과학과 교육과정에서의 편광과 그 너머 이야기

류신호

(경기도 용인시 성지고등학교 교사)

Ⅰ. 시작하는 글

빛은 인류의 역사 속에서 인간에게 가장 흥미로운 주제 중 하나습니다. 인간의 시각은 어떻게 형성되는가? 빛은 파동인가 입자인가? 빛과 물질은 어떻게 상호작용하는가? 빛의 속도는? LASER란? 광통신? 빛과 관련된 무수한 주제들이 우리의 관심을 끌고 있습니다. 오늘 언급하고자 하는 빛의 편광도 그 속에 무수히 많은 흥미로운 주제를 포함하고 있다. 2022 개정교육과정에서는 진로 선택 과목인 전자기와 양자, 지구시스템과학에서 약간 다른 관점에서 편광이라는 주제를 언급하고 있습니다.

그래서 여기서는 과학과 교육과정에서 다루어지고 있는 편광에 대해서 먼저 이야기하고, 편광과 관련된 다양한 주제를 그 내용과 함께 체험을 통한 활동으로 구성하여 편광에 대한 내용을 체득해 보고자 합니다. 이 안의 내용에 포함되지 않은 추가 자료와 또 다른 참고 링크는 강의 시간에 제공될 것입니다.

Ⅱ. 편광에 대하여

1. 2022 개정 교육과정 다루는 ‘편광’

가. 전자기와 양자(진로선택과목), 단원: Ⅱ 빛과 정보 통신

∘ 전자기와 양자 교과서 ‘차례’(최혁준 외)

∘ 성취수준: [12전자02-03] 편광의 원리를 이해하고, 이를 활용한 디지털 정보 기술의 사례를 조사할 수 있다.

∘  탐구활동: 센서와 편광판을 이용하여 다양한 디스플레이에서 나오는 빛의 편광 상태 조사하기

∘ 성취수준 해설: [12전자02-03] 편광판을 지나는 빛의 투과량 변화는 정성적으로 다룬다.

∘ 다루어지는 내용: 편광에 관한 내용과 실험

나. 지구시스템과학(진로선택과목), 단원: Ⅰ 지구 탄생과 생동하는 지구

∘ 지구시스템과학 교과서 ‘차례’(오필석 외)

∘ 성취수준: [12지시01-04] 암석의 순환 과정에서 화산 활동의 역할과 화산 활동으로 생성되는 암석의 특성을 추론할 수 있다.

∘ 탐구활동: 편광현미경으로 화산암과 심성암의 조직 비교⋅관찰하기

∘ 성취수준 해설: [12지시01-04] 마그마의 특성에 따라 순상화산과 성층화산으로 화산체의 형태를 분류하며, 분출되는 물질의 종류가 달라짐을 다룬다. 편광현미경을 이용한 화산암과 심성암 박편 관찰을 통해 화산암의 유리질, 반상조직과 심성암의 조립질을 비교⋅관찰하는 정도만 다루며, 광학적 성질에 대해서는 다루지 않는다.

∘ 다루어지는 내용: 편광현미경으로 암석 관찰

2. ‘편광’과 관련된 웹 https://www.polarization.com 소개

빛의 편광(Polarization) 현상을 소개하는 교육용 콘텐츠와 관련 전문 제품을 판매하는 유서 깊은 웹사이트입니다. 1999년부터 운영되어 왔으며, 크게 '교육 포털'과 '온라인 쇼핑몰'의 두 가지 역할을 하고 있습니다.

∘ 편광에 대한 교육적 콘텐츠: 자연 속의 편광, 역사 및 과학 이야기, 실험 및 응용

∘ 편광 필름 및 필터 판매, 운영 및 후원

3. 다양한 ‘편광’현상과 응용

가. 빛의 편광(Polarization) 현상

빛은 횡파이고 전기장의 진동이 우리눈에 들어 올 때 보통은 그림1의 [eqn: x`]축 및 [eqn: y`]축에서 무작위로 진동하는 다양한 빛이 들어온다. 이런 빛은 편광되지 않은 빛이라 하고 진동이 제한된 빛을 편광된 빛이라 한다

H

E

속도 v로 전파

A

y

x

z

공간의 임의의

점에서의 E, H

그림1 전자기파의 진동과 진행 방향

(1) 선형 편광 : 전기장(및 자기장)의 진동방향이 시간적으로 일정한 상태. 대부분의 경우, 우리가 말하는 선편광의 방향은 전기장의 방향을 말한다.(전기장의 크기와 부호는 시간에 따라 변하더라도 전기장의 진동 방향은 항상 일정함)

(2) 원형 편광 : 전기장(및 자기장)의 진동이 시간에 관해 원을 그리는 상태. 회전방향에 의해 우원 편광(시계 방향으로 회전)과 좌원 편광(반시계 방향으로 회전)이 있다.  운동량을 가진다.

