KR20100002115A - 고강도 방전 램프용 점등 보조기 - Google Patents

Abstract

고강도 방전 램프(high-intensity discharge lamp)는 절연물로 제조된 방전관(discharge vessel) 및, 캐소드와 애노드로 이루어진다. 애노드가 상기 방전관의 내부면으로부터 떨어지는 곳에 바로 인접한 제1영역과 상기 애노드와의 사이에는, V-형태 갭이 형성된다. 상기 제1영역에서 상기 방전관의 외부면 상에는 제2캐소드가 설치된다. 상기 제2캐소드는 V-형태 갭과 제1영역이 제2캐소드와 애노드 사이에 형성되도록 위치하여 있다. 상기 제1영역에 전기장은, 캐소드와 충돌하여 캐소드와 애노드 사이에 브레이크다운을 일으키는 자외선(UV; ultraviolet)과 진공 자외선(VUV; vacuum ultraviolet)을 발생하는 유전체 장벽 방전(DBD: dielectric barrier discharge)을 일으킨다.

고강도 방전 램프, 방전관, 제2캐소드, 애노드, V-형태 갭, 전기장, 광자.

Description

고강도 방전 램프용 점등 보조기{STARTING AID FOR HID LAMP}

본 발명은 고강도 방전 램프(HID: High-Intensity Discharge lamps)에 관한 것으로서, 특정하게는 점등 보조기(starting aid)를 가진 고강도 방전 램프에 관한 것이다.

고강도 방전 램프는, 사태-발생 전자(avalanche-initiating electron)가 있는 상황에서, 램프를 작동하는 전압보다 높은 전압으로 브레이크다운(breakdown)을 일으키기에 충분한 전기장을 발생하는 전압으로 점등되는 것이다. 점등 보조기는 자외선 증강기(UV enhancers)를 사용하여 사태-발생 전자를 출현시키는 것이다.

예를 들어, 모리스(Morris)의 미국특허 5,323,091호는, 공동이 전극 시일의 포일(foil) 파트를 갖고 있는, 아크 관의 프레스 시일(press seal)에 공동을 구비한 금속 할로겐화물 아크 방전 램프(metal halide arc discharge lamp)용 UV 점등 보조기를 기재하였다. 접지 면은 프레스 시일의 외부에 설치된다. 상기 램프는 접지 면에 대한 네가티브 포일(foil)을 충전하여 전압을 받게 된다. 전자는 상기 포일의 샤프 엣지에서 누설되어 상기 공동에서 유전체 장벽 방전(DBD: dielectric barrier discharge)을 시작한다. 상기 유전체 장벽 방전은 충진 가스와 그 압력에 따라서 자외선(UV)과 진공-자외선(VUV) 광자를 발생하며, 상기 광자(photons)는 램프 점화를 촉진하도록 메인 방전관(main vessel)에 있는 캐소드에 도달하여야만 하는 것이다. 상기 광자가 프레스 시일 물질을 통해 이동하여야만 함으로, 점등 보조기로서의 유용성이 전송 손실(transmission losses)로 인하여 떨어지는 것이다.

노트릅(Nortrup)외 다수인의 미국특허 6,201,348호는 아크 방전관이 밀폐 밀봉된 쟈켓 내부에 위치한 금속 할로겐화물 방전 램프용 점등 보조기를 기재한 것이다. 상기 쟈켓은 관(tube)에서 방전 점등 동작을 도와주는 역활을 하는 가스를 함유하고 있다. 쟈켓의 외부방향으로 신장되어 있는 외부 도체는, 상기 관에 있는 한 리드(lead)에 접속된다. 전압이 전극에 가해지면, 현존 외부 전극은 인접한 내부 전극 근방에 전기장을 집중시킨다. 이러한 그 자체의 효과는 상기 관에서의 절연파괴 동작을 도와주지만, 쟈켓에 유전체 장벽 방전을 형성하게 인도하기도 한다. 이때, 만일 유전체 장벽 방전을 형성하게 인도하는 경우에는, 광자(photons)가 상기 아크 방전관의 벽을 통해 이동하여 아크 관 내의 캐소드에 도달하여야 한다. 유전체 장벽 방전(DBD)이 일어나는 장소 및 캐소드와 관련한 위치에 대한 제어가 결여되었기 때문에, 이들의 효율성은 상당히 떨어진다. 또한, 유전체 장벽 방전 광자의 스펙트럼은 크게 쟈켓 충전 가스에 따르고 그리고, 캐소드에 도달하기 전에 가스에 의해 강력하게 흡수되어질 것이다[전형적으로 N₂, 상기 유전체 장벽 방전 스펙트럼은 강 자외선과 진공 자외선(strong UV and VUV) 성분을 함유한 Xe 또는 Ar 과 대비하여 가시광 쪽으로 더 많이 이동(shift)된다].

