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인류가 발견한 두 번째 불
토머스 앨버 에디슨과 전구

Thomas Alva Edison

“1만 번의 실패를 경험했지요?” “아닙니다. 오히려 전구를 만드는 1만 가지의 방법을 찾아낸 것이지요.”
전기로 빛을 발산하는 전구 발명자, 토머스 앨버 에디슨(Thomas Alva Edison)의 대답은 주저함이 없었다.
에디슨의 명언은 지금도 과학 교과서 등에 도전 정신의 상징처럼 사용된다. 그렇다면 에디슨은
밤의 역사를 바꿔놓은 위대한 필라멘트 소재를 어떻게 발견했을까?

토머스 앨버 에디슨

토머스 앨버 에디슨
Thomas Alva Edison 1847~1931
미국의 발명가. 특허 수가 1,000종이 넘을 정도로 많은 발명을 하였고
특히 백열전구를 개선 · 발전시켰다. 전구 실험 중 발견한 ‘에디슨 효과’
는 20세기에 들어서 열전자 현상으로 연구되고, 진공관에 응용해 전자
공업 발달의 바탕이 되었다.

전구 안에 실처럼 연결된 필라멘트(Filament)의 원래 의미는 ‘길게 연결된 형태’이다. 그래서 섬유 분야에서 필라멘트는 길게 연결된 실을 의미하고, 전기 분야에서는 가늘게 연결된 전구 안의 금속 연결선을 말하며, 천문학으로 옮겨가면 우주 사이의 경계를 형성하는 실 모양의 우주 구조를 뜻한다. 생물학에서도 필라멘트는 얇고 길게 연결된 근육 섬유질을 나타낸다. 그래서 필라멘트는 연결고리 정도로 볼 수 있는데, 그중에서도 인류 두 번째 불의 발견으로 여겨지는 분야가 바로 전구의 필라멘트다.

Thomas A . Edi son
Light Bulb

에디슨은 전구를 밝히는 데 필요한 발전기, 배전반,
소켓, 퓨즈 등 전구 보급에 필요한 다양한 주변장치를
만들어 전구 시대를 개척했다. 지금도 에디슨이 발명
왕으로 불리는 이유는 단순히 전구 개발에 그치지 않고,
전구가 직접 가정에서 사용될 수 있도록 시스템을 완성
했기 때문이다.

전기 필라멘트의 역사

전기 필라멘트의 역사

흔히 에디슨이 전구(電球)를 발명한 것처럼 알려져 있지만 사실은 그렇지 않다. 동그랗게 생긴 구(球) 안에 불빛이 들어간 것은 훨씬 오래된 역사를 가지고 있다. 단순히 등잔만 생각해도 이해가 쉽다. 하지만 등잔은 밝기가 약하고, 계속 기름을 보충해야 하고, 바람에 약한 단점 때문에 전기(電氣) 에너지를 활용해 빛을 얻으려는 과학자들의 노력은 1760년부터 시작됐다.
18세기 전선에 전류를 흘리자 가열되며 빛이 발생한다는 점을 알아냈고, 1802년 영국 왕립 연구소는 얇은 금속선에 전류를 흘려 빛을 얻는 데 성공했다. 또한 19세기에도 많은 과학자 들이 금속성 필라멘트 소재로 전구 수명을 늘리는 데 집중했지만 기대만큼 성과는 없었다. 그러던 1874년 캐나다의 헨리 우드워드와 매튜 에반스가 탄소봉 램프를 만들어 특허를 취득했지만 상품화에 실패했다. 탄소막대가 유용하다는 점은 알았지만 산소가 없는 진공을 만들기가 쉽지 않았기 때문이다.