(3) 타원편광 : 직선편광과 원편광의 일차 결합으로 표현된다. 가장 일반적인 편극상태로 전기장( 및 자기장)의 진동이 시간에 관해 타원을 그리는 상태. 우 타원 편광과 좌 타원 편광이 있다.

a. 선형 편광	b. 원형 편광	c. 타원 편광

그림2 전자기파의 진동과 진행 방향으로 본 편광

나. 여러 가지 편광 현상

(1) 말루스(Malus)의 법칙 : 두 편광판 사이의 편광방향이 [eqn: theta]만큼 틀어져 있는 경우, 편광되지 않은 빛이 한 편광판을 통과하면 원래의 빛의 에너지의 반이 된다. 2번째 편광판을 투과하기 전에 빛의 세기를 [eqn: I_0``]라 하면, 2번째 편광판을 투과한 빛의 세기 [eqn: I`]는 다음과 같게 된다.

그림3 말루스 법칙

[eqn: I = I_0 cos `^2 `θ ``]

➡ 우선 정성적으로 관찰해 보고, 각도기나 조도계가 있다면 정량적 탐구.

(2) 반사에 의한 편광 – 브루스터의 법칙 : 반사광선과 굴절광선이 90도를 이룰 때([eqn: theta_B `+ theta_r ``=``90˚``]), 편광방향이 입사평면에 대해 나란한 빛은 전혀 반사되지 않는 현상. 따라서 반사되는 빛은 편광방향이 입사평면에 대해 수직이다.
[eqn: theta_B`]는 브루스터각(이것을 편광각이라고도 함), [eqn: theta_r`]는 굴절각이다. 그러면 굴절률은 다음과 같다.

[eqn: theta_r`]

[eqn: theta_B`]

[eqn: theta_B`]

공기

유리

반사 광선

굴절 광선

입사 광선

그림4 부루스터 법칙

[eqn: n ``=`` {sin `theta_B} over {sin ``theta_r}``=`` {sin `theta_B} over {sin ``(90 `-` theta_B`)} ``=`` {sin `theta_B} over {cos ``theta_B} ``=`` tan ``theta_B ``]

➡ 1장의 편광판(편광필터)을 눈 앞에서 회전시키며 반사 된 빛을 관찰. 편광테이프를 붙인 것으로도 관찰.

정량적인 측정으로 빛의 파장마다 물질의 굴절률 측정도 할 수 있음.

편광 선글라스가 어떤 도움이 되는지 생각해 봅니다.

(3) 편광 축이 바뀌는 과정(벡터의 합성과 분해)

편광판을 수직으로 놓으면 빛이 차단되는데, 그 두 편광판 사이에 45°로 편광판을 삽입하면 3장이 겹친 부분은 빛이 투과되는 것을 볼 수 있다.

a. 두 편광판을 수직으로 놓은 경우 : 빛이 차단됨

편광되지 않은 빛	편광판을 지남	편광된 빛이 됨	수직 편광판 지남	빛이 차단됨
				∙

b. ,세 편광판을 45°씩 회전시켜 배열하여 놓은 경우 :  빛이 90°회전되어 나옴

편광 않된 빛	편광판	편광된 빛	편광판	편광된 빛	편광판	빛 90°회전

빛이 편광판의 편광축에 수직성분과 수평성분으로 벡터 분해 → 수평 성분이 지남

➡ 3장의 편광판(편광필터)이 있다면 관찰하고 이것을 설명.

(4) 편광을 만드는 광학소자로는 흡수형 편광자로는 ① 천연 광물(전기석 등) ② 인공적인 것(폴라로이드사의 폴리머로 만든 필름 등)이 있고, 결정(방해석 등)과 반사식 편광자가 있다.

(5) 산란에 의한 편광 : 편광 안된 빛이 공기 분자에 의해 산란되어 산란된 빛의 방향에 따라 선편광이나 일부 선편광이 섞여있는 부분편광된 것을 보여주고 있다. 여기서 공기 분자는 들어오는 빛의 전기장의 방향으로 쌍극자 진동을 하고 이에 따라 재복사되는 빛은 그 진동방향으로의 전기장의 성분을 가지게 된다.

➡ 편광 테이프를 붙인 1장의 편광판(편광필터)을 눈 앞에서 회전시키며 하늘의 여러 방향을 관찰

(6) 굴절과 복굴절 : 물질 속에서 빛이 전파될 때 빛의 전기장과 물질 속의 전자가 상호작용을 하게 된다. 한 지점에서의 빛의 전기장은 진동을 하므로 전자도 덩달아서 같은 진동수로 진동을 하여 이것이 새로운 전기장의 진동을 유발한다. 무수히 많은 원자, 분자의 전자가 내는 빛과 원래의 빛이 합성되어 물질 속에서는 새로운 속도, 새로운 진폭으로 빛이 전파되는 것이다. 따라서 물질 속을 진행하는 빛의 속도 등의 특성은 물질 속에 있는 전자의 결합상태에 따라 달라진다.

➡ 글자 위에 방해석을 놓고 편광자(편광필름, 편광판)을 눈 앞에서 회전시키며 관찰.

(7) 위상 지연 : 투명 테이프를 여러 방향으로 붙인 유리판을 편광판 사이에 넣으면 여러 가지 색을 관찰할 수 있다. 이러한 현상을 간섭색이라고 한다. 이것은 빛이 복굴절 되면서 파장에 따라 굴절이 일어나는 방법이 약간 다르기 때문에 나타나는 현상으로 빛의 간섭과는 다른 것이다.

