네온등

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1. 개요

네온등은 1898년 윌리엄 램지와 모리스 트래버스가 발견한 네온 가스를 이용한 조명 기술로, 네온 가스가 전기에 의해 여기될 때 나타나는 붉은색 빛을 활용한다. 조르주 클로드는 1910년 네온 튜브를 기반으로 한 네온 조명을 시연했고, 이후 네온 램프가 개발되어 다양한 분야에서 활용되었다. 네온등은 낮은 전류의 글로 방전을 사용하며, 전압 조정기, 스위칭 소자, 검출기, 영숫자 표시 장치 등 다양한 용도로 사용되었다. 네온등은 일반적으로 주황색 빛을 내지만, 다른 가스를 혼합하거나 형광 물질을 사용하여 다양한 색상을 낼 수 있다.

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네온등
개요
네온 조명
종류	가스 방전 램프
발명자	조르주 클로드
발명 연도	1910년
작동 원리
작동 방식	유리관에 네온, 아르곤 등의 기체를 넣고 방전시켜 빛을 냄
발광색	네온: 붉은색 아르곤: 푸른색
특징
장점	다양한 색상 표현 가능 긴 수명
단점	높은 전압 필요 유리관 파손 시 가스 누출 위험
활용
주요 용도	광고 간판 실내 장식 특수 조명
기타	과거에는 텔레비전, 라디오 등 전자 기기의 표시등으로도 사용 최근에는 LED로 대체되는 추세

2. 역사

네온은 1898년 윌리엄 램지와 모리스 트래버스가 발견했지만, 그 희소성 때문에 곧바로 조명에 활용되지는 못했다. 1900년대 초, 다니엘 맥팔란 무어가 질소 방전을 이용하는 무어 튜브를 상업화했지만, 이는 네온을 사용한 것은 아니었다.

1902년 이후, 조르주 클로드의 회사 에어 리퀴드는 공기 액화 사업의 부산물로 산업용 네온을 생산하기 시작했다. 1910년 12월, 클로드는 네온 튜브를 사용한 현대적인 네온 조명을 선보였다. 1915년 클로드는 네온 튜브 조명 전극 디자인에 대한 미국 특허를 획득했고,^[2] 이는 그의 회사 클로드 네온 라이츠가 미국에서 독점권을 갖는 기반이 되었다.^[3]

한편, 1917년경 제너럴 일렉트릭 회사에서 일하던 대니얼 맥팔란 무어는 네온 램프를 개발했다. 이 램프는 네온 조명에 사용되는 네온 튜브와는 다른 디자인을 가졌으며, 1919년 미국 특허를 받았다.^[4] 이 램프는 코로나 방전 원리를 이용해 전극이 가스에 따라 붉은색 또는 파란색으로 빛났고, 램프는 수년간 지속되었다. 전극 모양을 다양하게 만들 수 있어 장식용으로 인기를 끌었다.^[5] 글로우 램프는 1970년대 발광 다이오드(LED)가 상업화되기 전까지 계기판이나 가정용 기기 표시기로 사용되었다.

유리관 양쪽에 평판 전극을 넣고, 네온 가스를 250~400Pa(파스칼)로 채워 글로 방전 시 양광주가 발광하는 현상을 이용한 것을 '''네온관'''이라 한다. 조르주 클로드가 발명한 네온관은 1910년 파리 그랑 팔레에서 처음 공개되었다.^[31]

네온사인 등에 사용되는 네온관은 보통 길이가 최대 1.5m이다. 용도에 따라 다양하게 구부려 광고용으로 많이 쓰인다. 점등에는 1m당 네온 가스 주입 시 1.2kV, 아르곤이나 수은 증기 주입 시 1kV의 전압이 필요하다. 점등 시 전류는 20mA가 일반적이다. 전극 간격이 1mm 정도로 가정용 교류 전원(100V)에서 점등되도록 설계된 것은 네온 램프라고 부른다.

형광등과 같은 방전관은 안정적인 방전을 위해 안정기가 필요하다. 점등용 고압 발생 트랜스를 겸한 기재(네온 트랜스)를 사용한다. 네온 트랜스의 최고 전압은 15kV, 2차 단락 전류는 20mA로 정해져 있다. 이는 사람이 2차 측 계통에 닿았을 때, 40mA가 생사의 경계 전류 값으로 여겨져 그 절반으로 규정했기 때문이다.

유리관 굵기를 가늘게 하면 더 높은 전압에서 방전을 시작해 밝게 빛나는 네온관을 만들 수 있다. 네온관을 사용한 조명 기구 등의 공사는 특수 전기 공사 자격자여야 한다.

