KR100832396B1 - 무전극 수은대체 자외선 램프 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자외선 램프에 관한 것으로 더욱 상세하게는 자외선 출력특성이 매우 강한 지르코늄 또는 란탄의 이온에 초고주파 전계를 인가하여 해당 물질이 갖는 고유의 스펙트럼을 방출하도록 한 것이다.
본 발명은 초고주파발생장치; 상기 초고주파발생장치에서 생성된 초고주파를 공진모드로 유도/전송하며, 전계면 또는 자계면의 전자파 파절점의 일측에 개방구가 형성된 도파관; 내부에 지르코늄 또는 란탄 이온가스가 밀봉주입되어 있고, 말단이 상기 도파관의 개방구에 밀봉접합되어 있는 무전극 자외선 램프관; 및 상기 램프관을 내재하고 있으면서 광은 투과시키고 마이크로파는 차폐하는 마이크로파 공진 캐비티;를 포함하는 무전극 수은대체 자외선 램프이다.
초고주파, 무전극, 무수은, 자외선, 스펙트럼, 지르코늄, 란탄, 공진모드

Description

무전극 수은대체 자외선 램프{A New Electrodeless UV Lamp}
본 발명은 240-270nm 대의 방출특성이 뛰어난 지르코늄 3가 이온 또는 란타늄 4가 이온으로 수은을 대체하고 이를 초고주파 전계를 이용한 무전극 방전방식으로 구동시켜 고효율, 고출력의 반영구적 수명을 달성한 진보된 마이크로파 자외선 발생장치(램프)에 관한 것이다.
종래의 자외선 발생기술은 투명한 유리관 내에 방전극을 설치하고 관내를 진공화 한 후 기화시킨 수은을 봉입하여 직류 전기장 또는 저주파 교류 전기장에 의해 전자가 방출되어 형성되는 방전전류에 의하여 충진된 수은증기를 전리시켜 수은의 고유 스펙트럼을 발광시켜 이를 이용하는 것이다.
자외선 램프에 봉입되는 전리기체는 종류에 따라 방사되는 스펙트럼은 물론 자외선의 방출량이 결정되며 기존보다 자외선의 분포와 방출량이 큰 물질을 찾아내는 것은 매우 중요한 일이다. 현재 사용되는 1가 수은의 선 스펙트럼은 자외선 가시광선 적외선에 걸쳐 포함되어 있으며 100-2000nm사이에 117개 라인이 존재하며 이들 중 강도가 높은 순으로 나열하면 253.6536nm (휘도:15000), 435.8335nm(휘도 :4000), 365.0518nm(휘도:2800), 1013.975nm (휘도:2000), 404.6559(1800), 296.7278(1200), 546.0731(1100), 184.950(1000), 256.369(400), 434.749(400) 의 순서가 된다. 여기에서 주 자외선 파장은 253.6536nm의 스펙트럼으로 전체 스펙트럼의 강도의 37.3%가 된다.
기존의 자외선램프에서 자외선을 발생시키기 위해서는 관내의 양측에 전극을 설치하여 이 사이로 방전전류를 흘려주며 이 경로에 존재하는 전리가스를 여기시켜 전리기체의 스펙트럼을 발산하도록 구성된 것으로서 방전시 전극을 가열하여 열전자를 방출하므로 전극을 구성한 금속이 증발되고, 관벽에 침착되어 광량이 저하되고, 전극 소손 현상이 발생하여 수명을 다하였으며 수명이 다한 램프는 폐기되고, 이 과정에서 발생되는 수은증기는 환경에 악영향을 끼쳐왔다.
또한 자외선 램프의 출력을 높이기 위해서는 전극을 통하여 흐르는 전류의 양을 높여야 하며 이는 전극의 수명을 단축시키는 직접적 요인이 되므로 고출력 램프를 제작하는데 가장 큰 걸림돌이 되었다.
이러한 배경을 바탕으로 전구의 수명과 출력을 늘리기 위한 방안으로 필라멘트 또는 방전극을 없게 한 무전극 램프가 개발되고 있으며, 무전극식 램프의 원리는 전기장의 방향이 계속해서 반전하는 고주파 교류 전기장 내를 전자가 왕복하면서 기체 분자와 충돌하고 이때 기체에 따른 스펙트럼이 방출되는 원리를 이용한 것이다.
