KR20090084662A - 마이크로파 여기 방전 램프의 점등 방법 - Google Patents

Abstract

직류 구동의 마그네트론에서 점등하는 무전극 방전 램프의 점등 개시 직후의 이상 상태를 지속시키지 않으며, 이와 동시에 안정 상태 기간의 이상 상태로부터 안정 상태로 회복시킨다.

무전극 방전 램프(24)의 점등 개시를 소프트 스타트한다. 마그네트론(9)에서 공급하는 전력을 서서히 증가시켜 발광 매체가 마이크로파를 흡수하여 충분히 기화하는 시간보다도 장시간이 걸리게 점등 상태로 한다. 그 기간에는 직류 전원의 출력을 주기적으로 오프로 하고, 이상 동작 상태를 스타트한다. 그 후, 안정한 직류 전력을 공급한다. 안정 상태 기간에서는 마그네트론(9)의 동작 전류가 일정하게 되도록 제어한다. 방전 램프(24)의 동작 전압이 상승한 것을 검지하면, 직류 전원의 출력을 단기간 오프시키고 안정 상태로 돌아간다.

방전 램프

Description

마이크로파 여기 방전 램프의 점등 방법{LIGHTING METHOD OF MICROWAVE EXCITATION DISCHARGE LAMP}

본 발명은 마이크로파 여기 방전 램프의 점등 방법에 관한 것으로, 특히 립플이 없는 직류 전류를 이용하여 고출력으로 발광시키는 무전극 방전 램프의 점등 방법에 관한 것이다.

마그네트론으로부터 마이크로파 전력을 방전 램프에 인가하여 점등하는 무전극 방전 램프는 방전 램프 내에 전극을 필요로 하지 않는다. 그로 인해 전극의 열화나 봉입 가스의 오염이나 석영 유리 등의 램프 용기의 오염을 일으키지 않아 수명이 길다. 방전 램프의 내경을 좁게 할 수 있으므로, 유전극 방전 램프에 비해 집광성이 좋다. 무전극 방전 램프에 마이크로파 전력을 인가하기 위해서는 적절한 공동(마이크로파) 공진기에 무전극 방전 램프를 수용하고, 마그네트론에서 발생한 마이크로파 전력을 적절한 도파로(도파관이나 동축 선로)를 경유하고 공동 공진기에 설치한 안테나에 의해 결합하여 인가한다.

마그네트론을 구동하기 위해서는 수천 볼트의 전압과 수백 미리암페어의 전 류가 필요하다. 통상 상용 주파수의 전력을 정류하여 얻어지는 맥류 상태의 전력을 마그네트론에 인가하는 방법이 널리 행해지고 있다. 이 방법은 전원 장치를 저가격으로 제작 가능하고 전원 장치가 단순하기 때문에 고장이 적다는 것이 특징이다. 또한 마그네트론 구동 전력을 요구되는 조도에 따라 풀파워인 35% ~ 100% 사이에서 변화시킬 수 있다.

마그네트론의 마이크로파로 여기하는 무전극 방전 램프는 고출력으로 집광성이 좋은 자외광이 얻어지므로 FPD 업계에서의 필름 가공이나 광화이버선의 선끌기가공이나 UV 도장 등의 분야에서 이용되고 있다. 이들 공정에서 사용되는 도포물은 일반적으로 감광성 수지(포토레지스트 필름)라 불리는 것이다. 자외선을 일정량 이상 조사하면 고화되거나 건조되거나 경화된다. 또한 이형성이나 점착성 등을 높일 수 있다. 환경 대책(CO₂, VOC 배출 규제 등)을 위해 에너지 사용량과 용제 사용량이 적은 공정이 요구되고 있고 감광성 수지를 이용하는 공정은 기본적으로 용제를 사용하지 않고, 열 대신에 자외선으로 처리하므로 열처리에 비해 에너지 사용량과 용제 사용량이 매우 적다.

최근에는 제조 라인의 고스피드화의 요구가 강하다. 또한 안정된 제품을 제조하기 위한 안정성의 요구도 강하다. 광화이버의 선끌기라인의 스피드는 1000m/분이다. 필름 가공은 100m~200m/분이다. 이와 같은 고속처리는 맥류 전원을 사용한 경우, 제조 라인의 고스피드화로 부분적으로 자외선의 조사량이 변화하고, 균일한 제품이 되지 않는다. 주파수(50Hz 혹은 60Hz)에 따라 방전 램프의 점멸(약 10 ㎜초~8㎜초당)이 있고 자외광의 미조사 기간이 발생하여 제품에 대한 광의 조사 얼룩이 되며 안정된 제품을 얻을 수 없다. 또한 50Hz 또는 60Hz의 2배의 주파수로 점멸을 반복함으로써 방전 램프의 수명이 짧아진다.

그래서 직류 전원으로 마그네트론을 구동하는 방법이 이용되게 되었다. 펄스 모드 스위칭 전류를 응용하고 맥동이 적은 직류 전력을 마그네트론 구동에 사용하면, 마이크로파 전력의 세기가 안정되고 방전 램프에 인가한 경우 발광 출력이 일정하며, 양질의 빛을 얻을 수 있다. 맥류를 사용하는 종래의 전원 장치에서 평균 전력을 직류 구동과 같이 하여 구동한 경우, 맥류 방식에서는 마그네트론이 정지하는 기간이 길기 때문에 그만큼 마그네트론의 피크 출력이 커진다. 이 결과 마그네트론의 최대 피크 전력이 커지고 마크네트론의 수명이 짧아진다. 방전 램프로의 마이크로파 입력도 맥류 상태가 되기 때문에 최대 피크입력이 커지고 방전 램프의 수명도 짧아진다. 맥동이 없는 직류 전원 장치로 구동하면 마그네트론과 방전 램프의 수명이 연장된다.

