KR20020093071A

KR20020093071A - 향상된 작동개시 필드를 위하여 파이버를 이용하는 램프

Info

Publication number: KR20020093071A
Application number: KR1020027014304A
Authority: KR
Inventors: 체스로고르코스키; 데이비드해머; 송병무; 용라이티안; 미오드래그체킥; 마이클지.유리; 더글라스에이.커크패트릭
Original assignee: 코넬 리서치 화운데이션,인크.; 퓨전 유브이 시스템즈, 인코포레이티드; 퓨전 라이팅, 인코포레이티드
Priority date: 2000-04-26
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-12-12
Also published as: EP1279187A1; EP1279187B1; DE60104301D1; US6628079B2; TW498390B; CN1436362A; WO2001082332A1; US20020140381A1; DE60104301T2; JP2002008596A; AU2001255308A1; ATE271258T1

Abstract

방전 램프 전구는 빛 전달 엔벨럽을 포함하고 엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 전도성 파이버를 포함하고, 상기에서 파이버는 100 마이크론 보다 작은 두께를 가진다. 램프는 무전극이거나 또는 내부 전극을 포함할 수 있다. 파이버를 위한 적당한 물질은 탄소, 실리콘, 카보나이드, 알루미늄, 탄탈, 몰리브덴, 백금 및 텅스텐을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 실리콘 카바이드 위스커와 실리콘 카바이드로 코팅된 백금 파이버가 사용될 수 있다. 파이버는 전기장을 따라 정렬되고, 이러한 정렬은 적어도 작동 개시 동안에서 발생되어야 한다. 아울러 램프는 파이버를 커버링 하는 보호 물질을 적절하게 포함한다. 예를 들어, 보호 물질은 졸-겔 침전된 실리카 코팅이 될 수 있다. 적어도 300 Torr를 초과하는 압력 하에 있는 전구 내부의 노블 기체는 4×10⁵V/m보다 작은 적용된 전기장 세기에서 신뢰성 있게 점화된다. 2000 Torr를 넘는 크세논, 크립톤 및 아르곤 각각이 3×10⁵보다 작은 적용된 필드에 대하여 절연 파괴가 이루어진다.

Description

향상된 작동 개시 필드를 위하여 파이버를 이용하는 램프{LAMP UTILIZING FIBER FOR ENHANCED STARTING FIELD}

플라즈마 방전을 점화시키는 것이 어려운 일이라는 것은 방전 램프 분야에서 공지된 사실이다. 대부분의 방전 램프를 위하여, 플라즈마의 점화를 성취하기 위하여 필요한 필드(fields)는 램프를 완전한 출력 상태로 가져가고 그로 인하여 안정된 방전을 유지하기 위하여 필요로 하는 필드보다 훨씬 높다.

많은 발명은 방전 램프의 동작 개시를 돕기 위한 서로 다른 기기와 방법들을 개시한다. 본 발명과 대부분 관련되는 것으로 간주되는 선행 기술은 미국 특허 번호 RE32,626호 및 이 특허와 관련된 일본 특허 공개 번호 제57-55057호, 제57-152663호, 제57-202644호 및 제58-5960호를 포함한다. 위의 공보들은 작동 개시필드를 향상시키기 위하여 수정(quartz)체 내부에 캡슐화된 비교적 두꺼운(예를 들어, 0.5 내지 1mm의 직경) 도선(wire)을 제안하고 이 도선은 무전극 방전 램프 전구(an electrodeless lamp bulb) 내부에 설치된다. 그러나, 수많은 문제들이 방전 램프 엔벨럽(envelope) 내부에 두꺼운 도선을 사용하는 것과 관련되어 발생한다. 예를 들어, 플라즈마의 열과 반응성(reactivity)에 대하여 도선을 보호하는 것은 어려운 일이다. 두꺼운 도선은 엔벨럽 벽에 쉽게 합치되지(conform) 않고, 이로 인하여 플라즈마로부터 도선을 보호하는 것을 더욱 어렵게 한다. 또한, 두꺼운 도선은 빛 출력의 상당한 부분을 차단하고, 원하지 않는 그림자를 만들 수도 있다. 모든 개시된 구성(configurations)은 동작 개시 도선(starting wire)에 대한 상당한 에너지의 커플링으로 인한 곤란을 겪게되고 이러한 상당한 에너지의 커플링은 플라즈마의 왜곡과 결과적으로 도선이 지나치게 가열되는 결과를 발생시킨다.

본 발명은 일반적으로 방전 램프(discharge lamp)와 관련된다. 본 발명은 보다 구체적으로 방전 램프를 위한 새로운 동작 개시 보조 물질(starting aids)과 관련된다. 본 발명은 또한 새로운 동작 개시 보조 물질을 가진 방전 램프를 만드는 방법과 관련된다.

위에서 설명한 것 및 본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부되는 도면에서 예시로서 제시된 것처럼 적절한 실시 형태로서 아래에서 상세하게 기술되는 것으로부터 명백할 것이며, 첨부된 도면에서 참조 부호는 일반적으로 다양한 도면을 통하여 동일한 참조부호는 동일한 부분을 나타낸다. 도면의 축척은 실제 실시 형태와 크기가 일치할 필요가 없으며, 중요한 점은 축척이 아니라 상기 도면은 본 발명의 원리를 예시하는 것이라는 점이다.

도 1은 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프 전구의 첫 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프의 두 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프의 세 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프 전구의 네 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 새로운 작동 개시 물질을 이용하는 마이크로 웨이브 방전 램프의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 새로운 작동 개시 물질을 이용하는 유도성으로(inductively) 커플된 방전 램프의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 새로운 작동 개시 물질을 이용하는 용량성으로(capacitively) 커플된 방전 램프의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 새로운 작동 개시 물질을 이용하는 전송파 방전 램프의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 9는 석영 서브스트레이트(substrate)의 내부에 설치된 파이버에 대한 등전위 선의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 10은 석영 서브스트레이트의 외부에 설치된 파이버에 대한 등전위 선의 표현 형태를 도시한 것이다.

도 11은 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프 전구의 다섯 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 12는 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프 전구의 여섯 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 13은 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프 전구의 일곱 번째 실시예의 단면도를 도시한 것이다.

도 14는 본 발명에 따른 작동 개시 물질을 포함하는 방전 램프 전구의 여덟 번째 실시예의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 15는 선형 전구에 있어서 본 발명에 따른 새로운 작동 개시 보조 물질을 이용하는 마이크로웨이브 방전 램프의 개략적인 형태를 도시한 것이다.

도 16은 본 발명에 따른 새로운 작동 개시 보조 물질을 이용하는 내부 전극을 포함하는 방전 램프 전구의 실시예에 대한 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 17은 본 발명의 사상을 이용하는 장치에 대한 부분 단면도, 일부 사시도, 일부 개략도를 도시한 것이다.

도 18은 도 17에 도시된 장치의 일부분에 대한 평면도를 도시한 것이다.

도 19는 본 발명에 따른 파이버 점화 장치가 있는 것 및 없는 것에 대한 크세논(xenon)의 절연 파괴를 위하여 필요한 전기장의 세기(field strengths)를 나타내는 전기장 세기 대 압력에 대한 그래프를 도시한 것이다.

도 20은 본 발명에 따른 파이버 점화 장치가 있는 것 및 없는 것에 대한 크립톤(krypton)의 절연 파괴를 위하여 필요한 전기장의 세기를 나타내는 전기장 세기 대 압력에 대한 그래프를 도시한 것이다.

도 21은 본 발명에 따른 파이버 점화 장치가 있는 것 및 없는 것에 대한 아르곤(argon)의 절연 파괴를 위하여 필요한 전기장의 세기를 나타내는 전기장의 세기 대 압력에 대한 그래프를 도시한 것이다.

본 발명의 한 가지 목적은 엔벨럽 내부 충전 물질(a fill material)로서 채워지는 불활성 기체(inert gas)의 절연 파괴(breakdown)를 돕기 위하여 동작 개시 동안 방전 램프의 내부에 필드 향상(field enhancement)을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 이점은 적용된 동일한 필드를 위하여 이러한 절연 파괴가 본 발명이 제공되지 않는 경우에 이루어 질 수 있는 압력보다 더 높은 충전 압력(at fill pressures)에서 발생될 수 있다는 점이다. 해당하는 이점으로 주어진 압력 하에 있는 충전물(a fill)이 현저하게 낮은 압력에서 파열될(break down) 수 있다.발명가는 작동의 이론에 의하여 구속되기를 원하지 않지만, 본 발명은 증가된 램프 효율, 감소된 작동 개시 및 재-충격 시간(re-strike times), 향상된 램프의 수명 및 RF 공급원(source) 상에 감소된 스트레스(stress)의 이점을 제공하는 것으로 믿어진다. 다른 잠재적 이점은 본 발명이 제공되지 않는 경우 다른 방법으로 점화시키기 어려울 수도 있는 충전물을 사용하여 외부 점화 기기의 필요성이 없는 전구 점화(bulb ignition), 향상된 출력 및/또는 스펙트럼, 낮은 열 전도성 가스(높은 원자 번호를 가지는 물질)를 사용하는 것에 의하여 엔벨럽 벽 온도를 감소시키는 것, 항상 가스 상태에 있는(예를 들어, SO₂) 충전 물질을 사용하는 것에 의하여 즉각적인 빛 방출("instant on" lighting)을 제공하는 것을 포함하는 것으로 믿어진다. 또 다른 이점은 방사성 동작 개시 보조물질(예를 들어 Kr₈₅)을 사용하지 않고 불활성 기체를 점화시키는 것을 포함하는 것으로 믿어진다. 물론, 본 발명의 원리를 이용하는 방전 램프는 제시된 이점들을 모두 필연적으로 포함하는 것은 아니며, 본 발명의 방전 램프가 제공하는 이점은 특별한 구성과 적용 예에 따라서 달라진다.