즉, 고밀도의 고주파 전기장 내에 설치된 램프관은 내부의 기체 분자가 여기되어 방전을 일으키게 되고, 따라서 진공관 내부에 전극을 형성하지 않고 진공관의 외부에서 고주파를 주입시킴으로써 램프관 내부의 가스 특성에 따라 연속 스펙트럼의 빛을 방사하게 되며 높은 발광 효율과 긴 수명을 갖는 장점으로 인하여 가시광 램프에서는 사용이 확산되는 추세이다.
무전극 램프에 전기에너지를 주입하는 방식에는 수백 ㎑ ~ 수㎒를 인가하는 고주파 방식과 수 GHz 대를 인가하는 초고주파 방전방식이 있다.
고주파를 사용하는 무전극램프는 고주파를 램프관에 주입하기 위하여 인덕티브 커플링 또는 캐퍼시티브 커플링 방식으로 고주파를 램프 내부로 집속시켰고 각각의 램프마다 고주파 전력을 공급하기 위한 발진기가 구비되어야 함에 따라 고가와 복잡성의 문제와 고출력을 발생이 어려웠다.
반면 초고주파 방전방식은 공진 캐비티 내부에 램프관을 배치시켜 램프관 내부에서 초고주파 방전이 일어나도록 하는 방식으로 고출력의 발생이 용이하고 경제성이 뛰어난 장점이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점인 저출력 단수명, 수은오염의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 지르코늄과 란타늄의 자외선 스펙트럼에 대한 조사와 이들을 봉입한 방전 램프의 제조방법과 이를 점등시키기 위한 초고주파 발생장치의 구성과 발생된 초고주파 전계를 램프관에 주입하는 방법과 이를 위한 구성요소에 대하여 서술한다.
램프관 내에 봉입된 지르코늄 이온 또는 란타늄 이온을 초고주파 발진 소자인 초고주파발생장치에서 발진시킨 2.54GHz, 수백~수천W의 초고주파 전계로 이온을 여기시켜 주 파장이 262.0571nm(휘도:10,000,000)이며 그외에 220nm ~ 270nm 대역의 자외선 강도가 큰 지로코늄 램프와 259.750nm(휘도:95,000)가 주 파장인 란타늄 램프로 자외선을 발생시키는 것이다.
본 발명의 상기 목적들 및 다른 목적들과 특정한 장점과 신규한 특징들은 첨부 도면과 관련한 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 초고주파발생장치, 상기 초고주파발생장치에서 생성된 초고주파를 공진모드로 유도/전송하며, 전계면 또는 자계면의 전자파 파절점의 일측에 개방구가 형성된 도파관, 내부에 지르코늄 또는 란탄 이온가스가 밀봉주입되어 있고, 말단이 상기 도파관의 개방구에 밀봉접합되어 있는 무전극 자외선 램프관 및 상기 램프관을 내재하고 있으면서 광은 투과시키고 마이크로파는 차폐하는 마이크로파 공진 캐비티를 포함하는 무전극 수은대체 자외선 램프에 있어서, 상기 램프관은, 직경 10~30mm, 길이 200~2000mm인 융합실리카 재질의 원통관이며, 요오드화 지르코늄 또는 요오드화 란타늄을 램프관의 체적 1cm3 당 1~5mg을 넣고 10-4 ~ 10-5Torr로 배기한 후 아르곤 가스를 10-2Torr로 충진하여 밀봉한 후 전계로에 넣어 상기 요오드화 지르코늄 또는 요오드화 란타늄을 용융/증발시키는 과정으로 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 램프관이 1 개인 것(도 2)과 복수 개인 것(도 3), 초고주파발생장치-도파관이 1세트인 것 및 두 세트(도 3)인 것의 조합이 가능하다. 램프관이 복수개 설치되는 경우, 그에 대응하여 상기 도파관의 개방구도 복수개 형성된다. 초고주파발생장치-도파관이 2 세트인 경우, 일측의 초고주파발생장치와 타측의 초고주파발생장치에 인가되는 전원의 전력위상이 180° 차이가 나도록 하는 것이 좋다.
