KR101589646B1

KR101589646B1 - 마이크로파 동력식 광원

Info

Publication number: KR101589646B1
Application number: KR1020107010517A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 시몬 네이트
Original assignee: 세라비젼 리미티드
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2016-02-01
Also published as: BRPI0820083A2; PT2188829E; CA2694113A1; CN101790773B; AP2010005270A0; ES2366361T3; US8089203B2; AP2846A; US8461751B2; US20110285287A1; ES2383435T3; AU2008322721A1; WO2009063205A2; US8614543B2; US20110285286A1; WO2009063205A3; IL205580A0; EP2287887B1; EA016810B1; ES2383434T3

Abstract

램프는 발광 공진기(1)의 형태로 된 광원, 마그네트론(2), 및 스터브 동조기(3)를 포함한다. 반사기(4)는 빛을 일반적으로 시준빔(5)으로 보내기 위해 광원과 스터브 동조기의 접합부에 장착된다. 발광 공진기는 석영으로 제조된 내부 엔벨로프(envelope)(12) 및 외부 엔벨로프(13)로 형성된 인클로저(enclosure)(11)를 포함한다. 이 엔벨로프들은 각각의 단부판들(16,17)을 갖는 원통형 튜브들(14,15)이다. 텅스텐 와이어 메쉬(18)는 공진기내에서 접지면을 마이크로파에 노출시키기 위한 메쉬 치수로 되어 있고, 튜브들과 단부판들 사이에 각각 개재되어 있다. 자신의 튜브와 단부판들을 포함하는 각각의 엔벨로프는 허메틱밀봉(hermetic)되어 있다. 접지(18)는 메쉬로부터 엔벨로프의 단부로 연장된다. 단부판들 사이에 개재된 와이어 메쉬에 걸쳐있는 인클로저의 축방향 길이는 작동 마이크로파 주파수를 위해 λ/2 이다. 인클로저의 한 단부에서, 몰리브덴 드라이브 접속부(19)가 텅스텐 디스크(20)로 연장된다. 상기 접속부는 인클로저의 그 단부에 있는 메쉬로부터 1/16 λ에서 인클로저의 축 A를 횡단하여 배치된다. 인클로저는 희소 가스에서 정량의 금속 할로겐화물과 같은, 여기성 플라즈마 재료로 채워진다. 디스크는 정합회로(3)를 경유하여 마그네트론(2)에 의하여 구동된다.

Description

마이크로파 동력식 광원{MICROWAVE- POWERED LIGHT SOURCE}

본 발명은 마이크로파 동력식(microwave-powered) 램프를 위한 광원에 관한 것이다.

빛을 발생한다는 관점에서 캡슐내에서 방전을 여기하는(excite) 것이 공지되어 있다. 대표적인 예로서 나트륨 방전등 및 형광등이 있다. 상기 형광등은 자외선을 생성하는 수은 증기를 사용한다. 다음에, 이 형광등은 형광 분말을 여기하여 빛을 생성한다. 그러한 램프들은 텅스텐 필라멘트 램프들에 비하여 소모된 전기 와트당 방출된 빛의 루멘에 대하여 더욱 효율적이다. 그러나 그러한 램프들은 여전히 캡슐내에서 전극들을 필요로 한다는 단점을 가지고 있다. 전극들이 방전에 필요한 전류를 운반하기 때문에, 전극들이 노후화되어 결국에는 파손된다.

본 발명자들은 램프에 대한 우리 특허 출원 PCT/GB2006/002018호(우리의 "'2018 램프"), 램프용 벌브에 대한 PCT/GB2005/005080호, 및 마이크로파 동력식 램프를 위한 정합회로에 대한 PCT/GB2007/001935호에 개시된 바와 같은 무전극(electrodeless) 벌브 램프들을 개발하였다. 이 램프들은 모두 벌브들에서 발광 플라즈마를 촉진하기 위해 마이크로파 에너지를 사용함으로써 무전극 방식으로 작동하는 램프들에 관한 것이다. 마이크로파 에너지를 벌브와 커플링하기 위해 공기파를 사용하는 것과 관련된 종래 발명품들(proposals)은 예를 들어 미국특허 제5,334,913호에서와 같이 퓨전 라이팅 코포레이션(Fusion lighting Corporation)에 의해 제작되었다. 공기 도파관(wave guide)이 사용되면, 램프는 부피가 커지는데, 왜냐하면 도파관의 물리적 크기가 공기 중의 마이크로파들의 파장의 부분(fraction)이기 때문이다. 이것은 예를 들어 가로등에서는 문제가 되지 않지만, 이런 방식의 전등을 여러 분야에 적용하기에는 부적절하다. 이러한 이유 때문에, 우리의 '2018 램프는 2.4Ghz의 작동 주파수에서 파장을 실질적으로 감소시키는 유전체 도파관을 사용한다. 이 램프는 후면 투사 텔레비젼과 같은 가정용 분야에 사용하기에 적절하다.
미국 특허 제6,737,809호는 마이크로파 에너지에 의하여 동력을 받는 광원에 대해서 기술하고 있으며, 상기 광원은:
● 내부에 시일된 보이드를 가지는 본체,
● 상기 본체를 둘러싸는, 마이크로파를 에워싸는 패러데이 케이지(Faraday cage),
● 상기 본체 및 캐비티는 공진 도파관을 형성하고,
● 내부에 발광 플라즈마를 형성하기 위해 마이크로파 에너지에 의해 여기 가능한 재료의 보이드내의 충전부, 및
● 플라즈마 유도 마이크로파 에너지를 상기 충전부로 전송하기 위해 상기 본체 내에 배열된 안테나를 구비하고, 상기 안테나는:
● 마이크로파 에너지의 소스에 결합하기 위해 상기 본체 외부로 연장되는 접속부를 구비한다.

