백열전구(Incandescent Lamp)의 종류 및 특성

백열전구(Incandescent Lamp)의 종류 및 특성

 

 

1. 백열전구의 역사

백열전구는 필라멘트에 전류를 흘려 높은 온도로 가열시켜 열방사를 이용한 광원으로서, 에디슨이 1879년에 진공 탄소필라멘트 전구를 실용화시킬 당시 발광효율이 1.4[lm/W], 수명은 40시간에 불과했으나, 1908년 쿨리지에 의한 텅스텐 인선방법 개발, 1910년 직선 텅스텐 필라멘트를 코일링하고 가스를 봉입한 가스든 전구의 개발에 의해 10[lm/W]에 도달한 이후 이중코일링화, 할로겐 전구의 등장 등 여러 가지로 개량되어 오고 있으나, 에너지 효율이 낮은 단점 때문에 최근 일반조명분야에서는 전구형 및 콤팩트 형광램프로 일부 대체되고 있다.

 

 

2. 원리 및 구조

1) 일반 백열전구(텅스텐 전구)

필라멘트로는 융점이 높고 증기압이 낮으며 복사효율이 좋은 재료를 사용하는데, 현재 텅스텐선을 이중으로 코일로 감은 이중코일형이 많이 사용되고 있다. 유리구는 투명인 것을 사용하거나 투광성이 좋은 백색도장막(실리카)이 도포된 것을 사용한다. 유리의 재질은 연질의 소다석회유리를 사용하거나 고출력 및 옥외용에는 경질의 붕규산유리를 사용한다. 점등 중에는 텅스텐의 증발에 따른 흑화가 진행되므로 증발을 억제하기 위해 20-30[W] 이하의 소출력의 경우를 제외하고는 아르곤, 크립톤과 같은 불활성 기체를 봉입하고 있다.

 

2) 할로겐전구

일반 텅스텐 전구는 점등 중에 필라멘트 표면으로부터 텅스텐 원자가 증발하여 유리구 내벽에 부착하는 흑화현상을 일으킴으로써 빛의 투과를 감소시킨다. 할로겐전구는 유리구안에 불활성 기체 외에 요드, 브롬, 염소 등의 할로겐 화합물을 미량 봉입한 것인데, 할로겐은 낮은 온도에서 텅스텐과 결합하고 높은 온도에서는 분해되는 성질이 있다. 이와 같은 성질에 기초한 할로겐 사이클에 따라 증발된 텅스텐을 필라멘트로 되돌리는 작용을 이용하여 유리구의 흑화를 줄이는 한편 필라멘트가 가늘어지는 것을 방지하여 광속이나 색온도 저하를 적게 하고 수명도 연장시킨 것이다. 흑화가 적으므로 유리구가 적어도 되며 체적이 일반 텅스텐 전구에 비하여 1/10 정도로 작아도 충분하다. 유리구 관벽의 온도는 텅스텐 할로겐 화합물이 부착되지 않도록 250∼850[℃]로 설계되므로 유리구는 종래의 전구보다 소형으로 하여 관벽부하를 높게 한다. 이 때문에 고온에 견딜 수 있는 석영유리가 주로 사용되지만 경질유리가 사용되기도 한다.

 

적외선반사막응용 할로겐 전구 및 다이크로익 미러부 할로겐전구 적외선 반사막을 석영유리구의 표면에 도포하여 할로겐 전구의 효율을 15∼30% 향상시키고 열선을 약 1/2 정도로 감소시킬 수 있다. 이 다층간섭막은 산화티탄(TiO2)과 같은 고굴절률의 금속산화물과 산화규소(SiO2)와 같은 저굴절률의 금속산화물로 구성된 것으로서, 가시광은 투과시키며 적외선은 반사시켜 필라멘트로 되돌려 주어 가열에너지로서 재이용시킨 것이다. 더 나아가 다이크로익 미러와 조합시킨 다이크로익 미러부 할로겐 전구는 피조면이 받는 열선이 1/5 정도로 감소된다.

한편, 다이크로익 미러 처리된 할로겐 전구는 가시광은 전면으로 반사하고 불필요한 열선인 적외선을 후방으로 80% 투과시킴으로써 복사열에 의한 피조물의 손상을 대폭 줄일 수 있다. 다이크로익 미러는 반사면에 굴절률이 높은 황화아연(ZnS) 또는 산화티탄(TiO2)과 저굴절률의 불화마그네슘(MgF2)을 교대로 하여 엷은 막으로 증착한 것으로 막의 두께와 층수를 조절하여 파장에 따른 반사특성을 조절시킨 것이다.

