섬광관
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1. 개요
섬광관은 제논과 같은 불활성 기체로 채워진 밀폐된 유리 튜브와 전극으로 구성된 장치로, 고전압 전원을 사용하여 기체에 에너지를 공급하여 작동한다. 튜브는 다양한 형태로 제작되며, 자외선 차단 또는 투과를 위해 특수 재료를 사용할 수 있다. 전극은 텅스텐으로 만들어지며, 가스 충전 압력은 램프의 종류와 용도에 따라 다르다. 섬광관은 트리거링 방식에 따라 외부, 직렬, 심머 전압, 예비 펄스, Ablative, 가변 펄스 폭 제어 방식으로 작동하며, 펄스 지속 시간과 에너지 수준은 인덕턴스에 의해 제한된다. 출력 스펙트럼은 가스 종류와 전류 밀도에 따라 다르며, 제논은 백색광을, 크립톤은 근적외선을 방출한다. 섬광관은 사진, 레이저 펌핑, 의료, 반도체 제조, 소독, 광자 경화 등 다양한 분야에 응용되며, 해럴드 에저턴에 의해 발명되었다. 고전압에서 작동하고 폭발 위험이 있으며, 눈과 피부에 유해한 자외선을 방출하므로 안전에 유의해야 한다.
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| 섬광관 | |
|---|---|
| 섬광관 정보 | |
| 유형 | 가스 방전관 |
| 용도 | 사진술 과학 산업 |
| 스펙트럼 | 자외선 - 적외선 |
| 펄스 지속 시간 | 마이크로초 ~ 연속파 |
| 방전 가스 | 제논 (일반적) |
| 냉각 | 공기 또는 물 |
| 트리거 전압 | 4 kV - 40 kV |
| 관 전압 | 300 V - 3 kV |
| 최대 반복률 | 10 kHz |
2. 구조
램프는 일반적으로 제논과 같은 불활성 기체로 채워진 밀폐된 유리 튜브와 기체에 전류를 전달하는 전극으로 구성된다. 또한, 트리거 이벤트를 위해 기체에 에너지를 공급하기 위해서는 고전압 전원이 필요하다. 일반적으로 충전된 커패시터를 사용하여 플래시 에너지를 공급하므로 램프가 트리거될 때 매우 빠른 속도로 매우 높은 전기 전류를 전달할 수 있다.[8]
2. 1. 유리관
섬광관의 유리 외피는 가장 일반적으로 얇은 튜브 형태로, 융합 석영, 붕규산 유리 또는 파이렉스로 만들어진다.[8] 이러한 튜브는 직선형, 나선형, "U"자형, 원형(무영 사진을 위한 카메라 렌즈 주변을 감싸는 형태—'링 플래시') 등 다양한 모양으로 구부러질 수 있다.[8]일부 응용 분야에서는 오존 생성, 레이저 막대 손상, 플라스틱 열화 또는 기타 유해한 영향으로 인해 자외선 방출이 원치 않는다.[8] 이러한 경우, 도핑된 융합 실리카가 사용된다.[8] 이산화 티타늄으로 도핑하면 자외선 쪽에서 다양한 차단 파장을 제공할 수 있지만, 재료는 솔라리제이션을 겪는다.[8] 더 나은 대안은 세륨으로 도핑된 석영인데, 이는 솔라리제이션을 겪지 않으며, 흡수된 자외선의 일부가 형광을 통해 가시광선으로 재방사되므로 효율이 더 높다.[8] 차단 파장은 약 380 nm이다.[8] 반대로, 자외선이 필요한 경우, 합성 석영이 외피로 사용된다.[8] 이는 가장 비싼 재료이지만 솔라리제이션에 취약하지 않으며 차단 파장은 160 nm이다.[8]
램프의 전력 수준은 와트/면적 단위로 표시되며, 총 전기 입력 전력을 램프 내부 벽 표면적으로 나눈 값이다.[8] 높은 전력 수준에서는 전극과 램프 외피의 냉각이 매우 중요하다. 낮은 평균 전력 수준에서는 공기 냉각만으로 충분하다. 고출력 램프는 액체, 일반적으로 램프가 들어있는 튜브를 통해 탈이온수를 흘려 냉각된다.[8] 수냉식 램프는 일반적으로 전극 주변의 유리가 수축되어 전극과 냉각수 사이에 직접적인 열 전도체를 제공한다.[8] 15 W/cm2 이상에서는 강제 공기 냉각이 필요하며, 좁은 공간에서는 액체 냉각이 필요하다.[8] 액체 냉각은 일반적으로 30 W/cm2 이상에서 필요하다.[8]
