조명용 광원 종류*

구성과 원리

• 베이스
• 도입선
• 배기관
• 앵커
• 필라멘트

백열전구의 특성

• 에너지 특성
• 전압특성

• 동정곡선

• 수명
• 주위온도 영향
• 점멸의 영향

백열전구의 특징

• 점광원에 가깝고 조광이 유리하다
• 연색성이 좋아 색감이 좋다
• 점등이 간단하고 방전등과 달리 바로 점등된다
• 빛의 크기는 제어하는 조광이 연속적으로 가능하여 방전등보다 쉽다
• 전등효율이 낮고, 수명이 1,000~1,5000[h]로 짧다
• 열선 방사가 높다

• 할로겐 전구란 봉입가스에 미량의 할로겐족(원소주기율표상 7족) 가스를 첨가한 백열전구
• 백열전구는 발열체를 전류에 의한 백열상태로 가열하고 거기에서 방사되는 광을 이용한다. 보통 백열전구는 고융점 (3,400℃)의 텅스텐 필라멘트가 사용
• 그렇지만 전구가 점증되면 텅스텐 필라멘트는 증발하게 되고, 증발한 텅스텐 증기는 유리관 벽에 붙게 되어 흑화 현상을 유발하게 되며 약 20%정도의 빛을 감소 시키며 결국에는 가늙어진 필라멘트가 끊어져 수명을 다하게 되는 것
• 할로겐은 이러한 텅스텐의 증발을 억제하여 밝기를 오랫동안 유지하며 수명 또한 길어지게 하는 것

• 할로겐 재생사이클
  • 필라멘트에서 증발한 텅스텐(Zone1)은 할로겐가스와 결합(Zone2)하여 할로겐 화합물을 이룬다. 이텅스텐 화합물은 250℃~1400℃(Zone3) 사이에서 그 상태를 유지한다. 전구의 관벽의 흑화를 막기 위해서 전구가 약 250℃ 이상을 유지
  • 텅스텐 화합물이 열대류에 의해 필라멘트에 가까이 접근하게 되면 필라멘트의 열에 의해 텅스텐과 할로겐 가스로 분리되며 텅스텐은 필라멘트에 다시 결합하게 된다
  • 자유로워진 할로겐 가스는 다시 처음과 닽은 반응을 반복하게 된다 이러한 사이클을 할로겐 사이클이라 한다 그래서 할로겐 사이클이 전구의 수명과 밝기를 증가시킬수는 있으나, 할로겐 램프도 결국에는 수명을 다하고 끊어진다
  • 이것은 필라멘트의 온도가 전부분이 모두 일정하지 않기 때문이다. 필라멘트의 온도가 높은 부분은 증발이 많고 상대적으로 온도가 낮은 부분은 증발이 서서히 일어난다. 그래서 필라멘트의 온도가 높은 부분은 점점 더 가늘어지고 결국에는 수명을 다하게 된다

특성

• 분광 분포 특성
  • 가시광선 영역에서 방사에너지 변화가 선형적으로 변화하여 광원에 대한 안전성이 높고, 적외선 부근에서 방사가 가강 많아 가정용 히터, 복사기용 등의 열원으로 많이 사용한다

• 전압 변동 특성

• 동정곡선(=광속유지율)
  • 시간에 따른 광속변화가 백열전구에 비해여 광속 저하가 작은 장점이 있다

특징

1)일정한 광출력(광전속)

• 할로겐 사이클에 의해서 관 벽의 흑화가 생기지 않기 때문에 광출력이나 색온도가 감소하지 않는다

2)긴 수명

• 할로겐 사이클에 의해서 일반 백열전구보다 더욱더 긴 수명으 가지고, 또 같은 수명일지라도 더욱더 높은색온도를 가질수가 있다

3)콤팩트한 사이즈

• 관벽의 온도를 250℃ 이상으로 유지하기 위하여 필라멘트와 관벽의 거리가 가까워야 한다. 이것은 가은 전력일 때 일반 백열전구보다 약 1/200 정도 작은 체적으로 만들수 있다

