고압수은램프의 종류

 

 

고 압 방 전 램 프

 

고압나트륨램프

 

1. 원리 및 구조

10[kPa](약 0.1기압) 정도의 나트륨 증기압 중의 아크방전에 의한 발광을 이용한 램프이다. 발광관은 700∼800[℃]의 고온에서도 나트륨에 침식되지 않는 투광성 알루미나 세라믹스를 사용한다. 발광관 내에는 나트륨과 수은의 아말감 및 시동보조용인 크세논(또는 아르곤, 네온) 가스가 봉입되어 있다. 외구는 경질유리로 만들어져 있으며, 외관 내는 바륨(Ba) 게터를 사용하여 고진공으로 함으로써 주위온도의 영향을 받지 않도록 하고 있다.

 

 

 

 

 

1) 고압나트륨램프의 종류

일반형, 시동기내장형, 고연색형 및 반사형이 있다. 시동기내장형은 크세논 가스압을 높게 하여 효율을 높이되, 시동기를 외관내에 내장한 램프이다. 또한, 외구가 투명한 투명형과 외구 내면에 확산성막을 부착한 확산형으로 구분하기도 한다.

 

2) 고압나트륨램프의 점등회로

일반형 및 고연색형은 전용안정기(시동기 부착)를 사용하는 반면, 시동기내장형은 일반 수은등안정기를 사용한다. 시동기의 필라멘트가 가열됨에 따라 바이메탈 스위치가 끊어지는 순간 수 [kV]의 펄스를 발생함에 따라 점등한다.

 

3) 고압나트륨램프의 특성

램프효율은 100-140[lm/W] 로서 백색광원중에서 가장 효율이 높다. 24,000시간 까지의 장수명이 가능하며, 광속유지율도 우수하다. 일반형의 경우 광색은 황백색으로 연색성은 좋지 않으나, 연속스펙트럼으로 되므로 저압나트륨램프와는 달리 색의 식별은 가능하다. 연색개선형은 효율은 약간 희생하되, 연색성(Ra=60)을 개선한 것이다. 고연색형은 백열전구와 유사한 광색으로, 연색성(Ra=85)이 우수하다.

 

고압나트륨램프의 에너지 배분

 

 

 

고압나트륨램프의 분광분포

 

일반형의 고압나트륨램프는 램프효율을 최대로 하기 위하여 정상점등할 때 나트륨증기압이 4∼25[kPa]에서 동작하도록 나트륨수은아말감이 과잉봉입되어 있으므로, 점등중에 증발하는 아말감량은 일부분에 지나지 않고 대부분이 관단부의 최냉점 부분에서 미증발 상태로 존재하는 소위 포화증기압형 방전램프이다. 따라서 봉입 수은이 모두 증발하게 되는 불포화증기압형인 고압수은램프와 같이 일정한 램프전압특성을 얻기가 어렵다. 즉 고압나트륨램프에서는 관내의 최냉점 온도가 변하면 나트륨 증기압이 변하기 때문에 램프전압이 변동하게 되므로, 전원전압의 변동이나 관단부 흑화에 의해 과도한 램프전압 상승이 일어나는 경우 램프가 꺼지는 경우가 많다. 이와 같이 전원전압 변동에 대해서 램프전력의 변동이 크므로 정격 ±6% 이내에서 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 시동시간은 광속이 안정되기까지 수 분 걸린다. 재시동시간은 점등회로에 의해 고전압 펄스를 발생시키므로 다른 HID램프에 비해 비교적 짧다.

