KR100911260B1 - 형광램프용 필라멘트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 형광램프용 필라멘트에 관한 것으로서, 필라멘트에 도포되는 에미터의 도포량을 증가시킬 수 있는 필라멘트의 구조를 제공함과 아울러 에미터가 증발 또는 비산되는 것을 감소시킬 수 있는 필라멘트의 적정 온도를 파악하고, 필라멘트의 온도가 적정 범위 내에서 유지될 수 있도록 필라멘트의 냉저항값(Rc)에 대한 열저항값(Rh)의 비율을 최적화함으로써 필라멘트에 도포된 에미터의 손실 비율을 감소시켜 형광램프의 수명을 증가시킬 수 있도록 하는 형광램프용 필라멘트에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 형광램프용 필라멘트는 일방향을 따라 나선형으로 감겨진 내부코일, 상기 내부코일의 길이 방향을 따라서 상기 내부코일을 감싸면서 나선형으로 감겨진 중심선 및 상기 중심선을 감싸면서 나선형으로 감겨져 상기 중심선과 함께 내부코일을 감싸는 외부코일을 포함하는 형광램프용 필라멘트에 있어서, 상기 필라멘트의 열저항값(Rh)과 냉저항값(Rc)의 비율은 Rh/Rc = 4.8 ~ 6.2인 것을 특징으로 한다.
필라멘트, 에미터, 비산, 증발, 냉저항, 열저항

Description

형광램프용 필라멘트{Filament for fluorescent lamp}
본 발명은 형광램프용 필라멘트에 관한 것으로서, 필라멘트에 도포되는 에미터의 도포량을 증가시킬 수 있는 필라멘트의 구조를 제공함과 아울러 에미터가 증발 또는 비산되는 것을 감소시킬 수 있는 필라멘트의 적정 온도를 파악하고, 필라멘트의 온도가 적정 범위 내에서 유지될 수 있도록 필라멘트의 냉저항값(Rc)과 열저항값(Rh)을 최적화함으로써 필라멘트에 도포된 에미터의 손실 비율을 감소시켜 형광램프의 수명을 증가시킬 수 있도록 하는 형광램프용 필라멘트에 관한 것이다.
형광램프는 방전에 의해 발생된 자외선이 형광체를 여기시켜 가시광이 생성되는 광원으로서, 일반 조명용 뿐만 아니라 최근에는 LCD(Liquid Crystal Dispaly)의 백라이트 유닛용 광원 등으로도 널리 사용되고 있다.
일반적으로 형광램프는 내벽에 형광체가 도포된 유리관 및 유리관의 양단에 배치된 필라멘트를 포함하며, 필라멘트에는 산화바륨(CaO), 산화칼슘(CaO) 또는 산화스트론튬(SrO) 등의 에미터(emitter)가 도포된다.
도 1은 종래의 필라멘트의 SEM 이미지이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 필라멘트(1)는 일방향을 따라 나선형으로 감겨진 중심선(2) 및 상기 중심선(2)을 감싸면서 나선형으로 감겨진 코일(3)로 구성된다. 도 2는 도 1의 필라멘트에 에미터(4)가 도포된 상태를 나타내는 SEM 이미지이다.
도 2와 같이 에미터(4)가 도포된 상태에서 필라멘트(1)에 전압을 인가하여 필라멘트(1)의 온도를 상승시키면 에미터(4)가 소모되면서 전자가 방출되고, 방출된 전자가 유리관 내에 주입된 수은과 충돌하면서 자외선이 생성되며, 생성된 자외선이 유리관 내벽에 도포된 형광체를 여기시켜 가시광이 생성된다. 따라서 필라멘트(1)에 도포된 에미터(4)가 모두 소모되면 전자 방출을 이룰 수 없어 형광램프는 더 이상 발광을 할 수 없게 되므로, 필라멘트에 도포된 에미터(4)의 잔존량은 형광램프의 수명에 직접적인 영향을 미치게 된다.
그런데 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 필라멘트(1)에서는 필라멘트(1)의 코어 영역(S1)과 코일 사이의 공간(S2)에는 에미터(4)를 도포할 수가 없어 형광램프의 수명을 연장시키는데 한계가 있었다.