4)강한 열 충격성

• 고온에 견디기 위하여 석영 유리를 사용함으로 열 충격에 강하다

적용장소

• 자동차용, 비행기 활주로 조명용, 복사기용, 히터용
• 대형할인점, 백화점 등의 스포트라이트

점등원리

• 일반 조명용 형광램프는 형광체로 할로린산 형광체를 주로 사용하여 적색부분의 발광이 적어 연색성이 나쁨
• 연색성을 보완하기 위하여 희토류 형광체를 대신하여 사용하여 효율과 연색성을 개선하여 청색, 녹색, 적색 빛을 조합하여 효율이 좋은 백색의 빛을 얻는 램프

삼파장 형광램프 형광체 도포법

• 일층 도포법
  • 램프 내부의 유리면애 회토류 형광체를 도포하는 것으로 도포량이 많아(2.3[g])원가 상승의 원인이 된다.

• 이층도포법
  • 램프 내부에 유리면에 첫째 층은 할로린산 칼슘 형광체로 도포하고, 제2층은 희토류 형광체로 도포
  • 일층 도포법에 비하여 밝기와 연색성에 큰 차이가 없으나, 경제적

특성

• 분광 분포 특성
  • 일반용 형광램프는 한개의 파장을 이용하는 선스팩트럼인데 반하여 삼파장 형광램프는 3개의 파장을 이용

• 광속유지율
  • 삼파장 형광램프는 희토류 램프의 수명이 다될 때까지 광속저하가 작다

삼파장 형광램프의 특징

• 동일 규격의 일반 램프보다 약 10%정도 더 밝아서 가장 밝은 형광램프
• 같은 조도하에서 일반 형광램프보다 약 40%정도 밝게 느껴짐
• 연색성이 좋다. 연색지수가 일반램프는 63인데 84로 높아, 색상이 보다 아름답고 자연적이고 선명해 보임
• 산뜻하고 생생한 분위기를 만듬
• 약 10%의 절전효과로 전기요금을 절약할 수 있음
• 가격이 비싸다. (일반 형광램프보다 수 배 비싸다)

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T5

직관형광램프는 최고의효율과 기구의 소형화를 실현하도록 설계한 관경 16[mm]의 형광램프

적절한 전극 예열조건을 갖는 전용의 전자안전기와 조합하여 동작하고, 에너지 절약과 기구설계의 자유도를 높이려는 시장의 요구를 만족시킬 수 있는 램프

1️⃣특징

1)관경의 세관화

• 기구의 효율 상상(T8대배 +5%)
• 기구의 슬림화 가능

2)관길이의 최적화

• Modular Celling System에 설치가 가능

3)효율 향상

• 전등효율이 96[lm/W]로 (T8 대비 12.5[%], T10 대비 30[%])

4)35℃ 에서 최대 광출력

• 실내조명에서 효율 향상(광속 14[W]dptj 1,250[lm], 28[W]에서 2,790[lm])

5)긴 수명

• 높은 경제성(기존 대비 1.5배 긴 수명)->8,000시간 이상

6)환경친화성

• 저수은 폐기물 감소로 환경 친화적 램프

7)고주파 점등

• 전용 전자안정기 사용으로 높은 에너지 절약 가능

8)색온도

• 3,000~6,500[K]

9)연색성 평가지수

• Ra 85

10)발열이 적다

• 램프 점등 시 발열이 감소되어 냉방에너지 절약

11)전용의 안정기 사용

• 램프는 기존의 등기구나 안정기와 조합하여 사용할 수 없고 전용의 전자안정기를 사용

2️⃣사용장소

1)집기 등 국부 장소

2)천장 전반조명

1️⃣구조 및 원리

• 1차 코일에 고주파를 인가하면 자기장이 코일 주위에 발생하게 되는데 이 자기장이 2차 회로에 해당하는 방전관을 통과하게 되면 패러데이의 원리에 의해 2차 회로에 기전력이 발생
• 발생한 기전력에 의해 방전관 내에 전자가 가속되어 플라스마가 발생하게 되며, 플라스마에서 나온 자외선은 유리관 내부에 도포된 형광체를 자극하여 가시광선을 방출

2️⃣종류

1)자계 결합형 방전램프

유도결합형(ICP:Inductively Coupled Plasma)방전램프라고도 하며, 일반조명용도로서 실용화되어 있는 무전극램프다. 1차 코일 중의 교류전류에 의해 이것에 대응하는 교류자계가 코어와 주변공간에 발생함을 이용한다(수십[kHz]~ 수백[MHz])

2)전계 결합형 방전램프

용량 결합형(CCP:Capacitively Coupled Plasma)방전램프라고도 하며, 방전관 외부에 한쌍의 전극을 놓고 전극간에 고주파(수십[kHz]~ 수백[MHz])전계를 걸어 방전을 발생시킨다.