 

고압나트륨램프 특성

 

 

고압수은램프

 

1. 원리 및 구조

수 기압의 수은증기압중의 아크방전에 의한 발광을 이용한 램프로서, 기본적으로는 빛을 내는 발광관과 이를 보호하기 위한 외관으로 구성되어 있다. 발광관인 투명 석영관의 양단에는 한 쌍의 주전극과 보조전극이 몰리브덴의 얇은 리본으로 봉착되어 있으며, 그 사이에 수은(0.2∼1MPa)과 아르곤 가스(∼2.6[kPa])가 봉입되어 있다. 주전극은 텅스텐축에 전자방출물질이 도포된 텅스텐코일을 감아 끼웠으며, 보조전극은 시동을 용이하게 하기 위한 것으로 고저항을 거쳐 반대편의 주전극과 접속되어 있다. 외관은 일반적으로 경질유리로서 보온 및 자외선 차단 등의 역할을 하고, 외관내에는 점등할 때 대기압과 같은 정도가 되도록 질소가스가 봉입되어 있으며, 그 내면에는 형광체가 도포된 것도 있다.

 

고압수은램프의 종류

 

일반조명용으로서 투명형, 형광형, 반사형 및 안정기내장형이 있다.

 

1) 투명형(H)

외관이 투명하므로 수은의 휘선 스펙트럼에 의한 녹색을 띤 청백색의 광색을 나타내며, 이에 따라 연색성이 좋지 못하다.

 

2) 형광형(HF)

형광수은램프라 불리우는 것으로, 외관 내면에 적색발광하는 형광체를 도포하고, 발광관으로부터 방출되는 자외선 복사(주로 365[nm])를 가시광으로 변환함에 따라 투명형에서는 부족한 적색성분의 광을 보충하여, 연색성 및 효율을 함께 개선한 것이다.

 

3) 반사형(HRF)

외관의 일부를 알루미늄 증착하여 반사경의 역할을 담당케 함으로써 투광기 등을 사용하지 않고도 광의 방향성을 갖도록 한 것이다.

 

4) 안정기내장형

필라멘트로써 안정기의 역할을 수행함과 동시에 자신의 백열광에 의해 광색, 연색성을 개선시킨 램프이다. 그러나 램프 입력의 거의 절반 정도를 필라멘트에서 소비하므로 램프효율은 낮아진다. 그 대신, 안정기가 불필요하기 때문에 백열전구와 같이 손쉽게 사용할 수 있다.

 

고압수은램프의 점등회로

 

일반적으로 쵸크코일이나 자기누설변압기형 점등회로가 사용된다. 고역률로 하려면 전원측에 커패시터를 병렬로 접속한다. 그외에, 저시동전류형, 정전력형, 임피던스(커패시터의 용량) 절체에 따른 단조광 정전력형 등이 있다. 또한, 순시재시동점등할 수 있도록 20-30[kV]의 높은 펄스전압을 인가하는 방식도 있다.

 

고압수은램프의 특성

 

흔히 사용되는 형광수은램프의 특성은 효율 약 60[lm/W] 정도로서 그리 높은 편은 아니나, 이 램프의 최대 강점은 수명이 길어 24,000 시간까지 가는 것도 있다. 또한 경관조명 측면에서 볼 때, 그 특유의 청색광이 자연 월광에 가깝다는 것이 장점이 될 수 있다. 전원전압 변동의 영향은 다른 HID 램프에 비해 적은 편이다. 그러나 광색 범위가 한정되어 있고, 외형이 크며, 효율이 낮은 등의 단점을 갖고 있다. 시동전압은 200[V] 이하에서 점등하지만, 저온으로 되면 시동전압이 높아지는 경향이 있다. 점등후, 수은이 증발되어, 광속이 안정하기까지의 시동시간은 수 분 걸린다. 또한, 소등후, 재시동까지의 재시동시간도 수 분 걸린다.

 

시동, 재시동

 

램프에 전압을 인가하면 주전극과 보조극 사이에 글로방전이 발생함과 동시에 주전극 사이에 아크방전이 형성된다. 아크방전의 열에 의하여 발광관의 온도가 상승함과 동시에 수은도 증발하고, 수분간에 완전히 증발하여 안정된다. 램프특성도 수은의 증발에 의하여 변화하며, 이 안전까지의 시간을 시동시간이라 한다.

