전등 ()
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정의
전기의 힘을 이용하여 그 밝기를 이용하는 기구.
내용
전등은 1808년데비(영국)의 아크방전을 시작으로 1840년대에 실용적으로 아크등이 사용되기 시작하였다. 아크등이란 2본의 반소봉에 전류를 흘림으로서 백열전등을 탄생시킨 근원이 되었다.
아크등은 1844년 파이의 콩코드 광장의 조명에 사용되면서 본격적인 실용화 시대에 진입되어 유럽 각지의 정류장, 극장, 가로등 등에 사용되어 1880년경에는 그 전성기를 맞았다.
일본에서는 아크등이 처음 전등된 1878년 3월 25일을 기념하여 이 날을 전기 기념일로 제정하고 있다. 아크등 이후 백열전구, 형광램프, 수은램프, 메탈 할라이드램프, 고압 나트륨램프 등이 개발되어 사용되고 있다.
전구는 에디슨(미국)에 의해 발명되어 졌으며 전구용 필라멘트는 목면사를 탄화하여 실험용으로 사용하였다. 백열전구의 중심을 이루는 필라멘트는 높은 융점(약 3,000℃)의 금속강선(보통은 텅스텐)을 사용하였다.
이 필라멘트는 흐르는 전류에 이해서 발일된 빛의 방사를 이용한다. 필라멘트란 말은 일반적으로 가는 선의 상태를 말한다. 필라멘트를 고온 상태에서 발광을 지속시켜야 하므로 공기를 제거하고 텅스텐과 반응하지 않는 아르곤이나 질소 등을 봉입하여 전구의 수명을 높혀 안정성을 꾀하고 있다.
가스봉입전구는 1913년에 랑그뮤어(미국)에 의해 발명되었다. 이어서 1921년에 발명된 2중코일 전구는 가스와의 접촉 면적을 적게 하기 위해 필라멘트류 2중 코일상으로 한 것으로, 전구의 효율이나 수명의 개량에 공헌하였다.
또한 눈이 부신 투명유리를 개선한 유리 구의 내면을 불산 처리하여 눈부심을 없앤 ‘눈부심 제거 전구’가 1925년에 개발되었다. 현재는 불산 대신에 실리카 미립자를 도포하여 연한 빛을 발하는 백열전구가 일반화되었다.
백열전구의 종류와 용도는 매우 넓은 범위에 걸쳐 사용되고 있으며 지금까지 주택의 조명에는 백열전등이 최적으로 되어 있다. 백열전등은 보통 그대로 사용하지 않고 조명기구 안에 넣어야 사용한다.
눈부심을 없애기 위하여 코팅을 하기도 하지만, 최근에는 색도장하여 연한 빛을 방출토록 하는 것이 만들어지고 있다. 원형의 유리구는 장식 효과가 있으므로 샹들리에나 점포 등에 이용된다. 적외선용 전구는 가연, 건조, 축산, 의료용 등에 사용된다.
유리구의 머리 부분에 알루미늄반사면을 장착한 전구가 있지만 이것은 간접 조명용이다. 또 1959년 수부라(미국)에 의해 발명된 할로겐전구는 할로겐물질이 필라멘트에서 증발한 텅스텐과 결합하는 성질을 이용한 램프로, 광식 등이 우수하여 투광 조명, 스탠드 조명 등에 사용된다.
최근에는 투광성 적외반사막을 석영유리구에 형성시켜 열선을 차단한 것이 점포 등의 스포트 조명에 많이 사용되고 있다. 백열전구의 종류와 용도는 다양하다. 현대는 자연 채광이 불충분하기 때문에 낮부터 조명이 필요한 주택이 많다. 이와 같은 장소에서는 주간용 조명으로서의 기능적인 밝기가 요구된다.
따라서 형광램프나 HID광원을 가지고 태양광에 가까운 광색, 밝기, 수명을 가진 조명이 사용되고 있다. 1935년 인벤(미국, GE사)에 의해 발명된 형광램프가 1938년 뉴욕 만국박람회장에 처음 사용되었다. 형광램프는 전자방사 물질을 부착시킨 필라멘트 전극을 전류로 가열시켜 열전자를 방출시킨다.
이 열전자는 관내에서 수은 분자와 충돌하여 자외선을 발생시키고, 이 자외선은 관벽의 형광체를 자극함으로써 가시광선으로 바꾸어진다. 이것이 형광램프의 발광원리이다. 형광램프는 주택조명에 적합한 조명기구의 개발에 의해 사용이 크게 확대되어 현재, 주택조명에 있어서 형광램프와 백열전구의 비율은 3 : 1 정도가 되고 있다.
