KR101376620B1 - 무전극 조명기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전극 조명기기에 관한 것이다. 본 발명은 공진기의 횡단면이 평면상에서 서로 직교하는 두 축의 길이가 서로 다르게 형성됨에 따라 상기 공진기에서의 공진 모드가 한 개만 형성되도록 할 수 있고 이를 통해 공진효율이 향상되어 전기장의 강도를 높임으로서 무전극전구의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

무전극, 공진기, 공진 모드

Description

무전극 조명기기{PLASMA LIGHTING SYSTEM}

본 발명은 무전극 조명기기에 관한 것으로, 특히 공진공간에서의 공진 모드가 한 개만 형성되도록 하여 파워의 손실의 줄일 수 있는 무전극 조명기기에 관한 것이다.

일반적으로 무전극 조명기기는 마그네트론과 같은 마이크로파 발생부에서 발생되는 마이크로파 에너지를 이용하여 무전극 전구에 봉입된 발광물질을 플라즈마화시켜 발광되도록 하는 조명기기이다. 상기 무전극 조명기기는 전구의 내부에 전극이나 필라멘트가 없는 무전극 전구로 수명이 매우 길거나 반영구적이며, 상기 무전극전구에서 발광되는 빛은 자연광과 같은 빛을 띄게 된다.

이를 위해, 상기 무전극 조명기기는 통상 마이크로파를 발생시키는 마그네트론과, 상기 마그네트론에서 전달되는 마이크로파를 이용하여 빛을 발생하도록 발광물질이 충전된 무전극 전구와, 상기 무전극 전구를 수용하고 상기 마그네트론에서 전달되는 마이크로파를 공진시키는 공진기와, 상기 마그네트론과 공진기 사이를 연통시켜 마그네트론에서 발생되는 마이크로파를 공진기로 전달하는 도파관으로 이루어져 있다.

상기와 같은 무전극 조명기기는 마그네트론에서 발생되는 마이크로파가 도파관을 통해 공진기에 전달되고, 상기 공진기로 유입되는 마이크로파가 그 공진기의 내부에서 공진되면서 상기 무전극전구의 발광물질을 여기시킨다. 그러면 상기 무전극 전구에 충전된 발광물질이 플라즈마 상태로 변환되어 빛이 발생되고, 그 빛은 상기 무전극 전구의 후방측에 설치되는 반사갓에 의해 전방으로 조사된다.

그러나, 상기와 같은 종래 무전극 조명기기에 있어서는, 상기 공진기의 형상이 원형 횡단면을 갖는 실린더형상으로 형성됨에 따라 X축 방향과 Y축 방향으로 나눠져서 발생하는 공진모드 동작주파수가 서로 일치하거나 매우 근접되게 형성된다. 이에 따라 파워도 나눠지게 되어 무전극전구의 발광물질이 흡수하게 되는 전자기장 에너지가 감소하게 되므로 결과적으로 무전극전구의 발광 효율이 저하된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무전극 조명기기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 한 개의 공진 모드로만 동작할 수 있도록 하여 공진 효율을 향상시킴으로써 무전극전구의 발광 효율을 향상시킬 수 있는 무전극 조명기기를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 마이크로파를 발생시키는 마그네트론; 상기 마그네트론에 연통되어 마이크로파를 안내하도록 도파공간이 구비되는 도파관; 상기 도파관을 통해 전달되는 마이크로파를 공진시키도록 공진공간이 형성되는 공진기; 및 상기 공진기의 내부에 수용되어 상기 마이크로파에 의해 여기되면서 발광하도록 방전물질이 봉입되는 무전극 전구;를 포함하고, 상기 공진기는 그 공진공간을 반경방향으로 단면한 횡단면의 X축의 길이와 Y축의 길이가 서로 상이하게 형성되는 무전극 조명기기가 제공된다.

여기서, 상기 공진기는 그 공진공간의 횡단면이 직사각형 또는 타원 형상으로 형성되거나 또는 그 횡단면의 X축 또는 Y축 중에서 어느 한 축이 서로 대응되도록 안쪽으로 오목하거나 바깥쪽으로 볼록하게 형성될 수 있다.

그리고 상기 공진기는 횡단면의 X축 또는 Y축의 내주면에 도체가 더 구비될 수 있다.

