램프

전기램프

1650년 독일 마크데부르크의 오토 폰 게리케는 전기나 전기자극에 의해 빛이 발생한다는 사실을 발견했다.

램프

그는 황산이 들어 있는 구체를 빠른 속도로 회전시키는 실험을 통해, 회전중에 손의 압력으로 마찰이 발생하면서 밝은 빛이 관찰되는 것을 입증했다. 1706경에는 이와 같은 게리케의 발견에 기초해서 영국의 프랜시스 혹스비가 최초의 전깃불을 만들어냈다. 그도 역시 그 실험과정에서 게릭의 발명품이었던 진공 펌프로 공기를 뺀 유리공을 이용했는데, 유리공을 고속으로 회전시킨 뒤 손으로 문지르면 공에서 희미한 빛이 발생했다.

한편 1802년 험프리 데이비 경은 백금이나 기타 금속의 가느다란 조각이 전기에 의해 백열상태에 이르기까지 가열될 수 있으며, 그렇게 하면 얼마간 빛을 방출한다는 것을 증명했다. 그는 또 1809년 4인치의 거리를 두고 있는 2개의 목탄막대에 2,000개의 전지로 이루어진 배터리를 이용해 전류를 통과시켜서 아치형의 현란한 불꽃을 만들어냈다.

그뒤 이것은 아크 등(arc lamp)으로 불렸다.

19세기 전반을 통해 백열등을 만들고자 했던 최초의 공식적 시도는 1820년 워렌 드 라 뤼에 의해 이루어졌는데, 그가 만든 백열등은 진공유리관에 백금 코일을 넣고 밀봉한 형태였다. 1840년 영국의 윌리엄 로버트 그로브 경은 백열광을 발할 때까지 가열시킨 백금 코일과 함께, 일부만 물을 채운 유리접시에 거꾸로 엎어놓은 컵을 이용하는 빈약하고 비실용적인 램프를 만들어 이것으로 공회당을 밝혔다.

1841년 영국 첼튼엄의 프레더릭 드 몰린스는 최초로 백열전구의 특허권을 따냈다. 그의 램프는 진공 유리반구 내에서 서로 떨어져 있는 2개의 백금선 필라멘트 사이를 분말목탄으로 연결하는 독특한 형태였는데, 전류가 필라멘트를 통과하면서 목탄을 백열상태까지 가열해 빛을 발생시켰다. 그러나 유리전구에는 금방 그을음이 생겼고 램프의 수명은 짧았다.

1845년 런던의 토머스 라이트는 최초로 아크 등의 특허를 받았다.

같은 해에 오하이오 주의 젊은 발명가 J.W. 스타는 2개의 전기백열등으로 영국의 특허를 따냈다. 1850년에는 에드워드 G. 셰퍼드가 백열목탄을 사용한 램프를 만들었다. 또한 같은 해에 영국의 물리학자 조지프 윌슨 스원 경은 종이로 만든 탄소 필라멘트를 고안해냈다. 19세기말에는 많은 과학자들이 현실적인 이윤을 목적으로 전기조명등을 만들었는데, 실제로 이 시기에 간혹 전기 램프가 사용되었던 사례들이 기록으로 남아있다. 1856년에는 프랑스의 공학자 C. 데 샤니가 광업용으로 고급 백금 필라멘트 램프를 만들어 특허를 얻었으며, 1857년에는 전기 아크 등이 최초로 상품화되어 영국 잉글랜드 던저네스의 등대에 설치되었다.

1872년 러시아의 의사 알렉산드르 드 로디긴은 질소 가스를 채운 유리공 속에 V자 모양의 흑연조각 필라멘트를 만들어 넣고 작동시켜 램프를 제작했다. 이 램프는 상트페테르부르크의 아드미랄티 부두에 200개나 설치되었지만, 조작의 미숙과 비싼 가격 때문에 일반용으로 사용하는 데는 부적합했다.

1876년에는 러시아의 전기기사 파벨 야블로치코프가 야블로치코프 캔들을 선보여 인공조명의 신기원을 이룩했다.

야블로치코프 캔들은 아크 등의 일종으로서, 도기를 이용해 2개의 평행한 탄소봉이 분리되어 있고, 아크가 연소하는 동안 탄소봉이 승화되는 형태로 만들어졌다. 또 이 램프는 교류 전류를 이용해 두 탄소봉의 소모비율을 동일하게 유지했으며, 상업용으로 널리 이용되었다. 1879년 클리블랜드의 광장에는 찰스 F. 브러시가 개발한 12대의 탄소 아크 등이 설치되어 미국 최초로 공공조명용 아크 등이 선보였다.

1880년 에디슨의 백열탄소등이 특허를 받기 이전에도 수많은 과학자들이 백열발광장치 제작을 시도했다.