본 발명의 한 가지 특성은 빛 전달 엔벨럽(a light transmissive envelope)과 이 빛 전달 엔벨럽 상에 설치된 적어도 하나의 전도성 또는 반 전도성(conductive or semi-conductive) 파이버(fiber)를 포함하는 것에 의하여 이루어지며, 상기에서 적어도 하나의 파이버는 적절한 물질이며 향상된 동작 개시 필드(예를 들어 동작 개시 동안 보다 높은 전기장 세기)제공하기 위하여 적절한 방향으로 설치된다. 예를 들어, 파이버는 탄소(예를 들어, 흑연(graphite)), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(molybdenum), 백금(Pt), 탄탈(tantalum), 및 텅스텐(W) 그룹으로부터 선택된 물질 또는 이들 물질의 결합을 포함할 수 있고, 적절하게 100 마이크론(μ) 또는 그 보다 더 작은 두께를 가지고 심지어 마이크론(μ) 아래 단위(sub-micron)의 두께를 가질 수도 있다. 알루미늄(aluminum)이 또한 사용될 수도 있지만, 수정 엔벨럽(quartz envelopes)에 대해서는 적절하지 않으며 이는 알루미늄은 SiO₂와 반응하고 불투명성(devitrification)을 발생시킬 수 있기 때문이다. 예를 들어, 엔벨럽은 불활성 가스를 둘러싸고 파이버는 이 가스의 절연 파괴를 개시하기 위하여 가스에게 적용된 필드를 향상시키는 데 효율적이다.

빛 전달 엔벨럽은 예를 들어, 수정(quartz), 폴리 크리스탈린 알루미늄(polycrystalline alumina : PCA) 및 사파이어(sapphire)를 포함하는 적당한 물질 중의 어느 하나로 만들어 질 수 있다. 수정(quartz)은 일반적으로 낮은 제조 비용에 대하여 적절하다.

상대적으로 두꺼운 도선에 대비하여 극단적으로 미세한 파이버(fine fiber)를 사용하는 것은 적용 예에 따라서는 많은 잠재적인 이점을 제공한다. 예를 들어, 파이버는 일반적으로 유연성을 가지고 전구 벽(the bulb wall)에 쉽게 결합되고, 이로 인하여 파이버가 지속적인 프라즈마 방전 상태(the steady state plasma discharge)를 벗어나는 것을 유지하도록 한다. 적절하게, 파이버는 실질적으로 파이버 전체 길이를 따라서(비록 코팅 또는 접착 물질(coating or adhesive)이 파이버와 전구 사이에 존재하지만) 일치한다(즉, 열적 접촉 상태에 있다). 작동 이론에 제한되지 않는다면, 파이버는 지속적인 작동 상태 동안 상대적으로 높은 저항을 가지도록 형성될 수 있고 이러한 방식의 형성은 파이버에게 결합되는 에너지가 현저한 양의 열을 발생시키지 않고 발생된 모든 열이 파이버가 전구 벽에 열적 신크된(heat sunk) 상태이므로 쉽게 발산되도록 한다. 작동 이론에 제한되지 않는다면, 파이버는 두꺼운 도선과 비교하여 상대적으로 탄성력을 가지며(elastic) 이로 인하여 예를 들어 서로 다른 열 팽창 계수에 의하여 발생된 열적 스트레스에 대하여 보다 적은 영향을 받는 것으로 믿어진다. 파이버는 실질적으로 육안으로는 감지되지 않으며 이로 인하여 차단되는 빛은 양은 인지되지 않은 정도의 양이거나 또는 눈에 띨 정도의 그림자는 형성되지 않는다.

적절하게, 파이버는 빛 전달 엔벨럽의 내부 표면 위에 설치된다. 파이버는 램프 충전물과 파이버 사이의 상호 작용을 피하기 위하여 보호 역할을 하는 물질(a protective material)로 선택적으로 커버 될 수 있다. 예를 들어, 보호 물질은 졸-겔로 침전된 실리카 코팅(a sol-gel deposited silica coating)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 보호 물질은 2 마이크론(μ) 보다 더 얇은 실리카-이산화 코팅(a silicon dioxide coationg)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수 개의 전도성 또는 반 전도성 파이버는 램프 엔벨럽 위에 설치된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 파이버는 실리콘 카바이드 위스커(silicon carbide whiskers)를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 파이버는 백금 코팅된 실리콘 카바이드 파이버(platinum coated silicon carbide fibers)를 포함한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 파이버는 복수 개의 밀집하게 배치된 병렬 파이버(closely spaced parallel fibers)를 포함한다. 선택적으로, 파이버는 복수 개의 임의적으로 분포된 파이버를 포함한다. 예를 들어, 각각의 파이버는 약 3mm 또는 그 이하의 길이를 가진다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 방전 장치는 빛 전달 수용체(a light transmissive container)를 포함하고 이 수용체(the container)는 빛 방출 충전물(a light emitting fill)이 내부에 설치되어 있다; 또한 방전 장치는 수용체(a container) 내에 있는 충전물에게 에너지가 커플링 되기에 적합하도록 된 커플링 구조; 이 커플링 구조에게 연결된 높은 주파수 공급원(a high frequency source); 수용체(the container)의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버를 포함하고, 상기에서 각각의 파이버는 100 마이크론(μ) 보다 더 작은 두께를 가지며, 상기에서 파이버는 전도성 물질(a conductive material), 반 전도성 물질(semi-conductive material) 또는 전도성 물질과 반 전도성 물질의 결합으로 만들어진다. 파이버는 수용체의 벽에 쉽게 결합하도록 충분히 유연성을 가진다. 예를 들어, 충전물은 불활성 가스를 포함하고 파이버는 가스의 절연 파괴를 개시하기 위하여 가스에 적용된 필드를 향상시키는 데 효율적이다. 예를 들어, 충전물은 300 Torr 보다 더 큰 압력 하에서 노블 가스(a noble gas)를 포함하고, 작동 개시 동안 전구에적용된 필드는 4×10⁵V/m보다 더 작고, 적용된 필드는 노블 가스의 절연 파괴를 발생시키는 데 효과적이다.

몇몇 실시예에서, 높은 주파수를 가지는 공급원(the high frequency source)은 마그네트론을 포함하고 커플링 구조는 마이크로웨이브 공진 공동(a cavity)에 연결된 도파관(a waveguide)을 포함한다. 적절하게, 적어도 하나의 파이버는 작동 개시 동안 전기장과 함께 정렬된다. 본 발명에 따른 장치는 램프를 포함할 수 있고 수용체(the container)는 밀봉된 무전극 램프 전구(a sealed electrodeless lamp bulb)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 무전극 램프 전구는 선형 전구(linear bulb)를 포함하고 파이버는 상기 각각의 선형 전구의 끝 부분에 집중된 다수 개의 파이버를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 방전 램프 전구를 만드는 방법은 빛 전달 엔벨럽; 엔벨럽의 벽 위에 파이버를 고정시키는 것(securing)을 포함한다. 예를 들어, 파이버를 고정시키는 것은 사진 석판 기술(photolithography)을 사용하여 벽 위에 파이버를 패턴 형성하는 방식으로 만드는 것(patterning)을 포함한다. 다른 방법으로, 파이버를 고정하는 것은 엔벨럽 내부에 파이버를 배치하는 것(deposit)을 포함하고 졸-겔 용액으로 엔벨럽의 벽에 파이버를 접착시키는 것(adhering)을 포함한다. 위의 방법은 보호 물질을 사용하여 파이버를 커버링 하는 것을 포함한다. 예를 들어, 보호 물질은 실리카를 포함하고 커버링(covering)은 졸-겔 용액으로 파이버를 코팅하는 것을 포함한다.

본 명세서에서 기술된 위에서 설명한 목적 및 본 발명의 다른 목적들, 특징들, 이점들 및/또는 특성들은 개별적으로 이루어지거나 결합되어 이루어진다. 본 발명은 명시적으로 특정한 청구항에서 인용되지 않는 한 둘 또는 그 이상의 그러한 특징들을 요구하는 것으로 추론되지 않아야 한다.

아래의 명세서 기술에 있어서, 본 발명에 대한 제한의 목적이 아니라 설명의 편의를 위하여 특별한 구조, 인터페이스, 기술(techniques) 등과 같은 구체적인상세한 사항들이 제시되며 이러한 설명은 본 발명의 철저한 이해를 위하여 주어진다. 그러나, 본 발명은 서술되는 구체적인 사항들과 달리 다른 실시 형태로서 실시될 수 있다는 것은 본 발명의 명세서로부터 이익을 얻을 수 있는 당업자에게 명확할 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, 공지의 기기들, 회로들 및 방법들에 대한 서술은 본 발명에 대한 필요하지 않는 사항들을 상세하게 기술하는 것에 의하여 본 발명의 특징을 모호하게 하는 것을 방지하기 위하여 생략한다.

RF 또는 마이크로웨이브에 의하여 구동되는 무전극 램프는 내부 전극이 구비되어 있지 않기 때문에 대비되는 전극 램프에 비하여 작동을 개시하는 것이 어렵다는 것은 당업계에 잘 알려진 사항이다. 물론, 내부 전극 (internal electrodes)은 램프 수명이 제한적이며 적절한 충전물(compatible fills)이 제한된다는 제약으로 인한 그 자체의 불리한 점을 가진다.

본 명세서에서는 기술된 것처럼, 램프 "점화(ignition)"는 지지되는 전기적 방전이 램프 엔벨럽 내부에 형성되는 조건을 의미한다. 점화가 이루어진 후에 안정된 방전이 유지될 때까지 방전은 전형적으로 팽창하고 RF 에너지의 증가된 양을 분산시킨다(dissipate). 방전의 형태 및 크기는 전구 엔벨럽과 플라즈마의 여기 모드(the mode of excitation of the plasma)에 의존한다. "상승(run up)"은 램프 점화와 완전한 빛 출력을 나타내는 안정된 방전이 이루어질 때까지 걸리는 시간을 의미한다. 본 명세서에서 RF 에너지의 적용과 램프 점화 사이의 시간은 "지연(delay)" 시간(time)을 의미한다. "재-충격(re-strike)은 램프로부터 RF 에너지가 제거된 때와 램프가 다시 점화 될 때까지 사이의 시간을 의미한다. 종래의방전 램프에 있어서 전형적인 재-충격 시간은 수십 초로부터 수십 분의 범위에 걸쳐있다. 점화 후 지연 시간 동안 및 상승 시간(run up time) 동안, RF 공급원은 전형적으로 램프에게 잘 정합(match)되지 않고 상당한 양의 RF 전력이 공급원으로 다시 반사된다. 전력 공급원에 대한 열 및/또는 전압의 정상파 비(VSWR) 손상을 감소시키기 위하여, 지연 및 상승 시간을 감소시키는 것이 바람직하며, 특히 잦은 작동 개시를 필요로 하는 방전 램프 시스템에 대하여 그러하다.

