스토리 2021.07.09

물체에 빛이 닿으면 소리가 난다? ‘광음향 효과’

밤이 지나고 해가 뜨면 나무와 풀들이 햇빛을 받으며 재잘거리는 소리를 냅니다. 이렇게 식물들이 빛을 받으면 소리를 내는 건 비유가 아니라 실제 상황입니다. 광합성을 하면서 소리를 내는 거죠. 식물은 세포 속 엽록체에서 광합성을 합니다. 엽록체 안에는 광합성 반응중심(Photosynthesis reaction center)이라는 부분이 있습니다. 센터 주변의 색소가 빛을 흡수해 에너지를 광합성 반응 중심으로 전달합니다. 이 에너지에 의해 반응중심의 전자가 튀어 나갑니다. 이렇게 튀어 나간 전자가 여러 곳을 다니며 자신이 가진 에너지를 조금씩 나눠주는 것으로부터 광합성이 시작되지요. 그런데 이 과정에서 아주 약하나마 전기장이 생성되고 또 변하게 됩니다. 이런 전기장의 생성과 변화는 주변 분자들의 구조를 바꾸고 부피도 변화시킵니다. 이 부피의 변화가 아주 작지만 음파를 만듭니다. 마치 우리가 캔을 꽉 쥐어 쪼그라트리면 소리가 나는 것과 같은 원리입니다. 광합성 과정은 또 다른 방법으로도 소리를 만듭니다. 광합성을 하며 식물은 물을 분해해 산소를 만들지요. 세포 내부의 산소는 압력을 변화시키고 이에 따라 또 소리가 납니다. 이 소리 또한 우리 귀에 들리지 않을 만큼 작지만 앞서 전기장에 의해 발생하는 소리보다는 조금 더 큽니다. 북을 두드릴 때 소리가 나는 것과 유사한 원리이지요. 빛을 받으면 소리가 나는 광음향 효과 한편 식물만이 아니라 온갖 종류의 물질들도 빛을 받으면 소리를 냅니다. 우리 몸에도 이런 물질이 있는데 적혈구의 주성분, 산소를 운반하는 헤모글로빈이 그렇습니다. 이들이 소리를 내는 원리는 조금 다릅니다. 광열효과photothermal effect라는 것이죠. 빛은 일종의 에너지로…
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스토리 2021.07.06

빛의 입자적 성질을 확실하게 보여준 ‘콤프턴 효과’란?

빛은 어디서나 쉽게 볼 수 있지만 정말 신비로운 존재다. 가장 신기한 성질 중에 하나는 빛이 파동일 수도 있고, 입자일 수도 있다는 사실이다. 널리 알려진 것처럼 빛은 이중성을 갖는다. 영국의 천재 과학자 아이작 뉴턴은 프리즘 실험의 결과를 통해 빛을 입자라고 단정 지었다. 하지만 뉴턴의 주장이 영 석연치 않았던 토머스 영은 아주 얇은 틈을 이용한 이중 슬릿 실험을 설계했고, 배치된 슬릿을 지나 스크린에 도달한 빛이 만들어낸 간섭무늬를 확인한 그는 빛을 입자가 아닌 파동이라고 확신했다. 드디어 빛과 관련된 논쟁에 종지부를 찍었다고 생각했지만, 여전히 우리 눈에 보이는 가시광선을 그저 파동이라고 했을 때 설명되지 않는 현상들이 남아있었다. ▲ 토머스 영의 이중 슬릿 실험 개념 파동설로는 설명되지 않는 빛의 현상 ‘광전효과’ 1887년 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 진공 상태에 놓인 금속판에 빛을 비추면 무언가 튀어나오는 현상을 발견했고, 그로부터 12년이 지난 후 영국의 물리학자 조지프 톰슨은 금속판에서 튀어나오는 정체불명의 존재가 전자라는 입자인 것을 밝혀냈다. 금속판 위에서 자유롭게 움직이는 전자에 전자기파인 빛을 쬐면, 전자가 탈출하기에 충분한 에너지를 받아 튀어나온다는 것이다. 빛은 특정한 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 입자이기 때문에, 기본 단위인 광자는 전자와 부딪혀서 마치 당구대 위의 흰 공으로 노란 공을 치는 것처럼 전자를 튀어 나가게 만들 수 있다. 명확한 입자의 특성을 보여준 것이다. 아인슈타인은 ‘광전 효과’라 불리는 현상이 어떻게 일어나는지 규명한 덕분에 1922년 노벨물리학상을 수상했고, 이후 과학자들은 이러한 과정으로부터 확인한 입자성을 빛이 갖고…
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스토리 2021.06.25

