KR101140131B1 - 광추출 효율이 우수한 플라즈마 램프 - Google Patents

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Abstract

국부적인 과부하를 방지할 수 있으며, 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마램프에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 플라즈마 램프는 내주면에 형광체가 도포되고, 내부에 불활성 가스와 금속 증기가 혼합 충전되는 유리관; 및 일단이 상기 유리관에 결합되고, 타단이 밀봉되는 중공형 전극;을 포함하고, 상기 유리관은 가장자리가 확관된 형태를 가지며, 상기 중공형 전극의 일단의 외주면이 상기 유리관의 확관된 부분의 내주면에 유리프릿에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 중공형 전극은 길이 방향으로 일정한 두께로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

Description

광추출 효율이 우수한 플라즈마 램프 {PLASMA LAMP WITH EXCELLENT LIGHT LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY}
본 발명은 플라즈마 램프에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유리관과 중공형 전극의 접합 구조 개선을 통하여 국부적인 과부하를 억제할 수 있으며, 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 램프 에 관한 것이다.
일반적으로, LCD 백라이트로 사용되는 형광램프는 냉음극 형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp; CCFL)이다.
냉음극 형광램프(CCFL)는 금속으로 제작된 컵 모양의 전극이 유리관 내에 삽입된 후 유리관과 같은 열팽창계수를 갖는 봉착선을 이용하여 용융 밀봉되어 있다.
이러한 냉음극 형광램프는 전극의 흑화 발생으로 인하여 수명 특성이 우수하지 못하며, 수명 특성이 우수한 경우 휘도가 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 특허공개공보 제10-2005-0058927호(2005.06.17. 공개)에는 외부전극 형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp; EEFL)이 개발되었다.
외부전극 형광램프(EEFL)는 양단이 밀봉된 유리관 내주면에 형광체가 도포되고, 내부에는 아르곤(Ar)이나 네온(Ne) 등과 같은 불활성가스와 수은(Hg) 가스를 혼합한 충전 가스가 봉입되어 있다. 또 상기 유리관의 양단에는 실버나 카본 같은 도전층을 도포한 다양한 형상의 외부전극이 형성되고 금속 캡이 끼워져 있다.
이러한 외부전극 형광램프는 도전층에 고전압의 교류 전원(AC)을 인가시키면 상기 외부전극과 접촉하는 유리관의 양단 부분이 유전체 역할을 하면서 강한 유도 전계를 형성한다.
외부전극 형광램프는 상기 도전층과 유전체 역할을 하는 유리관 양단에 도포면적을 넓힐수록 벽전하량을 증가시켜 램프의 휘도를 어느 정도 증가시킬 수 있다. 하지만 상기 도전층의 길이를 길게 하는데 제한이 따르는 문제가 있다. 또한, 상기 도전층의 길이를 길게 하는 경우, 외부로 빛을 방사하는 면적은 줄어들어 효율이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기의 외부전극 형광램프(EEFL)의 문제점을 개선하기 위하여 세라믹 전극을 이용하되, 세라믹 전극과 유리관의 접합 구조를 개선함으로써 국부적인 과부하를 억제할 수 있으며, 광추출 효율이 우수한 플라즈마 램프를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 램프는 내주면에 형광체가 도포되고, 내부에 불활성 가스와 금속 증기가 혼합 충전되는 유리관; 및 일단이 상기 유리관에 결합되고, 타단이 밀봉되는 중공형 전극;을 포함하고, 상기 유리관은 가장자리가 확관된 형태를 가지며, 상기 중공형 전극의 일단의 외주면이 상기 유리관의 확관된 부분의 내주면에 유리프릿에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 중공형 전극은 길이 방향으로 일정한 두께로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 중공형 전극은 세라믹 전극과, 상기 세라믹 전극 표면에 형성되는 금속 전극을 포함할 수 있다.
