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백열등

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목차

1. 개요

백열등은 유리구 안에 텅스텐 필라멘트를 넣고 전류를 통과시켜 빛을 내는 조명 기구이다. 19세기 초부터 다양한 발명가들에 의해 연구되었으며, 조셉 스완과 토마스 에디슨의 경쟁을 통해 실용적인 형태가 개발되었다. 에디슨의 전구는 고저항 필라멘트, 높은 진공, 중앙 집중식 전력 공급 시스템을 결합하여 상업적 성공을 거두었다. 20세기에는 텅스텐 필라멘트, 가스 충전, 이중 코일, 무광 처리 등의 기술 발전을 통해 효율과 수명이 향상되었다. 2010년대 이후 LED 조명의 보급으로 백열등의 생산 및 판매는 급격히 감소했으며, 대한민국에서는 2014년부터 150W 이하 백열전구의 생산과 수입이 금지되었다.

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백열등
백열전구
중간 크기의 E27(에디슨 27mm) 수나사 베이스가 있는 230볼트 백열 전구. 필라멘트는 수직 공급 와이어 사이의 대부분의 수평 라인으로 보인다.
중간 크기의 E27(에디슨 27mm) 수나사 베이스가 있는 230볼트 백열 전구.
기본 정보
다른 이름백열 전구
용도어두운 곳을 밝혀주는 데 사용
작동 원리
발광 원리저항 가열에 의한 열 방사
특징
필라멘트 재료텅스텐
필라멘트 온도2,200 ~ 3,300 K
에너지 효율약 10%
수명약 1,000시간
색 온도약 2,700 K (따뜻한 흰색)
전압230V
베이스E27(에디슨 27mm) 수나사 베이스
전구 크기중간 크기
주요 소자유리 벌브
필라멘트
필라멘트 지지선
리드선
베이스
역사
초기 개발1800년대 초
상용화토머스 에디슨
관련 정보
학술 용어백열등(白熱燈)
백열전구
빛의 성질열복사
관련 기술고효율 백열등
할로겐 램프
기타
웹사이트MIT 기술 라이센싱 사무소
관련 기술빛의 본질

2. 역사

조지프 스완과 토머스 에디슨 이전에도 많은 발명가들이 백열등 개발에 힘썼다. 역사학자 로버트 프리델과 폴 이스라엘은 에디슨의 전구가 효과적인 백열체, 스프렝겔 펌프를 사용한 높은 진공, 중앙 집중식 전력 공급으로 경제성을 확보한 높은 전기 저항, 대규모 조명 시스템에 필요한 부품 개발이라는 네 가지 요소를 갖춰 다른 전구들을 능가하는 최초의 실용적인 구현이었다고 평가한다.[4]

역사학자 토머스 P. 휴즈는 에디슨의 성공이 완벽하고 통합된 전기 조명 시스템 개발 덕분이라고 보았다.

1761년 에베네저 키너슬리가 전선을 백열 상태로 가열하는 것을 시연했지만, 이 전선들은 공기 중에서 빠르게 녹거나 산화(연소)되었다.[7][8] 1802년 험프리 데이비는 얇은 백금 조각에 전류를 통과시켜 백열등을 만들었으나, 밝기와 지속 시간 면에서 실용적이지 못했다.[12] 이후 40년간 탄소 아크 램프가 조명 수단으로 연구되었지만, 넓은 지역에만 적합하여 가정용 램프 개발이 이어졌다.[8]

19세기에는 백금, 이리듐 와이어, 탄소봉, 진공 또는 반진공 밀폐 용기 등을 이용한 백열등 연구가 활발했다. 19세기 후반에는 아크등이 사용되었지만, 너무 밝고 소리가 커 실내 조명으로는 부적합했다. 일반 가정에서는 가스등이 보급되었으나, 폭발 위험, 실내 벽 오염, 황이나 암모니아 냄새 등의 문제가 있었고, 산소 부족으로 인한 어지럼증이나 두통을 유발하기도 했다.

19세기 중반 이후, 많은 발명가들이 전기 조명 개발에 매달렸다. 영국의 조셉 스완과 미국의 토머스 에디슨이 경쟁했고, 스완은 1878년에 백열전구를 발명했지만 필라멘트가 두꺼워(지름 4mm) 편리성이 떨어졌다.

1879년 10월 19일, 에디슨은 목면실을 탄화시켜 필라멘트로 한 실용적인 탄소 전구를 개발했다.[141] 백금은 가열 시 가스가 발생하여 수명이 짧았고, 탄소 처리한 두꺼운 종이를 거쳐 최종적으로 대나무를 사용했다. 에디슨은 중국과 일본에 부하를 파견하여 점착성과 유연성이 뛰어난 교토 하치만시의 마다케(맹종죽)를 필라멘트 재료로 채택했다.[142] 에디슨 전구의 필라멘트는 지름이 0.4mm로 가늘고, 자유롭게 켜고 끌 수 있었다.

에디슨은 고저항 램프로 전압 100V에서 전구를 병렬 연결, 독립적으로 켜고 끌 수 있게 했고, 소켓을 나사식(에디슨 베이스)으로 만들어 쉽게 교체할 수 있도록 했다. 또한 발전소에서 각 가정에 전기를 공급하는 시스템을 구축했다.

1904년, 오스트리아의 알렉산더 유스트와 프란츠 하나만은 텅스텐 필라멘트를 발명했지만, 자금 부족으로 1906년에야 압연 텅스텐 전구를 상품화했다. 1910년, 제너럴 일렉트릭의 윌리엄 쿨리지가 인선 텅스텐 전구를 개발했다.

1913년, 제너럴 일렉트릭의 어빙 랭뮤어는 불활성 기체를 주입한 가스 충전 전구를 개발하여 전구 효율과 수명을 늘렸다.

1921년, 도쿄전기(현재의 동시바)의 미우라 준이치는 이중 코일 전구를 개발하여 열 손실을 줄이고 효율을 높였다. 1923년, 도쿄전기의 후와 타치미가 전구 내부를 무광 처리하는 방법을 개발했고, 1925년에는 내면 무광 전구가 완성되었다. 1974년에는 파나소닉 홀딩스가 실리카를 내부 처리에 사용한 "실리카 전구"를 개발했다.

1950년, 통상산업성은 백열전구를 "표준화 지정 상품"으로 결정하고, JIS 마크가 들어간 신형 전구 판매를 시작했다. 1959년, 제너럴 일렉트릭은 할로겐 전구를 개발했다.

1993년, 나카무라 슈지에 의해 청색 LED가 개발되면서 백색 LED도 가능해졌지만, 초기에는 고가여서 백열등이 계속 사용되었다. 2010년대에 백색 LED 가격이 내려가면서 백열등 제조 및 판매는 급격히 감소했다.

이명박 정부는 2009년 안에 공공부문 백열전구 퇴출을 계획했다.[162] 박근혜 정부는 2014년 1월부터 대한민국 내 백열전구 생산 및 수입을 전면 금지했다.[163] 금지 대상은 150W 이하 전구이다.[164]

2. 1. 초기 연구 (19세기 전반 ~ 1870년대)

험프리 데이비 경이 1802년에 최초로 백열등의 가능성을 보였지만, 실용적인 백열등의 개발은 19세기 전반에 걸쳐 여러 발명가들에 의해 이루어졌다. 1835년 제임스 보먼 린제이는 스코틀랜드 던디에서 지속적인 전등을 시연했지만, 더 이상 개발하지는 않았다.[14] 1838년에는 벨기에의 마르셀랭 조바르가 탄소 필라멘트를 사용한 진공 백열전구를 발명했다.

1840년, 영국의 과학자 워렌 드 라 뤼는 백금 필라멘트를 진공관에 넣어 수명을 늘리는 설계를 고안했지만, 백금의 높은 가격 때문에 상업화에는 실패했다.[15] 1841년에는 영국의 프레더릭 드 몰레인스가 진공 전구에 백금 와이어와 탄소를 사용한 디자인으로 특허를 받았다.

1872년, 러시아의 알렉산더 니콜라예비치 로디긴은 백열 전구를 발명하고 1874년에 러시아 특허를 획득했다. 그는 진공 밀폐 용기에 탄소봉을 사용하고 질소를 채워 수명을 늘렸다.[20] 이후 그는 미국에서 크로뮴, 이리듐, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 몰리브덴, 텅스텐 필라멘트를 사용한 백열등 특허를 획득했다.[21]

1874년, 헨리 우드워드와 매슈 에반스는 질소가 채워진 유리 실린더에 탄소봉을 넣은 램프에 대한 캐나다 특허를 출원했지만, 상업화에 실패하고 1879년 토머스 에디슨에게 특허권을 판매했다.[22]

이처럼 1870년대까지 여러 발명가들이 백열등 개발에 기여했지만, 실용적인 전구는 토머스 에디슨에 의해 완성되었다. 역사학자 로버트 프리델과 폴 이스라엘은 에디슨의 전구가 효과적인 백열체, 높은 진공, 높은 저항, 경제성 등 네 가지 요소를 갖춘 최초의 실용적인 구현이었다고 평가한다.

초기 전구 발전 연표[6]
연도발명가내용
1801험프리 데이비 경백금 필라멘트
1809험프리 데이비 경아크등
1835제임스 보먼 린제이백열등 시연
1840워렌 드 라 루진공관 밀폐
1841프레드릭 드 몰레인스분말 목탄 필라멘트
1873조셉 윌슨 스완탄소 섬유 필라멘트
1875우드워드 & 매슈 에반스가스 충전 "글로브"


2. 2. 상용화 경쟁 (1870년대 ~ 1880년대)

조지프 스완과 토마스 에디슨(General Electric) 이전에도 많은 백열등 발명가들이 있었다.[4] 에디슨의 전구는 효과적인 백열체, 스프렝겔 펌프를 사용하여 달성한 높은 진공, 중앙 집중식 전력 공급으로 경제성을 확보한 높은 전기 저항, 대규모 조명 시스템에 필요한 부품 개발이라는 네 가지 요소를 갖춰 최초의 실용적인 구현이었다.[4]

역사학자 토마스 P. 휴즈는 에디슨의 성공을 그의 완벽하고 통합된 전기 조명 시스템 개발 덕분으로 보았다.

조셉 스완


조셉 스완(1828–1914)은 영국의 물리학자이자 화학자였다. 1850년, 그는 진공 유리 전구 안에서 탄화된 종이 필라멘트를 가지고 작업하기 시작했다. 1860년까지 작동하는 장치를 시연했지만, 좋은 진공 상태와 충분한 전력 공급이 부족하여 전구의 수명이 짧고 비효율적인 광원이었다. 1870년대 중반에 더 나은 펌프가 등장하면서 스완은 자신의 실험으로 돌아왔다.[28]

언더힐, 첫 전기 조명 사용 주택 기념비


진공 펌프 전문가인 찰스 스턴의 도움을 받아 스완은 1878년 초기 전구의 검게 변하는 현상을 피하는 방법을 개발했다. 이것은 1880년에 영국 특허를 받았다.[29] 1878년 12월 18일, 가는 탄소 막대를 사용한 전구가 뉴캐슬 화학 학회 회의에서 선보였고, 스완은 1879년 1월 17일 회의에서 시연을 했다. 또한 1879년 2월 3일 뉴캐슬어폰타인 문학철학협회 회의에 참석한 700명에게도 시연되었다.[30] 이 전구들은 가는 필라멘트가 아닌 아크등의 탄소 막대를 사용했다. 따라서 저항이 낮았고 필요한 전류를 공급하기 위해 매우 큰 도체가 필요했기 때문에 상업적으로 실용적이지는 않았지만, 비교적 높은 진공 상태, 탄소 도체 및 백금 도입선을 사용한 백열등의 가능성을 보여주었다. 이 전구는 약 40시간 동안 지속되었다.[30]

그 후 스완은 더 나은 탄소 필라멘트와 그 끝을 부착하는 방법에 주의를 돌렸다. 그는 1880년대 초에 '파르슈멘트 처리된 실'을 생산하는 방법을 고안하여 같은 해에 영국 특허 4933을 받았다.[29] 이 해부터 그는 영국의 가정과 랜드마크에 전구를 설치하기 시작했다. 그의 집인 게이츠헤드 저 펠 언더힐은 전구로 밝혀진 세계 최초의 집이었다. 1880년대 초 그는 회사를 설립했다.[31] 1881년 런던 웨스트민스터 시의 세보이 극장은 스완 백열 전구로 밝혀졌는데, 이는 세계 최초의 극장이자 최초의 공공 건물이었다.[32] 백열 전구로 밝혀진 세계 최초의 거리는 영국 뉴캐슬어폰타인의 모즐리 스트리트였다. 1879년 2월 3일 조셉 스완의 백열등으로 밝혀졌다.[33][34]

에디슨, 맥심, 스완 전구 비교, 1885


에디슨 탄소 필라멘트 전구, 1880년대 초


토마스 에디슨


토마스 에디슨은 1878년 실용적인 백열등 개발에 대한 본격적인 연구를 시작했다. 에디슨은 1878년 10월 14일에 "전등 개선"에 대한 최초의 특허 출원을 제출했다.[35] 많은 실험 끝에, 1880년대 초에는 탄소를, 그 후에는 백금 및 기타 금속을 사용한 후, 결국 에디슨은 탄소 필라멘트로 돌아왔다.[36] 최초의 성공적인 테스트는 1879년 10월 22일에 있었고,[37][38] 13.5시간 동안 지속되었다. 에디슨은 이 설계를 계속 개선했고, 1879년 11월 4일에는 "코일형 및 연결된 탄소 필라멘트 또는 스트립… 백금 접촉선"을 사용하는 전등에 대한 미국 특허를 출원했다.[39] 특허에는 "다양한 방법으로 코일된 목화와 리넨 실, 나무 조각, 종이"를 포함한 탄소 필라멘트를 만드는 여러 가지 방법이 설명되어 있었지만,[39] 에디슨과 그의 팀은 나중에 탄화된 대나무 필라멘트가 1200시간 이상 지속될 수 있다는 것을 발견했다.[40] 1880년, 오레곤 철도 및 항해 회사의 증기선인 ''컬럼비아''는 에디슨의 백열 전구의 최초 적용 사례가 되었다(또한 발전기를 사용한 최초의 선박이기도 했다).[41][42][43]