본 발명에서 상기 램프관은 직경 10~30mm, 길이 200~2000mm인 융합실리카(fused silica) 재질의 원통관이며, 요오드화 지르코늄 또는 요오드화 란타늄을 램프관의 체적 1cm3 당 1~5mg을 넣고 10-4 ~ 10-5Torr로 배기한 후 아르곤 가스를 10-2Torr로 충진하여 밀봉한 후 초고주파 전계강도가 최소 5W/cm3 이상인 전계로에 넣어 용융/증발시키는 과정을 거쳐 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 램프는 전극 열화 현상에 의한 수명 감소 요인이 없으므로 결과적으로 자외선 램프의 수명이 매우 길어지는 효과로 인하여 램프의 파기에 따른 수은 오염의 문제를 절감시켜 환경적인 효과도 매우 크다.
또한, 본 발명의 조명장치에 의하면 도파관의 손실이 적어 마이크로파 에너지가 소실되는 것을 최소화하면서 발광을 유지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고주파 방전방식에 의한 지르코늄 자외선 램프는 고출력으로 마이크로파를 방출하는 단일 초고주파발생장치에서 발생되는 초고주파를 분개함으로써 다수개의 램프관을 설치/사용할 수 있으므로 자외선의 방출부위를 분산시킬 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 무전극 단파장 자외선 발생원리에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 수은과 지르코늄, 란타늄의 자외선 영역에서의 스펙트럼 강도와 파장 에 대한 비교표로 기존에 사용되는 수은의 자외선 영역과 강도보다 지르코늄, 란타늄의 스펙트럼이 우수함을 나타내는 근거이다.
가로축은 파장이며 세로축은 광량자 방출강도를 나타낸 것으로 위에서부터 각각 수은, 란타늄 이온 및 지르코늄 3가 이온의 자외선 대역에서의 스펙트럼이다. 이로부터 소재간의 현저한 발광 스펙트럼 차이가 있음을 알 수 있다.(자료 출처: NIST; National Institutes of standards and technology)
본 발명에서 상기 램프관은 내부에 수은 대신 지르코늄 또는 란탄 이온가스가 주입된 무전극 자외선 램프관이다.
램프관(10)의 재질은 260nm 대의 파장이 90% 이상 투과되는 재질(예컨대, fused silica)를 사용하는 것이 좋으며 형상은 원기둥 구조로 직경이 10 ~ 30mm, 길이는 200 ~ 2000mm인 것이 바람직하다. 램프관(10)은, 요오드화 지르코늄 또는 요오드화 란타늄을 램프관(10)의 체적 1cm3 당 1~5mg을 넣고 10-4 ~ 10-5Torr로 배기한 후 아르곤 가스를 10-2Torr로 충진하여 밀봉한 후 초고주파 전계강도가 최소5W/cm3 이상인 전계로에 넣어 용융/증발시키는 과정을 거쳐 제조한다.
제조된 램프관(10)은 발진주파수에 공진되도록 제작된 공진 캐비티(40) 내에 설치되고, 공진 캐비티(40)는 초고주파발생장치(30)가 부착된 도파관(20)에 장착된다. 자외선 램프관(10)이 내장된 상기 공진 캐비티(40)의 일측면 도는 전체면은 전자파는 누설을 방지하면서 빛만 투과될 수 있도록 전도성의 차폐체(80)가 설치되 어 있고, 그 외부는 자외선이 잘 투과되는 재질(예컨대 Fused silica 유리)로 밀봉되어 있다(도 2, 도 3). 상기 차폐체(80)는 소공이 형성된 타공판이나 금속 메쉬망을 이용할 수 있으며 격자의 공극이 1.5~2.5㎜인 라스(lath) 또는 8~20mesh의 금속망일 수 있다.
