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광원의 종류, 백열전구의 구조와 원리

by 생강이엄마 2023. 7. 1.
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백열전구

 백열전구는 텅스텐 필라멘트에 전기를 가해 그 열방사를 이용하는 광원입니다. 유명한 에디슨의 실용전구 발명으로부터 1세기 이상 지난 현재까지 여러 분야에서 사용되고 있습니다. 이것은 방사광이 연속 스펙트럼으로 연색성이 좋고 고휘도로 집광하기 좋으며 점등 회로가 필요 없이 전원에 연결하기만 하면 쉽게 점등되는 것이 장점입니다. 그러나 발광 효과가 낮고 열선이 많다는 단점이 있기 때문에 최근에는 효율이 높은 다른 광원으로 많이 바뀌고 있는 추세입니다.

 

 일반조명용 전구는 둥근 유리구안에 필라멘트를 넣고 꼭지쇠를 단 간단한 구조입니다. 필라멘트는 텅스텐선을 단일코일이나 이중 코일로 만든 것입니다. 내부 도입선은 니켈 도금을 한 동이나 철선이고 유리와의 봉착부는 유리에 열팽창 계수가 가까운 쥬메트선이 사용되고 있습니다. 외부 도입선의 1선은 동과 니켈 합금의 선이 퓨즈로 들어가 있는 구조입니다. 유리구는 소다 석회 유리로서 젖빛유리형 전구는 휘도가 높은 필라멘트가 보이지 않도록 실리카 등의 백색 분말을 도포하여 눈부심 글레어를 감소시키고 있습니다. 유리구 안에는 아르곤과 질소의 혼합 가스가 점등 중 거의 대기압이 되도록 봉입되어 있습니다. 이 봉입 가스는 필라멘트로부터의 텅스텐 증발을 감소시키고 전구의 수명을 길게 하는 것이 주목적인데 원자량이 큰 크립톤을 봉입하면 증발 속도가 억제되어 특성이 좋아집니다.

 

 할로겐 전구는 봉입 가스로 아르곤과 질소의 혼합 가스에 미량의 할로겐 가스를 가한 소형이고 효율이 놓은 전구입니다. 유리관은 내열성이 있는 석영 유리나 경질의 유리가 사용되고 있으며 봉착부는 석영 유리에서는 열팽창 계수가 작아 나이프에지를 갖는 몰리브덴박이 사용되고 있습니다. 봉입 가스로서는 미량의 할로겐 화합물 가스를 가한 불황성 가스가 1~4 기압 정도 봉입되고 있습니다. 백열전구는 봉입 가스의 압력을 높게 하면 텅스텐 증발을 억제할 수 있고 필라멘트 온도를 올려 효율을 좋게 할 수 있습니다. 일반 전구에서는 점등 중에 필라멘트에서 텅스텐 원자가 증발하여 유리관 내면에 부착되어 검게 됩니다. 검게 된 부분의 유리구 온도가 상승하면 유리관이 부풀거나 깨질 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위한 대책으로 봉입 가스에 할로겐 가스를 넣은 것이 할로겐전구입니다. 할로겐 가스가 있으면 할로겐 재생 사이클이라는 현상이 일어나 검게 되는 것을 방지할 수 있습니다. 증발된 텅스텐 원자는 유리관벽 가까이에서 할로겐 가스와 반응하여 할로겐화텅스텐 분자가 됩니다. 이 분자는 증발하기 쉽기 때문에 유리관의 온도를 어느 정도 높게 하면 유리관에 부착하지 않고 대류나 확산으로 고온의 필라멘트 가까이에 되돌아가 텅스텐과 할로겐 가스로 분해됩니다. 분해해서 만들어진 텅스텐 원자는 필라멘트 온도가 낮은 부분으로 석출 되고 할로겐 가스는 다시 다른 텅스텐 원자와 반응을 반복합니다. 이 사이클을 할로겐 재생 사이클이라고 합니다. 할로겐전구에서는 이 반응이 안정되게 작용하도록 유리관 온도를 250℃ 이상으로 용도에 맞추어 할로겐 가스의 양이나 종류를 선택하고 있습니다.

 텅스텐 필라멘트의 성질은 융점이 3,382℃로서 고온에서의 증기압이 낮아 전구 필라멘트에 가장 적합한 금속입니다. 백열전구에서는 고온 상태에서의 변형을 줄이기 위해 극미량의 금속산화물을 첨가한 가는 선을 사용하고 있습니다. 필라멘트에서 방사되는 광의 분광 분포는 흑체의 열방사와 유사하며 가시광 영역은 플랑크의 열방사칙으로 거의 근사됩니다.

 

 

 일반조명용 백열전구는 열선의 방사가 많고 가시광은 약 10% 수준입니다. 가스 손실은 봉입한 아르곤 등의 가스에 의하므로 원자량이 많고 열 전도율이 작은 크립톤등으로 하면 손실이 감소하며 효율이 좋아집니다.

 전구는 점등 시간의 경과와 더불어 유리구 내면에 증발한 텅스텐이 부착하여 광흡수가 증가하고 또 약간이긴 하지만 필라멘트가 가늘어져 저항이 증가, 온도가 내려가기 때문에 밝기가 떨어지게 됩니다. 할로겐전구에서는 유리관으로의 텅스텐 부착이 없기 때문에 광속 저하가 적어집니다.

 

 전구는 비교적 점멸에 강한 광원이지만 수백ms에서 수 s의 점멸 사인과 같은 점멸 조건에서는 수명이 일반 전구로 대략 2~8% 짧아지게 됩니다. 점등 중에 진동이나 충격이 가해지는 사용 조건에서는 상당히 수명이 짧아지므로 필라멘트 형상이나 지지 방법을 바꾼 내진형 전구가 사용됩니다. 주위 온도는 필라멘트 자체에 직접 영향을 주지 않지만 온도가 높은 경우는 유리구에서 수분 등의 불순 가스가 방출되어 증발 이외의 화학 반은이 가해져 수명이 짧아집니다. 또한 꼭지쇠 부분의 온도가 사용 한계를 넘으면 그 부분의 점착제 열화가 빨라지게 됩니다. JIS에서는 일반 전구의 꼭지쇠 온도를 165℃를 넘지 않는 상태에서 점등해야 한다고 규정하고 있습니다.

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