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產品知識  Product Knowledge

燈的第二次革命:電燈

人類最早對「電」有具體的認知大約是在發現到「發電魚(Electric Fish)」會產生電擊,根據西元前2750年撰寫的古埃及書籍,這些魚被稱為「尼羅河的雷使者」,是其它魚種的保護者。但是對電的科學認知則是到了十八世紀的1752年由「班傑明‧富蘭克林」做了一項聞名世界的風箏實驗,而後又經過無數科學家的投入研究,一直到了1785年,電的研究才提升為一門科學。

沒有火焰的光

在19世紀中期以前,跟任何人說可以不用點火也能發光,絕對不會有人相信的;但是,那時候電燈已經在實驗室裡進行著。就好比現在這個時間點,也許在某個安靜的實驗室裡,有一個大家都不認識的發明家,正在進行我們做夢也沒想到的奇怪發明。最初沒有火焰的光是在19世紀初期,某位正在進行伏打電池實驗的科學家發現到的,但是當時對電流的知識並不多,更沒有發電機這種東西。起初這種光只在科學實驗中才看的到,還不具有實用性,之後卻讓許多科學家感到興趣,經過不斷的研究與改良開發出「弧光燈」來。正當歐洲各國都在研究弧光燈的同時,相繼在1826年發現「歐姆定律」、1831年發現電磁感應現象也就是「法拉第定律」,對電流的認知越來越豐富,到了19世紀中期約1850年時,開始有人嘗試利用電流來發光。

電的最大好處就是可以透過電線傳遞到天之涯或海之巔;雖然煤氣也可以採用管線來輸送,但是比起煤油燈與煤氣燈,電燈使用起來不會消耗氧氣,也就不會有缺氧中毒的危險,更不會有煤氣外洩而爆炸的問題。電的出現,更讓人類的生產力得到一次大躍進,而白熾燈的出現,也開創了人類將電力用於照明的歷史。

一、白熾燈
一般人都認為白熾燈是由美國人「湯瑪斯.愛迪生」所發明的,其實在愛迪生之前有更多人為電燈的發明作出了不少貢獻。1801年,英國一名化學家大衛將鉑絲通電發光,他在1810年發明了「電燭」,他利用兩根碳棒之間產生的電弧來照明。1854年亨利.戈培爾使用一根炭化的竹絲,放在真空的玻璃瓶下通電發光。他們的發明在今天看來都是首個有實際效用的白熾燈,當時試驗的燈泡已可維持400小時,但是他們並沒有及時申請發明專利或設計專利。

1850年,英國人「約瑟夫.威爾森.斯旺(Joseph Wilson Swan)」開始研究電燈,他觀察到通電的燈絲在發光時,燈絲如果遇到氧氣就會燃燒,照明也會跟著中斷;因此,必須要讓燈絲處於真空環境才能穩定的發光。1878年,他採用真空環境下利用碳絲通電的燈泡取得英國的專利,並開始在英國建立公司,在各家庭安裝電燈。在這之前的1874年,已經有兩名加拿大的電氣技師申請了一項電燈專利,他們在玻璃泡內充入氮氣,以通電的碳杆發光,但是他們沒有足夠財力繼續發展這項發明,於是在1875年把專利賣給愛迪生。愛迪生買下專利後,嘗試改良使用的燈絲,1879年他改用碳絲來製造燈泡,成功維持13個小時。到了1880年,他所造出的炭化竹絲燈泡成功在實驗室維持1,200小時;但是,在英國的威爾森.斯旺卻控告愛迪生侵犯專利,而且官司也獲得勝訴,愛迪生在英國的電燈公司被迫讓威爾森.斯旺加入成為合夥人,但後來威爾森.斯旺把他的權益及專利都賣給了愛迪生。在美國,愛迪生的專利也被挑戰,美國專利局曾判決他的發明已有前科,屬於無效;經過多年的官司,愛迪生才取得碳絲白熾燈的專利權,從此人類才正式進入用電力照明的時代。