종래의 무전극 램프는 전형적으로 충전 구성 요소(the fill constituents)의 하나로서 불활성 가스(inert gas)를 포함한다. 불활성 가스는 이온화되고 램프 엔벨럽을 가열시키고 다음 순서로 엔벨럽은 원하는 빛 스펙트럼을 생성하는 임의의 고체 충전물을 증기화(vaporizes) 시킨다. 약 30mm의 지름을 가지는 구형 전구를 가지는 마이크로웨이브 구동 무전극 램프에 대하여, 상승 과정은 전형적으로 낮은 압력(예를 들어 50 Torr)의 아르곤 방전에 대하여 약 10 내지 40초를 필요로 한다. 보다 높은 압력 가스는 전형적으로 보다 점화하기 힘들지만, 일단 점화하면 상승은 낮은 압력에서 보다 빨라진다.

보다 높은 원자 번호(예를 들어 크세논(xenon))를 가진 불활성 충전 가스는 또한 전형적으로 보다 낮은 원자 번호를 가진 유사한 압력의 충전 불활성 기체에 비하여 점화시키기 힘들다. 그러나, 일단 방전이 안정화되면, 보다 높은 원자 번호를 가지는 가스는 방전과 전구 사이에 보다 높은 열 절연(thermal insulation)을 제공하고, 이러한 열 절연은 플라즈마로부터 전구의 벽으로 열을 전달하는 것을 감소시키며 작동 효율을 증가시키게 된다. 감소된 열 전달은 전구 벽의 상대적인 낮은 냉각 상태로 인하여 보다 높은 전력 밀도(higher power densities)가 적용되는 것이 가능하도록 한다.

UV 및 가시 램프(visible) 양쪽은 항상 가스 상태에 있는 충전물을 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 높은 압력 크세논 방전(예를 들어, 약 1 대기압 또는 그 이상)은 상당한 양의 가시 광선 및 UV 광(light)을 생성한다. 엑시머 램프(an excimer lamp)는 높은 압력의 크세논 및 염소(chlorine) 의 가스 혼합물을 포함할 수 있다. 이산화황(sulfur dioxide : SO₂)은 가시 광전 방전을 생성하는 완전한 가스 충전물의 또 다른 예가 된다. 일단 점화되면, 이러한 형태의 충전물은 "즉각적인(instant on)" 빛 공급원으로 취급될 수 있는 현저하게 높은 초기 빛 출력을 생성한다. 이러한 즉각적인 빛 공급원은 일반적인 조명(lighting), 차량용 조명(automotive lighting) 및 극장 조명(theatrical lighting)을 포함하는 많은 가시 광선 조명의 적용에 대하여 적절할 뿐만 아니라, 수많은 UV 프로세싱 적용에 대하여도 적절하다.

현저하게 높은 필드 향상은 뜨거운 소등된(extinguished) 전구 충전물의 즉각적인 재-충격을 허용할 수 있고, 이러한 재-충격으로 인하여 전구 내부의 압력이 감소할 때까지 일반적으로 대기해야 하는 수분의 시간을 없애준다. 어떤 경우라도, 높은 필드는 빠른 재-충격을 허용한다.

도 1과 관련하여, 방전 램프 전구(11)는 엔벨럽(13)의 내부 표면 상에 설치된 전도성 또는 반-전도성 파이버(15)를 가지는 빛 전달 엔벨럽(13)을 포함한다.파이버(15)는 전체 길이 방향을 따라 전구 벽과 실질적으로 일치한다. 달리 표현하면, 파이버(15)는 파이버(15)의 실질적인 전체 길이를 따라 엔벨럽(13)에게 열이 신크되는(sunk) 역할(즉, 열적 접촉 상태에 있는)을 한다. 실제 적용의 경우, 엔벨럽(13)은 파이버(15)가 적용된 전기장에 커플되기 위하여 정열되는 방식으로 적절하게 설치된다. 작동 이론에 의하여 제한되지 않는다면, 파이버(15)는 전도성(conductive)을 가져야 한다고 믿어지며 이는 적용된 E 필드가 작동 개시 동안 필드 향상(a field enhancement)을 생성하도록 파이버 끝 부분의 어느 쪽으로도 충분한 전하를 이동시킬 수 있도록 하기 위함이나, 이러한 전도성은 작동의 정상 상태(steady state) 동작에 현저하게 영향을 미칠 정도가 되지 않아야 한다.

예를 들어, 35mm의 외부 직경을 가지는 구형의 엔벨럽(13)에 있어 파이버(15)는 20mm의 길이를 가지는 10 마이크로(μ) 직경의 흑연 파이버(graphite fiber)를 포함한다. 일반적으로, 본 명세서에서 기술된 파이버는 원형의 단면적(길이 방향의 축에 대하여 수직인) 및 파이버의 두께에 대한 적용 가능한 차수(dimensions)는 직경(diameter)이 된다. 그러나, 임의의 유용한 형상을 가지는 파이버가 사용될 수 있다. 원형 이외의 단면적을 가지는 파이버에 대하여, 파이버의 두께를 위한 적용 가능한 차수는 파이버의 길이 방향의 축에 대하여 수직인 임의의 가능한 단면적에 대한 가장 얇은 차수(the thinnest dimension)가 된다. 원형 단면적을 가지지 않는 파이버는 벽에 접합되는(bonding) 또는 필드 향상을 위하여 보다 얇은 측면(profile)을 가지는 조건 하에서 특별한 적용 예에 대하여 유리할 수도 있다.

도 2와 관련하여, 방전 램프 전구(21)는 전도성 또는 반 전도성 파이버(25)를 가지는 빛 전달 엔벨럽(23)을 포함하고 이 파이버(25)는 엔벨럽(23)의 내부 표면 위에 설치된다. 전구(21)는 추가로 파이버(25)를 커버링하는 보호 물질(a protective material)(27)을 포함한다.

도 3과 관련하여, 방전 램프 전구(31)는 전도성 또는 반 전도성 파이버(35)를 가지는 빛 전달 엔벨럽(33)을 포함하고 이 파이버(35)는 엔벨럽(33)의 외부 표면에 설치된다. 파이버(35)는 실질적으로 파이버(35)의 전체 길이 방향을 따라서 전구 벽과 일치한다.

도 4와 관련하여, 방전 램프 전구(41)는 전도성 또는 반 전도성 파이버(45)를 가지는 빛 전달 엔벨럽(43)을 포함하고 이 파이버(45)는 엔벨럽(43)의 외부 표면 위에 설치된다. 전구(41)는 추가적으로 파이버(45)를 커버링 하는 보호 물질(47)을 포함한다.

도 5와 관련하여, 마이크로웨이브 방전 램프(51)는 전도성 또는 반-전도성 파이버(55)를 가지는 무전극 전구(53)를 포함하고 이 파이버(55)는 전구(53)의 벽에 설치된다. 적절하게 파이버(55)는 전구(53)의 벽 내부에 설치되고 보호 물질로 커버된다. 전구(53)는 마이크로웨이브 공진 공동(cavity)을 형성하는 실린더형 메시(mesh)(57) 내부에 설치된다. 공진 공동은 에너지를 전구(53) 내에 있는 충전물에 커플링 시키도록 구조를 형성한다. 마이크로웨이브 에너지는 마크네트론(58)으로부터 전달되고 도파관(59)을 통하여 공진 공동으로 전달된다. 필요하거나 또는 바람직하다면, 전구(53)는 회전하는 구조를 가지도록 한다.

도 6과 관련하여, 유도성(inductively)으로 커플된 방전 램프(61)는 전도성 또는 반-전도성 파이버(65)를 가지는 무전극 전구(63)를 포함하고 이 파이버(65)는 전구(63)의 벽에 설치된다. 적절하게 파이버(65)는 전구(63) 벽의 내부에 설치되고 보호 물질로 커버된다. 전구(63)는 여기 코일(excitation coil)(67)에 근접하여 설치되고 여기 코일(67)은 전구(63)에 있는 충전물에 에너지를 커플링 시킨다. 마이크로웨이브(RF) 또는 다른 높은 주파수 에너지는 높은 주파수 공급원(69)으로부터 공급되고 코일(67)에 의하여 충전물에 커플링 된다. 만약 필요하거나 바람직하다면, 전구는 회전하도록 형성될 수 있다.

도 7과 관련하여, 용량성으로(capacitively) 커플링 된 방전 램프(71)는 전도성 또는 반-전도성 파이버(75)를 가지는 무전극 전구(73)를 포함하고 이 파이버(75)는 전구(73)의 벽에 설치된다. 적절하게 파이버(75)는 전구(73)의 벽 내부에 설치되고 보호 물질로 커버된다. 전구(73)는 커패시터(77)의 외부 전극들 사이에 설치되고 커패시터(77)는 에너지를 전구(73) 내에 있는 충전물에 커플링 시킨다. 마이크로웨이브(RF) 또는 다른 높은 주파수 에너지는 높은 주파수 공급원(79)으로부터 제공되고 커패시터(77)에 의하여 충전물에게 커플링이 된다. 만약 필요하거나 바람직하다면, 전구(73)는 회전하는 구조를 가질 수 있다.

도 8과 관련하여, 전송파 방전 램프(a travelling wave discharge lamp)(81)는 전도성 또는 반-전도성 파이버(85)를 가지는 무전극 전구(83)를 포함하고 이 파이버(85)는 전구(83)의 벽에 설치된다. 적절하게 파이버(85)는 전구(83)의 내부 벽에 설치되고 보호 물질로 커버된다(covered). 전구(83)의 한 쪽 끝은 전송파 론쳐(a travelling wave launcher)(87)의 외부 전극에 근접하여 설치되고 론쳐(87)는 에너지를 전구(83) 내에 있는 충전물에 커플링 시킨다. 마이크로웨이브(RF) 또는 다른 높은 주파수 에너지는 높은 주파수 공급원(89)으로부터 제공되고 론쳐(87)에 의하여 충전물에 커플링이 된다. 만약 필요하거나 바람직하다면, 전구(83)는 회전하는 구조로 형성될 수 있다.

도 9는 수정 서브스트레이트(a quartz substrate)(93)의 내부에 설치된 파이버(95)에 대한 등전위 선(점선으로 표시된)의 개략적인 형태를 도시한 것이다. 그래프는 1mm의 두께를 가지는 수정 서브스트레이트 내에 넣어진(encased) 100마이크론(μ)의 파이버에 대한 컴퓨터 시뮬레이션에 의하여 만들어진다. 등전위(equipotential) 선들 사이의 좁은 간격은 높은 전기장의 세기를 가지는 지역을 나타낸다. 도 9로부터 알 수 있는 것처럼, 전기장(fields)은 파이버(95)의 선단(tip)에서 향상되고 높은 전기장 세기는 전구 내부에서 나타난다. 그러나, 수정의 외부 전기장의 세기는 보다 낮아지며 전구 외부의 공기 절연 파괴를 발생할 수 있을 가능성이 보다 낮아진다.

