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인류의 발전과 함께한 ‘빛’
인류가 처음 빛을 이용한 것은 ‘불’을 이용하면서부터야. 태양이 없는 캄캄한 밤을 환하게 비춰 줄 빛을 얻게 됐지. 그걸 시작으로 수백만 년 동안 굉장한 발전을 이뤄냈어. 빛이 무엇인지 밝힌 것은 물론, 이제 무에서 유를 창조하듯 빛으로 새로운 것을 만들고 있다구! 빛의 발전사를 한눈에 보여 줄게!
도전 하나 빛으로 자원을 만든다! 인공광합성
인간이 빛을 발전시킨 과정이 정말 놀랍지? 지금부터 더 놀라게 될거야. 한계에 도전하고 있는 빛과 관련된 최신 연구를 소개하려고 하거든. 그 시작은 ‘인공광합성’! 똑똑한 인간들은 이제 식물을 거치지 않고 직접 빛을 이용해 자원을 얻으려는 시도를 하고 있단다.
빛으로 만드는 탄소화합물
광합성은 식물이 햇빛과 공기 중의 이산화탄소를 이용해 에너지원인 포도당(탄소화합물)을 만드는 과정이에요. 포도당을 만들고 나면 물(수증기)과 산소가 나오지요. 이렇게 만들어진 포도당은 식물의 에너지원으로 쓰이고, 또 다른 물질과 합쳐져서 식물의 몸체를 만들거나, 열매로 저장되기도 해요. 그러면 초식동물들은 소중한 먹이로 사용해요. 육식동물들은 초식동물들을 먹으며 살아가기 때문에 빛은 지구생태계의 근원이라고 할 수 있지요.
게다가 광합성 과정에서 나온 산소는 생물이 호흡하는 데 없어서는 안 되는 중요한 역할을 해요. 즉 지구는 식물이 없다면 생명이 살 수 없는 행성이 될 거예요.
무엇보다 식물 광합성의 가장 놀라운 점은 햇빛과 약간의 물, 그리고 동물이 필요 없다고 내뱉는 대기 중의 이산화탄소를 이용해서, 유용한 물질을 만들어 낸다는 점이에요. 따라서 과학자들은 이 광합성의 비밀을 밝히기 위해 아주 오랫동안 노력해 왔어요.
광합성의 비밀을 밝힌 멜빈 켈빈
18세기 말, 조지프 프리스틀리가 유리종 안에 넣은 나뭇가지와 양초로 산소 존재를 확인했어요. 그 뒤 식물이 이산화탄소와 물을 이용해 산소를 만든다는 사실이 차츰 밝혀졌지요.
그러나 포도당이 만들어지는 과정은 20세기인 1945년에 멜빈 켈빈(오른쪽 사진)에 의해서 밝혀졌어요. 켈빈은 이 공로로 1961년 노벨화학상을 받았답니다.
태양전지기술과 촉매를 이용한 인공광합성
식물의 광합성 과정에서 나오는 탄소화합물은 인간에게 아주 유용한 자원이에요. 먹거리는 물론 섬유, 목재 등으로 사용할 수 있는데다 석탄과 같은 유용한 지하자원이 되기도 하니까요. 게다가 과학을 이용한다면 포도당이 아니라 인간이 더 유용하게 사용할 수 있는 일산화탄소나 개미산 같은 탄소화합물을 만들 수도 있어요. 이 기술을 ‘인공광합성’ 기술이라고 불러요.
지난 3월 한국과학기술연구원 청정에너지연구센터 민병권 센터장은 인공광합성 장치를 만드는 데 성공했어요. 식물에서는 엽록소가 빛을 에너지로 사용하도록 도와 줘요. 광합성 과정의 핵심이지요. 인공광합성에서는 태양전지기술이 엽록소의 역할을 대신해요. 이 기술이 만든 전기가 물을 산소와 수소 이온으로 분리하지요. 이때 만들어진 수소 이온은 이산화탄소와 반응해 일산화탄소와 물을 만들어요. 이 일산화탄소가 바로 사람이 이용할 수 있는 탄소화합물이랍니다.
일산화탄소는 대기 중에서는 인간에게 유독한 기체지만, 탄소화합물로서 아주 유용하게 사용할 수 있어요. 탄소와 산소가 1개씩 결합한 간단한 형태기때문에 천연 가스나 에탄올 같은 다른 형태의 탄소화합물로 바꾸기 쉽거든요. 게다가 식물은 태양으로부터 받은 에너지의 1% 정도만 탄소화합물을 만들 수 있는데, 민병권 연구팀의 인공 광합성 장치는 효율이 무려 4%가 넘었답니다.
