형광등(Fluorescent Light)의 원리 / LAMP의 종류

형광등(Fluorescent Light)의 원리 /  LAMP의 종류

 

1. 형광등의 역사

형광램프는 1938년 GE社의 인만(Inman)에 의해 개발되어 지금까지 이르고 있으며, 옥내조명의 주광원으로서 효율 및 연색성의 개선에 많은 노력이 이루어져 왔다. 그동안 백열전구에 비해 고효율, 장수명인 까닭에 일반 조명이외의 산업, 의료, 농수산 분야에도 널리 이용되어 왔다. 최근에는 에너지 절약과 소형화의 요구에 따라 전구형 및 컴팩트형 램프가 개발되어, 전자는 백열전구 대체용으로, 후자는 형광램프의 길이를 1/3 이상 줄이는 데 공헌하고 있다. 이와 함께 3파장발광형 램프의 개발에 따라 소형경량화, 고효율화, 고연색화가 이루어지고 있다. 또한, 전자식 안정기와 조합하여 고주파점등에 의해 시스템 종합효율이 100[lm/W]까지 달성되고 있다.

 

 

2. 형광등의 구조

형광램프는 기체방전등의 일종으로, 저압기체방전을 이용하여 수은원자에 고유한 자외선을 발생시키고 이를 유리관내에 도포되어 있는 형광체에 조사하여 형광체를 여기시켜 가시광의 발광을 일으키도록 한 것이다. 형광램프는 유리관의 내벽에 형광체가 도포되어 있고 양단에 텅스텐 전극이 부착된 구조로 되어 있다. 전극에는 에미터라고 부르는 전자방출물질이 충진되어 있으며, 유리관내에는 적정량의 수은과 2∼4[torr] 정도 아르곤 등의 불활성기체가 봉입되어 있다.

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①유리관

방전관(또는 발광관)으로서 내벽에 형광체가 도포되어 있으며 방전기체와 전극을 보호한다. 보통 소다석회유리 또는 납유리와 같은 연질 유리가 사용된다. 크기는 램프의 출력에 따라 다르며 형상도 여러 가지가 있다. 일반적으로 직관 및 환형의 경우에 관경은 25~38[mm]정도이다.

 

②전극

2중코일 또는 3중코일의 텅스텐 전극으로 되어 있으며, 코일에는 바륨 또는 스트론튬 등의 산화물로 된 에미터가 충전되어 있다. 이 에미터가 전부 비산증발하여 소모되면 형광등은 점등되지 않는다.

 

③베이스

형광램프를 등기구의 소켓에 부착시켜 전원에 접속하기 위한 부분이다.

 

④형광체

유리관내에서 발생하는 자외선을 흡수하여 가시광으로 변환시키는 역할을 하며, 형광체의 종류에 따라 여러 가지의 광색을 얻을 수 있다.

 

⑤봉입기체

유리관내에는 수은과 아르곤 등의 불활성기체가 봉입되어 있다. 이 중 수은은 직접 여기 또는 전리되어 방전에 참여하는 반면, 불활성기체는 완충기체로서 방전개시를 용이하게 하고 전극의 수명을 증가시키며 램프의 발광효율을 향상시키기 위한 것이다.

 

 

3. 형광램프의 종류

1) 점등방식에 따른 분류

2) 전력에 따른 분류

3) 형상에 따른 분류

4) 광원색(광색)에 따른 분류

5) 연색성에 따른 분류

 

1) 광색에 따른 형광램프의 분류

 

2) 연색성에 따른 형광램프의 분류

 

 

4. 형광등 발광의 원리

형광램프의 점등시에는 전극에 전류를 흘려 충분히 예열시키고 에미터로부터 열전자가 방출되면 양 전극사이에 전압을 인가하여 점등(방전)시킨다. 점등이 되어 발광관내에 기체방전이 일어나면 수은의 공진선 및 여기준위에 해당하는 자외선과 소량의 가시광이 방사된다. 이때 방사되는 자외선을 형광램프 관벽에 도포되어 있는 형광체에 조사하고 여기시켜 가시광으로 변환시킨다. (그림참조).