이제 본 발명자들은 벌브 및 도파관을 단일 컴포넌트로 합칠 수 있다고 생각한다.

본 발명의 목적은 그와 같이 합병된 벌브 및 도파관을 갖는 개선된 램프를 제공하는데 있다.

본 발명에 따라서, 마이크로파 에너지에 의하여 동력을 받는 광원이 제공되며, 상기 광원은,
● 내부에 시일된 보이드를 가지는 본체,
● 상기 본체를 둘러싸는, 마이크로파를 에워싸는 패러데이 케이지,
● 상기 패러데이 케이지 내의 상기 본체는 공진 도파관이며,
● 내부에 발광 플라즈마를 형성하기 위해 마이크로파 에너지에 의해 여기 가능한 재료의 보이드내의 충전부, 및
● 플라즈마 유도 마이크로파 에너지를 상기 충전부로 전송하기 위해 상기 본체 내에 배열된 안테나를 구비하고, 상기 안테나는:
● 마이크로파 에너지의 소스에 결합하기 위해 상기 본체 외부로 연장되는 접속부를 구비하고,
● 상기 본체는 상기 본체로부터 나오는 빛에 대해서 투명한 재료의 고체 플라즈마 도가니이고,
● 상기 패러데이 케이지는 상기 플라즈마 도가니로부터 출사하는 빛을 적어도 부분적으로 광투과하고,
상기 보이드내의 플라즈마로부터 나오는 빛이 상기 플라즈마 도가니를 통과할 수 있으며 그리고 상기 플라즈마 도가니로부터 상기 케이지를 경유하여 방사될 수 있도록 배치되어 있다.

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본 명세서에서 사용되는 것으로서, "투명한(lucent)"은 투명하다고 설명되어 있는 용어의 재료가 투명하거나 또는 반투명한 것을 의미하고;

"플라즈마 도가니(plasma crucible)"는 플라즈마를 에워싸고 있는 폐쇄체를 의미하며, 상기 플라즈마는 보이드의 충전부가 안테나로부터 마이크로파 에너지에 의해 여기될 때 보이드내에 있는 것이다.

보통, 도가니의 재료는 고체의 유전체 재료가 될 것이다.

고체 플라즈마 도가니가 특히 함께 부착된 하나 이상의 부재들로 구성되어 있는 경우에 그 체적 전체를 통해 가변 구조물 및 구성물들(compositions)을 가질 수 있다고 예상될 수 있는 반면에, 본 발명자들은 정상적으로는 상기 플라즈마 도가니가 그 체적 전체를 통해 실질적으로 균등질성(homogenous)인 것으로 생각하였다.

하기 기술된 제 2 실시예에서, 상기 플라즈마 도가니는 원형 단면이고 상기 플라즈마 도가니 내부에서 반 파장(half wave)이 직경방향으로(diametrically) 연장되도록 하는 크기로 구성되어 있다.

광원은 보통 특정한 방향으로 반사되는 빛이 사용될 것이다. 외부 반사기가 제공될 수 있거나 또는 제2실시예에서와 같이 플라즈마 도가니가 특정한 방향으로 빛을 반사하도록 하는 외형으로 구성될 수 있다. 이러한 외형의 표면은 폴리싱될 수 있으며 그리고 전체 내부 반사에 의존할 수 있다. 대안으로서, 상기 외형 표면은 반사를 강화하기 위해 금속화(metallisation)될 수 있다. 이 경우에, 상기 금속화는 패러데이 케이지의 일부를 형성할 수 있다. 다른 대안으로서, 플라즈마 도가니는, 이 플라즈마 도가니를 통해 빛을 다시 반사시키도록 배치된 상보형(complementary) 반사기와 정합될 수 있다.

플라즈마 도가니는 다른 재료들도 역시 적절하겠지만 석영 또는 소결된 투명한 세라믹 재료로 제조될 것으로 예상된다. 특히, 세라믹 재료는 반투명하게 또는 투명하게 될 수 있다. 적절한 반투명 세라믹의 예들은 다결정 알루미나이고, 투명 세라믹의 예들은 다결정 이트륨 알루미늄 석류석(YAG)이다. 다른 적절한 재료들은 질화(nitride) 알루미늄 및 단결정 사파이어이다.

패러데이 케이지는 플라즈마 도가니에, 인듐, 주석 산화물과 같은 전도성 투명 재료의 얇은 층을 코팅함으로써 제공될 수 있다. 대안으로서, 플라즈마 도가니는 전도성 와이어의 메쉬(mesh)내에 수용될 수 있다. 다시 전도성 메쉬는 플라즈마 도가니의 재료와 융합될 수 있으며, 동시에 플라즈마 도가니 재료가 상기 메쉬 외부로 연장되는 상태가 될 수 있다.