이때, 상기 세라믹 전극은 CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹 및 유리를 포함하는 세라믹-유리 복합체로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 램프는 유리관 가장자리의 확관을 통하여 일정한 두께를 갖는 중공형 전극을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 램프는 전계 강도를 일정하게 할 수 있어, 국부적인 과부하 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 램프는 유리관의 확관된 부분에서 접합이 이루어지므로, 유리프릿에 포함된 유기물 바인더가 유리관 내의 형광체를 오염시키는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 램프는 중공형 전극의 금속 전극에 인가된 전압이 전극 외측의 유리관이나 유리 프릿에 전달되지 않고, 전극 내측의 세라믹 전극에만 전달될 수 있다. 이를 통하여, 정전용량의 감소없이 세라믹 전극에 의한 충방전 효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 플라즈마 램프의 예를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 램프에서, 유리관과 중공형 전극이 접합되는 구조의 예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 램프에서, 유리관과 중공형 전극이 접합되는 구조를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조 및 도 3에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조가 적용된 결과 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 도 2에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프 대비, 도 3에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프의 광추출 효율 향상 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들과 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니며, 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하에서 개시되는 실시예들은 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 광추출 효율이 우수한 플라즈마 램프에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 플라즈마 램프의 예를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 램프는 유리관(110), 밀봉부재(120), 중공형 전극(130)을 포함한다.
유리관(110)은 아르곤(Ar)이나 네온(Ne) 등과 같은 불활성 가스와, 수은(Hg) 가스 혹은 크세논(Xe) 가스가 혼합된 충전 가스가 주입되는 내부공간이 마련된다.
또한, 유리관(110) 내주면에는 형광물질이 도포된다.
유리관(110)는 관형, U자형, 또는 각형의 형태를 가질 수 있다. 도 1, 그리고 후술하는 도 2 및 도 3에서는 관형의 유리관(110)을 예시하였다. 유리관(110)은 보로실리케이트나, 비납유리, 석영유리 재질로 형성될 수 있다.
밀봉부재(120)는 유리관(110) 내부에 가스가 주입된 후에 끝부분을 밀봉처리하기 위한 것이다.
중공형 전극(130)은 일단이 유리관(110)에 결합되고, 타단이 밀봉부재(120)와 결합된다. 중공형 전극(130)은 내부의 세라믹 전극 및 그 표면에 형성되는 금속 전극을 포함할 수 있다.
중공형 전극(130)에서 세라믹 전극은 유전율이 20 이상 또는 또는 -30℃ 이상에서 상전이점이 없는 세라믹-유리질 복합체로 형성되는 것이 좋다. 세라믹 전극(130)은 세라믹-유리질 복합체를 분말 사출 성형 또는 일반 건식프레스 방식으로 하여 제조될 수 있다. 또한, 중공형 전극(130)에서 금속 전극은 전기적 안정성이 우수한 은(Ag)으로 이루어질 수 있다.
유리관(110)과 중공형 전극(130)은 접합부(131)에서 접합된다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 램프에서, 유리관과 중공형 전극이 접합되는 구조의 예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 중공형 전극(130)은 내측의 세라믹 전극(210)과 외측의 금속 전극(230)을 포함한다. 중공형 전극(130)과 유리관(201)의 접합을 위하여, 세라믹 전극(210) 내측에는 턱이 형성된다. 또한, 중공형 전극(130)과 유리관(201)과의 접합을 위하여 유리프릿(220)이 이용된다.
그러나, 이러한 접합 구조는 우선, 세라믹 전극에서 턱이 형성된 부분, 즉 세라믹 전극에서 접합되는 부분의 두께가 중앙 부분에 비하여 상대적으로 얇다. 따라서, 플라즈마 램프 구동시 인가되는 교류의 고전압에 의하여 유리관과 접합되는 부분에 상대적으로 높은 강도의 전계가 인가되어 세라믹 전극의 안정성이 약화될 수 있다.
