형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구(고등학교 대상 작품 )NO.3

[풀꽃]

1994년 서울특별시 주최 '서울 학생 탐구 발표 대회' 고등학교 대상 작품

형광등이 꺼진 후의 잔광에 대한 연구

서울과학고등학교 2학년 김승중, 김인하, 임동욱

지도교사 이 태 우

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I. 탐구동기

학교 기숙사에서 밤에 형광등이 꺼진 후에 잔광이 남아서 깜박거리는 것을 보고 신기하게 생각하였다. 처음에는 형광등이 낡아서 그런 줄 알았으나, 다른 여러 방 뿐만 아니라 실험실, 미술실 등에서도 그 현상이 광범위하게 나타났다. 그래서 이것이 형광등을 이루고 있는 물질이 가지고 있는 어떤 고유한 성질 때문이라 생각해서, 그 성질과 이유를 알고자 연구를 시작하게 되었다.

II. 탐구 과정

1. 가설

형광등이 켜져 있을 때는 수은 증기에서 발생한 자외선이 형광등 벽면의 형광물질을 자극하여 빛을 낸다. 그러나 꺼져 있을 때에도 빛이 나오는 것은 설명하기가 힘들어진다. 이에 우리는 이 잔광이 형광등 벽면의 물질이 발생시키는 인광에 의한 것이라는 가설을 세웠다. 형광등의 점등 동안에 이 물질들은 계속 에너지를 받다가, 이론적 배경에서 설명한 대로 인광을 인출, 일정 시간 후에는 소멸될 것이다. 따라서 우리는 그 지속 시간 등을 측정, 그 양상을 알아보고자 한다.

2. 가설 검증 실험

가. 실험 1

초시계를 이용해서 형광등을 켜 놓은 시간에 따른 전체 잔광의 지속 시간을 측정한다.

<실험 과정>

형광등을 껐을 때의 잔광의 지속 시간을 켜 놓았을 때의 시간에 따라서, 10분, 30분, 1시간, 90분, 2시간으로 나누어 계측하였다.

<실험 결과>

정량적인 계측 결과의 제시에 앞서, 특기할 만한 사항이 두 가지가 발견되었다.

(1) 잔광이 시간의 흐름에 따라 미약해지는 것은 알 수 있었지만, 잔광의 완전한 소멸을 관측할 수 없었다. 단지 관찰할 수 있었던 것은, 형광등 가운데 부분의 잔광만이 없어지고, 형광등의 양 끝에서는 계속하여 잔광이 관찰된다는 것이었다. 잔광이 정말로 인광에만 의존한다면, 이런 현상은 설명될 수 없다. 따라서 우리가 세운 가설은 수정되었다.

(2) 형광등 두 개 중 하나는 새 것이고 하나는 헌 것을 사용하였는데, 새 것의 잔광이 좀 더 밝았을 뿐 잔광의 지속시간은 별 차이가 없었다.

<수정된 가설 2>

가설 1로는 형광등 중앙부의 잔광은 설명할 수 있었으나, 형광등 양 끝의 잔광이 더 밝은 것과 그 잔광이 오랫동안 지속되는 것은 설명할 수 없었다.

이 현상은, 형광등 구조 자체에서 기인하는 것으로 생각된다. 형광등의 구조에서 보았지만, 형광등의 양쪽 끝에는 전자를 방출하기 쉬운 알칼리 토금속의 산화물이 입혀져 있다. 스위치가 끊어진 상태에서도 미약한 전압이 걸려 전자가 방출될 경우, 이 전자들이 벽면의 물질에 에너지를 전달할 수 있을 것이다. 전자들은 등의 양 끝에서만 방출되므로, 충돌의 빈도는 양 극에서 높기 때문에 양 극에서의 잔광의 지속을 설명할 수 있다. 이대로는 지속시간의 계측이 의미가 없으므로, 여기서는 그 대안으로서 형광등 가운데의 잔광이 눈에 보이지 않을 정도로 미약해졌다고 인정되는 시점까지의 경과 시간만을 제시하겠다.

점등 직후(약 1초)를 빼 놓고는 중앙부 잔광의 지속 시간들이 거의 비슷한 것을 볼 수 있다. 따라서, 10분 이내에 형광등이 가열되어서 열평형 상태에 이르러 더 이상 온도가 증가하지 않을 것이라고 추측된다. (이것은 형광등 기체 분자들이 최대 에너지 상태에 이르렀음을 시사해 주는 것이다.) 여기에서 우리는 형광등 가운데 부분의 잔광은 형광등 가열로 인해 높아진 온도와 관계있다고 생각할 수 있었다. 과연 이 생각이 옳은지를 검증하기 위해 온도가 다른 조건 하에서 대조 실험을 계획하고 시행해 보았다. 자세한 것은 실험 4에서 기록해 두었다.