안테나는, 특히 플라즈마 도가니가 패러데이 케이지의 한 측면 또는 단부로부터 다른 측면 또는 단부까지 이르는 상기 플라즈마 도가니 내에서의 거리에 비하여 작은 벽 두께를 갖는 경우에 충전부에 의한 타격에 저항하기에 적절한 재료로 제조될 때, 플라즈마 보이드내로 연장될 수 있다. 이런 경우에, 공진이 보이드내에서 주도적으로 확립될 수 있다. 그러한 안테나는 보이드내로 연장되는 로드(rod)가 될 수 있지만, 평판이 바람직하며, 통상적으로 플라즈마 도가니의 길이에 횡단방향으로 배치된 디스크가 될 수 있다. 안테나용 접속부는 안테나의 평면에서 또는 이 평면에 근접하여 플라즈마 도가니에서 밖으로 나와 옆으로 연장될 수 있으며; 또는 양호하게는, 상기 접속부가 안테나의 평면에 횡단방향으로 플라즈마 도가니에서 밖으로 나와 축방향으로 연장될 수 있다.

대안으로서, 안테나는 플라즈마 도가니의 재진입부(re-entrant)내에서 연장되는 전도성 금속의 로드가 될 수 있다. 그러한 재진입부는 보이드내로 향하는 얇은 벽의 돌출부가 될 수 있고, 동시에 로드 안테나가 방금 설명한 평판 안테나와 유사하게 작용한다. 재진입부는 보이드의 길이에 평행하게 또는 보이드에 횡단방향으로 배치될 수 있다. 대안으로서, 보이드가 상기 패러데이 케이지의 한 측면 또는 한 단부로부터 다른 측면 또는 단부까지 이르는 상기 플라즈마 도가니 내에서의 거리에 비하여 작은 경우에, 상기 재진입부는 보이드와 나란히 될 수 있으며, 동시에 공진이 플라즈마 도가니를 가로질러, 주로 플라즈마 도가니 내부에서 확립된다. 이 경우에, 플라즈마 도가니는 대기압에서의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가지며, 그리고 공진의 파장이 그 자유로운 공간 파장보다 짧을 것이다.

플라즈마 도가니가 이 플라즈마 도가니 내의 공진 마이크로파들의 한 파장이 되거나 또는 한 파장의 정수배가 될 수 있는 반면에, 1/2 파장이 양호하다.

충전 재료는 플라즈마로부터 빛을 방출하도록 공지된 다수의 엘리먼트들 중 어느 것이든지 단독으로 또는 조합으로 제조될 수 있다.

양호하게, 패러데이 케이지는 이를 통과하는 광 투과를 지역적으로 증가시키기 위한 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함한다. 보통, 상기 개구는 도가니 내에서 마이크로파들의 자유로운 공간 파장의 1/10 보다 크지 않을 것이다. 통상적으로 2.45GHz에서 작동하기 위해서 개구는 1/10 × 12.24cm, 즉 12.24mm보다 크지 않으며, 5.8GHz에서는 6.12mm 보다 크지 않을 것이다.

하나 이상의 개구가 제공될 수 있다. 예를 들어, 빛이 도가니로부터 축방향 및 반경방향 양쪽에서 방출될 때, 이에 대응하여 배치된 개구들이 제공될 수 있다.

개구된 지역의 제공은 이것이 없었던 경우에 비하여 광원으로부터 더 많은 빛의 방사를 가능하게 한다.

양호하게 투명한 플라즈마 도가니는:

● 스텝(step)을 갖는 보어와 상기 보이드로부터 상기 도가니의 표면으로 연장되는 카운터보어(counter-bore), 및

● 상기 카운터보어에서 상기 도가니에 시일된 투명한 재료의 플러그를 갖는다.

상기 스텝 및 보이드는 도가니 재료의 기계적 보링(boring) 또는 주조와 같은 다른 성형 수단에 의하여 형성될 수 있다.

플러그용 인조 사파이어와 도가니용 투명 알루미나 사이에 화합할 수 있는 열팽창계수를 갖게 하여, 플러그와 도가니가 다른 재료들로 제조될 수 있는 것으로 예상되는 반면에, 보통 플러그 및 도가니는 동일한 재료, 통상 석영으로 제조될 것이다.

다시 상기 플러그는 이 플러그와 도가니 사이에 프릿(frit)과 같은 가용성 재료를 개재시켜 시일될 수 있지만, 양호한 실시예에서 플러그와 도가니는 그들 자신의 재료를 용해시킴으로써 시일된다. 용해를 위해, 도가니는 전체적으로 가열될 수 있다. 그러나 용해 영역으로 한정된 국부 가열도 바람직하다. 통상적으로 이런 국부 가열은 레이저에 의해 실시될 수 있다.

