[기초물리] 5-2 광전효과와 영상장치

금속판에 특정 진동수 이상의 진동수를 가진 빛을 쪼여 주었을 때 금속판 안에 있던 전자들이 튀어나오는 현상을 광전 효과(photoelectric effect)라고 합니다. 자유 전자들이 있는 금속에 빛을 비추면 빛의 알갱이가 전자에 부딪쳐서 전자를 튕겨내는 것입니다. 이때 튀어나온 전자를 광전자(photoelecron)라고 합니다. 금속에서 광전자가 튀어나오게 하기 위해서는 금속에 비추는 빛의 진동수가 특정 진동수보다 커야 합니다. 즉, 금속에 비춘 빛의 진동수가 특정한 값보다 작으면 센 빛을 오랫동안 비추어도 전자는 튀어나오지 않습니다. 이때의 진동수를 문턱 진동수라고 합니다. 아무리 세기가 약한 빛이라도 그 진동수가 문턱 진동수보다 크면 시간 지연 없이 광전자가 바로 튀어나옵니다. 따라서 광전자의 운동 에너지는 빛의 세기에는 관계없고 빛의 진동수에 관계가 있습니다. 하지만 같은 진동수의 빛을 쪼일 경우에 튀어나오는 광전자의 수, 즉 광전류의 세기는 빛의 세기에 비례합니다.

다른 종류의 금속 A, B에 쪼여 준 빛의 진동수와 방출되는 광전자의 최대 운동에너지의 관계를 나타낸 것이다. 금속 1에서 전자를 방출하기 위한 최소한의 에너지는 W1입니다. 즉, 진동수 f1이상의 빛을 금속 1에 쪼여 주어야 전자가 튀어나온다는 것입니다. 금속 2에서 전자를 방출하기 위한 최소한의 에너지는 W2, 진동수 f2이상의 빛을 금속 2에 쪼여 주어야 전자가 튀어나옵니다. 진동수 f1과 f2사이 f의 빛을 금속 1에 쪼여 주면 전자는 운동 에너지를 갖고 튀어나오지만, 금속 2에 쪼여 주면 전자가 튀어나오지 않습니다. 

광전 효과를 이용하여 빛의 세기에 따라 변하는 전류를 얻는 일종의 2극 진공관을 광전관(phototube)이라 합니다. 빛이 입사하여 음극관에 비추어지면 광전자가 방출되고, 광전자는 양극으로 끌려가서 회로에 광전류가 흐릅니다. 광전관은 충분히 높은 진동수의 빛이 광전관에 비추어질 때 외부 전기 회로에 전류를 발생시킨다는 점 때문에 회로에서 스위치처럼 작용합니다. 일상생활에서 광전지, 디지털카메라, 스캐너, 복사기 등은 광전 효과를 이용한 것입니다.

핸드폰이 밝은 곳이나 어두운 곳에서 밝기가 자동으로 조절되는 원리가 광전 효과입니다. 빛이 광전관에 부딪치면 전자가 방출되어 감도 높은 전류계에 검출되며 이 전류의 크기는 빛의 세기에 따르므로 전류의 세기에 다라 자동적으로 조명도를 맞추게 되는 것입니다. 또 도난 경보기에는 광전관을 비추는 빛이 눈에 보이지 않게 하기 위해서 가시광선보다 자외선을 흔히 사용합니다. 빛을 광전관의 음극관에 비추면 광전류가 발생하여 전자석의 코일에 전류가 흐르므로 스위치의 금속 막대를 끌어당겨서 스위치를 열어 놓습니다. 만약 침입자가 지나가면서 빛을 차단하면 광전류가 흐르지 않게 되어 전자석이 자성을 잃게 되므로 용수철이 금속 막대를 오른쪽으로 잡아당겨 스위치를 닫습니다. 이때 경보 시스템이 작동하여 경보음이 울리게 됩니다. 

태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 사용하여 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 장치입니다. 태양 전지에 햇빛을 비추면 햇빛이 반도체에 흡수되면서 전기가 발생합니다. 또 광센서는 빛을 인식하거나 통과한 빛의 양, 물체의 움직임 등을 감지하는 장치로 사람의 눈과 같은 역할을 합니다. 빛을 받거나 차단할 때 동작을 하도록 설계된 곳에는 광전 효과를 이용한 광센서가 들어 있습니다. 

복사기는 토너 가루가 글자가 있는 부분에 붙어 글자를 표시하는 방식으로 광전 효과 및 정전기 유도 현상을 이용한 대표적인 기구 중 하나입니다. 절연된 드럼을 (+) 전하로 대전시키고 드럼 표면에는 빛을 받으면 도체가 되는 물질이 칠해져 있습니다 따라서 드럼이 빛을 받으면 드럼으로부터 전자가 이동하여 빛을 받는 부분은 중성이 됩니다. 원본에서 나온 빛 중 검은색 글자에서 반사된 빛은 드럼의 (+)전하를 그대로 두지만 나머지 부분은 전자를 방출하게 되어 (+)전하를 띤 부분을 중성으로 만듭니다. (-)전하를 띤 작은 토너 가루들이 드럼의 (+)전하를 띤 부분에 붙습니다. 이 부분은 글자의 이미지가 새겨진 부분입니다. 글자가 새겨질 종이는 (+)전하로 대전되어 있어 드럼에 새겨진 토너 가루를 끌어당겨 종이에 붙게 됩니다. 최종적으로 종이가 뜨거운 롤러 사이를 지나면서 토너 가루가 녹아 종이에 완전히 붙게 됩니다.

우리 눈의 원뿔 세포는 눈에 들어오는 빛에 반응하여 다양한 색을 인식하게 됩니다. 빛의 색은 파장으로 나눌 수 있습니다. 빨간색에서 보라색으로 갈수록 파장이 짧아집니다. 빛의 3 원색(빨강, 파랑, 초록)으로 모든 색을 표현할 수 있습니다. 영상장치도 이 세 가지 빛의 조합으로 모든 색을 표현합니다. 모니터에는 수많은 점으로 덮여 있고 각 점은 R(Red), G(Green), B(Blue)의 색 중 한 가지 색을 나타냅니다. 이 점들의 묶음을 화소라고 합니다. R, G, B 세 가지 색을 적절히 조합하여 다양한 색을 나타냅니다. R, G, B의 색을 합칠 때 각각의 색의 밝기를 다르게 하여 합치면 같은 종류의 색의 조합이라도 다른 색을 얻을 수 있습니다. LCD 모니터는 각각의 LCD 소자에 컬러 필터를 끼워 각 화소에 RGB의 색을 만들어 컬러 화면을 봅니다.