이와 같이 마그네트론의 직류 구동에는 이점이 있으나 한편으로는 이상 발진을 일으키기 쉬운 결점도 있다. 맥동이 없는 직류 전원 장치를 사용하면 마그네트론 구동 전력이 안정되어 방전 램프도 안정 상태인 때, 갑자기 이상 상태가 발생하는 때가 있다. 마그네트론은 반사파의 진폭과 위상이 되어 발진 주파수와 출력이 변화한다. 그 모습은 마그네트론마다 리퀘선도로서 표시된다. 마그네트론에 갑작스런 이상 동작이 발생한 경우, 직류 전원에서 동작하므로 양극 전압이 제로가 되는 일없이 정상적인 안정 동작으로 되돌아 경우는 없다. 이 상태는 마그네트론과 방전 램프에 의해서는 바람직하지 않은 상태이다. 제조 라인에서 사용하는 자외선 방전 램프의 경우는 이상 상태의 발견 후, 조기에 안정 상태로 되돌아가고 작업중단을 극력 억제할 필요가 있고 방전 램프가 파손되기 전에 안정된 발광 상태로 돌아가는 것이 요구된다. 마그네트론의 이상 발진의 대책으로서 마그네트론의 고압구동을 주기적으로 정지하는 방법이나 이상을 검지하여 마그네트론을 일시적으로 정지하는 방법이 있다.

또한 점등 개시 전후의 마이크로파 여기 무전극 방전 램프 내의 발광 매체의 기화가 불충분하면 반사파에 의해 마그네트론이 자기 가열하여 파손된다. 이것을 방지하기 위해 점등 개시 전후의 스타트 기간에 발광 매체가 마이크로파를 흡수하여 충분히 기화하는 시간보다도 장시간이 걸린다. 즉 맥동이 없는 직류 전원 장치로 구동하는 마그네트론을 사용하고, 점등 개시 전후의 스타트 기간에 발광 매체가 마이크로파를 흡수하여 충분히 기화하는 시간보다도 긴 스타트 시간이 되도록 발광 매체의 기화에 맞추어 마그네트론으로의 전력을 증가하는 스타트를 행한다. 이것은 무전극 방전 램프 시스템의 소프트 스타트로서 알려져 있다. 이하에 마그네트론의 이상 발진 대책에 관련한 종래기술의 예를 몇 가지 들어본다.

특허 문헌 1에 개시된 「고주파 가열 장치」는 불안정 발진이나 모딩에 의한 마그네트론 및 다른 구성부품의 손상을 방지하고 나아가 불안정 발진의 검지 신뢰성을 향상시키는 것이다. 마그네트론의 모딩 시에 이것을 전류 검지 회로에서 검지하여 제어 회로에서 인버터의 온신호를 차단한다. 또한 가열 개시 시에 전류 검지 회로로부터의 입력에 근거하는 제어를 일정 시간 정지하거나 전류 귀환 수단의 레베값이 있는 일정치에 달하기까지 마그네트론 전류 검지 기능을 정지한다.

특허 문헌 2에 개시된 「마그네트론의 이상 검지 방법」은 인버터 전원으로 부세되는 마그네트론을 이용한 고주파 가열 장치의 마그네트론의 이상 발진을 검출하는 방법이다. 인버터 전원으로의 입력 전류를 입력 전류 검지 수단으로 검출한다. 마그네트론의 이상 동작인 모딩의 발생을 입력 전류 검출 수단으로 검지한다. 인버터 전원으로의 입력 전류와 이상 발진 검지 수단의 기준치를 비교함으로써 마그네트론의 이상 발진을 검지할 수 있다.

특허 문헌 3에 개시된 「무전극 램프 시스템」은 반사파에 의한 마그네트론의 자기가열에 의한 파손을 방지하는 것이다. 마그네트론으로부터 발생시킨 마이크로파의 전자장에 의해 무전극 램프의 내부에 봉입된 발광 매체를 여기시켜 발광시킨다. 마그네트론을 구동시키기기 위한 전력을 소프트 스타트 수단으로 서서히 증가시킨다. 소프트 스타트 수단은 반사파에 의한 마그네트론의 자기가열에 의해 파손을 방지하기 위한 것이며 무전극 램프의 발광 개시 시에 사용한다.

특허 문헌 4에 개시된 「고주파 가열 장치」는 배터리 등의 직류 전원을 입력 전원으로 하는 것에 있어서, 기동으로부터 정상으로의 천이 시에 모딩 발진의 상태로 안정하는 것을 방지하여 마그네트론의 수명을 연장하는 것이다. 모딩 발진검지부에서 마그네트론이 모딩 발진하고 있는 것을 검출한다. 이 정보에 근거하여 마그네트론이 모딩 발진을 계속하는 것을 방지할 수 있다. 마그네트론의 수명을 손상시키지 않고 배터리 등의 직류 전원을 전력원으로 하는 고주파 가열 장치를 실현할 수 있다.

