전구

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배경

역사 초기부터 19세기 초까지 불은 인간의 주요 광원이었습니다. 이 빛은 횃불, 양초 등 다양한 수단을 통해 만들어졌습니다. , 오일 및 가스 램프. 화염으로 인한 위험(특히 실내에서 사용할 때) 외에도 이러한 광원은 불충분한 조명도 제공했습니다.

전기 조명을 사용하려는 첫 번째 시도는 영국 화학자 험프리 데이비 경에 의해 이루어졌습니다. 1802년 Davy는 전류가 얇은 금속 조각을 백색 열로 가열하여 빛을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 이것이 백열등(강렬한 열로 빛나는 것으로 정의됨) 전등의 시작이었습니다. 다음 주요 개발은 아크 라이트였습니다. 이것은 기본적으로 짧은 공기 공간에 의해 서로 분리된 일반적으로 탄소로 만들어진 두 개의 전극이었습니다. 전극 중 하나에 인가된 전류는 다른 전극으로 흐르고 다른 전극을 통해 흘러 공기 공간을 가로질러 빛의 호를 생성합니다. 아크 램프(또는 전구)는 주로 실외 조명에 사용되었습니다. 많은 과학자들 사이에서 실내 조명의 유용한 소스를 찾기 위한 경쟁이 계속되었습니다.

상업적으로 실행 가능한 백열등의 개발을 가로막는 주된 어려움은 적절한 발광 요소를 찾는 것이었습니다. Davy는 백금이 오랜 시간 동안 백색 열을 생성할 수 있는 유일한 금속이라는 것을 발견했습니다. 탄소도 사용되었지만 공기 중에서 빠르게 산화되었습니다. 대답은 요소에서 공기를 멀리 유지하여 빛을 생성하는 재료를 보존하는 진공을 개발하는 것이 었습니다.

뉴저지 주 멘로 파크에서 일하는 젊은 발명가인 Thomas A. Edison은 1870년대에 자신만의 형태의 전기 조명 작업을 시작했습니다. 1877년에 에디슨은 만족스러운 전기 광원을 찾는 일에 몰두하게 되었고, 경쟁자들의 실패 원인을 확인하는 데 초기 참여를 바쳤습니다. 그러나 그는 백금이 탄소보다 훨씬 더 나은 버너를 만든다고 결정했습니다. 에디슨은 백금을 사용하여 1879년 4월에 상대적으로 비현실적인 램프에 대한 첫 번째 특허를 얻었지만 효율적이고 경제적으로 가열할 수 있는 요소를 계속 찾았습니다.

Edison은 또한 자신의 전원을 구축하고 동시에 여러 개의 램프가 타는 것을 처리할 수 있는 획기적인 배선 시스템을 고안하는 등 조명 시스템의 다른 구성 요소를 수정했습니다. 그러나 그의 가장 중요한 발견은 적합한 필라멘트의 발명이었습니다. 이것은 전류의 통과에 높은 저항을 제공하는 매우 가는 실 모양의 와이어였습니다. 초기 필라멘트의 대부분은 매우 빨리 타버려서 이 램프를 상업적으로 쓸모없게 만들었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 Edison은 조명 수단으로 탄소를 다시 시도하기 시작했습니다.

그는 마침내 그의 필라멘트 재료로 탄화 면사를 선택했습니다. 필라멘트는 전류를 필라멘트와 주고받는 백금 와이어에 고정되었습니다. 그런 다음 이 어셈블리를 목에 융합된 유리 전구에 넣었습니다( 밀봉이라고 함). 진공 펌프는 느리지만 중요한 단계인 전구에서 공기를 제거했습니다. 유리 전구에서 튀어나온 전류에 연결되는 인입선.