버트럴(Butler)외 다수인의 미국특허 7,083,383호는 방전 공간 벽에 끼워 넣어진 전도 스트립(conducting strips)을 갖춘 점등 보조기를 기재하고 있다. 상기 특허의 주 목적은 캐소드에 전기장을 집결하여 전자 방출을 향상시키는 것이다. 또한, 상기 점등 보조기는 용량성 결합 외부 전극(capacitively coupled external electrode)으로 간주될 수 있고 그리고 그러한 것으로서 유전체 장벽 방전을 생성할 것이다. 상기 특허는 광자 구성을 기술하지 않았거나, 광자 생성물의 절연 및 기하형상에 대한 중요성을 인식하지 않은 것이다.

버딩거(Budinger)의 미국특허 7,187,131호는 각각의 전극의 목부(neck)를 둘러싼 2개 와이어 루프(loop)를 가진 점등 보조기를 기재하였다. 상기 루프는 접속되어 점화 펄스(ignition pulse)를 전달 한다. 상기 점등 보조기는 램프의 발광 파트에 이르고, 램프의 광학 특성에 영향을 미치는 것이다.

혼(Hon)의 미국특허 4,010,397호는 전도성 패치(patch)가 램프 외부면의 일부분에 접합되어 고 전압 전극의 파트에 이르게 되는 플래시 램프를 기동하는 설비를 기재한 것이다. 이 특허도 또한 광자 구성물의 절연 및 기하형상에 대한 중요성을 인식하지 않은 것이다.

본 발명의 목적은 램프의 자외선(UV) 점등 보조기가 종래 기술의 문제를 발생하지 않는 새로운 고강도 방전 램프(HID lamp)와 상기 램프를 점등시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 램프가 절연물로 만들어진 방전관과 캐소드 및 애노드를 포함하는 새로운 고강도 방전 램프와 상기 고강도 방전 램프를 점등하는 방법을 제공하는 것이다. 가스로 채워진 V-형태의 갭이, 애노드가 상기 방전관의 내부면으로부터 떨어지는 곳에 바로 인접한 상기 방전관의 제1영역과 애노드 사이에 형성된다. 제2캐소드는 상기 제1영역에서 상기 방전관의 외부면에 설치된다. 상기 제2캐소드는 V-형태의 갭과 제1영역이 제2캐소드와 애노드 사이에 있게 위치 한다. 절연 벽에서 가스를 이온으로 하거나 또는 자유전자를 방출하기에 충분한 제1영역에서의 전기장은, 유전체 장벽 방전(DBD)을 일으킨다. 상기 유전체 장벽 방전(DBD)으로 발생된 자외선(UV) 및 진공 자외선(VUV) 광자가 캐소드와 충돌하여, 캐소드와 애노드 사이에 브레이크다운(breakdown)을 일으키어, 램프를 점등 한다.

본 발명은, 상기 목적 및 이점에 대해서 이하에 기술되는 첨부 도면을 참고로 기술되는 양호한 실시예를 통해 당 기술분야의 기술인이 이해할 수 있을 것이다.

절연물로 제조된 방전관 및, 캐소드와 애노드로 이루어진 고강도 방전 램프에서, 애노드가 상기 방전관의 내부면으로부터 떨어지는 곳에 바로 인접한 제1영역과 상기 애노드와의 사이에, V-형태 갭을 형성 한다. 상기 제1영역에서 상기 방전관의 외부면에는 제2캐소드가 설치된다. 상기 제2캐소드는 V-형태 갭과 제1영역이 제2캐소드와 애노드 사이에 형성되도록 배치 한다. 상기 제1영역에 전기장은, 캐소드와 충돌하여 캐소드와 애노드 사이에 브레이크다운을 일으키는 자외선과 진공 자외선을 발생하는 유전체 장벽 방전을 생성한다.

