고강도 방전등
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
고강도 방전등(HID 램프)은 아크 튜브 내의 전기 아크 방전을 이용하는 조명 장치이다. 다양한 화학 물질을 사용하여 빛의 강도, 색온도, 연색성, 에너지 효율 및 수명을 조절하며, 수은, 나트륨, 할로겐 화합물 등을 발광 물질로 사용한다. 형광등과 유사하게 안정기가 필요하며, 작동 원리는 전극에서 방출된 전자가 반대쪽 전극으로 이동하면서 발광하는 것이다. HID 램프는 광속이 크고 에너지 효율이 높아 체육관, 창고, 도로, 자동차 헤드램프, 자전거 조명, 항공기, 수중 다이빙 램프 등 다양한 분야에 사용된다. 일부 HID 램프는 방사성 물질을 포함하며, 다양한 색온도와 연색성을 제공한다. 수명이 다하면 사이클링 현상이나 광선의 변색이 나타날 수 있으며, 파손 시 수은과 같은 유해 물질이 노출될 수 있다. HID 전조등의 밝기는 시야 방해 논란을 야기하며, 유해 물질로 인한 환경 오염 문제도 있다.
더 읽어볼만한 페이지
| 고강도 방전등 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 수은 증기 램프 메탈 할라이드 램프 고압 나트륨 램프 크세논 아크 램프 |
| 기술 정보 | |
| 작동 원리 | 램프 내의 가스 방전을 통해 빛을 생성 |
| 효율 | 백열등보다 효율적 |
| 장점 | 높은 광효율, 긴 수명 |
| 단점 | 점등 시간 지연 특별한 안정기 필요 |
| 적용 분야 | 차량 전조등 경기장 조명 가로등 산업 조명 |
| 추가 정보 | |
| 관련 기술 | 안정기 (전기) |
| 주의 사항 | 자외선 방출 가능성 |
2. 구조
HID 램프는 빛의 강도, 상관색온도, 연색성 지수(CRI), 에너지 효율 및 수명 등 원하는 특성에 따라 다양한 화학 물질을 사용한다.
HID 램프의 광 생성 요소는 3W/cm2 이상의 벽 부하를 갖는 내화성 외피 '''아크 튜브''' 내에 포함된 잘 안정화된 아크 방전이다. 형광 램프와 마찬가지로 HID 램프에도 아크를 시작하고 유지하기 위한 안정기가 필요하다. 아크를 처음 점화하는 데 사용되는 방법은 다양한데, 수은 증기 램프와 일부 메탈 할라이드 램프는 일반적으로 주요 전극 중 하나 근처에 있는 세 번째 전극을 사용하여 시작하는 반면, 다른 램프 스타일은 일반적으로 고전압 펄스를 사용하여 시작한다.
'''수은 램프'''는 경질 유리로 제작된 "외관" 안에 석영 유리로 제작된 "발광관"이 있으며, 그 발광관을 물리적으로 지지하면서 전기를 공급하는 "금속 부재"가 수용되어 있다. 발광관 양단에 "전극"이 장착되어, 그 양극 간에 발생하는 방전 작용에 의해 내부에 봉입된 수은과 아르곤 기체의 수은원자가 발광한다. 외관 내에는 질소기체가 봉입되어 있으며, 고온에 의한 금속 부재의 산화를 방지한다.
메탈 할라이드 램프는 수은 외에 나트륨이나 스칸듐 등의 금속 할로겐 화합물을 발광 물질로 봉입한 것이고, 고압 나트륨 램프는 발광관에 고온 나트륨 증기에 견디는 투광성 알루미나 세라믹스를 사용하고 나트륨을 봉입한 것이다.
HID 램프의 유독한 수은을 대체하는 방안에 대한 연구가 진행 중이며, 실험 결과가 유망하여 향후 광범위한 응용이 기대된다.[3]
2. 1. HID 램프의 종류
HID 램프는 사용되는 화학 물질에 따라 다음과 같이 분류된다.- 수은 증기 램프
- 메탈 할라이드 램프 (MH)
- 세라믹 MH 램프
- 나트륨 증기 램프
- 제논 단 아크 램프
이러한 램프 유형의 광 생성 요소는 3W/cm2 이상의 벽 부하를 갖는 내화성 외피 '''아크 튜브''' 내에 포함된 잘 안정화된 아크 방전이다.
