KR20110025328A

KR20110025328A - 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템

Info

Publication number: KR20110025328A
Application number: KR1020090083336A
Authority: KR
Inventors: 김경신; 김진중
Original assignee: 태원전기산업 (주)
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-10

Abstract

본 발명은 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템, 일명 플라즈마 조명 시스템(PLS, Plasma Lighting System)에 관한 것이다.

본 발명은, 선형편파 마이크로파를 배출하는 선형편파 배출 도파관; 상기 선형편파 마이크로파를 원형편파 마이크로파로 변경하는 1/4-파장판 도파관; 및 상기 원형편파 마이크로파에 의해 방전하는 방전램프를 포함하고, 상기 방전램프의 방전에 의해 발생한 가시광선을 외부로 방출하는 공명공동;을 포함하되, 상기 1/4-파장판 도파관은, 중공과, 상기 선형편파 배출 도파관의 일단과 결합하는 일단과, 상기 공명공동의 일단과 결합하는 반대단을 포함하는 도파관; 및 상기 선형편파 마이크로파의 편파방향에 대하여 경사를 이루도록 상기 중공에 설치되는 유전체판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템을 제공한다.

선형편파, 원형편파, 마이크로파, 도파관, 방전램프, 무전극 방전, 유전체, 1/4 파장판

Description

원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템{Non-Rotating Electrodeless High-Intensity Discharge Lamp System Using Circularly Polarized Microwaves}

본 발명은 무전극 고출력 방전램프시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선형편파된 마이크로파를 원형편파로 변경시킨 후 상기 원형편파된 마이크로파를 이용하여 무전극 방전램프를 방전시키고, 이로써 방전램프의 물리적 회전을 요하지 않는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템에 관한 것이다.

종래기술에 따른 무전극 고출력 방전램프시스템, 일명 플라즈마 조명 시스템(PLS, Plasma Lighting System)은 선형편파된 마이크로파를 배출하는 선형편파 배출 도파관과, 상기 마이크로파에 의해 방전되는 무전극 방전램프를 포함한다. 그러나, 선형편파된 마이크로파를 이용하여 방전램프를 방전시키면 방전램프 내부에 플라즈마 온도가 한 방향으로 불균형하게 유지되고, 이와 같은 경우 방전램프가 국부적으로 가열되게 되어 쉽게 파손되는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 방전램프를 모터와 연결하여 물리적으로 회 전시키는 방안이 종래에 사용된바 있다. 그러나, 이 방안에 의하면, 방전램프시스템의 구조가 복잡하여지는 문제점과, 방전램프의 물리적 회전을 위해 추가적으로 구비되어야 하는 구성들로 인해 방전램프시스템의 제조에 비용이 추가되는 문제점과, 수명을 다한 모터의 교체 및 모터의 구동에 필요한 전력의 공급 등으로 인해 방전램프시스템의 효율이 저하되고 유지비용이 추가되는 문제점 등이 발생한다.

위 방안에 의해 발생하는 문제점을 해결하기 위해 방전램프를 회전시키는 대신에 전기장이 회전하는 원형편파 마이크로파를 이용하여 방전램프를 방전시키는 방안이 제안되었다(미국특허 제5367226호).

선형편파 마이크로파를 원형편파 마이크로파로 변경시키는 종래의 방안은 두 가지로 분류될 수 있다. 첫 번째는 상기 선형편파 배출 도파관 이후에 설치되는 도파관을 두 갈래로 나누어 설치하고 상기 두 갈래의 도파관 각각을 통과하는 마이크로파의 위상차가 90도로 되는 시점에서 두 마이크로파를 다시 결합함으로써 원형편파를 형성하는 방법(미국특허 제5227698호)이다. 이 방안은 두 갈래의 도파관의 길이를 상이하게 형성하여 마이크로파의 위상차를 발생시키는데 이와 같은 경우, 방전램프시스템의 크기가 커지는 문제점 및 방전램프시스템의 제작이 불편하고 번거로운 문제점이 발생한다.