특허 문헌 5에 개시된 「마그네트론 구동 전원 장치」는 이상 검출 회로를 설치하지 않고 간단한 회로 구성으로 마그네트론을 안정적으로 동작시킬 수 있는 것이다. 고압 발생 수단으로 마그네트론을 구동하는 고압을 발생한다. 마그네트론의 컷오프 가능한 근소한 기간만큼 고압 발생 수단의 동작을 정지시키는 정지 신호를 소정 주기마다 정지 신호 발생 수단으로 발생한다. 고압 발생 수단은 정지 신호 발생 수단으로부터의 정지 신호에 따라 고압의 발생을 정지한다.

[특허 문헌 1] 특개평 05-251174호 공보

[특허 문헌 2] 특개평 07-014672호 공보

[특허 문헌 3] 특개 2003-068490호 공보

[특허 문헌 4] 특개 2003-100440호 공보

[특허 문헌 5] 특개 2004-200051호 공보

그러나 상기 종래의 마그네트론의 직류 구동 방법에서는 다음과 같은 문제가 있다. 마그네트론의 이상 현상이 무전극 방전 램프의 점등 개시 직후의 1분 이내에 일어나기 쉽고, 방전 램프 혹은 마그네트론이 파손된다. 무전극 방전 램프를 점등하기 위한 마그네트론에는 공진기가 접속되어 있으므로 마이크로파 가열용 마그네트론과는 동작 특성이 달라 마이크로파 가열용 마그네트론의 이상 발진 방법을 그대로 적용할 수 없다. 점등 개시 직후나 감광이나 증광 도중에는 마그네트론 구동 전류나 인가 전압이 변화하고, 방전 램프로부터의 마이크로파 반사도 변화하므로 이상 발진을 간단하게 검출할 수 없다.

본 발명의 목적은 상기 종래의 문제를 해결하고 직류 구동의 마그네트론에 의한 무전극 방전 램프의 점등 개시 직후의 이상 상태를 지속시키지 않는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 교류 전력을 고압 직류 전력으로 변환하고 고압 직류 전력을 마그네트론에 공급하고, 마그네트론으로부터 마이크로파를 발생하고, 공진기 중의 무전극 방전 램프를 마이크로파로 여기하는 무전극 방전 램프 점등 방법에 있어서, 고압 직류 전력의 공급 개시로부터 무전극 방전 램프의 방전이 안정되기까지의 스타트 기간에서는 고압 직류 전력의 공급을 서서히 증가시킴과 함께 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시키고, 무전극 방전 램프의 방전이 안 정된 후의 안정 상태 기간에서는 고압 직류 전력의 이상 전압을 검지한 때, 마그네트론으로의 고압 직류 전력의 공급을 일시적으로 정지시키는 방법으로 하였다.

안정 상태 기간에서는 마그네트론의 전극 전압이 규정치보다 1%이상 상승한 때에 이상으로 검지한다. 스타트 기간에서는 고압 직류 전력을 서서히 증대시켜 평탄하게 유지하고 그리고 다시 서서히 증대시킨다. 고압 직류 전력의 공급 정지 시간은 고압 직류 전력이 인가되는 온시간보다 짧다. 고압 직류 전력의 공급 정지 시간은 0.1㎜초에서 20㎜초의 범위이다. 스타트 기간에서는 일정주기 또는 불규칙적인 간격으로 고압 직류 전력의 공급을 반복하여 정지시킨다. 감광 시에는 고압 직류 전력을 서서히 감소시킴과 함께, 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시킨다. 감광으로부터의 복귀 시에는 고압 직류 전력을 서서히 증가시킴과 함께, 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시킨다.

상기와 같이 마그네트론의 구동 전류를 제어함으로써 이상 상태가 계속되지 않는 안정된 연속적인 점등 상태를 얻을 수 있다. 종래의 점등 방법에 비해 온/오프동작이 거의 스타트 기간만으로 되고 방전 램프의 수명이 약 2배가 된다.

이하 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예에 대해 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

[실시예]

본 발명의 실시예는 스타트 기간에서는 고압 직류 전력의 공급을 서서히 증가시킴과 함께 고압 직류 전압을 반복하여 일시적으로 정지시키고, 안정 방전 기간에서는 고압 직류 전력의 이상 전압을 검지한 때 마그네트론으로의 고압 직류 전력의 공급을 일시적으로 정지시키는 무전극 방전 램프의 점등 방법이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법을 확인하기 위한 램프 구멍 뚫기 실험의 타임 차트이다. 도 2는 무전극 방전 램프 점등 방법의 효과 확인 실험의 타임 차트이다. 도 3은 마그네트론의 동작 모드의 설명도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법을 실행가는 점등 장치의 기능 블록이다. 도 4에 있어서, 상용 전력(1)은 50Hz 또는 60Hz의 교류 전력이다. 정류기(2)는 교류를 맥류로 바꾸는 수단이다. 콘텐서(3)는 맥류를 저립플의 직류로 바꾸는 평활 수단이다. 스위칭 회로(4)는 직류 전류를 펄스 전류로 교환하는 회로이다. 트랜스(5)는 펄스 전류를 승압하여 고압 직류 전류로 하는 수단이다. 정류기(6)는 고압 직류 전류를 고압의 맥류 전류로 바꾸는 수단이다. 콘덴서(7)는 고압의 맥류 전류를 저립플의 고압 직류 전류로 바꾸는 평활 수단이다.