3)초고주파 방전램프

• 마그네트론으로부터 마이크로 웨이브(2.5[GHz])를 발생하여 도파관을 통해 공진기기에 전달된다.
• 공진기 내 강한 전계가 형성되어 Bulb내 불활성 기체와 금속화합물 방전되어 연속적으로 빛을 발하는 플라스마 상태가 유지되어 방전

3️⃣장단점

1)장점

• 고효율
  • 고효율 램프(64~80[lm/W])
• 장수명
  • 일반수명 : 10만 시간(초기 광속 대비 55%까지)
  • 실효수명 : 6만 시간(초기 광속 대비 70%까지)
• 고연색성 : 86Ra
• 즉시점등 및 재점등
• 열방사가 적다

2)단점

• 가격이 비싸다
• 노이즈 대책 필요
  • 무전극 램프는 고주파 점등이므로 전자파에 의해 타 기기에 영향을 준다
  • 노이즈 단자전압에 대한 대책이 필요하며, 노이즈의 발생원인인 램프나 점등회로 부근에 접지를 할 필요가 있다
  • 고주파 노이즈는 조명기구의 표면에 전파하므로 표면에서 접지를 하면 효과적이다.

4️⃣최근 동향

• 무전극 램프는 현재까지 상용화된 광원 중에서 가장 긴 수명의 광원으로서 그 핵심 부품인 안정기가 국산화되면서 터널과 같은 공공시설을 중심으로 수요가 증가하는 추세
• 무전극 램프는 특수전구와 초고주파 방전을 일으키는 안정기를 합친 가격이 상당히 고가이나, 평균수명이 1만 시간 이하인 형광등이나 나트륨 램프 및 메탈하이라이트 램프에 비해 고효율, 긴 수명인 점과 이에 따른 교체비용의 절감등을 고려하면 오히려 경제적

냉음극 형광램프

냉음극 형광램프(CCFL:Cold Cathode Florecent Lamp)

1️⃣원리

• CCFL은 냉음극 형광램프(Cold Cathode Florecent Lamp)의 약자로서 초자관과 이 양 끝에 전극을 붙어 있으며, 내부에는 일정량의 수은과 Ar과 Ne의 혼합가스가 들어있음
• 또한 초자관 내부 표면은 형광체로 도포되어 있다. 초기 시동 개선을 위해 형광체에 소량의 알루미나를 첨가
• 초자관이 가늘고 전극이 다른 점 빼고는 FL과 동일한 구조와 원리
• 램프의 양 전극에 고전압을 인가하면, 전극으로부터 전계에 의한 전자 방출이 일어난다. FL의 필라멘트를 데워서 옥사이드를 방출하고, 이 옥사이드로부터 전자가 방출되는 것과는 차이
• 냉음극이라고 하는 이유는 열에 의한 전자 방출이 아니고 전계에 의한 전자방출 방식이므로 열이 불필요하여 붙여진 것
• CCFL(냉음극 형광램프)의 동작원리는 정규 글로 방전 영역에서 동작하는 형광램프이고, 내면에 형광체를 도포한 유리관 내 희토가스와 미량(수[mg])의 수은을 봉입
• 램프양단의 전극 간에 고전계(고주파)를 가해 저압의 수은증기 중에서 글로 방전을 시켜, 방전에 의해 여기된 수은이 자외선(253.7[nm])을 발생해 그 자외선이 형광체
• 여기된 형광체 원자가 저 에너지 준위에 돌아올 때 에너지 차이에 상당하는 파장의 빛이 방출되어 형광체원자 고유의 빛을 발산

