과학으로 밝힌 빛과 색: 근원에서 응용까지

우리는 공기 없이 살 수 없는 것처럼 빛이 없어도 살 수 없다. 태양으로부터 무제한으로 공급되는 엄청난 빛 에너지로 지구는 따뜻하게 덥혀지고 식물들은 광합성을 하며 산소를 배출한다. 따뜻한 지구 환경에서 마음껏 숨 쉬며 생명을 유지하며 살아가는 것도 이 햇빛 덕분이다. 우리는 이렇게 귀중한 공기와 햇빛을 모두 무상으로 받는다. 싱그럽게 푸른 잔디밭에서 누워서 보는 파란 하늘과 하얀 뭉게구름, 철마다 뽐내는 아름다운 꽃들, 맛있는 과일들과 단풍이 보여주는 색의 향연은 우리 삶을 풍성하게 해준다.

세상이 시작된 태초에 탄생된 빛은 아직도 우주에서 하늘에서 그 흔적을 남기고 있다. 우리가 낮 동안 볼 수 있는 환한 빛은 태양에서 8분여 정도 걸려 달려온 과거의 산물이다. 이 빛을 통해 우리는 사물의 모양을 확인하고 아름다운 색깔도 구분할 수 있다. 하늘에 떠 있는 밝은 달도 태양 빛이 있어서 볼 수 있다. 빛을 쬐면 따뜻하고 눈에는 환하게 보이는데 만질 수도 없다.

이런 빛의 정체를 밝혀보고자 많은 철학자와 과학자들은 기원전부터 현재에 이르기까지 수천 년에 걸쳐 무던히 고심하고 탐구하였다. 많은 과학자들이 이론과 정교한 실험을 무기삼아 빛과 색의 비밀을 조금씩 밝혀냈고, 이제는 빛과 색을 응용하여 삶의 한 부분으로 도구화하기에 이르렀다.

빛과 색의 정체와 속성이 밝혀진 후 많은 과학자와 공학자들은 이를 이용하고자 또 다른 노력을 기울여왔다. 20세기에 들어서 본격적으로 발명되고 개발된 많은 기술들은 우리 삶을 풍족하게 만들었다. 빛을 파장별로 나누기도 하고, 직선으로 내닫기만 하는 빛을 구불구불한 곳을 따라 진행하도록 만들기도 했다.

수십 세기를 걸쳐 헌신해온 과학자들의 치열했던 탐구 정신과 그 결과물들의 발자취를 함께 따라가본다. 수많은 과학자들이 흘린 피와 땀으로 탄생한 과학적인 이론과 실험의 결과들이 응용기술로 이어지는 지적인 궤적을 살펴보는 것도 흥미로울 것이다.

우리에게 무상으로 다가오는 빛과 색, 삶에서 떼놓을 없는 이 귀한 선물을 알아가는 지적인 즐거움과 기쁨을 누리기를 바라는 마음이다.

한원택

현재 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부의 명예교수이자 고등광기술연구소(APRI)의 연구위원이다. 서울대학교 금속공학과(현 재료공학부)와 동 대학원 졸업 후 미국 Case Western Reserve University(CWRU)에서 유리과학으로 박사학위를 취득하였다. 동아대학교 전임강사, 미국 RPI Center for Glass Science and Technology의 선임연구원, 한국생산기술연구원의 수석연구원, 미국 Stanford대 방문교수, 에티오피아 Adama공대 초빙교수 등을 거쳤으며 프로보노 국제협력재단의 이사장으로 활동하고 있다. 광학유리, 광섬유, 광소자 등 광자기술 분야에 200여 편의 학술논문을 발표하였고 장영실상과 과학기술포장 등을 수상하였다. 최근 『유리시대』란 과학 교양서적을 출판해 다양하고 멋진 유리의 숨겨진 비밀과 4차 산업혁명 시대를 이끌어갈 미래 소재로서의 유리에 대한 신기술을 소개한 바 있다.