➡ 직접 제작하고 관찰

(8) 광탄성 : 편광판 2장을 이용하면 투명체 내부의 변형을 직접 관찰할 수 있다. 플라스틱은 보통 상태에서는 분자 배열의 방향성을 볼 수 없다. 그러나 외부에서 힘이 가해져 내부에 변형이 생기면, 밖에서 본 형태는 바뀌지 않아도 내부 분자 배열에는 방향성이 나타나 광학적으로는 등방체가 되지 않고 복굴절성을 띠게 된다. 이 인공적 복굴절의 세기는 외력에 비례하며, 이것을 이용하면 반대로 복굴절의 세기를 측정해서외력을 알 수 있다.

➡ PC관 등에 힘을 가하며 직접 체험. 주요 건축, 토목, 장비의 부품의 제작이 사전 실험에 사용됨.

(9) 광활성 – 선광현상 : 광학이성질체는 선광성을 보인다. 실험에서는 편광면을 90°가 되도록 하여 위에서 보면 설탕용액을 통과한 부분이 약간 밝아졌다. 다음으로 위의 편광판을 살짝 오른쪽으로 돌리면 설탕용액을 통과한 부분이 아주 어두워진다. 설탕 용액을 통과한 편광면이 오른쪽 방향으로 비틀어졌다는 것을 알 수 있다. 설탕의 경우도 그렇지만 유기화합물의 중심 탄소원자가 4개의 다른 기를 가진 경우, 그 탄소원자를 비대칭탄소라 부른다. 비대칭탄소원자를 포함하는 화합물에는 구조식이 평면적으로는 같아도, 좌우거울상의 관계인 광학이성질체가 존재한다.

➡ 편광필름을 눈 앞에서 회전시키며, 해당 물질(물엿, 설탕물 등) 관찰

(4) 유도광학 효과

① 전기장, 자기장이 물질의 편광성질을 바꾸는 유도광학 효과는 물질에 전기장이나 자기장, 심지어 변형을 가하면 그 결정의 대칭성이 변경되어 복굴절을 띄지 않는 물질이 복굴절 물질로 되기도 하고, 활성을 띄지 않는 물질이 활성을 띄기도 한다. 전기장에 의해 결정의 광학적 성질이 변하는 것을 전기광학 효과(electro-optic effect)라 하고, 자기장에 의한 경우를 자기광학 효과(magneto-optic effect)라 한다. 또한 변형에 의해 광학적 성질이 변하는 경우를 광탄성(photo-elasticity)이라 한다.

② 패러데이 효과는 활성과 복굴절을 하지 않는 물질은 등방성의 결정이나 분자결합에 질서가 없는 비결정의 물질일 것이다. 이러한 물질에 자기장이 걸려 있을 때 그 자기장 방향으로 진행하는 빛이 활성을 띄게 되는 것을 1845년 패러데이(M. Faraday)가 발견하였다. 편광방향이 회전한 각([eqn: theta`])은 자기장의 세기([eqn: B`]), 물체의 두께([eqn: L`])에 비례하여 다음과 같은 관계식을 쓸 수 있다. [eqn: theta ``=`` V`B`L`]. 여기서 이 효과의 정도를 나타내는 비례계수 [eqn: V``]를 Verdet 상수라 한다.

③ 케르 효과는 등방성의 물질에 전기장을 걸어주면 그 전기장을 광축으로 하는 복굴절 물질이 된다. 그리고 정상광선과 비정상광선의 굴절률의 차이는 전기장의 제곱에 비례하는 현상이다.

④ 액정(liquid crystal)은 마치 길다란 여송연 담대 모양의 분자 결합상태를 하고 있고 이것이 놓인 방향에 질서가 있어 결정이라 하지만 한편으로 그 놓인 위치는 액체처럼 이동할 수 있다. 이것을 액정에서의 전기-광학 효과라 한다.

➡ 편광필름을 액정 화면 알체서 회전시키며 관찰

⑤ 자성체가 자화되면 광학활성을 띄게 되는 현상을 자기 케르 효과라 한다. 이를 이용한 광자기기록장치가 있다.

4. 몇 가지 다른 체험활동

가. 편광 명함(카드) 제작

(1) 편광 명함(카드) 제작

편광명함의 크기는 신용카드 size에 맞추어 ‘가로 55 mm × 세로 85 mm’로 편광필름을 자른다. 편광 필름 위에 ①, ②, ③, ④, ⑤, ⑥의 순서로 Polarizing Tape(OPP Tape)를 붙인다. 붙이는 면을 잘 선택하고, 붙이는 순서는 편광필름을 자른 방향에 따라 달라질 수 도 있다. 아래와 같은 명함을 라벨지로 만들어 붙일 수 있습니다. 편광필름은 앞뒤 보호 필름을 제거하고 시작합니다.

모모모학고 과학교사 홍길동         [앞면]

☎ 010-1234-1234 e-mail : 12345678@naver.com

편광필름, Polarizing Tape(에이원 원터치 클리어테이프)를 뒷면에 붙임, 활용 : 앞면과 뒷면으로 편광, 반사, 산란, 광탄성, 광활성, 복굴절 등의 다양한 편광 현상 관찰

[뒷면]     ○ [앞면]과  [뒷면]을 모두 사용할 수 있습니다.