1879년 10월 19일, 에디슨은 이 새로운 램프에 대한 첫 번째 테스트를 실행했습니다. 2일 40시간 동안 작동했습니다(10월 21일(필라멘트가 완전히 타버린 날)는 최초의 상업적으로 실용적인 램프가 발명된 날짜입니다.) 물론 이 오리지널 램프는 여러 번 수정되었습니다. 전구를 대량 생산하기 위해 제조 공장이 세워졌고 배선과 전류 시스템이 크게 발전했습니다. 그러나 오늘날의 백열전구는 에디슨의 원래 램프와 매우 흡사합니다. 주요 차이점은 텅스텐 필라멘트의 사용, 더 높은 효율을 위한 다양한 가스, 더 높은 온도로 가열된 필라멘트로 인한 발광 증가입니다.

백열등은 최초의 가장 저렴한 전구 유형이었지만 다양한 용도로 사용되는 다른 전구가 많이 있습니다.

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텅스텐 할로겐 램프

형광등은 수은 증기와 아르곤 가스를 포함하는 유리관입니다. 전기가 튜브를 통해 흐르면 기화된 수은이 자외선 에너지를 방출합니다. 그런 다음 이 에너지는 램프 내부를 코팅하는 형광체를 공격하여 가시광선을 발산합니다.

수은 증기 램프에는 두 개의 전구가 있습니다. 아크 튜브(석영으로 제작됨)는 보호 유리 전구 내부에 있습니다. 아크 튜브는 형광등보다 높은 압력의 수은 증기를 포함하므로 증기 램프는 형광체 코팅을 사용하지 않고 빛을 생성할 수 있습니다.

네온 램프는 유리관에 네온 가스를 채우고 방전이 일어나면 빛을 발합니다. 빛의 색은 가스 혼합물에 의해 결정됩니다. 순수한 네온 가스는 붉은 빛을 발산합니다.

주로 야외에서 경기장과 도로에 사용되는 메탈 할라이드 램프에는 금속과 할로겐의 화합물이 포함되어 있습니다. 이 유형의 램프는 금속 할로겐화물이 형광체 없이 사용할 때 보다 자연스러운 색상 균형을 생성할 수 있다는 점을 제외하고는 수은 램프와 거의 동일한 방식으로 작동합니다.

고압 나트륨 램프도 수은 램프와 유사합니다. 그러나 아크 튜브는 석영 대신 산화 알루미늄으로 만들어졌으며 나트륨과 수은의 고체 혼합물을 포함합니다.

Thomas A. Edison(가운데, 모자와 함께)이 New York주 Menlo Park에 있는 그의 연구실에서 일하는 근로자들 저지. 사진은 1880년에 촬영되었습니다.

1830년대로 거슬러 올라가는 20명 이상의 발명가들은 Thomas Edison이 검색에 착수할 때까지 백열 전등을 생산했습니다. 1870년대는 생산 기술과 수요의 힘이 결합하여 상업적으로 실현 가능한 전기 조명에 대한 탐색을 시대의 하이테크, 고위험 경주로 만들었던 결정적인 10년이었습니다. 에디슨은 뉴욕시와 필라델피아 중간에 있는 뉴저지주 멘로파크 시골에 연구소를 설립했습니다. 실험실 건물과 여러 별채는 1876년에 에디슨이 전신 발명품으로 벌어들인 이익으로 건설되었습니다. 그는 처음에 그의 도움을 원하는 투자자로부터 프로젝트를 받아 전신 및 전화 시스템에 대한 자신의 아이디어를 계속 작업하려고 했습니다. 그는 실험실이 10일마다 새로운 발명품을 생산하고 6개월마다 획기적인 혁신을 일으킬 수 있다고 생각한다고 말했습니다.

1877년에 에디슨은 성공적인 전구를 위해 널리 알려진 경주에 참가하기로 결정하고 기계 공장, 사무실 및 연구 도서관으로 실험실 시설을 확장했습니다. Edison이 발전기에서 절연체, 백열 전구에 이르기까지 전체 조명 시스템을 다루면서 직원은 12명에서 60명 이상으로 늘어났습니다. 그 과정에서 Edison은 자금 조달, 재료, 도구 및 숙련된 작업자를 "발명 공장"으로 모으는 팀 접근 방식을 조정하여 새로운 발명 프로세스를 만들었습니다. 따라서 전구에 대한 검색은 나중에 General Electric, Westinghouse 및 기타 회사에서 개발한 새로운 형태의 연구 및 개발을 보여줍니다.

