KR19990082465A - 방전 램프용 콜드 캐소드, 상기 콜드 캐소드가 장치된 방전램프, 및 상기 방전 램프의 동작 방법 - Google Patents

Abstract

유전체적으로 지연되는 방전에 의해 동작되는 방전 램프(6)용 콜드 캐소드(1)는 강유전체가 샌드위치 방식으로 배열되는 두 개의 전기 전도성, 상호 반대 전극을 가진다. 적어도 하나의 전극은 하나 이상의 개구부가 제공된다. 동작 동안, 빠르게 반전하는 극성의 전압은 두 개의 전극에 제공된다. 그 결과 방전 램프의 동작 전압에 의해, 개구부를 통하여 램프 애노드(8)로 가속되고 램프(6)의 방전을 점화 또는 유지하기 위하여 사용하는 전자를 강유전체의 표면상에서 방출한다.

Description

방전 램프용 콜드 캐소드, 상기 콜드 캐소드가 장치된 방전 램프, 및 상기 방전 램프의 동작 방법

유전체적 지연 방전 램프에서, 적어도 하나의 전극은 유전체 층에 의해 방전 공간으로부터 분리된다.

본 발명은 콜드 캐소드를 가지는 방전 램프, 특히 청구범위 제 9 항의 전제부에 따른 유전체적 지연 방전에 의해 동작되는 방전 램프와 청구범위 제 12 항의 전제부에 따른 상기 램프를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

여기서, "방전 램프"는 가시적 전자기 광선, 또는 다른 자외선(UV) 및 진공 자외선(VUV)의 광을 방사하는 라디에이터를 의미한다.

방전 램프 전극의 임무는 특히 자체적으로 유지되는 방전을 유지하기 위하여 필요한 자유 전자 수를 공급하는 것이다. 이들 전자는 캐소드(변하지 않는 극성의 전압, 예를들어 DC 전압 또는 단극 펄스 전압으로 동작하는 경우) 또는 순시 캐소드(가변 극성의 전압, 예를들어 AC 전압 또는 이극 펄스 전압으로 동작하는 경우)에 의해 공급된다. 게다가, 자유 전자는 (순시) 캐소드의 전면에 배치된 캐소드 폴(fall) 공간에 생성된다.

캐소드 폴 공간은 전극 사이의 남은 공간과 비교하여 높은 자기장 세기를 특징으로 한다. 즉 캐소드에 관련하여 전기 전위가 이 지역에서 비교적 강하게 강하하는 것을 말한다. 결과적으로, 캐소드 폴 공간에서 자유 전자의 생성은 일반적으로 대응하는 높은 전력 반전과 연결된다. 유용한 광선, 즉 광 또는 UV/VUV 광선의 가능한한 효과적인 생성에 관련하여, 방전 램프의 캐소드 폴을 감소시키는 것이 목표된다. 최종적인 분석에서, 이것은 전자가 캐소드 표면으로부터 방출되는 효율성 증가를 요구한다.

한가지 방법은 필라멘트로서 전극을 설계하고, 상기 전극을 가열하고, 가능하다면, 부가적으로 에미터 페이스트(paste)로 상기 전극을 코팅하여 열적 전자 방사를 개선하는 것이다. 이런 비교적 복잡한 기술은 예를들어 형광 램프의 경우에 사용된다. 게다가 이들 소위 핫 전극과 연관된 단점은 램프의 제한된 서비스 수명 및 충전 가스의 온도 상승이다.

DE-U 295 01 343은 콜드 캐소드를 가지는 글로우 형광 램프를 개시한다. 전극은 캐소드 폴을 감소시키기 위하여 망간 또는 란탄으로 도핑된다.

US 5 418 424는 포토캐소드를 가지는 VUV 방사 소스를 기술한다. 특히 방사 소스 내부에 단파 VUV 방사선을 생성하는 Xe 익사이머(excimer)가 형성된다. 포토캐소드는 스테인레스 스틸 표면에 제공된 50 ㎚ 두께의 광방사층 및 상기 층과 평행한 그리드 전극을 포함한다. VUV 방사선은 그리드 전극을 통하여 광방사 층으로 통과하고 광 효과에 의해 거기에 전자를 방출한다. 이들 전자는 그리드 전극을 통하여 통과하여 방전을 유지한다. 상기된 전자를 생성하기 위한 메카니즘은 방전 그 자체에 의해 생성된 VUV 광선을 바탕으로 하는 단점을 가진다. 그래서, 방전동안, 이 전자 소스는 유용하지 않거나, 제한된 범위에만 유용하다. 이것은 펄스로 동작되는 방전의 경우에 효율 손실에 부정적인 방식으로 보여진다.

