재미있는 과학

"와, 저 크리스마스트리 불빛 좀 봐. 정말 멋지네!"

크리스마스를 앞둔 12월에는 날이 어두워질수록 거리가 더 아름다워져요. 크리스마스를 기념해 갖가지 빛깔의 조명으로 장식해 놓았기 때문이지요. 이때 조명에 사용되는 전구는 매우 다양하답니다. 어떤 곳에는 백열전구가, 또 다른 곳에는 형광등이나 LED전등이 사용되지요. 이 중에서 백열전구는 내년부터 생산이 금지될 것이라고 해요. 어떤 이유 때문에 백열전구가 퇴출당할 운명에 놓인 걸까요?

백열전구는 전기를 사용한 조명기구로는 최초로 꼽혀요. 에디슨이 발명한 것으로 더욱 유명하지요. 물론 에디슨 이전에도 전구를 연구하고 발표한 사람들이 있었지만, 가격이 너무 비싸거나 수명이 지나치게 짧아 주목받지 못했어요. 이에 비해 에디슨이 만든 전구는 실용성을 인정받아 널리 사용되었고요. 백열전구는 열복사 원리를 이용해요. 열복사는 물체의 온도가 올라가면 빛과 열이 나오는 현상이라 할 수 있지요. 이때 온도가 높으면 파란색과 보라색 가시광선을 내뿜고, 온도가 낮으면 노란색과 붉은색 가시광선이 나와요. 전류의 흐름을 방해하는 성질이 강할수록 더 높은 온도와 밝은 빛을 내는 특징이 있답니다. 하지만 일반적으로 물질은 빛이 발생할 정도로 온도가 높아지면 공기 중의 산소와 반응해 금세 타버리고 말아요. 그래서 빛을 낼 물질을 유리로 감싸고서 질소와 아르곤을 혼합한 가스를 주입해 전구를 만든 거예요. 그럼에도 하루도 견디지 못하고 끊어지거나 전구 안쪽이 검게 변하는 문제가 있어 초기의 백열전구 수명은 길어야 하루 이틀이었어요. 지금의 백열전구는 텅스텐을 사용해 온도가 많이 올라가도 끄떡없고 수명도 길어졌지요.

백열전구는 '인류가 발견한 두 번째 불'이라고 불릴 만큼 인류의 삶을 획기적으로 변화시켰어요. 백열전구가 등장하기 전에는 날이 어두워지면 공부도 일도 하기 어려웠으니까요. 인류의 활동시간을 크게 늘렸다는 점만 봐도 백열전구의 영향력이 엄청났다고 할 수 있겠지요? 그런데 왜 요즘엔 백열전구를 퇴출하려 하는지 이해되지 않지요?

지금부터 백열전구의 장단점을 이야기해 볼게요. 백열전구는 빛과 함께 열이 나오는 특징이 있는데, 전기에너지의 95%는 열로 내보내고 겨우 5%만 빛을 만드는 데 쓴답니다. 그러다 보니 쓰임새에 비해 에너지 소모량이 너무 크다는 단점이 있지요. 물론 양계장 같은 경우엔 백열전구를 통해 빛과 열을 동시에 조절해 닭이 알을 많이 낳을 수 있도록 하고 있어요. 하지만 이런 특수한 경우를 빼고는 열로 빠져나가는 에너지가 비효율적이지요.

형광등은 이런 문제를 보완하기 위해 만들어진 조명기구예요. 형광등은 전자가 외부로 빠져나오는 방전 현상을 이용한 것이에요. 형광등의 유리관 속에는 아르곤과 수은 증기가 채워져 있어서 양쪽 전극에 전압을 걸면 전자가 튀어나와 수은과 충돌하면서 빛을 내지요. 이때 자외선이 나오는데 유리관 안쪽에 칠한 형광물질을 통해 우리가 볼 수 있는 빛으로 바뀌어 나온답니다. 따라서 유리관 안쪽에 어떤 형광물질을 칠했는가에 따라 다양한 색의 빛을 낼 수도 있지요. 방전 현상을 이용한 방식은 적은 에너지로 오랜 시간 빛을 낼 수 있는 장점이 있어요. 백열전구가 형광등보다 나은 점은 즉시 켜고 끌 수 있다는 것이에요. 화장실처럼 조명을 자주 끄고 켜야 하는 장소에선 백열전구가 형광등보다 유리하지요. 형광등은 전류를 흘려주는 과정에서 몇 초 동안 깜박이는 시간이 필요하기 때문이에요. 자주 켰다 껐다 하면 백열전구보다 에너지 소모도 크고요. 그래서 형광등과 백열전구는 오랜 시간 함께 쓰였지요.

백열전구가 퇴출 운명에 놓인 이유는 새로운 조명기구가 만들어졌기 때문이에요. 그 예로 삼파장 형광등을 들 수 있어요. 삼파장 형광등은 기존 형광등의 원리와 같지만 방전관·점등관·콘덴서 등의 부속품이 하나로 구성돼 있고, 즉시 켜고 끌 수 있으면서도 백열전구보다 수명이 길지요. 값은 백열전구보다 4배쯤 비싸지만, 에너지 소모량도 적고 훨씬 오래 쓸 수 있어 가격 대비 성능이 더 좋아요.

LED전구도 놀라운 수명을 자랑해요. 같은 밝기로 비교했을 때 백열전구가 100의 에너지를 쓴다면, LED전구는 약 13만을 쓴다고 해요. 같은 밝기의 조명을 사용한다면 백열전구는 연간 1만4366원, 삼파장 형광등은 4789원, LED전구는 1916원이 든다고 하니, 오랜 시간 쓸수록 LED전구가 비용 절약에 도움이 되겠지요?

그렇다면 크리스마스트리를 장식하는 화려한 조명도 LED로 바꾸게 될까요? 그렇지는 않아요. 꼬마전구처럼 에너지 소모량이 적은 전구에는 비싼 LED보다는 백열전구가 쓰일 것이라고 해요. 크리스마스트리는 켜졌다 꺼졌다 빠르게 반복하며 화려한 연출을 하지만, 실제 에너지 소모량은 크지 않아요. 백열전구 퇴출로 에너지 절약을 할 수 있다는 점은 반갑지만 한편으로는 백열전구만이 가지고 있던 은은한 빛과 따뜻함을 잃어버리는 것 같아 아쉽기도 해요. 그래도 백열전구만이 가진 포근함을 한겨울의 크리스마스트리에서는 느낄 수 있어서 다행이라는 생각이 드네요. 추운 날씨에 크리스마스트리를 발견한다면 가까이 다가가 몸을 녹여보세요.

[함께 생각해봐요]

백열전구가 닭이 알을 많이 낳는 데 도움이 되는 이유가 무엇인지 생각해봐요.

해설: 백열전구 특유의 빛깔은 해가 뜬 직후의 햇빛과 비슷하다고 해요. 그래서 동식물에 안정감을 가져다주는 효과가 있다고 해요.