비법 발견! iPhone으로 이걸 하면 적외선이 보여요! (적외선의 세계를 들여다보자!)
과학 수업에서 ‘눈에 보이지 않는 것’을 어떻게 다루느냐가 이해의 갈림길이 될 때가 있습니다. 그 대표적인 예 중 하나가 ‘빛’입니다. 학생들은 ‘빛 = 보이는 것’이라고 생각하기 쉽지만, 실제로는 우리 눈에 보이는 것은 ‘가시광선’이라 불리는 아주 일부 범위의 빛뿐입니다. 그렇다면 그 외의 ‘보이지 않는 빛’에는 무엇이 있을까요? 그중 하나가 이번 주제인 적외선입니다.
적외선은 가시광선보다 파장이 긴 전자기파의 일종으로, 리모컨이나 방범 카메라, 온도 센서, 우주 망원경 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 하지만 우리 인간의 눈에는 보이지 않습니다. 그런데 ‘보이지 않는’ 적외선도 우리 주변의 어떤 것을 이용해 궁리하면 ‘보이게’ 할 수 있습니다!
그게 바로 스마트폰입니다. 스마트폰 카메라를 이용해 적외선을 볼 수 있는 방법이 있어요! 비싼 적외선 카메라를 사지 않고도, 손쉽게 ‘보이지 않는 빛’을 가시화할 수 있는 방법을 소개해 드립니다.
이 방법을 사용하면 과학 실험에서도 적외선이 가시화되어 보이기 때문에 유용하며, 적외선을 사용하는 집안의 방범 카메라를 어둠 속에서 찾아낼 수도 있을 겁니다.
적외선이란 무엇일까요?
우리가 사물을 보고 인식할 때에는, 물체에서 나오는 #전자기파라는 빛의 파동을 눈으로 포착합니다. 이 전자기파 중에서 파장이 380nm~750nm인 전자기파를 인간의 눈이 포착하여, 각각의 파장을 색으로 느끼는 것입니다.
※n(나노)는 10의 마이너스 9제곱을 나타냄
그림과 같이, 전자기파 중에서 파장이 긴 것을 빨강, 파장이 짧은 것을 보라색이라고 인간은 인식합니다 (빨주노초파남보 라는 외우는 방법이 있습니다). 이 영역의 전자기파를 눈으로 포착할 수 있다고 하여, 가시광선이라고 부릅니다.
또한 인간의 눈에는 보이지 않는, 가시광선 이외의 영역에 있는 전자기파도 있습니다. 예를 들어, 보라색보다 파장이 짧은 영역에 있는 자외선 (보라색 바깥의 선), 그리고 빨강보다 파장이 긴 영역에는 적외선 (빨강 바깥의 선)이라는 전자기파가 있습니다. 이 전자기파들은 인간의 눈으로 포착할 수 없을 뿐, 다른 생물들은 포착할 수 있는 경우가 있습니다. 예를 들어 배추흰나비는 자외선을 볼 수 있다고 합니다.
적외선을 살펴봅시다!
적외선에는 가시광선과 같은 성질을 가진 근적외선과, 파장이 더 긴 중적외선·원적외선이 있습니다. 여기서는 근적외선에 대해 다룹니다.
리모컨의 버튼을 누르면 #적외선이라는 전파가 끝에서 나옵니다. 적외선은 가시광선이 아니므로, 리모컨 버튼을 눌러도 적외선이 나오고 있다는 것을 눈으로 느낄 수 없습니다. 이 ‘인간의 눈에는 보이지 않는다‘는 점을 역으로 이용하여, TV 등의 리모컨 송신부에는 생활에 방해가 되지 않도록 적외선이 이용되고 있습니다. 기술적으로는 가시광선을 이용한 통신도 가능하지만, 리모컨 송신부가 반짝반짝 빛나면 오히려 방해가 됩니다. 이 적외선을, 오래전 디지털카메라에 대고, 리모컨 버튼을 누르면, 디지털카메라 화면을 통해 적외선을 볼 수 있었습니다.