나아가 필라멘트(1)의 온도가 적정 범위 이상으로 상승되면 에미터(4)가 증발(evaporation)되는 현상이 발생되고, 반대로 필라멘트(1)의 온도가 적정 범위 이하로 내려가면 도 3에 도시된 바와 같이 필라멘트(1)의 일부분에 휘점(hot spot)이 발생되고 휘점에서 스퍼터링 (sputtering)이 발생되어 에미터(4)가 흩어지며 날아가는 비산현상이 발생되어 에미터(4)의 잔류량이 급격하게 감소되어 형광램프의 수명이 단축되는 문제점이 있었다.
또한 최근에는 절전효과, 자원절감, 환경보호 및 조명기구의 효율 향상을 위하여 형광램프를 세관화하여 직경이 16mm인 초세관 형광램프의 개발이 진행되고 있는데, 이 경우 관벽부하가 증가되어 형광체의 조기 열화 및 조기 흑화 발생가능성이 증가할 뿐만 아니라 전극폭이 좁아짐에 따라 도포되는 에미터 물질의 감소로 인해 단수명화가 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 에미터의 도포량을 증가시킬 수 있는 필라멘트의 구조를 제공함과 아울러 에미터가 증발 또는 비산되는 것을 감소시킬 수 있는 있는 필라멘트의 적정 온도를 파악하고, 필라멘트의 온도가 적정 범위 내에서 유지될 수 있도록 필라멘트의 냉저항값(Rc)과 열저항값(Rh)을 최적화함으로써 필라멘트에 도포된 에미터의 손실 비율을 감소시켜 형광램프의 수명을 증가시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 형광램프용 필라멘트는 일방향을 따라 나선형으로 감겨진 내부코일, 상기 내부코일의 길이 방향을 따라서 상기 내부코일을 감싸면서 나선형으로 감겨진 중심선 및 상기 중심선을 감싸면서 나선형으로 감겨져 상기 중심선과 함께 내부코일을 감싸는 외부코일을 포함하는 형광램프용 필라멘트에 있어서, 상기 필라멘트의 열저항값(Rh)과 냉저항값(Rc)의 비율은 Rh/Rc = 4.8 ~ 6.2인 것을 특징으로 한다.
상기 필라멘트의 냉저항값은(Rc) 0.78 ~ 1.20Ω 인 것이 바람직하며, 상기 필라멘트의 열저항값은(Rh) 3.80 ~ 5.00 Ω 인 것이 바람직하다.
상기 외부코일은 상기 외부코일의 외경 사이에 공간을 갖도록 권선되며, 상기 내부코일, 외부코일 및 중심선은 서로 전기적으로 단락(short)되어 있는 것을 바람직하다.
상기의 필라멘트를 사용하는 형광램프는 직경이 16±0.2mm인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 형광램프용 필라멘트에 따르면, 종래의 필라멘트에서는 에미터가 도포될 수 없었던 필라멘트의 코어 영역 및 코일 사이의 공간에도 에미터를 도포할 수 있게 되어 에미터의 도포량이 약 3배 이상 증가되며, 필라멘트를 구성하는 외부코일 및 내부코일이 격자구조를 형성하면서 서로 전기적으로 단락되어 있어서 일부 코일에 단선이 발생하더라도 형광램프의 점등이 가능하게 되어 형광램프의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
나아가 필라멘트의 냉저항값(Rc)와 열저항값(Rh)을 최적화 함으로써 필라멘트의 온도가 795 ~ 1043℃가 유지되도록 하여 필라멘트에서 발생되는 에미터의 비산 또는 증발 현상을 억제하여 에미터의 잔존량을 증가시킴으로써 형광램프의 수명을 더욱 증가시킬 수 있게 된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 필라멘트(10)의 SEM 이미지이며, 도 5는 도 4에 도시된 필라멘트(10)에 산화바륨(CaO), 산화칼슘(CaO) 또는 산화스트론튬(SrO) 등의 에미터(11)가 도포된 상태를 보여주고 있는 SEM 이미지이다. 이하에서는 이를 3중구조의 필라멘트라 지칭한다.
도 4에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 필라멘트(10)는 내부코일(12), 외부코일(13) 및 외부코일(13)의 내부를 통과하고 있는 중심선(14)으로 구성된다. 구체적으로 내부코일(12)은 일방향을 따라 나선형으로 감겨져 있으며, 중심선(14)은 내부코일의 길이 방향을 따라서 내부코일(12)을 감싸면서 나선형으로 감겨져 있으며, 외부코일(13)은 내부코일(12)을 감싸고 있는 중심선(14)을 감싸면서 나선형으로 감겨져 있다.
