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할로겐 램프
할로겐 램프(halogen lamp)는 백열전구의 한 종류로서, 유리구 안에 할로겐 물질을 주입하여 텅스텐의 증발을 더욱 억제한 램프이다. 백열전구에 비해 더 밝고 환한 빛을 내면서도 수명이 오래 가며 크기도 작고 가벼워 자동차 전조등, 무대 조명, 인테리어 조명의 광원으로 많이 사용된다.
진공 상태의 유리구 안에 할로겐 물질을 주입시켜 전구의 수명을 길게 하고 효율을 개선한 것이다. 백열전구의 경우 텅스텐 필라멘트의 증발을 억제하기 위해 유리구 안에 아르곤과 질소의 혼합 가스를 주입하였으나, 할로젠 램프는 브로민이나 아이오딘 등의 할로젠 원소를 주입하여 텅스텐 필라멘트의 증발을 한층 더 억제하였다.
유리구 안에 주입된 할로젠 원소는 필라멘트의 소재인 텅스텐 증발 원자와 반응하여 결합하고, 이 결합된 물질은 유리구 안을 떠다니다가 필라멘트에 부딪히면서 그 열로 인해 다시 분해된다. 이때 텅스텐 원자는 필라멘트와 결합해 원래의 자리로 되돌아오고, 할로젠 원소는 또다시 텅스텐 증발 원자와 반응한다.
이런 과정을 반복하면서 필라멘트를 재생시키기 때문에 할로젠 램프는 백열전구에 비해 더 높은 온도에도 필라멘트가 견딜 수 있고, 이로 인해 더 밝고 환한 빛을 내면서도 수명이 오래 가게 된다.
일반 백열전구에 비해 수명은 2∼3배이다. 또 백열전구에서 종종 나타나는 유리구 내벽의 흑화현상(黑化現想)이 발생하지 않아 광속 저하가 7％ 정도에 불과하다. 또한 전력 소모가 적고 자연광처럼 색을 선명하게 재현시킬 수 있다. 백열전구에 비해 1/20 정도로 크기가 작고 가벼워 자동차 전조등용으로 쓰였으나, 최근에는 비행장의 활주로 매입등, 무대 조명, 백화점·미술관·상점 등의 스포트라이트용과 인테리어 조명의 광원으로 많이 사용된다.
할로겐 헤드램프
할로겐 램프는 텅스텐 필라멘트를 고정하고 할로겐 가스를 관 안에 주입해 빛을 내는 전등이다, 일반적으로 가장 많이 사용되는 램프라고 할 수 있다. 할로겐 램프 H1, H2 와 같이 H 뒤에 숫자가 붙은 형태를 많이 보았을 텐데, 헤드라이트의 명칭, 광량, 기능의 발전에 따라 H 뒤에 다른 숫자들을 붙이는 방식으로 변화되어왔다.
H1은 전조등 및 안개등으로, H3은 안개등으로 많이 사용되고 있다. 자동차의 전조등으로는 H4와 H7이 많이 쓰이는데요. H4는 상향등, 하향등이 같이 되는 전구로 H7에 비해선 크기가 더 크고, 또 전구의 발이 H4는 3개, H7는 2개로 생김새만 봐도 차이를 보인다.
요즘은 주로 경차에서나 볼 수 있는 헤드램프이다. 그러나 가격표의 '외관' 항목에는 별도로 표기하지 않는다. 요즘 채택되는 헤드램프 중에서는 가장 기본 사양이기 때문이다. 할로겐 헤드램프는 위의 이미지처럼 밖에서도 전구가 쉽게 보이는 형태이다. 전구 속에는 할로겐 가스가 채워져 있고, 필라멘트에 전기가 흐른다. 그래서 흔히 '할로겐 벌브'라고도 부른다. 전구에서 나온 빛은 안쪽 반사판에 도움으로 한곳을 바라보며 뻗어나간다. 구조적 특성상 램프의 조사각 범위가 좁다. 반사판 전체를 움직여야 하기 때문이다. 또한, 전구의 위치에 따라 헤드램프의 성능도 크게 달라지는 단점이 있다.
