제 2 장 태양빛의 특성(Properties of Light)

EM Spectrum

전자파 스펙트럼

 

우리가 매일 보는 빛은 지구에 입사되는, 태양에 의해 방사된 전체 에너지의 극히 일부분이다. 햇빛은 ‘전자기 복사’의 형태를 가지고, 우리가 보는 가시광은 우측에 나타낸 전자기 스펙트럼의 작은 부분이다.

T전자기 스펙트럼은 빛을 특정 파장을 가진 파동으로 설명한다. 빛을 파동으로 설명하는 것은 1800년 대 초기에 Thomas Young, François Arago, Augustin Jean Fresnel 들이 빛이 파동으로 되어 있다는 것을 의미하는 빛의 간섭 효과에 대한 실험을 한 후에 처음으로 인정을 받게 되었다. 1860년대 후반까지 빛은 전자기 스펙트럼의 일부로 간주되었다. 그러나 1800년대 후반에, 가열된 물체로부터의 파장 스펙트럼을 측정하는 실험을 빛을 파동으로 보는 방정식을 이용하여 설명할 수가 없었을 때, 빛을 파동으로 보는 시각에 문제가 생겼다. 이러한 불일치는 1900년[1], 그리고 1905년[2]에 이루어진 연구 덕택에 해결되었다. Planck는 빛의 총에너지는 서로 분간할 수 없는 에너지 요소, 즉 에너지의 ‘quanta’로 구성되어 있다고 제안하였다. Einstein은 광전효과(Photoelectric Effect)(특정 금속과 반도체에 빛이 입사되었을 때 전자가 방출되는 효과)를 연구하면서, 이들 quantum energy 요소의 값들을 정확하게 구분하였다. 이 분야에서의 연구로 Planck와 Einstein은 1918년, 1921년에 각각 노벨 물리학상을 수여받았고, 이 연구를 토대를 빛은 ‘포톤(광자 : photon)’라고 하는 에너지 입자 혹은 ‘다발(packet)’로 간주하게 되었다.

오늘날은, 양자역학(quantum mechanics)으로 빛의 파동 성질과 입자 성질 둘 다를 설명한다. 양자역학에서 포톤은 전자나 양자와 같은 여타 다른 양자역학적인 입자들과 같이 가장 정확한 표면으로 ‘wave-packet’이라고 묘사된다. 하나의 wave-packet은, wave-packet이 공간적으로 국재화된(localized)(무한 수의 sine wave를 더하여 얻어지는 square wave와 유사한 방식으로)것으로 나타나거나 혹은 그 대신에 단순히 하나의 wave로 나타날 수 있게 상호 작용할 수도 있는, 파동의 집합으로 정의한다. wave-packet이 공간적으로 국재화된 경우에는 하나의 파동으로 작용한다. 그러므로 상황에 따라서 포톤은 하나의 파동으로 나타날 수도 있고, 하나의 입자로도 나타날 수 있는데, 이 개념이 ‘파동-입자 이중성(wave-particle duality)’이다. 하나의 wave-packet 혹은 포톤은 아래와 같이 묘사된다.

빛은 포톤이라고 하는 양자역학적인 입자의 한 유형이기 때문에, 물리적으로 빛을 완벽하게 설명하기 위해서는 빛에 대한 양자역학적인 분석이 필요하다. 태양광 활용을 위해서는 이런 상세한 수준의 분석은 거의 필요하지 않으므로 여기서는 빛의 양자역학적 성질에 관한 몇 개의 요점만 소개하고자 한다. 하지만, 여기서 주어진 간단한 설명을 토대로, 어떤 상황(다행히도, 태양전지에서는 매우 드물게 발생)에서는, 빛은 상식을 무시하는 것처럼 거동할 수도 있다. 여기서 ‘상식’은 우리 자신의 관측에 의한 것이고, 이들은 인간이 관찰할 수 있는 범위 밖의 조건 하에서 발생하기 때문에 양자역학적인 효과를 관찰하는 데는 믿고 사용할 수가 없다. 빛의 현대적인 해석에 대한 자세한 내용은 문헌[3]을 참조.

입사 광선은 태양전지나 여타 물질과 어떻게 상호 작용하는지를 결정하는데 결정적인 요소인 입사 태양에너지에는 몇 가지 핵심 특성이 있다. 그 중요한 특성은 :

  • 입사광의 스펙트럼 구성
  • 태양 복사의 출력밀도 (power density)
  • 태양 복사가 태양전지로 입사되는 각도
  • 특정 표면의 연간 혹은 하루 동안의 복사에너지

장의 끝에서 여러분은 위의 네 가지 개념에 익숙해야합니다.