[호기심 과학] 직접 만든 얼음보다 편의점 얼음이 더 천천히 녹는다? 더 단단하고 오래가는 얼음에 담긴 과학 원리!

본격적인 여름이 가까워지면서 얼음을 넣은 시원한 음료수를 찾기 시작하는 요즘이다. ‘음료수에 얼음을 넣으면 시원해진다’는 말을 과학적으로 표현하면 ‘얼음이 융해되면서 흡열반응이 일어나 음료수의 온도가 낮아진다’라고 할 수 있다. 열을 흡수하는 흡열반응을 하는 물질은 반응물보다 생성물의 에너지가 높아지게 되는데, 이때 주변의 열을 확~ 빼앗아서 달아나게 된다. 여러 가지 다양한 흡열반응 중 대표적인 것이 바로 ‘고체 → 액체 → 기체’로, 혹은 ‘고체 → 기체’로의 상태변화이다. 고체가 액체 또는 기체와 같이 상대적으로 운동이 활발한 상태로 변하려면 그만큼 에너지가 더 필요하다. 즉, 외부의 에너지를 흡수해 상태를 변화시키는 것인데, 고체 상태의 얼음이 물과 수증기가 되기 위해서 주변의 열 에너지를 흡수하는 것이 대표적인 예다. 따라서 이러한 물질의 상태 변화를 잘 이용하면 우리는 무더운 여름을 보다 시원하게 보낼 수 있다. ▲ ‘고체 → 액체 → 기체’, 또는 ‘고체 → 기체’로의 상태변화가 일어날 때 흡열반응이 나타난다. 대표적 흡열반응 ‘얼음과 소금’ 얼음 위에 소금을 뿌리면 원래 0℃인 얼음의 녹는점이 낮아지면서 소금과 접촉한 부분의 얼음이 살짝 녹기 시작한다. 이러한 현상을 ‘녹는점 내림’이라고 한다. 얼음이 물로 녹는 융해는 고체가 액체로 변하는 상태변화이기 때문에 분자들이 더 활발히 움직이기 위해 주변의 열을 빼앗아서 달아난다. 얼음에 소금을 뿌리면, 소금이 물에 녹으면서 주변의 열을 흡수하는 흡열반응을 한다(용해열:-3.9 KJ/mol, 25℃, 1기압). 얼음의 융해되는 흡열반응에 소금이 용해되는 흡열반응까지 더해지면 얼음만 있는 상태보다 더 낮은 온도를 유지할 수 있다. 얼음에 소금을 뿌린 상태에서 이론적으로는 영하 20℃ 정도까지 온도를 낮출 수 있는데, 실제로 실험해보면…
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스토리 2021.06.11

고층 빌딩들이 만드는 초강풍! ‘벤투리 효과’