트랜스(8)는 마그네트론의 히터 전류의 전압을 바꿈과 함께, 히터와 히터 제어 회로를 절연하는 수단이다. 마그네트론(9)은 마이크로파를 발진하는 전자관이다. 히터 제어 회로(10)는 마그네트론의 히터 전류를 제어하는 수단이다. 전류 검출 회로(11)는 마그네트론의 양극 전류를 검출하는 회로이다. 비교기(12)는 마그네트론의 양극 전류와 설정치를 비교하는 수단이다. 수동 노브(13)는 수동으로 마그네트론 구동전압을 설정하기 위한 조작노브이다. 타이머(14)는 전류 설정 신호를 온/오프하는 타이밍을 생성하고 전류 설정 신호를 온/오프 제어하는 수단이다.

펄스 폭 변조 회로(PWM:15)는 비교기의 출력에 따라 펄스 폭이 규정 온과 오프의 폭이 되도록 제어하는 회로이다. 드라이버(16)는 스위칭 회로를 구동하는 소자이다. 프로그래머(17)는 구동전압을 설정하는 수단이다. 가변 전압 발생 회로(18)는 프로그램 혹은 수동 노브에 따라 전압을 발생하는 회로이다. 스위치(19)는 타이머에 따라 설정 전압을 온오프하는 수단이다. 타이머(20)는 마그네트론을 오프로 하는 타이밍을 정하는 수단이다. 전압 검출기(21)는 마그네트론의 음극 전압을 검출하는 수단이다. 이상 계측기(22)는 마그네트론의 음극 전압에 근거하여 이상을 검출하는 수단이다. 도파관(23)은 마그네트론의 출력 마이크로파를 공진기에 전하는 수단이다. 무전극 방전 램프(24)는 마이크로파에 의해 점등되는 방전 램프이다.

도 5는 무전극 방전 램프 점등 방법을 설명하는 타임 차트이다. 도 6은 무전극 방전 램프 점등 방법에 있어서의 스타트 기간에서의 제어 방법을 설명하는 타임 차트이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법의 원리와 동작 수순을 설명한다. 우선 무전극 방전 램프를 안정적으로 점등하 는 방법의 원리를 설명한다. 마그네트론과 도파로와 공진기와 안테나와 방전 램프를 조합한 등기구는 발진 주파수의 변화에 대한 응답 동작이 복잡해진다. 마그네트론의 발진 주파수가 변하면 무전극 방전 램프로의 도파로 및 안테나와 공진기는 마이크로파의 진폭과 위상을 변화시킨다. 즉, 발진 주파수가 변화하면 반사파의 진폭, 위상이 변화하고 그 영향으로 마그네트론의 발진 주파수가 변화한다. 그 결과, 반사파가 더욱 강해지고 발진 주파수가 더욱 변화하고 더욱 반사가 큰 상태로 천이한다. 예를 들면 이물질이나 먼지 이슬이나 물방울 등의 외부 요인에 의해 방전 램프 내의 방전 상태가 흐트러지고 방전 램프가 이상 상태가 되는 경우가 있다. 마그네트론 구동 전력이 안정되어 있으면 방전 램프로부터의 강한 반사파에 의해 일어난 마그네트론의 이상 상태를 언제까지라도 유지하게 된다.

공동 공진기 및 안테나와 방전 램프와의 결합이 적절하면 마그네트론으로부터의 마이크로파 전력은 모두 방전 램프에 흡수된다. 그러나 마그네트론의 출력이 6KW(편측 3kw × 2) 이상이 되는 고출력의 방전 램프는 방전 개시 전후에서 전기적 동작이 대폭으로 변화하기 때문에 안테나와 방전 램프와의 사이의 마이크로파의 결합은 일정하지 않다. 방전 램프가 방전을 개시하기 전은 반사파가 강하고, 마그네트론에 대한 영향이 강하지만 방전 개시 후에 방전이 안정되고 마이크로파의 흡수가 강해지면 반사파가 약해져 마그네트론의 동작은 안정된다. 방전 개시 전은 마이크로파의 흡수가 적고 흡수되지 않은 마이크로파는 반사파가 되어 마그네트론으로 돌아간다. 방전 개시 후는 방전가스가 전기적으로 전도체가 되므로 마이크로파를 흡수하여 마그네트론으로 돌아가는 반사파는 적어진다.

소프트 스타트로 마그네트론에 서서히 전류를 흘리기 시작하면 마이크로파 전력은 차차로 커지고 반사파도 커진다. 이 반사파의 진폭 및 위상에 의해서는 마그네트론의 발진 상태가 정격 상태로부터 크게 벗어난 상태에 빠져 안정된다. 스타트 시에는 마그네트론의 전류와 전압이 크게 변화하므로 이상한 안정점에 근접하기 쉽다. 이러한 정격 동작으로부터 벗어난 주파수에서의 발진 상태는 공진기와 안테나에서의 마이크로파의 분포가 흐트러지고 비정상적으로 강한 정재파가 발생하는 경우가 있다. 이러한 경우 마이크로파 전력이 방전 램프의 일부에 집중하고 방전 램프의 일부를 비정상적으로 가열하여 방전 램프를 파손시키는 경우가 있다.