형광등 점등 시간	중앙부 잔광의 지속 시간
0분간 점등(약1초)	2분 31초
10분간 점등	4분 51초
30분간 점등	5분 10초
60분간 점등	5분 14초
90분간 점등	4분 56초
120분간 점등	5분 13초
10∼120분간의 평균	5분 4.8초

나. 실험 2

형광등을 형광등 장치로부터 제거하고 잔광을 관찰한다.

<실험 과정>

형광등의 소등 후, 이를 형광등 장치에서 떼네고 관찰하고 사진을 찍는다.

<실험 결과>

이 실험은, 수정된 가설 2가 갑자기 대두됨에 따라 계획된 것으로, 장치로부터 제거한 결과 잔광이 전원으로부터 분리시키기 전에 비해 현저히 약해짐을 볼 수 있었다. 형광등이 뜨거워서 손으로 만지기 어려울 정도가 되었을 때에도 잔광의 지속 시간이 1분을 넘기지 못하고 또 그 잔광 조차 매우 미약하였다. 또 이때 특기할 만한 사실은 형광등 장치로부터 떼기 전에는 잔광이 형광등 전체에 고루 펴져 있는 가운데에서 양 극 부분의 제일 밝고 깜박거림의 정도가 심했으나, 형광등 장치로부터 뗀 후에는 그와 같은 양 극 부분만의 고유한 잔광은 사라지고 깜박거림 역시 찾아보기 어려웠으며, 잔광은 형광등 전체를 통해 일정한 밝기로 서서히 식어가면서 약해졌다는 것이다. 이 과정 역시 촬영했으나 너무 어두워서 인화가 되지 않았다. 이 결과는 잔광이 형광등의 구조와도 관계있다는 수정된 가설 2를 절대적으로 지지하는 것이다.

다. 실험 3

수동 카메라로 연속적인 1분 노출 사진을 통해 잔광의 양상을 알아낸다.

<실험 과정>

고감도의 인화지를 이용(Kodak Ektar 1000 필름, ISO 1000), 개방 셔터로 형광등 바로 밑에서 1분간 노출을 시행했다. 촬영은 연속적으로 시행, 시간 간격은 정확히 1분이 되도록 하였다. 역시 위 실험들과 같이 차광함으로써 빛의 영향을 막았다.

<실험 결과>

사진은 총 18컷이 촬영되었으나, 촬영 실수로 노출이 부족한 2장이 인화되지 않아, 총 16장이 현상되었다. 육안으로 관측한 것과 사진 촬영과는 큰 차이가 나지 않았다. 여기서 또 하나의 주목할 만한 현상이 발견되었다. 한 쪽의 극은 완전히 어두워져 버리는 현상이다. 어두워진 극에서는 계속 발광이 없었고 다른 쪽 극의 잔광도 소멸되지 않았다.

라. 실험 4

얼음으로 형광등의 온도를 낮추었을 때와 실온에서의 잔광의 다른 점을 관찰한다.

** 이 실험은 실험 1에서 언급한 것처럼 형광등 중앙 부위의 잔광이 형광등 점등 시간이 짧을 때의 형광등 점등 시간과 양의 상관 관계가 있는 것은 알게 되었기 때문에, 과연 이 형광등 중앙부의 잔광이 형광등이 가열되었을 때의 온도와 관계없는 지를 알아보기 위하여 계획한 실험이다. 이 실험의 결과로 형광등의 가열 정도 (형광등의 온도)와 형광등 중앙부의 잔광과의 관계를 알 수 있을 것이다. **

<실험 과정>

실험 3에서의 조건과 동일하게, 그러나 온도만을 낮추어 다시 촬영하였다. 냉각은 얼음 주머니를 형광등의 촬영되지 않는 면(형광등의 뒷면)을 둘러싸서 했다.

<실험 결과>

총 12장이 촬영되었으나, 기술상의 문제로 첫 6장만이 인화되었다. 그리고 두 사진의 배율이 같지 않다는 문제점이 있으나, 그렇게 중요한 문제는 아니라 무시할 수 있다. 실험 3에서 찍은 사진과 비교해 보면 소등 후 5분까지는 큰 차이가 없었지만, 소등 5분사진에서는 실험 3에서 중앙부와 양끝의 잔광이 남아 있었던 반면에, 냉각시키고 찍은 사진에서는 중앙부의 잔광이 소멸된 것을 볼 수 있었다. 따라서 온도와 형광등 중앙부의 잔광의 지속 시간 사이에는 양의 상관 관계가 있다고 생각할 수 있다.