도 10은 수정 서브스트레이트(103)의 외부에 설치된 파이버(105)에 대한 등전위 선들의 개략적인 형태를 도시한 것이다. 그래프는 1mm의 두께를 가지는 수정 서브스트레이트의 외부 표면에 설치된 100마이크로(μ) 파이버의 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 만들어졌다. 도 10으로부터 알 수 있는 것처럼, 전기장은 전구의 외부에 집중되어 있고 단지 약간의 전기장 향상이 전구에 내부에 제공될 수 있다. 작동 개시 동안에 단지 적은 양의 전기장 향상만을 요구하는 방전 램프에 대하여,전구의 외부 표면 상에 파이버의 설치는 여러 가지 이점을 제공한다. 파이버가 전구의 외부 벽 상에 원하는 임의의 위치에 쉽게 고정되기 때문에 제조 과정이 단순화된다. 적절하게 파이버는 공기의 절연 파괴를 위한 전위를 감소시키기 위하여 유전체 물질로 코팅되고 이와 같은 코팅은 내부 표면과 비교할 때 전구의 외부 표면에 대하여 쉽게 적용시킬 수 있다. 파이버는 플라즈마 방전으로부터 좋은 절연성을 나타내고 이로 인하여 잠재적으로 긴 파이버의 가동 수명(useful life)을 제공할 수 있다.

그러나, 작동 개시가 어려운 충전물에 대하여, 파이버는 전구 벽의 내부에 적절하게 부착되고 파이버는 점화하기 전에 적용된 전기장을 쇼트 아웃(short out)하는 방향으로 놓여질 수 있도록 적절하게 설치된다. 구형 램프에 있어, 파이버는 전구 엔벨럽의 반지름과 동등한 길이를 가질 수 있고, 그에 의하여 램프 주위로 약 60도(degrees) 연장될 수 있다. 전구 내부의 파이버를 이용하여, 필드 향상은 전구 내부에 집중되고 전구 외부에는 집중되지 않으며, 이러한 현상은 종래의 외부 점화 기기 접근 상에서도 존재한다.

작동 이론에 의하여 제한되지 않는다면, 파이버 저항(the fiber resistance)은 정상 상태 플라즈마(the steady state plasma)의 부피 저항(volume resistance)에 비하여 높기 때문에, 파이버는 정상 상태 작동 동안에 상당한 에너지를 커플링 시킬 수 없다. 이러한 현상은 정상 상태 작동 시 선단에서(at the tips) 전기장 향상을 감소시키고, 결과적으로 플라즈마 교란(disturbance)을 감소시키고 정상 상태 작동 시 파이버의 과도한 가열을 발생시킨다.

중간 압력 방전(a medium pressure discharge)에 대하여, 경계층(a boundary layer)은 약 0.25 내지 1mm 두께의 다양한 값을 가질 수 있다. 이러한 두께로 인하여 미세한 파이버(the fine fiber)는 정상상태 플라즈마 방전의 외부에서 유지되는 것으로 믿어진다. 경계층은 또한 파이버로의 열 전달을 감소시킨다.

다수 개의 파이버(Multiple fibers)

도 11과 관련하여, 방전 램프 전구(111)는 다수 개의 전도성 또는 반-전도성(semi-conductive) 파이버(115)를 가진 빛 전달 엔벨럽(113)을 포함하고 파이버(115)는 엔벨럽(113)의 내부 표면에 설치된다. 엔벨럽(113)은 대안적인 구성을 가지도록 예시되어 있다. 구체적으로, 엔벨럽(113)은 두 개의 반구형(hemispheres)(113a, 113b)으로 만들어지고 이 두 개의 반구형(113a, 113b)은 접합부(seam)(113c)에서 함께 결합된다. 두 개의 부분 형태로 이루어진 구성은 내부 전구의 표면에 파이버를 보다 정확하게 위치시키는 것 및/또는 패턴을 형성하는 것을 가능하도록 한다. 그러나, 엔벨럽(113)은 선택적으로 하나의 형태로 이루어진 단일 형상으로부터 또는 다른 종래의 엔벨럽 제조 기술로부터 만들어 질 수 있다. 파이버(115)는 서로 밀집하게 배치되고 병렬 형태로 배치된다. 작동 시(during operation) 전구는 적절하게 배치되어 파이버가 적용된 E 필드에 커플링 되도록 한다. 적절하게, 파이버(115)는 예를 들어 수 개의 층으로 이루어진 졸-겔 침전된 수정(sol-gel deposited quartz)과 같은 보호 물질로 커버된다.

도 12와 관련하여, 방전 램프 전구(121)는 다수 개의 전도성 또는 반-전도성파이버(125)를 가지는 빛 전달 엔벨럽(123)을 포함하고 이 파이버(125)는 엔벨럽(123)의 내부 표면에 설치된다. 파이버(125)는 엔벨럽(123)의 내부 표면을 따라 임의적으로(randomly) 분포된다. 적절하게, 파이버는 예를 들면 수 개의 층으로 이루어진 졸-겔 침전된 수정과 같은 보호 물질에 의하여 커버된다. 적절한 구성은 약 100 내지 200 SiC 파이버이며, 각각은 약 2 내지 3mm의 길이와 약 15 마이크론(μ)의 직경을 가진다.

도 12에 도시된 것처럼, 임의적으로 분포되는 경우 몇몇 파이버는 겹쳐질(overlap) 수 있다. 교차부분(intersection)에서, 파이버 중의 하나는 직접적으로 전구 벽과 접촉하지 않는다. 그러나, 그 파이버는 여전히 전체 길이 방향을 따라 실질적으로 히터신킹(heatsinking)의 목적을 위하여 전구 벽과 열적 접촉 상태에 있다. 더구나, 졸-겔 침전된 보호 커버링(sol-gel deposited protective covering)으로 코팅이 되는 경우, 코팅은 실질적으로 교차부분에 존재하는 영역 상에서 모든 틈(any gap)을 채우게 된다.

SIC 위스커(SIC Whiskers)

도 13과 관련하여, 방전 램프(131)는 전도성 또는 반 전도성 위스커(whiskers)(135)의 패치(patch)를 가진 빛 전달 엔벨럽(133)을 포함하고 이 패치는 엔벌럽(133)의 내부 표면에 설치된다. 적절하게, 위스커(135)는 예를 들어, 수 개의 층으로 이루어진 졸-겔 침전된 수정과 같은 보호 물질에 의하여 커버된다. 예를 들어, 단일의 SiC 위스커 패치(a single patch of SiC whiskers)는 약1mm 또는 그 보다 작은 길이를 가진 수천 개의 SiC 파이버를 포함하고, 이들 각각의 파이버는 1 마이크론(μ) 또는 그 보다 작은 직경을 가진다. 발명자는 작동 이론(theory of operation)에 구속되기를 원하지 않지만, SiC 위스커를 사용하여 이루어진 향상된 작동 개시는 본 명세서에서 기술된 다른 파이버 개시 장치(initiator)가 포함된 것들과 비교하여 다른 작동 원칙 하에서 발생되는 것으로 믿어진다.

선형 전구(Linear bulb)

도 14와 관련하여, 선형 방전 램프 전구(141)는 다수 개의 전도성 또는 반-전도성 파이버(145)를 가진 빛 전달 엔벨럽(143)을 포함하고 이 파이버(145)는 엔벨럽(143)의 내부 표면에 설치된다. 파이버(145)는 엔벨럽(143)의 길이 방향의 축을 따라 정렬된다. 도시된 것처럼, 파이버(145)는 예를 들어 수 개의 층으로 이루어진 졸-겔 침전된 수정과 같은 보호 물질(147)로 커버된다. 엔벨럽(143)은 핀치된(pinched) 중간 부분을 가지면서 실린더 형태로 만들어진다. 대안적인 선형 전구는 핀치된 중간 부분을 가지지 않는 직선 튜브 형태로 만들어진다.

도 15와 관련하여, 방전 램프 시스템(151)은 다수 개의 전도성 또는 반-전도성 파이버(155)를 가진 무전극 선형 전구(153)를 포함하고 이 파이버(155)는 전구(153) 내부에 임의적으로 분포되지만, 전구(153)의 끝 부분 가까이에 집중적으로 분포한다. 전구는 공진 마이크로웨이브 공동(a resonant microwave cavity)을 형성하는 구조(157) 내에 설치된다. 마이크로웨이브 에너지는 한 쌍의마그네트론(158a, 158b)에 의하여 생성되고 커플링 구조(a coupling structure)를 경유하여 전구(153) 내에 있는 충전물에 제공되며 이 커플링 구조는 마이크로웨이브 공동 구조(157)에 연결된 각각의 도파관(159a, 159b)을 포함한다.

내부 전극을 가진 아크 램프(Arc lamp with internal electrodes)

도 16과 관련하여, 방전 램프(161)는 빛 전달 엔벨럽(163)과 파이버 개시 장치(a fiber initiator)(165)를 포함하고 파이버 개시 장치(165)는 엔벨럽(163)의 내부 표면에 설치된다. 방전 램프(161)는 추가로 내부 전극(167, 169)을 포함하고, 이들 내부 전극(167, 169)은 각각 교류(A/C) 전원(169)에 연결된다. 파이버(165)는 작동 개시 필드를 향상시키기 위하여 작동 개시 동안 적용된 필드에게 커플링하기 위하여 적절하게 정렬된다. 적절하게, 파이버는 졸-겔 침전된 수정과 같은 보호 물질로 커버된다.

비록 본 발명은 일반적으로 작동 개시를 위하여 보다 높은 전력이 요구되는 무전극 램프에 주로 적용 가능하지만, 몇몇 적용 예에서 내부 전극을 가진 아크 램프(an arc lamp)가 본 발명에 의하여 제공된 향상된 작동 개시 필드를 이용하여 이익을 얻을 수도 있다. 대안적인 구조(configurations)는 다수 개의 파이버와 SiC 위스커를 포함한다.