 

 

3. 백열전구의 종류

백열전구는 아주 다양한 형상과 크기를 갖는 전구가 사용 가능하며, 출력도 1/2[W]에서 1,500[W] 까지 다양한 것이 가능하다. 그러나 500[W] 이상의 고출력의 경우에는 일반 백열전구에 적합한 등기구가 많지 않으므로 방전램프를 사용하는 쪽이 실용적이다.

 

1) 일반 조명용 전구

주요 종류로는 백색 실리카 전구, 투명 전구, 백색 볼 전구, 반사형 전구 등이 있다. 에너지 절약효과를 고려하여 설계된 전구로서 도장막을 얇게 한 전구와 크립톤 전구 등이 있으며, 또한 네오디뮴 유리구를 사용하여 황색광을 적게하여 광색을 개선시킨 네오디뮴 전구 등이 있다.

 

2) 반사형 전구

유리구 내면에 알루미늄 또는 은을 증착시킨 반사면을 갖는 전구로서, 유리구의 형상에 따라 R형, PAR형 등이 있다. 발산각도에 따라 협각형은 스포트조명(spot lighting)에, 광각형은 투광조명(floodlighting)에 이용되고 있다.

 

2-1) R형 램프

포물면 형상의 반사면을 갖는 것으로서, 거의 평탄하고 매우 폭넓은 배광을 가지므로 스포트형은 MR 또는 PAR 만큼 제어가 못하다. 표준전압용과 저전압용이 가능하다. 이 램프는 외구에 연질유리를, 베이스에는 알루미늄을 사용하므로, 물에 노출될 경에는 밀폐 등기구를 사용할 필요가 있다. 일반적으로 깨지기 쉬우므로 PAR형 만큼 널리 사용되지는 않는다.

 

PAR형 램프의 종류와 주요 특징

2-2) PAR(Parabolic Aluminized Reflector)형은 일명 빔전구라고 불리우는 것으로, 반사면과 전면 렌즈를 용착시켜 우수한 집광성을 얻도록 한 것이다. 렌즈 전면 유리구의 내면에 투광성 적외선 반사막을 설치하거나 반사면에 다층 간섭막을 입혀서 열선의 전면 방출을 감소시킨 것도 있다.

이 램프에는 다양한 크기의 것으로 표준전압용과 저전압용이 있는데, 저전압용으로 PAR36이, 표준전압용으로는 PAR20, PAR30, PAR38, PAR46, PAR56, PAR64 등이 사용되고 있다. 또한, 모든 유리는 개방 등기구에 있어서도 비, 눈 등에 따른 온도차에 의한 열충격에 견딜 수 있도록 내열유리를 채용하고 있다. 그러나 일부 램프, 특히 소형인 경우에는 베이스의 공기 구멍을 통한 수분의 유입에 의해 부식되기 쉬우므로, 장기적인 성능 보장을 위해서는 모든 PAR 램프를 밀폐 등기구에 넣어 사용하는 것이 현명하다.

 

3) 장식용 전구

조명에 액센트를 주기 위해 조명도 겸한 전구로서, 샹델리아용 전구, 초소형 전구 등이 있다.

 

4) 할로겐 전구

점포 등의 스포라이트나 홀, 복도의 다운라이트에 사용되는 일반 조명용은 주로 편구금형이며, 점등방향은 자유롭다. 또한 12[V] 저전압용은 필라멘트가 더욱 소형으로 되어 스포트라이트를 더욱 강조할 수 있다. 한편, 투광형은 주로 양구금형이며 수평으로 점등하는 것이 원칙이다.

 

4-1) MR형 램프

반사면이 여러개의 작은 면으로 이루어져 소형 램프를 둘러 싸고 있는 형식으로서, 같은 크기의 램프라도 반사면에 따라 다양한 빔 발산각과 출력을 선택할 수 있다. 램프의 크기가 작아 등기구 크기를 줄일 수 있으므로 설치 공간이 좁은 경우에 적합하다. 모든 MR형은 할로겐 전구로서 일반조명용 전구에 비해 광속이 개선되며 나무 등 물체의 색을 강조한다.