주로 [앞면]을 이용하여 ① 핸드폰이나 PC 화면을, ② 반사광을, ③ 굴절광을, ④ 하늘(태양과 90° 방향)을, ⑤ 빔프로젝터에 투과시켜 스크린으로 보세요. 광활성, 광탄성도 도전! 더욱 다양한 것을 볼 수 있습니다.

아래 그림 위에 편광필름을 올려놓고 붙이면 좋다. 이 그림의 선은 22.5°, 45.0°, 90.0°의 각이 선택된 것이다. 더 다양한 각으로 여러 번 겹쳐 붙여도 보자!

④

③

②

①

⑤

⑥

모모모학고 과학교사 홍길동         [앞면]

☎ 010-1234-1234 e-mail : 12345678@naver.com

편광필름, Polarizing Tape(에이원 원터치 클리어테이프)를 뒷면에 붙임, 활용 : 앞면과 뒷면으로 편광, 반사, 산란, 광탄성, 광활성, 복굴절 등의 다양한 편광 현상 관찰

➡ OPP 테이프(폴리프로필렌 필름)와 편광의 조합은 과학 실험이나 디스플레이 분야에서 주로 활용됩니다. OPP필름 포장비닐을 선택하여 사용하는 방법도 있습니다. OPP 테이프는 ‘에이원 원터치 클리어테이프’등의 이름으로 판매되는 저렴한 것들이 있습니다.

(2) 확장 : 편광 아트

OPP 테이프나 포장용 필름을 이용하여 다체로운 색이나 색변화를 만들 수 있는 조형물이나 작품을 기획하여 제작하여 봅니다.

나. 편광 마술 장지 만들기

(1) PC관을 이용하는 방법

빛은 횡파이고 전기장의 진동이

(2) 하드보드지를 이용하는 방법

빛은 횡파이고 전기장의 진동이

다. 편광을 이용한 굴절률 측정

(1) 준비물 : 각이 그려진 종이, 종이로 만든 스크린, 편광필름, LASER 포인터(적, 녹), 굴절률을 측정하고자 하는 물체, 필기구, 계산기(휴대전화)

(2) 실험과정

※ 주의 : 레이저 광선(빛)이 사람의 눈을 향하지 않도록 유의한다. 물체는 정확히 선에 일치시키고, 레이저는 각도기의 중앙으로 입사와 반사가 정확히 이루어 지도록 노력합니다.

a.  각도가 그려진 종이를 실험대 위에 깔고, 물체의 평평한 면이 양쪽 90˚를 향하는 선에 나란히 놓는다.

반사 광선

입사 광선

물체

편광 필름

스크린

레이저

각이 그려진 종이

그림5 실험 방법

b. 실험을 하기 전에 실험실을 어둡게 한다.

c. 적색 레이저를 이용하여 입사각과 반사각을 45˚∼65˚의 범위에서 5˚간격으로 레이저와 스크린을 이동시키며 편광필름을 통하여 스크린에 빛이 완전히 사라지는 입사각을 구한다.

d. 좀 더 정확한 값을 찾기 위해 범위안의 각을 1˚∼2˚ 간격으로 더 조사한다.

e. 같은 방법으로 녹색 레이저로도 수행한다.

(3) 실험 결과 (조별 작성)

실험에서 사용한 적색과 녹색 레이저의 파장 ( 적색 :       nm , 녹색 :       nm )

스크린에 비친 적색 레이저의 상대적 밝기 :

(예 : 65˚ > 60˚, 50˚ < 45˚,  ∙ ∙ ∙  )

∴ 스크린에 비친 적색 레이저의 상대적 밝기가 최소가 되는 입사각 :

스크린에 비친 녹색 레이저의 상대적 밝기 :

(예 : 65˚ > 60˚, 50˚ < 45˚,  ∙ ∙ ∙  )

∴ 스크린에 비친 녹색 레이저의 상대적 밝기가 최소가 되는 입사각 :

(4) 결론 및 논의(개별 작성)

a. 실험에서 물체의 적색과 녹색레이저의 물질에 대한 굴절률은 각각 얼마인가?

- 신뢰할 만한 값으로 생각되는가? 그리고 오차가 있다면, 오차의 원인은 무엇인가?

b. 결과의 정확도를 높이기 위한 개선 방안에 대해 논의하시오.

(5) 정리

a. 기구를 잘 정리한다

b. 정리된 실험 기구들은 모두 원래 자리에 옮겨 놓고 보고서 작성을 완료한다.

c. 주변 쓰레기를 모두 치우고 의자를 밀어 넣는다.

라. 편광자(편광판, 편광필름)를 이용한 새로운 발견 (편광과 복굴절)

출처 : Physics, Fun, and Beyond

(1) 준비물 : • 편광 필터 2개 (사진 전문점에서 구할 수 있음, 일부 선글라스에도 편광 필터가 있음) • CD 케이스 덮개 또는 단단한 플라스틱 조각 • 레이저 포인터 • 투명 유리 • 투명 접착 테이프 2개 • 접어서 구긴 셀로판지 1장 • 일반 평면 거울 1개

(2) 편광된 빛 실험과정

편광판을 통해 CD 케이스에서 반사된 빛을 관찰해 보세요. (힌트: 모서리 부분을 특히 주의 깊게 보세요.) CD 케이스를 돌린 다음, 기울이거나 다른 각도에서 보세요.

