형광등의 원리 - 어떻게 빛을 낼까?

“아~! 그거였어?” 누군가 대화 중에 훨씬 전에 했던 이야기를 그제야 이해하여 이렇게 소리칠 때 우리는 그 사람을 ‘형광등’에 비유하고는 한다. 이것은 형광등이 켜질 때 스위치를 누른 후 바로 켜지지 않고 조금 있다가 켜지는 것을 빗대어 말하는 것이다. 조명 기구의 대명사 격인 형광등은 어떻게 빛을 내는 구조이기에 전원이 들어가고도 바로 켜지지 않고 조금 있다가 켜지는 경우가 생기는 것일까? 형광등의 역사

형광등이 언제 만들어졌는지를 알아보기 위해서는 전구의 역사를 알아보아야 한다. 많은 사람들이 아는 것처럼 현재 실용화된 전구는 에디슨(T. A. Edison)에 의해 1879년 발명되었다. 에디슨은 탄소 필라멘트를 사용하여 40시간 정도 빛을 내는 전구를 만들었다. 사실 전구는 1808년 산업혁명이 한창일 때 화학자 험프리 데이비(H. Davy)가 2개의 탄소 전극 사이에서 방전을 일으켜 주위의 공기가 이온과 전자로 나누어지는 플라즈마 상태의 아크방전을 시키는 아크등이 최초이다. 이 아크등은 실내에서 사용하기에는 무리가 있어 실용화되지 않았다. 에디슨의 탄소 필라멘트가 잘 끊어지는 것을 보완하여 1910년 쿨리지(W. D. Coolidge)가 현재 쓰이는 텅스텐 필라멘트를 발명하여, 전구가 더 밝고 수명도 길어지게 되었다. 요즘 사용하는 백열전구는 아르곤에 소량의 질소를 혼합한 가스를 넣어 텅스텐의 증발을 막아 전구의 수명을 더 늘렸다.

프랑스의 물리학자 알렉산더 에드먼드 백쿼렐, 전기 방전으로 빛을 낼 수 있다는 자신의 이론을 실험적으로 증명해 형광등의 실용화 과정에 기여했다.  <출처: wikipedia>

이러한 백열전구에 비해 긴 수명, 높은 발광 효율 등의 장점을 가진 현재의 형광등은 1938년 General Electric(GE)사의 인만(G. Inman)이 발명하여 특허를 내어 실용화한 것이다. 형광등은 사실 1857년 프랑스의 물리학자 알렉산더 에드먼드 백쿼렐(Alexandre E. Becquerel)이 전기 방전으로 빛을 낼 수 있다는 자신의 이론을 실험적으로 증명해 보인 후 1901년 미국의 피터 쿠퍼 휴잇(Peter Cooper Hewitt)이 수은 방전등을 만든 것을 거의 지금의 형광등이라고 보는 경우도 있고, 1927년 에드먼드 저머(Edmund Germer)가 몇 명의 동료들과 함께 시험적인 형광등을 만들어낸 것을 시초로 보는 경우도 있다. 형광등의 구조 백열전구가 필라멘트에 흐르는 전류에 대한 저항에 의한 발열을 이용한 것이라면, 형광등은 기체나 증기 중의 방전 에 의해 발생하는 빛을 광원으로 이용한다는 점에서 발광원리가 다르다. 이를 위한 형광등의 구조는 다음과 같다. 일반적으로 형광등은 형광방전관, 안정기, 점등관, 콘덴서 등으로 구성되어 있다.

형광등의 구조.