두 번째는 상기 방전램프를 내부에 수용함과 동시에 상기 방전램프로부터 발생한 가시광선만을 통과시키는 메쉬(mesh)로 된 공동망 내에 유전체(dielectric)를 삽입하는 방안(미국특허 제6476557호)이다. 본 방안은 선형편파 마이크로파를 유전체와 평행한 성분 및 유전체와 수직한 성분으로 분해한 후 상기 두 성분의 위상차 가 90도로 되는 시점에서 두 성분을 결합함으로써 원형편파 파이크로파를 형성시킨다. 그러나, 본 방안에 의하면, 메쉬로 된 공동망 내부에 위치할 수 있는 유전체의유전율에 한계가 있기 때문에 유전체의 길이가 길어야 원형편파 마이크로파가 생성될 수 있다. 따라서, 방전램프시스템의 크기가 과다하게 커야 하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구조가 간단하여 용이하게 제작될 수 있고, 종래에 비해 작은 크기로 제작될 수 있는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템, 일명 플라즈마 조명 시스템(PLS, Plasma Lighting System)을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 선형편파 마이크로파를 배출하는 선형편파 배출 도파관; 상기 선형편파 마이크로파를 원형편파 마이크로파로 변경하는 1/4-파장판 도파관; 및 상기 원형편파 마이크로파에 의해 방전하는 방전램프를 포함하고, 상기 방전램프의 방전에 의해 발생한 가시광선을 외부로 방출하는 공명공동;을 포함하되, 상기 1/4-파장판 도파관은, 중공과, 상기 선형편파 배출 도파관의 일단과 결합하는 일단과, 상기 공명공동의 일단과 결합하는 반대단을 포함하는 도파관; 및 상기 선형편파 마이크로파의 편파방향에 대하여 경사를 이루도록 상기 중공에 설치되는 유전체판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템을 제공한다.

바람직하게 상기 도파관에는 상기 선형편파 배출 도파관과 상기 1/4-파장판 도파관 간의 임피던스를 매칭시키는 스터브가 장착된다. 이때, 상기 스터브는 상기 중공에 부분적으로 노출된 링 형태로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

바람직하게 상기 공명공동은 유전체로 이루어진 반사경을 포함하되, 상기 반사경은 상기 방전램프로부터 상기 1/4-파장판 도파관이 위치하는 방향으로 진행하는 가시광선을 반사시킨다.

바람직하게 상기 공명공동의 임피던스는 상기 방전램프의 방전 시 상기 1/4-파장판 도파관의 임피던스와 매칭된다.

본 발명에 의하면, 구조의 간단성으로 인해 방전램프시스템이 용이하게 제작될 수 있을 뿐만 아니라 종래에 비해 작은 크기로 제작될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 선형편파 배출 도파관과 1/4-파장판 도파관 간, 그리고 1/4-파장판 도파관과 공명공동 간 임피던스 매칭으로 인해 방전램프시스템이 높은 효율로 구동될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 반사경이 설치되기 때문에, 방전램프의 방전에 의해 발생한 가시광선의 일부가 손실되는 현상이 방지될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템의 일실시예를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 1/4-파장판 도파관을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 1/4-파장판 도파관을 선형편파 배출 도파관이 위치하는 방향에서 바라본 평면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 방전램프시스템의 변형예를 도시한 사시도이다.

본 발명에 따른 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템(100), 일명 플라즈마 조명 시스템(PLS, Plasma Lighting System)은 도 1에 도시된 바와 같이 선형편파 배출 도파관(110)과, 1/4-파장판 도파관(130)과, 공명공동(170)을 포함한다.

상기 선형편파 배출 도파관(110)은 선형편파 마이크로파를 배출시킨다. 선형편파 배출 도파관(110)은 해당 업계에서 이미 알려진 기술에 해당하는바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기 1/4-파장판 도파관(130)은 선형편파 배출 도파관(110)으로부터 배출된 선형편파 마이크로파를 원형편파 마이크로파로 변경시킨다. 이를 위해, 1/4-파장판 도파관(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 도파관(132)과 유전체판(138)을 포함한다.

도파관(132)에는 중공(142)이 형성되고, 도파관(132)의 하단에는 하부 플랜지(134)가 형성되며, 도파관(132)의 상단에는 상부 플랜지(136)가 형성된다. 상기 하부 플랜지(134)와 선형편파 배출 도파관(110)의 상단에 형성된 플랜지(112)는 볼트 및 너트(미도시)를 통해 결합하고, 상기 상부 플랜지(136)와 공명공동(170)의 하단에 형성된 플랜지(178)도 볼트 및 너트(미도시)를 통해 결합한다. 한편, 상기 도파관(132)은 마이크로파가 외부로 유출되지 않도록 전도성 금속으로 제조된다. 도 1 및 도 2에는 도파관(132)이 원기둥 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 도파관(132)은 도 4에 도시된 바와 같이 사각기둥 형태로 이루어지거나 도시되어 있지는 않으나 그 이외의 다각기둥 형태로 이루어질 수 있다.