2. 1. 네온의 발견

윌리엄 램지와 모리스 트래버스는 1898년에 네온을 발견했다. 기체 네온이 전기에 의해 여기될 때 방출되는 특징적인 선명한 붉은색은 즉시 주목되었고, 트래버스는 나중에 "튜브에서 뿜어져 나오는 붉은 빛은 그 자체로 이야기를 말해주었고, 잊을 수 없는 광경이었다"라고 기록했다.^[1]

2. 2. 무어 튜브와 초기 상업화

다니엘 맥팔란 무어는 1900년대 초에 질소에 전기 방전을 이용하는 방식의 무어 튜브를 상업화했다.^[1] 1917년경, 무어는 제너럴 일렉트릭 회사에서 일하면서 네온 램프를 개발했다. 이 램프는 네온 조명에 사용되는 훨씬 더 큰 네온 튜브와는 매우 다른 디자인을 가지고 있었으며, 1919년에 이 디자인으로 미국 특허를 받았다.^[4] 스미소니언 협회 웹사이트에 따르면, "이 작고 전력 소모가 적은 장치는 코로나 방전이라는 물리적 원리를 사용한다. 무어는 두 개의 전극을 전구 안에 가깝게 장착하고 네온 또는 아르곤 가스를 추가했다. 전극은 가스에 따라 빨간색 또는 파란색으로 밝게 빛났고 램프는 수년간 지속되었다. 전극은 상상할 수 있는 거의 모든 모양을 가질 수 있었기 때문에, 상상력이 풍부한 장식 램프가 인기 있는 응용 분야였다."라고 한다.^[5]

2. 3. 조르주 클로드와 네온 조명

조르주 클로드(Georges Claude)의 회사인 에어 리퀴드(Air Liquide)는 1902년 이후 공기 액화 사업의 부산물로 산업용 네온을 생산했다.^[1] 1910년 12월, 클로드는 네온 튜브를 기반으로 한 현대적인 네온 조명을 시연했다.^[1] 클로드는 1915년에 네온 튜브 조명의 전극 디자인에 대한 미국 특허를 받았으며,^[2] 이 특허는 1930년대 초까지 그의 회사인 클로드 네온 라이츠(Claude Neon Lights)가 미국에서 독점권을 가지는 기반이 되었다.^[3]

조르주 클로드는 1910년에 파리의 정부 청사 그랑 팔레에서 네온관을 공표했다.^[31]

2. 4. 네온 램프의 발전

1930년경 제너럴 일렉트릭(General Electric)에서 제작한 NE-34 글로우 램프

대니얼 맥팔란 무어는 1917년경 제너럴 일렉트릭 회사(General Electric Company)에서 일하면서 네온 램프를 개발했다. 이 램프는 네온 조명에 사용되는 훨씬 더 큰 네온 튜브와는 매우 다른 디자인을 가지고 있었으며, 1919년에 특허가 발급되었다.^[4]

스미소니언 협회 웹사이트에서는 이 램프에 대해 다음과 같이 설명한다. "이 작고 전력 소모가 적은 장치는 코로나 방전이라는 물리적 원리를 사용한다. 무어는 두 개의 전극을 전구 안에 가깝게 장착하고 네온 또는 아르곤 가스를 추가했다. 전극은 가스에 따라 빨간색 또는 파란색으로 밝게 빛났고 램프는 수년간 지속되었다. 전극은 상상할 수 있는 거의 모든 모양을 가질 수 있었기 때문에, 상상력이 풍부한 장식 램프가 인기 있는 응용 분야였다."^[5]

이러한 글로우 램프는 1970년대 발광 다이오드(LED)가 널리 상용화되기 전까지 계기판 및 여러 가정용 기기에서 표시기로 사용되었다.^[5]

3. 작동 원리 및 특성

DC 전원으로 작동할 때는 음전하를 띤 전극(음극)만 빛을 낸다. AC 전원에서는 두 전극이 번갈아 가며 빛을 낸다. 네온등은 낮은 전류의 글로 방전을 이용해 작동하는 반면, 수은등이나 메탈 힐라이드 램프 같은 고출력 장치는 더 높은 전류의 아크 방전을 사용한다. 저압 나트륨 증기 램프는 예열을 위해 네온 페닝 혼합물을 사용하며, 저전력 모드에서는 거대한 네온등처럼 작동하기도 한다.

네온등은 일단 방전이 시작되면 큰 전류를 흘려보낼 수 있다. 그러나 전류가 너무 낮으면 깜박거림이 발생하고, 너무 높으면 전극이 마모되어 램프 내부 표면이 어두워진다. 방전을 시작하는 데 필요한 전위는 방전을 유지하는 데 필요한 전위보다 높다.

백열전구와 비교했을 때, 네온등은 발광 효율이 훨씬 높다. 백열전구는 열을 이용해 빛을 내기 때문에 대부분의 에너지가 열로 손실된다. 반면 네온등은 에너지 효율이 더 높다. 예를 들어, 녹색 네온등은 와트당 최대 65루멘의 빛을 낼 수 있지만, 표준 백열전구는 와트당 약 13.5루멘의 빛만 낼 수 있다.

유리관 양쪽에 평판 전극을 설치하고, 250~400Pa의 네온 가스를 채워 글로 방전 시 발생하는 양광주 발광 현상을 이용한 것을 '''네온관'''이라고 한다. 조르주 클로드가 발명했으며, 1910년 파리의 그랑 팔레에서 처음 공개되었다.^[31]

네온사인 등에 사용되는 네온관은 보통 최대 1.5m 길이다. 광고용으로 다양한 형태로 구부려 사용된다. 점등에는 1m당 네온 가스 주입 시 1.2kV, 아르곤이나 수은 증기 주입 시 1kV의 전압이 필요하며, 전류는 20mA가 일반적이다. 전극 간격이 1mm 정도로 가정용 교류 전원(100V)에서도 점등되도록 설계된 것은 네온 램프라고 부른다.

