KR100786401B1

KR100786401B1 - 가스 방전 램프

Info

Publication number: KR100786401B1
Application number: KR1020000055660A
Authority: KR
Inventors: 크라우스알브레치트; 라우센버거번드; 단너트호르스트
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2007-12-17
Also published as: DE19945758A1; CN1227712C; EP1087422A3; US6507151B1; JP2001110363A; EP1087422A2; KR20010039909A; CN1293448A

Abstract

본 발명은 충전 가스 압력 p에서 충전 가스(a filling gas)로 충전된 가스 방전 용기 및 적어도 하나의 용량성 여기 구조체(capacitive excitation structure)를 가지는 가스 방전 램프(a gas discharge lamp)에 관해 개시한다. 가스 방전 램프의 발광 효율(the luminous efficacy)을 개선하기 위해, 유전성 재료의 전극은 적어도 하나의 용량성 여기 구조체로 형성되고, 전극이 가스 방전 용기에 결합되며 적어도 하나의 빈공간(hollow space)이 pㆍV/A<10cmTorr를 만족하는 표면적 A 및 용적 V로 둘러싸도록 제안되었다. 본 발명에 따른 이러한 유전성 또는 용량성 전극은 가스 방전 용기와의 소통(communicaton)을 제외하면 진공밀폐 방식(a vacuumtight manner)으로 봉쇄되는 빈공간을 갖도록 형성된다. 그것은 전극 내부상에 표면적 A를 가지며 용적 V로 둘러싸인다. 빈공간의 용적은 pㆍV/A<10cmTorr이며, 충전 가스 전압 p는 Torr로 주어진다.

Description

가스 방전 램프{GAS DISCHARGE LAMP}

도 1은 원통형 가스 방전 용기(a cylindrical gas discharge vessel) 및 원통형 용량성 여기 구조체(cylindrical capacitive excitation structures)를 가지는 가스 방전 램프(the gas discharge lamp)를 도시한 도면,

도 2는 유전성 전극을 가지는 도 1의 원통형 용량성 여기 구조체의 상세한 도면,

도 3은 만곡된 가스 방전 용기(curved gas discharge vessel) 및 원통형 용량성 여기 구조체를 가지는 가스 방전 램프,

도 4는 병렬로 배열된 몇 개의 유전성 전극을 가지는 도 3의 원통형 용량성 여기 구조체의 상세한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2 : 가스 방전 용기 8 : 전극

3 : 용량성 여기 구조체 1 : 가스 방전 램프

본 발명은 충전 가스 압력 p에서 충전 가스(a filling gas)로 충전된 가스 방전 용기 및 적어도 하나의 용량성 여기 구조체(capacitiv excitation structure)를 가지는 가스 방전 램프(a gas discharge lamp)에 관한 것이다.