본 발명에서 상기 초고주파발생장치(30)로는 예컨대, 마그네트론(자전관; Magnetron), 클라이스트론 또는 진행파관과 같은 다양한 장치를 선택할 수 있다. 발생되는 초고주파의 주파수는 램프관 내부에 주입된 이온의 종류, 발광의 광도, 도파관의 규격 등에 따라 900MH대, 2.45GHz대 또는 5.3GHz대 등 다양하게 정할 수 있을 것이다. 하기 실시예에서는 2.45 GHz 대의 마그네트론을 선정하였다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 무전극 자외선 발생장치의 초고주파발생장치(30)을 방열시켜 냉각하기 위한 냉각기구는 초고주파발생장치 외부에 설치할 수 있으며, 달리 적절한 구조를 취할 수 있다.
본 발명에서 상기 도파관(wave guide)은 초고주파발생장치에 의해 발생되는 초고주파를 공진모드로 유도하여 상기 램프관으로 전송하는 기능을 한다.
도파관(20) 내에서의 한 파장의 길이는 자계면의 넓이에 따라 결정되며 발진주파수가 정해져 있는 초고주파발생장치(30)에서는 공진을 위하여 길이가 결정된다. 따라서 초고주파의 파장특성에 따라 적절한 규격의 도파관을 적용할 수 있다. 도파관의 전체 길이를 공진모드에 맞추어 제작하기 어려운 경우에는 튜너(tuner)를 삽입하거나 도파관 내에 아이리스(iris)(70)를 설치하여 공진되도록 한다.
도파관(20)의 규격은 마이크로파가 TE0,1n 모드로 공진되도록 정한다. 여기서, n은 도파관(20) 내를 진행하는 2450㎒의 마이크로파의 반파장에 해당하는 길이로서 본 제품의 경우 7 내지 9㎝에 해당한다. TE011의 공진용 도파관(20)의 크기는 폭은 72~120㎜, 높이는 폭의 1/2 의 크기가 적당하며 양도체로 제작된다.
실시예에서는 초고주파 전송선로는 TM01모드 특성을 갖는 직사각형[72~120mm ㅧ 30~45mm] 단면의 도파관(20)을 사용하였다.
초고주파발생장치(30)에서 발진된 초고주파는 램프관(10)이 설치된 TM011모드의 공진 캐비티(40)에 주입되며 궁극적으로 공진 캐비티(40)에 주입된 초고주파에 공진하여 램프관(10) 내부의 물질이 [여기상태↔기저상태]를 반복하면서 고유의 스펙트럼(자외선)을 방출하게 된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 1개의 램프관과 1개의 초고주파발생장치 및 도파관과 공진 캐비티가 부분적으로 일체화된 램프의 개략적인 구성을 도시한 일부파단 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도파관(20)의 한쪽 끝 부분에 초고주파발생장치(30)가 설치되고 이 도파관과 같은 크기의 공진 캐비티(40)로 연장되며[즉, 도파관의 개방구가 공진 캐비티의 단면과 일치됨] 이 도파관의 1측면 또는 전체면은 빛에 대한 개방부로 구성되나 전자파에 대하여는 차폐되도록 구성한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 복수개의 램프관과 2개의 초고주파발생장치 및 2개의 도파관이 적용된 램프(복합램프)의 개략적인 구성을 도시한 일부파단 사시도이다.
도시된 램프는, 공진 캐비티(40)에 내재된 램프관(10)의 양 말단에 각각 도파관(20)과 초고주파발생장치(30)을 장착한 구조로 되어 있다. 이때 TE01 모드로 전송되는 도파관(20)내의 전자파의 파절점 부분에 길이 50~70mm, 폭 5~10mm의 슬롯(100; 개방구)을 형성하고, 램프관의 말단이 이 슬롯에 대응되도록 한다. 이와 같은 구조를 가짐으로써 양쪽 2개의 초고주파발생장치(30;발진소자)가 교번하여 전자파가 발진된다.
초고주파발생장치의 전원공급장치는 통상 고전압 승압기(Transformer)의 2차 측을 반파 배압 정류하여 수천볼트의 마이너스 전압을 마그네트론(30)의 필라멘트측에 공급하는 방식을 사용하고 있어 전원 전류의 반 파장 동안에만 발진이 되고있으며 따라서 2개의 초고주파발생장치에 인가되는 단상 전원의 위상을 다르게 함으로서 단일 램프를 2개의 초고주파 전력을 인가하는 것이 가능하여 결과적으로 램프에 2배의 전력을 인가하는 것이 가능하다.