뉴욕의 변호사인 알본 맨은 자신의 특허와 윌리엄 E. 소여의 특허를 활용하기 위해 1878년 전기역학조명회사를 설립했다.[44][45] 몇 주 후 미국 전기 조명 회사가 설립되었다.[44][45][46] 이 회사는 에디슨 백열등이 ''컬럼비아''호에 설치된 지 약 6개월 후인 1880년 가을에 뉴욕시의 상업 금고 회사에 백열등을 최초로 상업적으로 설치했다. 하이럼 S. 맥심은 미국 전기 조명 회사의 수석 엔지니어였다.[47] 미국에서 큰 성공을 거둔 후 에디슨이 특허를 받은 백열 전구는 유럽에서도 널리 인기를 얻기 시작했으며, 그중에서도 북유럽 국가의 최초 에디슨 전구는 1882년 3월 핀란드 탐페레의 핀레이슨 섬유 공장의 직조 공장에 설치되었다.[48]

당시 에디슨에 고용된 루이스 라티머는 탄소 필라멘트의 열처리 방법을 개선하여 파손을 줄이고 맥심 필라멘트의 특징적인 "M"자 모양과 같은 새로운 모양으로 성형할 수 있도록 했다. 1882년 1월 17일, 라티머는 미국 전기 조명 회사에서 구입한 전구 필라멘트 생산 개선 방법인 "탄소 제조 공정"에 대한 특허를 받았다.[49] 라티머는 필라멘트를 와이어 지지대에 부착하는 더 나은 방법과 같은 다른 개선 사항에 대한 특허를 받았다.[50]

영국에서는 에디슨과 스완 회사가 에디슨과 스완 유나이티드 전기 회사(나중에 Ediswan으로 알려졌고, 궁극적으로 쏜 조명 유한회사에 통합됨)로 합병되었다. 에디슨은 처음에 이 합병에 반대했지만, 결국 협력하여 합병이 이루어졌다. 에디슨은 스완의 회사 지분을 모두 인수했다. 스완은 1882년 6월 자신의 미국 특허권을 브러시 전기 회사에 매각했다.

토마스 에디슨의 개선된 전구, 1880년 1월 27일


미국 특허청은 1883년 10월 8일에 에디슨의 특허가 윌리엄 E. 소여의 선행 기술을 기반으로 하며 무효라는 판결을 내렸다. 소송은 수년 동안 계속되었다. 결국 1889년 10월 6일, 판사는 "고저항 탄소 필라멘트"에 대한 에디슨의 전등 개선 청구가 유효하다고 판결했다.[51]

19세기 후반, 전기 조명에는 아크등이 사용되었지만, 불꽃놀이와 같이 너무 밝고 소리가 커서 실내 조명으로는 부적합했다. 일반 가정에서는 가스등이 보급되었지만, 폭발 위험, 실내 벽 오염, 황이나 암모니아 냄새 등의 문제가 있었다. 또한 가스등은 많은 산소를 필요로 하여 산소 부족으로 인한 어지럼증이나 두통을 유발하기도 했다.

19세기 중반 이후, 많은 발명가들이 전기를 이용한 조명 개발에 매달렸다. 영국의 조셉 스완과 미국의 토마스 에디슨이 경쟁했고, 스완은 1878년에 백열전구를 발명했지만 필라멘트가 두꺼워(지름 4mm) 편리성이 떨어졌다.

1879년 10월 19일, 에디슨은 목면실을 탄화시켜 필라멘트로 사용한 실용적인 탄소 전구를 개발했다.[141] 처음에는 백금을 시험했지만 가열 시 가스가 발생하여 수명이 짧았다. 이후 탄소 처리한 두꺼운 종이를 거쳐 최종적으로 대나무를 사용했다. 에디슨은 중국과 일본에 부하를 파견하여 점착성과 유연성이 뛰어난 교토 하치만시의 마다케(맹종죽)를 필라멘트 재료로 채택했다.[142] 에디슨 전구의 필라멘트는 지름이 0.4mm로 가늘고, 자유롭게 켜고 끌 수 있다는 장점이 있었다.

에디슨은 고저항 램프를 사용하여 전압 100V에서 전구를 병렬로 연결, 각각 독립적으로 켜고 끌 수 있게 했고, 소켓을 나사식(에디슨 베이스)으로 만들어 쉽게 교체할 수 있도록 했다. 또한 발전소에서 각 가정에 전기를 공급하는 시스템을 구축했다.

2. 3. 기술 발전 (1890년대 ~ 현재)

조지프 스완과 토머스 에디슨 이전에도 백열등 발명가들은 많았지만, 에디슨의 전구가 최초의 실용적인 구현이었다고 평가받는다. 에디슨 전구는 효과적인 백열체, 스프렝겔 펌프를 이용한 높은 진공, 높은 전기 저항, 대규모 조명 시스템에 필요한 부품 개발이라는 네 가지 요소를 갖추었기 때문이다.[4][5]

멘로파크에 있는 토머스 에디슨의 작업장에서 나온 최초의 탄소 필라멘트 전구


1761년, 에베네저 키너슬리는 전선을 백열 상태로 가열하는 것을 시연했지만, 이러한 전선들은 공기 중에서 빠르게 녹거나 산화(연소)되었다.[7][8] 1802년, 험프리 데이비는 얇은 백금 조각에 전류를 통과시켜 백열등을 만들었지만, 밝기와 지속 시간 면에서 실용적이지 않았다.[12] 이후 40년 동안 탄소 아크 램프가 조명 수단으로 연구되었지만, 넓은 지역 조명에만 적합했기에 가정용 램프 개발이 계속되었다.[8]

19세기 동안 많은 실험자들이 백금, 이리듐 와이어, 탄소봉, 진공 또는 반진공 밀폐 용기 등을 이용해 백열등을 연구했다. 주요 발명 및 특허는 다음과 같다:

  • 1835년 제임스 보먼 린제이: 지속적인 전등 시연 (추가 개발 없음)[14]
  • 1838년 마르셀랭 조바르: 탄소 필라멘트를 사용한 진공 백열전구 발명
  • 1840년 워렌 드 라 뤼: 백금 필라멘트를 진공관에 넣어 수명 연장 (상업적 어려움)[15]
  • 1841년 프레더릭 드 몰레인스: 진공 전구 디자인 특허[16][17]
  • 1845년 존 웰링턴 스타: 탄소 필라멘트 백열전구 특허[18]
  • 1872년 알렉산더 니콜라예비치 로디긴: 백열 전구 발명, 1874년 러시아 특허 취득[20], 이후 미국에서 다양한 금속 필라멘트 백열등 특허 획득[21]
  • 1874년 헨리 우드워드와 매슈 에반스: 탄소봉 램프 특허 (상업화 실패, 1879년 에디슨에게 특허권 매각)[22][23][24]
  • 1880년 알레산드로 크루토: 흑연 증착 백금 필라멘트 사용 백열등 (에디슨 전구보다 긴 수명과 효율)[26]


1893년 하인리히 괴벨은 자신이 1854년에 최초의 백열 전구를 설계했다고 주장했지만, 연구 결과 이는 허구로 밝혀졌다.[27]

텅스텐 전구를 발명한 하나만(왼쪽)과 저스트(오른쪽)


1906년 텅스람 전구의 헝가리어 광고 (탄소 대신 텅스텐 필라멘트 사용)


1897년 알렉산더 로디긴은 텅스텐을 포함한 희토류 금속 필라멘트 관련 미국 특허(US575002A)를 획득하고, 나중에 GE에 특허권을 매각했다. 1902년 지멘스는 탄탈륨 램프 필라멘트를 개발했지만, 금속 필라멘트는 사용 중 짧아지고 취약해지는 문제가 있었다.[56][57] 1898년부터 1905년경까지 오스뮴도 필라멘트로 사용되었지만, 비싼 가격과 직렬 연결 필요성 때문에 널리 사용되지 못했다.[58]

이후에도 할로겐램프, 크립톤 전구 등이 개발되었으며, 유리구에 적외선 반사막을 형성하여 효율을 높인 제품도 있었다. 2010년대에는 메타물질을 이용해 가시광선 비율을 높이는 연구가 발표되기도 했다.[160]

2. 4. 대한민국에서의 백열전구 퇴출

이명박 정부는 2009년 안에 공공부문의 백열전구를 모두 퇴출시킬 계획이었다.[162]

박근혜 정부는 2014년 1월부터 대한민국 내의 백열전구 생산 및 수입을 전면 금지하였다.[163] 금지 대상은 150W 이하의 전구이다.[164]

3. 구조와 종류

백열전구는 유리구 안에 텅스텐 필라멘트를 넣고, 내부를 진공으로 만들거나 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 채운 것이다. 금속 부분은 전류를 흐르게 하고 전구를 소켓에 고정하는 역할을 한다. 20W 이하의 필라멘트는 단일 코일 형태이며, 그 이상은 이중 코일 형태로 되어 있다. 이중 코일은 가스의 대류로 인한 열 손실을 줄여 효율을 높인다. 가스를 채우는 이유는 텅스텐이 고온에서 증발하여 유리구 내면에 검게 되는 흑화 현상을 막기 위해서이다. 젖빛 유리를 사용하면 눈부심을 줄일 수 있다.[161]

다양한 종류의 백열전구가 있는데, 청색 유리를 사용한 주광색 전구, 내열성 색소를 칠한 색전구, 순백색 산광성 도료를 칠한 전광전구, 유리구 모양을 반사갓 형태로 하고 그 내면을 도금한 리플렉터 램프 등이 있다. 회중전등용 꼬마전구도 전압만 낮을 뿐 구조는 같다. 꼬마전구를 활용한 대표적인 예는 플래시 라이트(회중전등)이며, 건전지나 축전지를 전원으로 사용한다.[161]

대부분의 전구는 투명하거나 코팅된 유리로 만들어진다. 코팅 유리 전구는 내부에 카올린 점토를 불어넣고 정전기적으로 증착하여 만든다. 분말층은 필라멘트에서 나오는 빛을 확산시킨다. 점토에 안료를 첨가하여 빛의 색을 조절할 수 있다. 카올린 확산 전구는 부드러운 빛 때문에 실내 조명에 많이 쓰인다. 크리스마스 트리 조명 등에 사용되는 다양한 색전구는 코발트(파란색)나 크롬(녹색)과 같은 금속 도판트를 사용하여 유리를 착색하여 만든다.[98] 네오디뮴이 함유된 유리는 때때로 더 자연스러운 빛을 제공하는 데 사용된다.

전구 모양과 크기는 국가 표준에 따라 지정된다. 일부 명칭은 하나 이상의 문자와 하나 이상의 숫자로 구성된다(예: A55, PAR38). 여기서 문자는 모양을, 숫자는 특징적인 크기를 나타낸다.

ANSI C79.1-2002, IS 14897:2000[129], JIS C 7710:1988[130]과 같은 국가 표준은 전구 모양에 대한 일반적인 용어를 다룬다.

전구 명칭 예시
설명SI인치세부 정보
"표준" 전구A60 E26A19 E26⌀60 mm (~⌀19/8 in) A형 전구, ⌀26 mm 에디슨 나사
캔들플레임 전구CA35 E12CA11 E12⌀35 mm (~⌀11/8 in) 캔들플레임 모양, ⌀12 mm 에디슨 나사
투광 조명BR95 E26BR30 E26⌀95 mm (~⌀30/8 in) 투광 조명, ⌀26 mm 에디슨 나사
할로겐 트랙 조명 전구MR50 GU5.3MR16 GU5.3⌀50 mm (~⌀16/8 in) 다면 반사경, 5.33 mm 간격의 12 V 바이핀 커넥터



일반적인 전구의 종류는 다음과 같다.


  • 일반 서비스/일반 조명 서비스(GLS): 거의 모든 방향으로 빛을 방출한다. 투명 또는 불투명으로 제공된다.
  • 종류: 일반(A), 타원형(E), 버섯형(M), 사인형(S), 관형(T)
  • 120V 크기: A17, 19 및 21
  • 230V 크기: A55 및 60

  • 고와트 일반 서비스: 200와트 이상의 램프
  • 종류: 배 모양(PS)

  • 장식용: 샹들리에 등에 사용된다. 작은 양초 크기의 전구는 더 작은 소켓을 사용할 수 있다.
  • 종류: 양초(B), 꼬인 양초, 굽은 끝 양초(CA 및 BA), 불꽃(F), 구형(G), 랜턴 굴뚝(H), 고급 둥근형(P)
  • 230V 크기: P45, G95

  • 반사경(R): 전구 내부의 반사 코팅이 빛을 앞으로 향하게 한다. 플러드형(FL)은 빛을 넓게 퍼뜨리고, 스팟형(SP)은 빛을 집중시킨다. 반사경(R) 전구는 동일 와트의 일반 서비스(A)보다 전면 중앙 영역에 약 두 배의 조도(foot-candles)를 제공한다.
  • 종류: 표준 반사경(R), 볼록 반사경(BR), 타원형 반사경(ER), 크라운 실버
  • 120V 크기: R16, 20, 25 및 30
  • 230V 크기: R50, 63, 80 및 95

  • 파라볼릭 알루미늄 반사경(PAR): PAR 전구는 빛을 더 정확하게 제어한다. 일반 서비스(A)보다 약 네 배의 집중된 광 강도를 생성하며 매입형 및 트랙 조명에 사용된다. 야외 스팟 및 플러드 조명 기구에는 방수 케이싱이 제공된다.
  • 120V 크기: PAR 16, 20, 30, 38, 56 및 64
  • 230V 크기: PAR 16, 20, 30, 38, 56 및 64
  • 여러 스팟 및 플러드 빔 확산으로 제공된다. 모든 전구와 마찬가지로 숫자는 전구의 직경을 1/8 인치로 나타낸다. 따라서 PAR 16의 직경은 약 5.08cm이고, PAR 20은 약 6.35cm, PAR 30은 약 9.53cm, PAR 38은 약 12.06cm이다.

