KR20140022152A - 자외선 발생 램프, 이를 포함하는 자외선 발생 살균 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내면에 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극 아래에 전기적으로 연결된 에미터를 구비하는 상부 기판; 상부 기판과 마주하여 결합하고, 상기 상부 기판과 마주하는 면에 형성된 형광체층 및 상기 형광체층 아래에 애노드 전극을 구비하는 하부 기판; 및 상기 상부기판과 상기 하부기판을 지지하여 진공 밀폐하는 스페이서를 포함하고, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 특정 전압을 가하면 에미터에서 발생되는 전자와 상기 형광체층이 충돌하여 여기된 후 바닥상태로 전이될 때 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 램프 및 이를 포함하는 자외선 발생 살균 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 자외선 파장 영역에서 발광하는 형광체를 포함하는 자외선 발생 램프와 이를 포함하는 자외선 발생 살균 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 전극에 의해서 전계 방출된 전자를 자외선을 발광하는 형광체의 여기원으로 사용하여 형광체를 여기시킨 후 바닥상태로 전이될 때 발생되는 200 내지 400 nm의 파장을 갖는 자외선을 이용하여 각 파장 영역 대의 목적에 따라 살균, 의료 및 미용에 사용하는 자외선 발생 살균 장치에 관한 것이다.
자외선 광은 일반적으로 320 내지 400 nm(자외선 A 영역), 280 내지 320 nm(자외선 B 영역) 및 200 내지 280 nm(자외선 C 영역)의 세 가지 영역으로 나뉜다. 상기 자외선 A 영역은 자외선의 장파장 영역으로 태닝 등의 미용 효과를 가지고 있으며, 상기 자외선 B 영역은 홍반영역으로 썬탠 램프 등의 의료 목적의 광치료 분야에 응용된다. 그리고 상기 자외선 C 영역은 미생물의 DNA에 손상을 줄 수 있는 에너지를 가지는 영역으로 세균을 박멸하고 물이나 공기를 살균/정화하는 용도로 사용된다.
더욱이 최근 천재지변 상황이나 개발도상국에서는 휴대용 마실 물공급에 관한 관심이 증가되고 있으나, 기존의 수은방식의 살균 램프는 수은의 독성이 가지는 근본적인 환경적 문제로 인하여 전세계적으로 수은램프의 사용이 감소하고 있는 추세이기 때문에 무수은 자외선 살균 램프에 대한 수요가 증가 되고 있다.
이러한 환경적 요인으로 인하여 수은이 포함되지 않은 제논 엑시머 살균 램프 (제논 유전 방열 램프)가 개발되었다. 미국 특허 등록 제6,398,970호에 따르며 제논 엑시머 방식의 살균 램프가 설명되어 있는데 램프 내부는 형광체로 도포되어 있으며 제논 엑시머에 의해 여기된 (여기파장 : 172 nm) 형광체는 살균 영역인 220 내지 280 nm에서 발광하는 것으로 묘사되어 있다. 하지만 또 다른 특허인 미국 특허 등록 제7,855,497호에 따르면 제논 엑시머 램프는 172 nm 중심파장을 가지며 방전 효율은 65% 수준으로 떨어지는 것으로 알려져 있다.
따라서, 기존의 수은살균램프가 근본적으로 가지고 있는 수은의 환경 유해성 및 제논 방전 램프의 낮은 효율을 해결할 필요성이 있다.
