KR20100075323A

KR20100075323A - 용량형 방전을 이용한 자외선 램프

Info

Publication number: KR20100075323A
Application number: KR1020080133976A
Authority: KR
Inventors: 최종현; 감원이
Original assignee: 주식회사 이아이라이팅; 주식회사 진양플라텍
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-02
Also published as: KR101028809B1

Abstract

본 발명은 램프의 수명을 획기적으로 향상시키고 시스템의 확장성을 개선시킨 용량형 방전을 이용한 자외선 램프에 관한 것으로서, 자외선이 방출되는 영역을 갖는 제1 램프부와, 상기 제1 램프부와 연통하며 외주면에 외부전극이 형성되는 영역을 갖는 제2 램프부를 구비한 방전관과; 상기 방전관의 내부에 충진된 방전 가스 및 자외선 방출 물질과; 상기 방전관의 상기 제2 램프부의 전부 또는 일부의 외주면에 형성된 외부전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프를 제공한다.

자외선 램프, 외부전극, 용량형 방전, 수명

Description

용량형 방전을 이용한 자외선 램프{ULTRAVIOLET LAMP USING CAPACITIVE COUPLED DISCHARGE}

본 발명은 램프의 수명을 획기적으로 향상시키고 시스템의 확장성을 개선시킨 용량형 방전을 이용한 자외선 램프에 관한 것이다.

자외선(ultraviolet; UV)은 파장에 따라 UV-A (320~400 nm), UV-B (280~320 nm), UV-C (200~280 nm), Vacuum UV (100~200 nm) 등으로 나뉘며, 파장에 따라 다른 용도로 사용된다. 이 중 UV-C는 살균선이라고 불리며 세균의 DNA 배열을 파괴하여 수중의 대장균 등을 빠르게 살균한다.

자외선 방출 물질로서 수은을 포함하는 방전 램프는 254 nm의 자외선을 주로 발생시키는데, 이는 UV-C의 살균선에 해당되므로, 통상 자외선 살균 램프는 수은의 자외선을 이용하는 방전 방식을 취하고 있다.

자외선 살균 램프는 정수기, 컵 살균기 등과 같이 수 와트(W)의 작은 용량에서부터 하수 처리 시설 등과 같이 수 킬로와트(kW)의 대용량에 이르기까지 적용 범위가 매우 광범위하다.

도 1은 기존의 자외선 살균 램프 구조를 보여준다. 내부전극으로서 필라멘트 전극을 사용하는 기본 구조와 방전 가스의 사용 등은 일반 형광램프의 경우와 동일하며, 자외선의 투과율을 높이기 위해 유리관 재질로 대부분 석영관을 사용하고 있다.

그러나, 기존의 자외선 살균 램프는 램프 수명이 약 5,000시간 정도로 짧고, 일반적으로 수중에 설치되어 교체 비용도 매우 높으므로, 램프의 수명 연장에 대한 요구가 절실한 실정이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은,

첫째, 램프의 수명이 획기적으로 향상된 자외선 램프를 제공하고,

둘째, 다수의 자외선 램프를 병렬 구동시킬 수 있는 전극 구조를 제공하여 자외선 램프를 적용한 시스템의 확장성을 개선시키며,

셋째, 자외선 램프의 효율을 높이고 전력 소비량을 낮추고,

넷째, 외부전극 설계의 자유도를 확보하여 램프의 효율 및 수명을 극대화한 자외선 램프를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위하여,

본 발명은, 자외선이 방출되는 영역을 갖는 제1 램프부와, 상기 제1 램프부와 연통하며 외주면에 외부전극이 형성되는 영역을 갖는 제2 램프부를 구비한 방전관과; 상기 방전관의 내부에 충진된 방전 가스 및 자외선 방출 물질과; 상기 방전관의 상기 제2 램프부의 전부 또는 일부의 외주면에 형성된 외부전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프를 제공한다.