愛迪生最重要的發現就是使用鵭絲代替碳作為燈絲;到了1906年,美國「通用電氣公司(General Electric Company;簡稱GE或譯為奇異)」發明一種製造電燈鎢絲的新方法,製造廉價鎢絲的方法才得到解決。鎢絲電燈泡使用以來最大的問題是燈絲的昇華,因為鎢絲上細微的電阻差異造成溫度不一,在電阻較大的地方,溫度升得較高,鎢絲也就昇華的較快,於是就會造成鎢絲變細,電阻也會進一步增大的惡性循環,導致最後鎢絲被燒斷。1909年美國科學家柯裡奇改良了白熾燈,他把鎢絲製作的更細,並在燈泡裡填充氬氣等惰性氣體,提高了白熾燈的亮度和壽命;後來發現以惰性氣體代替真空可以減緩鎢絲的昇華。1913年,美國科學家朗繆爾發明了螺旋鎢絲電燈,並在燈泡裡注入抑制鎢絲揮發的氮氣。今天多數的白熾燈泡內都是注入氮、氬或氪等氣體,現在的白熾燈泡壽命約為2,000小時左右。

二、鹵素燈
1959年研究出在白熾燈泡內填充鹵元素的「鹵鎢燈」,這讓白熾燈的技術達到了一個新境界,同時也提高了白熾燈的壽命。有無添加鹵素的白熾燈在同樣的功率下相比較,鹵素燈的體積能夠做的更小,並允許填充高壓的惰性氣體(較重氣體),這些改變可延長壽命也能提高光效。同樣的,鹵素燈也可直接連接電源而不需要啟動電路。普通白熾燈的使用壽命約1,000小時,鹵素燈能夠再增加近一半的使用壽命,發光效率也能提高30%,最高可達到25 lm/W。鹵素燈廣泛應用在汽機車照明、投射系統、特殊聚光燈、低價泛光照明及舞臺照明,以及其他需要在緊湊、方便、性能良好等方面超過非鹵素白熾燈的場合。21世紀的今天,鹵素燈仍然是汽、機車主要的照明光源。

鹵素燈泡與白熾燈泡最大差別在於鹵素燈泡的玻璃外殼內填充一些鹵元素氣體(通常是碘或溴),其工作原理就是當燈絲發熱時,鎢原子被蒸發後往玻璃管壁方向移動,當接近玻璃管壁時,鎢蒸氣被冷卻到大約800℃並和鹵素原子結合在一起,形成鹵化鎢(碘化鎢或溴化鎢)。鹵化鎢因為熱流的方向又再往玻璃管中央繼續移動,又重新回到被氧化的燈絲上,由於鹵化鎢是一種很不穩定的化合物,其遇熱後又會重新分解成鹵素蒸氣和鎢,這樣能讓鎢元素又在燈絲上沉積下來,彌補被蒸發掉的部分,這種過程稱為「鹵素再生循環」,為了使這種過程能夠穩定的發揮作用,玻璃管壁的溫度至少需要達到250℃以上。透過這種再生循環過程,燈絲的使用壽命不僅得到延長(幾乎是白熾燈的四倍),同時燈絲也能夠工作在更高的溫度下, 進而得到更高的亮度與色溫,和更高的發光效率。

由於鹵素燈泡需要工作在更高的溫度下,普通玻璃外殼在此溫度下會熔化並產生流動,所以採用石英玻璃代替普通玻璃應用在鹵素燈泡上;由於普通玻璃可以阻隔紫外光,但石英玻璃不能,所以鹵素燈泡會發出具有紫外線波段的不可見光。一方面要對燈泡增加防護措施以減少紫外線的輻射,另一方面,紫外燈也被用來治療某些皮膚疾病或在室內就可得到在陽光暴曬下而形成的古銅色皮膚。基於石英玻璃的特性,如果玻璃管外壁上沾染了汙漬(例如用手觸摸燈泡的玻璃外殼),將導致上述再生循環過程不能良好的進行,進而影響燈泡的壽命,這種情況需要用酒精來進行清除。