또한 다양한 촉매를 이용하면 여러가지 탄소화합물을 만들 수도 있어요. 예를 들어 구리를 이용하면 연료로 쓰는 메탄올, 플라스틱과 염료를 만드는 데 유용하게 쓰는 에틸렌을 만들 수도 있답니다.
도전 둘 더 짧게, 더 강하게! 초강력 레이저
인간은 정말 대단해! 불을 이용하면서 빛을 스스로 만들더니, 이제는 인공광합성까지! 그런데 듣자 하니, 빛을 원하는 형태로 변형하기까지 한다며? 빛은 그저 곧게 나가는, 건드릴 수 없는 신의 영역일 텐데…!
끝없이 곧게 나가는 빛, 레이저
발표를 할 때면 레이저 포인터를 자주 사용해요. 빨간 점이 발표자가 원하는 위치를 정확하게 알려 주지요. 빛을 비출 때 거리가 멀어질수록 빛이 닿는 면적이 점점 넓어지는 손전등과 달리, 레이저 포인터는 아무리 멀리까지 빛을 쏴도 빛은 언제나 한 점으로 모여요. 이는 레이저 포인터에 특별하게 만든 ‘빛’이 사용되기 때문이에요. 바로 ‘레이저’라고 부르는 빛이지요.
빛은 아주 다양한 파장으로 이루어져 있어요. 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 380~800nm, 열에너지를 담고 있는 적외선은 800~2500nm와 같은 식이지요. 즉 우리가 보는 빛은 다양한 파장의 빛이 뒤섞여서 만들어진 결과인 거예요.
레이저는 그중 단 하나의 파장만으로 만들어요. 1960년 미국의 물리학자 시어도어 메이먼이 처음 만들었는데, 그 뒤로 발전을 거듭해 오늘날에는 레이저가 빛의 연구를 이끌고 있다고 해도 지나치지 않아요.
세계에서 가장 강력한 레이저
광주과학기술원 초강력레이저과학연구단에서는 레이저가 나오는 시간을 아주 짧게 줄이는 방식으로 세계에서 가장 강력한 레이저를 만들고 있어요. 같은 에너지를 가졌다면, 레이저로 나오는 시간이 짧을수록 강력한 세기를 갖게 돼요. 연구팀은 레이저가 나오는 시간을 펨토초 단위로 줄였어요. 1펨토 초는 1초를 1000조로 쪼갤 정도로 아주 짧은 시간이지요. 현재 산업 현장에서 쓰는 레이저보다 100만 배나 시간을 줄인 거예요.
이렇게 강력한 레이저는 사용할 곳이 많아요. 기체에 강력한 레이저를 쏘면 전자와 원자핵이 서로 분리된 상태인 ‘플라스마’가 만들어져요. 플라즈마를 이용하면 수km나 되는 방사광 입자가속기를 작게 만들 수 있어요. 입자가속기는 전자나 양성자를 빠르게 가속하는 장치예요. 물질의 근본을 탐구하기 위해 꼭 필요하지요.
그런데 지금은 입자를 가속하기 위해서 아주 긴 터널과 같은 시설이 필요해요. 실제로 유럽에 있는 가속기는 길이가 약 27km나 돼요. 하지만 펨토초 단위의 강력한 레이저를 이용할 수 있게 된다면 이론적으로는 1km짜리 입자 가속기를 1m 정도로 줄일 수 있을 거라고 해요.
빛을 이용하는 기술로 빛의 신인 나를 놀라게 하다니, 인간은 정말 대단해! 앞으로 또 무슨일을 할지 기대가 된단 말이야. <;어린이과학동아>; 친구들도 앞으로 빛에 대해 관심을 갖고 연구해 나를 더 놀라게 해 줄 거지? 멋진 연구를 보여 주길 기다리고 있을게~!
특별전
All Light! All Right!
UN이 지정한 ‘빛의 해’를 맞이해 2015년 9월 22일(화)부터 2016년 2월 14일(일)까지 국립광주과학관 루체리움에서 빛과 관련된 멋진 전시회를 열어요. 빛과 관련된 다양한 전시물은 물론, 빛이 만들어지는 과정을 체험할 수도 있어요. 또한 빛을 소재로 만든 멋진 미디어 아트도 볼 수 있답니다.
※ 홈페이지 www.sciencecenter.or.kr
