할로겐램프는 석영유리관내부에 질소,알곤등의 불활성 가스와 미량의 할로겐화물(F,Cl,Br,I)을 봉입한 램프이다.일반램프는 점등중에 고온의 필라멘트인 텅스텐이 증발하여 유리관의 내벽이 검게 변하는 흑화현상을 발생한다. 이 때문에 램프의 수명이 진행되면서 점점 광출력이 떨어지게 된다.할로겐램프는 증발하는 텅스텐을 할로겐화물질의 열과학적인 순환반응(할로겐사이클)을 이용하여 흑화 현상의 발생을 방지 하는 램프이다.
2.램프의 구조
3.할로겐 사이클
필라멘트로 부터 증발한 텅스텐(w)은 할로겐화물(x)과 결합하여 휘발성 텅스텐할라이드 (wx2)을 형성한다. 이 텅스텐할라이드는(wx2)는 봉입가스의 열대류로 유리관의 벽에 닿으며, 그때 유리관의 온도가 일정온도에 도달해있으면 휘발성증기는 유리관에 부착되지 않고 필라멘트로 다시 돌아가게 된다. 필라멘트주위는 매우 온도가 매우 높기 때문에 이 텅스텐할라이드(wx2)는 텅스텐(w)과 할로겐화물(x)로 열분해 된다. 분해된 텅스텐(w)는 필라멘트 위에 침착하고 할로겐물질(x)는 유리관 내부로 확산된 다음 다시 증발텅스텐(w)과 재결합한다. 이런 순환반응을 반복하게 된다.(할로겐사이클) 만약 할로겐 사이클에 의해 증발된 텅스텐이 필라멘트의 원래의 위치에 되돌아간다면 그 수명은 무한하게 될 것이나, 실제는 증발이 많이 발생한 부분에 되돌아가지 않고 필라멘트의
가장자리인 온도가 낮은 부분에 침착되므로 필라멘트는 결국 가늘어져서 수명이 완료 되게 되는 것이다. 이상의 할로겐사이클을 원활하게 하기 위하여 할로겐램프는 내열성이 높은 석영유리등을 사용하고 또한 관을 소형화 하여 관의 온도를 250도에서 600도의 범위가 되도록 설계를 하여야 한다. 따라서 석영유리와 같이 고온도에 견딜 수 있는 유리의 사용이 필수적이다
4.할로겐램프의 장점
1. 소형 고출력 동일한 소비전력의 일반전구와 비교할 때 체적을 약1/20 정도로 설계 할수가 있어서 기구의 소형화 경량화가 가능하다. 또 반사경의 구조를 여러가지로 설계를 하여 집광제거가 가능하도록 할수있어 여러 방면에 다양하게 사용 할수있다.
2.고효율,장수명 일반전구에 비하여 수명이 길다. 또한 수명이 같다면 필라멘트의 온도를 높게 올릴수 있기 때문에 고효율화 할 수가 있다.
3. 일정한 광출력 할로겐사이클로 흑화 발생을 방지하여 램프 초기의 밝기,색온도가 수명기간 중에 변화 가 없다.
5.분광분포
할로겐램프를 포함한 백열전구는 입력(input power)의 약 80%가 가시광(visible light)과 적외선(infra red ray)으로 방사된다. 그중 적외선은 70% 나머지 30% 가시광이다. 또 방사되지않는 20%정도는 봉입가스에 의한 필라멘트의 냉각에 따른 가스손실, 유리관과 베이스의 열흡수에 따른 베이스 손실, 비발열부와 도입선의 등의 단자 열손실등으로 램프 자신의 온도상승에 의한 열손실이 발생한다.
램프의 방사에너지는 온도에 의하여 결정되는 연속스펙트럼이며, 그 분광 분포는 플랭크 상수값을 사용하여 간단하게 계산할 수가 있다.
그 계산식은
1) 필라멘트의 온도가 높아질수록 피크치의 파장은 짧아지고 가시광은 증가한다 2) 필라멘트온도가 높은 램프의 빛은 푸른색의 파장이 되게 되지만 사람의 눈에는 흰색으로 감지가 된다. 필라멘트 온도와 피크파장의 관계는 다음의 방정식에 따라 정해진다.
6.전압특성
할로겐램프를 포함한 백열전구의 초기 특성은 입력전압의 변동에 대하여 연속적으로 변화 한다.
7.돌입전류
텅스텐의 비저항은 온도가 높을 수록 높아진다. 실온에서 5.6μΩCm2인데 반해 2727°C도로 점등중인 경우는 90.4 μΩCm2가 되어 그 변화 율은 16배정도 된다. 전구의 필라멘트는 그 온도상태의 고유저항치로 설계하기 때문에 정격전압 인가 순간은 정격전류치의 13~17배의 돌입전류가 흐르게 된다. 실제로는 램프점등시 전원과 회로의 인피던스가 더해저서 돌입전류는 약 7~10배 정도 된다. 그러나 할로겐램프의 돌입전류 지속시간이 길기 때문에 사이리스트등의 회로소자의 전류용량을 충분하게 여유를 둘 필요가 있다. 이 돌입전류는 예비점등 또는 슬로우스타트 점등으로 줄일 수가 있다.
