형광 램프의 구조
형광 램프는 열음극 저압수은 증기방전으로부터의 자외 방사를 가시광으로 변환하는 광원입니다. 1938년에 미국 GE사에 의해 실용화되었습니다. 실용화 후 이미 반세기 이상이 지났지만 여러 가지로 특성이 개선되면서 현재도 계속해서 광원의 주류를 차지하고 있습니다. 형광등은 고효율, 고연색인 동시에 여러 가지 광색이나 형상의 램프가 용이하게 제공되고 경제성도 높으면서 취급도 간단하기 때문입니다. 상용주파수 점등에서 고주파 점등으로의 동작이나 전구형의 보급에 의한 고효율화와 에너지 절감화 및 조명 설계를 용이하게 하기 위한 콤팩트화가 현재도 계속 추진되고 있습니다.
형광등의 유리관의 치수는 램프의 전기 특성을 기본으로 결정됩니다. 유리관은 각 용도에 대응시키기 위해 직선상, 환상, 굴곡 형상 등으로 성형되고 있습니다. 필라멘트는 텅스텐선을 사용해서 이중 또는 삼중 코일로 하고 표면에는 전자방출 물질이 도포되고 있습니다. 유리관 내에는 아르곤 또는 크립톤, 네온 등과의 혼합 가스와 포화 수은 증기압을 얻기 위해 액체 수은이 봉입되어 있습니다. 최근에는 환경을 고려하여 소량으로 보다 정밀도 좋은 수은을 봉입하기 위해 수은을 유리캡 내에 봉입하여 램프 내에 도입하거나 아연 수은이나 티탄수은 합금형으로 도입되고 있습니다. 또한 고주파 온도에서의 수은증기압의 과도한 상승으로 인한 발광효율 저하를 방지하기 위해 수은 아말감을 봉입하는 경우도 있습니다. 유리관 내면에는 형광체가 도포되어 있고 유리관과 형광체 간에는 유리관과 수은의 화학반응에 의한 광투과율 저하를 방지하기 위해 산화알루미늄등의 이른바 보호막이 도포되는 경우가 많습니다.
발광 원리
형광 램프 내의 방전은 저기압 아크 방전에 속합니다. 직류 점등이나 상용주파 점등의 반사이클에서의 전위 분포는 전위가 급격하게 변화하는 음극 영역과 양극 영역 그리고 그것에 비교적 완만한 양광주 영역의 3 영역으로 나눌 수 있습니다. 음극 영역은 양광주에 전자를, 양극 영역은 수은 이온을 각각 양광주 영역에 공급하는 기능을 가지고 있습니다.
음극에 도달한 수은 이온은 그 운동 에너지와 전리 에너지를 필라멘트에 부여하여 가열하여 열전자를 방출시킵니다. 수은 이온의 정의 공간 전하에 의해 생기고 있는 음극 강하는 쇼트키 효과로 열전자 방출을 돕는 동시에 열전자를 가속해서 수은 원자를 충돌 전리시키고 그 전자수를 증대시켜서 양광주 영역에 공급합니다. 한편 양극표면 근방에서 전자의 마이너스 공간 전하에 의해 생기고 있는 양극 강하는 전자 자체를 가속해서 수은 원자를 충돌 전리시켜 발생한 수은 이온을 양광주에 공급합니다. 점등 주파수가 10kHz 이상인 고주파가 되면 앞의 반 사이클에서 음극이었을 때의 공간 전하의 수은 이온이 양극 사이클에서도 머물게 되어 그대로 양광주에 공급되게 됩니다. 그래서 양극 강하는 필요 없게 되어 소멸하게 됩니다. 양광주 영역에서는 각각의 영역에서 공급된 전자와 수은 이온이 같은 량 존재하는 플라스마 상태를 제공합니다. 이 영역에서는 에너지가 전자에서 거의 소비되는데 약 70%가 수은의 공명선 여기에 소비됩니다. 양광주에서는 전자가 전하 대부분을 운반하므로 그 전류 밀도가 높아지면 전자 밀도도 높아지고 전자와 공명선을 방사하는 여기 수은원자와의 충돌로 그 에너지가 전자의 운동 에너지로 변환되는 빈도가 커지며 공명선 반사 효율은 저하하게 됩니다. 형광 램프에서는 최냉부 온도와 전류 밀도가 공명선방사 효율에 크게 영향을 주기 때문에 이 양자를 고려해서 점등 조건을 설정하지 않으면 안 됩니다.
