선글라스에 숨은 과학

햇볕이 강하게 내리쬐는 낮에는 검은색 선글라스를 쓰고 다니는 사람을 많이 볼 수 있다. 검은색 선글라스를 쓰면 눈부심이 좀 덜하다. 이는 선글라스가 검기 때문에 효과적인 것일까? 아니면 햇빛에 의한 눈부심을 효과적으로 줄일 수 있는 다른 과학이 숨어있는 것일까? 먼저 햇빛의 특징을 알아보고 선글라스에 숨어 있는 과학에 대해 알아보자.

빛 존재에 대한 탐구
빛은 입자일까? 파동일까? 빛의 성질에 대한 논쟁은 아주 오래 전부터 있어 왔다. 18세기 뉴턴의 입자설과 호이겐스의 파동설에 대한 각각의 주장도 그 중 하나다. 오랜 논쟁에 종지부를 찍은 것은 1803년 토마스 영의 이중슬릿을 이용한 간섭실험이다. 이 실험에서 영은 두 슬릿을 통과한 위상이 같은 빛이 중첩해 만들어낸 간섭무늬를 통해 빛이 파동적 성질을 갖고 있음을 증명했다. 엄밀히 말하자면, 당시로서는 빛이 입자가 아닌 파동임을 증명한 것이다. 그러다 1887년에 빛이 파동이라고 믿던 과학자들에게 커다란 숙제가 하나 생겼다. 바로 광전효과(photoelectric effect)가 등장했다. 광전효과는 1887년 독일의 헤르츠가 우연히 발견했다. 광전효과를 조사하면서 빛이 파동인 경우 설명하기 힘든 현상들이 나타났다.

수많은 과학자들이 20년 가까이 해결하지 못하던 이 문제를 마침내 1905년 아인슈타인이 풀었다. 아인슈타인은 빛이 광량자(광자)라는 입자의 연속적인 흐름이라는 광량자설을 발표해 1921년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 톰슨과 데이비슨 등에 의해 빛의 입자설이 실험으로 증명됐다. 결국 빛은 파동적 성질과 함께 입자적 성질을 갖는다는 것이 밝혀졌다.

[그림 1]주로 여름철에 착용하는 선글라스

[스마트폰으로 QR코드를 읽으면 편광필름을 이용한 간단한 실험을 동영상으로 볼 수 있다.]

편광필름의 마술
빛이 파동의 성질을 갖고 있다면 진동방향과 진행방향이 수직한 횡파일까? 나란한 종파일까? 이를 알기 위해서는 간단한 방법이 있다. 바로 편광필름을 이용하면 된다. 모든 방향으로 진동하는 자연광은 얇은 편광필름에 의해 결정축 방향으로 진동하는 빛만이 통과된다. 이처럼 특정 방향으로 진동하는 빛만 통과시키는 편광필름과 같은 것을 편광판이라 한다. 하나의 편광판을 통과한 빛은 어느 특정한 방향으로
만 진동하는 빛이 된다. 이를 편광이라 한다.
 

[<그림 2> 눈에 보이지 않는 전자기파동을 밧줄로, 편광판의 역할을 나무 창살로 비유해 편광이 일어나는 현상을 표현한 그림이다.]

빛은 360° 모든 방향으로 동시에 진동하며 진행하는 횡파이며 전자가 진동해 만들어내는 전자기파다. 그리고 전기장과 자기장의 주기적인 진동에 의한 파동이다. 전기장의 진동방향이 편광의 진동방향이 된다. 우리가 흔히 사용하는 백열등, 형광등 및 아크등의 빛은 편광이 아니다. 왜냐하면 빛을 만들어내는 전하가 일정한 방향으로만 진동하지 않고, 각각의 방향으로 진동하기 때문이다. 하지만 편광필름과 같은 편광판을 지나면 편광판의 방향과 같은 방향으로 진동하는 빛만 통과한다. 그 빛이 바로 ‘편광’이다. 태양에서 오는 자연광도 물론 편광이 아니다. 모든 방향의 전기장이 거의 균일하게 포함돼 한쪽으로 치우치지 않은 빛(unpolarized light)이다. 편광만 통과시키는 필터 역할을 하는 편광필름 두 개를 겹쳐두고 하나를 회전시켜보면, 비편광의 경우에는 편광필름을 통과한 빛의 밝기에 아무런 변화가 없지만 편광의 경우에는 빛의 밝기가 변한다. 당연한 얘기지만 빛이 횡파가 아닌 종파라면 두 편광필름의 방향에 관계없이 일정한 밝기를 보일 것이다.