수은과 아르곤 가스의 상호작용(페닝효과)에 의하여 시동성능을 개선하고 있으므로 주위온도가 -15℃ 이하의 곳에서는 수은증기압이 낮아서 시동이 곤란하다. 그러나 현재는 보조극간에 아크방전을 일으키고, 전극이나 발광관을 가열하는 방법이 주로 쓰이고 있다. 고압수은램프는 소등직후는 수은증기압이 높으므로 시동이 곤란하다. 발광관에 냉각하여 재점등까지의 시간을 재시동시간이라고 하며 KS에서는 10분 이내로 규정하고 있다.

 

전압특성

 

전원전압을 변화시키면 램프특성은 그림 2-27과 같이 변화한다. 안정기에 의하여 변화의 양태는 달라지지만 수은이 모두 증발하고 있는 불포화형이기 때문에 램프전압, 효율, 분광분포의 변화는 다른 HID 램프에 비하여 적다.

 

 

 

 

    고압수은램프의 전압특성

 

 기타 특성

광속, 관전압, 전류, 전력 등의 램프특성은 주위온도에 의하여 변화하지만 형광램프에 비하여 변화가 극히 적어서 특히 옥외사용에 적당하다. 그리고 고압수은램프의 수명은 10,000시간 이상으로 매우 길며, 광속저하나 시동의 곤란 등에 의하여 결정된다. 이것은 주로 전극소모에 기인되며, 전자방출물질이 소모되면 급속히 흑화하고, 시동전압도 높아져서 결국 시동이 되지 않지만, 현재로는 동정이 안정된 램프이다. 효율은 30~55lm/W로 투명형보다 형광형이 높고, Ra도 투명형 25, 형광형 45이다.

 

메탈핼라이드램프

 

1. 원리 및 구조

메탈핼라이드램프는 고압수은램프의 발광을 개선시키기 위해 발광관내에 금속할로겐화합물을 첨가함으로써 그 금속 원자 고유의 발광을 이용하여 발광효율과 연색성을 향상시킨 램프이다. 그 구조는 고압수은램프와 유사하지만, 금속증기압을 높이기 위해 발광관이 약간 작고, 최냉부인 전극부근에는 보온막을 칠하여 관벽온도를 균일한 고온으로 유지하도록 하고 있다. 메탈핼라이드램프의 경우에는 보조전극이 없는 경우도 있다. 발광관내에는 램프전압, 발광관 온도를 조절하기 위한 수은과 아르곤, 광색보완용으로 금속할로겐화합물이 봉입되어 있다. 금속할로겐화합물은 금속단체보다 증기압이 높기 때문으로 취급이 용이한 화합물 형태로서 봉입한다. 일반조명용으로는 Na(나트륨), Tl(탈륨), In(인듐), Sc(스칸듐), Se(셀레늄), Th(토륨), Dy(디스프로슘), Sn(주석), Tm(툴륨), Ho(홀뮴) 등의 할로겐화합물이 사용되고 있다.

 

 

 

 

2. 메탈핼라이드램프의 종류

 

발광물질에 따라 분류하면 다음의 종류가 있다.

 

1) Na-Tl-In계

Na, Tl(535[nm]) 및 In(411, 415[nm])의 강한 스펙트럼을 조합시킨 램프이다. 효율은 좋으나, 연색성은 약간 떨어진다.(Ra=70) 수은등 안정기에서 점등가능한 저전압시동형이 있다.

 

2) Sc-Na계

Sc의 약한 다수의 스펙트럼과 Na(파장 589[nm])의 강한 스펙트럼을 조합한 램프로서, 고효율이나 연색성이 약간 떨어진다.(Ra=70)

 

3) Dy-Tl-In(또는 Na)계

Dy의 약한 다수의 스펙트럼과 Tl 및 In(또는 Na)의 강한 스펙트럼을 조합한 램프이다. 연색성이 좋고(Ra=80∼90), 이 계통에서 관형 외관을 사용한 양구금형 및 소형 편구금형, 램프의 발광물질로는 (Dy/Tm/Ho)-Na-Tl계, Na-Tl-Sn계의 것이 있다.

