[국내논문]고출력 무전극램프의 가스압 및 아말감종류에 따른 특성분석 및 최적화에 관한 연구 Study of the Characteristic and Optimization of Induction Lamp according to Gas Pressure and Amalgam Type원문보기
현재는 도로조명의 경우 기존 메탈할라이드 램프 400W이하로 설치되어 있어 에너지절약형 조명으로 대체가 이루어지고 있으며, 무전극 램프는 터널조명과 고천정조명 적용분야를 타겟으로 더욱 활발한 교체가 이루어질 것으로 예상된다. 따라서 추가적으로 고효율, 고출력 무전극 램프 시스템 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 고출력 무전극 램프의 설계 및 제작을 진행하여 가스종류 및 가스압에 따른 비교 분석, 아말감 종류에 따른 특성 분석 등을 통한 무전극 램프 최적화를 진행하였다. 현재 고출력 무전극 램프 방전관 및 페라이트코어에 맞는 가스압 300~350[mmHg] 사이로 최적화 하였다. 인듐(In) 아말감을 적용한 무전극 램프로 점등회로 매칭을 완료하여 250W(정격${\pm}10%$)로 정격소비전력으로 최적화를 완료하였다.
현재는 도로조명의 경우 기존 메탈할라이드 램프 400W이하로 설치되어 있어 에너지절약형 조명으로 대체가 이루어지고 있으며, 무전극 램프는 터널조명과 고천정조명 적용분야를 타겟으로 더욱 활발한 교체가 이루어질 것으로 예상된다. 따라서 추가적으로 고효율, 고출력 무전극 램프 시스템 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 고출력 무전극 램프의 설계 및 제작을 진행하여 가스종류 및 가스압에 따른 비교 분석, 아말감 종류에 따른 특성 분석 등을 통한 무전극 램프 최적화를 진행하였다. 현재 고출력 무전극 램프 방전관 및 페라이트코어에 맞는 가스압 300~350[mmHg] 사이로 최적화 하였다. 인듐(In) 아말감을 적용한 무전극 램프로 점등회로 매칭을 완료하여 250W(정격${\pm}10%$)로 정격소비전력으로 최적화를 완료하였다.
Currently, road lightings are installed with less than 400W of existing metal halide lamps. These road lightings are being replaced by energy-saving lightings. Induction lamps are expected to be more actively replaced with targets for tunnel lighting and high ceiling lighting. Therefore, it is neces...
Currently, road lightings are installed with less than 400W of existing metal halide lamps. These road lightings are being replaced by energy-saving lightings. Induction lamps are expected to be more actively replaced with targets for tunnel lighting and high ceiling lighting. Therefore, it is necessary to develop high efficiency, high power induction lamps system. In this study, the gas type & pressure, amalgam type were designed for the high power of the induction lamps. And induction lamp system was optimized through electrical, optical characteristics analysis. It is optimized to the gas pressure 300~350 [mmHg] for the discharge tube of high power induction lamp and ferrite core. The driving circuit matching was completed with a induction lamp using indium amalgam. The rated power consumption of the induction lamp was optimized with 250 W (rated ${\pm}10%$)
Currently, road lightings are installed with less than 400W of existing metal halide lamps. These road lightings are being replaced by energy-saving lightings. Induction lamps are expected to be more actively replaced with targets for tunnel lighting and high ceiling lighting. Therefore, it is necessary to develop high efficiency, high power induction lamps system. In this study, the gas type & pressure, amalgam type were designed for the high power of the induction lamps. And induction lamp system was optimized through electrical, optical characteristics analysis. It is optimized to the gas pressure 300~350 [mmHg] for the discharge tube of high power induction lamp and ferrite core. The driving circuit matching was completed with a induction lamp using indium amalgam. The rated power consumption of the induction lamp was optimized with 250 W (rated ${\pm}10%$)
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문제 정의
본 논문에서는 고출력 무전극 램프의 설계 및 제작을 진행하여 가스종류 및 가스압에 따른 비교 분석, 아말감 종류에 따른 특성 분석 등을 통한 무전극 램프 최적화를 진행하고자 한다.
Ar, Ne을 미량 혼합하였을 경우 페닝효과에 따른 방전전압을 낮추는 효과는 있으나 제조시설의 정확도, 주변 환경에 따라 가스압의 변화율이 높은 관계로 일반적으로 Kr 100% 가스를 주입함으로서 양산을 진행하고 있다. 본 논문에서의고출력 무전극 램프의 경우도 동일하게 제작을 진행하는 것으로 최적화 하였다.
