[3강] 가스 방전에 의한 빛

안녕하세요? 반갑습니다. 프로페서 B입니다.

지난 시간에는 열이 발생함으로써 만들어지는 빛에 대하여 알아보았습니다. 열방사를 통해 만들어지는 대표적인 빛으로는 태양이 있었죠. 그리고 인류는 이와 같은 원리로 빛을 내는 백열전구와 할로겐램프를 만들었습니다. 하지만 이들은 들어가는 에너지의 대부분을 열을 만드는 데 사용하기 때문에 효율이 매우 낮다는 단점을 가지고 있었습니다. 그래서 인류는 계속해 새로운 광원을 연구하게 됩니다. 그럼 이번 시간에는 빛을 내는 다른 방법 중 하나인 가스 방전을 통한 빛에 대해서 이야기해 보도록 하겠습니다.

원래 가스는 아주 높은 압력을 받지 않는 한 백열전구와 같은 방식으로는 빛이 나지 않습니다. 가스가 빛을 발산하도록 만드는 가장 효과적인 방법은 전자의 흐름이 가스를 통과하도록 하는 것입니다. 이때 전자기 방사를 통해 빛이 발생합니다. 이런 방식으로 만들어진 가장 익숙한 빛의 사례가 우리가 자주 사용해온 형광등이죠. 자연에서도 이러한 전기방전의 예를 찾을 수 있습니다. 바로 번개입니다. 아주 짧은 시간 밝게 빛나고 사라지긴 하지만요.

가스 방전 원리

가스를 통과하는 전자의 흐름에서 빛이 만들어지는 이유는 흐르는 자유전자가 가스 원자와 상호작용하기 때문입니다. 가스 방전으로 빛을 만들기 위해서는 가스방전튜브가 필요합니다. 먼저 가스를 밀봉된 투명 튜브 속에 주입합니다. 튜브의 양 끝에는 전극이 배치되어 있으며 양극에는 양전하가 주어지고, 음극에는 음전하가 주어집니다.

가스 방전 튜브

이러한 투명 튜브를 가스 방전 튜브라고 합니다. 전극 사이에 전압 차이가 가해지면 음전하를 띤 전극에서 자유전자가 빠져나와 양극으로 이동합니다. 각 가스 원자는 양전하 코어와 코어 주위를 공전하는 수많은 음전하 전자로 구성됩니다. 원자가 빠르게 움직이는 자유전자에 닿으면 충돌하는 입자의 상대 속도에 따라 다음의 세 가지의 일이 발생할 수 있습니다.

이렇게 음극에서 나온 전자가 양극으로 이동하면서 가스의 원자들과 충돌하고, 일부는 튕겨나가기 합니다. 그리고 일부 전자의 궤도를 바꾸거나 튕겨나가면서 생긴 에너지가 빛으로 발생하게 됩니다. 이러한 현상을 가스 방전이라고 합니다.  이때 나오는 에너지의 파장은 가스 원자의 종류와 압력에 따라 달라지며, 이 특성을 활용해 다양한 램프의 개발이 가능해집니다.

안정기와 스타터

백열전구와 달리 형광등과 같은 가스 방전램프에 별도의 안정기가 필요합니다. 앞서 설명했던 것처럼, 이온화 과정은 자유전자의 수를 증가시킵니다. 따라서 방전관을 통한 전류도 함께 증가하는데, 이때 무제한적인 전류의 증가를 제어하기 위한 제한 장치가 필요합니다. 이 장치는 작동 방식에 따라 저항성 또는 전자식 안정기라고 합니다.

대부분의 가스 방전 램프에서 처음 전극 간의 전압 차이는 음극에서 자유전자를 끌어내기에 충분하지 않습니다. 그렇기 때문에 램프에는 시동을 돕기 위해 일시적으로 높은 전압을 주는 점화 장치가 필요합니다. 그래서 초기 형광등은 반짝거리는 스타터의 시동 과정이 필요했죠. 예전에는 별도의 스타터를 연결해 사용했지만, 최근에는 전자식 안정기에 통합되어 있는 것이 대부분입니다.