三、高強度氣體放電燈(High-intensity discharge,簡稱:HID)

1901年,發明了「水銀燈」,主要用在醫療研究方面。1930年,發明了「低壓納燈」「高壓水銀燈」。1935年,發明了「超高壓水銀燈」。1961年,為了改善水銀燈的光色與顯色性能,美國的Reiling嘗試在水銀燈的發光電弧中加入其它金屬(納與鈦等)鹵化物元素來進行改善測試,由於在高溫環境下,金屬物質容易跟石英玻璃產生反應,而鹵化物卻能控制這種反應,結果使得光色、顯色性、發光效率都有大幅度的改進,同時他也申請了專利;1961年美國也發明了可以耐高壓、高溫鹼蒸氣的「半透明氧化鋁陶瓷」的燈管材料。1964年,添加多種金屬鹵化物的水銀燈問世,光效可達到79 lm/W,是高壓水銀燈的1.5倍。1965年由K.Schmidt等人發明了「高壓納燈」,光色是黃白色,色溫約2100K,顯色指數Ra只有25,但發光效率可達105 lm/W,至今仍有很多路燈在使用;1965年也開始採用稀土類螢光粉來改善發光性能,顯色性也因此得到很大的改善。1967年,日本開始廣泛應用各種能發出白光的金屬鹵化物燈。1978年,日本開始使用高顯色性的高壓鈉燈,這種燈的Ra值約85、色溫約2500K~2800K、發光效率約40~50 lm/W,光效雖不高,但壽命最短也有6000~9000小時,在商店或大廳等照明環境中得到普及。1980年,透過改變添加金屬元素後的高壓鈉燈,實現了高顯色與高光效兼具。1992年,更進一步提高發光效率,高瓦數50KW規格更可達到160 lm/W。

上述這些燈都是透過氣體放電原理來產生光,與白熾燈的運作原理有很大的不同。氣體放電燈在通電後,燈管內的兩極之間會因為電弧現象,誘導氣體放電並發出光芒而形成光源;在氣體放電過程中,金屬填充物(鹵元素)和水銀將受到電流激發,然後會以填充物本身特有的輻射形式激發出可見光的能量出來。運用此原理,將不同的填充物相混合就會產生不同的色溫和色彩效果,每種填充物都有其不同的啟動程序跟最佳的燈泡型式,這也造就出不同種類的燈泡規格。發展至今,也經歷多次的材料變革,從早期的玻璃外殼轉而改用石英玻璃,簡稱為「石英金鹵燈」或者「石英複金屬燈」(飛利蒲MHN系列,歐司朗HQI系列,奇異MHL系列)。石英玻璃使用了很長一段時間,直到1994年,「半透明多晶氧化鋁陶瓷」的發光管材開始被廣泛使用,採用陶瓷管材的燈泡稱為「陶瓷金屬鹵素燈」簡稱為「陶瓷金鹵燈」或者「陶瓷複金屬燈」(飛利蒲CDM系列,歐司朗HCI系列,奇異CMH系列)。陶瓷比石英玻璃更加耐高溫,因此可透過管壁升溫來增加電弧中的填充物種類跟比例,也能夠提高燈泡的發光效率及顯色性。此外,陶瓷也較不易受到具腐蝕性的金屬鹵化物等填充物的腐蝕,也能減少填充物的滲透,讓使用壽命比原先採用石英發光管的9,000小時提升到15,000小時。1996年的日本也開始將金屬鹵化物燈應用在汽車大燈上。

