전기제품의 원리와 구조 : 형광등은 백열전구와 어떻게 다른가?
가정에 있는 전기제품이라면 우선 떠오르는 것이 조명기구일 것이다. 현재는 스위치 하나로 필요할 때 불을 밝힐 수 있다. 그러나 전기에 의한 조명이 가능해진 것은 불과 100여 년 전 밖에 되지 않는다. 인간이 불을 사용하기 시작한 것은 대략 1만년전이라고 하므로 조명사 전체로 생각한다면 이 100년간은 그야말로 한 순간일지 모르겠다.
18세기 말경 유럽에서는 산업혁명의 진전에 따라 대규모 공장이 생겨났는데, 저녁에도 일을 시켜야 하기 때문에 최초로 가스 등이 등장하였다. 그러나 가스 등의 불빛은 어둡고 사고 위험도 있었기 때문에 더 좋은 광원이 요구되었다. 그래서 나온 것이 아크등이다. 2개의 탄소전극 사이에서 방전을 일으키면 주위의 공기가 이온과 전자로 나누어져서 이른바, 플라즈마 상태로 되어 아크방전을 지속하게 된다. 이때
청백색의 빛을 내기 때문에 이것을 조명용으로 이용하였던 것인데, 실용상으로는 여러 가지 문제가 많았었다.
도체 중에서도 저항이 큰 탄소의 필라멘트에 전류를 흘려서, 이때 생기는 줄열로 필라멘트를 백열 상태로 한 것을 진공유리관 안에 넣은
백열전구의 원형이 개발된 것은 비교적 최근이다. 1879년에는 이것이 처음으로 미국의 에디슨(T.A. Edison)에 의해 상용화의 길을 열게 되었기 때문이다.
그 후 텅스텐이 정제되고 필라멘트의 온도를 2500~3000[℃]까지 높일 수 있게 되면서 훨씬 더 밝은 전구가 탄생되었다. 또, 유리관(전구)내를 진공으로 하면 텅스텐이 증발해서 관내벽을 검게 하기 때문에, 아르곤에 소량의 질소를 혼합한 가스를 봉입해서 수명을 늘려 준 것이 오늘날 사용되고 있는 백열전구이다.
한편, 형광등은 1935년에 미국 GE사의 인만에 의해 실용화되어 이제는 옥내조명에 관한 한, 백열전구를 대신해서 형광등이 사용되는 이른바 형광등 조명시대로 들어서게 된 것이다.
이 형광등은 기체나 증기중의 방전에 의한 빛을 광원으로 하고 있다.
백열전구는 필라멘트의 저항에 의한 줄열을 이용한 것이지만, 형광등은 그 점에 있어서 발광원리가 근본적으로 다른 것이다.
간단히 말하면, 형광등은 진공으로 된 유리관 내에 소량의 수은증기와 방전을 일으키기 쉽도록 아르곤가스를 봉입하고 있다. 또한 형광등은 유리관의 양단에 전극(필라멘트)을 붙인 것으로써 이 전극간에 전압을 걸면 방전이 일어나서 빛을 발하는 것이다.
곧, 전극에 전류가 흘러서 가열되면 전극으로부터 열전자가 방출되고, 동시에 증발한 수은이 관내를 날아다니게 된다. 이때 관의 전극에 높은 전압을 인가하면 수은가스 내에서 방전이 일어난다. 이것은 곧, 전자가 수은증기라든지 아르곤가스의 내부를 이동한다는 것이고, 이때 전자가 수은 원자와 충돌해서 자외선을 많이 포함한 빛을 발생한다. 이것이 관내의 형광물질에 부딪쳐서 형광을 내어서 하얀빛을 낸다는 것이 형광등의 원리이다.
수은증기 중에서의 방전에 의해 방사되는 빛은 그 약 90 [%]가 눈에 보이지 않는 자외선이고, 눈에 보이는 가시광선은 겨우 10 [%] 정도의 청녹색의 빛이다. 이대로라면 조명으로 쓸 수 없기 때문에, 유리관의 안쪽에 형광물질을 발라서 자외선이 이 형광물질에 충돌해서 가시광선을 방사하도록 하고 있다. 이상이 형광등의 원리인데, 그림 6.1은 그 개요를 보인 것이다.
이제까지 백열등이 텅스텐을 고온으로 발광시키는 것과는 달리 이처럼 형광등은 저온가스 내에서의 방전을 이용하고 있기 때문에, 온도는 낮고 본래 눈으로는 볼 수 없는 자외선을 가시광선으로 바꾸고 있다는 데에 그 특징이 있다 하겠다.
