KR20130136134A - 자외선 램프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수은을 함유하지 않는 친환경의 자외선 램프를 개시하며, 개시된 본 발명에 따른 자외선 램프는 외부 관과, 상기 외부 관 내에 적어도 두 개 이상 삽입된 내부 관과, 상기 내부 관의 외벽 상에 형성된 금속산화막과, 상기 내부 관 내에 배치된 외부전극 형태의 방전전극과, 상기 외부 관과 내부 관의 양끝단에 형성되어 이들을 봉합시키는 실링부 및 상기 실링부에 의해 만들어진 상기 외부 관과 내부 관 사이의 방전 공간에 충진된 방전가스를 포함한다.

Description

자외선 램프{Ultra-Violet Lamp}

본 발명은 자외선 램프에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 병원성 미생물 살균 및 난분해성 유기물 분해 용도의 자외선 램프에 관한 것이다.

병원성 미생물 살균 및 난분해성 유기물 분해 용도의 종래의 자외선 램프는 전극의 형성위치 및 구조에 따라 냉음극 램프(CCFL;Cold Cathode Flourescent Lamp)와 외부전극 램프(EEFL;External Electrode Flourescent Lamp)로 크게 분류된다.

상기 냉음극 램프는 유리관 내부의 방전 공간 내의 양단부에 배치된 방전전극에 고전압을 인가하여 방전에 의한 자외선을 발생시킨다. 상기 냉음극 램프는, 램프 내부의 방전 압력에 따라, 저압, 중압, 고압으로 분류된다.

상기 저압 냉음극 램프는 생성된 주파장 자외선 발생 효율[자외선총량(W)/ 램프 소비전력(W)]이 25~30%이며, 유효 파장으로 85 ~ 90%를 차지하는 수은(Hg)에 의한 253.7nm와 10% 이하로 아르곤(Ar) 가스에 의한 184.9nm가 주로 방사된다. 상기 253.7nm파장은 파장 에너지가 112.5 kcal/mol로 낮아 주로 유해성 병원균 등의 살균 용도이다. 상기 184.9nm파장은 파장 에너지가 154.7 kcal/mol로 높아 유기물 분해에 효과적이다.

그러나 상기 저압 냉음극 램프는 상기 184.9nm파장의 방사량이 매우 미비하여 효율적인 유기물 분해 효과를 얻기가 어렵다, 또한, 상기 저압 냉음극 램프는 표면 온도가 약 40~50℃를 유지하며, 램프의 수명이 약 9,000 시간으로 길다는 장점이 있으나, 수은(Hg)의 기화에 영향을 미치는 램프 외부의 온도에 매우 민감하게 영향을 받아 작동이 매우 불안정하다.

상기 중압 냉음극 램프는 유효파장이 200nm ~ 380nm 로 광범위하게 방출되고 램프의 온도가 200~350℃의 고온으로 램프 외부의 온도에는 영향을 받지 않고 고출력에 의한 높은 자외선 총량으로 대량 수 처리에 사용되고 있지만, 살균효과에 가장 적합한 240nm ~ 260nm 파장 생성은 저압 냉음극 램프에 비해 낮고 램프의 수명이 1,000 ~ 2,000 시간으로 짧다.

한편, 상기 외부전극 램프는 봉합된 유리관 양단부의 외벽에 배치된 외부전극과 상기 유리관 벽과의 전기용량 결합(Capacitive coupling)에 의해 유리관 내에 전기장을 형성하고 기체 방전에 의하여 자외선을 발생시킨다.

상기 외부전극 램프는, 방전램프압력, 방전가스 (Hg/Ar) 등이 상기 냉음극 램프와 동일하거나 유사하고, 램프 구동을 위한 방전전압과 주파수가 상기 냉음극 램프보다 다소 높고, 램프의 수명(20,000시간 이상)이 상기 냉음극 램프보다 길다는 장점이 있으나, 관경이 수 mm로 작아 자외선 세기는 높지만, 램프의 발광 면적이 작으므로 총체적으로 자외선 총량이 작다는 문제점이 있어서 자외선 램프보다는 가시광선 광원으로 사용되고 있다.

