안녕하세요? 반갑습니다. 프로페서 B입니다.
바다에 쏟아진 태양빛은 다양한 현상으로 나타납니다. 일부는 바다 표면을 맞고 반사되어 반짝이며 빛나는 해변의 모습을 보여줍니다. 일부의 빛은 바닷속으로 흡수되어 표면의 온도를 높이죠. 또 빛의 일부는 물속을 통과해 바닷속을 환하게 비춰줍니다. 바닷물에 일렁이는 빛을 보고 있노라면 태양으로부터 직선으로 내려오는 빛이 참 다양한 모습으로 변화한다는 사실을 깨닫습니다.
지난 시간에는 첫 번째 빛의 특성인 반사에 대해 알아보았습니다. 오늘은 반사 이외에 다양한 빛의 특성들에 대해 이야기해 보겠습니다.
빛의 흡수 (Absorption)
반사되지 않는 표면에 떨어지는 빛은 흡수되거나 투과됩니다. 투명하지 않은 표면에 떨어진 빛 중에 반사되지 않은 빛은 표면에 흔들리며 흩어집니다. 이는 결국 다른 형태의 에너지로 변환되어 물체에 열을 가합니다. 표면에 흡수되는 빛의 비율은 빛의 입사 각도에 따라 달라집니다. 그리고 물체의 표면이 가지는 성질에 따라 흡수하고 반사시키는 빛의 파장이 달라집니다. 예를 들어 빨간색 표면은 빨간색 빛을 반사하지만 다른 색의 대부분을 흡수하기 때문에 우리 눈에 빨간색으로 보이는 것이지요.
빛의 투과 (Transmission)
Absorption
빛이 떨어지는 재료가 투명성을 가지고 있다면 빛의 일부는 그 재료를 통과합니다. 이것을 빛의 투과라고 합니다. 우리가 유리창처럼 투명한 물체의 반대편을 볼 수 있는 것은 빛의 투과 때문이지요. 맑은 물, 투명한 유리와 같은 물질은 받은 거의 모든 빛을 투과시킵니다. 반대로 종이 한 장과 같이 얇은 필터로 다른 빛들은 흡수하고 파장의 아주 작은 부분만이 투과되도록 만들 수도 있습니다. 이 효과를 기반으로 만들어진 필터를 색상 흡수 필터라고 합니다.
조명갓의 재료의 투과율에 따라 다양한 빛의 형태가 만들어집니다.
빛이 물체를 투과할 때, 들어오는 빛 즉 입사광에 대비해 투과된 빛의 비율을 투과율이라고 합니다. 조명갓의 경우 갓을 구성하는 재료의 투과율에 따라 각기 다른 빛의 형태가 만들어집니다. 또한 빛의 파장에 따라 투과하는 빛이 다르게 나타날 수도 있습니다. 빨간색 투명 재료는 스펙트럼의 빨간색 부분만 투과시키고 나머지 부분은 흡수합니다.
빛의 굴절 (Refraction)
한 광선이 한 매질에서 다른 밀도의 다른 매질로 전달되는 경우, 두 매질이 접한 면에서 빛은 휘어지는 현상을 보입니다. 이 현상을 굴절이라고 합니다. 빛이 통과할 때 빛의 속도의 변화에 따른 매체의 굴절 특성은 ‘굴절 지수(n)’로 표현됩니다. 이 굴절률은 빛의 파장에 따라서 다르게 나타납니다. 예를 들면 입사광의 짧은 파장(예: 청색광)이 긴 파장(예: 적색광)보다 많이 굴절됩니다. 이렇게 각 빛의 파장에 따라 다른 굴절률을 갖음으로 인해 발생하는 현상이 프리즘을 통해 볼 수 있는 무지개입니다. 파장마다 각기 다르게 꺾인 빛이 넓게 펼쳐지면서 나타나는 현상이죠.
또한 굴절은 반사와 마찬가지로 그 각도를 정확하게 계산하는 것이 가능합니다.
이러한 현상은 빛의 형태를 만들고 원하는 곳으로 빛을 보내기 위해 사용되는 렌즈와 거울 등을 설계하는데 중요한 요소가 됩니다.
빛의 간섭 (Interference)
빛은 또 다른 흥미로운 특성은 바로 간섭입니다. 빛의 간섭은 비누거품이나 CD의 표면 위에 있는 화려한 색의 패턴을 통해 접할 수 있습니다.
간섭이란 둘 이상의 파동이 만났을 때, 중첩의 원리에 따라 파장이 더해지면서 나타나는 현상입니다. 위상이 같은 파동이 겹치면 그 세기가 더 강해지는 보강 간섭이 나타나며, 위상이 반대일 경우 파동이 줄어들거나 심지어 소멸되는 상쇄 간섭이 나타납니다. (소멸은 파장의 ¼두께의 층에 의한 간섭에서 나타납니다.) 그리고 우리 눈에는 보강 간섭으로 인해 강해진 빛이 주로 보이게 되는 것이죠.
빛의 간섭은 주로 얇은 막으로 인해 직접 반사되는 빛과 투과되어 반사되는 빛이 중첩되며 발생합니다. 비눗방울이 가장 대표적인 예이지요. 비눗방울의 화려한 색은 비눗방울의 얇은 막은 표면에서 직접 반사되는 빛과, 얇은 막을 투과해 반사되는 빛이 만나 간섭을 일으키면서 만들어지는 현상입니다.
빛의 간섭은 주로 표면에 얇은 코팅을 하는 방식으로 사용됩니다. 이러한 코팅은 비추는 빛과 반사된 빛을 다른 파장으로 만듭니다. 위조지폐 방지 등을 위해 많이 사용되는 홀로그램(광학적 가변 디스플레이) 역시 각도에 따라 보이는 빛의 간섭을 이용한 기술입니다. 또한 TV나 스마트폰에 사용되는 디스플레이의 반사 방지 유리 역시 빛의 간섭을 활용한 기술이 사용됩니다. 이러한 유리는 가시 범위 내에 파장을 가진 빛은 투과되지만, 표면에서는 반사가 일어나지 않도록 도와줍니다.
또한 간섭 감지 기능은 고품질 컬러 필터를 생성하는 데도 사용됩니다. 이러한 필터는 일반 흡수성 컬러 필터보다 정확하고, 유리에 광 흡수가 일어나지 않기 때문에 열이 발생하는 것을 최소화할 수 있습니다. 이는 적외선과 같은 열은 분해하고, 눈에 보이는 가시광선은 투과시키는 기술의 기초가 됩니다. COOL BEAM 할로겐램프와 저압 나트륨램프에 이러한 기술이 사용됩니다.
지난 시간부터 이번 시간까지 두 강의에 걸쳐 빛의 반사에서부터 흡수와 투과, 굴절, 산란과 간섭에 이르기까지 빛의 다양한 특성에 대해 알아보았습니다. 그 특성들을 모아본다면 다음의 그림처럼 정리할 수 있겠습니다.
이제 빛이 어떠한 특성들을 가지고 있는지 대략 감이 잡히셨나요? 다음 시간부터는 이런 빛을 표현하는 다양한 단위와 측정방법에 대해 이야기하도록 하겠습니다. 그럼 다음 시간에 뵙겠습니다.