KR20020085881A - 유전체 장벽 방전 램프 - Google Patents

Abstract

유전체 장벽 방전 램프의 방전 튜브(1)는 결합 수단의 사용 없이 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)에 의해 기밀 방식으로 폐쇄된다. 이 목적을 위하여, 상기 방전 튜브(1)는 압착(10)을 갖는데, 이는 고리 모양으로 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)의 가장자리를 둘러싼다.

Description

유전체 장벽 방전 램프 {DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE LAMP}

공개번호 WO98/49712 문헌은 띠 형태로 적어도 하나 이상의 내부 전극을 갖는 관형 장벽 방전 램프(tubular barrier discharge lamp)를 개시한 바 있다. 상기 램프의 관형 장벽 방전 용기의 한쪽 말단부(end)는 납땜 유리(soldering glass)에 의하여 방전 용기의 내벽(inner wall)의 일부분에 용융된 마개(stopper)에 의하여 기밀 방식으로 폐쇄된다. 띠 모양의 내부 전극은 공급 전도체로서의 납땜 유리를 통하여 외부로 유도된다. 결점은 기밀 방식인 결합 수단으로서 납땜 유리의 층이 마개와 용기 벽 사이에서 요구된다는 점이다.

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 유전체 장벽 방전 램프(dielectric barrier discharge lamp)에 관한 발명이다.

본 발명은 하나의 극성(polarity)의 전극들 또는 모든 전극들, 다른 말로 하면 양 극성의 전극들이 유전층(dielectric layer)(한 면의 또는 두 면의 유전체 장벽 방전으로 알려진)에 의하여 방전으로부터 분리되는 방전 램프이다. 이어지는 본문에서 이런 형태의 전극들은 또한 간략히 "유전체 전극들(dielectric electrodes)"이라고 언급된다. 동작 중에, 전극들의 극성은 또한 바뀔 수 있는데, 다른 말로 하면 각 전극은 음극(anode)과 양극(cathode)으로 교대로 기능할 수 있다. 그러나, 이 경우에 있어서, 모든 전극들이 유전체 장벽을 가진다면 유리하다. 더 자세히는, 유전체 장벽 방전 램프를 위한 동작의 특히 바람직한 양식을 기술하는 유럽 특허 0 733 266 B1을 참조한다.

만약 상기 전극들이 예를 들면 외벽(outer wall) 상에서와 같이, 방전 용기(discharge vessel)의 밖에 배치된다면, 위에서 언급된 유전층은 방전 용기 자체의 벽에 의하여 형성될 수 있다. 반면에, 이어지는 본문에서 상기 유전층은 또한, 간략히 내부 전극으로 또한 언급되는, 방전 용기 내부에 배치된 적어도 하나의 전극의 적어도 부분적인 캡슐화(encapsulation) 또는 코팅(coating)의 형태로 만들어질 수 있다. 이는 유전층의 두께가 방전 성질의 관점에 따라 최적화될 수 있다는 이점을 가진다. 그러나, 내부 전극들은 기밀(gas-tight) 방식의 전류 관통 리드(lead-through)를 요구한다. 이는 추가적인 제조 단계를 요구한다.

일반적인 형태의 램프들은 예를 들면 칼라 사진 복사기와 스캐너와 같은 사무 자동화를 위한 기기들, 자동차의 제동등과 방향지시등과 같은 신호 조명을 위한 기기들, 자동차의 내부 조명과 같은 보조 조명을 위한 기기들 그리고 에지 타입 배경조명(edge type backlight)으로서 액정 디스플레이 같은 디스플레이의 배경 조명을 위한 기기들에서 특별히 사용된다.