얇은 벽은 뜨거운 플라즈마와 냉각수 사이의 온도 구배로 인해 재료 두께 전체에 걸쳐 발생하는 기계적 응력이 낮아 평균 전력 부하를 더 잘 견딜 수 있다.[8] 외피 재료는 출력 전력에 대한 또 다른 한계를 제공한다.[8] 1 mm 두께의 융합 석영은 200 W/cm2의 한계를 가지며, 동일한 두께의 합성 석영은 최대 240 W/cm2까지 작동할 수 있다.[8] 붕규산 유리와 같은 다른 유리들은 일반적으로 석영의 전력 부하 용량의 절반 미만을 가진다.[8]
2. 2. 전극 및 밀봉
전극은 튜브의 양 끝에 돌출되어 있으며, 유리에 밀봉하는 방식에는 여러 가지가 있다. "리본 씰"은 얇은 몰리브덴 호일 스트립을 유리에 직접 접착하는 방식으로, 내구성이 뛰어나지만 통과 전류량에 제한이 있다. "납땜 씰"은 납땜으로 유리를 전극에 접착하여 매우 강력한 기계적 밀봉을 제공하지만, 저온 작동에만 사용 가능하다. 레이저 펌핑 응용 분야에서는 "로드 씰"이 가장 일반적인데, 이는 전극의 로드를 다른 유형의 유리로 적신 다음 석영 튜브에 직접 접착하는 방식이다. 이 씰은 매우 내구성이 뛰어나고, 높은 온도와 전류를 견딜 수 있다.[8] 씰과 유리는 동일한 열팽창 계수를 가져야 한다.
전극은 일반적으로 텅스텐으로 만들어지는데, 이는 금속 중 융점이 가장 높아 낮은 전극 마모와 전자의 열전자 방출을 가능하게 한다.[8] 음극의 경우 낮은 일함수를 위해 바륨 화합물로 채워진 다공성 텅스텐을 사용하기도 한다. 양극은 순수 텅스텐 또는 란탄 합금 텅스텐으로 만들어지며, 전력 부하 처리를 위해 표면적을 넓히도록 가공된다. DC 아크 램프는 뾰족한 음극을, 플래시 튜브는 평평한 반경을 가진 음극을 사용한다. 전극 설계는 평균 전력의 영향을 받으며, 높은 평균 전력에서는 전극 냉각에 주의해야 한다.[8]
2. 3. 가스 및 충전 압력
섬광관은 희가스로 채워진 밀폐 유리 튜브를 포함하고 있으며, 일반적으로 크세논과 전극은 가스의 전류를 운반한다.[8] 플래시 튜브의 크기, 종류 및 용도에 따라 가스 충전 압력은 몇 킬로파스칼에서 수백 킬로파스칼(0.01–4.0 기압 또는 수십에서 수천 토르)까지 다양할 수 있다.[8] 일반적으로 압력이 높을수록 출력 효율이 높다. 제논은 우수한 효율성으로 인해 주로 사용되며, 전기에너지의 거의 50%를 빛으로 변환한다. 반면 크립톤은 약 40%의 효율을 보이지만, 낮은 전류에서는 Nd:YAG 레이저의 흡수 스펙트럼에 더 잘 맞는다. 효율에 영향을 미치는 주요 요인은 전극 뒤의 가스 양, 즉 "데드 볼륨"이다. 데드 볼륨이 클수록 작동 중 압력 상승이 낮아진다.[8]3. 작동 원리
램프의 전극은 일반적으로 축전기에 연결되어 있으며, 승압 변압기와 정류기를 사용하여 비교적 고전압 (일반적으로 250~5000 볼트 사이)으로 충전된다. 그러나 가스는 매우 높은 저항을 나타내며, 가스가 이온화될 때까지 램프는 전기를 전도하지 않는다. 일단 이온화되거나 "트리거"되면 스파크가 전극 사이에 형성되어 축전기가 방전될 수 있다. 갑작스러운 전류의 급증은 가스를 빠르게 플라즈마 상태로 가열하여 전기 저항이 매우 낮아진다.[1]
3. 1. 트리거링 방식
섬광관의 트리거링 방식에는 여러 가지가 있다.