물론 도파관과 초고주파발생장치를 1개씩만 장착하는 것도 가능하다. 이때는 램프의 전력이 상기 2 개씩 장착한 경우의 50%가 될 것이다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 마이크로파를 이용한 자외선 램프장치의 작용에 대해 설명한다.
초고주파발생장치(30)로부터 발생한 마이크로파는 도파관(20)에서 공진되어 일정한 전계 분포를 유지하게 되며, 도파관(20)을 따라 길이 방향으로 길게 설치된 무전극 램프(10)의 충진 물질이 마이크로파에 의해 여기 상태로 되고 일정 크기 이상의 에너지를 갖게 되면 자외선 램프( 10) 내에 봉입된 지르코늄 또는 란탄의 외각 전자는 원자의 오비탈에서 이탈하게 되고 다시 기저 상태로 돌아오는 과정에서 자외선을 발생한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 도파관(20)의 일 측면을 자외선 투과면으로 형성하였으나 본 발명은 이에 한하지 않으며 2측면 또는 3측면에 자외선 투과면을 형성할 수 있으며, 이는 당연 본 발명에 포함된다.
본 발명에서 자외선 램프(10)를 지지하는 지지구(25)의 재질은 테프론으로 형성함이 바람직한 데, 이는 마이크로파를 흡수하지 않으므로 마이크로파의 에너지를 소모하지 않고 절연성이 양호하여 마이크로파에 의한 방열을 방지할 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명에 사용된 마이크로파 방전을 이용한 수은의 자외선특성과 비교를 위한 지르코늄 이온 및 란탄 이온의 자외선 스펙트럼.
도 2는 마이크로파 방전을 이용한 지르코늄 자외선 램프의 구성을 개략적으 로 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선램프의 구성방식을 나타낸 도면.
<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 램프관 20 : 도파관
25 : 지지구 30 : 초고주파발생장치
40 : 공진 캐비티 70 : 아이리스
80 : 차폐체

Claims (6)

  1. 초고주파발생장치, 상기 초고주파발생장치에서 생성된 초고주파를 공진모드로 유도/전송하며, 전계면 또는 자계면의 전자파 파절점의 일측에 개방구가 형성된 도파관, 내부에 지르코늄 또는 란탄 이온가스가 밀봉주입되어 있고, 말단이 상기 도파관의 개방구에 밀봉접합되어 있는 무전극 자외선 램프관 및 상기 램프관을 내재하고 있으면서 광은 투과시키고 마이크로파는 차폐하는 마이크로파 공진 캐비티를 포함하는 무전극 수은대체 자외선 램프에 있어서,
    상기 램프관은,
    직경 10~30mm, 길이 200~2000mm인 융합실리카 재질의 원통관이며, 요오드화 지르코늄 또는 요오드화 란타늄을 램프관의 체적 1cm3 당 1~5mg을 넣고 10-4 ~ 10-5 Torr로 배기한 후 아르곤 가스를 10-2Torr로 충진하여 밀봉한 후 전계로에 넣어 상기 요오드화 지르코늄 또는 요오드화 란타늄을 용융/증발시키는 과정으로 제조된 것을 특징으로 하는 무전극 수은대체 자외선 램프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 개방구와 상기 램프관이 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 무전극 수은대체 자외선 램프.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    262.1nm 또는 259.8nm의 자외선 방출특성을 가지는 것을 특징으로 하는 무전극 수은대체 자외선 램프.
  4. 삭제
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 램프관의 타측 말단에 동일 구조의 초고주파발생장치와 도파관이 추가로 장착된 것을 특징으로 하는 무전극 수은대체 자외선 램프.
  6. 제 5 항에 있어서,
    일측의 초고주파발생장치와 타측의 초고주파발생장치에 인가되는 전원의 전력위상이 180° 차이나는 것을 특징으로 하는 무전극 수은대체 자외선 램프.
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