윌리엄 S. 프레처

원자재

이 섹션과 다음 섹션(제조 과정)에서는 백열 전구에 중점을 둘 것입니다. 앞서 언급했듯이 텅스텐이 20세기 초반에 선택되는 금속이 될 때까지 필라멘트에 다양한 재료가 사용되었습니다. 극도로 연약하지만, 전구의 주성분 중 하나인 필라멘트는 텅스텐과 바인더를 혼합한 후 그림을 그리는 방식으로 만들어집니다. 혼합물을 강철 맨드릴 주위의 가는 와이어로 만듭니다. 와이어를 가열한 다음 맨드릴을 산으로 용해시키면 필라멘트가 적절한 코일 모양을 취합니다. 텅스텐 필라멘트는 화씨 4500도(섭씨 2480도) 이상의 높은 온도를 견딜 수 있습니다. 텅스텐 필라멘트의 개발은 전구 기술의 가장 큰 발전으로 간주됩니다. 이러한 필라멘트는 이전 재료보다 저렴하고 오래 사용할 수 있기 때문입니다.

연결 또는 인입 와이어는 일반적으로 니켈-철 와이어( dumet 두 개의 금속을 사용하기 때문입니다.) 이 와이어를 붕사 용액에 담그면 와이어가 유리에 더 잘 접착됩니다. 전구 자체는 유리로 만들어졌으며 일반적으로 아르곤과 질소와 같은 가스 혼합물을 포함하여 필라멘트의 수명을 연장합니다. 공기는 전구에서 펌핑되어 가스로 대체됩니다. 표준화된 베이스는 전체 어셈블리를 제자리에 고정합니다. "에디슨 스크루 베이스"로 알려진 베이스는 원래 황동으로 만들어졌으며 파리의 석고로 단열되었으며 나중에 자기가 되었습니다. 오늘날, 알루미늄은 외부에 사용되고 유리는 베이스 내부를 단열하는 데 사용되어 더 강한 베이스를 생성합니다.

제조
프로세스

전구의 용도는 가로등에서 자동차 까지 다양합니다. 전조등에 손전등. 각 용도에 대해 개별 전구는 크기와 전력량이 다르며 전구가 방출하는 빛의 양을 결정합니다. (루멘). 그러나 모든 백열 전구에는 필라멘트, 전구 및 받침대의 세 가지 기본 부품이 있습니다. 원래 수작업으로 생산된 전구 제조는 이제 거의 완전히 자동화되었습니다.

필라멘트

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1 필라멘트는 드로잉, 텅스텐이 바인더 재료와 혼합되고 다이(모양의 오리피스)를 통해 가는 와이어로 당겨집니다. 다음으로 와이어는 맨드릴 이라는 금속 막대 주위에 감깁니다. 적절한 코일 모양으로 성형하기 위해 어닐링으로 알려진 과정에서 가열됩니다. 이 과정은 와이어를 부드럽게 하고 구조를 더 균일하게 만듭니다. 맨드릴은 그런 다음 산에 용해됩니다.

2 코일 필라멘트가 인입선에 부착됩니다. 인입 와이어는 끝 부분에 후크가 있어 필라멘트 끝 위로 눌러지거나 더 큰 전구에서는 스폿 용접됩니다.

유리 전구

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3 유리 전구 또는 케이스는 리본 기계를 사용하여 생산됩니다. 가열 후 사실상 전체 전구 제조 공정이 자동화됩니다. 유리 전구는 시간당 50,000개 이상의 전구를 생산할 수 있는 리본 기계로 날립니다. 필라멘트와 스템 어셈블리가 전구에 삽입된 후 전구 내부의 공기가 배출되고 아르곤/질소 혼합물이 펌핑됩니다. 마지막으로 베이스가 밀봉됩니다. 용광로, 연속 유리 리본이 컨베이어 벨트를 따라 움직입니다. 정밀하게 정렬된 공기 노즐은 컨베이어 벨트의 구멍을 통해 유리를 금형으로 불어넣어 케이싱을 만듭니다. 최고 속도로 움직이는 리본 기계는 시간당 50,000개 이상의 전구를 생산할 수 있습니다. 케이싱이 날아간 후 냉각된 다음 리본 기계에서 절단됩니다. 다음으로 전구 내부를 실리카로 코팅하여 빛나는 필라멘트로 인한 눈부심을 제거합니다. 그런 다음 회사 엠블럼과 전구 전력량이 각 케이스의 외부 상단에 찍혀 있습니다.