이러한 기술적 응용 분야들은 특별히 짧은 시동(start-up) 단계와 또한 가능하면 온도에 영향 받지 않는 광 플럭스(light flux)들을 요구한다. 그러므로, 이러한 램프들은 일반적으로 수은을 전혀 포함하지 않는다. 오히려, 이러한 램프들은 대체로 불활성기체(noble gas)로 채워져 있는데, 바람직하게는 크세논(xenon, Xe) 또는 불활성기체의 혼합물로 채워져 있다. 상기의 램프가 동작하는 동안, 대략 172nm에서 최대치를 갖는 분자 대역 방사(molecular band radiation)를 방출하는, 예를 들면 Xe₂ ^*와 같은, 엑시머(excimer)들은 특히 상기 방전 용기 내에서 형성된다. 상기 응용에 의하면, 이 진공 자외선(vacuum ultraviolet, VUV) 방사는 인광물질에 의하여 가시광선으로 변환된다.

이어지는 본문에서, 본 발명은 많은 실시예들을 참조하여 보다 자세히 설명될 것이다. 도면에서:

도 1은 한쪽 말단부가 폐쇄된 방전 튜브를 도시하고,

도 2a는 삽입된 폐쇄 요소를 갖는, 도 1로부터의 상기 방전 튜브의 개방된 말단부를 통한 종단면을 도시하며,

도 2b는 도 2a의 AA 선에 따른 방전 튜브의 횡단면을 도시하고,

도 3은 용융 폐쇄 요소를 갖는 도 1로부터의 상기 방전 튜브의 상기 말단부를 통한 종단면을 도시하며,

도 4는 본 발명에 따라 상기 장벽 방전 램프를 생산하는 동안 노에서의 시간에 대한 온도 곡선을 도시하고,

도 5는 완결된 장벽 방전 램프의 실시예를 도시한다.

위에 언급된 결점을 피하고 결합 수단의 사용을 포함하지 않는 개선된 폐쇄 기술을 갖는 청구항 1의 전제부에 따른 유전체 장벽 방전 램프를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

청구항 1의 전제부의 특징들을 갖는 램프에서, 이 목적은 청구항 1의 특징부(characterizing part)의 특징들에 의해 달성된다. 특히 유리한 구성은 종속항에서 주어진다.

더우기, 방법 청구 범위의 특징들에 따라 이 램프의 생산을 위한 방법의 보호가 청구된다.

본 발명에 따라, 상기 유전체 장벽 방전 램프의 상기 방전 튜브는 두 개의 말단부 중 적어도 하나의 말단부에서, 하나의 또는 각각의 폐쇄 요소(closure element)가 상기 방전 튜브 내의 각 말단부에서 배치되고 전체적인 둘레에 걸쳐 상기 방전 튜브의 내벽에 직접적으로 기밀 방식으로 결합되는 결과로, 결합 수단의 사용 없이 디스크 모양(disk-like)의 상기 폐쇄 요소의 도움으로 기밀 방식으로 폐쇄된다. 아래에서 더욱 자세하게 설명되는 바와 같이, 이 기밀 결합은 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소의 가장자리와 내벽이 가열되어 각각의 연화점(softening point)에 도달함으로써 일어난다. "용융(fusing)"이란 용어는 결합될 두 요소의 물질들이 필수적으로 함께 용융되어야만 할 필요는 없다는 의미로 일반적으로 이해되지만, 이 용어는 또한 이 동작을 설명하는 축약된 방법으로 사용된다. 각각의 연화점에 결합될 두 요소들을 가열하고 그 다음에 부가적인 결합 수단 없이 이 요소들을 서로 접촉하게끔 함으로써 기밀 결합이 형성되어야 하는 것은 필수적일 따름이다. 더우기, 상기 방전 튜브는 용융부에서 그 전체적인 둘레에 걸쳐, 상기 압착(constriction)이 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소의 가장자리를 고리 모양으로 둘러싸는 방식으로 압착된다. 이 문맥에서, "디스크 모양의 폐쇄 요소(disk-like closure element)"라는 용어는 이 폐쇄 요소가 단순히 상기 방전 튜브 내로 밀어 넣어지고 설명된 방식으로 상기 튜브의 상기 말단부를 폐쇄할 수 있기 위해 적절하여야 함을 일반적으로 의미한다는 것으로 이해될 수 있다. 가장 단순한 경우에서, 폐쇄 요소는 원형의 판이다. 그러나, 예를 들면 원통 모양의 또는 그 유사한 모양과 같이 원형의 둘레를 갖기만 한다면 다른 설계들도 또한 적절하다.