점등 개시 시의 마그네트론 이상 발진에 의한 램프 파손을 피하기 위해 다음과 같이 제어한다. 직류 구동의 마그네트론을 소프트 스타트시키고 방전 램프로 마이크로파를 조사한 때, 반사파가 강한 상태로 이상 동작 상태를 지속시키지 않기 위해 직류 전원의 출력을 단시간 오프로 하고 이상 동작 상태를 리세트하는 것을 반복한다. 그 후, 안정적인 직류 전력을 공급함과 동시에 마그네트론의 양극 동작 전류가 일정해지도록 제어한다. 방전 램프의 동작 전압의 상승을 검지한 때, 직류 전원의 출력을 단시간 오프로 하여 안정 상태로 되돌린다. 더욱이 마그네트론 구동 전력의 증가 또는 감소의 개시로부터 30초간은 마그네트론을 반복하여 일시적으로 정지시키고 마그네트론 및 방전 램프의 이상 상태의 계속을 방지한다.

안정 상태 기간에서는 마그네트론의 전극 전압이 규정치보다 1%이상 상승한 때에 이상으로 검지한다. 스타트 기간에서는 고압 직류 전력을 서서히 증대시켜 평탄하게 유지하고 다시 서서히 증대시킨다. 고압 직류 전력의 공급 정지 시간은 고압 직류 전력이 인가되는 온시간보다 짧게 한다. 고압 직류 전력의 공급 정지 시간은 0.1mm초에서 20mm초의 범위로 한다. 스타트 기간에서는 일정한 주기 또는 불규칙적인 간격으로 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시킨다. 감광 시에는 고압 직류 전력을 서서히 감소시킴과 함께 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시킨다. 감광으로부터의 복귀 시에는 고압 직류 전력을 서서히 증가시킴과 함께 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시킨다. 이 방법은 마그네트론의 이상 발진의 원인과 대책 방법의 효과를 확인하는 실험 결과에 근거하는 것이다.

다음으로 도 1을 참조하면서 마이크로파 여기 방전 램프 점등 장치에 이상 동작을 강제적으로 발생시키는 실험에 대해 설명한다. 이상 동작이란 램프의 특정 장소에 구멍이 뚫리는 경우가 있다. 이 현상의 명확한 원인은 불명하다. 램프의 안정 점등 중에 철사를 램프 가까이에 투입함으로써 항상 같은 구멍이 뚫리는 현상을 실험으로 재현할 수 있다. 실험에 있어서 마그네트론 구동 전류와 마그네트론 전압과 램프의 광출력은 도 1에 나타내는 바와 같이 변화한다. 시간축에 T1~T5까지의 마크를 기록하였다.

T1에서 전원을 기동하여 방전을 개시하면 광출력이 상승한다. T1~T2는 소프트 스타트 기간이다. 마그네트론 구동 전류를 정격 전류보다도 낮은 값으로 일시적으로 유지하고 그 후 정격 전류까지 증가시킨다. 이 때 마그네트론 전압이 상승하고 광출력도 증가한다. T2의 시점에서 방전이 안정된다. T2~T3에서는 안정 점등이 지속된다. T3에서 철사를 램프 가까이에 투입한다. T3~T4에서 방전 상태가 흐트러지고 광출력이 감소한다. 이 때 마그네트론 구동 전류를 소정 전류로 유지 하고 전압이 약 200V 상승하여 약간 변동한다.

T4에서 램프에 구멍이 뚫리고 방전이 멈추며 광출력은 0이 된다. 이 후, 전압은 안정 상태로 돌아간다. 철사 투입 후 램프에 구멍이 뚫리기까지의 시간은 철사 투입 방법으로 길어지기도 하고 짧아지기도 한다. T5에서 방전이 정지된 후, 마그네트론 구동 전류와 마그네트론 전압은 안정 상태의 값으로 돌아가지만 광출력이 0이 되기 때문에 보안 회로가 움직여 마그네트론은 강제적으로 정지된다.

다음으로 도 2를 참조하여 마그네트론의 구동을 일차 정지시키는 실험 결과를 설명한다. T1까지 안정 점등하고 있다. T1에서 철사를 투입하면 방전이 불안정해지고 전압이 상승한다. 약 1초 경과 후 펄스 변조 회로를 조작하여 마그네트론을 단시간 정지시킨다. 이후, 마그네트론 전압과 광출력이 원래로 되돌아가고 안정 점등을 지속한다.

이 결과로부터 다음과 결론을 내릴 수 있다. 철사를 램프 가까이 투입한 후, 철사는 램프 근처를 지나 냉각풍에 날리고 램프로부터 떨어진 곳으로 간다. 날린 후의 철사의 위치는 처음부터 이 위치에 있으면 방전을 흐트리지 않는 위치이다. 방전이 흐트러진 것은 철사가 램프 근처를 통과하여 마이크로파의 분포를 크게 흐트러지게 하기 때문이다. 이것이 계기가 되어 방전 상태가 흐트러진다. 이 상태가 철사가 없어도 지속된다. 지속 상태의 흐트러진 방전은 마그네트론을 단시간 정지하면 리세트되고 안정 상태를 되찾는다.