플러그는 스텝과 동일한 깊이를 가질 수 있는데, 이 경우에는 플러그가 도가니의 표면과 동일한 높이(flush with)가 된다. 그러나, 플러그는 상기 표면보다 높게 될 수 있다(be proud of). 이러한 두가지 대안은 보이드가 도가니의 표면에 밀착되는 경우에 적절하다. 제 3 대안으로서 보이드가 도가니에서 더 깊게 되는 경우에, 플러그는 오목하게 된다. 이 후자의 실시예에서, 표면까지의 카운터보어의 길이는 부착된 동일한 재료의 다른 플러그로 채워질 수 있지만, 반드시 카운터보어에서 표면과 동일한 높이로 상기 다른 플러그로 시일될 필요는 없다. 이러한 배치는 보이드가 도가니 내에서 중앙에 있게 하고, 그리고 도가니가 - 자신의 유전체 재료에 관하여- 단일 고형체(solid body)(중앙 보이드를 갖는)로서 행동하도록 허용한다.

양호하게 광원은 마이크로파 소스 및 정합회로와 함께 램프내에 조합되어 단일 통합 구조물이 된다.

마이크로파 소스가 고상 발진기 및 증폭기가 될 수 있는 반면에, 양호한 실시예에서 출력의 관점에서 상기 소스는 마그네트론이다. 통상적으로 마그네트론의 동력은 1kW가 될 것이다.

양호한 실시예에서, 정합회로는 스터브 동조기(stub tuner)이고, 3-스터브 동조기가 편리하다.

보통 본 발명의 광원이 가시광선을 생산하는데 사용되는 것으로 예상되는 반면에, 상기 광원은 또한 보이지 않는 광선, 특히 자외선을 생산하는데에 적절하다는 것에 주목해야 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 여러 가지 특별한 실시예들이 실례를 들어 첨부 도면을 참고하여 설명될 것이다.

도 1은 마이크로파 구동 회로를 갖는 램프와 조합되는 본 발명에 따른 광원의 측면도.
도 2는 도 1의 램프에서 더 확대된 크기로 도시된 광원의 도면.
도 3은 도 1의 마이크로파 구동 회로의 스터브 동조기(stub tuner)의 유사한 도면.
도 4는 광원과 스터브 동조기 사이의 접합부의 스크랩 단면도.
도 5는 대안적인 광원의 도 2와 유사한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 광원의 투명한 플라즈마 도가니의 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 광원을 위한 투명한 플라즈마 도가니의 사시도.
도 8은 정합회로의 일부와 플라즈마 도가니를 위한 어댑터를 포함하는, 다른 광원의 측단면도.
도 9는 본 발명의 다른 광원을 위한 투명한 플라즈마 도가니의 사시도.
도 10은 도 9의 투명한 플라즈마 도가니를 포함하는 마이크로파 동력식 램프의 개략도.
도 11은 마이크로파 동력식 램프에 사용하기 위한 본 발명에 따른 다른 투명한 플라즈마 도가니의 사시도.
도 12는 도 11의 투명한 플라즈마 도가니를 포함하는 마이크로파 동력식 램프의 개략도.
도 13은 본 발명에 따른 다른 투명한 플라즈마 도가니로서 도 11과 유사한 도면.
도 14는 다만 도 13의 도가니의 도 12와 유사한 도면.

도면들 중 도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 램프는 발광 공진기 형태인 광원(1), 마그네트론(2) 및 스터브 동조기(stub tuner)(3)를 포함한다. 반사기(4)는 대체로 시준빔(5)으로 빛을 지향하기 위해 광원과 스터브 동조기 사이의 접합부(junction)에 끼워진다.

발광 공진기는 석영으로 제조된 내부 및 외부 엔벨로프들(envelopes)(12, 13)로 형성된 도가니(crucible)(11)를 포함한다. 이들은 각각의 단부판들(16, 17)을 갖는 원통형 튜브들(14, 15)이다. 패러데이 케이지(Faraday cage)는 텅스텐 와이어 메쉬(18)의 형태이고, 공진기내에서 접지면을 마이크로파들에 노출시키는 메쉬 치수를 가지며, 튜브들과 단부판들 사이에 각각 개재되어 있다. 자신의 튜브 및 단부판들을 포함하는 각각의 엔벨로프는 허메틱밀봉(hermetic)된다. 접지부(18')는 메쉬로부터 엔벨로프의 외측으로 연장된다.

단부판들 사이에 개재된 와이어 메쉬에 걸쳐있는 도가니의 축방향 길이는 작동 마이크로파 주파수를 위해 λ/2이다. 도가니의 한 단부에서, 몰리브덴 구동 접속부(connection)(19)는 텅스텐 디스크(20)로 연장된다. 이것은 도가니의 단부에 있는 메쉬로부터 1/16 λ에서 도가니의 축 A를 횡단하여 배치된다. 도가니는 희소 가스내에서 정량의(dose) 금속 할로겐화물과 같은 여기 가능한 플라즈마 재료로 채워진다.