그리고 상기 도파관에는 그 도파관의 도파공간과 상기 공진기의 공진공간이 연통되도록 커플링슬롯이 형성되고, 상기 커플링슬롯은 상기 공진기의 횡단면의 X 축 또는 Y축 선상에 위치하도록 상기 공진기가 도파관에 결합될 수 있다.

본 발명에 의한 무전극 조명기기는, 공진기의 횡단면이 평면상에서 서로 직교하는 두 축의 길이가 서로 다르게 형성됨에 따라 상기 공진기의 공진 모드가 한 개만 형성되도록 할 수 있고 이를 통해 공진효율이 향상되어 전기장의 강도를 높임으로서 무전극전구의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 무전극 조명기기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 무전극 조명기기의 케이싱 내부를 측면에서 보인 정면도이고, 도 2는 도 1에 따른 공진기를 보인 사시도이며, 도 3은 도 2의 I-I선 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 공진기를 구비한 무전극 조명기기는, 케이싱(100)과, 상기 케이싱(100)의 내부공간에 설치되고 고전압을 발생하는 고전압발생기(200)와, 상기 케이싱(100)의 내부공간에 설치되고 상기 고전압발생기(200)에서 발생되는 고전압이 인가되어 고주파를 갖는 마이크로파를 생성시키는 마그네트론(300)과, 상기 케이싱(100)의 내부공간에 설치되고 상기 마그네트론(300)에 결합되어 그 마그네트론(300)에서 발진된 고주파를 갖는 마이크로파를 안내하는 도파관(400)이 포함된다. 그리고 상기 무전극 조명기기는 상기 케이싱(100)의 외부에 설치되고 상기 도파관(400)의 출구측에 결합되어 마이크로파의 외부 방출을 차폐하여 공진모드를 형성하는 공진기(500)와, 상기 케이싱(100)의 외부에서 상기 공진기(500)의 내부에 배치되어 마이크로파에 의해 여기되어 빛을 발광하도록 발광물질이 구비되는 무전극전구(600)와, 상기 공진기(500)를 수용하도록 상기 케이싱(100)의 외부에 설치되어 상기 무전극전구(600)에서 발광되는 빛을 전방으로 집광시키는 반사갓(700)이 더 포함된다.

상기 도파관(400)은 직사각형 모양으로 도파공간(S1)이 형성되고 상기 마그네트론(300)이 결합되는 제1 도파부(410)와, 상기 제1 도파부(410)에서 절곡되어 연속되는 도파공간(S1)이 형성되고 후술할 공진기(500)의 공진공간(S2)이 연통되는 제2 도파부(420)로 이루어진다. 그리고 상기 도파관(400)의 절곡부위에는 마이크로파가 반사되어 마그네트론(300)으로 되돌아가는 것을 방지하도록 경사면이 형성될 수 있고 그 경사면(미부호)에 임피던스 매칭을 위한 임피던스 정합부재(미도시)가 설치될 수 있다.

상기 도파관(400)의 제2 도파부(420)에는 상기 도파공간(S1)을 통해 전달되는 마이크로파가 상기 공진기(500)로 전달될 수 있도록 커플링슬롯(421)이 형성된다. 상기 커플링슬롯(421)은 도파관(400)의 중심에 형성되는 것이 가장 바람직하나, 본 발명의 경우 상기 도파관(400)의 중심에 무전극 전구(600)가 위치함에 따라 상기 무전극 전구(600)의 주변, 즉 전계를 가장 높일 수 있는 위치에 상기 커플링슬롯(421)이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 커플링슬롯(421)의 형상은 공진기(500)의 횡단면 형상에 맞춰 형성되는 것이 그 공진기(500)의 결합을 용이하게 할 수 있어 바람직하다.

상기 공진기(500)는 도 2에서와 같이 그 내부에 무전극전구(600)를 수용할 수 있는 공진공간(S2)을 가지는 통모양으로 형성되고, 그 일단, 즉 전방단은 덮히고 그 타단, 즉 후방단은 상기 공진공간(S2)에서의 공진모드가 TE모드를 형성할 수 있도록 열린 형상으로 형성된다. 그리고 상기 공진기(500)의 일측, 즉 무전극전구(600)의 발광부(610)가 수용되는 부위는 마이크로파는 가두는 반면 빛은 방출할 수 있도록 그물형상으로 메시부(510)가 형성되고, 상기 공진기(500)의 타측, 즉 상기 도파관(400)에 고정되는 부위는 메시가 없는 원띠형상으로 고정부(520)가 형성된다.

