본 연구에서는 광원의 색온도와 연색성의 차이에 의한 밝음의 느낌과 조도와의 관계를 밝히기 위하여 이종 램프간, 또한 동종 램프 간의 비교 실험을 시각 대상물로 흑백 인쇄문자지와 색상지를 사용하여 수행하였다. 현재 널리 사용되고 있는 백열전구, 형광램프, 고압 나트륨램프, 메탈핼라이드램프, 무전극 방전램프를 대상으로 실험을 수행하여, 램프 간 실험 결과의 통계처리 결과, 백열전구와 무전극 방전램프, 주광색 형광램프와 무전극 방전램프, 고압 나트륨램프와 무전극 방전램프, 메탈핼라이드램프와 무전극 방전램프는 유의수준 5[%] 이내에서 결과에 분명한 차이가 있음이 밝혀졌다.
무전극 형광 램프에서 플라즈마 생성이 용이한 유도 결합형 플라즈마가 많이 사용되는데, 코일의 권선수나 주파수에 의해 전기적 특성의 변화가 크다. 따라서, 기존의 환형 무전극 형광 램프에 사용되는 ferrite core나 coil을 새롭게 적용하기 위하여 투자율이 2000인 Mn-Zn ferrite를 사용하여 주파수와 coil의 권선수를 변화시켜 전기적 특성을 측정하여 기존의 환형 무전극 형광램프와 비교·검토하였다.
조명에 사용되는 광원은 여러 가지가 있다. 백열등, 텅스텐 할로겐 램프, 형광등, 고압 나트륨등, 메탈핼라이드 램프, 고압 방전 램프, 등등 각 가지가 사용되고 있다. 각종 램프들의 성능이 꾸준히 개선되고 새로운 형태의 램프에 비하여 괄목하게 우수한 새로운 광원은 초고주파 방전을 이용한 무전극 방전등이 최근 각광을 받고 있다. 초고주파 방전에 의한 광원 기술은 전극을 사용하지 않기 때문에 조명 램프로서 많은 이점을 갖고 있으며, 따라서 그에 관한 연구개발이 오랫동안 추진되어 왔다. 특히 1990년대 초에 출현한 초고주파 방전에 의한 무전극 황전등은 조명 기술 분야에 새로운 획을 긋는 사건으로 많은 기대를 주었다. 최근에 한편으로는 제 2세대 kW-급 무전극 황전등의 출현이 예고되어 있고, 다른 한편으로는 100-W 급의 저출력 무전극 방전등이 개발되어 조명 뿐 만 아니라, 프로젝션 디스플레이, HDTV 등등, 첨단 정보표시 광원으로도 각광을 받고 있다. 본 논문은 초고주파 방전에 의한 광원 기술을 가능성을 보이는 저출력 신광원의 원리 및 응용에 관하여 논의하고, 앞으로 이 분야 산업 기술 전망을 조감해 본다.
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.
마이크로파와 같은 초고주파를 이용한 방전은 여러 분야에서 응용되고 있으며, 초고주파 고강도 방전 기술은 무전극 HID 램프의 기본 되는 기술이다. 특히 소형화된 마이크로파 방전 HID 램프는 그 응용이 광범위 할 것이다. 본 논문에서는 자기장 해석 시뮬레이터를 사용하여 유전체 도파관의 크기를 결정하고, 본 연구실에서 개발한 소형화 고휘도 무전극 HID 램프의 조건에 맞는 parameter를 이용하여 방전 시스템을 설계하였으며, 유전체 도파관에서의 화합물에 따른 무전극 HID 램프의 광학적 특성(스펙트럼, 휘도, 상관색온도, 연색성지수)에 관한 실험결과를 보고하다.
무전극 형광램프의 출력선 연장은 무전극 램프가 가지는 장수명 등의 이점을 최대화할 수 있는 방안이 된다. 하지만 이를 위해서는 연장에 따라 발생하는 요인들 -공진주파수의 변경, 온도변화에 따른 안정성 등을 고려하여 인버터의 설계가 이루어져야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 ENDURA 150W 인버터의 출력선을 25m 연장하기 위해서 출력선을 고려한 공진 주파수를 설정하였고 온도변화에 따른 대책들을 제시하였다.
본 논문에서는 능동역률보상(PFC)의 구조를 가진 SEPIC 컨버터를 이용한 무전극 형광램프(electrodeless fluorescent lamps)용 전자식 안정기를 제안하였다. SEPIC 컨버터는 입력 전류의 낮은 고조파와 고역률의 특성을 가진다. 제안된 제어방법으로는 UC3854의 적분회로를 이용한 것으로 이 기술은 전류연속모드로 동작하는 역률보상 및 과전류보호를 제공하는 매우 간단한 제어 회로이다. 제안된 무전극 형광램프용 전자식 안정기는 3개의 무전극 형광램프용으로 설계되어 기존의 무전극 형광램프용 전자식 안정기보다 에너지 및 제작비 절약 효과가 크다. 제안된 안정기의 특성을 측정하기 위해 실험을 실시하였으며 이를 통해 고역률과 낮은 THD를 확인하였다.
장수명, 고효율의 광원 개발이 중요한 만큼 조명기구의 개발 또한 중요하다. 무전극 램프에 적용할 수 있는 설계 법을 기본으로 램프 취부 방식의 변경, 반사갓 구조의 변형 등을 통해 새로이 개발된 200W급 무전극 형광램프 전용의 반사갓을 설계하였다. 사이즈를 최소화하여 비교적 콤팩트한 반사갓을 설계하였고, 둥근형, 전구형 램프의 적용범위에 맞는 배광을 만족시킬 수 있는 다양한 조명기구의 개발이 가능하다는 것을 다시 한 번 입증하였다.
무전극 형광램프는 발광하는 부분의 사이즈가 크고 광원의 특성상 점광원으로 볼 수 없기 때문에 효율적인 광학기구를 설계하기 어렵다. 특히 반사판 설계시 반사광이 램프로 재흡수 되는 것을 고려하여야 한다. 본 논문은 무전극 형광램프에 대하여 반사광이 램프로 재흡수 되는 것을 막고 효율을 높이며 목표배광에 맞출 수 있는 2차원 축대칭형 반사판 설계법을 제시하였다. 그리고 이 설계법의 문제점과 해결방법에 대하여 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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