무전극 램프
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1. 개요
무전극 램프는 전극 없이 전자기 유도 또는 플라즈마 방전을 이용하여 빛을 내는 조명 기술이다. 1882년 유도 전구 램프에 대한 특허가 처음 획득된 이후, 1990년대에 다양한 기업에서 상용화되었다. 무전극 램프는 긴 수명, 높은 에너지 효율, 자연광에 가까운 빛, 즉시 점등 및 소등, 낮은 자외선 방출 등의 장점을 가지고 있다. 하지만, 높은 가격, 소형화의 어려움, 수은 사용, 전파 간섭 가능성 등의 단점도 존재한다. 대한민국에서는 교량, 터널, 공장 등 유지 보수가 어려운 곳에 주로 사용되며, 산업 현장의 에너지 효율 향상에 기여하고 있다.
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| 무전극 램프 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 무전극 램프 |
| 영어 명칭 | Electrodeless lamp |
| 일본어 명칭 | 無電極ランプ (Mudenkyoku Ranpu) |
| 원리 | 전자기 유도 |
| 종류 | 형광 램프 고휘도 방전 램프 (HID) |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 전자기 유도를 이용하여 램프 내부의 기체를 여기시켜 빛을 발생시키는 원리 |
| 상세 설명 | 램프 외부에 코일을 감거나, 램프 내부에 코일을 삽입 코일에 고주파 전류를 흘려보내 램프 내부에 전자기장을 형성 전자기장에 의해 램프 내부의 기체 (주로 아르곤, 네온 등의 불활성 기체와 수은 증기)가 여기되어 플라스마 상태가 됨 플라스마 상태의 기체가 원래 상태로 돌아가면서 자외선 또는 가시광선을 방출 |
| 형광 램프의 경우 | 램프 내벽에 형광 물질을 도포 플라스마 상태의 기체에서 방출된 자외선이 형광 물질을 자극하여 가시광선을 방출 |
| HID 램프의 경우 | 플라스마 상태의 기체에서 직접 강한 가시광선을 방출 |
| 특징 | |
| 장점 | 긴 수명: 전극이 없어 전극 손상으로 인한 수명 단축이 없음 높은 에너지 효율: 일반 램프에 비해 에너지 효율이 높음 안정적인 광 출력: 수명 기간 동안 광 출력 변화가 적음 다양한 디자인: 램프 형태에 제약이 적어 다양한 디자인 가능 |
| 단점 | 높은 초기 비용: 구동 장치 (고주파 발생 장치)가 필요하여 초기 비용이 높음 전자파 간섭: 고주파를 사용하므로 전자파 간섭 발생 가능성 존재 |
| 응용 분야 | |
| 일반 조명 | 사무실, 공장, 상업 시설 등의 일반 조명 가로등, 보안등 등의 외부 조명 |
| 특수 조명 | 의료용 조명 식물 생장 촉진용 조명 수중 조명 |
| 기타 | LCD 백라이트 실험 장비 |
2. 역사
1882년, 필립 다일이 유도 전구 램프에 대한 특허를 획득하면서 무전극 램프의 역사가 시작되었다.[1] 1890년대 니콜라 테슬라는 무전극 램프에 대한 무선 전력 전송을 시연하고 관련 특허를 받았다.[2]
무전극 램프는 크게 자기 유도 방식과 플라스마 방식으로 나뉜다.
1967년 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 존 앤더슨이 무전극 램프 특허를 신청했다.[3][4][5] 1994년 제너럴 일렉트릭은 통합 전원 공급 장치 및 고주파 드라이버가 장착된 유도 램프 '제뉴라(Genura)'를 생산했다.
1990년대 필립스(Philips)는 ''QL'' 유도 조명 시스템을 출시했고, 파나소닉(Matsushita)과 인터소스 테크놀로지스도 유도 조명 시스템을 출시했다. 1996년 오스람(Osram)은 '엔듀라(Endura)' 유도 조명 시스템 판매를 시작했다.