본 논문은 고효율, 고출력 무전극 램프의 개발을 위한 목적으로 기존의 공정을 개선 및 추가를 진행한 후 가스종류 및 가스압, 아말감 종류 등의 설계요소에 따라 무전극 램프를 제작하여 광학적, 전기적 특성분석 통하여 무전극 램프를 최적화를 하였다.
제안 방법
고출력 무전극 램프 개발을 위하여 유리관 직경 및 사이즈를 키워서 최적화하기 위하여 유리관 밴딩 전 직관 유리관을 가열하기 위한 가열로 및 그림 5와 같이 반원형 유리관 밴딩을 위한 62Φ유리관 금형 제작을 진행하였다.
무전극 램프 제작을 위하여 그림 4와 같은 조립 공정을 거쳐 최종 고출력 무전극 램프를 제작할 수 있다. 첫째, 직관형 유리관을 사이즈에 맞게 커팅한 후 불순물 제거를 위한 워싱 공정을 진행한다. 둘째, 고출력 W급에 맞는 직관형 유리관을 원형유리관 금형에 안착시켜 반원형 형상의 유리관을 제작한 후 형광체 코팅을 진행한다.
첫째, 직관형 유리관을 사이즈에 맞게 커팅한 후 불순물 제거를 위한 워싱 공정을 진행한다. 둘째, 고출력 W급에 맞는 직관형 유리관을 원형유리관 금형에 안착시켜 반원형 형상의 유리관을 제작한 후 형광체 코팅을 진행한다. 반원형의 유리관의 중간부분을 실링처리 하여 원형유리관 형태를 만든 후 가스를 주입하여 최종적으로 발광가능한 원형 유리관형상이 완성된다.
제작된 유리관 금형을 밴딩 제조공정에 적용하여 그림 6과 같이 고출력에 따라 유리관 사이즈를 증가시키고 이에 수반된 페라이트코어의 사이즈 및 체적을 변화하여 무전극 램프의 제작을 진행하였다.
일반적으로 무전극 램프의 초기 방전을 위하여 가장 안정적인 18족 비활성기체를 여기가스로 사용하게 된다. 무전극 램프의 경우 전극의 간격을 고려하기 어렵기 때문에 휘도특성을 통해 특성 분석하는 방법으로 진행한다. 초기에 이러한 비활성 기체의 혼합비 별 인가전력증가에 따른 휘도를 측정함으로써 혼합비를 최적화하고, 가스압에 따른 인가전력증가에 따른 휘도를 측정함으로써 가스압을 최적화한 선행연구가 진행되었으며[15], 기본적으로 Kr기반으로 한 여기가스를 선택하여 제조를하고 있다.
고출력 무전극 램프 사이즈가 결정된 후 아말감의 성분비에 따른 최적화된 가스압 범위에서 무전극 램프의 효율 및 연색성을 확인하고, 본 시험결과를 토대로 가스압과 동시에 아말감을 성분비를 최적화 하였다.
제조시설의 정확도, 주변 환경에 따라 가스압의 변화율이 높은 관계로 Kr 100% 가스를 주입함으로서 최적화 한 후, 발광면적을 넓히고, 온도특성을 개선하기 위하여 유리관 관경을 62mm로 키워 최적화를 진행하였다. 또한, 현재 고출력 무전극램프 방전관 및 페라이트코어에 맞는 가스압 300~350[mmHg] 사이로 최적화 하였다.
제조시설의 정확도, 주변 환경에 따라 가스압의 변화율이 높은 관계로 Kr 100% 가스를 주입함으로서 최적화 한 후, 발광면적을 넓히고, 온도특성을 개선하기 위하여 유리관 관경을 62mm로 키워 최적화를 진행하였다. 또한, 현재 고출력 무전극램프 방전관 및 페라이트코어에 맞는 가스압 300~350[mmHg] 사이로 최적화 하였다. 인듐(In) 아말감을 적용한 무전극 램프로 점등회로 매칭을 완료하여 250W급(정격±10%)로 정격소비전력을맞추어 최적화를 완료하였다.
또한, 현재 고출력 무전극램프 방전관 및 페라이트코어에 맞는 가스압 300~350[mmHg] 사이로 최적화 하였다. 인듐(In) 아말감을 적용한 무전극 램프로 점등회로 매칭을 완료하여 250W급(정격±10%)로 정격소비전력을맞추어 최적화를 완료하였다.
성능/효과
시험용으로 제작된 램프 관전류는 1.2[Arsm]인 250W급 동일한 점등회로로 전력을 인가하여 시험한 결과 그림 7과 같이 가스압이 증가함에 따라 무전극 램프의 관전압이 낮아져서 인가전력이 낮아짐을 알 수 있다.