형광등과 마찬가지로 네온관도 안정적인 방전을 위해 안정기가 필요하다. 보통 네온 트랜스라고 불리는 변압기를 사용하며, 최고 전압은 15kV, 2차 단락 전류는 20mA로 정해져 있다. 이는 사람이 2차 측 계통에 닿았을 때 40mA가 생사의 경계 전류 값으로 여겨지기 때문에, 그 절반으로 규정된 것이다.

유리관을 가늘게 하면 더 높은 전압에서 방전이 시작되어 더 밝게 빛나는 네온관을 만들 수 있다. 네온 트랜스는 자속 누설 변압기로, 2차 측을 단락해도 최대 관 길이의 네온관을 연결해도 전류가 20mA만 흐르기 때문에 15kV 트랜스로 0.1m에서 15m 길이의 네온관까지 점등할 수 있다. 네온관을 사용한 조명 기구 공사는 특수 전기 공사 자격자만 가능하다.

철이나 니켈 전극을 1mm 간격으로 배치하고 유리관에 넣은 것을 네온 램프라고 한다. 글로 방전 시 음극 표면 전체에 나타나는 음극 글로의 발광을 이용하며, 발광 효율은 0.3 lm/W로 낮다. 전극 모양은 다양하며, 단순 표시 램프, 인테리어 조명, 정보 표시용(니키 튜브) 등으로 사용된다.

점등 시 전류는 1mA 정도이다. 방전 개시 전압은 70V, 방전 정지 전압은 60V로 S형 부성 저항 특성을 가지므로 안정기가 필요하다. 하지만 전류가 매우 작아 단순 저항(AC100V용 33kΩ, AC200V용 150kΩ)으로 대체된다. 부성 저항을 이용해 이완 발진 회로를 만들어 점멸시키거나 톱니파 발생 회로로 이용하기도 했다. (발진 회로#네온관 발진 회로 참조)

최근에는 파일럿 램프로 사용되는 단순 전극 형태는 발광 다이오드로 대체되고 있다. 하지만 전원 전압이 높은 경우 발광 다이오드의 전류 제한 저항에서 전력 손실이 커 네온 램프가 사용되기도 한다.

전기 제품의 이상 표시 램프 등에서 정상인데도 미세 방전을 하는 경우가 있다. 이는 200V 회로 등 양쪽이 비접지 극일 때, 한쪽은 조작 회로 전원, 다른 한쪽은 보호 장치 접점 등에 연결된 경우, 배선과 기기 케이스 사이 콘덴서가 형성되어 네온 램프에 대지 전압이 인가되기 때문이다. 대책으로 네온 램프에 콘덴서(0.1μF)나 저항(100kΩ)을 병렬로 연결하면 해결된다.

3. 1. 글로 방전

네온등은 낮은 전류의 글로 방전을 이용하여 작동한다. 램프는 점화 전압에서 글로 방전이 켜진다.^[6] 점화 전압은 주변 빛이나 방사능에 의해 감소한다. 이를 위해 일부 램프는 소량의 방사성 물질(크립톤-85)을 덮개에 첨가하여 제작되기도 한다.^[6] 방전을 유지하는 데 필요한 전압은 점화 전압보다 최대 30%까지 낮다. 이는 음극 근처의 양이온 조직 때문이다.

1 토르(torr)에서 50cm 간격으로 떨어진 두 개의 평판 전극에서 네온의 전기 방전 전압-전류 특성. F-H 영역이 글로 방전 영역이다.

작은 전류(5mm 전구 직경 NE-2 램프의 경우, 정지 전류는 약 400μA)는 교류 또는 직류일 수 있으며, 튜브를 통과하여 주황색-적색으로 빛나게 한다. 이 가스는 일반적으로 페닝 혼합물로, 99.5% 네온과 0.5% 아르곤을 포함하며, 의 압력에서 순수 네온보다 낮은 점화 전압을 갖는다.

수은 증기 램프나 금속 할로겐 램프와 같은 고전력 장치는 더 높은 전류의 아크 방전을 사용한다. 저압 나트륨 증기 램프는 예열을 위해 네온 페닝 혼합물을 사용하며 저전력 모드로 작동하면 거대한 네온 램프로 작동할 수 있다.

3. 2. 전압-전류 특성

A: 우주선에 의한 무작위 펄스
B: 포화 전류
C: 애벌런치 붕괴 타운젠드 방전
D: 자기 유지 타운젠드 방전
E: 불안정 영역: 코로나 방전
F: 아-정상 글로우 방전
G: 정상 글로우 방전
H: 비정상 글로우 방전
I: 불안정 영역: 글로우-아크 전이
J: 전기 아크
K: 전기 아크

'''A-D 영역: 암흑 방전''' - 이온화가 발생하며 전류는 10 마이크로암페어 미만이다.

'''F-H 영역: 글로우 방전''' - 플라즈마는 희미한 빛을 방출한다.

'''I-K 영역: 아크 방전''' - 다량의 전자기 방사선이 생성된다.