본 발명은 기존의 수은살균램프가 근본적으로 가지고 있는 수은의 환경 유해성 및 제논 방전 램프의 낮은 효율을 해결할 뿐만 아니라, 탄소나노튜브(CNT)를 전계 방출 물질로 사용하여 200 ~ 400 nm의 자외선 영역 파장대의 빛을 효율적으로 발생시키는 자외선 발생 램프를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 상기 자외선 발생 램프를 사용하여, 기존의 살균 장치에 비하여 친환경적이며 높은 에너지 효율을 가지는 자외선 발생 살균 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 내면에 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극 아래에 전기적으로 연결된 에미터를 구비하는 상부 기판; 상부 기판과 마주하여 결합하고, 상기 상부 기판과 마주하는 면에 형성된 형광체층 및 상기 형광체층 아래에 애노드 전극을 구비하는 하부 기판; 및 상기 상부기판과 상기 하부기판을 지지하여 진공 밀폐하는 스페이서를 포함하고, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 특정 전압을 가하면 에미터에서 발생되는 전자와 상기 형광체층이 충돌하여 여기된 후 바닥상태로 전이될 때 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 램프를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 자외선 발생 램프 및 살균이 필요한 물질을 담을 수 있는 외부용기를 포함하는 자외선 발생 살균 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 자외선 발생 램프를 포함하는 자외선 발생 의료 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 자외선 발생 램프를 포함하는 자외선 발생 미용 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 종래의 살균 장치들에 비하여 친환경적이면서 고효율을 갖게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 고체, 액체, 기체 또는 플라즈마 상태의 살균이 필요한 물질에 포함되어 있는 세균 및 미생물을 자외선을 이용하여 살균할 수 있을 뿐만 아니라, 상처 부위의 의료용 치료에 사용하거나 태닝 등의 미용에도 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 표면 정화, 공기 정화, 및 쓰레기장 및 폐수처리장 등에서 정화 용도로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 위판 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 아래판 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 장치 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 위판 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 아래판 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 장치 단면도이다.
이하 본 발명에 따른 자외선 발생 램프를 상세히 설명한다.
도 1에 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발광 램프의 단면도를 도시한다. 장치는 진공용기(30) 내에 전자발생 부분과 자외선 발생 부분으로 구성되어 있다. 자외선 발생 램프(100)는 상부 기판(10)과 하부 기판(20)을 스페이서(16)로 지지하는 밀폐된 하나의 진공용기(30)로 이루어져 있다. 상부 기판(10) 아래 방향에 캐소드 전극(11)이 배치되며 캐소드 전극(11) 아래에 에미터(12)가 전기적으로 연결되어 배치된다. 게이트 전극(14)은 캐소드 전극(11) 아래에 절연체 층(13)을 매개로 배치되며 에미터(12)의 대응하는 위치에 구경을 가지는 게이트 홀(15)을 가진다. 애노드 전극(21)은 하부 기판(20) 위에 배치되며 애노드 전극(21) 위에 형광체 층(22)이 구성된다.
본 발명의 자외선 발생 램프를 가동시키는 동안 에미터(12)의 일함수보다 높은 특정 전압이 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(21) 사이에 가해지게 되면 캐소드 전극(11)의 에미터(12)로부터 발생한 전자가 애노드 전극(21)으로 가속되어 충돌이 일어나고 애노드 전극(21) 위의 형광체층(22)과 충돌하게 된다.
이는 전계 발광을 위한 것으로, 전계 발광은 전자 방출의 일종으로, 강력한 전계에 의해서 전자를 방출하는 물질의 포텐셜 장벽을 줄임으로 인하여 물질 표면에서 전자를 끌어내는 것이다. 상온에서 전계를 108 V/m 이상으로 강력하게 하면 음극에서 전자 방출이 일어나게 된다. 이것은 냉음극 방출 또는 냉전자 방출이라고 한다. 이러한 현상은 양자 터널링 효과를 발생시켜 전자가 포텐셜 벽을 넘어 물질로부터 방출되게 한다. 전기장의 세기는 특정 물질의 표면에서 전자의 전계 발광을 유도하기 위해 필요하다. 또한 세기는 특정 물질의 일함수에 관계된다. 많은 물질은 양의 일함수를 가지므로 상대적으로 강한 전기장을 걸어야 전계 발광이 일어난다. 하지만 어떤 물질은 낮은 일함수를 가지고 있거나 혹은 음의 전자친화도를 가지므로 강한 전기장을 요하지 않는다.
이러한 전계 발광을 위하여, 상기 형광체층(22)과 충돌한 전자의 운동 에너지는 형광체층(22)을 여기시키게 되고 여기된 형광체층이 바닥 상태로 전이될 때 여기상태와 바닥상태의 에너지 차이만큼 전자기파 형태로 방출되는데, 특별히 여기에서는 자외선 영역의 에너지를 가지는 빛을 방출하게 된다.