수은 증기 램프는 최초의 상업용 HID 램프였다. 원래는 푸르스름한 녹색 빛을 냈지만, 최근 버전은 색상이 덜 두드러지는 빛을 낼 수 있다. 그러나 수은 증기 램프는 인기가 떨어지고 있으며 나트륨 증기 램프 및 메탈 할라이드 램프로 대체되고 있다.
메탈 할라이드 램프 및 세라믹 메탈 할라이드 램프는 TV 및 영화 제작, 실내 또는 야간 스포츠 경기, 자동차 헤드램프 및 수족관 조명 등 정상적인 색상 외관이 중요한 응용 분야에 유용한 중성 백색광을 방출하도록 만들 수 있다.
저압 나트륨 증기 램프는 매우 효율적이다. 깊은 노란색-주황색 빛을 내며 거의 0에 가까운 효과적인 CRI를 가지고 있다. 이 램프 아래에서 보이는 물체는 단색으로 보입니다. 이는 사진 안전등으로 특히 효과적이다. 고압 나트륨 램프는 훨씬 더 흰색 빛을 내는 경향이 있지만 특징적인 주황색-분홍색을 띤다. 이제 더 흰색 빛을 내는 새로운 색상 보정 버전이 출시되었지만, 개선된 색상을 위해 일부 효율성이 희생되었다.
3. 작동 원리
HID 램프의 발광 원리는 전극에서 방출된 전자가 반대쪽 전극으로 끌려가는 동안 수은 원자가 빛을 방출하는 것이다. 기본 원리는 형광등과 같다. 저압 방전의 형광등은 자외선이 많은 데 비해, HID 램프는 점등 중 수은 원자의 밀도와 온도가 압도적으로 높아서 가시 스펙트럼을 많이 방출한다. 다만 발광관이 고온이 될 필요가 있으므로, 스위치를 켜고 나서 안정적으로 발광하기까지 4~8분 정도 걸린다.[1]
3. 1. 안정기의 종류
램프 전류의 제한, 안정적인 점등을 위해 램프의 종류나 전원 전압, 사용 목적 등에 따라 여러 종류의 안정기가 있다.4. 특징
HID 램프는 빛의 강도, 상관색온도, 연색성 지수(CRI), 에너지 효율 및 수명 등 원하는 특성에 따라 다양한 화학 물질이 사용된다. HID 램프의 종류는 다음과 같다.
- 수은 증기 램프
- 메탈 할라이드 (MH) 램프
- 세라믹 MH 램프
- 나트륨 증기 램프
- 제논 단 아크 램프
이러한 램프 유형의 광 생성 요소는 3W/cm2 이상의 벽 부하를 갖는 내화성 외피 '''아크 튜브''' 내에 포함된 잘 안정화된 아크 방전이다.
수은 증기 램프는 최초의 상업용 HID 램프였다. 원래는 푸르스름한 녹색 빛을 냈지만, 최근 버전은 색상이 덜 두드러지는 빛을 낼 수 있다. 그러나 수은 증기 램프는 인기가 떨어지고 있으며 나트륨 증기 및 메탈 할라이드 램프로 대체되고 있다.
메탈 할라이드 및 세라믹 메탈 할라이드 램프는 TV 및 영화 제작, 실내 또는 야간 스포츠 경기, 자동차 헤드램프 및 수족관 조명 등 정상적인 색상 외관이 중요한 응용 분야에 유용한 중성 백색광을 방출하도록 만들 수 있다.
