나트륨증기램프

Sodium-vapor lamp
토론토에 있는 고압 나트륨 가로등
고압 나트륨 증기 램프

나트륨증기램프는 들뜬 상태에서 나트륨을 이용해 589nm 부근의 고유파장에서 빛을 내는 가스방전램프이다.

이러한 램프에는 저압과 고압의 두 가지 종류가 있습니다.저압 나트륨 램프는 매우 효율적인 전기 광원이지만, 황색 빛은 가로등과 같은 야외 조명에만 적용되며,[1] 널리 사용되고 있습니다.고압 나트륨 램프는 저압 램프보다 더 넓은 스펙트럼의 빛을 방출하지만, [2]다른 유형의 램프보다 여전히 연색이 잘 되지 않습니다.저압 나트륨 램프는 단색의 노란색 빛만 내기 때문에 야간에는 색각을 억제합니다.

단부 자기 시동 램프는 마이카 디스크로 절연되어 붕규산염 유리 가스 방전관(아크 튜브) 및 금속 [3][4]캡에 수용된다.그것들은 [5][6][3][4]가로등에서 가스 방전 램프인 나트륨 증기 램프를 포함한다.

발전

저압 나트륨 아크 방전 램프는 나트륨 증기의 부식 효과에 저항할 수 있는 유리의 개발로 1920년경 실용화되었습니다.이들은 1Pa 미만의 압력에서 작동하며 589.0 및 589.56나노미터 파장에서 나트륨 방출 라인 주위에 단색에 가까운 빛 스펙트럼을 생성했다.이로 인해 발생하는 노란색 빛은 색각이 [7]필요하지 않은 애플리케이션으로 적용 범위를 제한했습니다.

고압 나트륨 램프에 대한 연구는 영국과 미국에서 이루어졌다.나트륨 증기의 압력이 증가하면 나트륨 방출 스펙트럼이 넓어져 생성된 빛이 589 nm 영역 위와 아래의 파장에서 방출되는 에너지가 많아졌습니다.수은 방전 램프에 사용되는 석영 물질은 고압 나트륨 증기에 의해 부식되었습니다.1959년에 고압 램프의 실증이 실시되었습니다.General Electric이 소결 산화 알루미늄 재료(광 투과 개선을 위해 산화 마그네슘을 첨가)를 개발한 것은 상용 램프 건설에 있어 중요한 단계였습니다.재료는 1962년까지 튜브 형태로 사용 가능했지만, 튜브를 밀봉하고 필요한 전극을 추가하기 위해 추가 기술이 필요했습니다. 재료는 석영처럼 융합될 수 없었습니다.아크 튜브의 엔드 캡은 작동 시 최대 800°C까지 뜨거워졌다가 램프가 꺼지면 실온까지 냉각되므로 전극 종단 및 아크 튜브 씰은 반복적인 온도 주기를 견뎌야 했습니다.이 문제는 GE Nela Park 공장의 Michael Arendash에[8] 의해 해결되었습니다.최초의 상업용 고압 나트륨 램프는 1965년 미국, 영국 및 네덜란드의 회사에서 제공되었습니다. 도입 당시 400와트 램프는 [7][9]와트당 약 100루멘을 생산했습니다.

단결정 인공 사파이어 튜브도 1970년대 초 HPS 램프용으로 제작돼 사용됐지만 효과는 다소 개선됐지만 다결정 알루미나 [7]튜브보다 생산비가 더 비쌌다.

저압 나트륨

소등 35 W LPS/SOX 램프
LPS 램프의 예열 단계입니다.페닝 혼합물의 옅은 분홍색 빛은 금속 나트륨 증기의 밝은 단색 오렌지 빛으로 점차 대체됩니다.
작동 중인 35 W LPS/SOX 램프
저압 나트륨 램프의 스펙트럼.강렬한 노란색 띠는 원자 나트륨 D-라인 방출로, 이 램프 유형의 가시광선 방출의 약 90%를 차지합니다.
저압 나트륨 램프에 맞는 혼다 2대.왼쪽 차는 밝은 빨간색이지만 오른쪽 차는 실제로 검은색이지만 둘 다 검은색입니다.

저압나트륨(LPS) 램프는 고체나트륨과 소량의 네온 및 아르곤가스를 함유한 붕규산염 유리가스 방전관(아크튜브)을 페닝 혼합액에 가지며 가스 방전을 시작한다.방전 튜브는 선형(SLI 램프)[10] 또는 U자형일 수 있습니다.램프가 처음 시작되면 희미한 빨간색/핑크색 빛을 방출하여 나트륨 금속을 데웁니다. 몇 분 안에 나트륨 금속이 기화하면 방출이 일반적인 밝은 노란색이 됩니다.이 램프는 평균 589.3 nm 파장의 사실상 단색 빛을 생성한다(실제로 589.0 및 589.6 nm에서 두 개의 주요 스펙트럼 라인이 매우 가깝다).이 좁은 대역폭만으로 조명되는 물체의 색상은 구별하기 어렵습니다.