이 방전 램프의 생산을 위한 본 발명에 따른 방법은 상기 방전 튜브의 내부 직경보다 조금 작게끔 선택될 직경을 갖는 디스크 모양의 폐쇄 요소를 제공하는 단계를 포함한다. 폐쇄될 상기 방전 튜브의 말단부에서, 이 디스크 모양의 폐쇄 요소는 대체로 수백 마이크로미터(micrometer)의, 예를 들면 대략 100㎛ 내지 300㎛인, 고리 모양의 간극(gap)이 처음부터 남아있는 방법으로 삽입된다. 적절한 간극의 너비는 우선 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소가 상기 방전 튜브에 삽입되기 위해 가능한한 쉬워야 하고, 다음으로 상기 간극이 또한 상기 방전 용기의 생산의 마무리 단계에서 기밀 방식으로 폐쇄되어야 한다는 요구 조건으로부터 결정된다. 이 범위에서, 상기 간극이 너무 넓으면 압착이 상응하여 깊게 형성되어야 하므로, 만약 상기 간극이 너무 넓지 않다면 유리하게 된다. 더우기, 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소와 폐쇄될 상기 방전 튜브의 말단부가 둘 다 미리 가열되는 것이 유리하다. 그 다음에, 상기 폐쇄 요소와 상기 방전 튜브가 폐쇄 요소의 영역에서 가열되어 연화점에 이른다. 연화점에 도달한 때, 상기 방전 튜브는 폐쇄 요소의 전체적인 가장자리가 압착부에서 기밀 방식으로 상기 방전 튜브의 벽에 결합되는 방식으로 최후로 압착된다.

예로써, 압착의 목적을 위하여, 예를 들면 그라파이트 롤러(graphite roller)와 같은 높은 용융점을 갖는 물질로 만들어진 롤러가 상기 방전 튜브의 둘레에 대하여 회전하면서 상기 폐쇄 요소의 가장자리에 상기 방전 튜브의 벽의 연화부에 압력을 가하기 위하여 사용된다. 위에 설명된 전형적인 간극 너비에 대하여, 대체로 대략 0.1mm 내지 1mm의 범위, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.8mm의 범위, 특히 바람직하게는 0.4mm 내지 0.6mm, 예를 들어 0.5mm인, 1 밀리미터(milimeter)의 10분의 수 mm인 압착의 안쪽 반지름(radial depth)으로 충분하다고 밝혀진 바 있다.

같은 유형의 유리가 상기 방전 튜브와 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소에 사용되는 것이 바람직하다. 팽창 계수들이 필연적으로 같다는 사실은 종래 기술에서와 같이 부가적인 결합 수단을 사용할 때보다 응력(stress)이 더 낮다는 것을 의미한다. 후자의 경우에서, 예를 들면 납땜 유리와 소다석회 유리(soda-lime glass)로 이루어진 상기 방전 튜브와 같은 결합 수단의 다른 팽창 계수 때문에 필연적인 응력의 위험은 상응하여 높게 된다.

용융되는 동안에 대개 발생하는 열응력(thermal stress)은 후속의 템퍼링(tempering)에 의해 감소될 수 있다. 종래 기술과 달리 용융될 구성 요소들이 직접 가열될 수 있기 때문에, 유리 용융과 후속의 템퍼링은 상대적으로 빠르게 수행될 수 있는데, 여기서 우선 바인더(binder)가 소결부(sintered part)로부터 방출되어야 하거나 유리 프릿(glass frit)이 부분적으로 용융되어야 한다. 더우기, 부가적인 결합 수단이 더 이상 필요치 않기 때문에, 본 발명에 따른 유리 용융은 비용이 적게 든다.

