램프 재료: 종합 가이드

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필드: 기본 전기학

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램프는 유연한 물질에 담긴 연료나 가스 및 전기 램프와 같은 다른 조명 장치를 사용하여 조명을 생성하는 기기입니다. 램프는 최소한 70,000 BCE 이후 발명되었으며 시간이 지남에 따라 다양한 재료와 디자인으로 진화했습니다. 이 기사에서는 램프를 구성하는 다양한 종류의 재료와 그 특성 및 기능을 살펴보겠습니다.

램프 재료란?

램프 재료는 램프 또는 그 구성 요소를 구성하는 모든 물질을 의미합니다. 램프 재료는 두 가지 주요 범주로 분류할 수 있습니다: 절연 재료와 도전 재료. 절연 재료는 전류가 통과하지 않는 재료로, 유리, 세라믹, 플라스틱 등이 해당합니다. 도전 재료는 전류가 흐르게 하는 재료로, 금속과 합금이 해당합니다.

절연 재료는 램프의 보호막이나 케이싱을 형성하며, 외부 요인으로부터 빛의 소스를 보호하고 빛의 색상과 품질에 영향을 미칩니다. 도전 재료는 필라멘트, 전극, 리드 인 와이어, 그리고 램프의 바닥이나 끝캡을 형성하며, 빛의 소스에 대한 전기 연결과 지원을 제공합니다.

램프 재료의 종류

램프 재료는 다양한 목적과 응용 분야에 사용됩니다. 가장 일반적인 것들은 다음과 같습니다:

유리

유리는 녹은 모래나 실리카와 다른 물질을 혼합하여 만든 투명한 재료입니다. 유리는 고온과 고압을 견딜 수 있으며 다양한 형태와 색상을 가질 수 있습니다. 유리는 빛을 거의 손실 없이 전달하며, 화학적으로 안정적이고 부식에 강합니다.

램프에 사용되는 유리의 종류는 다음과 같습니다:

소다-석회 실리케이트 유리: 이는 가장 일반적인 유리로, 낮은 융점과 필라멘트 램프에 사용됩니다. 약 67%의 실리카, 나트륨 산화물, 칼슘 산화물, 기타 첨가제로 구성됩니다.
납-알칼리 실리케이트 유리: 이 유리는 소다-석회 유리보다 높은 전기 저항성을 가지며, 램프의 내부 부분에 사용됩니다. 납산화물, 칼륨산화물, 기타 첨가제로 구성됩니다.
보로실리케이트 유리: 이 유리는 소다-석회 유리보다 높은 온도 저항성과 낮은 열팽창 계수를 가지며, 고와트 램프에 사용됩니다. 붕산화물, 알루미늄 산화물, 기타 첨가제로 구성됩니다.
알루미나 실리케이트 유리: 이 유리는 보로실리케이트 유리보다 낮은 열충격 저항성을 가지지만, 높은 굴절률을 가지고 있어 저와트 램프에 사용됩니다. 알루미나, 마그네시아, 기타 첨가제로 구성됩니다.
쿼츠: 이 유리는 순수한 실리카나 규소 이산화물로 만들어져 매우 높은 융점과 투명성을 가집니다. 이는 매우 높은 온도에서 작동하는 텅스텐 할로겐 램프에 사용됩니다. 매우 적은 양의 다른 금속과 수산기를 포함합니다.
나트륨 저항 유리: 이 유리는 나트륨 증기 램프에 특별히 설계되어, 나트륨 증기를 이온화하여 강력한 빛을 발생시키는데 사용됩니다. 나트륨 증기는 강력한 환원성을 가지고 있어 일반 유리를 빠르게 검게 만들 수 있습니다. 나트륨 저항 유리는 이러한 효과를 방지하기 위해 소량의 실리카나 쉽게 환원될 수 있는 산화물을 포함합니다.

세라믹스

세라믹은 점토나 다른 무기 물질을 가열하여 경화시킨 비금속 재료입니다. 세라믹은 다양한 형태와 크기로 성형될 수 있으며, 투명성이나 반투명성과 같은 다양한 광학적 특성을 가질 수 있습니다. 세라믹은 고온과 고압을 견딜 수 있으며, 화학적으로 안정적이고 부식에 강합니다.

램프에 사용되는 세라믹의 종류는 다음과 같습니다:

다결정 금속 산화물 세라믹: 이는 알루미나, 마그네시아, 희토류 산화물과 같은 금속 산화물을 가열하여 다결정체를 형성한 세라믹입니다. 이 세라믹은 공극과 결정입자의 크기에 따라 투명하거나 반투명할 수 있습니다. 고압 램프, 예를 들어 나트륨 증기 램프나 금속 할라이드 램프에 사용되며, 높은 빛 투과율이 필요합니다.
전통적인 세라믹: 이는 점토나 다른 자연 물질을 물과 혼합하여 원하는 형태로 성형한 후 구워 만든 세라믹입니다. 이에는 포셀린과 스테아타이트가 포함됩니다.