상기 방출되는 자외선 영역은 자외선A (320~400nm), 자외선B(280~320nm) 또는 자외선C(200~280nm) 영역의 자외선으로 나뉜다. 상기 자외선 A 영역은 자외선의 장파장 영역으로 태닝효과를 가지고 있어, 이 영역의 자외선을 이용하여 미용 장치에 사용이 가능하다. 또한 상기 자외선 B 영역은 홍반영역으로 썬탠 램프 등의 의료 목적의 광치료 분야에 사용이 가능하다. 그리고 상기 자외선 C 영역은 미생물의 DNA 수 있는 에너지를 가지는 영역으로 세균을 박멸하고 물이나 공기를 살균하거나 정화하는데 사용이 가능하다.
본 발명의 자외선 발생 램프의 상기 상부 기판(10)과 상기 하부 기판(20) 사이는 대기압보다 압력이 낮은 특정 수준의 진공 상태로 유지되며, 그 내부는 1×10-6 torr 정도의 고진공을 유지하는게 바람직하며 상기 상부 기판(10)과 상기 하부 기판(20)의 수직기준 사이에 존재하는 스페이서(16)에 의해서 진공으로 유지된다. 상기 상부 기판(10)과 상기 하부 기판(20)으로는 유리(SiO2) 또는 석영 등을 사용할 수 있으며, 특히 바람직하게는 자외선 투과 유리판을 사용할 수 있다. 상기와 같은 상부 기판(10)과 상기 하부 기판(20)을 사용하는 경우, 200~400 nm 영역의 자외선 영역의 빛을 흡수하지 않기 때문에 자외선 발생장치에 적절하게 사용할 수 있다.
본 발명의 자외선 발생 램프의 상기 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)의 간격은, 방전이 없고 또한 전해 집중되기 쉬운 거리로서 0.5mm~2mm인 것이 바람직하다. 또한 게이트 전극(14)과 애노드 전극(21)의 간격은 이온의 반사를 방지하기 위하여 5mm 이상인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발광 램프의 상부 기판(10) 평면도를 도시한다. 상부 기판(10)을 기준으로 아래방향에 스트라이프 무늬 형태로 캐소드 전극(11)이 배치된다. 본 발명의 자외선 발생 램프에 사용되는 상기 캐소드 전극(11)은 일반적으로 은(Ag), 크롬(Cr), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 텅스텐(W), ITO 등의 금속 및 그 합금을 사용할 수 있으며, 이는 스크린 프린팅, 스퍼터링, 진공증착, 화학기상증착 등의 박막 증착법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 캐소드 전극(11) 위에 전압을 인가하였을 때 전자빔을 발생시키는 에미터(12)가 배치된다. 상기 에미터(12)로는 높은 전류 전도성과 낮은 전압에서 구동 가능한 탄소 나노 물질이 일반적으로 많이 사용되는데, 이러한 탄소 나노 물질로는 탄소 나노 튜브, 탄소 나노혼, 탄소 나노 필라멘트, 탄소 나노월, 탄소 나노 코일, 그래파이트, 그래핀, 다이아몬드, 풀러렌, 찰콜 및 실리콘 카바이드로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 본 발명의 에미터로 사용하는 상기 탄소 나노 물질은 끝 부분이 가늘고 뾰죡한 모양으로 낮은 전압에서 구동이 가능하도록 한다.