따라서 종래의 필라멘트에서는 에미터(11)가 도포될 수 없었던 필라멘트의 코어 영역(S3) 및 외부 코일 사이의 공간(S4)에도 에미터(11)의 충진이 가능하게 되므로 더욱 많은 양의 에미터(11)를 도포할 수 있게 된다. 본 발명자의 실험에 따르면 종래의 필라멘트에 도포될 수 있었던 에미터의 총 중량은 3.5mg이었으나 본 발명에 따른 필라멘트의 경우에는 11.5mg의 에미터가 도포될 수 있었는바 에미터의 총 도포량이 3배 이상 증가되었다.
또한 본 발명에 따른 필라멘트(10)는 외부코일의 외경 사이의 공간(S4)을 갖도록 권선되어 적정 저항을 갖되, 외부코일(13)과 내부코일(12)이 도 6에 도시된 바와 같이 격자를 이루면서 서로 접촉되어 전기적으로 단락(short)되어 있으며, 중 심선(14) 또한 외부코일(13)과 전기적으로 단락되어 있다. 따라서 도 7과 같이 외부코일(13) 또는 내부코일(12)에 단선이 발생하더라도 전류는 단선이 발생한 지점(A)을 우회하여 계속 흐를 수 있게 되므로 코일(12,13)의 일부 지점에 발생되는 단선만으로는 필라멘트(10)의 수명이 종료되지 않게 되어 필라멘트(10) 및 형광램프의 수명을 더욱 연장시킬 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명에 따른 필라멘트(10)의 구조적 특징을 위주로 설명을 하였으나, 이하에서는 필라멘트(10)에 도포된 에미터(11)의 증발 또는 비산을 감소시켜 형광램프의 수명을 더욱 연장시킬 수 있는 조건에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명자는 필라멘트(10)의 수명은 점등시의 온도에 민감하게 의존하는 것을 발견하고, 이하에서 필라멘트(10)의 온도를 적정 온도로 유지할 수 있도록 필라멘트(10)를 설계하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 필라멘트(10)의 온도(electrode temperature)에 따른 에미터(11)의 소모량을 도시한 개념도이다. 도 8에 도시된 바와 같이 필라멘트(10)는 온도가 너무 낮으면 필라멘트(10)의 일부분에 휘점(hot spot)이 발생되고 휘점에서 스퍼터링(sputtering)이 발생되어 필라멘트(10)에 도포된 에미터(11)가 흩어지며 날아가는 비산현상이 발생되는 것을 주원인으로 하여 수명이 단축되는 것으로 파악된다. 반면에 필라멘트(10)의 온도가 너무 높으면 에미터(11)가 증발(evaporation)되는 것을 주원인으로 하여 필라멘트(10)의 수명이 단축되는 것으로 파악된다. 따라서 에미터(11)가 급격히 소모되어 형광램프의 수명이 단축되는 것을 방지하기 위해서 는 필라멘트(10)의 온도를 적정 범위(Toptimum) 내에서 유지시키는 것이 필수적이다.
본 발명자의 실험에 의하면, 도 4의 구조를 갖는 필라멘트(10)를 유리관의 직경이 15.8 ~ 16.2 mm인 형광램프에 설치하여 실험한 결과 필라멘트(10)의 온도가 795℃ 미만인 경우에는 필라멘트(10)에 휘점이 발생하였으며, 필라멘트(10)의 온도가 1043℃를 초과하면 필라멘트(10)에서의 에너지 손실이 높아져 광속효율[Lm/Watt]이 악화되고 필라멘트(10)에 도포된 에미터(11)의 증발량이 급격히 증가되었는바, 필라멘트(10)의 온도는 795 ~ 1043℃의 범위 내에서 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 필라멘트(10)의 온도를 Rh/Rc를 파라미터로 하여 단순화하여 표시하였다. 표 1은 Rh/Rc에 따른 필라멘트(10)의 평균 온도를 나타낸 것이다. 이때, Rc는 형광램프가 점등되기 전의 상온에서의 필라멘트(10)의 저항값인 냉저항값을 의미하며, Rh는 형광램프가 점등되어 가열 안정된 상태에서의 필라멘트(10)의 저항값인 열저항값을 의미한다.