졸-겔 코팅 과정(Sol-gel coating process)

위에서 언급된 적절한 실시 구조에서, 그리고 아래에서 제안되는 각각의 실시예에서 졸-겔 코팅 과정은 전구 표면의 내부에 파이버를 고정하기 위하여(secure) 및/또는 플라즈마 방전을 이용한 반응으로부터 파이버를 보호하기 위하여 사용된다. 졸-겔 코팅 과정은 당업계에 공지되어 있다. PCT 공개 번호 WO 98/56213에는 마이크로 램프 스크린을 코팅하기 위한 다양한 졸-겔 방법(recipes)과 과정(processes)이 개시되어 있다. PCT 공개 번호 WO 00/30142는 전구 표면의 내부 표면을 코팅하기 위한 다양한 졸-겔 방법과 과정이 개시되어 있다. 일반적으로 사용되는 용어로서, 졸 겔 용액(sol gel solution)은 유기 용매(the organic solvent)의 증기화(evaporation)와 충분히 높은 온도에서의 코팅된 전구 엔벨럽을 파이어링(firing) 하여 원하는 코팅을 생성하는 방식으로 만들어진다. 본 발명의 실시에 있어서, 바람직한 코팅은 이산화규소(silicon dioxide)(SiO₂)가 된다.

SiO₂코팅의 적용을 위한 본 발명에 따른 예시적인 과정은 아래에서 기술되는 것과 같다. 이산화규소 선구 물질(silicon dioxide precursor)(예를 들어 TEOS)이 졸 겔 용액을 생성하기 위하여 준비된다. 졸 겔 용액은 램프 금형(preform) 내부로 부어지고(pour) 다음 단계로 상대적으로 균일한 코팅이 형성되도록 하기 위하여 제어된 방법으로 외부로 졸 겔 용액이 쏟아 부어진다. 대안으로, 졸 겔은 전구 금형의 내부 표면 위에 스핀 형태로(spin) 코팅된다. 다음 단계로 코팅된 것이 건조되고 소성 가공된다(dried and fired). 여러 개의 층들이 위와 동일한 방식으로 만들어 질 수 있다.

하나 또는 다수 개의 파이버가 졸 겔 용액이 첨가되기 전에 전구 금형(bulbperform) 내부로 쏟아 부어질 수 있다. 대안으로, 하나 또는 다수 개의 파이버가 졸 겔이 금형 내부로 쏟아 부어지기 전에 졸 겔 용액에 추가되어 졸 겔이 전구 내부를 파이버를 운반하기 위하여 사용된다. 하나 또는 다수 개의 파이버를 가진 용액은 스핀되거나(spun), 흔들어 지거나(shaken), 또는 다른 방식으로 교란되며 이는 전구 표면 내부에 기대어서(against) 파이버를 설치하기 위함이다. 다음 단계로 건조 공정 과정과 소성 가공 과정을 이용하여 파이버를 일정한 위치에 고정시킨다. 위와 같은 방식으로 고정되는 경우, 얇은 코팅 층은 파이버와 전구의 벽 사이에 위치한다. 그러나, 히트신킹(heatsinking)의 목적을 위하여, 하나 또는 다수 개의 파이버는 실질적으로 파이버의 전체 길이 방향에 걸쳐서 전구 벽과 좋은 열적 접촉 상태에 있다. 여러 개의 추가적인 졸 겔 층이 파이버가 충분히 코팅되는 것을 확실히 하기 위하여 파이버를 가지지 않은 상태로 추가될 수 있다.

높은 회전 속력을 이용하여, 원심력(centrifugal force)이 작용하여 하나의 긴 파이버가 적도선 상(the equator)(회전축과 관련하여)에 설치되도록 한다. 보다 낮은 회전 속력은 파이버가 벽에 대향되도록(against) 만들지만, 보다 임의적인 방향성을 가지도록 한다. 전구를 흔들거나 또는 요동시키는 것(shaking or agitation)은 또한 파이버의 보다 임의적인 분포를 제공한다.

예시적으로 제시되는 수정으로 이루어진 얇은 필름 코팅(a quartz thin film coating)을 위한 방법은 아래와 같다(몰 비(mole ratios) 범위로 표시된다):

범위(range)	TEOS	EtOH	H₂O	HCl
일반(general)	1	1-4	0-5	0.1-0.3
크랙킹 미발생(No cracking)	1	1-3	0.5-1.5	0.1-0.3
적절한 값	1	3	1	0.15

위의 표에서 TEOS는 테트라에속시실린(tetraethoxysilane : Si(OC₂H₅)₄)을 나타내고 EtOH는 에탄올(Ethanol : C₂H₅OH)을 나타낸다.

일반적으로, 결과로서 나타나는 SiO₂층 두께는 0.2 마이크론(μ)의 범위에 있다. 여러 층(several layers)이 만들어지고 결과로서 나타나는 두께는 여전히 1 내지 2 마이크로 보다 작은 값이 된다. 작동 이론에 의하여 제한되지 않는다면, 코팅은 플라즈마와 파이버 사이에 반응을 금지할 수 있을 만큼 충분히 두껍고 원하는 필드 향상을 이용할 수 있을 만큼 충분히 얇다. 적용된 작동 개시 필드의 세기에 따라, 적용된 졸-겔 코팅은 2내지 4개의 층으로 이루어지는 것이 적절하다.

백금 코팅된 실리콘 카바이드 파이버(Platinum coated silicon carbide fibers)

도 17 및 도 18과 관련하여, 장치(171)가 도시되고 이 장치(171)에서는 가스를 절연 파괴시키기 위하여 필요한 전기장이 측정될 수 있다. 실린더형 수정 튜브(173)는 가스에 압력을 가할 수 있도록 적절하게 설치되고 파이버(175)는 가스를 절연 파괴시키기 위하여 적용된 필드를 향상시키도록 수정튜브(173)의 내부에 설치된다. 사각형 공진 마이크로웨이브 공동(a rectangular resonant microwavecavity)(177)은 전기장 검침기(probe)(179)를 포함하고 이 검침기(179)는 내부에 설치되어 시험되는 영역 내부의 필드를 측정하기 위하여 사용된다. 검침기(179)는 측정 기기(181)에 연결된다. 조정 가능한 튜너(tuner)(183)가 공동(cavity)(177) 내부에 설치된다. 따라서, 마이크로웨이브 전력 양과 공동의 Q 양쪽 모두 필요한 필드를 설정하기 위하여 조정될 수 있다. 파이버(175)가 수정 서브스트레이트(185)(즉 전구 벽과 동일한 물질) 상에 설치된다. 서브스트레이트는 수정 막대(a quartz rod)(187)에 장치되고 수정 튜브(173) 내부에 삽입된다. 튜브(173)는 공동(177)을 관통하고 마이크로웨이브 에너지가 튜브(173) 내부의 가스에 적용될 수 있도록 한다. 파이버(175)는 필드 선(the field lines)을 따라서 정렬된다. 검침기(179)는 공동(177) 내에 설치되며 검침기 위치에서 측정된 E 필드는 수정 튜브(173)의 위치에서 압력을 받은 가스(the pressurized gas)에게 적용된 E 필드에 해당한다. 예시된 장치에 있어서, 예를 들어, 튜브(173)는 공동(177)의 끝 부분으로부터 1/4 파장의 거리에 중심이 위치하고 검침기(179)는 공동(177)으로부터 3/4 파장의 거리에 위치한다. 가스 형태 및 압력은 튜브(173) 내부에서 다양할 수 있고 절연 파괴 지연 시간은 다른 압력과 적용된 필드 세기에 대하여 측정될 수 있고 이는 파이버(175)에 의하여 제공된 향상성이라는 특징을 나타낸다.

이론에 제한되지 않는다면, 파이버를 위한 SiC의 사용은 물질의 강도, 곡선형 표면(예를 들어, 전구 벽)으로 인한 적용성의 용이(ease of conformity) 및 뜨거운 수정 전구 벽 근처 물질의 불활성(inertness)으로 인하여 여러 가지 기계적인 이점을 제공한다. SiC의 실온 저항(the room temperature resistivity)은 단위 센티 길이당 수 옴(a few ohm·cm)으로부터 단위 센티 길이당 10³(ohm·cm)의 범위에 걸쳐 있으며, SiC의 등급(grade)에 따라 달라진다. 보다 길어지는 지연 시간에 대한 하나의 설명은 SiC가 저항이 감소되는 온도 상태까지 온도 상으로 증가하는데 필요한 시간이 될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 1000℃에서, SiC의 저항은 실온보다 상대적으로 더 높은 또는 그 정도의 차수(about an order of magnitude)로 감소된다. 일정 지점에서, 충분한 전류 흐름(current flow)이 파이버의 끝 부분을 대전시키기 위하여(charge) 발생하고 높은 전기장을 형성한다. 이와 같은 방식으로, 실온에서 파이버의 전도성(conductivity)을 증가시키는 것은 지연 시간을 감소시키는 것으로 믿어진다.

발명의 원리를 예시하는 하나의 실시예에 있어, 약 3mm의 길이와 8마이크론(μ)의 직경을 가지는 SiC 파이버는 0.2마이크로(μ)의 백금(Pt)으로 코팅되고 코팅은 전자 빔의 증기화(electron beam evaporation)에 의한다. 파이버 원주를 따라 약 180도 정도가 코팅된다. 실리콘 카바이드(silicon carbide)에게 백금을 접착하는 다른 방법 또는 백금을 이용하여 실리콘 카바이드를 침투시키는 방법(the method of infiltrating)은 전도성 또는 반 전도성 물질의 필요한 결합을 생성하기 위하여 사용된다. 벌크 백금 금속(bulk platinum metal)은 실온에서 약 10.6×10^-6ohm·cm의 저항을 가지고 이로 인하여 이 벌크 백금 금속이 파이버의 지배적인 저항이 되고, 양에 있어 약 10의 차수(10 orders of magnitude) 정도까지 감소된다. 8마이크론(μ), 3mm 길이의 SiC 파이버는 실온에서 상대적으로 높은 저항을 가지는것으로 믿어지고, 반면에 백금(Pt)으로 코팅된 SiC 파이버는 훨씬 낮은 저항을 가지는 것으로 믿어진다. 반드시 절대적으로 낮은 저항을 가질 필요는 없는 반면, 백금 코팅된 SiC 파이버는 실온에서 충분히 낮은 저항을 가지며 이로 인하여 작동 개시 수행을 향상시키며 낮은 지연 시간을 제공한다. 2,300 Torr 크세논(Xe)(Kr₈₅가 없는 상태)에서, 파이버 점화 장치(the fiber igniter)의 존재 하에서 가스의 절연 파괴는 0.4 ms의 지연보다 더 적은 값으로 적용된 측정 필드 1.8×10⁵V/m에서 발생했다. 아래에서 상세하게 기술되지만, 위와 같은 짧은 지연 시간은 파이버의 사용 수명(the useful life)을 위하여 중요하다. 당업자는 본 발명에 의한 보조 물질이 없는 상태에서 제시된 장치에서 2,300 Torr Xe 절연 파괴를 시도하는 것은 실시 불가능한 것이라고 판단할 것이다. 그러나, 파이버가 없는 상태에서, 200 Torr의 크세논(Xe)은 측정된 적용 필드 4×10⁵V/m에서 발생했다. 이와 같이 백금 코팅된 SiC 파이버는 적용되는 필드 값이 1/2(one half)보다 더 적은 값으로 크세논 압력이 10배보다 더 큰 상태에서 점화가 가능하도록 한다.

