안녕하세요? 반갑습니다. 프로페서 B입니다.
우리는 자연에서 아주 많은 빛을 공급받습니다. 자연의 빛은 시간에 따라 달라지는 하늘에 태양빛에서부터 아니라 밤하늘 빛나는 별, 그리고 때로는 구름 사이에 치는 번개까지 그 모습이 다양합니다. 인류는 이런 자연의 빛을 활용 하면서도, 스스로 빛을 만드는 방법에 대해 끊임없이 연구해왔습니다. 모닥불이나 촛불처럼 물질을 태움으로써 얻는 빛으로 시작해 전기를 통해 빛을 얻는 다양한 방법들이 개발되었습니다. 앞으로 세 번의 강의를 통해 빛이 만들어지는 방법들에 대해, 그리고 그 방법에 따른 다양한 램프의 종류에 대해 이야기해보도록 하겠습니다.
열방사 Thermal Radiation
온도가 상승해 전자기파를 방출하는 것을 열방사(Thermal Radiator)라고 합니다. 우리가 쉽게 볼 수 있는 열방사의 대표적인 예는 태양과 백열전구를 꼽을 수 있습니다.
고체가 약 525°C의 온도로 가열되면 어두운 적색 빛이 방출되기 시작합니다. 온도가 상승하면 색상이 흐릿한 빨간색에서 선명한 빨간색으로, 이어 주황색, 노란색, 흰색으로 바뀌며 마지막으로 녹는점에 도달하면 청백색을 띠게 됩니다.
흑체복사 Black body Radiation
가열된 물체에서 나오는 빛의 특성은 물체를 이루고 있는 재료에 의해 조금씩 달라집니다.
따라서 이러한 특성을 안정적으로 분석하기 위해 가열되는 물체에 대한 정의가 필요했습니다. 그래서 우리는 모든 파장의 빛을 흡수하고, 또 방출하는 이상적인 물체를 '흑체’라 정의합니다. 어떤 빛도 반사하지 않고 흡수하기에 검은색으로 보인다고 하여 ‘흑체(Black Body)’라 이름 붙인 것이지요. 그리고 이 흑체가 가열되어 전자기파가 나오는 것을 ‘흑체 복사’라고 합니다.
광 스펙트럼 Optical Spectrum
가열되어 나오는 빛의 정확한 특성은 가열되는 재료에 따라 조금씩 달라집니다. 광원에서 방출되는 빛의 구성을 광 스펙트럼(Light Spectrum)이라고 하며, 광 스펙트럼은 다양한 색 구성을 나타냅니다. 그리고 가시광선 파장 범위 내에서 끊기지 않고 연속적으로 빛이 검출되는 파장의 분포를 연속 스펙트럼이라고 합니다.
색온도 Color temperature
열방사를 통해 나오는 빛의 색상을 정의하기 위해 가열된 물체의 온도를 의미하는 “색온도(Color Temperature)” 라는 표현을 사용합니다. 색온도는 다음과 같이 절대온도인 캘빈(K)으로 표현하는 것이 일반적입니다.
초를 태울 때 나타나는 불꽃은 2,000K의 노란색의 빛을 발산합니다. 백열전구를 통해 나타나는 빛은 약 2,700K ~ 2,800K의 황백색이며, 정오의 태양빛은 5,000K의 흰색입니다. 색온도가 낮을수록 빛의 색이 더 따뜻하고 적외선의 양이 많아집니다. 반대로 색온도가 높을수록 빛의 더 차가운 색을 띠며, 생성되는 자외선의 양이 더 많습니다.
스펙트럼 에너지 분포곡선 spectral energy distribution curve
위의 그림은 흑체를 기준으로 한 스펙트럼 에너지 분포 곡선입니다. 스펙트럼 에너지 분포 곡선은 서로 다른 색온도의 흑체 방사체에서 나오는 파장별 에너지의 양을 나타냅니다.
예를 들어 가장 밑의 2000K의 흑체복사 곡선을 보면, 대부분 방출되는 것은 적외선이며 우리 눈에 보이는 가시광선의 비율은 매우 적다는 알 수 있습니다.
