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[궁금한S] 적외선으로 본 세상, 어떤 모습일까?

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다. 우리는 눈을 통해 세상을 읽지만, 넓은 전자기파의 스펙트럼 중 사람이 볼 수 있는 부분은 가시광선 영역뿐입니다.

하지만 적외선으로 세상을 바라본다면 새로운 세상을 볼 수 있는데요. 적외선으로 본 세상, 어떤 모습일지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학유튜버]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다.

궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

적외선은 우리가 눈으로 감지할 수 있는 전자기파 영역인 가시광선의 붉은색 영역보다 바깥에 있는데요.

즉, 적색의 바깥에 있다고 해서 '적외선'이라고 불리게 되었습니다. 이 적외선은 눈으로 볼 수는 없지만 정말 많은 곳에서 다양하게 이용되고 있는 전자기파입니다.

그렇다면 여러분, 이 적외선을 이용해서 세상을 보면 어떤 차이점이 있을까요?

적외선은 가시광선 영역 중 붉은색 계열보다 바깥 영역에 위치하는 전자기파인데요. 짧게는 약 750nm, 길게는 25㎛ 정도의 파장을 가지고 있어서 인간의 눈으로는 볼 수 없는 영역의 전자기파입니다. 일반적으로 750nm에서 3,000nm 즉, 3㎛까지의 적외선 영역을 붉은빛의 파장과 가깝다고 해서 '근'적외선, 3㎛로부터 25㎛까지의 파장 영역을 붉은빛의 파장과는 조금 멀다고 해서 '원'적외선이라고 부르고 있습니다.

적외선이 가장 처음으로 발견된 것은 1800년 2월 11일, 독일 출신 물리학자인 윌리엄 허셜에 의해 행해진 태양 관찰용 필터를 테스트하는 과정에서였습니다.

허셜은 태양의 흑점을 관찰하기 위해 여러 필터를 다루던 중 유독 빨간색 필터를 사용할 때 다른 필터를 사용할 때보다 망원경이 더 뜨거워진다는 것을 알게 되었고, 이를 통해 붉은색 빛에 무언가가 숨겨져 있을 것이라고 생각했습니다.

허셜은 프리즘을 통과하여 분리된 빛에 온도계를 늘어놓고 색에 따른 온도 변화를 측정했습니다. 놀랍게도 빨간색 바깥쪽, 즉 빛이 보이지 않는 곳에 둔 온도계의 온도가 가장 많이 올라갔습니다. 그곳에 손을 대보니 따뜻함 역시 느낄 수 있었죠. 허셜은 이것에 대해 눈에 보이지는 않지만 열을 전달하는 무언가가 존재가 있을 것이라는 생각을 떠올렸습니다. 이것이 바로 현대 과학에서 이야기하는 '적외선'의 최초 발견이었던 것입니다.

이러한 허셜의 발견 덕분에 적외선은 열을 나누는 전자기파라는 의미에서 열선이라고 부르기도 합니다. 실제로 이 적외선이 열에너지를 가장 많이 전달하는 전자기파인데요. 눈에 보이지 않는 적외선을 볼 수 있다면 어떤 모습일까요?

선글라스는 검은색이지만, 적외선을 통해 보게 되면 투명하다는 것을 알 수 있습니다. 기본적으로 선글라스는 가시광선과 자외선을 차단해서 우리 눈을 편하게 만들어주는데요. 하지만 적외선은 이러한 선글라스의 필터를 투과하기 때문에 적외선으로 볼 때는 투명하게 보이는 것이죠.

이번에는 이 작은 유리를 볼게요. 이 유리는 IR 컷 필터, 또는 핫 미러라고 하는 적외선 차단 필터입니다. 가시광선 영역의 빛을 통해서 볼 때는 보시는 것처럼 투과율이 높은 파란색 유리처럼 보이는데요. 적외선은 모두 이 필터에 반사돼 튕겨 나가게 돼서 적외선으로 보는 세상은 거울처럼 보이게 됩니다. 사실 이건 카메라 속 CCD, 즉, 광학이미지 센서 앞에 부착되어 있던 필터입니다.

원리적으로 모든 디지털카메라의 CCD는 근자외선 영역과 근적외선 영역의 빛을 전부 감지할 수 있습니다. CCD만 장착되어 있는 상태로 카메라를 이용하게 되면 우리가 보는 세상과 뭔가 다른 모습으로 왜곡돼서 보이게 됩니다. 그래서 센서 앞에 IR 필터를 달아서 적외선 부분을 날려버리고 렌즈 유리를 통해서 자외선 영역을 흡수시켜 주면서 순수하게 가시광선으로만 만들어진 이미지를 만들어낼 수 있고, 그것이 우리가 자연을 볼 때 보는 풍경과 같은 이미지인 것이죠.