바람직한 변형에서, 상기 방전 용기의 내부에 면한 디스크 모양의 폐쇄 요소의 측면은 예를 들면, TiO₂, Al₂O₃와 같은 반사층(reflective layer)이나 간섭층(interference layer)으로 코팅되어 있다. 이런 방법으로, 가장자리 영역에서의 휘도가 증가하도록 상기 방전 용기의 말단부 면으로부터 나오는 빛이 반사되어 돌아오는데, 이러한 휘도의 증가는 그렇지 않다면 상기 램프의 말단부 무렵쯤에 일반적인 휘도의 급감 때문에 매우 바람직하다.

더우기, 디스크 모양의 폐쇄 요소에 개구부(opening)와 이 개구부 위에 전체적으로 형성되는 펌프 튜브(pump tube)가 제공되는 것이 유리할 수 있다. 이런 방법으로, 상기 램프는 비워질 수 있고 생산 동안 이 펌프 튜브의 도움으로 채워질수 있다. 그러나 대체적으로, 특히 만약 상기 램프가 예를 들어 진공노(vacuum furnace)와 같은, 비워질 수 있는 챔버(chamber) 안에서 생산된다면, 이런 개구부와 펌프 튜브 없이도 가능하다.

본 발명에 따른 상기 유전체 장벽 방전 램프의 바람직한 실시예는 이미 도입부에서 언급된 내부 전극을 사용한다. 이 경우에, 적어도 하나의 전극이 상기 방전 튜브의 내벽 상에 배치되고, 압착부에서 내벽과 폐쇄 요소 사이의 결합을 통하여 기밀 방식으로 바깥에 이르게 된다. 상기 방전 튜브는 내부 전극들의 연결부에 접촉하는 표면을 제공하기 위하여 압착을 넘어서 돌출된다. 본 발명에 따르면 상기 결합은 유전체 장벽의 어떤 변위를 유발하고, 이 범위에서 이 유전체 내부 전극의 동작에 방해가 예상되지만, 놀랍게도 상기 유전체 장벽 내부 전극의 부분적인 변형은 유전체 장벽 방전에 어떤 부정적인 영향도 없다는 것이 발견된 바 있다. 그러나, 이를 위한 전제조건은 압착이 정확하게 상기 디스크 모양 폐쇄 요소의 영역 내에 있어야 한다는 것이다. 더욱 정확하게는, 압착의 축의 범위가 실질적으로 상기 방전 튜브의 내벽을 따라 디스크 모양의 폐쇄 요소의 축의 범위에 제한되어야 한다. 압착에 매우 가까운 경우에 어쩔 수 없이 일어나는 상기 방전 튜브 축 방향에서의 상기 전극 경로의 반원형의 뒤틀림은 부분적으로 불꽃 거리(sparking distance)를 기하학적으로 단축시키지만, 용융에 인접한 지역 내의 전기장은 앞서 언급된 WO98/49712에 설명된 개별 방전이 디스크 모양의 폐쇄 요소로부터 멀어지는 방향인 그런 방식으로 결과적으로 변형된다. 이는 효율적인 불꽃 거리를 증가시키고 부가적으로 개별 방전이 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소를 따라 주로 형성되는것을 막는데, 이는 바람직하지 않다. 더욱 자세히는, 실시예를 참조한다.

다음의 도 1에서 도 3은 본 발명에 따른 상기 유전체 장벽 방전 램프의 생산을 위한 과정을 설명하기 위해 사용된다.