Rh/Rc에 따른 필라멘트의 평균 온도
Rh/Rc 필라멘트 온도(℃)
4.6 759
4.8 795
5.0 832
5.2 867
5.4 903
5.6 938
5.8 973
6.0 1008
6.2 1043
6.4 1077
표 1에 나타난 바와 같이 냉저항값(Rc)에 대한 열저항값(Rh)의 비율(Rh/Rc)이 커질수록 필라멘트(10)의 온도는 증가를 하게 되는바, 상기에서 설명한 바와 같이 필라멘트의 온도를 795 ~ 1043℃로 유지하기 위해서는 Rh/Rc는 4.80 ~ 6.20의 값을 가져야 한다. 이때 필라멘트가 배치된 유리관의 직경은 15.8 ~ 16.2 mm, 즉 16±0.2mm이며, Rh는 3.80 ~ 5.00Ω의 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기와 같이 Rh를 3.80 ~ 5.00Ω으로 유지할 경우 Rc는 0.78 ~ 1.20Ω의 값을 갖게 된다.
표 2는 Rh/Rc에 따른 형광램프의 점멸 수명 생존율을 나타낸 것으로서, Rh/Rc를 달리하면서 600,000회까지 형광램프를 점멸하였을 경우의 형광램프의 생존율을 나타낸 것이다.
이때, 형광램프의 점멸 과정에서는 형광램프가 점등되는 시간과 소등되는 시간을 각각 10초로 유지하였다. 표 2에서의 기존구조는 도 1,2의 구조를 갖는 종래의 필라멘트를 채용한 형광램프를 의미하며, 3중구조는 도4,5에 따른 필라멘트 구조를 갖는 형광램프를 의미하며, 이는 이하에서 동일하다.
표 2에 나타난 바와 같이 100,000회 점멸을 수행한 경우 기존구조의 생존율은 0%였으나, 3중구조의 필라멘트(10)를 사용한 경우에는 100%의 생존율을 보였다. 특히 본 발명품의 경우 Rh/Rc를 4.8 ~ 6.2로 유지한 경우에는 400,000회 점멸을 하였을 경우의 생존율이 70% 이상이었으며, 600,000회 점멸을 하였을 경우에도 생존율이 50% 이상이었는바, 형광램프의 수명이 크게 연장된 것을 알 수 있다.
점멸횟수에 따른 형광램프의 생존율(%)
적용 필라멘트 Rh/Rc 필라멘트 온도 (℃) 점 멸 횟 수 (단위 ; 10,000회)
0 1.5 10 20 30 40 50 60
기존구조 3.0 456 100 99 0 0 0 0 0 0
3중구조1 3.0 456 100 100 67 0 0 0 0 0
3중구조2 4.0 648 100 100 100 32 0 0 0 0
3중구조3 4.5 741 100 100 100 78 52 0 0 0
3중구조4 4.8 795 100 100 100 100 92 73 61 53
3중구조5 5.0 832 100 100 100 100 100 97 86 76
3중구조6 5.5 921 100 100 100 100 100 97 89 78
3중구조7 6.0 1008 100 100 100 100 87 95 82 71
3중구조8 6.2 1043 100 100 100 100 76 71 59 50
3중구조9 6.5 1095 100 100 87 31 0 0 0 0
3중구조10 7.0 1180 100 100 65 0 0 0 0 0
표 3은 점멸횟수에 따른 잔존 에미터(11)의 중량을 나타낸 것이다. 점멸 개시 이전에 도포된 에미터의 중량은 기존 구조의 필라멘트의 경우 3.5mg이며, 3중구조의 필라멘트의 경우 12mg이다.