水銀燈泡是第一種商業化的高強度氣體放電燈泡,原本是用來產生碧綠色光線的,到了今日,這種燈泡已經校正成更接近白色的光線。但水銀燈已逐漸被更新又具備更高發光效率的高壓鈉燈和金屬鹵素燈給取代。標準的低壓鈉燈在所有高強度氣體放電中具有最佳的效率,但他們發出的光卻是淡黃色的。高壓鈉燈現在也校正出可以發出較白的光線,但卻犧牲部份的發光效率。金屬鹵素燈比較沒那麼有效率但卻可以發出更白、更自然的光線,目前市面也有許多彩色的金屬鹵素燈可用。

採用氣體放電原理的燈泡,包括金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、低壓鈉燈、水銀燈和高壓水銀燈,以及較少見的短弧氙氣燈等,都需要透過特定的「電子安定器(中國稱為電子鎮流器)」來點燃並維持內部的電弧。當高強度氣體放電的產品壽命即將結束時,大多數種類的發光顏色都會呈現出綠色,並伴隨出現類似循環閃爍的現象;這時候的燈泡開始點亮時,是以相對低的電壓啟動,但當燈泡加熱到運作溫度後,電弧管內的內部氣壓升高,而必須以更高的電壓維持內部的電弧放電。當燈泡老舊時,維持電弧的電壓會逐漸提高,直到超過電子安定器所能供應的上限;即將結束壽命的燈泡加熱到這個點,電弧就會中斷而燈泡也會跟著熄滅,因為電弧的消失,燈泡又再度冷卻下來,接著電弧管內的氣壓也下降了,此時安定器又會再度導致電弧觸發;這種過程就會使得燈泡看起來像是亮了又滅、滅了又亮的不斷閃爍。更精密設計的安定器會偵測到這種循環閃爍的現象,並在閃爍數次後停止燈泡的啟動程序;只要將安定器的電源關閉後再重新開啟,安定器才會再次啟動一連串的點燈程序。

高強度氣體放電燈通常應用在大面積區域且需要高品質的光線,或者是針對能源效率、光源密度等特殊要求。經常應用的地方包括體育館、大面積公共區域、倉庫、戶外活動區域、道路、停車場或巷道。當然,發光效率高、使用壽命長、色彩再現能力強,以及更好的經濟效益是其主要優勢;然而,單價高以及啟動時間長是其缺點。


參考:http://www.osram.tw/osram_tw/news-and-knowledge/high-pressure-discharge-lamps/index.jsp

四、螢光燈
1941年,美國GE公司向其員工「喬治.英曼(George E. Inman)」等人收購了螢光燈相關專利後,將螢光燈推展到了全世界。螢光燈是一種熱陰極低壓汞蒸氣放電燈,它利用電力在氬或氖氣中激發汞(水銀)蒸氣,形成電漿並發出短波紫外線,當紫外線被磷給吸收後,磷會發出眼睛可看見的光,這種發出可見光的方式稱做「螢光」。與白熾燈泡最大不同點就是需要額外的裝置(或電路)才能啟動這種反應,我們稱這種裝置為「啟動器」。

利用這種氣體放電原理產生的可見光,發出的光主要是紫外線,紅外線輻射較少,因此發光效率比白熾燈高,這種燈與白熾燈相比能夠節能75%,壽命也能提高8~10倍。現在我們日常生活中常見的螢光燈主要就是這種發光原理的日光燈省電燈泡(又名:節能燈泡、螺旋燈泡、緊湊型螢光燈泡);至今使用的非常廣泛,已經主導了商業和工業照明,常用於辦公室、商場、住宅等一般公共建築,具有光色多樣化,可達到高照度兼具低成本等優點。它也能夠發出許多有色光,這是由螢光粉裡所含化學物質的性質來決定,例如塗上鎢酸鎂能夠發出藍白色光,塗上硼酸鎘能發出淡紅色光。透過設計的革新、螢光粉的發展,以及電子式控制線路的應用,螢光燈的性能不斷在提高。