그리고 상기 공진기(500)는 도 2 및 도 3에서와 같이 반경방향 단면, 즉 횡단면이 X축 길이(D1)와 Y축 길이(D2)가 서로 다른 직사각형 단면 형상을 갖는 기둥모양으로 형성된다.

그리고 상기 공진기(500)는 그 공진공간(S2)이 상기 도파관(400)의 도파공간(S1)과 연통될 수 있도록 상기 도파관(400)에 결합된다. 이를 위해, 상기 공진기(500)는 도 3에서와 같이 그 장축(도면에서는 X축)의 가장자리에 상기 도파관(400)의 커플링슬롯(421)의 길이방향 중심이 위치하도록 결합된다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 공진기의 단축(도면에서는 Y축)의 가장자리에 커플링슬롯(421)의 길이방향 중심이 위치하도록 결합될 수도 있다.

한편, 상기 마그네트론(300)과 공진기(500)의 사이, 즉 상기 무전극 전구(600)의 축부(620) 주변에는 상기 무전극 전구(600)의 발광부(610)에서 방전이 일어나고 있는지를 판단하여 만약 방전이 일어나지 않는다면 상기 마그네트론(300) 을 정지시켜 그 마그네트론(300)이 역류하는 마이크로파에 의해 손상되는 것을 보호하기 위한 포토센서(미도시)가 설치될 수 있다.

상기와 같은 무전극 조명기기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 고전압 발생기(200)에 구동 신호를 입력하면, 그 고전압 발생기(200)는 교류 전원을 승압하여 승압된 고전압을 마그네트론(300)에 공급하고, 상기 마그네트론(300)은 고전압에 의해 발진하면서 매우 높은 주파수를 갖는 마이크로파를 생성한다.

이 마이크로파는 상기 마그네트론(300)의 안테나를 통해 그 마그네트론(300)의 외부로 방출되고, 이 방출된 마이크로파는 상기 도파관(400)의 도파공간으로 안내된다.

상기 도파관(400)의 도파공간(S1)으로 안내된 마이크로파는 상기 커플링슬롯(421)을 통해 상기 공진기(500) 내부로 안내되어 방사되며, 이 방사된 마이크로파에 의하여 상기 공진기(500) 내부에는 공진모드가 형성된다.

그러면, 상기 공진기(500)의 내부에 형성된 공진모드에 의하여 무전극전구(600) 내에 충전된 방전물질은 여기(exciting)되어 지속적으로 플라즈마화 되면서 고유한 방출 스펙트럼을 가지는 빛을 발광하고, 이 빛은 반사갓(700)에 의해 전방으로 반사하면서 공간을 밝힌다.

여기서, 상기 공진기(500) 내부에서 형성된 공진모드는 X축 방향과 Y축 방향을 따라 형성되는데 상기 공진기(500)의 단면 형상이 도 3에서와 같이 X축길이(D1) 와 Y축길이(D2)가 서로 다른 직사각형으로 형성되므로 TE₁₁₁ 모드에서 동작주파수가 X축 방향(도 4의 (a))과 Y축 방향(도 4의 (b))을 따라 나눠지더라도 어느 하나의 방향을 따라 형성되는 동작주파수가 훨씬 커지게 된다. 이에 따라 그 방향을 따라 한 개의 공진모드만 형성되므로 상기 무전극전구(600)의 발광부(610)에 채워진 발광물질이 흡수하는 전기장의 파워가 원형 단면을 갖는 공진기 보다 커지게 되어 그만큼 광효율이 향상될 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 공진기(500)는 도 5 및 도 6에서와 같이 타원 단면 형상으로 형성될 수도 있다. 이 경우에도 본 발명의 작용 효과는 전술한 실시예와 대동소이하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

또 한편, 본 발명에 의한 무전극 조명기기에 대한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예에서는 상기 공진기의 횡단면을 X축길이(D1)와 Y축길이(D2)가 서로 다른 형상으로 형성하는 것이었으나, 본 실시예에서는 상기 공진기의 횡단면을 원형으로 하되 그 X축 또는 Y축을 오목하거나 볼록하게 형성하여 X축길이와 Y축길이가 달라지도록 형성하는 것이다.