  • 다면 반사경(MR): 다면 반사경 전구는 일반적으로 크기가 작고 전압이 낮으며, 종종 12V이다.

  • HIR/IRC: "HIR"은 적외선 반사 코팅이 된 램프에 대한 GE의 명칭이다. 열이 덜 빠져나가므로 필라멘트가 더 뜨겁고 효율적으로 연소된다.[131] 오스람의 유사한 코팅 명칭은 "IRC"이다.[132]


표준 E10, E14 및 E27 에디슨 나사 베이스가 있는 40와트 전구


백열전구의 이중 접점 바이오넷 캡


대형 전구는 하나 이상의 접점이 있는 나사 베이스 또는 바이오넷 베이스를 가질 수 있다. 바이오넷 베이스 전구는 진동으로 인한 느슨해짐을 방지하기 위해 자동차 램프에서 자주 사용된다. 일부 관형 전구는 양쪽 끝에 전기 접점이 있다. 소형 전구는 웨지 베이스와 와이어 접점을 가질 수 있으며, 일부 자동차 및 특수 목적 전구는 와이어에 연결하기 위한 나사 단자를 가지고 있다. 매우 작은 전구는 필라멘트 지지 와이어가 전구 바닥을 통해 연결을 위해 연장될 수 있다. 바이핀 베이스는 종종 할로겐 또는 반사경 전구에 사용된다.[133]

19세기 후반, 제조업체는 수많은 호환되지 않는 전구 베이스를 도입했다. 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 "마즈다" 표준 베이스 크기는 곧 미국 전역에서 채택되었다.

전구의 구금 형태는 여러 종류가 있으며, 전구의 용도에 따라 선택된다. 구금은 국제 규격에 맞는 것이 많으며, 일본의 JIS 규격에서는 JIS C 7709에서 규정하고 있다.

  • E39: 200W 이상의 대형 전구용이다.
  • E26: 일반 전구 소켓, 특수 용도를 제외하고는 200W까지이다(IEC 60061-1(7004-21A-2)).
  • E17: 소형 전구 소켓, 크립톤 전구에 많다(IEC 60061-1(7004-26)).
  • E12: 상시등이나 표시등 등에 사용되는 소켓.
  • E11: 할로겐 전구에 사용된다.
  • E10: 豆電球용. 손전등이나 표시등에 사용된다.

3. 1. 구조

백열전구는 유리구 안에 텅스텐 필라멘트를 넣고, 내부를 진공으로 만들거나 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 채운 구조이다. 금속 부분은 전류를 흐르게 하고 전구를 소켓에 고정하는 역할을 한다. 필라멘트는 20W 이하에서는 단일 코일, 그 이상에서는 이중 코일 형태로 되어 있다. 이중 코일은 봉입 가스의 대류로 인한 열손실을 줄여 효율을 높인다. 가스를 채우는 이유는 텅스텐이 고온에서 증발하여 유리구 내면에 붙어 검게 되는 흑화 현상을 막기 위해서이다. 젖빛 유리는 눈부심을 방지한다.[161]

백열전구의 구조


백열전구는 텅스텐 필라멘트가 들어 있는 유리 외피(전구 또는 벌브)로 구성되며, 여기에 전류가 흐른다. 접촉 와이어와 두 개 이상의 도체가 있는 기지는 필라멘트에 전기 연결을 제공한다. 백열전구에는 보통 전기 접촉부가 외피를 통과하여 공기나 가스 누출 없이 작동할 수 있도록 전구 기지에 고정된 스템 또는 유리 마운트가 포함되어 있으며, 스템에 내장된 작은 와이어는 필라멘트와 그 리드 와이어를 지지한다.

전류는 필라멘트를 에서 까지 가열하는데, 이는 텅스텐의 녹는점()보다 훨씬 낮다. 가열된 필라멘트는 연속 스펙트럼에 가까운 빛을 방출하며, 대부분의 에너지는 근적외선 파장의 열로 방출된다.

대부분의 전구는 투명하거나 코팅된 유리로 만들어진다. 코팅 유리 전구는 내부에 카올린 점토를 불어넣고 정전적으로 증착하여 만드는데, 분말층은 필라멘트에서 나오는 빛을 확산시킨다. 점토에 안료를 첨가하여 빛의 색상을 조절할 수도 있다. 코발트(파란색) 또는 크롬(녹색)과 같은 금속인 도판트를 사용하여 유리를 착색하기도 한다.[98]

일반 서비스 램프의 유리 전구는 에서 사이의 온도에 도달할 수 있다. 고출력 작동용으로 설계되었거나 난방 목적으로 사용되는 램프는 경질 유리 또는 융용 실리카로 만들어진 외피를 갖는다.[71]

전구 외피에 누출이 발생하면 뜨거운 텅스텐 필라멘트가 공기와 반응하여 갈색 질화 텅스텐, 갈색 이산화 텅스텐, 자주색-파란색 산화 텅스텐, 노란색 삼산화 텅스텐의 에어로졸을 생성하고, 이는 인근 표면이나 전구 내부에 침착된다. 저항선으로는 일반적으로 텅스텐이 사용되며, 고온에서의 증발을 방지하기 위해 아르곤과 질소 가스가 전구 내부에 약 0.7 기압이 되도록 봉입되는 것이 일반적이다.[139]

번호명칭설명
1유리 전구
2저압 불활성 가스아르곤, 질소, 크립톤, 크세논
3텅스텐 필라멘트
4연결 와이어줄기로 들어감
5연결 와이어줄기에서 나옴
6지지 와이어한쪽 끝이 줄기에 매립됨, 전류를 전달하지 않음
7줄기(유리 마운트)
8연결 와이어줄기에서 나옴
9캡(슬리브)
10절연체비트라이트
11전기 접점



백열전구의 각 부분별 구조는 다음과 같다.

명칭설명재료
필라멘트백열전구의 발광 부분 본체.텅스텐
도입선colspan="2" |
지지선(내부 도입선)도입선 중 전구 내부 부분.니켈선 등
봉착선(봉착부 도입선)도입선 중 전구를 관통하는 부분.주메트선(동피복 니켈강선), 할로겐 램프에서는 몰리브덴 박막
외부 도입선구리선
퓨즈선외부 도입선 중 하나는 필라멘트 파손 시 발생하는 아크 방전으로 인한 과전류를 방지하기 위해 퓨즈 역할을 한다.콘스탄탄선
앵커(지지대)필라멘트를 지지하는 보조선.몰리브덴선
전구갓(벌브)필라멘트 부분을 봉입한 유리구.일반적으로 연질 소다석회유리, 때로는 경질 붕규산 유리, 할로겐 램프에서는 석영유리


  • 투명 전구
  • 실리카 전구 - 투명 전구의 전구 내면에 실리카 코팅을 한 전구로, 갓 없는 기구에서 직접 보아도 눈부심이 감소하지만, 실리카 코팅에 의한 흡수가 있어 같은 소비 전력의 투명 전구보다 전체 광속이 약간 감소한다. 수명과 소비 전력은 투명 전구와 같다. 실리카 전구 개발 전에 내면을 무광택으로 처리한 것은 "소프트 전구"라고 불렸다.[143]

3. 2. 종류

백열등은 유리구 속에 텅스텐 필라멘트를 넣고, 내부를 진공으로 만들거나 질소, 아르곤과 같은 불활성 가스를 채운 것이다. 금속 부분은 전류를 전달하고 전구를 소켓에 고정하는 역할을 한다. 필라멘트는 20W 이하에서는 단일 코일, 그 이상에서는 이중 코일 형태로 되어 있다. 이중 코일은 가스 대류로 인한 열손실을 줄여 효율을 높인다. 가스를 채우는 이유는 텅스텐이 고온에서 증발하여 유리구 내면에 붙어 검게 되는 흑화 현상을 막기 위해서이다. 젖빛 유리를 사용하면 눈부심을 줄일 수 있다.[161]

청색 유리를 사용한 주광색 전구, 내열성 색소를 칠한 색전구, 순백색 산광성 도료를 칠한 전광전구, 유리구 모양을 반사갓 형태로 하고 내면을 도금한 리플렉터 램프 등 다양한 종류가 있다. 회중전등용 꼬마전구도 전압만 낮을 뿐 구조는 같다. 꼬마전구를 활용한 대표적인 예는 플래시 라이트(회중전등)이며, 건전지나 축전지를 전원으로 사용한다. 전구 수명은 최초 밝기의 80%가 될 때까지의 시간을 말하며, 현재 규격으로는 1000~1200시간이다. 전구는 함께 사용하는 기구(셰이드나 글로브)의 선택이 중요하며, 먼지가 묻지 않도록 손질하는 것도 중요하다. 일반 주택에서는 제곱미터당 약 10W 정도가 적당하다.[161]

대부분의 전구는 투명하거나 코팅된 유리로 만들어진다. 코팅 유리 전구는 내부에 카올린 점토를 불어넣고 정전기적으로 증착하여 만든다. 분말층은 필라멘트에서 나오는 빛을 확산시킨다. 점토에 안료를 첨가하여 빛의 색을 조절할 수 있다. 카올린 확산 전구는 부드러운 빛 때문에 실내 조명에 많이 쓰인다. 크리스마스 트리 조명 등에 사용되는 다양한 색전구는 코발트(파란색)나 크롬(녹색)과 같은 금속 도판트를 사용하여 유리를 착색하여 만든다.[98] 네오디뮴이 함유된 유리는 때때로 더 자연스러운 빛을 제공하는 데 사용된다.

일반 서비스 램프의 유리 전구는 200°C에서 260°C 사이의 온도에 도달할 수 있다. 고출력 작동용이나 난방용 램프는 경질 유리 또는 융용 실리카로 만들어진 외피를 갖는다.[71]

전구 외피에 누출이 발생하면 뜨거운 텅스텐 필라멘트가 공기와 반응하여 갈색 질화 텅스텐, 갈색 이산화 텅스텐, 자주색-파란색 산화 텅스텐, 노란색 삼산화 텅스텐의 에어로졸을 생성하고, 이는 인근 표면이나 전구 내부에 침착된다.

전구 모양과 크기는 국가 표준에 따라 지정된다. 일부 명칭은 하나 이상의 문자와 하나 이상의 숫자로 구성된다(예: A55, PAR38). 여기서 문자는 모양을, 숫자는 특징적인 크기를 나타낸다.

ANSI C79.1-2002, IS 14897:2000[129], JIS C 7710:1988[130]과 같은 국가 표준은 전구 모양에 대한 일반적인 용어를 다룬다.

전구 명칭 예시
설명SI인치세부 정보
"표준" 전구A60 E26A19 E26⌀60 mm (~⌀19/8 in) A형 전구, ⌀26 mm 에디슨 나사
캔들플레임 전구CA35 E12CA11 E12⌀35 mm (~⌀11/8 in) 캔들플레임 모양, ⌀12 mm 에디슨 나사
투광 조명BR95 E26BR30 E26⌀95 mm (~⌀30/8 in) 투광 조명, ⌀26 mm 에디슨 나사
할로겐 트랙 조명 전구MR50 GU5.3MR16 GU5.3⌀50 mm (~⌀16/8 in) 다면 반사경, 5.33 mm 간격의 12 V 바이핀 커넥터



일반적인 전구의 종류는 다음과 같다.


  • 일반 서비스/일반 조명 서비스(GLS): 거의 모든 방향으로 빛을 방출한다. 투명 또는 불투명으로 제공된다.
  • 종류: 일반(A), 타원형(E), 버섯형(M), 사인형(S), 관형(T)
  • 120V 크기: A17, 19 및 21
  • 230V 크기: A55 및 60

  • 고와트 일반 서비스: 200와트 이상의 램프
  • 종류: 배 모양(PS)

  • 장식용: 샹들리에 등에 사용된다. 작은 양초 크기의 전구는 더 작은 소켓을 사용할 수 있다.
  • 종류: 양초(B), 꼬인 양초, 굽은 끝 양초(CA 및 BA), 불꽃(F), 구형(G), 랜턴 굴뚝(H), 고급 둥근형(P)
  • 230V 크기: P45, G95

  • 반사경(R): 전구 내부의 반사 코팅이 빛을 앞으로 향하게 한다. 플러드형(FL)은 빛을 넓게 퍼뜨리고, 스팟형(SP)은 빛을 집중시킨다. 반사경(R) 전구는 동일 와트의 일반 서비스(A)보다 전면 중앙 영역에 약 두 배의 조도(foot-candles)를 제공한다.
  • 종류: 표준 반사경(R), 볼록 반사경(BR), 타원형 반사경(ER), 크라운 실버
  • 120V 크기: R16, 20, 25 및 30
  • 230V 크기: R50, 63, 80 및 95

  • 파라볼릭 알루미늄 반사경(PAR): PAR 전구는 빛을 더 정확하게 제어한다. 일반 서비스(A)보다 약 네 배의 집중된 광 강도를 생성하며 매입형 및 트랙 조명에 사용된다. 야외 스팟 및 플러드 조명 기구에는 방수 케이싱이 제공된다.
  • 120V 크기: PAR 16, 20, 30, 38, 56 및 64
  • 230V 크기: PAR 16, 20, 30, 38, 56 및 64
  • 여러 스팟 및 플러드 빔 확산으로 제공된다. 모든 전구와 마찬가지로 숫자는 전구의 직경을 1/8 인치로 나타낸다. 따라서 PAR 16의 직경은 약 5.08cm이고, PAR 20은 약 6.35cm, PAR 30은 약 9.53cm, PAR 38은 약 12.06cm이다.