그들 가운데 특히 두드러졌던 인물은 조지프 윌슨 스원경으로서, 1850년 종이로 만드는 탄소 필라멘트를 고안했다. 나중에는 또 황산 처리를 한 무명실을 사용하기도 했는데, 이것을 진공 유리구에 장착하는 일은 1875년에야 가능해졌다. 스원 경은 전기백열등이라고 부르던 이 램프의 유형을 활용해, 1878년 12월 영국 뉴캐슬에서 전기조명을 홍보하는 대규모 전시회를 개최했다.

현재 사용되고 있는 백열등의 형태는 스원과 토머스 A. 에디슨의 공동연구로 개발되었는데, 이 실험에는 헤르만 슈프렝겔과 윌리엄 크룩스 경의 진공 펌프가 이용되었다. 실제로 완벽하게 실용적인 램프를 발명한 사람은 에디슨이었다. 그는 이미 1877년부터 이에 대한 연구를 시작해 18개월 동안 1,200회가 넘는 실험을 했다.

뿐만 아니라 그는 당시 아크 등에 사용하던 직렬배선 체계가 백열등에는 적합하지 않다는 것을 인식하고, 발전기를 비롯한 다중회로용 필수장비들을 개발하는 데 더욱 노력을 기울였다.

1879년 10월 21일 에디슨은 탄소화섬유 필라멘트로 램프의 불을 밝히는 데 성공했다. 이 램프는 이틀 동안 계속 연소했다. 마침내 그는 탄화처리한 두꺼운 명함 용지가 수백 시간의 수명을 가진다는 것을 발견하고 그것을 필라멘트 소재로 이용했다. 압착 섬유소를 이용한 필라멘트는 그뒤 1883년 스원이 처음으로 선보였다.

에디슨의 램프를 맨 처음 상업적 용도로 가설한 것은 1880년 5월 증기선 '컬럼비아호'였다. 115개 램프로 구성된 이 설비는 15년간이나 성공적으로 작동했다. 1881년 뉴욕 시의 한 공장에서는 에디슨의 조명장치로 빛을 밝혔고, 백열등은 빠른 시간에 성공을 거두어 그뒤 2년 이내에 다시 150여 개의 설비가 이루어졌다. 백열등이 공공장소에 도입되었을 때에는, 특히 실내 근로자들이 이것을 장기간 사용할 경우 시력을 해칠 수도 있다는 우려를 낳았다. 1898년 런던의 안과의사들은 차단장치 없이는 직사광선을 사용하지 못하도록 하는 법안 통과를 국회에 청원했고, 이에 따라 그림자와 반사경에 대한 집중적인 연구가 이루어졌다.

1904년 뉴욕 스케넥터디의 윌리스 R. 휘트니는 열처리하거나 금속을 씌운 탄소 필라멘트를 이용해서 기존의 백열등보다 효율이 높은 램프를 제작했다.

그러나 과학자들은 전기 에너지를 빛으로 전환시키는 가장 효율적인 방법에 관심을 기울이고 있었으며, 텅스텐이 필라멘트용 소재로 발견되면서 이 목표는 달성된 것으로 보였다. 텅스텐 필라멘트 램프의 등장은 백열등의 품질과 효율면에서 그때까지 이루어진 것 가운데 최대의 진보였으며, 상업용으로도 성공을 거두어 탄소, 탄탈(tantalum), 금속화 탄소 필라멘트 등을 빠른 시간 내에 대체했다.

미국에서는 1907년 최초로 텅스텐 필라멘트 램프가 도입되었다. 이 램프는 압연 텅스텐을 이용한 것으로서, 빈의 알렉산더 유스트와 프란츠 하나만이 완성시킨 공정에 따라 제작되었다. 1910년 뉴욕 주 스케넥터디의 윌리엄 D. 쿨리지는 텅스텐을 잡아늘여 필라멘트로 만드는 공정을 알아냄으로써 텅스텐 램프의 내구성을 크게 개선시켜 1913년 특허를 받았다. 또한 1913년 역시 스케넥터디의 어빙 랭뮤어는 백열전구 내에 불활성 기체를 넣어 사용하는 방식을 개발해 필라멘트의 승화를 지연시키고 효율을 높였다.

처음에는 질소만 이용되었으나 이후에는 아르곤과 질소가 와트 수에 따라 다양한 비율로 혼합되어 사용되었다. 불활성기체를 채운 전구는 구입비용이 저렴할 뿐 아니라 보수·유지가 쉽고 융통성을 지니는 등, 조명기구로서 매우 중요한 장점들을 가졌기 때문에, 실제로 다른 형태의 백열등은 사용되지 않게 되었다.

전기방전램프

1675년 장 피카르와 1700년경 요한 베르눌리는 수은기체가 충격을 받을 때 빛이 생성될 수 있다는 사실을 관찰했다. 또한 이 분야의 연구는 독일의 물리학자 율리우스 플뤼커에 의해서도 이루어졌는데, 1858년 그의 지도 아래 하인리히 가이슬러가 최초의 가이슬러 관(管)을 제작함으로써, 이것을 이용해 희박해진 기체를 통해서 방전을 수반하는 발광현상이 입증되었다.