 

4) Sn계

할로겐화 주석 분자에 의한 연속스펙트럼의 램프로서, 효율은 낮으나 연색성(Ra=90∼95)이 우수하여 자연광에 가깝다. 투명형이나 반사형이 있다.

 

메탈핼라이드램프의 첨가물에 의한 분류 (400[W] 투명형) 

 

발광 스펙트럼	첨가물	효율 [lm/W]	색온도 [K]	평균연색 평가수 Ra	종류
소수의 강한 선스펙트럼의 조합	Na-Tl-In	80	5,000  ∼5,500	70	일반
		80	5,000	70	저전압시동
다수의 밀집된 스펙트럼과 소수의 강한 선스펙트럼의 조합	Sc-Na-Th	90	4,200  ∼4,500	70	일반
		80	4,200	70	저전압시동
	Dy-Tl-In	80	6,000	80∼90	일반
분자발광에 의한 연속스펙트럼	SnI2   SnBr2	50	5,000	90∼95	고연색

 

3. 메탈핼라이드램프의 점등회로

 

저전압시동형은 일반적인 수은등 안정기가 사용된다. 그외에는 반도체 이그나이터와 같은 시동기를 부착하거나 인가전압을 높인 전용 안정기를 사용한다. Dy계의 양구금형 램프에서는 고주파점등에 따른 전자안정기도 실용화되어 있다.

 

4. 메탈핼라이드램프의 특성

 

램프효율(70∼100[lm/W]), 연색성(Ra:70∼90)은 비교적 우수하다. 연색성은 Sn계와 Dy-Tl계가 우수하다. 램프효율은 Sc-Na계가 80∼100[lm/W]로 높고, Na-Tl-In계, Dy-Tl-In(또는 Na)계는 75∼80[lm/W]이다. 수명은 다른 HID 램프에 비해 약간 떨어져 6,000∼15,000시간 정도이며, 광속유지율이 좋지 못하다. 또한, 수은등 안정기에서 점등가능한 저전압시동형은 전용안정기를 사용한 것에 비해 약간 떨어진다. 시동 및 재시동시간은 수은램프에 비해 약간 길어, 수-10수분 걸린다. 전원전압 변동의 영향을 받기 쉽고, 램프의 종류에 따라서는 광원색이 고르지 못한 것도 있으므로, 정격전압의 ±6% 이내에서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 점등방향에 따라서 광원색이 변화하기 쉬운 경우에는 점등위치를 지정한 것도 있다.

메탈핼라이드램프는 일반 조명용은 물론, 집어등용, 복사기용, 광화학용, 동식물 육성용 등 광범위하게 이용되고 있다.

보통 금속 할로겐화물은 수은보다도 증발하기 힘드므로 램프동작중의 분압도 수은증기압보다 낮고, 원자밀도도 적지만 수은 스펙트럼의 여기레벨보다 낮은 여기레벨을 갖는 금속이 선정되었기 때문에 방전에 의한 방사는 첨가금속의 스펙트럼이 주이다.

점등 중 비교적 온도가 낮은 관벽 부근의 금속 할로겐화물은 증발하여 고온, 고압의 수은아크 내로 들어가서, 그림2-30에 나타낸 바와 같이 금속과 할로겐으로 분해된다. 분해된 금속은 아크 내에서 여기되어 발관한다. 아크부의 금속과 할로겐은 관벽부근에서 또다시 결합하여 금속 할로겔화물로 되며 이것을 반복하면서 발광한다. 전기입력에 대한 방사광의 에너지 배분은 표 에 나타낸 바와 같이 고압수은램프보다 매우 크다.