즐거운 인생, 즐거운 물리

2019.6.8.

운전을 하고 가다보니 앞차 창문에 무지개가 보였다. 어디에 생긴 무지개인지 살펴보니 하늘에 해무리가 보였다.

해무리는 다음날 비소식이 있다고 할때 보일 수 있다고 한다. 하늘속의 얼음 알갱이들에 의해 보이는 현상이고 무지개와 비슷한 원리로 보인다.

Halo (optical phenomenon) - From Wikipedia, the free encyclopedia

Among the best-known halos is the 22° halo, often just called "halo", which appears as a large ring around the Sun or Moon with a radius of about 22° (roughly the width of an outstretched hand at arm's length). The ice crystals that cause the 22° halo are oriented semi-randomly in the atmosphere, in contrast to the horizontal orientation required for some other halos such as sun dogs and light pillars. As a result of the optical properties of the ice crystals involved, no light is reflected towards the inside of the ring, leaving the sky noticeably darker than the sky around it, and giving it the impression of a "hole in the sky". The 22° halo is not to be confused with the corona, which is a different optical phenomenon caused by water droplets rather than ice crystals, and which has the appearance of a multicolored disk rather than a ring.

https://en.wikipedia.org/wiki/Halo_(optical_phenomenon)

각 디스플레이를 근접 촬영하면 서브픽셀 배치를 볼 수 있다. 일반적으로 세로선이 3개가 배치되어있고 바둑판 모양으로 배치되는 모습을 보이기도 한다.

모든 촬영조건은 다음과 같다.

바디 α7 Mark 3

렌즈 SEL90M28G

촬영거리 0.28m (1:1)

서브픽셀은 원본 흰색부분을 300px 정사각형으로 크롭

4k는 3840*2160으로 함

TV. CRT TV 제주 메종 글래드 호텔 설치된 백남준 작품 (PPI 불명)

TV. LG LCD TV 2005년 제조 (42인치, FHD, 52.45ppi)

TV. LG LCD TV(LED BL) 2014년 제조 (55인치, FHD, 40.05ppi)

TV. LG LCD TV(LED BL) 2014년 제조 (55인치, 4K, 80.11ppi)

TV. 제조사 불명 TV, 인제내린천 휴게소 안내 표지용 디스플레이 (ppi불명)

모니터. LG TV 겸용 모니터  (23인치, FHD, 95.78ppi)

모니터. TG 노트북 (15.6인치, 1366*768, 100.45ppi)

모니터. hp 노트북 (15.6인치, 4k, 282.42ppi)

스마트폰. 애플 아이폰X (458ppi)

스마트폰. 삼성 갤럭시 S3 (306ppi)

스마트폰. 애플 아이패드프로 10.5 (264ppi)

 액정의 맨 뒤에는 백라이트가 있다. 여기서 발생된 빛들을 통과시키거나 통과시키지 않는 방법으로 정보를 표현한다.

빨강,초록,파랑(삼원색)의 작은 조각을 만들고 각각 세기를 적절하게 조절하면 색깔이 표현된다. 빨강,초록,파랑의 한 조각 세트를 픽셀(Pixel)이라고 부르고 이 픽셀들이 모여 액정이 된다. 그래서 액정화면을 자세히 들여다 보면 하나하나의 조각들이 보인다. 보슬비가 오는날 스마트폰의 액정에 떨어진 물방울을 보면 더 잘 보인다. 우리가 Full HD라고 부르는 화면은 가로 1920개의 픽셀, 세로 1080개 픽셀로 총 픽셀은 2,073,600개가 된다. TV는 2백만개의 점들의 각각 제어하여 색을 표현하는것이다. 게다가 1초에 화면이 30번씩 바뀐다.(혹은 60번) TV는 신호를 받아 엄청나게 많은 제어를 통해 우리에게 화면을 보여주는 것이다. 생각해 보면 이런 기기를 만들어낸 사람이 존경스럽다.