주지된 가스 방전 램프는 충전 가스 압력 p를 가지는 충전 가스로 이루어지며 내부에 가스 방전이 발생하는 진공밀폐 용기(a vacuumtight vessel)와 이 방전 용기에서 밀봉되는(sealed in) 통상 두 개의 금속 전극을 포함한다. 하나의 전극은 방전용의 전자를 제공하며, 이 전자는 다른 전극을 통해 외부 전류 회로로 되돌려진다. 전자 공급은 통상적으로 열이온 방출(thermionic emission)(hot electrodes:고온 전극)에 의해 발생하지만, 이와 달리 전자 공급은 강한 전계에서의 전자 방출로부터 또는 이온 충격(ion bombardment)(이온 유도 2차 방출:ion-induced secondary emission)(냉전극:cold electrodes)으로부터 직접 발생할 수도 있다. 그러나, 가스 방전 램프는 또한 전기 도전성 전극(electrically conducting electrodes) 없이 동작할 수도 있다. 유도성의 동작 모드에서, 전하 캐리어(the charge carriers)는 고주파(저압 가스 방전 램프인 경우 전형적으로 1MHz이상)의 AC 전자기장(an electromagnetic AC field)에 의해 가스 용적내에서 직접적으로 생성된다. 전자는 이러한 유도성 램프의 방전 용기 내부에서 원형 경로(circular paths)로 움직이며, 이 동작에서는 전통적인 전극은 사용되지 않는다. 용량성 여기 구조체는 용량성 동작 모드에서 전극으로서 사용된다. 이들 구조체는 한쪽 측면을 가스 방전 용기와 접촉시키고 다른쪽 측면을 외부 전류 회로에 도전 접속(예를 들면, 금속 컨택트에 의해) 시키는 절연체(유전체)로부터 형성된다. AC 전압이 용량성 여기 구조체에 인가되는 경우, AC 전계가 방전 용기내에서 발생하며, 그 전계 라인에 따라 전하 캐리어가 이동한다. 용량성 램프는 고주파수 동작(>10MHz)에서 유도성 램프와 유사한데 이는 고주파수 동작에서 전하 캐리어가 전체 가스 용적(the entire gas volume)에서 또한 생성되기 때문이다. 여기 구조체의 유전성 재료의 표면 특성은 여기에서는(α방전 모드라 불려짐) 그다지 중요하지 않다. 더 낮은 주파수에서, 용량성 램프는 그들의 동작 모드를 변경시키며, 방전에 있어서 중요한 전자는 본래 유전성 여기 구조체의 표면에서 방출되어져야 하고 방전을 유지하기 위해 소위 음극강하 영역(cathode drop region)에서 체배되어야 한다. 따라서 유전성 재료의 방출 형태는 램프 동작(소위 γ-방전 모드)에 있어 매우 중요하다. γ-방전 모드에서, 냉 금속 음극(metal cathodes)에서의 DC 글로우 방전(DC glow discharge)의 음극강하 영역과 유사한 좁은 플라즈마 경계 층(plasma boundary layer)이 유전체 표면에 인접하여 형성된다. 전압 강하 U_s는 이 경계 층 양단에 존재하며, 전류 밀도에 따라 100V 이상이 될 수 있다. 대응 전력 U_sㆍI는 광 생성에 대한 전력 손실을 나타내는데, 이는 어떠한 광도 경계층에서 소비된 전력에 의해 생성되지 않기 때문이다. 여기에서 I는 램프를 통과하는 전류를 나타낸다. 이에 따라, γ-방전 모드에서 용량적으로 결합된 램프의 발광 효율(lm/W)은 꽤 감소된다.

가스 방전 램프는 동작을 위한 전기 구동기 회로(electronic dirver circuit)를 필요로 하며, 이 회로는 램프에서 가스 방전을 점화하고 전기 회로에서의 램프 동작용의 안정기(a ballast)를 제공한다. 외부 전기 회로에서 램프에 대한 적절한 안정기 임피던스가 존재하지 않으면, 가스 방전 램프에서의 전류는 방전 용기의 가스 용적에서의 전하 캐리어 수의 증가로 인해 램프가 급속히 파괴될 수 있는 범위까지 증가할 수 있다.

그러한 가스 방전 램프는 미국 특허 제 2,624,858 호로부터 알려져 있다. 용량성 전극을 가지는 가스 방전 램프는 120Hz보다 낮은 동작 주파수에서 높은 유전 상수(dielectric constant) ε>100(바람직하게는 ε>2000)을 가지는 유전성 재료에 의해 동작된다. 외부 전압은 여기에서 500V 내지 10,000V 사이에 존재한다. 전기 구동기 장치를 가지는 회로는 또한 그러한 용량성 가스 방전 램프의 동작에 있어 필수적이다. 유전성 재료를 통한 용량성 결합을 통해 가스 방전 램프에 전력이 공급되다. 유전성 재료는 가스방전으로부터 금속 전극을 분리한다. 유전체 재료의 높은 특정 커패시터 특성은 금속 전극상에서 유도된 전하로 인해 램프에서의 충전 가스의 이온화 및 방전을 발생시킨다는 것을 의미한다. γ-방전 모드는 또한 이 가스 방전 램프의 유전체 표면에 인접하여 플라즈마 경계층을 형성시키는데, 여기서 상당한 전력 손실이 발생하여 램프의 발광 효율이 손상된다.