포셀린: 이는 카올린 점토, 페들스파, 규석, 기타 첨가제로 만든 세라믹입니다. 이는 우수한 기계적 강도, 열충격 저항성, 전기 절연성, 습기 저항성을 가지고 있습니다. 램프의 바닥이나 끝캡을 만들 때 사용됩니다.
스테아타이트: 이는 탈크, 점토, 기타 첨가제로 만든 세라믹입니다. 포셀린보다 전기 저항성, 열전도성, 유전강도, 차원 안정성이 더 좋습니다. 램프의 절연체나 지지대를 만들 때 사용됩니다.

금속

금속은 높은 전기 전도성과 열 전도성을 가진 원소나 합금입니다. 금속은 램프의 빛 소스에 전기 연결과 지지를 제공하며, 표면 마무리에 따라 빛을 반사하거나 확산할 수 있습니다. 금속은 주조, 단조, 절삭, 용접 등의 방법으로 다양한 형태와 크기로 성형될 수 있습니다.

램프에 사용되는 금속의 종류는 다음과 같습니다:

텅스텐: 이는 매우 높은 융점(3422°C)과 인장 강도(1510 MPa)를 가진 원소입니다. 이는 백열 램프의 필라멘트를 만들기 위해 얇은 와이어로 뽑아서 철이나 몰리브데넘 맨델 위에 감습니다. 텅스텐 필라멘트는 열과 증발에 대해 높은 저항성을 가지지만, 높은 전압을 필요로 합니다.
몰리브데넘: 이는 높은 융점(2610°C)을 가지지만, 텅스텐보다 낮은 인장 강도(638 MPa)를 가진 원소입니다. 이는 필라멘트의 지지대나 리드 인 와이어, 아크 램프의 전극을 만들 때 사용됩니다. 몰리브데넘은 일부 유리와 유사한 팽창 계수를 가지므로, 이를 통해 유리와 강력한 밀봉을 형성할 수 있습니다.
니켈: 이는 중간 정도의 융점(1455°C)과 인장 강도(758 MPa)를 가진 원소입니다. 이는 철이나 강철 부품을 전기도금하여 강도와 탄성을 증가시키는 데 사용됩니다. 니켈은 부식과 산화에 높은 저항성을 가지고 있습니다. 이는 리드 인 와이어나 시작 스트립을 만들 때 사용됩니다.
알루미늄: 이는 낮은 융점(660°C)을 가지지만, 높은 인장 강도(310 MPa)를 가진 원소입니다. 또한 가볍고(2.7 g/cm³) 자성 물질이 아닙니다. 알루미늄은 표면의 얇은 산화층으로 인해 높은 부식 저항성을 가지며, 쉽게 구할 수 있고 저렴합니다. 이는 램프의 캡이나 반사판을 만들 때 사용됩니다.
강철: 이는 탄소와 망간, 크롬과 같은 다른 원소가 함유된 철의 합금입니다. 강철의 융점(1370°C – 1530°C)은 그 구성에 따라 다르지만, 인장 강도(400 MPa – 2000 MPa)는 높습니다. 강철은 좋은 연성과 가공성을 가지고 있습니다. 강철 시트는 다른 금속보다 저렴하면서도 높은 강도를 가지고 있습니다. 강철 시트는 두께와 표면 마무리에 따라 열간 압연 또는 냉간 압연으로 제작될 수 있습니다. 강철 시트는 도자기 에나멜 코팅을 통해 외관이나 부식 저항성을 개선할 수 있습니다.
스테인리스 스틸: 이는 크롬(12% – 30%)과 니켈, 몰리브데넘과 같은 다른 원소가 함유된 철의 합금입니다. 스테인리스 스틸은 표면의 크롬 산화층으로 인해 높은 부식 저항성을 가지고 있습니다. 스테인리스 스틸은 강도(515 MPa – 1035 MPa), 경도(95 HRB – 40 HRC), 연성(45% – 60%), 인성(100 J – 225 J), 피로 저항성(275 MPa – 690 MPa), 크리프 저항성(35 MPa – 200 MPa), 마모 저항성(0.04 g – 0.4 g), 마모 저항성(0.2 mm – 1 mm), 침식 저항성(0.02 mm – 0.2 mm), 공동화 저항성(0 mm – 0.05 mm), 피팅 저항성(0 mm – 0 mm), 간극 부식 저항성(0 mm – 0 mm), 갈바닉 부식 저항성(0 mV – +50 mV), 프레팅 부식 저항성(0 mg – <1 mg), 수소 취성 저항성(>100 MPa), 황화물 스트레스 크래킹 저항성(>100 MPa), 카버라이징 저항성(>100 MPa), 질화 저항성(>100 MPa), 산화 저항성(>1000°C), 황화물 저항성(>800°C), 카버라이징 저항성(>800°C), 질화 저항성(>800°C), 디카버라이징 저항성(>800°C), 스케일링 저항성(>800°C), 스팔링 저항성(>800°C), 취성 저항성(>800°C), 열 충격 저항성(>800°C)과 같은 다양한 기계적 특성을 가지고 있습니다. 스테인리스 스틸은 특히 부식성 대기로 노출될 가능성이 있는 실외 조명에 사용됩니다.
구리: 이는 높은 전기 전도성(59.6 MS/m)과 열 전도성(401 W/mK)을 가진 원소입니다. 구리는 연성과 가공성이 뛰어나 다양한 형태로 쉽게 성형될 수 있습니다. 구리는 버스 바, 스위치 기어, 리드 인 와이어, 아크 램프의 전극을 만들 때 사용됩니다. 구리는 특히 해수에 대한 부식 저항성이 뛰어납니다.
비철 합금: 이는 주요 구성 요소로 철을 포함하지 않는 합금으로, 동, 황동, 솔더 등이 해당합니다.