1950年開始,螢光燈大都採用鹵磷酸鈣,俗稱「鹵粉」,鹵粉價格便宜但發光效率不夠高,熱穩定性差造成光衰也較大,光通量的維持率也較低,因此,螢光燈管都比現在的主流規格還要來的粗。1974年,位於荷蘭的「皇家飛利浦電子公司」簡稱「飛利浦」,成功研製出能夠發出人眼敏感的紅、綠、藍三色光的螢光粉「氧化釔(紅光峰值波長為611nm)」、「多鋁酸鎂(綠光峰值波長為541nm)」和「多鋁酸鎂鋇(藍光峰值波長為450nm)」,三者按一定比例混合能夠用來發出白光的「三基色螢光粉(完整名稱是:稀土元素三基色螢光粉)」,它的發光效率高(平均光效約在80 lm/W以上),大約是白熾燈泡的五倍,而且能夠發出色溫範圍在2500K~6500K,演色指數能夠達到85左右或更高,用來作為螢光燈的原料能夠節省不少電力的支出,這就是高效率節能螢光燈的由來。可以說成,稀土元素三基色螢光粉的開發與應用是螢光燈發展史上的一個重要里程碑。沒有三基色螢光粉,就不可能有現在的「細管緊湊型高效節能螢光燈(簡稱為省電燈泡或螺旋燈泡)」的存在。但稀土元素三基色螢光粉也有其缺點,最大缺點就是價格較鹵粉昂貴。

1991年,電子式啟動器問市,也稱做「電子安定器」,可改善燈管發光效率與提高使用壽命;目前市場主流的螢光燈管型式為「T5」,T5螢光燈最早出現在1995年,也是當今商業化生產的螢光燈中最為省電的一種(平均光效約在90 lm/W以上)。然而,其燈具和早期的T8或T9的管型並不相容,必須花錢更換成專用的燈具。為了讓T5螢光燈能得到更好的發光效率,必須搭配預熱啟動型「電子安定器」一起使用;若採用傳統的電感式鎮流器或是無預熱啟動型的電子安定器,會讓此產品較為耗電也容易產生閃爍,而且還會讓燈管的壽命縮短。

到目前為止,螢光燈管的發展已趨於成熟,螢光燈管從T8管徑規格的發光效率約60~70 lm/W,進步到T5管徑規格的發光效率約100~110 lm/W,已經過了二十個年頭,廠商們雖然早就開始評估開發更細的T2管徑規格的燈管,原因是因為螢光燈管做的越細發光效率就會越好;但是,開發T2管徑規格的燈管時會面臨到管徑太細導致螢光粉的分佈不均等等,仍待克服的技術性問題;還有因為燈管太細容易破碎等,會造成消費者使用上的種種問題。因此,螢光燈管這種傳統光源在整體技術發展上也面臨了瓶頸,往後已難有重大的技術突破了。

螢光燈管內的水銀成份會對人體有害,隨意棄置螢光燈管會造成環境的污染;因此處理廢棄的螢光燈管成為一個重要議題。早期生產的燈管使用液態水銀,而液態水銀在常溫下是呈現液態狀,所以當燈管被棄置破裂時,水銀會以液態形式滲入土壤或地下水源與河川進而造成環境污染,而在生態循環當中,水銀對生物的殘害是永久性的。而T5燈管使用的是水銀合金,在常溫下是固態粉狀的,僅有在燈管點亮狀態下會呈現氣體狀態;因此,當燈管破裂時,水銀合金仍是呈現固態粉狀,較無水銀污染的問題;但是,仍必須避免燈管破裂時,飄散到空氣中的粉末被吸入人體。目前台灣會對廢棄的螢光燈管實行回收,並把螢光燈管安全地處理掉。雖然在螢光燈管內實際的水銀含量是很少的(低於3mg),但是回收時要先抽氣也造成回收的困難度。

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