외부 트리거링은 특히 사진 촬영에 가장 흔하게 사용되는 방식이다.[8] 매우 높은 전압 펄스 (일반적으로 2000~150,000볼트 사이)인 "트리거 펄스"를 유리 외피에 가하여 튜브 내부의 가스를 이온화시킨다.[8] 유리의 정전 용량은 트리거 펄스를 외피로 전달하며, 여기서 펄스는 하나 또는 두 전극 주변 가스의 절연 파괴 전압을 초과하여 스파크 스트리머를 형성한다.[8] 스트리머는 60나노초(170km/s)당 1cm의 속도로 유리를 따라 정전 용량을 통해 전파된다.[8]
직렬 트리거링은 레이저와 같이 고출력, 수냉식 플래시 튜브에서 더 흔하게 사용된다.[8] 트리거 변압기의 고전압 리드를 플래시 튜브에 직렬로 연결하여 사용한다.[8] 트리거 펄스는 램프 내부에 스파크를 형성하여 트리거 전압이 램프 외부에 노출되지 않도록 한다.[8]
심머 전압 트리거링은 고전압 스파크 스트리머를 전극 사이에 유지하고, 축전기의 고전류를 사이리스터 또는 스파크 갭을 사용하여 전극에 전달하는 방식이다.[2] 이 방식은 주로 고속 상승 시간 시스템에 사용된다.[2]
예비 펄스 기술은 주 펄스 직전에 램프를 통해 작은 섬광을 전달하여 가스를 가열하고 상승 시간을 감소시키는 기술이다.[3][4][5]
Ablative 플래시 튜브는 낮은 압력에서 작동하며, 벽 침식을 통해 효율을 높이는 방식이다.[6][7]
가변 펄스 폭 제어는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 사용하여 플래시 지속 시간을 조절하는 기술이다.[8][9][10]
3. 2. 전기적 요구 사항
섬광관의 전극은 일반적으로 변압기 및 정류기를 사용하는 비교적 높은 전압(일반적으로 250~5000V)으로 충전되는 축전기에 연결된다. 램프의 전기적 요구 사항은 원하는 결과에 따라 다르며, 펄스 지속 시간, 허용 가능한 최대 에너지량(폭발 에너지), 안전한 작동 에너지량 등을 고려하여 결정한다. 원하는 스펙트럼을 방출할 전류 밀도를 선택하고, 램프의 저항을 통해 필요한 전압과 전기 용량의 조합을 결정한다.섬광관의 저항은 압력, 모양, 데드 볼륨, 전류 밀도, 시간 및 플래시 지속 시간에 따라 크게 달라지므로, 일반적으로 임피던스라고 하며, '''Ko'''로 표시한다. Ko는 암페어의 제곱근당 옴(ohms(amps0.5))으로 표현된다. Ko는 전류 밀도를 제어하여 원하는 스펙트럼을 방출하는 데 필요한 입력 전압과 전기 용량을 계산하는 데 사용된다.
섬광관의 저항은 일정하지 않고 전류 밀도가 증가함에 따라 빠르게 감소한다. 1965년 John H. Goncz는 섬광관의 플라즈마 저항률이 전류 밀도의 제곱근에 반비례한다는 것을 보여주었다. 아크가 형성되면 램프는 부성 저항 기간을 거쳐 전류가 증가함에 따라 저항과 전압이 모두 감소한다. 전압은 전류의 제곱근에 비례하고 플라즈마의 저항은 플래시의 나머지 부분 동안 안정되며, 이 값을 Ko로 정의한다.
