목차(방전등 발광메커니즘)
방전등 발광메커니즘
❗방전등 발광메커니즘.
- 방전등이란 루미네선스를 이용한 발광원리를 적용한 광원이며 루미네선스 발광에는 반드시 전기적 자극이 필요하다
- 방전등의 종류
- 저압방전램프 : 형광램프, 저압나트륨 램프
- 고압방전램프
- 고압수은 램프
- 고압나트륨램프
- 초고압 방전램프
1️⃣방전등 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
2️⃣방전등의 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
| 구분 | Glow방전 | Arc방전 |
|---|---|---|
| 기압 | 저기압 | 고기압 |
| 전류 | 소전류 | 고전류 |
| 전압 | 고전압 | 저전압 |
| 원리 | 전계전자 방출 | 열전자 방출 |
3️⃣적용법칙
1)페닝효과(Penning Effect)
페닝 효과는 두 종류의 기체가 혼합되어 있을 때, 한 종류의 기체가 낮은 에너지 상태의 여기 상태로 존재하면 다른 종류의 기체 원자와 충돌하여 이를 이온화시키는 현상을 말합니다. 즉, 두 종류의 기체가 함께 있을 때 더 쉽게 플라즈마가 생성되는 현상입니다.
페닝 효과가 일어나는 조건:
- 두 종류의 기체 혼합: 서로 다른 종류의 기체가 혼합되어 있어야 합니다.
- 낮은 에너지 상태의 여기 상태: 한 종류의 기체가 낮은 에너지 상태의 여기 상태로 존재해야 합니다.
- 충분한 충돌: 두 종류의 기체 원자 간 충돌이 충분히 일어나야 합니다.
페닝 효과의 활용:
- 플라즈마 디스플레이: PDP(Plasma Display Panel) 등 플라즈마 디스플레이에서 페닝 효과를 이용하여 낮은 전압에서 플라즈마를 생성합니다.
- 레이저: 일부 레이저에서 페닝 효과를 이용하여 레이저 작동을 돕습니다.
2)파센의 법칙(Paschen’s Law)
파센의 법칙은 기체 방전에서 방전 개시 전압과 기체 압력 및 전극 간 거리 사이의 관계를 설명하는 법칙입니다. 즉, 어떤 기체에서 방전이 일어나기 위해 필요한 전압은 기체의 압력과 전극 사이의 거리에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.
- II영역에서 방전개시에 필요한 전압(Vs)은 전극 간의 거리(d)와 방전관내부기압(p)에 비례한다는 법칙
- 방전개시전압
\[V=\frac{BPd}{ln[\frac{APd}{ln(\frac{1}{r}+1)}]}[V]∝kPd\]
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방전등 발광메커니즘
💯기출문제
○K29 파센의 법칙(Paschen’s Law)과 페닝효과(Penning Effect)에 대하여 설명하시오.
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🌐V1006P24
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