네온 램프는 작은 전류(5mm 전구 직경 NE-2 램프의 경우, 정지 전류는 약 400μA)로 교류 또는 직류에서 작동하며, 튜브를 통과하는 전류는 주황색-적색 빛을 낸다. 이 가스는 일반적으로 99.5% 네온과 0.5% 아르곤의 페닝 혼합물로, 1torr에서 20torr 압력에서 순수 네온보다 낮은 점화 전압을 갖는다.

램프는 점화 전압에서 글로우 방전이 켜진다.^[6] 이 점화 전압은 주변 빛이나 방사능에 의해 감소한다. "암흑 효과"를 줄이기 위해 일부 램프는 어둠 속에서 이온화를 돕는 소량의 방사성 물질, 주로 크립톤-85를 덮개에 첨가하여 제작되었다.^[6]

방전을 유지하는 데 필요한 전압은 점화 전압보다 최대 30%까지 낮다. 이는 음극 근처의 양이온 조직 때문이다. 네온 램프는 낮은 전류의 글로우 방전을 이용해 작동한다.

수은 증기 램프나 금속 할로겐 램프와 같은 고전력 장치는 더 높은 전류의 아크 방전을 사용한다. 저압 나트륨 증기 램프는 예열을 위해 네온 페닝 혼합물을 사용하며, 저전력 모드로 작동하면 거대한 네온 램프로 작동할 수 있다.

점등 시 전류는 1mA 정도이다. 방전 개시 전압은 70V 정도, 방전 정지 전압은 60V이며, 전형적인 S형 부성 저항 특성을 갖는다. 따라서 점등에는 안정기가 필요하지만, 점등 시 전류가 매우 작기 때문에 일반적으로 단순한 저항(AC100V용 33kΩ, AC200V용 150kΩ)으로 대체된다.

3. 3. 전류 제한

네온 램프는 방전 상태가 되면 큰 전류가 흐를 수 있다. 이 때문에 네온 램프 외부 회로는 전류를 제한해야 한다. 그렇지 않으면 전류가 급격히 증가하여 램프가 파괴될 수 있다.^[6]

표시등 크기의 램프는 주로 저항으로 전류를 제한한다. 더 큰 램프는 누설 인덕턴스가 높은 특수 고전압 변압기나 다른 전기 안정기를 사용하여 전류를 제한한다. (neon sign^영어 참조)^[6]

3. 4. 깜박임 현상 (Flicker flame)

램프에 흐르는 전류가 최대 전류 방전 경로에 대한 전류보다 낮으면 글로 방전이 불안정해져 전극 전체 표면을 덮지 못할 수 있다.^[7] 이는 표시 램프의 노후화 징후일 수 있으며, 장식용 "플리커 플레임" 네온 램프에서 활용된다. 그러나 너무 낮은 전류는 깜박임을 유발하는 반면, 너무 높은 전류는 스퍼터링을 자극하여 전극의 마모를 증가시키고, 이는 램프 내부 표면에 금속을 코팅하여 어둡게 만든다.

방전을 시작하는 데 필요한 전위는 방전을 유지하는 데 필요한 전위보다 높다. 전류가 충분하지 않으면 글로우가 전극 표면의 일부 주위에만 형성된다. 대류 전류는 빛나는 영역이 위로 흐르게 하여 마치 제이콥의 사다리에서의 방전과 같다. 광이온화 효과도 여기서 관찰될 수 있는데, 글로우 방전이 덮는 전극 영역은 램프에 빛을 비추면 증가할 수 있다.

3. 5. 효율

백열전구와 비교하여 네온등은 발광 효율이 훨씬 높다. 백열등은 열로 빛을 내기 때문에, 공급되는 전력의 대부분이 열로 변환된다. 반면, 네온등, 형광등, 발광 다이오드와 같은 비백열 광원은 일반적인 백열전구보다 훨씬 더 에너지 효율적이다.^[9]

녹색 네온등^[8]은 와트당 최대 65루멘의 빛을 생산할 수 있는 반면, 흰색 네온등은 와트당 약 50루멘의 효율을 가진다. 반대로, 표준 백열전구는 와트당 약 13.5루멘만 생산한다.^[9]

4. 종류

네온등은 크게 네온관과 네온 램프로 나눌 수 있다. 네온관은 조르주 클로드가 발명했으며, 1910년 파리의 정부 청사 그랑 팔레에서 처음 공개되었다.^[31]

4. 1. 네온관

'''네온관'''은 유리관 양쪽에 평판 전극을 붙이고, 250 - 400Pa(파스칼)의 네온 가스를 채워 넣어 글로 방전 시에 나타나는 양광주의 발광 현상을 이용한 것이다.

네온사인 등에 사용되는 네온관은 일반적으로 관 길이가 최대 1.5m이다. 대부분 용도에 따라 다양한 형태로 구부러져 광고용으로 많이 사용된다. 점등에 필요한 전압은 1m당 네온 가스 주입 시 1.2kV, 아르곤이나 수은 증기 주입 시에는 1kV의 전압이 필요하다. 점등 시 흐르는 전류는 20mA가 일반적이다. 전극 간격이 1mm 정도의, 가정용 교류 전원 등의 100V 정도로 점등하도록 설계된 것은 네온 램프라고 불리며 네온관의 일종이다.