디스크는 안테나로서 작용하며 그리고 정합회로(3)를 경유하여 마그네트론(2)에 의해 구동된다. 정합회로는 입력부에서 마그네트론의 출력 안테나(22)를 갖는 알루미늄의 공기 도파관(32)이다. 정합회로의 출력 안테나(33)는 공진기 안테나 디스크와 같은 디스크이고 그리고 접속부(34)에 연결되며, 상기 접속부는 정합회로에서 나와 절연 부쉬(35)에 의해 정합회로로부터 절연된다. 정합회로는 3개의 동조용 스터브들(36, 37, 38)을 갖는다. 이 스터브들은 λ/4로서 배열되며, 정합회로를 스터브 동조기로서 구성한다.

정합회로는 그 단부들에서 플랜지들(39, 40)을 가지며, 이 플랜지들을 통해 정합회로가 마그네트론 및 광원에 연결된다. 후자의 단부는 세라믹 재료의 홀더(42)내에 접합(41)된다(cemented). 이것은 정합회로의 플랜지(40)내에 있는 보어들(44)과 동일한 PCD에서 보어들(43)을 가지며, 그리고 이 정합회로에 광원이 나사들(45)에 의해 체결된다. 스페이서 링(46)이 정합회로 및 홀더 사이에 간격을 유지하며, 스터브 동조기 및 광원 접속부들(34, 19)을 동축상에 있게 하여 클립(47)에 의해 연결시킬 수 있게 한다. 반사기(4)도 또한 홀더(42)와 스페이서(46) 사이에서 나사들상에 유지된다. 접지부(18')도 역시 나사들(45)에 연결된다.

도 5는 또한 접지면 메쉬가 개재되어 있는 석영의 내부 엔벨로프 및 외부 엔벨로프를 갖는 대안의 발광 공진기를 도시하고 있다. 디스크 안테나(20) 대신에, 로드형 안테나(120)가 엔벨로프들의 중심축에서 석영의 재진입(re-entrant) 슬리브(121)내로 연장된다. 이러한 배치는 안테나를 도가니의 충전 내용물과 완전히 격리시키며, 이는 충전부가 특히 활동적인(aggressive) 경우에 유익하다.

작동시에, 통상 1 내지 5kW의 정격을 갖는 마그네트론이 공진 마이크로파 방사선을 스터브 동조기 및 안테나(20 또는 120)를 통하여 도가니 내로 방사한다. 이것은 혼합된 유전체 공진 캐비티(cavity)를 형성한다. 공진은 충전부가 빛을 방사하는 플라즈마를 형성하도록 캐비티내에 전기장의 강도(intensity)를 쌓아간다(build). 통상적으로 공진 모드는 TE101 이 될 것이다. 다른 공진 모드들도 가능하다.

통상 5.8GHz에서, 대향한 단부들에 있는 메쉬 사이에서 도가니의 축방향 길이는 개별 엔벨로프의 벽 두께를 1.5mm 로 허용하는 경우에 72mm이고, 직경이 31mm이다. 그러한 크기는 대부분의 가정용으로 사용하기에는 너무 큰 반면에 더 넓은 환경을 조명하기에는 전체적으로 적절하다는 것을 인식할 것이다.

스터브 동조기는 114×40×20mm의 내부 치수를 가질 수 있다. 스터브들은 1/16 λ의 중간면에 설정되어 있다. 이것이 유익한 장점이 된다는 것을 알게 되었다.

플라즈마 도가니의 석영 재료를 세라믹 재료로 대체할 수 있으며, 이 경우에 세라믹과 접촉하는 커넥터는 니오븀으로 제조될 수 있다. 또한 도가니 벽들내에 메쉬를 두는 대신에, 도가니가 인듐 주석 산화물 -ITO- 전도성 코팅으로 도포될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 광원은 땜납부(53)에 브레이징된(brazed) 몰리브덴 로드(52)와 텅스텐 안테나(54)를 갖는 몰리브덴 단부캡(51)의 하위조립체(sub-assembly)와 함께 구성될 수 있다. 상기 캡의 에지(55)가 도가니의 석영 단부 커버(57)의 넥(neck)(56)내에 들어가게 된다. 상기 하위조립체는 시일부(60)에서 도가니의 원통형 본체(58) 및 반대측 단부(59)에 시일된다. 커버(57)는 챠지 튜브(charge tube)(61)를 가지며, 이 챠지 튜브를 통해 여기성 재료 챠지 및 비활성(noble) 기체 충전부가 도입될 수 있다. 상기 튜브는 시일된다. 패러데이 케이지(62)가 ITO 코팅의 형태로 제공된다.

이제 도 7 및 도 8을 참고하여, 본 발명의 다른 램프가 설명될 것이다. 이 램프는 평평한 전면(102) 및 파라볼릭(parabolic) 후면(103)을 갖는, 폴리싱된 석영의 고체 플라즈마 도가니(101)를 갖는다. 전면은 전기전도성이지만 투명하게 만들기 위해 인듐 주석 산화물(104)로 코팅된다. ITO 층과 전기 접촉한 상태에서, 파라볼릭 후면에 백금층(105)이 있다. 상기 두 층들은 함께 석영 플라즈마 도가니 둘레에서 패러데이 케이지를 형성한다.

파라볼라의 촛점에서 파라볼라의 중심축과 정렬되는 보이드(106)에는 마이크로파 여기성 재료(107)가 채워지며, 통상 크세논에서 인듐 할로겐화물이 채워진다. 상기 보이드는 플러그(108)에 의하여 시일되는 석영내의 보어이고, 상기 플러그는 레이저 실링(sealing)에 의하여 다른 재료가 없이 융합된다.