저압 나트륨 증기 램프는 매우 효율적이다. 깊은 노란색-주황색 빛을 내며 거의 0에 가까운 효과적인 CRI를 가지고 있다. 이 램프 아래에서 보이는 물체는 단색으로 보이며, 사진 안전등으로 특히 효과적이다. 고압 나트륨 램프는 훨씬 더 흰색 빛을 내는 경향이 있지만 특징적인 주황색-분홍색을 띤다. 이제 더 흰색 빛을 내는 새로운 색상 보정 버전이 출시되었지만, 개선된 색상을 위해 일부 효율성이 희생되었다.
형광 램프와 마찬가지로 HID 램프에도 아크를 시작하고 유지하기 위한 안정기가 필요하다. 아크를 처음 점화하는 데 사용되는 방법은 다양하다. 수은 증기 램프와 일부 메탈 할라이드 램프는 일반적으로 주요 전극 중 하나 근처에 있는 세 번째 전극을 사용하여 시작하는 반면, 다른 램프 스타일은 일반적으로 고전압 펄스를 사용하여 시작한다.
HID 램프의 유독한 수은을 대체하는 방안에 대한 연구가 진행 중이다. 실험 결과가 유망하며 향후 광범위한 응용이 기대된다.[3]
- 광속이 크며, 대규모 공간의 조명에 적합하다.
- 백열전구나 할로겐 램프에 비해 에너지 효율이 좋으므로 소비 전력이 적고 수명도 길다.
- 저압 방전등에 비해 일반적으로 연색성이 높다.
5. 응용 분야
HID 램프는 넓은 영역에 높은 수준의 조명이 필요하고, 에너지 효율 및/또는 광도가 요구되는 곳에 주로 사용된다. 여기에는 체육관, 대규모 공공 장소, 창고, 영화관, 축구 경기장,[9] 야외 활동 구역, 도로, 주차장, 통로 등이 있다. 최근에는 소규모 소매점 및 주거 환경에서도 사용되며, 초고성능(UHP) HID 램프는 LCD 또는 DLP 프로젝션 TV나 프로젝션 디스플레이에도 사용된다.
HID 램프는 실내 정원을 가꾸는 데 유용하며, 특히 자연에서 강한 햇빛을 필요로 하는 식물에 좋다. 금속 할로겐 및 고압 나트륨 등은 실내 정원의 일반적인 광원이며, 실내 수족관에서 열대 강렬한 햇빛을 재현하는 데에도 사용된다.
대부분의 HID 램프는 상당한 양의 UV 방사선을 생성하므로 UV 차단 필터가 필요하다. 필터가 없거나 손상된 램프에 노출되면 일광 화상이나 아크 아이 같은 부상을 입을 수 있다. 많은 HID 램프는 외부 UV 차폐 유리 덮개가 파손되면 자동으로 꺼지도록 설계되어 있다.
1990년대 초부터 자동차 헤드램프에 HID가 적용되었다. 제논 HID 조명은 더 밝은 빛을 제공하여 표준 할로겐 조명보다 주변 물체의 시인성을 높이지만,[10] 밝은 빛 때문에 눈부심 문제가 발생하기도 한다. 
점등 후 밝아지는 데 시간이 걸려 하이 빔과 로우 빔을 전환하여 사용하기 어렵다. 따라서 로우 빔만 HID로 하고 하이 빔은 할로겐으로 하거나, 반사판의 방향을 기계적으로 전환하여 하이/로우 빔을 조절하는 경우가 많다.
색온도가 높은 푸른빛을 띠는 램프는 멋으로 사용되기도 하지만, 색온도가 4000 켈빈 (K) 이상이면 비, 눈, 안개 등 악천후 시 시인성이 떨어진다. 또한, 체감 광량도 감소한다. 차량 검사 시 색온도 상한은 일반적으로 6000 켈빈 (K)으로 여겨진다.
HID 램프는 전력 단위당 많은 양의 빛을 생성하여 고성능 자전거 헤드램프, 손전등 및 기타 휴대용 조명에도 사용된다. HID 램프는 텅스텐-할로겐 조명보다 전력 소비량이 절반 미만이므로 훨씬 작고 가벼운 전원 공급 장치를 사용할 수 있다.