무슨 일이 일어날까요? 이제 일반 거울을 사용하여 반사된 CD 케이스를 보세요. 뭔가 특별한 점이 보이나요? 거울 대신 반짝이는 검은색 플라스틱 조각을 사용해 보세요. 반사된 이미지와 반사된 물체를 비교해 보세요. 뭔가 이상한 점이 있나요? 눈앞에 있는 편광판을 돌리면서 파란 하늘과 무지개를 보세요. 벽이나 창문에 비친 반사상을 여러 위치에서 관찰하고 카메라에 편광판이 사용되는 이유를 알아보세요. 또한 일부 어부들이 물속에서 물고기를 더 잘 보기 위해 편광 필터가 달린 안경을 사용하는 이유도 알아보세요. 어두운 방에서 벽을 향해 있는 레이저 포인터의 레이저 끝에 편광판을 대고 편광판을 돌릴 때 벽에 닿는 레이저 빛이 어떻게 변하는지 관찰해 보세요. 정말 흥미롭고 신비로운 일들을 많이 목격할 수 있습니다.

그림6 편광판으로 CD케이스 관찰

(3) 한 단계 더 나아가기: 복굴절/겹굴절

광원 위에 두 개의 편광판을 놓고 그 안을 들여다보세요. 두 편광판 모두 어둡게 보일 때까지 하나를 돌립니다(교차 편광판). 그림과 같이 플라스틱(CD 케이스 윗면)을 두 편광판 사이에 놓고 플라스틱이 어떻게 변하는지 관찰합니다. 플라스틱을 기울이거나 돌려보면서 어떤 변화가 일어나는지 살펴보세요. 접고 구긴 셀로판지를 사용하여 앞의 실험을 반복합니다.

접착 테이프 한 조각을 늘린 후 유리판에 붙입니다. 다른 한 조각은 늘리지 않고 첫 번째 테이프 옆에 붙입니다. 이제 유리판을 두 개의 교차 편광판 사이에 놓고 두 조각을 비교해 보세요.

(4) 흥미로운 사실: 편광

빛은 횡파로 설명할 수 있습니다. 예를 들어, 늘어진 밧줄의 한쪽 끝을 고정하고 다른 쪽 끝을 위아래 또는 좌우로 움직여 횡파를 만들 수 있습니다(선형 편광). 또는 그림과 같이 시계 방향이나 반시계 방향으로 원을 그리며 움직여도 횡파가 생성됩니다(원형 편광).

이렇게 하면 생성되는 진동은 파동의 진행 방향에 수직입니다. 이것이 바로 횡파라는 이름입니다. 파동은 일반적으로 파장(길이)과 주파수로 특징지어집니다. 파장은 파동 전체의 단면을 촬영했을 때 공간에서 파동 패턴이 반복되는 빈도를 나타냅니다. 주파수는 파동의 경로를 따라 고정된 지점에서 파동이 시간에 따라 반복되는 빈도를 나타냅니다.

(5) 흥미로운 사실: 편광판

편광판은 진동을 걸러내는 필터 역할을 합니다.

평행한 두 개의 빗자루 손잡이를 가까이 놓으면 편광판을 흉내낼 수 있습니다. 먼저, 팽팽하게 당겨진 줄에 파동을 발생시킵니다(그림 참조). 그런 다음, 횡진동이 가장 큰 지점(배)에 빗자루 손잡이를 놓습니다. 줄이 움직이지 않는 지점(마디)에 손잡이를 놓으면 이 방법은 통하지 않습니다! 편광판은 특정 방향(편광판 축)으로 진행하는 진동만 통과시키고 나머지 진동은 차단합니다. 예를 들어, 원형 편광파는 편광판을 통과하면서 선형 편광파로 변환됩니다(그림7 참조).

그림7 편광되지 않은 경우(A)와 편경된 경우(B)의 비유

(6) 흥미로운 사실: 빛의 파동

빛은 진동하는 횡방향 전기장과 자기장으로 구성됩니다. 전기장은 대전된 입자를 가속시키고, 자기장은 움직이는 대전된 입자의 속도에 자기장에 수직인 성분이 있을 때 힘을 가합니다. 태양광과 일반 램프에서 나오는 빛은 진행 방향에 수직인 평면에서 모든 가능한 방향으로 진동하는 다양한 파장의 파동이 혼합된 것입니다(이때 빛은 비편광광입니다). 실제 편광판은 축에 평행한 성분만 통과시키고 다른 모든 성분을 제거합니다. 따라서 편광판은 선형 편광광을 생성합니다.

(6) 흥미로운 사실: 반사와 굴절에 의한 편광

빛이 표면에 부딪히면, 표면에서 반사되는 빛은 특히 입사각이 얕을 때 선형 편광된 빛을 생성합니다. 표면의 전하는 마치 작은 안테나처럼 작용합니다.

