형광등과 백열등

 

 

 

안녕하세요. 유쾌발랄 화통이입니다. 세상을 밝게 비추는 힘을 지닌 빛, 인간이 만든 빛의 기적은 바로 전구의 발명으로부터 시작되었다고 과언이 아닌데요. 최근 유성우가 쏟아진다는 뉴스를 접하고 보기 위해 바깥으로 나갔지만 빛으로 가득한 도심에서는 잘 보이지 않았어요. 별은 비록 보이지 않았지만 낮처럼 환하게 만들어주는 전구는 오늘날 우리에게 많은 이점을 가져다 주었죠. 오늘은 도심을 밝게 비추는 전구의 종류에 대해 알아보려고 해요.

 

전구의 원리

인류는 50만년 전부터 불을 사용하면서 열과 빛을 얻어왔는데, 지금과 같은 조명이 생기기 전까지는 가스등을 사용하고 있었어요. 이 가스등은 어둡고 안전하지 않기 때문에 좀 더 획기적인 발명이 필요했죠. 전구에서 빛을 내려면 전기에너지를 반드시 소모해야하고, 전자에 의한 전기에너지가 열과 빛에너지로 전환되는 원리를 이용해야 합니다. 지난번 포스팅에서 말씀드렸던 험프리 데이비의 발명이 전구의 발명에 영향을 주게 되는데요. 그는 탄광에서 사용할 수 있는 안전등을 비롯하여 콩코드 광장의 전등을 발명합니다. (자세한 내용은 이전 블로그를 참조하세요:http://www.finelfc.com/314)

 

그 이후 전구를 만든 사람이 있었으니 바로 토마스 에디슨입니다. 전구 발명에 관심을 가진 과학자는 많았지만 실용화에 가장 많이 기여한 과학자가 에디슨이었으므로 그를 전구 발명가라고 부르기도하죠.

 

 

 

 

 

백열등이란?

모든 물체는 온도에 따라 각각의 파장을 표면에서 내뿜는데 이 현상을 열복사라고 합니다. 400℃ 보다 낮은 온도에서 물체는 적외선의 열을 내보내고 온도가 더 높아질 수록 파장이 짧은 빛을 내다가 1400℃ 이상에서는 가시광선이 모두 섞인 하얀색에 가까운 빛을 낸다고 해요.

 

백열등은 전기를 사용해 필라멘트를 가열하여 빛을 내게 하는 원리를 이용하는데요. 즉 내부를 진공으로 만든 후 소량의 질소, 아르곤 등의 반응성이 낮은 가스(필라멘트의 부식 방지용)를 넣어 안정한 상태로 유지시킨 후 전기저항이 높은 나선형 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 온도가 올라가게 해 빛을 내게 만든 것이랍니다. 완전 흰색보다는 다소 붉은 빛을 내는 전구를 생각하시면 되는데요. 주로 아늑하고 따뜻한 느낌을 내기 위해 가정집이나 레스토랑에 많이 사용하는데 전력소모가 많고 수명이 짧다는 단점이 있습니다.

 

 

 

형광등이란?

지금과 같은 형광등은 1938년 GE사 인만이 발명한 것인데요. 백열전구가 필라멘트의 전류가 저항을 받아 발열하는 것을 이용하였다면, 형광등은 백열등의 단점을 보완하여 개발되었으며 기체나 증기 중의 방전을 이용해서 빛을 낸다는 점에 차이가 있다고 할 수 있습니다. 형광등의 내부는 진공으로 구성되어 있는데 소량의 수은 증기와 아르곤 가스가 들어있습니다.

 

형광등 안에 아르곤과 수은기체가 주입하는 이유는 전류가 흐를 때 전자가 발생하고 수은 원자와 충돌해 자외선을 내면서 형광체에 닿도록하기 위함과 비활성 기체인 아르곤이 방전을 일정하게 하여 빛이 균일하게 하도록 하는 작용을 돕기 위함입니다. 이 때 발생하는 자외선은 눈에 보이지 않고 형광등 유리관 내에 칠해 놓은 형광물질 방전에 의해 발생한 빛이 백색광을 내게 됩니다.