다른 형광등 등의 방전관과 마찬가지로, 안정적인 방전을 위해 안정기가 필요하다. 점등용 고압 발생용 트랜스를 겸한 기재의 사용이 일반적이며, 네온 트랜스라고 불린다. 네온 트랜스의 최고 전압은 15kV이며 2차 단락 전류는 20mA로 정해져 있다. 이는 2차 측 계통에 사람이 닿았을 때, 40mA가 일반적으로 생사의 경계를 나누는 전류 값이라고 여겨져, 그 절반으로 규정하고 있기 때문이다.^[31]

또한 유리관의 굵기를 가늘게 하면 더 높은 전압으로 방전을 시작하므로 밝게 빛나는 네온관을 만들 수 있다.

네온 트랜스는 2차 측을 단락해도 최대 관 길이의 네온관을 접속해도 전류가 20mA밖에 흐르지 않는 자속 누설 변압기로 되어 있으므로 15kV의 트랜스로 0.1m의 네온관부터 15m 상당의 네온관까지 점등이 가능하다.

네온관을 사용한 조명 기구 등의 공사에는 특수 전기 공사 자격자여야 한다.

4. 2. 네온 램프

철 또는 니켈로 만들어진 전극을 1mm 정도 간격으로 배치하고 유리관에 넣은 것을 네온 램프라고 한다. 글로 방전 시, 음극 표면 전체에 나타나는 음극 글로의 발광을 사용한다. 발광 효율은 0.3 lm/W로 상당히 낮다. 전극의 모양은 단순한 막대 모양을 평행하게 배열한 것부터 원반 모양, 또는 문자 모양 등 다양하다. 단순한 표시 램프부터 인테리어 조명용, 옛날에는 전극을 숫자의 형태로 한 전극을 다수 모아 유리관에 봉입한 정보 표시용(니키 튜브)도 있다.

점등 시 전류는 1mA 정도이다. 방전 개시 전압은 70V 정도, 방전 정지 전압은 60V이며, 전형적인 S형 부성 저항을 가지므로 점등에는 안정기가 필요하지만, 점등 시 전류가 매우 작기 때문에 일반적으로 단순한 저항(AC100V용으로 33kΩ, AC200V용으로 150kΩ)으로 대체된다.

부성 저항을 이용하여 매우 단순한 이완 발진 회로를 만들어 점멸시키거나, 톱니파 발생 회로로 이용되기도 했다. 구체적으로는 네온 램프와 병렬로 콘덴서를 접속한다(발진 회로#네온관 발진 회로).

최근에는 파일럿 램프로 사용되는 단순한 전극 형태의 것은 순차적으로 발광 다이오드로 대체되고 있다. 하지만 전원 전압이 높은 경우에는 발광 다이오드에서는 전류 제한 저항의 전력 손실이 크기 때문에 네온 램프가 사용되는 경우도 적지 않다.

자주 전기 제품의 이상 표시 램프 등에서 정상임에도 불구하고 미세 방전을 하는 경우가 있다. 이것은 200V 회로 등에서 양쪽이 비접지 극인 경우에 일어난다. 한쪽은 조작 회로의 전원, 다른 한쪽은 보호 장치의 접점 등에 접속되어 있는 경우 보호 장치까지의 배선과 기기 케이스 등 접지된 물건 사이에 전선 피복을 통해 콘덴서가 형성되어 네온 램프에 대지 전압이 인가되기 때문에 일어난다.

대책으로 네온 램프에 콘덴서(0.1μF) 또는 저항(100kΩ)을 병렬로 접속하면 해소된다.

5. 응용 분야

네온등은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.

시각적 표시 장치: 소형 네온등은 전력 소비가 적고 수명이 길어 전자 장비의 표시등으로 널리 사용되며, 발광 다이오드(LED) 보급 이후에도 여전히 사용된다. 과거에는 니키 튜브처럼 숫자 표시에도 사용되었다.
전압 시험기: 약 90볼트의 항복 전압과 전원에 따른 발광 특성(직류는 음극, 교류는 양극 번갈아 발광)을 이용해 전압 시험기로 활용된다.
전압 조정기: 글로 방전 램프의 항복 특성을 이용, 간단한 전압 조정기나 과전압 보호 장치로 사용된다.
스위칭 소자/발진기: 부성 저항 특성과 히스테리시스를 이용해 능동 스위칭 소자로 사용되며, 피어슨-앤슨 효과를 이용한 이완 발진기 회로를 구성하여 깜박이는 경고등, 스트로보스코프, 전자 오르간 등에 쓰인다.
검출기: 마이크로파, 밀리미터파, 서브밀리미터("테라헤르츠") 주파수 검출기로 활용된다.
영숫자 표시 장치: 니키 튜브와 같은 영숫자 표시 장치로 사용되었으나, 현재는 다른 디스플레이 장치로 대체되었다.
튜닝 표시기: 1930년대 라디오에서 방송국 튜닝 상태를 나타내는 "튠온(tuneon)"으로 사용되었다.
초기 텔레비전: 빠른 응답 속도 덕분에 기계식 스캔 TV의 광원으로 사용되었다.
장식용 램프: 전극을 다양한 형태로 만들고 형광체로 코팅하여 예술적 용도로 사용된다.
자동차 튜닝: 자동차 의장을 위해 네온관(또는 냉음극관)을 차체 하부나 내부에 설치하는 개조에 사용된다.