제1장

빛을 탐(探)하다

1. 빛이 탄생하다

빛과 물질의 탄생 / 햇빛은 태양에서 온다

2. 빛의 정체를 밝히다

수소의 핵융합과 빛 / 열복사에 의한 빛

3. 빛의 속도를 측정하고 계산하다

빛의 속도를 측정하다 / 빛의 속도를 계산하다

4. 빛은 이중성을 가진다

빛은 입자다 / 빛은 파동이다 / 빛은 이중성을 가진다

5. 빛은 양자다

흑체복사 / 양자역학의 탄생

6. 빛은 굴절, 반사, 분산한다

굴절 / 반사와 내부전반사 / 분산

7. 빛은 간섭, 회절, 산란한다

간섭 / 회절 / 빛의 산란

8. 빛은 편광한다

편광의 발견 / 편광의 이용

제2장

색을 탐(探)하다

9. 색의 정체를 밝히다

빛과 물질의 3원색 / 물체의 색과 응용

10. 색을 좌표에 담다

RGB 색공간 / HSV 색공간 / CIE 색도 분포표

11. 색을 감지하다

간상세포와 원추세포 / 사람과 동물은 다르게 본다

12. 색을 착각하다

물리적 착시 / 인지적 착시

13. 색을 바꾸다

보호색 / 경계색 / 퀀텀닷을 이용한 색변환

14. 색으로 병을 치료하다

색맹과 색약 치료 / 색채 치료 / 생체포톤

제3장

빛을 이용(利用)하다

15. 빛을 동식물도 만든다

동물의 발광 / 식물의 발광

16. 빛이 없으면 광합성도 없다

식물의 광합성 / 인공 빛으로 가능한 광합성 / 인공 광합성

17. 빛의 화학반응을 이용하다

피부 태닝 / 바이러스 살균 / 오염 물질 분해

18. 빛으로 피부를 살리다

비타민D의 합성 / 레이저 시술 / 문신의 제거

19. 빛으로 질병을 치료하다

광열 치료 / 광역학 치료 / 암세포 추적 / 광유전학 / 뇌전증 치료 / 비문증 치료 / 방사선 치료

20. 빛으로 몸속을 보다

복강경 / 내시경

21. 빛으로 단면을 보다

단층촬영기술 CT / 광간섭 단층촬영기술 OCT

22. 빛으로 에너지를 보다

오로라 / 코로나 방전을 이용한 키를리안 사진

제4장

빛으로 미래(未來)를 열다

23. 빛으로 정보를 저장하다

CD와 DVD / 바코드 / QR 코드

24. 빛으로 정보를 재생하다

홀로그래피 / 아날로그 홀로그램 / 디지털 홀로그램

25. 빛으로 통신을 하다

광섬유와 광통신 / 5G/6G 기술과 광통신

26. 빛으로 암호를 주고받다

양자 암호통신 기술 / 양자 내성암호 기술

27. 빛으로 흔적을 감별, 감식하다

위조지폐의 감별 / 지문과 혈흔의 인식과 감식

28. 빛으로 투명망토를 구현하다

투명망토 기술 / 메타 물질

29. 빛으로 온도를 측정하다

비접촉식 온도 계측 / 광섬유를 이용한 온도 계측

30. 빛으로 자르고 깎아내다

레이저 가공(Laser Machining) / 극자외선과 반도체 가공

31. 빛으로 전기를 만들다

Si 태양전지 / 창문형 투명 태양전지 / 염료감응형 태양전지

32. 빛으로 빛을 만들다

레이저의 원리 / 광섬유 레이저 / 인공태양과 핵융합 / 레이저를 이용한 핵융합

물질의 근원과 속성을 탐구하는 물리는 우리 삶에서 떼어낼 수 없는 학문 분야이다. 그러나 요즘 들어 물리학이 학생들에게 외면을 받고 있다. 이 책에서는 우리 삶에 깊이 자리 잡고 있는 빛과 색 그리고 빛과 색을 이용한 유익한 기술들을 탐구하고자 하였다. 이 책을 통해 햇빛 속에 담긴 무궁한 자연의 섭리를 알아가고, 삶 속에서 이미 누리고 있는 빛의 열매들을 확인할 수 있는 기쁨을 느낄 수 있을 것이다.