2️⃣장단점

1)장점

• 소형화 및 경량화
• 긴 수명
• 전력소모 감소
• 뛰어난 휘도 및 색상
• 다양한 형태

2)단점

• 램프를 동작시키기 위해서는 점등용인버터 회로가 필요
• 구조상 효율이 70%이상 나오질 않는다
• 구동전압이 높으므로 외부에 전기적 잡음을 발생시키고 높은 습도에 내부구조의 발열이 발생된다
• 형광램프 특성상 내부에 수은을 사용하므로 환경에 위해를 준다

3️⃣용도

• LCD의 전형적인 광원으로 최적합
• 안정적인 조도 및 광도로 인하여 팩스기에 적합
• 복사기 및 스캐너용으로 적합
• 온라인 및 오프라인 게임기에 이용
• 저휘도 윤곽용 조명 디자인에 적합
• 기타 출력표시 장치에 광범위하게 이용

외부전극 형광램프 (EEFL:External Electrode Fluorescent Lamp)

1️⃣구조 및 원리

• EEEL이란, 외부전극 형광램프로 밀폐된 유리관에 가스를 봉입한 귀 램프 양 끝에 전극을 형성하여 전극이 가스 방전공간에 노출되지 않고도 갓 방전 동작을 실시하여 플라즈마를 형성시키는 구조를 가지는 형광램프
• 관 내부에서 일어나는 가스방전현상은 일반램프와 같으나 유리관 자체라 유전체로 작용하기 때문에 방전을 유도하기 위해 인가하는 외부전압에 앞선 방전으로 인하여 발생하는 공간전하들의 축적에 의한 벽전하가 더해져 전압이득이 발생

2️⃣특징

1)긴 수명

평균수명 100,000시간으로 긴 수명의 특성

2)저전력 특성

형광등 대비 30% 이상 낮은 소비전력으로 절전효과 기대

3)친환경

최소의 수은 함유 및 긴 수명으로 각종 유해물질, 폐기물 최소화

4)다양한 어플리케이션

관경이 8[mm]인 슬림형으로서 협소한 공간, 동선 확보가 중요함

5)고효율성 및 경제성

• 긴 수명(일반형광램프 수명의 5배이상, 기타 램프의 3배 이상, 유지보수 필요 없음)
• 고효율성 및 경제성(전력 소모 기타 램프대비60[%]이하)

6)냉열관

관 자체에서 열이 발생되지 않기 때문에 사진, 필름, 기타 상품에 손상을 입히지 않음

7)병렬구동 방식

• 형광등과 같은 내부 전극형 램프는 방전시 전압강하가 커서 여러개의 관을 한개의 구동장치로 동시에 구동시키기가 대단히 어렵다
• EEFL은 근본적으로 전압강하가 매우 작으므로 다수의 관을 한 개의 구동장치로 동작 시키는것이 가능함

1)구성

• 발광관 양단에 산화물 피복전극 및 시동용 보조전극 설치
• 수은 증기압을 1기압 정도로 유지하기 위하여 발광관 온도를 400℃유지하여야 하는데 발광광 외부에 외관을 씌워 양단 사이를 배기하거나 적당한 가스를 봉입하여 열의 전도를 막는다
• 발광관 재질 : 석영관 또는 내열경질 유리 사용

2)점등원리

• 수은 램프는 수은증기 중의 방전을 이용한 것으로 미량의 아르곤을 혼입하여 Penning효과를 이용하여 기동을 용이하게 함
• 처음에 보조전극과 주전극 사이에 Glow방전이 일어나면서 전계 전자 방출을 시작하면 수은을 증발시키면서 적당한 압력에 도달
• 정격상태 증기압에 도달하려면 수분이 걸리고 보조전극이 고저항으로 되고 Glow방전이 소멸되면서 관내에 전류가 증가하여 아크 방전으로 이행하여 정상 점등

3)시동특성

• 시동이 시작되어 4분이 경과하면 광도, 전력, 전압이 증가하고 전류는 감소되면서 시동

4)특징

• 수명이 길다
• 연색성이 나쁘다
• 비용이 저렴하다

메탈할라이드 램프

1)구성

• 고압수은 램프의 연색성 및 효율을 개선하기 위하여 고압수은램프에 금속 또는 금속할로겐 화합물을 혼입한것
• 금속할로겐 화합물의 불순물 때문에 시동전압은 수은 램프보다 2차 전압으로 300[V]가 필요