여름이 오면 어김없이 찾아오는 반갑지 않은 손님이 있다. 바로 태풍이다. 지난해 늦여름, 부산 해안가는 ‘마이삭’과 ‘하이선’이라는 이름의 태풍이 연이어 강타하면서 많은 피해를 보았다. 해운대와 광안리 주변에 위치한 고층 아파트들 창문이 강한 바람에 의해 수십 장씩 깨지며 그 일대가 아수라장이 된 것이다. 당시 전문가들은 창문이 깨진 상황에 대해 직접적 원인은 태풍에 있지만, 또 다른 원인으로 고층 건물 주변에서 발생하는 ‘빌딩풍’을 지목한 바 있다. 빌딩풍이란 넓은 공간에서 불던 바람이 고층 빌딩 사이의 좁은 공간으로 들어오면서 속도가 더 빨라지는 현상을 가리킨다. 빌딩풍에 의한 피해가 비단 우리나라만의 일이 아니다 보니 전 세계의 많은 국가들이 오래전부터 피해를 줄이기 위해서 다양한 대처방안을 연구해 왔다. 바람이 부는 방향과 반대로 창문을 설계하거나 건물의 모서리를 부드러운 곡선으로 만드는 이유도 바람의 피해를 줄이기 위해서이다. 대표적인 건물로는 아랍에미리트 두바이의 부르즈 할리파나 우리나라 잠실 제2 롯데월드 같은 건물 모양이다. ▲왼쪽부터 두바이 부르즈 할리파, 잠실 제2 롯데월드 타워 빌딩풍의 발생 원인을 설명하는 물리적 현상에는 ‘벤투리 효과(Venturi Effect)’가 있다.  벤투리 효과는 이탈리아의 물리학자인 ‘지오반니 벤투리(Giovanni Venturi)’가 ‘베르누이의 정리’를 이용하여 해석한 물리 현상이다. 굵기가 다른 관에 유체를 통과시킬 때, 넓은 관보다 좁은 관에서 유체의 속도가 빨라지는 대신에 압력은 낮아지게 되는 현상을 가리킨다. 빌딩들이 많은 도심의 바람은 빌딩들의 좁은 간격을 통과하면서 더 빠른 속도와 낮은 압력을 가지게 된다. 그렇다면 벤투리 효과는 태풍 같은 강한 바람이 불 때만…
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스토리 2021.06.09

아름다운 곡선에 숨겨진 수학적 원리! ‘사이클로이드 곡선’이란?

동시에 100명의 게이머가 온라인으로 접속해 최후의 1인이 살아남을 때까지 전투를 벌이는 배틀그라운드라는 게임이 있다. 이 게임은 참가자 모두가 비행기에서 적절한 타이밍에 활강을 시작해 지상에 도착하면서 시작된다. 이 때 중요한 건 도착 지점의 위치인데, 어디에 낙하 하느냐에 따라 초반에 유리한 상황으로 게임을 이끌어나갈 수 있다. 그렇다면 결국 비슷한 위치에 수많은 참가자가 뛰어내리게 되는데, 아래 그림의 두 게이머 중 누가 먼저 지상에 도착할까? 사이클로이드 곡선이란? ▲ 사이클로이드 곡선 생성 원리 (출처: 위키피디아, Zorgit) 정답을 알려주기 전에 궁금한 건, 도대체 사이클로이드 곡선이 뭐길래 게임에서도 이렇게 활용이 되느냐 하는 것이다. 사이클로이드(cycloid)는 바퀴(wheel)라는 의미의 고대 그리스어(kuklos)에서 나온 말로 회전하는 바퀴 상의 한 점의 궤적을 표현한다. 원을 한 직선 위에서 굴렸을 때, 원 위의 한 점이 그리는 곡선의 자취가 바로 이 곡선이다. 자전거 바퀴의 옆면 어딘가에 점을 하나 찍고, 바퀴를 앞으로 굴리면 사이클로이드 곡선이 그려진다. ▲ 사이클로이드 곡선 강하 비교 실험 (출처: YTN 사이언스) 이 곡선은 최단 시간 강하 곡선으로, 말 그대로 가장 짧은 낙하 시간을 갖는 곡선이다. 이는 사이클로이드 곡선 위의 물체가 초반에 받는 중력가속도가 직선보다 크기 때문에 빠르게 낙하하게 되고, 기울기가 완만한 후반부에서는 관성에 따라 속도가 이어지기 때문이다. 따라서 앞에서 제기한 게임의 낙하 속도 문제의 정답도 사이클로이드 곡선을 타고 내려오는 아래의 게이머가 된다. 사이클로이드 곡선은 또 다른 특이한 성질도 있다. 바로 어떤 점에서 출발을 해도 가장 낮은 위치까지…
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스토리 2021.06.03

UFO 슛에 과학적인 비밀이 숨겨져 있다? ‘마그누스 효과’