보이드와 나란히 금속 로드 안테나(110)를 위한 리셉터클(receptacle)(109)이 석영내에 놓여 있다. 이 리셉터클은 회로(3)와 같은 정합회로의 출력부(111)에 직접 접속된다. 이 회로의 어댑터 플레이트(112)는 석영 플라즈마 도가니의 후면의 외형과 상보하는 외형(113)을 구비한다. 체결링(114)은 석영을 단부판과 접촉하도록 끌어당겨서 패러데이 케이지를 접지시킨다.

정합회로로부터 마이크로파들의 전파에 대해서, 공진이 석영 플라즈마 도가니 내에서 셋업되며 그리고 플라즈마가 보이드내에서 확립된다. 빛이 보이드내에서 할로겐화물로부터 방출된다. 이 빛은 직접 전면(102)을 통해 플라즈마 도가니를 떠나거나 또는 파라볼릭 후면(103)에 있는 백금층(105)에 의해 전방으로 반사되어 전면에서 빠져나간다.

통상적으로, 석영 플라즈마 도가니는 2.4GHz 마이크로파를 위해 직경이 49mm이고, 5.8GHz 마이크로파를 위해 직경이 31.5mm이다. 어느 경우에도, 보이드는 직경이 5mm이고, 플러그는 길이가 8mm이며 10mm 길이의 보이드를 남겨둔다. 안테나 리셉터클(109)은 직경이 2mm이고, 보이드로부터 5mm 벗어나 있으며(eccentric), 이 보이드는 플라즈마 도가니의 중심축상에 있다.

광의 출사가 벌브의 직경으로 제한되어 있는 경우에, 불투명한 도파관들에서 작은 벌브들을 사용하는 종래 무전극 램프들과 비교하면, 플라즈마 보이드(106)의 직경보다 상당히 큰, 도파관의 전체 전면에서 빛을 출사할 뿐만 아니라, 측면에서 그리고 후면에서 전파하는 빛이 전방으로 그리고 램프 밖으로 반사된다는 점을 주목해야 한다.

도 9 및 도 10을 참고하면, 램프(201)는 발진기(202) 및 증폭기(203)를 포함하고, 이들이 함께 마이크로파 에너지 소스를 형성하며, 통상 2.45 또는 5.8 GHz 또는 ISM 대역(band)내에 있는 다른 주파수들에서 작동한다. 상기 소스는 마이크로파들을 정합회로(204)를 경유하여 안테나(205)로 보내며, 이 안테나는 투명 플라즈마 도가니(207)에 있는 재진입부(206)내로 연장된다. 이 플라즈마 도가니는 석영으로 제조되며 그리고 비활성 기체 및 마이크로파 여기성 재료의 충전부를 수용하는 중앙 보이드(208)를 가지며, 상기 여기성 재료는 마이크로파에 의해 여기될 때 빛을 방사한다. 석영이 투명하므로, 빛이 여기서 어떤 방향으로도 나갈 수 있으며, 하기에 설명된 패러데이 케이지에 의해 제공된 제약들(constraints)의 지배를 받는다.

도가니는 정원통형이며, 길이가 63mm, 직경이 43mm이다. 도가니 중앙에 있는 보이드는 길이가 10mm, 직경이 3mm이다. 재진입부는 보이드와 동축상에 있으며, 직경이 2mm, 길이가 10mm 이다.

패러데이 케이지(209)는 도가니를 둘러싸고 있으며 그리고,

● 안테나 재진입부를 갖는 단부면(211)을 가로지르며, 일산화규소를 갖는 은으로 통상 제조되는 광 반사 코팅(210),

● 단부면(214)상에 증착된 인듐 주석 산화물(ITO) 증착물(deposit)(212), 및

● 원통형 표면(216) 상에 있는 화학기상 증착된 전도성 메쉬(215)로서, 상기 메쉬는 엘리먼트들(210, 212, 215)의 전기적 상호접속을 위해 단부들상에서 연장되는 핑거들(217)을 구비하고, 메쉬의 라인들은 폭이 0.5mm이고 피치가 6,0mm로 설정되어 있는, 메쉬(215)를 포함한다.

패러데이 케이지는 하우징(219)에 있는 리세스(218)내에 제공됨으로써 접지된다.

ITO 증착물은 단부면(214)의 중앙에 배치된, 도금되지 않은(un-plated) 12mm 개구(aperture)(220)를 가지며, 이에 의해 보이드내에서 플라즈마 방전부(222)의 단부로부터 나온 빛(221)이 패러데이 케이지에 의해 감쇠되지 않고 직접 투명한 플라즈마 도가니에서 빠져나갈 수 있다. 또한 많은 빛이 어느 정도 감쇠되더라도 패러데이 케이지를 경유하여 나가게 된다.

주목해야 할 것은, 패러데이 케이지가 도가니 둘레에 형성된 와이어 메쉬 전체에서 보이드와 일직선을 이룬 개구를 갖도록 형성될 수 있다는 점이다.