또한, 세라믹 전극과 유리관의 접합 부분은 세라믹 전극, 유리 프릿, 유리관이 직렬로 접합되는 구조이며, 이들은 모두 커패시턴스 성분을 갖고 있는 커패시터의 일종이다. 따라서, 유전율이 세라믹보다 작은 2개의 물질이 직렬로 연결되어 전체의 정전용량은 다음 식에 따라 크게 감소할 수 있다.
[식 1]
1/Ctot = 1/Cceramic + 1/CFrit + 1/CTube
(식 1에서, Cceramic, CFrit, CTube 및 Ctot는 각각 세라믹 전극의 커패시턴스, 유리프릿의 커패시턴스, 유리관의 커패시턴스 및 전체 커패시턴스를 의미한다)
따라서, 방전 공간 내부에 존재하는 자유전자, 프라즈마 이온 등을 충방전하는 효율이 감소하게 되며, 이에 따라 플라즈마 램프의 효율을 감소시키는 원인이 된다.
또한, 상기의 접합 구조의 경우, 전체 세라믹 전극의 1/3 ~1/2 정도가 접합부에 포함됨으로써 유효 세라믹 전극은 그만큼 감소하게 된다.
또한, 유리프릿을 고온에서 소성하여 세라믹전극과 유리관을 접합하는 공정에서, 유리프릿에 포함된 바인더 유기물이 휘발하는 과정 중에 미세 기포가 발생한다. 이때, 세라믹 전극에 인가된 고전압에 의하여 내부에 스파크가 발생하여 접합부에 크랙을 유발할 수 있으며, 유리프릿 소성시에 휘발하는 유기물 바인더가 유리관 내에 도포된 형광체를 오염시켜 발광효율을 저하시킬 수 있다.
따라서, 도 2에 도시된 접합 구조로는 높은 발광 효율을 얻기 어려워질 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 램프에서, 유리관과 중공형 전극이 접합되는 구조를 나타낸 것이다.
전술한 바와 같이, 유리관(301)은 내주면에 형광체가 도포되고, 내부에 네온(Ne) 가스, 아르곤(Ar) 가스와 같은 불활성 가스와 수은(Hg), 크세논(Xe)과 같은 금속 증기가 혼합 충전된다. 중공형 전극은 세라믹 전극(310)과, 그 표면에 형성된 금속 전극(330)을 포함하며, 일단이 유리관(301)에 결합되고, 타단이 밀봉된다.
도 3에 도시된 접합 구조는 유리관(301)의 가장자리가 확관되고, 중공형 전극(310, 330)의 일단의 외주면과 유리관의 확관된 부분의 내주면이, 유리프릿에 의해 접합됨으로써 이루어질 수 있다.
중공형 전극에 포함되는 세라믹 전극(310)은 전극 길이 방향으로 일정한 두께로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 중공형 전극, 보다 구체적으로는 세라믹 전극(310)의 두께가 일정치 않을 경우, 국부적인 과부하가 발생할 수 있기 때문이다.
도 2에 도시된 중공형 전극과 유리관의 접합 구조로는 이러한 세라믹 전극의 일정한 두께를 달성할 수 없다. 그러나, 본 발명에 따른 플라즈마 램프에서는 중공형 전극과 유리관의 접합 구조는 도 3에 도시된 예와 같이, 유리관의 가장자리 부분의 확관을 통하여 중공형 전극 및 이에 포함되는 세라믹 전극이 길이 방향으로 일정한 두께를 가져도 접합이 가능한 구조이므로, 전술한 국부적인 과부하 문제는 발생하지 않는다.
또한, 중공형 전극의 금속 전극(330)에 전압이 인가되었을 때, 인가된 전압은 도 2에 도시된 예와는 달리, 중공형 전극의 길이방향 전체에 대하여 유리관(301)이나 유리프릿(320)을 경유하지 않고, 바로 세라믹 전극(310)에 인가될 수 있다. 따라서, 정전용량의 감소없이 세라믹 전극에 의한 유리관(301) 내부의 충방전 효과를 향상시킬 수 있다.