형광체의 변환감도는 입사광의 파장에 따라 다르며 이 변환감도를 양자효율이라고 한다. 램프의 발광효율을 높이기 위해서는 발광관내의 방전조건을 변화기켜 양자효율이 가장 큰 파장이 가장 많이 방사되도록 하는 한편 입사되는 파장이 변환되는 가시광의 파장에 가깝도록 하여 열로 소비되는 에너지를 최소한 줄여야 한다. 따라서, 방사 파장이 가시광의 파장에 가까운 수은의 253.7[nm]의 공진선을 이용하면서 이 공진선의 방사를 최대로 하기 위해 발광관내의 수은증기압 및 전류밀도를 낮게 유지하도록 한다.

 

발광관내의 수은증기압이 낮으면 전자와 수은원자와의 충돌회수가 적게 되어 수은 원자가 여기될 확률이 낮아지므로 아르곤이나 네온과 같은 불활성기체를 첨가하여 전자와 수은원자와의 충돌을 돕도록 한다. 아울러, 이들 기체의 혼합으로 방전개시전압을 낮출 수 있는 효과도 함께 얻을 수 있다.

발광관내의 전류밀도를 낮게 유지할 수 있도록 발광관의 직경이 다른 방전등에 비해 크게 되지만, 너무 크게 할 경우 관벽온도가 낮아져 수은증기압이 아주 낮아지게 되어 광속이 저하된다. 반면, 발광관의 직경을 줄일 경우 관벽에서의 에너지손실과 수은 증기압이 높아지는 문제와 함께 발광관내의 전류밀도를 낮게 유지하기 위한 대책이 뒤따라야 한다. 후자와 경우 발광관내의 봉입기체를 아르곤 대신 크립톤으로 일부 또는 전부 대치하여 해결하고자 하는 연구가 계속되고 있으며 절전형 형광램프의 중요한 과제로 되어 있다.

형광램프에서는 가시광을 방사하는 과정에서 여러 가지 손실이발생하며, 주요 손실로는 형과체에 의해 자외선이 가시광으로 변환되는 과정에서 발생하는 손실, 기체원자의 전도에 의한 손실, 그리고 전극손실 등을 들 수 있다. 이들 손실을 고려한 현광램프의 에너지 배분표를 그림Ⅲ.3에 나타낸다. 이 경우 40[w]의 입력에서 약 25[%]인 10[W]정도가 최종적으로 가시광으로 방사되고 발생되는 광속은 약 3,000[lm]으로서, 형광램프의 발광효율은 80[lm/W]정도에 달한다.

 

 

5. 형광램프의 점등회로

1) 스타터 회로

스위치가 투입되어 점등하기까지의 시간은 글로우스타터의 경우 수 초, 전자 스타터의 경우는 1초 이내로 점등한다. 글로우스타터는 E형과 P형이 있고, 그 중 P형은 정전용량 0.006∼0.01μF의 잡음방지용 커패시터가 내장되어 있다. 최근에 시동시간을 단축시키기 위한 전자스타터가 개발되어 사용되고 있다.

 

2) 래피드스타트 회로

전원전압이 인가되면 전극 필라멘트 가열용 회로를 통해 램프 양단의 필라멘트에 전류가 흐르고 동시에 램프의 양단에 전원전압이 인가되어 유기전압을 발생한다. 필라멘트가 가열되어 전자가 방출되면 시동보조장치인 근접도체와 필라멘트 사이에 미소전류가 흘러 반대편 전극에 도달할 때 주방전으로 이행된다. 시동보조장치는 일반적으로 램프의 내부에 설치되어 있는 투명 도전막이 그 역할을 하지만, 기구가 근접도체로서 대용되는 형식도 있다. (/A 표시 램프) 이 점등회로에서는 스타터형 램프는 점등되지 않는다. 점등회로의 종류로서, 자기누설변압기형, 리드피크형 고역률, 2등용 직렬축차시동(씨리즈 시퀀스 스타트)형, 공진형 고역률 등이 있다.

 

3) 고주파 점등회로

교류전압을 정류 평활화한 직류전압을 인버터로 고주파(20∼70kHz)로 변환하여 고주파점등하는 방식이다. 이 방식은 일반 자기식 안정기에 비해, 저극, 점등회로 등의 전력손실이 적고, 효율이 좋으며, 소형경량화가 가능하며, 즉시점등(약 1초), 어른거림이 적은 등의 장점이 있다.