4. 출력 스펙트럼
4. 1. 제논
모든 이온화된 가스와 마찬가지로, 제논 플래시 튜브는 다양한 스펙트럼 선에서 빛을 방출한다. 이는 네온사인에 특유의 색상을 부여하는 것과 동일한 현상이다. 그러나 네온사인은 플래시 튜브에서 보이는 것과 비교했을 때 매우 낮은 전류 밀도로 인해 긴 파장의 스펙트럼 선을 선호하기 때문에 붉은 빛을 방출한다. 더 높은 전류 밀도는 더 짧은 파장을 선호하는 경향이 있다.[12]
플래시 튜브에서 방출되는 스펙트럼은 충전 압력이나 가스 유형보다 전류 밀도에 훨씬 더 의존적이다. 낮은 전류 밀도에서는 희미한 연속 방사선 배경에 대해 좁은 스펙트럼 선 방출을 생성하며, 제논은 스펙트럼의 UV, 파랑, 녹색, 빨강 및 IR 부분에 많은 스펙트럼 선을 가지고 있어 녹청색 플래시를 생성한다. 낮은 전류 밀도에서 제논의 대부분의 출력은 약 820, 900, 1000 nm 주변의 보이지 않는 IR 스펙트럼 선으로 향한다.[17]
더 높은 전류 밀도는 연속 스펙트럼 방출을 생성하기 시작한다. 빛이 스펙트럼 전체에서 생성됨에 따라 스펙트럼 선이 넓어지고 덜 지배적이 되며, 가시 범위에서 최적의 출력 효율은 "회색체 복사"를 선호하는 밀도에서 얻는다. 제논의 경우 회색체 복사는 녹색 근처에 중심을 두고 흰색 빛에 적합한 조합을 생성한다.[9][11]
4000 A/cm2에 가까운 매우 높은 전류 밀도는 흑체 복사를 선호하는 경향이 있다. 스펙트럼 선은 연속 방사선이 지배하게 되면서 거의 사라지고, 출력 중심이 자외선 쪽으로 이동한다. 전류 밀도가 더욱 높아지면 시각적으로 제논의 출력 스펙트럼은 9800 켈빈의 색온도를 가진 흑체 방사체의 스펙트럼으로 정착하기 시작한다.[8] 강렬한 UV 빛이 필요한 경우를 제외하고는 일반적으로 흑체 복사는 아크가 불투명해지고 아크 내부의 많은 방사선이 표면에 도달하기 전에 흡수되어 출력 효율을 저하시키기 때문에 바람직하지 않다.[11][17][13]
높은 효율과 흰색 출력을 가지고 있기 때문에 제논은 막대한 비용에도 불구하고 사진 응용 분야에 광범위하게 사용된다. 레이저에서는 이러한 선이 레이징 매질의 흡수선에 더 잘 일치하는 경향이 있으므로 일반적으로 스펙트럼 선 방출을 선호한다.
4. 2. 크립톤 및 기타 가스
모든 가스는 고유한 스펙트럼선을 생성하며, 이는 연속 방사선의 배경에 중첩된다.[17] 낮은 전류 밀도에서는 주로 스펙트럼선이 생성되며, 가장 높은 출력은 650~1000 nm 사이의 근적외선에 집중된다. 크립톤의 가장 강력한 피크는 약 760 및 810 nm이다.[17] 아르곤은 670, 710, 760, 820, 860 및 920 nm에서 많은 강한 피크를 가지며, 네온은 650, 700, 850 및 880 nm 주변에 피크를 갖는다.[17]
전류 밀도가 높아짐에 따라 연속 방사선의 출력은 스펙트럼선 방사선보다 20% 더 빠른 속도로 증가하며, 출력 중심은 가시 스펙트럼 쪽으로 이동한다.[17] 매우 높은 전류 밀도에서 모든 가스는 청색 거성과 유사한 스펙트럼 출력을 가진 흑체 방사체로 작동하기 시작하며 자외선에 중심을 둔다.[17]
무거운 가스는 더 높은 저항('''Ko''' 값)을 나타낸다. 임피던스는 에너지를 일로 변환하는 데 필요한 저항으로 정의되므로, 무거운 가스일수록 더 효율적이다.[17] 헬륨과 네온은 효율적인 플래시를 생성하기에는 너무 가볍다.[17] 크립톤은 40%의 효율을 낼 수 있지만, 이를 위해 제논보다 최대 70% 더 높은 압력이 필요하다.[17] 아르곤은 최대 30%의 효율을 낼 수 있지만, 훨씬 더 큰 압력 증가가 필요하다. 이러한 고압에서는 스파크 스트리머에 의해 형성된 전극 간의 전압 강하가 커패시터 전압보다 클 수 있으며, 램프 트리거 임피던스가 매우 높아 트리거 단계에서 "부스트 전압"이 필요할 수 있다.[17]