LPS 램프는 단열 처리를 위해 내부 방전 튜브 주위에 외부 유리 진공 엔벨로프가 있어 효율이 향상됩니다.이전의 LPS 램프에는 탈부착식 듀어 재킷(SO 램프)[11]이 있었습니다.단열재를 개선하기 위해 영구 진공 엔벨로프([12]SOI 램프)가 있는 램프가 개발되었습니다.유리 엔벨로프에 산화인듐 주석 적외선 반사층을 코팅하여 SOX [13]램프를 제작함으로써 한층 더 개선되었습니다.

LPS 램프는 사진 조명 조건에서 측정했을 때 100 이상 206lm/[14]W까지 발생하는 가장 효율적인 전기 광원 중 하나입니다.이 높은 효율은 부분적으로 방출된 빛이 인간의 눈의 최대 민감도에 가까운 파장에 있기 때문입니다.주로 야외 조명(가로등이나 보안 조명 등)에 사용되며, 충실한 색채 표현이 중요하지 않습니다.최근의 연구에 따르면 전형적인 야간 간극 주행 조건에서는 낮은 [15]조도에서 더 하얀 빛이 더 나은 결과를 제공할 수 있습니다.

LPS 램프는 선형 램프 형태의 저강도 광원이라는 점에서 형광등과 유사합니다.고강도 방전(HID) 램프처럼 밝은 아크가 나타나지 않으며, 보다 부드러운 발광 빛을 발산하여 눈부심이 감소합니다.HID 램프와 달리 저압 나트륨 램프는 전압 강하 시 최대 밝기로 빠르게 돌아갑니다.LPS 램프는 10 W에서 180 W까지의 정격 전력으로 사용할 수 있습니다.단, 램프 길이가 길면 설계 및 엔지니어링상의 문제가 발생할 수 있습니다.

최신 LPS 램프의 수명은 약 18,000시간이며, 수명이 다 할수록 에너지 소비량이 약 10% 증가하지만 시간이 지남에 따라 루멘 출력이 감소하지 않습니다.이러한 특성은 수은증기 HID 램프가 수명이 다할수록 어두워지고 전력 소모가 없어지는 것과 대조됩니다.

2017년 LPS 램프의 마지막 제조사인 필립스 라이팅은 [16]수요 감소로 인해 램프의 생산을 중단한다고 발표했다.당초 2020년 중에 생산이 단계적으로 중단될 예정이었으나, 이 날짜가 앞당겨져 [17]2019년 12월 31일 화요일 해밀턴 공장에서 마지막 램프가 생산되었습니다.

광오염에 관한 고려사항

천문대 근처나 바다거북 둥지 해변과 같이 빛 오염이 고려되는 장소에는 저압 나트륨이 선호된다(이전 애리조나 [18][19]주 새너제이 및 플래그스태프).이러한 램프는 두 개의 지배적인 스펙트럼 라인(다른 훨씬 약한 라인 포함)에만 빛을 방출하므로 천체 [20]관측에 대한 스펙트럼 간섭이 가장 적다.(LPS 램프의 생산이 종료되었기 때문에, LPS와 같은 색 스펙트럼의 협대역 황색 LED의 사용을 검토하고 있습니다.)또한 저압 나트륨 램프의 노란색은 가장 낮은 시각적 하늘 빛을 유발하는데, 이는 주로 어두운 적응된 인간 시력의 푸르키니제 전환으로 인해 맑은 [21][22]대기에서 낮은 휘도 수준에서 산란된 노란색 빛에 상대적으로 눈이 둔감하기 때문이다.널리 퍼진 공공 조명의 결과 중 하나는 흐린 밤에 충분한 조명이 있는 도시가 구름에 반사된 빛으로 비춰진다는 것이다.나트륨 증기등이 도시 조명의 원천인 곳에서는 밤하늘이 주황색으로 물든다.