이 경우, 상기 외부전극으로 둘러싸인 영역 내에 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 갖는 부분이 존재하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 본 발명은, 상기 제1 및 제2 램프부가 서로 다른 재질로 이종 접 합되어 있으며, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 가지고, 상기 제1 램프부는 상기 제2 램프부보다 자외선 투과율이 높은 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 제2 램프부가 상기 제1 램프부와 동일한 재질로 상기 제1 램프부 양단에 각각 하나씩 일체로 형성되며, 상기 제2 램프부 각각의 내주면에 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 갖는 유전층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 제2 램프부가 상기 제1 램프부와 동일한 재질로 이루어지고, 상기 제1 램프부 양측에 각각 하나씩 연통하여 "U-자"형을 이루며, 상기 제2 램프부 각각의 내주면에 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 갖는 유전층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프를 제공한다.

본 발명에 의하면,

첫째, 기존 자외선 램프의 내부전극을 제거하고 외부전극 구조를 적용하여 자외선 램프의 용량형 방전을 가능하게 함으로써 자외선 램프의 수명을 획기적으로 연장시키고, 용량형 방전 램프의 다등 병렬 구동 특성을 이용하여 자외선 램프를 적용한 시스템의 확장성을 개선시킬 수 있다.

둘째, 외부전극으로 둘러싸인 영역 내에 자외선 방출 영역의 유리관보다 큰 유전율을 갖는 부분이 존재하도록 함으로써 자외선 램프의 효율을 높이고 전력 소비량을 낮출 수 있다.

셋째, 보조 램프 개념을 도입하여 외부전극 설계의 자유도를 확보함으로써 자외선 램프의 효율 및 수명을 극대화시킬 수 있다.

본 발명은 외부전극 형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp; EEFL)에서와 같은 용량형 방전(capacitive coupled discharge)을 이용한 자외선 램프에 관한 것이다.

자외선 램프에 용량형 방전의 원리를 적용하기 위하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 자외선 램프는 방전관(10)과, 방전 가스 및 자외선 방출 물질(도시되지 않음)과, 외부전극(20)을 포함하여 이루어진다.

상기 방전관(10)은 자외선이 방출되는 영역을 갖는 제1 램프부(11)와, 상기 제1 램프부와 연통하며 외주면에 외부전극이 형성되는 영역을 갖는 제2 램프부(12)를 구비한다. 본 발명에 있어서, 상기 제1 램프부(11)와 상기 제2 램프부(12)는 서로 다른 재질로 별개로 형성된 후 이종 접합될 수도 있고, 혹은 동일 재질로 일체로 형성될 수도 있으며, 혹은 동일 재질로 별개로 형성된 후 동종 접합될 수도 있다.

상기 방전관(10)은 그 내부에 방전 가스 및 자외선 방출 물질이 충진된 상태로 밀봉된다. 자외선 방출 물질로는 자외선 램프의 용도에 따라 다양한 물질이 사용될 수 있다. 자외선 램프의 용도는 자외선의 파장과 밀접한 관계가 있는데, 예컨대, 대장균 등의 살균에 사용되는 200~280 nm의 파장 대역의 자외선이 필요한 경우에는 수은(Hg)이 사용될 수 있고, 100~200 nm의 파장 대역의 자외선이 필요한 경우 에는 제논(Xe)이 사용될 수도 있다. 자외선 방출 물질은 외부전극에의 전압 인가에 따라 방전관 내에 유도된 플라즈마 방전으로 인해 여기된 후(excited) 기저 상태로 돌아오는 과정에서 자외선을 방출한다. 또한, 사용되는 자외선 방출 물질의 종류에 따라 방전 가스의 종류가 달라질 수 있다. 예컨대, 자외선 방출 물질로 수은(Hg)이 사용될 경우에는 방전 가스로 아르곤(Ar) 또는 아르곤(Ar)과 네온(Ne)의 혼합 가스가 사용될 수 있고, 자외선 방출 물질로 제논(Xe)이 사용될 경우에는 방전 가스로 헬륨(He)과 아르곤(Ar)과 네온(Ne)의 혼합 가스가 사용될 수 있다. 다만, 본 발명이 자외선 방출 물질 및 방전 가스의 종류를 한정하는 것은 아니다.