1860년 영국의 존 T. 웨이가 최초로 수은 아크 현상을 증명한 데 이어, 1879년과 1882년에는 각각 런던의 존 라피에프와 프랑스의 과학자 J.-C. 자맹이 보다 진전된 업적을 이루었다.

피터 쿠퍼 휴이트는 1901년 수은 아크등을 시판했는데, 그 효율은 당시의 백열등에 비해 2~3배에 이른 것으로 밝혀졌다. 이 램프의 빛은 거의 그림자를 만들지 않고 섬광이 낮아 즉시 미국내 산업 조명용으로 널리 보급되었다. 희석 가스를 조명에 이용하는 방식에 대해서는 지속적으로 연구가 진행되었다.

1910년 프랑스의 조르주 클로드는 네온·아르곤·헬륨·크립톤·제논 등을 포함하는 방전관을 이용해 실험을 했고, 이로부터 10년이 채 지나기 전에 네온사인 산업이 발전되었다. 이 기체들의 발광효율은 일반 조명용으로는 너무 낮아 실내조명에는 적합하지 않았다(→ 네온램프).

한편 1931년 유럽에서 유행한 전기방전 램프는 고밀도 소듐 등이었다. 이것은 독특한 황색을 띠어 상업용이나 가정용으로는 부적합했지만, 20세기 중반 무렵부터는 세계 각처에서 고속도로, 교량, 차량 터널 등의 조명으로 사용되었다.

현대의 전기 광원

20세기 중반 무렵, 공기 아크 등은 주로 와트 수가 큰 장치에 이용되었는데, 실제로 이 등을 사용한 기구들로는 서치라이트, 고밀도로 집중된 광원을 요하는 영사기, 청색이나 자외선의 작지만 강력한 에너지원이 요구되는 특수업무용 장치 등을 들 수 있다.

백열등에 비해 열을 덜 발생시키는 발광등 가운데에는 방전등·반도체·화학등과 같은 것이 있다. 오늘날 실내조명에 흔히 사용되는 형광등도 일종의 방전등으로서, 사용방식이나 제조법이 같은 나트륨 증기 램프 또는 수은증기 램프처럼 청록색 빛을 발한다.

백열등은 전압이 매우 낮은 방전등으로서 네온 기체속에 대형 금속전극을 가지고 있다. 네온은 음극 가까이에서 오렌지색 빛을 띠는데, 파일럿 램프 또는 지시등으로 쓰기에 알맞은 흐릿한 빛을 발한다. 신호용 네온 등도 역시 방전등이다. 한편 발광 다이오드(light-emit-ting diode/LED)는 발광등의 한 형태이다.

이 장치는 결정반도체 이극관(crystalline semiconductor diode)으로서, 전류가 이극관 즉 다이오드를 통해 흐를 때 전자들은 '정공', 즉 국소화한 양전하와 결합하고 보다 낮은 에너지 상태로 떨어진다. 이때 방출되는 에너지의 일부는 광자로 방사되며, 그 발산되는 빛의 색은 어떤 결정물질을 사용했는가에 따라 다르다. 예를 들어 녹색 LED의 색은 질소로 처리한 갈륨인화물을 이용할 때 만들어진다.

LED의 색은 조명용으로 쓰일 만큼 충분한 빛을 내지는 않지만, 지시등으로 사용되며 여러 가지 전자장치의 디지털 영상에 사용된다. 또 하나의 반도체 램프인 전자형광등은 얄팍한 축전기(capacitor)로 구성되어 있으며 형광등에서 사용되는 것과 비슷한 인광물질이 유전체 속에 들어 있다. 전자형광등은 야광 또는 발광기구 배전반과 같은 공학적 응용장치에 이용된다.

현대의 램프 또는 등이 모두 전기만 이용하는 것은 아니다. 예를 들어 화학 램프는 합성화합물을 이용하는데, 이 물질은 개똥벌레나 기타 발광 생물체가 가지고 있는 발광성 생화학물질과 유사한 형태의 화합물이다. 루시페라아제라는 효소는 산화반응의 촉매역할을 하는데, 반응이 일어나는 과정에서 에너지가 각각 청색·황색·적색 등의 빛으로 발산된다. 이 원리를 이용한 램프에는 서로 다른 용액에 녹아 있던 시약이 섞여지면서 반응이 시작된다. 이 혼합물은 보통 여러 시간 동안 지속되는 반응이 완료될 때까지 빛을 낸다. 이러한 종류의 램프들은 너무 비싸고 일반용으로 사용하기에는 불편하므로, 응급조명이나 신호용으로만 사용된다.