5. 1. 시각적 표시 장치

소형 네온등은 전력 소비가 적고 수명이 길며, 주 전원으로 작동할 수 있기 때문에 전자 장비 및 기기의 표시등으로 널리 사용된다.^[1] 발광 다이오드(LED)가 보급되면서도, 소형 네온 램프는 여전히 낮은 전력 소비, 긴 수명, 주 전원 작동 능력 덕분에 전자 제품 및 가전 제품의 시각적 표시기로 많이 사용된다.^[2]

철 또는 니켈로 만든 전극을 1mm 정도 간격으로 배치하고 유리관에 넣은 것을 네온 램프라고 한다. 글로 방전 시, 음극 표면 전체에 나타나는 음극 글로의 발광을 이용하며, 발광 효율은 0.3 lm/W로 낮은 편이다. 전극 모양은 단순한 막대 모양을 평행하게 배열한 것부터 원반 모양, 문자 모양 등 다양하다. 단순한 표시 램프부터 인테리어 조명용, 과거에는 전극을 숫자 형태로 만들어 정보를 표시하는 니키 튜브도 있었다.^[3]

점등 시 전류는 1mA 정도이다. 방전 개시 전압은 70V 정도, 방전 정지 전압은 60V이며, S형 부성 저항 특성을 가지므로 안정기가 필요하다. 하지만 점등 시 전류가 매우 작기 때문에 일반적으로 단순한 저항(AC100V용 33kΩ, AC200V용 150kΩ)으로 대체된다.^[3]

부성 저항을 이용하여 간단한 이완 발진 회로를 만들어 점멸시키거나, 톱니파 발생 회로로 사용하기도 한다. 네온 램프와 병렬로 콘덴서를 접속하는 방식이다(발진 회로#네온관 발진 회로).^[3]

최근에는 파일럿 램프로 사용되는 단순한 전극 형태의 네온등은 발광 다이오드로 대체되고 있다. 하지만 전원 전압이 높은 경우에는 발광 다이오드에서 전류 제한 저항의 전력 손실이 크기 때문에 네온 램프가 사용되는 경우도 있다.^[4]

전기 제품의 이상 표시 램프 등에서 정상인데도 미세 방전을 하는 경우가 있다. 이는 200V 회로 등에서 양쪽이 비접지 극인 경우에 발생한다. 한쪽은 조작 회로의 전원, 다른 한쪽은 보호 장치의 접점 등에 접속되어 있는 경우, 보호 장치까지의 배선과 기기 케이스 등 접지된 물건 사이에 전선 피복을 통해 콘덴서가 형성되어 네온 램프에 대지 전압이 인가되기 때문이다.^[5]

이에 대한 대책으로 네온 램프에 콘덴서(0.1μF) 또는 저항(100kΩ)을 병렬로 접속하면 해결된다.^[5]

5. 2. 전압 시험기

일반적인 NE-2와 같은 대부분의 소형 네온등은 약 90볼트의 항복 전압을 지니고 있다. 직류 전원에서 구동할 경우, 음전하를 띤 전극(음극)만 발광한다. 교류 전원에서 구동되면 2개의 전극이 모두 번갈아 켜진다. 이러한 특성 때문에 네온 램프(직렬 저항 사용)는 편리한 저비용 전압 시험기이다. 어떤 전극이 빛나고 있는지 조사하여 주어진 전압원이 교류 또는 직류인지 여부와 직류인 경우 검사할 점의 극성을 나타낼 수 있다.^[10]

철 또는 니켈로 만들어진 전극을 1mm 정도 간격으로 배치하고 유리관에 넣은 것을 네온 램프라고 한다. 점등 시 전류는 1mA 정도이다. 방전 개시 전압은 70V 정도, 방전 정지 전압은 60V이며, 전형적인 S형 부성 저항을 가지므로 점등에는 안정기가 필요하지만, 점등 시 전류가 매우 작기 때문에 일반적으로 단순한 저항(AC 100V용으로 33kΩ, AC 200V용으로 150kΩ)으로 대체된다.

5. 3. 전압 조정기

네온등은 간단한 전압 조정기나 과전압 보호 장치로 사용될 수 있다. 글로우 방전 램프는 항복 특성이 있어, 전압 조정기 또는 과전압 보호 장치로 활용된다.^[11] 1930년대부터 제너럴 일렉트릭(GE), 시그널라이트(Signalite) 등에서 전압 조정 튜브를 제작했다.

5. 4. 스위칭 소자/발진기

네온 램프는 다른 기체 방전 램프와 마찬가지로 부성 저항을 가지며, 램프가 항복 전압에 도달한 후 전류가 증가함에 따라 전압이 감소한다.^[13]^[14]^[15] 따라서 램프는 히스테리시스를 가지며, 턴오프(소등) 전압이 턴온(항복) 전압보다 낮다.^[16]

이러한 특성 때문에 램프는 능동 스위칭 소자로 사용될 수 있다. 네온 램프는 피어슨-앤슨 효과^[14]^[16]^[17]라고도 불리는 이완 발진기 회로를 만드는 데 사용되었는데, 깜박이는 경고등, 스트로보스코프^[18], 전자 오르간의 음 발생기,^[14] 및 초기 음극선 오실로스코프의 시간 기준 및 편향 발진기와 같은 저주파 응용 분야에 사용되었다.^[19]

네온 램프의 부성 저항은 매우 단순한 이완 발진기를 만들어 점멸시키거나, 톱니파 발생 회로로 이용되기도 했다. 구체적으로는 네온 램프와 병렬로 콘덴서를 접속하는 방식이다(발진 회로#네온관 발진 회로).

