[Aether 물리] #27 양자역학편 - 디지털 사진 원리
매장된 이더 물리에 대한 개인적 호기심 탐구 시리즈입니다.
아인슈타인의 상대성 이론, 소립자, 양자역학을 짚어보고, 궁극적으로 이더 물리를 파헤칩니다.
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1880년대에 헤르츠(Hertz)는 빛이 전자기라파는 맥스웰 방정식을 실험으로 증명하려고 다음과 같이 장치를 꾸몄습니다.
그림의 왼편에서 진동하는 전압을 걸어주면 떨어져 있는 두 금속구 사이에 불꽃이 일어나는데, 이 때 발생한 전류 진동은 전자기파로 같은 진동수로 사방으로 퍼져 나가야 합니다. 그래서 전자기파가 그림 오른편의 두 금속구 사이에 도달하여 전압이 유도되어 불꽃이 일어납니다.
헤르츠의 실험에서 왼편의 송신부와 오른편의 수신부 사이를 막으면 불꽃이 줄어드는 것이 관찰되었습니다. 헤르츠는 이걸 측정 오류로 무시했지만, 나중에 헤르츠의 실험이 광전효과에 의한 것이라는 것이 밝혀집니다. 광전효과는 빛의 파동성을 이용하는 것이 아니고 빛의 입자성을 이용하는 것입니다.
광전효과를 밝혀낸 사람은 다른아닌 아인슈타인입니다. 그는 1905년에 특수 상대성이론에 대한 논문도 제출했지만, 광전효과에 대한 논문도 제출했습니다. 그가 노밸상은 받은 것은 바로 광전효과의 발견때문입니다.
모두가 빛은 파동이라고 생각할 때, 그는 홀로 빛을 입자로 보면 어떨까하고 생각을 확장해 나갔습니다. 그랬더니 헤르츠 실험과 같은 것들이 광전효과에 의해 탁월하게 설명이 되었던 것입니다.
광전효과는 다음과 같이 요약됩니다.
광자(photon)은 빛의 진동수에 플랑크 상수를 곱한 에너지를 같습니다. 광자 1개가 어떤 물체와 부딪칠 때, 그 물질의 고유 에너지(그 물질에서 전자 한개를 방출시키는데 필요한 최소 에너지)보다 크면, 광자 1개당 하나의 전자를 방출시키게 됩니다. 이 때 방출된 전자는 광자가 쓰고 남은 에너지를 함께 가져갑니다.
쉽게 요약하면, 빛을 어떤 물질에 쏘면, 전자가 튀어나오게 된다는 것입니다.
그래서 헤르츠 실험에서 광자가 오른편의 측정기의 금속구를 때려서 전자가 방출되어 전류가 흐른 것입니다.
광전효과의 특성은 다음과 같습니다.
- 빛의 강도가 셀수록 광자의 수가 많으므로, 더 많은 전자를 방출 시킴
- 그러나 광자는 1개의 전자 1개만 방출시키므로, 방출된 전자 1개가 갖는 에너지 빛의 강도에는 영향을 받지 않음 (광자 1개의 에너지는 정해져 있기 때문)
- 빛의 진동수가 증가할수록 측정되는 에너지가 증가함. 이 이유는 빛의 진동수가 빠를수록 플랑크 법칙에 따라 광자 1개의 에너지가 증가하기 때문임.
이와 같은 광전효과는 1916년 로버트 밀리컨에 의해서 증명되었고, 아인슈타인은 광전효과 발견으로 1921년에 노벨상을 수상하게 됩니다.
디지털 사진 원리
아인슈타인이 발견한 광전효과는 오늘날 그 쓰임새가 무척 많습니다. 빛을 전기 신호로 바꾸는 거의 모든 곳에서 사용됩니다.
빛을 전기신호로 바꾸는 것 중에 가장 유명한 것이 무엇이 있을까요?
바로 디지털 사진입니다.
디지털 카메라의 이미지 센서의 각각의 화소라고 불리는 것은 사실은 작은 반도체 물질 덩어리입니다. 셔터를 눌러서 화소가 얼마간의 시간 동안 빛에 노출되면 광자로 인해 전자가 튀어 나가게 됩니다. 이렇게 모인 전자들이 결집하여 전압을 형성하게 됩니다. 이 전압을 센서로 측정하면 이미지가 만들어지는 것입니다.
좀 더 자세한 원리를 알아보겠습니다.
각각의 화소 위에는 적색, 녹색, 청색 필터가 올려져 있습니다. 이것은 화소가 특정 색의 빛만 흡수하도록 하기 위한 것입니다. 이처럼 적색, 녹색, 청색의 3가지 빛으로 생긴 전자들의 전압을 잘 조합해서 필터를 거치기 전의 빛과 가장 비슷한 색을 만들어 내게 됩니다.
3가지 색만 가지고 이미지를 만들 수 있는 이유는 우리의 눈이 그렇게 동작하기 때문입니다. 우리의 시각 세포는 적색, 녹색, 청색 빛에 해당하는 파장에 가장 민감합니다. 뇌는 이러한 세포들의 활성도를 조합해서 색을 유추하게 됩니다. 색은 파장이라고 했습니다. 여기서도 적생광은 긴 파장의 세포만 자극하고, 청색광은 짧은 파장의 세포만 자극합니다. 녹색광은 세 가지 세포를 모두 자극합니다.
디지털로 만들어지는 텔레비전 화면이나 모니터 화면은 이와 같이 3가지 색의 조합으로 표현됩니다. 우리는 3가지 색의 조합을 보지만, 뇌는 다양한 색을 보는 것으로 착각하게 됩니다.
디지털 카메라는 광자가 반도체를 때려서 전자가 방출되어 전압이 형성되고 이 전압을 읽어서 이미지를 생성하는 것이라고 했습니다. 이론적으로 광자 1개당 1개의 전자를 방출하기에 매우 민감한 카메라도 가능하겠지만, 모든 물질에서 무작위적인 열운동이 발생해서 광자로 때리지 않더라도 전자가 방출되기도 합니다. 이렇게 빛을 쏘지 않아도 흐르는 전류를 암전류라고 합니다. 그래서 이미지 센서를 만들 때, 암전류보다 더 많은 광자가 많을 때 센서가 반응하게 해야 합니다. 이로 인해 빛에 대한 감도는 떨어지게 되는 것이지요.
요즘 나오는 휴대폰 카메라들은 빛이 별로 없는 밤에도 사진이 잘 나옵니다. 이와 같은 암전류 문제를 잘 해결했기 때문일 것입니다.
참고
양자역학은 다음 책을 참고했습니다.
