나트륨등
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1. 개요
나트륨등은 나트륨 증기를 활용하여 빛을 내는 램프의 일종으로, 저압, 고압, 고연색 고압의 세 가지 종류로 분류된다. 1920년대에 개발된 저압 나트륨 램프는 에너지 효율이 높지만 연색성이 낮아 특정 용도로 사용되었으며, 1960년대에는 고압 나트륨 램프가 개발되어 터널, 도로 조명 등에 널리 사용되었다. 고연색 고압 나트륨 램프는 연색성을 개선하여 매장 조명 등에 활용되며, 백색 고압 나트륨 램프는 백열등과 유사한 색상을 내지만 효율이 낮다. 나트륨등은 작동 원리 및 구조, 수명 종료 방식, 광공해, 영화 특수 효과 등 다양한 측면에서 특징을 갖는다.
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| 나트륨등 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 전기 가스 방전 램프 |
| 색 | 단색 (노란색) |
| 용도 | 거리 조명 |
| 상세 정보 | |
| 발명가 | 네덜란드의 물리학자이자 전기 기술자인 힐레스 홀스트 |
| 작동 원리 | 나트륨 증기의 방전을 이용 |
| 특징 | 효율이 높지만 색 재현성이 좋지 않음 |
| 종류 | |
| 종류 | 저압 나트륨 램프 고압 나트륨 램프 |
| 장단점 | |
| 장점 | 높은 효율 긴 수명 |
| 단점 | 낮은 색 재현성 |
| 활용 | |
| 용도 | 도로 조명 보안등 산업 시설 조명 |
| 참고 | |
| 관련 기술 | LED 조명 |
2. 개발
1920년대에 나트륨 증기의 부식에 강한 유리가 개발되면서 저압 나트륨 램프가 처음으로 실용화되었다.[8] 1959년에는 영국과 미국에서 고압 나트륨 램프에 대한 연구가 진행되어 실험실 시연에 성공했다.[8]
나트륨등은 봉입 증기압에 따라 저압, 고압, 고연색 고압 세 가지 종류로 분류된다.
1962년 제너럴 일렉트릭(GE)은 소결 알루미나 재료를 개발했는데, 이는 상용 램프 제작에 중요한 단계였다. 1965년에는 미국, 영국, 네덜란드의 회사에서 최초의 상용 고압 나트륨 램프를 출시했다.[8][9]
1970년대 초에는 단결정 인공 사파이어 튜브가 HPS 램프에 사용되기도 했지만, 생산 비용이 높아 널리 사용되지는 않았다.[8]
1981년에는 연색성을 대폭 개선한 고연색 고압 나트륨 램프가 실용화되었다.
3. 종류
3. 1. 저압 나트륨 램프 (LPS, Low-pressure Sodium)
저압 나트륨 램프(LPS, Low-pressure Sodium)는 1920년대에 처음 개발된 형태로, 일본에서는 NX (미쓰비시전기는 SOX)로 약칭된다. 나트륨 증기압이 0.5 Pa 정도로 매우 낮으며, 시동 보조용으로 페닝 가스(네온 + 아르곤)가 봉입되어 있다.
실용 광원 중에서는 발광 효율이 가장 높아 120-180 lm/W이며, 최대 206 lm/W에 달해 에너지 절약에 유리하다.[14] 하지만 등황색(주황색에 가까운 노란색)의 단색광을 방출하여 연색성이 매우 낮아 색 구별이 불가능하므로 일반 조명에는 부적합하다.
이러한 특성 덕분에 초기에는 터널, 가로등, 보안 조명 등에 주로 사용되었다. 특히 대한민국에서는 1970년대 이전 건설된 터널에서 많이 사용되었는데, 단색광이 안개, 매연 등에서도 시인성이 높고, 색수차가 적으며, 자외선을 방출하지 않아 곤충이 모이지 않는 장점이 있기 때문이다. 또한 광해가 적어 천문대 주변 지역에서 선호된다.
최신 LPS 램프의 수명은 약 18,000시간이며 수명이 다해도 밝기는 줄어들지 않지만, 에너지 소비량이 약 10% 증가한다.