2)점등원리

• 기본적인 원리는 고압수은 램프와 동일

3)특징

• 분광 분포도

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• 고휘도 배광제어가 용이
• 연속스팩트럼을 방사하여 연색성이 좋다
• 광속이 높고 수명이 길다 : 6,000[h]
• 효율이 높다 : 75~105[lm/W]
• 용량은 175~1,000[W]

나트륨 램프

1)구성

• 발광관 : 내열성과 나트륨 증기에 견딜수 있는 유리관 사용
• 전극 : 산화물을 칠한 텅스텐 이중코일
• 고체 나트륨 소량과 보조기체로 아르곤 봉입
• 발광관 온도를 정해진 값으로 유지하기 위하여 외관 설치가 필요

2)점등원리

• 기본적인 램프 원리는 고압수은 램프와 동일
• 기동 후 나트륨이 충분히 증발하여 정상적인 방전상태에 도달하면 약10분이 소요되어 고압수은 램프보다 약간 길다.

3)특징

• 효율이 극히 우수
• 투과력이 우수하여 안개지역, 공항조명, 야간시 도로조명에 적합

1️⃣구성 및 원리

• 제논 램프는 제논가스 중의 방전을 이용하지만 아크의 형태로부터 쇼트아크램프와 롱아크램프로 분류
• 고압 제논 램프는 발광 관부가 더 가능고 긴 것을 많이 사용하며, 내부에 봉입하는 제논가스의 압력은 1~10기압 정도이다
• 제논램프를 기동하려면 기동 시 높은 전압을 가할 수 있는 특별한 기종장치가 필요안정기외에 펄스 트랜스를 사용하여 기동을 용이하게 한다
• 제논 가스속에서 일어나는 방전에 의한 발광을 이용한 램프로 각종의 광원 중에서 자연광에 가까운 빛을 낸다. 석영관속에 한쌍의 전극을 넣고 이 전극 사이에 방전이 일어나게 한다

2️⃣특성

1)자연 주광에 가깝다

제논 램프의 분광분포는 그림에서 나타내는 바와 같이 자외선 영역으로부터 가시광선 영역에 걸쳐서 균등한 연속 스펙트램과 근적외선에 강력한 선 스펙트럼으로 되어 있다

2)색온도가 일정

자연 주광과 동정 중 색온도는 거의 일정(약6,000[K])하고 휘도도 매우 높다

3)순시점등이 가능

점등과 동시에 광출력은 안정되고, 소등 후 순시 점등도 가능한 특징을 갖고 있다

4)효율이 낮다

전등효율이 16~27[lm/W]로 백열전구보다 높으나 고압방전램프보다 많이 떨어진다.

3️⃣사용장소

화재경보기, 카메라, 비상활주로, 나이트클럽, 영사기, 광학기기용 광원등 사용되며 또 자연광에 가까우므로 천연색 영화촬영용의 광원으로 사용

초정압 방전램프 (UCD:Ultra Constant Discharge Lamp)

최근 조명용 광원은 조명의 질 개선과 효율성 향상에 의한 에너지 절감을 기반으로 발전하고 있다

UCD는 기존의 램프와 달리 2개의 램프가 1조로 조합된 이중램프 점등방식으로 광범위하게 적용되고 있다

1️⃣구조 및 원리

1)점등원리

발광관 내부에 안전한 방전을 위해 극소량의 수은과 제논(Xe)등이 포함된 혼합물의 기증 방전(형광등 방전원리)으로 발광하는 고휘도 방전램프

2)구조

구조는 발광관, 유리구, 전극 등으로 구성

• 이중관 단열성 압력유지+수은과 제논가스의 기중 방전
• 이중램프 점등방식
• 지능형 안정기 : 이중점등+20,000[V]전압 + 과전류 등 이상 시 차단

2️⃣특징

• 이중램프 점등방식 : 예비용 램프 적용
• 친환경 램프 : 초극소량의 수은만 함유
• 순간 점등 및 재점등 시 즉시 발광
• 고연색성Ra=90 이상(8대장대의 자연광으로 시인성 우수)

• 유해광선(UV)차단램프
• 긴 수명 : 2만 시간 이상
• 우수한 내구성 : -50~80도 범위에서 점등가능
• 고효율기기 : 고효율 인증 대상기자재 반영