다음으로 도 3을 참조하여 마그네트론의 결합 모드에 대해 설명한다. 마그네트론의 내부는 음극과 양극과 자석으로 구성되어 있다. 양극에는 공동 공진기가 만들어져 있다. 음극과 양극의 사이에는 전자를 가속하기 위해 고전압(4~5kV)이 인가되고 있다. 음극으로부터 방출된 전자는 양극을 향하는 사이에 자장에 의해 꺽어진다. 이에 따라 전자파(마이크로파)를 발생한다. 양극에 조립된 공진기에 의해 단일 주파수로 효율 좋게 발진한다. 양극에는 복수(10개 정도)의 공진기가 만들어져 있고 이들 공진기 상호의 위상이 다른 고차모드 발진이 가능하다. 다만, 이 고차모드의 발진은 기본 모드보다 1000V정도 높은 전압이 필요하기 때문에 통상은 고차모드의 발진은 일어나지 않도록 되어있다. 이 모습을 도 3(a)의 전류 전압의 그래프로 나타낸다. 마그네트론의 필라멘트가 열화하거나 가열 전력이 부족하여 캐소드전류가 충분히 흐르지 않는 때 전류가 적은 전압이 높은 고차모드로 천이하는 경우가 있다. 이 현상은 모딜링으로서 알려져 있다.

이상 상태가 유지되는 원인은 다음과 같이 추정된다. 무전극 방전 램프는 도파관 등을 통해 마그네트론의 외부에 마이크로파를 취출하고 부하가되는 공진기에 마이크로파를 공급하고 있다. 이 부하의 공진기와 마그네트론의 공진기가 결합하여 마그네트론의 기본 모드와는 다른 모드(여기서는 결합 모드라 한다)에서 발진할 가능성이 있다. 이것은 복수의 공진기가 강하게 결합하면 각각의 공진 주파수와는 다른 공진점을 가지게 되는 현상과 동일하다.

도 3(b)에 나타내는 바와 같이 결합 모드는 통상보다 고전압을 필요로 하는 모드가 되므로 이러한 모드에서의 발진은 통상 일어나기 어렵다. 그런데 부하의 공진기의 공진 상태에 따라서는 기본 모드의 주파수의 반사파가 강해져 불안정해지고, 고전압을 필요로 하는 결합 모드로 천이하여 그 상태를 유지하게 된다. 방전 램프를 수용한 공진기가 부하가 되는 경우, 이 결합 모드가 존재한다고 생각된다. 철사 등이 투입된 경우 그 요동을 받아 기본 모드의 주파수의 반사파가 강해진다. 이 조건에서는 결합 모드가 기본 모드보다 안정되므로 기본 모드로부터 결합 모드로 천이하여 그 상태를 지속한다. 상태 천이의 모습을 간단하게 나타내면 도 3(c)와 같이 된다.

다음으로 도 4를 참조하여 무전극 방전 램프 점등 장치의 동작을 설명한다. 상용 전력(1)을 정류기(2)로 정류하고 콘덴서(3)로 평활한 직류 전력을 반도체 스위치소자에 의한 스위칭 회로(4)에 의해 20kHz 정도의 교류로 변환한다. 이 교류를 트랜스(5)에 의해 승압하고, 정류기(6)로 정류하여 콘덴서(7)로 평활하여 고전압 전류를 얻는다. 이 직류 전력을 마그네트론(9)에 인가한다. 트랜스(8)는 히터가열용 전력을 공급하고 히터 제어 회로(10)에 의해 가열 전력을 제어한다. 그리고 본 실시예에 있어서 정류기(2)로부터 콘덴서(7)까지를 고압 직류 전원이라 칭한다. 마그네트론(9)에서 발생한 마이크로파는 도파관(23)에 공급되고 공동 공진 중의 방전 램프(24)를 점등시킨다.

마그네트론(9)의 양극 전류를 소정값으로 유지시키기 위해 설치된 프로그램(17)의 지령 출력에 의해 가변 전압 발생 회로(18)의 출력 전압이 변화한다. 또한 전류 검출 회로(11)로부터 검출된 전류값은 전압값으로 변환시켜 비교기(12)에 공급된다. 스위치(19)를 통해 가변 전압 발생 회로(18)로부터 공급된 전압치와 전류 검출 회로(11)로부터 얻어진 전류를 기초로 하는 전류값이 비교기(12)에 의해 비교된다. 이 비교 결과에 근거하여 펄스폭 변조 회로(PWM; 15), 드라이버(16)를 통해 스위칭 회로(4)가 제어된다. 그 결과 마그네트론에 공급되는 전압이 제어된다.

타이머(14)는 전류 설정 신호를 온/오프하는 타이밍을 생성하고 전류 설정 신호를 온/오프하는 타이밍을 생성하고 전류 설정 신호를 온/오프 제어한다. 타이머(14)는 타이머IC에 의해 원쇼트 타이머 회로와 자연발신회로를 조합하여 소정 제어 신호를 생성하여도 좋고 프로그래머블 컨트롤러(PLC) 등에서 생성해도 좋다.

무전극 방전 램프의 방전 개시 시에 프로그래머(17)로부터의 지령에 의해 소정 시간(기간), 마그네트론에 인가되는 전력이 서서리 증가하도록 가변 전압 발생 회로(18)의 출력 전압을 제어한다. 즉 이 출력 전압은 비교기(12), PWM(15), 드라이버(16)를 통해 스위칭 회로(4)에 공급된다. 그 제어 소자(트랜지스터)의 온 시간이 길어지도록 그들 스위칭속도(주파수)를 서서히 변화시킨다. 그 결과 마그네트론에 공급되는 전력(전압, 전류)이 증가한다.