  • 다면 반사경(MR): 다면 반사경 전구는 일반적으로 크기가 작고 전압이 낮으며, 종종 12V이다.

  • HIR/IRC: "HIR"은 적외선 반사 코팅이 된 램프에 대한 GE의 명칭이다. 열이 덜 빠져나가므로 필라멘트가 더 뜨겁고 효율적으로 연소된다.[131] 오스람의 유사한 코팅 명칭은 "IRC"이다.[132]


대형 전구는 하나 이상의 접점이 있는 나사 베이스 또는 바이오넷 베이스를 가질 수 있다. 바이오넷 베이스 전구는 진동으로 인한 느슨해짐을 방지하기 위해 자동차 램프에서 자주 사용된다. 일부 관형 전구는 양쪽 끝에 전기 접점이 있다. 소형 전구는 웨지 베이스와 와이어 접점을 가질 수 있으며, 일부 자동차 및 특수 목적 전구는 와이어에 연결하기 위한 나사 단자를 가지고 있다. 매우 작은 전구는 필라멘트 지지 와이어가 전구 바닥을 통해 연결을 위해 연장될 수 있다. 바이핀 베이스는 종종 할로겐 또는 반사경 전구에 사용된다.[133]

19세기 후반, 제조업체는 수많은 호환되지 않는 전구 베이스를 도입했다. 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 "마즈다" 표준 베이스 크기는 곧 미국 전역에서 채택되었다.

전구 베이스는 시멘트로 고정되거나 유리 전구에 몰딩된 홈에 기계적으로 압착하여 고정될 수 있다.

광학 시스템에서 사용하도록 설계된 전구는 필라멘트가 광학 시스템 내에서 정확하게 위치하도록 정렬 기능이 있는 베이스를 가지고 있다. 나사 베이스 전구는 전구가 소켓에 설치될 때 필라멘트의 방향이 임의적일 수 있다.

전구 소켓의 접점을 통해 전류가 베이스를 통해 필라멘트로 흐를 수 있다. 소켓은 전기 연결과 기계적 지지대를 제공하며, 전구가 타버렸을 때 전구를 교체할 수 있도록 한다.

전구의 구금 형태는 여러 종류가 있으며, 전구의 용도에 따라 선택된다. 구금은 국제 규격에 맞는 것이 많으며, 일본의 JIS 규격에서는 JIS C 7709에서 규정하고 있다.

  • E39: 200W 이상의 대형 전구용이다.
  • E26: 일반 전구 소켓, 특수 용도를 제외하고는 200W까지이다(IEC 60061-1(7004-21A-2)).
  • E17: 소형 전구 소켓, 크립톤 전구에 많다(IEC 60061-1(7004-26)).
  • E12: 상시등이나 표시등 등에 사용되는 소켓.
  • E11: 할로겐 전구에 사용된다.
  • E10: 豆電球용. 손전등이나 표시등에 사용된다.

4. 작동 원리 및 특성

백열전구는 전류를 흘려 텅스텐으로 만든 필라멘트를 가열하여 빛을 내는 방식으로 작동한다. 필라멘트는 전구 내에서 빛을 내는 핵심 요소이며, 오늘날에는 텅스텐을 사용한다. 텅스텐은 녹는점이 로 매우 높아 백열전구에 적합하다.

전류가 흐르면 필라멘트는 2,000,000에서 3,300,000까지 가열되어 흑체에 가까운 연속 스펙트럼의 빛을 방출한다.[80] 이 중 대부분은 적외선 형태의 열로 방출되고, 일부만 가시광선으로 방출된다.

25W 백열전구의 스펙트럼 분포


대부분의 현대 전구는 필라멘트의 증발과 산화를 막기 위해 불활성 기체로 채워져 있다. 초기 전구는 진공 상태였지만, 현대 전구는 주로 아르곤(93%)과 질소(7%) 혼합 기체를 사용한다.[100] 크립톤이나 크세논을 사용하면 효율을 높일 수 있지만, 비용이 비싸다.

전구 내부에 물이 있으면 백열등이 검게 변하는 현상을 가속화하므로, 기체 충전물에는 미량의 물도 포함되어서는 안 된다. 필라멘트 근처의 기체층(랭뮤어 층)은 정체되어 있으며, 열 전달은 열전도에 의해서만 발생한다. 필라멘트의 방향도 효율에 영향을 미치는데, 필라멘트와 평행한 기체 흐름은 열대류 손실을 줄여준다.

탄소는 모든 원소 중에서 가장 높은 녹는점을 가지고 있지만, 압력에 따라 녹는점에 도달하기 전에 승화되는 경향이 있어 진공 전구의 빠른 검게 변색을 초래했다. 최초로 상업적으로 성공한 전구 필라멘트는 탄화된 종이 또는 대나무로 만들어졌다. 이후 금속 필라멘트가 시도되었고, 1910년 윌리엄 D. 쿨리지가 연성 텅스텐 생산 공정을 개발하면서 텅스텐 필라멘트가 널리 사용되기 시작했다.[107]

섬유상 필라멘트 제작 방법


할로겐 램프 내부의 텅스텐 필라멘트


할로겐 램프는 일반 백열전구보다 더 높은 온도에서 필라멘트를 작동시킬 수 있어 효율이 높고 수명이 길다. 이는 램프 내부에 소량의 할로겐 가스를 채워 할로겐 사이클을 이용하기 때문이다.

백열전구의 변형된 형태로, 뜨거운 필라멘트 대신 구형 전극에 아크를 발생시켜 열을 생성하는 방식도 있었다. 이 램프는 현미경과 같은 과학 기구에 사용되었으나, 현재는 수은 및 제논 아크 램프로 대체되었다.[122][123][124]

백열등은 유리구 속에 텅스텐 필라멘트를 넣고 내부를 진공으로 만들거나 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 채운 것이다. 금속 부분은 전류를 전달하고 전구를 소켓에 고정하는 역할을 한다. 필라멘트는 20W 이하에서는 단일 코일, 그 이상에서는 2중 코일 형태로 되어 있다. 2중 코일은 가스 대류에 의한 열손실을 줄여 효율을 높인다. 가스를 채우는 이유는 텅스텐이 고온에서 증발하여 유리구 내면에 부착되는 흑화 현상을 막기 위해서이다. 젖빛 유리를 사용하면 눈부심을 줄일 수 있다.[161]

청색 유리를 사용한 주광색 전구, 내열성 색소를 칠한 색전구, 순백색 산광성 도료를 칠한 전광 전구, 유리구 모양을 반사갓 형태로 하고 내면을 도금한 리플렉터 램프 등 다양한 종류가 있다. 회중전등용 꼬마전구도 전압이 낮을 뿐 구조는 같다. 꼬마전구를 이용한 대표적인 예는 플래시 라이트(회중전등)이며, 건전지나 축전지가 전원으로 사용된다. 전구 수명은 최초 밝기의 80%가 될 때까지의 시간을 말하며, 현재 규격으로는 1000~1200시간이다. 전구는 함께 사용하는 기구(셰이드나 글로브)의 선택이 중요하며, 먼지가 묻지 않도록 손질하는 것도 중요하다. 일반 주택에서는 제곱미터당 약 10W 정도가 적당하다.[161]

백열등은 빛뿐만 아니라 열도 발생시키므로 작동 중에는 만지면 화상을 입을 수 있고, 물이 닿으면 파손되어 유리 파편이 튈 위험이 있다. 꺼진 후에도 일정 시간 열이 남아 있으므로 주의해야 한다.

백열등이 내는 빛의 스펙트럼은 같은 온도의 흑체 방사체의 스펙트럼과 매우 유사하다.[80] 색 지각의 표준으로 사용되는 광원의 기준은 특정 온도에서 작동하는 텅스텐 백열등이다.[81]

형광등, 고압 방전등, LED 램프와 같은 광원은 발광을 통해 빛을 생성하여 더 높은 광효율을 가진다. 이러한 광원은 열원에 의해 생성되는 연속 스펙트럼 대신 특징적인 파장의 띠를 가지며, 적외선 방출의 "꼬리"가 없다. 형광체 코팅이나 필터를 신중하게 선택하여 스펙트럼 분포를 조정함으로써, 방출되는 스펙트럼을 백열 광원 또는 다양한 색온도의 백색광과 비슷하게 만들 수 있다. 영화 촬영 조명과 같이 색에 민감한 작업에 사용되는 경우, 이러한 광원은 백열 조명의 외관을 재현하기 위해 특별한 기술이 필요할 수 있다.[82] 동시성은 서로 다른 빛 스펙트럼 분포가 색 지각에 미치는 영향을 설명한다.

대부분의 현대 전구는 필라멘트의 증발을 줄이고 산화를 막기 위해 불활성 기체로 채워져 있다. 기체의 압력은 약 70kPa이다.[99]

기체는 필라멘트의 증발을 줄이지만, 열 손실을 막기 위해 충전 기체를 신중하게 선택해야 한다. 화학적 불활성과 높은 원자 또는 분자량이 이러한 특성에 유리하다. 기체 분자가 방출된 텅스텐 원자를 필라멘트로 되돌려 보내면 증발이 줄어들고 수명을 단축시키지 않고도 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 반면에, 기체의 존재는 열전도 및 열대류에 의해 필라멘트에서 열 손실을 초래한다.

가장 일반적으로 사용되는 충전 기체는 다음과 같다.[100]

  • 진공: 소형 전구에 사용된다. 필라멘트의 단열을 극대화하지만 증발로부터 보호하지는 않는다. 외부 전구 표면 온도를 제한해야 하는 대형 전구에도 사용된다.
  • 아르곤(93%)과 질소(7%): 아르곤은 불활성, 낮은 열전도율, 저렴한 비용 때문에 사용되며, 질소는 내전압을 높이고 필라멘트 부분 간의 아크 발생을 방지하기 위해 첨가된다.[99]
  • 질소: 일부 고출력 전구(예: 프로젝션 램프) 및 필라멘트 부품 또는 도입선의 근접성으로 인해 더 높은 내전압이 필요한 경우에 사용된다.
  • 크립톤: 더 높은 원자량과 낮은 열전도율로 아르곤보다 유리하지만, 높은 비용으로 인해 주로 소형 전구에만 사용된다.
  • 크립톤과 크세논 혼합: 크세논은 더 높은 원자량으로 인해 기체 특성을 더욱 향상시키지만, 매우 높은 비용으로 인해 사용이 제한된다. 크세논을 사용함으로써 얻는 개선은 비용에 비해 미미하다.
  • 수소: 빠른 필라멘트 냉각이 필요한 특수 플래시 램프에 사용되며, 높은 열전도율을 활용한다.


기체 충전물에는 백열등의 검게 변색을 가속화하는 물의 미량이 포함되어서는 안 된다.

필라멘트 근처의 기체층(랭뮤어 층)은 정체되어 있으며, 열 전달은 전도에 의해서만 발생한다. 어느 정도 거리가 있어야 대류가 발생하여 열을 전구의 외피로 운반한다.

필라멘트의 방향은 효율에 영향을 미친다. 예를 들어, 수직으로 배향된 전구에 수직 필라멘트가 있는 경우처럼 필라멘트와 평행한 기체 흐름은 대류 손실을 줄인다.

램프의 효율은 더 큰 필라멘트 직경으로 증가한다. 가는 필라멘트 저전력 전구는 충전 기체의 이점을 덜 누리므로 종종 진공 상태로 유지된다.

2200 K 백열등의 스펙트럼. 방출되는 빛 대부분이 보이지 않는 적외선 영역이다.


백열전구의 열화상.


일반적인 백열전구는 소비 전력의 5% 미만만 가시광선으로 변환되고, 나머지는 대부분 적외선으로 방출된다.[1][73] 전구는 소비 전력 대비 방출되는 가시광선의 양(광속)의 비율인 광속 효율로 등급이 매겨지며, 와트당 루멘(lm/W)으로 측정된다.