이 전하들은 입사하는 빛 파동의 진동하는 전기장의 방향에 따라 다르게 반응합니다. 진동이 표면에 평행하면, 표면의 전하는 표면을 따라 쉽게 앞뒤로 움직입니다. 이 경우, 작은 안테나는 매우 효율적으로 작동하여 수평 방향으로 선형 편광된 빛을 방출합니다. 그러나 수직으로 진동하는 전기장은 전하를 수직 방향으로 위아래로 밀어냅니다. 전하가 표면 밖으로 나갈 수 없기 때문에, 입사각이 얕을 때는 반응이 매우 약해집니다. 투명한 표면에서는 입사각이 특정 각도(소위 브루스터 각도) 이상이면 수직 편광된 빛의 방출이 완전히 차단됩니다. 반사에 의해 빛의 편광이 어떻게 발생하는지 살펴보는 또 다른 방법이 있습니다. 브루스터 각에서 투과(굴절)된 빛의 전기장은 반사파의 진행 방향을 따라 수직으로 진동합니다.

그림8 반사와 굴절에서의 편광

작은 안테나는 수직 편광을 가진 반사광선을 생성할 수 없습니다. 왜냐하면 그에 상응하는 전기장 진동이 파동의 진행 방향을 따라 발생하기 때문입니다.

입사광이 수직 및 수평 편광을 모두 가지고 있기 때문에 반사광은 수평 편광을 갖게 됩니다. 같은 메커니즘으로 무지개에서 편광된 빛이 생성됩니다(무지개를 모방한 물로 채워진 유리잔 그림 참조; 레이저 빔을 사용하여 무지개의 편광 효과를 조사할 수 있습니다. 유리잔에서 나오는 추가적인 광선에 주의하세요!). "하늘이 파란 이유는 무엇일까요?”는 파란 하늘에서 부분적으로 편광된 빛이 어떻게 생성되는지 보여줍니다. 따라서 선글라스와 사진기의 편광 필터는 표면에서 반사되는 빛의 대부분을 흡수하여 눈부심을 크게 줄일 수 있습니다.

(이를 달성하기 위해 편광판 축의 방향은 어떻게 되어야 할까요?) 브루스터 각으로 도로 표면에서 반사된 빛은 운전자에게 종종 성가시며, 멀리 있는 도로, 자동차 앞유리에 반사된 햇빛, 또는 덥고 화창한 날 수영장 표면을 보면 쉽게 확인할 수 있습니다.

레이저는 종종 브루스터 각을 이용하여 레이저 공동 양 끝단 근처에 위치한 거울면에서 반사된 빛을 선형 편광시킵니다.

브루스터 각이 빛의 구성 요소의 주파수에 따라 변한다는 점을 고려할 때, 편광판으로 CD 케이스를 보면 어떤 일이 일어나는지 이해할 수 있습니까?

거울은 편광된 빛을 만들어낼까요? (손전등으로 거울에 다양한 입사각으로 빛을 비추고, 반사된 빛을 편광판으로 확인해 보세요.)

(7) 무지개의 편광 효과 시뮬레이션

어두운 방에서 편광판(폴라로이드 용지)을 돌려 “무지개 광선”(유리에서 나오는 레이저 빔)이 편광되었는지 확인합니다. (흰 벽과 같은 “스크린”에 투사해야 합니다.) 점은 수직 편광(용지 평면에 수직)을 나타내고, 이중 화살표는 빛의 전기장의 수평 편광을 나타냅니다.

그림9 무지개의 편광

➡ 주의 : 사고를 방지하려면 반사광선과 첫 번째 굴절광선이 유리를 빠져나가는 지점에 불투명한 장애물을 놓으십시오.

(7) 흥미로운 사실: 복굴절 (이중 굴절)

복굴절은 물질이 빛의 수평 및 수직 편광에 대해 서로 다른 두 가지 굴절률을 나타낼 때 발생합니다. 물질에 가장 강하게 영향을 미치는 편광을 가진 빛은 굴절률이 더 높으므로 굴절률이 낮은 다른 편광을 가진 빛보다 느리게 진행합니다. 플라스틱에 응력이 가해지면 복굴절 현상이 나타납니다. 이는 두 개의 편광판(폴라로이드 시트)을 교차시켜 시연할 수 있습니다.

비편광된 빛이 첫 번째 편광판을 통과하면 편광판 축을 따라 선형 편광됩니다. 두 편광판의 축이 서로 수직이므로 두 번째 편광판에서는 빛이 나오지 않습니다. 교차하는 편광판 사이에 늘어난 플라스틱 조각을 놓으면 첫 번째 편광판을 통과한 편광된 빛이 두 개의 성분으로 분리됩니다. 하나는 "빠른 경로" 방향이고 다른 하나는 "느린 경로" 방향입니다. 이 두 파동 성분이 플라스틱을 빠져나갈 때, 선형 편광, 원형 편광 등 여러 가지 가능성이 있습니다. (실험 12, "소리의 그림", "소리 놀이: 음향학"에서 제안된 것처럼 레이저 포인터를 사용하여 두 개의 수직 진동의 결과를 시각화할 수 있습니다.) 따라서 빛의 여러 성분은 플라스틱의 늘어난 정도와 두께에 따라 두 번째 편광판에 의해 각기 다른 방식으로 "필터링"됩니다. 복굴절은 변형률과 관련이 있고 색상에 따라 달라지기 때문에 변형률이 다른 부분은 다른 색으로 나타납니다. 투명한 플라스틱 자를 구부리면 구부러진 부분에서 복굴절이 나타날까요? 자가 원래 상태로 돌아오면 어떻게 될까요? 엔지니어들은 이 방법을 사용하여 다리와 같은 구조물의 플라스틱 모형이 다양한 하중을 받을 때 발생하는 변형 분포를 파악합니다. 그렇다면 CD 케이스는 어떨까요? 단단한 플라스틱 조각들을 붙이거나 가열하면 복굴절 현상이 발생할까요?