질소는 공기의 형태로, 직접 만든 염료 레이저의 플래시 튜브에 사용되었지만 질소와 산소가 전극과 화학 반응을 일으켜 조기 마모를 일으키고 압력 조정이 필요하다.[18] 스펙트럼 출력을 변경하기 위해 가스를 혼합하는 연구가 있었지만, 출력 스펙트럼에 미치는 영향은 미미하고 효율성에 미치는 영향은 크다. 더 가벼운 가스를 추가하면 더 무거운 가스의 효율만 감소한다.[17]
4. 3. 빛 생성
전류 펄스가 튜브를 통과하면서 원자를 이온화시켜 더 높은 에너지 준위로 도약하게 한다.[19] 아크 플라즈마 내에는 전자, 양전하 이온화된 원자, 중성 원자의 세 가지 유형의 입자가 있다. 섬광이 일어나는 동안 이온화된 원자는 플라즈마의 1% 미만을 차지하며 방출되는 모든 빛을 생성한다. 잃어버린 전자와 재결합하면서 즉시 더 낮은 에너지 상태로 떨어져 광자를 방출한다. 에너지 전달 방법은 "결합-결합", "자유-결합", "자유-자유" 전이의 세 가지 방식으로 발생한다.[19]플라즈마 내에서 양이온은 음극을 향해 가속하고 전자는 양극을 향해 가속한다. 중성 원자는 더 느린 속도로 양극을 향해 이동하여 이온에 의해 생성된 국부적인 압력 차이를 채운다.[19] 정상 압력에서는 입자들이 서로 상호 작용하고 충돌하며 전자를 교환하여 방향을 반대로 하기 때문에 이러한 움직임은 매우 짧은 거리 내에서 일어난다. 따라서 펄스 동안 중성 원자는 끊임없이 이온화되고 재결합하여 매번 광자를 방출하여 전자를 음극에서 양극으로 전달한다. 각 전자당 이온 전이 수가 많을수록 변환 효율이 높아지므로 튜브가 길어지거나 압력이 높아지면 램프의 효율이 모두 향상된다.[19] 펄스 동안 표피 효과로 인해 자유 전자가 내벽 근처에 모여 플라즈마 주변에 전자 덮개를 생성한다. 이것은 해당 영역을 전기적으로 음성으로 만들어 시원하게 유지하는 데 도움이 된다. 표피 효과는 또한 중앙 플라즈마에 와전류를 유도하여 인덕턴스를 증가시킨다.[19]
결합-결합 전이는 이온과 중성 원자가 충돌하여 원자에서 이온으로 전자를 전달할 때 발생하며, 낮은 전류 밀도에서 우세하며 스펙트럼선 방출을 생성한다. 자유-결합 전이는 이온이 자유 전자를 포획할 때 발생하며, 연속 방출을 생성하고 더 높은 전류 밀도에서 더 두드러진다. 전자가 이온을 향해 가속될 때 제동 복사가 생성되며, 제동 복사 방출은 에너지 밀도가 증가함에 따라 증가하며 스펙트럼의 청색 및 자외선 쪽으로 이동하게 한다.[19]
5. 섬광의 강도 및 지속 시간
섬광관에서 펄스 지속 시간은 시스템의 인덕턴스에 의해 제한된다.[8][11] 짧은 펄스를 만들기 위해서는 인덕턴스를 최소화해야 한다. 특수 커패시터, 짧은 전선, 넓은 표면적을 가진 전기 리드 등을 사용하여 인덕턴스를 줄일 수 있다. 매우 빠른 시스템의 경우 낮은 인덕턴스 축 리드를 사용하여 전체 시스템 인덕턴스를 줄일 수 있다. 염료 레이저는 매우 짧은 펄스를 필요로 하며, 축 플래시 튜브를 사용하기도 한다.
펄스 지속 시간이 감소하면 전류 밀도가 증가한다. 이를 보상하기 위해 커패시턴스를 낮추고 전압을 높여 에너지 수준을 유지해야 한다. 그러나 펄스 지속 시간이 감소함에 따라 램프의 "폭발 에너지" 정격도 감소하므로 램프 파손을 방지하기 위해 에너지 수준도 감소해야 한다.
유리에 가해지는 전력 부하의 양이 주요 기계적 제한이다. 사용되는 에너지량이 일정하게 유지되더라도, 전기 전력은 방전 시간 감소에 반비례하여 증가한다. 따라서 펄스 전력 수준이 너무 높아지는 것을 방지하기 위해 펄스 지속 시간과 함께 에너지를 줄여야 한다.
긴 펄스 지속 시간의 제한은 양극으로 전달되는 전자의 수, 음극에서의 이온 충돌로 인한 스퍼터링 및 유리의 온도 구배이다. 펄스가 너무 길면 음극에서 많은 양의 금속이 증발될 수 있으며, 유리가 과열되면 길이 방향으로 금이 갈 수 있다. 일반적인 플래시 튜브의 방전 지속 시간은 0.1 마이크로초에서 수십 밀리초 범위이며, 수백 헤르츠의 반복률을 가질 수 있다.