소정 시간 후 마그네트론의 양극 전류가 상승하고 프로그램(17)에 설정된 값과 등가가 되면 비교기(12)의 출력으로 PWM(15)의 출력이 규정의 온과 오프의 폭이 되도록 PWM(15)가 제어된다. 그 결과 드라이버(16)를 통해 스위칭 회로(4)의 스위칭을 규정폭으로 유지하도록 제어한다.

한편 마그네트론의 양극 전류가 상승하여 프로그램(17)에 설정된 값이 되기까지의 기간, 타이머(12)로부터의 지령에 의해 스위치(19)가 주기적으로 온, 오프된다. 이 온 시간은 예를 들면 100mm초이며 오프 시간은 2mm초이다. 이 주기적인 온, 오프에 의해 이상 동작을 회피하면서 전력 증가가되고 스타트 시의 트러블의 발생이 사라진다.

마그네트론 및 방전 램프의 방전이 안정 동작으로 이행하고 나서 마그네트론에 공급되는 전압이 예를 들면 방전 램프의 주변의 이물질이나 먼지에 의해 방전이 흐트러지고 일정치를 초과하여 변화한 경우, 전압 검출기(21)에 의해 그 전압이 검출된다. 그 변화한 시간이 예를 들면 0.5초인 때, 이상 계측기(22)에 의해 판별되어 판별 출력이 타이머(20)에 공급된다. 이 공급에 의해 타이머(20)가 구동되고 스위치(19)를 오프시킨다. 그 시간은 예를 들면 1mm초이다.

이 1mm초 사이에 스위칭 회로(4)는 오프가 되고 마그네트론으로의 전력 공급이 차단된다. 따라서 이상 방전에 의한 방전 램프의 국부 온도 상승에 의한 방전 램프의 유리용기의 파손을 방지할 수 있다. 또한 방전 램프 장치의 정지에 따른 시간 및 제조물의 불량이 최저한으로 억제된다.

또한 점등 중에 라인 스피드를 느리게 하기 위해 혹은 피조사물의 종류의 변경에 의해 방전 램프의 출력을 바꾸는 경우에는 수동 노브(13)에 의해 가변 전압 발생 회로(18)의 전압을 바꾼다. 이 전압 변경 기간 중에는 타이머(14)에 의해 스위치(19)를 예를 들면 1초 온시켜 1mm초 오프시킨다. 그 기간 스위치(19)가 오프인 동안은 스위칭 회로(4)가 차단된다. 그로 인해 방전 램프의 이상 방전 상태의 발생이 없고 안전하게 마그네트론으로의 공급 전력의 변경이 가능하다.

다음으로 도 5의 타임 차트를 참조하면서 램프 점등의 흐름을 설명한다. 점선은 전류 설정치며 실선은 마그네트론에 인가되는 전압을 검출한 값이다. (a)에서 스타트하여 (c)까지는 소프트 스타트 기간으로 되어 있다. 또, (b)의 평활부는 소프트 스타트 기간의 지속 상태(무전극 램프의 광 강도가 설정치 이하의 경우)에서, 평활한 전력 공급을 나타낸다. 이 소프트 스타트 기간은 마그네트론에 인가되는 전력이 서서히 증가하도록 전류 설정치를 서서히 증가시키고 동시에 주기적으로 온오프된다. 이 소프트 스타트 기간 후는 마그네트론의 발진, 방전 램프의 방전이 일정해지고 안정 상태 기간(d)이 된다. 연속한 안정 상태 기간(d)에서 돌연 이상한 마그네트론의 발진, 방전 램프의 방전의 흐트러짐이 발생한 때, 마그네트론의 인가 전압이 (e)시점에서 상승하고, 그것이 0.5초 연속하여 설정치 이상의 전압치가 된 때(f시점), 타이머에 의해 설정 전류값을 1mm초간 오프하여 마그네트론으로의 공급 전력을 차단하고, 그 후 연속한 안정 상태 기간(g)으로 되돌린다.

방전 램프의 조도를 상하시키기 위하여 마그네트론으로의 출력을 바꾸고자 하는 경우는 예를 들면 다음과 같이 된다. 안정 상태 기간(g)에서 (h)의 시점에서 수동 노브(13)를 이용하고 타이머와 스위치를 경유하여 주기적으로 스위칭 회로를 차단하면서 소정의 (i)시점까지 내리고 (j)시점의 안정 상태로 한다. 마찬가지로 마그네트론으로의 출력을 증가시키는 데에는 수동 노브(13)로 소정의 (l)시점까지 주기적으로 스위칭 회로를 차단하면서 올리고 (m)의 안정 상태로 이행시킨다.

다음으로 도 6을 참조하여 소프트 스타트 방법을 설명한다. 소프트 스타트 기간으로부터 안정 상태(정격)까지의 프로그램에 의한 마그네트론의 전류값은 도 6과 같이 된다. 예를 들면 마그네트론으로의 입력이 풀파워 입력인 60%의 (o)의 시점에서 장치 내에 설치한 광강도 검지 센서 등에 의해 무전극 방전 램프(24)로부터의 빛의 강도, 즉 무전극 방전 램프(24)에 봉입된 발광 매체의 기화 상태를 검지한 다. 그 빛의 강도가 소정 빛강도 이상인지 여부를 판단한다.

