전구 필라멘트 재질: 알아야 할 내용
전구의 필라멘트는 전류가 통과할 때 빛나는 얇은 선입니다. 이는 백열전구의 주요 구성 요소로, 고온으로 가열하여 빛을 생성합니다. 필라멘트 재료는 열을 견디고 밝고 안정적인 빛을 내기 위해 특정 특성을 가져야 합니다. 이 기사에서는 다양한 전구 필라멘트 재료의 역사, 특성, 용도, 그리고 백열전구의 장단점을 탐색하겠습니다.
백열전구란?
백열전구는 금속 선을 고온으로 가열하여 빛을 내는 전기 조명입니다. 필라멘트는 산화와 증발을 방지하기 위해 진공이나 불활성 가스를 포함하는 유리 전구에 담겨 있습니다. 전구는 바닥의 두 개의 금속 접점에 의해 전원 공급장치에 연결되며, 이 접점은 필라멘트를 고정하는 두 개의 강선에 부착되어 있습니다.
백열조명의 원리는 18세기와 19세기에 많은 발명가들에 의해 발견되었습니다. 그러나 1879년 토마스 에디슨이 처음으로 실용적이고 상업적으로 성공한 백열전구를 개발했습니다. 그는 약 1200시간 동안 지속되는 탄화된 대나무 필라멘트를 사용했으며, 나중에는 약 1500시간 동안 지속되는 탄화된 면실 필라멘트를 사용하여 설계를 개선했습니다.
좋은 전구 필라멘트 재료의 특성은?
전구 필라멘트 재료는 다음과 같은 특성을 가져야 합니다:
높은 융점: 필라멘트는 2500°C까지의 온도에서도 녹거나 부러지지 않아야 합니다.
낮은 증기압: 필라멘트는 고온에서도 증발하거나 승화하지 않아야 합니다. 그렇지 않으면 전구가 검게 변하고 밝기와 효율성이 감소합니다.
산화되지 않음: 필라멘트는 고온에서도 산소나 다른 가스와 반응하지 않아야 합니다. 그렇지 않으면 부식되거나 소모됩니다.
높은 저항률: 필라멘트는 높은 전기 저항을 가져야 합니다. 이는 전류의 흐름을 방해하여 열을 발생시키고 빛을 내도록 합니다.
낮은 열팽창 계수: 필라멘트는 가열 또는 냉각 시 크게 팽창하거나 수축하지 않아야 합니다. 그렇지 않으면 변형되거나 부러질 수 있습니다.
낮은 온도 저항 계수: 필라멘트는 가열 또는 냉각 시 저항이 크게 변하지 않아야 합니다. 그렇지 않으면 전류와 밝기가 영향을 받습니다.
높은 영 모듈러스와 인장 강도: 필라멘트는 자신의 무게와 진동으로 인한 기계적 스트레스를 견뎌내야 하며, 처지거나 끊어지지 않아야 합니다.
충분한 연성: 필라멘트는 매우 얇은 선으로 뽑히면서 부러지거나 갈라지지 않아야 합니다.
필라멘트 형태로 변환 가능: 필라멘트는 길이나 저항을 증가시키지 않고 표면적과 밝기를 늘릴 수 있는 코일이나 더블 코일 형태로 형성될 수 있어야 합니다.
높은 피로 저항: 필라멘트는 반복적인 가열 및 냉각 사이클에도 약해지거나 실패하지 않아야 합니다.
전구 필라멘트 재료의 종류는?
여러 가지 재료가 전구 필라멘트 제작에 사용되었습니다. 몇 가지 재료는 다음과 같습니다:
탄소
에디슨과 다른 발명가들이 처음으로 전구 필라멘트에 사용한 재료는 탄소였습니다. 탄소는 높은 융점 (3500°C), 낮은 증기압, 높은 저항률 (1000-7000 µΩ-cm), 낮은 온도 저항 계수 (-0.0002 ~ -0.0008 /°C)를 가지고 있습니다. 그러나 산화 저항이 낮고, 열팽창 계수가 높고 (2 ~ 6 /K), 인장 강도가 낮으며, 전구에 검은 색을 많이 남깁니다. 탄소 필라멘트는 4.5 lm/W의 효율과 최대 1800°C의 작동 온도를 가집니다.
