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형광등
형광등(螢光燈, Fluorescent lamp)은 진공 유리관 속에 수은과 아르곤을 넣고 안쪽 벽에 형광 물질을 바른 방전등을 말한다.
개요[편집]
형광등(문화어: 반디빛등)은 수은 증기의 방전으로 발생하는 자외선을 형광 물질에 의해 가시광선으로 바꾸어 빛을 내는 조명 장치다. 실내 조명으로 널리 사용되고 있다. 또한, 기체 발광 등으로서, 유리관의 내벽에 형광 물질이 발려져 있고, 수 mmHg의 낮은 압력에 아르곤과 소량의 수은 증기를 넣는다. 양 끝의 금속 부분에는 전극 필라멘트가 달려 있다. 이 필라멘트를 예열하여 양극 간에 방전(放電)이 일어나면, 수은 분자는 격렬하게 충돌하여 자외선을 방출한다. 이 자외선이 관벽의 형광체에 흡수되어 가시광선이 방출된다. 형광등에 사용되는 형광체에는 텅스텐산칼슘(청)·텅스텐산마그네슘(청백)·규산 아연(녹)·규산 아연 베릴륨(황)·염화 인산 카드뮴(오렌지색)·규산 카드뮴(담홍색) 등 여러 가지 색조가 있으나 실제로는 이를 조합하여 사용한다.[1][2]
역사[편집]
1938년 제너럴 일렉트릭사에서 최초의 형광등이 개발, 그리고 상용화 되면서 일상 조명에 백열등과 같이 형광등을 쓰게 되었다. 형광등의 등장은 기존 전구에 비해 압도적으로 높은 효율을 가짐을 물론, 비교적 높은 색온도(4000K 이상)의 빛을 비출 수 있게 되었다. 가정용으로 흰색 빛을 비추게 된 건 형광등이 나오고 난 이후부터다.
2000년대 이후 LED의 등장 이후로도 한동안은 대중적으로 널리 쓰였다. 초창기 LED는 가격도 비싸고 그렇다고 해서 효율이 아주 월등한 것은 아니었다. 그런데 이것조차 기술의 발전으로 LED의 단가가 내려가 양산화되고, LED 사용을 적극 권장하는 사회가 도래하면서 형광등의 입지가 위협받기 시작했다. 거기다가 환경 문제도 겹쳐 퇴출이 거론되면서 서서히 형광등의 시대도 막을 내리고 있다.
2013년 국제수은협약(일명 미나마타 협약)을 비준한 84국에서 수은이 쓰인 형광등, 수은혈압계 등을 2020년까지 생산 중단하기로 함에 따라 2020년에 형광등이 퇴출당할 예정이라는 기사들이 올라왔지만, 이는 조약 내용을 오해한 것이다. 30W 이하의 컴팩트 형광등 중 수은이 기준치 이상으로 많은 것만 금지한다는 것으로 유럽에서 팔리고 있는 것들은 다 기준을 충족한다. 대한민국도 관련 법인 잔류성유기오염물질 관리법이 개정되어 시행 중인데 형광등은 금지기준을 넘지 않는다.
정부는 형광등의 최저소비효율 기준을 단계적으로 상향하는 고시 개정안을 행정예고했다. 이 기준에 미달하는 형광등은 2028년부터 국내 제조와 수입이 금지되는데, 이 기준을 기술적 한계치까지 올릴 예정이라 사실상 2028년부터 퇴출될 예정이다. 단, 의료용, 식물재배용, 해충퇴치용, 광고용 등 특수용도 형광등은 퇴출 대상에서 제외되며 2027년까지 생산·수입된 형광등은 2028년 이후에도 판매할 수 있다. 2016년 기준 전체 조명에서 형광등이 차지하는 비율은 66.9%이었으나 2018년엔 42.2%로 줄었다. 형광등 판매량은 2016년 6,700만개에서 2021년 2,200만개로 감소하였다.[2]
구조와 원리[편집]
길쭉한 관 양쪽에 필라멘트 전극을 연결하고 관 속에는 불활성의 아르곤 가스와 수은 증기를 집어넣는다. 그리고 관의 내부 표면에는 형광 물질을 발라 놓는다. 형광등은 방전관이므로 높은 전압을 양쪽 전극에 가하면 플라즈마 방전을 하고 관의 수은원자가 여기하여 자외선이 나오고 그 자외선이 관의 내부 표면에 바른 형광 물질에 닿으면 발광하여 밝은 가시 광선이 생긴다. 즉 가로등으로 쓰이는 수은등과 발광원리는 같다.