도 19와 관련하여, 3mm 길이의 백금 코팅된 SiC 파이버와 파이버가 없는 경우에 대하여 여러 가지 압력 값에서 크세논 가스의 절연 파괴를 나타낸 비교 데이터를 도시하였다. 그래프로부터 명백하듯이, 파이버의 존재는 가스의 절연 파괴를 현저하게 증가시킨다. 유사한 결과가 크립톤(krypton)과 아르곤에 대하여 각각 도시한 도 20 및 도 21로부터 명백하게 나타난다.

실시 형태에 따라서, 파이버의 전도성은 다소간 중요할 수 있다. 예를 들어, 마이크로웨이브로 여기되는(excited) 무전극 램프에 있어서, 작동 온도에서 충분한 저항을 가져야 하며 이는 정상 상태에서 적용된 필드로부터 플라즈마에 대한 커플링을 분리(de-couple)시키기 위함이다. 본 발명의 제시된 특징에 따라, 코팅 및/또는 침투(infiltration)는 필요한 저항을 다소간 감소시키기 위하여 조정될 수 있다. 특별한 적용을 위하여, 적당한 값의 저항이 결정될 수 있고 이러한 영역은 정상 상태 동작 동안 현저한 커플링이 없이 동작 개시 동안 필드 향상이 높아지는 영역이다.

작동 램프에 있어 단일의 파이버 작동 개시 보조 물질의 실시예(Examples of single fiber starting aids in operating lamps)

예시된 실시예는 아래와 같다. 35mm의 구형 전구가 26 mg의 황 원소(S), 600 Torr 크세논(Xe) 및 소량의 Kr₈₆(예를 들어, 약 0.06 마이크로 큐리(microcuries)에 해당하는 양)으로 채워진다. 20mm의 길이를 가지는 10 마이크론(μ) 직경 흑연 파이버(graphite fiber)가 전구 표면 내부에 설치되고 위에서 언급한 적절한 방법을 사용하여 SiO₂의 2개의 층(2 layers)으로 코팅된다. 파이버는 전구 내부에 설치되어 전구가 LightDrive^ⓡ1000 마이크로웨이브 램프(퓨전 라이팅사(Fusion Lighting, Inc, Rockville, Maryland)에 의하여 만들어짐)의 마이크로웨이브 공동(cavity) 내에 위치될 때, 파이버는 적용된 필터를 따라 정렬된다. 위와 같은 방식으로 정열된 파이버를 사용하여, 램프는 측정된 마크네트론 전류 약100mA(마크네트론 전력 약 250W에 해당한다)에서 점화된다. 파이버가 위와 같은 방식으로 정렬되지 않는 경우, 램프는 점화를 위하여 증가된 전력을 필요로 한다.

비교에 의하여, 파이버 점화 장치(a fiber igniter)가 없는 동일한 전구는 50 Torr 크세논과 약 0.06 마이크로 큐리(microcuries) Kr₈₅로 채워지는 경우 275 mA의 마그네트론 전류(약 850W의 마크네트론 전력에 해당한다)를 필요로 한다. 이와 같은 방식으로, 흑연 파이버(the graphite fiber)의 추가는 감소된 작동 개시 전력으로 크세논 압력이 10배보다 더 커지는 것을 허용한다. 유사한 구조(600 Torr Xe)를 가지는 램프에서 20mm의 길이와 15 마이크론(μ)의 직경을 가진 몰리브덴(Mo) 파이버가 E 필드를 따라서 정렬되는 경우에, 측정 전류 150 mA(dir 450W의 마이크로웨이브 전력에 해당한다)에서 점화된다. 또 다른 유사한 형태의 램프(600 Torr 크세논(Xe))에 있어 25 마이크론의 직경과 20mm의 길이를 가지는 백금 파이버를 사용하여 적용된 E 필드를 따라서 정렬되는 경우, 램프는 측정 전류 250 mA(약 750W의 마이크로웨이브 전력에 해당한다)에서 점화된다.

몰리브덴은 램프에 있어 밀봉(seals)을 관통하는 주입(feed)을 위하여 선택되는 물질이므로 많은 적용 예에서 좋은 파이버 물질이 될 수 있다.

또 다른 예시적인 실시예가 아래에서 기술된다.

35mm 구형 전구가 23mg 황 원소(S)와 100 Torr SO₂로 채워진다. 길이가 20mm이며 직경이 10 마이크론이 되는 흑연 파이버가 전구 표면의 내부에 설치되고 위에서 언급된 적절한 방법으로 SiO₂의 2개의 층으로 코팅된다. 이러한 파이버가 전구의 내부에 설치되고 LightDrive^ⓡ1000 마이크로웨이브 램프(퓨전 라이팅사(Fusion Lighting, Inc, Rockville, Maryland)에 의하여 만들어짐)의 마이크로웨이브 공동(cavity)에 설치되고, 파이버는 적용된 E 필드를 따라서 정렬된다. 위와 같은 방식으로 정렬된 파이버에 대하여, 램프는 측정 전류 약 350mA(약 1100W의 마이크로웨이브 전력에 해당한다)에서 점화된다. 단지 600 Torr SO₂로 채워진 유사한 형태의 전구에 대하여, 램프는 측정 전류 800mA(마이크로웨이브 전력으로 2500W에 해당된다)에서 점화된다. 램프의 작동 온도에 따라, 흑연은 어떤 적용 예에 대해서는 보다 적절하지 않으며 이는 흑연이 높은 온도에서 SiO₂와 반응하기 때문이다.

또 다른 실시예를 아래에서 제안한다. 35mm 구형 전구가 300 Torr SO₂로 채워진다. 길이가 20mm이며 직경이 14 마이크론인 SiC가 전구 표면의 내부에 설치되고 위에서 언급한 적절한 방법을 사용하여 SiO₂의 두 개의 층으로 코팅된다. 파이버는 전구의 내부에 설치되며 전구는 LightDrive^ⓡ1000 마이크로웨이브 램프(퓨전 라이팅사(Fusion Lighting, Inc, Rockville, Maryland)에 의하여 만들어짐)의 마이크로웨이브 공동(cavity)에 설치되고, 파이버는 적용된 E 필드를 따라서 정렬된다. 위와 같이 정렬된 파이버를 사용하여, 램프는 측정 전류 약 350mA(약 1100W 마이크로웨이브 전력에 해당한다)에서 점화된다. 600 Torr SO₂로 채워진 유사한 형태의 전구에 대하여, 램프는 측정 전류 800mA(마이크로웨이브 전력 2500W에 해당)에서 점화된다. SiC를 위한 E 필드 향상 팩터(factor)는 약 20내지 30으로 평가된다.

작동 이론에 제한되지 않는다면, SiC와 같은 반도체(semi-conductor)로 만들어진 파이버는 램프의 뜨거운 재-충격(re-strike) 동안 탄탈(tantalum)로부터 만들어진 도체에 비하여 여러 가지 이점을 제공한다. 대부분의 금속은 온도의 증가와 함께 증가하는 저항성(resistivity)을 나타내며, 뜨거운 재-충격 시 금속으로부터 만들어진 파이버의 필드 향상 수행성(field enhancing performance)이 낮아지도록 만든다. 그러나, SiC는 온도가 증가하는 경우 저항이 낮아지는 성질을 가지며, 이러한 성질은 뜨거운 재 충격(hot re-strike) 시 SiC로 만들어진 파이버의 필드 향상 수행성을 향상시킬 수 있다. 높은 압력(예를 들어, 600 Torr) 크세논 버퍼 가스와 단일의 SiC 파이버를 이용하는 황 램프(sulfur lamp)는 8000시간 보다 더 많은 시간 동안 작동 된 후에 다시 점화되며, 이는 제한된 on/off 순환(cycling)을 가지는 상황에서 이루어진 것이다. SiC에 대한 가시적인 변화는 명백하게 나타나지 않으며, 이는 정상적인 램프의 작동 조건 하에서 충전물 또는 수정(quartz)과 반응하지 않는다는 것을 나타낸다.

파이버 길이가 지연 시간에 미치는 영향(Effect of fiber length on delay time)

아래의 실시예에 있어서, 전구의 충전물은 소량의 Kr₈₅과 함께 600 Torr 크세논이 된다. 각각의 경우에 있어, 14 마이크론의 직경을 가지는 단일의 SiC 파이버가 사용된다.

파이버 길이	지연
5 mm	292 ms-314 ms
20 mm	93 ms-99 ms
30mm	53 ms-74 ms

발명자는 작동 이론에 의하여 제한되지 않는 것을 원하는 반면, 초과되는 지연 시간(예를 들어, >50 ms)은 파이버의 가용 내구 시간(useful lifetime)을 제한하는 하나의 요소(a factor)가 될 수도 있으며, 특히 상대적으로 높은 비열(heating rate)을 가지는 SiC 파이버에 대하여 그러하다. SiC의 비열(heating rate)은 약 10-100℃ 인 것으로 평가되지만, 위와 같은 적용에 있어서는 전구 벽으로 열의 전달로 인하여 훨씬 낮아지는 것으로 믿어진다. 만약 파이버의 온도가 약 800℃가 된다면, 파이버는 가시적으로 빛을 발산한다(visibly glow). 연장된 RF 가열은 SiC 파이버가 파열되도록 만들며 결과적으로(예를 들어 수 백 내지 천 사이클 후에) 파이버가 동작 개시 필드의 향상이 발생하지 않도록 만든다. 보다 연장된 수명 적용을 위하여 지연 시간을 감소시키는 것이 바람직하며 이는 파이버가 과도한 옴적 가열(ohmic heating)에 의하여 손상되는 것을 방지하기 위함이다.