 멀리서 화면을 보게되는 TV나 컴퓨터 모니터는 픽셀의 크기가 꽤 크다. 눈이 좋은사람이 가까이서 보면 보일 정도이다. 반면 스마트폰은 가까이서 화면을 보기 때문에 TV처럼 픽셀의 크기가 크면 눈이 불편하다. 그래서 픽셀의 크기가 매우 작다. 이러한 액정의 픽셀 조밀도를 ppi(pixel per inch)라고 부른다.

아래는 전자기파(빛)을 설명하는 그림이다. 

가시광선 부분을 TV(55인치, FHD)에 띄워 놓고 사진을 찍어본다. 어렴풋이 픽셀이 보이는 듯하다.

확대해 보면 픽셀에서 파랑, 초록, 빨강의 켜짐, 꺼짐을 조절하여 색을 만든다. 또한 각각의 색의 세기를 조절하면 미세한 색의 변화를 만들어 낼 수 있다. 노란색은 빨강+초록인데 만약 초록을 빨강보다 더 밝게 하면 연두색으로 보이고 빨강을 초록보다 더 밝게하면 주황색으로 보인다.

위의 확대 사진을 보면 노란색이라고 인지할 만큼 색이 잘보인다. 그러나 이 화면을 더 확대하면 (가까이 가서 보면) 더이상 노란색으로 보이지 않고 두 색이 분해되어 보인다. 디스플레이에서 색을 표현하려면 색을 표현하는 작은 조각이 인간이 분해하기 어려운 수준으로 작아져야 한다는 이야기 이다.  그래서 가까이서 보는 디스플레이는 조각으 크기를 작게, 멀리서 보는 디스플레이는 조각이 커도 되는것이다. 앞서 파랑, 초록, 빨강의 한 묶음을 픽셀이라 하였는데 파랑조각, 초록조각, 빨강조각 하나하나를 서브픽셀이라 부른다. 일반적인 디스플레이는 이 3개의 서브픽셀이 모여 하나의 픽셀을 만든다. (4개 혹은 그 이상의 조합을 하기도 한다.)

이 TV는 40ppi를 가지는데 만액 이런 액정으로 스마트폰을 만든다면 제대로 화면을 볼 수 없을것이다.

같은 이미지를 띄워놓고 스마트폰과 비교해본다.(위:TV, 40ppi   아래:iPhone 8, 325ppi)

픽셀 하나의 크기 비교(위:TV, 40ppi   아래:iPhone 8, 325ppi)

다양한 픽셀모양, 배치 페이지

https://geometrian.com/programming/reference/subpixelzoo/index.php

친구가 타고 있는 그네를 한번 밀어서 높이 올릴 수는 없다. 그네를 크게 움직이게하려면 일단 그네를 살짝 밀어보고 왕복하는 시간에 맞추어 그네에 힘을가하면 그네는 점점 크게 흔들린다. 

이때 그네가 자연스럽게 왕복하는 진동수를 고유진동수라고 한다. 힘을 가하는 시간간격을 이 진동수와 맞춰주면 그네의 진동이 커지게 된다. 이러한 현상을 공명이라 한다. 그네의 진동수가 1초에 1번 진동한다면  이를 1Hz(헤르츠)라고 하고 1초에 10번진동한다면 10Hz라고 한다. 만약 그네의 고유진동수가  3Hz인데 5Hz의 진동수로 그네를 민다면 이 에너지는 효과적으로 전달되지 못한다. 그네를 미는 타이밍이 뒤죽박죽이라면 그네를 타는게 재미 없을것이다.

라디오를 듣기 위해서 주파수(=진동수)를 맞춘다는 이야기를 한다. 만약 90MHz, 95MHz, 100MHz 의 진동수로 진동하는 전파를 방출하는 세 방송국이 있다고 하자. 라디오 수신기에는 수신기의 고유진동수를 변화시킬 수 있는 장치가 있는데 이를 조정하여 95MHz로 맞추면 95MHz의 진동에는 크게 진동하고 나머지 90MHz, 100MHz의 진동에는 크게 진동하지 않는다. 이를 이용하여 내가 원하는 방송국의 전파만 선택하여 들을 수 있다.