5. 생활속의 편광

일상생활 속에서 편광(Polarization)은 빛의 특정 방향 진동을 차단하거나 통과시켜 눈부심을 줄이고, 선명도를 높이며, 디스플레이를 구동하는 등 다양한 곳에 핵심적으로 활용되고 있습니다. 대표적인 예시들은 다음과 같습니다.

가. 편광 선글라스 및 낚시용 고글

∙ 원리: 햇빛이 수면, 도로, 자동차 보닛 등 평평한 표면에 반사될 때, 빛은 주로 수평 방향으로 진동하는 편광이 됩니다. 이 반사광이 눈에 들어오면 강한 눈부심(글레어)을 유발합니다.

∙ 활용: 편광 선글라스는 수직 방향의 편광 필터를 사용해 이 수평 반사광을 차단합니다. 덕분에 수면 아래가 선명하게 보여 낚시꾼들에게 필수적이며, 운전 중 도로의 반사광을 줄여 시야를 안전하게 확보해 줍니다.

나. LCD (액정 디스플레이) 화면

∙ 원리: 스마트폰, 모니터, TV 등에 쓰이는 LCD 패널은 액정의 성질과 편광 필터를 조합해 화면을 만듭니다. 액정 레이어 앞뒤로 서로 직교하는(90도 뒤틀린) 두 장의 편광 필터가 붙어 있습니다.

∙ 활용: 액정에 전압을 걸어 빛의 진동 방향을 바꾸면, 빛이 바깥쪽 편광 필터를 통과하거나 차단되면서 화면의 밝고 어두운 픽셀(색상)을 표현하게 됩니다.

※ 참고: 편광 선글라스를 끼고 특정 각도로 스마트폰 화면을 보면 화면이 새까맣게 보이는 현상이 일어나는 이유가 바로 이 때문입니다.

다. 3D 입체 영화관 (극장용 3D 안경)

∙ 원리: 인간의 눈은 두 눈이 보는 각도 차이(원근감)를 통해 입체를 인식합니다. 극장 스크린은 왼쪽 눈용 영상과 오른쪽 눈용 영상을 서로 다른 방향으로 편광된 빛으로 동시에 영사합니다.

∙ 활용: 관객이 쓰는 3D 안경의 왼쪽과 오른쪽 알에는 서로 다른 편광 필터가 들어있습니다. 왼쪽 안경알은 왼쪽 영상만, 오른쪽 안경알은 오른쪽 영상만 통과시켜 대뇌에서 두 영상을 합쳐 입체로 느끼게 만듭니다. (최근에는 고개를 돌려도 왜곡이 적은 '원편광' 방식이 주로 사용됩니다.)

라. 카메라 편광 필터 (PL / CPL 필터)

∙ 원리: 야외 촬영 시 대기 중의 수증기나 유리창, 나뭇잎 등에 반사된 잡광이 사진을 흐리게 만들 수 있습니다.

∙ 활용: 카메라 렌즈 앞에 편광 필터를 장착하고 돌려가며 촬영하면, 불필요한 반사광을 제거할 수 있습니다. 이를 통해 유리창 너머의 풍경을 반사 없이 깨끗하게 촬영하거나, 하늘의 파란색을 더 짙고 선명하게, 나뭇잎의 색상을 더 생생하게 담아낼 수 있습니다.

마. 자동차 헤드라이트 및 앞유리 (눈부심 방지)

∙ 원리: 야간 운전 시 맞은편 차량의 헤드라이트 불빛은 운전자의 시야를 방해하는 큰 요인입니다.

∙ 활용: 헤드라이트의 유리와 운전석 앞유리에 특정 각도의 편광 필터를 적용하면, 맞은편 차량에서 오는 강렬한 직사광의 세기를 줄여주어 야간 운전 시 눈부심을 현저히 감소시킬 수 있습니다.

6. 생활속의 편광

일상적인 활용을 넘어, 첨단 과학 및 산업 영역에서 편광(Polarization)은 눈에 보이지 않는 미세한 구조를 관찰하고, 우주의 비밀을 풀며, 차세대 정보 통신을 이끄는 핵심 도구로 사용됩니다.

물질의 구조, 상태, 혹은 빛과 물질의 상호작용을 정밀하게 측정할 수 있는 편광의 첨단 활용 분야들을 다음과 같습니다.

가. 우주물리학: 블랙홀 관측과 우주 마이크로파 배경放射 (CMB)

우주에서 날아오는 빛의 편광 상태를 분석하면 빛이 통과해 온 공간의 자기장 구조와 물질의 분포를 역추적할 수 있습니다.

∙ 블랙홀 주변 자기장 매핑: 사건의 지평선 망원경(EHT) 연구진은 블랙홀 주변에서 분출되는 제트와 물질 원반을 촬영할 때 편광 관측을 활용합니다. 이를 통해 블랙홀 가장자리의 강력한 자기장 선들이 어떻게 정렬되어 있는지 시각화하고, 블랙홀이 물질을 흡수하고 에너지를 방출하는 메커니즘을 밝혀냅니다.