예를 들어, 도 7에서와 같이, 원통 형상을 갖는 공진기(500)의 X축방향 양측에 중심방향, 즉 안쪽으로 함몰되는 굴곡부(530)가 길이방향을 따라 형성되도록 한다. 이 경우 상기 굴곡부(530)는 상기 공진기(500)의 길이 방향을 따라 양단에 걸쳐 동일한 곡률을 가지도록 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

상기와 같이 공진기(500)의 횡단면을 원통 형상으로 형성하더라도 상기 공진기(500)의 주벽면 중에서 X축방향 또는 Y축방향의 양측에 굴곡부(530)를 형성함에 따라 그 공진기(500)의 X축길이와 Y축길이가 상이하게 되고 이로 인해 전술한 실시예와 같이 한 개의 공진모드만 흡수할 수 있어 전기장의 파워가 커지면서 광효율이 향상될 수 있다.

또, 한편, 본 발명에 대한 또다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 실시예들은 상기 공진기의 횡단면을 장축과 단축을 갖는 형상으로 형성하여 한 개의 공진모드만 흡수하도록 하는 것이나, 본 실시예에서는 상기 공진기의 공진공간에 별도의 도체를 구비하여 전계를 강화하는 것이다.

예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 공진기(500)의 장축방향의 양쪽 가장자리(또는, 단축의 양쪽 가장자리)에 도체(550)가 구비될 수 있다. 상기 도체(550)는 상기 공진기(500)의 개구단에서 반대쪽까지 길이방향을 따라 연장 형성될 수 있다.

상기와 같이 공진기의 장축 또는 단축을 이루는 양쪽 내주면에 각각 도체(550)를 설치하는 경우에는 상기 공진기(500)의 공진공간에서의 전계가 강화되어 그만큼 광효율이 향상될 수 있다.

본 발명에 의한 무전극 조명기기는 마이크로파를 이용한 1kW급 이상의 고출력 조명기기는 물론 수 백W급의 중저출력 조명기기에 고르게 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무전극 조명기기의 케이싱 내부를 측면에서 보인 정면도,

도 2는 도 1에 따른 공진기를 보인 사시도,

도 3은 도 2의 I-I선 단면도,

도 4는 도 1에 따른 공진기에서의 공진모드를 보인 개략도로서, (a)는 X축방향의 공진모드이고 (b)는 Y축방향의 공진모드,

도 5는 도 1에 따른 공진기에 대한 다른 실시예를 보인 사시도,

도 6은 도 5의 I-I선 단면도,

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 무전극 조명기기에서 공진기의 다른 실시예들을 보인 사시도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 케이싱 200 : 고전압발생기

300 : 마그네트론 400 : 도파관

500 : 공진기 510 : 메시부

520 : 고정부 530 : 굴곡부

550 : 도체 600 : 무전극 전구

Claims (6)

1. 마이크로파를 발생시키는 마그네트론;

   상기 마그네트론에 연통되어 마이크로파를 안내하도록 도파공간이 구비되는 도파관;

   상기 도파관을 통해 전달되는 마이크로파를 공진시키도록 공진공간이 형성되는 공진기; 및

   상기 공진기의 내부에 수용되어 상기 마이크로파에 의해 여기되면서 발광하도록 방전물질이 봉입되는 무전극 전구;를 포함하고,

   상기 공진기는 그 공진공간을 반경방향으로 단면한 횡단면의 중심을 지나는 X축의 길이와 Y축의 길이가 서로 상이하게 형성되며,

   상기 도파관에는 그 도파관의 도파공간과 상기 공진기의 공진공간이 연통되도록 커플링슬롯이 형성되고, 상기 커플링슬롯은 상기 공진기의 횡단면의 X축 또는 Y축 선상에 위치하도록 상기 공진기가 도파관에 결합되는 무전극 조명기기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 공진기는 그 공진공간의 횡단면이 직사각형 또는 타원 형상으로 형성되는 무전극 조명기기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 공진기는 그 횡단면의 X축 또는 Y축 중에서 어느 한 축이 서로 대응되도록 안쪽으로 오목하거나 바깥쪽으로 볼록하게 형성되는 무전극 조명기기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 공진기는 횡단면의 X축 또는 Y축의 내주면에 도체가 더 구비되는 무전극 조명기기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 공진기의 내부로 인가되는 전기장은 TE₁₁₁ 모드인 것을 특징으로 하는 무전극 조명기기.
6. 삭제

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