형광등의 작동원리로 보는 플라즈마

 

  

인간이 만들어낸 인공적인 플라즈마에는 어떤 것이 있을까..?

 

   플라즈마란 이온화된 기체라고 했었다. 그러므로 플라즈마를 만들기 위해서는 무엇보다도 기체를 이온화 시키는 것이 우선시 된다. 본래 플라즈마는 물체의 온도를 수천도 이상의 초고온으로 가열했을 때 높은 에너지 때문에 원자가 이온화 되며 나타나는데, 급격한 화학반응이나 폭발 시 발생하는 화염 등에서 발생하기 때문에 ‘열 플라즈마’로 구분한다. 이렇듯 열 플라즈마는 매우 높은 에너지를 필요로 하는데 반하여 열이 아니라 전기장을 걸어주게 되면 전기장에 의해 가속된 전자가 원자와 충돌하여 낮은 에너지에서도 이온화를 시킬 수가 있다. 이 과정에서 빛의 방출이 흔히 발생하고 이것을 ‘방전 플라즈마’ 라고 한다. 방전이란 재료 내부에 쌓여있던 전하가 어떤 영향으로 인해 외부로 한번에 방출되는 현상을 말한다. 우리 주위에서 가장 친숙한 방전 플라즈마의 원리를 이용한 제품으로는 형광등을 예로 들 수 있을 것이다.

 

 

 

그림. 형광등의 구조

(아시겠지만 파워포인트로 이지랄 하는게 이젠 너무도 당연시 여겨지고 있다. -_ - )

 

 

 

   위 그림은 형광등의 내부 구조를 보여주고 있다. 형광등은 진공으로 배기된 유리관 내에 아르곤과 수은을 가스상태로 주입한 후 밀봉되어져 있고, 유리관 안쪽 벽에는 형광도료가 칠해져 있다. 또한 양쪽 끝에는 전기장을 걸어 줄 수 있는 필라멘트 전극이 하나씩 장착되어 전기를 통해주도록 되어있으며, 필라멘트에는 보통 열전자의 방출을 쉽게 해주기 위해 산화바륨 같은 물질이 입혀져 있다. 그렇다면 이 양쪽 전극에 전기장이 가해지게 되면 어떠한 일이 발생하는지 그림과 함께 과정을 하나씩 살펴보자.

 

 

그림. 형광등의 작동에서 자외선의 방출

파워포인트를 만들어내 이런 그림을 그릴 수 있도록 도와준, thanks to 빌게이츠

참고로 저 빨간색의 자외선 뾰료롱~ 을 그리기 위해 수십번의 시행오차를 거쳐야 했음;;

 

 

 

    형광등 양 끝에 위치한 필라멘트에 전기장이 가해지면 저항으로 인해 필라멘트가 가열되고, 그로 인해 열전자가 방출된다. 방출된 열전자는 수은과 충돌하여 수은원자의 전자를 높은 궤도로 여기 시키게 되는데, 뒤이어 앞에서 말한 오로라가 빛을 내는 원리와 같은 현상이 이어진다. 즉, 높은 궤도로 여기된 수은원자의 전자는 에너지를 낮추기 위해 본래의 궤도로 내려오면서 안정화 되며 흡수했던 에너지를 방출한다. 중요한 것은 이때 방출하는 에너지의 파장은 가시광선이 아닌 자외선이란 것이다. 에너지의 방출이란 단지 그 에너지 값에 해당하는 파장을 방출하는 것이지 꼭 가시광선의 형태로 방출하는 것이 아니라는 사실을 잊지 말아야 한다. 이제는 이때 방출된 자외선의 역할이 무엇인가 살펴보자. 수은 전자가 궤도를 바꿔 타면서 방출된 자외선은 유리관 내부에 칠해져 있던 형광도료를 향해 날아간다. 형광도료 원자들은 자외선 파장을 흡수하는데, 그러면서 또다시 전자의 궤도 이동 현상이 반복된다.

 

 

 

그림. 형광등의 작동에서 가시광선의 방출

 

 

 

   형광도료 원자를 향해 들어온 자외선은 형광도료 원자에 에너지를 전달하고 전자를 높은 궤도로 여기시킨다. 전자는 본래 자기가 있던 위치가 아니면 불안하다. 그래서 가능한 빨리 안정된 자기 자리로 내려오려고 한다. 형광도료의 전자가 낮은 궤도로 내려오면서 다시 에너지를 방출시키는데, 이때 방출하는 에너지가 바로 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 파장이며, 이로 인해 어두운 방을 밝게 밝힐 수 있게 되는 것이다. 우리는 에너지보존 법칙을 알고있다. 주어진 에너지보다 더 많은 에너지를 쓸 수가 없다. 형광체로 들어온 에너지는 자외선이고, 전자가 궤도를 이동하면서 일부 에너지가 소모된다. 그리고 그 나머지 여분의 에너지가 빛으로 방출되므로, 초기 유입되었던 자외선보다 낮은 에너지를 가진 가시광선이 나오게 된다. 형광등은 이렇게 해서 빛을 발한다. 다시 생각해보면, 형광등의 빛은 방전 자체에서 나오는 빛이 아니라 형광체가 자외선을 받아 빛을 일으키기 때문에, 전기장 없이 자외선에 노출만 시켜줘도 빛을 내는 것이 가능하다.

 

 

 참고 

: 사실상 수은원자도 자외선만 방출하는것이 아닌 가시광선을 일부 방출한다. 우리가 보는 형광등의 하얀색의 빛은 수은원자에서 나오는 가시광선과 형광체에서 나오는 가시광선이 합쳐진 것. 만약 형광체가 없다면 수은에서 나오는 푸른 느낌의 빛을 볼 수 있다.

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

휴일에 걍 쉴껄... 이지롤을.... ;ㅁ;