HID 램프는 수중 다이빙 램프에도 사용된다. 할로겐 장치보다 광효율이 높아 주어진 배터리 크기와 광 출력에 대해 더 긴 연소 시간을 제공한다.
6. 방사성 물질
일부 고강도 방전등(HID)은 크립톤-85 및 토륨과 같은 방사성 물질을 사용한다.[4][5][6][7][8] 이러한 동위원소는 램프의 시동을 돕고 램프 작동 특성을 향상시킨다.[4][6]
크립톤-85는 기체이며 램프의 아크 튜브에 있는 아르곤과 혼합되어 있다.[8] 고체인 토륨은 전극에 사용된다.[8]
이러한 동위원소는 알파 입자 및 베타 입자 유형의 전리 방사선을 생성한다. 이 방사선은 램프 내부에서 높은 이온화를 유발하지만 램프에서 벗어날 수 없다.[6] 높은 이온화는 타운센드 붕괴를 통해 아크 시동을 훨씬 쉽게 만든다. 또한 전극에 토륨이 존재하면 일함수가 감소하여 아크 시동 및 유지가 더 쉬워진다.
램프에서 벗어날 수 있는 동위원소에 의해 생성되는 감마선의 양은 미미하다.[6]
7. 색온도
고휘도 방전 램프는 다양한 색상(색온도)으로 제공되며, 켈빈(K)으로 측정된다. 켈빈 색온도 범위는 1000K(호박색)에서 3000K(노란색), 5500K(흰색), 8000K(파란색), 12000K(자주색)까지 다양하다.
고휘도 방전 램프는 램프의 아크 튜브에 다양한 금속 첨가제를 사용하고 가스 방전 과정의 물리학을 통해 주로 다양한 색상의 빛을 생성한다.[11]
- '''금속 첨가제''': 고휘도 방전 램프에는 크세논과 같은 불활성 가스를 포함한 가스 혼합물이 채워진 아크 튜브가 들어 있다. 이러한 금속 첨가제는 다양한 색상의 빛을 생성하는 데 매우 중요하다. 서로 다른 금속은 에너지를 받으면 특정 파장에서 빛을 방출하며, 이러한 특성이 램프의 색상 출력을 결정한다.
- '''가스 방전 과정''': 램프는 아크 튜브 내의 전극에 전압을 가하여 전기 아크를 생성하는 방식으로 작동한다. 이 아크는 강렬한 열을 발생시키고 튜브 내의 가스 및 금속 첨가제를 여기시킨다. 여기된 원자가 바닥 상태로 돌아갈 때, 빛의 형태로 에너지를 방출한다.
- '''스펙트럼 방출''': 방출되는 빛의 특정 스펙트럼은 여기된 원자의 에너지 수준과 금속 첨가제의 특성에 따라 달라진다. 각 금속은 특정 파장에서 빛을 방출하여 특정 색상을 생성한다.
- '''형광체 코팅''': 일부 고휘도 방전 램프, 예를 들어 수은 램프는 아크 튜브의 내부에 형광체 코팅을 사용하기도 한다. 이러한 형광체는 여기된 가스 원자가 방출하는 자외선을 흡수하여 가시광선을 재방출한다. 자외선과 방출된 가시광선의 조합은 더 넓은 색상 스펙트럼을 만든다.
- '''연색성 지수(CRI)''': 고휘도 방전 램프는 뛰어난 연색성 지수 값을 가진다.
금속 첨가제의 선택과 농도는 램프 제조업체가 다양한 조명 요구 사항을 충족하기 위해 뚜렷한 색온도와 스펙트럼 특성을 가진 고휘도 방전 램프를 만들 수 있게 한다.
대부분의 고휘도 방전 램프는 5000K에서 6000K의 색온도 범위로 생산되며, 이는 자연광과 유사하다. 이는 광도가 높은 스포츠 경기장, 창고, 프로젝션 TV, 원예용 조명과 같은 응용 분야에 유용하다.[12]
그러나 자동차 헤드램프와 같은 특정 응용 분야의 경우, 고휘도 방전 램프는 노란색과 흰색에서 파란색 및 자주색에 이르기까지 거의 모든 색상으로 생산된다.[13]
자동차나 오토바이의 고성능 전조등으로 사용되며, 디스차지 헤드램프라고도 불린다.
