KR20110006179A - 무전극 조명기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전극 조명기기에 관한 것이다. 본 발명은, 공진기가 그 공진공간의 길이방향을 따라 전기장이 인가되어 TM모드로 공진될 수 있도록 형성됨에 따라 400w급 중소 출력의 마이크로파가 공급되더라도 공진주파수의 변동없이 강한 전기장을 인가할 수 있어 높은 광속과 이에 따른 높은 광효율을 유지할 수 있다. 또, 이를 통해 상기 공진기의 직경과 길이를 줄여 전체적으로 무전극 조명기기를 소형화할 수 있다. 또, 상기 공진기의 내부에 전계집중부재가 설치됨에 따라 그 공진공간의 내부에 전계강화부재가 설치됨으로써, 전기장을 무전극 전구 주변으로 집중시켜 광효율을 더욱 높일 수 있다.

무전극, 공진모드, 전계집중

Description

무전극 조명기기{PLASMA LIGHTING SYSTEM}

본 발명은 무전극 조명기기에 관한 것으로, 특히 중,소출력을 갖는 무전극 조명기기에서도 충분한 전기장이 인가되어 많은 광속을 얻을 수 있는 무전극 조명기기에 관한 것이다.

일반적으로 무전극 조명기기는 마그네트론과 같은 마이크로파 발생부에서 발생되는 마이크로파 에너지를 이용하여 무전극 전구에 봉입된 발광물질을 플라즈마화시켜 발광되도록 하는 조명기기이다. 상기 무전극 조명기기는 전구의 내부에 전극이나 필라멘트가 없는 무전극 전구로 수명이 매우 길거나 반영구적이며, 상기 무전극전구에서 발광되는 빛은 자연광과 같은 빛을 띄게 된다.

이를 위해, 상기 무전극 조명기기는 통상 마이크로파를 발생시키는 마그네트론과, 상기 마그네트론에서 전달되는 마이크로파를 이용하여 빛을 발생하도록 발광물질이 충전된 무전극 전구와, 상기 무전극 전구를 수용하고 상기 마그네트론에서 전달되는 마이크로파를 공진시키는 공진기와, 상기 마그네트론과 공진기 사이를 연통시켜 마그네트론에서 발생되는 마이크로파를 공진기로 전달하는 도파관으로 이루어져 있다.

상기와 같은 무전극 조명기기는 마그네트론에서 발생되는 마이크로파가 도파관을 통해 공진기에 전달되고, 상기 공진기로 유입되는 마이크로파가 그 공진기의 내부에서 공진되면서 상기 무전극전구의 발광물질을 여기시킨다. 그러면 상기 무전극 전구에 충전된 발광물질이 플라즈마 상태로 변환되어 빛이 발생되고, 그 빛은 상기 무전극 전구의 후방측에 설치되는 반사갓에 의해 전방으로 조사된다.

여기서, 상기 무전극 전구에서 가시광이 많이 발생되기 위해서는 상기 무전극 전구의 주변에 강한 전기장이 인가되어야하며, 전기장의 세기는 마이크로파 전력의 크기와 공진 모드, 그리고 공진기의 형상등에 의해서 결정되어진다.

그러나, 상기와 같은 종래 무전극 조명기기에 있어서는, 상기 공진기의 형상이 원형 단면을 가지는 실린더형으로 형성됨에 따라 상기 공진기 내부의 전자기장 공진모드는 TE111가 된다. 하지만, TE111 공진모드는 1 kW급의 큰 전력에 최적화된 공진모드이다. 따라서 400 W이하급의 중,소출력에서는 충분한 전기장이 인가되지 않게 되어 많은 광속을 얻기 힘들게 되고, 이로 인해 400W이하급의 중,소출력을 갖는 무전극 조명기기에서는 광효율이 크게 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 무전극 조명기기가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 400W이하급의 중,소출력을 갖는 무전극 조명기기에서도 충분한 전기장이 인가되어 많은 광속을 얻고 이를 통해 광효율을 높일 수 있는 공진기 및 이를 구비한 무전극 조명기기를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 마이크로파를 발생시키는 마그네트론; 상기 마그네트론에 연통되어 마이크로파를 안내하는 도파관; 상기 도파관을 통해 전달되는 마이크로파를 공진시키는 공진기; 및 상기 공진기의 내부에 수용되어 상기 마이크로파에 의해 여기되면서 발광하도록 방전물질을 봉입하는 무전극 전구;를 포함하고, 상기 공진기는 그 공진공간의 길이방향을 따라 전계가 형성되도록 TM모드로 공진되는 무전극 조명기기가 제공된다.

