우리의 삶 속에서 빠질 수 없는 요소 중 하나는 빛을 발생시키는 도구들이다. 이 광원들이 없었다면 우리의 일상은 말 그대로 어두웠을 것이다. 이 도구들 중에 우리가 가장 많이 사용하는 것들은 백열전구, 형광등, 그리고 LED가 있다. 그렇다면 이들의 차이는 무엇일까? 지금부터 파헤쳐보자!!
백열전구
먼저 백열전구를 살펴보자. 백열전구는 전기저항을 이용하여 빛을 낸다. 전류가 필라멘트를 통과하면서 필라멘트의 높은 전기저항 때문에 손실된 에너지가 빛과 열의 형태로 방출되고, 이 빛을 우리가 사용하게 된다. 백열전구에서 조심해야할 점은 전구 내부가 진공상태여야 한다는 것이다. 전구 내부가 진공이 아니고 공기가 조금이라도 들어가면 필라멘트가 산소 때문에 바로 타버리게 된다. 그러나 실질적으로 전구 내부를 진공을 만드는 것은 어렵고, 전구가 쉽게 깨지기 때문에 반응성이 낮은 아르곤과 질소의 혼합가스를 백열 전구 내부에 채우게 된다.
백열전구는 효율이 그렇게 좋지 않다. 사용하는 전기 에너지의 95%가 열의 형태로 방출되기 때문에 2014년 1월부터 백열전구의 생산 및 수입이 정면 중단되었다. 최근에 더 이상 백열전구를 보기 힘든 이유이다.
형광등
다음은 형광등이다. 아마 우리 주변에서 가장 흔하게 보이는 광원일 것이다. 형광등의 원리는 백열전구 와 사뭇 다르다. 백열전구가 필라멘트에 에너지를 가해 빛을 낸다면, 형광등은 형광등 내부 기체에 에너지를 가하여 빛을 발생시킨다. 형광등도 내부에 필라멘트가 존재한다. 그러나 이 필라멘트는 빛을 내는 목적이 아니라 전자를 방출시키는 역할을 한다. 음극의 역할을 하는 필라멘트에서 방출된 전자는 양극쪽으로 움직이면서 방전이 일어나는데, 이 전자들이 이동하면서 형광등 내부의 수은 원자와 충돌하여 자외선을 방출한다. 이 자외선이 형광등 유리 안쪽에 도포되어 있는 형광물질을 자극하고, 형광물질에서 가시광선이 방출되어 우리가 그 빛을 사용하는 것이다. 결국 형광물질에서 빛이 나오기 때문에 형광등이라고 부른다.
그렇다면 형광물질은 왜 가시광선을 방출하는 것일까? 그 이유는 바로 원자 구조에 있다. 형광물질을 이루고 있는 원자가 자외선이라는 빛의 형태로 에너지를 받게 되면, 원자에서 핵 주변을 돌고 있는 전자들의 에너지가 증가한다. 그러면 전자들이 원래 돌고있던 궤도보다 더 높은 에너지를 가지는 궤도로 옮겨가는데, 전자들이 다시 원래 궤도로 돌아오면서 발생하는 에너지 차이가 빛의 형태가 되는 것이고, 이 빛을 우리가 보게 되는 것이다.
LED
마지막으로 LED를 살펴보자. LED는 Light Emitting Diode의 약자로 말그래도 빛을 내는 다이오드이다. 그러면 먼저 다이오드가 무엇인지 알아보자.
다이오드는 전류를 한쪽으로만 흐르게 하는 정류작용을 하는 반도체 부품을 통칭하는 말이다. 전류가 잘 흐르는 방향을 순방향, 그 반대 방향을 역방향이라고 한다. 그 종류는 다양한데, 가장 많이 쓰는 다이오드는 p-n 접합 다이오드로, 반도체 기반 전자회로 구성의 기본 단위가 된다. 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하기 때문에 교류를 직류로 바꾸는데 사용된다.
p-n 접합 다이오드의 원리는 p형과 n형 반도체의 독특한 성질에 있다. 이 반도체들은 원자들이 균일하게 결정을 이루고 있는데, 이 결정에서 전자가 조금씩 부족하거나 조금씩 많아서 자유전자, 혹은 전자가 빈 구멍(정공)이 존재하여 반도체 내부를 움직이게 된다. p형 반도체의 경우 정공이 존재하고, n형 반도체는 자유전자가 존재한다.이 두 반도체를 붙여서 p-n 다이오드를 만들게 된다. 두 반도체를 접합시키면 접합부분의 좁은 영역에서 자유전자는 p형 반도체로, 정공은 n형 반도체로 확산되어 서로 재결합하게 된다. 그러면 자유전자나 정공이 존재하지 않는 공핍층이 생기게 된다.