취미성이 높은 오너의 차량에서는 패션의 일환으로 색온도가 높은 푸른빛을 띠는 빛으로 하는 경우가 있지만, 색온도가 4000 켈빈(K) 이상의 빛이 되면 비, 눈, 안개 등의 악천후 시 시인성이 저하된다. 또한, 체감할 수 있는 광량도 감소한 것처럼 느껴진다. 차량 검사 시 색온도의 상한은 검사관의 인식에 따라 다르지만, 일반적으로 6000 켈빈(K)으로 여겨지고 있다.
8. 수명 종료
HID 램프는 수명이 다하면 '사이클링' 현상을 나타낸다. 이러한 램프는 비교적 낮은 전압에서 시작될 수 있지만, 작동 중 가열되면 아크 튜브 내부의 가스 압력이 상승하여 아크 방전을 유지하기 위해 더 높은 전압이 필요하다. 램프가 오래될수록 아크를 유지하는 데 필요한 전압이 결국 전기 안정기에서 제공하는 전압을 초과하게 된다. 램프가 이 지점까지 가열되면 아크가 끊어져 램프가 꺼진다. 결국 아크가 소멸되면 램프가 다시 냉각되고 아크 튜브의 가스 압력이 감소하며 안정기는 다시 아크를 발생시킬 수 있다. 이로 인해 램프가 잠시 켜졌다가 반복적으로 꺼지는 현상이 발생한다. 더 정교한 안정기 설계는 사이클링을 감지하고 몇 번의 사이클 후에 램프 시작을 시도하는 것을 포기한다. 전원을 제거하고 다시 연결하면 안정기는 새로운 일련의 시작 시도를 한다.
HID 램프의 마모 및 노후화와 관련된 또 다른 현상은 방출된 광선의 변색("페이딩")이다.[14] 일반적으로 파란색 및/또는 보라색으로의 이동이 관찰될 수 있다. 이 변화는 처음에는 미미하며 전반적인 작동 상태가 양호한 상태에서 램프가 "브레이크인"되고 있음을 나타내는 신호이지만, 수명이 다할 때쯤이면 HID 램프는 종종 파란색과 보라색 빛만 생성하는 것으로 인식된다. 플랑크의 법칙에 따르면, 이는 아크를 유지하는 데 필요한 전압 증가 및 더 높은 온도의 직접적인 결과이다.
때로는 수은을 담고 있는 석영 튜브가 UHP 램프에서 폭발할 수 있다.[15] 그럴 경우 최대 50mg의 수은 증기가 대기 중으로 방출된다. 이 양의 수은은 잠재적으로 유독하지만, 깨진 램프의 주요 위험은 유리에 베이는 것이며, 깨진 램프에 가끔 노출되는 것은 유해한 영향을 미치지 않을 것으로 예상된다. 필립스는 깨진 램프를 처리할 때 수은 청소기, 환기 또는 호흡 보호구, 눈 보호구 및 보호복을 사용할 것을 권장한다. 수은 램프는 항상 전문적인 폐기 또는 재활용이 필요하며, 이는 관할 구역에 따라 많은 지역에서 법적으로 의무화되어 있다.[16]
9. 찬반 논란 및 환경 문제
HID 전조등은 기존 전조등에 비해 광도가 밝아 마주 오는 차량 운전자의 백미러 등을 통해 시야를 방해할 가능성이 있어 여러 가지 찬반 논란이 있어왔다. 과도하게 밝은 HID 전조등은 대한민국 도로교통법에 규정된 시야 방해 관련 조항으로 단속 대상이 될 수 있다.[17] 합법적으로 차량에 HID를 장착하려면 각도 및 광량 조절 회로 등 몇 가지 기준을 지켜야 한다.