여기서, 상기 공진공간의 내부에는 적어도 한 쌍의 전계집중부재가 설치된다.

상기 전계집중부재는 구리, 알루미늄 또는 상기 구리나 알루미늄과 전기전도도가 동일한 합금 중에서 한 개로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 전계집중부재는 육면체로 형성되고, 상기 공진공간의 길이방향을 높이(H1)라고 하고 반경방향을 길이(L1)이라고 할 때 상기 전계집중부재는 높이가 길이 대비 대략 0.3 ~ 2배로 형성될 수 있다.

그리고 상기 전계집중부재는 그 길이와 동일 평면상에서 직교하는 방향을 두께(t)라고 할 때 상기 전계집중부재는 두께가 길이 대비 대략 0.03 ~ 0.5배로 형성될 수 있다. 그리고 상기 전계집중부재 사이의 간격(D1)은 길이 대비 대략 0.6 ~ 3배로 형성되고, 상기 공진공간의 내경(D2)은 상기 전계집중부재의 길이 대비 대략 1.5 ~ 7배로 형성되며, 상기 공진공간의 길이(L3)는 상기 전계집중부재의 높이 대비 대략 4 ~ 8배로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 도파관은 도파공간을 가지도록 박스모양으로 형성되어 그 일측에 상기 공진기가 삽입되도록 공진기안착홈이 상기 도파공간과 분리되어 형성되고, 상기 공진기안착홈의 내주벽에 상기 도파공간과 공진공간을 연통시키는 제1 마이크로파슬롯이 원주방향으로 길게 형성될 수 있다.

그리고 상기 공진기안착홈의 일측에는 상기 무전극 전구가 결합되도록 길이방향으로 제1 전구장착홈이 형성될 수 있다.

그리고 상기 도파관은 그 일측에 상기 공진기의 개구부가 삽입되도록 공진기안착부가 형성되고, 상기 공진기안착부의 내주벽에는 상기 공진기의 반경방향으로 전기장이 인가되도록 컨넥팅슬롯이 형성될 수 있다. 그리고 상기 공진기안착부의 일측에는 상기 무전극 전구가 삽입되도록 길이방향으로 전구안착홈이 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 무전극 조명기기는, 공진기가 그 공진공간의 길이방향을 따라 전기장이 인가되어 TM모드로 공진될 수 있도록 형성됨에 따라 400w급 중소 출력 의 마이크로파가 공급되더라도 공진주파수의 변동없이 강한 전기장을 인가할 수 있어 높은 광속과 이에 따른 높은 광효율을 유지할 수 있다. 또, 이를 통해 상기 공진기의 직경과 길이를 줄여 전체적으로 무전극 조명기기를 소형화할 수 있다. 또, 상기 공진기의 내부에 전계집중부재가 설치됨에 따라 그 공진공간의 내부에 전계강화부재가 설치됨으로써, 전기장을 무전극 전구 주변으로 집중시켜 광효율을 더욱 높일 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 무전극 조명기기를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 무전극 조명기기의 일부를 분해하여 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 무전극 조명기기를 조립하여 보인 단면도이며, 도 2에 따른 무전극 조명기기에서 공진모드를 보인 개략도이고, 도 4는 도 1에 따른 무전극 조명기기에서 전계집중부재의 규격을 보인 사시도이며, 도 5는 도 1에 따른 무전극 조명기기에서 전계집중부재 사이의 간격을 보인 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 무전극 조명기기는, 고전압발생기(미도시)에서 발생되는 고전압이 인가되어 고주파를 갖는 마이크로파를 생성시키는 마그네트론(100)과, 상기 마그네트론(100)에 결합되어 그 마그네트론(100)에서 발진된 고주파를 갖는 마이크로파를 안내하는 도파관(200)과, 상기 도파관(200)의 출구측에 결합되어 마이크로파의 외부 방출을 차폐하여 공진모드를 형성하는 공진기(300)와, 상기 공진기(300)의 내부에 배치되어 마이크로파에 의해 여 기되어 빛을 발광하도록 발광물질이 구비되는 무전극전구(400)가 포함된다.

상기 도파관(200)은 그 내부에 도파공간(S1)을 가지도록 직사각형 모양으로 형성된다. 그리고 상기 도파공간(S1)의 일측에는 상기 공진기(300)가 삽입되도록 공진기안착부(210)가 형성된다. 상기 공진기안착부(210)는 상기 도파공간(S1)과 분되어 소정의 높이를 갖도록 형성되고, 상기 공진기안착부(210)의 내주벽에는 상기 도파공간(S1)과 공진공간(S2)을 연통시키는 컨넥팅슬롯(220)이 원주방향으로 길게 형성된다.

