기초 지식
편광이란? 빛의 진동 방향과 광학 설계에서의 의미
편광이란 전자파인 빛의 전기장이 특정 방향으로 치우쳐 진동하는 상태를 가리키는 물리 현상입니다. 액정 디스플레이의 표시 원리, 카메라용 편광 필터에 의한 반사광 제거, 편광 방식 3D 안경의 입체시 등 일상에서 접하는 광학기기 대부분은 편광 제어를 전제로 설계되어 있습니다. 한편 이방성이 있는 재료에 편광된 빛이 입사하면 복굴절이 발생하여, 제어되어 있던 편광 상태가 흐트러지면서 상의 번짐이나 간섭무늬와 같은 문제를 초래합니다. 이 글에서는 편광의 물리적 정의부터 직선편광・원편광・타원편광의 분류, 편광자와 검광자의 원리, 광학기기에서의 실무적 활용, 복굴절과의 관계까지 정리합니다.
📌 3줄 요약
- 편광이란 빛(전자파)의 전기장 진동 방향이 특정 방향으로 치우친 상태이며, 진동 궤적에 따라 직선편광・원편광・타원편광으로 분류
- 편광자와 검광자를 조합하면 투과광 강도를 말뤼스 법칙 I = I₀cos²θ 에 따라 각도 θ로 제어 가능하며, 액정 디스플레이와 PL 필터의 동작 원리도 이를 기반으로 함
- 복굴절이 있는 광학부품을 편광이 투과하면 위상차가 발생하여 편광 상태가 흐트러짐. 저복굴절 설계는 편광을 이용하는 광학계의 상 품질을 좌우함
편광이란? 빛의 진동 방향이라는 물리적 정의
빛은 진행 방향에 대해 수직인 평면 내에서 전기장(및 자기장)이 진동하면서 전파되는 전자파입니다. 자연광원에서 방출되는 빛은 무수한 원자・분자에서 무질서하게 발생하므로, 전기장의 진동 방향이 특정 방향으로 치우치지 않고 모든 방향에 동일한 확률로 분포합니다. 이 상태를 무편광(자연광)이라고 합니다. 이에 반해 전기장의 진동 방향이 특정 방향으로 치우친 빛을 편광이라고 합니다 (optics-words 편광이란).
진행 방향을 z축으로 했을 때, 전기장의 x성분・y성분은 각각 Ex = Ex₀cos(kz − ωt), Ey = Ey₀cos(kz − ωt + δ)로 나타낼 수 있습니다. 여기서 δ 는 두 성분의 위상차입니다. 이 위상차 δ와 진폭비 Ex₀／Ey₀ 의 조합에 따라 전기장 벡터 끝이 그리는 궤적(편광 상태)이 결정됩니다 (techno-synergy 편광이란).
편광의 종류 직선편광・원편광・타원편광
편광은 전기장 벡터 끝이 그리는 궤적의 형태에 따라 3가지로 분류됩니다.
위상차 δ 가 0 또는 π의 정수배일 때, x성분과 y성분의 진동은 동위상 또는 역위상이 되어 전기장 벡터가 하나의 직선 위를 왕복합니다. 이것이 직선편광입니다. 진동면의 기울기각 θ는 tanθ = Ey₀／Ex₀ 로 구할 수 있습니다.
위상차가 δ = ±π/2 + 2mπ (m은 정수)이고 진폭이 Ex₀ = Ey₀ 일 때, 전기장 벡터의 끝은 진행 방향에서 볼 때 원을 그립니다. 이것이 원편광이며, 회전 방향에 따라 우회전 원편광・좌회전 원편광으로 구분됩니다.