2017년, 필립스 조명(현 시그니파이)은 수요 감소를 이유로 LPS 램프 생산 중단을 발표했다.[15] 2019년 12월 31일, 스코틀랜드 사우스 라나크셔 해밀턴 공장에서 마지막 램프가 생산되면서 전 세계적으로 생산이 중단되었다.[16]
3. 1. 1. 작동 원리
저압 나트륨(LPS) 램프는 붕규산 유리 가스 방전관(아크 튜브) 내부에 고체 나트륨과 소량의 네온 및 아르곤 가스를 포함하고 있으며, 이는 가스 방전을 시작하는 페닝 혼합물이다.[10] 램프를 처음 켜면 나트륨 금속을 예열하기 위해 희미한 빨간색/분홍색 빛을 방출한다. 나트륨 금속이 증발하면서 몇 분 안에 일반적인 밝은 노란색 빛으로 바뀐다. 이 램프는 평균 589.3 나노미터(nm) 파장(실제로는 589.0과 589.6 nm에서 매우 가까이 있는 두 개의 지배적인 스펙트럼 선)의 거의 단색광을 생성한다. 이 좁은 대역폭만으로 조명된 물체의 색상은 구별하기 어렵다.
3. 1. 2. 구조
저압 나트륨(LPS) 램프는 단열을 위해 내부 방전관 주변에 외부 유리 진공 외피를 가지고 있어 효율성을 향상시킨다. 초기 모델은 탈착 가능한 듀어 자켓(SO 램프)을 사용했다.[11] 단열을 개선하기 위해 영구적인 진공 외피가 있는 램프(SOI 램프)가 개발되었다.[12] SOX 램프는 유리 외피에 인듐 주석 산화물의 적외선 반사 층을 코팅하여 효율을 더욱 높였다.[13]
3. 1. 3. 광공해 고려 사항
천문대나 바다거북 산란 해변 근처와 같이 광공해가 고려되는 지역에서는 저압 나트륨등이 선호된다.[17][18] 이러한 램프는 단 두 개의 지배적인 스펙트럼선(다른 훨씬 약한 선과 함께)으로 빛을 방출하므로 천문 관측에 가장 적은 스펙트럼 간섭을 일으킨다.[19] 저압 나트륨 램프의 노란색은 또한 어둠에 적응된 인간 시각의 푸르키네 현상으로 인해 시각적 하늘 빛을 최소화하는데, 이는 맑은 대기에서 낮은 휘도 수준에서 산란된 노란색 빛에 눈이 상대적으로 둔감하게 되기 때문이다.[20][21] (현재 LPS 램프 생산이 중단됨에 따라 LPS와 유사한 색상 스펙트럼을 가진 협대역 황색 LED의 사용을 고려하고 있다.)
3. 1. 4. 영화 특수 효과
나트륨 증기 공정(옐로우스크린)은 저압 나트륨(LPS) 램프의 좁은 대역폭 특성을 활용한 영화 기술이다. 일반 컬러 네거티브 필름은 LPS 램프의 노란색 빛에 반응하지 않지만, 특수 흑백 필름은 이 빛을 기록할 수 있다. 이 점을 이용하여 특수 카메라로 배우와 배경을 분리하여 촬영하고 나중에 합성하는 방식이다.
특수 카메라는 촬영 시 두 개의 필름에 장면을 동시에 기록한다. 하나의 필름에는 배우(또는 전경의 다른 물체)를 담고, 다른 필름에는 나중에 다른 배경과 합쳐질 마스크를 담는다. 이 기술은 초창기 블루스크린 기술보다 뛰어난 결과를 보여주었으며, 1956년부터 1990년까지 주로 디즈니 스튜디오에서 활용되었다. 앨프레드 히치콕의 ''새'', 디즈니 영화 ''메리 포핀스'', ''침대 위의 비행'' 등이 이 기술을 사용한 대표적인 영화이다.
시간이 지나면서 블루스크린 및 그린스크린 기술, 그리고 컴퓨터 이미지 처리 기술이 발전함에 따라 나트륨 증기 공정과의 기술 격차가 줄어들었고, 결국 경제적인 면에서 비효율적인 기술이 되었다.