대부분의 MR형 램프는 저전압용으로서 주로 전시조명이나 경관조명에 사용되는 것들이고, MR16과 MR11의 두 종류가 사용된다. 이 중 널리 사용되고 있는 MR16은 20, 35, 42, 50, 75[W] 의 출력과, 각 출력에 대해 적어도 12°, 24∼28°, 36°등 세 빔발산각이 가능하는 등 선택폭이 다양하여 다양한 경관조명에 이용되고 있다. MR11은 20, 35[W]가 가능하나 등기구 크기와 열방출 문제로 인해 옥외용으로는 20[W]만 사용되고 있다. 이것은 보다 더 적은 공간에 설치할 수 있다.

 

 

4. 백열전구의 특성

1) 에너지 특성

전구에 투입되는 전력은 그 일부가 유리구나 베이스에 흡수되거나, 봉입기체나 열전도 등으로 소비된 나머지가 복사의 형태로 방출된다. 이 복사에너지에는 가시광선 및 적외선 복사가 포함되어 있으며, 이 중 대부분이 열선인 적외선 복사가 차지한다.

 

2) 램프 효율과 수명

램프 효율 및 수명은 필라멘트 등의 설계에 따라 결정되는데, 이 둘 사이에는 필라멘트 온도가 높아질수록 효율은 높아지나 수명은 짧아지는 반비례의 관계가 있다. 일반 조명용 전구의 효율은 100[W] 전구의 경우 15.2[lm/W], 정격수명 1,000시간이다. 볼전구의 경우에는 효율을 약간 낮추되 정격수명을 2,000시간으로 하고 있다. 그러나 할로겐 전구는 효율을 약 10∼20% 높게 하는 것 외에도 정격수명을 1,500∼2,000 시간으로 설계하고 있다.

 

3) 수명 및 광속유지율

수명은 필라멘트 온도가 높아지는 것 외에도 점멸이 잦으면 초기돌입전류의 영향으로 짧아지게 된다. 점멸조건에 따라 다르지만 수 초의 점멸사이클에서는 연속점등하는 경우에 비해 수명이 약 1/2로 짧아진다. 한편 광속유지율은 일반적으로 양호하고, 할로겐 전구의 경우는 할로겐 사이클에 의해 더욱 우수하게 된다.

 

4) 광원색 및 연색성

일반조명용 전구의 색온도는 약 2,850[K] 정도인데 비해, 할로겐 전구는 2,900[K] 이상으로 설계되므로 광색은 보다 좋아진다. 분광분포는 연속 스펙트럼이므로 연색성이 극히 우수하며, 특히 인간의 피부색을 잘 나타낼 수 있다.

 

5) 전압특성 및 조광

전원전압의 변동에 따라 램프특성은 영향을 크게 받는다. 전압 5% 변화에 대해, 광속 15∼20%, 수명은 1.5∼2 배로 변화한다. 연속적인 조광이 가능하며, 전원전압을 변동시켜 전류를 제어하는 진폭제어나 전류도통시간을 조절하는 위상제어 방식이 사용되고 있다. 50% 조광을 실시할 경우 소비전력은 약 70% 정도이다.

 

6) 기타특성

할로겐전구도 포함해서 백열전구를 사용하는 조명기구에서는 램프의 정격전압이 전원전압과 잘 합치돼 이어야 한다. 램프의 정격전압보다 전원전압이 높으면 램프자체의 전압에 대한 특성 혹운 기구내온도의 과대한 상승 때문에 램프수명은 현저히 높아지며, 이 상태가 계속되면 플라스틱 같은 조명기구의 재료가 변형•변질하거나 혹은 전기적 절연성이 노화 되거나 해서 심지어는 위험한 상태를 초래한다. 또 그 조명기구에 지정된 품종 이외의 램프나 지정보다 큰 와트의 램프를 단지 꼭지쇠가 맞는다는 점에서 장착한 경우도 마찬가지다.

램프의 정격전압보다 전원전압이 낮은 경우에는 램프의 수명은 길어지지만 효율은 크게 저하되며, 따라서 에너지와 전력비의 낭비를 초래하는 점과 소요의 조도를 얻기 위해 조명기구의 수를 증가시켜야 하는 등 극히 불경제적인 조명 설비가 된다.

조명회로가 다른 전기기계기구의 전원회로와 공통일 경우에는 기게의 종류에 따라 절단기 펄스전압이 발생할 때가 있다면 조건에 따라서는 램프의 주입가스내에서 방전이 일아나 순시에 대전류가 흘러 램프를 파손하거나 브레이커 작동하는 수가 있으므로 회로를 분리하여 설치한다.