EP 675 520 A2는 자동 조명을 위한 소형 네온 램프용 팟(pot) 모양 또는 비이커 모양 전극을 개시한다. 전극의 내부 벽은 에미터 층으로 균일하게 커버된다.

마지막으로, US 5 159 238은 편평한 방전 램프용 전극을 개시한다. 캐소드는 낮은 용해점 유리, 예를들어 납유리에 묻혀진 전기 전도 산화물 입자를 포함한다.

본 발명은 방전 램프용 콜드 캐소드, 특히 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 유전체적 지연 방전에 의해 동작되는 방전 램프용 콜드 캐소드에 관한 것이다.

도 1a는 샌드위치 설계의 강유전체 전자 에미터를 가지는 본 발명에 따른 스트립 모양 콜드 캐소드의 평면도.

도 1b는 도 1a의 샌드위치 캐소드의 라인 AA를 따르는 단면도.

도 2a는 도 1의 스트립 모양 샌드위치 캐소드를 가지는 UV/VUV 편평한 라디에이터의 평면도.

도 2b는 도 2a의 UV/VUV 편평한 라디에이터의 라인 BB을 따르는 단면도.

도 3은 도 2 전극 장치의 전기 회로도.

도 4a는 펄스 모드의 동작의 경우에 램프 전극에서 전압의 시간 특성을 도시한 도.

도 4b는 본 발명에 따른 동작 방법에 따라 샌드위치 캐소드에서 도 4a에 속하는 시간 특성을 도시한 도.

본 발명의 목적은 상기 단점을 제거하고 저온 전극에서 개선된 전자 방사 특성을 가지는 전극을 제공하는 것이다.

이런 목적은 본 발명에 따라 특허 청구범위 제 1항의 특징부에 의해 달성된다. 특히 본 발명의 바람직한 실시예는 이하 종속항에 기술된다.

본 발명의 다른 목적은 상기 캐소드를 포함하는 방전 램프를 제공하는 것이다. 이런 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제 9항의 특징부에 의해 달성된다.

마지막으로, 본 발명의 다른 목적은 방전 램프를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다. 이런 목적은 본 발명에 따라 청구범위 제 12항의 특징부에 의해 달성된다.

본 발명의 기본적인 생각은 R. Miller 및 S. Savage에 의해 설명된 바와같이(R. Miller 및 S. Savage, Applied Physics 21의 저널, 1960, 페이지 662) 개선된 전자 방사 특성을 가지는 콜드 캐소드가 전자를 방사하기 위하여 강유전체 재료의 능력을 사용하는데 있다. 전자 방출 메카니즘은 공지된 바와같이 강유전체 내부 극성의 빠른 반전을 바탕으로 한다.

본 발명은 샌드위치 형태의 설계를 가지는 콜드 캐소드를 제안하다. 이 장치에서, 강유전체 재료, 예를들어 납 지르코늄 티탄산염(PZT) 또는 납 란탄 지르코늄 티탄산염(PLZT)으로 만들어진 세라믹은 플레이트, 포일, 필름 등으로 만들어진 두 개의 전기 전도 표면 사이에 배열된다. 한쪽 또는 양쪽 표면은 관통된 플레이트, 와이어 그리드 또는 적당히 제공된 층의 형태에 적어도 하나 또는 그 이상의 개구부를 가진다. 강유전체 재료는 개구부의 위치에는 커버되지 않아서, 강유전체에 의해 생성된 자유 전자는 이들 개구부를 통하여 방전 장치의 애노드 방향으로 통과할 수 있다. 본 발명에 따른 샌드위치 형태의 콜드 캐소드는 약술을 위하여 하기에 샌드위치 캐소드라 부른다.

방전 램프의 동작 동안, 일련의 빠르게 교번하는 전압 펄스는 두 개의 전기 전도 표면에 제공된다. 그러므로 샌드위치 캐소드는 전기 커패시터처럼 작용하고, 상기 표면은 커패시터 전극에 대응한다. 이런 시나리오에서, 강유전체는 커패시터 유전체 역할을 한다. 처음에 약술된 강유전체 내부의 빠른 극성 반전은 이런 방식으로 달성된다.