주변의 모든 면에서 반사된 빛은 편광이다. 바닥면, 벽면, 유리창의 면 등 모든 면에서 반사된 빛은 그 면에 나란한 진동방향만 반사된 편광이다.

 

 

편광 선글라스의 원리
햇볕이 강하게 내리쬐는 낮에는 검은색 선글라스를 쓰고 다니는 사람을 많이 볼 수 있다. 선글라스를 쓰면 어떤 점이 편리할까? 선글라스는 외적으로 멋을 내는 용도로도 쓰이지만, 빛과 관련된 여러 가지 기능을 갖추고 있는 과학의 산물이다. 선글라스는 우선 햇빛 속에 들어 있는 자외선을 차단한다. 또한 강렬한 빛으로부터 눈을 보호할 뿐 아니라 특정한 진동수의 빛을 제거하기도 한다.

선글라스는 렌즈에 편광필터를 덮어서 만든다. 편광필터를 만드는 가장 일반적인 방법은 투명한 플라스틱이나 유리표면에 화학적 필름(막)을 덮는 것이다. 여기에 사용되는 화학적 합성물은 자연적으로 평행하게 정렬하는 분자들로 이뤄져 있다. 렌즈에 균질하게 도포하면 이 분자들이 미세한 필터를 형성해서 정렬방식에 맞지 않는 모든 빛을 차단해준다.
 

[<그림 3> 선글라스를 고를 때는 코팅이 잘 됐는지, 렌즈에 균열이 없는지 꼼꼼히 살펴봐야 한다.]

선글라스에 채택되는 편광렌즈는 수직방향으로 편광된 빛만이 통과할 수 있도록 그 각도가 고정돼 있다. 따라서 편광 선글라스를 쓰면 빛이 수평으로 반사되는 호수 표면이나 자동차 후드, 아스팔트 등을 큰 불편 없이 볼 수 있다. 그러나 선글라스를 쓴 채 고개를 오른쪽이나 왼쪽으로 돌리면 표면의 밝기가 달라진다. 예를 들어 수직한 건물 외벽에서 반사되는 빛은 선글라스를 통과해 그대로 들어온다.

또 일반적인 안경이나 선글라스의 뒷면에서 일어나는 반사, 즉 ‘배면광’이 있다. 빛이 렌즈의 뒷면에 부딪혀서 눈에 들어오는 현상이다. 이를 막기 위해 ‘Anti-Reflective(AR)’ 반사차단 코팅을 한다. 이 AR 코팅은 흠집 방지 코팅처럼 아주 단단하고 얇은 필름을 렌즈에 붙인 것이다. 이 필름은 굴절률이 공기와 유리의 중간 정도의 물질로 돼 있다. 이로 인해 렌즈의 안쪽 면에서 반사된 빛의 세기는 바깥쪽면에서 반사된 빛의 세기와 거의 같지만 상이 바뀌기 때문에 서로 상쇄된다. 빛의 파장의 약 1/4 정도 두께라면 AR 필름에 입사한 두 반사광은 상쇄 간섭을 일으켜 우리가 보는 눈부심을 최소화시킨다.

3D 입체안경 만들어볼까
편광 선글라스의 원리를 이용해 입체 영화를 볼 수도 있다. 바로 선글라스의 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 서로 수직한 방향으로 편광필름을 끼운 선글라스를 착용하고 3D 입체영화를 보는 것이다. 3D 입체영상을 보는 입체안경의 제작에는 여러 가지 방식이 사용되고 있지만, 가장 일반적인 방식은 편광판을 이용하는 것이다. 실제로 간단한 구조의 편광 입체안경은 오른쪽과 왼쪽의 편광판의 축이 서로 90°를 이룬다.

서로 교차된 편광판의 조합에 의한 빛의 차단 효과를 이용해 왼쪽과 오른쪽 눈의 화상을 분리한다. 먼저 화면장치에서 오른쪽과 왼쪽 눈에 맞는 영상을 동시에 서로 다른 각도의 편광으로 만들어 쏘아준다. 그러면 편광 안경을 통해 한쪽 눈으로 반대쪽의 영상이 못 들어가도록 막는다. 보는 사람은 오른쪽 눈과 왼쪽 눈으로 차이가 나는 영상을 보고, 뇌는 영상을 입체적으로 지각한다. 최근에는 가정용 입체영상 TV가 많이 보급되고 있다. 아직까지 입체안경의 가격은 많이 비싼 편이다. 안경 모양 종이에 편광필름을 붙여서 간단하게 입체안경을 만들 수 있다.
 

[그림 4] 편광을 이용한 입체안경

 

글 : 이세연 * 과학동아