19세기 최고의 발명품이라고 평가되는 백열전구는 전기에너지를 빛으로 전환시키는 효율이 매우 낮다는 단점으로 인하여 점차적으로 퇴출되고 있는 상황이다. 그러나 물리교육에서는 전통적으로 백열전구는 전기회로에 대한 기초적이고 기본적인 개념들과 법칙들을 이해시키기 위해 단순한 전기회로를 구성하는 매우 중요한 전기부품이다.

물리교육에서 전구는 단순한 전기회로에서 전구의 점등 여부와 밝기의 정도를 시각적으로 관찰함에 의하여 검류, 전류의 세기, 전압의 크기, 소모 전력의 크기 등을 감지하고 비교할 수 있는 어림 계측의 기능을 갖는다. 이러한 단순 전기회로에서 전구는 추상적이어서 이해하기가 어려운 전류, 전압, 저항, 전력, 전기에너지 등의 전기에 대한 기본적인 개념들과 법칙들을 현상적으로 구체화시키는 도구이며 수단으로 중요하게 활용되고 있다.

전구는 다이오드나 트랜지스터 등의 반도체 소자와 같이 Ohm의 법칙을 따르지 않는 비선형 전기부품이라는 것은 이미 잘 알려져 있으며, Ohm의 법칙을 사용하여 이론적으로 계산한 전구의 저항, 전류, 전압 등의 물리량이 측정한 물리량과 큰 차이가 나는 불일치 문제가 발생한다는 것도 이미 잘 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 전구와 관련된 상황에서 Ohm의 법칙을 사용할 수밖에 없는 이유는 이들을 해결할 수 있는 수학적인 방법이나 수식이 아직 없다는 것이다.

이 연구에서는 전구에 흐르는 비선형 전류를 계산할 수 있는 두 가지 방법으로, 전구의 저항을 구하기 위한 도해법(NPSM 62, 352 (2012))을 Legendre transformation을 통하여 확장하여 전구의 전류를 계산하는 방법과 최적보조함수 방법(optima auxiliary function method)을 사용하여 도해적으로 단순한 선형 함수 형태의 최적보조전류함수를 구하여 전구에 흐르는 전류(\(\small I_a\)(○))를 계산하는 방법을 제안하였다.

실온저항 \(\small R_0 = 1.3~ \Omega\)인 정격전압-전류 2.5 V — 0.3 A인 전구의 발광전압과 정격전압 사이의 영역에서 측정한 전류(\(\small I_m\)(●))에 비해, 전류의 도해법으로 구한 도해전류는 5.95% 이하의 오차율을 가지며, 전류의 최적보조전류함수 방법으로 구한 보조전류함수 전류(\(\small I_a\)(○))는 2.44% 이하의 오차율을 가진다.

레이저 현미경을 이용한 미세입자 측정 연구

Kyoung-Ho Kim, Seungwoo Chae, Evan S. H. Kang, Jeongho Lee, Sunjin Eom, New Physics: Sae Mulli 73, 156 (2023).

공기 중의 미세먼지나 물속의 미세플라스틱과 같은 미세입자는 다양한 경로를 통해 인체에 유입될 수 있으며, 이는 곧 인간의 건강한 삶을 위협한다. 더 나아가, 원치 않는 미세입자들은 반도체 공정과 같은 첨단시설에서 그 생산성을 낮추는 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 미세입자들의 발생과 그 전파경로를 규명하는 것은 이와 같은 문제해결에 중요한 역할을 하며, 미세입자들의 물리적 특성을 분석하고 이해하는 것은 미세입자로 인한 다양한 문제들의 원인을 규명하는 것에 핵심적인 역할을 한다. 빛의 산란을 이용한 미세입자의 특성화는 빠르고 효과적으로 미세입자의 특성을 규명할 수 있는 방법이다. 특히 결맞음 광원인 레이저를 이용한 미세입자의 측정은 이미 널리 사용되고 있는 기술이다. 예를 들어, 미세입자에서 산란된 레이저 빛의 세기를 측정하여 미세먼지 양을 측정하는 소형 미세먼지 측정기가 있다. 하지만, 기존의 레이저를 이용한 미세입자 측정 기술은 다량의 미세입자에 대한 측정은 가능한 반면, 소량의 입자를 측정하는 것에 한계가 있다. 특히 그 크기가 빛의 파장 정도 크기가 되면, 그 측정 신뢰성이 낮아지는 문제가 발생한다.

본 논문은 파장 수준 크기의 단일 미세입자의 광산란 측정법을 소개한다. 이 연구에서는 파장 크기의 단일 미세입자가 보이는 낮은 광산란 신호를 효과적으로 측정하기 위해, Lock-in 증폭기를 이용한 balanced 측정 방법을 구현하였으며 이를 적용한 레이저 현미경을 제작하였다(그림). 미세입자의 광산란을 측정하기 위해 모델 입자로 직경 700, 565 nm의 polystyrene (PS) 구슬을 이용하였으며, 광산란 입사광으로 파장 532 nm의 레이저를 이용하였다. 광산란 측정 결과 유리판 위에 산포된 직경 700 nm의 PS 구슬의 경우 lock-in 증폭기 유무에 상관 없이 입자의 광산란 신호가 관측되었다. 하지만, 직경 532 nm의 PS 구슬의 경우, lock-in 증폭기와 결합된 balanced 측정에서만 입자의 광산란 신호가 효과적으로 측정되었다. 본 연구결과는 수백 나노미터 크기의 미세입자를 효과적으로 측정할 수 있는 방법에 대한 제안으로, 환경모니터링과 같은 다양한 응용분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.