그리고 상기 공진기안착부(210)의 타측, 즉 상기 컨넥팅슬롯의 반대쪽(반드시 반대쪽일 필요는 없고 다만 조립공정을 고려하여 적절한 위치)에는 상기 무전극 전구(400)가 결합되도록 길이방향으로 전구안착홈(230)이 상기 공기안착부(210)의 개구면에서 소정의 깊이로 형성된다.

상기 공진기(300)는 길이방향 일측은 개구단을 갖는 메쉬로 된 원통모양으로 형성된다. 그리고 상기 공진기(300)의 개구단에서 길이방향으로는 둘레방향을 따라 막힌 형상의 제1 주벽부(310)와 그 제1 주벽부(310)에서 연장되고 메시 형상으로 형성되는 제2 주벽부(320)로 형성된다. 그리고 상기 제1 주벽부(310)의 일측에는 상기 도파관(200)의 전구안착홈(230)에 대칭되어 상기 무전극 전구의 축부를 눌러 지지하도록 전구지지홈(331)이 개구단에 형성된다.

도면중 미설명 부호인 410은 발광부이다.

상기와 같은 무전극 조명기기는 다음과 같이 동작된다.

즉, 상기 고전압 발생기(미도시)에 구동 신호를 입력하면, 그 고전압 발생기 는 교류 전원을 승압하여 승압된 고전압을 마그네트론(100)에 공급하고, 상기 마그네트론(100)은 고전압에 의해 발진하면서 매우 높은 주파수를 갖는 마이크로파를 생성한다.

이 마이크로파는 상기 마그네트론(100)의 안테나를 통해 그 마그네트론(100)의 외부로 방출되고, 이 방출된 마이크로파는 상기 도파관(200)으로 안내된다.

상기 도파관(200)으로 안내된 마이크로파는 그 도파관(200)의 도파공간(S1)과 컨넥팅슬롯(220)을 통해 상기 공진기(300)의 공진공간(S2)으로 안내되어 방사되고, 이 방사된 마이크로파에 의하여 상기 공진기(300) 내부에는 공진모드가 형성된다. 상기 공진기(300)의 내부에 형성된 공진모드에 의하여 무전극전구(400) 내에 충전된 발광물질은 여기(exciting)되어 지속적으로 플라즈마화 되면서 고유한 방출 스펙트럼을 가지는 빛을 발광하여 공간을 밝히는 것이다.

여기서, 상기 공진기(300)의 공진모드가 종래와 같이 TE111 일 경우에는 전기장의 인가방향은 x-축 방향이며 전기장의 세기는 마이크로파의 출력에 비례한다. 따라서, 마이크로파의 출력이 감소되면 전기장의 세기도 약해진다. 일반적으로 무전극 조명기기에서 발생되는 가시광의 양(광속)은 인가되는 전기장의 세기에 비례하게 되므로, 마이크로파의 출력이 감소되면 전기장의 세기도 감소되고 결과적으로 광속도 줄어들게 된다. 이를 감안하여 본 발명에서는 도 3에서와 같이 상기 공진기의 횡방향으로 전기장이 인가되도록 하여 상기 공진기의 공진모드를 TE111에서 TM010 모드로 변경하였다. TM010 공진모드의 경우는 공진기의 높이(y-축)를 줄일 수록 공진주파수의 변동없이 강한 전기장을 인가할 수 있으므로, 낮은 마이크로파 의 출력을 이용하는 중,소출력급 무전극 조명기기에 유리하게 적용될 수 있다.

이렇게 하여, 상기 마그네트론의 출력이 낮아지더라도 상기 공진기는 그 높이를 줄여 공진공간에서의 전기장의 세기를 높일 수 있고 이를 통해 400W이하급의 중,소출력을 갖는 무전극 조명기기에서도 충분한 전기장이 인가되어 많은 광속을 얻어 광효율을 높일 수 있다.

또, 상기 공진기의 높이를 낮추는 동시에 직경을 작게하면서도 높은 광효율을 얻을 수 있으므로 무전극 조명기기를 소형화할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 TM010 공진기에 2개의 금속 막대(rod), 즉 전계를 강화하기 위한 전계집중부재를 설치함으로써 인가되는 전기장을 더욱 무전극전구(400)쪽으로 집중시킬 수 있고, 공진기(300)의 외경도 더욱 줄일 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 공진기(300)의 공진공간(S2)에 두 개 한 쌍의 전계집중부재(500)가 평면상의 동일 축선상에서 양측에 각각 직교하는 방향으로 설치된다. 상기 전계집중부재(500)는 구리, 알루미늄 또는 상기 구리나 알루미늄과 전기전도도가 동일한 합금 중에서 어느 한 개로 이루어진다.

