법선이 개구부의 넓은 영역에 걸쳐 두개의 방전면에 대해 준수직 방식이 되도록 방향이 결정된다.
도 2의 램프는 각각 사용된 형광 물질에 따라 브레이크 등 또는 방향 지시 등과 같은 자동차용 조명 장치에 제공된다.
도 3의 램프는 도 1의 두개의 양극 사이에 배치되며 양극으로 제공된 다른 전극(13)을 포함함으로써 도 1과 구별된다. 바람직하게 단극성 펄스 동작에서, 세개의 방전 평면은 모두 제 1 음극(3)과 각각의 세개의 양극(4,13,5)중 하나 사이에서 형성된다. 방전관(2)의 내벽은 형광층(6)을 가진다. 여기에서, 반사층 및 개구부는 불필요하다.
도 4는 OA 장치용 조명 시스템을 도시한다. 도 1의 개구 형광 램프(1)는 추가로 제 2 단부에서 캡(14)을 갖는다. 캡(14)은 기본적으로 캡 부분(15) 및 두개의 접속 핀(16a,16b)을 포함한다. 캡 부분(15)은 주로 램프(1)를 고정하는 역할을 한다. 또한, 캡 부분(15)의 내부에서, 외벽의 음극(3) 및 양극(4,5:방전관으로 덮혀있으므로 도시되지 않음)은 각각 두개의 접속핀(16a,16b)에 접속된다. 접속핀(16a,16b)은 각 부분이 전기 라인(17a,17b)에 의해 펄스 전원(19)의 각각 두개의 극(18a,18b)에 접속된다.
펄스 전원(19)은 대략 3kV의 펄스와 80kHz의 반복 주파수로 일련의 단극성 전압 펄스를 발생시킨다. 펄스 지속 시간은 대략 1.1μs이다. 램프 길이가 300mm인 경우, 대략 20W의 전력을 주입하는 것이 효과적이다. 순녹색 형광 물질(LaPo4:Ce,Tb)이 사용되었을 때, 10W의 전력 소모로 대략 45000 cd/m2의 광 밀도가 얻어진다.
양 단부에서의 유전체 장애 방전에 의해, 방전은 가능한 단극성 전압 펄스로 동작할 뿐 아니라 양극성 전압 펄스로도 동작한다.
도 5에서, 개구부를 통하여 측정된 광 밀도 L(cd/m2)는 시간 평균 전력(P)의 함수로서 임의의 단위 W로 표현되어 있다. 곡선 20은 도 4 에서 특정된 동작 파라미터와 외벽 전극을 가진 조명 시스템과 관련되어 있다. 곡선 21은 단지 두개의 전극을 가진 유사한 램프와 관련되어 있다. 질적으로 볼때, 도면에 따르면 본 발명에 따른 세개의 전극을 가진 램프는 10W 이상의 전력에서 통상적인 램프보다 상당히 높은 광 밀도를 얻을 수 있다. 게다가, 곡선 20은 20W 전력에서도 여전히 증가하는 반면, 곡선 21은 이미 조금 평평해져 있다. 즉, 포화 응답을 보여주고 있다.
본 발명은 실시예를 제한하려는 것이 아니며, 특히, 다른 실시예의 조합을 포함한다.
Claims (20)
- 제 1 항에 있어서, 하나의 극성(3)을 가진 상기 전극의 개수는 다른 극성(4,5,13)을 가진 상기 전극의 개수와 다른 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 3 항에 있어서, 상기 전극의 개수는 3개인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 4 항에 있어서, 상기 전극들(3-5)은 횡단면으로 봤을때, 대체로 적어도 가상 정삼각형의 코너 포인트에 배치되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 4 항에 있어서, 상기 전극들은 횡단면으로 봤을 때, 대체로 적어도 가상 이등변 삼각형의 코너 포인트에 배치되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 램프는 형광 램프이고, 상기 가스 충진재는 불활성 가스 또는 불활성 가스 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 7 항에 있어서, 상기 가스 충진재는 13kPa 이상의 압력인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 7 항에 있어서, 상기 가스 충진재는 크세논을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극의 폭은 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 관형 방전관(2)은 상기 외벽의 적어도 일부분상에 형광 물질층 또는 형광 물질의 혼합물층(8)을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 11 항에 있어서, 상기 방전 램프는 형광 램프이고, 상기 관형 방전관(2)의 외벽은 관통 개구부(6)를 제외하고, 반사층(7)으로 덮이는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 방전 램프는 형광 램프이고, 상기 관형 방전관(2)은 20mm 미만의 내경을 갖는 원형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 형광 램프(1)인 청구항 1에 따른 방전 램프; 및동작시 일시 중단에 의해 서로 분리되는 유효 전력 펄스를 공급하고, 상기 형광 램프(1)의 2개의 외부 공급 리드(17a,17b)에 전기적으로 도전되는 방식으로 연결되는 전기 펄스 전원(19)을 포함하는 조명 시스템.
- 제 14 항에 있어서, 상기 시스템은,20 kHz 이상의 유효 전력 펄스의 반복 주파수, 및2㎲ 미만의 유효 전력 펄스의 펄스 지속시간의 동작 파라미터를 갖는 것을 특징으로 하는 조명 시스템.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서, 상기 가스 충진재는 크세논을 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 13 항에 있어서, 상기 관형 방전관은 15mm 미만의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
- 제 1 항에 있어서, 상기 관형 방전관(2)은 상기 외벽의 적어도 일부분상에 형광 물질층 또는 형광 물질들의 혼합물(8) 및 반사층(7)을 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
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