빛의 핵심: 물리학자 고재현의 광학 이야기

물리학자 고재현의 광학 이야기

빛의 핵심

고재현 지음

 

 

 

21세기는 빛의 세기다

백열 전구에서 QLED까지

빛알 하나가 만든 우주와의 조우

 

 

빛 박사에 의한, 빛에 대한, 빛나는 책!
―김상욱(경희 대학교 물리학과 교수)

대기 중에서 산란된 빛알 하나가 내 눈의 수정체를 통과해 방금 망막에 닿았다. 내 마음은 멋진 파란 하늘에 닿는다. 방금 닿은 빛알 하나를 떠올려본다. 엄청난 규모의 시공간을 건너 뛴 우주적 사건이다. 바로, 저자가 말하는 빛알 하나가 만든 우주와의 조우다.
―김범준(성균관 대학교 물리학과 교수)

 

21세기에 들어선 시점에서 왜 빛과 광기술이 강조되는 것일까? 휴대폰 화면의 빛으로 시작해 빛과 함께 끝나는 매일은 물론이고, 우리는 빛으로 세상을 보고 느끼며 정보를 주고받는 한편 우주의 탄생 무렵 과거를 들여다보기도 한다. 갑작스럽게 맞이한 비대면 시대에도 광통신과 디스플레이 기술을 토대로 세상은 서로 연결되고 있으며 인류는 현재를 헤쳐나가 다시 미래로 향할 것이다. 20세기가 전자의 세기라면 21세기는 빛의 세기다. 이번에 (주)사이언스북스에서 출간된 『빛의 핵심: 물리학자 고재현의 광학 이야기』는 일상 속에서 끊임없이 명멸하는 빛의 의미와, 빛에 기초한 광기술의 현재를 가장 알기 쉽게 안내해 주는 책이다. 이 책을 쓴 고재현 한림 대학교 나노 융합 스쿨 교수는 디스플레이 광학과 조명, 응집 물질 분광학 등 빛의 응용을 연구하는 물리학자이자, 누구보다 빛을 사랑하는 ‘빛 박사’이다. 삼성코닝 책임 연구원을 거쳐 현재는 한림 대학교 나노 융합 스쿨에서 가르치고 있으며 한림대학교 학술상, 한국정보디스플레이학회 JID 우수논문상, 한국물리학회 논문 인용 피인용상, 과학기술우수논문상 등을 수상했다. 매일같이 마주치는 하늘 사진을 찍고, 무지개 너머 빛의 비밀을 떠올리는 그는 한국물리학회 물리 대중화 특별 위원회 실무 이사를 맡아 물리 대중화를 위해 활동한 바 있고 지금도 다양한 현장에서 빛에 대한 강연을 펼치고 있다.

 

 

 

태초에 빛이 있었다

 

『빛의 핵심』 표지에 사용된 19세기 목판화는 1666년경 프리즘을 사용한 뉴턴의 빛 실험을 형상화한 것이다. 프리즘을 이용해 햇빛을 무지갯빛으로 분리할 수 있다는 것은 고대로부터 알려진 현상이었지만, 중세의 사람들은 햇빛 자체가 무지갯빛들로 구성되어 있는 것인지, 프리즘의 유리가 백색인 햇빛을 변질시켜 색깔을 만들어 낸 것인지를 놓고 오랫동안 논쟁해 왔다. 뉴턴은 2개의 프리즘을 역으로 배치한 후에 첫 번째 프리즘으로 분리된 무지갯빛들이 두 번째 프리즘을 통과해 합쳐지면서 다시 백색광으로 바뀌는 것을 실험으로 확인했다. 이로써 햇빛은 연속적인 다양한 색깔들로 구성되어 있고 이들을 합쳐서 다시 백색광을 만들 수 있음이 증명된 것이다.

 

오늘날 과학자들은 프리즘 대신 고성능 분광기와 다양한 종류의 검출기를 이용해 전자기파의 광범위한 파장 영역을 모두 검출하고 조사할 수 있다. 현대 과학이 밝힌 전자기파 스펙트럼을 보면 보라색 너머로는 자외선, 엑스선, 감마선 등 강한 에너지를 가진 빛이 펼쳐져 있고 빨간색에 이웃해서는 적외선, 마이크로파 및 라디오파 등의 전파가 연결되어 모두 동일한 속도인 초속 30만 킬로미터 정도의 광속으로 진공을 날아가지만 파장과 진동수를 이용해 구분할 수 있다.