소프트 스타트의 작동 도중에 무전극 방전 램프(24)로부터의 빛의 강도가 소정 빛 강도 이하인 때에는 전류를 일정(i₁)하게 유지하고 전력 증가를 정지하여 대기하고 무전극 방전 램프(24)의 스타트를 유지한다. 그리고 소정의 빛 강도 이상이된 때에는 전류를 증가시켜((i₁)에서 (i₂)), 즉 입력을 증가(상승)시켜 마그네트론의 전력을 서서히 증가하도록 제어한다((p)에서 (q)). 그 후는 마그네트론을 정격 동작시킨다.

그리고 (n)에서 (q)로의 기간, 마그네트론 출력이 낮게 설정되므로 반사파가 작고, 마그네트론은 보다 안정되지만 주기적으로 (t) 기간 마그네트론을 정지시킴으로써 이상 상태가 발생하여도 정상 상태로 복귀시킴으로써 마그네트론의 정상 동작 전류치(i₂)를 확보할 수 있다. 주기적이 아니라 불규칙적인 간격으로 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시켜도 좋다. 마그네트론의 정지 시간(t)은 0.1mm초에서 20mm초가 바람직하고 30mm초 이상이면 방전 램프의 방전이 정지한다.

소프트 스타트의 파라미터나 고압 직류 전력의 공급 정지의 주기 등은 일률적으로 정해도 좋으나 마그네트론과 부하의 공진기와 무전극 방전 램프의 조합에 따라 실험이나 시뮬레이션으로 최적치를 구하면 된다. 이렇게 함으로써 발진의 안정도와 수명을 최대로 할 수 있다. 또한 정상 상태에서의 안정도를 높이기 위해 결합 모드를 기본 모드부터 가능한 한 멀어지도록 부하의 공진기 등을 조정하면 된다.

상기와 같이 본 발명의 실시예에서는 무전극 방전 램프 점등 방법을 스타트 기간에서는 고압 직류 전력의 공급을 서서히 증가시킴과 함께, 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시키고 안정 방전 기간에서는 고압 직류 전력의 이상 전압을 검지한 때 마그네트론으로의 고압 직류 전력의 공급을 일시적으로 정지시키는 방법으로 했기 때문에 최저한의 오프 조작으로 이상 상태로부터 복귀 가능하고 방전 램프의 수명이 길어진다.

[산업상의 이용가능성]

본 발명의 무전극 방전 램프 점등 방법은 강력한 자외광을 발광시키는 방전 램프의 점등 방법으로서 최적이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법을 확인하기 위한 램프 구멍 뚫기 타임 차트이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법의 효과 확인 실험의 타임 차트이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법에서 이용하는 마그네트론의 동작 모드의 설명도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법을 실행하는 점등 장치의 기능 블록도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법을 설명하는 타임 차트이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 있어서의 무전극 방전 램프 점등 방법의 스타트 기간에서의 제어 방법을 설명하는 타임 차트이다.

* 도면 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 상용 전력 2 : 정류기

3 : 콘덴서 4 : 스위칭 회로

5 : 트랜스 6 : 정류기

7 : 콘덴서 8 : 트랜스

9 : 마그네트론 10 : 히터 제어 회로

11 : 전류 검출 회로 12 : 비교기

13 : 수동 노브 14 : 타이머

15 : 펄스폭 변조 회로(PWM) 16 : 드라이버

17 : 프로그래머 18 : 가변 전압 발생 회로

19 : 스위치 20 : 타이머

21 : 전압 검출기 22 : 이상 계측기

23 : 도파관 24 : 무전극 방전 램프

Claims (8)

1. 교류 전력을 고압 직류 전력으로 변환하고 상기 고압 직류 전력을 마그네트론에 공급하고, 상기 마그네트론으로부터 마이크로파를 발생하고, 공진기 중의 무전극 방전 램프를 상기 마이크로파로 여기하는 무전극 방전 램프 점등 방법에 있어서,

   상기 고압 직류 전력의 공급개시로부터 상기 무전극 방전 램프의 방전이 안정되기까지의 스타트 기간에서는 상기 고압 직류 전력의 공급을 서서히 증가시킴과 함께 상기 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시키고, 상기 무전극 방전 램프의 방전이 안정된 후의 안정 상태 기간에서는 상기 고압 직류 전력의 이상 전압을 검지한 때, 상기 마그네트론으로의 상기 고압 직류 전력의 공급을 일시적으로 정지시키는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 안정 상태 기간에서는 상기 마그네트론의 전극 전압이 규정치보다 1%이상 상승한 때에 이상으로 검지하는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스타트 기간에서는 상기 고압 직류 전력을 서서히 증대시켜 평탄하게 유지하고 그리고 다시 서서히 증대시키는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 고압 직류 전력의 공급 정지 시간은 상기 고압 직류 전력이 인가되는 온시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 고압 직류 전력의 공급 정지 시간은 0.1㎜초에서 20㎜초의 범위인 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 스타트 기간에서는 일정 주기 또는 불규칙적인 간격으로 상기 고압 직류 전력의 공급을 반복하여 정지시키는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   감광시에는 상기 고압 직류 전력을 서서히 감소시킴과 함께, 상기 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시키는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   감광으로부터의 복귀 시에는 상기 고압 직류 전력을 서서히 증가시킴과 함께, 상기 고압 직류 전력의 공급을 반복 정지시키는 것을 특징으로 하는 무전극 방전 램프 점등 방법.

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