탄소는 또한 자동 전압 조절기에서 사용되는 압력 민감형 저항기와 전압, 그리고 직류 기계에서 사용되는 탄소 브러시 제작에도 사용됩니다.
타날럼
타날럼은 1902년 베르너 폰 볼튼이 처음으로 전구 필라멘트 재료로 도입했습니다. 타날럼은 높은 융점 (2900°C), 낮은 증기압, 높은 저항률 (12.4 µΩ-cm), 낮은 열팽창 계수 (6.5 /K)를 가지고 있습니다. 그러나 산화 저항이 낮고, 온도 저항 계수가 높고 (0.0036 /°C), 인장 강도가 낮으며, 효율이 낮습니다 (3.6 W/candle power). 타날럼 필라멘트는 최대 2000°C의 작동 온도를 가집니다.
타날럼은 효율이 낮고 희소성 때문에 이제는 전구 필라멘트 재료로 널리 사용되지 않습니다.
텅스텐
텅스텐은 오늘날 가장 널리 사용되는 전구 필라멘트 재료입니다. 윌리엄 D. 쿨리지가 1910년 처음 사용했습니다. 텅스텐은 매우 높은 융점 (3410°C), 낮은 증기압, 높은 저항률 (5.65 µΩ-cm), 높은 인장 강도, 높은 산화 저항, 그리고 전구에 검은 색을 적게 남깁니다. 그러나 온도 저항 계수가 높고 (0.005 /°C), 열팽창 계수가 높습니다 (4.3 /K). 텅스텐 필라멘트는 12 lm/W의 효율과 최대 2500°C의 작동 온도를 가집니다.
텅스텐은 X-레이 튜브의 전극과 특정 응용 분야에서 전기 접촉 재료로도 사용됩니다.
전구 필라멘트는 어떻게 만들어지는가?
전구 필라멘트는 사용되는 재료에 따라 다양한 공정으로 제작됩니다. 일부 공정은 다음과 같습니다:
탄소
탄소 필라멘트는 대나무, 면실, 종이 펄프 등 유기 물질을 고온 (1000-1500°C)에서 불활성 대기 중 탄화하여 제작합니다. 탄화된 재료는 얇은 선으로 뽑혀 코일로 감깁니다.
타날럼
타날럼 필라멘트는 분말冶金技术制成。钽粉与粘合剂混合并压制成棒或线材。这些棒或线材在真空或惰性气体气氛中高温（2000-2500°C）烧结。然后将烧结后的棒或线材拉成细丝并绕成线圈。 ### 钨 钨丝的制作过程包括以下步骤： - 从钨酸盐或仲钨酸铵矿石中提取钨矿。 - 使用氢气还原钨酸或仲钨酸铵以形成钨粉。 - 将钨粉与粘合剂混合并压制成棒或线材。 - 在真空或惰性气体气氛中高温（2000-3000°C）烧结这些棒或线材。 - 通过锻打将烧结后的棒或线材制成更细的棒或线材。 - 通过金刚石模具将细棒或线材拉成非常细的丝（10-50 微米）。 - 在中温（1000-1500°C）下用氢气退火细丝，以提高其延展性和强度。 - 将退火后的细丝绕成线圈或双线圈。 ### 白炽灯泡的优点和缺点是什么？ 白炽灯泡与其他类型的光源（如荧光灯、LED 灯等）相比具有一些优点和缺点。其中一些列举如下： #### 优点 - 它们产生暖白色光，具有良好的显色指数（CRI）。 - 它们