상기 냉음극 램프와 외부전극 램프는 수은(Hg) 램프들이다. 그러나, 현재 국제환경규제지침(유럽:RoHs,WEEE/미국:캘리포니아 폐전자제품 재활용법/중국: China RoHs/일본: J-Moss 등) 관련 규제대상인 6 가지 중금속 유해물질 중 하나인 수은(Hg)의 전기전자제품에 사용금지 지침인 RoHS가 가장 활발하게 적용되는 유럽과 더불어 미국, 일본, 중국 등 전 세계적으로 확산 되는 등 환경규제가 강화되고 있다. 또한, 현재 국내에서 연간 사용되는 조명등(형광등)은 1억 5천만 개로 추산되고 있으며, 형광등 한 개당 10mg ~ 25mg의 수은(Hg)이 함유되어 있다. 이러한 많은 수은(Hg)이 땅에 매립될 경우, 토양의 오염, 지하수 오염, 상수원 오염 등이 발생 된다. 이에, 점차적으로 수은(Hg)은 전기전자제품에 더 이상 사용할 수 없다.

종래의 무수은 자외선 램프인 엑시머 자외선 램프는, 외부 관과 내부 관의 이중 관 구조이며 방전 형태가 대향방전 타입으로서, 대향방전을 위하여 외부 관 외부표면에 금속메쉬(Metal mesh) 타입의 전극을 형성하고 내부 관 내부에 전극을 형성하고, 유전체로서 외부 관의 두께 자체 재질과 내부 관 두께 자체 재질을 사용하고 있다. 상기 엑시머 자외선 램프는 외부 관 외부표면에 전극이 메쉬(Mesh) 형태로 형성되어 있기 때문에 램프의 개구율 감소로 자외선 총 방사량이 감소 되고, 높은 방전전압으로 대기상의 공기의 방전에 의한 오존발생을 유발하여 오존생성에 따른 위해요소를 방지하기 위해 전극 위에 절연물질을 코팅해줘야 한다. 또한, 상기 엑시머 자외선 램프의 제조공정 측면에서는 금속메쉬 타입 형성이나 내부 관 내부에 전극 형성이 용이하지 않다.

상술한 바와 같이, 종래의 자외선 램프는, 방사되는 파장들 중에서 253.7nm와 184.9nm의 파장만이 응용되고 있다는 문제와, 방사 강도의 에너지 출력이 낮다는 문제와, 상기 수은이 함유된 자외선 램프인 경우에는 램프 주변의 온도에 따라 수은 전자의 여기 상태가 불안정하여 램프 주변 온도에 매우 민감하다는 문제 및 즉각적인 점멸이 이루어지지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 병원성 미생물 살균 및 난분해성 유기물 분해가 용이하고 친환경인 수은을 함유하지 않는 자외선 램프를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프는 외부 관과, 상기 외부 관 내에 적어도 두 개 이상 삽입된 내부 관과, 상기 내부 관의 외벽 상에 형성된 금속산화막과, 상기 내부 관 내에 배치된 외부전극 형태의 방전전극과, 상기 외부 관과 내부 관의 양끝단에 형성되어 이들을 봉합시키는 실링부 및 상기 실링부에 의해 만들어진 상기 외부 관과 내부 관 사이의 방전 공간에 충진된 방전가스를 포함한다.

상기 내부 관은 투명 재질 또는 불투명 재질 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 내부 관은 칼라 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 내부 관은 세라믹, 유리 또는 석영 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 내부 관은 1.0 mm ~ 1.5 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 내부 관들 사이의 이격거리는 4mm ~ 6mm인 것을 특징으로 한다.

상기 금속산화막은 MgO, Y₂O₃ 또는 La₂O₃ 중 어느 하나의 재질 또는 그 조합된 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 금속산화막은 졸형태의 액상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 방전전극은 선, 봉, 스프링, 브러쉬, 파이프 또는 시트판재 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 방전전극은 알루미늄, 알루미늄 합금, 두랄미늄, 구리 또는 구리합금 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 0족 가스 또는 불활성 가스의 방전가스를 사용함으로써, 수은을 사용하지 않는 자외선 램프를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 자외선 램프는 유해물질이 없는 친환경제품군을 구현할 수 있으며 폐기시에도 자외선 램프 자체에 유해성 물질이 없기 때문에 특별한 제약 없이 폐기가 용이하다.