특수 효과 필름

나트륨 증기 공정(가끔 옐로우 스크린이라고도 함)은 LPS 램프의 협대역 특성에 의존하는 필름 기술입니다.컬러 네거티브 필름은 일반적으로 LPS 램프의 황색 빛에 민감하지 않지만 특수 흑백 필름은 이를 기록할 수 있습니다.특수 카메라를 사용하여 장면이 두 개의 스풀에 동시에 기록되는데, 하나는 배우(또는 다른 전경 객체)가 있는 것이고 다른 하나는 나중에 다른 배경과 조합하기 위한 마스크가 되는 것입니다.이 기술은 원래 블루스크린 기술보다 우수한 결과를 낳았으며 1956년부터 1990년까지 주로 디즈니 스튜디오에서 사용되었습니다.이 기법을 사용한 영화의 주목할 만한 예로는 알프레드 히치콕의 '더 버드'와 디즈니 영화인 '메리 포핀스'와 '베드놉스'와 '브룸스틱스'가 있다.이후 블루스크린과 그린스크린 기법과 컴퓨터 이미지의 발전으로 이러한 격차가 줄어들어 SVP는 경제적으로 실용적이지 [23]않게 되었습니다.

고압 나트륨

고압 나트륨 램프 작동 중
고압 나트륨 램프의 스펙트럼.왼쪽의 노란색-빨간색 띠는 원자 나트륨 D-라인 방출입니다. 터키석 선은 저압 방전에서는 상당히 약하지만 고압 방전에서는 강해지는 나트륨 선입니다.대부분의 다른 녹색, 파란색, 보라색 선은 수은에서 비롯된다.
일반적인 고압 나트륨(HPS) 램프의 스펙트럼 출력을 나타내는 다이어그램.
Office building illuminated by high-pressure sodium lamps.
고압 나트륨 램프로 점등된 사무실 건물.
고압 나트륨 램프 Philips SON-T Master 600 W

고압나트륨(HPS) 램프는 산업용 조명, 특히 대규모 제조시설에서 널리 사용되어 왔으며 일반적으로 식물 재배용 조명으로 사용됩니다.그것들은 [24]수은을 함유하고 있다.도로, 주차장, 보안 구역 등 야외 조명에도 널리 사용되고 있습니다.도로용 조명을 설계할 때 [15]적절한 계획을 수립하기 위해서는 사람의 색각 감도가 사진으로부터 중간 및 스코토픽으로 변화하는 것을 이해하는 것이 필수적이다.

고압 나트륨 램프는 매우 효율적입니다. 와트당 약 100루멘(사진 조명 조건의 경우)입니다.일부 고출력 램프(예: 600와트)의 효율은 와트당 약 150루멘입니다.

고압 나트륨 아크는 화학적으로 매우 반응하기 때문에 아크 튜브는 일반적으로 반투명 산화 알루미늄으로 제작됩니다.이 공사로 General Electric Company는 고압 나트륨 램프 라인에 "Lucalox"라는 상표명을 사용하게 되었습니다.

저압의 제논은 HPS 램프에서 "스타터 가스"로 사용됩니다.모든 안정적인 귀가스 중에서 열전도율이 가장 낮고 이온화 잠재력이 가장 낮습니다.희가스로서 수술등에서 발생하는 화학반응을 방해하지 않는다.열전도율이 낮기 때문에 동작상태에서 램프의 열손실을 최소화하고, 이온화전위가 낮기 때문에 냉간상태에서 가스파괴전압이 상대적으로 낮아 램프를 쉽게 시동할 수 있습니다.

"흰색" 고압 나트륨 램프

1986년에 도입된 고압나트륨 변종인 White HPS는 일반적인 HPS 램프보다 높은 압력을 가지며, 약 2700 켈빈의 색온도와 약 85의 색연색지수(CRI)를 발생시켜 백열등 [25]색상과 매우 유사합니다.이 램프는 실내 카페나 레스토랑에서 미적 효과를 위해 자주 사용됩니다.하지만 흰색 HPS 램프는 가격이 비싸고 수명이 짧고 광효율이 낮아 현재 HPS와 경쟁할 수 없다.

연산 이론

고압 나트륨 램프 다이어그램

금속 나트륨과 수은의 아말감은 램프의 가장 차가운 부분에 있으며 아크를 그리는 데 필요한 나트륨과 수은 증기를 제공합니다.아말감의 온도는 램프 파워에 의해 크게 결정된다.램프 파워가 높을수록 아말감 온도가 높아집니다.아말감의 온도가 높을수록 램프의 수은 및 나트륨 증기 압력이 높아지고 단자 전압이 높아집니다.온도가 상승함에 따라 정전류 및 전압 상승은 전력 작동 수준에 도달할 때까지 증가하는 에너지를 소비합니다.특정 전압에 대해 일반적으로 세 가지 작동 모드가 있습니다.