광원의 광속 ''효율''은 광속 효율과 최대 가능 광속 효율(683 lm/W)의 비율로 정의된다.[75][76] 이상적인 백색광 광원은 와트당 약 250루멘을 생성할 수 있으며, 이는 광속 효율 37%에 해당한다.[77]

냉방 시스템을 사용하는 건물에서는 백열등의 열 출력이 냉방 시스템의 부하를 증가시킨다.[78]

유형전체 광속 효율전체 광속 효율 (lm/W)
40 W 텅스텐 백열전구 (120 V, 일반용)1.9%12.6[1]
60 W 텅스텐 백열전구 (120 V, 일반용)2.1%14.5[1]
100 W 텅스텐 백열전구 (120 V, 일반용)2.6%17.5[1]
유리 할로겐2.3%16
석영 할로겐3.5%24
매우 높은 필라멘트 온도와 짧은 수명을 가진 사진 및 프로젝션 램프5.1%35[79]
텅스텐 필라멘트 백열전구의 이론적 최대값7.6%52[71]



어빙 랭뮤어는 진공 대신 불활성 기체를 사용하면 증발을 늦출 수 있음을 발견했다. 25와트 이상의 일반용 백열전구는 대부분 아르곤과 약간의 질소,[110] 또는 크립톤[111]으로 채워져 있다. 크세논 기체는 높은 분자량으로 인해 효율을 향상시키지만 더 비싸기 때문에 소형 전구에만 사용된다.[112]

''필라멘트 노칭(notch)''은 필라멘트의 불균일한 증발로 인해 발생한다. 필라멘트를 따라 저항의 작은 변화는 저항이 더 높은 지점에 "핫스팟"을 형성한다.[72] 지름의 1% 변화는 수명을 25% 단축시킨다.[71]

직류로 작동하는 전구는 필라멘트 표면에 무작위 계단형 불규칙성이 생겨 교류 작동에 비해 수명이 절반으로 줄어들 수 있다. 이 효과를 상쇄하기 위해 텅스텐과 레늄의 합금을 사용할 수 있다.[113][114]

기체로 채워진 전구에서 필라멘트가 끊어지면 전기 아크가 형성될 수 있으므로, 얇은 도입선이나 보호 장치를 퓨즈로 사용하기도 한다.[115] 고전압 전구에는 질소를 더 많이 사용하여 아크 발생 가능성을 줄인다.[110]

일반적인 전구에서 증발된 텅스텐은 유리 갓 내부에 응축되어 검게 만든다. 진공 전구에서는 갓 전체에 균일하게 어두워진다. 불활성 기체를 채운 경우, 증발된 텅스텐은 기체의 열 대류에 실려 갓의 위쪽에 우선적으로 침착된다. IEC 간행물 60064에 따르면, 정격 수명의 75%에서 초기 광 출력의 93% 이하를 내는 백열등은 불만족스러운 것으로 간주된다.[116]

전구 내부에 아주 소량의 수증기가 있으면 전구의 어두워짐이 크게 증가한다. 수증기는 뜨거운 필라멘트에서 분해되어 수소와 산소로 변한다. 산소는 텅스텐을 공격하고, 생성된 산화 텅스텐 입자는 전구의 더 차가운 부분으로 이동한다. 수증기의 수소는 산화물을 환원시켜 수증기를 다시 형성하고 이러한 ''물 순환''을 계속한다.[72] 지르코늄과 같은 소량의 물질은 게터로서 전구 내부에 배치되어 산소와 반응한다.[120]

할로겐 램프는 램프 내부에 저압의 할로겐 가스와 불활성 가스를 채워 필라멘트의 불균일한 증발을 줄이고, 램프의 검게 변하는 것을 방지한다. 할로겐 사이클은 전구의 수명을 연장하고, 전구 내부에서 필라멘트로 텅스텐을 재증착하여 전구의 검게 변하는 것을 방지한다.

백열전구는 역률이 1인 저항 부하이다. 방전등이나 LED등과 달리 소비 전력은 회로의 피상 전력과 같다. 백열전구는 일반적으로 소비되는 전력에 따라 판매된다.

텅스텐 필라멘트의 저항은 온도에 따라 달라진다. 텅스텐 필라멘트 전구의 냉저항은 작동 시 저항의 약 1/15이다. 예를 들어, 100와트, 120볼트 전구는 점등 시 저항이 144옴이지만, 냉저항은 훨씬 낮다(약 9.5옴).[71] 백열등은 저항 부하이므로, 트라이액 다이머를 사용하여 밝기를 제어할 수 있다.

백열전구는 공급 전압의 변화에 매우 민감하다. 정격 전압 ''V'' 근처의 공급 전압의 경우, 광 출력은 대략 ''V''3.4, 전력 소비량은 대략 ''V''1.6, 수명은 대략 ''V''−16, 색온도는 대략 ''V''0.42에 비례한다.[134]

전압을 5% 낮추면 전구의 수명은 두 배가 되지만 광 출력은 약 16% 감소한다. 장수명 전구는 이러한 절충점을 활용한다. 사용하는 전기에너지 비용이 전구 비용보다 더 비싸기 때문에 일반 서비스용 전구는 긴 수명보다 효율성을 중시한다. 목표는 전구 비용이 아니라 조명 비용을 최소화하는 것이다.[71] 초기 전구의 수명은 최대 2500시간이었지만, 1924년 포이부스 카르텔은 수명을 1000시간으로 제한하기로 합의했다.[135]

위의 관계는 전압이 몇 퍼센트만 변화할 때만 유효하지만, 저전압으로 작동하는 램프는 광 출력이 크게 감소하더라도 정격 전압보다 훨씬 오래 지속될 수 있음을 나타낸다. "센테니얼 램프"는 1901년부터 캘리포니아주 리버모어의 소방서에서 거의 계속 켜져 있었던 것으로 ''기네스 세계 기록''에 등재된 전구이다. 그러나 이 전구는 4와트 전구와 동등한 빛을 방출한다.[137]

포토플러드 램프는 수명보다 광 출력을 우선시하며, 일부는 2시간밖에 지속되지 않는다. 필라멘트의 최고 온도 한계는 금속의 용융점이다. 텅스텐은 가장 높은 용융점을 가진 금속이다.

동일한 정격 전력이지만 다른 전압으로 설계된 램프는 광속 효율이 다르다. 예를 들어, 100와트, 1000시간, 120볼트 램프는 와트당 약 17.1루멘을 생성한다. 230볼트용으로 설계된 유사한 램프는 와트당 약 12.8루멘만 생성하고, 30볼트(열차 조명)용으로 설계된 램프는 와트당 최대 19.8루멘을 생성한다.[71] 저전압 램프는 동일한 정격 전력에서 더 두꺼운 필라멘트를 가지고 있다.

전간기에는, 대형 백열전구 제조업체가 포이부스 카르텔을 결성하여 백열전구의 수명을 1000시간으로 제한하고 있었다. 제2차 세계 대전 후에는 카르텔은 소멸했지만, 1000시간의 수명은 그 후에도 계승된 형태가 되고 있다.

백열등에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 흑체 복사에 가깝다. 전력의 대부분이 적외선과 열로 변환되기 때문에 발광 효율이 낮다. 일상적으로 사용되는 100W 가스 충전 백열전구의 경우, 가시광선 방사에 사용되는 전력은 약 10%이며, 적외선 방사는 72%이고, 나머지는 열전도에 의해 소모된다.

일반적인 인공 광원 중에서 연색성이 특히 뛰어나 사진, 영화, 텔레비전 촬영 광원으로 널리 이용된다. 연색성의 기준이 되는 광원은 전용 백열전구와 특수한 광학 필터의 조합으로 정의되어 있다(CIE표준광).

2010년대 중반까지 일반적으로 사용되었고, 전기식 조명 장치로서는 세계적으로 표준적인 것이었다.

2010년대에 LED 전구로의 교체가 급격히 진행되었지만, 2010년대에도 연구는 계속되고 있다.

현재 시판되는 백열전구의 대부분은 수명이 약 1000시간 정도이다. 하지만 사용 환경에 따라 전압이 높은 경우도 있으며, 이 경우 수명이 짧아진다.

2200~2700℃의 고온이 되는 필라멘트는 구성하는 재료(오늘날 거의 대부분 텅스텐이다)가 점등 시간의 누적에 따라 점차 증발하여 가늘어짐으로써 재료 강도가 없어지고, 최종적으로 파손되어 수명이 다한다. 또한 승화한 텅스텐이 유리구 내부에 부착되어, 가시 방사 효율 저하의 원인이 되기도 한다.

유리구 내부를 불활성 기체로 채움으로써 승화를 억제할 수 있지만, 기체 중으로의 열전도에 의한 손실이 커진다. 오늘날 사용되는 백열전구의 대부분은 '''가스 충전 백열전구'''라고 불리는 유형의 것으로, 봉입하는 불활성 기체로는 일반적으로 희유 기체가 사용되지만, 분자량이 큰 것일수록 열전도에 의한 손실이 적어지기 때문에 질소나 아르곤 이외에 고가의 크립톤 또는 크세논을 사용한 것도 있다.

봉입 기체에 할로겐(요오드, 브롬, 염소 또는 그 화합물)을 미량 혼합하고, 유리구 부분이 고온이 되도록 설계함으로써, 승화한 텅스텐을 필라멘트로 환원시키는 것도 있다(할로겐 램프).

필라멘트의 온도를 높게 설정하면 방사광 중의 가시광선 성분이 많아지고, 발광 효율이 상승하지만, 그만큼 필라멘트의 증발도 커지고 전구의 수명이 짧아진다. 할로겐 램프의 경우, 필라멘트의 온도가 같다면 일반적인 가스 충전 백열전구의 수 배의 수명이 되지만, 그 온도를 높게 설정하고, 수명은 같지만 효율이 높은 전구로 할 수도 있다.

필라멘트의 온도를 낮게 설정하여 수명을 연장한 제품도 존재한다.

전력에 따른 효율 비교
120볼트 전구[125]230볼트 전구[126]
전력 (W)광속 (lm)효율 (lm/W)광속 (lm)효율 (lm/W)
5255
151107.3
252008.02309.2
4050012.543010.8
6085014.273012.2
751,20016.0
1001,70017.01,38013.8
1502,85019.02,22014.8
2003,90019.53,15015.8
3006,20020.75,00016.7
5008,40016.8



백열등은 역률이 1인 거의 순수 저항 부하이다. 방전등이나 LED등과 달리 소비 전력은 회로의 피상 전력과 같다. 백열전구는 일반적으로 소비되는 전력에 따라 판매되며, 이는 주로 필라멘트의 작동 저항에 따라 달라진다. 같은 전압과 종류의 두 전구에서 고출력 전구가 더 많은 빛을 낸다.

위 표는 다양한 전력에서 표준 120볼트 백열전구의 대략적인 일반적인 출력(루멘)을 보여준다. 유사한 230V 전구의 광 출력은 약간 낮다. 낮은 전류(고전압) 필라멘트는 더 가늘고 동일한 수명을 위해 약간 낮은 온도에서 작동해야 하며, 이는 에너지 효율을 낮춘다.[127] 동일한 전력에서 "소프트 화이트" 전구의 루멘 값은 일반적으로 투명 전구보다 약간 낮다.

텅스텐 필라멘트의 저항은 온도에 따라 달라진다. 텅스텐 필라멘트 전구의 냉저항은 작동 시 저항의 약 1/15이다. 예를 들어, 100와트, 120볼트 전구는 점등 시 저항이 144옴이지만, 냉저항은 훨씬 낮다(약 9.5옴).[71] 백열등은 저항 부하이므로, 간단한 위상 제어 트라이액 다이머를 사용하여 밝기를 제어할 수 있다. 전기 접점에는 텅스텐 전구의 높은 돌입 전류 특성을 가진 회로를 제어하도록 설계되었음을 나타내는 "T" 등급 기호가 표시될 수 있다. 100와트, 120볼트 일반 용도 전구의 경우 전류는 약 0.10초 만에 안정화되고, 전구는 약 0.13초 후에 최대 밝기의 90%에 도달한다.

백열등에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 흑체 복사에 가깝다. 전력의 대부분이 적외선과 열로 변환되기 때문에 발광 효율이 낮다. 일상적으로 사용되는 100W 가스 충전 백열전구의 경우, 가시광선 방사에 사용되는 전력은 약 10%이며, 적외선 방사는 72%이고, 나머지는 열전도에 의해 소모된다.

대신, 일반적인 인공 광원 중에서 연색성이 특히 뛰어나 사진, 영화, 텔레비전 촬영 광원으로 널리 이용된다. 연색성의 기준이 되는 광원은 전용 백열전구와 특수한 광학 필터의 조합으로 정의되어 있다(CIE표준광).

백열전구의 밝기는 과거에는 촉광(칸델라(cd)와 거의 같음)을 단위로 하는 광도로 나타냈지만, 현재는 와트(W)를 단위로 하는 소비 전력으로 밝기를 표시한다.[146] 단, 밝기를 W로 표시하는 것은 백열전구에만 해당하며, 다른 광원인 전구형 형광등과 LED 전구는 전체 광속(단위: 루멘[lm])으로 표시하는 것이 업계 단체의 규정으로 정해져 있다.[147]

과거 백열전구가 일반적으로 판매되던 시대에는 40W, 60W, 100W의 3가지 종류가 일반적이었다. 이 외에도 제조업체에 따라 10W, 30W, 50W, 80W 등의 종류도 판매되었지만, 80W 전구의 판매가 드물었던 것은 실제 밝기로는 80W와 100W의 차이가 없고, 100W가 약간 더 밝게 느껴지기 때문에 80W보다 100W가 더 많이 유통되었기 때문이라고 한다.[148]

4. 1. 작동 원리

백열전구는 전류를 흘려 텅스텐으로 만든 필라멘트를 가열하여 빛을 내는 방식이다. 필라멘트는 전구 내에서 빛을 내는 핵심 요소이다. 과거에는 탄소나 대나무로 만들었지만, 오늘날에는 텅스텐을 사용한다. 텅스텐은 녹는점이 로 매우 높아 백열전구에 적합하다.