축구를 좋아하는 팬이라면 지난 1997년 브라질의 ‘로베르토 카를로스(Roberto Carlos)’가 프레월드컵 개막전에서 찬 환상의 프리킥을 기억할 것이다. 당시 카를로스는 4명의 프랑스 수비수를 피해 오른쪽으로 직진하다 골문 앞에서 갑자기 방향이 바뀌는 기가 막힌 골로 득점을 기록했다. 당시 언론에서는 카를로스의 프리킥을 바나나킥의 하나로 분류했지만, 공의 궤적을 자세히 살펴보면 일반적인 바나나킥과는 달랐다. 너무나 각도가 예리했기 때문에 축구 팬들은 이 환상적인 프리킥에 ‘UFO 슛’이라는 별명을 붙여줬다. 축구 팬들에게는 마냥 신기한 슛으로 보였겠지만, 해당 장면을 본 과학자들은 카를로스의 프리킥에는 흥미로운 물리학적 법칙이 숨어 있음을 간파했다. 축구공이 엄청나게 휘어지며 날아가는 이유가 ‘마그누스 효과(Magnus Effect)’ 때문이라는 것을 파악한 것이다. 구기 종목 대부분에서 목격할 수 있는 마그누스 효과 마그누스 효과란 공기나 물과 같은 유체(流體) 속에서 물체가 회전하면서 특정 방향으로 운동하게 될 때, 물체가 그 이동속도의 수직 방향으로 힘을 받아 경로가 휘어지는 현상을 말한다. 마그누스 효과라는 명칭은 19세기 독일의 물리학자였던 ‘하인리히 마그누스(Heinrich Magnus)’가 발견했다 해서 붙여졌다. 그는 포탄이나 총알이 한쪽으로 휘는 이유에 대해 연구를 하다가 그 원인이 공기의 압력 차이 때문이라는 점을 밝혀낸 뒤 마그누스 효과에 대해 발표했다. 이후 마그누스 효과는 스포츠 시합을 할 때 볼 수 있는 놀라운 공의 궤적을 해석하는 데 주로 사용되고 있다. 앞에서 언급했던 축구 경기의 바나나킥이나 야구 경기에서 볼 수 있는 투수의 변화구 등이 마그누스 효과의 좋은 예이다. 가령 축구 경기에서 오른발잡이 선수가 발의 안쪽으로 공을 찼을 때, 오른쪽은 공기의 압력이 커지고 왼쪽은 작아지게 된다. 따라서 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 작용하며…
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스토리 2021.06.01

[호기심 과학] 선명한 화면이 생명, 디스플레이의 표면 관리는 어떻게? (feat.정반사와 난반사)

TV, 모니터, 노트북, 태블릿, 스마트폰 등 하루 종일 나의 눈에 담는 각종 디스플레이는 정교하고 선명한 화면이 생명이다. 그래서 브라운관으로부터 LCD, OLED 등으로 눈부신 발전을 해왔고, 현실 세계에서 육안으로 보는 것과 같은 상태로 재현하기 위해 화소 수는 나날이 늘어가서 이제 현미경으로 봐야 화소를 확인할 수 있을 정도다. 하지만 최첨단 과학기술의 결정체인 이 디스플레이 화면에 먼지가 묻어 있거나, 스크래치가 난다면 제품 출시 당시의 선명하고 정교한 화면을 즐길 수가 없다. TV나 모니터는 시간이 지나면, 먼지가 표면에 앉을 수밖에 없고, 스마트폰처럼 자주 만지게 되는 게 되는 디스플레이는 손때가 묻지 않을 수가 없다. 그러면 평소 디스플레이의 관리는 어떻게 해야 깨끗한 상태를 유지할 수 있을까? 반사의 법칙, 그리고 정반사와 난반사! ▲ 빛이 반사될 때 반드시 지키는 ‘반사의 법칙’ : 입사각 = 반사각 빛은 직진하는 성질이 있다. 이를 ‘빛의 직진성’이라고 하는데, 중간에 빛이 멈춰서거나, 휘어지지 않는 성질이다. 하지만 이렇게 쭉쭉 뻗어서 직진하던 빛이 거울 면과 같은 표면에 부딪히게 되면 반사를 하게 된다. 우리가 강물이나 바닷물을 봤을 때 반짝반짝하는 것 역시 빛이 반사되었기 때문이다. 또한 우리가 자체 발광하지 않는 물체를 눈으로 볼 수 있는 이유도 바로 물체에서 반사된 빛이 우리 눈에 들어오기 때문이다. 이렇게 빛이 반사될 때는 반드시 나타나는 법칙이 있는데, 반사면과 수직인 선인 ‘법선’을 기준으로 입사각과 반사각은 각도가 동일하다는 점이다. 반듯한 반사면에서는 광선을 입사했을 때, 광선들이 서로 평행하게 나란히 나아간다. 이러한 현상을 정반사라고 한다. 반면에 표면이 매끄럽지…
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스토리 2021.05.12