극성 반전을 위하여 요구된 전압 펄스 레벨을 가능한한 낮게 유지하기 위하여 샌드위치 캐소드 및 특히 강유전체층이 얇게 설계되는 것이 바람직하다. 층 두께에 대한 통상적인 값은 1㎜ 이하이고, 캐소드 폴 공간 지역에서 대략 10㎛ 및 0.2㎛ 값이 바람직하다.

샌드위치 캐소드는 다양한 형태의 콜드 캐소드 방전 램프가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 콜드 캐소드는 애노드가 유전체 지연을 받는지 아닌지에 무관하게 바람직한 효과를 가진다. 이런 관점에서 중대한 요소는 샌드위치 캐소드 그 자체가 유전체 지연없이 방전관내에 배치된다는 것이다. 샌드위치 캐소드의 기하구조는 방전관의 기하구조에 가능한한 최상으로 적용된다.

샌드위치 캐소드는 처음에 언급된 DE-U 295 01 343의 글로우 형광 램프, 또는 EP 700 074에 개시된 글로우 형광 램프 같은 관모양 방전 램프에 대하여 할로우 실린더 모양이다. 샌드위치 캐소드의 금속 내부 및 외부 벽 각각은 인입 와이어를 가진다. 두 개의 인입 와이어는 기밀 방식으로 방전관으로부터 외측으로 유도된다. 그것에 의해 샌드위치 캐소드에 빠른 교번 전압 펄스를 유도하는 것이 가능하다.

바람직한 사용은 한측면상에서 유전체적으로 지연되는 방전에 의해 동작되는 방전 램프의 샌드위치 캐소드로 이루어진다. 샌드위치 캐소드는 내부 벽에 직접적으로 제공됨으로써 방전관의 내부에 배열된다. 애노드는 방전관의 외부벽 또는 내부 벽의 어느 한 측면상에 장치된다. 추후의 경우에, 애노드는 부가적인 유전체, 예를들어 얇은 유리층에 의해 실제 방전관으로부터 분리된다.

샌드위치 캐소드의 하나의 장점은 전자 방출 즉시 정밀한 제어이다. 특히, 이용할 수 있는 방사선의 생성 효율은 빠른 극성 반전 또는 방전을 위한 전압 신호의 일시적 튜닝에 의해 증가된다. 이것은 이용 가능한 방사선의 개선된 효율에 의해 임의의 경우에 이미 식별된 WO 94/23442에 따른 펄스 방전을 위하여 유지된다. 효율의 증가는 가스 방전의 점화 바로전에 샌드위치 캐소드의 표면상에 적당한 수의 전자를 제공함으로써 달성된다.

본 발명에 따른 샌드위치 캐소드의 사용에 의한 효율의 증가는 유전체적으로 지연되는 방전의 경우에 사용된 AC 전압 여기를 위하여 제한되는데, 왜냐하면 여기서 샌드위치 캐소드는 각각 제 2 단계에서 애노드로서 작동하고, 결과적으로 방출된 전자는 방전에 사용되지 않기 때문이다.

본 발명에 따른 동작 방법은 펄스로 동작되는 유전체적으로 지연되는 방전의 경우에 따른다. 첫째, 빠르게 반전하는 극성의 전압 신호는 샌드위치 캐소드의 두 개의 전기 단자에 인가된다. 강유전체의 빠른 극성 반전이 이루어짐으로써 충분한 수의 전자가 샌드위치 캐소드의 표면상에 방출되자 마자, 전압 펄스는 샌드위치 캐소드 및 애노드 사이에 제공된다. 전자는 결과적으로 애노드의 방향으로 가속화되고 방전은 점화된다.

본 발명은 몇몇 실시예를 참조하여 하기에 상세히 설명된다.