 

4) 조광용 점등회로

조광은 램프전류를 제어하여 이루는데, 진폭제어방식과 위상제어방식이 있다. 백열전구에서는 인가전압을 낮게 하여 전류의 진폭을 제어하는 전자의 방식이 많으나, 형광램프에서는 위상제어방식이 알맞다. 이 방식은 싸이리스터를 사용하여 램프에 흐르는 전류의 도통위상각을 제어하므로, 점등유지를 위한 안가전압을 낮추지 않고 램프전류가 제어될 수 있다. 위상제어방식은 소형으로 제어가 간단하고, 100%에서 0% 가까이 까지 연속조광이 가능하다. 조광형 램프는 래피드스타트형이다.

전구형 형광램프를 진폭제어방식의 백열전구용 조광기로 조광하면 부점등 또는 점등되어도 방전이 불안정하게 되어 단수명의 원인이 된다

 

 

6. 형광램프의 특성

1) 효율

형광램프의 효율은, 종류, 소비전력(와트) 등에 따라 다르지만, 램프효율은 50∼100[lm/W]로, 램프입력에 대한 가시광변환효율이 약 25%이다. 또한, 점등회로에 따라서도 변한다. 점등회로의 전력손실은 입력전력에 대하여 자기회로에서는 약 20%, 고주파점등 등의 전자회로에서는 약 10%이다.

 

2) 수명과 광속유지율

형광램프의 수명은 점등되지 않거나, 광속이 규정치(초기치의 70%, 고연색형은 60%)로 낮아질 때까지의 시간 중 짧은 쪽을 말한다. 정격수명이란 규정된 점등조건, 점등회로를 사용하여, 1회의 점등시간을 3시간, 그 사이의 소등시간을 10분으로 하여 반복 점등한 경우에 다수의 램프의 수명시간을 평균한 값에 기초하여 공표하는 것으로 되어 있다.

 

a) 램프의 점멸회수와 수명 : 점등, 소등을 빈번하게 반복하면 에미터가 비산하게 되어, 램프의 수명이 현저하게 낮아진다. 역으로 점멸되면 길어진다.

b) 전원전압 변동과 수명 : 형광램프 전극의 필라멘트에 도포된 전자방출물질(에미터)가 소모되면 램프는 점등되지 않는다. 전원전압이 변동하면, 에미터의 최적온도로부터 벗어나므로 증발 또는 비산되어 소모가 크게 되고 수명이 단축된다.

c) 광속유지율 : 점등에 수반하여 램프의 내부에 도포된 형광물질이 자외방사 및 온도 등에 따라서 열화되므로 광속은 서서이 낮아진다. 초기치는 100시간 점등시의 광속으로 한다.

d) 외관변화 : 점등시간과 함께, 유리관 양단의 전극부근이 흑화 또는 형광막이 변색된다. 유리관 양단의 전극 부근에 스포트상으로 검게 되는 흑화(애노드 스포트)는 장시간 점등된 램프에 일어나고 수명 말기에 가까워진 것이다. 엔드밴드는 구금으로부터 수 [cm] 위치에서 중앙부에 걸쳐서 발생되며, 흑갈색 고리상의 흑화현상으로서, 장시간 점등 후에 발생하는 것이다. 수명, 밝기에 영향은 거의 없다. 유리관 내벽에 도전피막을 설치한 래피드스타트형 램프의 경우, 점등함에 따라 중앙부분에 황색으로 변색되고 반점상의 것이 발생하는 것이 있다. 중앙부의 아래측 및 냉풍이 닿는 곳에 발생한다. 내면도전피막과 형광막의 사이에 보호막을 설치하거나 수은을 정량 봉입함에 따라 이들 변색은 줄어든다.