전류가 흐르면 필라멘트는 2,000,000에서 3,300,000까지 가열되어 흑체에 가까운 연속 스펙트럼의 빛을 방출한다. 이 중 대부분은 적외선 형태의 열로 방출되고, 일부만 가시광선으로 방출된다.[80]

대부분의 현대적인 전구는 필라멘트의 증발과 산화를 막기 위해 불활성 기체로 채워져 있다. 초기 전구는 진공 상태였지만, 현대 전구는 주로 아르곤(93%)과 질소(7%) 혼합 기체를 사용한다.[100] 크립톤이나 크세논을 사용하면 효율을 높일 수 있지만, 비용이 비싸다는 단점이 있다.[100]

전구 내부에 물이 있으면 백열등이 검게 변하는 현상을 가속화하므로, 기체 충전물에는 미량의 물도 포함되어서는 안 된다. 필라멘트 근처의 기체층(랭뮤어 층)은 정체되어 있으며, 열 전달은 전도에 의해서만 발생한다. 필라멘트의 방향도 효율에 영향을 미치는데, 필라멘트와 평행한 기체 흐름은 대류 손실을 줄여준다.

탄소 필라멘트는 초기 전구에 사용되었지만, 승화되는 경향이 있어 전구가 빠르게 검게 변색되는 문제가 있었다. 이후 금속 필라멘트가 시도되었고, 1910년 윌리엄 D. 쿨리지가 연성 텅스텐 생산 공정을 개발하면서 텅스텐 필라멘트가 널리 사용되기 시작했다.[107]

할로겐 램프는 일반 백열전구보다 더 높은 온도에서 필라멘트를 작동시킬 수 있어 효율이 높고 수명이 길다. 이는 램프 내부에 소량의 할로겐 가스를 채워 할로겐 사이클을 이용하기 때문이다. 할로겐 사이클은 증발된 텅스텐을 필라멘트로 다시 되돌려 보내 전구의 수명을 연장하고 검게 변하는 것을 방지한다.

백열전구의 변형된 형태로, 뜨거운 필라멘트 대신 구형 전극에 아크를 발생시켜 열을 생성하는 방식도 있었다. 이 램프는 현미경과 같은 과학 기구에 사용되었으나, 현재는 수은 및 제논 아크 램프로 대체되었다.[122][123][124]

4. 2. 특성

백열등은 유리구 속에 텅스텐 필라멘트를 넣고 내부를 진공으로 만들거나 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 채운 것이다. 금속 부분은 전류를 전달하고 전구를 소켓에 고정하는 역할을 한다. 필라멘트는 20W 이하에서는 단일 코일, 그 이상에서는 2중 코일 형태로 되어 있다. 2중 코일은 가스 대류에 의한 열손실을 줄여 효율을 높인다. 가스를 채우는 이유는 텅스텐이 고온에서 증발하여 유리구 내면에 부착되는 흑화 현상을 막기 위해서이다. 젖빛 유리를 사용하면 눈부심을 줄일 수 있다.[161]

청색 유리를 사용한 주광색 전구, 내열성 색소를 칠한 색전구, 순백색 산광성 도료를 칠한 전광 전구, 유리구 모양을 반사갓 형태로 하고 내면을 도금한 리플렉터 램프 등 다양한 종류가 있다. 회중전등용 꼬마전구도 전압이 낮을 뿐 구조는 같다. 꼬마전구를 이용한 대표적인 예는 플래시 라이트(회중전등)이며, 건전지나 축전지가 전원으로 사용된다. 전구 수명은 최초 밝기의 80%가 될 때까지의 시간을 말하며, 현재 규격으로는 1000~1200시간이다. 전구는 함께 사용하는 기구(셰이드나 글로브)의 선택이 중요하며, 먼지가 묻지 않도록 손질하는 것도 중요하다. 일반 주택에서는 제곱미터당 약 10W 정도가 적당하다.[161]

백열등은 빛뿐만 아니라 열도 발생시키므로 작동 중에는 만지면 화상을 입을 수 있고, 물이 닿으면 파손되어 유리 파편이 튈 위험이 있다. 꺼진 후에도 일정 시간 열이 남아 있으므로 주의해야 한다.

백열등이 내는 빛의 스펙트럼은 같은 온도의 흑체 방사체의 스펙트럼과 매우 유사하다.[80] 색 지각의 표준으로 사용되는 광원의 기준은 특정 온도에서 작동하는 텅스텐 백열등이다.[81]

형광등, 고압 방전등, LED 램프와 같은 광원은 발광을 통해 빛을 생성하여 더 높은 광효율을 가진다. 이러한 광원은 열원에 의해 생성되는 연속 스펙트럼 대신 특징적인 파장의 띠를 가지며, 적외선 방출의 "꼬리"가 없다. 형광체 코팅이나 필터를 신중하게 선택하여 스펙트럼 분포를 조정함으로써, 방출되는 스펙트럼을 백열 광원 또는 다양한 색온도의 백색광과 비슷하게 만들 수 있다. 영화 촬영 조명과 같이 색에 민감한 작업에 사용되는 경우, 이러한 광원은 백열 조명의 외관을 재현하기 위해 특별한 기술이 필요할 수 있다.[82] 동시성은 서로 다른 빛 스펙트럼 분포가 색 지각에 미치는 영향을 설명한다.

대부분의 현대 전구는 필라멘트의 증발을 줄이고 산화를 막기 위해 불활성 기체로 채워져 있다. 기체의 압력은 약 70kPa이다.[99]

기체는 필라멘트의 증발을 줄이지만, 열 손실을 막기 위해 충전 기체를 신중하게 선택해야 한다. 화학적 불활성과 높은 원자 또는 분자량이 이러한 특성에 유리하다. 기체 분자가 방출된 텅스텐 원자를 필라멘트로 되돌려 보내면 증발이 줄어들고 수명을 단축시키지 않고도 더 높은 온도에서 작동할 수 있다. 반면에, 기체의 존재는 열전도 및 열대류에 의해 필라멘트에서 열 손실을 초래한다.

초기 전구는 필라멘트를 산소로부터 보호하기 위해 진공만을 사용했다. 진공은 필라멘트의 증발을 증가시키지만 두 가지 열 손실 방식을 제거한다. 일부 소형 현대 전구도 진공을 사용한다.

가장 일반적으로 사용되는 충전 기체는 다음과 같다.[100]

  • 진공: 소형 전구에 사용된다. 필라멘트의 단열을 극대화하지만 증발로부터 보호하지는 않는다. 외부 전구 표면 온도를 제한해야 하는 대형 전구에도 사용된다.
  • 아르곤(93%)과 질소(7%): 아르곤은 불활성, 낮은 열전도율, 저렴한 비용 때문에 사용되며, 질소는 내전압을 높이고 필라멘트 부분 간의 아크 발생을 방지하기 위해 첨가된다.[99]
  • 질소: 일부 고출력 전구(예: 프로젝션 램프) 및 필라멘트 부품 또는 도입선의 근접성으로 인해 더 높은 내전압이 필요한 경우에 사용된다.
  • 크립톤: 더 높은 원자량과 낮은 열전도율로 아르곤보다 유리하지만, 높은 비용으로 인해 주로 소형 전구에만 사용된다.
  • 크립톤과 크세논 혼합: 크세논은 더 높은 원자량으로 인해 기체 특성을 더욱 향상시키지만, 매우 높은 비용으로 인해 사용이 제한된다. 크세논을 사용함으로써 얻는 개선은 비용에 비해 미미하다.
  • 수소: 빠른 필라멘트 냉각이 필요한 특수 플래시 램프에 사용되며, 높은 열전도율을 활용한다.
  • 할로겐: 불활성 기체와 소량 혼합. 할로겐 램프에 사용되며, 이는 별개의 백열등 유형이다.


기체 충전물에는 백열등의 검게 변색을 가속화하는 물의 미량이 포함되어서는 안 된다.

필라멘트 근처의 기체층(랭뮤어 층)은 정체되어 있으며, 열 전달은 전도에 의해서만 발생한다. 어느 정도 거리가 있어야 대류가 발생하여 열을 전구의 외피로 운반한다.

필라멘트의 방향은 효율에 영향을 미친다. 예를 들어, 수직으로 배향된 전구에 수직 필라멘트가 있는 경우처럼 필라멘트와 평행한 기체 흐름은 대류 손실을 줄인다.

램프의 효율은 더 큰 필라멘트 직경으로 증가한다. 가는 필라멘트 저전력 전구는 충전 기체의 이점을 덜 누리므로 종종 진공 상태로 유지된다.

탄소는 모든 원소 중에서 가장 높은 녹는점을 가지고 있으며, 탄소 아크 램프에서 태양광에 가까운 백열광을 생성하는 것으로 입증되었다. 그러나 탄소는 압력에 따라 녹는점에 도달하기 전에 승화되는 경향이 있어 진공 전구의 빠른 검게 변색을 초래했다. 최초로 상업적으로 성공한 전구 필라멘트는 탄화된 종이 또는 대나무로 만들어졌다. 탄소 필라멘트는 음의 온도 저항 계수를 가지고 있어 온도가 높아질수록 전기 저항이 감소한다. 이로 인해 전력 공급의 변동에 따라 램프가 민감해졌다.

탄소 필라멘트는 탄화수소 증기(일반적으로 가솔린)로 가열하여 강도와 균일성을 개선했다. 금속화 또는 "흑연화"된 필라멘트는 먼저 고온으로 가열하여 흑연으로 변환하여 필라멘트의 강도와 매끄러움을 더욱 향상시켰다. 이러한 필라멘트는 금속 전도체와 같이 양의 온도 계수를 가지므로 전원 전압의 미세한 변화에 대한 램프 작동 특성을 안정화시켰다.

1897년에 금속 필라멘트가 시도되었고[106] 1904년경부터 탄소를 대체하기 시작했다. 텅스텐은 가장 높은 녹는점을 가지고 있지만 취성이 큰 장애물이었다. 1910년까지 윌리엄 D. 쿨리지가 제너럴 일렉트릭에서 연성 텅스텐을 생산하는 공정을 개발했다. 이 공정은 텅스텐 분말을 막대 모양으로 압축한 다음 소결, 스웨이징, 와이어 드로잉의 여러 단계를 거쳐야 했다. 매우 순수한 텅스텐은 사용 중에 처짐이 발생하는 필라멘트를 형성하는 것으로 나타났으며, 칼륨, 실리콘, 알루미늄 산화물로 매우 적은 양의 "도핑" 처리(소위 AKS 텅스텐)가 텅스텐 필라멘트의 수명과 내구성을 크게 향상시켰다.[107]

현재에도 텅스텐 필라멘트의 주요 고장 메커니즘은 확산 크리프에 의해 수용되는 입계 미끄러짐이다.[108] 작동 중에 텅스텐 와이어는 자체 무게의 하중을 받고 고온에서 발생할 수 있는 확산으로 인해 결정이 회전하고 미끄러지기 시작한다. 필라멘트의 변화로 인해 발생하는 이러한 응력은 필라멘트가 불균일하게 처지게 하여 결국 필라멘트에 추가적인 토크를 발생시킨다.[108] 바로 이러한 처짐으로 인해 필라멘트가 파열되어 백열 전구를 사용할 수 없게 된다.[108]

전력에 따른 효율 비교
120볼트 전구[125]230볼트 전구[126]
전력 (W)광속 (lm)효율 (lm/W)광속 (lm)효율 (lm/W)
5255
151107.3
252008.02309.2
4050012.543010.8
6085014.273012.2
751,20016.0
1001,70017.01,38013.8
1502,85019.02,22014.8
2003,90019.53,15015.8
3006,20020.75,00016.7
5008,40016.8



백열등은 역률이 1인 거의 순수 저항 부하이다. 방전등이나 LED등과 달리 소비 전력은 회로의 피상 전력과 같다. 백열전구는 일반적으로 소비되는 전력에 따라 판매되며, 이는 주로 필라멘트의 작동 저항에 따라 달라진다. 같은 전압과 종류의 두 전구에서 고출력 전구가 더 많은 빛을 낸다.

위 표는 다양한 전력에서 표준 120볼트 백열전구의 대략적인 일반적인 출력(루멘)을 보여준다. 유사한 230V 전구의 광 출력은 약간 낮다. 낮은 전류(고전압) 필라멘트는 더 가늘고 동일한 수명을 위해 약간 낮은 온도에서 작동해야 하며, 이는 에너지 효율을 낮춘다.[127] 동일한 전력에서 "소프트 화이트" 전구의 루멘 값은 일반적으로 투명 전구보다 약간 낮다.

텅스텐 필라멘트의 저항은 온도에 따라 달라진다. 텅스텐 필라멘트 전구의 냉저항은 작동 시 저항의 약 1/15이다. 예를 들어, 100와트, 120볼트 전구는 점등 시 저항이 144옴이지만, 냉저항은 훨씬 낮다(약 9.5옴).[71] 백열등은 저항 부하이므로, 간단한 위상 제어 트라이액 다이머를 사용하여 밝기를 제어할 수 있다. 전기 접점에는 텅스텐 전구의 높은 돌입 전류 특성을 가진 회로를 제어하도록 설계되었음을 나타내는 "T" 등급 기호가 표시될 수 있다. 100와트, 120볼트 일반 용도 전구의 경우 전류는 약 0.10초 만에 안정화되고, 전구는 약 0.13초 후에 최대 밝기의 90%에 도달한다.

백열등에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 흑체 복사에 가깝다. 전력의 대부분이 적외선과 열로 변환되기 때문에 발광 효율이 낮다. 일상적으로 사용되는 100W 가스 충전 백열전구의 경우, 가시광선 방사에 사용되는 전력은 약 10%이며, 적외선 방사는 72%이고, 나머지는 열전도에 의해 소모된다.