유전체판(138)은 도 3에 도시된 바와 같이 선형편파 배출 도파관(110)으로부터 배출된 선형편파 마이크로파의 편파 방향(Y축 방향)에 대하여 경사각(a)을 갖도록 도파관(132)의 중공(142)에 설치된다. 이와 같은 경우, Y축 방향으로 편파된 마이크로파가 유전체판(138)의 폭 방향(X'축 방향) 성분과 높이 방향(Y'축 방향) 성분으로 분해되고, 공기에 비해 높은 유전을 갖는 유전체판(138)을 통과하는 성분(X'축 방향 성분)이 타 성분(Y'축 방향 성분)에 비해 느린 속도로 진행한다. 따라서, 유전체판(138)을 통과한 이후 상기 두 성분이 결합되면 원형편파 마이크로파가 형성될 수 있다.

유전체판(138)을 통과한 이후 X'축 방향 성분과 Y'축 방향 성분이 결합되면서 원형편파 마이크로파를 형성하기 위해서는 유전체판(138)을 통과한 시점에서 상기 두 성분 간 위상차가 90도이어야 한다. 그리고, 유전체판(138)을 통과한 시점에서 상기 두성분 간 위상차는 유전체판(138)의 유전율과 유전체판(138)의 길이(L)에 의해 결정된다. 따라서, 유전체판(138)의 길이(L)는, 유전체판(138)의 유전율이 결정되면, 그 유전율을 고려하여 적절하게 선택된다.

한편, 선형편파 배출 도파관(110)과 1/4-파장판 도파관(130) 간에 임피던스가 매칭(matching)되지 않는다면, 선형편파 배출 도파관(110)으로부터 배출된 마이 크로파 중 일부가 1/4-파장판 도파관(130)으로 유입되지 못하고 반사되기 때문에 방전램프시스템(100)의 효율이 저하되게 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 1/4-파장판 도파관(130)은 스터브(stub)(140)을 포함한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스터브(140)는 도파관(132)에 장착되고, 전도성 금속으로 이루어진다. 그리고, 상기 스터브(140)는 유전체판(138)이 위치하는 부위와 하부 플랜지(134)가 위치하는 부위 사이에 위치한다. 또한, 스터브(140)는 도 3에 도시된 바와 같이 도파관(132)의 중공(142)에 부분적으로 노출되도록 장착된다. 스터브(140)는 선형편파 배출 도파관(110)과 1/4-파장판 도파관(130) 간에 임피던스가 매칭될 수 있을 정도로 노출된다.

한편, 도시된 바에 의하면, 4개의 스터브(140)가 도파관(132)의 원주 방향을 따라 등 간격으로 나열되어 있으나, 스터브(140)의 개수는 이에 한정되지 않고 다양하게 이루어질 수 있다. 이때도 물론 복수의 스터브는 도파관(132)의 원주 방향을 따라 등 간격으로 나열된다. 또한, 도시된 바에 의하면, 스터브(140)가 원기둥 형태로 형성되어 있으나, 이에 한정되지 않고 스터브(140)는 사각기둥 등과 같은 다각기둥 형태로 형성되어도 무방하다.

앞서서는 스터브(140)가 복수의 개수로 형성되는 경우에 대하여만 설명하였으나, 스터브(140)는 하나의 개수로 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 스터브(140)는 링 형태로 형성되고, 도파관(132)의 중공(142)으로 부분노출된다. 스터브(140)가 링 형태로 형성되면, 임피던스의 매칭이 이상적으로 이루어질 수 있다.

상기 공명공동(170)은 방전램프(176)와 메쉬(mesh)로 된 공동망(172)을 포함 한다. 상기 방전램프(176)는 공동망(172)의 내부에 위치하고, 1/4-파장판 도파관(130)으로부터 배출된 원형편파 마이크로파에 의해 방전한다. 공동망(172)은 광 추출을 위한 것으로서, 마이크로파는 차단하고 가시광선만 통과시킨다. 따라서, 1/4-파장판 도파관(130)으로부터 공동망(172)의 내부로 유입된 원형편파 마이크로파는 외부로 퍼지지 않고, 방전램프(176)의 방전에 의해 발생한 가시광선만이 공동망(172)을 통과하여 외부로 발산된다.

