제논 램프 (Xenon Lamp)의 특징과 종류

제논 램프 (Xenon Lamp)

특징

제논 아크 램프는 가스 방전 램프의 한 종류입니다. 이온화 된 고압 제논 가스에 전기를 통과시켜 빛을 냅니다. 제논 램프의 빛은 햇빛과 매우 비슷한 한 밝은 흰색 빛으로 광학 특성이 햇빛과 가장 비슷하여 태양광 연구와 시험에 많이 쓰입니다. 그외에도 밝고 자연스러운 빛이 필요한 영화관, 서치 라이트, 사진 조명, 색상 검사 등에 사용됩니다.

램프의 구조는 석영이나 내열성 유리 튜브안에 제논 가스가 채워져 있으며 텅스텐으로 된 금속 전극이 있습니다. 모양에 따라 크게 쇼트 아크 램프(short arc lamp)와 롱 아크 램프(long arc lamp)가 있고 구조와 기능이 조금 다른 플래시 램프가 있습니다. 가장 대표적인 모양은 쇼트 아크 램프입니다. 세라믹 램프는 쇼트 아크 램프의 한 종류로 세라믹 몸통 내부에 반사경을 가진 구조입니다. 플래시 램프는 보통 세 번째 트리거 전극이 램프의 외부를 둘러 쌉니다.  

출력은 100W 미만에서 10000W 이상까지 다양하며 평균 수명은 조건에 따라 다르지만 최근 제품은 1000-3000시간 정도 입니다. (모델 마다 다릅니다.)

점등을 시키기 위해서는 20,000- 50,000V의 고전압 펄스가 필요하며 점등 후에는 비교적 낮은 전압(약 20V 내외)으로 작동합니다. 점등이 까다롭고 원리 자체가 불안정한 플라즈마 상태를 이용해 빛을 내는 방식으로 이에 대응할 수 있는 전문적인 파워서플라이(전원 공급장치)가 필요합니다.

파장 특성

출처: solar-simulator.info

색온도는 약 6000k 이며 자연광처럼 자외선에서 적외선에 이르는 (185-2000 nm) 연속된 파장이 나옵니다. 특히 800-1000nm 적외선 대역의 파장이 강합니다. 제논 램프는 자외선이 나오는 특성 때문에 램프 주변의 공기에서 오존을 만들어 내는 효과가 있습니다. 이런 효과를 줄이기 위해 240nm 이하 파장을 차단하는 코팅이 되어있는 오존 프리(Ozone free) 기능 제품이 따로 있는 경우도 있습니다. 

출처: photonics.com

순수 제논과 함께 많이 쓰이는 수은 제논 램프는 자외선 출력이 강해서 자외선 경화 장치 등에 많이 쓰입니다. 위 표를 보면 제논 램프 출력별 차이와 할로겐, 중수소 램프의 파장 분포도 나와있습니다.  

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*아래 자료는 인터넷에 제대로 된 정보가 없던 시절, 제논램프에 관한 각종 자료와 문헌 조사를 통해 정리한 자료입니다. 초기 제논 램프에 대한 자료로 지금 인터넷에서 볼 수 있는 대부분의 제논램프 정보는 저희가 정리한 이 내용을 그대로 베끼거나 참고해서 만들어졌습니다. 여전히 유효한 내용도 있으나 일부 정보는 제조기술의 발달에 따라 변경되었습니다.  

2018년 이전 과거 버전 (참고용으로 남겨 놓습니다.)

 

1. 1933년 무렵부터 독일에서 연구되어, 44년 P. 슐츠가 실용화하였다. 석영관(石英管) 속에 고압의 제논가스를 주입한 뒤 한 쌍의 전극을 넣고 이 전극 사이에 방전이 일어나게 한다. 초고압 수은등과 동일 구조이며 발광관이 가늘고 더 길다.

 

2. 제작이 매우 어려우며 제논 가스도 가격이 비싸다. 발광면적이 작은 점광원(點光源)으로 휘도가 높아 투광용 광원으로 적합하다. 수명은 2,000시간 정도.  

- 최근에는 기술이 발달하여 제논램프의 제작이 쉬워졌고 가격도 많이 떨어졌다. 특히 중국제품이 많아졌다.(2015년 기준)

 

3. 각종 광원(光源) 중에서 자연광에 가장 가까운 빛을 내며 연색성이 좋다.  (아크의 온도가 약 5000-6000k) 파장의 전 영역에 걸쳐 연속적인 스펙트럼으로 이루어져 있으며 청백색계열의 빛이 난다. 한편 800에서1000nm사이의 파장이 특히 강하며 단파장 가시광선 영역은 약하다.

4. 기동전압이 매우 높아 특별한 기동장치가 필요하다. 보통 10,000v 이상 필요하다.

 

5. 점등하면 빠른 시간내에 최대출력에 80%에 도달한다. 수시로 재점등이 가능하다. 램프 전압은 낮은 반면에 램프 전류는 초고압 수은등에 비해 3배정도 크다.

6. 용량은 아주 작게는 5w 부터 최대32,000W까지 제작 가능하다. 또 수직이나 수평에 관계없이 작동 가능하다.

7. 발광효율은 보통 1W에 20-30 lm 전후이며 대략 1000W에서 30lm/W, 5000W에서 45lm/W 20Kw에서는 50lm/W이상이다.

 

8. 램프 내부의 기압은 1-10기압 정도이며 점등 중에는 20∼40기압이 된다. 봉입 가스압력을 높이면 효율이 좋아진다.

9. 대용량이 제작 가능하다. 대용량에서는 수냉시스템이 필요하다.

 

  종 류 - 제논 램프는 3종류로 나뉜다.

 

① 쇼트아크 제논/크세논 램프(Short Arc Xenon Lamp) : 전극간격이 수 mm이고, 관이 공 또는 달걀 모양이다. 일반적으로 직류로 점등한다. 제논가스는 점등 중 20∼40기압이 된다. 점광원(點光源)으로 자연광에 가까우며 연색성(演色性)이 좋기 때문에 표준백색광원·영사·인쇄제판·퇴색(退色)시험·솔라시뮬레이터에 사용된다.

 

② 롱아크 제논/크세논 램프(Long Arc Xenon Lamp) : 길쭉한 석영관 양끝에 전극을 넣은 것인데, 제논가스압은 1기압 정도이다. 일반적으로 교류로 점등한다. 휘도가 높아 퇴색시험·사진제판·투광(投光)조명 등에 사용된다.

 

③ 제논/크세논 플래시램프(Xenon Flash Lamp) : 직관형(直管形)·나사형·U자형·고리형 등의 석영관이나 유리관의 양끝에 전극을 설치하고, 수십이나 수백 토르(1torr는 133Pa의 압력)의 크세논가스가 봉입되어 있다. 콘덴서에 축적된 에너지를 순간적으로 방전할 수 있고, 사진촬영·항공기유도등·레이저들뜸광원 등에 쓰이며 카메라에 부속시켜서 촬영용 스트로보광원으로 사용된다.

  제 품

1. 대표적으로 오스람(Osram)과 우시오(Ushio) 사에서 생산하고 있다.

2. 두 회사의 제품은 같은 규격과 출력이라고 하더라도 다른 전기적 특성을 가진다. 이는 전극 사이의 거리같은 제원사항이 차이가 남에 따라 전압이나 전력같은 전기적 특성에 차이가 생기기 때문이다. 따라서 각각의 램프에 맞는 회로가 필요하며 램프의 교환시 주의해야 한다.