태초에빛이있었다
『빛의핵심』표지에사용된19세기목판화는1666년경프리즘을사용한뉴턴의빛실험을형상화한것이다.프리즘을이용해햇빛을무지갯빛으로분리할수있다는것은고대로부터알려진현상이었지만,중세의사람들은햇빛자체가무지갯빛들로구성되어있는것인지,프리즘의유리가백색인햇빛을변질시켜색깔을만들어낸것인지를놓고오랫동안논쟁해왔다.뉴턴은2개의프리즘을역으로배치한후에첫번째프리즘으로분리된무지갯빛들이두번째프리즘을통과해합쳐지면서다시백색광으로바뀌는것을실험으로확인했다.이로써햇빛은연속적인다양한색깔들로구성되어있고이들을합쳐서다시백색광을만들수있음이증명된것이다.
오늘날과학자들은프리즘대신고성능분광기와다양한종류의검출기를이용해전자기파의광범위한파장영역을모두검출하고조사할수있다.현대과학이밝힌전자기파스펙트럼을보면보라색너머로는자외선,엑스선,감마선등강한에너지를가진빛이펼쳐져있고빨간색에이웃해서는적외선,마이크로파및라디오파등의전파가연결되어모두동일한속도인초속30만킬로미터정도의광속으로진공을날아가지만파장과진동수를이용해구분할수있다.
빛은과학자들이원자에서우주까지엄청난스케일로펼쳐져있는자연현상을더잘이해하기위해활용하는주요수단이다.빛은최근미시세계에서벌어지는동적인움직임을추적하고연구하는중요한수단이되었다.가장큰스케일의우주로눈을돌려보면어떨까?지구의궤도에는허블망원경을포함해먼별이나은하가보내는빛,빅뱅의잔해인마이크로파배경복사등지구로쏟아지는온갖종류의전자기파를측정하는다양한우주망원경들이맹활약중이다.
인간이만든빛
4차산업혁명,인공지능과빅데이터의구호가요란한요즘은혁신적기술에대한요구도함께늘어나고있다.특히전지구적기후변화와환경위기에능동적으로대처하기위한과학자,공학자의노력도더빨라지고있다.지구전체발전량의무려4분의1을소비하는조명기술도예외는아니다.백열등을발명한에디슨이후1990년대중반처음등장한작은청색반도체광원이일으킨제2의빛의혁명은어디까지와있을까?청색이없다면백색광을만들지못하기때문에디스플레이나조명과같은중요한응용분야로LED(고체발광다이오드)가확대될수는없는일이었다.점멸이자유롭고디지털제어가용이하기때문에LED는사물인터넷의시대에정보를전달하는수단으로,다양한센서를결합한지능형조명시스템으로진화하고있는중이다.반도체의종류에따라다채로운색상을낼수있고점광원의특성상다양한형상으로디자인할수있다.
오늘날대형디스플레이에쓰이는발광소자는대부분발광다이오드다.상암월드컵경기장,잠실올림픽경기장,서울시청앞의전광판모두평면상에LED를밀집시켜만든모듈을주기적으로배열해스크린의화소로활용한다.대형스크린위에총천연색영상을구현하기위해서는빛의삼원색을낼수있는화소가필요하다.TV나모니터의화소의크기는밀리미터보다훨씬작아서매우가까이다가가서보거나확대경을이용해야구별이가능하지만대형디스플레이의경우는보통수십미터나수백미터떨어진거리에서시청하기때문에화소하나의길이가수십밀리미터에달한다.대형디스플레이의커다란화소를구현하기위해음극선관(CRT)방식,형광방전관방식,LCD방식등다양한기술이사용되어왔다.
최근유행하는QLED혹은QD-LED라는디스플레이용어에서Q,QD가가리키는양자점은나노미터크기의반도체를일컫는용어로서레이저,생물학적센서,태양전지등다양한응용분야에서활용되어왔고지금도활발히연구되고있다.머지않은미래에양자점은디스플레이의화소에서빛방출을직접담당하는주연으로올라설지도모른다.
과학과빛
빛에대한최초의체계적인설명은19세기전기학과자기학을집대성해전자기학을수립한영국의물리학자맥스웰에의해이루어졌다.맥스웰의전자기파이론으로빛에대해완벽히이해했다고생각했던20세기초,빛의정체에대한관점에근본적인전환이생긴다.빛의속도는우주에존재하는속도의상한선으로서특수상대성이론이탄생하는기반이되었다.또한미시세계를다루는학문인양자물리학은빛에너지가양자화되어있음을알려주었다.