역사
1882년 전구 내부 표면을 어둡게 하는 것을 막기 위해 염소를 이용한 탄소 필라멘트 전구가 특허를 받았으며, 1892년 염소를 채운 "노박(NoVak)" 전구가 시판되었다.아이오딘의 사용은 1933년 특허에서 제안되었는데, 이것 또한 텅스텐이 필라멘트에 다시 주기적으로 재증착 되는 것을 반복적으로 재분해되는 것을 설명하였다. 1959년 제너럴 일렉트릭은 아이오딘를 이용한 실용적인 전구에 대한 특허를 받았다.
퇴출
2009년에 EU와 다른 유럽 국가들은 비효율적인 전구의 단계적 퇴출을 시작했다. 지향성 주전압 할로젠 전구의 생산과 수입은 2016년 9월 1일에 금지되었고, 무지향성 할로젠 전구는 2018년 9링크 제목월 1일에 이어졌다. 오스트레일리아는 2020년 9월부터 할로젠 전구를 금지한다.
이용
할로겐 전조등은 많은 자동차에서 사용된다. 야외 조명 시스템뿐만 아니라 선박용 할로겐 투광 조명도 상업용과 레크리에이션용으로 제작된다.
텅스텐 할로겐 램프는 적외선 분광기에서 근적외선 광원으로 자주 사용된다.
할로겐 램프는 1999년부터 2006년까지 타임스 스퀘어 볼에 사용되었다. 그러나 2007년부터는 백열등보다 LED 수명이 약 10배 길어져 할로젠 램프를 LED로 교체했다.타임스 스퀘어 볼이 베이스에 도달하면 점등되는 ' 새해 숫자는 2009년 볼 드롭에서 마지막으로 할로젠 조명을 사용했다.
일반 조명
LED의 개선으로 할로젠등을 대체하고 있지만, 실내 및 실외 투광 조명에 고정형 등이 사용된다. 다면 반사체가 내장된 원형등은 주거용 및 상업용 조명에 널리 사용된다. 관 모양 할로젠등은 작은 광원에서 많은 양의 빛을 공급하기 때문에 건축 조명 효과와 실외에서 넓은 영역 조명을 위한 강력한 투광 조명등을 생산·사용할 수 있다.
저전압등은 GU5.3 및 유사한 바이핀 베이스(bi-pin base)를 사용하는 반면, 주전압등은 일반 주전원 텅스텐 필라멘트등 또는 특수 GU10/GZ10 베이스와 동일한 캡을 사용한다.
각 단부에 전기 접점이 있는 관 모양의 등은 현재 독립형 조명과 가정용 설비에 사용되고 있다. 다양한 길이와 정격 전력(50~300 W)으로 제공된다. 250 또는 500 W의 전구를 가진 보다 강한 조명은 휴대용 작업등으로 사용된다.
극장 조명
텅스텐 할로젠등은 일립소이달 리플렉터 스포트라이트, 소스 4, 프레넬 등 대부분의 극장 및 스튜디오(영화 및 텔레비전) 설비에 사용된다. PAR 램프 또한 대부분 텅스텐 할로젠이다.
전문 조명
프로젝션 램프는 가정과 소규모 사무실 또는 학교용 영화 및 슬라이드 프로젝터에 사용된다. 소형 크기의 할로젠등은 휴대용 프로젝터에 적당한 크기에 잘 맞지만, 필름의 용융을 방지하기 위해 조명과 필름 사이에 열 흡수 필터를 배치해야 한다. 할로젠등은 때때로 검사등과 현미경 단계 조명기에 사용된다. 초기 평면 LCD 백라이트에는 할로젠등이 사용됐지만 지금은 다른 종류의 조명이 사용된다.
할로겐 램프를 사용하는 전조등 시스템
전조등의 특성은 반사경의 형상과 광원의 위치, 그리고 렌즈 내면 굴절요소의 형상 등에 따라 결정된다.
반사경은 광원(＝전구)의 광속을 집속한 다음, 이를 반사하여 규정된 각도로, 규정된 거리까지, 규정된 광도로 조명할 수 있어야 한다. 그리고 반사경은 광원(＝전구)을 지지한다.
반사경의 형태는 다양하다. 그러나 크게 3가지로 분류할 수 있다.
- 포물선형(paraboloid form) 반사경
- 타원형(ellipsoid form) 반사경
- 자유형(free form) 반사경
포물선형(paraboloid form) 반사경을 사용하는 전조등 시스템
포물선형 반사경은 반사경의 형체가 포물선을 기본으로 하는 반사경이다. 광원의 위치에 따라 광학적 특성이 결정된다. 전구로는 2개의 필라멘트 코일이 설치된 할로겐 전구(H4)를 주로 사용한다.