 

 

 

여기서 잠깐! 형광의 원리는 어떻게 될까요?

에너지를 얻은 전자는 사다리를 타고 높이 올라간 아이에 비유할 수 있어요. 전자는 에너지를 얻으면 저렇게 들뜬 상태로 높은 위치에 존재하죠. 하지만 미끄럼틀로 내려와 땅의 궤도에 닿으면 그 에너지만큼 열과 빛을 방출하게 됩니다. 미끄럼틀의 높이, 즉 에너지 차이가 크면 푸른계열로, 작으면 붉은색 계열의 빛이 나요~

미끄럼틀의 높이가 더 높아지면 미끄럼틀을 즐기는 아이들의 함성소리도 더 커지겠죠? 

 

형광등 안에는 아르곤, 수은 이외에도 다른 기체를 넣을 수도 있는데요!? 다른 기체를 넣으면 더 화려한 색깔을 얻을 수 있어요. 바로 이것이 네온사인입니다. 들어간 기체가 질소일 경우에 노란색, 산소와 네온이면 주황색, 이산화탄소인 경우 흰색, 수은증기만 넣으면 청록색을 띄는데요.

백열등이 무드등에 많이 쓰였다면 형광등은 공부방이나 사무실에 많이 사용합니다. 형광등은 비교적 백열등보다 좋은 효율을 가지고 있으나 화장실 처럼 on/off의 빈도가 높은 곳에는 수명이 줄어들기 때문에 적합하지 않아요.

 

형광등이 켜질 때 깜박거리는 이유는?
형광등의 원리를 보시면 이해하기 쉬우실텐데요. 형광등은 실제 필라멘트에서 빛이 나오는 것이 아니고 형광등 안의 전자에 의해서 빛이 방출됩니다. 처음 형광등을 켤 때 전자가 방사되는데요. 처음 방전이 일어날 때까지 스타트 전구를 사용해서 전기를 흘려주게 되는데 이 때 스타트 전구가 붙었다 떨어졌다를 반복합니다. 완벽한 방전이 될 때까지는 스타트 전구에 의해 깜박거리는 것이죠. 예전에는 전구들이 많이 깜박거렸지만, 과학기술의 발달로 이 부분은 많이 해결되었답니다.

 

 

형광등과 백열등의 차이 어렵지 않죠? 지금 실내에 계시다면 지금 내가 있는 공간의 전등은 백열등인지 형광등인지 살펴보시겠어요?

혹시 LED 등이 보이시나요? 형광등에서 더 한 층 업그레이드 된 LED 등

다음 포스팅에서 자세하게 설명해드릴게요!

 

밝음을 주는 기능 뿐만 아니라 하나의 인테리어로 여겨지는 전구.

원하시는 분위기에 맞게 조명을 설치하시면서 어떤 전구가 사용되었는지 한번 살펴보시면서 원리를 떠올려봐주세요^^

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소통이와 화통이가 전하는 화학 이야기. 세상에 빛을 더하는 정밀화학 이야기를 들려 드립니다 :) Leading Fine Change

 

 

<과학교사가 알려주는 원소이야기 17.

 원소계의 철벽녀, 아르곤>

 

  

 

 

 

여러분~ 과학교사 정은희입니다.

원소이야기 2번째 원소인 반응성이 없고 안정한 헬륨을 기억하시나요? 오늘은 헬륨과 비슷한 특성을 가진 반응성이 없어서 다른 원소들에게 철벽을 치는 또다른 원소인 아르곤에 대해 공부해 보도록 해요!

    

    

 

 

일하지 않는 게으름뱅이, 아르곤

아르곤, Argon은 1894년에 영국의 레일리와 램지에 의해 대기의 질소로부터 발견되었어요. 일을 뜻하는 그리스어 engon에 부정접두어 an을 붙여서 ‘일하지 않는 게으름뱅이’란 뜻을 가지고 있다고 해요.

또한 아르곤은 무색무취의 기체이며 공기보다 1.4배 무겁습니다. 물에 대한 용해도는 산소와 비슷하지만 질소보다는 2.5배 더 큽니다.