본 발명의 목적은 증가된 발광 효율성을 보이는, 용량성 여기를 갖는 가스 방전 램프를 제공하는 것이다.

이 목적은 가스 방전 용기에 결합되고 pㆍV/A<10cmTorr를 만족하는 표면적 A 및 용적 V을 갖는 적어도 하나의 빈공간을 둘러싸는 유전성 재료의 전극이 제공되어 적어도 하나의 용량성 여기 구조체를 형성함으로써 달성된다. 주지된 방식으로, 가스 방전 램프는 투명이거나 또는 소망하는 광을 투과시키는 방전 용기를 포함하는데, 이 용기는 충전 가스 압력 p에서 통상적인 충전 가스(예를 들면, 희가스(a rare gas) 또는 저압 가스 방전 램프 경우에 수은을 갖는 희가스)로 충전된다. 방전 용기는 적어도 두 개의 공간적으로 분리된 전극 또는 여기 구조체를 포함하는데, 그 중 적어도 하나는 용량성 여기 구조체로서 구성된다. 예를 들면, 본 발명에 따른 용량성 여기 구조체는 금속 전극과 결합될 수 있다. 용량성 여기 구조체는 예를 들면, 유리, 세라믹 재료, 폴리머 및 이들의 혼합물과 같은 적절한 유전성 재료로 구성되며 외부 전압원에 전기적 도전성 컨택트를 통해 접속되도록 설계되는 전극에 의해 형성된다. 이와 달리, 용량성 여기 구조체는 상이한 유전성 재료로 구성된 몇 개의 층으로 구성될 수도 있다. 이 유전성 또는 용량성 전극은 그것이 빈공간을 가지도록 형성된다. 가스 방전 용기와의 접속을 제외하면 이 빈공간은 밀폐진공 방식으로 봉쇄된다. 빈공간은 전극 내부상의 표면적 A를 가지며 용적 V로 둘러싸며, 이 용적은 그것이 가스 방전 용기와 소통상태에 있는 접속 지점까지 측정된다. 본 발명에 따르면, 빈공간의 용적은 pㆍV/A<10cmTorr의 관계가 성립되며, 충전 가스 압력 p는 Torr로 주어진다. 자명하게, 다양한 여기 구조체의 실시예를, 예를 들면, 몇 개의 전극을 병렬 배열로 사용하여 함께 하나의 유전성 전극을 형성하는 것을 본 발명의 범주내에서 생각할 수 있다.

빈공간에 몇몇 프로세스가 발생하고, 이에 따라 방전을 유지하는데 필수적인 중성 입자의 이온화가 평면 전극에서 보다 효율적으로 이루어지게 된다. 전자는 빈공간의 전계에서 진동 운동(oscillatory movements)을 수행한다. 이것은 빈공간에서 경로 길이 보다 크게 하고 평면 전극의 플라즈마 경계 층에서 보다 전체 이온화 레벨을 높게 한다. 부가적으로, 네거티브 글로우 방전 영역(낮은 전계를 가지지만 높은 이온화 밀도를 가지는 플라즈마 경계 층 및 포지티브 칼럼 사이의 천이 영역)에서 생성된 이온은 빈공간에서 트랩(trap)되어 음극으로 다시 복귀되므로, 이들은 2차 전자 방출에 기여한다. 유사하게, 2차 방출에 기여할 수 있는 다른 입자, 예를 들면 UV 광자 및 여기된 준안정형 원자(excited metastable atoms)는 또 다시 음극 표면으로 복귀한다.