가스압에 따른 광효율 및 연색성을 측정한 결과 그림 8과 같이 약 270~370[mmHg]사이에서 최적점을 찾을 수 있었다. 가스압이 낮을 경우 연색성이 저하되는 문제점이 있으며, 가스압이 높을 경우 급격하게 관전압이 낮아짐에 따라 인가전력이 떨어지는 영향으로 광학적 특성이 저하가 심해지는 특성을 보였다.
때문에 현재 최적화된 고출력 무전극 램프 방전관 및 페라이트코어에 맞는 가스압 300~350 정도로 최적화 한 후 최종 점등회로 셋업을 진행하는 것으로 결론을 내렸다.
후속연구
현재는 도로조명의 경우 기존 메탈할라이드 램프 400W이하로 설치되어 있어 무전극 램프 대체가 일부 이루어 졌으며, 최근 LED조명의 대체 비중이 높아지고 있는 상황이다. 또한 무전극 램프는 터널조명과 고천정 조명 적용분야를 타겟으로 더욱 활발한 교체가 이루어질 것으로 예상된다. 하지만 무전극 램프 시스템의 대체 가능한 메탈할라이드 램프 400W급 대체 시 무전극 램프 200W급 [1:1] 대체 불가하다.
하지만 무전극 램프 시스템의 대체 가능한 메탈할라이드 램프 400W급 대체 시 무전극 램프 200W급 [1:1] 대체 불가하다. 따라서 추가적으로 고효율, 고출력 무전극 램프의 개발이 필요한 상황이고, 고출력 무전극 램프 시스템을 개발할 경우 기존설치현장 [1:1] 교체가 가능하며, 배광이 넓기 때문에 등 간격을 넓혀서 교체가 가능하며, 그 이상의 기존조명 W급도 교체 가능할 것으로 판단된다.
또한 본시험 결과를 바탕으로 점등회로와의 매칭을 통하여 정격전력을 맞추기 위한 최적화된 무전극 램프를 제작할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED의 단점은 무엇인가?
국내 총 전력 소비량의 약 20%를 사용하는 조명분야는 다른 기술보다 에너지절약 잠재량이 크고, 연구개발의 효율성이 높은 기술로 인정받고 있으며, 고효율 조명기기의 개선, 각종 고효율 광원개발 및 보급에 주력하고 있다. 이러한 광원 중 LED는 고출력 조명등의 사용으로 인해 다량의 칩을 어레이 하는 구조를 사용하여글레어 현상과 쉐도우 현상의 문제점이 발생되어 빛의 품질이 저하되고 있다[2]. 반면에 무전극 램프의 경우 1884년 히트로프에 의하여 방전현상이 최초로 발견되었고, 1891년 니콜라테슬라는 상대적으로 낮은 용량의 결합형 RF(Radio Frequency) 방전램프를 소개하였다.
유도결합형 무전극 램프의 특징은 무엇인가?
유도결합형 무전극 램프는 플라즈마 방전에서 일반 튜브 타입의 형광램프보다 높은 에너지 밀도와 관벽 부하를 가지기 때문에 높은 온도에서 동작한다. 그래서 금속과 결합된 아말감형태로 램프안에 수은을 봉입한다.
고효율, 고출력 무전극 램프의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?
또한 무전극 램프는 터널조명과 고천정 조명 적용분야를 타겟으로 더욱 활발한 교체가 이루어질 것으로 예상된다. 하지만 무전극 램프 시스템의 대체 가능한 메탈할라이드 램프 400W급 대체 시 무전극 램프 200W급 [1:1] 대체 불가하다. 따라서 추가적으로 고효율, 고출력 무전극 램프의 개발이 필요한 상황이고, 고출력 무전극 램프 시스템을 개발할 경우 기존설치현장 [1:1] 교체가 가능하며, 배광이 넓기 때문에 등 간격을 넓혀서 교체가 가능하며, 그 이상의 기존조명 W급도 교체 가능할 것으로 판단된다.
참고문헌 (15)
Hyun-seob Cho, "The study of induction heating apparatus with high efficiency", Journal of korea institute of information electronics and communication technology, Vol. 9, No. 2, pp185-189, Apr. 2016
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Richard Speer, Philip Moskowitz, Jeff Holt "Transient State Mercury Transport During the Run-Up Phase of Inductively Coupled Fluorescent Lamps", The 11th international Symposium on the science & technology of light source, pp.585-589, 2007
Ron van Os, David Chazen., "Amalgam system for electrodeless discharge lamp" US Patent 5598069 Issued on January 28, 1997
hyun il kim, "A Study on the Characteristics analysis and the Standardization of Fluorescent Induction Lamps", dongguk university doctorate thesis, 2007
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