** 이 실험에서, 또 하나의 의문점이 도출되었다. 왜 잔광이 온도의 영향을 받는 것인가? 특히 가설1에서 처럼 형광등 중앙부의 잔광이 인광이라고 생각한다면 그것이 그처럼 온도의 영향을 심하게 받을 리가 없을 것이라 생각된다. 이 문제에 대해서는 결과 고찰 및 결론 부분에서 그동안 도출된 다른 문제들과 함께 다루고자 한다.

IV. 결과 고찰

1. 일정 시간 이상에서는 형광등의 점등 시간과 잔광의 지속 시간에는 관계가 없다. 이것은 가열된 형광등이 열평형 상태에 이르러 더 이상 온도가 증가하지 않았음을 시사한다.

2. 형광등 장치와 완전히 분리된 후에는, 잔광이 극히 미약하고, 형광등 양 끝부분만의 특이한 잔광이 나타나지 않았다. 이 실험 결과에 따라 우리는 가설 2가 옳다고 생각할 수 있었다.

3. 가설 1,2와 우리의 실험관계를 종합해서 형광등의 잔광이 다음과 같은 두 요소로 이루어져 있다고 최종 결론을 내릴 수 있었다.

가.〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광

지금까지 중앙부의 잔광이라고 불렀지만 실제로는 전체적으로 나타나는 잔광이다. 이 잔광은 형광등이 점등해 있을 때 에너지를 받아 들뜬 상태에 놓였던 형광등 내부의 기체 분자들이 형광등이 소등됨으로 인해 더이상 에너지의 공급을 받지 못하고 가지고 있던 열에너지 및 운동에너지를 (자외선을 통해서, 또는 직접 벽면과의 충동에 의해서) 내놓으면서 형광등 벽면의 형광물질을 자극해 방출하는 빛이라 생각된다. 우리가 실험했던 형광등의 경우에는 최대 약 5분 정도 계속 지속되었다.

처음 가설 1에서 이 빛의 종류를〔인광〕이라고 생각했지만, 실험 결과 이런 빛의 종류를 인광이라 할 수 있을지 의문이었다. 이 빛을 인광이라고 할 수 있으려면 형광등 내부의 기체 분자들이 직접 빛을 내야하지만, 형광등이 빛을 내는 것은 벽면의 형광 물질을 통한 간접 발광의 형태이기 때문이다. 엄밀한 의미에서의 인광은 아닐지라도 형광등 전체를 하나의 물질이라 생각하고 형광등 하나만을 놓고 생각한다면 물론 인광의 요소를 가지고 있다고 생각할 수 있겠다. 하지만, 중요한 것은 가열된 형광등 내의 기체 분자들이 가지고 있던 열에너지 및 운동 에너지를 잃고 식어가면서 빛을 내는 것이라는 것이므로, 그래서 우리는 이것을〔인광〕이라고 부르지 않고 '〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광'이라 부르기로 했다.

나. 형광등 장치 구조의 특이성에 의한 잔광

이것이 바로 우리가 밤에 형광등이 깜빡거린다는 것을 느끼게 해주는 가장 중요한 요소임에 틀림없다. 위의 1번 '〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광'의 경우에는 지속시간이 약 5분 정도로 짧고 형광등 전체에 고루 퍼져 나타났지만, 이 형광등 장치 구조의 특이성에 의한 잔광은 형광등이 장치에 연결되어 있는 한, 그리고 그 장치에 계속 전원이 연결되어 있는 한, 언제까지 관찰될 수 있을 것이다. 이 빛은 수정된 가설 2에서 언급한 것처럼 형광등 전체가 아니라 양 극쪽에서 편중되어서 나타나는 것으로 그 특징을 삼을 수 있다. 그 이유는 형광등의 구조에서 보았지만, 형광등의 양쪽 끝에는 전자를 방출하기 쉬운 알칼리 토금속의 산화물이 입혀져 있다. 스위치가 끊어진 상태에서도 미약한 전압이 걸려 전자가 방출되어서, 이 전자들이 벽면의 물질에 직접 에너지를 전달하거나 또는 형광등 내부의 수은, 아르곤 증기에 에너지를 전달할 수 있을 것이다. 전자들은 등의 양 끝에서만 방출되므로, 에너지 전달의 빈도는 양 극에서 높기 때문에 양 극에서의 잔광의 지속을 설명할 수 있다. 또 형광등에는 교류 전압이 걸리기 때문에 양 극에서의 잔광의 지속을 설명할 수 있다. 또 형광등에는 교류 전압이 걸리기 때문에 형광등이 깜박거리는 것도 교류전압으로 인한 것으로 생각할 수 있다.

4. 이제, 형광등의 잔광을 이와 같은 두 요소가 작용하는 두 단계로 나누어서 설명해 보겠다.