이러한 작용에 의해, 균질한 입자 균형(플라즈마 경계 층에서 생성된 전하는 전극의 플라즈마로부터 획득(drawn from)된 전하와 균등하다)이 평면 전극의 경우보다 낮은 전압에서 빈공간을 가지는 본 발명에 따른 전극의 플라즈마 경계 층에서 달성될 수 있다. 따라서 빈공간을 가지는 유전성 전극의 전류-전압 특성은 평면 전극의 전류-전압 특성보다 비교적 편평한 기울기(gradient)를 나타낸다. 즉, 주어진 동일한 전압에서, 평면 전극을 가지는 유전성 전극보다는 빈공간을 가지는 가지는 유전성 전극에서 실질적으로 보다 높은 전류 밀도가 달성될 수 있다. 반대로, 동일한 전류 밀도가 주어지면, 빈공간을 가지는 유전성 전극의 플라즈마 경계 층에서 발생하는 전압은 평면 전극에서 발생하는 경우보다 낮다. 전력 손실은 동일한 범위까지 감소되므로, 램프의 발광 효율은 실질적으로 개선된다.

본 발명에 따른 가스 방전 램프의 또 다른 실시예에 있어서, 전극은 적어도 하나의 빈공간을, 가스 방전 램프의 동작 동안 형성되는 플라즈마 경계 층의 용적과 대략 균등한 용적 V로 둘러싼다. 빈공간의 용적은 대략 유전체 표면에 인접한 플라즈마 경계 층이 차지하고 있는 용적에 특히 최대 10%의 편차를 가지고 대응되도록 용적이 주어지면, 특히 램프의 발광 효율이 높게 증가된다.

플라즈마 경계 층이 유전성 전극의 내부상에서 평면 형태(planar fashion)로 형성되므로, 빈공간에 특히 유리한 용적부여는 또한 직경 D에 의해 기술될 수 있다. 빈공간에 특히 최대 10%의 편차를 가지고 대략 플라즈마 경계 층의 두께에 두배에 대응하는 직경 D를 제공하는 것이 특히 바람직하다. 특히 원통형의 빈공간의 경우에, 빈공간의 직경 D는 원통의 직경에 대응한다. 이 경우, 플라즈마 경계 층은 원통의 반경과 동일한 두께를 갖는다.

특히 본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에서 규정된다.
본 발명에 따른 가스 방전 램프의 실시예는 도면을 참조하여 이하에서 보다 자세히 설명될 것이다.

가스 방전 램프의 실시예는 모두 pㆍV/A<10cmTorr(p는 가스 방전 용기의 충전 가스의 충전 가스 압력임)를 만족하는 빈공간(표면적 A 및 용적 V를 가짐)을 가지는 유전성 전극을 구비한 용량성 여기 구조체를 이용한다. 이 램프는 γ-방전 모드, 즉 전형적으로 10MHz이하의 주파수에서 동작한다.

도 1은 원통형 가스 방전 용기(2) 및 두 개의 원통형 용량성 여기 구조체(3)를 가지는 가스 방전 램프(1)를 도시한다. 두 개의 용량성 여기 구조체(3)는 진공밀폐 결합부(vacuumtight joint:4)에 의해 가스 방전 용기(2)의 한 단부에 각각 결합된다. 또한, 용량성 여기 구조체(3)로의 공급 라인(6)을 갖는 RF 본선 전압원(RF mains voltage sources:5)이 도시된다. 가스 방전 램프(1)는 축(7)을 중심으로 순환적으로 대칭한다. 가스 방전 용기(2)는 길이 a=500mm 및 내부 직경 P=15mm를 가지는 유리관(glass tube)으로 구성된다. 가스 방전 용기는 5mbar의 아르곤 및 5mg의 수은으로 충전되며 내부가 인으로 코팅되어, 원하는 스펙트럼이 방사된다. RF 본선 전압원(5)는 5MHz의 주파수에서 500V의 평균 전압을 제공한다.