본 발명의 자외선 램프는, 외부 관에 방전전극이 없기 때문에, 종래 수은 램프보다 개구율이 향상되어 자외선 총발생량이 증가 된다.

본 발명의 자외선 램프는, 방전전극이 외부전극 형태이기 때문에, 램프의 수명이 향상되고, 방전전류가 감소되어 소비전력이 절감된다.

본 발명의 자외선 램프는, 각종 분자들의 결합 에너지보다 높은 고출력 에너지의 자외선을 생성함으로써, 유해성 미생물의 직접 살균 및 유기물 분해에 효과적이다.

본 발명의 자외선 램프는, 생성된 자외선이 단파장이기 때문에, 다파장인 종래 수은 램프보다 우수한 특성을 갖는다. 또한, 종래 수은 램프의 살균 용도의 주파장인 183nm와 254nm를 ArF(193nm)와 KrF(249nm)로 대체 가능하여 파장의 에너지 집중도에 있어서 종래 수은 램프보다 우수한 특성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A'선의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프의 자외선 파장 분포도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형상으로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지는 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 A-A'선의 단면도이다. 그리고, 도 3은 Xe 방전가스를 이용한 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프의 자외선 파장 분포도이다. 여기서, 도1 및 도 2에 도시된 화살표는 방전가스의 방전경로를 나타낸 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프(100)는, 외부 관(10)과, 상기 외부 관(10) 내에 적어도 두 개 이상 삽입된 내부 관(20)과, 상기 내부 관(20)의 외벽 상에 형성된 금속산화막(30)과, 상기 내부 관(20) 내에 배치된 외부전극 형태의 방전전극(40)과, 상기 외부 관(10)과 내부 관(20)의 양끝단에 형성되어 이들을 봉합시키는 실링부(50) 및 상기 실링부(50)에 의해 만들어진 상기 외부 관(10)과 내부 관(20) 사이의 방전 공간에 충진된 방전가스(60)를 포함한다.

상기 외부 관(10)은, 예컨대, 유리(glass) 또는 석영(quartz) 재질로 이루어진다. 또한, 상기 외부 관(10)은, 외경이 15mm ~ 35mm이며, 두께가 1.0mm ~ 1.5mm 이고, 양끝단이 개봉되어 있으며, 180nm ~ 380nm 자외선 파장의 투과도가 80% 이상이다.

상기 내부 관(20)은, 투명 재질 또는 불투명 재질로 이루어지고, 칼라 재질로 이루어질 수 있는 것으로서, 예컨대, 세라믹, 유리, 석영 중 어느 하나로 이루어진 절연체관으로서, 양끝단이 개방되어 그 내부 공간이 공기에 의해 노출된다.

여기서, 상기 내부 관(20)은 두 개 이상 바람직하게는, 4 ~ 6개로 구성된다. 상기 각 내부 관(20)은 상기 외부 관(10) 내에 상기 외부 관(10)의 내측면과 이격되도록 삽입 배치된다. 또한, 상기 내부 관(20)들은, 외부 관(10) 내부에 각 일정한 간격으로 이격되어 삽입 배열되되, 외부 관(10)과 같은 동축방향으로 배열된다. 이때, 글로우 방전의 파션법칙(Vf=d x p )에 근거하여 방전전극(40) 간의 거리와 방전압력이 방전전압을 결정하는 중요한 인자이므로, 상기 내부 관(20)들 사이의 이격거리는, 자외선 램프의 방전 최적화 조건에 의한 방전전극(40) 간의 거리를 고려하여, 4mm ~ 6mm로 한다.