8. 점등전압변화와 수명
램프의 점등전압의 변화는 램프의 수명에 큰 영향을 끼친다. 그 관계식은 다음 과 같다.
램프수명은 필라멘트의 수명에 의하여 결정이 된다고 일반적으로 알려져 있으나,실제 램프의 수명은 필라멘트설계가 중요한 요인으로 작용한다. 예로서 위의 방정식으로 계산하면 10%점등전압이 올라가면 수명은 1/3으로 줄어든다. 반대로 10%내려가면 수명은 약 3.5배 늘어나게 된다. 그러나 가스조건은 정격전압일때의 할로겐물질의 종류 및 농도로 맞추어져 있기 때문에 큰폭의 전압변화는 적정한 할로겐사이클의
활동이 일어나지않게된다. 그래서 전압을 낮게 하는경우는 과잉의할로겐에 의한 필라멘트의 부식이 일어나서 수명이 짧아지고 또 전압을 올리게 되면 할로겐의 부족으로 단선 전에 흑화가 발생하게 된다.
9. 씨링부의 온도와 수명
씨링부의 온도는 350도 이하로 관리할 필요가 있다. 그이유는 다음과 같다.
1. 씨링부의 온도가 높게 되면 몰리브덴박의 산화가 진행이 되고 용접부의 전기전도가 떨어진다.
2. 몰리브덴 박의 열팽창으로 유리의 경계면에 박리가 일어나 슬로우 리크가 발생한다.
3. 씨링부의 유리가 파손되어 수명이 다하게 된다.
씨링부온도와 수명의 관계는 오른쪽의 그림에 일반적인 경향을 표시하였다. 씨링부의 온도는 램프의 사양에 따라 소비전력과 통전전류치, 필라멘트에서 씨링부의 거리, 유리관의 굵기와 사용조건에 따라서 영향을 크게 받는다.
.10. 할로겐사이클과 유리관온도와의 관계
할로겐 사이클과 유리관온도의 관계는 4개의 온도영역에서 다르고, 램프가 장착되는 기구등도 할로겐 사이클가 잘 이루어지도록 램프유리관이 250도~600도범위가 되도록 설계 하여야 한다.
250도이하
램프의 주위을 극단적으로 냉각한 경우 유리관의 온도가 내려가고 할로겐분자가 텅스텐할라이드형태로 유리관에 부착된채로 있게 되어 할로겐 사이클은 잘 일어나지 않게 된다.
불연속점등(간헐점등), 낮은 점등전압 점등인 경우 유리관의 온도가 올라가지 않아 할로겐사이클의 활동이 떨어진다. 왜냐하면 필라멘트의 온도가 낮기 때문에 유리관의 온도가 올라가지 않고 할로겐물질이 유리관에 부착되어 증발된 텅스텐과 결합하지 않기 때문이다 증발한 텅스텐은 유리관에 부착되어
검은색의 층을 형성하여 흑화 현상이 발생한다. 이러한 흑화는 유리관의 온도가 250도에 도달하면 정상적인 사이클이 이루어져 관벽으로 부터 떨어져 흑화가 없어진다.
600~800도
이 영역은 다음의 형상이 발생한다. 기구에 장착되어 밀폐된 상태인 경우 공기냉각이 이루어지지 않아 유리관의 온도가 600도이상 올라가면 증발한 텅스텐이 텅스텐 할라이드의 상태가 되지 않고 증발된 텅스텐 그대로 유리관에 부착된다. 과전압으로 램프를 점등한 경우에도 필라멘트의 온도가 높아져 텅스텐의 증발이 증가하고 할로겐물질과 결합하지 않는다. 증발 텅스텐은 텅스텐 할라이드의 상태가 되지 않고 유리관에 부착하게 된다. 그 결과 흑화가 발생한다.
250~600
할로겐사이클에 가장 적정한 유리관 온도 범위이다. 유리관온도를 항상 이 온도 범위에 들도록 기구등 사용조건이 맞도록 설계 되어야 한다.
800도
이상
유리관이 800 도 이상되는경우 석영관이 고열로 휘거나 내부 가스압의 팽창으로 부풀어 오를수 있다. 특히 석영유리는 염분(사람의 땀)이 묻게 되면 석영유리와 반응하여 결정화유리가 되어 백탁(투과율이 떨어짐), 유리관의 강도저하를 가져오거나,슬로우리크가 발생 할 수도 있다.