베이스

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4 전구의 바닥도 금형을 사용하여 구성됩니다. 전등 소켓에 쉽게 끼울 수 있도록 나사 모양으로 홈이 파여져 있습니다.

조립

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5 필라멘트, 베이스, 벌브가 만들어지면 기계로 끼워 맞춰진다. 먼저 필라멘트가 두 개의 인입선에 고정된 상태로 줄기 어셈블리에 장착됩니다. 다음으로, 전구 내부의 공기가 비워지고 케이싱이 아르곤과 질소 혼합물로 채워집니다. 이러한 가스는 필라멘트의 수명을 연장합니다. 텅스텐은 결국 증발하고 부서집니다. 증발하면서 전구 벽 흑화로 알려진 전구에 어두운 침전물을 남깁니다.

6 마지막으로 베이스와 전구를 밀봉합니다. 베이스는 유리 전구의 끝 부분으로 미끄러지므로 함께 유지하는 데 다른 재료가 필요하지 않습니다. 대신, 적절한 모양을 유지하기 위해 알루미늄 베이스에 인입선이 닿아 두 개의 부품을 꼭 맞도록 하여 적절한 전기 접촉을 보장합니다. 테스트 후 전구는 패키지에 넣어 소비자에게 배송됩니다.

품질 관리

전구는 램프 수명과 강도 모두에 대해 테스트됩니다. 빠른 결과를 제공하기 위해 선택한 전구를 수명 테스트 랙에 나사로 고정하고 정상적인 연소 강도를 훨씬 초과하는 수준으로 조명을 켭니다. 이것은 전구가 정상적인 조건에서 얼마나 오래 지속되는지에 대한 정확한 판독값을 제공합니다. 테스트는 모든 제조 공장과 일부 독립 테스트 시설에서 수행됩니다. 대부분의 가정용 전구의 평균 수명은 전력량에 따라 750~1000시간입니다.

미래

백열 전구의 미래는 불확실합니다. 필라멘트가 빛날 때까지 가열하는 것은 확실히 빛을 생성하는 만족스러운 방법이지만 매우 비효율적입니다. 일반적인 전구에 공급되는 전기의 약 95%가 빛이 아닌 열로 변환됩니다. 에너지 절약이 점점 더 중요해지고 있는 자원이 줄어들고 있는 세상에서 이러한 비효율성은 결국 백열 전구를 비실용적으로 만들 수 있습니다.

백열 전구를 대체할 수 있는 다른 광원이 이미 사용 중입니다. 예를 들어 형광등은 이미 산업 시장을 지배하고 있으며 의심할 여지 없이 가정용 광원으로도 사용이 증가할 것입니다. 형광등은 백열등보다 최소 75% 적은 에너지를 사용하고 20배 더 오래 사용할 수 있습니다. 최근의 표준 형광등과 달리 일반 가정용 램프에 나사로 고정할 수 있는 "컴팩트" 형광등의 개발은 형광등의 국내 시장을 확장할 수 있습니다.

또 다른 최근 개발은 "전파 전구"로, 전파 발생기에서 에너지를 수은 구름으로 전달하여 빛을 생성하고, 이 전구는 차례로 자외선을 생성합니다. 전구의 형광체 코팅은 자외선을 가시광선으로 변환합니다. 이러한 전구는 백열 전구보다 25%만 에너지를 사용하며 10년 이상 사용할 수 있습니다. 그들은 또한 백열 전구와 완전히 상호 교환 가능합니다.