또한, 상기 내부 관(20)은, 유전체 역할을 하는 절연체로서, 관의 외경 및 내경의 수치보다는 그 두께가 중요하다. 즉, 상기 내부 관(20)의 두께가 너무 두꺼우면 방전가스(60)의 방전개시 전압은 높아진다. 상기 높은 방전개시전압에 의하여 효율적인 방전을 이룰 수 없을 뿐만 아니라, 전자밀도의 증가 및 전자들의 충격에 의하여 내부 관(20) 표면에는 핀홀(Pinhole)이 형성될 수 있다. 이에, 상기 내부 관(20)은 1.0 mm ~ 1.5 mm의 두께를 갖는다.

상기 금속산화막(30)은, 플라즈마 방전시 2차 전자 방출에 의한 방전전압의 감소와 방전전류 밀도의 증가에 의한 자외선 세기의 증가를 위해, 2차 전자 방출계수가 높은 MgO, Y2O3, La2O3 중 어느 하나 또는 그 조합된 재질로 이루어진다. 예컨대, MgO, Y2O3 금속산화물 코팅 용액을 졸-겝법을 이용하여 제조하여 스프레이와 디핑 방법으로 약 수백 nm 두께로 형성될 수 있다.

상기 금속산화막(30)은 내부 관(20)의 외부표면 전체에 형성된다. 이때, 상기 금속산화막(30)은 외부 회로와 연결될 상기 방전전극(40)의 양끝단 부분, 즉, 단자 부분은 덮지 않도록 형성된다. 또한, 상기 금속산화막(30)은, 방전 공간을 확보하여 면방전이 이루어지도록, 상기 외부 관(10)의 내측 면과 접하지 않는 두께로 형성된다.

상기 방전전극(40)은 선, 봉, 스프링, 브러쉬, 파이프, 시트판재 등의 형태의 도전성 도체가 삽입된 형태이거나 도전성 페이스트 또는 도전성 용액이 코팅되고 열처리 된 형태로 내부 관(20) 내에 배치된다. 상기 방전전극은 알루미늄, 알루미늄 합금, 두랄미늄, 구리, 구리합금 등의 전기 전도도가 우수한 도전성 물질과 Ag 페이스트, ITO, ATO 등의 도선성 코팅 용액이 이용된다.

상기 방전전극(40)의 배치시, 내부 관(20)의 내부표면과 방전전극(40) 간에는 밀접하게 접착한다. 이때, 상기 내부 관(20)의 내부표면과 방전전극(40)의 접합부위가 전체적으로 균일하게 접합이 않 될 경우에는 그 접합이 불안정화된 부분에서 전류밀도의 증가에 의한 코로나 방전 및 더 나아가 아크 방전을 유발하여 내부 관(20) 표면에 핀홀이 발생하게 된다.

상기 실링부(50)는 그 내경이 외부 관(10)의 삽입이 가능할 수 있는 크기를 갖고, 그 재질이 알루미늄 등의 금속재질, 세라믹 재질, 유리, 석영 등이며, 그 형태가 원형캡형이다. 또한, 상기 실링부(50)는 그 중앙에 진공배기관(500)을 연결할 수 있는 하나의 진공배기관홀과 그 바탕부분에 내부 관(20)의 개수만큼의 내부 관홀들이 구비된다. 여기서, 상기 각 내부 관홀은, 내부 관(20)들의 삽입이 가능하도록, 내부 관(20)의 외경 크기에 맞게 형성된다.

상기 방전가스(60)는 내부 관(20)의 외측면과 외부 관(10)의 내측면 사이에 만들어진 방전 공간 내에 충진된다. 예컨대, 상기 방전가스(60)로는 0족 가스 또는 불활성 가스가 사용된다.

상기 불활성 가스는 Xe, Ar, Kr, Ne, He과 할로겐 계열의 F₂, NF₃, SF₆, Cl₂ 등이 혼합된 가스이며, 예컨대, Xe(172nm), ArF(193 nm), KrCl(222nm), KrF(249nm), XeCl(308nm), XeF(351nm) 등이 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프(100)는 금속산화막(30) 및 방전전극(40)이 배치된 내부 관(20)과 외부 관(10)을 실링부(50)에 결합 고정한 후, 외부 관(10)과 실링부(50)의 접합부분, 내부 관(20)과 상기 내부 관홀의 접합부분 및 진공배기관(500)과 상기 진공배기관홀의 접합부분을 실링물질(도시하지 않음)에 의해 밀봉시켜 완성된다. 상기 실링물질은 외부 관(10)처럼 열팽창계수가 낮고 유전력이 높으며 큐어링(Curing) 온도가 300℃ 이하인 SiO2, Al2O3, 지르코니아 등의 기반물질로 된 세라믹 무기접착제로 이루어지거나, 내열성이 300℃ 이상이며 아웃개싱(Out-gasing)이 없는 고온 진공용 에폭시계열 접착제로 이루어진다.