도1을 참고로 하여 기술하면, 본 발명의 고강도 방전 램프(10)는 고형 절연물로 제조된 방전관(12)과, 상기 방전관의 일측 단부에 부착된 캐소드(14) 및 방전관의 반대측 단부에 부착된 애노드(16)로 이루어 진다. 도2를 통해 보다 명료하게 볼 수 있는 바와 같이, 상기 방전관(12)은, 애노드를 제위치에 유지하는 프레스 시일(20) 근방에서, 애노드(16)가 방전관의 내부면으로부터 떨어지는 곳에 바로 인접한 제1영역(18)을 갖는다. 방전관의 제1영역(18)과 애노드(16)는 애노드와 방전관의 내부면과의 사이에서 V-형태(삼각형) 갭(22)을 형성하고 있다. 상기 V-형태 갭은 방전관의 방전실(24)쪽으로 개방되어 있으며, 가스(26)(상기 방전실 내의 가스와 동일한 가스)로 채워진다. 외형상을 설명하면, 상기 V-형태 갭(22)은 애노드(16) 둘레방향으로 신장되어 있고, 애노드(16)를 중심으로 회전 대칭적으로 있는 것이다. 도2에 나타낸 점선은 애노드에서 급경사로 이격져 변환되는 방전관(12)의 내부면이 있는 위치에 갭의 정상부를 구별하는 선을 개략적으로 나타낸 것이다. V-형태 갭(22)의 유전체 장벽 방전(DBD)이 방출한 양자가 캐소드에 도달할 수 있게, 상기 제1영역(18)은 캐소드(14)쪽으로의 시선에 장애가 없는 시야(unimpeded line-of-sight)를 갖는다.

상기 램프(10)는 부가로 제2캐소드(30)를 제1영역(18)에 방전관의 외부면에 구비하여, 고형 절연물로 이루어진 제1영역(18)과 가스(26)로 채워진 V-형태 갭(22)이 제2캐소드(30)와 애노드(16)사이에 있게 한다.

상기 제2캐소드(30)는 점화기용으로 적절한 전기회로(도시 않음)를 가진 전도체(41)를 통해 캐소드(14)에 연결된다. 애노드(16)는 분리 전도체(43)를 통해 전기회로에 접속된다. V-형태 갭(22)에서의 전기장이 제2캐소드와 애노드 사이에 제1영역(18)에 형성되어, 유전체 장벽 방전을 일으킨다. 상기 가스(26)는 크세논 또는 아르곤인데, 양쪽에 유전체 장벽 방전(DBD)이 익사이머-분자 감쇠 메카니즘(excimer-molecule decay mechanism)을 통해 자외선(UV)과 진공 자외선(VUV) 광자를 생성한다. 상기 자외선과 진공 자외선 광자는 캐소드(14)와 부딪치어 캐소드와 애노드 사이에 브레이크다운을 일으키어, 램프(10)의 점화를 촉진 한다. 전극의 극성은 역전될 수 없다는 사실, 즉, '제2애노드'가 근방-캐소드 전기장(near-cathode electric field)이 적당한 시간(reasonable time)내에 전자를 추출하기에 불충분하여 필요한 유전체 장벽 방전(DBD)을 발생하지 않을 것이라는 사실에 주의 한다.

유전체 장벽 방전의 지속시간은, 일단 이들이 절연 벽에 도달하면, 이들은 유전체 장벽 방전을 소멸시키는, 이온 동작에 의해 제약을 받는다. 광자의 펄스가 캐소드에 전압을 가한 후에 50-100ns에서 시작하여 수 마이크로초(예, 1-5마이크로초) 동안 지속한다는 사실은 알려져 있는 사실이다. 진공 자외선과 자외선 광자는 전자를 캐소드에서 추출하여 이들을 도와서 가스를 이온으로 하는데 소요되는 필요한 에너지를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 제2캐소드(30)는 상기 방전관의 제1영역을 둘러싸고 있는 링(ring) 이다. 제2캐소드는 또한 로드(rod)(도2에서 점선으로 나타낸 30'으로 도시)로 이루어질 수도 있다. 상기 링은 로드와 대비하여 유전체 장벽 방전용 개시 전자(initiating electrons)를 취할 수 있는 영역을 연장시킨다. 시험 결과는, 전형적인 고강도 방전 램프의 스타팅 전압이 로드(30') 실시예에선 18-25kV(스타팅 보조물 갖지 않음)에서 9-10kV까지 감소되고 그리고 링 실시예에선 약 8kV까지 감소됨을 보여 주었다.

