빛이 나면 반드시 뜨거워지는가
빛을 방출한다는 사실만으로 그 물질의 온도가 반드시 올라간다고 결론 낼 수 없다. 빛을 만들어 내는 과정, 장치 전체의 에너지 손실, 빛을 받은 물질의 반응을 구분해야 한다. 일상적인 광원에서 발열이 흔하다는 말과 모든 발광에서 대상이 가열된다는 말은 다르다.
백열등과 LED
백열등은 필라멘트를 뜨겁게 하여 빛을 낸다. 이처럼 높은 온도와 연결된 열복사가 있는 반면, LED는 반도체 내부의 전자적 과정으로 빛을 낸다. LED도 실제로는 발열하며 방열판으로 열을 관리한다. 따라서 LED를 “열이 전혀 없는 광원”이라고 설명하는 것도 정확하지 않다.
빛을 받은 뒤 뜨거워지는 경우
빛이 흡수된 뒤 에너지가 물질 내부의 무질서한 운동 등으로 전환되면 가열될 수 있다. 하지만 입사한 빛이 반사·투과되거나, 에너지가 다른 과정에 쓰이거나, 다시 빛으로 방출되는 경우까지 모두 같은 양의 열이 난다고 볼 수는 없다. 빛이 가진 에너지와 이미 열로 전환된 에너지는 구별한다.
빛의 방출과 냉각이 함께 일어나는 예
레이저 냉각에서는 적절한 주파수의 빛을 원자가 흡수하고 다시 방출하는 과정을 반복하여 원자들의 운동을 느리게 한다. 이때 원자들은 빛을 방출하면서도 평균 운동 에너지가 줄어 냉각될 수 있다. 이는 “빛을 방출하면 그 대상이 반드시 가열된다”는 단정을 피해야 하는 이유다. 레이저 장비 전체가 발열하지 않는다는 뜻은 아니다.
설명할 때의 기준
먼저 어떤 대상을 말하는지 정한다. 광원 부품, 전원 장치, 빛을 받는 물체를 합쳐 말하면 발광과 발열의 관계가 혼동된다. 실제 장치의 손실은 흔하지만, 그것을 빛 자체가 필연적으로 만드는 열로 설명하지 않는다.
출처
ENERGY STAR: Learn About LED Lighting — LED의 발광과 열 관리, 백열등과의 차이.
NIST: Context of a Discovery: Bill Phillips — 광자의 흡수·방출을 이용한 원자 냉각.