3. 2. 고압 나트륨 램프 (HPS, High-pressure Sodium)
고압 나트륨(HPS) 램프는 저압 나트륨 램프보다 봉입 증기압을 높여(소등 시 13 kPa, 약 0.1기압) 연색성을 개선한 형태이다. 일본에서는 NH로 약칭된다. 시동 보조 가스로 제논이나 페닝 가스(네온+아르곤)를 사용한다.[8] 1960년 미국 GE사에서 개발되었으며, 발광관에는 석영 대신 특수 알루미나 세라믹이 사용된다. 나트륨 증기압을 높여 발광 스펙트럼의 파장 영역을 넓혀, 주황색을 띤 황백색 빛을 낸다.
효율 중시형은 색온도 2050K, 연색 지수 Ra 15-25로, 색 구별이 가능하지만, 발광 효율은 100-160 lm/W로 저압 나트륨 램프보다 낮다. 대한민국에서는 1970년대 이후 공해 문제 해결과 함께 터널 조명으로 널리 사용되기 시작했으며, 공장, 창고, 스포츠 시설, 도로 조명 등에도 사용되었다. 가스등에 가까운 따뜻한 색감으로 옥외 일반 조명, 특히 오래된 거리의 관광지에서 선호되기도 한다. 식물 생장을 위해 메탈 할라이드 램프와 조합하여 사용되기도 한다. 수은등 안정기(일반형, 저시동 전류형)로 점등할 수 있는 램프가 많으며, 전자 스타터를 내장한 제품도 있다.
3. 2. 1. "백색" 고압 나트륨 램프
1986년에 도입된 고압 나트륨 램프의 변형인 백색 고압 나트륨 램프는 일반적인 고압 나트륨 램프보다 압력이 더 높다. 약 2700 켈빈의 색온도와 약 85의 연색성 지수(CRI)를 가져 백열등과 매우 비슷한 색상을 낸다.[25] 이 램프는 미적 효과를 위해 카페와 식당 등 실내에서 자주 사용된다. 그러나 백색 고압 나트륨 램프는 비용이 더 많이 들고 수명이 짧으며 광 효율이 낮아 현재로서는 고압 나트륨 램프와 경쟁할 수 없다.
3. 2. 2. 작동 원리
나트륨 아말감은 램프의 가장 차가운 부분에 위치하며 아크를 발생시키는데 필요한 나트륨과 수은 증기를 제공한다. 램프 전력이 높을수록 아말감 온도도 높아진다. 아말감 온도가 높을수록 램프 내 수은 및 나트륨 증기 압력이 높아지고 단자 전압도 높아진다. 온도가 상승함에 따라 일정한 전류와 증가하는 전압은 전력의 작동 수준에 도달할 때까지 에너지를 점점 더 많이 소비한다.[26] 주어진 전압에 대해 일반적으로 세 가지 작동 모드가 있다.
# 램프가 꺼지고 전류가 흐르지 않는다.
# 램프는 튜브 내 액체 아말감으로 작동한다.
# 램프는 모든 아말감이 증발된 상태로 작동한다.
첫 번째와 마지막 상태는 램프 저항이 전압과 약하게 관련되어 있기 때문에 안정적이지만, 두 번째 상태는 불안정하다. 전류가 비정상적으로 증가하면 전력이 증가하여 아말감 온도가 상승하고, 이로 인해 저항이 감소하여 전류가 더욱 증가한다. 이는 걷잡을 수 없는 효과를 만들어내고, 램프는 고전류 상태로 전환된다. 실제 램프는 이렇게 많은 전력을 처리하도록 설계되지 않았기 때문에 이는 치명적인 고장으로 이어질 것이다. 마찬가지로 전류의 비정상적인 감소는 램프를 소등 상태로 몰아갈 것이다. 램프의 원하는 작동 상태는 두 번째 상태인데, 이는 저장소에서 아말감이 서서히 손실되는 것이 완전히 증발된 아말감보다 램프의 특성에 미치는 영향이 적기 때문이다. 결과적으로 평균 램프 수명은 20,000시간을 초과한다.