5. 5. 검출기

네온등은 역사적으로 약 100GHz까지의 마이크로파 및 밀리미터파 검출기("플라스마 다이오드" 또는 글로우 방전 검출기(GDD))로 사용되었으며, 이러한 용도로 사용될 때 1N23형 캐트위스커 접촉 실리콘 다이오드와 비슷한 감도(수십 마이크로볼트에서 최대 100마이크로볼트 정도)를 보인다고 알려져 있다. 이 다이오드는 한때 마이크로파 장비에서 흔히 사용되었다. 최근에는 네온 램프가 서브밀리미터("테라헤르츠") 주파수에서도 검출기로서 잘 작동하며, 이러한 파장에서 여러 실험적 이미징 배열의 픽셀로 성공적으로 사용되었다는 사실이 밝혀졌다.

이러한 응용 분야에서 램프는 "기아" 모드(램프 전류 노이즈 감소) 또는 정상 글로우 방전 모드로 작동한다. 일부 문헌에서는 비정상 글로우 모드로 작동할 때 광학 영역까지의 방사선 검출기로서의 사용을 언급한다. 마이크로파와 플라스마의 결합은 자유 공간, 도파관, 포물선형 집중기(예: 윈스턴 콘)를 통하거나, 램프에 직접 장착된 루프 또는 다이폴 안테나를 통한 용량성 방식을 통해 이루어질 수 있다.

이러한 응용 분야의 대부분은 일반적인 기성품 이중 전극 램프를 사용하지만, 한 연구에서는 추가 전극이 결합 안테나 역할을 하는 특수 3개(또는 그 이상) 전극 램프가 더 나은 결과(더 낮은 노이즈와 더 높은 감도)를 제공한다는 사실을 발견했다. 이 발견은 미국 특허를 받았다.^[23]

5. 6. 영숫자 표시 장치

여러 개의 모양 전극이 있는 네온 램프는 니키 튜브로 알려진 영숫자 표시 장치로 사용되었다. 이후 발광 다이오드, 진공 형광 디스플레이, 액정 디스플레이와 같은 다른 디스플레이 장치로 대체되었다.

1940년대부터 최소한 아르곤, 네온, 형광체를 사용한 ''글로우 사이리스터'' 래칭 표시기(시작 전극에 펄스가 가해지면 켜지고 양극 전압이 차단된 후에만 꺼짐)가 자체 표시 시프트 레지스터로 제공되었다.^[24] 이 표시기는 대형 스크롤 텍스트 도트 매트릭스 디스플레이나 4×4, 4색 형광체 사이리스터 매트릭스와 결합되어 대형 비디오 그래픽 배열을 위한 스택 가능한 625색 RGBA 픽셀로 사용되었다.^[25]

데카트론이라고 하는 다중 음극 및/또는 양극 ''글로우 사이리스터''는 숫자 표시된 음극 중 하나에서 빛을 내면서 정방향 및 역방향으로 계산할 수 있었다.^[26] 이러한 기능은 계측기의 자체 표시 n으로 나누는 카운터/타이머/프리스케일러 또는 덧셈기/뺄셈기로 사용되거나 계산기에 사용되었다.

5. 7. 튜닝 표시기

1930년대 라디오에서는 네온 램프가 "튠온(tuneon)"이라고 불리는 튜닝 표시기로 사용되었으며, 방송국이 제대로 튜닝되면 더 밝게 빛났다.^[27]^[28]

5. 8. 초기 텔레비전

네온 램프는 응답 속도가 비교적 빨라 텔레비전 초기 개발 과정에서 기계식 스캔 TV 디스플레이의 광원으로 많이 사용되었다.

5. 9. 장식용 램프

예술적 목적을 위해 전극을 꽃이나 잎과 같은 형태로 만들고, 종종 형광체로 코팅한 장식용 발광 램프가 제작되었다. 이 중 일부에서는 전극을 둘러싼 빛이 디자인의 일부를 이룬다.^[28]

5. 10. 자동차 튜닝

최근에는 자동차의 드레스업(의장)을 위해 네온관(또는 이와 거의 동일한 종류의 냉음극관)을 차체 하부나 차내에 설치하는 개조 방법이 있다.

6. 색상

네온 표시등은 일반적으로 주황색을 띤다. 색상을 더 붉게 하거나 대비를 개선하기 위해 유색 필터를 함께 사용하기도 한다.^[29]

아르곤, 크립톤, 제논과 같은 다른 기체를 네온 대신 사용하거나 섞어서 사용할 수도 있다. 이러한 기체들은 네온등과 유사한 전기적 특성을 가지지만, 네온 특유의 붉은 주황색 빛 대신 자외선을 일부 포함하는 청색 빛을 낸다. 이 자외선을 이용하여 전구 안쪽의 형광체 코팅을 자극하면 흰색을 포함한 다양한 색상을 낼 수 있다.^[29] 95% 네온, 2.5% 크립톤, 2.5% 아르곤 혼합물은 녹색 빛을 내는 데 사용될 수 있지만,^[30] "녹색 네온" 램프는 보통 형광체를 기반으로 만들어진다.

