본 과제에서는 외부전극에 의한 램프 구동 방식을 이용하여 기존의 자외선 램프 대비 5배 이상 긴 수명을 가지는 살균용 램프와 이를 효율적으로 구동하기 위한 구동 시스템을 개발하였다. 자외선 램프의 효율을 높이기 위해 램프 설계 변수 최적화 및 공정 개발 그리고 구동 알고리즘 개발 등이 수행되었다.

1. 자외선 방출 효율 극대화를 위한 램프 설계 변수 최적화
자외선 램프의 설계 변수 최적화는 크게 공정 최적화와 램프 최적화로 나누어 수행하였다. 외부전극 방식을 이용하는 램프는 램프 양 단의 램프 봉입부 형상이 램프의 신뢰성에 큰 영향을 미치며 이는 램프의 수명에 직결되므로 램프 봉입부 형상을 최적화 하는 공정을 개발하였다. 또한 자외선 램프의 자외선 효율을 높이기 위해 가스압, 관경, 외부전극 길이, 외부전극 재질 등의 램프 기본변수 최적화를 진행하였으며, 보호막과 유전체 코팅 등의 특수변수 최적화도 함께 진행하여 램프의 자외선 방출 효율을 극대화 하였다.

(1) 램프 봉입부 형상 최적화
자외선 램프는 자외선 투과율이 높은 석영관을 주 재료로 사용하며 석영관의 가공온도가 1600℃에 달하므로 정밀한 봉입 공정이 필요하다. 본 과제에서 개발한 자외선 램프는 관경이 15mm로 고온 토치를 이용한 램프 봉입 시 원주면을 따라 고른 열 전달이 되지 않으면 봉입부 일부에 과도한 함몰이 생겨 취약한 구조가 된다. 이를 해결하기 위해 15mm의 석영관 끝에 관경 6mm의 배기관을 접합한 후, 6mm 배기관을 통해 가스 배기 후 봉입하는 방법을 통해 불균일한 열전달에도 안정적인 봉입부 형상을 유지할 수 있는 공정을 개발하였다.

(2) 램프 기본변수 최적화 : 가스압, 관경, 외부전극 길이, 외부전극 재질
램프 최적화의 기본변수인 가스압, 관경, 외부전극 길이, 외부전극 재질에 대한 실험 결과가 도출되었으며, 이를 통해 자외선 방출 효율을 극대화 할 수 있었다. 가스압에 대한 실험 결과 가스압이 낮을수록 램프 효율이 높아짐을 알 수 있었으나, 너무 낮은 가스압은 램프 신뢰성에 악영향을 주기 때문에 신뢰성이 확보될 수 있는 최저 가스압인 25torr를 채택하였다. 관경에 대한 실험결과 15mm램프 대비 25mm램프가 효율 29%상승 하였으며 램프의 면적에 따라 램프의 효율이 상승하는 것을 알 수 있었다. 외부전극 길이에 대한 측정 결과, 전극 길이가 50mm에서 90mm로 상승 시 자외선 세기는 약 3배 상승하며 효율도 상승하였다. 외부전극 재질에 대한 평가 결과, Al tape이 가장 높은 자외선 세기를 보였다.

(3) 특수변수 최적화 : 보호막 코팅, 유전체 코팅
램프 최적화에 있어 흔히 사용하지 않지만, 적용 시 효과가 클 것으로 판단되는 변수인 보호막 코팅 여부와 유전체 코팅 여부를 특수 변수로 구분하고 이에 대해 평가 하였다. 보호막 코팅의 경우 램프 방전 시 램프 내부에서 가속된 이온이 램프 내벽에 충돌할 때 램프 내벽이 침식되거나 이온이 소모되는 현상을 방지할 목적으로 적용하였으며, 평가 결과 신뢰성 향상뿐 아니라 램프 효율도 함께 상승하는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 보호막으로 사용된 재료가 램프 내부의 가속 이온과 충돌 시 전자를 방출하는 능력인 2차 전자방출계수가 높은 물질이기 때문인 것으로 판단된다.
유전체 코팅의 경우 석영관의 낮은 유전율을 보상하기 위해 적용하였지만, PDP용 유전체 사용 시 자외선 세기가 오히려 떨어지는 등 유전체 효과는 미미한 것으로 평가 되었다.

2. 램프 구동 시스템 개발
외부전극을 이용한 자외선램프는 다수의 램프를 하나의 구동회로를 통해 통시에 점등할 수 있는 특징을 장점으로 하지만 이러한 장점을 극대화 할 수 있도록 램프와의 매칭성을 세밀히 고려한 구동 인버터의 개발이 중요한 과제가 된다. 본 과제에서는 다수의 자외선 램프를 동시에 구동할 수 있는 다등 병렬구동 인번터와 수처리 용량 조절이 가능한 램프 구동 인버터를 개발하였다.

 

[원문 파일첨부 참조]