∙ 우주 초기 상태 연구: 우주 생성 초기의 흔적인 '우주 마이크로파 배경(CMB)'의 미세한 편광 패턴(B-mode 패턴 등)을 분석하여, 대폭발(빅뱅) 직후 우주가 급격히 팽창했던 '인플레이션 시기'의 원시 중력파 흔적을 추적하고 있습니다.

나. 생명과학 및 의학: 편광 현미경과 생체 조직 진단

생체 내부의 분자들은 비대칭적인 구조를 가진 경우가 많아, 빛을 투과시켰을 때 편광 방향을 바꾸는 광학 활성(Optical Activity)이나 복굴절(Birefringence) 특성을 나타냅니다.

∙ 암 및 섬유화 진단: 암세포가 증식하거나 조직이 섬유화되면 세포 주변의 콜라겐 구조가 변형됩니다. 생체 조직에 편광을 쬐어 반사되거나 투과되는 편광 변형을 분석(편광 산란 측정)하면, 조직을 직접 떼어내 염색하지 않고도 초기 암 조직의 미세한 변화를 실시간으로 진단할 수 있습니다.

∙ 미세 구조 관찰 (편광 현미경): 아밀로이드 플라크(알츠하이머 원인 물질), 세포막의 지질 구조, 골격근의 미세 섬유 등 일반 현미경으로는 구분하기 힘든 생체 내 이방성(방향에 따라 성질이 달라지는 특성) 구조를 명확한 명암과 색상으로 관찰합니다.

다. 나노 기술 및 재료 공학: 타원 계측기 (Ellipsometry)

반도체나 디스플레이 공정에서는 원자 몇 개 두께의 초박막을 균일하게 쌓는 것이 필수적입니다. 이때 박막의 두께와 굴절률을 분자 수준에서 측정하는 장비가 바로 타원 계측기입니다.

∙ 원리: 선형 편광된 빛을 시료 표면에 비스듬히 입사시키면, 표면막의 두께와 성질에 따라 반사된 빛이 일종의 타원 형태로 진동하는 '타원 편광'으로 바뀝니다.

∙ 활용: 반사되어 나오는 타원 편광의 위상 변화와 진폭 감소 비율을 정밀 분석하여, 수 나노미터(nm) 이하 두께를 가진 반도체 웨이퍼 박막의 두께와 광학적 특성을 파괴하지 않고 실시간으로 측정합니다.

라. 광학 및 차세대 통신: 광섬유 통신과 양자 암호 키 분배 (QKD)

빛을 이용해 정보를 전송할 때, 편광은 정보의 양을 늘리거나 보안을 극대화하는 훌륭한 매개체가 됩니다.

∙ 편광 분할 다중화 (PDM): 하나의 광섬유 케이블 안에 수평 편광된 빛과 수직 편광된 빛에 각각 서로 다른 신호를 실어 동시에 보냅니다. 두 빛은 같은 주파수라도 서로 간섭하지 않기 때문에, 물리적인 회선을 증설하지 않고도 통신 데이터 전송 용량을 2배로 늘릴 수 있습니다.

∙ 양자 암호 통신: 단일 광자(빛의 최소 단위)의 편광 상태(예: 0도, 45도, 90도, 135도)를 하나의 비트 정보(0 또는 1)로 변환하여 암호 키를 생성합니다. 양자역학의 중첩 원리 덕분에, 중간에 도청자가 편광을 측정하려는 순간 편광 상태가 무작위로 깨지므로 해킹이 절대 불가능한 완벽한 보안 통신을 구현합니다.

마. 재료 역학: 광탄성 실험 (Photoelasticity)

건축 구조물, 비행기 날개, 자동차 부품 등을 설계할 때 어느 부위에 스트레스(응력)가 집중되는지 시각적으로 확인하기 위해 편광을 사용합니다.

∙ 원리: 투명한 에폭시나 플라스틱 수지는 힘을 받으면 내부 분자 구조가 왜곡되면서 방향에 따라 굴절률이 달라지는 '응력 유도 복굴절' 현상이 일어납니다.

∙ 활용: 부품의 투명 모형에 힘을 가한 상태에서 양쪽에 편광 필터를 대고 빛을 비추면, 응력이 집중된 곳을 따라 아름다운 무지개색의 간섭무늬(등색선)가 나타납니다. 이 무늬의 밀도와 형태를 분석하여 구조물의 취약 부위를 찾아내고 설계를 보완합니다.

Ⅲ. 맺는 글

빛의 편광을 이해하는 것은 빛의 신비에 한 걸음 더 다가가는 일입니다. 일상생활과 첨단, 우리주변의 생물과 자연에서 다양한 편광 현상을 볼 수 있습니다. 이 시간에는 주어진 시간에서 교육과정에 나온 편광과 몇 가지 내용과 체험을 통하여 편광을 알아 보았습니다. 반복된 경험과 생각은 분명히 보다 과학적 사실에 더 다가갈 수 있는 길이라 의미있는 시간일 것으로 생각됩니다.

※ 참고문헌

가. Eduardo de Campos Valadares, Physics, Fun, and Beyond, pp.176-182, Prentice Hall, 2006

나. http://www.polarization.com

다. Google 검색 및 번역