형광램프의 종류
형광램프는 그 용도에 따라서 일반 조명용과 특수 조명용으로 구분됩니다.
일반조명용 형광램프는 오피스, 점포, 가정 등에서 일반적으로 사용됩니다. 이와 같은 응용 분야에서는 발광 효율은 물론이고 사람이 보기 쉽고 쾌적하게 느끼는 조명을 요구하게 됩니다. 일반 조명용 형광램프는 여러 용도에 맞추어서 설계되고 있는데 형상, 시동 점등방식, 크기, 정격 소비전력, 광원색, 연색성 등으로 분류됩니다.
일반조명용 형광램프의 기본특성으로는 전원전압 특성, 주위온도 특성, 상승 특성, 수명특성, 어른거림 등이 있습니다.
전원전압 특성은 형광 램프는 정격의 전원 전압과 주파수로 특성이 표준값이 되도록 설계되어 있습니다. 주위온도 특성은 공기는 열 절연이 우수하기 때문에 주위 온도와 램프의 최냉부 온도에는 온도차가 생기며 특성은 이 최냉부 온도로 결정되는 것을 주의해야 합니다. 이 온도차는 램프의 관벽 부하, 최냉부 방전으로부터의 거리 등의 영향을 받습니다. 고주파 점등 전용형의 환형 및 이중 환형은 최냉부를 방전로에서 이격 시켜 25℃ 이상의 고주파 온도로 최고 광속을 얻고 있습니다. 바람이 있으면 최냉부 온도가 주위 온도와 가까워져 특성 전체가 고 온도 측으로 이동합니다. 그래서 형광 램프에는 바람이 닿지 않도록 하는 것이 바람직합니다.
상승특성은 형광램프의 전광속 상승 시 램프 온도가 변화하고 최냉부 온도도 변화하기 때문에 램프 온도가 일정해질 때까지 특성은 안정하지 않습니다. 직관이나 환형 등의 일반적인 액체 수은이 들어 있는 램프에 비해서 수은 아말감을 사용하고 있는 램프는 광속 상승이 느립니다.
수명 시간은 점등 중에 이미터가 소실되어 점등되지 않는 시간이나 전광속이 규정 값 이하가 되는 시간의 어느 짧은 쪽의 시간이라고 정의되고 있습니다. 이미터 손실은 시동 시에도 생기며 그때의 예열 조건으로 그 소실량도 변화하기 때문에 점멸 사이클과 시동 방식을 조건으로 그 시간이 정해집니다. 시동 시의 이미터 소실은 주로 스패터에 원인이 있고 점등중은 증발에 원인이 있습니다. 스패터는 이미터 온도, 즉 필라멘트 온도가 너무 낮을 때나 또는 너무 증발이 클 때 전극 가까이의 흑화나 단수명으로서 문제가 되는 레벨이 됩니다. 전광속 저하의 주원인은 형광체의 열화 및 수은과 유리관과의 화학반응에 의한 유기관 투과율 저하입니다. 형광체의 열화는 그 종류에 따라 크게 다르고 희토류 형광체에서는 열화가 적습니다. 스패터 또는 증발에 의한 이미터 소실은 이미터가 금속에 환원되어 필라멘트 근방의 형광체에 부착되어 생기는데 이것은 관단 흑화의 원인도 되며 전광속 저하의 한 원인이기도 합니다.