한편, 중공형 전극(310, 330))과 유리관(301) 사이에 개재되는 유리프릿(320)은 중공형 전극과 유리관을 접합시키는 역할을 한다. 이때, 유리프릿(320)은 열팽창계수가 유리관(301)과 세라믹 전극(310)의 중간인 것이 좋다.
세라믹 전극(310)을 포함하는 중공형 전극과 유리관(301)의 접합은 유리관(301)과 세라믹 전극(310) 중 하나 이상에 유리프릿(320)과 유기물 바인더를 포함하는 조성물을 도포하고, 유리관(301)과 세라믹 전극(310)을 서로 접촉시킨 후, 대략 500℃에서 접합시키는 방법이 제시될 수 있다.
한편, 유리프릿(320)에 의한 접합 부분은 유리관(301) 가장자리의 확관된 부분이고, 접합을 위한 조성물이 이용되는 부분도 유리관(301) 가장자리의 확관된 부분이다.
따라서, 유리관(301)의 확관되지 않은 영역은 접합을 위한 조성물과 차단되어 있으며, 이에 따라, 유기물 바인더가 유리관(301) 내주면에 형성된 형광체를 오염시키는 현상을 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 중공형 전극은 세라믹 전극(310)과, 세라믹 전극 표면에 형성되는 금속 전극(330)을 포함할 수 있다.
중공형 전극에서 세라믹 전극(310) 표면에 형성되는 금속 전극(330)은 전기적 안정성이 우수한 은(Ag)을 포함할 수 있다.
세라믹 전극(310)은 CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹 및 유리를 포함하는 세라믹-유리 복합체로 형성될 수 있다.
CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹은 유전율이 10인 유리에 비하여 현저하게 높으며, 2차전자 방출량이 크고, 동일 전계에서 분극량이 유리에 비하여 2배 이상이다. 따라서 동일한 전극면적과 동일한 유전체 면적의 조건에서, 유리관 내부에서 더 많은 전자와 이온들을 이동시킴으로써 램프의 휘도를 월등하게 증대시킬 수 있다.
또한, CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹은 -30℃ 이상에서 유전율의 온도안정성이 우수하여, 램프구동 시 전극에 충돌하는 이온과 전자의 충격량에 의해 온도가 올라가거나 외부 환경 변화에도 휘도가 균일하게 지속될 수 있다.
CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹은 CaO+MgO+SrO : ZrO2+TiO2의 비율이 몰비로 대략 1 : 1인 것을 이용할 수 있다. 그 예로, CaO : MgO : SrO : ZrO2 : TiO2가 몰비로, 0.65 : 0.05 : 0.3 : 0.9 : 0.1인 것, 0.65 : 0.05 : 0.3 : 0.6 : 0.4인 것, 0.65 : 0.05 : 0.3 : 0.5 : 0.5 인 것 등을 제시할 수 있다.
또한, 상기 CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹에는 유전손실을 낮추고, 열팽창계수를 유리관에 최대한 근접시키기 위한 목적 등으로 MnO, Al2O3, Cr2O3 및 Fe2O3 중에서 1종 이상의 첨가제가 더 포함될 수 있다.
상기 첨가제는 CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹 100 중량부에 대하여 3중량부 이하로 더 포함되어 있는 것이 바람직하다. 상기 첨가제가 CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹 100중량부 대비 3중량부를 초과하면, 더 이상의 유전손실 낮춤 효과가 발생하지 않고, 오히려 유전율의 급격한 감소를 가져올 수 있다.
세라믹 전극(310)을 형성하는 세라믹-유리 복합체에 포함된 유리 성분은 내스퍼터링성이 우수한 용융 유리가 첨가되는 것이 바람직하다. 여기서, 내스퍼터링 특성은 세라믹-유리질 복합체 전극 내벽에 양이온화된 불활성 원소나 수은 이온, 전자 등이 부딪쳐서 전극 내부를 손상시키는 것을 방지하는 특성을 의미한다.