대신, 일반적인 인공 광원 중에서 연색성이 특히 뛰어나 사진, 영화, 텔레비전 촬영 광원으로 널리 이용된다. 연색성의 기준이 되는 광원은 전용 백열전구와 특수한 광학 필터의 조합으로 정의되어 있다(CIE표준광).

백열전구의 밝기는 과거에는 촉광(칸델라(cd)와 거의 같음)을 단위로 하는 광도로 나타냈지만, 현재는 와트(W)를 단위로 하는 소비 전력으로 밝기를 표시한다.[146] 단, 밝기를 W로 표시하는 것은 백열전구에만 해당하며, 다른 광원인 전구형 형광등과 LED 전구는 전체 광속(단위: 루멘[lm])으로 표시하는 것이 업계 단체의 규정으로 정해져 있다.[147]

과거 백열전구가 일반적으로 판매되던 시대에는 40W, 60W, 100W의 3가지 종류가 일반적이었다. 이 외에도 제조업체에 따라 10W, 30W, 50W, 80W 등의 종류도 판매되었지만, 80W 전구의 판매가 드물었던 것은 실제 밝기로는 80W와 100W의 차이가 없고, 100W가 약간 더 밝게 느껴지기 때문에 80W보다 100W가 더 많이 유통되었기 때문이라고 한다.[148]

4. 3. 효율 및 수명

백열등은 유리구 속에 텅스텐 필라멘트를 넣고 내부를 진공으로 만들거나 질소, 아르곤 등의 불활성 가스를 채운 것이다. 필라멘트는 20W 이하에서는 단일 코일, 그 이상에서는 이중 코일 형태로 되어 있다. 이중 코일은 봉입 가스의 대류로 인한 열손실을 줄여 효율을 높인다. 가스를 봉입하는 것은 텅스텐이 고온에서 증발하여 유리구 내면에 부착되는 흑화 현상을 방지하기 위해서이다.[161]

전구는 최초 밝기의 80%가 될 때까지의 시간을 수명으로 하며, 현재 규격으로는 1000~1200시간이다. 일반 주택에서는 제곱미터당 약 10W 정도가 적당하다.[161]

빛뿐만 아니라 열도 발생시키므로 작동 중에는 화상에 주의해야 하며, 물이 닿으면 파손될 위험이 있다. 꺼진 후에도 일정 기간 열이 남아 있으므로 주의해야 한다.

일반적인 백열전구는 소비 전력의 5% 미만만 가시광선으로 변환되고, 나머지는 대부분 적외선으로 방출된다.[1][73] 전구는 소비 전력 대비 방출되는 가시광선의 양(광속)의 비율인 광속 효율로 등급이 매겨지며, 와트당 루멘(lm/W)으로 측정된다.

광원의 광속 ''효율''은 광속 효율과 최대 가능 광속 효율(683 lm/W)의 비율로 정의된다.[75][76] 이상적인 백색광 광원은 와트당 약 250루멘을 생성할 수 있으며, 이는 광속 효율 37%에 해당한다.[77]

냉방 시스템을 사용하는 건물에서는 백열등의 열 출력이 냉방 시스템의 부하를 증가시킨다.[78]

유형전체 광속 효율전체 광속 효율 (lm/W)
40 W 텅스텐 백열전구 (120 V, 일반용)1.9%12.6[1]
60 W 텅스텐 백열전구 (120 V, 일반용)2.1%14.5[1]
100 W 텅스텐 백열전구 (120 V, 일반용)2.6%17.5[1]
유리 할로겐2.3%16
석영 할로겐3.5%24
매우 높은 필라멘트 온도와 짧은 수명을 가진 사진 및 프로젝션 램프5.1%35[79]
텅스텐 필라멘트 백열전구의 이론적 최대값7.6%52[71]



어빙 랭뮤어는 진공 대신 불활성 기체를 사용하면 증발을 늦출 수 있음을 발견했다. 25와트 이상의 일반용 백열전구는 대부분 아르곤과 약간의 질소,[110] 또는 크립톤[111]으로 채워져 있다. 크세논 기체는 높은 분자량으로 인해 효율을 향상시키지만 더 비싸기 때문에 소형 전구에만 사용된다.[112]

''필라멘트 노칭(notch)''은 필라멘트의 불균일한 증발로 인해 발생한다. 필라멘트를 따라 저항의 작은 변화는 저항이 더 높은 지점에 "핫스팟"을 형성한다.[72] 지름의 1% 변화는 수명을 25% 단축시킨다.[71]

직류로 작동하는 전구는 필라멘트 표면에 무작위 계단형 불규칙성이 생겨 교류 작동에 비해 수명이 절반으로 줄어들 수 있다. 이 효과를 상쇄하기 위해 텅스텐과 레늄의 합금을 사용할 수 있다.[113][114]

기체로 채워진 전구에서 필라멘트가 끊어지면 전기 아크가 형성될 수 있으므로, 얇은 도입선이나 보호 장치를 퓨즈로 사용하기도 한다.[115] 고전압 전구에는 질소를 더 많이 사용하여 아크 발생 가능성을 줄인다.[110]

일반적인 전구에서 증발된 텅스텐은 유리 갓 내부에 응축되어 검게 만든다. 진공 전구에서는 갓 전체에 균일하게 어두워진다. 불활성 기체를 채운 경우, 증발된 텅스텐은 기체의 열 대류에 실려 갓의 위쪽에 우선적으로 침착된다. IEC 간행물 60064에 따르면, 정격 수명의 75%에서 초기 광 출력의 93% 이하를 내는 백열등은 불만족스러운 것으로 간주된다.[116]

전구 내부에 아주 소량의 수증기가 있으면 전구의 어두워짐이 크게 증가한다. 수증기는 뜨거운 필라멘트에서 분해되어 수소와 산소로 변한다. 산소는 텅스텐을 공격하고, 생성된 산화 텅스텐 입자는 전구의 더 차가운 부분으로 이동한다. 수증기의 수소는 산화물을 환원시켜 수증기를 다시 형성하고 이러한 ''물 순환''을 계속한다.[72] 지르코늄과 같은 소량의 물질은 게터로서 전구 내부에 배치되어 산소와 반응한다.[120]

할로겐 램프는 램프 내부에 저압의 할로겐 가스와 불활성 가스를 채워 필라멘트의 불균일한 증발을 줄이고, 램프의 검게 변하는 것을 방지한다. 할로겐 사이클은 전구의 수명을 연장하고, 전구 내부에서 필라멘트로 텅스텐을 재증착하여 전구의 검게 변하는 것을 방지한다.

백열전구는 역률이 1인 저항 부하이다. 방전등이나 LED등과 달리 소비 전력은 회로의 피상 전력과 같다. 백열전구는 일반적으로 소비되는 전력에 따라 판매된다.

텅스텐 필라멘트의 저항은 온도에 따라 달라진다. 텅스텐 필라멘트 전구의 냉저항은 작동 시 저항의 약 1/15이다. 예를 들어, 100와트, 120볼트 전구는 점등 시 저항이 144옴이지만, 냉저항은 훨씬 낮다(약 9.5옴).[71] 백열등은 저항 부하이므로, 트라이액 다이머를 사용하여 밝기를 제어할 수 있다.

백열전구는 공급 전압의 변화에 매우 민감하다.

정격 전압 ''V'' 근처의 공급 전압의 경우:


  • ''광 출력''은 대략 ''V''3.4에 비례한다.
  • ''전력 소비량''은 대략 ''V''1.6에 비례한다.
  • ''수명''은 대략 ''V''−16에 비례한다.
  • ''색온도''는 대략 ''V''0.42에 비례한다.[134]


전압을 5% 낮추면 전구의 수명은 두 배가 되지만 광 출력은 약 16% 감소한다. 장수명 전구는 이러한 절충점을 활용한다. 사용하는 전기에너지 비용이 전구 비용보다 더 비싸기 때문에 일반 서비스용 전구는 긴 수명보다 효율성을 중시한다. 목표는 전구 비용이 아니라 조명 비용을 최소화하는 것이다.[71] 초기 전구의 수명은 최대 2500시간이었지만, 1924년 포이부스 카르텔은 수명을 1000시간으로 제한하기로 합의했다.[135]

위의 관계는 전압이 몇 퍼센트만 변화할 때만 유효하지만, 저전압으로 작동하는 램프는 광 출력이 크게 감소하더라도 정격 전압보다 훨씬 오래 지속될 수 있음을 나타낸다. "센테니얼 램프"는 1901년부터 캘리포니아주 리버모어의 소방서에서 거의 계속 켜져 있었던 것으로 ''기네스 세계 기록''에 등재된 전구이다. 그러나 이 전구는 4와트 전구와 동등한 빛을 방출한다.[137]

포토플러드 램프는 수명보다 광 출력을 우선시하며, 일부는 2시간밖에 지속되지 않는다. 필라멘트의 최고 온도 한계는 금속의 용융점이다. 텅스텐은 가장 높은 용융점을 가진 금속이다.

동일한 정격 전력이지만 다른 전압으로 설계된 램프는 광속 효율이 다르다. 예를 들어, 100와트, 1000시간, 120볼트 램프는 와트당 약 17.1루멘을 생성한다. 230볼트용으로 설계된 유사한 램프는 와트당 약 12.8루멘만 생성하고, 30볼트(열차 조명)용으로 설계된 램프는 와트당 최대 19.8루멘을 생성한다.[71] 저전압 램프는 동일한 정격 전력에서 더 두꺼운 필라멘트를 가지고 있다.

전간기에는, 대형 백열전구 제조업체가 포이부스 카르텔을 결성하여 백열전구의 수명을 1000시간으로 제한하고 있었다. 제2차 세계 대전 후에는 카르텔은 소멸했지만, 1000시간의 수명은 그 후에도 계승된 형태가 되고 있다.

백열등에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 흑체 복사에 가깝다. 전력의 대부분이 적외선과 열로 변환되기 때문에 발광 효율이 낮다. 일상적으로 사용되는 100W 가스 충전 백열전구의 경우, 가시광선 방사에 사용되는 전력은 약 10%이며, 적외선 방사는 72%이고, 나머지는 열전도에 의해 소모된다.

일반적인 인공 광원 중에서 연색성이 특히 뛰어나 사진, 영화, 텔레비전 촬영 광원으로 널리 이용된다. 연색성의 기준이 되는 광원은 전용 백열전구와 특수한 광학 필터의 조합으로 정의되어 있다(CIE표준광).

2010년대 중반까지 일반적으로 사용되었고, 전기식 조명 장치로서는 세계적으로 표준적인 것이었다.

2010년대에 LED 전구로의 교체가 급격히 진행되었지만, 2010년대에도 연구는 계속되고 있다.

현재 시판되는 백열전구의 대부분은 수명이 약 1000시간 정도이다. 하지만 사용 환경에 따라 전압이 높은 경우도 있으며, 이 경우 수명이 짧아진다.

2200~2700℃의 고온이 되는 필라멘트는 구성하는 재료(오늘날 거의 대부분 텅스텐이다)가 점등 시간의 누적에 따라 점차 증발하여 가늘어짐으로써 재료 강도가 없어지고, 최종적으로 파손되어 수명이 다한다. 또한 승화한 텅스텐이 유리구 내부에 부착되어, 가시 방사 효율 저하의 원인이 되기도 한다.

유리구 내부를 불활성 기체로 채움으로써 승화를 억제할 수 있지만, 기체 중으로의 열전도에 의한 손실이 커진다. 오늘날 사용되는 백열전구의 대부분은 '''가스 충전 백열전구'''라고 불리는 유형의 것으로, 봉입하는 불활성 기체로는 일반적으로 희유 기체가 사용되지만, 분자량이 큰 것일수록 열전도에 의한 손실이 적어지기 때문에 질소나 아르곤 이외에 고가의 크립톤 또는 크세논을 사용한 것도 있다.

봉입 기체에 할로겐(요오드, 브롬, 염소 또는 그 화합물)을 미량 혼합하고, 유리구 부분이 고온이 되도록 설계함으로써, 승화한 텅스텐을 필라멘트로 환원시키는 것도 있다(할로겐 램프).

필라멘트의 온도를 높게 설정하면 방사광 중의 가시광선 성분이 많아지고, 발광 효율이 상승하지만, 그만큼 필라멘트의 증발도 커지고 전구의 수명이 짧아진다. 할로겐 램프의 경우, 필라멘트의 온도가 같다면 일반적인 가스 충전 백열전구의 수 배의 수명이 되지만, 그 온도를 높게 설정하고, 수명은 같지만 효율이 높은 전구로 할 수도 있다.

필라멘트의 온도를 낮게 설정하여 수명을 연장한 제품도 존재한다.

5. LED 조명으로의 전환과 과제

백열등은 에너지 효율이 낮아 대한민국을 포함한 여러 국가에서 사용을 규제하거나 자제시키고 있다. 초기 백열전구는 필라멘트를 산소로부터 보호하기 위해 진공 상태였으나, 현대에는 필라멘트 증발을 줄이고 산화를 방지하기 위해 불활성 기체를 사용한다. 주로 아르곤과 질소 혼합 기체를 사용하며, 크립톤이나 크세논도 사용하지만 비용 문제로 제한적이다.[100]

백열전구 제조는 초기 수작업에서 자동화 기계로 발전하여 대량 생산이 가능해졌다. 코닝 글래스 웍스의 리본 머신은 21세기까지 백열전구 생산에 사용될 정도로 혁신적이었다.[102]

한편, 기존 백열전구, 미니 크립톤 전구, 실리카 전구는 “교체 용도로 한정하여” 계속 생산되고 있다. 파나소닉은 2027년 9월에 미니 백열전구 생산을 완전히 종료하고 LED로 일원화할 계획이다.