 

3) 주위온도에 따른 영향

형광램프는 주위온도가 변하면, 램프 내부의 수은증기압도 변하므로, 램프의 전기적 특성이 변화한다. 램프광속은 주위온도가 약 25[℃] 일 때 최대가 되도록 설계되어 있으므로 이 온도보다도 높거나 낮아지면 밝기가 낮아진다. 관의 최냉부온도가 40[℃] 이상으로 되는 램프(전구형 등)에서는 수은 아말감을 사용한 것이 있다. 저온에서는 광속이 저하하는 것외에, 점등시에 10[℃] 이하가 되면, 수은증기압이 낮게 되어 방전개시가 곤란해진다. 또한 방전이 불안정하게 된다. 일반적으로 주위온도 5∼40[℃], 성전력설계된 램프는 10∼40[℃]의 범위에서 사용이 권장된다.

 

4) 전압변동특성

백열전구에 비해 특성 변동이 적으나, 그러나 전압이 낮아지면, 시동이 곤란하게 되고 방전이 불안정해지는 수가 있다.

 

5) 빛의 어른거림

형광램프를 교류에서 점등하면, 반 싸이클마다 광속이 변화한다. 따라서 전원주파수가 60[Hz]인 경우는 1초간에 120회의 광속이 변한다. 일반 조명에서 육안으로는 거의 느낄 수 없으나, 고속 운동하고 있는 물체를 조사하면 스트로보 현상이 나타난다. 플리커없는 점등회로나 고조파회로에서 점등하면 어른거림을 아주 적게 할 수 있다. 또한, 전원전압 파형이 찌그러지거나, 전원전압이 낮거나, 주변온도가 낮은 경우는 방전이 불안정하게 되어 어른거림이 발생하는 수가 있다.

 

6) 기타특성

형광등기구의 경우 전원전압 및 주파수와 정확히 맞는 안정기가 조명기구에 넣어져 있든가 혹은 정확한 외부안정기와 접속되어 있어야 한다.

전원변동에 의한 램프수명의 열화나 램프발열의 변동은 백열전구의 경우만큼 크지는 않으나 역시 램프수명은 열화되며, 램프전류의 증기에 의해 램프의 온도가 최상점을 넘으면 램프내부의 수은증기압이 지나치게 높아져 효율의 저하를 초래한다. 동시에 램프전류의 증가에 따라 안정기가 이상온도상승한다.

안정기의 발열이 기구내의 온도를 상승시키면 램프의 효율은 더한층 저하되고 또 안정기의 수명도 열화된다. 전원전압의 상승이 심하면 안정기의 소손이나 부속 콘덴서의 파괴를 일이킬 때가 있다.

전원전압이 안정기의 정격정압보다 낮은 경우는 주위온도가 조금 저하해도 램프의 기동이 곤란해지면, 대개의 경우 램프의 효율•출력의 저하를 초래한다. 어느 정도의 전원전압변동은 피할 수 없는 경우에는 전원전압변동에 의한 램프동작의 변동을 비교적 작게 하게끔 설계된 정전력형안정기를 이용하는 것도 하나의 방법이다.

안정기의 정격주파수를 잘못 사용했을 때는 다음과 같은 영향이 있다. 50Hz 지구에서 60Hz용 안정기를 사용하면 전압이 상승했을 때와 같은 현상이 일어난다. 어느 경우도 품질이 좋은 안정기라면 정상상태에서 곧 사고가 일어나는 일은 적지만 전원전압이나 주위 온도가 변동했을 때는 영향이 상승되므로 위험을 초래하기 쉽다.

램프의 시동방식에는 글로우스타터나 수동스위치에 의한 스위치스타터방식, 래피드스타아트방식, 전작스타아트 방식이 있다.

형광램프를 조광할 수 있는 조광용안전기(전용의 조광기를 조합해서 쓴다)가 있고 극장내부조명, 무대조명등에 쓰이는 외에 낮에 이용되는 시설에서 옥외주광과 그 인공조명의 맬런스조절을 위해서 신규설비시의 잉여조도의 조정등에도 이용되고 있다.

안정기는 다른 전자기기류와 마찬가지로 철심과 권선이 주체가 되어 구성되어 있으므로 용도에 따라서는 약간의 힘이 장해가 되는 수도 있다. 또 이것이 안정기를 부착한 구조체나 조명기구의 공명에 의해 소리가 커질 때가 있다. 따라서 안정기의 부착위치나 부착구조에 유의함과 동시에 특히조용한 장소에서는 안정기나 조명기구의 시방에 특별한 지정 하든가 또는 영향을 미치지 않는 장소에 안정기를 설치한다.