유리는 세라믹 100중량부에 대하여, 0.3~10중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 유리의 첨가량이 세라믹 100중량부 대비, 0.3중량부 미만일 경우, 내스퍼터링 특성 향상 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 유리의 첨가량이 세라믹 100 중량부 대비 10중량부를 초과하면, 더 이상의 효과 향상없이 세라믹 전극의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
유리는 SiO2-BaO-CaO계 유리 또는 SiO2-B2O3-Na2O-K2O-Al2O3계 유리를 이용할 수 있다. SiO2-BaO-CaO계 유리로는 SiO2 : BaO : CaO의 몰비가 1 : 0.6 : 0.4인 것을 제시할 수 있다. 또한, SiO2-B2O3-Na2O-K2O-Al2O3계 유리는 SiO2 75중량%, B2O3 18중량%, Na2O 4중량%, K2O 2중량% 및 Al2O3 1중량%로 이루어진 것을 제시할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조 및 도 3에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조가 적용된 결과 사진을 나타낸 것이다.
도 4의 (a) 및 도 5의 (a)를 참조하면, 도 2에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조에서는 접합부에서 유리관의 두께가 변화하지는 않는다. 반면, 사진에서 볼 수는 없으나, 접합부에서 중공형 전극의 두께가 변화된다.
그러나, 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)를 참조하면, 도 3에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조에서는 접합부에서 유리관이 확관되어 있으며, 반면, 중공형 전극의 두께가 변하지는 않는다.
도 6은 도 2에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프 대비, 도 3에 도시된 유리관 - 중공형 전극 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프의 광추출 효율 향상 결과를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 도 3에 도시된 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프의 경우, 모든 구동 주파수에서, 또한 모든 인가 전력에서 도 2에 도시된 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프에 비하여 대략 10~35% 정도 높은 광추출 효율을 나타내는 것을 볼 수 있다.
특히, 구동 주파수가 50kHz에서 보다 높은 광추출 효율을 나타내었다. 이에 따라, 도 3에 도시된 접합 구조를 적용한 플라즈마 램프의 경우, 회로설계에 유리한 낮은 주파수 대역에서 유용하게 활용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110 : 유리관 120 : 밀봉부재
130 : 중공형 전극 131 : 접합부
201, 301 : 유리관 210, 310 : 세라믹 전극
220, 320 : 유리프릿 230, 330 : 금속 전극

Claims (8)

  1. 내주면에 형광체가 도포되고, 내부에 불활성 가스와 금속 증기가 혼합 충전되는 유리관; 및
    일단이 상기 유리관에 결합되고, 타단이 밀봉되는 중공형 전극;을 포함하고,
    상기 중공형 전극은 세라믹 전극과, 상기 세라믹 전극 표면에 형성되는 금속 전극을 포함하고, 길이 방향으로 일정한 두께로 형성되어 있으며,
    상기 유리관은 가장자리가 확관된 형태를 가지며, 상기 중공형 전극의 일단의 외주면이 상기 유리관의 확관된 부분의 내주면에 유리프릿에 의해 접합되어, 상기 유리관과 상기 중공형 전극이 접합된 부분이 외측으로부터 내측 방향으로, 유리관, 유리프릿, 금속 전극 및 세라믹 전극 순으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 램프.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극은
    은(Ag)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 램프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 전극은
    CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹과, 유리를 포함하는 세라믹-유리 복합체로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 램프.
  6. 제5항에 있어서,
    MnO, Al2O3, Cr2O3 및 Fe2O3 중에서 1종 이상의 첨가제가 상기 CaO-MgO-SrO-ZrO2-TiO2계 세라믹 100 중량부에 대하여 3중량부 이하로 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 램프.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유리는
    상기 세라믹 100중량부 대비 0.3~10중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 램프.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유리는
    SiO2-BaO-CaO계 유리 또는 SiO2-B2O3-Na2O-K2O-Al2O3계 유리인 것을 특징으로 하는 플라즈마 램프.
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