도 1a, 1b는 평면도로 스트립 모양 샌드위치 캐소드(1) 및 라인 AA을 따른 단면도를 개략적으로 도시한다. 대략 2㎜ 두께의 샌드위치 캐소드(1)는 하부층(2), 상부층(3) 및 상기 하부 및 상부층 사이에 배열된 강유전체층(4)을 포함한다. 강유전체 층(4)은 PZT(납 지르코늄 티탄산염)로 만들어진 대략 100㎛ 두께의 기판을 포함한다. 하부층(2) 및 상부층(3)은 백금으로 구성되고 각각의 경우에 대략 1㎛의 층 두께를 가지는 강유전체 기판(4)의 상부측 및 하부측에 제공된다. 대략 200㎛의 규칙적인 간격에서, 상부층(3)은 200·200㎛²크기의 사각형 개구부(5)를 가진다. 하부층(2) 및 상부층(3)은 방전 램프를 동작시키기 위하여 인입 와이어(도시되지 않음)에 각각 접속된다. 샌드위치 캐소드(1)가 그것의 개구부(5)로부터 전자를 방사하기 위하여, 두 개의 인입 와이어는 빠른 극성 반전하는 전압 신호를 공급하는 전압 소스(도시되지 않음)에 접속된다.

도 2a, 2b는 UV 또는 VUV 방사선의 효과적인 방사를 위하여 설계된 UV/VUV 편평한 라디에이터(6), 즉 편평한 방전 램프의 평면도 및 라인 BB를 따른 단면도이다. 편평한 라디에이터(6)는 사각형 베이스 영역을 가지는 편평한 방전관(7), 도 1에 따른 스트립 모양 샌드위치 캐소드(1), 및 두 개의 스트립 모양 금속 애노드(8)를 포함한다. 방전관(7)은 사각형 바닥판(9) 및 트러프(trough)형 커버(10)(도 2a에 도시되지 않음)를 포함하고, 양쪽은 유리로 만들어진다. 바닥판(9) 및 커버(10)는 주변 에지 지역에서 기밀 방식으로 서로 접합되고, 편평한 라디에이터(6)의 충전 가스를 밀봉한다. 충전 가스는 10 kpa의 충전 압력에서 크세논을 포함한다. 애노드(8)들은 동일한 폭을 가지며 샌드위치 캐소드(1)와 같이 바닥판(9)의 내부 벽상에서 서로 평행하게 제공된다. 샌드위치 캐소드(1)와 비교하여, 두 개의 애노드(8)는 대략 150㎛의 두께인 유리층(11)에 의해 완전히 커버된다.

하나의 변형에서(도시되지 않음), 커버(10)의 내부 벽은 방전에 의해 생성된 UV/VUV 광선을 가시 광으로 전환하는 형광 재료 또는 형광 재료의 혼합 재료로 커버된다. 이런 변형은 예를들어 LCD(액정 디스플레이)인 일반적인 디스플레이의 일반적인 조명 또는 배경 조명에 적당하다.

샌드위치 캐소드를 가지는 방전 램프를 동작시키기 위한 방법을 설명하기 위하여, 도 2의 장치 및 전기 회로는 도 3에 개략적으로 도시된다. 이 경우, 동일 참고 번호는 특징부를 나타낸다. 샌드위치 캐소드(1)의 전극, 특히 하부층(2) 및 상부층(3)은 전압 신호(U1)를 공급하는 제 1 전압 소스(12)의 출력 극에 각각 접속된다. 애노드(8)(간략화를 위하여 애노드 스트립은 단면으로 도시됨)는 전압 신호(U2)를 공급하는 제 2 전압 소스(13)의 제 1 극에 접속된다. 게다가, 샌드위치 캐소드(1)의 상부층(3)은 제 2 전압 소스(13)의 제 2 극에 접속된다.

도 4a 및 4b는 펄스로 동작되는 방전을 참조하여 본 발명에 따른 동작 방법 원리를 설명하기 위하여 사용한다. 이들은 도 3에 언급된 두 개의 전압 신호(U1 및 U2)의 시간 특성을 도시한다. 원칙적으로 제한되지 않는 전압 펄스 시퀀스중 단지 하나의 전압 펄스가 각각의 경우에 도시된다. 두 개의 전압 신호(U1 및 U2)의 일시적인 동기화가 필요하다. 제 1 전압 신호(U1)는 순시(t₂)에서 극성을 빠르게 반전하고 강유전체층(4)으로부터 전자 방출을 시작하도록 선택된다. 그후, 추후의 순시(t₃>t₂)에서, 전압 신호(U2)의 전압 펄스는 애노드(8) 방향으로 방출된 전자를 가속하고 방전을 점화 또는 유지하도록 선택된다. 전압 신호(U1)의 극성 반전을 위한 기간(순시 t₁및 t₄에서 하나의 애노드를 따라 다른 극성의 두 전압 펄스 피크 사이 일시적 간격 Δ=t₄-t₁로서 계산됨)은 대략 500ns 및 그 이하이다. 통상적인 값은 100 ns 또는 100 ns 크기 정도이다.

