전구의 종류와 원리

어릴 때 백열등과 형광등을 사용하다가 요즘은 거의 LED등을 사용합니다. 조명가게에서도 LED등을 대부분 취급할 정도로 많이 사용합니다.
요즘은 거의 사용하지 않지만 기억 속에 있던 백열등과 형광등 그리고 LED등의 원리를 살펴보았습니다.

백열등

1879년 에디슨이 발명한 전구로 탄소 필라멘트를 진공의 유리구 속에 넣어 만들었습니다. 처음에는 진공으로 만들었는데 필라멘트가 고온에서 증발해 가늘어지면서 수명이 짧아져서 질소를 넣기시작했다고 합니다.

백열등

백열등 (출처 : 위키백과)

텅스텐으로 된 필라멘트를 진공의 유리구에 아르곤이나 질소가스를 넣고 만든 전구입니다. 텅스텐 녹는점 3390도이며 전구에 불이 켜질 때 필라멘트의 온도는 약 2000도 입니다.
필라멘트에 전류를 흐르게 한다는 것은 전자가 텅스텐 원자 속을 지나가는 것입니다. 전자가 지나가면서 텅스텐 원자에 부딪히면서 전기에너지가 열로 바뀌게 됩니다.
열을 받은 전자는 진동을 하게 됩니다. 전자의 진동으로 빛이 나오게 되며 열복사라고 부릅니다. 태양이 빛을 내는 원리이기도 합니다.
사람의 체온으로도 적외선이 방출되고 체온을 재기도 합니다.

백열등은 전기에너지의 95%는 열로 소모되고 빛으로 사용되는 에너지는 5%정도이므로 사용하는 전기에너지에 비해 빛은 그다지 밝지 않아서 효율은 좋지 못합니다.


형광등

유리관 안쪽에 형광도료를 바르고 진공 상태를 만든다음 수은과 아르곤 가스를 넣어 만듭니다. 수은 방전으로 생긴 자외선이 형광물질을 자극해서 빛을 내는 조명기기입니다.

형광등


형광등은 전류가 흐르도록 선이 연결되어 있지 않습니다. 스위치를 켜면 전자가 많이 모여 있다가 전극에서 튀어나오는 방전을 일으킵니다. 방전된 전자는 수은 분자와 충돌하면서 에너지를 전달합니다.
수은 분자는 전자로부터 에너지를 받아서 높은 에너지 상태가 되었다가 다시 원래의 상태로 되돌아 오면서 자외선을 냅니다.
유리관 안쪽에 발린 형광물질은 자외선을 흡수해서 눈으로 볼 수 있는 가시광선을 방출하는 물질입니다. 형광등에는 푸른색을 내는 안티몬과 붉은 색을 내는 망간을 혼합해서 사용합니다.
에너지 효율은 40%로 백열등보다 좋습니다. 수명도 백열등보다 길지만 전자가 방전될 때까지 시간이 걸리므로 스위치를 켜고 2~3초가 걸려야 전등이 켜지는 단점도 있습니다.

LED (light-emitting diode 발광 다이오드)

다른 전등과 달리 LED는 열어보면 허무할 정도로 눈에 잘 보이지 않는 작은 반도체들로 만들어져 있습니다.

발광다이오드


도체는 전자가 마음대로 움직일 수 있지만 반도체는 영하 273도에서는 부도체이지만 온도가 25도부근이 되면 열에너지로 전자들이 마음대로 움직일 수 있는 에너지 상태가 될 수 있습니다.
자유롭게 움직일 수 있는 에너지 상태는 물질마다 다릅니다. 이 에너지차이를 에너지 간격이라고 부릅니다.
반도체에 전자가 더 많은 물질을 넣으면 전자가 풍부한 반도체(N형 반도체)가 되고 전자가 부족한 물질을 넣으면 전자가 부족한 반도체(P형 반도체)가 됩니다.
이 두 형태의 반도체를 붙인 것이 다이오드입니다. 다이오드의 두 반도체가 만나는 부분에서 N형 반도체의 전자가 P형 반도체의 전자가 비어 있는 곳으로 들어가면 에너지 간격만큼 빛이 나오게 됩니다.
에너지 간격에 따라서 빨강이나 파랑의 파장을 가진 빛이 나오기도 합니다. 빨강과 초록은 1960년대 이미 만들어졌지만 빛의 삼원색에서 본 것처럼 파랑이 있어야 완전한 색을 나타낼 수 있습니다.

       2019/02/28 - [과학이야기/교과서에서] - 색의 삼원색과 빛의 삼원색


30년이나 지난 후 파랑을 내는 발광 다이이드를 만들어서 상용화할 수 있게 되었습니다. 하지만 이 파란 빛은 눈에 자극이 심히 모니터를 오래 보고 있으면 눈이 피로해지는 원인이 되기도 합니다.

전기에너지를 바로 빛으로 만들기 때문에 에너지 효율이 아주 좋습니다.


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