2000년대 초반, 고체 유전체 도파관을 이용한 시스템이 개발되어 더 밝고 컴팩트한 무전극 램프가 가능해졌다. 2006년 룩심(Luxim)은 프로젝터 램프 제품인 'LIFI'를 출시했다. 2009년 세라비전(Ceravision)은 광학적으로 투명한 석영 도파관을 사용한 '알바라(Alvara)' 램프를 출시하여 효율을 높였다.
2012년 토팡가 테크놀로지스(Topanga Technologies)는 고체 전자 무선 주파수 (RF) 드라이버 회로로 구동되는 첨단 플라즈마 램프(APL) 시리즈를 출시했다.[10]
3. 원리
자기 유도 방식은 안정기를 통해 고주파 신호를 발생시켜 환형 자심(磁芯) 코일에 전달하고, 자심 내부에서 폐쇄된 감응 자장(磁場)을 형성한다. 이는 발광관 내부에 환형 전장(電場)을 유도하여 발광관을 자극, 방전시켜 빛을 낸다. 즉, 전자 접속의 원리로 무전극 방전 특성을 형성한다. 환형 감응 전장(電場)을 통해 플라스마를 형성하고, 수은 원자의 253.7nm 방사선을 자극하여 형광 분말을 통해 가시광선을 방출한다.[16][17][18]
플라스마 방식은 닫힌 투명 버너 또는 전구 내부의 플라스마를 무선 주파수(RF) 전력으로 여기시켜 빛을 생성한다. 일반적으로 희가스 또는 희가스와 금속 할로겐화물, 나트륨, 수은, 황 등의 혼합물을 사용한다.
3. 1. 자기 유도 방식
자기 유도 방식은 안정기를 통해 고주파 신호를 발생시켜 환형 자심(磁芯) 코일에 전달하고, 자심 내부에서 폐쇄된 감응 자장(磁場)을 형성한다. 형성된 감응 자장은 발광관 내부에 환형 전장(電場)을 유도하여 발광관을 자극, 방전시켜 빛을 낸다. 이는 전자 접속의 원리를 이용한 무전극 방전 특성을 활용한 것이다.[16][17][18] 환형 감응 전장을 통해 플라스마 반전을 형성하고, 수은 원자 253.7nm 방사선을 자극하여 형광 분말을 통해 가시광선을 방출한다.
이 램프는 전기 결합 방식으로 수은 증기에 에너지를 전달하는 방식을 제외하면 일반적인 형광등과 매우 유사하다. 방전 용기 내의 수은 증기는 전기적으로 여기되어 단파 자외선을 생성하고, 이 자외선은 내부 형광체를 여기시켜 가시광선을 생성한다.
패러데이의 유도 법칙에 따라, 시간에 따라 변화하는 코어 내의 자기장은 그 자기장을 둘러싸는 모든 폐쇄 경로에 시간에 따라 변화하는 전압을 생성한다. 방전 튜브는 페라이트 코어 주위에 그러한 폐쇄 경로 중 하나를 형성하며, 이러한 방식으로 코어 내의 시간에 따라 변화하는 자기장은 방전 튜브 내에 시간에 따라 변화하는 전기장을 생성한다. 자기장이 방전 튜브를 관통할 필요는 없다. 시간에 따라 변화하는 자기장에 의해 생성된 전기장은 일반 형광등에서 전기장에 의해 방전이 구동되는 것과 동일한 방식으로 수은-희가스 방전을 구동한다. 페라이트 코어의 1차 권선, 코어 및 방전은 변압기를 형성하며, 방전은 해당 변압기의 1회 감기 2차 권선이다.