이처럼 온도가 증가함에 따라 복사에너지의 최고점은 더 짧은 파장으로 이동합니다. 각 파장의 최고점을 연결한 흰 점선을 보면, 3,700K와 7,600K 사이에서의 최고점은 가시광선 영역 내에 있다는 것을 알 수 있습니다.
그러면 이제 이러한 열방사를 통해 빛을 내는 대표적인 두 가지 광원에 대해 알아보겠습니다.
백열전구 Incandescent light bulb
백열전구는 인류에게 전기를 통한 최초의 빛을 만들어준 광원입니다. 필라멘트를 가열하여 빛을 생성하며 2,700K~2,800K의 색온도를 갖습니다. 흑체복사의 스펙트럼 에너지 분포 곡선을 생각하면 백열전구의 특성을 보다 쉽게 이해할 수 있습니다.
표를 참고하면 2,700K~ 2,800K의 범위의 열방사는 대부분의 에너지를 가시광선보다는 적외선이나 열 형태로 방출한다는 것을 알 수 있습니다. 소비하는 에너지의 약 5%만이 가시광선 또는 빛으로 변환되는 낮은 효율을 갖습니다. 이것은 백열전구가 소비되는 에너지에 비해 효율이 낮은 광원이라고 이야기하는 이유입니다.
게다가 백열전구의 필라멘트는 빛을 내기 위해 온도가 매우 높아야 하기 때문에 필라멘트의 재료는 비교적 빠르게 증발합니다. 결과적으로 램프의 수명은 1,000시간 정도이며, 이는 다른 램프에 비해 매우 짧은 편에 속합니다.
처음으로 인류의 밤을 밝혀 준 상징적인 광원이며, 비교적 풍부한 파장의 빛을 가지고 있는 백열전구지만, 낮은 색온도를 띠는 열방사 램프의 이러한 효율과 수명 문제 때문에 지금은 그 사용량이 많이 줄어들었습니다.
할로겐 Halogen
할로겐램프는 전구에 할로겐 가스를 주입하여 만든 램프입니다. 이는 필라멘트가 더 빨리 증발하지 않도록 해 수명과 효율을 동시에 올리는 효과를 가져옵니다. 증발된 필라멘트 재료(텅스텐)는 할로겐과 화학적으로 반응하여 다시 필라멘트로 되돌아옵니다. 이 과정을 할로겐 사이클이라고 합니다. 이 프로세스 덕분에 할로겐램프의 수명은 일반 백열전구보다 훨씬 깁니다.
또한 할로겐램프의 필라멘트 온도는 3,000K입니다. 높은 색온도에서 효율이 더 좋아진다는 것을 우리는 스펙트럼 에너지 분포 곡선을 통해 확인했습니다. 때문에 할로겐램프의 효율과 수명은 일반 백열전구에 비해 2~3배 더 높습니다. 백열전구에 비해 높은 에너지 효율과 수명, 그리고 작은 크기에도 효과가 좋은 램프의 특성 때문에 전시 또는 상업조명 등에 많이 사용되었습니다. 하지만 백열전구에 비해서 나아졌을 뿐, 할로겐램프도 최근에 개발된 다른 광원에 비해 낮은 효율에 속하기 때문에 그 사용량은 많이 줄어들었습니다.
오늘은 이렇게 ‘열에 의한 빛'과 그 빛을 사용해 만들어진 램프 두 가지에 대해 알아보았습니다. 한 편으로는 인류가 늘은 단순히 태워서 얻는 빛에서 출발해, 전기를 통해 빛을 얻게 되는 백열전구와 할로겐램프를 발명했다는 것에 뿌듯하면서도, 다른 한편으로는 태양을 얼마나 대단한 광원인지를 느끼며 다시 한번 자연의 신비에 놀라게 됩니다.
다음 시간에는 가스를 통해 만들어지는 빛과 광원들에 대해 이야기해보겠습니다.
그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.
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