[발광의 원리] 백열등 · 형광등 · LED는 어떻게 빛나는 것일까?

밤에도 밝은 인간의 생활. 문명 이후 인간은 다양한 기술을 이용하여 삶에 빛을 가져왔습니다.
수천 년 동안 사람들은 등불의 불에 의존했고 원료로 나무 · 기름 · 가스 순으로 변천해왔습니다만, 그 기본원리는 동일합니다.

그러나 전기라는 새로운 에너지가 발견되면서 백열등 · 형광등 · LED 등 새로운 원리의 등불이 발명되었습니다. 이 전등들은 모두 전기를 사용하고 있다는 점에서 동일하지만 원리는 모두 제각각입니다.

빛이란 전자파이며 에너지의 일종입니다. 불이 화학에너지를 사용하여 발광하는 것처럼, 전등은 전기(전자)에너지를 빛으로 변환합니다.

백열전구의 원리

백열전구는 조셉 윌슨 스완이라는 영국인에 의해 1860년에 발명되었습니다. 전구라고 하면 에디슨이 유명하지만, 발명 자체는 스완 씨가 먼저입니다. 에디슨은 전구의 핵이라고도 할 수 있는 발광하는 필라멘트라는 부품에 대나무를 사용하여 처음으로 장시간 사용할 수 있는 수준의 전구를 발명하였고 대중화에 성공했습니다. 덧붙여서, 스완 씨와 에디슨은 공동으로 회사를 설립했습니다.

백열전구는 전기를 이용한 등불이면서 전등의 시조라고도 할 수 있는 존재로, 지금도 계속 사용하고 있는데, 그 원리는 비교적 간단합니다. 한마디로 말한다면, 전자가 필라멘트 속을 고속으로 움직였을 때 발생하는 마찰(전기저항)에 의한 발광입니다.

마찰로 열이 발생한다는 것은 감각적으로 이해가 될 것입니다. 열이란 원자의 진동에 의해 발생하고 있는데, 이 때 대부분의 원자는 열과 동시에 전자파(빛)을 발생시키고 있습니다. 이 현상을 열복사라고 합니다.

그럼 왜 마찰이 발생하는 것일까요?

전기를 흐른다는 것은 전자가 흐른다는 것과 같은 의미입니다. 그러나 방향은 반대. 이것은 전류의 흐름 방향을 정의할 때 전자가 마이너스의 성질을 가지고 있다는 것이 알려져 있지 않았던 것이 원인입니다.

전자가 흐르는 것은 필라멘트 및 도선 중입니다. 필라멘트 및 도선은 보기에도 고체입니다. 무언가가 흐를 것처럼 보이지 않습니다. 그런데 전자는 매우 작아서 작은 벌레가 방충망을 통과하듯 필라멘트의 작은 틈새를 누비며 이동합니다. 하지만 그것이 너무 좁기 때문에 전자가 필라멘트의 원자에 부딪쳐 마찰(원자의 진동)이라는 형태로 발열과 발광을 하게 됩니다. 엄밀히 말하면, 이것은 '마찰'이 아닌 '저항'이라는 것으로, 저항 현상을 이미지하는 데 도움이 될 것입니다.

전기 스토브나 오븐 토스터 등에 전기를 흘리면 열을 발생함과 동시에 빛나는 것은 그 때문입니다. 발생한 빛(적외선)이 다른 물체(원자)에 닿으면 원자가 진동하여 열을 발생되기 때문에 물체가 따뜻해집니다. 열화상 카메라 등은 열과 함께 발생하는 빛을 사용하여 열원을 영상화하고 있습니다.

전자는 것은 모든 물체에 포함되어 있는데, 물체에 따라 전자와의 마찰(저항)의 정도나 발생하는 열과 빛의 비율이 다릅니다. 전구의 필라멘트에 사용되는 것은 꽤 빛의 비율이 많은 물질이지만, 물체에 따라서는 열 비율이 너무 많아서 발화해버릴 수도 있습니다. 전구에서 가장 중요한 것은 이 필라멘트 물질의 선정이었습니다. 필라멘트는 구리 → 대나무 → 텅스텐과 변천해왔는데, 최근의 전구는 발생한 빛을 효율적으로 확산시키고 수명을 연장하는데 중점을 두고 있는 것 같습니다.

형광등의 원리

전자의 마찰(저항)만을 사용하고 있던 전기이지만, 형광등은 조금 다릅니다. 전자를 흘리고 원자에 부딪치는 과정은 동일하지만 빛의 발생 원리를 포함해 그 다음의 과정은 독특합니다.

먼저 전기가 흐르는 필라멘트 및 도선이 아닌 가스 중 방전현상으로, 형광등에 수은가스가 들어있어 전자가 수은가스에 부딪칩니다. 수은가스에 전자가 부딪치면 원자가 진동하는 동시에 자외선(보이지 않는 빛)이 발생합니다. 그것이 유리관에 그려진 형광도료에 부딪혀 형광도료가 발광합니다.