디지털카메라의 이미지 센서는 우리 눈으로는 포착할 수 없는 파장의 빛, 근적외선도 포착할 수 있기 때문입니다 (포착해 버리는 것입니다). 단, 적외선을 포착하게 되면, 리모컨의 적외선이 보이는 것처럼, 찍은 사진이 인간의 눈으로 보는 것과는 다른 모습이나 색조가 되어 버립니다. 오래된 iPhone도 카메라를 통해 적외선을 볼 수 있었지만, 최근 스마트폰은 개량되어 적외선이 찍히지 않게 되었습니다. 이는 적외선 컷 필터 (IR 필터)라는 것이 렌즈에 부착되었기 (부착되어 버렸기!) 때문입니다. 적외선 컷 필터를 통과시킴으로써 750nm보다 파장이 긴 전자기파를 차단하고, 가시광선 영역의 전자기파를 이미지 센서에 비추어 인간의 눈으로 본 그대로의 색조 사진이 되도록 개량되었기 때문입니다. 적외선 컷 필터는 최근에는 대부분의 디지털카메라에 탑재되어 있습니다. iPhone 카메라로 촬영해 보았는데,
적외선이 안 보여요~! (흑)
어쩔 수 없이 교실에서 적외선을 보는 실험을 할 때는 오래된 디지털카메라 등을 가져와 실험하곤 했습니다. 하지만, ‘어떤 것’을 함으로써 iPhone (스마트폰)으로도 전자기파를 볼 수 있게 되었습니다! 그게 바로 이 영상입니다.
어떤가요? 제대로 보이죠? 사실 그 ‘어떤 것’을 하는 게 중요합니다. 다른 스마트폰으로도 시도해봤지만, 역시 그 ‘어떤 것’을 하면 볼 수 있는 것 같아요. 오늘은 그런 적외선을 보기 위한 ‘어떤 것’ (한 가지 묘책)에 대해 소개해 드립니다.
과학 레시피
준비물
리모컨, iPhone 등의 스마트폰
amazon 리모컨
※ 리모컨은 어떤 것이든 상관없습니다. 다만 빛나는 방식이 다양하므로, 여러 종류의 리모컨을 준비하면 재미있습니다.
방법
스마트폰 카메라를 후면 카메라(일반 카메라)에서, 전면 카메라(앞 카메라)로 전환하세요. 전면 카메라는 자신을 비추는 셀카용 카메라입니다.
스마트폰을 책상 위에 놓고, 전면 카메라를 향해 적당히 리모컨 버튼을 눌러보세요. 그 모습을 스마트폰 화면을 통해 살펴보세요.
빛났어요!
네, 바로 전면 카메라로 전환하는 것이 포인트였습니다. 일반 카메라(후면 카메라)로는 찍히지 않아요.
전면 카메라로는 찍힙니다!
찰칵!
찍혔다!
조명 리모컨은 훨씬 더 잘 보였어요!
찰칵
눈부셔요~! 이거 좋네요!
어둠 속에서 찍은 영상은 여기 있습니다. 더 밝게 빛나는 것을 볼 수 있습니다.
이걸 깨달았을 때, 너무 기뻐서 날아갈 것 같았어요. 정말 재미있죠. 방을 어둡게 한 뒤 이 카메라를 여러 곳으로 향하게 하면, 예상치 못한 가전제품이 적외선을 내뿜으며 빛나고 있는 것을 발견할 수도 있을 겁니다!? 예를 들어 화장실 센서 부분, 방범 카메라, 또는 얼굴 인식 기능이 있는 iPhone을 켤 때 다른 iPhone으로 보면… 실용적인 면에서는 리모컨 고장 확인이나, 몰래카메라 등에서 나오는 적외선을 발견하는 것도 가능하죠.
왜 전면 카메라만 적외선이 보일까요?
왜 전면 카메라만 적외선이 보일까요? 전면 카메라는 후면 카메라와 달리, 사진의 색을 인간이 보는 색에 가깝게 만드는 것이 목적이 아닙니다. 전면 카메라의 용도는 화상 통화 등에서 자신의 얼굴을 찍기 위한 것입니다. 따라서 전면 카메라에는 적외선이 다소 포함되어도, 사진의 품질을 중요하게 여기지 않기 때문에 문제가 되지 않습니다. 또한, 적외선 차단 필터를 추가하면 물리적인 두께도 당연히 늘어나므로, 얇기를 우선시한 것이라고 생각됩니다.