한편, 공명공동(170)은 반사경(174)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 반사경(174)은 방전램프(176)로부터 1/4-파장판 도파관(130)이 위치하는 방향으로 역 진행하는 가시광선을 반사시킨다. 이를 위해, 반사경(174)은 공동망(172)의 내부 하단 부위에 설치되고, 그 상면에는 방전램프(176)가 고정된다. 또한, 반사경(174)은 1/4-파장판 도파관(130)으로부터 유입되는 마이크로파만을 통과시키고 방전램프(176)로부터 방출되는 가시광선을 반사시킬 수 있는 유전체, 예컨대 석영 등으로 이루어진다.

또한, 공명공동(170)은 방전램프(176)의 방전 시 자신과 1/4-파장판 도파관(130) 간에 임피던스가 매칭될 수 있도록 이루어진다. 이와 같은 경우, 1/4-파장판 도파관(130)으로부터 배출된 원형편파 마이크로파의 대부분이 방전램프(176)의 방전에 사용될 수 있기 때문에 방전램프시스템(100)의 효율이 높아지게 된다.

이하, 상술한 바와 같은 방전램프시스템(100)의 작동과정을 설명한다.

선형편파 배출 도파관(110)으로부터 배출된 선형편파 마이크로파는 1/4-파장판 도파관(130)을 통과하면서 원형편파 마이크로파로 변경된다. 그리고, 방전램 프(176)의 방전 이전에는 1/4-파장판 도파관(130)과 공명공동(170) 간에 임피던스 매칭이 이루어지지 않기 때문에 원형편파 마이크로파 중 일부는 반사되어 1/4-파장판 도파관(130)으로 되돌아오고 일부는 공명공동(170)으로 공급된다. 그러나, 공명공동(170)으로 공급된 마이크로파에 의해 방전램프(176)가 무전극 방전된 이후에는 1/4-파장판 도파관(130)과 공명공동(170) 간에 임피던스 매칭이 이루어지기 때문에 원형편파 마이크로파는 대부분 공명공동(170)으로 공급되게 된다. 공명공동(170)으로 공급된 원형편파 마이크로파는 방전램프(176)를 무전극 방전시키고, 이로써 방전램프(176)는 가시광선을 발생시킨다. 이때, 공명공동(170)으로 공급된 원형편파 마이크로파는 공동망(172)에 의해 외부로 퍼지지 못하고, 가시광선만이 공동망(172)을 통과하여 외부로 발산하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템의 일실시예를 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 1/4-파장판 도파관을 도시한 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 1/4-파장판 도파관을 선형편파 배출 도파관이 위치하는 방향에서 바라본 평면도이다.

도 4는 도 1에 도시된 방전램프시스템의 변형예를 도시한 사시도이다.

Claims

선형편파 마이크로파를 배출하는 선형편파 배출 도파관;

상기 선형편파 마이크로파를 원형편파 마이크로파로 변경하는 1/4-파장판 도파관; 및

상기 원형편파 마이크로파에 의해 방전하는 방전램프를 포함하고, 상기 방전램프의 방전에 의해 발생한 가시광선을 외부로 방출하는 공명공동;을 포함하되,

상기 1/4-파장판 도파관은,

중공과, 상기 선형편파 배출 도파관의 일단과 결합하는 일단과, 상기 공명공동의 일단과 결합하는 반대단을 포함하는 도파관; 및

상기 선형편파 마이크로파의 편파방향에 대하여 경사를 이루도록 상기 중공에 설치되는 유전체판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템.
제1항에 있어서,

상기 도파관에는 상기 선형편파 배출 도파관과 상기 1/4-파장판 도파관 간의 임피던스를 매칭시키는 스터브가 장착되는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템.
제2항에 있어서,

상기 스터브는 상기 중공에 부분적으로 노출된 링 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 고출력 방전램프시스템.
제1항에 있어서,

상기 공명공동은 유전체로 이루어진 반사경을 포함하되, 상기 반사경은 상기 방전램프로부터 상기 1/4-파장판 도파관이 위치하는 방향으로 진행하는 가시광선을 반사시키는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 방전램프시스템.
제1항에 있어서,

상기 공명공동의 임피던스는 상기 방전램프의 방전 시 상기 1/4-파장판 도파관의 임피던스와 매칭되는 것을 특징으로 하는 원형편파 마이크로파를 이용한 비회전 무전극 방전램프시스템.