어떤 음이 다른 음에 의해 잘 들리지 않는 현상이 있다? 큰 소리로 작은 소리를 감추는 ‘마스킹 효과’

출근을 해서 컴퓨터를 켠다. 그리고 커피를 내려 본격적으로 일을 하려 할 참에 컴퓨터에서 나는 기계음이 신경쓰여 음악을 튼다. 음악을 들으며 자료를 찾고 글을 쓰는 사이 어느 샌가 컴퓨터 기계음은 사라졌다. 아니 내 귀는 더 이상 컴퓨터 소음을 신경 쓰지 않게 되었다. 단지 기분 탓은 아니다. 어떤 음이 다른 음에 의해 잘 들리지 않게 되는 현상을 ‘마스킹 효과(masking effect)’ 혹은 ‘청각 마스킹 효과’라고 한다. 마스크는 우리가 얼굴에 쓰는 것의 이름이기도 하지만 본래 감추고 차폐한다는 뜻도 있다. 즉 다른 음을 가린다는 의미에서 이를 ‘마스킹 효과’라고 한다. 마스킹 효과는 어떤 원리로 일어나는 것일까? 그럼 마스킹은 어떤 원리로 일어나는 것일까? 이를 이해하기 위해서는 먼저 청각 시스템에 대한 이해가 필요하다. 소리를 듣는 건 귀의 안쪽에 있는 달팽이관이다. 달팽이관은 긴 튜브형의 관이 달팽이 껍데기 모양으로 말려있는 형태를 띠고 있고 그 속을 림프액이란 액체가 채우고 있다. 귀로 들어온 소리는 림프액의 파동이 되어 달팽이관을 지나간다. 달팽이관에는 섬모를 내놓고 있는 청세포들이 있다. 림프액의 진동에 섬모가 떨리면서 세포막의 이온 채널이 열리면서 세포막 바깥의 이온이 들어온다. 전기 신호가 발생하고 연결된 신경을 따라 뇌로 전달되어 우리는 ‘소리’를 듣게 된다. 그런데 청세포마다 이 시스템이 조금씩 달라 이온채널이 열리는 진동수도 다르다. 그래서 우리는 높은 음과 낮은 음을 구분할 수 있다. 또 진동의 세기가 달라지면 채널이 열리는 청세포의 개수가 달라져 우리는 큰 소리와 작은 소리를 구분할 수 있다. 이…
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스토리 2021.05.11