방전 튜브에는 아르곤 및 수은 증기와 같은 희가스가 저압으로 들어 있다. 수은 원자는 액체 수은 방울이나 아말감 형태로 제공된다. 액체 수은 또는 아말감의 수은 일부가 증발하여 수은 증기를 제공한다. 전기장은 일부 수은 원자를 이온화하여 자유 전자를 생성한 다음 해당 자유 전자를 가속한다. 자유 전자가 수은 원자와 충돌하면 해당 원자 중 일부가 전자로부터 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 수준으로 "여기"된다. 잠시 지연 후 여기된 수은 원자는 자발적으로 원래의 낮은 에너지 상태로 되돌아가고 과도한 에너지를 가진 UV 광자를 방출한다. 일반적인 형광 튜브와 마찬가지로, UV 광자는 가스를 통해 외부 전구의 내부로 확산되어 해당 표면을 코팅하는 형광체에 흡수되어 형광체에 에너지를 전달한다. 그런 다음 형광체가 원래의 더 낮은 에너지 상태로 되돌아가면 가시광선을 방출한다. 이러한 방식으로 UV 광자는 튜브 내부에 있는 형광체 코팅에 의해 가시광선으로 변환된다. 램프의 유리 벽은 253.7 nm 및 더 짧은 파장에서 UV 방사를 차단하기 때문에 UV 광자의 방출을 방지한다.
내부 코어 형태에서 유리 튜브(B)는 방전 용기(A) 바닥에서 전구 쪽으로 돌출되어 재진입 캐비티를 형성한다. 이 튜브에는 ''전력 결합기''라고 하는 안테나가 들어 있으며, 이 안테나는 원통형 페라이트 코어 위에 감긴 코일로 구성된다. 코일과 페라이트는 램프 내부로 에너지를 결합하는 인덕터를 형성한다.
안테나 코일은 고주파를 생성하는 전자 고주파 드라이버(C)로부터 전력을 받는다. 정확한 주파수는 램프 설계에 따라 다르지만, 13.6 MHz, 2.65 MHz 및 250 kHz가 일반적이다. 드라이버의 특수 공진 회로는 코일에 초기 고전압을 생성하여 가스 방전을 시작한다. 그 후 전압은 정상 작동 수준으로 감소한다.
이 시스템은 일종의 변압기로 볼 수 있으며, 전력 결합기(인덕터)는 1차 코일을 형성하고 전구 내의 가스 방전 아크는 1회 감기 2차 코일과 변압기의 부하를 형성한다. 드라이버는 상용 전력에 연결되며, 일반적으로 50 또는 60 Hz의 주파수에서 100~277 VAC 또는 배터리로 작동하는 비상등 시스템의 경우 100~400 VDC의 전압에서 작동하도록 설계되었다. 많은 드라이버는 저전압 모델로 제공되므로 DC 전압 소스와 연결할 수도 있어, 납축전지와 같은 배터리로 비상 조명 목적으로 또는 재생 에너지 (태양광 및 풍력) 전원 시스템과 함께 사용할 수 있다.
3. 2. 플라스마 방식
플라스마 램프는 닫힌 투명 버너 또는 전구 내부의 플라스마를 무선 주파수(RF) 전력으로 여기시켜 빛을 생성하는 광원이다. 일반적으로 희가스 또는 희가스와 금속 할로겐화물, 나트륨, 수은, 황 등의 혼합물을 사용한다. 도파관은 전기장을 플라스마로 제한하고 집중하는 데 사용된다. 작동 시 가스가 이온화되고 전기장에 의해 가속된 자유 전자가 가스 및 금속 원자와 충돌하여 전자를 여기시킨다. 여기된 전자가 원래 상태로 돌아오면서 광자를 방출하여 가시광선 또는 자외선 복사가 발생한다.
최초의 플라스마 램프는 아르곤과 수은 증기로 채워진 전구를 사용한 자외선 경화 램프였으며, [https://web.archive.org/web/20150223042237/http://www.fusionuv.com/ Fusion UV]에서 개발했다. 이 램프는 Fusion Systems가 아르곤과 황으로 채워진 전구를 중공 도파관을 통해 마이크로파를 집중시켜 조사하는 황 램프를 개발하도록 이끌었다.
과거에는 마이크로파를 생성하는 마그네트론이 무전극 램프의 신뢰성을 제한했다. 고체 RF 생성은 작동하며 수명이 길지만, RF 생성을 위한 고체 칩 사용은 현재 마그네트론보다 약 50배 더 비싸 고부가가치 조명 틈새 시장에만 적합하다. 스웨덴의 Dipolar는 마그네트론의 수명을 40,000시간 이상으로 크게 연장할 수 있음을 보여주었다. 플라스마 램프는 현재 Ceravision과 Luxim에서 생산하고 있으며 Topanga Technologies에서 개발 중이다.