상기 외부전극(20)은 상기 방전관(10)의 상기 제2 램프부(12)의 전부 또는 일부의 외주면에 형성된다. 본 발명에서 사용되는 외부전극(20)의 종류와 코팅 방법 등에 관해서는 기존 외부전극 형광램프의 외부전극에 관련된 기술이 그대로 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

위와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 자외선 램프는 외부전극(20) 아래의 제2 램프부(12)가 램프 방전 시 유전체 역할을 하게 되므로 용량형 방전에 의한 램프 구동이 가능해진다. 이에 따라, 램프 내부에 전극이 없으므로 램프의 수명이 획기적으로 연장될 수 있으며, 이는 이미 외부전극 형광램프를 통해 검증이 되고 있다.

한편, 현재 자외선 램프의 방전관으로는 일반적으로 석영 유리관이 사용된다. 그러나, 석영 유리관을 사용하여 도 2와 같은 구조의 자외선 램프를 만들 경우에는 석영 유리관의 낮은 유전율로 인해 램프의 효율이 떨어질 수 있다. 램프의 효 율이 떨어지면 자외선 출력량이 낮아져 램프의 살균 능력이 저하될 수 있고, 억지로 자외선 출력량을 높일 경우에는 전력 소비량이 크게 증대될 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 상기 외부전극(20)으로 둘러싸인 영역 내에 상기 제1 램프부(11)보다 큰 유전율을 갖는 부분이 존재하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 발명은 다음과 같은 세 가지 방안을 제공한다.

제1 방안으로서, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12)를 서로 다른 재질로 만들고, 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12)를 이종 접합한다. 이 경우, 상기 제2 램프부(12)는 상기 제1 램프부(11)보다 큰 유전율을 가지고 (유전율 조건), 상기 제1 램프부(11)는 상기 제2 램프부(12)보다 높은 자외선 투과율을 갖는다 (자외선 투과율 조건).

여기서, 상기 제1 램프부(11)는 석영 유리(quartz glass) 또는 붕규산 유리(borosilicate glass)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 램프부(12)는 소다 석회 유리(soda-lime glass), 무연 유리(lead-free glass) 또는 알루미나 유리를 포함하여 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명이 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12)의 재질을 한정하는 것은 아니고, 상기 유전율 조건과 자외선 투과율 조건을 만족하면 족하다.

도 3 내지 도 5는 상기 제1 방안에 따른 다양한 실시예를 보여준다.

도 3에 의하면, 상기 제2 램프부(12)는 상기 제1 램프부(11) 양단에 각각 하나씩 상기 제1 램프부(11)의 각 단과 동일 관경을 가지고 관 접합되어 있다. 즉, 양단이 개방된 상기 제1 램프부(11)의 각 단부에 상기 제2 램프부(12)의 개구 단부 가 각각 하나씩 이종 접합되어 있다.

도 4에 의하면, 상기 제2 램프부(12)는 상기 제1 램프부(11) 양측의 각 외주면의 일 지점을 통해 각각 하나씩 연통하여 있다. 구체적으로, 상기 제2 램프부(12)는 상기 제1 램프부(11) 양측에 각각 하나씩 연통하여 "U-자"형을 이루고 있다. 본 실시예에 의하면, 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12)가 서로 다른 중심축을 가지게 되고, 상기 제1 램프부(11)의 전 영역에서 자외선 방출이 이루어지며, 상기 제2 램프부(12)의 외주면에 형성되는 외부전극(20)의 길이 변경이 자유로우므로, 자외선 램프를 이용하는 설비의 설계 자유도를 크게 높이는 장점을 기대할 수 있다.