상기 완성된 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프(100)는, 구형파를 사용하며, 주파수가 20kHz ~ 40kHz이고, 방전전압이 4,000V( Peak 값)이며, 듀티 비(Duty Ratio)가 1 ~ 5 범위 내인 조건으로 구동된다.

그리고, 상기 자외선 램프(100)는 방전가스(60)로서 0족 가스 또는 불활성 가스를 사용하여 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방전 방식으로 자외선을 생성한다. 상기 생성된 자외선 파장의 형태는, 도 3에 도시된 바와 같이, 단파장(Single wavelength )으로서, 172nm에서 피크(Peak) 값을 보이고 있다. 상기 172nm 자외선의 포톤 에너지(Photon Energy)는 각종 분자들의 결합 에너지보다 높은 166.7 kcal/mol이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자외선 램프는, 외부 관에 방전전극이 없기 때문에, 종래 수은 램프보다 개구율이 향상되어 자외선 총발생량이 증가된다.

또한, 상기 자외선 램프는, 방전전극이 외부전극 형태이기 때문에, 램프의 수명이 향상되고, 방전전류가 감소 되어 소비전력이 절감되며, 자외선 램프 제조의 확장성(Scaleability)이 프리(Free)하여 제품의 직경과 길이에 관계없이 원하는 제품군 제품이 가능하다. 즉, 제품의 직경이 클 경우에는 직경이 큰 외부 관을 사용하여 내부 관들의 개수만 증가시키면 되고, 길이가 긴 제품일 경우에는 외부 관과 내부 관들의 길이만 증가시키면 되기 때문에 어떠한 크기의 제품도 특성 저하 없이 구현할 수 있다.

상기 자외선 램프는, 각종 분자들의 결합 에너지보다 높은 고출력 에너지의 자외선을 생성함으로써, 유해성 미생물의 직접 살균 및 유기물 분해에 매우 효과적이다.

상기 자외선 램프는, 생성된 자외선이 단파장이기 때문에, 다파장인 종래 수은 램프보다 우수한 특성을 갖는다. 또한, 종래 수은 램프의 살균 용도의 주파장인 183nm와 254nm를 ArF(193nm)와 KrF(249nm)로 대체 가능하여 파장의 에너지 집중도에 있어서 종래 수은 램프보다 우수한 특성을 갖는다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

10: 외부 관 20: 내부 관
30: 금속산화막 40: 방전전극
50: 실링캡 60: 방전가스

Claims (10)

1. 외부 관;
   상기 외부 관 내에 적어도 두 개 이상 삽입된 내부 관;
   상기 내부 관의 외벽 상에 형성된 금속산화막;
   상기 내부 관 내에 배치된 외부전극 형태의 방전전극;
   상기 외부 관과 내부 관의 양끝단에 형성되어 이들을 봉합시키는 실링부; 및
   상기 실링부에 의해 만들어진 상기 외부 관과 내부 관 사이의 방전 공간에 충진된 방전가스;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 관은 투명 재질 또는 불투명 재질 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 관은 칼라 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 관은 세라믹, 유리 또는 석영 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 관은 1.0 mm ~ 1.5 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 관들 사이의 이격거리는 4mm ~ 6mm인 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속산화막은 MgO, Y₂O₃ 또는 La₂O₃ 중 어느 하나의 재질 또는 그 조합된 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속산화막은 졸형태의 액상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 방전전극은 선, 봉, 스프링, 브러쉬, 파이프 또는 시트판재 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 자외선 램프.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전전극은 알루미늄, 알루미늄 합금, 두랄미늄, 구리 또는 구리합금 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자외선 램프.

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