질소와 산소 다음으로 공기 중에 가장 많은 아르곤은 액화공기를 분별 증류해서 얻습니다. 같은 비활성기체인 네온과 헬륨에 비하면 훨씬 많이 존재하기 때문에 가격은 비활성 기체 중에서 가장 싸다고 하네요!

 

 

 

 

 

 


 

 

 

안정적인 아르곤 

 

아르곤은 헬륨과 네온처럼 전자껍질이 모두 채워진 안정적인 전자배치를 가지고 있어서 다른 원소와 화학 결합을 잘 하지 않습니다. 그러나 2000년 핀란드 헬싱키 대학에서 ‘아르곤 플루오로하이드라이드’를 합성하였는데요. 이렇게 극저온의 조건에서만 화합물을 형성하기도 한다고 하네요.

이처럼 반응성이 낮은 특성으로 인해서 아르곤은 주로 어떤 물체를 산소나 다른 반응성이 있는 기체로부터 보호할 때 사용합니다. 실온이나 낮은 온도에서는 반응성이 거의 없는 값싼 질소를 사용하지만, 높은 온도에서는 질소의 반응성이 커지기 때문에 아르곤을 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

조명으로 사용되는 아르곤 

 

아르곤의 다른 주요 용도는 조명입니다.

백열등에 아르곤을 질소와 함께 주입하면 고온에서 필라멘트가 산화되는 것을 막을 수 있습니다. 형광등에는 아르곤과 수은기체를 함께 넣습니다. 형광등에 전류가 흐르면 전자가 발생하여 수은 원자와 충돌하여 자외선을 방출합니다. 이 자외선이 형광체에 닿아 빛이 나는 것이죠. 아르곤은 방전을 일정하게 유지시켜 빛이 균일하게 나오도록 합니다.

또한 네온사인에서는 다른 기체와 함께 아르곤을 섞어 넣어 독특한 색의 빛을 내도록 합니다. 예를 들어 아르곤과 수은을 네온사인에 함께 사용하면 진한 푸른 빛이 난다고 합니다.


 

더블클릭을 하시면 이미지를 수정할 수 있습니다K-Ar(칼륨-아르곤) 연대 측정법

 

아르곤은 암석의 연대 측정에도 요긴하게 쓰입니다.

반감기가 12.5억년인 40K(칼륨의 동위원소)이 붕괴하면 89%는 40Ca이 되고 나머지 11%는 양전자를 방출하고 40Ar(아르곤의 동위원소)이 됩니다. 그렇기 때문에 암석의 40K와 40Ar의 비율을 측정하면 그 암석의 생성 연대를 알 수 있습니다. 이것을 K-Ar(칼륨-아르곤) 연대 측정법이라고 해요. 연대 측정범위가 5000년에서 46억년까지 넓어서 오래된 연령뿐만 아니라 젊은 화산암의 연령 측정에 많이 이용되고 있습니다. 비활성기체고 반응성이 거의 없어 “원소의 용도가 다양할까?”라는 생각을 했었는데, 괜한 걱정이었어요.

 오히려 다른 원소와 결합하지 않는 “철벽”과 같은 성질 때문에 많은 곳에 쓰이고 있는 것 같습니다. 

 

선생님의 한마디

연세대학교에서 새 암 치료법인 냉동소작술을 개발했습니다.

냉동소작술이란 가느다란 주사침을 피부를 통해 암 조직까지 도달시킨 다음 아르곤가스를 주입, 영하 187℃까지 순간 냉동시켰다가 녹이는 방법으로 암 조직을 파괴하는 치료법인데요. 암세포 혹의 크기가 3cm미만일 경우에만 가능한 치료법이라고 합니다. 암 이외에도 신장암, 전립선암 등의 제거에도 효과가 있다고 하네요! 2013년에 식품의약품안전처의 승인도 받았습니다. 또한 주위 장기를 손상시킬 위험도 없고 시술 시 통증이 없으며, 시간도 30분으로 짧으니 정말 획기적인 기술이라는 생각이 드네요!

 

 

 

 

 

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