제논 플래시 튜브에서 방출되는 플래시는 튜브에서 짧은 거리 내에 가연성 물질에 불을 붙일 수 있을 정도로 강렬할 수 있다. 탄소 나노튜브는 플래시 튜브에서 나오는 빛에 노출될 때 이러한 자발적 점화에 특히 취약하다.[20]
6. 수명
섬광관의 수명은 섬광관에 사용되는 에너지 수준과 폭발 에너지의 비율, 그리고 램프의 펄스 지속 시간에 따라 달라진다. 고장은 치명적일 수 있으며, 램프가 산산조각 나거나 점진적으로 발생하여 램프의 성능이 사용 가능한 등급 이하로 떨어질 수 있다.[8]
치명적 고장과도한 에너지는 유리 덮개의 구조적 고장을 일으켜 튜브 파열을 유발할 수 있다. 섬광관은 유리관 내에 포함된 전기적인 아크 플래시를 생성하며, 아크 발생 시 초음속 충격파가 형성되어 튜브 내벽에 충격을 준다. 에너지 수준이 램프의 "폭발 에너지" 등급과 같으면 충격파가 유리를 파괴하여 튜브가 파열된다. 폭발 에너지는 전극 사이 램프 내부 표면적에 유리의 전력 부하 용량을 곱하여 계산하며, 전력 부하는 와트/제곱센티미터 단위로 측정된다. 펄스 전력 수준은 플래시 지속 시간이 감소함에 따라 증가하므로, 폭발 에너지는 방전 시간의 제곱근에 정비례하여 감소해야 한다.[21]
열로 인한 고장은 과도하게 긴 펄스 지속 시간, 높은 평균 전력 수준, 전극 크기 부족 등으로 발생할 수 있다. 펄스가 길수록 더 많은 열이 유리에 전달되며, 튜브 내벽과 외벽의 온도 구배는 램프에 균열을 일으킬 수 있다. 전극 직경이 최대 전류를 처리하기에 충분하지 않으면 과도한 저항으로 인해 빠르게 가열되고 열팽창되어 램프 균열이나 파편 발생을 유발할 수 있다.[21]
점진적 고장낮은 에너지 수준에서는 음극에서 금속이 증발하여 램프 벽에 재증착되는 스퍼터 현상이 발생할 수 있다.[8] 음극은 양극보다 방출성이 더 높기 때문에 섬광관은 편광되어 있으며, 램프를 전원에 잘못 연결하면 빠르게 손상된다.[8] 높은 에너지 수준에서는 벽 침식이 발생하여 유리에 미세한 균열이 생기고, 작동 가능한 수준 이상으로 압력이 증가하여 "지터"로 알려진 트리거 문제가 발생할 수 있다.[8]
6. 1. 치명적 고장
과도한 에너지는 유리 덮개의 구조적 고장을 일으켜 튜브 파열을 유발할 수 있다. 섬광관은 유리관 내에 포함된 전기적인 아크 플래시를 생성하며, 아크 발생 시 초음속 충격파가 형성되어 튜브 내벽에 충격을 준다. 에너지 수준이 램프의 "폭발 에너지" 등급과 같으면 충격파가 유리를 파괴하여 튜브가 파열된다. 폭발 에너지는 전극 사이 램프 내부 표면적에 유리의 전력 부하 용량을 곱하여 계산하며, 전력 부하는 와트/제곱센티미터 단위로 측정된다. 펄스 전력 수준은 플래시 지속 시간이 감소함에 따라 증가하므로, 폭발 에너지는 방전 시간의 제곱근에 정비례하여 감소해야 한다.[21]열로 인한 고장은 과도하게 긴 펄스 지속 시간, 높은 평균 전력 수준, 전극 크기 부족 등으로 발생할 수 있다. 펄스가 길수록 더 많은 열이 유리에 전달되며, 튜브 내벽과 외벽의 온도 구배는 램프에 균열을 일으킬 수 있다. 전극 직경이 최대 전류를 처리하기에 충분하지 않으면 과도한 저항으로 인해 빠르게 가열되고 열팽창되어 램프 균열이나 파편 발생을 유발할 수 있다.[21]
6. 2. 점진적 고장
낮은 에너지 수준에서는 음극에서 금속이 증발하여 램프 벽에 재증착되는 스퍼터 현상이 발생할 수 있다.[8] 음극은 양극보다 방출성이 더 높기 때문에 섬광관은 편광되어 있으며, 램프를 전원에 잘못 연결하면 빠르게 손상된다.[8] 높은 에너지 수준에서는 벽 침식이 발생하여 유리에 미세한 균열이 생기고, 작동 가능한 수준 이상으로 압력이 증가하여 "지터"로 알려진 트리거 문제가 발생할 수 있다.[8]7. 응용 분야
제논 플래시 튜브는 사진 스트로보(strobe light)로 사용되며, 1930년대 해럴드 에저턴(Harold Edgerton)이 개척한 매우 고속 또는 "스톱 모션" 사진술에도 사용된다.[22] 비교적 작은 지속적인 전력 입력으로 밝고 눈에 띄는 플래시를 생성할 수 있으므로 항공기 경고등, 응급 차량 조명, 화재 경보 알림 장치(''horn strobes''), 항공기 충돌 방지 비콘 및 기타 유사한 응용 분야에도 사용된다.