도 1은 소다석회 유리로 만들어진 방전 튜브를 도시하는데, 상기 방전 튜브는 제1 말단부(2)에서는 처음부터 여전히 개방되어 있으나, 다른 말단부(3)에서는 이미 밑동 용융부(butt-fusion, 4)에 의해 폐쇄되었다.

도 2a, 도 2b는 라인 AA 상의 개략적인 종단면과 횡단면에서의 상기 방전 튜브(1)의 상기 개방된 말단부(2)를 각각 도시한다. 상기 방전 튜브(1)의 상기 내벽에는 유리 유전체 장벽(6a, 6b)으로 덮여진, 은으로 만든, 두 개의 직경 방향으로 배치된 선형 내부 전극들(5a, 5b)이 이미 제공되었다. 더하여, 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)는 이미 상기 방전 튜브(1)의 개방된 말단부(2)에 중심을 따라 배치된다. 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)의 외부 직경은 대략 100㎛ 내지 300㎛의 작은 간극(11)이 전체 둘레에 걸쳐 남아있게 하기 위해 장벽(6a, 6b)을 포함한 두 개의 내부 전극(5a, 5b)의 두께를 뺀 내부 직경보다 조금 작다. 상기 폐쇄 요소(7)는 중심부의 구멍(8)을 갖는데, 펌프 튜브(9)가 이 위에 일체로 형성된다.

도 2a와 같은 방법으로, 도 3은 도식적인 종단면도에서 상기 방전 튜브의 개방된 말단부(2)를 도시하나, 이 경우에는 내벽의 반대 부분에 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)의 가장자리의 방전 튜브(1)가 용융된 후를 도시한다. 종단면도가 전극들(5a, 5b) 또는 장벽들(6a, 6b)에 따라 도시된 것이기 때문에 실제의 용융은 도 3에서 도시될 수 없다. 그러나, 상기 가장자리 또는, 더욱 정확하게는, 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)의 둘레의 표면을 따라 이어지는 압착은 명확하게 보여질 수 있다. 압착의 깊이는 대략 0.5mm이다. 압착(10) 영역 내의 두 장벽들(6a, 6b)의 작은 조임과 방전 공간 내의 압착에 바로 인접한 영역 내의 전극들(5a, 5b)의 반원 만곡(12a, 12b)이 또한 도시될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따르면 상기 램프를 생산하는 동안 노(furnace)(미도시) 내에서의 무응력 용융(stress-free fusion)을 위하여 적절한, 시간에 대한 온도 곡선을 도시한다. 대략 50초 동안 계속되는 대략 640℃의 온도까지의 실질적으로 선형인 가열 단계(linear heat-up phase) 이후에 온도는 대략 10초 동안 유지된다. 그 다음에 템퍼링 과정이 이어지는데, 여기에서는 대략 110초의 주기에 걸쳐 대략 370℃의 온도까지 거의 지수함수적으로(exponentially) 온도가 감소한다. 용융될(to be fused) 구성요소들을 연화점(softening point)까지 국부 가열(local heating)하여 그 도움으로 일어나는 디스크 모양의 마개 부분(7)과 상기 방전 튜브(1)의 인접한 내벽 사이의 용융(fusion)과 도 3에서 설명되는 바와 같이, 압연(rolling-in)이라고 언급되기도 하는 연속적인 압착은 대략 640℃의 유지 온도에 도달하기 전에 시작되며, 대체로 대략 10초 동안 지속된다.

이어지는 본문에서, 완성된 램프(13)를 설명하는 도 5가 부가적으로 참조된다. 이전의 설명에서 도시된 것과 같은 특징들에 같은 참조 번호들이 제공된다. 상기 두 내부 전극들과 관련된 유전체 장벽들은 도시되어 있지 않다. 상기 방전 튜브(1)가 상기 펌프 튜브(9)를 거쳐 채워진 후에, 펌프 튜브는 펌프 팁(14)을 형성하도록 용융된다. 그 다음에 상기 램프는 필요하다면 캡(cap)이 덮여질 수 있다.