저압 가스 방전 램프

저압 가스 방전램프는 오랫동안 가로등이나 터널 조명의 램프로 사용되어 왔습니다. 이러한 조명들의 특징은 많은 조명을 오랜 시간 켜 두어야 한다는 점과, 램프 교체에 상당한 비용이 든다는 특징을 가지고 있지요. 그렇기 때문에 높은 효율과 긴 수명이 무엇보다 중요했습니다.

저압 가스 방전램프의 경우, 방전 튜브 내부의 가스 압력은 진공에 가깝습니다. 작동 시 온도가 상대적으로 낮고 램프의 길이는 비교적 깁니다. 그래서 긴 튜브를 접거나 말아놓은 형태의 램프들이 개발되기도 했죠. 조명용 저압 가스 방전등에는 주로 수은이나 나트륨 가스가 사용됩니다.

저압 가스 방전 램프는 백열등보다 효율이 월등히 높습니다. 저압 수은등은 최대 8배 높은 효율을 보이며, 오렌지빛의 단색광 램프인 저압 나트륨램프는 최대 15배에 이릅니다. 또한 가스 방전 램프는 빛을 내기 위해 가열된 필라멘트를 사용하지 않기 때문에 백열등보다 훨씬 긴 1만 시간에서 2만 5천 시간 이상의 긴 수명을 갖습니다.

고압가스 방전 램프

고압가스 방전등에서 방전관 내부의 작동 가스 압력은 약 1 대기압입니다. 가스의 온도는 섭씨 4,000도에서 6,000도에 이릅니다. 그리고 저압 램프에 비해 고압 램프는 훨씬 크기가 작습니다. 저압 가스 배출과 마찬가지로 고압 수은과 고압 나트륨램프에 수은이나 나트륨 가스가 사용됩니다. 수은을 사용하는 고압가스 램프를  메탈할라이드 램프(Metal halide lamp)라고도 불리며, 나트륨을 이용한 고압가스 램프는 고압나트륨 램프(High-pressure sodium lamp) 또는 화이트썬(White SON)램프라고도 불립니다. 또 이러한 고압가스 방전등 그룹을 묶어 HID(High Intensity Discharge) 램프라고 부르기도 합니다.

이미 언급한 바와 같이, 가스 방전 램프는 백열등보다 훨씬 효율적입니다. 고압 램프: 최대 10배 이상 더 효율적입니다. 또한 수명은 훨씬 더 깁니다: 고압가스 램프의 수명은 1만 시간에서 2만 5천 시간 이상입니다.

형광 램프 (Fluorescence)

가스 방전 램프에서는 생성된 빛이 모두 가시광선 범위에 있는 것은 아닙니다. 저압 수은등의 경우, 발생하는 대부분의 빛은 자외선의 영역입니다. 가시광선은 자외선 근처의 파란색 가시광선이 약간 포함되어 있는 정도입니다. 이를 가시광선으로 변환하기 위해 방전 튜브 내부를 발광 파우더로 코팅합니다. 이것은 튜브형 저압 수은 램프에 사용되는 방법입니다.

자외선을 발광 파우더에 비추어 가시광선으로 변환시키는 모습

자외선을 다른 파장(색상)의 가시광선으로 변환하기 위해 많은 다양한 발광 분말을 사용할 수 있습니다. 이 광택 분말의 종류와 비율에 따라 각기 다른 색의 램프를 만들 수 있습니다. 또한 형광 파우더로 코팅하지 않은 램프에서는 자외선이 그대로 방출되게 됩니다. 살균 등에 사용되는 UV램프가 투명한 형광램프의 형태를 지닌 이러한 원리를 기반으로 한 것이기 때문입니다. 이렇게 가스 방전램프는 우리 삶 속 다양한 곳에서 사용되고 있습니다.

UV램프

이번 시간에는 가스 방전으로 인해 만들어지는 빛의 원리와 그에 따른 램프들에 대해 알아보았습니다. 백열전구의 발명에서 가스방전으로 인공조명의 범위가 넓어지면서, 보다 높은 효율과 수명, 다양한 밝기와 색상의 램프들을 사용할 수 있게 되었지요. 하지만 여기서 광원 발전의 역사가 끝난 것이 아닙니다.

다음 시간에는 불과 최근 십여 년 사이에 이러한 이전의 램프들을 교체하며 주된 광원으로 사용되고 사용되고 있는 LED 램프의 원리인 고체 방전에 대해 알아보도록 하겠습니다. 그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.