반사경의 초점에 광원이 설치되면 반사경으로부터 반사되는 빛은 직진한다.(아래 그림(a)초점거리＝광원위치)
광원이 반사경의 초점보다 앞에 위치하면 반사경으로부터 반사되는 빛은 반사경 중심축선으로 모이게 된다.(아래 그림(b) 초점거리＜광원위치)
광원이 반사경의 초점보다 위에 위치하면 대부분의 광속은 하향한다.(아래 그림(c) 초점보다 광원이 위에)
- 포물선형 반사경의 초점과 광원의 상대 위치와 반사광의 방향
- ① 상향전조등
(위 그림(a) 초점거리=광원위치, 아래 그림 (a) 상향전조등 참조) 반사경의 초점에 광원을 설치하여, 반사경으로부터 반사되는 빛이 직진하게 한다. 따라서 조명방향을 조정하기 위해서는 전조등 자체의 설치각도를 조정해야 한다.
상향전조등은 빛이 반사경축(주 광축)에 평행하게 반사되어, 한 방향으로 집중되도록 함으로써 광도는 반사경이 없는 전구에 비해 약 1,000배 정도 증가한다. 또 렌즈(lens: Streuscheibe)의 안쪽 면을 특수형상으로 가공하여 빛이 한쪽으로, 그러면서도 하향하도록 한다. 이와 같은 방법으로 자동차의 전방 노면을 직접적으로 충분히 조명함과 동시에, 대향운전자의 시각장애요인을 최소화시킨다.
- ② 하향전조등 → 차광 캡 식
하향전조등 필라멘트가 반사경 초점의 전방에 설치되면 반사경으로부터 반사되는 광속이 반사경축을 통과하게 된다. 따라서 반사경의 하부에서 반사되는 광속의 일부는 상향된다. 이 상향되는 광속을 차단하기 위해 필라멘트 하부에 차광 캡을 설치한다. 즉, 차광 캡은 하향 필라멘트로부터 발산되는 광속이 반사경의 하부 1/2은 조명하지 않도록 하여, 빛이 상향되는 것을 방지한다.
- 포물선 반사경식 전조등 시스템에서의 조명방향
또 광축을 중심으로 왼쪽은 수평으로, 오른쪽은 약 15° 정도 위쪽까지 조명하기 위해 그림 8-19(a)와 같이 차광 캡의 한쪽을 약간 절단하고, 또 렌즈의 일정구역에 특수한 굴절요소를 가공한다. 이렇게 하면 그림 8-19(b)와 같은 비대칭 조명이 얻어진다. - 명암경계 또는 컷오프(cut-off)선
- 차량이 좌측통행하는 국가(예
- 영국)에서는 컷오프 선이 아래 그림(b)와는 반대이다.
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다초점(multi-focus) 반사경을 사용한 전조등 시스템
오른쪽 그림과 같이 반사경의 표면이 초점거리가 각기 다른 다수의 포물선 형태의 부분반사경을 조합한 형식이다. 전방 노면의 조명도와 광효율이 우수하다.
타원형(ellipsoid form) 반사경을 사용한 전조등 시스템
타원형 반사경의 기본형체는 타원을 그 장축을 중심으로 회전시킨 것과 같은 형상이다. 이때 회전축은 광학적 중심축이 된다.
타원형 반사경에는 왼쪽 그림 (a)와 같이 2개의 초점이 있다. 초점 1에 광원(＝전구)이 설치되고, 초점 2를 지나서 집광렌즈가 설치된다. 이 형식의 반사경은 싱글-필라멘트식(single filament) 하향전조등 또는 안개등에 적합하다. 그러나 상/하향 전조등 겸용으로 사용할 수 있도록 개발되고 있다.
이 형식의 전조등은 환등기 원리를 응용한 시스템으로, 광원, 타원형 반사경, 셔터(shutter), 집광렌즈. 광학 스크린(optical screen) 등으로 구성된다.
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타원형 전조등은 포물선형 전조등에 비해 다음과 같은 장점이 있다.
- ① 크기가 작다.(소형)
- ② 멀리까지 조명할 수 있다.
- ③ 노면에 대한 광분포가 이상적이다.
- ④ 전조등의 효율이 높다.