하지만 켜지지 않은 상태에서 220V 정도의 전압을 가한다고 긴 관에서 플라즈마 방전을 시작할 수 없으므로 방전을 시작시키기 위해 안정기(ballast)와 스타터를 쓴다. 전원을 넣으면 스타터 전구가 연결된 상태로 형광등 양쪽 전극의 필라멘트에 전류가 흐르며 백열전구와 같이 가열되면 고열로 열전자가 나와 방전이 일어나기 쉬운 상태가 된다. 이때 스타터 전구가 열로 뜨거워져 바이메탈이 작동해 필라멘트 전류가 끊어지면 안정기의 코일의 리액턴스 자기장으로 인해 순간적으로 고전압이 발생한다. 마치 물이 흐르던 수도꼭지를 갑자기 잠그면 파이프 속을 흐르던 물의 관성으로 해머링 현상이 나는 것과 같은 원리. 이런 순간적인 고압으로 형광등 관속의 절연이 깨어지고 방전이 시작된다. 한번 방전이 시작되면 계속 전류가 흘러 고온의 플라즈마가 유지되고 방전관의 임피던스가 낮아져서 전류가 계속 흐르고 필라멘트의 온도도 전자의 충돌로 유지되어 방전을 계속할 수 있다.
그런데 이런 플라즈마 방전관은 일단 방전을 시작하면 임피던스가 크게 낮아지므로 과전류가 흐를 수 있다. 그래서 그런 전류의 양을 제한하기 위해 안정기를 쓴다. 안정기는 철심이 든 코일로 코일의 자기장의 리엑턴스로 교류를 제한하는 임피던스로 작용해 전류를 제한한다. 즉 안정기는 스타터전구와 함께 형광등을 켜는 데 필요한 고압도 만들고 켜졌을 때 형광등의 전류도 제한하는 두 가지 역할을 한다. 이런 플라즈마 속에 전자가 수은 원자에 충돌하여 자외선이 생기고, 이 과정에서 나오는 자외선 또한 미세하게 방사되기 때문에 햇빛과 비교할 정도는 아니지만 형광등을 켜 놓은 실내에서도 매우 오랜시간 동안 방치해 놓은 책이나 종이는 표면이 바랜다. 다만 자외선만 그런 게 아니라 자외선과 가까운 청색도 약하지만 영향이 있다.[2]
특징[편집]
백열등보다 발광 효율이 높고 수명이 길다. 백열전구는 5%가 빛을 내고 나머지 95%가 열로 손실되어 효율이 매우 나쁜데, 형광등은 25%가 빛을 내고 75%가 열로 손실된다.
다만 자주 켜고 끄면 전기를 상대적으로 많이 먹기 때문에 주로 오래 켜 놓는 곳에 사용한다고 하는데, 이 전력량에 대해선 왈가왈부가 있는 편이다. 어떤 사람은 몇 십 분이나 2시간 켠 것과 같다는 말도 하는데, 형광등을 처음 켜는 데 드는 전압이 크긴 해도 시간이 정말 짧기 때문에 실제론 형광등이 켜진 후 5초 정도의 시간에 해당하는 전력만 소모한다고 한다. 위의 속설이 퍼진 이유는 바이메탈 스타트램프와 커다란 자기식안정기를 쓰는 옛날 구형 형광등은 한번 켜는 데 오래 걸렸을 뿐만 아니라, 실제 많은 전력을 소모했기 때문으로 보인다. 또 방전을 시작하기 쉽도록 백열전구처럼 필라멘트를 가열하는데 자꾸 켜면 이 필라멘트의 수명을 소모해서 형광등의 사용수명이 짧아진다. 이런 스타트램프를 사용하는 과거의 형광등은 스위치를 켜면 몇 초 정도 반짝 반짝 하더니 천천히 켜지곤 했다. 수명이 다 되어갈 경우는 이 과정이 오래 걸리거나 심지어 계속 반짝거리기도 했다. 이런 모습을 호러 영화 등에서도 적절히 사용하기도 했다. 이런 형광등의 모습을 사람에게 비유해 '이해력이 남보다 한박자 느리다'는 뜻의 형광등 같다라는 속어가 나왔다. KY의 역어로 쓰이기도 한다.