작동 이론에 의하여 제한되지 않는다면, 어떤 차이점(a distinction)이 지연/상승 시간 동안과 정상 상태 작동 동안 사이에 바람직한 특징들 사이에서 유추된다. 지연 및 상승 시간 동안, 파이버의 충분한 전도성(conductivity)은 전기장 향상을 증가시키지만, 적용 가능한 양의 에너지가 파이버에게 커플될 수도 있고 점차적으로 점화를 향상시키는 파이버의 능력의 저하를 초래한다. 과도한 지연 시간은 파이버의 질적 저하에 대한 가장 중요한 요소가 될 수 있다. 그러나, 다수개의 파이버 및 다른 적당한 측정 물질(예를 들어, 소량의 아르곤(Ar) 및/또는 크립톤(Kr₈₅)을 이용하여, 지연시간이 감소되고 수천 회의 작동 개시 사이클이 얻어진다(몇몇 실시예에 있어서는 10,000 사이클 이상을 나타내었다). 파이버가 충분한 필드 향상을 제공하는 경우에는 상대적인 저항성을 가지는 파이버가 적절할 수 있다. 정상 상태의 작동 시, 플라즈마와 비교하여 파이버의 상대적으로 높은 저항은 파이버에게 커플되는 에너지가 작아지는 결과를 가져온다. 파이버는 전구 벽으로 쉽게 열을 발산하기 때문에 파이버가 과도하게 가열되지는 않는다.

다수 개의 작동 개시 보조 물질에 대한 실시예(examples of multiple fiber starting aids)

6 인치(inch) 길이의 실린더형 전구는 11 mm 외부 직경을 가지며 핀치된 중간 영역(a pinched middle section)은 두 개의 방전 체임버(chambers)를 분리한다. 각각 14 마이크론의 직경과 25 mm의 길이를 가지는 두 개의 SiC 파이버가 내부 전구 벽(inner bulb wall)에 설치되며, 전구의 길이 방향의 축에 대하여 평행하고 대략적으로 각각의 체임버(chamber)에 중심이 위치한다(도 9 참조). 전구는 500 Torr의 크세논으로 채워진다. 파이버는 위에서 언급한 적절한 방법을 사용하여 보호을 위하여 졸-겔 코팅된 두 개의 층으로 커버된다.

충전물은 미국 특허 번호 제5,686,793호에서 개시된 것과 유사한 램프 장치에 의하여 여기된다(excited). 충전물은 신뢰성을 가질 만큼 램프 시스템에서 점화되며, 위의 램프 시스템은 퓨전 UV 시스템사(Fusion UV systems Gaithersburg, Maryland)의 모델 제조 번호 F300, HP-6 및 F500이 사용되고 위 회사로부터 상업적으로 구입 가능하다.

또 다른 실시예가 아래에서 기술된다. 10 인치 길이의 실린더형 전구는 18 mm의 외부 직경을 가진다. 각각 14 마이크론의 직경과 25 mm의 길이를 가지는 4개의 SiC 파이버가 내부 전구 벽(inner bulb wall)에 설치된다(예를 들어, 전구의 길이 방향의 축에 평행하게 설치된다). 전구는 1530 Torr 크세논 및 염소 가스(chlorine)로 채워진다. 파이버는 위에서 언급한 적절한 졸-겔 방식을 사용하여 보호를 위하여 두 개의 층으로 이루어진 SiO₂코팅으로 커버된다. 충전물은 신뢰성을 가질 만큼 램프 시스템에서 점화되며, 위의 램프 시스템은 퓨전 UV 시스템사(Fusion UV systems Gaithersburg, Maryland)의 모델 제조 번호 F450 및 F500이 사용되고 위 회사로부터 상업적으로 구입 가능하다. 첫 번째 대안은 4개의 흑연 파이버를 사용하는 것을 제외하고 유사한 구조를 가지며, 흑연 파이버는 각각 10 마이크론의 직경과 25mm의 길이를 가진다. 또 다른 대안은 4개의 백금 파이버를 사용하는 것을 제외하고는 유사한 구조를 가지며, 각각의 파이버는 25 마이크론의 직경과 25 mm의 길이를 가진다.

염소(Cl)는 졸-겔 필름 커버링(sol gel film covering)을 통하여 확산되며(diffuse) SiC, 흑연, 몰리브덴 및 텅스텐(W)과 반응할 수도 있다. 아울러 마이크로 크기의 틈(micro-cracks)이 필름-파이버-수정 세 개의 접합부(film-fiber-quartz tri-junction)의 구석에 형성될 수도 있다. 따라서, 얇은 필름 코팅은 수회의 작동 개시 사이클에 걸쳐서 높은 반응성을 가지는 Cl 플라즈마에 대하여 파이버를 충분히 보호하지 못할 수도 있다. 졸 겔 필름 커버링 백금(Pt)에 대해서는 아무런 반응이 관측되지 않았지만, 수회에 걸친 점화 후 오랜 지연 시간은 코팅 및 백금의 질적 저하를 초래한다(이는 만약 지연 시간이 길어지면 파이버는 매우 뜨거워지기 때문이다). 대안적인 코팅 물질(예를 들어, 알루미늄)이 Cl을 포함하는 충전물에 대하여 적절할 수 있다.

다수 개의 파이버와 다양한 압력의 크세논을 가진 다른 선형 실린더형 전구(linear cylindrical bulbs)의 실시예는 아래와 같다:

전구 형태(ID×OD)	Xe 압력	파이버(Fiber 양)
13mm×15mm 핀치형 튜브	1700 Torr	4.8 mg
15mm×18mm 직선형 튜브	1530 Torr	4.8 mg
15mm×18mm 직선형 튜브	1700 Torr	4.8 mg
15mm×18mm 직선형 튜브	2000 Torr	4.8 mg
13mm×15mm 직선형 핀치형 튜브	1700 Torr	2.4 mg
13mm×15mm 핀치형 튜브	1700 Torr	1.2 mg

상기 실시예의 각각에 있어서, 각각의 파이버는 14 마이크론의 직경과 25 mm의 길이를 가지며, Hi-Nicalon Sic 파이버이다. mg으로 양이 표시되는 파이버를 합산하는 다수 개의 파이버는 튜브의 내부에 설치되고 선형 전구의 끝 부분에 집중되며, 파이버는 각각의 끝(예를 들어 도 15 참조)에 반-임의적으로(semi-randomly) 분포된다. 작동 시, 전구의 끝 부분은 높은 전기장 영역에 위치한다. 파이버는 졸-겔 침전된 실리콘 다이옥사이드(sol-gel deposited silicon dioxide)로 이루어진 두 개의 층으로 코팅된다. 상기 각각의 실시예에 있어서, 충전물에 대한 신뢰할 만한 점화가 이루어진다. 파이버 양이 약 0.4 mg으로 감소되거나 또는 파이버의 수가 보다 적어지는 경우, 점화는 여전히 가능하지만 신뢰성이 낮아진다.

다수개의 파이버가 지연 시간에 미치는 효과(effect of multiple fibers on delay time)

아래의 실시예에서, 전구는 소량의 Kr₈₅와 함께 600 Torr의 크세논으로 채워진다. 모든 파이버는 14 마이크론의 직경을 가지는 SiC가 된다.

파이버 길이	파이버의 수	지연
3 mm	100-200	29 ms-80 ms

상기에서 언급한 것처럼, 과도한 지연 시간(예를 들어, >50 ms)은 유용한 파이버의 수명 시간을 제한하는 요소(a factor)가 될 수 있으며, 특히 상대적으로 높은 비열을 가지는 SiC 파이버에 대하여 그러하다. 수많은 짧은 파이버를 이용하여, 다수 개의 장소가 여기되며(excited) 이는 상대적으로 큰 면적이 갑자기(all at once) 사태 파열(avalanche breakdown)을 발생시키므로 지연 시간을 감소시킨다. 다수 개의 파이버를 이용하는 것은 지연 시간을 현저하게 감소시키며 작동 개시 사이클의 회수를 증가시키는 것에 의하여 전구의 가용 수명 시간을 향상시킨다. 예를 들어, 황-크세논(S-Xe) 전구에 대하여 사이클의 수는 다수 개의 짧은 SiC 파이버를 사용하는 것에 의하여 수 천회의 사이클 이상으로 증가되며, 이는 단일의긴 SiC 파이버에 비하여 3-4 팩터(a factor)가 된다.

더욱이, 수많은 짧은 백금(Pt) 코팅된 SiC 파이버는 코팅되지 않은 SiC 파이버 보다 지연 시간의 감소를 위하여 훨씬 더 잘 작동할 수 있다. 0.2 마이크론 두께의 백금으로 판금된(plated) 3 mm의 길이, 8 마이크론 직경의 파이버의 사용은 29 ms 보다 훨씬 더 큰 값으로 지연 시간을 감소시키며 2000 Torr을 넘는 압력에서 크세논 가스의 점화를 가능하도록 한다. 파이버는 내부 전구 벽에 임의의 방향으로 위치할 수 있지만, 적절하게 점화하는 동안에 전기장이 높은 지역에 위치하는 것이 유리하다. 예를 들어, 수십 또는 수백 개의 파이버들이 1 cm²의 면적(a one square cm area) 내에 위치할 수 있다. 파이버는 위에서 언급한 졸-겔 방법을 사용하여 하나 또는 그 이상의 실리콘 다이옥사이드 층에 의하여 보호될 수 있다.

SiC 위스커를 가진 램프의 실시예(example lamp with SiC whiskers)

예시적인 실시예가 아래에서 제안된다. 35 mm 구형 전구가 26 mg 황 원소(S), 600 Torr Xe 및 소량의 Kr₈₅로 채워진다. 0.4 마이크론 내지 0.7 마이크론의 범위의 직경과 0.05 내지 2 mm의 길이를 가진 SiC 위스커가 다발(bunch) 형태로 정렬되고 전구 표면의 내부에 임의적으로 분포된다. 전구는 LightDrive^ⓡ1000 마이크로웨이브 램프(퓨전 라이팅사(Fusion Lighting, Inc, Rockville, Maryland)에 의하여 만들어짐)의 마이크로웨이브 공동 내에 설치된다. SiC 위스커에 대하여, 램프는 약 측정 전류 320mA(마이크로웨이브 전력 약 1000W에 해당한다)에서 점화한다.

노블 가스 혼합물(noble gas mixture)

작동 개시 시간 및 파이버와 RF 공급원에 대한 스트레스(stresses)를 추가로 감소시키기 위하여, 충전물에 대하여 소량의 원자 번호가 낮은 불활성 가스(예를 들어, 아르곤, 네온 또는 헬륨)를 추가하는 것이 바람직하다. 위와 같은 가스 혼합물의 이점은 PCT 공개 번호 WO 99/08865에 상세하게 기술되어 있다.