도 11 및 도 12를 참고하면, 램프(301)는 마이크로파 에너지의 발진기 및 증폭기 소스(302)를 포함하고, 통상 2.45 또는 5.8 GHz 또는 ISM 대역내에 있는 다른 주파수들에서 작동한다. 상기 소스는 마이크로파들을 정합회로(303)를 경유하여 안테나(304)로 보내며, 이 안테나는 투명 플라즈마 도가니(306)에 있는 재진입부(305)내로 연장된다. 이 플라즈마 도가니는 석영으로 제조되며 그리고 비활성 기체 및 마이크로파 여기성 재료의 충전부를 수용하는 중앙 보이드(307)를 가지며, 상기 여기성 재료는 마이크로파에 의해 여기될 때 빛을 방사한다. 석영이 투명하므로, 빛이 여기서 어떤 방향으로도 나갈 수 있으며, 하기에 설명된 패러데이 케이지에 의해 제공된 제약들의 지배를 받는다.

도가니는 정원통형이며, 길이가 63mm, 직경이 43mm이다. 도가니 중앙에 있는 중앙 길이방향 축 A에서 보이드는 길이가 10mm, 직경이 3mm이다. 재진입부는 보이드와 동축상에 있으며, 직경이 2mm, 길이가 10mm 이다.

패러데이 케이지(308)는 도가니를 둘러싸고 있으며 그리고,

● 안테나 재진입부를 갖는 단부면(310)을 가로질러 통상 일산화규소를 갖는 은(309)으로 제조되는 광 반사 코팅(310)으로서, 도금(plating)이 보이드내의 플라즈마로부터 나오는 빛을 도가니 밖으로 반사시키기 위해 반사성을 갖는, 광 반사 코팅(310),

● 도가니의 단부면(312)상에 증착된 인듐 주석 산화물(ITO) 증착물(311)로서, ITO 코팅이 플라즈마로부터 나오는 빛을 통과시키는, 인듐 주석 산화물(ITO) 증착물(311), 및

● 원통형 표면(315)상에 있는 화학 기상 증착된 전도성 메쉬(314)로서, 상기 메쉬는 엘리먼트들(309, 311, 314)의 전기적 상호접속을 위해 단부들상에서 연장되는 핑거들(316)을 갖고, 플라즈마로부터 나온 빛이 메쉬 라인들 사이에서 도가니로부터 빠져나갈 수 있는, 화학 기상 증착된 전도성 메쉬(314)를 포함한다.

패러데이 케이지는 알루미늄 하우징(318)에 있는 리세스(317)내에 부분적으로 제공됨으로써 접지된다.

단부면(312)은 도가니와 동일한 재료, 즉 석영으로 제조되는 플러그(322)를 수용하기 위한 보어(321)를 갖는다. 이 보어는 스텝(step)(324)을 형성하며, 이 스텝상에 플러그가 그 외부면(325)이 상기 표면(312)과 동일한 높이에 배치되며, 그리고 이 스텝으로 중앙 보이드가 연장된다. 상기 플러그는 보어(321)와 스텝(323) 사이의 코너에서 레이저 실링에 의해 시트(seat)에 시일된다.

이제 도 13 및 도 14를 보면, 광원이 도시되어 있으며- 광원의 구동 안테나, 패러데이 케이지 또는 마이크로파 소스 및 정합회로가 없이 도 11 및 도 12와 대체로 유사하게 도시되어 있다. 도가니(406)는 중앙 보이드(407)를 가지며, 이 보이드가 길이방향 및 직경방향에서 실제로 도가니 중앙에 있는 반면에, 상기 보이드(307)는 직경방향으로만 중앙에 있을 뿐이다. 보어(421)는 동일한 두께를 갖는 플러그(422)와 함께 도가니 내로 더 깊이 연장하며 그리고 보어와 보이드의 접합부에 있는 스텝(424)상에 정착한다. 플러그(422)는 상기 플러그(322)와 동일한 방법으로 레이저 시일된다.

상기 플러그(322)와는 다르게, 보어(421)내에는 플러그(422)로부터 도가니의 표면(412)으로 연장되는 다른 플러그(431)가 있다. 따라서 마이크로파 공진의 목적을 위해, 도가니는 석영의 유전상수를 갖는 재료의 연속 부재이다.

본 발명은 상술한 실시예들의 세부사항들로 제한하지 않는다. 예를 들어, 2개의 플러그들(422, 431)이 단일체(single whole)로 제공될 수 있다.