전자기파를 이용한 통신에는 이러한 원리가 모두 적용된다. 보통 이러한것들을 채널이라 부르는데 TV에서 말하는 채널이 그 채널이다. 무선공유기에서도 채널이 존재한다. 공유기가 많은곳에서는 이 채널을 각각 다르게 해야 혼선을 줄일수 있는데 요즘에는 공유기가 워낙 많아 채널이 부족한 경우가 생긴다. 보통의 공유기는 2.4GHz 근처의 진동수에서 채널을 나눠 가지는데 만약 공유기가 5GHz를 지원하는 경우 이를 사용하면 혼선을 줄일 수있다. 

소리는 공기분자의 진동이 퍼저나가는 것이다. 공기분자 하나하나가 가지고 있는 질량이나 에너지는 그리 크지 않지만 공명을 이용한다면 물체를 크게 진동시킬 수 있다. 이를 이용하여 소리를 가지고 유리잔을 깰 수 있다. 유리잔이 가진 고유진동수와 같은 진동수의 소리를 유리잔에 들려주면 유리잔이 크게 떨리다가 파괴되는 것이다.

2015년에 동아리시간에 아이들 보여주느라 실험실에서 촬영한 영상이다. 아이폰의 슬로모션 기능을 활용하였는데 형광등의 깜빡임이 같이 나타서 보기 조금 거슬린다.

이 영상 덕분에 방송촬영도 하였다. 방송촬영을 하고 나니 위 영상이 불만족 스러워 다시 촬영해 보았다. 

형광등의 깜빡임이 영상에 방해가 되어 따로 조명을 설치하고 바닥과 배경에는 흰종이를 깔아 촬영하였다. 촬영은 캐논 XA25로 정면, 파나소닉 GX1으로 태블릿, 아이폰7으로 슬로모션을 촬영하였다. 영상을 보니 캠코더와 아이폰은 괜찮았지만 GX1의 녹음 품질이 좋지 않았다. GX1을 가지고 음성 녹음을 염두에 두고 쓰지는 말아야 겠다.

인물사진이나 영상을 찍을 때 GX1 + 20.7조합이 괜찮았는데 이런 영상을 찍을때는 얕은 심도가 오히려 불리한것 같다. 유리잔의 고유진동수 파악하는 부분에서 유리잔의 초점이 맞지않아 보기 거슬린다. 방송국에서 촬영하는것 처럼 음성싱크를 맞추기 위해 슬레이트 대신 박수를 쳤는데 실제 편집을 해보니 반드시 필요한 작업이라고 느꼈다. 

사진 촬영을 해 준 학생이 깨지는 순간을 연사로 찍겠다고 해서 그건 거의 불가능이라고 이야기 해 주었는데.....그것이 실제로 일어났다... 대단하다.

촬영 모습

영상

촬영후 화이트 밸런스를 맞춰야지.... 하고선 깜빡했다....

원자에 특정 진동수의 빛을 쪼여주면 원자는 빛을 흡수한다. 이때 흡수한 에너지는 전자가 갖게 되어 전자가 높은 상태로 전이한다. 옾은 상태에 있던 전자가 낮은 상태의 어너지 준위로 전이하게 되면 해당하는 에너지만큼의 진동수를 갖는 빛을 방출한다. 두 과정의 에너지 준위 차이는 동일하기 때문에 빛을 방출하는 스펙트럼과 흡수하는 스펙트럼은 패턴이 동일하다.

그러나 어떤 원자는 흡수한 빛을 방출하지 않고 다른 빛으로 방출하는 경우가 있다. 아래 그림처럼 바닥상태의 전자가 빛을 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이한 후 빛을 방출하지 않으며 약간 낮은 에너지 상태로 전이한다. 이후 바닥상태로 돌아갈 때 빛을 방출하는 과정을 거치는데 이를 형광이라 부른다.