그리고 상기 전계집중부재(500)는 그 크기가 상기 공진공간(S2)의 체적에 비례하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 공진공간(S2)의 길이방향을 높이(H1)라고 하고 반경방향을 길이(L1)이라고 할 때 상기 전계집중부재가 육면체로 형성되면 그 전계집중부재(500)는 그 전계집중부재(500)의 높이(H2)가 길이(L2) 대비 대략 0.3 ~ 2배로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 전계집중부재(500)는 그 길이(L2)와 동일 평면상에서 직교하는 방향을 두께(t)라고 할 때 상기 전계집중부재(500)는 두께(t)가 길이(L2) 대비 대략 0.03 ~ 0.5배로 형성될 수 있다.

또, 상기 전계집중부재(500)들 사이의 간격(D1)은 길이(L2) 대비 대략 0.6 ~ 3배로 형성되고, 상기 공진공간(S2)의 내경(L1)은 상기 전계집중부재(500)의 길이(L2) 대비 대략 1.5 ~ 7배로 형성될 수 있다. 그리고 상기 공진공간(S2)의 길이(H1)는 상기 전계집중부재(500)의 높이(H2) 대비 대략 4 ~ 8배로 형성될 수 있다.

이렇게 하여, 상기 공진기의 내부에 전기장을 무전극 전구 주변으로 집중시킬 수 있어 그만큼 전계가 강화되어 상기 무전극 전구의 발광효율을 높일 수 있다.

본 발명에 의한 무전극 조명기기는 400W이하급의 중,소출력을 갖는 무전극 조명기기에서도 높은 광효율을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명 무전극 조명기기의 일부를 분해하여 보인 사시도,

도 2는 도 1에 따른 무전극 조명기기를 조립하여 보인 단면도,

도 3은 2에 따른 무전극 조명기기에서 공진모드를 보인 개략도,

도 4는 도 1에 따른 무전극 조명기기에서 전계집중부재의 규격을 보인 사시도,

도 5는 도 1에 따른 무전극 조명기기에서 전계집중부재 사이의 간격을 보인 단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 마그네트론 200 : 도파관

220 : 컨넥팅슬롯 300 : 공진기

400 : 무전극 전구 500 : 전계집중부재

Claims (10)

1. 마이크로파를 발생시키는 마그네트론;

   상기 마그네트론에 연통되어 마이크로파를 안내하는 도파관;

   상기 도파관을 통해 전달되는 마이크로파를 공진시키는 공진기; 및

   상기 공진기의 내부에 수용되어 상기 마이크로파에 의해 여기되면서 발광하도록 방전물질을 봉입하는 무전극 전구;를 포함하고,

   상기 공진기는 그 공진공간의 길이방향을 따라 전계가 형성되도록 TM모드로 공진되는 무전극 조명기기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 공진공간의 내부에는 적어도 한 쌍의 전계집중부재가 설치되는 무전극 조명기기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전계집중부재는 구리, 알루미늄 또는 상기 구리나 알루미늄과 전기전도도가 동일한 합금 중에서 한 개로 이루어지는 무전극 조명기기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 전계집중부재는 육면체로 형성되고, 상기 공진공간의 길이방향을 높이 라고 하고 반경방향을 길이이라고 할 때 상기 전계집중부재는 높이가 길이 대비 대략 0.3 ~ 2배로 형성되는 무전극 조명기기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 전계집중부재는 그 길이와 동일 평면상에서 직교하는 방향을 두께라고 할 때 상기 전계집중부재는 두께가 길이 대비 대략 0.03 ~ 0.5배로 형성되는 무전극 조명기기.
6. 제4항에 있어서,

   상기 전계집중부재 사이의 간격은 길이 대비 대략 0.6 ~ 3배로 형성되는 무전극 조명기기.
7. 제4항에 있어서,

   상기 공진공간의 내경은 상기 전계집중부재의 길이 대비 대략 1.5 ~ 7배로 형성되는 무전극 조명기기.
8. 제4항에 있어서,

   상기 공진공간의 길이는 상기 전계집중부재의 높이 대비 대략 4 ~ 8배로 형성되는 무전극 조명기기.
9. 제1항에 있어서,

   상기 도파관은 그 일측에 상기 공진기의 개구부가 삽입되도록 공진기안착부가 형성되고, 상기 공진기안착부의 내주벽에는 상기 공진기의 반경방향으로 전기장이 인가되도록 컨넥팅슬롯이 형성되는 무전극 조명기기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 공진기안착부의 일측에는 상기 무전극 전구가 삽입되도록 길이방향으로 전구안착홈이 형성되는 무전극 조명기기.

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