무전극 방전등 일반사항

무전극 방전등 일반사항

가. 개요

최근 전자회로를 이용하여 점등회로의 절전화 및 소형 경량화가 급속히 이루어지고 있는 가운데 방전등 측면에서의 연구도 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서 대표적인 것을 광원의 소형화를 예로 들 수 있을 것이다. 그러나 compact한 형광등 또는 전구식 형광등이 기존의 백열전구를 대체해가고 있으나 수명 및 효율 등의 측면에서 아직도 개선의 여지가 많으므로 그것의 성능을 개선해 나아감과 동시에 또다른 광원의 가능성을 노력을 아끼지 않아야 할 것이다. 특히 방전등의 전극은 에너지 손실원이며 제조하기가 까다롭고 점등실패의 결정적인 원인이 되는 등 전극으로 인해 여러 가지 문제가 발생된다. 따라서 무전극 방전을 이용할 경우에는 이러한 문제가 해결되므로 수명의 측면에서 보면 무전극 방전등만큼 확실한 해결책이 된다.

나. 본론

1. 무전극 방전등의 원리

RF방전 및 마이크로파 방전을 이용한 무전극 램프에 관하여 설명한다.

1-1. RF(고주파)방전의 방전기구 및 특성

기체 방전관에 교류전압을 인가한 경우 기체의 압력 및 종류에 따라 크게 다르지만 일반적으로 수십 KHz이하의 주파수에서는 방전기구가 본질적으로 직류방전의 것과 같다고 볼 수 있다. 이때 전극이 방전관 내부에 존재하는 경우에는 이온이 음극에 충돌하여 일어나는 2차전자 방출이 지배적이다. 즉, 방전관 중의 기체가 이온화됨에 따라 전자와 함께 생성된 이온이 전계에 의해 가속되고 음극과 충돌하여 음극으로부터 2차 전계를 방출시킨다. 이것을 감마효과라고 부르는데 이와같은 음극에서의 이온충돌에 의한 2차 전자의 생성은 DC글로우 방전을 안정하게 유지하는데 필수적인 요소이다.아크방전의 경우에는 전극을 가열하여 열전자를 방출시킴으로서 방전을 유지하는데 필요한 전자를 공급하고 있다. 따라서 DC방전의 경우 전극이 방전관의 내부에 위치하여 이온과 전극과의 직접적인 충돌이 가능하도록 하거나 열전자를 충분히 방출할 수 있어야 한다. 그러나 주파수가 증가하면 방전관 중에 남아 있는 이온이 전계의 변화를 따라가지 못하므로 방전개시전압이 상승하고 경우에 따라서는 직류방전의 경우의 수배에 달하기도 한다.
그러나 MHz 이상의 보다 높은 주파수 영역에서는 교류전계에 의한 전자의 왕복운동이 충돌전리를 빈번하게 일으켜 용이하게 방전을 유지할 수 있게 된다. 이 경우 방전개시전압은 낮아지고 또한 전극이 불필요한 무전극 방전이 가능하게 된다.
이러한 고주파방전의 특징은 비교적 고압방전(~10⁴Pa)에서도 안정하고 동시에 공간적으로 균일한 플라즈마를 얻을 수 있으며 특히 전극재료 등의 불순물의 혼입을 막을 수 있는 장점이 있다. 다만, 전원과 플라즈마 사이의 결합이 전극 아크에 비해 비효율적인 단점이 있다.
고주파 방전은 방전을 유지하기 위해 전원과 용량적 또는 유도적으로 결합되며 각각 용량적 결합방전(Capacitively coupled discharge)과 유도적 결합방전(inductively coupled discharge)이라 일컫는다

결합방식

특징

용량적 결합방전

주파수가 수십KHz~수십MHz 사이인 RF전원을 평행판 전극 사이에 가할 때 전극 사이에서 형성되는 전장에 의해 기체가 이온화되고 방전이 유지되는 경우이며 이러한 이유로 E-discharge라고도 한다.

이 방법은 변위전류(displacement current)에 의해 가열이 되므로 유도적 결합방전에 비해 사용주파수가 높아야 한다. 이 방전은 저밀도의 글로우 방전에 해당되며 방전중의 플라즈마는 기능성 박막이나 반도체 표면의 미세패턴을 만드는데 사용되고 있다.