적외선을 내는 것 때문에 색의 상태에 변화가 있을 테니, 전면 카메라와 후면 카메라로 태양이나 백열전구의 빛을 찍으면 약간의 차이가 보일 것입니다. 실제로 찍어본 것이 이것입니다. 왼쪽이 후면 카메라(적외선 컷 필터 없음). 오른쪽이 전면 카메라(적외선 컷 필터 있음). 뒷배경에 맞춰 AF/AE 잠금(초점과 노출 잠금)을 설정하고 촬영했습니다. 약간이지만, 오른쪽 전면 카메라가 더 밝게 찍힌 것 같고, 적외선도 포착하기 때문인지 필라멘트 부분이 밝게 보입니다.
하지만 사진으로서 큰 차이가 있는지 묻는다면 그렇지 않다는 것을 알 수 있습니다. MacBook의 전면 카메라로도 적외선이 찍혔습니다.
얼굴 인식 기술(Face ID)에 대하여
다른 이야기지만 스마트폰의 얼굴 인식 기술은 근접 센서로 적외선 빔을 내보내 얼굴과 스마트폰의 거리를 측정하고, 얼굴이 가까워지면 도트 프로젝터라는 부분에서 얼굴을 향해 수만 개의 점을 조사합니다. 전면 카메라와는 별도로 적외선을 감지하는 카메라로 얼굴에 반사된 도트 패턴을 읽어 눈, 코, 입의 위치, 입체적인 모습을 분석하고 수학적인 처리를 거쳐 본인인지 아닌지를 구별한다고 합니다. 적외선이 얼굴 인식에도 이용되고 있다니 놀랍죠.
참고 Apple 웹사이트에서
왼쪽부터 적외선 카메라, 투광 일루미네이터, 근접 센서, 조도 센서, 스피커, 마이크, 전면 카메라, 도트 프로젝터
실제로 촬영해 보니…! 확실히!! 빛나는 것을 알 수 있습니다.
적외선을 소리로 느끼다!?
다음으로 적외선을 소리로 느끼는 실험도 소개해 드립니다.
과학 레시피
준비물
오디오 케이블, 악어클립 전선(악어 입), 태양 전지(저는 1,000엔 정도 하는 저렴한 것으로 했습니다), 리모컨, 거울
amazon 태양광 전지·태양 전지판
Rakuten 태양 전지
순서
라디오 카세트 등의 오디오 기기 외부 단자에 오디오 케이블을 연결하고, 악어클립 전선(악어 입)으로 태양 전지판과 연결합니다.
볼륨을 최대로 올리고, 태양 전지판을 향해 리모컨 버튼을 눌러봅니다.
결과:
이 영상을 봐주세요.
리모컨 버튼을 누르면 ‘비비빅’ 하는 소리가 들리는 것을 알 수 있습니다. 적외선에 반응하여 태양 전지에서 미세한 전류가 흐르기 때문입니다.
리모컨을 멀리하면 소리가 작아지고, 가까이하면 소리가 커집니다. 또한 거울을 세워두고 거울에 리모컨을 향하게 하면,
적외선이 반사되어 태양 전지판이 반응합니다. 재미있죠!
중·원적외선의 이용
근적외선은 가시광선과 같은 성질을 가지지만, 중~원적외선은 다른 성질을 가집니다. 열은 분자나 원자의 진동 현상입니다. 이 진동이 그대로 중~원적외선(2500nm 이상)으로 방출됩니다. 또한 이러한 적외선이 다른 물질에 전달되면, 그 물질을 따뜻하게 만들 수 있습니다. 이처럼 중~원적외선은 열을 전달하는 성질이 있습니다. 물질에서 나오는 이러한 중~원적외선을 포착하는 카메라가, 중·원적외선 카메라(열화상 카메라(amazon))입니다.
FLIR IR 카메라
Rakuten ( FLIR ONE PRO iPhone/iPad 대응 스마트폰 적외선 열화상 카메라 )
예를 들어 지우개로 책상을 문질러 열화상 카메라로 보면…
쓱싹쓱싹 책상을 문지르면…
재미있죠? 5만 엔 정도로 살 수 있는 시대가 되어서, 가족 몰래 슬쩍 사봤습니다. 자세한 내용은 이쪽을 봐주세요.
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