하지만 이것도 2000년대 초반까지 많이 사용된 기계식 또는 자기식 안정기와 바이메탈 스타트램프의 이야기이고, 요즘 주로 사용되는 전자식 안정기일 경우 플래싱 하는 점등시간이 없이 즉각 켜지며 ON/OFF시 전력 차이도 거의 없다. 그러니 잠시라도 쓰지 않으면 불을 꺼두는 습관을 들이자. 사용하던 등기구가 노후화 되었다면, 등기구를 분해해서 안정기만 전자식으로 바꿔보자. 바로 켜진다. 그래도 클러커 현상이라고 불리는 속도지연현상은 어쩔 수 없다. 형광등을 끈 뒤에도 아직 빛이 남은 형광물질이 있는 것을 발견할 수 있으니 말이다. 형광등의 수명이 다해가는 건 형광등 양 끝의 필라멘트가 소모되어 가늘어지기 때문으로 필라멘트가 가늘어질수록 저항값은 증가하며 결국 끊어지게 된다. 특히, 형광등은 점등할 때 전극을 가열하여 시동하는 방식이라 자주 껐다 켰다하면 필라멘트 부분이 더 빨리 소모된다. 그래서 공업기술이 부족할 당시의 형광등은 자주 껐다 켜면 수명이 짧아질 수 있었다.
이런 현상은 스퍼터링(sputtering)이라고 하는데 고온 상태인 필라멘트가 저압상태인 유리관 속에서 쉽게 승화하고 이것이 유리관 안쪽에 증착되는 현상이다. 이런 승화된 금속원자는 발광효율을 떨어뜨리므로 적절한것으로 모아 관내 기체에서 제거한다. 오래된 형광등의 양 끝이 검어지는 것은 게터에 금속이 모여 축적된 것이며 관내에 불활성인 아르곤을 넣는 것도 관내 기압을 유지해 진공으로 인한 스퍼터링을 억제하기 위한 것이다. 또 형광등의 형광물질도 오래 발광하면 발광효율이 점차 떨어져서 같은 전력으로도 처음보다 점차 어두워진다. 조명의 효율과 밝기를 유지하기위해 굳이 필라멘트가 끊어지지 않더라도 적절한 시기에 교체해 주는 것이 좋다.
형광등이 실내용 조명으로 각광받는 것은 전력 소비가 적으면서도 넓은 면적에서 고르게 발광하는 특성 때문이다. 대부분의 조명이 필라멘트 한군데로부터 강렬한 빛을 뿜기 때문에 일부러 전구를 허옇게 칠하는 등 빛을 확산시키기 위한 추가 광학계를 필요로 한다. 근데 형광등은 길쭉하게 만들 수 있기도 하고 모든 표면에서 고르게 빛을 내뿜으니 그만큼 인테리어가 간단해지는 것. 삼파장 전구 같이 광 특성을 개선하여 좀 더 자연스런 빛을 내는 형광등도 시장에 나오고 있다.