위 2가지는 모두 특수한 경우이며, 위상차・진폭비가 임의인 일반적인 조건에서는 전기장 벡터의 끝이 타원을 그립니다. 이것이 타원편광이며, 직선편광・원편광은 그 특수한 형태로 포함됩니다 (katsura-opto 원편광과 직선편광,optics-words 편광이란). 1/4파장판이나 1/2파장판은 복굴절 재료를 이용하여 2개의 편광 성분에 인위적인 위상차를 부여함으로써, 직선편광을 원편광으로, 또는 편광면을 회전시킨 직선편광으로 변환하는 광학소자입니다 (fiberlabs 파장판의 원리).
편광자・검광자의 원리와 말뤼스 법칙
무편광이나 임의의 편광 상태인 빛에서 특정 방향의 직선편광만을 추출하는 광학소자를 편광자라고 합니다. 투과된 직선편광의 진동 방향을 분석할 목적으로 사용하는 경우에는 동일한 소자를 검광자라고 합니다 (ipros 빛의 편광).
편광자를 투과한 직선편광을 투과축이 각도 θ만큼 기울어진 검광자에 입사시키면, 투과 후 광강도 I는 입사광 강도 I₀에 대해
I = I₀cos²θ
로 나타납니다. 이것이 말뤼스 법칙입니다 (일본 쓰리비 사이언티픽 말뤼스 법칙). θ = 0° (투과축이 평행)에서는 I = I₀ 가 되어 빛이 그대로 투과되고, θ = 90° (투과축이 직교)에서는 I = 0 이 되어 빛이 차단됩니다. 액정 디스플레이의 명암 제어, PL 필터의 효과 조절은 모두 이 각도 의존성을 이용한 것입니다.
일상 속 광학기기에서의 편광 활용
액정 디스플레이
액정 패널은 투과축을 직교시킨 2장의 편광판 사이에 액정층을 끼운 구조를 기본으로 합니다. 전압이 인가되지 않은 상태에서는 비틀린 액정 분자가 편광면을 90° 회전시키므로 빛이 반대쪽 편광판을 투과하고, 전압이 인가되면 액정 분자가 배향되어 편광면의 회전이 사라지므로 빛이 차단됩니다. 이러한 투과・차단 전환에 의해 화소의 명암을 제어합니다 (샤프 액정 디스플레이의 원리,도쿄이과대학 후루에 연구실 TN셀과 편광).
카메라용 편광 필터 (PL 필터)
수면이나 글라스 면에서의 반사광은 입사각이 브루스터각에 가까워질수록 편광의 정도가 강해지는 성질을 가집니다 (optics-words 브루스터각). PL 필터는 내부 편광막의 투과축을 회전할 수 있는 구조로 되어 있으며, 이 축을 반사광의 진동 방향과 직교시킴으로써 반사 성분을 선택적으로 감쇠시켜 수면 아래의 피사체나 하늘의 색을 선명하게 촬영할 수 있습니다 (Canon PL 필터).
편광 방식 3D 안경
편광 방식 3D 영상은 좌안용・우안용 영상을 각각 다른 편광 상태로 투영하고, 이에 대응하는 편광 필터를 갖춘 안경으로 분리하여 보여주는 기술입니다. 현재 주류는 원편광 방식으로, 우회전 원편광과 좌회전 원편광을 좌우 눈에 나누어 배분합니다. 원편광은 고개를 기울여도 회전 방향이 변하지 않으므로, 직선편광 방식에 비해 시청 자세의 자유도가 높다는 특장점이 있습니다 (AV Watch 편광 방식의 3D 입체시).
복굴절과의 관계 편광 상태를 흐트러뜨리는 요인
직선편광된 빛이 굴절률에 이방성을 갖는 물질(복굴절성 물질)을 투과하면, 정상광선과 이상광선 사이에 위상차 (리타데이션) R = Δn × d 가 발생합니다. 이 위상차로 인해 투과 후의 빛은 일반적으로 타원편광으로 변화합니다. 위상차의 크기에 따라 편광 상태는 연속적으로 변화하며, 마침 1/4파장만큼의 위상차가 생기면 원편광에 가까워지고, 1/2파장만큼에서는 편광면이 회전한 직선편광이 됩니다. 즉 복굴절은 의도적으로 설계된 파장판이 아닌 부위에서 의도치 않게 편광 상태를 흐트러뜨리는 요인으로 작용합니다.
