전구는 어두운 공간을 환하게 비춘다. 오늘날, 전구는 세균을 흡착하고 냄새를 제거하는 자외선 조명, 음이온 발생 램프, 식물재배에 이용하는 LED광원, 물리치료에 사용하는 적외선 조명, 그리고 인간의 감성까지 조절할 수 있는 기능성 조명으로써 미지의 세계까지 환하게 비추고 있다. 또한 전구는 장식품과 오브제로써 전시관이나 거리 곳곳에 자리 잡고 있다. 전구는 더 이상 다른 무언가를 비추는 대상이 아닌, 스스로 밝게 빛나는 하나의 예술인 것이다.
전구의 역사
조명의 역사는 수십만 년 전, 인간이 불을 사용하면서부터 시작되었다. 초기의 불은 음식물을 익히고 몸을 따뜻하게 하는 데 사용했는데, 이후 동물이나 식물에서 얻은 기름을 사용해 불을 오래 유지할 수 있게 되면서 램프나 양초 등을 통해 조명으로서의 역할을 하게 되었다.
유럽에서는 18세기 중엽에서 말경에 이르기까지 산업이 발달함에 따라 대규모 공장이 생기고, 대량 생산을 위해서 밤에도 일을 해야만 했다. 그래서 밝은 조명이 필요하게 되었으며 이때 등장한 것이 가스등이었다. 그러나 가스등의 불빛은 어둡고 사고 위험도 있었기 때문에 더 좋은 조명이 필요했다.
1808년 험프리 데이비(Humphry Davy)가 탄소에 전류를 흘리면 빛이 발생하는 것을 발견하여, 파리의 콩코드 광장에 2,000개의 전지로 탄소아크 가로등을 점등한 것이 전등의 시초이다. 이 전등은 빛이 너무나 강렬해서 가정에서는 사용할 수가 없었다.
1879년 10월 21일 미국의 토머스 에디슨(Thomas Alva Edison)이 면으로 된 실을 탄화시킨 필라멘트를 사용해 44시간 점등한 후 실용화하기에 이른다. 물론 에디슨 이전에도 많은 과학자들이 전구 발명에 힘써 왔기에 에디슨이 최초의 발명가는 아니다. 그러나 에디슨은 영국의 조지프 스완(Joseph Wilson Swan)과 합작하여 전구 실용화에 성공한 발명가임에는 틀림이 없다.
전구 실용화에 성공한 미국의 발명가, 토머스 에디슨. <출처: wikipeda>
1894년 셀룰로오스(cellulose)를 사용한 탄소필라멘트 전구가 사용되었으나 고온에서 탄소가 증발하여 전구 안쪽이 검게 되는 문제가 있었다. 1910년 미국의 쿨리지(William David Coolidge)가 텅스텐을 가는 선으로 만드는 데 성공해, 필라멘트에 사용함으로서 전구의 수명은 더 길어지게 되었다. 1913년 미국의 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)는 고온에서 필라멘트가 끊어지는 것을 방지하기 위해 유리구 속에 질소 가스를 주입하여 전구의 수명을 길게 하였다. 지금의 전구는 아르곤 가스와 질소가스를 혼합하여 사용하고 있으며 필라멘트는 효율을 높이기 위하여 코일모양으로 감아서 사용하고 있다.
우리나라에서는 1887년 3월 6일 경복궁 건청궁에서 최초로 전등을 사용했다. 미국에 다녀온 사절단이 어두운 밤을 대낮같이 밝게 해주는 전구에 대해 고종에게 설명하고 발전소 건설을 건의했다. 고종은 미국의 에디슨 전기회사에게 전기공사를 맡기게 되었고 에디슨 전기회사는 건청궁 앞에 있는 연못(향원지)의 물을 끌어들여 전기를 만드는 발전소를 지어 우리나라 최초의 전등불을 밝혔다.
열복사에 의해 백색광을 내는 백열전구 어둠을 밝히는 전등은 빛을 내는 원리에 따라 다음과 같이 분류한다. 백열전구와 같이 열복사에 의해 빛을 내는 것, 형광등과 같이 방전에 의해 빛을 내는 것, EL(Electro-Luminescence)과 LED(luminescent diode, 발광다이오드)와 같이 전계(전기장)에 의해 빛을 내는 것, 레이저 발광, 플라즈마 발광 등이다. 그러면, 밤을 대낮처럼 밝히는 전구는 어떤 원리로 빛을 낼 수 있을까?