특별히 여기에서는 편의를 위해서 탄소 나노 튜브를 일 실시예로 들어 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 램프 사시도를 도시한다. 상기 사시도는 상부 기판(10)을 아래쪽으로 향하게 놓은 상태에서 자외선 발생 램프를 나타낸다. 본 발명의 자외선 발생 램프의 절연체 층(13)은 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)의 수직기준으로 사이에 배치되며 있으며 에미터(12)와 게이트 홀(15)이 연결되는 부분은 홀처럼 구멍으로 뚫려있는 구조체를 가지며, 캐소드 전극(11)과 게이트 전극(14)의 단락을 막는 역할을 한다. 상기 절연체층(13)으로는 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 SiO2, SiNx 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 자외선 발생 램프의 게이트 전극(14)은 캐소드 전극(11)을 가로 지르는 스트라이프 무늬 형태로 절연체층(13) 위에 배치된다. 상기 게이트 전극(14)은 전자가 에미터(12)로부터 쉽게 방출될게 있는 역할을 하며 게이트 전극(14)의 게이트 홀(15)을 통과하여 에미터(12)에서 발생한 전자가 애노드 전극(21)으로 향한다. 게이트 전극(14)과 애노드 전극(21) 사이에 형성된 전기장을 이용하여 전자를 가속시키거나 차단시키기도 한다. 상기 게이트 전극(14)으로는 MoW, Cr, Mo/Al 을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Cr을 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발광 램프의 하부 기판 단면도를 도시한다. 상기 하부 기판(20)은 상부 기판(10)과 특정 거리를 두며 마주보며 존재하며, 하부 기판의 표면 위에 애노드 전극(21)이 배치되고 애노드 전극(21) 표면 위에 형광체 층(22)이 깔리게 된다. 상기 형광체 층(22)은 전이금속, 후전이금속(post transition metal), 란탄족 또는 악탄족 금속에 의하여 활성화된 산화물계(O), 포스페이트계(PO4), 보레이트계(BO3), 실리케이트계(SiO4), 알루미네이트계(AlO), 황화물계(S), 산질화물계(ON) 및 질화물계(N) 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 활성제인 프라세오디뮴(Pr), 비스무트(Bi) 또는 납(Pb)에 의하여 활성화된 산화물계(O), 포스페이트계(PO4), 보레이트계(BO3), 실리케이트계(SiO4), 알루미네이트계(AlO), 황화물계(S), 산질화물계(ON) 및 질화물계(N) 물질 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 형광체 층(22)은 전자빔의 발생에 의한 전자 충돌에 의해서 여기되는 방식을 사용한다.
또한, 본 발명은 상기 자외선 발생 램프 및 살균이 필요한 물질을 담을 수 있는 외부용기를 포함하는 자외선 발생 살균 장치를 제공한다. 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 자외선 발생 살균 장치에 관한 것이다. 자외선 발생 살균 장치는 자외선 발생 램프(100)를 포함하는 탑 커버(130)와 하부의 외부 용기(150)로 이루어 진다. 탑 커버(130)는 실린더 모양으로 탑 커버 측벽(131)으로 이루어져 있으며 내부가 비어있는 형태로 유지되며, 자외선 발생램프(100), 전원공급장치(110), 중앙제어장치(120)를 포함한다. 탑 커버(130) 위에는 사용자 컨트롤 패널(140)이 부착되어 있어서 살균램프 on/off 기능 및 램프의 파워 조절, 시간 조절을 할 수 있다. 상기 자외선 발생 램프(100)는 자외선C(200~280nm) 영역의 자외선을 발생시켜 세균을 박멸하고 물이나 공기를 살균 또는 정화시킬 수 있다.
하부의 외부용기(150)는 외부용기 측벽(151)과 하부벽(152)에 의해 실린더 모양이 유지되며 내부는 살균이 필요한 물질(160)을 담을 수 있도록 비어있다. 살균이 필요한 물질이 고체일 경우 탑 커버(130)를 들어서 살균 물질을 넣을 수 있으며, 살균이 필요한 물질이 액체, 기체 또는 플라즈마일 경우는 유입구(180)를 통해서 물질을 넣고 살균이 끝난 후 배출구(181)를 통해서 배출한다. 액체 또는 기체일 경우 균일하게 섞기 위해서 교반기(170)를 가동하여 혼합한다.
또한, 본 발명은 상기 자외선 발생 램프를 포함하는 자외선 발생 의료 장치를 제공한다. 상기 자외선 발생 의료 장치는 상기 의료 장치에 포함되는 자외선 발생 램프(100)가 자외선B(280~320nm) 영역의 자외선을 발생시키는 것을 제외하고, 상기 자외선 발생 살균 장치와 동일한 구성을 가지도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 자외선 발생 램프를 포함하는 자외선 발생 미용 장치를 제공한다. 상기 자외선 발생 미용 장치는 상기 미용 장치에 포함되는 자외선 발생 램프(100)가 자외선A(320~400nm) 영역의 자외선을 발생시키는 것을 제외하고, 상기 자외선 발생 살균 장치와 동일한 구성을 가지도록 할 수 있다.