도 5에 의하면, 상기 제2 램프부(12)는 상기 제1 램프부(11) 양단에 각각 하나씩 상기 제1 램프부(11)의 각 단과 동일 관경을 가지고 관 접합되어 있는 주 램프(12-1)와, 상기 주 램프(12-1) 각각의 외주면의 일 지점을 통해 각각 하나씩 연통하는 보조 램프(12-2)를 구비한다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 상기 보조 램프(12-2)는 상기 주 램프(12-1)와 연통하여 "U-자" 형태를 이룰 수 있다. 이 경우, 상기 외부전극(20)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 주 램프(12-1)의 외주면과 상기 보조 램프(12-2)의 외주면에 함께 형성되고, 상기 주 램프(12-1)의 외주면에 형성된 외부전극과 상기 보조 램프(12-2)의 외주면에 형성된 외부전극은 서로 연결되어 있을 수 있다. 또는, 도시되진 않았지만, 상기 외부전극(20)은 상기 보조 램프의 외주면에만 형성되어 있을 수도 있다. 도 4에 나타낸 실시예의 경우, 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12)의 연결을 위해, 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12)의 각 연 결 부위를 토치로 가열한 후, 상기 제1 및 제2 램프부(11, 12) 안으로 각각 공기 또는 질소를 주입하여 그 가스압에 의해 각 연결 부위가 터지면서 연통부가 형성되는 과정을 거치게 된다. 그런데, 이 과정에서 상기 제1 램프부(11)와 상기 제2 램프부(12) 간 이종 접합은 서로 다른 재질로 인한 녹는점 차이로 인해 공정상 어려움이 있을 수 있다. 도 5에 나타낸 본 실시예는 이러한 램프의 제조 공정을 개선하기 위함이다.

제2 방안으로서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 제2 램프부(12)를 상기 제1 램프부(11)와 동일한 재질로 상기 제1 램프부(11) 양단에 각각 하나씩 일체로 형성하며, 상기 제2 램프부(12) 각각의 내주면에 상기 제1 램프부(11)보다 큰 유전율을 갖는 유전층(30)을 코팅한다.

제3 방안으로서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 제2 램프부(12)를 상기 제1 램프부(11)와 동일한 재질로 상기 제1 램프부(11)와 별개로 만든 후, 상기 제1 램프부(11) 양측의 각 외주면의 일 지점을 통해 각각 하나씩 연통하게 한다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 상기 제2 램프부(12)는 상기 제1 램프부(11)와 연통하여 "U-자" 형태를 이룰 수 있다. 이 경우, 상기 제2 램프부(12) 각각의 내주면에 상기 제1 램프부(11)보다 큰 유전율을 갖는 유전층(30)을 코팅한다.

상기 제2 방안 및 제3 방안에 있어서, 상기 유전층(30)은 상기 제2 램프부(12)보다 2차 전자 방출 계수가 큰 것이 바람직하다. 외부전극에 전압이 인가되면 제2 램프부(12) 내부에 전기장이 발생하게 되고, 전기장에 의해 가속된 이온들이 상기 유전층(30)과 충돌하게 되는데, 이때 상기 유전층(30)의 2차 전자 방출 계 수가 크다면 더 많은 2차 전자가 방출되어 램프의 구동 전압을 낮출 수 있기 때문이다. 또한, 상기 유전층(30)은 상기 제2 램프부(12)보다 치밀질 구조를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 자외선 램프의 수명은 자외선 방출 물질이 소모되는 속도에 크게 의존한다. 상기 유전층(30)이 치밀질 구조를 갖지 않는다면 상기 유전층 내에 전기장에 의해 가속된 자외선 방출 물질의 이온들이 박히는 빈도가 높아져 자외선 방출 물질이 더 빨리 소모되기 때문이다. 또한, 상기 유전층(30)은 자외선 방출 물질의 이온들이 제2 램프부(12)를 이루는 원소와 반응하여 화합물을 형성하는 것을 방지하는 역할도 수행하는데, 이에 따라 자외선 방출 물질의 소모를 줄여 램프의 수명을 향상시킬 수 있다. 이러한 이유들로 인해, 상기 유전층(30)은 상기 제2 램프부(12)의 내벽에 적어도 상기 외부전극(20)이 형성된 영역을 모두 커버하도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 유전층(30) 적용 전·후의 외부전극(20) 부위의 온도를 살펴보면, 상기 유전층(30) 적용 후 상기 외부전극(20) 부위의 온도가 약 20 ℃ 이상 하락하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 가속된 이온들이 상기 제2 램프부(12)의 내벽에 침투되는 것이 상기 유전층(30)에 의해 방지되어 침투된 이온들에 의한 마찰열 발생이 감소한 결과로 해석되며, 이에 따라 줄어드는 발열량만큼 램프의 효율이 개선되는 효과를 기대할 수 있다. 이러한 유전층은 MgO(γ=0.3), ITO(Induim Tin Oxide)(γ=0.15), Y₂O₃(γ=0.3), LiF(γ=0.6) 및 CaF₂(γ=0.6)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어진 것이 바람직하다. 여기서, γ는 2차 전자 방출 계수를 의미한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되 는 것은 아니다.