Claims (11)

1. 폐쇄된 관형 방전 용기(closed tubular discharge vessel, 1, 4, 7)와 연장된 전극들(5a, 5b)을 갖는 유전체 장벽 방전 램프(dielectric barrier discharge lamp, 13)로서,

   상기의 방전 용기(1, 4, 7)가 양 말단부가 폐쇄된 방전 튜브(discharge tube, 1)를 포함하고,

   여기서 상기 방전 튜브(1)의 적어도 하나의 말단부들(end)은, 하나의 또는 각각의 폐쇄 요소(closure element, 7)가 상기 방전 튜브(1) 내의 각 말단부(2)에서 배치되고 전체적인 둘레에 걸쳐 상기 방전 튜브(1)의 내벽에 직접적으로 기밀(gas-tight) 방식으로 결합되는 결과로, 결합 수단의 사용 없이 디스크 모양(disk-like)의 상기 폐쇄 요소(7)의 도움으로 기밀 방식으로 폐쇄되며,

   상기 방전 튜브(1)는 압착(10)이 고리 모양으로 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)의 가장자리를 둘러싸는 방법으로, 결합부에서 전체적인 둘레에 걸쳐 압착되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압착(10)의 축 방향 범위(axial extent)가 실질적으로 상기 방전 튜브의 내벽을 따라 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)의 축 방향 범위로 제한되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 방전 램프 내에서 상기 압착(10)의 안쪽 반지름(radial depth)이 대략 0.1mm부터 1mm까지, 바람직하게는 0.2mm와 0.8mm 사이, 특히 바람직하게는 0.4mm와 0.6mm 사이인 것을 특징으로 하는 방전 램프.
4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 방전 램프 내에서 적어도 하나의 전극(5a, 5b)이 상기 방전 튜브(1)의 내벽에 배치되어 있고, 상기 압착(10) 영역에서 내벽과 폐쇄 요소(7) 사이의 결합부를 통하여 기밀 방식으로 바깥에 이르는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방전 램프 내에서 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)는 펌프 튜브(9)가 일체로 형성되어 있는 개구부(opening, 8)를 갖는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방전 램프 내에서 상기 방전 용기 내부에 면한 디스크 모양의 폐쇄 요소의 옆면이 반사층(reflective layer)으로 코팅된 것을 특징으로 하는 방전 램프.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방전 램프 내에서 상기 방전 튜브(1)가 폐쇄 요소(7)를 넘어서 돌출되는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방전 램프 내에서 상기 방전 튜브(1)와 상기 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)가 동일한 타입의 유리로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 방전 램프.
9. 제 1항 내지 제 8항에서 따른 방전 램프를 제조하는 방법으로서,

   상기 방전 튜브(1)의 내부 직경보다 작은 직경의 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)를 제공하는 단계;

   고리 모양의 간극(gap)이 남아 있는 방식으로, 폐쇄될 상기 방전 튜브의 말단부(2)에서 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)를 삽입하는 단계;

   상기 폐쇄 요소(7)와 상기 폐쇄 요소의 영역 내의 방전 튜브(1)를 연화점(softening point)까지 가열하는 단계; 그리고

   상기 폐쇄 요소(7)의 가장자리가 압착(10)의 영역 내에서 기밀 방식으로 상기 방전 튜브(1)의 내벽에 결합되는 방식으로 상기 방전 튜브(1)를 압착하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    압착의 목적을 위하여, 높은 녹는점(melting point)을 갖는 물질로 만들어진롤러(roller)가 상기 폐쇄 요소의 가장자리 위에서 상기 벽의 연화부에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 생산 방법.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서,

    상기 디스크 모양의 폐쇄 요소(7)와 폐쇄될 상기 방전 튜브(1)의 말단부(2) 삽입 전에 미리 가열되는 것을 특징으로 하는 방전 램프 생산 방법.