편광현미경의 직교니콜 관찰은 이러한 성질을 역이용한 측정 기법입니다. 편광자와 검광자 (니콜)를 투과축이 직교하도록 배치하면, 무색투명하고 복굴절이 없는 시료는 빛을 통과시키지 않습니다. 그러나 복굴절이 있는 시료를 끼우면 투과한 빛의 편광 상태가 흐트러져 검광자를 일부 통과할 수 있게 되어 간섭색으로 관찰됩니다 (J-STAGE 편광현미경의 원리・구조). 광학부품의 복굴절을 평가할 때 편광현미경이 사용되는 것은 이 때문입니다.
광학 수지에서 복굴절이 문제가 되는 것은 액정 디스플레이나 HUD・AR 글라스처럼 편광 제어를 전제로 하는 광학계에서입니다. 복굴절의 물리적 원리, 배향복굴절・응력복굴절의 발생 메커니즘, 수지별 비교, 성형 공정에서의 대책에 대해서는 복굴절 해설 기사 (복굴절이란｜iupizeta.mgc.co.jp)에 자세히 설명되어 있습니다. 또한 복굴절로 인한 편광의 흐트러짐은 전광선 투과율이나 헤이즈와 같은 투명성 지표에는 나타나지 않습니다. 이러한 지표의 차이는 다른 기사 (전광선 투과율과 헤이즈의 차이｜iupizeta.mgc.co.jp)에서 설명하고 있습니다.
Iupizeta®EP의 포지셔닝 저복굴절에 따른 편광 관련 광학계 적합성
미쓰비시가스화학의 광학 수지 ‘Iupizeta®EP’는 특수한 분자 설계에 의해 복굴절을 극소화한 광학 수지입니다 (Iupizeta®EP 제품 정보). 앞서 설명한 대로 복굴절은 편광 상태를 흐트러뜨리는 요인이므로, 저복굴절이라는 것은 편광 제어를 전제로 하는 광학계에서 상 품질을 유지하는 데 유리한 특성입니다. 발생 메커니즘과 수지 간 비교는 복굴절 해설 기사 (복굴절이란)에서 다루고 있습니다.
굴절률 (nd) 1.616~1.671, 아베수 (νd) 19.2~25.8의 범위인 그레이드를 전개하고 있으며, 예상 용도로는 스마트폰 카메라 렌즈, 차량용 카메라, 각종 광학기기용 정밀 렌즈를 들 수 있습니다 (Iupizeta®EP 제품 정보). 굴절률을 높이면 복굴절도 증가하기 쉽다는 트레이드오프 속에서 저복굴절을 유지하는 설계는, 편광을 이용하는 정밀 광학계의 재료 선정에서 검토할 가치가 있습니다.
정리
편광이란 빛의 전기장 진동 방향이 특정 방향으로 치우친 상태이며, 직선편광・원편광・타원편광으로 분류됩니다. 편광자와 검광자의 조합은 말뤼스 법칙에 따라 광량을 제어하며, 액정 디스플레이나 PL 필터, 편광 방식 3D 안경과 같은 일상적인 광학기기의 동작 원리를 뒷받침합니다. 한편 복굴절을 가진 재료를 편광이 투과하면 위상차가 발생하여 편광 상태가 흐트러집니다. 편광을 이용하는 광학계의 재료 선정에서는 복굴절 억제가 상 품질을 좌우하는 중요한 설계 요소입니다.
Iupizeta®EP에 대하여
Iupizeta®EP는 미쓰비시가스화학이 개발한 광학 수지로, 굴절률 1.616~1.671, 아베수 19.2~25.8의 범위인 그레이드에 더해 독자적인 분자 설계에 의한 저복굴절이 특장점입니다. 상세한 물성 데이터나 샘플 제공에 대한 상담은 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.