치과(dentistry)에서는 다양한 복원 및 보조 광경화 수지(예: Megaflash mini, Uni XS 및 기타 장치)의 경화를 빛으로 활성화하는 "라이트 박스" 장치에 사용된다.[23]
단파장(근자외선) 및 짧은 펄스 폭에서 높은 강도와 상대적인 밝기 때문에 플래시 튜브는 레이저 펌핑(laser pumping)에서 레이저의 원자를 여기 상태로 펌핑하여 코히어런트, 단색광을 방출하도록 자극할 수 있는 광원으로도 이상적이다. 예를 들어, 크립톤 방출이 Nd:YAG의 흡수 스펙트럼과 더 잘 일치하므로 Nd:YAG 레이저를 펌핑하는 데 크립톤 플래시 튜브가 제논 플래시 튜브보다 더 적합하다.
제논 플래시 튜브는 강렬한 백색광을 생성하는 데 사용되었으며, 이 중 일부는 Nd:glass에 흡수되어 관성 핵융합 구속을 위한 레이저 전력을 생성한다.
펄스 광 (PL)은 강렬한 광대역 스펙트럼 펄스를 사용하여 미생물을 죽여 표면을 제염하는 기술로, UV-C 빛이 풍부하다. UV-C는 200~280 nm 사이의 밴드에 해당한다. 펄스 광은 초당 여러 번 플래시를 생성할 수 있는 제논 램프로 작동한다. 소독 로봇은 펄스 UV 광을 사용한다.[24]
플래시 램프의 최근 응용 분야는 광자 경화이다.
7. 1. 한국에서의 응용 사례
섬광관은 사진 및 영상 산업에서 스튜디오 조명, 영화 촬영, 특수 효과 등에 널리 사용된다.[22] 특히, 제논 섬광관은 사진 스트로보(strobe light)로 사용되며, 해럴드 에저턴(Harold Edgerton)이 개척한 매우 고속 또는 "스톱 모션" 사진술에도 사용된다.[22]의료기기 분야에서는 피부과 레이저 치료, 치과(dentistry)용 광중합기 등에 활용된다.[23] 치과에서는 다양한 복원 및 보조 광경화 수지의 경화를 빛으로 활성화하는 "라이트 박스" 장치에 사용된다.
반도체 및 디스플레이 제조 공정에서는 광학 검사, 리소그래피 공정 등에서 섬광관이 사용된다. 또한, 펄스 광 (PL) 기술은 강렬한 광대역 스펙트럼 펄스를 사용하여 미생물을 죽여 표면을 제염하는 데 사용되며, UV-C 빛이 풍부하다. UV-C는 200~280 nm 사이의 밴드에 해당한다. 소독 로봇은 펄스 UV 광을 사용한다.[24]
환경 분야에서는 수처리, 공기 정화 등에 섬광관 기술이 응용될 수 있다.