모든 물체는 온도를 높이면 열복사(thermal radiation)가 일어난다. 전열기는 저항체에 전류를 흘러주면 저항체에서 발생하는 열을 이용하는 기기이다. 백열전구도 전열기와 마찬가지로 저항체 필라멘트에 전류를 흘려주면 열이 발생하고 온도가 높아지며 백색광의 빛을 낸다. 이것이 바로 백열전구의 원리이다. 필라멘트에 열이 발생하고 빛을 내려면 적당한 저항을 가져야 한다. 물체의 저항은 다음과 같은 식으로 표현한다.
여기에서 R은 도선의 저항, l은 도선의 길이, S는 도선의 단면적, ρ는 도선의 비저항이다. 비저항 값은 도선의 온도 및 재질 등에 관계되며 단위는 옴·미터(Ω·m)이다. 필라멘트의 재료로 텅스텐을 사용하면 적당한 저항값으로 열과 빛을 낼 수 있다. 그러나 백열전구는 다른 조명 기구에 비하여 빛 효율이 낮다. 그 이유는 사용전력의 5% 정도만 빛을 내는 데 쓰이고 나머지 95%는 열로 나오기 때문이다.
백열등의 구조
백열등은 유리구 안에 들어 있는 스템 끝의 앵커에 필라멘트가 매달려 있고, 도입선을 통해 밖으로부터 필라멘트에 전기가 공급되어 빛을 낸다. 베이스는 전구를 전원에 접속하기 위하여 부착시키는 부분이며, 황동이나 알루미늄을 사용하고 있다. 도입선은 베이스 단자와 필라멘트를 연결하는 선이며, 안쪽 도입선, 바깥쪽 도입선, 봉착부 도입선으로 되어 있다. 바깥쪽 도입선은 동선(구리선)을, 안쪽 도입선은 동선 또는 니켈을 주로 사용한다. 봉착부에서는 도입선이 유리를 통과하므로 공기가 새지 않도록 유리와 팽창계수가 거의 같은 듀멧선 (dumet wire)이 사용된다. 앵커를 고정하기위한 스템유리로는 가공성이 우수한 납유리가 쓰이고 있다. 앵커는 필라멘트가 움직이지 않도록 지지하는 것으로, 높은 온도에서도 변하지 않으며, 유리와 잘 밀착되는 몰리브데넘선(molybdenum wire)을 주로 사용한다.
필라멘트는 녹는점이 높고, 높은 온도에서 증발성이 작아야 한다. 증발하기 쉬운 금속은 금속표면으로부터 분자가 증발하여 필라멘트가 가늘게 되고, 또한, 증발한 분자는 유리구 안쪽에 달라붙어 검게 된다. 이러한 조건에 맞는 전구의 필라멘트는 텅스텐이 가장 적당하다. 텅스텐은 녹는점(약3400℃)이 탄소(약3550℃) 다음으로 높고 팽창계수도 매우 적으며 필라멘트 모양이 거의 변하지 않는다. 백열등의 필라멘트는 진공 상태의 높은 온도에서 증발하기 쉬우므로 이를 막기 위해 유리구 안에 아르곤과 질소의 혼합가스를 넣고 밀봉해 만든다. 유리구는 필라멘트로부터 복사되는 빛을 투과시키는 역할을 해야 하므로 보통 연질의 소다석회유리를 사용하고 있으나, 전력이 큰 전구에는 높은 온도에 견딜 수 있는 경질의 붕규산 유리가 사용된다. 또한, 필라멘트의 고휘도로 인한 눈부심을 방지하기 위하여 유리구 안쪽에 백색분말인 실리커 분말을 칠하여 밝기를 낮추기도 한다. 배기관은 전구안의 공기를 빼내거나 가스를 넣을 때 사용하는 것이며, 사용 후 밀폐한다.
백열전구의 이용 그리고 현재와 미래 백열등의 수명은 약 1000시간 정도이며, 출력(전력)은 다양하다. 또한 백열등은 같은 밝기의 형광등에 비해 에너지 소모가 2~3배 정도 많지만 켤 때 에너지 소모가 적어 자주 켜고 꺼야 하는 현관이나 화장실 등에 사용한다. 특히 빛이 부드럽고 따뜻한 느낌을 주어 아늑한 분위기를 연출하는 곳이나 장식을 위한 조명에 적합하다. 또한, 자연색광을 그대로 연출하여 식탁이나 식당에 사용하면 음식의 맛을 돋울 수 있다.