유도적 결합방전

반응로 주변에 감겨진 코일에 고주파를 가하면 코일에 흐르는 전류에 의해 축방향의 교번자계가 형성되고 이것에 의해 플라즈마 중에 환형의 전류가 유도되어 에너지가 공급되는 방식으로 H-discharge라고 한다. E-discharge에 비해 발생되는 플라즈마는 보다 고밀도의 아크와 비슷한 성질을 가지며 유도아크 또는 무전극아크라고 부르기도 한다.

H-discharge의 최대 장점은 플라즈마와 직접 접촉하는 전극이 없으므로 전극재료로부터의 오염이 없을 뿐 아니라 사용가스에 따라 산화,환원 및 부식성의 분위기를 자유롭게 만들어줄 수 있다는 데 있다. 이와같은 이유로 플라즈마 화학을 이용한 고순도의 물질의 합성 및 처리에 요구되는 청정플라즈마의 발생에 적합하며, 고온의 화학반을을 통한 신물질·신소재의 합성 등에 효과적으로 이용될 수 있다.

1-2. 마이크로파 방전의 방전기구 및 특성

일반적으로 마이크로파 방전의 조건(E=200V/㎝, f = 2.5㎓)하에서 전자가 고주파 전장속에서 중성원자와의 충돌없이 조화운동을 한다고 가정하여 계산한 전자의 평균 운동에너지는 중성원자를 이온화하기에는 아주 작은 값에 불과하다. 이 때무에 방전을 지속함에 있어서 필수적인 중성원자의 이온화가 다른 방전기구에 의해 일어나리라는 점을 알 수 있다.

즉, 전자가 중성원자와 충돌할 때 잃어 버리는 에너지는 아주 작은 반면 이 충돌에 의해 전자의 조화운동과 마이크로파 전장 사이의 위상관계가 깨어져 전자가 전장의 방향이 바뀌는 다음 반주기 동안에도 계속 에너지를 흡수할 수 있도록 한다면 일부의 전자는 중성원자를 이온화하기에 충분한 에너지를 확보할 수 있으리라 생각된다. 따라서 그림에서 부는 바와 같이 어느 정도까지 기체의 압력이 증가하는 동안에는 위에서 서술한 충돌빈도가 높아져 에너지 흡수가 효과적으로 늘어난다. 그러나 압력이 더욱 증가하면 에너지 흡수는 늘어나지만 탄선충돌에 의한 소멸이 더욱 가속되어 오히려 더 큰 절연파괴강도를 필요로 한다.

마이크로 방전에서 중요한 변수중의 하나는 외부인가 자기장의 유무로서 방전관에 일정한 자기장을 걸어주면 하전입자의 사이클로트론 운동에 의해 방전의 구조가 달라지게 된다. 이와같은 점을 이용하게 되면 외부에서 적절한 크기의 자계를 인가 함으로서 마이크로파의 흡수율을 상승시킬 수 있으며, 특히 인가 주파수가 전자 사이클로트론 주파수 부근에 도달하면 흥미로운 현상이 일어나는 것으로 알려져 있다. 즉, 전자의 사이클로트론 주파수 부근에 도달하면 흥미로운 현상이 일어나는 것으로 알려져 있다.
즉, 전자의 사이클로트론 진동수와 마이트로파의 진동수가 같아지면전자가 마이크로파로부터 계속에너지를 흡수할 수 있는 공진현상이 일어나 중성원자를 이온화시키기에 충분한 에너지를 얻게 된다. 이때 사용되는 장치를 ECR(electron cyclotron resonance)장치라고 하며 고밀도 플라즈마 소스로서 관심을 끌고 있다

마이크로파 방전의 경우에는 그림에서 보는 바와 같이 도파관 중에 방전관을 삽입하는 방식과 도파관 자신을 방전관으로 사용하는 방식이 있다. 사용 주파수는 ㎓영역의 무전극 방전에 해당되며 따라서 깨끗한 고출력의 방전을 얻을 수 있다.