5. 1. LED 조명으로의 전환

백열등은 전력의 약 10%만을 빛으로 전환하여 형광등, LED 등 다른 조명에 비해 에너지 효율이 매우 낮다. 많은 환경 단체와 국가에서 백열등 사용을 줄이기 위한 노력을 하고 있다. 이명박 정부는 2009년까지 공공부문에서 백열전구를 퇴출할 계획이었다.[162] 박근혜 정부는 2014년 1월부터 대한민국 내 백열전구 생산 및 수입을 150W 이하 전구에 대해 전면 금지했다.[163][164]

가정에서는 주로 LED 전구로의 전환이 권장되고 있다. 전구형 형광등으로의 교체도 이루어졌지만, LED보다 수명이 짧아 거의 사용되지 않는다.

지구온난화 방지 및 환경 보호를 위해 세계적으로 백열전구 생산 및 판매 중단, 전구형 형광등 및 LED 전구로의 전환을 촉구하는 움직임이 확산되고 있다. 오스트레일리아, 프랑스 및 미국(주별로) 등에서는 법률로 백열전구 생산 및 판매를 금지할 예정이다.

일본에서는 2008년 4월, 간리 아키라 경제산업대신이 2012년 말까지 백열전구 생산 및 판매를 자발적으로 중단하도록 요구했다.[150] 도시바 라이텍은 2010년을 목표로 백열전구 생산을 중단한다고 발표했고,[151] 2010년 3월 17일 국내 대기업 중 처음으로 백열전구 생산 사업에서 철수했다. 미쓰비시전기조명도 2011년 3월 말 생산을 종료했고, NEC 라이팅 및 파나소닉 라이팅 디바이스도 2012년 내 생산을 종료했다.

후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 이후 전력 사정이 어려워지자, 호소노 고시 환경대신 겸 원전 담당 대신은 백열전구 판매 자제를 전기 상점에 요청하고, 소비자에게는 LED 전구나 전구형 형광등으로 교체할 것을 권고했다.[152][153] 2012년 6월 13일, 경제산업성과 환경성은 제조업체, 가전 양판점 등에 백열전구 제조 및 판매 자제를 요구했다.

5. 2. 전환 과정의 문제점

백열등은 전력의 약 10%만을 빛으로 전환하기 때문에, 형광등, LED 등과 같은 다른 대체재에 비해 에너지 낭비가 심하다. 많은 환경단체들과 국가들에서 백열등 사용을 자제하고 있다. 몇몇 국가에서는 백열등 사용을 줄이기 위한 법안이나 조례를 제정하였다. 이명박 정부에서는 2009년 안에 공공부문의 백열전구를 모두 퇴출시킬 계획이었다.[162]

박근혜 정부는 2014년 1월부터 대한민국 내의 백열전구 생산 및 수입을 전면 금지하였다.[163] 금지 대상은 150W 이하의 전구이다.[164]

백열전구에는 있지만 형광등이나 LED에는 없는 것으로 인한 문제점은 다음과 같다.

  • 형광등이나 LED 조명에는 자외선에 가까운 가시광선인 바이올렛 광이 포함되어 있지 않아 생활 환경에서 바이올렛 광이 부족해진다. 바이올렛 광에 근시를 예방하는 효과가 확인된 것으로부터, 형광등이나 LED 조명의 사용과 근시의 세계적인 증가에 관계가 있을 가능성을 케이오대학 의학부가 지적하고 있다.[156]
  • 농산물의 비닐하우스 재배나 양계(브로일러) 등, 조명의 역할과 동시에 백열전구가 발산하는 열을 이용하는 용도 및 적외선을 이용하는 작물의 광주성 제어.
  • 특히 적설 지대의 신호등은 백열전구의 발열을 융설에 이용하고 있기 때문에, 발열이 적은 LED 전구는 신호등 본체에 적설이 되기 쉽다. 이것이 원인이 된 사고도 발생하고 있으며, 지주가 휘어질 우려도 있다.
  • 자동차용으로 전구가 끊어졌는지 감지하는 용도[157]로 사용하는 경우, 소비 전력이 감소하기 때문에 오작동을 일으킨다.[158]


백열전구를 전제로 한 기구 중에는 형광등이나 LED를 사용할 수 없는 기구가 있다.

  • 많은 LED 조명은 단열재로 덮인 환경에서 사용할 수 없다(LED나 점등 회로의 방열이 필수적이기 때문).
  • 비상용 조명 기구로서의 인증은 전구와 등구의 세트이기 때문에 지정 이외의 전구는 사용할 수 없고, 기구 자체의 교체가 필요하다. 또한 2014년 및 2017년 개정 이전에는 LED 조명에 의한 비상용 조명 기구가 인정되지 않았다.[159]


노이즈 등이 발생하기 때문에 형광등이나 LED를 사용할 수 없는 분야가 있다.

  • 형광등은 높은 주파수로 깜빡거리기 때문에 촬영에 영향을 미칠 수 있다. 또한 형광에 의한 광원이기 때문에 연색성도 떨어진다.
  • LED 조명은 전원 회로에 따라 고주파 노이즈를 발생시킬 수 있기 때문에, 전파 암실 등의 전자파 측정 시설, 라디오 등의 무선 장치 주변 등, 전파·노이즈에 영향을 받기 쉬운 환경에는 적합하지 않다.

6. 고효율화 연구

대부분의 현대적인 전구는 필라멘트의 증발을 줄이고 산화를 방지하기 위해 불활성 기체로 채워져 있다. 기체의 압력은 약 70kPa이다.[99] 기체는 필라멘트의 증발을 줄이지만, 상당한 열 손실을 방지하기 위해 신중하게 선택해야 한다. 이러한 특성을 위해서는 화학적 불활성과 높은 원자 또는 분자량이 바람직하다. 기체 분자가 방출된 텅스텐 원자를 필라멘트로 되돌려 보내면 증발이 줄어들고 수명을 단축시키지 않고도 더 높은 온도에서 작동할 수 있다(또는 같은 온도에서 작동하는 경우 필라멘트 수명이 연장됨).[99] 반면에, 기체의 존재는 열전도 및 열대류에 의해 필라멘트에서 열 손실(따라서 백열도 감소로 인한 효율 손실)을 초래한다.

초기 전구는 필라멘트를 산소로부터 보호하기 위해 진공만을 사용했다. 진공은 필라멘트의 증발을 증가시키지만 두 가지 열 손실 방식을 제거한다. 일부 소형 현대 전구도 진공을 사용한다.

가장 일반적으로 사용되는 충전 기체는 다음과 같다.[100]


  • 진공: 소형 전구에 사용된다. 필라멘트의 최고의 단열을 제공하지만 증발로부터 보호하지는 않는다. 외부 전구 표면 온도를 제한해야 하는 대형 전구에도 사용된다.
  • 아르곤(93%)과 질소(7%): 아르곤은 불활성, 낮은 열전도율, 그리고 저렴한 비용 때문에 사용되며, 질소는 내전압을 높이고 필라멘트 부분 간의 아크 발생을 방지하기 위해 첨가된다.[99]
  • 질소: 일부 고출력 전구(예: 프로젝션 램프) 및 필라멘트 부품 또는 도입선의 근접성으로 인해 더 높은 내전압이 필요한 경우에 사용된다.
  • 크립톤: 더 높은 원자량과 낮은 열전도율(소형 전구의 사용도 가능하게 함)로 아르곤보다 유리하지만, 훨씬 높은 비용으로 인해 주로 소형 전구에만 사용이 제한된다.
  • 크립톤과 크세논 혼합: 크세논은 더 높은 원자량으로 인해 기체 특성을 더욱 향상시킨다. 그러나 매우 높은 비용으로 인해 사용이 제한된다. 크세논을 사용함으로써 얻는 개선은 비용에 비해 미미하다.
  • 수소: 빠른 필라멘트 냉각이 필요한 특수 플래시 램프에 사용된다. 여기서는 높은 열전도율을 활용한다.
  • 할로겐: 불활성 기체와 소량 혼합. 이것은 할로겐 램프에 사용되며, 이는 별개의 백열등 유형이다.


기체 충전물에는 백열등의 검게 변색을 크게 가속화하는 물의 미량이 포함되어서는 안 된다.

필라멘트 근처의 기체층(랭뮤어 층이라고 함)은 정체되어 있으며, 열 전달은 전도에 의해서만 발생한다. 어느 정도 거리가 있어야 대류가 발생하여 열을 전구의 외피로 운반한다.

필라멘트의 방향은 효율에 영향을 미친다. 예를 들어, 수직으로 배향된 전구에 수직(또는 축) 필라멘트가 있는 것과 같이 필라멘트와 평행한 기체 흐름은 대류 손실을 줄인다.

램프의 효율은 더 큰 필라멘트 직경으로 증가한다. 가는 필라멘트 저전력 전구는 충전 기체의 이점을 덜 누리므로 종종 진공 상태로 유지된다.

탄소는 모든 원소 중에서 가장 높은 녹는점을 가지고 있으며, 탄소 아크 램프에서 태양광에 가까운 백열광을 생성하는 것으로 입증되었다. 그러나 탄소는 압력에 따라 녹는점에 도달하기 전에 승화되는 경향이 있어 진공 전구의 빠른 검게 변색을 초래했다. 최초로 상업적으로 성공한 전구 필라멘트는 탄화된 종이 또는 대나무로 만들어졌다. 탄소 필라멘트는 음의 온도 저항 계수를 가지고 있다. 즉, 온도가 높아질수록 전기 저항이 감소한다. 이로 인해 전력 공급의 변동에 따라 램프가 민감해졌습니다. 전압이 약간 증가하면 필라멘트가 가열되어 저항이 감소하고 더 많은 전력을 소모하여 더욱 가열되기 때문이다.

탄소 필라멘트는 탄화수소 증기(일반적으로 가솔린)로 가열하여 강도와 균일성을 개선했다. 금속화 또는 "흑연화"된 필라멘트는 먼저 고온으로 가열하여 흑연으로 변환하여 필라멘트의 강도와 매끄러움을 더욱 향상시켰다. 이러한 필라멘트는 금속 전도체와 같이 양의 온도 계수를 가지므로 전원 전압의 미세한 변화에 대한 램프 작동 특성을 안정화시켰다.

1897년에 금속 필라멘트가 시도되었고[106] 1904년경부터 탄소를 대체하기 시작했다. 텅스텐은 가장 높은 녹는점을 가지고 있지만 취성이 큰 장애물이었다. 1910년까지 윌리엄 D. 쿨리지가 제너럴 일렉트릭에서 연성 텅스텐을 생산하는 공정을 개발했다. 이 공정은 텅스텐 분말을 막대 모양으로 압축한 다음 소결, 스웨이징, 그리고 와이어 드로잉의 여러 단계를 거쳐야 했다. 매우 순수한 텅스텐은 사용 중에 처짐이 발생하는 필라멘트를 형성하는 것으로 나타났으며, 몇 백 ppm 수준의 칼륨, 실리콘 및 알루미늄 산화물로 매우 적은 양의 "도핑" 처리(소위 AKS 텅스텐)가 텅스텐 필라멘트의 수명과 내구성을 크게 향상시켰다.[107]

현재에도 텅스텐 필라멘트의 주요 고장 메커니즘은 확산 크리프에 의해 수용되는 입계 미끄러짐이다.[108] 작동 중에 텅스텐 와이어는 자체 무게의 하중을 받고 고온에서 발생할 수 있는 확산으로 인해 결정이 회전하고 미끄러지기 시작한다. 필라멘트의 변화로 인해 발생하는 이러한 응력은 필라멘트가 불균일하게 처지게 하여 결국 필라멘트에 추가적인 토크를 발생시킨다.[108] 바로 이러한 처짐으로 인해 필라멘트가 파열되어 백열 전구가 사용할 수 없게 된다.[108]

전구의 효율을 높이기 위해 필라멘트는 보통 여러 번 감은 가는 철사로 구성되는데, 이를 '''코일 코일(coiled coil)'''이라고도 한다. 코일 코일 필라멘트를 사용하는 전구는 때때로 '이중 코일 전구'라고 불린다. 코일 코일의 장점은 텅스텐 필라멘트의 증발 속도가 코일 코일의 지름과 같은 지름을 가진 텅스텐 원통의 증발 속도와 같다는 것이다. 코일 코일 필라멘트는 같은 표면적과 발광력을 가진 직선 필라멘트보다 증발 속도가 느리다. 결과적으로 필라멘트는 더 높은 온도로 작동할 수 있으며, 이는 같은 온도에서 직선 필라멘트보다 더 오래 지속되는 동시에 더 효율적인 광원이 된다.

유리구 부분에 적외선 반사막(일반적으로 다층 간섭막을 이용한 다이크로익 미러)을 형성하여 적외선을 전구 내부에 가두고 필라멘트 가열을 위해 재사용하도록 설계된 제품은 이전부터 있었다.

또한, 2010년대에도 연구가 계속되어 2019년에 메타물질을 이용하여 스펙트럼을 제어함으로써 가시광선의 비율을 높이는 방법이 발표되었다. 이를 이용하면 LED를 능가하는 고효율도 실현 가능하다고 여겨진다.[160] 다만, 실현에는 빛의 파장에 상응하는 미세 가공(나노기술)이 필요하다.

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