또 장미전구나 삼파장 전구 같은 백열전구형 형광등도 나오고 있는데 이는 형광등의 관을 가늘게 하서 방전 효율과 세기를 높이고 관을 구부려서 U 자형 또는 코일모양으로 만들어 긴 관을 작은 공간에 수용하고 철심코일의 자기 안정기 대신 반도체로 된 안정기를 써서 60Hz 교류 대신 일단 직류로 정류 후 다시 고주파로 변환해 고주파 전류로 구동하므로 효율도 높아지고 순간 점등이 가능하고 120Hz 의 껌벅임도 없앴다. 이런 장미전구는 최근 LED의 효율이 크게 높아지기 전까지는 LED등 보다 더 싸고 경제적이고 효율적인 조명기구 였다.[2]
모양에 따른 종류와 모델명[편집]
대한민국에서 보편적으로 많이 사용하는 형광등은 크게 3가지 종류이다. 사무실이나 가게에서 쓰는 직관형(일자형) 형광등, 방이나 거실에 많이 쓰는 FPL U 자형 컴팩트형광등, 화장실 등에 돌려끼우는 전구형 형광등(일명 삼파장램프) 이다.
직관(일자형) 형광등
사무실이나 상점, 식당 등에서 많이 쓰는 직관형(일자형) 형광등이다. 기술 진화에 따라 아래 3종류로 점차 발전되었다.
- FL(Fluorescent Lamp) : 수십년전 오리지날 형광등이며 자기식안정기와 스타트램프를 이용하여 점등시키므로, 전등을 키면 깜빡~깜빡~ 몇번하고서 켜지는 완전 구식 형광등을 말한다. 요즘에는 단종되어 보기 어렵지만 가끔 마트에 팔기도 한다. 이 FL 형광등은 반드시 FL 안정기와 함께 사용해야지 요즘 신형 FLR, FHF 타입의 전자식안정기가 달려있는 조명기구에 FL 형광등을 꼽아 쓰면 형광등 수명이 매우 짧아져서 1~2년도 못쓴다.
- FLR(Flourescent Lamp Rapid) : FL을 개선한 래피드 방식 형광등으로서 스타트램프가 필요없고 즉시 켜지는 2세대 형광등이다. 역시 요즘에는 단종되어 보기 어렵다.
- FHF(Fluorescent High Frequency : 고주파 점등 직관) : 자기식 안정기를 사용하는 FL, FLR 과 달리 전자식 안정기를 사용하며, 220V 교류를 직류로 정류한 다음 다시 고주파(20~50KHz)로 변환시켜 램프를 직접 점등시키는 타입의 형광등으로, 종래의 형광등에 비해 빛이 밝고 20% 정도의 에너지 절감이 가능한 제품이다. 즉, 깜빡꺼림없이 즉시 켜지는 요즘 대다수의 조명기구는 전자식안정기와 FHF 형광등의 조합으로 쓴다.
직관 형광등은 제품 표면에 모델명이 적혀있다. 형광등종류 - 소비전력 - 유리관직경 - 색상 - 기타규격 순이다. 형광등을 교체할 때는 기존 것의 모델명을 확인하고, 등기구의 안정기 형식과 일치하는 형광등 모델을 구매해야 5년 이상 오래 사용할 수 있다. 형광등을 교체한지 몇개월만에 다시 고장난다면 대부분의 경우는 안정기 불량이거나 안정기 수명이 다한 것이다. 형광등의 자세한 종류와 모델명 읽는 법은 형광등 종류와 모델명 읽는 법을 참고한다.
컴팩트 형광등
컴팩트 형광등이란, 직관 형광등처럼 양쪽으로 꼽는게 아니라 소켓 한쪽에만 꼽는 간단한 형광등이다. LED등기구가 아닌이상 요즘 가정집의 형광등 등기구 99%는 이런 컴팩트형광등을 사용하고 있다.
- FPL(Fluorescent P-type Lamp) : 가정집의 방이나 거실 등기구에 가장 많이 쓰는 FPL U 자형 형광등이다. 또는, 탁상용 스탠드에도 많이 사용된다. 형광등 램프가 일자형이 아니라 U형으로 구부러졌고 요즘 등기구는 거의 대부분 이 타입을 쓴다. 그냥 PL 형광등이라고도 부른다. P type이란 알파벳의 P는 그리스문자로는 파이 대문자 Π 모양을 말한다. 즉, 길다란 직선 형광등을 한번 구부린 모양을 말한다. 전용 FPL 전자식안정기가 필요하다. 접속 단자는 4핀 일렬로 있는 모양이 대부분인데 이것을 2G11 Base 소켓이라고 부른다.