도 1의 원통형 용량성 여기 구조체(3) 중 하나가 도 2에 상세히 도시된다. 그것은 빈공간을 가지는 원통형 유전성 전극(8) 및 유전성 재료로 구성되고 또한 한 면이 진공밀폐 방식으로 용량성 여기 구조체(3)를 봉쇄하는 커버(9)를 포함한다. 유전성 전극(8)은 길이 c=20mm 및 외부 직경 f=2mm를 가지는 유리관으로 구성된다. 전극(8)에 의해 둘러싸인 빈공간은 유리관의 내부 직경 d=1mm에 의해 규정된다. 공급 라인(6)을 접촉하는데 사용되는 금속층이 유전성 전극(8)의 외주(outer circumference) 상에 제공된다. 동시에, 용량성 여기 구조체(3)는 동시에 램프(1)용 안정기(ballast)를 형성하므로, 부가적인 외부 안정기가 반드시 필요한 것은 아니다. 대략 40mA의 최대 평균 전류, 즉 20W의 평균 전력이 램프(1)에서 달성된다. 결합된 전력 또는 동작 주파수는 유리관(8)의 두께의 변화 및 이에 따른 유전성 여기 구조체의 커패시턴스의 변화에 따라 달라질 수 있으므로, 임의로 주어진 요건에 대한 적응이 이루어질 수 있다. 램프(1)는 γ- 방전 모드에서 동작되므로, 플라즈마 경계 층은 유리관(8)의 빈공간을 거의 차지하는 전극에서 발생한다. 플라즈마 경계 층에서의 전력 손실은 이들의 빈공간과 함께, 사용되는 유전체 전극(8)의 형상으로 인해 크게 감소한다.

램프(1)의 유사한 실시예에 있어서, 유리 이외의 다른 비-도전성 재료가 전극(8)용 유전체로서 사용된다. 적절한 재료의 선택을 통해 램프(1)의 동작 파라미터, 특히 동작 주파수 및 소비 전력(dissipated power)을 바꿔, 이들을 요건에 맞게 적응시킬 수 있다. 예를 들면, HF 범위(대략 300kHz)의 동작 주파수는 유전 상수 ε=1000(예를 들면, BaTiO₃,BZT, PLZT)인 유전성 재료를 사용하고 또한 관형상 전극(8)의 두께를 두께 0.5mm로 하는 경우에 달성될 수 있다. 이것은 단순화된 전기 회로상에서 램프(1)를 동작시키는 것을 가능하게 한다.

도 3은 만곡된 가스 방전 용기(10) 및 원통형 용량성 여기 구조체(11)를 가지는 가스 방전 램프(1)의 제 2 실시예를 도시한다. 여기 구조체(11)는 진공밀폐 방식으로 가스 방전 용기(10)의 한 면에 결합되며 진공밀폐 방식으로 다른 한면도 봉쇄된다. 이 여기 구조체는 이 여기 구조체(11)의 바깥측에 마련된 전기적 접촉부를 거쳐 본선 전압원(5)으로부터 공급 라인(6)에 접속된다. 가스 방전 용기(10)는 내부적으로 인으로 코팅되고 5mbar의 아르곤 및 5mg의 수은으로 충전되는 9mm의 내부 직경을 가지는 U-형태로 구부러진 유리관으로 이루어진다.