 

빛은 과학자들이 원자에서 우주까지 엄청난 스케일로 펼쳐져 있는 자연 현상을 더 잘 이해하기 위해 활용하는 주요 수단이다. 빛은 최근 미시 세계에서 벌어지는 동적인 움직임을 추적하고 연구하는 중요한 수단이 되었다. 가장 큰 스케일의 우주로 눈을 돌려 보면 어떨까? 지구의 궤도에는 허블 망원경을 포함해 먼 별이나 은하가 보내는 빛, 빅뱅의 잔해인 마이크로파 배경 복사 등 지구로 쏟아지는 온갖 종류의 전자기파를 측정하는 다양한 우주 망원경들이 맹활약 중이다.

 

 

인간이 만든 빛

 

4차 산업 혁명, 인공 지능과 빅 데이터의 구호가 요란한 요즘은 혁신적 기술에 대한 요구도 함께 늘어나고 있다. 특히 전 지구적 기후 변화와 환경 위기에 능동적으로 대처하기 위한 과학자, 공학자의 노력도 더 빨라지고 있다. 지구 전체 발전량의 무려 4분의 1을 소비하는 조명 기술도 예외는 아니다. 백열등을 발명한 에디슨 이후 1990년대 중반 처음 등장한 작은 청색 반도체 광원이 일으킨 제2의 빛의 혁명은 어디까지 와 있을까? 청색이 없다면 백색광을 만들지 못하기 때문에 디스플레이나 조명과 같은 중요한 응용 분야로 LED(고체 발광 다이오드)가 확대될 수는 없는 일이었다. 점멸이 자유롭고 디지털 제어가 용이하기 때문에 LED는 사물 인터넷의 시대에 정보를 전달하는 수단으로, 다양한 센서를 결합한 지능형 조명 시스템으로 진화하고 있는 중이다. 반도체의 종류에 따라 다채로운 색상을 낼 수 있고 점광원의 특성상 다양한 형상으로 디자인할 수 있다.

 

오늘날 대형 디스플레이에 쓰이는 발광 소자는 대부분 발광 다이오드다. 상암 월드컵 경기장, 잠실 올림픽 경기장, 서울 시청 앞의 전광판 모두 평면상에 LED를 밀집시켜 만든 모듈을 주기적으로 배열해 스크린의 화소로 활용한다. 대형 스크린 위에 총천연색 영상을 구현하기 위해서는 빛의 삼원색을 낼 수 있는 화소가 필요하다. TV나 모니터의 화소의 크기는 밀리미터보다 훨씬 작아서 매우 가까이 다가가서 보거나 확대경을 이용해야 구별이 가능하지만 대형 디스플레이의 경우는 보통 수십 미터나 수백 미터 떨어진 거리에서 시청하기 때문에 화소 하나의 길이가 수십 밀리미터에 달한다. 대형 디스플레이의 커다란 화소를 구현하기 위해 음극선관(CRT) 방식, 형광 방전관 방식, LCD 방식 등 다양한 기술이 사용되어 왔다.

 

최근 유행하는 QLED 혹은 QD-LED라는 디스플레이 용어에서 Q, QD가 가리키는 양자점은 나노미터 크기의 반도체를 일컫는 용어로서 레이저, 생물학적 센서, 태양 전지 등 다양한 응용 분야에서 활용되어 왔고 지금도 활발히 연구되고 있다. 머지않은 미래에 양자점은 디스플레이의 화소에서 빛 방출을 직접 담당하는 주연으로 올라설지도 모른다.

 

 

과학과 빛

 

빛에 대한 최초의 체계적인 설명은 19세기 전기학과 자기학을 집대성해 전자기학을 수립한 영국의 물리학자 맥스웰에 의해 이루어졌다. 맥스웰의 전자기파 이론으로 빛에 대해 완벽히 이해했다고 생각했던 20세기 초, 빛의 정체에 대한 관점에 근본적인 전환이 생긴다. 빛의 속도는 우주에 존재하는 속도의 상한선으로서 특수 상대성 이론이 탄생하는 기반이 되었다. 또한 미시 세계를 다루는 학문인 양자 물리학은 빛 에너지가 양자화되어 있음을 알려 주었다.

 

최근 빛을 다루는 광학 분야에서 메타 물질(자연에 없는, 인공적으로 설계해 만든 물질)에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다. 메타 물질에서 나타나는 새로운 과학 현상뿐 아니라 이를 다양한 분야에 응용할 수 있는 무궁한 가능성이 과학자들의 흥미를 끌고 있는 것이다. 물질의 구성 단위를 인위적으로 설계해 배치한다면 굴절률을 마음대로 조절해 빛을 통제할 새로운 가능성을 얻을 수 있다. 메타 물질이 적용될 분야 중 하나로 투명 망토 기술이 있다. 물체를 지각할 수 있는 것은 주변의 조명광이나 태양빛이 물체의 표면에서 반사된 후 우리 눈에 들어오기 때문이다. 그런데 물체의 주변 공간에 적절한 굴절률 분포를 나타내는 메타 물질을 설계해 배치하면 이 공간을 지나는 빛은 물체에 닿지 않고 주변을 에돌아 지난 후에 원래의 방향을 따라 진행하기 때문에 외부에서는 물체가 있는지 인식하지 못하게 된다. 메타 물질의 실질적인 실용화가 진행된다면 어떤 빛의 마술이 펼쳐질까?