본 발명의 자외선 발생 램프와 이를 포함하는 자외선 발생 살균 장치, 자외선 발생 의료 장치 및 미용 장치는 상기의 일례에 한정되는 것이 아니고, 다양한 모습으로 적용될 수 있다.
100: 램프
10: 상부 기판
11: 캐소드 전극
12: 에미터
13: 게이트 절연체층
14: 게이트 전극
15: 게이트 홀
16: 스페이서
20: 하부 기판
21: 애노드 전극
22: 형광체층
30: 진공용기
110: 전원공급장치
120: 중앙제어장치
130: 탑 커버
131: 탑 커버 측벽
140: 사용자 컨트롤 패널
150: 외부용기
151: 외부용기 측벽
152: 외부용기 하부벽
160: 살균이 필요한 물질
170: 교반기
180: 유입구
181: 배출구
10: 상부 기판
11: 캐소드 전극
12: 에미터
13: 게이트 절연체층
14: 게이트 전극
15: 게이트 홀
16: 스페이서
20: 하부 기판
21: 애노드 전극
22: 형광체층
30: 진공용기
110: 전원공급장치
120: 중앙제어장치
130: 탑 커버
131: 탑 커버 측벽
140: 사용자 컨트롤 패널
150: 외부용기
151: 외부용기 측벽
152: 외부용기 하부벽
160: 살균이 필요한 물질
170: 교반기
180: 유입구
181: 배출구
Claims (10)
- 내면에 캐소드 전극 및 상기 캐소드 전극 아래에 전기적으로 연결된 에미터를 구비하는 상부 기판;
상부 기판과 마주하여 결합하고, 상기 상부 기판과 마주하는 면에 형성된 형광체층 및 상기 형광체층 아래에 애노드 전극을 구비하는 하부 기판; 및
상기 상부기판과 상기 하부기판을 지지하여 진공 밀폐하는 스페이서를 포함하고,
상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 특정 전압을 가하면 에미터에서 발생되는 전자와 상기 형광체층이 충돌하여 여기된 후 바닥상태로 전이될 때 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 램프. - 청구항 1에 있어서,
상기 자외선은 자외선A (320~400nm), 자외선B(280~320nm) 또는 자외선C(200~280nm) 영역의 자외선인 것을 특징으로 하는 자외선 발생 램프. - 청구항 1에 있어서,
상기 에미터는 탄소 나노 튜브, 탄소 나노혼, 탄소 나노 필라멘트, 탄소 나노월, 탄소 나노 코일, 그래파이트, 그래핀, 다이아몬드, 풀러렌, 찰콜 및 실리콘 카바이드로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 램프. - 청구항 1에 있어서,
상기 형광체층은 전이금속, 후전이금속(Post transition metal), 란탄족 또는 악탄족 금속에 의하여 활성화된 산화물계(O), 포스페이트계(PO4), 보레이트계(BO3), 실리케이트계(SiO4), 알루미네이트계(AlO), 황화물계(S), 산질화물계(ON) 및 질화물계(N) 물질로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 램프. - 청구항 1의 자외선 발생 램프 및 살균이 필요한 물질을 담을 수 있는 외부용기를 포함하는 자외선 발생 살균 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 자외선 발생 램프는 자외선C(200~280nm) 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 살균 장치. - 청구항 1의 자외선 발생 램프를 포함하는 자외선 발생 의료 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 자외선 발생 램프는 자외선B(280~320nm) 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 의료 장치. - 청구항 1의 자외선 발생 램프를 포함하는 자외선 발생 미용 장치.
- 청구항 9에 있어서,
상기 자외선 발생 램프는 자외선A (320~400nm) 영역의 자외선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자외선 발생 미용 장치.
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