우리가 흔히 보는 형광펜은 이를 이용한 것인데. 형광펜은 자외선을 흡수하여 가시광선으로 방출하기 때문에  더 밝은 색을 띄게 된다. 때로는 가시광선에 대해 반사하지 않으며 자외선에서만 빛을 내는 잉크도 존재하는데 이를 이용해 평소에는 보이지 않다가 자외선 램프를 쪼여주면 빛을 낸다.

종합비타민제에 들어있는 비타민A, 비타민B가 형광물질이다. 또한 형광물질을 화폐, 상품권, 신분증에 위조방지에 이용한다.

레이저 제품을 보다보면 표지가 붙어있고 

레이저 클래스1, 클래스 2 등이 표시가 되어있다.

각 클래스는 레이저 노출에 따른 인체의 영향을 단계별로 표시한 것인데 1이 가장 약한 단계 4가 가장 강한 레이저 단계이다.

클래스1 (1급 레이저제품) : 제품자체가 근원적으로 안전하게 설계된 제품 으로서 주어진 사용조건에서 1 급 노출방출한계를 초과하는 수준으로 방출될 수 없는 제품.

클래스2 (2급 레이저제품) : 가시광(400 700nm)을 방출하고 연속파나 펄스 모드에서 작동하는 낮은 출력의 레이저제품으로써 레이저에 노출시 보통 눈을 깜박이는 반 사작용 등을 유발시키는 수준의 제품.

클래스3 (3급 레이저제품) : 3A, 3B로 나뉘며, 3A 급 제품은 가시광 (400 700nm)에서는 2 급 노출방출한계의 5 배 이하이고, 그밖의 파장에서는 1 급 노출방출한 계의 5 배 이하의 수준을 말하며, 3B 급 제품은 직접 빔을 관찰시 위험한 수준의 제품.

클래스4(4급레이저제품) : 3B 급 노출방출한계를 넘는 고출력 수준의 제품.

일반적으로 볼수 있는 레이저 제품은 클래스1 이다. 레이저를 사용하는 광 마우스나 CD롬 등이 이에 해당된다.

약한 출력의 레이저 포인터의 경우 클래스2이다. 영향성은 낮다고 보이지만 노출될경우 시력에 영향을 줄 수 있으니 조심해야한다.

클래스2 사진

클래스 3을 넘어서는 제품의 경우 일반인들이 쉽게 구하지 못하게 되어있으며 실험, 제조, 의료 등의 특수 목적으로 사용된다. 이러한 레이저들은 반사되거나 심지어 산란되는 빛에도 영향을 미칠 수 있다.

외국에서 판매하는 boomwhackers 라는 장난감이 있다. 

관을 두드렸을 때 관에 생기는 정상파의 파장은 관의 길이의 2배이다.

붐웨커는 관 끝을 막을 수 있는 마개도 판매하는데 마개를 막으면 관 안쪽에 생기는 진동은 폐관진동이 된다.

폐관진동은 같은 길이의 관에 생긴 개관진동보다 파장이 2배 더 길기 때문에 진동수는 1/2 로 줄어들어 한 옥타브 낮은 소리가 나게 된다.

스마트폰 렌즈 중심에 물방울을 한방울 떨어트리고 물체 가까이서 사진을 찍으면 크게 확대되어 보인다.

마이크로 스포이드(PVC,일회용) 끝부분을 잡아당기면 가늘게 관이 만들어지는데 이 부분을 이용하면 작은 물방울을 만들 수 있다.

스포이드 제작

찍어본 사진들

옷

천원짜리

만원짜리

모니터의 화소도 잘 보인다. 더 잘보기 위해 모니터에도 물방울을 떨어트렸다. 스마트폰 화소는 모니터보다 훨씬 작아서 잘 안보인다.

빛이 입자를 만나 진행방향과 다른 여러 방향으로 흩어지는 현상을 산란이라 부른다.