이 때문에 형광등은 백열등에 비해서 발광효율이 좋고, 같은 와트수(Watt)일지라도 백열등보다 훨씬 밝게 느껴진다. 또한 기체중의 방전은 처음에 높은 전압을 인가하지 않으면 긴 거리의 방전이 개시되지 않지만, 한번 방전이 시작되고 나면 기체분자가 플라즈마 상태로 되어, 그 이후는 전기를 잘 흘리게 됨으로 그 상태를 유지하기 위한 전압은 낮아도 된다(높으면 아크방전이 되어 관을 파괴할 수 있다). 이 때문에 형광등에서는 점등을 위한 기구가 복잡하게 된다는 것이 어쩔 수 없는 하나의 결점으로 되고 있다.
그림 6.2는 이 점등기구의 개념도를 보인 것이다.
점등관은 그림에서 보인 것처럼, 유리관 내에 고정전극과 바이메탈의 가동전극을 설치해서 아르곤가스를 봉입한 것이다.
먼저 그림(a)에서 전원을 넣으면 전원전압은 점등관(글로우램프)에 직접 걸리게 되고, 점등관의 전극 캡에 방전이 일어나서 바이메탈이 가열되어, 그림(b)에 보인 것처럼 고정전극에 접촉(ON의 상태)된다. 이 상태에서 비로소 형광등에는 폐회로가 연결되고 방전관의 필라멘트에 전류가 흘러서 가열된다. 이 가열로 필라멘트로부터 열전자가 방출되고, 수은은 증발해서 관내의 방전준비가 일단 완료하게 된다.
이러는 사이에 점등관의 바이메탈이 냉각되어(앞서 ON이 되면서 방전을 정지했기 때문)고정전극으로부터 떨어져서(OFF의 상태) 전류를 차단한다. 이때 안정기의 코일에 전자유도의 법칙이 작용해서 고전압이 발생한다. 이 고전압이 형광관에 방전을 일으켜서 전류를 흘린다.
전류의 전자는 수은 원자와 세차게 부딪혀서 자외선을 방출한다. 이 자외선이 형광물질과 반응해서 빛을 내게 되는데(그림(c)), 이것이 형광등의 빛인 것이다.
이처럼 점등관과 철심코일은 고전압을 발생함과 동시에 형광등의 방전을 안정하게 유지시킨다는 역할도 하고 있기 때문에, 안정기(통칭 초퍼라고 함)라고 불리며, 형광등에는 없어서는 안될 요소로 되고 있다.
이 점등관(글로우램프)에 의한 자동점등은 형광등이 실용화된 초기부터 채용되어온 방식인데 결점은 점등스위치를 켜고 나서 실제로 형광등이 점등될 때까지 약간의 시간(2~3초)이 소요된다는 것이다.
최근에는 이 결점을 보완하기 위해 반도체를 사용한 여러 가지 래피드스타터가 개발되어 사용되고 있다. 과거에는 머리의 회전이 느린 사람을 "형광등" 이라고 해서 놀리기도 하였는데, 이제는 이런 별명도 못 쓰게 되었다.
백열전구도 형광등과 마찬가지로 오랜 시간 사용하고 있으면 점점 어두워진다.
통상 신품의 밝기의 80%로 떨어질 때까지를 조명기구의 수명으로 치고 있다. 백열전구에서는 약 1,000시간, 형광등에서는 5,000~10,000시간(소비전력이나 전압변동에 따라 차이가 있음)정도를 그 수명으로 보면 될 것이다.
수명이 가까워지면, 특히 형광등에서는 등의 양단 끝 부분의 유리가 검게되는 흑화(黑化)현상이 나타나는데, 이 현상이 나타나면 그때는 램프를 갈아주는 것이 좋을 것이다(그대로 쓸 수는 있지만 효율이 나빠질 뿐이다.)
또한, 3개월에 한번 정도는 조명기구를 청소해 주는 것이 밝게 지낼 수 있는 요령의 하나이다.
해가 저물면 거리에는 각양각색의 화려한 네온사인이 켜진다. 도대체 저 네온 사인이 다양한 색을 내는 비밀은 무엇일까.
네온관은 형광등과 마찬가지로 기체중의 방전에 의한 발광을 이용한 것인데, 네온관에 봉입하는 기체의 종류에 따라서 여러 가지 색으로 발광하고 있는 것이다. 곧, 네온에서는 빨간 색, 아르곤에서는 적자색, 수은에서는 청녹색처럼 기체의 종류에 따라 발광하는 색이 각각 다른 것이다.
네온관은 지름 12~15[mm]의 가느다란 유리관의 양끝에 구리 및 철로 된 원통상의 전극을 설치하고 있다. 방전의 원리는 형광등과 같은데, 네온관에서는 관이 길기 때문에 방전관에 인가하는 전압을 높여 줄 필요가 있다.
점등의 개시에는 관의 길이 1[m]당 약1,000[V]의 고전압을 요한다는 것과, 방전전류를 일정 값으로 안정시키기 위해서 안정기를 겸한 변압기(네온 트렌스)를 사용하고 있다는 것이 약간 다를 뿐이다.
- 동아출판사 [알기 쉬운 전기의 세계 - 송길영 저] 中 발췌 -
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