방전등의 발광메커니즘과 방전원리


  • 방전등이란 루미네선스를 이용한 발광원리를 적용한 광원이며 루미네선스 발광에는 반드시 전기적 자극이 필요하다
  • 방전등의 종류
    • 저압방전램프 : 형광램프, 저압나트륨 램프
    • 고압방전램프
      • 고압수은 램프
      • 고압나트륨램프
    • 초고압 방전램프

방전등 기본원리

1)원자의 에너지 흡수 및 방사

2)공진, 여기, 전리전압

  • 공진전압
    전자가 제1궤도의 기저상태 이외의 안정궤도 위에 있는 상태를 여기상태라고하고, 기저상태에서 다음의 에너지가 높은 여기상태(n=1->n=2)로 올리는데 필요한 최소 에너지의 상단 전압을 “공진전압” 또는 “공진에너지”라 한다
  • 여기전압
    제2또는 그 이상의 여기상태(n=3이상)로 올리는데 필요한 최소 에너지를 “여기전압” 또는 “여기에너지”라 한다
  • 전리전압
    전자를 원자로부터 완전히 튀어나가게 하는데 필요한 최소에너지를 “전리전압” 또는 “전리에너지” 라 한다

3)원자와 전자의 비탄성 충돌

  • 운동에너지를 어떤 값 이상 가진 전자, 원자, 분자가 다른 분자나 원자에 충돌하면 자신이 가지고 있던 에너지가 다른 원자 내의 전자에 주어져 여기 또는 전리현상이 나타나게 되는 현상을 비탄성충돌이라 하며, 제1종충돌과 제2종충돌이 있다
  • 제1종 충돌
    운동에너지를 가지고 있는 전자가 중성원자를 충격하여 여기시키거나 전리시키는 것을 말하며, 이때 여기된 원자는 오랫동안 그상태를 유지하기 못하고 빛을 방사하면서 기저상태로 돌아간다
  • 제2종 충돌
    여기원자가 전자나 다른 여기원자를 충격하여 큰 에너지를 얻거나 여기원자를 전리시키는 것을 말하며, 이 여기된 원자 자신은 빛을 방사하지 못하고 다른 여기원자를 전리시킨 후 자신은 원궤도로 복귀한다

4)수소 스펙트럼과 준안정 상태

  • 원자의 기저상태->공진, 여기 전리상태 : 에너지 흡수
  • 공진, 여기, 전기상태->내부의 낮은 에너지 준위: 에너지 방출

방전등의 방전 개시원리

1)음극의 전자 방출

  • 열전자 방출
    음극의 재료가 고온이 되어 전극표면 및 그 표면 부근에 있는 전자가 분자의 열운동에 의하여 튀어나오는 현상을 말한다
  • 전계전자 방출
    음극에 관 전압을 걸어주면 전계가 걸리고 이때 전자가 튀어나오는 현상을 말한다

2)자속방전

  • 외부 자극에 의한 전자 방출이 중지되어도 스스로 지속되는 방전으로 방전등은 대부분 자속 방전이 수반된다.
  • 초기 전자 방출은 광전효과 또는 우주선에 의하여 자연적으로 생성
  • 자속방전 개시조건
\[γ(e^{\alpha d}-1)\ge1\]
  • γ : 2차전자 방출계수
    +이온이 음극에 충돌하여 2차 전지를 방출하는 계수
    영향 : 이온의 종류, 음극의 표면상태에 따라 달라진다
  • α : 전자의 충돌 전리계수
    전자가 1[]진행하는데 충돌하여 전리하는 계수
    영향요소 : 기체의 종류, 압력, 전계에 영향
  • d : 전극 간의 거리

3)Glow 방전과 Arc방전

  • Glow 방전
    전계 전자 방출에 의한 방전, 즉 음극강하의 강한 전계에 가속된 양이온이 음극에 충돌하면서 음극으로 전자가 방출되어 방전하는 것을 말한다
  • Arc방전
    • Glow 방전에 의하여 방전전류가 증가하면 양이온의 충격에 의한 음극의 가열로 음극으로 부터 전계전자 방출이 아닌 열전자 방출이 이루어지고
    • 음극강하가 급격히 작아져(전류가 급격히 증가)기체의 전리전압이 되면서 방전의 최종 형식을 이루게 되는 것이다.
  • Glow 방전에서 Arc방전으로의 이행과정
    • Townsend방전 : 전자가 급속히 늘어나 자속방전에 의해 방전을 유지하고 문턱전압에 이르게 하는 방전
    • Glow방전 : 전계에 의한 양이온이 가속을 받아 음극에 충돌 시 전자 방출
    • Arc방전 : 양이온의 충격에 의한 음극의 가열에 의해 열전자 방출
  • Glow 방전과 Arc방전의 차이
구분Glow방전Arc방전
기압저기압고기압
전류소전류고전류
전압고전압저전압
원리전계전자 방출열전자 방출

적용법칙

1)페닝효과

  • 수은이나 불활성 기체와 같이 준안정 상태를 형성하는 기체에 극히 적은 양의 아르곤을 혼입하면
  • 혼입기체의 전리전압이 원기체의 준안정상태의 여기전압보다 낮아져 장전 전압이 낮아지므로 기동이 용이하게 되는 효과를 말한다

2)파센의 법칙

  • II영역에서 방전개시에 필요한 전압(Vs)은 전극 간의 거리(d)와 방전관내부기압(p)에 비례한다는 법칙
  • 방전개시전압
\[V=\frac{BPd}{ln[\frac{APd}{ln(\frac{1}{r}+1)}]}[V]∝kPd\]

조명설비의 이론
조명의 용어
명시론
연색성,색온도, 시감도, 순응, 균제도
편한 시각의 평가
좋은 조명의 요건
눈부심
눈부심의 평가방법
열방사 3가지 법칙
원소의 주기율표
루미네선스
방전등의 발광메커니즘과 방전원리


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