구미의 거의 모든 주택이 백열전구에 의한 조명을 이용하고 있는 반면에 우리 나라에서는 효율과 에너지 절약면에서 형광램프의 사용이 현저히 높다. 더욱이 새로운 램프로 적·록·청으로 발광하는 3종류의 형광체를 사용한 3파장 형광램프가 1977년에 출현하여 그 뒤, 크게 보급되고 있다.
높은 밝기를 가진 형광체를 혼합하여 사용함으로써 밝기를 유지한 채 연색성을 높힐 수가 있다. 연색성이란 물체 색이 본래의 색에 가깝도록 보여지는 비율을 말한다. 형광램프는 넓은 발광색을 나타냄으로 가정이나 사무실 등의 일반 조명 이외에도 여러 가지 용도로 사용된다.
전자복사, 팩시밀리 등의 원고 조명용, 액정TV, 액정화면이 부착된 PC의 백라이트용, 미술품 조명, 유인등, 식물재배용광원 등 다방면에 실용화되어 있다. 주택용으로는 형광램프와 백열전구가 주류를 이루고 있으며 양쪽의 성질을 잘 파악하여 사용할 필요가 있다.
최근에는 인테리어에 대한 관심이 높아져, 조명기구도 인테리어의 한 요소로 보고 있다. 그러나 자칫하면 디자인이나 장식용으로 치우치게 되어 밝기가 충분치 않다든가, 광원의 눈부심이 강하게 된다든가, 기구의 청소가 어렵다든가 하는 불편을 초래할 수가 있다.
조명기구는 장식성만이 아니라 기구로부터 방사되는 광의 배분(배광)을 고려할 필요가 있다. 배광은 기구로부터 위와 아래로 방사되는 비율로 나타낸다. 또 방안의 장식에 의해서도 밝기, 색조, 분위기가 크게 달라지며 실내의 장식 재료에 따라서는 빛의 반사율이 달라질 수 있다.
형광램프는 점등시간의 경과와 함께 밝기(광속)가 감소하므로 램프의 교환시기는 점멸의 빈도 등에 따라서 달라진다. 또한, 형광램프는 표면적이 크기 때문에 오염의 영향도 커진다. 예를 들면, 1년간 청소를 하지 않으며 청결한 장소에서는 95∼85％, 보통 장소에서는 85∼70％, 오염된 장소에서는 75∼55％까지 밝기가 감소한다.
HID(High Intensity Discharge)램프는 수은램프, 메탈 할라이드램프, 고압 나트륨램프 총칭으로 고휘도 방전 램프를 의미한다. 수은램프는 1901년에 쿠퍼·휴이드(미국)가 최초로 실용화하였다. 현재의 모양으로 된 것은 그 뒤, 30년 후이다. 적색 발광의 형광체 개발에 의해 광색이 개선되어 공장, 도로, 상점가 등에 널리 사용되게 되었다.
나트륨램프는 1932년에 홀스크(오란다)에 의해 실용화되었다. 메탈 할라이드램프는 1961년에 레이딩(미국)이 개발하여 3년 후에 실용화되었다. 고압 나트륨램프는 1963년에 슈미트(미국)에 의해 개발되었다. 이 램프는 효율이 높기 때문에 도로, 공장, 스포츠시설 등의 옥외 조명에 널리 사용된다.
‘네온’이란 말은 그리스어의 Neos(새로운 어떤 물건)을 의미하는 NEON에서 그 명칭이 유래되었다. 1898년에 화학자 윌리암·람제(영국)가 대기 중에는 산소와 질소 이외에도 0.001％의 새로운 가스가 존재하는 것을 발견하여 이것을 ‘네온’이라고 명명하였다.
조명과는 다른 이미지가 부여되지만 도심의 밤하늘을 7색으로 수놓는 네온사인을 경제활동의 특징이나 현대 생활의 장식물이다. 네온관은 대단히 경제적인 조명으로 100W 전구 1개를 켤 수 있는 전력으로 네온관 11m의 길이를 점등할 수 있다. 지금까지 상점은 손님을 모으기 위하여 상점 자체의 매력을 나타내는 것을 제일로 생각해 왔다.
그러나 현재처럼 복합 빌딩에 많은 상점이 상주해 있는 상황에서는 빌딩으로서의 매력, 또는 빌딩 주위의 상점가가 매력이 없으면 손님 끌기가 어려워진다. 많은 거리에서 라이트 업이 사용되고 있는 광의 효과에 의해 상점가나 빌딩의 존재를 강조할 수 있기 때문이다.