예시적인 실시예가 아래에서 제안된다. 35 mm의 구형 전구가 26 mg 황 원소(S), 600 Torr 크세논(Xe), 소량의 Kr₈₅및 10 Torr 아르곤(Ar)으로 채워진다. 0.4 마이크론 내지 0.7 마이크론의 직경과 0.05 내지 2 mm의 길이를 가지는 SiC 위스커가 다발 형태로 정렬되고 전구 표면의 내부에 임의적으로 분포된다. 위스커는 위에서 기술한 적절한 방법을 사용하여 SiO₂로 이루어진 하나의 층으로 코팅된다. 전구는 LightDrive^ⓡ1000 마이크로웨이브 램프(퓨전 라이팅사(Fusion Lighting, Inc, Rockville, Maryland)의 마이크로웨이브 공동 내에 설치된다. SiC 위스커를 이용하여, 램프는 약 320 mA(약 1000W의 마이크로웨이브 전력에 해당함)의 측정 전류에서 점화된다. 지연 시간은 아르곤(Ar)이 없는 상태에서 실시된 위의 실시예의 지연 시간에 비하여 반 이상으로 감소된다.

또 다른 실시예가 아래에서 제안된다. 35 mm의 구형 전구가 26 mg의 황 원소(S), 600 Torr 크세논(Xe) 및 소량의 Kr₈₅로 채워진다. 단일 형태의 직경이 14마이크론이며 길이가 25 mm인 SiC 파이버가 전구 벽의 내부에 설치되고 졸-겔 침전된 실리콘 다이옥사이드로 이루어진 2개의 층으로 커버된다. 지연 시간은 약 100ms이다. 10 Torr 아르곤(Ar)을 추가하는 방법으로, 지연 시간은 25 ms보다 더 짧은 시간으로 감소되었다. 따라서, 소량의 아르곤의 추가는 지연 시간을 현저하게 감소시킨다.

위에서 제안된 실시예들은 단지 예시적인 것이며 제한적인 의미로 해석되어서는 아니 된다 . 위에서 언급한 실시예들은 마이크로웨이브 여기(excitation)와 관련되어 언급되었지만, 무전극 전구를 커플링하기 위한 다른 여기(excitation) 기술과 구조도 본 발명에 따른 작동 개시 보조 물질(aid)로부터 이점을 얻을 수 있을 것이다. 예를 들어, 이러한 다른 커플링 구조는 유도성 커플링, 용량성 커플링 및 전송파 론쳐(travelling wave launchers)를 포함한다.

제조상의 간단함을 위하여, 특별한 전구는 작동 개시 보조 물질로서 사용되어진 동일한 형태의 파이버(예를 들어, 동일한 물질, 동일한 직경)를 가질 것으로 예상된다. 그러나, 만약 특별한 적용을 위하여 필요하거나 또는 바람직하다면, 위에서 언급된 파이버 물질 및/또는 구조는 결합될 수 있다. 예를 들어, 임의적으로 분포된 SiC 위스커의 패치(patches)는 전기장을 따라서 정렬된 긴 SiC와 함께 될 수 있다. 다른 실시예는 다른 물질 및/또는 직경을 가지는 파이버들의 결합이다. 다른 결합도 마찬가지로 유용할 것이다.

본 발명은 절연 파괴가 어려운 다른 플라즈마 프로세싱 적용에 유용할 수 있고, 특별히 이러한 적용은 내부 전극이 바람직하지 못한 영역에서 유용하다.

본 발명은 현재 시점에서 적절한 실시 형태로 판단되는 것과 관련하여 제안되었지만, 본 명세서에서 기술된 실시예들은 본 발명이 개시된 실시 형태에 제한되는 것이 아니라, 반대로 본 발명의 사상과 범위에 포함되는 다양한 변형과 등가적인 장치들이 본 발명에 포함되도록 의도되었다고 이해되어야 한다.

Claims

빛 전달 엔벨럽(a light transmissive envelope)과 엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버(one fiber)를 포함하고, 상기에서 각각의 파이버는 100 마이크론(μ) 보다 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구(a discharge lamp bulb).
청구항 1에 있어서,

엔벨럽의 벽에(on wall) 설치된 적어도 하나의 파이버는 전도성 물질(a conductive material)로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 반-전도성 물질(a semi-conductive material)로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 전도성 물질과 반-전도성 물질의 결합으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 하나에 있어서,

파이버는 엔벨럽의 벽에 쉽게 합치되도록 충분한 유연성(flexible)을 가지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 하나에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 25 마이크론(μ)보다 더 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 하나에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 10 마이크론(μ)보다 더 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 하나에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 1 마이크론(μ)보다 더 작은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 하나에 있어서,

각각의 파이버는 원형의 단면적(a circular cross section)을 가지며 파이버의 두께가 파이버의 직경에 해당하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 하나에 있어서,

램프 전구가 무전극(electrodeless) 인 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 하나에 있어서,

램프 전구는 내부 전극(internal electrodes)을 포함하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 11에 중의 어느 하나에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 탄소(carbon), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 알루미늄(aluminum), 탄탈(tantalum), 몰리브덴(molybdenum), 백금(platinum) 및 텅스텐(tungsten)을 포함하는 물질의 그룹으로부터 선택된 하나의 물질로 만들어 진 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 또는 청구항 4 내지 청구항 11 중의 어느 하나에 있어서,

엔벨럽의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버는 백금으로 코팅된 실리콘 카바이드로 만들어진 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 13 중의 어느 하나에 있어서,

파이버는 다수 개의 밀집하게 배치된 병렬 파이버를 포함하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 13 중의 어느 하나에 있어서,

파이버는 다수 개의 임의적으로 분포된 파이버를 포함하는 방전 램프 전구.
청구항 15에 있어서,

각각의 파이버는 약 3mm의 길이 또는 그 보다 작은 길이가 되는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 12 중의 어느 하나에 있어서,

파이버는 실리콘 카바이드 위스커의 패치(a patch of silicon carbide whiskers)를 포함하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 17 중의 어느 하나에 있어서,

파이버는 빛 전달 엔벨럽(the light transmissive envelope)의 내부 벽(inside wall)에 설치되고 파이버는 보호 물질(a protective material)로 커버되는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
청구항 18에 있어서,

보호 물질은 2 마이크론(μ) 두께보다 더 작게 코팅되는 실리콘 다이옥사이드(a silicon dioxide)를 포함하는 방전 램프 전구.
청구항 1 내지 청구항 19 중의 어느 하나에 있어서,

엔벨럽은 불활성 기체(an inert gas)를 둘러싸고 파이버는 기체의 절연파괴(breakdown)를 개시하기 위하여 기체에 적용된 필드를 향상시키는 데 효율적인 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구.
내부에 설치된 빛 방출 충전물(a light emitting fill)을 가지는 빛 전달 수용체(a light transmissive container);

상기 수용체 내부에 있는 충전물에게 에너지를 커플링(couple) 하기에 적합한 커플링 구조(a coupling structure);

상기 커플링 구조에 연결된 높은 주파수의 공급원(a high frequency source);

상기 수용체(the container)의 벽에 설치된 적어도 하나의 파이버를 포함하고,

상기에서 각각의 파이버는 100 마이크론(μ) 보다 더 작은 두께를 가지며, 상기에서 파이버는 전도성 물질(a conductive material), 반-전도성 물질(a semi-conductive) 또는 전도성 물질과 반-전도성 물질의 결합으로부터 만들어지는 것을 특징으로 하는 방전 장치(a discharge apparatus).
청구항 21에 있어서,

파이버는 수용체(the container)의 벽에 쉽게 합치하도록 충분한 유연성을 가지는 것을 특징으로 하는 방전 장치.
청구항 21 또는 청구항 22에 있어서,

충전물은 불활성 기체를 포함하고 파이버는 기체의 절연 파괴를 개시하기(initiate) 위하여 기체에 적용된 필드(a field)를 향상시키는 데 효율적인 것을 특징으로 하는 방전 장치.
청구항 21 내지 청구항 23 중의 어느 하나에 있어서,

충전물(the fill)은 300 Torr 보다 더 큰 압력 하에서 노블 기체(a noble gas)를 포함하고, 작동 개시(starting) 동안 수용체에 적용된 필드는 4×10⁵V/m다 작고, 상기에서 적용된 필드는 노블 기체의 절연 파괴를 발생하는 데 효율적인 것을 특징으로 하는 방전 장치.
청구항 21 내지 청구항 24 중의 어느 하나에 있어서,

높은 주파수 공급원은 마그네트론(a magnetron)을 포함하고 커플링 구조는 마이크로웨이브 공동(a microwave cavity)에 연결된 도파관(a waveguide)을 포함하는 방전 장치.
청구항 21 내지 청구항 25 중의 어느 하나에 있어서,

작동 개시 동안 적어도 하나의 파이버가 전기장을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 방전 장치.
청구항 21 내지 청구항 25 중의 어느 하나에 있어서,

방전 장치는 램프를 포함하고 수용체는 밀봉된(a sealed) 무전극 방전 램프를 포함하는 방전 장치.
청구항 27에 있어서,

무전극 램프 전구는 선형 전구(a linear bulb)를 포함하고 파이버는 선형 전구의 각각의 끝 부분에 집중된(concentrated) 다수 개의 파이버를 포함하는 방전 장치.
빛 전달 엔벨럽을 만드는 단계;

상기 엔벨럽의 벽에 파이버를 고정시키는(securing) 단계를 포함하는 방전 램프 전구를 만드는 방법.
청구항 29에 있어서,

파이버를 고정시키는 단계는 사진 석판 기술(photolithography)을 이용하여 벽에 파이버를 패턴 형성 방식(patterning)으로 만드는 것을 특징으로 하는 방전 램프 전구를 만드는 방법.
청구항 29에 있어서,

파이버를 고정시키는 단계는 졸-겔 용액(a sol-gel solution)을 이용하여 엔벨럽의내부에 파이버를 배치하고(depositing) 엔벨럽의 벽에 파이버를 고착시키는 것(adhering)을 포함하는 방전 램프 전구를 만드는 방법.
청구항 29에 있어서,

보호 물질(a protective material)을 사용하여 파이버를 커버링 하는(covering) 단계를 더 포함하는 방전 램프 전구를 만드는 방법.
청구항 32에 있어서,

보호 물질은 실리카(silica)를 포함하고 커버링 하는 단계는 졸-겔 용액을 이용하여 파이버를 코팅하는 것을 포함하는 방전 램프 전구를 만드는 방법.