도 3의 원통형 용량성 여기 구조체 중 하나가 도 4에 좀 더 상세히 도시된다. 용량성 여기 구조체(11)는 병렬로 배열된 몇 개의 유전성 전극(8)을 포함한다. 관형상의 전극(8)은 커버(9)에 의해 한 단면이 밀봉하듯이 봉쇄된다. 커버(9)는 또 다시 유전성 재료의 원판(disc)에 의해 형성된다. 다른 면에서는, 유리 원판(12)에 의해 유전성 전극(8)과 가스 방전 용기(10) 사이에 진공밀폐 결합부가 제공된다. 전극(8)의 빈공간 및 가스 방전 용기(10) 사이에 개방된 소통(a open communication)을 갖도록 유리 원판(12)는 개구부(openings)를 갖는다. 용량성 여기 구조체(11)는 길이 C=20mm 및 직경 g=10mm를 갖는다. 병렬로 배열된 유전성 전극(8)은 길이 c=20mm를 가지는 내부 직경 d=1mm 및 외부 직경 f=2mm를 각각 갖는다. 전극(8)은 특히 BaTiO₃로 도핑된 것과 같은 유전성 재료로 구성되고, 이들은 모두 금속층에 의해 외부적으로 전기 접속된다. 바람직하게는, 높은 포화 분극 P와 가능한 최고의 여기 표면 A를 가지는 강유전성 재료로 구성된 여기 구조체(11)가 램프(1)의 제 2 실시예용으로 사용된다. PㆍA의 곱은 주 전압원(5)의 반 주기당 전송될 수 있는 최대 전하 양이다. 본 실시예에 있어서, 230V 및 50Hz에서의 동작시 충분히 강한 전류 및 이에 따른 충분히 강한 전력(대략 10W)을 램프(1)에 흘릴 수 있다. 본 발명에 따른 유전성 전극(8)에 의해 개선된 발광 효율을 갖는 이러한 램프(1)는 고가의 전기 구동 회로 없이 공공 본선 전압으로 직접적으로 동작될 수 있다.

본 발명은 증가된 발광 효율을 가지는 용량성 여기를 가스 방전 램프를 제공할 수 있다.

Claims

충전 가스 압력 p에서 충전 가스로 충전된 가스 방전 용기(a gas discharge vessel)(2) 및 적어도 하나의 용량성 여기 구조체(capacitive excitation structure)(3)를 구비한 가스 방전 램프(a gas discharge lamp)(1)에 있어서,

상기 가스 방전 용기(2)에 결합되고 pㆍV/A<10cmTorr의 관계가 성립하는 표면 영역 A 및 용적 V을 갖는 적어도 하나의 빈공간(hollow space)을 둘러싸는 유전성 재료의 적어도 하나의 전극(8)이 제공되어 적어도 하나의 용량성 여기 구조체(3)를 형성하는 가스 방전 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 전극(8)은 상기 가스 방전 램프(1)의 동작 동안 형성되는 플라즈마 경계 층(plasma boundary layer)의 용적과 같은 용적 V을 갖는 적어도 하나의 빈공간을 둘러싸는 가스 방전 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 전극(8)은 상기 가스 방전 램프(1)의 동작 동안 형성되는 플라즈마 경계 층의 두께의 두 배와 같은 직경 D(d)을 갖는 적어도 하나의 빈공간을 둘러싸는 가스 방전 램프.
제 1 항에 있어서,

1mm의 내부 직경(d), 2mm의 외부 직경(f) 및 20mm의 길이(c)를 가지는 적어도 하나의 유리관(glass tube)(8)을 제공하여 상기 전극(8)을 형성하되, 상기 유리관의 한쪽은 진공밀폐 방식(vacuumtight manner)으로 상기 가스 방전 용기(2)에 접속되고 또 다른쪽은 진공밀폐 방식으로 봉쇄되는 가스 방전 램프.
제 1 항에 있어서,

1mm의 내부 직경(d), 2mm의 외부 직경(f) 및 20mm의 길이(c)를 가지는 적어도 하나의 비-도전성 세라믹 재료로 구성된 관(8)을 제공하여 상기 전극(8)을 형성하되, 상기 관의 한쪽은 진공밀폐 방식으로 가스 방전 용기(2)에 접속되고 다른쪽은 진공밀폐 방식으로 봉쇄되는 가스 방전 램프.