토머스 에디슨의 집념

실패한 특허에 주목한 인물은 에디슨이었다. 에디슨은 평소 어떤 물체에 전기가 흐르면 뜨거워지다가 결국 타버리는 현상을 보며 ‘왜 그럴까?’라는 호기심을 가지고 있었는데, 헨리우드워드가 아이디어의 단초를 제공해 곧바로 특허를 인수하고 연구에 착수했다. 그리고 필라멘트가 타는 원인으로 ‘산소’를 지목하고, 이를 없애기 위해 다양한 방법을 동원했다. 에디슨은 먼저 종이를 태운 후 필라멘트로 사용했는데, 역시 진공이 확실히 되지 않아 10분 정도 지나 꺼져버렸다. 이후 다양한 소재로 실험은 계속됐고 실패 또한 2,000회가 넘었다. 주변에서 이를 지켜보던 사람들이 무모한 도전이라며 비아냥거렸을 만큼 에디슨의 도전은 무모했다.
그래도 에디슨은 포기하지 않았다. 그는 기본적으로 불에 한번 타버린 탄소체에 전기를 흘려줄 때 산소만 완벽히 제거하면 빛이 지속될 것으로 확신하고, 필라멘트 소재 발굴과 진공 상태 유지에 주력했다. 그리고 마침내 탄소 소재의 실을 필라멘트로 사용하고, 유리 전구 내부의 산소를 없앤 뒤 전류를 흘려보내자 무려 40시간이나 지속되는 전구가 발명됐다. 그때가 1897년 12월 3일이다. 당시 미국 내 언론들은 “프로메테우스 이후 인류 역사에서 두 번째 불의 발견”이라며 미국 뉴저지 주 멘로파크 에디슨 연구소의 결과물을 치켜세웠다.
하지만 여기서 멈추지 않았다. 그는 보다 오래 빛이 지속되는 탄소 필라멘트 소재를 찾아다녔다. 모든 건물에서 전구가 사용되려면 수명이 늘어나야 했고, 그 방법으로 필라멘트 소재의 향상이 중요했다. 그 결과 1880년 대나무가 좋다는 점을 알아낸 뒤 대나무 산지인 중국, 일본, 인도, 중앙아메리카 등을 모두 뒤져 결국 일본 교토 부근의 야와타에서 자라는 대나무를 찾아냈다. 쉽게 말해 대나무 숯을 필라멘트로 사용한 것이다. 이어 에디슨은 전구를 밝히는 데 필요한 발전기, 배전반, 소켓, 퓨즈 등 전구 보급에 필요한 다양한 주변 장치를 만들어 전구 시대를 개척했다. 지금도 에디슨이 발명왕으로 불리는 이유는 단순히 전구 개발에 그치지 않고, 전구가 모든 가정에서 사용될 수 있도록 시스템을 완성했기 때문이다.물론 에디슨의 대나무 필라멘트는 30년이 지난 후 텅스텐으로 바뀌었다. 덕분에 전구는 보다 높은 온도에서 수명이 연장됐고 밝기도 향상됐다. 1960년대에는 할로겐이 등장하고 최근에는 필라멘트 대신 LED를 광원으로 하는 수준에 도달했지만, 이 모든 역사의 시작이 에디슨이었음은 그 누구도 부인할 수 없다.

자동차도 전기 필라멘트로

그렇다면 에디슨의 대나무 필라멘트는 자동차에 사용됐을까? 아쉽게도 대답은 ‘아니요’다. 에디슨이 전구를 발명한 시점의 자동차에는 대부분 아세틸렌 램프가 쓰였다. 물론 전구의 등장 이후 자동차 회사도 전기 램프에 대한 관심을 보이기는 했다.
1898년 코네티컷에서 전기차를 개발하던 컬럼비아 전기자동차가 대나무 필라멘트 전구를 활용한 헤드램프를 옵션으로 선보였지만 필라멘트가 쉽게 끊어지는 현상이 발생했다. 또한 필라멘트를 밝히기 위한 전력 공급도 여의치 않았다. 전기차인 만큼 대부분의 전력이 구동에 소진됐기 때문이다.
그럼에도 전기 헤드램프의 편리성과 안전성 때문에 개발은 지속됐다. 1912년 캐딜락이 전기 전조등을 상용화할 때 텅스텐 필라멘트를 사용했는데, 에디슨에 이어 윌리엄 쿨리지의 텅스텐 필라멘트를 적극 활용한 결과다.
이후 자동차 전구는 지속적인 발전을 이룬다. 대표적으로 1962년 백열전구의 한 종류로 할로겐 가스를 혼합한 할로겐 전구가 등장했고, 1991년에는 형광등과 같은 원리로 개발된 HID(High Intensity Discharge)가 BMW 7시리즈에 처음 도입됐다. 흔히 제논 헤드램프로도 불리는 HID는 필라멘트에 전류를 보내는 전구와는 달리 제논 가스로 채워진 램프 속 양쪽 전극 간의 방전 원리로 빛을 만든다. 전력 소모가 낮고 수명도 길어 최근 대부분의 중대형차에 적용되는 추세다. 여기서 그치지 않고 자동차 전구는 LED로 진화한다. 2003년 제네바모터쇼에 렉서스가 처음 선보인 LED 램프는 프리미엄 제품을 중심으로 급속히 확대되는 중이다.
하지만 LED 헤드램프 사용에는 몇 가지 전제 조건이 필요하다. 비싼 원가를 감당해야 하며, 뜨거워지는 발열 문제도 기술적으로 해결해야 한다. 그래서 LED 헤드램프는 여전히 벤츠와 아우디, BMW, 렉서스 등 프리미엄 브랜드의 전유물처럼 여겨지는 게 일반적이다. 최근 LED 기술의 진화는 소재 확대가 아니라 기능적 변화에 초점을 맞추고 있다. LED 숫자를 늘리는 것 외에 도로 상황에 맞는 밝기와 빛의 방향 설정에 주력하는 중이다. 이른바 LED 소재의 장점을 충분히 살리는 것이다. LED만의 다양한 특성을 활용할수록 운전자 안전이 보다 확보되기 때문이다. 예를 들어 조명의 점등 여부와 밝기 정도 그리고 색상과 조명이 비추는 장소 등을 자동차 스스로 판단할 수 있도록 만들어주는, 일종의 ‘다기능’으로 나날이 진보하고 있다.

자동차도 전기 필라멘트로
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