 

 

7. 형광등의 원리

스위치를 작동하면 형광등 양 끝의 음극이 가열되고 이 열에 의해 전자가 발생되며 이 전자는 전구 내부에서 기화된 수은 원자와 충돌하여 사람의 눈에는 보이지 않는 자외선을 방출한다.

방출된 이 자외선은 형광 물질이 도포된 전구 벽에 반사되어 전구 내부의 형광 물질을 통해 가시광선으로 바뀌어 밝은 빛을 발산하게 된다

 

1) 전구식 삼파장 형광램프의 원리

일반 형광램프와 같지만 안정기, 스위치트랜지스터, 콘덴서, 냉각판 등이 전구속에 내장되어져있어서

크기가 작고 기존 형광등의 단점이던 깜박거림.잡음 등을 해소 시켰다는 것이다

효율이 좋고, 밝고, 연색성이 뛰어나고 수명이 6,000 ~ 10,000 시간정도로 길다고 한다

기존의 백열램프와 같이 교체가 쉬워 근래에 많이 백열램프 대용으로 사용되고 있다

 

2) 삼파장전구의 정식 명칭

예전에는 "전구식 형광등기구"였는데 3-4년전에 "안정기내장형램프"로 바뀌었다.

영어로는 Energy Saving Lamp이다.

형광등의 일종으로 전구(램프)의 유리관을 일자형 형광등에서 U자형으로가늘게 만들고, 안정기를 전자식으로 바꿈으로서 종전에 형광등이 깜박거리며 켜지던 것을 순간 점등으로 바뀌게 되었다.

기계식 안정기의 단점이 초기 점등시 전압상승으로 인하여 전기소모가 크던것을 전기소모를 줄이게 되었다. 전자식안정기는 전기소모를 줄이고 순간점 등등 자점이 많으나 가격이 비싼 흠이 있다.

전자식 안정기의 구조는 인버터의 구조와 같아, 정류파를 만들어 트랜지스터와 트랜스등을 거쳐 고압정류팔르 만드는 방법을 사용한다.

 

3) 형광등의 구분

① 안정기에 따라 기계식, 전자식으로 나누고,

② 유리관의 종류에 따라, 1U, 2U, 3U, Spiral(아이스크림형태)등으로 나눈다.

③ 전력소모에 따라, 5W, 11W, 15W, 20W, 26W, 36W등이 있고,

④ 전구색상은 주광색, 주백색, 전구색의 색상이있고, 적색, 청색, 노랑색등 형광물질에 따라 다양한 색상의 램프가 나온다.

⑤ 현재는 이 램프의 경우 기계식 안정기를 더이상 생산하는 곳이 없다.

⑥ 소켓이 백열등의 소켓(E26, E27)에 그대로 사용할 수 있어 전구형 형광등 기구라 했다.소켓안에 안정기를 집어 넣어 안정기 내장형램프라고 한다.

 

4) 형광등의 특징

20와트형 안정기내장형램프의 조도(밝기)가 100와트의 백열등과 같아 같은 전력을 소비하면서 조도가 같으므로 백열등의 5분의1만 전력을 소모 하므로 에너지 절약형전구라 한다.

기계식형광등과 달리 순간점등이 가능하며, 백열등을 대체할수 있어 사용에 편리하며, 최근에는 가격도 무척 저렴해 졌다. 5-6년전에는 개당 1만원 이 넘었으나, 요즘은 3,000원선에도 구입이 가능하다.

 

수명은 고급제품이 약 5년, 일반제품은 1-2년의 수명을 유지가능하다.

유리제품이라 유리를 손으로 잡고 돌리면 고장의 원인이 된다.

반드시 안정기가 들어있는 프라스틱부분을 잡고 사용한다.

 

형광등내에 적, 청, 녹의 3가지 형광물질을 넣어 3가지의 파장이 섞여 자연광에 가까운 빛을 내도록 하여 눈을 보호하고, 부드러운 빛을 내도록 고안 된다. 물론 일자형 형광등에도 3파장형광물질을 넣은 것이 시판되고 있어요. 단파장램프보다 비싸다.

