편광

편광 선글라스 두 개를 겹쳐 놓고 한쪽을 천천히 돌리면 점점 어두워지다가 90° 돌린 순간 거의 깜깜해진다. 두 렌즈는 각각 투명한데 겹치면 왜 빛이 막힐까? 그리고 그 사이에 비스듬히 기운 렌즈를 하나 더 끼우면 막혔던 빛이 다시 나온다. 빛을 더 가렸는데 왜 밝아질까?

두 편광판 사이 각 \(\theta\) (°)

2.3.1빛의 편광

빛은 전기장과 자기장이 진행 방향에 수직으로 진동하는 횡파이다. 햇빛이나 전등 빛은 전기장이 진행 방향에 수직인 모든 방향으로 무작위하게 진동한다. 그런데 편광판은 긴 분자들이 한 방향으로 늘어선 막이라, 특정 방향으로 진동하는 전기장만 통과시킨다. 편광판을 지난 빛은 한 방향으로만 진동하며, 이를 편광된 빛이라 한다. 종파인 소리에는 진동 방향을 고를 여지가 없으므로 편광이 없다.

그림 1에서 각을 바꾸어 보자. 45°에서는 절반이 통과하고, 60°에서는 4분의 1, 90°에서는 0이다. 따라서 수직으로 엇갈린 두 편광판은 빛을 완전히 막는다.

2.3.2세 번째 편광판의 수수께끼

수직으로 엇갈린 두 편광판 사이에 45° 기운 편광판을 끼우면, 첫 판을 지난 빛이 가운데 판에서 \(\cos^2 45° = \dfrac{1}{2}\)만 남되 진동 방향이 45°로 바뀐다. 그 빛은 마지막 판과 다시 45°를 이루므로 또 절반이 통과한다. 즉 편광판은 빛을 거르는 동시에 진동 방향을 자기 방향으로 바꾸어 놓는다. 그래서 가운데 판이 없을 때는 0이던 빛이 다시 나온다.¹

한편 물이나 도로 표면에서 반사된 빛은 수평 방향으로 강하게 편광된다. 편광 선글라스는 수직 방향 진동만 통과시켜 이 눈부신 반사광을 줄인다. 액정 화면은 두 편광판 사이에서 액정 분자가 빛의 진동 방향을 돌리는 정도를 전압으로 조절하여 픽셀의 밝기를 바꾼다.

2.3.3예제 풀이

첫 판을 지나면 \(\dfrac{I_0}{2}\)이다. 두 번째 판과의 각은 30°이므로 \(\dfrac{I_0}{2}\cos^2 30° = \dfrac{I_0}{2} \times \dfrac{3}{4} = \dfrac{3I_0}{8}\)이다. 세 번째 판과의 각은 60°이므로 \(\dfrac{3I_0}{8} \times \dfrac{1}{4} = \dfrac{3I_0}{32} \approx 0.094I_0\)이다.

가운데 판을 45°로 바꾸면 \(\dfrac{I_0}{2} \times \dfrac{1}{2} \times \dfrac{1}{2} = \dfrac{I_0}{8} = 0.125I_0\)으로 조금 더 밝다. 두 각이 같을 때 곱 \(\cos^2\alpha\cos^2(90° - \alpha)\)가 가장 크기 때문이다. 그리고 가운데에 판을 더 많이 끼워 각을 잘게 나누면 통과하는 빛이 점점 \(\dfrac{I_0}{2}\)에 가까워진다.

아래 탐구 카드에서 편광판 두 장 사이에 한 장을 더 끼우며 빛의 세기를 직접 계산해 보자.

1. 꿀벌과 일부 새는 하늘빛의 편광 방향을 느낄 수 있다. 햇빛이 공기 분자에 산란될 때 편광되므로, 해가 구름에 가려져도 편광 무늬로 해의 방향을 알아 길을 찾는다.