백열전구 구조와 역사

이번 시간에는 백열전구의 고조와 역사에 대해서 알아보겠습니다.

백열전구가 발명되기 전에는 실내에서는 초나 석유를, 거리에서는 가스등이나 아크 등을 사용했습니다. 하지만 초나 석유는 재가 나와 그을음이 심하고 불이 날 위험도 높았습니다. 가스등이나 아크 등도 실내에서 사용하기에는 불이 너무 밝고 위험했습니다. 많은 과학자들은 전기를 이용해 열과 빛을 내면 이런 단점을 해결할 수 있을 거라고 생각했습니다. 미국의 에디슨과 영국의 스완은 각자 백열전구를 만드는 연구를 시작하게 됐습니다.

 

 

백열전구의 발명 전

① 호롱불
기름을 담아 심지에 불을 붙일 수 있도록 만든 그릇을 ‘호롱’이라 하고, 호롱에 켠 불을 ‘호롱 불’이라고 한다. 아궁이 재나 화로에 남아 있던 불씨로 불을 밝혔다.

② 가스등
석탄이 탈 때 나오는 가스에 불을 붙이면 일정한 양의 빛이 지속되는 원리를 이용한 등이다. 석탄을 증류기에 넣고 태우면 가스가 관을 통과해 도시 곳곳을 이동했다. 하지만 언제든 폭발할 수 있는 위험을 안고 있었다.

③ 아크등
두 전극 사이에 전류가 흘렀을 때 강한 빛이 발생하는데 이를 ‘아크’라고 하며, 이것을 이용한 등을 ‘아크 등’이라고 한다. 전기로 불을 밝히는 전등이 시작된 셈이다. 전극의 재료인 탄소 막대가 금방 타서 자주 교체해야 했고, 빛이 강해서 실내에서 쓰기에는 적절하지 않았다.

 

백열전구가 빛을 내는 원리는 간단했지만 만드는 것은 쉽지 않았습니다. 조명으로 사용하기 위해서는 오랫동안 빛을 내야 하는데, 전류가 흐르는 필라멘트가 금방 타 버리는 게 문제였습니다.

 

에디슨은 철, 백금, 머리카락, 대나무 등 6,000여 종이 넘는 물질로 계속 실험을 했습니다. 필라멘트 재료를 구하기 위해 직원들을 전 세계로 보내기도 했습니다. 스완은 ‘카본지’라는 재료로 필라멘트를 만들었지만 이 또한 오래가지 못했습니다. 그러던 어느 날 에디슨은 ‘탄소’가 묻은 실을 이용해 실험에 성공했습니다. 그 전구는 거의 15시간 동안 켜져 있었고, 촛불 30개를 켠 것과 같은 빛을 냈습니다. 오랫동안 빛이 나는 백열전구가 탄생한 순간이었습니다.

 

 

 

백열전구의 구조와 특징
백열전구의 구조- 불활성 기체: 필라멘트가 산화되는 것을 막기 위해 유리구 안에 넣는 가스.
- 지지선: 필라멘트를 지지하는 금속선.
- 도입선: 전류를 필라멘트로 운반하는 전기 도체.
- 차던 판: 전구의 목 부분이 시작되는 곳에 있는 금속 원반. 핀치와 베이스를 열로부터 보호한다.
- 유리구: 유리로 된 부분. 외부 환경으로부터 필라멘트를 보호하는 역할을 한다.
- 필라멘트: 주로 텅스텐으로 만들어진 아주 가는 금속선. 전류가 이 선을 통과하면서 빛을 낸다.
- 핀치: 도입선이 붙어 있는 부분.
- 배기관: 유리구에서 공기를 빼낸 다음, 밀봉하기 전에 불활성 기체를 채우는 데 사용되는 유리관.
- 베이스: 소켓 1)에 꽂아 전기 회로와 연결하는 백열전구의 금속 끝부분.

 

 

뜨거운 백열전구 백열전구가 빛을 내는 이유는 필라멘트에 전류가 흐르면서 온도가 높아지기 때문입니다. 모든 물질은 온도가 높아지면 빛을 내보내기 때문입니다. 물체의 종류와 온도에 따라 빛의 종류와 밝기가 달라집니다. 전류가 흐르는 필라멘트는 최고 약 3,000 ℃까지 온도가 올라갑니다. 그래서 필라멘트는 높은 온도에서도 녹지 않는 재료로 만들어야 오래 사용할 수 있습니다.

 

텅스텐은 금속 중에서도 녹는점이 가장 높아서 (3,400 ℃) 필라멘트의 재료로 주로 사용됩니다. 그런데 텅스텐은 공기 중에 놔두면 산소와 반응을 일으켜 성질이 변하기 때문에, 유리 구로 감싼 다음 안을 진공으로 만들고 아르곤이나 질소 가스처럼 반응을 하지 않는 기체를 넣어주면 더욱 오래 사용할 수 있습니다. 그렇게 하면 텅스텐 필라멘트는 높은 온도에서도 빛을 오랫동안 낼 수 있습니다.

 

백열전구는 다른 전등에 비해 가격이 저렴하고 전원을 켜는 순간 형광등보다 빨리 빛을 내기 때문에 사용하기 편리합니다. 하지만 너무 밝아 눈이 쉽게 피로해지는 단점이 있습니다. 또 수명이 짧고, 넓은 공간에서는 사용하기가 어렵습니다.

게다가 에너지 변환 효율도 매우 낮아서 사용하는 전기 에너지 중 95 % 는 열로 방출되고 겨우 5 % 정도만 빛을 내는 데 사용됩니다. 주변을 밝히기 위해 발명됐는데, 빛보다 열을 많이 내니 역할이 완전히 바뀐 셈입니다. 빛을 내기로 한 백열전구가 빛보다 열을 많이 내서 결국은 퇴출되는 것입니다.

 

 

백열전구의 역사
- 1879년: 미국의 토머스 에디슨과 영국의 조지프 윌슨 스완에 의해 발명.
- 1880년: 미국 샌프란시스코로 가는 증기선 ‘S.S 컬럼비아’에서 최초로 백열전구 사용.
- 1887년: 경복궁 내에 백열전구를 최초로 설치하고 불을 밝힘.
- 1898년: 서울에 ‘한성 전기 주식회사’가 설립돼 전기가 공급되면서 사람들이 백열전구를 사용하기 시작.
- 1910년: 미국의 윌리엄 쿨리지가 수명을 연장시킨 텅스텐 필라멘트 전구 발명.
- 2014년: 우리나라에서 거의 모든 제조사에서 백열전구 생산 중단.

 

지금까지 백열전구의 구조와 역사에 대해서 알아보았습니다.

다음 시간에는 형광등에 대해서 알아보겠습니다.