Claims

마이크로파 에너지에 의하여 동력을 받는 광원으로서,
● 내부에 시일된 보이드(void)를 가지는 본체,
● 상기 본체를 둘러싸는, 마이크로파를 에워싸는 패러데이 케이지(Faraday cage),
● 상기 패러데이 케이지 내의 상기 본체는 공진 도파관이며,
● 내부에 발광 플라즈마를 형성하기 위해 마이크로파 에너지에 의해 여기 가능한 재료의 보이드내의 충전부, 및
● 플라즈마 유도 마이크로파 에너지를 상기 충전부로 전송하기 위해 상기 본체 내에 배열된 안테나를 포함하고,
상기 안테나는 마이크로파 에너지의 소스에 결합하기 위해 상기 본체 외부로 연장되는 접속부를 구비하고,
● 상기 본체는 상기 본체로부터 나오는 빛에 대해서 투명한 재료의 고체 플라즈마 도가니(crucible)이고,
● 상기 패러데이 케이지는 상기 플라즈마 도가니로부터 출사하는 빛을 적어도 부분적으로 광투과하고,
상기 보이드내의 플라즈마로부터 나오는 빛이 상기 플라즈마 도가니를 통과할 수 있고 그리고 상기 플라즈마 도가니로부터 상기 케이지를 경유하여 방사될 수 있도록 배치되어 있는 광원.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 함께 시일된 복수의 부재(piece)들로 이루어져 있는 광원.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 균등질성(homogenous)인 광원.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 원형 단면이고 그리고 상기 마이크로파의 반 파장(half wave)이 상기 플라즈마 도가니 내부에서 직경방향으로 연장되도록 하는 크기로 한 광원.
청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제2항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 빛을 특정 방향으로 반사시키는 외형으로 되어 있는 광원.
청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제5항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니의 외형 표면은 반사를 향상시키기 위해 금속 피복(metallisation)을 갖는 광원.
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제6항에 있어서, 상기 금속 피복은 상기 패러데이 케이지의 일부를 형성하는 광원.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제5항에 있어서, 빛을 상기 플라즈마 도가니를 통해 다시 반사시키도록 배치된 상보적(complementary) 반사기를 포함하는 광원.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 투명한 도가니로부터 방출된 빛을 특정 방향으로 반사시키기 위해 개별 반사기와 조합되는 광원.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 고체 유전체 재료인 광원.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제10항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 석영 또는 다결정 알루미나 또는 다결정 이트륨 알루미늄 석류석 또는 알루미늄 니트라이드(nitride) 또는 단결정 사파이어인 광원.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 패러데이 케이지는 전도성 투명 재료의 층 및/또는 전도성 와이어의 메쉬 및/또는 망상 금속 시트(reticular metal sheet) 및/또는 화학기상 증착된 전도성 메쉬이거나 또는 이들을 포함하는 광원.
청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서, 상기 전도성 메쉬 또는 망상 시트는 상기 플라즈마 도가니의 재료로 융합되는 광원.
청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서, 상기 패러데이 케이지는 상기 패러데이 케이지를 통과하는 광 투과를 지역적으로 증가시키기 위한 적어도 하나의 개구(aperture)를 포함하는 광원.
청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제14항에 있어서, 상기 개구는 상기 도가니 내의 마이크로파들의 자유로운 공간 파장의 1/10 보다 크지 않은 광원.
청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 안테나는 상기 시일된 보이드 내로 연장되며, 상기 충전부에 의한 타격에 내구성이 있는 재료인 광원.
청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제16항에 있어서, 상기 플라즈마 도가니는 상기 패러데이 케이지의 한 측면 또는 단부로부터 다른 측면 또는 단부까지 이르는 상기 플라즈마 도가니 내의 거리에 비하여 작은 벽 두께를 갖는 광원.
청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제17항에 있어서, 상기 안테나는 평판이며, 상기 플라즈마 도가니의 길이에 횡방향으로 배치되고, 상기 접속부는 상기 플라즈마 도가니의 벽을 통과하여 연장되는 로드(rod) 또는 와이어인 광원.
청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 안테나는 상기 플라즈마 도가니 내의 재진입부(re-entrant)내에서 연장하는 전도성 금속의 로드 또는 와이어이고, 상기 접속부는 상기 안테나 로드 또는 와이어의 통합(integral) 연장부인 광원.
청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제19항에 있어서, 상기 보이드는 상기 패러데이 케이지의 한 측면 또는 단부로부터 대향 측면 또는 단부까지 이르는 상기 플라즈마 도가니 내의 거리에 비하여 작으며, 상기 재진입부는 상기 보이드와 나란히 또는 일직선으로 늘어서 있는 광원.
청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 투명한 플라즈마 도가니는:
● 스텝(step)을 갖는 보어, 및
● 상기 스텝으로부터 상기 도가니의 표면으로 연장하고 상기 도가니에 시일된 투명한 재료의 플러그를 갖는 광원.
청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서, 상기 도가니와 상기 플러그는 유리질 재료이고, 상기 플러그는 상기 스텝 및/또는 상기 보어에서 상기 플러그 재료의 국부 용융에 의해 도가니에 시일되는 광원.
청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서, 상기 도가니와 상기 플러그는 세라믹 재료이고, 상기 플러그는 상기 스텝 및/또는 상기 보어에서 프릿(frit) 재료의 국부 용융에 의해 도가니에 시일되는 광원.
청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서, 상기 플러그는 그 외부면들에서 상기 도가니와 동일한 높이에 있는 광원.
청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서, 상기 시일된 플러그는 오목하며, 제2플러그가 그 외부면들에서 상기 도가니와 동일한 높이로 상기 보어 내에 제공되는 광원.
청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서,
● 마이크로파 소스 및
● 정합회로
를 포함하는 마이크로파 구동회로와 조합되는 광원.
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