- FML(Fluorescent M-type Lamp) : U형 램프를 옆으로 나란히 두개 붙여 M형으로 만든 램프. FPL은 4핀이 일렬로 되어있지만, FML은 4핀이 2x2 로 모여있는 G10 Base 소켓이다. 가끔 스탠드형 램프의 경우 기존 모델명에 FPL이라고 적혀있으면서 핀 모양은 2x2 모양이 있으므로 주의해야 한다.
- FCL(Fluorescent Circular Lamp) : 원형으로 생긴 형광등으로 옛날에 1990년대까지 많이 쓰던 형광등이다. 요즘에는 FPL 타입에 밀려서 거의 없어졌다.
- FPX, FDX, FDL : 이 전등들은 보일러실등, 창고전등 처럼 작은 공간에 쓰인다. 스타터와 콘덴서 내장형 램프이다. 핀 모양이 2핀, 4핀, 대각선 등으로 위치가 다르므로 기존 것 모양을 보고 똑같은 것을 구매하면 된다.
전구형 형광등
EL램프 또는 EFTR 램프라고 부르며 화장실, 보일러실 같은 곳에 백열전구 소켓에 돌려끼우는 짜리몽땅한 전구형 형광등이다. EL은 전자램프(Electronics Lamp)를 의미하며 정식명칭은 안정기내장형램프(self ballasted Lamp)이다.
전구형 형광등은 직선형 형광등을 가늘게 만들고 이리저리 구부린 후, 전자식 안정기를 내장시켜 전구처럼 만든 것이다. 국내 최초로 신광기업이 전구식 형광등인 장미전구를 개발하여 판매했기 때문에 장미전구라는 명칭으로도 불린다. 최초의 장미전구는 동그란 백열전구 모양이었지만, 이후 오스람이 U모양 구부린 3개짜리 램프를 만들면서 판매했기에 오스람 전구라고 부르기도 하고, 국산제품들도 오스람 따라 만들면서 삼파장램프라고 광고했기 때문에 일명 삼파장램프라고도 부른다. 교과서에는 삼파장, 혹은 오파장전구라는 이름으로 실려 있다.
U모양 램프 3개를 붙인것은 EFTR 이고, U램프 4개는 EFQR라고 부른다. 그 외 나선형 Spiral 모양도 있다. 이런 EL램프는 90년대에 초창기 출시될 때 U램프 3개짜리를 삼파장램프라고 광고해서 판매하기 시작했는데, U램프가 3개 있어서 삼파장램프가 아니라, 형광등 내부에 바르는 형광물질을 개선하여 단파장이 아닌 RGB 가시광선 삼파장의 조합을 제대로 낼 수 있는 것으로 대체함으로써 광속(광량자 양 합계) 및 연색성(물체의 색상표현력)을 대폭 개선했기때문에 삼파장 램프라고 하는 것이다.
사실 요즘에는 옛날 구형 PL형광등(깜빡깜빡 들어오는것), 박물관, 식물원, 정육점 등의 특수 형광등을 제외하고는 모든 형광등이 삼파장을 기본으로 사용하기 때문에, 굳이 EL램프만 삼파장램프라고 부를 필요는 없다. 즉, 직관형광등이나 FPL 형광등이나 모두 삼파장으로 제작한다. 소켓 베이스 규격은 전구 소켓의 지름 mm 단위인 26, 17, 14가 있다. 보통 E26이라는 일반 표준 소켓 크기에 맞춰 나오지만, 좀 더 가느다란 소켓인 E14, E17 용 등의 형광등도 나온다. E14와 E17은 무드등, 인테리어등으로 사용하기 위해 내부 가스를 크립톤가스 충전한 것이 많아서 크립톤 램프라고도 한다. 램프형 형광등은 LED 전구의 입지에 밀려 백열전구처럼 서서히 사양되는 추세이다.[2]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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