라이트 업은 경관 조명용이지만 밤하늘에 비추어진 고층빌딩이나 타워 등은 아름답게 보이게 할 수 있는 조명이다. 수은램프, 고압 나트륨램프, 메탈 할라이드 램프 이외에 케이블 일루미네이션으로 무전극램프가 사용되고 있다.
무전극램프는 1등당 18W의 무전극램프 3개를 렌즈 모양의 글러브로 조합한 것으로, 글러브 중에 있는 3개의 램프는 백·녹·분홍의 3색광을 따로따로 발산할 수가 있다. 케이블 일루미네이션으로 야간의 레인보 브리지처럼 현수교 모양 등을 뚜렷이 나타내도록 할 수도 있다.
무전극램프는 케이블 조명에 사용되는 관계로 설치 위치가 좋지 못하여 시설이나 보수면에서 매우 어렵지만 무전극램프의 수명은 약 4만 시간으로 형광램프의 약 5,000시간에 비해 긴 수명을 갖고 있다. 무전극램프는 전극 없이 고주파속에 의해 자외선을 발생하므로 전력소모가 대단히 적고 수명도 매우 길다.
색을 깨끗하게 나타내기 위해서는 380∼760㎚까지의 파장을 많이 갖는 램프를 만들 필요가 있다. 그러나 인간의 눈은 파장 555㎚에서만 가장 감도가 좋고 그 양단에서는 감도가 떨어진다.
따라서 색을 좋게 나타내기 위해서는 빛을 가시 영역 전체로 분산시키면 효율이 저하되고, 또 효율을 올리기 위해서 황록색(555㎚)을 증가시키면 색이 깨끗하게 보이지 않게 되는 상반된 문제가 생긴다. 그러나 450㎚, 540㎚, 610㎚의 3파장을 갖는 빛이 있으며 색을 확실히 보이게 할 수 있다.
이와 같은 3파장의 램프를 3파장의 발광형 형광램프가 하며, 형광램프의 효율과 연색성을 개선시킨 것이다. 가시역의 파장 중에서 580㎚ 부근의 빛만을 제거하면 적색·녹색·청색이 자연광으로 보는 실제의 색 보다 채도가 높은 아름다운 색으로 보인다고 알려져 있다.
백열전구의 밸브에 선택 투과막을 붙여서 그 부근의 파장만을 흡수하도록 한 식탁용 전구가 있다. 보통의 전구에 비해 요리나 탁상의 꽃이 훨씬 깨끗하게 보이게 된다. 형광램프는 백열전구의 4∼5배의 광속이 나온다. 그리고 에너지절약면에서도 형광램프가 우수하다. 형광램프는 확산형의 광원이므로 실내 전체를 밝히는 조명에 적합하다.
그러나 백열전등은 집광형의 광원이므로 렌즈나 반사경 등으로 빛을 특정의 범위나 방향으로 접속시키기 쉽다. 램프 전체로부터 나오는 빛은 형광램프가 많지만 어떤 범위의 장소를 조명하는 것이라면 작은 면적당 방출되는 빛이 많은 백열전구가 적합하다.
또한 백열전구는 형광램프와 같이 안정기나 점등관이 필요없으므로 소형·경량의 조명기구를 만들 수가 있다. 생생함이나 입체감을 만들어 내는 조명으로 백열전구는 부족함이 없다. 바닥 전체를 조명하는 데는 형광램프가 우수하다.
각각의 빛의 특징을 살리고 에너지 효율을 고려한 사용 장소의 선정이 바람직하다. 파장 250㎚ 부근의 자외선은 강한 살균 효과를 갖고 있다. 수은램프는 253.7㎚의 파장을 방사하므로 자외선 투과 유리를 사용하여 살균 램프로 이용된다.
살균 램프의 효과가 우수하다고 하는 것은 열이나 약품을 가하지 않아도 살균할 수 있는 것이므로 병원이나 약품 공장 등에서는 실내 공기의 살균, 식품공업 등에서는 원료의 변질 없는 살균용으로 사용되고 있다. 또한 활어 수조의 수살균이나 식물 재배 용액의 살균에도 사용되고 있다.
우리 나라의 전등 보급률은 도시에서는 1960년대에 거의 모든 가정에 보급되었으며, 농어촌의 경우는 이보다 늦어져 1964년의 보급률 12％에서 1970년 24％ 수준에 그쳤다. 그 뒤, 경제성장과 함께 급격히 늘어나서 1974년 50％ 수준을 넘어서서(52.7％), 1976년 90.9％, 1985년 99.8％이며 현재는 전국의 모든 가정이 전등의 혜택을 누리고 있다.
참고문헌
『재미있는 전기세계』(김용혁, 기다리, 1997)