<제 1단계>

형광등을 끄고 난 후 형광등 전체에 나타나는 '〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광'과 형광등 양 극 부분에 편중되어 있는 '형광등 장치 구조의 특이성으로 인한 잔광'이 동시에 나타나서 형광등은 전체를 통해 잔광을 낸다.

특히 교류 전압이 걸리므로 양 극 쪽이 몹시 깜박거림을 느낄 수 있다. 그리고 밝기는 물론 형광등 양 끝이 더 밝다. 더 밝은 이유는 두 잔광이 합성되는 것도 있겠지만, 아무래도 양 끝은 미약한 전압이나마 전기 에너지를 직접 공급받을 수 있기 때문이다.

<제 2단계>

가열되어서 들뜬 상태에 있었던 형광등 내부의 기체 분자가 그 에너지를 모두 잃어버리게 되어서 형광등 전체에서 나타났던 '〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 빛'은 그 자취를 감추고 형광등 구조의 문제로 인한 빛만이 형광등 양쪽에서 계속 깜박거리면서 나타난다. 그리고 이 잔광은 형광등 장치에 전원이 연결되어 있고, 형광등이 형광등 장치에 연결되어 있는 한, 또 형광등 수명이 다하지 않는 한, 무한히 계속될 것이다.

5. 형광등의 빛이 안정되지 않고 계속 깜박거리는 이유

앞에서 설명한 것처럼 형광등이 직류 전원을 쓰지 않고 교류 전원을 쓰기 때문일 것이라 추측한다. 교류이기 때문에 계속 전압의 방향이 바뀌어서 깜박거리게 나타나는 것일 것이다. 하지만, 그 구체적인 메커니즘은 자세히 모르겠다. 좀 더 연구해 보아야 할 것이다.

6. 새 형광등과 헌 형광등의 잔광의 차이

실험 1의 결과에 썼던 것처럼 새 형광등과 헌 형광등의 중앙부 잔광의 지속시간은 별 차이가 없었다. 다만 새 형광등은 헌 형광등보다 그 잔광의 세기가 훨씬 더 했다. 이것은 새 형광등의 형광 물질을 더 많이 함유하고 있기 때문일 것이다.

7. 소등후 3∼4분 후부터 한쪽 극의 잔광이 사라지는 이유

아무리 생각해 보아도 그 이유를 설명할 수가 없었다. 우리 실험의 한계를 느끼게 해주는 부분이었다. 만약 형광등 장치에 흐르는 전류가 직류였다면, 전자들의 음극쪽에서 방출될 것이므로 형광등 한쪽 극의 잔광이 사라지는 이유를 대략적으로나마 설명할 수 있겠지만, 형광등 장치에 흐르는 전류는 교류이므로, 아무리 생각해봐도 그 이유를 알 수 없었다. 이 문제가 차기 연구 과제로 삼아 다시 한번 연구해 보겠다. 설명을 하지 못해서 아쉽다.

IV. 결 론

1. 형광등이 완전히 가열되기 전에는 형광등의 점등 시간과 〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 빛의 지속 시간에는 양의 상관 관계가 있다.

2. 형광등이 완전히 가열된 후에는 형광등의 점등 시간과 〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 빛의 지속 시간에는 상관관계가 없다.

3. 형광등의 잔광은 다음과 같은 두 요소-(1)〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광 (2) 형광등 장치의 구조적 특이성으로 인한 잔광-으로 구성되어 있다.

4. 이 두 요소가 각기 형광등 잔광의 1,2 단계를 결정하는데, 제1단계에서는〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광과 형광등 장치의 구조적 특이성으로 인한 빛이 모두 같이 나타나고, 제2단계에서는 형광등 장치의 구조적 특이성으로 인한 빛만이 나타난다.

5. 형광등이 안정되지 않고 계속 깜박거리는 이유는 교류전원을 쓰기 때문이라고 생각한다. 그 자세한 메커니즘은 앞으로 좀 더 연구를 해봐야 알 수 있을 것 같다.

6. 새 형광등이건, 헌 형광등이건 〔기체분자의 들뜸〕으로 인한 잔광의 지속 시간의 차이는 무시할 수 있다. 다만 그 차이점은 새 형광등의 잔광이 헌 형광등보다 더 밝다는 것 뿐이다.

7. 소등 후 3~4분 후에 형광등 한쪽 끝의 잔광이 소멸되는 이유를 설명할 수 없어서 아쉬웠다. 차기 연구 과제로 삼아서 연구해 보겠다 .

V. 참고 문헌

-동아 원색 대백과 사전 제31권 218p, 219p

-계몽사 과목별 학습 백과 사전 제7권 211p, 제12권 314p

-Physical Chemistry 760~764p (Barrow저, Mc GrowHill 출판사)