최근빛을다루는광학분야에서메타물질(자연에없는,인공적으로설계해만든물질)에대한활발한연구가이루어지고있다.메타물질에서나타나는새로운과학현상뿐아니라이를다양한분야에응용할수있는무궁한가능성이과학자들의흥미를끌고있는것이다.물질의구성단위를인위적으로설계해배치한다면굴절률을마음대로조절해빛을통제할새로운가능성을얻을수있다.메타물질이적용될분야중하나로투명망토기술이있다.물체를지각할수있는것은주변의조명광이나태양빛이물체의표면에서반사된후우리눈에들어오기때문이다.그런데물체의주변공간에적절한굴절률분포를나타내는메타물질을설계해배치하면이공간을지나는빛은물체에닿지않고주변을에돌아지난후에원래의방향을따라진행하기때문에외부에서는물체가있는지인식하지못하게된다.메타물질의실질적인실용화가진행된다면어떤빛의마술이펼쳐질까?
빛으로바라본세상
1954년미국벨연구소에서불순물이들어간실리콘이빛에매우민감하게반응하는것을우연히발견해최초의실용적인태양전지가만들어졌다.1958년에발사되어지금도지구궤도를돌고있는가장오래된위성인뱅가드1호에전원공급용으로사용된작은태양전지가바로첫번째실용화사례였다.이후태양전지를이용한발전기술은지구궤도의국제우주정거장에서부터화성표면을돌아다니는로봇,고속도로의가로등,전자계산기에이르기까지전기를필요로하는광범위한분야에서사용되고있다.
재생에너지의활용은화석연료에비해경제성이많이떨어지는‘비싼’기술임은분명하다.화석연료를이용한발전방식과의경쟁에서언제쯤경제성을가지게될지아직확실하지도않다.화석연료의사용과그에따른온난화문제,기후변화등에의해인류가치르는대가를고려해본다면태양광발전을포함한재생에너지기술은경제성여부를떠나우리의미래를위해서과감히투자하고발전시켜가야하는기술이다.끊임없는발전과성장보다는지속가능한발전,지속가능한소비에대해고민하고대안을준비해야하는때다.이런관점에서국가적인에너지정책도화석연료의확보와활용의관점에서벗어나패러다임의근본적변화가필요해졌다.
우리는어떻게빛을인식하는가?
광학기술은앞으로어떻게진화할까?
2018년12월1일은5세대(5G)이동통신의시작을알리는첫전파가한반도에서송출된날이다.시간지연없이초고속으로더많은기기를연결한다는5G통신의특징은가상현실등콘텐츠뿐아니라사물인터넷,스마트공장,자율주행을포괄하는차세대산업분야에도큰영향을끼칠것으로예상된다.5G통신과관련해전파,전자파,전자기파등다양한용어가사용되지만이들은모두동일한물리적실체를가리킨다.전자기파는19세기맥스웰이기존의전기와자기에관한이론을통합한후예측한파동으로서전기장과자기장이동일한위상으로진동하며빛의속도로날아가는횡파를말한다.이론적으로예측된전자기파는헤르츠의실험을통해그존재가증명됐다.헤르츠는본인의발견이얼마나큰실용적가능성을갖는지상상할수없었지만뒤이은마르코니의무선통신실험을거치며통신분야에서전자기파의활용이본격적으로시작됐다.
1880년피에르퀴리와폴자크퀴리형제는수정을포함한일부결정들에압력을가해변형을주자전압이발생하는것을발견했다.대칭점이없는결정들에압력이가해지면전하의균형이쉽게무너지며전류를흐르게할전압이발생하는것이다.압력으로전기를발생시키는이러한압전효과는초음파영상법,잉크젯프린터,마이크등진동에너지를전기에너지로,혹은거꾸로전기에너지를진동에너지로변환시키는수많은장치에응용되고있다.압전효과를처음발견한피에르퀴리는“우리는과학에서무엇인가성취하기를열망합니다.모든발견은,아무리보잘것없어도우리에게영원한보상입니다.”라고마리퀴리에게편지를썼다.
빛과전자기파의본성을제대로이해하게된것은20세기부터다.디스플레이나광통신등다양한분야에서인류의삶을바꾸고IT문명의혁신에기여한빛의기술은이제유전학과같은새로운분야로도활용의폭을넓혀나가고있다.우주의초기부터존재해왔던빛은현재도함께있고몇세기후에도주위에있을것이며인류의문명이사라진머나먼미래에도이우주를가득채우며존재할것이다.인류는그런빛에기댄기술을이용해계속미래를개척해나가고환경문제등당면한위기들의해결에도이용하고있다.