8. 역사
섬광관은 움직이는 물체를 선명하게 촬영하기 위한 수단으로 1930년대에 해럴드 에지턴에 의해 발명되었다.[25] 초기 고속 사진은 개방형 전기 아크 방전(스파크 사진)으로 촬영되었는데, 1850년경 헨리 폭스 탤벗이 처음 사용했고,[25] 1886년 에른스트 마흐는 개방형 스파크를 사용하여 속도를 내는 총알을 촬영하여 초음속으로 생성되는 충격파를 드러냈다.[26]
1927년, 해럴드 에지턴은 매사추세츠 공과대학교에서 처음으로 플래시 장치를 제작했다. 그는 모터의 움직임을 흐림 없이 사진으로 담기 위해 수은 아크 밸브를 사용, 10 마이크로초의 플래시 지속 시간을 달성했다.[25] 이후 불활성 기체를 사용한 플래시 튜브를 개발, 1930년에는 제너럴 일렉트릭사에 아르곤을 사용한 램프를 제작하도록 했다. 아르곤 튜브는 효율적이고 크기가 작아 반사경 근처에 장착하여 출력을 집중할 수 있었다.[25] 1940년 에지턴은 코닥사로부터 스트로브에 대한 첫 번째 대규모 주문을 받았다. 이후 그는 제논이 가장 효율적인 불활성 기체이며, 주광에 가까운 스펙트럼을 생성한다는 것을 발견, 제논 플래시 튜브는 대부분의 대형 사진 세트에서 표준이 되었다.[25]
플래시 튜브는 과학 연구에서 스트로브 조명에 주로 사용되었지만, 주류 사진술에서 화학적, 분말 플래시 벌브와 플래시 램프를 대체하기 시작했다.[25] 1970년대에 이르러 스트로브 장치가 일반 카메라에서 사용할 수 있을 정도로 휴대성이 좋아졌다.[25]
1960년, 테오도르 메이먼이 루비 레이저를 발명한 후, 레이저에 사용할 플래시 튜브에 대한 새로운 수요가 생겼다.[17]
9. 안전
섬광관은 고전압에서 작동하며, 특정 조건에서는 1 줄만큼 낮은 충격도 치명적일 수 있다고 보고되었다.[11] 커패시터에 저장된 에너지는 전원이 차단된 후에도 오랫동안 남아 있을 수 있으며, "유전 흡수"라는 과정을 통해 부분적으로 충전을 되찾을 수 있다. 트리거 전압은 고통스러운 충격을 가할 수 있지만, 일반적으로 치명적이지는 않다. 사람이 고전압으로 충전되면 스파크가 튀어 높은 커패시터 전류를 전달할 수 있으며, 아무것도 만지지 않아도 발생할 수 있다.
섬광관은 고압에서 작동하며 폭발하여 강력한 충격파를 발생시키는 것으로 알려져 있다. 섬광관의 "폭발 에너지"는 잘 정의되어 있으며, 치명적인 고장을 방지하기 위해 폭발 에너지의 30% 이하를 사용하는 것이 좋다.[11] 섬광관은 유리 뒤나 반사경 캐비티 안에 가려져야 하며, 그렇지 않은 경우 눈과 귀 보호 장비를 착용해야 한다.
섬광관은 눈이 감지할 수 있는 것보다 빠르게 매우 강렬한 섬광을 생성하며, 실제만큼 밝게 보이지 않을 수 있다. 석영 유리는 살균 파장을 포함하여 장파 및 단파 자외선의 거의 전부를 투과하며 눈과 피부에 심각한 위험을 초래할 수 있다. 이 자외선은 또한 많은 양의 오존을 생성할 수 있으며, 이는 사람, 동물 및 장비에 해로울 수 있다.[27]
많은 소형 카메라는 전원을 켠 직후에 플래시 커패시터를 충전하며, 일부는 배터리를 삽입하는 것만으로도 충전한다. 배터리를 카메라에 삽입하는 것만으로도 최대 며칠 동안 커패시터가 위험해지거나 적어도 불쾌하게 될 수 있다. 300볼트로 충전된 330마이크로패럿 커패시터(카메라에서 흔히 발견되는 일반적인 값)는 거의 15줄의 에너지를 저장한다.
10. 대중문화
1969년 소설 안드로메다 스트레인과 1971년 영화에서는 극한의 초청정 환경에서 작업하는 사람들에게 모든 세균 접근을 제거하기 위한 방부 조치로 제논 섬광 장치를 사용하여 인간 피부의 바깥쪽 상피층을 태웠다. (소설에서는 '울트라플래시'라는 용어를 사용했고, 영화에서는 이 장치를 '제논 섬광'이라고 불렀다.)
11. 애니메이션
제논 섬광관(플래시 램프)의 발광은 다음과 같은 과정을 거친다.
프레임 1: 튜브는 어두운 상태이다.
프레임 2: 트리거 펄스가 가스를 이온화시켜 희미한 푸른 빛을 낸다. 스파크 스트리머가 각 전극에서 형성되어 유리 튜브의 내부 표면을 따라 서로를 향해 이동한다.
프레임 3: 스파크 스트리머가 연결되어 유리에서 멀어지고 플라즈마 터널이 형성되면서 전류가 급증한다.
프레임 4: 커패시터 전류가 급증하기 시작하고, 이로 인해 주변의 제논이 가열된다.
프레임 5: 저항이 감소하면서 전압이 떨어지고 전류가 튜브를 채운다. 이때 제논은 플라즈마 상태로 가열된다.
프레임 6: 제논이 완전히 가열되면 저항과 전압이 아크로 안정되고, 전체 전류 부하가 튜브를 통과하면서 제논이 빛을 방출한다.
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