형광방전관유리관 속의 공기를 빼고 아르곤과 수은 증기를 넣은 관으로, 안쪽 벽에는 형광물질이 발라져 있다. 이 형광물질에 따라 여러 가지 색을 낼 수 있는데 형광등 벽에 발라진 것이 규산아연이면 푸른 색, 텅스텐산마그네슘은 청백색, 규산아연과 망간은 녹색, 붕산카드뮴은 분홍색을 낸다. 이 형광방전관의 양끝에는 이중 코일로 된 텅스텐 필라멘트의 전극이 존재하며, 표면에 산화바륨과 산화스트론튬 등이 입혀져 있어 전자의 방출이 쉽게 일어나도록 되어 있다. 점등관 (= 글로 램프, 글로 스타터)유리관 내에 고정 전극과 바이메탈 의 가동전극(고정되지 않은 전극)을 설치한 후 아르곤 가스를 넣은 것이다. 전원이 연결되면 점등관에 전원전압이 직접 걸리게 되고, 점등관의 전극이 방전되며 바이메탈이 가열되게 된다. 가열된 바이메탈이 고정전극 방향으로 휘어 고정전극에 접촉되면 형광등의 회로가 연결되어 형광방전관의 필라멘트에 전류가 흘러가게 된다. 처음 전류를 흘려주면 역할이 완료되므로 ‘스타터’라고도 불린다. 안정기철심에 가는 구리선을 감은 코일로 점등관의 바이메탈이 전류를 끊는 순간 형광 방전관의 방전에 필요한 높은 전압을 순간적으로 일으키고, 방전을 개시한 뒤 전류를 안정시켜 계속 공급해주는 역할을 한다. 콘덴서형광방전관이 방전을 준비하는 사이 점등관의 바이메탈이 냉각되면 고정전극에서 가동전극이 떨어져 전류를 차단하게 되는데 이 때 고주파 전류가 생성되어 잡음이 발생하게 된다. 이 고주파 전류를 흡수하는 역할을 하는 것이 콘덴서이다. 형광등은 어떻게 작동할까? 형광등은 진공으로 된 유리관 내에 소량의 수은 증기와 방전을 일으키기 쉽도록 아르곤 가스가 들어있고, 양쪽에 걸려있던 전극에 전압이 걸리면 전자가 방출되어 유리관 내 수은 원자와 충돌하여 자외선이 많이 포함된 빛을 발생시키게 된다. 자외선은 눈에 보이지 않기 때문에 형광등 유리관 내에 형광물질을 칠해 놓아 방전에 의해 발생한 빛이 형광을 내어 가시광선의 빛 파장을 내게 해 백색광을 내게 하는 것이 형광등의 원리이다. 이 과정을 단계별로 살펴보면 다음과 같다. 1. 전원이 연결되면 점등관의 바이메탈에 의해 폐회로가 형성된다. 2. 회로가 연결되어 전류가 흐르면 형광방전관의 필라멘트가 달궈지고, 수은은 증기로 증발된다.  3. 안정기의 코일에 유도전류가 생겨 고전압이 발생하여, 달궈진 형광방전관의 필라멘트로부터 열전자 가 방출되도록 한다.  4. 방출된 열전자와 수은 증기 속 수은 원자가 세차게 부딪치면서 자외선이 많이 포함된 빛이 발생한다. 5. 발생한 빛이 형광방전관 벽의 형광물질을 통과하면서 가시광선 영역의 빛으로 전환되어 형광방전관 밖으로 형광등 빛이 나오게 된다. 이 과정 중 점등관에서 바이메탈이 달궈져 폐회로가 형성될 때까지 시간이 걸리기 때문에 스위치를 눌러 전원이 연결된 후 형광등에 불이 들어올 때까지 2~3초가 걸리게 된다. 그래서 우리는 말뜻을 늦게 이해하는 사람을 ‘형광등’이라고 부르게 된 것이다. 그러나 이 결점을 보완하기 위해 글로스타터 대신 반도체를 사용한 래피드스타터가 개발되었기 때문에 이제 이해력이 늦은 사람에게 형광등이라는 말을 쓰지 못하게 될 듯하다. 형광물질이 가시광선의 빛을 내는 과정 형광물질이 빛을 내는 원리는 높은 곳에 있는 구슬이 떨어지는 것으로 설명할 수 있다. 높은 곳에 올려놓은 구슬은 높이에 비례한 위치에너지를 가지고 있는데, 구슬이 떨어지면 감소한 위치에너지만큼 운동에너지를 갖게 된다. 형광물질은 높은 에너지 상태의 전자가 흡수되어 낮은 에너지 상태로 바뀌면서 전자가 뛰어내린 높이, 즉 에너지 차이에 의해 에너지 차이가 크면 파장이 짧은 푸른 계열, 에너지 차이가 작으면 파장이 긴 붉은 계열 색의 빛이 나오게 되는 것이다.

빛을 흡수한 분자에서 일어나는 분자 내부 및 분자간 과정. 작은 파란색 원은 들뜬 분자의 낮은 에너지 상태의 빈 자리이다. 
분자의 진동 상태 때문에 형광 에너지는 흡광 에너지보다 적고, 따라서 흡수한 빛보다 긴 파장에서 형광이 나온다.

여러 가지 형광등 삼파장 램프는 많은 사람들이 오스람 램프라고도 말하는데, 이는 독일 오스람사의 삼파장 램프가 광고를 통해 국내에서 유명해졌기 때문이다. 삼파장 전구, 오스람 전구보다 정확한 이름은 ‘전구형 형광등’이다. 삼파장 램프는 형광등을 접어놓은 형태로 보면 된다. 백열전구는 태양과 거의 흡사한 빛을 낸다는 장점은 있지만 발열에 의한 큰 전력소모와 짧은 수명이 단점이다. 반면 형광등은 크기가 큰 반면 에너지 효율이 높고 수명이 긴 장점이 있어 이 2가지 전구를 결합한 형태가 전구형 형광등인 삼파장 램프이다. 삼파장은 적색, 녹색, 청색의 세 가지 발광 형광물질을 사용하여 백열전구의 장점인 태양과 거의 흡사한 빛을 내어 붙은 이름이다. 또 다른 형태의 형광등은 미국드라마인 CSI 애청자라면 보았을 어두운 곳에서 비추면 혈흔이 있는 곳이 보라색으로 빛나는 등인 자외선등이다.(영어로는 'Black Light'라 불린다.) 꺼진 상태에서는 검은색을 띠는 블랙라이트는 내부에 필요한 자외선 외에 다른 빛들은 흡수하는 물질이 발라져 있어 자외선만 나오게 된 형광등이다. 형광물질은 가시광선 자체를 흡수하지 않기 때문에 그냥은 보이지 않고 자외선을 흡수한 후 가시광선을 내어놓기 때문에 자외선이 나오는 블랙라이트를 형광물질이 있는 곳에 비추면 발광현상이 일어나게 되는 것이다. 적혈구에 형광 성질이 있기 때문에 혈흔이 있는 곳에 블랙라이트를 비추면 발광하게 된다.

형광등과 전구의 여러 요소가 결합된 전구형 형광등, 삼파장 램프<출처:NGD>(좌), 형광물질이 발라져 이 자외선등을 비추면 
보이지 않던 것이 나타난다. 이것은 위조지폐를 막는 데 이용하기도 한다. <출처: wikipedia>(우)

이밖에 형광등의 방전관 안에는 아르곤과 수은 증기를 넣어 열전자를 방전시키는 대신 다른 종류의 기체를 넣으면 역시 발광하는 색이 달라지게 할 수 있다. 이것이 네온관으로 우리가 흔히 네온사인이라 부르는 형광등이다. 들어간 기체가 질소일 때 노란색, 산소와 네온일 때 주황색, 이산화탄소일 때 흰색, 수은증기일 때 청록색, 헬륨일 때 붉은색의 빛을 낸다.