3️⃣적용

가정용, 산업용, 특수용 조명 등 광범위하게 적용

4️⃣램프별 특성비교

구조와 동작원리

1)세라믹 램프(CDM Lamp)램프의 구조

• 세라믹 방전 메탈헬라이드(CDM) 램프는 종래의 고압수은램프 또는 메탈헬라이드 램프를 변형하여 만든 것이다
• 세라믹 관 내에는 수은, 아르곤 및 금속 할로겐화합물(금속헬라이드)이 봉입되어 있다

2)동작원리

• 동작 시 관벽온도는 930도 이상, 세라믹 관내에서 방전이 이루어진다
• 메탈헬라이드 램프의 관벽온도가 250~850도에 비해 상당히 높은 관벽온도이고, 메탈헬라이드 램프의 발광관이 석영유리라는 점이 다르다
• 높은 관벽온도로 발광관 내의 금속 헬라이드가 부분적으로 증발되어 플라즈마를 형성하고, 금속원자와 아이오딘(요오드)로 분해된다
• 금속원자에 전자가 충돌하면 여기상태(勵起狀態)로 되었다가 다시 안정상태로 되돌아갈때 잉여에너지를 빛으로 발산한다
• 광색은 약간의 푸른빛이 있으나 자연 주광에 가깝다

CDM특성

1)CDM램프의 연색성

• 연색성지수(CRI)는 금속헬라이드의 조성성분에 따라 달라지는데 96[Ra]까지 될 수 있다

2)CDM 램프의 효율

• CDM램프는 발광효율이 80~120[lm/W]로, 백열전구에 비해 동일한 광속을 내는데 1/5 정도의 전력밖에 소비하지 않는다
• 다른대부분의 HID램프보다 광속유지율이 우수하다
• 램프규격 75, 150, 250[W]
• 수은램프에 비해 수명은 1.5배 길다
• 소비전력은 수은등에 비해 38[%] 절감
• 발광효율 120[lm/W]
• 연색성 지수(CRI) 95[Ra]
• 수명 말기까지 광속유지율 80[%]

1️⃣구조 및 원리

1)구조

• 유기EL디스플레이는 유리기판상에 양극, 3층의 유기막(홀수송층, 발광층,전자수송층), 음극을 순서에 적층해 구성한다
• 유기분자는 에너지를 받으면 여기상태가 되었다가 기저상태로 돌아오면서 그때 빛을 방출한다
• 유기EL소자에서는 전압을 걸면 양극으로부터 주입된 홀(+)과 음극에서 주입된 전자(-)가 발광층 내에서 재결합하여 유기분자를 여기하여 발광한다

2)원리

• 전원이 공급되면 전자가 이동하면서 전류가 흐르는데 음극에서는 전자(-)가 전자수송층의 도움으로 발광층으로 이동
• 유기물질인 발광층에서 만나 전자와 홀은 높은 에너지를 갖는 여기자를 생성하게 되는데 이때 여기자가 낮은 에너지로 떨어지면서 빛을 발생
• 발광층을 구성하고 있는 유기물질이 어떤 것이냐에 따라 색깔이 달라지게됨

2️⃣특징

• 자체 발광형LCD와 큰 차이점은 자체 발광형이라는 것이다. 소자 자체가 스스로 빛을 내는 것으로 어두운 곳이나 외부의 비치 들어올 때도 시인성이 좋은 특성을 가진다는 것
• 넓은 시야각시야각이란 화면을 보는 가능한 범위로서 일반 브라운관 텔레비전같이 바로 옆에서 보아도 화질이 변하지 않음
• 빠른응답속도동화상의 재생 시 응답속도의 높고 낮음이 재생 화면의 품질을 좌우한다. LCD의 약 1000배 수준
• 초박, 저전력백라이트가 필요 없기 때문에 저소비 전력(약LCD의 1/2배 수준)과 초박형(약LCD의 1/3배 수준)이 가능함
• 간단한 공정구도제조공정이 다른디스플레이에 비해 간단하다. 제조설비비가 저렴함
• 저온에서도 안정적인 구동이 가능

3️⃣각 광원과의 비교