자, 이제 식물의 잎사귀를 들여다보겠습니다. 우리가 볼 때는 초록색이지만 적외선으로 본다면 밝은 흰색으로 보인다는 것을 알 수 있습니다. 식물의 잎사귀가 적외선을 반사하기 때문인데요. 여름철 숲이 우거진 산림을 바라보면 시원하고 쾌적한 느낌을 받을 수 있는 것은 식물의 잎사귀가 바로 이 적외선을 반사하기 때문이죠.

신기한 건 이뿐만이 아닙니다. 우리가 흔히 보는 신호등의 불빛은 대부분 LED로 만들어져 있는데요. LED로 만들어진 신호등을 IR(적외선) 카메라로 보게 되면 이렇게 꺼져 있는 것처럼 보입니다. 하지만 자동차의 후미등은 IR 카메라로 봐도 잘 켜져 있는데요. 바로 전구를 쓰고 있기 때문입니다.

여기서 전구와 LED 등이 빛을 만들어내는 방식이 다르다는 것을 알 수 있어요. 어떻게 다를까요?

먼저 LED 등입니다. LED를 쉽게 설명하자면 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜주는 '광반도체'인데요. LED 등은 다이오드라는 반도체 소자를 이용해 만들게 됩니다.

다이오드는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합시키면서 만들어지게 됩니다. 이때 p형 반도체에 +극, n형 반도체에 –극의 전압을 걸어주어 전류를 발생시키게 되면, p형과 n형의 경계면에서 이뤄지는 에너지띠 사이를 이동하는 전자의 흐름 때문에 빛이 발생하게 됩니다. 에너지띠란 전자들이 지닐 수 있는 에너지를 보여주는 띠인데, 두 종류의 다른 성질의 반도체를 접합시키면, 이 띠의 간격 사이만큼의 빛을 만들 수 있습니다. 이것을 발광 다이오드, 즉 LED라고 부르고 있으며, 이러한 원리를 통해 만들어진 빛을 우리는 전기 발광이라고 부릅니다.

다음은 전구입니다. 전구는 필라멘트라고 하는 일부러 저항이 좀 큰 상태로 만들어진 소자에 의해 빛을 만들어냅니다. 그런데 놀랍게도 이 소자가 만드는 빛은 전류를 통해 자신을 뜨겁게 달궈서, 그 뜨거워진 열에 의해서 발생하는 복사에너지. 즉, 빈의 변위법칙을 통해 만들어진 가시광선입니다. 이러한 열을 발생시켜 복사에너지를 내뿜는 방식으로 빛을 만들어내게 되면, 가시광선과 가까운 영역의 자외선과 적외선도 동시에 만들어지게 되며 이 때문에 전구로 만들어진 빛은 IR 카메라로 선명하게 잡히는 반면, LED로 만들어진 빛은 순수 가시광선과 가깝기 때문에 우리 눈으로는 잘 보이나, IR 카메라로는 포착할 수 없는 것이랍니다.

참고로 이 원리를 이용해 가장 먼저 전구를 세상에 등장시킨 건 에디슨이 아닙니다. 주인공은 전기화학을 크게 대중화시킨 화학자, 험프리 데이비입니다.

험프리가 만든 전구는 탄소로 만들어진 필라멘트를 이용했는데요. 하지만 빛이 지나치게 강하고 순식간에 필라멘트가 끊어져 실용성의 한계가 있었습니다.

바로 이 지점에서 에디슨은 탄소 필라멘트보다 강하고 필라멘트를 안정적으로 지켜줄 수 있는 비활성기체들의 배합을 이용해, 오랫동안 빛을 발생시킬 수 있는 전구를 발명하게 되었습니다. 이 성과 덕분에 전구를 최초로 만든 사람이 에디슨을 알려지게 된 것입니다. 그때부터 애니메이션 작가들은 좋은 아이디어가 떠오르면 머리 위에 전구가 켜지는 효과적인 표현을 사용했다고 합니다.

오늘은 적외선을 통한 다양한 과학 원리에 대해 알아봤는데요. 유익하셨나요? 그럼 궁금한 S는 여기서 이만 인사드릴게요. 과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 유튜브에 사이언스 투데이를 검색해주세요. 이상 궁금한 S였습니다.
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