 

 

 

추천의 말

 

“빛에 대해 당신이 몰랐던, 알고 싶었던, 알 수 있을 거라 생각지도 않았던 모든 내용이 담긴 책이다. 이런 넓이를 갖기도 쉽지 않은데, 더구나 이런 깊이라니! 빛 박사에 의한, 빛에 대한, 빛나는 책이다.”
—김상욱(경희 대학교 물리학과 교수)

“알면 사랑하게 된다. 그리고 사랑하면 더 알게 된다. 더 알게 되면 더 사랑하게 되고, 그렇게 늘어난 더 큰 사랑은 앎을 더 크게 늘린다. 물고 물리며 점점 더 커지는 되먹임 효과다. 빛에 대한 저자의 앎과 사랑은 반복적으로 재귀적인 상호 작용을 계속하고, 그렇게 발생한 늘어나는 되먹임 효과의 결실이 바로 이 책이다. 고재현 교수가 SNS에 올리는 멋진 하늘 사진들의 오랜 열광자인 내가 오래 기다린 책이다. 태양 내부 깊은 곳에서 핵융합으로 만들어진 빛알은 무려 100만 년 동안의 우왕좌왕 여행 끝에 태양 표면에 도달한다. 그리고 8분 뒤, 드디어 우리 눈에 도달한다. 태양을 벗어난 그 수많은 빛알 중 극히 일부만이 지구를 향하고, 그중 극히 일부가 지금 이 순간 내 눈에 도달한다. 대기 중에서 산란된 빛알 하나가 내 눈의 수정체를 통과해 방금 망막에 닿았다. 내 마음은 멋진 파란 하늘에 닿는다. 방금 닿은 빛알 하나를 떠올려본다. 엄청난 규모의 시공간을 건너 뛴 우주적 사건이다. 바로, 저자가 말하는 빛알 하나가 만든 우주와의 조우다. 보면 알게 되고, 알면 사랑하게 된다. 빛을 알고 싶은 사람, 그리고 빛을 사랑하는 사람 모두가 꼭 볼 책이다. 이 책을 보고 바라본 하늘이 파랗다.”
—김범준(성균관 대학교 물리학과 교수)

 

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온라인 서점

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차례

머리말 8분간의 여행 7 | 1부 태초에 빛이 있었다 13 | 1장 빛의 속도로 가라 15 | 2장 보이는 빛과 보이지 않는 빛 28 | 3장 빛을 보는 법 46 | 4장 태양과 자연이 빚어낸 빛의 교향곡 64 | 5장 빛의 사계 82 | 6장 목성에서 번개가 친다면 93 | 2부 인간이 만든 빛 107 | 7장 인공 광원이 펼치는 빛의 세계 109 | 8장 LED와 21세기 124 | 9장 디스플레이의 과거 137 | 10장 LCD의 진화 150 | 11장 디스플레이의 미래 161 | 12장 미래의 광기술 174  | 3부 과학과 빛 185 | 13장 빛과 정보, 그리고 중력파 187 | 14장 좋은 빛, 나쁜 빛, 이상한 빛 200 | 15장 태양계와 탐사선 223 | 16장 분광학과 화성 237 | 17장 초고압의 물리와 우주 탐험 257 | 18장 또 하나의 지구를 찾아 271 | 4부 빛으로 바라본 세상 283 | 19장 비 중에서 가장 이상한 비 285 | 20장 푸른 지구의 미래를 위해 304 | 21장 5G란 무엇인가 318 | 22장 컬링 경기의 비밀 331 | 23장 세상의 물리 342 | 맺음말 빛에서 빛으로 360 | 후주 362 | 더 읽을거리 386 | 도판 저작권 389 | 찾아보기 390

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고재현

서울 대학교 물리학과를 졸업하고 한국 과학 기술원 물리학과에서 석사, 박사 학위를 받았다. 일본 쓰쿠바 대학교 연구원과 삼성 코닝 주식 회사 책임 연구원을 거쳐 현재 한림 대학교 나노 융합 스쿨에 재직하고 있다. 디스플레이 광학과 조명, 응집 물질 분광학 등 빛의 응용과 관련된 연구를 수행해 왔다. 《한국일보》, 《세계일보》, 《강원도민일보》 등에 과학 칼럼을 연재했고 다양한 과학 강연에 참여하며 과학 대중화를 위해 노력하고 있다.