Ceravision은 'Alvara'라는 상표명으로 램프와 조명 기구를 결합하여 출시했다. 플라스마에서 나오는 모든 빛이 통과하도록 광학적으로 투명한 석영 도파관과 일체형 버너를 사용한다. 또한 작은 광원은 일반적인 HID 피팅의 55%에 비해 조명 기구에서 사용 가능한 빛의 90% 이상을 사용할 수 있게 한다. Ceravision은 시장에서 가장 높은 조명기구 효율 등급(LER)을 보유하고 있으며 최초의 고효율 플라스마(HEP) 램프를 만들었다고 주장한다. Ceravision은 필요한 RF 전력을 생성하기 위해 마그네트론을 사용하며 20,000시간의 수명을 주장한다.
Luxim의 LIFI 램프는 RF 와트당 120 루멘을 주장한다.[14] 이 램프는 현재 단종된 파나소닉 후면 프로젝션 TV 라인에도 사용되었다.[15]
4. 종류
무전극 램프는 동작 주파수에 따라 고주파 무전극 램프와 저주파 무전극 램프로 나뉜다.
4. 1. 고주파 무전극 램프
전자기 유도의 원리와 방전에 의한 발광 원리를 이용하는 고주파 무전극 램프는 다음과 같은 특징을 가진다.- '''주파수:''' 2.65MHz(2713.6 kHz)를 사용한다.
- '''에너지 소비 효율:''' 연색성 Ra=80의 경우, 일반적으로 60Lm/W이다.
- '''출력:''' 출력 범위는 15W-185W이다. (일부 회사는 300W의 고주파 무전극 램프를 개발하기 시작했지만, 2009년 현재 시장에는 보급되지 않았다.)
- '''형태:''' 전구형, 기둥형, 소전력 나사산 일체형 램프 등이 있다.
4. 2. 저주파 무전극 램프
저주파 무전극 램프는 230kHz 또는 140kHz 주파수를 사용한다. 에너지 소비 효율은 일반적으로 80Lm/W (Ra=80 기준)로, 고주파 무전극 램프보다 높다. 출력 범위는 15W-400W 정도이다. 전구형, 환상형, 사각형 및 소전력 나사산 일체형 램프 등의 형태가 있다. 중국에서는 140kHz 무전극 램프가 실용화되어 있다.5. 장점
- 전극이 없어 수명이 길다. 램프 자체는 거의 수명이 무제한이지만, 램프 모델 및 사용된 전자 장치의 품질에 따라 25,000~100,000시간 사이이다.[1]
- 에너지 변환 효율이 높다. 와트당 62~90 루멘 사이이다. (더 높은 전력의 램프가 더 에너지 효율적이다).[1]
- 발광 면적이 넓어 눈에 편안하고 밝게 느껴진다. 수은등이나 LED는 점 광원이기 때문에 동공이 닫히지만, 무전극 램프는 면적이 넓어 동공에 부담이 덜하다. 야간 도로 공사에서 사용되는 큰 제등이 밝지 않아도 눈부심 없이 멀리까지 잘 보이는 것과 비슷한 현상이다. 인간의 동공은 직경 2mm~8mm 사이에서 변화하며, 면적으로는 16배까지 차이가 난다.[1]
- 3파장으로 발광하여 자연스러운 빛을 낸다. 사물이 자연스러운 색으로 보인다. 조명의 자연스러움을 나타내는 Ra 수치는 무전극 램프가 80으로, 수은등(40)이나 LED(75)보다 높다. Ra 수치가 높을수록 태양광에 가깝다.[1]
- 현재 존재하는 전기 조명 중에서 가장 수명이 길다고 알려져 있으며, 즉시 점등 및 소등이 가능하다. 반복해도 수명에 영향이 없다.[1]
- 자외선을 거의 방출하지 않는다.[1]
- 열 손실이 적어 에너지 절약 효과가 높다.[1]
6. 단점
- 일부 고주파 드라이버를 사용하는 내부 유도 램프는 전파 간섭(RFI)을 발생시켜 무선 통신을 방해할 수 있다. 그러나 새로운 외부 유도자형 램프는 일반적으로 FCC 또는 기타 인증을 받은 저주파 드라이버를 사용하므로 RFI 규정을 준수한다.