  1. 램프가 꺼지고 전류가 흐르지 않습니다.
  2. 램프는 튜브에 액체 아말감과 함께 작동합니다.
  3. 램프는 모든 아말감이 증발된 상태에서 작동합니다.

램프 저항은 전압과 약하게 관련되지만 두 번째 상태는 불안정하기 때문에 첫 번째 및 마지막 상태는 안정적입니다.전류가 비정상적으로 증가하면 전력이 증가하여 아말감 온도가 상승하고 저항이 감소하여 전류가 더욱 증가합니다.그러면 폭주 효과가 발생하고 램프가 고전류 상태(#3)로 점프합니다.실제 램프는 이 정도의 전력을 처리할 수 있도록 설계되어 있지 않기 때문에 치명적인 장애를 일으킬 수 있습니다.마찬가지로 전류가 비정상적으로 떨어지면 램프가 꺼집니다.이는 램프의 바람직한 작동 상태 중 두 번째 상태로, 저장소에서 시간이 지남에 따라 아말감이 느리게 손실되면 완전히 증발된 아말감보다 램프의 특성에 덜 영향을 미치기 때문입니다.그 결과 평균 램프 수명이 20,000시간을 초과합니다.

실제로 램프는 정전압이 아닌 거의 일정한 전류를 램프에 공급하기 위해 유도성 "발라스트"와 직렬로 AC 전압원에 의해 구동되어 안정적인 작동을 보장합니다.밸러스트는 일반적으로 저항 손실에서 발생하는 에너지 낭비를 최소화하기 위해 단순히 저항성을 갖는 것이 아니라 유도성을 가집니다.램프는 AC 사이클의 각 제로 전류 지점에서 효과적으로 소등되므로 유도 밸러스트는 제로 전류 지점에 전압 스파이크를 제공함으로써 재점화를 지원합니다.

램프의 빛은 수은과 나트륨의 원자 방출선으로 구성되지만, 나트륨 D-라인 방출이 주를 이룬다.이 라인은 매우 압력(공진)이 넓어지고 아크의 차가운 외부 층에 흡수되어 램프의 향상된 색 렌더링 특성을 제공합니다.또한 D라인 방출의 붉은 날개는 아크 내의 수은 원자로부터의 반데르발스 힘에 의해 더욱 압력이 확대됩니다.

종말

나트륨 증기 가로등
어두워진 후 클로즈업

수명이 다하면 고압 나트륨(HPS) 램프는 아크의 나트륨 손실로 인해 사이클링이라고 하는 현상을 보입니다.나트륨은 매우 반응성이 높은 원소이며 아크 튜브의 산화 알루미늄과 반응하여 소실됩니다.제품은 산화나트륨과 알루미늄입니다.

6 Na + AlO23 → 3 NaO2 + 2 Al

그 결과 이들 램프는 비교적 낮은 전압으로 시동할 수 있지만 작동 중에 가열됨에 따라 아크관 내부의 가스압이 상승하고 아크방전을 유지하기 위해 점점 더 많은 전압이 요구된다.램프가 오래되면 아크의 유지전압이 상승하여 전기 밸러스트에 의한 최대전압 출력을 초과합니다.램프가 이 지점까지 가열되면 아크가 실패하고 램프가 꺼집니다.결국 아크가 꺼지면 램프가 다시 냉각되고 아크관 내의 가스 압력이 낮아져 밸러스트가 다시 아크를 타격할 수 있다.그 결과 램프가 잠시 빛나다가 꺼지고, 보통 순수한 흰색 또는 푸른 빛이 도는 흰색에서 시작하여 꺼지기 전에 빨간색 주황색으로 이동합니다.

보다 정교한 밸러스트 설계에서는 아크 재시동에 필요한 고전압 점화 반복으로 밸러스트의 수명이 줄어들기 때문에 사이클링을 감지하고 몇 사이클 후 램프 시동을 포기합니다.전원이 차단되었다가 다시 켜지면 밸러스트는 새로운 일련의 시동 시도를 합니다.

LPS 램프 장애는 사이클링으로 이어지지 않습니다. 오히려 램프가 켜지지 않거나 시동 단계의 어두운 빨간색 빛을 유지합니다.또 다른 고장 모드에서는 아크 튜브의 미세한 구멍으로 나트륨 증기의 일부가 외부 진공 전구로 누출됩니다.나트륨이 응축되어 외부 유리에 거울을 만들어 아크 튜브를 부분적으로 가립니다.램프는 정상적으로 계속 작동하지만 발생하는 빛의 상당 부분이 나트륨 코팅에 가려져 조명이 켜지지 않습니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

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