왼쪽 위 그림 (b)에서 초점 F1에 싱글 필라멘트 할로겐램프를 설치한다. F1로부터 방사되는 광속(＝빛의 다발)은 반사경에 의해 초점 F2에 집속되어 F2로부터 집광렌즈에 조사된다. 집광렌즈는 거의 대부분의 빛의 다발을 평행하게 만든다.
전구와 집광렌즈 사이에 설치된 셔터(shutter)는, 하향전조등의 전방 컷오프 선을 명확하게 하는 기능을 한다. 그리고 가장 바깥쪽에 위치한 광학 스크린(optical screen)은 빛을 균등하게 분배하는 기능을 한다. 타원형 반사경은 포물선형 반사경에 비해 광효율이 더 우수하다.
다축 타원형 반사경을 사용한 전조등 시스템
이 반사경의 기본형태는 공통의 정점(apex)과 공통의 주축(main axis) 그리고 별개의 부축(minor axis)을 가진 2개의 타원형에 의해 만들어진다. 제작사 상표명으로는 DE-반사경(tripple axis ellipsoid reflector), PES-반사경(poly ellipsoid reflector) 등이 있다.
이 형식의 전조등 시스템은 반사경, 셔터 및 집광렌즈로 구성된다. 반사경은 형상이 복잡하기 때문에 주로 플라스틱으로 성형한다. 반사경의 기하학적 구조 덕분에 광효율이 높고 반면에 분산되는 빛은 적다.
이 시스템은 주로 안개등 또는 하향전조등에 사용되며, 전구는 싱글 필라멘트 할로겐 전구 또는 가스 방전등을 사용할 수 있다.
자유형 반사경을 사용하는 전조등 시스템(Headlight system with free-form reflectors)
이 반사경은 무수히 많은 초점을 가지고 있으며, 그 형상은 아주 자유롭다. 그러나 반사경의 각 부분이 노면의 특정 부분을 조명하도록 설계되어 있다. 이 반사경의 거의 대부분의 표면으로부터 반사되는 빛은 하향하여 노면을 조명한다. 즉, 빛의 대부분을 주로 하향전조등용으로 사용할 수 있다.
제작사에 따라 FF-반사경(free form), VF-반사경(variable focus), HNS-반사경(homogeneous Numerically calculated Surface)이라고도 한다. 반사경은 제작사의 필요 또는 요구에 맞추어 설계되어 있다. 따라서 노면에 대한 배광형태는 아주 다양하다. (아래 그림 자유형 반사경-광 분포(예) 참조)
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이 시스템은 모든 형태의 전조등에 사용되며, 전구로는 싱글 필라멘트 할로겐전구 또는 가스 방전등을 사용할 수 있다. 하향전조등에 사용할 경우에는 셔터를 제거해도 무방하다. 전구로부터 발산되는 빛의 전부를 도로 조명에 이용할 수 있다. 그리고 커버렌즈의 안쪽에 굴절요소들을 생략해도 된다. 따라서 반사경 커버로는 내/외 표면이 매끈한 유리 또는 플라스틱을 사용할 수 있다.
자유형 반사경과 프로젝션-렌즈를 사용하는 전조등 시스템
반사경의 표면은 자유형 반사경기술을 이용하여, 반사경에 도달한 빛이 셔터를 거쳐 가능한 한 많이 프로젝션(projection)-렌즈를 통과하도록 설계되어 있다. 반사경은 전구로부터 방출되는 빛이 차광판 높이 위에 분포하여, 프로젝션-렌즈를 거쳐 노면을 조명하는 것을 목표로 한다. 이 반사경은 넓은 영역의 조명 및 노변의 조명을 좋게 한다. 빛은 주로 명암경계에 집중된다.
이 시스템은 주로 하향전조등에 사용되며, 전구로는 싱글 필라멘트 할로겐전구 또는 가스 방전등을 사용할 수 있다.
동영상
참고자료
- 〈할로젠등〉, 《위키백과》
- 〈할로젠램프〉, 《두산백과》
- 〈할로겐(할로젠) 램프를 사용하는 전조등 시스템〉, 《첨단자동차전기전자》
- 남영이, 〈자동차 전조등(할로겐, HID, LED)종류 알아보기〉, 《네이버 블로그》, 2018-03-20
- CarLamp, 〈할로겐/HID/LED + 레이저에 대해서 알아보자!〉, 《네이버 블로그》, 2015-02-13
같이 보기
