[물리] 빛과 빛의 활용

빛과 빛의 활용

 빛은 불이나 태양 같은 광원에서 나타나며 인간이 물체를 볼 수 있게 해준다.

• 빛의 종류

적외선은 파장의 길이가 700nm~1,000nm 해당하는 빛으로 가시광선의 적색 영역 바깥에 있어서 우리 눈에는 보이지 않는다. 빛 중에서 가장 적은 에너지를 가지고 그 에너지는 주로 열을 전달한다. 모든 물체(얼음과 같이 차가운 물체도)는 적외선을 방출한다.
가시광선은 형광등, LED와 같은 곳에서 방출되며 400nm~700nm의 파장의 길이를 가진 빛이다. 우리 눈으로 볼 수 있는 무지개 색깔이 가시광선에 해당한다. 특히 빨강, 초록, 파랑을 적절히 합성하면 최소한의 색으로 모든 색깔을 표현할 수 있다.
자외선은 파장이 10nm~400nm인 빛이어서 우리 눈으로 볼 수 없고 에너지가 매우 큰 편이다. 강한 에너지 때문에 세포에 변형 및 파괴를 일으킬 수 있으나 대부분 지구의 오존층에서 흡수된다. 적당한 자외선 노출은 비타민 D의 합성을 촉진하면서도 너무 많이 쬐면 피부암의 원인이 되기도 한다.

• 인간의 눈

 이렇게 광원에서 나온 빛들은 사람의 눈에 도달하게 되는데 사람의 눈은 여러 가지 작용으로 빛을 보게 된다. 신체의 눈은 3겹의 외막과 망막 형태를 유지해주는 유리체, 그리고 안구의 앞부분에는 수정체, 홍채, 동공이 있다. 수정체는 빛을 굴절시켜서 초점을 맞춰주고 홍채는 동공의 크기를 조절해서 빛의 양을 조절한다. 먼저 빛이 동공을 거쳐 수정체로 이동한다. 빛이 망막까지 도달하면 망막에 상이 맺히는데 이것이 시각세포를 자극해서 시신경을 통해 대뇌로 전달되고 물체를 볼 수 있게 된다.

 

 

• 광원

스스로 빛을 내는 물체로서 좁게는 가시광선, 넓게는 적외선과 자외선에 빛을 생성하는 것에 이른다. 위와 같은 광원 중에서 태양은 수소를 헬륨으로 바꾸는 핵융합 반응을 하고 있는데 핵융합 에너지 중 일부가 빛의 형태로 방출되는 것이다. 또 다른 광원인 LED는 반도체 사이에서 전자가 이동할 때 빛을 생산한다. 반도체 사이의 거리와 사용된 물질의 종류에 따라 각기 다른 파장의 빛을 만들어 낸다.

• 빛의 활용
   빛은 에너지를 가지고 있어서 다양한 공업 및 생명 작용에 이용된다.

1. 태양전지
 태양전지는 빛을 받았을 때 빛에 의한 전압을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 빛을 받으면 반도체에 전류가 발생하고 이것을 회로에 연결하면 전류가 흐르게 된다. 태양전지는 비싸지만, 터빈이나 발전기가 필요 없는 유일한 전기 발전 방식인 데다가 친환경 에너지 중 효율이 큰 편이라서 우주 환경에서도 많이 쓰인다.

2. 광합성
 광합성은 이산화탄소와 물로 포도당과 산소를 만들어내는 과정이다. 엽록체의 엽록소에서 빛에너지를 받으면 전자가 방출되고 그 전자들을 이용하여 포도당을 만드는 데 필요한 에너지를 생산한다. 빛 중에서는 청색과 적색을 사용하고 녹색은 반사하기 때문에 식물의 잎은 대부분 초록색으로밖에 볼 수 없다. 빛 에너지를 얻은 전자의 이동을 이용한다는 점에서 태양전지와 유사성을 가진다.

3. 의료기기
 빛의 에너지와 인체 사이의 상호작용이 의료기기에 활용된다. 자외선은 강한 에너지로 세균을 죽이는 등 피부질환을 치료하는 데 쓰인다. 적외선은 에너지의 형태가 열이라는 것으로부터 열 탐지기, 비접촉식 체온계에 사용된다. 또한 피부 내부의 깊은 곳에 열을 보내서 병균 저항력과 혈액순환, 세포재생능력 등을 활성화하는 적외선 치료기에도 활용된다.

4. 광섬유

광섬유는 빛으로 정보를 주고받을 때 사용되는 가느다란 유리 섬유이다. 광섬유는 빛으로 정보를 전달하기 때문에 전달 속도가 빠르지만, 정보가 손실될 수 있다. 원래는 빛의 반사를 이용하여 빛의 경로를 바꾸는데 거울과 같은 사물들은 완전한 반사를 하지 못하기 때문이다. 그래서 광섬유는 빛을 온전히 반사하는 전반사를 이용한다. 속도가 느린 매질로 광섬유의 중심 부분인 코어를 만들고 속도가 빠른 매질로 코어를 감싸는 클래딩을 만든다. 그러면 빛이 코어에서 클래딩으로 진입할 때 전반사가 일어나기 때문에 정보의 손실 없이 통신할 수 있다.

5. 렌즈와 거울

 렌즈는 우리가 사물을 더 잘, 더 멀리, 더 크게 볼 수 있도록 도와준다. 사람은 광원에서 나온 빛이 사물에 반사된 뒤 망막에 상이 맺혀 사물을 볼 수 있게 된다. 렌즈는 망막에 상이 맺히는 위치를 조절한다. 먼저 볼록렌즈는 가운데가 볼록한 렌즈로 빛은 렌즈의 두꺼운 쪽으로 휘는 성질 때문에 가운데로 모이고 상을 눈과 가깝게 만들어 준다. 반대로 오목 렌즈는 가운데가 얇아서 빛이 바깥쪽으로 휘게 되고 상을 눈에서 멀게 만들어 준다. 이를 이용해서 볼록렌즈로는 가까운 것을 잘 못 보는 원시를 교정하고 오목렌즈로는 먼 것을 잘 못 보는 근시를 교정한다. 한편 거울은 렌즈와 반대의 성질을 가진다. 볼록거울은 빛을 바깥으로 나아가게 하고 넓은 공간을 축소하여 볼 수 있게 한다. 오목렌즈는 빛을 안쪽으로 모으며 작은 것을 크게 볼 수 있게 한다.

6. 예술
 예술의 영역에서 빛은 정교한 시각적 묘사를 위해 사용된다. 원근법은 시각의 범위에 따라 사물의 거리를 구현하거나 빛의 반사 각도를 계산하여 빛과 그림자로 원근법을 구현하기도 한다. 또한 서로 색깔이 다른 빛들이 합쳐지면 다른 색깔의 빛이 만들어지는데 이때 빨강, 초록, 파랑 빛을 빛의 삼원색이라고 하며 이들을 적절하게 합성하면 모든 색의 빛을 만들 수 있다. 이 원리는 미술뿐만 아니라 디스플레이, 프린터 등에 RGB 체계로서 이용된다.

 

이미지 출처: https://daporang.tistory.com/36