점멸횟수에 따른 잔존 에미터 중량(mg)
적용 필라멘트 Rh/Rc 필라멘트 온도 (℃) 점 멸 횟 수 (단위 ; 10,000회)
0 1.5 10 20 30 40 50 60
기존구조 3.0 456 3.5 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
3중구조1 3.0 456 12.0 9.0 0.7 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
3중구조2 4.0 648 12.0 9.3 6.6 3.9 0.0 0.0 0.0 0.0
3중구조3 4.5 741 12.0 11.3 7.7 4.9 2.3 0.0 0.0 0.0
3중구조4 4.8 795 12.0 11.5 9.3 7.6 5.9 4.1 2.3 0.6
3중구조5 5.0 832 12.0 11.6 9.7 8.0 6.3 4.6 2.9 1.2
3중구조6 5.5 921 12.0 11.7 10.0 8.3 6.6 4.9 3.2 1.5
3중구조7 6.0 1,008 12.0 11.5 9.8 8.1 6.4 4.7 3.0 1.3
3중구조8 6.2 1,043 12.0 11.7 9.2 7.5 5.7 3.9 2.1 0.3
3중구조9 6.5 1,095 12.0 11.5 7.8 3.1 0.0 0.0 0.0 0.0
3중구조10 7.0 1,180 12.0 11.3 4.2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
기존구조의 필라멘트의 경우 점멸횟수가 15,000회를 초과한 경우 에미터(11)가 전부 소모되어 형광램프의 수명이 종료된 것을 알 수 있으나, 에미터(11)를 기존구조보다 3배 이상 도포할 수 있는 3중구조 필라멘트(10)의 경우에는 100,000회 점멸을 수행한 경우 모든 경우에서 에미터(11)가 잔존하고 있음을 알 수 있다.
특히 Rh/Rc가 4.8 ~ 6.2 인 경우에는 300,000회 점멸을 수행한 경우에도 약 50%의 에미터(11)가 잔존함을 알 수 있으며, 600,000회 점멸을 수행한 경우에도 에미터(11)가 전부 소모되지 않았음을 알 수 있다. 이는 Rh/Rc가 4.8보다 낮은 경우에는 필라멘트(10)의 온도가 충분히 높지 못하여 필라멘트(10)에 휘점이 발생되고 그 결과 필라멘트(10)에 도포된 에미터(11)가 비산되기 때문이며, Rh/Rc가 6.2를 초과하는 경우에는 필라멘트(10)의 온도가 과도하게 상승하여 에미터(11)가 증발되어 버리기 때문이다. 따라서 형광램프의 수명을 연장시키기 위해서는 Rh/Rc가 4.8 ~ 6.2 로 유지되는 것이 바람직하다.
도 1은 종래 필라멘트의 SEM 이미지.
도 2는 에미터가 도포된 종래 필라멘트의 SEM 이미지.
도 3은 휘점이 발생된 종래 필라멘트의 이미지.
도 4는 본 발명에 따른 필라멘트의 SEM 이미지.
도 5는 에미터가 도포된 본 발명에 따른 필라멘트의 SEM 이미지.
도 6은 본 발명에 따른 필라멘트의 일부 구조도.
도 7은 단선이 발생된 경우를 도시한 필라멘트의 일부 구조도.
도 8은 필라멘트의 온도에 따른 에미터의 소모량을 도시한 개념도.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
10 : 필라멘트 11 : 에미터
12 : 내부코일 13 : 외부코일
14 : 중심선

Claims (5)

  1. 일방향을 따라 나선형으로 감겨진 내부코일, 상기 내부코일의 길이 방향을 따라서 상기 내부코일을 감싸면서 나선형으로 감겨진 중심선 및 상기 중심선을 감싸면서 나선형으로 감겨져 상기 중심선과 함께 내부코일을 감싸는 외부코일을 포함하는 형광램프용 필라멘트에 있어서,
    상기 필라멘트의 열저항값(Rh)과 냉저항값(Rc)의 비율은 Rh/Rc = 4.8 ~ 6.2인 것을 특징으로 하는 형광램프용 필라멘트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필라멘트의 냉저항값은(Rc) 0.78 ~ 1.20Ω 인 것을 특징으로 하는 형광램프용 필라멘트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 필라멘트의 열저항값은(Rh) 3.80 ~ 5.00 Ω 인 것을 특징으로 하는 형광램프용 필라멘트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부코일은 상기 외부코일의 외경 사이에 공간을 갖도록 권선되며, 상기 내부코일, 외부코일 및 중심선은 서로 전기적으로 단락(short)되어 있는 것을 특징으로 하는 형광램프용 필라멘트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 형광램프용 필라멘트를 사용하는 16±0.2mm 직경의 형광램프.
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JPH07169387A (ja) * 1993-12-16 1995-07-04 Matsushita Electron Corp 蛍光ランプの製造方法
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