POSTECH 김동성 교수팀, 광학 장비 필요없는 그림자 굴절률 측정치 개발

여름의 대표적인 과일, 수박의 당도를 알기 위해서 필요한 것은 수박의 ‘소리’일까? 회식 자리 기피의 주범(?)으로 꼽히는 폭탄주의 도수를 알려면 직접 마셔봐야 할까?

정답은 ‘아니다’다. 수박의 당도, 폭탄주의 도수를 알 수 있는 방법은 바로 ‘그림자’에 있다.

POSTECH(포항공과대학교)기계공학과 김동성 교수‧박사과정 김원경 씨 연구팀은 복잡하고 비싼 광학 장비 없이 ‘그림자’로 액체의 굴절률을 간단하게 측정할 수 있는 굴절률 측정 시스템을 개발했다.

이 시스템은 과일주스나 탄산음료의 당도, 국의 염도 등을 간단하게 측정할 수 있는 방법에도 활용할 수 있지만 산업용 오일의 노화 정도나 건강 상태에 따른 체액의 변화를 확인하는 용도로도 확대시킬 수 있어 관심을 모은다.

빛의 이동속도, 즉 광속은 공기가 없는 상태에서는 가장 빠르고 매질 안에서는 느려지는데, 그 비율을 ‘굴절률’이라고 부른다. 굴절률은 빛의 굴절이나 반사와 관련이 있어 광학분야에서 중요한 물성으로 알려져 있다.

이 굴절률을 정확하게 측정하기 위해서는 현미경이나 광학렌즈 같은 정밀하고 비싼 광학장비가 필요해 실생활에서 바로 측정하기는 쉽지 않았다. 특히 음료의 당도처럼 아이들의 건강과 관련이 있는 경우에도 부모가 바로 확인하기 어려워 전문 연구기관의 연구결과를 기다려야 했다.

POSTECH 김동성 교수팀은 투명한 사각기둥에 원통형 저장공간을 만들어 투명하게 희석시킨 액체를 채우고, 이 사각기둥에 빛을 비출 때 발생하는 그림자를 ‘실마리’로 생각했다. 액체의 굴절률이 증가하면 그림자의 너비가 감소하는데, 액체의 당도와 그림자의 너비의 상관관계를 미리 알고 있다면 당도를 먹어보거나 광학장비 없이도 측정해낼 수 있다는 것이다.

연구팀은 샘플 액체를 이용해본 결과 굴절률과 액체의 성질이 정확하게 맞다는 결과를 얻었다. 이 측정 장치는 구조나 제작이 간단하고, 외부전원이 필요하지도 않으며 정밀한 광학 장비도 필요치 않아 일반인들도 활용할 수 있다.

연구를 주도한 김동성 교수는 “구조나 제작의 간단함은 물론 자연광을 이용하면 외부 전원이 필요한 것도 아니어서,특히 산업계의 폭넓은 활용과 그 파급효과가 기대된다”고 설명했다.

한편, 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’지를 통해 발표된 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구)과 선도연구센터육성사업(ERC) 의 지원을 받아 수행됐다.