 

5) 형광등의 제조업체

오스람이 원래 특허를 보유한 최초의 제조업체이지만, 현재는 세계의 모든 전구업체가 이 삼파장 램프를 생산한다.

삼파장램프에 쓰이는 유리관은 특히 중국이 가장 많이 생산하여 세계 삼파장 램프업체들에 공급한다.

근래는 완제품도 가장 많이 만드는 국가가 되었다. 국내에서는 한국오스람 금호전기, 금동조명, 우리조명, 정우, 기림(032-342-4792), 나래전기(032-502-0652), 남영전구, 대성전기((032-815-1741-2), (주)쌍사(032-542-3137)등 100여개가 넘는다. 월간 200만개정도를 생산한다. 요즘은 중국과의 가격경쟁 때문에 중국에서 OEM으로 생산하여 오는 경우가 많이 있다.

 

 

8. 형광등의 구성

형광등은 '형광방전관', '글로램프', '안정기'의 3부분으로 구성되어 있다.

 

1) 형광방전관

방전관 안에 넣어지는 가스의 종류에 따라 우리는 직접 방사되는 빛을 보게 되거나 램프 내부에 도포되어 있는 발광물질에 의해 자외선이 빛으로 전환된 빛을 보게된다. 다시말해 형광램프는 한쪽의 텅스텐 와이어 전극봉에서 다른 한쪽으로 전자가 방출되고 이 전자가 튜브내의 수은 원자와 충돌하여 자외선을 방출한다. 이 자외선이 램프벽에 도포된 형광물질에 부딪히면서 빛을 방출하게 된다.

 

2) 안정기

안정기는 이 전류 증가를 방지하는 역할을 하고 있으며, 장기적으로 안정된 방전을 안정기는 램프 전류를 제한하여 방전의 안정성을 확보하는 것과 램프의 시도를 보조하는 역할을 한다.

형광램프에 가해지는 램프전압은 램프전류가 증가하면 반대로 감소 한다는 성질을 가지고 있다.

이러한 부하를 단독으로 전원에 접속하면 전류가 무제한으로 증가하여 결국에는 형광램프가 파괴되어 버리고 만다.

 

3) 글로램프

전원 스위치를 넣으면 전원 전압은 점등관(글로램프)에 즉시 걸린다. 점등관은 유리관속에 고정전극과 바이메탈로 가동전극(可動電極)을 부착해 놓고 아르곤 가스를 넣어 밀봉한 구조로 되어 있다. 스위치를 켜면 점등관의 전극 갭에 방전이일어나 바이메탈이 가열되어 늘어나 고정전극과 접촉한다. 거기서 비로소 형광등에는 폐회로(閉回路)가 구성되어, 방전관인 필라멘트에 전류가 흘러 가열된다.

 

4) 콘덴서

점등관과 병렬로 콘덴서가 들어 있는데, 이것은 점등관의 점멸에 의한 잡음전파를 방지하기 위한 것. 콘덴서는 라디오나 텔레비젼에서 잡음이 발생하는 것을 방지하기 위해 고주파 전류를 흡수하는 역할을 하고 있다.

 

5) 시동 보조 장치 구조

 

 

9. 형광램프의 광색/연색성 기호표기

*.국제 색상기호에서 첫째자리 숫자는 연색성을 나타냄.

8 = 연색지수 1B (Ra 80∼89) 9 = 연색지수 1A (Ra 90∼100)

*.다음 두 자리 숫자는 광색/색온도를 나타냄(국제색상기호)

예시) FLR40EXD/A (EX : 삼파장 D : DAY LIGHT A : 유리 외관도전처리)

FL32SSEX-W/A (S : 슬림형 SS : 슬림형보다 관경이 작은 것 W : 백색)

 

 

10. 형광램프의 광색 / 연색성 및 특징

 

 

11. 램프의 종류

 

 

12. 형광램프의 용량

광원색 (대표색상) :EX-D(주광색)/6500K,EX-W(주백색)/5000K,EX-L(전구색)/2700K (램프사 마다 색온도의 차가 있으며 표기치도 틀리며 표현하는 방식이 틀릴수 있음.)