6. 1. 네온의 기본 색상

네온 표시등은 일반적으로 주황색이며, 대비를 개선하고 색상을 빨간색 또는 더 붉은 주황색으로 만들기 위해 유색 필터를 함께 사용하기도 한다.^[29]

6. 2. 다른 기체의 사용

네온 표시등은 일반적으로 주황색이며, 색상을 빨간색이나 더 붉은 주황색으로 바꾸고 대비를 개선하기 위해 유색 필터와 함께 사용되기도 한다.

아르곤, 크립톤, 제논을 네온 대신 채우거나 섞어서 사용할 수도 있다. 이렇게 하면 전기적 작동 특성은 네온등과 유사하지만, 네온 특유의 붉은 주황색 빛 대신 자외선을 일부 포함하는 청색 빛을 낸다. 이 자외선을 이용하여 전구 안쪽의 형광체 코팅을 자극하면 흰색을 포함한 다양한 색상을 낼 수 있다.^[29] 95% 네온, 2.5% 크립톤, 2.5% 아르곤 혼합물은 녹색 빛을 내는 데 사용될 수 있지만,^[30] "녹색 네온" 램프는 보통 형광체를 기반으로 만들어진다.

6. 3. 형광 물질의 사용

네온 표시등은 일반적으로 주황색이며 대비를 개선하고 색상을 빨간색 또는 더 붉은 주황색으로 변경하기 위해 종종 유색 필터와 함께 사용된다.

아르곤, 크립톤, 제논을 네온 대신 채우거나 혼합할 수도 있다. 전기적 작동 특성은 유사하지만, 이러한 램프는 네온의 특징적인 붉은 주황색 빛이 아닌 청색 빛(일부 자외선 포함)으로 켜진다. 그런 다음 자외선 복사를 사용하여 전구 내부의 형광체 코팅을 여기시켜 흰색을 포함한 다양한 색상을 제공할 수 있다.^[29] 95% 네온, 2.5% 크립톤, 2.5% 아르곤 혼합물을 녹색 빛에 사용할 수 있지만,^[30] "녹색 네온" 램프는 더 일반적으로 형광체를 기반으로 한다.

참조

_[1] 서적 Discovery of the Elements: Third Edition (reprint) https://books.google[...] Kessinger Publishing
_[2] 간행물 Systems of Illuminating by Luminescent Tubes
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_[4] 간행물 Gaseous Conduction Lamp
_[5] 웹사이트 Lamp Inventors 1880-1940: Moore Lamp http://americanhisto[...] The Smithsonian Institution
_[6] 서적 Using and Understanding Miniature Neon Lamps https://archive.org/[...] Howard W Sams & Co, Inc. 1969
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_[11] 웹사이트 Using and Understanding Miniature Neon Lamps http://www.tiffe.de/[...] Miller, W.G. 2017-05-17
_[12] 서적 Gaseous Electronics: Theory and Practice https://books.google[...] Taylor and Francis 2006
_[13] 서적 G.E. Glow Lamp Manual, 2nd Ed. https://books.google[...] General Electric
_[14] 서적 Applications of Neon Lamps and Discharge Tubes https://www.scribd.c[...] Carleton Press
_[15] 서적 Cold Cathode Tubes https://books.google[...] Iliffe 1968
_[16] 서적 Practical Oscillator Handbook https://books.google[...] Elsevier 1997
_[17] 웹사이트 GE Glow Lamp Manual 1965 https://books.google[...] 2018-01-14
_[18] 논문 Magic with neon glow lamps https://books.google[...] Popular Science Publishing Co. 1948-02
_[19] 웹사이트 Tutorial Oscilloscope http://www.hep.fsu.e[...] Prof. Horst D. Wahl, Physics Dept., [[Florida State University]] 2014-04-14
_[20] 웹사이트 GE Glow Lamp Manual 1965 https://books.google[...] 2018-01-14
_[21] 논문 A Study of the Neon Bulb as a Nonlinear Circuit Element Inst. of Electrical and Electronic Engineers 1956-09
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_[23] 웹사이트 Glow discharge millimeter wave detector and method of biasing same http://www.google.co[...] US patent 3790895 A 1972-10-19
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_[26] 웹사이트 ETL: ''GCA10G/GSA10G'' data sheet http://tubedata.milb[...] 2013-05-10
_[27] 웹사이트 Tuneon http://www.radiomuse[...] 2015-10-12
_[28] 웹사이트 TuneOn http://www.mif.pg.gd[...] 2018-01-14
_[29] 서적 Phosphor handbook https://books.google[...] CRC Press
_[30] 웹사이트 Plasma Globe Colors http://www.personal.[...] 2016-04-22
_[31] 웹사이트 レアガスの世界へようこそ http://tgc.jp/rarega[...] 東京ガスケミカル 2013-12-02

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