에디슨이 1879년에 진공 탄소필라멘트를 사용한 전구를 실용화한 이후 크립톤 전구, 할로젠 전구 등 여러 가지로 개량되어 오고 있다. 할로젠(할로겐) 전구는 브로민(브롬)이나 아이오딘(요오드) 등의 할로젠 물질을 주입하여 전구의 수명을 길게 하고 효율을 좋게 하였다. 백열전구에 비하여 크기가 작고 색상을 표현하는 연색성 이 매우 우수하여 자동차의 헤드라이트, 비행장의 활주로, 무대 조명, 백화점, 인테리어 조명의 광원으로 많이 사용된다. 크립톤 전구는 크립톤 가스를 주입하여 전구의 수명을 길게 하고 효율이 뛰어나 일반 조명 및 장식용으로 사용된다.
인간의 감정을 조절하는 LED 조명
식물재배 실험에 사용되는 LED panel light, 최근에는 감성조명이나 인터랙티브 조명, 지능형 조명 등에 대한 연구가 진행되고 있다. <출처: wikipeda>
찬란한 빛을 내며 인간과 함께 해온 백열전구가 사라질 위기에 있다. 미국, 호주, 유럽연합 등은 백열전구의 사용을 금지한다는 방침을 공식화했다. 우리나라도 백열전구의 점진적인 퇴출을 유도하고 있으며 2009년, 공공 기관 내 백열전구는 상대적으로 수명이 긴 형광램프나 할로젠램프로 교체되었다고 한다. 2013년 이후에는 백열전구가 사라질 것으로 예상된다. 그 이유는 백열전구의 에너지 소모량이 형광등이나 삼파장램프, LED전구에 비해 많아 환경을 해롭게 하기 때문이다. 백열전구는 월등한 가격경쟁력과 뛰어난 색감, 탁월한 색상 구현력 등의 장점이 있음에도 불구하고 수명이 짧고, 전력의 소모가 많다는 이유로 세상과 결별할 운명에 처해 있는 것이다.
그러면 백열전구를 대체할 가장 좋은 조명은 무엇일까? 대부분의 학자들은 LED 조명이라고 말한다. LED는 아래 위에 전극을 붙인 전도물질에 전류가 통과하면 전자(-)와 정공(+)이 결합할 때 에너지 차이에 해당하는 파장을 갖는 빛이 나오는데 이 빛이 LED 빛이다. 이때 방출되는 빛의 색깔은 사용되는 재료에 따라 달라진다. 이 LED 빛은 전력 소비량이 낮고 광 변환 효율이 높아 기존의 백열등과 형광등을 대체할 수 있는 차세대 광원으로 주목받고 있다.
LED 조명은 외부 충격에 강하고, 안전하며 50,000시간 이상의 수명을 보장한다. 그리고 수은이나 충전 가스 등 인체에 유해한 물질을 사용하지 않아 친환경적인 조명이다. 최근 많이 연구되고 있는 조명분야는 감성조명이나 인터랙티브(interactive) 조명, 지능형 조명 등이 있다. 특히 감성조명용 LED조명은 시간이나 주변환경 그리고 사용자의 감성에 맞추어 자유로운 색온도와 색좌표 조절이 가능하여 인간의 감성과 교감하는 새로운 차원의 조명을 제공할 수 있다. 이 조명을 학생들이 활용하면 더욱 효율적으로 학습할 수 있는 날이 오지 않을까.
(dumet wire)이 사용된다. 앵커를 고정하기위한 스템유리로는 가공성이 우수한 납유리가 쓰이고 있다. 앵커는 필라멘트가 움직이지 않도록 지지하는 것으로, 높은 온도에서도 변하지 않으며, 유리와 잘 밀착되는 
이 매우 우수하여 자동차의 헤드라이트, 비행장의 활주로, 무대 조명, 백화점, 인테리어 조명의 광원으로 많이 사용된다. 크립톤 전구는 크립톤 가스를 주입하여 전구의 수명을 길게 하고 효율이 뛰어나 일반 조명 및 장식용으로 사용된다.