실제 사용에서 램프는 거의 일정한 전류를 램프에 공급하기 위해 유도성 안정기와 직렬로 연결된 AC 전압 소스에 의해 전원이 공급되며, 일정한 전압이 아니라 안정적인 작동을 보장한다. 안정기는 저항 손실로 인한 에너지 낭비를 최소화하기 위해 단순히 저항성 방식이 아닌 유도성 방식이 사용된다. 램프는 AC 주기의 각 0 전류 지점에서 효과적으로 소등되므로 유도성 안정기는 0 전류 지점에서 전압 스파이크를 제공하여 재점화를 돕는다.[26]
램프에서 나오는 빛은 수은과 나트륨의 스펙트럼 선으로 구성되지만, 나트륨 D-선의 방출이 지배적이다. 이 선은 극도로 공명 확장되어 있으며, 아크의 차가운 외부 층에서의 흡수로 인해 자기 반전되어 램프의 향상된 연색성 지수 특성을 제공한다. 또한, D-선 방출의 적색 부분은 아크 내 수은 원자의 반 데르 발스 확장에 의해 더 확장된다.
3. 2. 3. 수명 종료
고압 나트륨(HPS) 램프는 수명이 다하면 '사이클링' 현상을 보입니다. 이는 램프가 켜졌다 꺼졌다를 반복하는 현상입니다. 사이클링은 아크에서 반응성이 높은 나트륨이 손실되어 발생합니다. 나트륨은 아크 튜브의 산화 알루미늄과 반응하여 산화 나트륨과 알루미늄을 생성합니다.[27]
:6 Na + Al2O3 → 3 Na2O + 2 Al
램프 작동 중 가열되면 아크 튜브 내부 가스 압력이 상승하고, 아크 방전 유지에 더 많은 전압이 필요하게 됩니다. 램프가 오래될수록 아크 유지 전압은 전기 안정기의 최대 전압 출력을 초과하게 됩니다. 이 시점에서 아크가 꺼지고 램프가 꺼집니다. 이후 램프가 냉각되면 가스 압력이 감소하고 안정기가 다시 아크를 발생시킬 수 있게 되어, 램프가 잠시 켜졌다가 꺼지는 현상이 반복됩니다. 이 현상은 처음에는 순수하거나 푸르스름한 흰색으로 시작하여 빨간색-주황색으로 변한 후 꺼지는 양상을 보입니다.
일부 정교한 점화기는 사이클링을 감지하고 몇 번의 사이클 후 램프 시작을 포기합니다. 반복적인 고전압 점화가 안정기나 점화기의 수명을 단축시키기 때문입니다. 전원을 제거했다 다시 연결하면 안정기는 새로운 시작 시도를 합니다.
저압 나트륨(LPS) 램프는 사이클링 현상이 없습니다. 대신 켜지지 않거나 시작 단계의 흐릿한 빨간색 광채를 유지합니다. 또 다른 고장 모드에서는 아크 튜브의 작은 구멍으로 나트륨 증기가 새어 나가 외부 유리에 응축되어 거울처럼 형성됩니다. 이 경우 램프는 정상 작동하지만, 생성된 빛의 대부분이 나트륨 코팅에 가려져 조명 기능을 제대로 수행하지 못합니다.[27]
3. 3. 고연색 고압 나트륨 램프
고압 나트륨 램프보다 증기압을 약 5배 더 높여 연색성을 대폭 개선한 형태이다. 연색 지수는 Ra 85로, 백열전구와 비슷한 따뜻한 색의 빛을 낸다. 매장 조명 등에 이용되며, 1981년에 실용화되었다.[1]
나트륨 D선은 대부분 흡수되므로 파장 분포에서는 오히려 590 nm 부근의 빛이 가장 약해진다. 발광 효율은 낮지만, 백열전등의 3~4배 수준으로 에너지 절약 용도로 사용된다. 각 제조사의 전용 안정기로 점등하며, 고채도형과 고연색형이 있고 안정기도 다르므로 주의해야 한다.[1]
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