▲ 작은 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 전구의 빛 모양에 대한 과학적 설명의 예.

빛 개념은 초등학교부터 고등학교에 이르기까지 반복적으로 지도되고 있지만, 많은 학생들은 고등학교 졸업 이후에도 직진, 반사, 그림자 등 빛 개념에 대한 이해 수준이 낮다. 고등학교를 졸업한 직후의 예비초등교사들 역시 빛 개념 이해 수준이 낮은 경우가 많아 교원양성 대학교 과정에서 빛 개념에 대한 체계적인 교육을 받지 못할 경우, 학교 현장에서 학생들을 지도하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 이를 위해 교원양성 대학교에서는 빛 개념의 핵심이라 할 수 있는 빛의 진행 경로 및 광원에 대한 예비초등교사들의 선개념 수준을 미리 파악하여 이를 고려한 맞춤식 교육 프로그램을 개발할 필요가 있지만 이에 대한 연구는 부족한 상황이다. 대학교 입학 당시 예비초등교사들의 선개념을 분석하여 유형화한다면, 오개념의 주요 원인을 파악하기 쉬워지며 오개념을 효과적으로 교정하는 데 도움이 될 수 있다.

이에 본 연구에서는 대학교 입학 이후 빛 또는 광학 수업 수강 경험이 없는 예비초등교사들이 구멍의 모양(둥근 모양, 삼각 모양) 및 광원의 종류(점광원, 선광원, 복합광원)를 달리하여 스크린에 투영되는 빛 모양에 대하여 어떠한 개념을 가지고 있는지 확인하고, 여러 문제에 걸쳐 나타난 예비초등교사들의 일관된 응답을 추출하여 예비초등교사들이 지니고 있는 주요 선개념을 분석하였다. 분석 결과, 대부분의 예비초등교사들은 광원의 개수나 모양에 상관없이 둥근 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양은 하나의 둥근 모양이고, 삼각 구멍을 통과하여 스크린에 나타난 빛 모양은 하나의 삼각 모양일 것이라고 응답하였다. 또한 모든 문제에 걸쳐 일관된 오개념을 적용하여 응답한 예비초등교사는 74명(71.2%)이었다. 이들은 광원 및 빛의 진행 경로에 대한 이해가 부족했으며, 스크린에 비치는 전구의 빛 모양은 가림판의 작은 구멍의 모양과 일치한다고 생각하거나 작은 구멍을 통과한 후 빛이 둥글게 퍼진다고 생각하고 있었다. 그리고 전구의 개수 또는 크기가 커질수록 스크린에 비친 빛 모양이 더 커진다고 생각하는 예비교사들도 있었다.

본 연구의 결과는 교원양성 대학교에서 빛의 직진성과 관련된 예비초등교사들의 오개념을 효과적으로 교정할 수 있는 적절한 교육과정 및 교육 프로그램 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

광을 이용하여 정밀 계측을 수행하는 다양한 방법들 중에서 민감도가 높은 계측을 위해서는 주로간섭계를 이용한다. 간섭계는 사용하는 광원의 파장보다 짧은 거리 변화에도 반응하는 민감한 광학 장치이다. 진동과 같은 외부 요인에 의한 측정의 문제점을 미연에 차단하고자 간섭계의 동적인 부분을 최대한으로 줄인 간섭계 기법을 SDI (spectral domain interferometry)라고 부른다. 이 기법을 이용하면 수 mm의 거리 변화까지 측정이 가능하다.

SDI 기반에서 측정 거리를 크게 향상시키기 위해서는 고가의 펄스 레이저를 이용하는 방법이 제안되었다. 하지만 펄스 광원과 같은 고가의 광원을 이용하지 않고도 간섭계의 측정거리를 확장할 수 있는 기법이 최근 소개되었는데 이 측정 기법을 CSDI (chirped spectral domain interferometry)라고 부른다. CSDI는 SDI와 시스템 구성이 동일하지만 기준단에 분산소자인 CFBG (chirped fiber Bragg gratings)를 이용함으로써 수 cm까지 확장된 측정 범위를 쉽게 확보할 수 있는 장점을 가질 수 있다. 기존 간섭신호와는 달리 처핑된 간섭신호를 얻어 합성곱 기법을 통해 반사체의 위치를 매우 높은 정밀도로 분석이 가능하다.

CSDI의 성능은 간섭신호를 측정하는 분광기(spectrometer)의 성능에 의존하게 된다. 본 논문은 분광기 특성 중에서 파장 분해능(spectral resolution)에 따른 CSDI의 공간 분해능(spatial resolution)의 특성 변화에 대해서 관심을 가지고 연구를 수행하였다. 분광기의 파장 분해능을 0.05 nm에서 1.0 nm까지 변화시켜가며 간섭신호를 측정하였다. 이 신호로부터 분석된 공간 분해능은 0.1 nm 이하에서는 50 mm 이하가 유지되었지만 0.1 nm 이상에서는 수백 mm 정도로 증가되는 특징을 확인하였다(그림). 이 결과를 통해서 CSDI의 고분해능 특성을 유지하기 위해서는 분광기의 파장 분해능을 0.1 nm 이하로 유지할 필요가 있다는 점을 확인할 수 있었다.