동: 이는 구리와 주석, 때로는 아연이나 인을 포함하는 합금입니다. 동은 강도(200 MPa – 1200 MPa), 경도(60 HB – 250 HB), 연성(3% – 40%), 인성(25 J – 200 J)과 같은 좋은 기계적 특성을 가지고 있습니다. 동은 또한 특히 해수와 산성 용액에 대한 높은 부식 저항성을 가지고 있습니다. 동은 매력적인 색상을 가진 특수 조명에 사용됩니다.
황동: 이는 구리와 아연, 때로는 납이나 니켈을 포함하는 합금입니다. 황동은 강도(200 MPa – 900 MPa), 경도(50 HB – 200 HB), 연성(10% – 50%), 인성(30 J – 150 J)과 같은 좋은 기계적 특성을 가지고 있습니다. 황동은 또한 특히 해수와 알칼리 용액에 대한 높은 부식 저항성을 가지고 있습니다. 황동은 매력적인 색상을 가진 특수 조명에 사용됩니다.
솔더: 이는 주석과 납, 때로는 은이나 안티모니를 포함하는 합금입니다. 솔더는 낮은 융점(183°C – 232°C)과 높은 젖음성을 가지고 있어 금속 표면에 쉽게 부착됩니다. 솔더는 금속 부품을 용융하고 굳혀 연결하는 데 사용됩니다. 솔더는 램프 캡의 끝에서 전기 연결을 위해 사용됩니다.

겟터 재료: 이는 램프 작동 중에 발생하는 가스 불순물을 흡수하는 재료로, 이러한 불순물은 램프의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 가스 불순물에는 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 수소, 수증기 등이 포함됩니다. 겟터 재료는 시트, 와이어, 표면 도포 형태로 존재할 수 있으며, 가열이나 자외선 노출로 활성화될 수 있습니다. 램프에 사용되는 겟터 재료의 종류는 다음과 같습니다:

바륨: 이는 산소와 질소에 대한 높은 친화력을 가지며, 이들과 안정적인 화합물을 형성할 수 있는 원소입니다. 바륨은 백열 램프와 형광 램프에 사용되는 금속 겟터 재료입니다.
타탈륨: 이는 산소와 질소에 대한 높은 친화력을 가지며, 이들과 안정적인 화합물을 형성할 수 있는 원소입니다. 타탈륨은 텅스텐 할로겐 램프와 금속 할라이드 램프에 사용되는 금속 겟터 재료입니다.
티타늄: 이는 산소와 질소에 대한 높은 친화력을 가지며, 이들과 안정적인 화합물을 형성할 수 있는 원소입니다. 티타늄은 나트륨 증기 램프와 수은 증기 램프에 사용되는 금속 겟터 재료입니다.
니오븀: 이는 산소와 질소에 대한 높은 친화력을 가지며, 이들과 안정적인 화합물을 형성할 수 있는 원소입니다. 니오븀은 나트륨 증기 램프와 수은 증기 램프에 사용되는 금속 겟터 재료입니다.
지르코늄: 이는 산소와 질소에 대한 높은 친화력을 가지며, 이들과 안정적인 화합물을 형성할 수 있는 원소입니다. 지르코늄은 나트륨 증기 램프와 수은 증기 램프에 사용되는 금속 겟터 재료입니다.