Claims (18)

1. 유전체적으로 지연되는 방전에 의해 동작되는 방전 램프용 콜드 캐소드에 있어서,

   상기 콜드 캐소드(1)는 두 개의 전기적으로 전도성이고 서로 반대의 전극(2, 3)을 가지며, 상기 전극(2, 3) 사이에 강유전체(4)가 배열되고, 적어도 하나의 전극(3)은 동작 동안, 두 개의 전극(2, 3)에 빠른 반전 극성 전압을 인가함으로써 전자가 개구부(5)를 통하여 방출되도록 하나 이상의 개구부(5)를 가지며, 상기 전자는 방전 램프의 방전을 점화 또는 유지하기 위하여 사용하는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극(2, 3) 및 강유전체(4)는 2차원 또는 스트립 모양의 구조를 형성하고, 각각의 경우에 강유전체(4)의 상부 및 하부 표면은 서로 반대 전극(2, 3)의 내부 측면이 면하는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
3. 제 2 항에 있어서, 2차원 구조는 할로우 실린더로서 형성되는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 콜드 캐소드는 샌드위치 형태의 구조(1)를 가지며, 상기 전극(2, 3)은 강유전체(4)의 상부 및 하부 표면에 직접적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 강유전체(4)의 두께는 1 mm보다 이하이고, 바람직하게 대략 50 ㎛ 및 500 ㎛ 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전극(2, 3)은 금속, 특히 백금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 전극(3)의 적어도 하나의 개구부(5)는 격자 또는 그리드 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 강유전체(4)는 납 지르코늄 티탄산염(PZT) 또는 납 란탄 지르코늄 티탄산염(PLZT)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 콜드 캐소드.
9. 밀봉되고(7) 가스 충전물이 충전되거나 개구부가 있고 상기 개구부를 통하여 흐르는 가스 또는 가스 혼합물을 가지며, 전기 비전도 재료로 만들어지는 적어도 부분적으로 투명한 방전관, 및 상기 방전관의 내부에 배열된 하나 이상의 음의 극성 전극(1)과 하나 이상의 양의 극성 전극(애노드)(8)을 가지는 방전 램프(6)에 있어서,

   상기 캐소드(1)는 청구범위 제 1 항에 따른 특징부를 가지는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 캐소드(1)는 캐소드(1)의 개구부(5)가 방전관(7)의 내부 방향으로 지향하도록 방전관(7)의 내부 벽상에 스트립 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 애노드 또는 애노드들(8)은 방전관(7)의 내부에서 분리되고 유전체 재료(11)에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 애노드(8)는 방전관(7)의 내부 벽상에서 스트립 방식으로 배열되고, 각각의 애노드 스트립(8)은 유전체층(11)에 의해 완전히 커버되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
13. 제 9 항에 따른 특징부를 가지는 방전 램프(6)를 동작시키기 위한 방법에 있어서,

    빠른 극성 반전으로 제 1 시변 전압 신호(U1)를 제공하는 단계;

    제 2 시변 전압 신호(U2)를 제공하는 단계;

    제 1 신호(U1)의 빠른 극성 반전이 제 2 신호(U2) 진폭의 절대 값 증가에 의해 이루어지도록 제 1 및 제 2 신호를 동기화하는 단계;

    콜드 캐소드(1)가 각각 극성의 반전시 개구부(5)를 통하여 전자를 방출함으로써 콜드 캐소드(1)의 전극(2, 3)에 제 1 전압 신호(U1)를 인가하는 단계; 및

    제 2 전압 신호(U2) 진폭 절대값의 각각의 증가로 방출된 전자가 애노드(8)의 방향으로 가속되고 방전을 점화 또는 유지하도록 방전 램프(6)의 애노드(8) 및 콜드 캐소드(11)에 제 2 전압 신호(U2)를 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 전압 신호(U1)의 극성 반전 기간은 대략 500 ns 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 시변 전압 신호(U2)는 오프 기간에 의해 분리된 전압 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 펄스 폭은 0.1㎲ 및 10㎲ 사이의 범위, 바람직하게 0.5㎲ 및 5㎲ 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 펄스 반복 주파수는 1 kHz 및 1 MHz 사이의 범위, 바람직하게 10 kHz 및 100 kHz 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 시변 전압 신호(U2)는 AC 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.