영화 속 CG는 수학적인 원리로 구현됐다? ‘미분방정식’ 활용 이야기

17세기 뉴턴(Newton)과 라이프니츠(Leibniz)는 물체의 위치나 물리량의 시간에 대한 변화나 위치에 대한 변화를 기술하기 위하여 순간변화율이라는 개념을 도입하였고, 이를 기반으로 여러 가지 운동 법칙과 질량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙 등의 물리 법칙이 정립되었다. 그 이후 야코프 베르누이(Jacob Bernoulli), 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli), 달랑베르(d’Alembert), 오일러(Euler), 라그랑지(Langrange), 푸리에(Fourier) 등이 이들 물리 법칙들을 결합하여 물리적 현상을 기술하였다. 이는 미지의 함수와 그 도함수, 그리고 이 함수들에 관계된 여러 변수들에 대한 방정식으로서 ‘미분방정식’이라 불린다. 미분방정식은 자연현상을 과학적으로 표현하려는 도구로서 활용되어 왔으나, 현대에는 컴퓨터 그래픽, 기상 예측, 감염병 확산 예측 등에도 활발하게 응용되고 있다. 미분방정식이란? 일반적인 방정식은 위와 같은 형태이며, 미지수 x에 들어갈 해를 구한다. 하지만 미분방정식은 아래와 같이 형태가 다소 다르다.  * y”은 y라는 함수를 두 번 미분했다는 것이고, y’은 한 번 미분했다는 뜻 언뜻 비슷해 보이지만 수식에 x 대신 y가 들어가 있고 미분을 뜻하는 프라임(‘) 표시가 있다. 일단 변수로 y가 들어간 것은 y가 ‘미지수’가 아니라 ‘미지함수’라는 의미다. 즉, 미지의 함수를 구하는 것이 미분방정식의 목적임을 알 수 있다. 미분방정식은 미적분 계산이 되는 함수를 변수로 간주하는 방정식 즉, 함수 그 자체를 미분하여 결과를 도출한다. 함수를 미분한다는 것은 물체의 가속도(그래프에서 기울기) 등과 같은 특정 지점에서의 물리량 변화를 확인할 수 있다는 뜻이므로, 미분방정식을 사용하면 자연 현상에 대한 분석과 예측에 매우 유용하다. 미분방정식의 종류 미분방정식은 다양한 종류로 나뉜다. 기본적으로는 미분과 관련된 변수가 하나이면 ‘상미분방정식’, 두 개 이상이면 ‘편미분 방정식’이라 부른다. 이후 컴퓨터의 발전에 따라 ‘수치적 근사 풀이법’의 개발이 활발하게 진행이 되었고, 이어서 확률적 현상을 기술하는 확률 미분방정식과 생물학적 현상을…
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스토리 2021.04.26

[호기심 과학] 눈으로 보는 것이 모두 사실이 아니라고? 뇌는 눈을 속일 수 있다! ‘착시의 세계’

‘관찰’로부터 시작되는 과학의 탐구 방법 과학의 탐구 방법에는 많은 관찰을 통해 일반적인 결론을 도출해 내는 ‘귀납적 탐구 방법’과 관찰 후 문제를 인식하고 가설을 세워 이를 검증하는 ‘연역적 탐구 방법’ 이 있다. 이 두 가지 방법 모두 자연현상이나 사물을 ‘관찰’하는 과정으로부터 시작되니, 관찰이야말로 과학탐구의 출발점이라고 할 수 있다. 인류의 역사를 바꾼 위대한 과학적 탐구의 결과물들은 남들과는 다른 시각으로, 세밀하고 꾸준히 자연현상과 사물을 관찰한 과학자들이 있었기에 탄생할 수 있었던 것이다. 이러한 관찰 활동을 할 때에는 사람의 오감이나 감각을 확장하는 도구(현미경, 망원경 등)를 사용하게 된다. 사실 필자가 한 많은 과학실험은 현미경을 통한 관찰로부터 시작한 것이 많은데, 이와 같이 시각 정보를 이용하거나 혹은 시각 정보를 확장한 관찰이 오감을 이용한 관찰 중 가장 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.  시각의 성립 경로는 어떻게 될까? ▲ 빛을 받아들여서 시각이 성립되는 경로. 시각세포의 흥분이 대뇌의 시각령에 도달하면 시각이 성립된다. 그렇다면 시각은 어떻게 성립이 되는 것일까? 일단 빛이 눈을 감싸는 제일 바깥쪽의 투명한 막인 각막을 통과한 후 카메라의 렌즈와 같은 역할을 하는 수정체를 지나면서 굴절하게 된다. 그다음 상이 맺히는 부분인 망막에 도달하게 되는데, 여기에 존재하는 색상과 명암을 감지하는 시각세포들이 흥분하게 된다. 이 흥분이 시각 신경을 통해 대뇌의 시각령에 도달하면 마침내 시각이 성립되는 것이다. 즉 빛이 전기적인 정보로 전환되어 뇌에 전달되는 것인데, 사람의 눈은 0.04~0.15초 정도의…
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