입자에 의한 탄성산란에는 레일리 산란과 미 산란이 있는데 이것은 입자의 크기에 따라 다른 이론을 적용한다.

입자의 크기가 파장보다 작은 경우(분자) 레일리 산란을 따르고 입자가 큰 경우(안개,매연 등)에는 미 산란을 따른다.

흔히 생각할 때 산란이 일어 날 때 빛이 물체에 반사되어 빛의 진행방향 반대편으로 빛이 강하게 보일 것 같지만 빛의 진행봥향과 같은 방향으로 산란이 크게 일어난다. 또한 이것은 입자의 크기에 따라 달라진다.

아래 그림은 빛의 진행방향이 오른쪽이라고 했을 때의 산란광의 강도이다. 레일리산란의 경우 여러 방향으로 산란되는 특징이 있다.미산란의 경우 진행방향으로 산란이 잘 되는 특징이 있으며 입자가 클수록 이 특징은 뚜렷하게 나타난다.

http://www.shimadzu.com/an/powder/sald/data/appli/app6.html

입자의 크기에 따른 산란각도. 입자가 작아질수록 산란은 뒤 방향으로도 일어나며 크기가 0.05μm 정도가 되면 진행방향으로 산란되는 빛과 반대방향으로 산란되는 빛의 세기가 비슷해진다. 

레일리 산란의 강도는 파장의 4제곱에 반비례한다. 따라서 파장이 짧을 수록 산란이 크게 일어나게 된다. 파란색(400nm)이 빨간색(700nm)보다 9배 산란이 잘 된다. 때문에 하늘이 파랗게 보이는 것이다. 

http://jntv.go.kr/kr/board/picture_view.php?bid=ecologyEx&category=6&menuid=5&cno=202&yearschange=2013_2

위 사진은 레일리 산란과 미 산란을 잘 보여준다. 푸른 하늘은 레일리산란에 의해 산란된 빛이 우리 눈에 도달한다. 하늘은 원래 검은색이므로 푸른색 빛이 산란되어 파랗게 보이는 것이다.  태양 근처의 노을은 붉게 보이는데 미산란되어 진행방향으로 태양빛이 진행하다가 파란색 빛은 산란되어 여러방향으로 흩어진다. 이때 붉은색빛은 잘 흩어지지 않으므로 붉은색 빛이 보이는 것이다. 

 꿀이나 설탕물(Sucrose)등에 입사된 빛은 분자 결정구조에 의해 광축이 회전한다. 이를 광활성이라 부른다. 

 그림처럼 편광판(polarizer)을 이용해 빛을 편광시키고 광활성 물질이 담겨있는 Sample tube에 투과시킨다. 이 빛은 그 다음 편광판(analyzer)의 편광축이 α만큰 돌아가있는 상태에서 관측이 된다. 광활성 물질이 빛의 편광축을 회전시킨것이다. 

 광활성은 결정구조를 가지는 과당, 플라스틱, 석영 등에서 나타난다. 과당의 농도에 따라 광활성 정도가 다르기 때문에 이를 이용하여 과당의 농도 측정이 가능하다. 또한 액체상태의 플라스틱을 틀에 넣고 굳히는 경우에 식으면서 각 구역별로 냉각되는 속도가 다르기 때문에 분자 구조가 복잡해지고 내부의 인장력이 복잡하게 나타난다. 이경우에 광활성 정도가 다르게 나타나는데 편광판을 통하여 이 정도를 관찰할 수 있다. 플라스틱 제품을 만들때 어느 부분이 깨지기 쉬운지 알아보는데 유용하다. 그러나 투명한 플라스틱이 아닌 경우에는 관찰하기 어렵다.

 유리 또한 고체화된 결정구조를 가지고 있는데 일반적인 유리는 광활성을 관찰하기가 어렵다. 그러나 급속도로 식은 유리는 광활성을 관찰할 수 있고 내부 인장력이 매우 크게 나타나 충격이 작용하였을때 폭발하듯이 깨진다.