2. 무전극 방전등의 "예"

무전극 방전을 조명용광원에 이용하는 것은 아직 여러가지 문제점들이 있고 실용화가 가까운 시일내에 가능할 것인지도 불투명한 상태이다. 그러나 무전극 방전등의 장점, 특히 수명이 길고 광출력 저하가 적은 덤 등이 특별히 요구되는 장소에는 조만간 무전극방전등이 사용될 가능성이 높다. 특히 실내에 비해 등기구의 유지 및 보수가 어려운 실외에서는 무전극 방전등과 같이 수명이 긴 광원이 적합하다. 따라서 현재까지 개발된 무전극 방전등 중 실용화될 가능성이 있는 대표적인 예를 들어본다.

2-1. 홀리스터 램프

1970년대 중반에 미국에서 일반가정용 전구를 대신할 수 있는 무전극 방전등으로 등장하여 관심을 불러일으킨 것으로서Hoollister 불리우는 이것은 저압 수은방전등에 기초한 것으로서 그림과 같이 고주파 발생장치와 고주파 코일을 유리구 내의 캡속에 장착하는 구조로 되어 있으며 고주파 전력에 의해 환형의 방전을 발생시키고 이로부터 방사되는 자외선을 유리구 안쪽에 도포된 형광체에 의해 가시광으로 변환하도록 되어 있다. 그러나 당시에는 저렴하고 compact한 고주파전력을 얻기 어려웠을 뿐 아니라 필요한 정도의 강한 방전과 자외선 방사에 견딜 수 있는 형광체가 없었다는 점 등이 실용화에 결정적인 제약이 되었다.

2-2. RF 무전극 방전등

RF전력을 이용하여 무전극방전을 실시할 경우 E-방전은 H방전에 비해 비효율적이며 고전계에 의해 램프의 내부가 쉽게 흑화되는 경향이 있다. H 방전에 있어서 코일을 유리구 안쪽에 설치하는 경우 철심 또는 공심의 선택이 있을 수 있다.
철심코일은 공심코일에 비해 큰 자계를 발생할 수 있고 사용 주파수도 낮아지나 철심의 열저항 문제가 발생한다. 이에 따라 코일을 유리구 바깥쪽에 설치하는 방법이 연구되고 있다.

그림은 일본의 松下電工에서 개발된 것으로 실용적인 무전극 방전등이라고 소개된 바 있다.

그림의 개념도와 같이 안쪽에 형광물질이 도포되어 있는 유리구를 공심코일이 수회 감싸고 있으며 이 코일에 고주파전력을 공급하여 자계를 형성시키고 H 방전을 일으킨다. 형광체에는 높은 관벽부하와 고온에 견딜 수 있는 희토류 형광체를 사용하며, 형광체와 유리구 사이를 금속산화물을 코팅하여 전계,자외선방사, 열 등에 의한 유리구의 흑화를 방지하도록 되어 있다. 또한 아말감을 사용하여 주위온도의 변화에 따른 램프의 특성을 안정시킴으로서 특히 실외의 등기구용 광원으로서 적합하도록 설계되어 있다.

RF전력을 공급하기 위한 전자회로는 전원회로, 발진회로, 증폭회로 및 정합회로 등으로 구성되고 이것의 출력을 램프 위에 감겨있는 유도코일에 가하고 있다. 또한 고주파 회로에서 필수적인 EMI 잡음대책으로는 RF회로부를 금속도체로 둘러싸는 한편 램프 전면을 금속도체 망으로 하여 EMI 잡음을 기본파에서 40dB, 고주파에서 15~30dB정도 감소시키고 있다.

RF무전극 방전등의 특징

- 보조장치가 없이 시동이 가능하다.
- 시동 및 재시동 특성이 우수하다.
- 5%~100% 연속조광이 가능하다.
- EMI 잡음이 대폭 절감된다.
- 타 조명기기 대비 장수명이 예상된다.

