계속적 데이터 축적되면 획기적인 검사 가능
옷감재질 분석·위조지폐 판별 실생활에 이용
스펙트럼 분석해 별의 온도·구성성분 알아내

우주에 떠 있는 별들은 아름답지만 우리가 거기까지 날아갈 순 없습니다. 빛의 속도로 날아가도 가장 가까운 센타우루스 별자리의 프록시마라는 별까지 가는 데에 16년 이상이 걸립니다. 몇 십만 년이나 몇 백만 년 이상 걸리는 다른 별들은 두말할 필요도 없죠. 하지만 과학자들은 스펙트럼을 분석하여 많은 별의 온도나 구성 성분을 알아냈고, 별의 크기나 속도도 계속 알아내는 중이랍니다. 이러한 정보들은 우주의 시작과 끝은 어떤지, 우리 우주 외에 또 다른 우주는 있을 수 있는지 등을 논의하는 데 중요하죠.
그렇다면 스펙트럼은 어떻게 만들 수 있을까요? 눈에 보이는 빛은 여러 가지 색이 섞여 있는 것입니다. 어떠한 색이 섞여 있는지 색깔별로 분리해서 무지개처럼 볼 수 있는 것을 스펙트럼이라 부른답니다.
햇빛이 공중에 떠 있는 물방울에서 반사와 굴절을 할 때 무지개가 보이는 경우가 종종 있습니다.
무지개를 볼 때, 물방울이 눈에서 멀어지는 각도에 따라 색깔이 서서히 변화하기 때문에 무지개는 항상 원형의 일부처럼 보입니다. 그와는 달리 얇은 비눗물 막에서 나타나는 스펙트럼은 막의 미세한 두께에 따라서 다른 색깔로 보이기 때문에 끊임없이 색이 변화하는 영롱한 모습으로 나타납니다.
물속을 통과하는 빛의 속도는 빨간색이 파란색보다 조금 더 빠릅니다. 따라서 물속에 거울을 설치하고 물 밖에서 거울을 향해 손전등이나 스마트폰의 강한 빛을 비춰 주면 빛이 거울에 반사되어 물 밖으로 나올 때의 각도가 색깔마다 조금씩 다르답니다.
그래서 이 빛이 흰 벽에 닿으면 무지개를 닮은 스펙트럼을 볼 수 있죠. CD나 DVD를 보아도 여러 색깔의 스펙트럼을 볼 수 있습니다. 이는 레이저 광선을 반사하여 디지털 정보를 읽기 위해 디스크에 새겨진 작은 거울들이 빛을 반사할 때 회절이라는 현상이 강하게 나타나기 때문이랍니다.
회절은 파동이 좁은 면을 통과하거나 좁은 면에서 반사할 때 강하게 나타나는데 파란색보다 빨간색의 파장이 길기 때문에 빨간색은 작은 크기의 반사면이 더 좁게 나타나는 셈이 되어 파란색보다 더 넓게 퍼지게 된답니다.
따라서 디스크를 이리저리 기울여보면 반사광의 색이 유난히 빨갛게 보이는 부분과 파랗게 보이는 부분이 있는 것을 볼 수 있습니다. 과학자들은 투명한 필름에 1㎜당 1,000개 이상의 미세한 선을 인쇄한 분광필름을 주로 사용합니다. 미세한 선 사이로 빛이 통과할 때 색깔에 따라 퍼지는 정도가 다른 점을 이용한 것이죠.
물체에서 나오는 빛을 분광필름으로 보면 스펙트럼이 보입니다. 스펙트럼은 색깔의 다양함만 보는 것이 아니라 간단한 카메라를 이용하여 각 색깔의 상대적 밝기도 측정할 수 있죠. 보통 물체의 온도에 따라서 스펙트럼의 색깔별 밝기 분포가 다른데, 물체를 구성하는 분자의 종류와 양에 따라서도 스펙트럼의 분포는 다르게 관찰됩니다. 이러한 점을 이용하여 한 벤처 회사에서 스마트한 휴대용 분광기를 개발하였답니다.
이 제품은 스펙트럼이 항상 일정하게 발생하는 램프와 이 램프의 빛이 물체에서 반사된 빛의 스펙트럼에서 색깔별 밝기 분포를 감지하는 카메라가 핵심 부품입니다.
이 장치는 스마트폰과 연동해서 작동하는데, 반사광의 스펙트럼을 스마트폰에 전달하고 스마트폰은 인터넷에 연결된 회사 서버에서 일치하는 스펙트럼을 찾아내어 해당 물체가 어떤 종류이며 특정 물질이 몇 % 포함되었는지 등의 정보를 가져와 스마트폰에 표시해 줍니다.
스펙트럼 자료를 송신하고 그 결과가 스마트폰에 표시되는 데에 대략 2초 정도밖에 안 걸린다고 하니 대단하죠?
현재는 이 장치를 개발한 회사의 서버에 사용자들이 원하는 스펙트럼 자료가 많지 않기 때문에 분석할 수 있는 물질이 많진 않으나 앞으로 계속 데이터가 축적되면 매우 획기적인 검사가 가능할 것이라고 기대되며 이미 다음과 같이 실생활에 이용되고 있답니다.
△과일의 당도 측정
△위조 지폐 판별
△식물 잎 수분(물 주는 시기 검사)
△타이어의 공기압
△가축 사료의 배합 비율 적정성
△체지방 측정
△알약의 종류 판별
△옷감의 재질 분석
〈출처〉이 이야기는 한국발명진흥회에서 발간한 ‘과학속 발명하기’의 도움을 받아 만들어졌습니다.
이한민 고성 초계종합교육센터겸임교사