본 발명의 실시예가 상술한 명세서 및 도면을 통해 기술되어졌지만, 본 발명은 상기 명세서 및 도면을 참고로 첨부 청구범위에 기술된 특징적인 기술내용으로 한정되는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명의 램프의 실시예를 개략적으로 나타낸 횡단면도 이다.

도2는 도1의 실시예에서 애노드와 제2캐소드 사이에 갭을 상세하게 나타낸 횡단면도 이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 고강도 방전 램프 12: 방전관 14: 캐소드

16: 애노드 18: 제1영역 20: 프레스 시일

22: V-형태 갭 24: 방전실 26: 가스

30: 제2캐소드 41, 43: 전도체

Claims (10)

1. 고강도 방전 램프가:

   (a)절연물로 제조된 방전관과;

   (b)상기 방전관의 일측 단부에 부착된 캐소드와 상기 방전관의 반대측 단부에 부착된 애노드와;

   (c)갭과 제1영역이 제2캐소드와 애노드 사이에 있도록, 제1영역에서 상기 방전관의 외부면에 위치한 제2캐소드를 포함하며;

   (a')상기 방전관은 애노드가 방전관의 내부면으로부터 떨어지는 곳에 바로 인접한 제1영역을 갖고, 상기 제1영역과 상기 애노드는 상기 방전관의 내부면과 애노드 사이에서 V-형태 갭을 형성하고, 상기 갭은 가스로 채워지며 방전관의 방전실에 대해 개방되어 있고, 그리고 상기 제1영역은 캐소드 쪽으로의 시선에 방해를 받지 않는 시야를 갖고;

   (c')상기 제2캐소드는 상기 캐소드에 접속되어 상기 갭에서 유전체 장벽 방전을 발생하는 제1영역에서 전기장을 일으키고, 상기 유전체 장벽 방전은 캐소드와 충돌하여 캐소드와 애노드 사이에 브레이크다운을 일으키는 자외선 및 진공 자외선 광자를 생성하는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2캐소드는 방전관의 제1영역을 둘러싸고 있는 링 인것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2캐소드는 로드 인것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
4. 제1항에 있어서, 상기 가스는 크세논 또는 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프.
5. 절연물로 제조된 방전관과, 상기 방전관의 일측 단부에 부착된 캐소드와 상기 방전관의 반대측 단부에 부착된 애노드를 포함하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법에 있어서, 상기 방법은:

   (a)애노드가 방전관의 내부면으로부터 떨어지는 곳에 바로 인접한 방전관의 제1영역과 애노드 사이에 V-형태 갭을 형성하는 단계와;

   (b)갭과 제1영역이 제2캐소드와 애노드 사이에 위치하게 있는 제2캐소드를, 제1영역에서 상기 방전관의 외부면에 설치하는 단계 및;

   (c)상기 갭 내에 유전체 장벽 방전을 형성하게 애노드와 제2캐소드 사이에 전기장을 적용하는 단계를 포함하고;

   (a')상기 갭은 가스로 채워지며 방전관의 방전실에 대해 개방되어 있고 그리고, 상기 제1영역은 캐소드쪽으로의 시선이 방해를 받지 않는 시야를 갖고;

   (b')상기 제2캐소드는 상기 캐소드에 접속되고;

   (c')상기 유전체 장벽 방전은, 캐소드와 충돌하여 캐소드와 애노드 사이에 브레이크다운을 개시하는 자외선 및 진공 자외선 광자의 펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 광자의 펄스는, 전압을 캐소드에 적용한 후에 50-100ns에서 시작하여 수 마이크로초에 이를 때까지 지속하는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 광자는 자외선 또는 진공 자외선의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 제2캐소드는 방전관의 제1영역을 둘러싸는 링으로 제공되는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 제2캐소드는 로드 로서 제공되는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법.
10. 제5항에 있어서, 상기 가스는 크세논 또는 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 방전 램프를 점등하는 방법.

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