"예"로 든 RF 무전극 방전등의 사양

구분	사양
공급전압 발진주파수 입력전력 광출력 발광효율 광색 주위온도 허용온도 크기 유리구 직경 유도코일	AC 100V / 50,60Hz 13.56 MHz 25W 1000lm 40lm/W 백색 -30~45℃ 130mm(d) * 180mm(h) 45mm d:1.8mm/권선수 3회

3. 마이크로파 무전극 방전등의 "예"

마이크로파에 의한 방전파괴를 통해 램프봉입물을 여기시켜 발광하는 것을 이용한 것이다. 전극을 갖는 방전등이 전극의 증발 및 비산에 의해 램프관벽의 흑화가 주원인이 되어 광출력이 열화되는 것에 반해, 램프 관벽 재료인 석영유리의 일부가 결정화에 의해 탁해지는 정도에 그치므로 열화정도가 극히 작은 장점이 있다. 현재까지 개발된 것 중 대표적인 것으로는 일본의 三菱전기에서 사진제관용 UV광원으로 제작한 것으로 기본구조는 그림과 같다.

이 무전극 방전등에서는 전자렌지에 쓰이고 있는 마그네트론을 사용하여 발진주파수 2450MHz의 마이크로파를 발생시키고 이것을 구형의 도파관을 통해 공진기에 전파시킨다. 공진기는 반구공진기를 변형한 것으로 광 반사경을 겸하고 있으며 상부의 개구율이 90%인 강형 금속판으로 구성되어 있고 그 내부에 구형 무전극 램프가 설치되어 있다.

이 램프는 석영유리로 만들어져 있으며 그 속에는 수은 및 희소가스와 함께 방전에 의해 여기,발광하는 금속이 할로겐 화합물의 형태로 봉입되어 있다. 마이크로파가 무전극 램프에 방사되면 램프중에 희소가스가 먼전 방전을 일으키고 관벽을 가열하기 시작한다. 온도가 상승하면 수은 및 할로겐 화합물이 증발하여 방전은 희소가스 중심의 방전으로부터 수은을 주체로 하는 금속증기의 방전으로 이행하고 봉입금속에 대응하는 스펙트럼이 발광한다.
이때 발광하는 광은 공진기의 반사경에 의해 망형 금속판을 통과하여 외부로 방사되는 마이크로파는 최대한 차단시켜 금속판으로부터 20㎝정도 떨어진 곳에서의 누설 마이크로파의 세기가 1㎽/㎠ 보다 작도록 하여 인체에 해가 미치지 않도록 하고 있다.

"예"로 든 마이크로파 무전극방전등의 사양

항목	사양
입력전력 발진주파수 중심파장 방사속 램프내경 램프중량 램프전력밀도 봉입물	1300W(마이크로파 750W에 해당) 2450㎒ 355~425㎚ 200W(금속첨가물 Fe의 경우) 30㎚ 28W/㎠ 아르곤 8kPa(~60torr) 수은 100㎎ 수은할로겐 화합물, 기타 금속 첨가물

"예"로든 무전극 방전등의 특징

- 광출력 입상시간이 빠르다.
- 램프의 재점등 시간이 짧다.
- 램프의 수명이 길다.
- 램프 관벽의 흑화에 의한 광출력저하가 적다.
- 전극 열화에 의한 점등불량이 없다.
- 램프로부터의 열선방사량이 적다.
- 램프봉입물의 선택이 자유롭다.

이와같은 마이크로파의 무전극 방전등은 현재 고출력에 있어서 상품화가 이루어지고 있으며 특히 필름인쇄와 같은 사진 재판영 UV 광원으로 이용되고 있고 장래에는 무대조명과 같은 특수 조명용 광원으로도 그 이용이 기대된다.

다. 결론

지금까지 무전극 방전의 원리와 그 유용성을 살펴보았고 RF 및 Microwave를 이용한 대표적인 무전극 방전등의 예를 들어 검토하였다. 무전극 방전에 의하면 수명이 길어지고 광출력감소가 개선될 뿐만 아니라 보다 콤팩트한 광원으로 될 수 있으며 순시점등이 가능해지고 조광이 용이해지는 등의 특성을 기대할 수 있다. 특히 전자파 잡음대책 및 회로의 효율과 경제성에 대한 연구를 통해 장래에는 일반조명용 광원으로서 사용될 것을 기대한다.

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무전극 전등 개발