무전극램프 (Induction Lamp / Electrodeless Lamp)

 

무전극램프 (Induction Lamp / Electrodeless Lamp)

 

 

 

무전극 램프는 무전극 방전(discharge)을 이용하는 램프로서 비교적 신 광원으로 인식되고 있는 램프이다.

 

발광이론과 램프의 종류는 다음과 같다.

 

 

기체방전관에 교류전압을 인가하는 경우 기체의 압력과 종류에 따라 다르지만 일반적으로 수십 kHz 이하의 주파수에서는 방전기구가 근본적으로 직류방전의 그것과 같다고 볼 수 있다.

 

 

즉 직류방전의 경우, 글로방전의 감마효과에 의한 음극에서의 2차전자 방출이나 아크방전의 경우 열전자를 방출시킴으로써 방전 유지에 필요한 전자를 전극으로부터 공급받아 플라스마 내에서 재결합에 의해 소멸되는 전자를 보충하는 것이다. 물론 주파수가 증가하면 방전관 중에 남아 있는 이온이 전계의 변화를 따라가지 못해 방전개시전압이 상승하고 경우에 따라서는 직류방전의 수 배에 달하기도 한다.

 

 

그러나 MHz 이상의 보다 높은 주파수 영역에서는 교류전계에 의한 전자의 왕복운동이 충돌전리를 빈번하게 일으켜 쉽게 방전을 유지할 수 있게 된다.

 

 

이 경우 방전개시전압은 낮아지고 전극이 필요 없는 무전극방전이 가능해진다.

 

 

이러한 고주파 무전극방전(RF discharge)의 특징은 안정하고 동시에 공간적으로 균일한 플라스마를 얻을 수 있으며, 특히 전극재료 등의 불순물 혼입을 막을 수 있는 장점이 있다.

 

 

다만 전원과 플라스마 사이의 결합이 전극을 사용하는 경우에 비해 비효율적인 단점이 있다.

 

 

플라스마에 RF전력을 공급하는 방식에 따라 용량적 결합 방전과 유도적 결합 방전이 있다. 용량결합방전(capacitively coupled discharge)은 방전관을 둘러싸는 평행판 전극 사이에 RF전원을 가할 때 전극사이에서 형성되는 전계에 의해 방전관 내부의 기체가 전리되고 방전이 유지되는 경우이다.

 

E-방전이라고도 하며, 후술하는 유도적 결합방전에 비해 사용주파수가 높다.

저밀도의 글로방전에 해당하며 방전 중의 플라스마는 주로 기능성 박막이나 반도체 미세 패턴을 만드는데 사용된다.

 

무전극램프의 발광 원리

 

유도결합방전(inductively coupled discharge, ICD)은 방전관 주위에 코일을 감아 RF 전류를 흘리면 축방향의 교번자계가 형성되고 이것에 의해 방전관 내부의 플라스마에 환형의 전류가 유도되어 에너지가 전달되는 방식으로 H-방전이라고도 한다.

 

이 H-방전에 의해 발생되는 플라스마는 E-방전이 글로방전에 가까운 것에 비해, 보다 고밀도의 아크와 비슷한 성질을 가지며 유도아크 또는 유도플라스마(inductively coupled plasma; ICP)라고 부르기도 한다.

 

H-방전의 최대 장점은 전극재료로부터의 오염이 없을 뿐 아니라 사용가스에 따라 산화, 환원 및 부식성의 분위기를 자유롭게 만들어 줄 수 있다는 데 있다.

 

이 때문에 플라스마 화학을 이용한 고순도 물질의 합성 및 처리에 요구되는 청정 플라스마의 발생에 적합하며, 고온의 화학반응을 통한 신물질, 신소재의 합성 등에 효과적으로 이용될 수 있다.

 

한편, 마이크로파와 같은 초고주파를 사용하여도 무전극 방전을 이룰 수 있다.

 

일반적인 마이크로파 방전의 조건(E=200V/cm, f=2.5GHz)에서, 전자가 중성원자와 충돌할 때 잃는 에너지는 아주 작지만, 이 충돌에 의해 전자의 조화운동과 전자가 전계의 방향이 바뀌는 다음 반주기 동안에도 계속 에너지를 흡수하게 되어 전자들 중 일부는 중성원자를 전리하기에 충분한 에너지를 확보하게 된다. 따라서 기체의 압력이 어느 정도 적당하면 전자와 중성원자 사이의 충돌빈도가 높아져 오히려 에너지흡수가 효과적으로 늘어난다.

 

그렇지만 압력이 너무 높아지면 탄성충돌에 의한 에너지 손실 증가와 함께 전자와 이온의 확산에 의한 소멸이 더욱 가속되어 더 큰 절연파괴강도를 필요로 한다.

 

일반적으로 램프는 전공 상태의 램프 내부에 전극을 설치하여 점등하는 방법을 널리 채택하고 있다. 그러나 전극을 장착한 종래의 램프의 경우에는 점등하기가 쉬우나 진공 상태인 전구 내부에 전극이 노출되어 있으므로 전극손상이 급속히 진행되며 그 결과 전구 수명이 단축되는 단점이 있다. 이에 반하여 무전극 램프는 전구 내부에 전극이 없는 대신 외부 코 일의 초고주파 방전으로 전구 안의 형광물질이 발광하기 때문에 전구 수명이 무려 10만 시간으로 현재까지 상용화된 광원 중에서 가장 오래간다.

 

무전극 램프는 특수전구와 초고주파 방전을 일으키는 안정기를 합쳐 개당 설치비가 30만~50 만원으로 대단히 비싼 편이다.

 

그러나 평균수명이 1만 시간도 못 되는 형광등과 나트륨 등, 메탈등에 비해 교체 비용이 들지 않고 에너지 효율도 높아 장기적 관점에서는 오히려 경제성이 높다.