상기 제2 방안 및 제3 방안에 있어서, 상기 방전관(10)(즉, 상기 제1 및 제2 램프부)은 석영 유리(quartz glass) 또는 붕규산 유리(borosilicate glass)를 포함하여 이루어질 수 있다.

이상, 본 발명을 도시된 예를 중심으로 하여 설명하였으나 이는 예시에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타의 실시예를 수행할 수 있다는 사실을 이해하여야 한다.

도 1은 종래의 자외선 램프의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 램프의 단면도이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1 방안에 따라 서로 다른 재질의 제1 및 제2 램프부가 이종 접합되어 있는 실시예들을 나타내는 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제2 방안에 따라 동일 재질의 제1 및 제2 램프부가 일체로 형성된 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제3 방안에 따라 동일 재질의 제1 및 제2 램프부가 별개로 형성된 후 동종 접합되어 있는 실시예를 나타내는 단면도이다.

Claims

자외선이 방출되는 영역을 갖는 제1 램프부와, 상기 제1 램프부와 연통하며 외주면에 외부전극이 형성되는 영역을 갖는 제2 램프부를 구비한 방전관과;

상기 방전관의 내부에 충진된 방전 가스 및 자외선 방출 물질과;

상기 방전관의 상기 제2 램프부의 전부 또는 일부의 외주면에 형성된 외부전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제1항에 있어서, 상기 외부전극으로 둘러싸인 영역 내에 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 갖는 부분이 존재하는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 램프부는 서로 다른 재질로 이종 접합되어 있으며, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 가지고, 상기 제1 램프부는 상기 제2 램프부보다 자외선 투과율이 높은 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제3항에 있어서, 상기 제1 램프부는 석영 유리(quartz glass) 또는 붕규산 유리(borosilicate glass)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제3항에 있어서, 상기 제2 램프부는 소다 석회 유리(soda-lime glass), 무연 유리(lead-free glass) 또는 알루미나 유리를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제3항에 있어서, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부 양단에 각각 하나씩 상기 제1 램프부의 각 단과 동일 관경을 가지고 관 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제3항에 있어서, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부 양측의 각 외주면의 일 지점을 통해 각각 하나씩 연통하는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제3항에 있어서, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부 양단에 각각 하나씩 상기 제1 램프부의 각 단과 동일 관경을 가지고 관 접합되어 있는 주 램프와, 상기 주 램프 각각의 외주면의 일 지점을 통해 각각 하나씩 연통하는 보조 램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제2항에 있어서, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부와 동일한 재질로 상기 제1 램프부 양단에 각각 하나씩 일체로 형성되며, 상기 제2 램프부 각각의 내주면 에 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 갖는 유전층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제2항에 있어서, 상기 제2 램프부는 상기 제1 램프부와 동일한 재질로 이루어지고, 상기 제1 램프부 양측의 각 외주면의 일 지점을 통해 각각 하나씩 연통하며, 상기 제2 램프부 각각의 내주면에 상기 제1 램프부보다 큰 유전율을 갖는 유전층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 유전층은 상기 제2 램프부보다 2차 전자 방출 계수가 큰 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 유전층은 MgO, ITO(Induim Tin Oxide), Y₂O₃, LiF 및 CaF₂로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 방전관은 석영 유리(quartz glass) 또는 붕규산 유리(borosilicate glass)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 유전층은 상기 외부전극이 형성된 영역을 모두 커버하도록 형성된 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.
제1항에 있어서, 상기 자외선 방출 물질은 수은 또는 제논인 것을 특징으로 하는 용량형 방전을 이용한 자외선 램프.