이 상황에서 순방향(p형을 +에, n형을 -에)으로 전압이 걸리게 되면 n형의 자유전자는 p형쪽으로, p형의 정공은 n형쪽으로 움직이게 되어 공핍층이 사라지고, 전류가 흐르게 된다. 반대로 역방향(p형을 -에, n형을 +에)으로 전압이 걸리게 되면 p형의 정공은 -전원쪽으로, n형의 자유전자는 +전원쪽으로 움직이게 되어 공핍층이 더욱 넓어지게 되고, 전류가 흐르지 않는다.
그럼 이제 다이오드에 관한 이야기는 충분히 한것 같으니 LED에 대하여 얘기해보자. LED는 p-n 다이오드에서 순방향 전압을 걸어주었을 때 정공과 자유전자가 결합하는 현상을 이용한다. 이 과정에서 둘의 에너지 차이만큼 에너지가 방출되는데, 이 에너지를 빛의 형태로 변환시키는 것이 LED이다. 정공과 자유전자 한 개씩의 에너지 차이만큼 빛이 방출되기 때문에 E=hf라는 공식에 의해 에너지에 따라 빛의 진동수가, 즉 빛의 색이 바뀌게 된다. 다른 말로 하면, 반도체를 구성하는 원소의 종류에 따라서 LED의 색깔이 바뀌게 된다는 것이다.
지금까지 우리가 사용하는 광원들에 대하여 알아보았다. 그저 단순하게만 보였던 이 광원들이 이렇게나 깊은 과학적 이론을 담고있다는 것이 놀라웠다. 실제로 푸른색 LED를 개발한 사람은 노벨상을 받기까지 하였다. 앞으로는 우리 주변의 광원들을 보며 그 속에 담긴 과학 이론들을 한번씩 생각하는게 어떨까?
필요한 피직스 2019 여름호
작성자: 18-054 배준수
분야: 광학,반도체
참고문헌:
[1] 노컷뉴스 - 백열전구, 127년만에 퇴출...'역사 속으로'
https://www.nocutnews.co.kr/news/1069366
[2] 네이버 지식백과 - 형광등의 원리
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3570404&cid=58885&categoryId=58885
[3] 네이버 지식백과-다이오드
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=4390161&cid=60217&categoryId=60217
[4] 네이버 지식백과-PN 접합과 그 동작원리
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1982031&cid=42331&categoryId=42334
이미지:
[1] https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/24265E4155C2F31B21
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[4] https://www.google.com/url?sa=i&source=images&cd=&ved=2ahUKEwiT_OPw-7XiAhUICqYKHX1GCdoQjRx6BAgBEAU&url=http%3A%2F%2Fwww.hellot.net%2Fnew_hellot%2Fmagazine%2Fmagazine_read.html%3Fcode%3D202%26sub%3D%26idx%3D41099&psig=AOvVaw0Kir0znB-Xb2j7GZvfCcz4&ust=1558849164159521
[5] https://terms.naver.com/imageDetail.nhn?docId=1982031&imageUrl=https%3A%2F%2Fdbscthumb-phinf.pstatic.net%2F2442_000_1%2F20130408172256187_25KM0E71R.jpg%2Fde4_16_i2.jpg%3Ftype%3Dm4500_4500_fst_n%26wm%3DY&cid=42331&categoryId=42334
[6] https://blog.naver.com/a980827/20122241991
[7] https://www.google.com/url?sa=i&source=images&cd=&ved=2ahUKEwi8p8TU0LbiAhWS-2EKHXymAWwQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fwww.superbrightleds.com%2Fmoreinfo%2Fthrough-hole%2Frgb-fast-color-changing-led-2%2F1041%2F&psig=AOvVaw2cIN3GfA45ngwQK6wR-WgK&ust=1558871939806498
[8] https://terms.naver.com/imageDetail.nhn?docId=821001&imageUrl=https%3A%2F%2Fdbscthumb-phinf.pstatic.net%2F0805_000_1%2F20111121125253902_6ZYW9EFLL.jpg%2FD1434_i1.jpg%3Ftype%3Dm4500_4500_fst_n%26wm%3DY&mode=entry&clickArea=relatedImage&cid=42344&categoryId=42344