- 일부 유도 램프는 환경에 방출될 경우 독성이 강한 수은을 포함하고 있다.
- LED 조명보다 시장에 먼저 출시되었지만, 제조사들이 고부가가치 판매 전략을 펼쳐 보급 및 저가격화가 더디게 진행되었다.
- 제조사와 기종의 다양성이 부족하다.
- 발광 원리상 소형화가 어려워 일반 가정용 등 소출력 조명으로는 적합하지 않다.
- 유리관 파손 시 비산(飛散) 방지 대책을 별도로 마련해야 한다.
- LED와의 성능 비교 광고에서 "밝게 느껴진다"와 같은 감각적인 표현이나 오래된 자료(예: LED의 연색성을 75로 표기하지만, 현재는 80~90이 일반적)를 사용하는 경우가 많아 정보의 신뢰성이 떨어진다.
- LED의 급격한 가격 인하로 인해 기존 형광등 및 수은등(메탈할라이드등)과 가격 차이가 거의 없어졌다. 수명 차이를 고려하더라도 무전극 램프의 가격 경쟁력은 낮은 편이다.
- 2017년 파나소닉이 생산을 중단하면서 시장 규모가 축소되는 경향을 보이고 있다.
7. 한국 내 적용 분야
무전극 램프는 수명이 길어 램프 교체가 어려운 곳과 유지 관리 비용이 높은 곳에 주로 사용된다. 대한민국에서는 특히 산업 현장의 에너지 효율을 높이고 안전을 확보하기 위해 무전극 램프 도입을 적극적으로 추진하고 있다.
구체적인 적용 분야는 다음과 같다.
- 램프 교체가 어려운 장소: 교량, 터널, 고천장 등
- 유지 관리 비용이 높은 곳: 공장, 체육관, 대형 건물 등
- 기타: 도서관, 생물 조명, 홀, 회의실, 백화점, 지하철, 역, 수중등, 투광 조명, 경관 조명 등
참조
[1]
US patent
Incandescent Electric Lamp
1882-03-28
[2]
문서
Experiments with Alternate Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination
http://www.tfcbooks.[...]
AIEE, Columbia College, N.Y.
1891-05-20
[3]
웹사이트
John Anderson Biography at the Museum of Electric Lamp Technology
http://www.lamptech.[...]
[4]
문서
Electrodeless gaseous electric discharge devices utilizing ferrite cores
https://worldwide.es[...]
[5]
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High frequency electrodeless fluorescent lamp assembly
https://worldwide.es[...]
[6]
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2012-09-05
[7]
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Ceravision Steps up Legal Action Against Luxim to Recover IP
http://www.prnewswir[...]
[8]
문서
Microwave Energized Plasma Lamp with Solid Dielectric Waveguide
https://archive.toda[...]
[9]
문서
Plasma Lamp with Dielectric Waveguide
https://archive.toda[...]
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2021-03-24
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Stella Electrodeless Xenon ФБ-3000 (FB-3000)
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[12]
문서
Ceravision & Dipolar Form Global Alliance to Take Ultra-Efficient Lighting Technology to... - MILTON KEYNES, England, May 19 /PRNewswire/
http://www.prnewswir[...]
[13]
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Luxim launches LIFI STA-40 series solid-state plasma light sources
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2008-11-13
[15]
뉴스
The gift of LIFI: Panasonic projection TVs don't burn out
http://news.cnet.com[...]
cnet
2007-01-09
[16]
간행물
特集「照明技術」高効率低周波無電極ランプ「エバーライト」
http://panasonic-den[...]
パナソニック電工
[17]
간행물
特集「照明技術」高出力無電極ランプシステム
http://panasonic-den[...]
パナソニック電工
[18]
웹사이트
無電極放電ランプEDR
http://63925151.net/[...]
エムアンドシー株式会社
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