HID 램프는 켜고 끄는 과정에서 주로 마모된다. 뜨거운 상태에서 금속 염이 재결정화되기 전에 점화될 때 마모가 가장 심하다. 수명이 다하면 '사이클링' 현상이 나타나는데, 램프가 켜졌다가 꺼지는 현상이 반복된다. 또한, 방출되는 빛의 색이 변색되기도 한다. 처음에는 미미하게 파란색이나 보라색으로 변하다가, 수명이 다할 때쯤에는 파란색과 보라색 빛만 생성하게 된다. 이는 플랑크의 법칙에 따라 아크 유지에 필요한 전압과 온도가 높아진 결과이다.[14]
모든 고강도 방전등(HID 램프)은 내부에 수은 등 유해 물질을 포함하고 있어 파손 시 유해 물질이 확산될 수 있다. UHP 램프의 경우 수은을 담고 있는 석영 튜브가 폭발하여 최대 50mg의 수은 증기가 방출될 수 있다.[15] 깨진 램프의 주요 위험은 유리에 베이는 것이지만, 수은 증기에 가끔 노출되는 것은 유해하지 않을 것으로 예상된다. 필립스는 깨진 램프 처리 시 수은 청소기, 환기 또는 호흡 보호구, 눈 보호구 및 보호복 사용을 권장한다. 폐기 시에는 환경 오염을 유발할 수 있고, 사용된 희소 금속류의 재자원화를 위해 적절하게 회수해야 한다. 수은 램프는 항상 전문적인 폐기 또는 재활용이 필요하며, 많은 지역에서 법적으로 의무화되어 있다.[16]
참조
[1]
웹사이트
The Metal Halide Lamp - How it works and history
https://edisontechce[...]
2023-08-14
[2]
간행물
Laser light for headlights: latest trend in car lighting
https://www.osram.co[...]
OSRAM
2016-10-16
[3]
웹사이트
Replacement of mercury in high-pressure discharge lamps by metallic zinc
http://iopscience.io[...]
IOP Science
2011-06-14
[4]
웹사이트
HID Lamps Containing Radiation Emitters
http://www.nema.org/[...]
NEMA
2012-11-06
[5]
간행물
Lamp Types
http://www.elcfed.or[...]
European Lamp Companies Federation
2012-11-06
[6]
간행물
Ionizing Substances in Lighting Products
http://www.elcfed.or[...]
European Lamp Companies Federation
2012-11-06
[7]
간행물
Transport of Consumer Goods containing Small Quantities of Radioactive Materials
http://ec.europa.eu/[...]
European Commission
2012-11-06
[8]
간행물
Assessment of the Radiological Impact of the Transport and Disposal of Light Bulbs Containing Tritium, Krypton-85 and Radioisotopes of Thorium
http://www.hpa.org.u[...]
Health Protection Agency
2012-11-06
[9]
문서
Focus on Outdoor Lighting, page 4
http://catalogue.aus[...]
[10]
웹사이트
Stopp den üblen Blendern (Stop the evil glaring devices)
https://www.parlamen[...]
2024-10-18
[11]
학술지
HID Lamps: Getting Brighter Faster
https://www.nist.gov[...]
2016-01-06
[12]
학술지
Alternatives to Standard HID Lighting in Industrial Facilities
https://www.aceee.or[...]
[13]
웹사이트
HID Xenon Color Chart - Ultimate Headlight Temperature Guide - XenonPro.com
https://www.xenonpro[...]
2023-08-14
[14]
웹사이트
Why Do HID Bulbs Change Color?
https://propercoat.c[...]
2021-12-16
[15]
웹사이트
Philips UHP Lamps Overview
http://www.ercservic[...]
Ercservice.com
2001-06-03
[16]
웹사이트
Philips Digital Projection Lighting Product Safety Data Sheet (PSDS)
http://www.lighting.[...]
Philips Lighting
2008-05
[17]
뉴스
'살인 불빛' 상향등…안전운전 돕지만 상대방에겐 '치명적 무기'
http://www.yonhapnew[...]
연합뉴스
2016-09-01
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com