왜 일부러 이런 장황한 방법을 사용하는가 설명하면, 전자가 부딪칠 때 수은은 매우 효율적으로 빛을 발생시키는 있지만, 그 빛이 너무 강하기(자외선) 때문에 감쇠와 확산을 위한 단계가 필요하게 된 것입니다. 덧붙여서, 수은의 발광효율이 좋은 이유는 빛을 발하는 원리의 차이에 있습니다.

형광등은 수은원자에 전자를 부딪칠 때의 방전현상을 이용하고 있습니다만, 방전현상에 의해 발사된 전자(자유전자)는 일반적으로 도선에 전기를 흘릴 때보다 훨씬 높은 에너지를 가지고 있습니다. 수은원자는 다른 원자처럼 원자핵과 전자로 구성되어 있는데, 수은에 부딪쳐 방전된 전자가 가지고 있는 에너지는 원자핵 자체뿐만 아니라 수은전자에도 주어집니다. 과도한 에너지를 가진 상태로 인해 불안정하게 된 전자는 가지고 있던 에너지를 빛(자외선)으로 방출하며 원래대로 돌아갑니다.

방전으로 높은 에너지를 실어 날린 전자는 마찰이라기 보다는 격돌이라고 말해도 좋을 정도의 기세로 원자에 부딪혀 그 기세로 원자에 붙어 있던 수은전자가 뛰어오르며 수은원자가 원래의 위치로 돌아올 때 빛을 발합니다.

light emission by excited atoms
https://images.app.goo.gl/NcChybGjKCHRS8M17

이미지: Aurora (Northern Lights) - light emission by excited atoms

덧붙여서, 전등의 공급에너지는 전기에너지이며, 열을 발생시키며 에너지를 사용해버리는 백열전구는 매우 효율이 낮습니다. 그 점에서, 수은은 백열전구보다 열이 발생하지 않고 낭비가 적기 때문에 매우 에너지가 절약된다고 할 수 있습니다.

LED의 원리

LED의 발광원리 자체는 형광등의 수은과 비슷합니다. 전자에 과도한 에너지를 주어 불필요한 에너지를 방출합니다. 그러나 전자에 과도한 에너지를 주는 과정이 완전히 새로운 기술입니다.

 
정공과 전자가 충돌할 때, 전자가 가진 에너지를 방출하고 빛을 냅니다. 정공은 플러스 성질을 띤 전자처럼 움직입니다. 정공이라는 것은 전자가 없는 구멍입니다.

수중의 거품으로 예를 들면, 거품은 아무것도 들어있지 않은 공기이지만, 주위가 모두 물이므로 거품이란 물체가 존재하는 것처럼 보입니다. 게다가 물은 아래로 떨어지지만 거품은 위로 올라갑니다.

이 전자 안의 거품이 정공이라고도 말할 수 있습니다. 전자가 있기 때문에 정공이라는 무언가가 존재하고 있는 것처럼 전자와 반대 방향으로 움직이는 것입니다.

그럼 왜 이 전자의 거품과 전자가 부딪치면 발광하는 것일까요?

'과도한 에너지를 가진 전자가 에너지를 방출할 때 빛을 발한다'고 설명했는데, 형광등이 억지로 전자에 에너지를 주고 과도한 에너지를 방출시키는 반면, LED는 전자가 떨어지는 구멍을 만들어 전자가 일반적으로 가지고 있던 에너지를 방출시켰다고 표현할 수 있습니다.

이 정공을 실현한 것이 반도체이며, 기술을 비약적으로 발전시키는 데 도움이 되었습니다. 백열등이나 형광등보다 훨씬 에너지가 절약되며 더욱 소형화가 가능하므로 21세기의 전등이라고 할 수 있습니다.

백열등은 저렴하면서도 열을 내고 있어서 열과 빛 모두가 필요한 환경(온실 등)에서는 편리합니다. 또한 '열(진동)'로 빛을 내고 있어서 교류전류로 빛이 반짝이거나 하지 않습니다. 형광등이나 LED 조명에서 사진을 찍으면 교류전류는 사람의 눈에는 보이지 않는 수준으로 깜박하고 있어서 좋은 빛을 얻을 수 없습니다. 그러나 등불로는 에너지 효율이 매우 나쁘고, 환경에 악영향(전기의 낭비)을 미칩니다.

한편 에너지적으로는 효율이 좋은 형광등이지만 인체에 유해한 수은을 사용하고 있어서, 2020년을 목표로 세계적으로 수은 사용규제가 시작됩니다(미나마타 조약). 수은을 사용하지 않는 형광등이 발명되지 않는 한, 형광등도 확실히 규제대상이 되기 때문에 언젠가 형광등은 사용하지 않게 될 것으로 생각됩니다.

즉, 2020년 이후 전등의 대부분이 LED로 대체될 것으로 예상합니다.

수십 년 후 백열등이나 형광등을 보고 옛날을 그리워하게 될지도 모릅니다.

 
출처 참조 번역
· Wikipedia
· 発光の仕組み、白熱電球・蛍光灯・LEDは何故光るのか？人が作った技術の光
https://stonewashersjournal.com/2014/07/30/lightsofhuman/amp/